Nitrosomonas và Nitrobacter là hai nhóm vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí, tự dưỡng, cùng chuyển Amoni trong nước thải thành Nitrat qua hai bước: Nitrosomonas oxy hóa Amoni (NH4+) thành Nitrit (NO2–), sau đó Nitrobacter oxy hóa Nitrit thành Nitrat (NO3–). Hai nhóm này cần oxy hòa tan, đủ độ kiềm và tuổi bùn đủ dài, vì chúng sinh trưởng chậm hơn nhiều so với vi khuẩn xử lý BOD. Nitrat hóa chỉ chuyển dạng Nitơ; muốn giảm Tổng Nitơ, hệ thống cần thêm bước khử nitrat trong điều kiện thiếu khí.
Bài viết giúp bạn hiểu từng loại vi khuẩn, điều kiện chúng cần để hoạt động, cách nhận biết khi hệ thống thiếu vi khuẩn nitrat hóa và khi nào nên bổ sung.
Nitrosomonas và Nitrobacter là gì?
Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc nhóm vi khuẩn nitrat hóa (nitrifying bacteria). Đây là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng: chúng lấy năng lượng từ việc oxy hóa hợp chất Nitơ vô cơ (Amoni, Nitrit) và lấy carbon từ CO2 hòa tan trong nước, thay vì phân hủy chất hữu cơ như phần lớn vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính. Quá trình chúng thực hiện, gọi là nitrat hóa, là một mắt xích của chu trình Nitơ.
– Nitrosomonas: Vi khuẩn oxy hóa Amoni (AOB)
Nitrosomonas là chi vi khuẩn Gram âm, hình que, thuộc nhóm vi khuẩn oxy hóa Amoni (Ammonia-Oxidizing Bacteria – AOB). Chúng thực hiện bước đầu tiên và cũng là bước “tốn kém” nhất của nitrat hóa: chuyển Amoni thành Nitrit, tiêu thụ phần lớn lượng oxy và tạo ra ion H+ làm giảm độ kiềm của nước thải.
– Nitrobacter: Vi khuẩn oxy hóa Nitrit (NOB)
Nitrobacter là chi vi khuẩn Gram âm, hiếu khí, thuộc nhóm vi khuẩn oxy hóa Nitrit (Nitrite-Oxidizing Bacteria – NOB). Chúng nhận Nitrit do Nitrosomonas tạo ra và oxy hóa tiếp thành Nitrat, hoàn tất quá trình nitrat hóa. Vai trò này quan trọng vì Nitrit là dạng Nitơ trung gian độc với thủy sinh vật và gây sai lệch khi phân tích COD.
Nitrosomonas và Nitrobacter là hai cái tên kinh điển trong giáo trình, nhưng không phải là những vi khuẩn nitrat hóa duy nhất. Nhiều nghiên cứu phân tích quần thể vi sinh trong bùn hoạt tính cho thấy chi Nitrospira mới thường là vi khuẩn oxy hóa Nitrit chiếm ưu thế ở các nhà máy xử lý nước thải (Lücker và cộng sự, 2015). Năm 2015, các nhà khoa học còn phát hiện một số loài Nitrospira có thể tự thực hiện cả hai bước, từ Amoni đến Nitrat, gọi là comammox (Daims và cộng sự, 2015).
Với người vận hành, điều cần nắm là chức năng: dù vi khuẩn nào đảm nhận, nitrat hóa vẫn diễn ra qua hai bước và chịu cùng các yếu tố ảnh hưởng như oxy, pH, độ kiềm và tuổi bùn.
| Vi khuẩn | Nhóm | Bước đảm nhận | Chuyển hóa | Ghi chú |
| Nitrosomonas | AOB | Bước 1 | NH4+ → NO2– | Đại diện điển hình của nhóm oxy hóa Amoni |
| Nitrobacter | NOB | Bước 2 | NO2– → NO3– | NOB kinh điển, phổ biến trong chế phẩm vi sinh |
Nitrosomonas và Nitrobacter chuyển hóa Nitơ như thế nào?
Trong hệ xử lý sinh học, nitrat hóa diễn ra ở bể hiếu khí (bể Aerotank, pha sục khí của bể SBR, bể MBBR…). Đây là một trong hai quá trình cốt lõi của xử lý Nitơ Amoni và Nitrat bằng sinh học, gồm hai bước nối tiếp:
– Bước 1: Amoni → Nitrit (Nitrosomonas)
2NH4+ + 3O2 → 2NO2– + 4H+ + 2H2O
Theo phương trình, bước này dùng khoảng 3,43 g oxy cho mỗi gam Nitơ-Amoni và giải phóng H+ – nguyên nhân làm tiêu hao độ kiềm và giảm pH trong bể hiếu khí.
– Bước 2: Nitrit → Nitrat (Nitrobacter)
2NO2– + O2 → 2NO3–
Bước 2 cần thêm khoảng 1,14g oxy cho mỗi gam Nitơ. Cộng hai bước, tổng nhu cầu là 4,57g O2 cho mỗi gam N-NH4+ bị oxy hóa (SUEZ Degrémont). Nếu bước 2 bị ức chế trong khi bước 1 vẫn chạy, Nitrit sẽ tích tụ trong nước sau xử lý.
Sau Nitrat hóa, lượng Nitơ trong nước thải gần như không đổi – nó chỉ chuyển từ dạng Amoni sang Nitrat. Vì vậy một hệ thống có thể đạt chỉ tiêu Amoni nhưng vẫn vượt Tổng Nitơ. Để đưa Nitơ ra khỏi nước dưới dạng khí N2, cần thêm quá trình khử Nitrat ở bể thiếu khí (Anoxic).
Điều kiện để Nitrosomonas và Nitrobacter hoạt động hiệu quả
Vi khuẩn Nitrat hóa nhạy cảm hơn đáng kể so với vi khuẩn dị dưỡng xử lý BOD. Bảng dưới tổng hợp các giá trị tham chiếu từ tài liệu kỹ thuật; giá trị thiết kế cụ thể cần điều chỉnh theo từng hệ thống.
| Thông số | Giá trị tham chiếu | Vì sao quan trọng |
| Oxy hòa tan (DO) | Vận hành khoảng 1,5-2 mg/L; tốc độ Nitrat hóa tăng đến 3-4 mg/L; bị ức chế mạnh dưới 0,5 mg/L | Cả hai bước đều cần oxy; thiếu DO là nguyên nhân phổ biến nhất khiến Amoni không giảm |
| pH | Tối ưu khoảng 7,2-8,0; hiệu suất giảm rõ khi dưới 6,8 | Nitrat hóa tự làm giảm pH do sinh H+ |
| Độ kiềm | Tiêu thụ 7,14 mg CaCO3 cho mỗi mg N-NH4+; nên còn dư khoảng 70-80 mg/L CaCO3 sau Nitrat hóa | Cạn kiềm → pH tụt → nitrat hóa chậm lại dù DO đủ |
| Nhiệt độ | Đa số chủng phát triển tốt nhất ở 25-30°C | Nhiệt độ thấp làm chậm sinh trưởng, cần tuổi bùn dài hơn |
| Tuổi bùn (SRT) | Đủ dài để vi khuẩn kịp sinh sản; nhiệt độ càng thấp càng cần dài (ví dụ ở 12°C cần trên 8 ngày) | Thải bùn quá nhiều sẽ rửa trôi vi khuẩn nitrat hóa |
| Chất ức chế | Kim loại nặng (Cu, Zn, Ni, Cr, Cd, Hg) gây ức chế ở nồng độ chỉ vài mg/L; clo tự do và chất khử trùng | Độc chất trong nước thải công nghiệp, y tế có thể làm mất nitrat hóa đột ngột |
Ví dụ tính nhanh nhu cầu độ kiềm: Nước thải có Amoni 40 mg/L (tính theo N). Để Nitrat hóa hoàn toàn cần: 40 × 7,14 ≈ 286 mg/L độ kiềm (CaCO3), chưa kể lượng nên còn dư 70-80 mg/L sau xử lý. Nếu độ kiềm đầu vào chỉ khoảng 200 mg/L, hệ sẽ thiếu kiềm: pH giảm dần trong bể hiếu khí và Amoni đầu ra tăng dù sục khí đủ. Xem chi tiết: Cách kiểm soát độ kiềm khi xử lý Nitơ trong nước thải>>>
Vì sao hệ xử lý hay mất vi khuẩn Nitrat hóa?
Trong thực tế vận hành, nitrat hóa thường là khâu yếu nhất của hệ sinh học. Bốn nguyên nhân phổ biến:
- Sinh trưởng chậm, dễ bị rửa trôi: Vi khuẩn nitrat hóa sinh trưởng chậm hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng. Khi thải bùn quá nhiều, chúng bị đưa ra khỏi hệ nhanh hơn tốc độ sinh sản. Duy trì nồng độ bùn MLSS hợp lý là điều kiện tiên quyết.
- Thiếu oxy hoặc cạn độ kiềm: Tải Amoni tăng nhưng công suất sục khí và độ kiềm không đổi.
- Sốc tải: Nồng độ Amoni hoặc BOD tăng đột ngột; vi khuẩn dị dưỡng phát triển nhanh sẽ cạnh tranh oxy với vi khuẩn nitrat hóa.
- Độc chất: Kim loại nặng, chất khử trùng, dung môi trong nước thải đầu vào ức chế hoặc tiêu diệt vi khuẩn nitrat hóa.
Kết quả phân tích nước sau xử lý giúp khoanh vùng nguyên nhân:
| Dấu hiệu | Khả năng | Nên kiểm tra |
| Amoni đầu ra cao, Nitrit thấp | Bước 1 (Nitrosomonas) yếu hoặc thiếu mật độ | DO, pH, độ kiềm, tuổi bùn, độc chất đầu vào |
| Amoni giảm nhưng Nitrit tăng | Bước 2 (Nitrobacter) bị ức chế | DO có thấp kéo dài không; Amoni/pH có quá cao không (Amoniac tự do ức chế nhóm oxy hóa Nitrit ở nồng độ thấp hơn nhóm oxy hóa Amoni) |
| pH bể hiếu khí giảm dần qua các ngày | Cạn độ kiềm | Độ kiềm dư sau bể hiếu khí |
| Amoni và Nitrit đạt, Tổng Nitơ vượt | Không phải lỗi nitrat hóa, mà ở khâu khử nitrat | Bể thiếu khí: nguồn carbon, dòng tuần hoàn nội |
Với hệ AAO, xem hướng xử lý chi tiết từng bể tại: Khắc phục Amoni, Nitơ không đạt trong hệ AAO>>>
Khi nào nên bổ sung vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter?
Bổ sung vi khuẩn nitrat hóa giúp rút ngắn thời gian hệ thống tự gây dựng quần thể – vốn có thể kéo dài nhiều tuần do tốc độ sinh trưởng chậm. Ba tình huống thường cần bổ sung:
- Khởi động hệ thống mới hoặc sau khi cải tạo, nuôi cấy lại bùn.
- Phục hồi sau sự cố: sốc tải, sốc độc chất, mất điện kéo dài, thải bùn quá mức.
- Nước thải có Nitơ cao (chế biến thủy sản, cao su, thực phẩm, chăn nuôi…) khi quần thể tự nhiên không theo kịp tải.
Thứ tự quyết định hiệu quả: xử lý điều kiện môi trường trước (DO, pH, độ kiềm, độc chất), sau đó mới bổ sung vi sinh. Nếu DO thấp hoặc cạn kiềm, vi khuẩn mới đưa vào cũng không hoạt động được.
Men vi sinh Microbe-Lift N1 do Ecological Laboratories (Mỹ) sản xuất và BIOGENCY phân phối tại Việt Nam, là chế phẩm dạng lỏng chứa hai chủng vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter ở trạng thái sống, dùng để thiết lập, duy trì hoặc phục hồi quá trình nitrat hóa trong bể hiếu khí. Sản phẩm có khả năng hoạt động ở nồng độ Amoni lên đến 1.500 mg/L. Liều dùng được tính theo tải lượng Nitơ và thể tích bể, vì vậy nên để kỹ sư BIOGENCY tư vấn dựa trên số liệu thực tế của hệ thống.
Nitrosomonas và Nitrobacter là hai “mắt xích” quyết định khả năng xử lý Amoni của hệ thống sinh học. Chúng cần đủ oxy, độ kiềm và tuổi bùn, và vì sinh trưởng chậm nên luôn là nhóm suy yếu đầu tiên khi hệ gặp sự cố. Kiểm soát đúng điều kiện môi trường là bước bắt buộc; bổ sung vi khuẩn nitrat hóa là cách rút ngắn thời gian khởi động và phục hồi khi quần thể tự nhiên không đủ.
Cần hỗ trợ chẩn đoán hệ thống, kiểm tra các chỉ số Amoni, Nitrit, Nitrat, DO, pH, độ kiềm của hệ thống? Liên hệ BIOGENCY qua HOTLINE 0909 538 514 để được kỹ sư đánh giá bước nào đang nghẽn và tư vấn phương án phù hợp.
>>> Xem thêm: Kỹ thuật BIOGENCY chia sẻ kinh nghiệm khởi động hệ thống xử lý nước thải nhanh, đạt chuẩn Amonia Nitơ
