hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống

Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn Lời cảm ơn Thực tập tốt nghiệp đợc thực hiện tại phòng Quang Sinh Học Viện Công Nghệ Sinh Học Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Thị Tố Uyên, PGS. TSKH Trần Văn Nhị và tập thể các cán bộ nghiên cứu phòng Quang Sinh Học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đạo và các thầy, cô khoa Công Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm của gia đình và bạn bè trong thời gian vừa qua đã giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành báo cáo này Hà nội, ngày 29 tháng 3 năm 2007 Sinh viên Trần Quốc Tuấn Mục lục trang Mở đầu 3 Phần I : Tổng quan tài liệu I Sự ô nhiễm các nguồn nớc 1 Đặc điểm phân loại nớc 2 Các hợp chất hữu cơ 3 Các hợp chất vô cơ 1 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn II Các phơng pháp khử nitơ liên kết trong nớc 1 Phơng pháp lý học 2 Phơng pháp hoá học 3 Phơng pháp sinh học 3.1 Cơ sỏ lý thuyết của phơng pháp sinh học 3.2Các phơng pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết Phần II : Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu I Vật liệu 1 Đối tợng nghiên cứu 2 Dụng cụ và hoá chất II Phơng pháp nghiên cứu 1 Phơng pháp xác định hàm lợng NH 4 + 2 Phơng pháp xác định hàm lợng NO 2 - 3Phơng pháp xác định hàm lợng NO 3 - Phần III Kết quả nghiên cứu I Những cải tiến mới II Cấu tạo của thiết bị NIREF III Lắp đặt thực tế IV Kết quả đạt đợc Phần IV Kết luận và kiến nghị Mở đầu Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, sự phát triển của ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và sự gia tăng dân số là những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trờng nhất là môi trờng nớc. Sự ô nhiễm môi trờng này ảnh hởng trực tiếp đến sức khoẻ cộng đồng và tác hại đến hệ sinh thái. Vì vậy vấn đề giám sát và quản lý môi trờng và xử lý làm sạch môi trờng đợc đặc biệt chú trọng và đợc xem là một trong những nhiệm vụ cấp bách hàng đầu của các Quốc gia trên thế giới. 2 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn - Việt nam có nguồn tài nguyên nớc dồi dào nhng sự suy giảm chất lợng nớc mặt và nớc ngầm đang gia tăng ở nhiều nơi. Nguyên nhân của hiện tợng này là do sự ô nhiễm môi tròng do một lợng lớn phế thải sản xuất, sinh hoạt trực tiếp cho ra môi trờng mà không qua xử lý. Các nguồn n- ớc thải loại này có hàm lợng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ rất cao. Các chất này đợc vi sinh vật phân huỷ tạo thành các sản phẩm trung gian nh: NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - đợc gọi chung là nitơ liên kết - Sự lạm dụng quá nhiều phân đạm hoá học trong sản xuất nông nghiệp cũng là nguyên nhân làm gia tăng hàm lợng nitơ liên kết trong các tầng nớc mặt và nớc ngầm. Nguồn nớc này đợc các nhà máy nớc và các hộ gia đình khai thác để sử dụng làm nớc sinh hoạt (kể cả cho mục đích ăn uống) đã ảnh hởng rất lớn đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là trẻ em và phụ nữ mang thai. - Hiện nay, nhiều phơng pháp và quy trình xử lý phù hợp với từng nguồn nớc thải khác nhau đang đợc áp dụng rộng rãi nh : Phơng pháp cơ học,hoá học, phơng pháp sinh học. Do có những u việt hơn hẳn so với các phơng pháp khác, phơng pháp sinh học ngày càng đợc áp dụng rộng rãi. Trong các phơng pháp sinh học, xử lý nớc thải bằng vi sinh vật là phơng pháp dễ tiến hành, thiết bị đơn giản có hiệu quả cao nhờ vi sinh vật có khả năng tự điều chỉnh có thể sử dụng và chuyển hoá nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại thành sản phẩm vô hại. - Gần đây việc xử lý nitơ liên kết trong nguồn nớc sinh hoạt trong những năm gần đây rất đợc chú trọng, đã có nhiều công trình nghiên cứu và có kết 3 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn quả rất khả quan. Tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị khử nitơ liên kết trong nớc ăn uống bằng kỹ thuật sinh học. Mặc dù đang đợc áp dụng vào thực tế cuộc sống nhng việc hoàn thiện công nghệ và tối u hoá cấu tạo thiết bị còn phải đợc tiếp tục. Do đó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : Hoàn thiện thiết bị lọc nớckhử nitơ liên kết trong nớc ăn uống " 4 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn PHầN 1: TổNG QUAN TàI LIệU I. Sự ô nhiễm các nguồn nớc 1. Đặc điểm và phân loại nớc thải - Nớc là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật. Không có nớc cuộc sống của con ngời trên trái đất không tồn tại đợc.Nhng nguồn nớc cấp cho mọi nhu cầu sinh hoạt và giải trí cho con ngời chỉ có hạn. Lợng nớc ngọt có thể sử dụng đợc chỉ chiếm khoảng 0.26% lợng nớc toàn trái đất, trong số đó chỉ có 1/3 lợng nớc này có khả năng sử dụng cho mục tiêu sản xuất nớc sạch. Trong vài thập kỷ gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi nền kinh tế và đời sống con ngời đợc nâng cao, bên cạnh đó cũng làm suy thoái và cạn kiệt các nguồn nớc cấp cho sinh hoạt.Phần lớn lợng phế thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt của con ngời xả trực tiếp vào các nguồn nớc không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nặng. - Có ba loại nớc thải chủ yếu + Nứơc thải sinh hoạt : là loại phổ biến, có nguồn gốc từ những sinh hoạt khác nhau của con ngời, từ các bệnh viện, hàng ăn và các chất thải của con ngời Nớc thải loại này chứa hàm lợng các chất hữu cơ rất cao. + Nớc thải công nghiệp: là loại chứa nhiều chất vô cơ, kim loại, hữu cơ Điều quan trọng là chúng thờng chứa nhiều chất gây độc đối vối sinh vật. Loại nớc thải này có nguồn gốc từ những nhà máy, những sản phẩm thừa, cũ, hỏng hoặc không thể sử dụng đợc và chất thải độc hại từ các quá trình 5 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn sản xuất công nghiệp 2. Các hợp chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ có trong nớc thải thờng đợc chia làm hai loại :Loại khó phân huỷ và loại dễ phân huỷ. Lợng hữu cơ dễ phân huỷ đợc đánh giá theo chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD). Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD 5 ) là lợng oxy tiêu tốn nhờ vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nớc trong thời gian 5 ngày ở 20 o C. COD: nhu cầu oxy hoá học dùng để oxy hoá toàn bộ chất hữu cơ và các gốc khử có trong nớc thải . Do vậy tỉ số COD/BOD luôn lớn hơn 1 3. Các hợp chất vô cơ Các hợp chất vô cơ có nồng độ khá cao trong nớc thải khu dân c nh Cl - , SO 4 2- , PO 4 3- , Na + , K + và trong nứơc thải công nghiệp nh kim loại có độc tính cao nh: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr - Nớc thải còn chứa nhiều hợp chất vô cơ chứa nitơ nh: NH 4 + , NO 3 - , NO 2 - Trong hệ thuỷ sinh các hợp chất hữu cơ này tăng cờng sinh trởng, nhiều loài rong tảo phát triển và sự tích tụ rồi phân huỷ sinh khối của chúng gây ô nhiễm môi trờng nuôi - Sự ô nhiễm nitơ liên kết nguồn nớc mặt do phế thải sinh hoạt và sản xuất đã tác động trực tiếp đến chất lợng nguồn nớc ngầm. Tại Hà Nội, kết quả báo cáo chất lợng nớc của Bộ xây dựng, Công ty t vấn cấp thoát nớc và môi trờng Việt Nam cho chất lợng nhiều nguồn nớc ngầm ngày càng bị suy giảm nghiêm trọng.Nớc từ nhiều nhà máy nớc chứa một hàm lợng NH 4 + lớn nh nhà 6 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn máy nớc Pháp Vân hàm lợng NH 4 + lên đến 60 mg/l, nhà máy nớc Tơng Mai là 30 mg/l và nhà máy nớc Yên Phụ là 20 mg/l ( 9 ) . - Amoni(NH 4 + )thực ra không qúa độc đối với con ngời nh đối với nhiều thuỷ động vật nhng trong quá trình khai thác, xử lý, lu trữ chúng bị chuyển hoá thành nitrit. Hàm lợng nitrit cao trong nớc uống sẽ gây bệnh đ- ờng hô hấp ( methemoglobinemia (bệnh xanh da)) ở trẻ em. NO 2 - có thể kết hợp với axit amincó trong thức ăn để tạo ra hợp chất nitrosamin sản phẩm này có thể gây bệnh ung th cho con ngời, vì vậy ngời ta đã tìm nhiều biện pháp loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nớc sinh hoạt II. Các phơng pháp khử nitơ liên kết trong nớc Để loại bỏ hợp chất nitơ, ngời ta có thể sủ dụng nhiều phơng pháp nh phơng pháp lý học, phơng pháp hoá học, sinh học. Chúng có những u nhợc điểm riêng và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau. 1. Phơng pháp lý học( 19) - Trong phơng pháp lý học ngời ta thờng loại bỏ amôn ở dạng khí dễ bay hơi (NH 3 ), bằng cách thổi khí .Để chuyển hoá mạnh amôn thành dạng khí ngời ta nấy pH nớc khoảng 10,5-11,5. - Ưu nhợc điểm của quá trình : Ưu điểm : + Có thể kiểm soát đợc quá trình + Kỹ thuật đơn giản Nhợc điểm + Trong môi trờng nớc Nitơ liên kết không chỉ tồn tại ở dạng NH 4 + mà 7 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn nó còn tồn tại dới dạng NO 2 - , NO 3 - . Bằng phơng pháp này không thể giảm thiểu đợc các hợp này + Quá trình chuyển hoá NH 4 + thành NH 3 và giải phóng vào không khí dẫn đến ô nhiễm không khí 2. Phơng pháp hoá học (19) Để xử lý nớc chứa Nitơ liên kết bằng phơng pháp hoá học ngời ta sử dụng các phơng pháp nh: Phơng pháp clo hoá, phơng pháp trao đổi ion. 2.1 Phơng pháp Clo hoá (19) Nguyên tắc Sử dụng chất oxy hoá mạnh nh :Clo, Ozon, Cloramin, KMnO 4 để oxy hoá amoni thành Nitrit, Nitrat . Khi sử dụng Clo quá trình này diễn ra nh sau : Cl 2 + H 2 O = HClO + HCl (1) (hypoclorit) Amonia trong nớc sẽ tác dụng với HClO tạo nitơ phân tử bay vào không khí 2 NH 3 + 3 HClO = N 2 + 3 H 2 O + 3 HCl (2) - Tuy nhiên, để phản ứng (2) xảy ra thì tỉ lệ Cl 2 /NH 4 + (về khối lợng g/g) phải đạt tới 7,6, do đó chuyển hoá 1mg NH 3 phải cần ít nhất 8 mg Clo. Nh vậy khi sử dụng phơng pháp này, ngời ta cần dùng một lợng lớn Clo. - Ưu nhợc điểm của quá trình : Ưu điểm + Quá trình này có thể kiểm soát đợc, tất cả lợng N-NH 3 đều có thể đợc oxy hoá hết. 8 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn + Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nớc + Không tốn diện tích mặt bằng Nhợc điểm + Chi phí vận hành cao + Còn tồn tại một lợng lớn Clo d và hợp chất Clo là nguyên nhân gây độc với con ngời và sinh vật thuỷ sinh + Quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH, liều lợng Clo sử dụng +Trong quá trình xử lý một lợng trihalomethane tạo thành ảnh hởng đến chất lợng nớc cấp + Cần phải kiểm soát chặt chẽ độ pH để tránh sự tạo thành khí NCl 3 + Không khử đợc nitơ dạng NO 2 - và NO 3 - 2.2 Phơng pháp trao đổi ion (19) Nguyên tắc Nớc cần xử lý đi qua bề mặt nhựa trao đổi này(loại cationit).NH 4 + đợc hấp thụ lên bề mặt hạt nhựa đó. Để hoàn nguyên vật liệu này cần sử dụng một số iôn khác đẩy NH 4 + ra, thông thờng ngời ta sử dụng HCl loãng Phơng pháp này hiện nay đợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý nớc cấp. Ngày nay ngời ta đã chế tạo ra một loại nhựa nhân tạo để xủ lý nớc ngầm có nồng độ NO 3 - cao theo nguyên lý sau: Nớc ngầm đợc bơm lên từ giếng vào bể chứa trung gian. Sau đó nớc đợc bơm qua bể áp lực để loại bỏ cặn 9 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn bẩn ở dạng keo Hydroxit- Fe, Al Nớc đợc dẫn chẩy qua cột trao đổi ion (loại anionit). Tại đây xẩy ra quá trình trao đổi ion NO 3 - với Clo ở lớp khuếch tán của hạt nhựa. Kết quả là NO 3 - bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nớc sau khi đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lợng NO 3 - đạt yêu cầu dùng cho nớc ăn uống Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO 3 - cao trong nớc ngầm Ưu điểm + Dễ dàng kiểm soát quá trình + Điều kiện vận hành đơn giản + Đạt hiệu quả cao + Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi bằng cách ngâm nhựa trong dung dịch muối ăn bão hoà để giải hấp phụ. Nhợc điểm + Chi phí vận hành cao + Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ + Không áp dụng đợc cho nguồn nớc có nhiều cặn lơ lửng 3. Phơng pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nớc 3.1 Cơ sở lý thuyết của các phơng pháp sinh học 3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên N ớc vào Bể chứa trun g gian Bể lọc áp lực Cột trao đổi anion N ớc ra 10 [...]... và hoàn thiện thiết bị lọc nớc khử nitơ liên kết loại mới II Thiết bị lọc nớc khử nitơ liên kết NIREF đã cải tiến 1 Cấu tạo Về cấu tạo thiết bị không có gì khác nhiều so với thiết bị cũ: Thiết bị NIREF có hình trụ gồm ba khoang : khoang nitrat hoá (I), khoang khử nitrat (II) và khoang lọc cơ học (III) (hinh 6).Phần khác thiết bị cũ là khoang lọc cơ học Nớc vào NIREF I II III Nớc ra Hình 6: Sơ đồ thiết. .. hoá,và cha loại đợc asen, mangan và thiết bị còn cồng kềnh Vì vậy để góp phần giải quyết một số vấn đề nêu trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : Hoàn thiện thiết bị lọc nớc khử nitơ liên kết trong nứơc ăn uống Phần II: Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu I Vật liệu 26 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn 1 Đối tợng nghiên cứu Ngun nc sinh hot bi nhim nitơ liên kết và nguồn nớc bị nhiễm asen tại Hà Nội và các... III: Kết quả nghiên cứu I Tìm hiểu về thiết bị lọc nớc khử nitơ liên kết NIREF 1.Cấu tạo Thiết bị NIREF có hình trụ gồm hai khoang : khoang nitrat hoá (I), khoang khử nitrat (II) (hình 5 ) Vỏ NIREF đợc cấu tạo bằng thép inox không rỉ hoặc bằng nhựa, bên trong khoang I và II đợc bố trí hai máy bơm(máy bơm ngâm trong nớc) 32 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn Nớc vào NIREF Nớc ra I II Hình 5: Sơ đồ thiết bị. .. Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn Nớc vào NIREF Nớc ra I II Hình 5: Sơ đồ thiết bị khử nitơ liên kết (NIREF) 2 Công dụng Dùng để loại bỏ nitơ liên kết trong nớc ăn uống :amôni ,nitrit, nitrat những chất có thể bị vi khuẩn chuyển hoá thành NO2- Chất này gay bệnh đờng hô hấp ở trẻ nhỏ và kết hợp với một số axit amin trong thức ăn tạo ra một số sản phẩm có thể gây bệnh ung th cho cả ngời lớn 3 Nguyên lý hoạt... dời đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dới tác động của sinh vật Hình 2: chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Trong chu trình chuyển hoá này, các cơ thể thực vật, vi khuẩn có khả năng sử dụng(đồng hoá) nhiều dạng nitơ liên kết để sinh trởng và phát triển Các vi khuẩn nitrat hoá và phản nitrat hoá trong tự nhiên chuyển hoá các hợp chất nitơ vô cơ thành N2 Nitơ phân tử(N2) lại đợc... trên vật liệu lọc (các hạt lọc) chứa đầy trong hai khoang của máy Tại khoang nitrat hoá,vi khuẩn đợc cố định trên vật liệu lọc (bề mặt của hạt lọc) tiến hành quá trình oxy hoá NH4+thành NO2- và NO3- Tại khoang khử nitrat xẩy 33 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn ra quá trình chuyển NO3 thành nitơ phân tử N2 không độc hại bay vào không khí Nguyên lý hoạt động của máy lọc nớc khử nitơ liên kết: Nớc đợc chẩy... vào quá trình chuyển hoá amôni có trong nớc ngầm - Nghiên cứu kỹ thuật cố định các chủng vi khuẩn chọn lọc vào chất mang - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc sinh học sử dụng chất mang này để xử lý nớc ăn uống nhiễm amôni Hiện nay, tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị xử lý 25 Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn amôni với quy mô gia đình Trong quá trình sử dụng chúng tôi đã... mặt chất mang Nitrosomonas, Nitrobacter Trong quá trình khử nitơ liên kết ở lọc sinh học, amoni có trong nớc sẽ bị hấp thụ lên lớp ngoài của màng, màng này thờng dày khoảng 0,1-0,4 mm Quá trình chuyển hoá amôni trong nớc tách thành hai bớc: lớp ngoài màng chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí thực hiện quá trình nitrat hoá theo hai phản ứng sau: Chất mang Không Màng lọc+ O học NO - + H O + 2H+ NH4+ sinh 2... Các phơng pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết trong nớc Đợc chia làm hai nhóm: - Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên - Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo 3.2.1 Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên Cơ sỏ lý thuyết cuả các biện pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của hệ tự nhiên Việc xử lý nớc thực hiện ở các dạng nh: Cánh đồng tới, cánh đồng lọc, ao hồ sinh học 18 Báo cáo... khuẩn lên vật liệu lọc( trong thời gian này không cho nớc ra vào máy ) Tiếp theo cấp nớc vào máy với lu lợng nớc nhỏ khoảng 2-3 l/h và để máy chạy khởi động liên tục trong vòng một tuần (mục đích là để vi khuẩn phát triển đầy trên bề mặt hạt lọc) 5 Hình ảnh mẫu nớc trớc và sau xử lý Chất lợng nớc về nitơ liên kết đợc đánh giá bán định lợng bằng thuốc thử Nessler cho NH4+ ( nếu nớc bị nhiễm thì có màu . cấu tạo thiết bị còn phải đợc tiếp tục. Do đó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : Hoàn thiện thiết bị lọc nớckhử nitơ liên kết trong nớc ăn uống ". thành công thiết bị khử nitơ liên kết trong nớc ăn uống bằng kỹ thuật sinh học. Mặc dù đang đợc áp dụng vào thực tế cuộc sống nhng việc hoàn thiện công