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

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

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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 1 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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 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 2 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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. - 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 nớc 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 3 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 - 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 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 4 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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 " 5 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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. 6 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 + 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 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 7 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 - 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 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 đờng 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 8 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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 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) 9 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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. + Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nớc 10 [...]... 0918.775.368 amôni với quy mô gia đình Trong quá trình sử dụng chúng tôi đã thấy suất hiện một số hạn chế cần khắc phục nh: Hiệu suất xử lý cha cao,cha tự động 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 31 Website: http://www.docs.vn... học 3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Sơ đồ 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 13 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 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... hành từ năm 2000 2004 Kết quả đã đợc công bố: - Chọn lựa đợc các vi sinh vật tham gia 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 30 Website:... 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: NH4+ + O2 NO2- + H2O + 2H+ Oxy hoá nitrit : NO2- + O2 NO3- - ở lớp trong của màng, lợng oxy bị giảm... 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 vùng phụ cận 2 Dụng cụ và hoá chất 2.1 Dụng cụ Cân điện tử Máy đo oxy hoà tan Thiết bị khử nitơ liên kết NIREF Các dụng cụ khác phục vụ quá trình 2.2 Hoá chất và cách pha chế Các hoá chất có độ tinh khiết cao, một số hoá chất nhập ngoại đợc sử dụng trong báo cáo này 2.2.1 Một số thuốc thử thờng... vậy, trong kỹ thuật này giai đoạn sau nên tạo điều kiện thiếu khí để loại bỏ hoàn toàn hợp chất nitơ ra khỏi nguồn nớc III Tình hình nghiên cứu công nghệ khử nitơ liên kết ở Việt Nam ở nớc ta hiện nay nguồn nớc cung cấp cho sinh hoạt ở nông thôn cũng nh đô thị phần lớn là nớc ngầm - Về nguyên tắc, so với nguồn nớc mặt thì thì nớc ngầm sạch hơn về mặt vi sinh, về các chất lơ lửng và ít khả năng bị ô... 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 Ao hồ sinh... đây xẩy ra quá trình trao đổi ion NO3- với Clo ở lớp khuếch tán của hạt nhựa Kết quả là NO3- bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nớc sau khi đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lợng NO3- đạt yêu cầu dùng cho nớc ăn uống Nước vào Bể lọc áp lực Cột trao đổi anion Nước ra Bể chứa trun g gian Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO3- cao trong nớc ngầm Ưu điểm + Dễ dàng kiểm soát quá trình + Điều kiện vận hành đơn... hơn - Tuy nhiên, nớc ngầm lại chứa nhiều chất khoáng hoà tan cần xử lý là sắt, mangan, Asen và các hợp chất chứa nitơ ở Hà Nội, nớc dùng cho sinh hoạt hiện chỉ là nớc ngầm Trong khi đó nitơ liên kết trong nớc ngầm ở Hà Nội chủ yếu tồn tại dới dạng amôni (22) với hàm lợng cao đáng báo động Trong số 700.000 m3 nớc /ngày đêm từ 8 giếng khoan tập trung và 130 giếng khoan lẻ do công ty kinh doanh nớc sạch... 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 nhiều loại vi khuẩn cố định để chuyển thành NH4+ và nh vậy chu trình đợc khép kín Chính các cơ thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nớc trong thiên nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ 3.1.2 Quá trình amôn hoá - Đây là quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ dạng hữu cơ sang dạng vô . 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