Tiểu luận đề tài 2 nitrogen, amonia, nitrit, nitrat

Tiểu luận đề tài 2 nitrogen, amonia, nitrit, nitrat

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG o0o - TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI 2: NITROGEN- AMONIA, NITRIT, NITRAT GVGD: TS Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh SVTH: Lê Thanh Sơn MSSV: 91203160 Tp HCM, Tháng 03-2014 Nitơ (Nitrogen) I Tổng quan Nitơ nguyên tố quan trọng đất, nước, khí thành phần dinh dưỡng cần thiết cho tồn phát triển lồi động thực vật Trái đất Tính chất hóa học Nitơ phức tạp có nhiều số oxi hóa thay đổi từ (-III) đến (V): Từ chu trình Nitơ, khí đóng vai trị quan trọng việc nhận nguồn nitơ từ phóng điện, vi khuẩn -tảo cố định nitơ, trình đốt cháy Hình 1: Chu trình Nitơ Nitơ bị oxi hóa thành NO tác dụng bão điện từ, NO bị oxi hóa thành NO2 diện Ozon khơng khí NO2 bị khử trở lại thành NO q trình quang hóa Q trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (động đốt ơtơ) chuyển hóa N2 thành NO NO2 Các phản ứng khí oxi hóa NO2 thành N2O5 N2O5 liên kết với nước khơng khí tạo thành nitrat (NO3-) axit nitric (HNO3) Đây nguyên nhân gây mưa axit Nitrat tạo từ q trình oxi hóa trực tiếp nitơ ammonia từ phân bón hóa học Nitrat đóng vai trị quan trọng cung cấp nguồn dinh dưỡng cho trồng hấp thu để chuyển hóa thành protein (nitơ hữu cơ) NO3- + CO2 + thực vật xanh + ánh sáng mặt trời → protein Ngồi nitơ khí chuyển hóa thành protein tham gia vi khuẩn cố định đạm Cyanobacteria,một lồi vi khuẩn có nhiều đặc điểm giống tảo N2 + Vi khuẩn cố định đạm → protein Ammonia (NH3) hợp chất ammonium (NH4+) chứa urea nguồn dinh dưỡng dùng để bón cho đất cung cấp nguồn nitơ cho trồng chuyển hóa thành protein NH3 + CO2 + thực vật + ánh sáng → protein Thực vật người khơng có khả chuyển sử dụng nitơ hợp chất vô để tổng hợp thành protein mà phải dựa vào động vật khác Trong thể động vật, protein sử dụng với lượng lớn cho phát triển hình thành tế bào Cùng với trình sử dụng, hợp chất nitơ thải suốt trình sống Urine hợp chất chứa nitơ thải qua trình phân giải protein Urine (urea) nhanh chóng bị thủy phân tạo thành ammonium cacbonat Quá trình vi khuẩn phân hủy xác động thực thực vật trả nguồn nitơ cho đất dạng NH3 Một số nitơ hữu không phân hủy sinh học tồn dạng cặn lắng nước mùn bã đất Ammonia giải phóng từ q trình phân hủy urea protein thực vật sử dụng để tổng hợp nên protein cho tế bào Khi nguồn cung cấp ammonia nhiều nhu cầu sử dụng thực vật, ammonia sử dụng vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng (nhóm) Vi khuẩn Nitrosomonas chuyển hóa ammonia thành nitrit (NO2-) điều kiện hiếu khí (*) Nitrit tạo thành bị oxi hóa thành nitrat tham gia nhóm vi khuẩn Nitrobacter (**) Nitrat hình thành cung cấp chất dinh dưỡng cho đất Khi nitrat đất thừa, thấm vào nước đất khơng có khả lưu giữ nitrat Q trình làm gia tăng nồng độ nitrat nước ngầm Dưới điều kiện yếm khí nitrat bị khử thành nitrit, trình khử tiếp tục xảy chuyển hóa nitrit thành N2 giải phóng vào khí Quá trình làm chất dinh dưỡng phân bón cho đất điều kiện yếm khí xảy II Chuyển hố Nitơ mơi trường nước Ba dạng Nitơ kết hợp với nước tạo thành ion vơ đạt đến nồng độ cao sau: Các dạng Oxi hóa khác Nitơ N 2, N O (Nitrous Oxit), NO (Nitric Oxit) NO (Nitơ Oxit) tồn dạng khí Nitơ thành phần cấu tạo nhiều chất hữu Dạng khử N(III) nguyên tố cấu tạo Protein,Amino Acid Nucleic Acid Nitơ nước xảy q trình biến đổi sau: Ví dụ : Phản ứng cắt urea enzyme urease tạo amonia: NH2CONH2 + H2O  CO2 + NH3 Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrite hay oxi hoá nitrite thành nitrate: Vi khuẩn Nitrosomonas chuyển hóa ammonia thành nitrit (NO2-) điều kiện hiếu khí 2NH3 + O2 2 NO2– + H+ +2 H2O Nitrit tạo thành bị oxi hóa thành nitrat tham gia nhóm vi khuẩn Nitrobacter NO2– + O2  2NO3– Nếu nước chứa hầu hết hợp chất Nitơ hữu cơ, ammoniac NH OH, chứng tỏ nguồn nước bị ô nhiễm, NH nước nhiễm độc đến cá sinh vật nước Nếu nước chứa Nitơ dạng Nitrit (NO - ) nước bị ô nhiễm thời gian dài Nếu nguồn nước chứa Nitơ dạng Nitrat (NO - ) chứng tỏ q trình oxi hóa kết thúc Tuy nhiên, Nitrat bền điều kiện hiếu khí Trong điều kiện yếm khí Nitrat nhanh chóng bị khử thành Nitơ tự giải phóng khỏi nước Khi xem xét khía cạnh hóa học liên quan tới nước thải nước ô nhiễm nước người ta thấy phần lớn nitơ ban đầu thường dạng nitơ hữu (protein) amonia Theo thời gian trình chuyển hóa Nitơ hữu chuyển dần thành nitơ ammonia sau tiếp tục, điều kiện hiếu khí có phản ứng oxy hóa amonia thành nitrit nitrat Trên hình cho thấy thay đổi dạng nitơ nước ô nhiễm điều kiện hiếu khí Khi nguồn nước phát thấy nước chứa chủ yếu nitơ hữu nitơ amonia cho rắng bị bị ô nhiễm thời gian lâu trước đó, ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Nước với hàm lượng nitrit đáng kể đặc trưng đáng nghi ngờ khả bị nhiễm Hình 2: Sự thay đổi dạng nitơ nước ô nhiễm điều kiện hiếu khí Sự chuyển hóa tự dưỡng amonia thành nitrit nitrat yêu cầu có diện oxy (phương trình *,**) Qúa trình khử Nitơ amonia với q trình oxy hóa làm giảm nghiên trọng mức oxy hòa tan nước sông cửa sông III Tầm quan trọng củachỉ số nitơ môi trường nước - Chỉ thị chất lượng nước Nitơ nước tồn dạng NH ,NO -,NO - Khi nồng độ NO - nước uống vượt giới hạn 45mg/l gây độc hại với người vào thể điều kiện thích hợp, hệ tiêu hóa chúng chuyển hóa thành Nitrit, kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không vận chuyển oxi gây bệnh thiếu máu xanh xao Trong trình khử trùng nước, clorin dư phản ứng với NH tạo thành NH2 Cl (Cloramin) hợp chất gây bệnh ung thư, Nồng độ giới hạn NH3 nước 0,2 mg/l, NH 4+ 3mg/l Nồng độ thông thường dạng nitơ nước thải sinh hoạt : NH 4+ ≈ 25mg/l; N-hữu ≈ 25mg/l; NO - ≈ 0mg/l - Nitơ nguyên tố dinh dưỡng quan trọng: Nguyên tố dinh dưỡng cần cho phát triển tảo Do việc phân tích hàm lượng Nitơ nước thải chưa xử lý trước thải môi trường quan trọng - Q trình chuyển hóa dị dưỡng ammonia thành Nitrat Nitrit: Qúa trình làm giảm oxi hịa tan nước Trong xử lí nước thải phương pháp phân hủy hiếu khí phải tính đến lượng oxi cần cung cấp cho oxi hóa Nitơ - Nitơ cần cho phát triển vi sinh vật: Cần tính lượng Nitơ cần thiết thêm vào để làm tăng hiệu hệ thống xử lí Ngồi lượng Nitơ cịn lại bùn thải yếu tố định hiệu làm phân bón bùn thải sau xử lí - Nitrat hình thành cung cấp chất dinh dưỡng cho đất Khi Nitrat đất thừa, thấm vào nước đất khơng có khả lưu trữ Nitrat Quá trình làm gia tăng nồng độ Nitrat nước ngầm Dưới điều kiện yếm khí Nitrat bị khử thành Nitrit, trình khử tiếp tục xảy chuyển hóa Nitrit thành N giải phóng vào khí Q trình làm chất dinh dưỡng phân bón cho đất nhấ điều kiện yếm khí xảy IV Ô nhiễm nitơ loại nước thải  Nước thải sinh hoạt Thành phần nitơ (đạm) thức ăn người động vật nói chung thể hấp thu phần, phần lại thải dạng chất rắn (phân) chất tiết khác (nước tiểu, mồ hôi) Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, từ dịch vụ công cộng thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí Chúng thường thu gom vào kênh dẫn nước thải hệ thống thoát nước Hợp chất nitơ nước thải hợp chất amoni, protein, peptid, axit amin, amin thành phần khác chất thải rắn lỏng Mỗi người hàng ngày tiêu thụ - 16 g nitơ dạng protein thải khoảng 30% số Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn phân khoảng lần Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt protein urin nước tiểu bị thuỷ phân nhanh tạo thành amoni/amoniac Trong bể phốt xảy q trình phân huỷ yếm khí chất thải, trình phân huỷ làm giảm đáng kể lượng chất hữu dạng carbon tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật Hàm lượng hợp chất nitơ nước thải từ bể phốt thường cao so với nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí trình phân hủy chất thải rắn vi sinh xảy Trong nước thải sinh hoạt, nitrat nitrit có hàm lượng thấp lượng oxy hồ tan mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả oxy hố amoni) thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng nước thải sinh hoạt  Nước thải công nghiệp Ô nhiễm hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới số ngành chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay số ngành nghề đặc biệt chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da Thành phần mức độ ô nhiễm ngành đa dạng, hàm lượng nitơ đáng kể Ngành chế biến thực phẩm xả thải lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thuỷ hải sản, giết mổ sản xuất thức ăn từ loại thịt, sữa, đậu, nấm Hợp chất hữu chứa nitơ, dạng tan không tan nhanh chóng bị phân hủy giải phóng amoni vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước chất rắn), nhiệt độ mơi trường loại sản phẩm chế biến Chủng loại kích thước vật giết mổ gây độ ô nhiễm khác nhau: giết mổ cá (sản phẩm dạng phi lê) thấp nhiều so với làm tôm đông lạnh, chế biến mực bạch tuộc thải nguồn nước có độ ô nhiễm cao Với chủng loại vật mổ có kích thước (trọng lượng) lớn gây nhiễm vật có kích thước nhỏ tính theo đầu vật mổ hay khối lượng Vật bị giết mổ có kích thước nhỏ (gia cầm) thải lượng nước lớn độ ô nhiễm cao so với loại kích thước lớn (bị, lợn) tính theo đơn vị khối lượng Chế biến sữa, sản xuất bơ, mát, chế biến nấm, ươm tơ nguồn thải đáng kể chứa hợp chất nitơ Quá trình sản xuất số loại hố chất, phân bón, sợi tổng hợp thải lượng lớn hợp chất hữu chứa nitơ, hợp chất dễ bị thuỷ phân môi trường tạo amoniac Nồng độ hợp chất nitơ nước thải công nghiệp biến động mạnh, không theo mùa vụ mà ngày, sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm Vì lý đó, số liệu phân tích nhiễm nói chung hay nitơ nói riêng mang tính chất khái qt, khơng thể sử dụng trực tiếp làm số liệu cho tính tốn thiết kế hệ thống xử lý nước thải V Các nguyên tắc xử lý hợp chất có nitơ nước thải Xử lý hợp chất nitơ thực biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý sinh học (sinh hoá) dựa nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác tách loại, cách ly chúng khỏi mơi trường nước a) Chuyển hóa hợp chất nitơ thành dạng khí Con đường chuyển hóa thực phương pháp sinh học thơng qua q trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) khử nitrat (nitrat với tư cách chất oxy hóa chất hữu carbon chất khử) Thực phản ứng oxy hóa khử trực tiếp amoniac với nitrit nitrat phương pháp vi sinh (q trình Anamox) Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ Oxy hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa điểm đột biến) b) Chuyển hóa hợp chất nitơ thành thành phần tế bào sinh khối (thực vật vi sinh vật) Q trình chuyển hóa gắn liền với phản ứng sinh hóa xảy tế bào động, thực vật, trình quang hợp thực vật hay đồng hóa vi sinh vật Q trình tồn tự nhiên, sở phương pháp xử lý loại thủy thực vật c) Bốc amoniac vào bầu khí Phương pháp thật chuyển chất ô nhiễm từ nước vào khơng khí, sau phần lớn lại hấp thụ trở lại vào môi trường nước vị trí khác Để thực phương pháp trên, amoniac phải tồn dạng bay (trung hòa) độ tan amoniac nước lớn nên để thúc đẩy cần phải sục khí với lượng lớn nhiệt độ cao d) Tách amoniac khỏi mơi trường nước thực phương pháp trao đổi ion cationit Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp amoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh ion khác có mặt với nồng độ cao canxi, magie Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả chọn lọc cao amoni sử dụng số trường hợp Nitrat cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion thấp hầu hết loại nhựa tổng hợp Trên thị trường có số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat e) Tách amoni khỏi môi trường nước dạng hợp chất struvite có độ tan thấp f) Sử dụng số loại màng thích hợp: màng nano, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích tách hợp chất nitơ đồng thời với hợp chất khác VI Xử lý hợp chất nitơ nước thải phương pháp sinh hố Để loại nitơ amino hợp chất nitơ dị vòng theo phương pháp sinh học, bước quy trình xử lý kỵ khí hiếu khí cần phải chuyển nitơ sang dạng ammonia Sau đó, ammonia trải qua trình nitro hoá, nitrat trải qua trình khử nitro để tạo nitơ Do đó, tuỳ thuộc vào loại hợp chất nitơ diện nước thải, trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa giai đoạn theo thứ tự: ammonia hoá, nitro hoá, khử nitro hoá Phần lớn lượng hợp chất nitơ nước thải thành phố hợp chất nitơ dạng khử ammonia, urea, amine, amino acid protein Các hợp chất nitơ dạng oxi hoá nitrate nitrite thường không diện nồng độ nhỏ Tuy nhiên, nitrate nitrite tải lượng nitơ nước thải từ số ngành công nghiệp thực phẩm kim loại (Gensicke cộng sự, 1998; Zayed Winter, 1998) Ammonia nước thải thành phố có nguồn gốc chủ yếu từ nước tiểu tạo hệ thống cống rãnh phản ứng cắt urea enzyme urease (1): NH2CONH2 + H2O  CO2 + NH3 (1) Thời gian lưu nước thải hệ thống cống thường không đủ lâu để tạo ammonia từ nguồn khác phân giải protein hay khử amin amini acid 6.1 Quá trình ammonia hóa Các hợp chất nitơ hữu nước thải thành phố hợp chất dị vòng (như nucleic acid) protein Quá trình phân huỷ protein amino acid dẫn đến giải phóng ammonia theo nhiều chế ammonia hoá khác (Rheinheimer cộng sự, 1988), bao gồm khử amin theo thuỷ phân, oxi hoá, khử khử bão hoà (Phản ứng 2–5, theo thứ tự): R–NH2 + H2O  R–OH + NH3 (2) R–CHNH2COOH + H2O  R–CO–COOH + (H) + NH3 (3) R–CHNH2–COOH + (H)  R–CH2-COOH + NH3 (4) R–CH2–CHNH2–COOH  R–CH=CH–COOH + NH3 (5) 6.2 Quá trình nitrate hóa ammonia Nitrate hóa tự dưỡng Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng vi sinh vật hiếu khí oxi hoá ammonia thành nitrite (Phản ứng 6) thành nitrate (Phản ứng 7) Các vi sinh vật xúc tác cho trình nitrite hoá (Phản ứng 6) thuộc chi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira Nitrosovibrio, vi sinh vật xúc tác cho trình nitro hoá (Phản ứng 7) bao gồm vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, Nitrococcus vaø Nitrospira NH4+ + 1,5 O2  NO2– + H+ + H2O (6) NO2– + 0,5 O2  NO3– (7) Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrite hay oxi hoá nitrite thành nitrate trình tạo lượng dùng cho tăng trưởng tự dưỡng vi khuẩn nitro hoá Nitrate hóa dị dưỡng Một vài loài vi khuẩn thuộc chi Arthrobacter, Flavobacterium Thiosphaera có khả xúc tác trình nitro hoá dị dưỡng chất hữu chứa nitơ (Phản öùng 8): 10 R–NH2  R–NHOH  R–NO  NO3– (8) Các vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng oxi hoá hợp chất nitơ có tính khử, hydroxylamine chất chứa nitơ vòng thơm nitơ không vòng, ngược với trình nitro hoá tự dưỡng, trình nitro hoá dị dưỡng không tạo lượng hình thành nitrate 6.3 Khử nitrate hóa: loại bỏ nitrate khỏi nước thải Nhiều loại vi khuẩn hiếu khí dường có khả chuyển từ chế oxi hoá sang trình hô hấp nitrate Tương tự trình hô hấp oxy, trình hô hấp nitrate vi khuẩn dị dưỡng cần có nguồn carbon phức hợp làm nguồn cung cấp điện tử cho trình khử nitrate (ví dụ Phản ứng 10) Quá trình khử nitrate (Phản ứng 11) bắt đầu việc khử nitrate thành nitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn màng tế bào (a) Sau đó, enzyme khử nitrite gắn màng tế bào (b) xúc tác trình hình thành NO Cuối cùng, enzyme khử NO (c) enzyme khử N2O (d) tạo N2 Hoá học lượng pháp lý thuyết trình khử nitro hoá với nguồn carbon methanol acetate trình bày Phản ứng 12 13 Về mặt ứng dụng thực tiễn, cần phải cung cấp nguồn carbon dư thừa, nước thải có khí oxy phần nguồn carbon sử dụng cho trình hô hấp đạt điều kiện thiếu oxy CH3OH + H2O  CO2 + H+ + e– CH3COOH + H2O  CO2 + H+ + e– 2e e e e a b c d (9) (10) NO 3  NO 2  NO  0,5 N O  0,5 N (11) CH3OH + HNO3  CO2 + N2 + 13 H2O (12) CH3–COOH + HNO3  10 CO2 + N2 + 14 H2O (13) Ngoại trừ trình khử nitrate dị hoá, nhiều loại vi khuẩn kỵ khí hiếu khí có khả khử nitrate đồng hoá để cung cấp ammonia cho tăng trưởng tế bào (Phản ứng 14 15) Tuy nhiên, enzyme đồng hoá nitrate biểu nồng độ ammonia < mM 2e 2e 2e 2e a b c d NO 3  NO 2  HNO  NH OH  NH 11 (14) HNO3 + (H)  NH4+OH– + H2O (15) Tại đây, enzyme khử nitrate B (enzyme a Phản ứng 14) khử nitrate thành nitrite, sau đó, nitrite bị khử thành ammonia phức hợp enzyme khử nitrite (enzyme b Phản ứng 14) Quá trình khử nitrate xúc tàc enzyme khử nitrate A gắn màng tế bào, nhạy với oxy trình bảo tồn lượng, đó, việc bảo tồn lượng có phản ứng xúc tác enzyme khử nitrate B dạng hoà tan, không bị ức chế khí oxy 6.4 Ôxy hóa ammonia kị khí (Anamox) Đến nay, có hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí phân lập định danh sơ thuộc Planctomycetales Brocardia anammoxidans Kuenenia stuttgartiensis Trong điều kiện kỵ khí, ammonia bị oxi hoá thành nitrite anammoxosome nằm tế bào chất, gắn lên màng tế bào (Schmidt cộng sự, 2003) Trong quy trình Anamox, ammonia bị oxi hoá thành nitơ, nitrite đóng vai trò chất nhận điện tử (Van de Graaf cộng sự, 1995) Sử dụng đồng vị N 15 cho thấy rắng nitrite bị khử thành hydroxylamine (Phản ứng 16), sau đó, phản ứng với ammonia tạo thành hydrazine (N2H4, Phản ứng 17) Qua trình oxi hoá hydrazine thành nitơ phân tử (Phản ứng 18), đương lượng khử tạo ra, đầy điều kiện cần thiết cho trình khử nitrite thành hydroxylamine (Van de Graaf cộng sự, 1997) HNO2 + XH2  NH2OH + H2O + X (16) NH2OH + NH3  N2H4 + H2O (17) N2H4 + X  N2 + XH2 (18) Do trạng thái oxi hoá khử cân phản ứng trên, đương lượng khử dùng để khử CO2 vi khuẩn tự dưỡng cần phải tạo từ trình oxi hoá nitrite thành nitrate (Phản ứng 19): HNO2 + H2O + NAD  HNO3 + NADH2 (19) Quy trình Anammox dường thích hợp để loại nitơ dòng nước giàu ammonia bể phản ứng kỵ khí dùng xử lý nước thải giàu hợp chất TKN Các hợp chất nitơ loại bỏ khỏi loại nước thải cách kết hợp trình 12 nitro hoá cho nguồn cung cấp nitrite trình oxi hoá ammonia kỵ khí (Strous cộng sự, 1997) Trong môi trường có lượng oxy giới hạn (ví dụ mặt giao vùng có oxy thiếu oxy màng sinh học bùn), vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí hiếu khí kết hợp với cách tự nhiên Ammonia bị oxi hoá thành nitrite đồng thời, hàm lượng oxy giảm Vi khuẩn anammox chuyển đổi nitrite lượng ammonia lại thành N2 hàm lượng ammonia bị giới hạn, lực vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵkhi1 hiếu khí làm cho mối cộng tác tự nhiên thay đổi trở thành cạnh tranh (Schmidt cộng sự, 2002) VII Một số phương pháp cơng nghệ loại bỏ nitơ áp dụng thực tiễn 7.1 Phương pháp khử ion Amoni * Phương pháp Clo hóa nước đến điểm đột biến Khi cho Clo vào nước, nước tạo axit hypoclorit: Cl2 + H2O ⇔ HCl + HOCl Axit hypoclorit kết hợp với NH4+ tạo thành Cloramin Khi nhiệt độ nước ≥200C, pH ≥7 phản ứng diễn sau: OH- + NH4+→ NH4OH ⇔ NH3 + H2O NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O monocloramin NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O dicloramin NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O tricloramin Quá trình kết thúc sau phút khuậy trộn nhẹ Tại điểm oxy hóa hết Cloramin nước xuất Clo tự gọi điểm đột biến Sau khử hết NH4+ nước lại lượng clo dư lớn, phải khử clo dư trước cấp cho người tiêu thụ 13 ♦ Khử Clo dư nước sau lọc Natrisunfit (Na2SO3) Na2SO3 + Cl2 + H2O → 2HCl + Na 2SO4 ♦ Khử Clo dư nước sau lọc Trionatrisunfit (Na 2S2O3) 4Cl2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2NaCl+ 6HCl + 2H2SO4 Q trình diễn hồn chỉnh sau 15 phút khuấy trộn hóa chất nước * Phương pháp làm thoáng Muốn khử NH4+ khỏi nước phương pháp làm thoáng, phải đưa pH nước nguồn lên 10.5 – 11.0 để biến 99% NH4+ thành khí NH3 hịa tan nước ♦ Nâng pH nước thô: Để nâng pH nước thô lên 10.5 – 11.0 thường dùng vôi xút Sau bể lọc pha axit vào nước để đưa pH từ 10.5 – 11.0 xuống cịn 7.5 ♦ Tháp làm thống khử khí amoniac NH3 thường thiết kế để khử khí amoniac có hàm lượng đầu vào 20 – 40 mg/l, đầu khỏi giàn hàm lượng lại – 2mg/l, hiệu khử khí tháp phải đạt 90 – 95% Hiệu khử khí NH3 tháp làm thoáng pH ≥11 phụ thuộc nhiều nhiệt độ nước Khi nhiệt độ nước tăng, tốc độ số lượng ion NH4 chuyển hóa thành NH3 tăng nhanh * Phương pháp trao đổi ion Để khử NH4+ khỏi nước áp dụng phương pháp lọc qua bể lọc cationit Qua bể lọc cationit, lớp lọc giữ lại ion NH4+ hòa tan nước bề mặt hạt cho vào nước ion Na + Để khử NH4+ phải giữ pH nước nguồn lớn nhỏ Vì pH ≤ 4, hạt lọc cationit giữ lại ion H+ làm giảm hiệu khử NH4+ Khi pH > phần ion NH4+ chuyển thành NH3 dạng khí hịa tan khơng có tác dụng với hạt cationit * Phương pháp sinh học 14 Lóc nước khử hết sắt cặn bẩn qua bể lọc chậm bể lọc nhanh, thổi khí lien tục từ lên Do trình hoạt động vi khuẩn Nitrosomonas oxi hóa NH4+ thành NO2- vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa NO2- thành NO3- Quá trình diễn theo phương trình: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O 1.02NH4++ 1.89O2 + 2.02HCO3- → 0.21C5H7O2N + 1.0NO3- + 1.92 H2CO3 + 1.06H2O Nhìn chung, phụ thuộc vào nồng độ amoni nước thải, phương pháp sau lựa chọn dựa tiêu chí giá thành xử lý:  Nồng độ amoni nước thải không cao, nhỏ 100 mgN/l nước thải sinh hoạt phương pháp vi sinh thích hợp  Nồng độ amoni nằm khoảng 100 - 5000 mg N/l nước thải từ trình phân hủy bùn (vi sinh) phương pháp cho phương pháp vi sinh Kết luận đưa sau nhiều cơng trình nghiên cứu triển khai Phương pháp bốc kết tủa dạng struvite phương án song giá thành khơng thuận lợi  Nước thải có nồng độ amoni cao, lớn 5000 mg N/l xử lý theo phương pháp hóa lý thuận lợi mặt kỹ thuật kinh tế Đã có hệ thống công nghiệp xây dựng để xử lý nước thải chứa 1,5% NH3 phương pháp sục khí nóng để bốc amoni thu hồi NH3 từ pha khí 7.2 Phương pháp khử Nitrate NO3 Để khử nitrat dùng lọc thẩm thấu ngược RO, điện phân, trao đổi ion bể lọc ionit Điều kiện áp dụng phương pháp trao đổi ion: ♦ Nước có hàm lượng cặn < 1mg/l ♦ Tổng hàm lượng ion NO3- SO42- Cl- có sẵn nước phải nhỏ 250 mg/l, hàm lượng ion Cl- lớn cho phép có nước ăn uống Vì lọc qua 15 bể lọc anionit ion SO4 2-, NO3- giữ lại, thay ion Cl- hoàn nguyên bể lọc anionit dung dịch muối ăn 7.3 Các cơng trình xử lý Nitơ phương pháp sinh học áp dụng thực tiễn Cho tới cơng trình giải pháp xử lý sinh học thực rộng rãi giải pháp khác Bảng so sánh số đặc trưng hệ thống sinh học dùng để xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ Bảng Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học Hệ xử lý Tải lượng Năng kgN/(ha.ngày) lượng tiêu Tỉ lệ COD/N Sinh khối Hiệu kg/kg N thụ xử lý N % kWh/kgN Bùn hoạt tính, nitrat hóa, khử 200-700 1) 2,3 2) 3-6 1,0-1,2 > 75 200-700 1) 1,7 2) 2-4 0,8-0,9 > 75 0,9 75 nitrat thơng dụng Bùn hoạt tính, nitrat hóa, khử từ nitrit (SHARON) Bùn hoạt tính, oxy > 200-700 1) hóa trực tiếp NH3 NO2- (Anamox) Ao tảo 15-30 0,1 - 1,0 6-7 10-15 23-78 Ao bèo 3-4 < 0,1 28 20-26 74-77 3-26 4) < 0,1 2-7 - 30-70 Vùng ngập nước nhân tạo 16 Ghi chú: 1) Tính theo bể hiếu khí có độ sâu 2m, diện tích bể chiếm 25% diện tích mặt tổng; 2) Năng lượng sử dụng cho sục khí khuấy trộn, hiệu sử dụng kg O2/kWh; 3) Sinh khối khô; 4) Đôi với tải lượng cao tới 112 kg N/ha Nhìn chung, tất loại nước thải chứa hợp chất nitơ hợp chất hữu dạng carbon, với tỉ lệ C/N VIII Nguyên tắc phân tích tiêu Nitơ nước 8.1 Nitơ Nitrít * Nitrite giai đoạn trung gian chu trình đạm hóa phân hủy chất đạm hữu Vì có chuyển hóa nồng độ dạng khác nitrogen nên vết nitrite sử dụng để đánh giá ô nhiễm hữu Trong hệ thống xử lý hay hệ thống phân phối có nitrite họat động vi sinh vật Ngoài nitrite dùng ngành cấp nước chất chống ăn mòn Tuy nhiên, nước uống, nitrite không vượt 0.1 mg/l * Ngun tắc phân tích: Nitrite xác định phương pháp so màu Màu phản ứng từ dung dịch tham chiếu mẫu sau tác dụng với acid sulfanilic naphthylamine môi trường pH = – 2.5 tạo thành hợp chất màu đỏ tím acid azobelzol naphthylamine sulfonic sau: Phương pháp DIAZO thích hợp xác định hàm lượng N-NO2 từ l-25 µg/l 17 * Các ảnh hưởng: Chlorine nitrogen trichloride tồn mẫu gây trở ngại phương pháp Ảnh hưởng giảm thấp thêm naphthylamine hydrochloride trước, sau đến acid sulfanilic Những ion tạo kết tủa làm sai lệch kết như: Sb, Fe3+, Pb2+, Hg2+, Ag+ khơng nên tồn mẫu Một số chất rắn lơ lửng gây cản trở lọc qua giấy lọc kích thước 0.45 micron 8.2 Ni tơ Nitrát * Nitrate sản phẩm giai đoạn oxy hóa cao chu trình nitrogen, giai đoạn quan trọng tiến trình oxy hóa sinh học Ở lớp nước mặt thường gặp nitrate dạng vết rong nước ngầm mạch nóng lại có hàm lượng cao Nếu nước uống có nhiều nitrate thường gây bệânh huyết sắc tố trẻ em Do đó, nguồn nước cấp cho sinh hoạt giới hạn nitrate không vượt 6mg/l * Nguyên tắc phân tích Phản ứng nitrate brucine cho sản phẩm có màu vàng áp dụng để xác định hàm lượng nitrate phương pháp so màu Cường độ màu đo bước sóng 410nm Tốc độ phản ứng nitrate brucine chịu ảnh hưởng rõ rệt vào lượng nhiệt tỏa trình phản ứng Vì thế, chất phản ứng thêm vào ủ khoảng thời gian xác nhiệt độ biết Nồng độ acid thời gian phản ứng lựa chọn để tạo màu tốt ổn định Phương pháp thích hợp với nước nước biển, với hàm lượng N-NO3 xấp xỉ 0,1-2 mg/l * Các ảnh hưởng Sự diện tác nhân oxy hóa loại trừ cách thêm chất phản ứng orthotolidine Trở ngại Clor dư bị loại lượng sodium arsenite chlor dư không mg/l Một lượng dư sodium arsenite nhỏ không ảnh hưởng đến việc xác định nitrate Ion Fe 2+, Fe3+ Mn4+ gây ảnh hưởng nhẹ, hàm lượng ion nhỏ 1mg/l ảnh hưởng không đáng kể Trở ngại nitrite gây N-NO2 < 0,5 mg/l ngăn ngừa acid sulfanilic 18 Hàm lượng chất hữu cao nước thải gây trở ngại cho việc xác định nitrate 8.3 Nitơ Ammonia * Sự hữu ammonia nước mặt hay nước ngầm bắt nguồn từ hoạt động phân hủy chất hữu loại vi sinh vật điều kiện yếm khí Đối với nguồn nước cấp cho sinh hoạt, ammonia tìm thấy bị nhiễm bẩn dòng nước thải Trong mạng lưới cấp nước, ammoniac sử dụng dạng hóa chất diệt khuẩn chloramines nhằm tạo lượng chlor dư có tác dụng kéo dàithời gian diệt khuẩn lưu chuyển đường ống Tùy theo tỷ lệ phối hợp, ammonia kết hợp với chlor monochloramine, dichloramine, trichloramine * Nguyên tắc a Phương pháp Nessler áp dụng cho nước uống tinh khiết, nước thiên nhiên, nước thải làm chưng cất Tất loại phải có độ màu thấp nồng độ N-NH3 lớn 20 microg/l Áp dụng phương pháp Nessler hóa trực tiếp nước thải sinh hoạt, chấp nhận sai số N-NH3 từ 1-2 mg/l Ammonia tác dụng với thuốc thử Nessler môi trường kiềm theo phản ứng sau sản phẩm có màu vàng: 2K2HgI4 +NH3 + 3KOH (NH2)Hg-O-HgI + 7KI + 2H2O b Đối với nước thải, để tránh trở ngại tạp chất có mẫu gây ra, mẫu cần chưng cất dịch phẩm thu dùng phương pháp Nessler để xác định * Các trở ngại Khi hàm lượng calci vượt 250mg/l, ammonia đo thường thấp thực tế Để tránh điều phải điều chỉnh pH trước chưng cất mẫu Dung dich độn phosphate dung với mục đích phụ làm kết tủa lượng calci dạng calci phosphate Một số hợp chất amine day thẳng, hợp chất vòng, chloramines hữu cơ, acetone, aldehyt, rượu, chất hữu khác gây nhiều trở ngại.Những dung dịch cho màu vàng hay màu lục trở nên đục thêm thuốc thử Nessler vào chưng cất phẩm 19 MỤC LỤC I II III IV V Tổng quan – trang Chuyển hố Nitơ mơi trường nước – trang Tầm quan trọng củachỉ số nitơ mơi trường nước – trang Ơ nhiễm nitơ loại nước thải – trang Các nguyên tắc xử lý hợp chất có nitơ nước thải – trang VI Xử lý hợp chất nitơ nước thải phương pháp sinh hố – trang VII Một số phương pháp công nghệ loại bỏ nitơ áp dụng thực tiễn – trang 13 VIII Nguyên tắc phân tích tiêu Nitơ nước - trang 17 20