nghiên cứu sự phản nitrate hóa đạm a môn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN    HỒ NGỌC HIỀN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỰ PHẢN NITRATE HÓA ĐẠM AMÔN TRONG NƯỚC Ở ĐIỀU KIỆN PHÒNG THÍ NGHIỆM Cán bộ hướng dẫn: LÊ ANH KHA Cần Thơ, 12/2013 PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm”, do Hồ Ngọc Hiền thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua. Cán bộ phản biện Cán bộ phản biện PGS. Nguyễn Văn Công ThS. Nguyễn Thị Như Ngọc Cán bộ hướng dẫn ThS. Lê Anh Kha LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp là một thử thách đối với tôi vì nó đánh dấu một bước ngoặc trước khi tốt nghiệp. Sau một khoảng thời gian khá dài thực hiện đề tài luận văn của mình tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ mọi người. Giờ đây, khi hoàn thành tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô bộ môn Khoa học Môi Trường – Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên đã truyền dạy vốn kiến thức quý báu, những kinh nghiệm thực tế để từ đó tạo cơ hội cho tôi thực tập tốt và thực hiện đề tài của mình. Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Anh Kha đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Khoa học Môi trường – K36 đã giúp đỡ và bổ sung những kiến thức cho đề tài luận văn của tôi. Trong quá trình hoàn thành luận văn mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến cũng như bổ sung của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 25 tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực hiện Hồ Ngọc Hiền i TÓM LƯỢC Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên, việc áp dụng quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ đang được chú ý và đẩy mạnh. Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi như cacbonic, nước và các chất vô cơ khác. Do vậy, đây là phương pháp tiết kiệm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường. Từ nhiều công trình nghiên cứu cho thấy có nhiều phản ứng phức tạp xảy ra ở màng sinh học (biofilm). Đây là một nghiên cứu nhằm ứng dụng giai đoạn khử nitrate hóa xảy ra ở màng sinh học để loại bỏ nitơ trong nước thải tổng hợp. Một hệ thống xử lí dạng bể liên tục chứa đựng vật liệu tự chế là các khối bê tông có sự tham gia của màng sinh học (biofilm) được bố trí ở phòng thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng, khi sử dụng các khối vật liệu không có lớp màng biofilm thì hệ thống xử lý nitrate không đạt hiệu quả. Nồng độ nitrate đầu vào và đầu ra ít dao động, nước thải đầu ra vẫn còn tồn tại dạng đạm amon. Khi hệ thống sử dụng các khối vật liệu có lớp màng biofilm và được cung cấp lượng cacbon từ bên ngoài thì hệ thống loại được hơn 98% đạm nitrate, nồng độ TN giảm hơn 76%, nước thải đầu ra không còn đạm nitrite và amon, đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40: 2011/BTNMT. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM LƯỢC i MỤC LỤC ii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3 2.1 Đặc điểm nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản 3 2.2 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước 7 2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải 8 2.3.1 Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng 8 2.3.2 Tác hại của nitơ đối với môi trường 8 2.3.3 Tác hại của nitơ đối với quá trình xử lý nước 9 2.4 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ 9 2.4.1 Quá trình amôn hoá 9 2.4.2 Quá trình nitrate hoá 10 2.4.3 Quá trình khử nitrate hoá 11 2.5 Các điều kiện để phản ứng loại nitrate xảy ra 13 2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate 14 2.7 Sơ lược về hệ vi sinh vật trong nước 15 2.8 Tác động của một số yếu tố lý hoá lên sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong nước 18 2.8.1 Nhiệt độ 18 2.8.2 pH môi trường 19 2.8.3 Ảnh hưởng của oxy đối với sinh vật kỵ khí 19 2.8.4 Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời 20 2.8.5 Nhu cầu oxy hoá học (COD) 20 2.9 Sinh trưởng bám dính của màng sinh học (Biofilm) 20 2.10 Một số phương pháp xử lý nitơ trong nước thải 22 2.10.1 Phương pháp lý hóa 22 iii 2.10.2 Phương pháp trao đổi ion 23 2.10.3 Phương pháp sinh học 23 2.11 Các công trình nghiên cứu có liên quan 27 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 29 3.2 Phương tiện nghiên cứu 29 3.3 Phương pháp nghiên cứu 29 3.3.1 Tạo vật liệu thí nghiệm 29 3.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 31 3.3.3 Phương pháp thu mẫu 33 3.3.4 Phương pháp phân tích mẫu 34 3.3.5 Phương pháp xử lý số liệu 34 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 4.1 Kết quả tạo màng biofilm cho vật liệu thí nghiệm 35 4.2 Kết quả thí nghiệm với dung dịch nước thải pha từ hóa chất có nồng độ tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản 36 4.2.1 Nhiệt độ 36 4.2.2 pH 37 4.2.3 EC 39 4.2.4 DO 40 4.2.5 COD 42 4.2.6 Tổng đạm 44 4.2.7 Tổng lân 46 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 5.1 Kết luận 50 5.2 Kiến nghị 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp (trước xử lý) 3 Bảng 2.2: Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thủy sản 4 Bảng 2.3: Thành phần nước thải công nghiệp của một số nhà máy chế biến thủy sản tiêu biểu 5 Bảng 2.4: Giá trị nồng độ các chất ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chế biến thủy hải sản An Giang 6 Bảng 3.1: Tên và lượng hóa chất được đưa vào bể cấp 33 Bảng 3.2: Phương pháp phân tích từng chỉ tiêu 34 v DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học 13 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 32 Hình 4.1: Khối bê tông không có màng biofilm 35 Hình 4.2: Khối bê tông sau khi tạo màng biofilm 35 Hình 4.3: Sự biến động nhiệt độ ( o C) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 36 Hình 4.4: Sự biến động pH giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 37 Hình 4.5: Sự biến động độ dẫn điện (EC, µS/cm) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 39 Hình 4.6: Sự biến động oxy hòa tan (DO, mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 41 Hình 4.7: Sự biến động của COD (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 43 Hình 4.8: Sự biến động nồng độ Photphorus (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 44 Hình 4.9: Sự biến động nồng độ Nitrogen (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 46 1 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, nước ta không ngừng đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa nhằm thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Điều đó dẫn đến hàng loạt các khu công nghiệp mọc lên, nếu không có sự kiểm soát và quản lý chặt chẽ thì sự phát triển về kinh tế sẽ đánh đổi bằng sự phá hoại về môi trường và cuối cùng dẫn đến ô nhiễm môi trường. Vấn đề ô nhiễm do khu công nghiệp, đặc biệt ô nhiễm môi trường nước là vấn đề bức thiết cần có sự quan tâm chặt chẽ của cấp quản lý và ban ngành có liên quan. Nước thải từ các khu công nghiệp chứa hàm lượng đạm, lân, các chất hữu cơ độc hại khó phân hủy, các loại vi trùng gây bệnh,… rất cao, đặc biệt là các nhà máy chế biến thủy sản đều chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để trước khi đưa ra môi trường bên ngoài (Bùi Thị Nga, 2006). Trong đó, sự ô nhiễm nitrate là mối quan tâm từ trước đến nay, vì đây là nguồn dinh dưỡng tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng phú dưỡng của các thủy vực, tảo phát triển mạnh, khi chết đi sẽ phóng thích các độc tố làm ảnh hưởng đến đời sống của thủy sinh vật, gây ra hiện tượng ô nhiễm các kênh rạch, và trong hệ tiêu hóa của con người NO 3 - sẽ bị chuyển hóa thành nitrosamine là hợp chất gây ung thư (Lương Đức Phẩm, 2007) làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng. Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2000), nước thải sau khi qua các giai đoạn xử lý của nhà máy chỉ làm giảm phần nào nguồn cacbon hữu cơ, còn lại chất dinh dưỡng đạm và lân. Sau khi xử lý sinh học, bình thường nước thải có thể giảm được 90 - 98% BOD, nhưng tổng nitơ chỉ giảm được 30 – 40% và khoảng 30% lượng photpho. Khi trong nước thải có hàm lượng N từ 30 – 60mg/l và hàm lượng P từ 4 – 8mg/l sẽ là môi trường quá giàu dinh dưỡng rất thích hợp cho rêu tảo và thực vật thuỷ sinh phát triển (Lương Đức Phẩm, 2007). Vì vậy việc áp dụng, lựa chọn các phương pháp hợp lý để xử lý nguồn nước thải là hết sức quan trọng. Công nghệ xử lý nước thải ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học và các biện pháp sinh học cũng đã chứng minh hiệu quả xử lý triệt để, hơn hẳn những biện pháp xử lý hóa lý khác. Phương pháp xử lý nước thải dùng hệ vi sinh vật bám dính có ưu điểm gọn nhẹ, đơn giản và tiết kiệm trong vận hành đã mở ra triển vọng ứng dụng rộng cho các công trình xử lý nước thải. Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu loại bỏ dinh dưỡng đạm lân trong nước thải bằng biện pháp sinh học như: Sử dụng hạt đất nung và khối bê tông để loại bỏ đạm và lân trong nước (Lê Anh Kha, 2003), nghiên cứu tính đa dạng nhóm vi sinh vật nitrate hoá (Slil et al., 2007), nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni bằng phương pháp sinh học kết hợp nitrate hoá và khử nitrate với giá thể vi sinh là sợi Acrylic (Nguyễn Việt Anh và ctv, 2005) và thí nghiệm khử nitơ amôn trong 2 nước ngầm bằng công nghệ sinh học ứng dụng giá thể vi sinh dạng sợi Polyester (Lều Thọ Bách, 2009). Theo Trần Đức Hạ (2002) để loại dinh dưỡng đạm trong nước bằng biện pháp sinh học cần thiết phải có nitrate hoặc nitrite,… Chứng tỏ việc loại đạm, lân trong nước thải đang được quan tâm và đạt được nhiều kết quả. Quá trình chuyển hoá nitơ là rất quan trọng trong xử lý nước thải, được xem là một cách loại thải amôn và nitrate thừa trong môi trường. Trong xử lý nước thải, sự loại thải hợp chất đạm có thể được thực hiện bởi sự kết hợp của quá trình nitrate hoá và quá trình khử nitrate. Thông qua quá trình phản nitrate hoá, nitrate được chuyển hoá thành N 2 O hoặc N 2 bay vào khí quyển làm giảm hàm lượng đạm trong nước thải. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm” được thực hiện.  Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng vật liệu bám dính khảo sát sự phản nitrate hoá đạm amôn trong dung dịch pha từ hóa chất ở điều kiện phòng thí nghiệm để có thể ứng dụng vào thực tế xử lí nước thải sinh hoạt, nước thải của trại chăn nuôi, xí nghiệp giết mổ gia súc hay nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản trước khi thải vào sông rạch tự nhiên.  Nội dung nghiên cứu Tạo các khối bê tông có dạng khối lập phương từ những nguyên liệu dễ tìm và rẻ tiền như cát, đá, xi măng. Tạo lớp màng biofilm trên bề mặt vật liệu bám dính có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật có sẵn trong hệ thống nước thải nhà máy chế biến thủy sản. Thực hiện thí nghiệm với nước thải tổng hợp có nồng độ tương đương với nồng độ nước thải sau giai đoạn nitrate hóa của nhà máy chế biến thủy sản dựa theo các tài liệu tham khảo. Theo dõi sự phản nitrate hóa đạm amôn trong bể phản ứng để tính hiệu suất xử lý của vật liệu. [...]... học phân tử và những thí nghiệm sinh lý học khác chúng ta có thể kết luận rằng chính vi khuẩn Kuenenia stuttgartiensis đã ôxy hoá amoni thành N2 trong điều kiện kị khí Quá trình này vì vậy được gọi là quá trình oxy hoá amoni trong điều kiện kị khí (Anaerobic Ammonia Oxidation) hay còn gọi là ANAMMOX Sự tồn tại c a các vi khuẩn tự dưỡng h a năng có khả năng oxy h a amoni bởi nitrate, nitrite và thậm... những yếu tố sau đây ảnh hưởng tới quá trình khử nitrat hoá trong quá trình xử lý nước thải cũng như trong một số môi trường khác: Nồng độ nitrate: Nitrate đóng vai trò là chất nhận electron c a vi sinh vật khử nitrate nên tốc độ sinh trưởng c a các vi sinh vật này phụ thuộc vào nồng độ nitrate theo mô hình động học c a Monod Điều kiện thiếu khí (anoxic): Quá trình phản nitrate h a xãy ra khi NO3- được... tiếp tục phản ứng với amoni còn lại để tạo thành N2 Quá trình này được gọi là quá trình anammox Tổng hợp ta có quá trình nitrite hoá bộ phận/anammox Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn:  Sự ôxy hoá amoni trong điều kiện hiếu khí ở giai đoạn I nhờ các vi khuẩn nitrite hoá  Quá trình anammox được thực hiện trong điều kiện hiếu khí ở giai đoạn II nhờ các vi khuẩn anammox 26 Như vậy cả hai loại... methanol được sử dụng cho quá trình hô hấp và tổng hợp tế bào Quá trình khử nitrat đạt cực đại khi tỉ số CH3OH/NO3- đạt xấp xỉ 2.5 pH c a môi trường: phản nitrate h a không thể xãy ra khi pH thấp vì ở điều kiện đó vi khuẩn phản nitrate h a không hoạt động và pH tối ưu các vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hoá thường nằm trong khoảng pH từ 7 – 8 Tác động c a pH tới quá trình phản nitrate. .. NH3 thông qua quá trình amôn hoá Sau quá trình amôn hoá là quá trình nitrate hoá chuyển hoá amôn thành nitrate bởi hoạt động c a vi sinh vật Nhóm vi sinh vật tiến hành quá trình này gọi chung là nhóm vi khuẩn nitrate hoá bao gồm hai nhóm tiến hành hai giai đoạn c a quá trình Giai đoạn oxy hoá NH4+ thành NO2- gọi là giai đoạn nitrite hoá, giai đoạn oxy hoá NO2- thành NO3- gọi là giai đoạn nitrate hoá NH4+,... ra hơn sự oxy h a bởi oxy phân tử NH4+ + NO2-  N2 + 2H2O NH4+ +1/2O2  NO2- + 2H+ + H2O Phản ứng anammox đã được xác nhận là sự oxy h a amoni bởi nitrite, phản ứng h a học đơn giản với tỷ lệ mol NH4+ : NO2- = 1:1 như ở phương trình trên Trong quá trình anammox, amoni cùng với nitrite được chuyển đổi dưới điều kiện kị khí tới N2 cung cấp hơi đốt và một lượng nhỏ nitrate theo phương trình phản ứng sau:... tính Nitrate (NO3-): nitrate là sản phẩm cuối cùng c a quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ ch a N có trong chất thải c a người và động vật, thực vật Nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, trong điều kiện yếm khí chúng nhanh chóng bị khử thành nitơ tự do tách ra khỏi nước Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l Vùng bị ô nhiễm do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trong nước. .. Các điều kiện để phản ứng loại nitrate xảy ra Theo Lương Đức Phẩm (2007), muốn loại được nitrate thì phải tạo điều kiện cho vi sinh vật khử nitrate hoạt động để khử nitrate thành nitơ phân tử bay vào không khí Do vậy, các phương pháp sinh học hay được dùng nhiều nhất để loại bỏ ô nhiễm các hợp chất nitơ Điều kiện cần thiết để khử nitrate là: - Trước hết phải có quá trình nitrate h a xảy ra và lượng nitrate. .. Điều này giải thích tại sao quá trình khử nitrate có thể xảy ra bên trong các hạt bùn hoạt tính hoặc ở lớp vi sinh vật bên trong c a màng sinh học (biofilm) mặc dù trong môi trường có nồng độ oxy hoà tan thấp Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ oxy h a tan là 1÷2mg/L không ảnh hưởng đến quá trình phản nitrate h a trong hệ thống lọc sinh học nhưng trong hệ thống bùn hoạt tính thì nồng độ oxy h a. .. Quá trình khử nitrate được kích thích trong sự có mặt c a Mo và Se, chúng hoạt động tạo thành format dehydrogenaza (formate dehydrogenase), một trong những enzyme phức tạp nhất trong sự trao đổi chất c a metanol Mo còn là nguyên tố chủ yếu trong việc tổng hợp men khử (reductase) nitrate Các hoá chất độc hại: Vi khuẩn khử nitrate hoá ít nhạy cảm với hoá chất độc hại hơn là vi khuẩn nitrate hoá 2.7 Sơ . tài Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm được thực hiện.  Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng vật liệu bám dính khảo sát sự phản nitrate hoá đạm amôn trong. cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm , do Hồ Ngọc Hiền thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua. Cán bộ phản biện Cán bộ phản. nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ h a chất 39 Hình 4.6: Sự biến động oxy h a tan (DO, mg/L) gi a các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ h a chất 41