Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí cải tiến

Họp chất hữu cơ giàu thành phàn cacbon có khả năng sinh huỷ BOD khi tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật phát triển.. Trong các phương pháp trên,

THIỂU KHÍ - HIẾU KHÍ CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

C huyên ngành: H óa C ông nghệ - M ôi trường

Người hướng dẫn khoa học

ThS LÊ CAO KHẢI

H À N Ộ I - 2016

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới ThS Lê Cao Khải, người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lọi nhất cho em trong quá trình nghiên cứu và suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.

Đồng thời em xin cảm ơn tập thể các cán bộ phòng Công nghệ xử lý nước - Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin dành lòi cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và là chỗ dựa tinh thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2016

Sinh viên

B ùi T hị N ga

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp

DANH M Ụ C CÁC K Ý H IỆ U , C H Ữ V IẾ T TẮT

AO (Anoxic - Oxic) Thiếu khí - hiếu khí

BOD5 (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa sinh học (5 ngày)COD (Chemical Oxygen Demand) N hu cầu oxy hóa hóa học

M BR (Membrane Biological Reactor) Thiết bị sinh học màng

MLSS (Mixed liquor suspended

solids)

Tải lượng bùn hoạt tính

TKN

SS (Suspendedsolid)

Tổng Nitơ Kendan Hàm lượng chất rắn lơ lửng

ss (Suspendedsolid)

DANH M Ụ C CÁC BẢNG

Bảng 1 Thành phàn nước thải sinh hoạt phân tích theo các phưomg pháp của APHA

Bảng 2 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

Bảng 3 Mối tương quan giữa tỉ lệ vi sinh nitrifier thành phàn BOD/ TKN ừong nước thải

Bảng 4 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu

Bảng 5 Các chế độ vận hành

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1 Chu trình Nitơ

Hình 2 Quá trình nitrat hóa ừên màng tế bào chất của sinh vật

Hình 3 Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AO

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ TH Ị_Toc451239816

MỞ Đ Ầ U 1

CHƯƠNG 1 TỔNG Q U A N 3

1.1 Tổng quan về nước thải sinh h o ạ t 3

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt 3

1.1.2 Phân loạị các đối tượng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt 3

1.1.2.1 Phân loại theo đặc trưng vật lý 3

1.1.2.2 Phân loại theo đặc trưng hóa h ọ c 4

1.1.2.3 Phân loại theo đặc trưng sinh h ó a 5

1.1.3 Thành phần và đặc tính nước thải sinh h o ạ t 5

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm nitơ trong nước thải sinh h o ạ t 7

1.2.1 Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự n h iê n 7

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ ừong môi trườngnước 11

1.2.3 Ảnh hưởng của nitơ đối với môi trường và sức khỏe cộng đ ồ n g 12

1.3 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước th ả i 13

1.3.1 Phương pháp Clo hóa tại điểm đột b iến 13

1.3.2 Phương pháp vật l ý 14

1.3.3 Phương pháp ừao đổi io n 15

1.3.4 Phương pháp sinh h ọ c 15

1.3.4.1 Quá trình nitrat h ó a 15

1.3.4.2 Quá trình khử nitrat h ó a 18

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

C Ứ U 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Mục đích nghiên cứ u 30

2.3 Nội dung nghiên cứ u 30

2.4 Phương pháp nghiên cứu 30

2.4.1 Phương pháp tài liệu kế thừa 30

2.4.2 Phương pháp phân tích 31

2.4.3 Phương pháp thực n g h iệm 33

2.4.4 Phương pháp xử lý số liệu 34

2.4.5 Phương pháp tính to á n 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N 36

3.1 Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý N -N H 4+ 36

3.2 Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý T - N 37

3.3 Anh hưởng của tải lượng N-NH4+ đến hiệu quả xử lý N -N H 4+ 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN N G H Ị 39

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 40

PHỤ L Ụ C 43

MỞ ĐÀU

Lý do chọn đề tài

Điều kiện kinh tế - xã hội phát triển, mức sống của con người được nâng cao, dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt thải ra môi trường ngày một tăng Cùng với nước thải do hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, nước thải sinh hoạt - nước đã nhiễm bẩn trong quá trình con người sinh hoạt được rời khỏi khu vực đang sử dụng về nguồn nhận như ao, hồ, sông, biển Trong khi dịch chuyền một số chất độc hại sẽ ngấm vào đất làm ônhiễm môi trường đất tạo ra môi trường nước ngầm có chứa các chất độc hại Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận

Họp chất hữu cơ giàu thành phàn cacbon có khả năng sinh huỷ (BOD) khi tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật phát triển Với các loại vi sinh vật hiếu khí, trong quá trình phát triển và hoạt động chúng tiêu thụ một lượng oxy tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục nước và khi chết chúng lắng xuống lóp bùn đáy Trong điều kiện thiếu oxy các loại vi sinh vật yếm khí phát triển, tạo ra nhiều dạng hợp chất có mùi hôi (các chất có tính khử cao như H2S, metan, axit hữu cơ dễ bay hơi) đầu độc môi trường nước và không khí vùng xung quanh

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thảnh phần dinh dưỡng ừong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá trầm trọng cho môi trường Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy 1 kg photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn gây ra hiện tượng phú dưỡng - lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường nước Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống đối vói thuỷ động vật từ đó gây ô nhiễm môi trường nước

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 các quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ

là vấn đề càn được chú ý và đẩy mạnh hơn nữa Đây là phương pháp dừng 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

là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường Xuất phát từ lý

do đó tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí cải tiến ” làm đề tài nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tồng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của con người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ă n Lượng nước thải thực

sự từ mỗi người hàng ngày gần 80% lượng nước tiêu thụ Nguồn nước thải sinh hoạt tạo ra từ các mục đích vệ sinh, chuẩn bị đồ ăn thức uống hàng ngày Trong quá trinh thu gom và vận chuyển nước thải về nguồn nhận nước, các thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian, các thành phần dễ sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn so với các thành phần khó phân hủy nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và nồng độ tạp chất theo thời gian và mang tính cục bộ (đặc thù) khá cao

Nhìn chung,tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử dụng nước nằm trong khảng 150 - 200 L/ngày trên đầu người Tại các vùng nông thôn, mức độ sử dụng nước thường thấp hơn so vói thành phố

Trong sinh hoạt gia đình, nước thải bao gồm ba nguồn chính với lưu lượng gần ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm gội, từ giặt giũ và chuẩn bị cho ăn uống Nước thải từ bể phốt được gọi là nước thải đen, nước thải từ nhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám

Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm các chất cặn bã hữu cơ, các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD, COD), các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các vi trùng gây bệnh (ecoli, coliữom )

1.1.2 Phân loại các đối tượng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

1.1.2.1 Phân loại theo đặc trưng vật lý

Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

thái tập hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán

Trạng thái của vật chất ừong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và rắn Khí và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới dạng hạt keo (chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí Tính chất nổi, chìm hay phân tán của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó so với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng nhỏ thì độ phân tán càng cao) Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan (tồn tại ở mức phân tử độc lập trong nước), chỉ tan m ột phàn (dạng keo, ví dụ keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng huyền phù Kích thước của các chất rắn trong nước thải nằm trong khoảng rất rộng, từ vài m m đến mức phần triệu

mm (virut) Kích thước của chất rắn liên quan mật thiết đến biện pháp kỹ thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại màng lọc)

1.1.2.2 Phân loại theo đặc trưng hóa học

Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có mặt, tuy vậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi tiết được Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí họp chất vô cơ, hữu

cơ Hợp chất vô cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat, photphat, sunfat), thành phần bán kim loại (borat, silicat ) và kim loại (muối

Na, Cu, C a )

Họp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân thơm ) Cách phân loại đó phức tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự tồn tại của hàng triệu chất hữu cơ đã biết cho tới nay Cách phân loại thực tế

và có ích hơn là theo nguồn gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân tạo Tuy vậy cách phân loại này cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại họp chất hữu cơ có trong thiên nhiên cũng được con người chế tạo và còn biến tính thành các họp chất mói hữu dụng hơn Đại diện cho các họp chất có

nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit humic, tanin, lignin Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội đầu, xà phòng, hóa

mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp

1.1.2.3 Phân loại theo đặc trưng sinh hóa

Phân loại tạp chất ừong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên đặc điểm về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống

xử lý nước thải, ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm (mỡ, protein), không phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu

cơ chứa clo, m ột số loại thuốc trừ sâu), độc (dioxin)

1.1.3 Thành phần và đặc tỉnh nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40 - 50%), hydrat cacbon (40 - 50%) Nồng độ chất hữu cơ ừong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/L Có khoảng 20 - 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lí thích đáng

là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do nồng

độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thành phần amoni chiếm 60

- 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

Bảng 1 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích

theo các phương pháp của APHA

-(Nguồn: Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 2002)

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phàn ô nhiễm chính đặc

trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ, photpho, ss, TOC chất tẩy rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng nitơ và photpho rất lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển Nếu không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Đồng thời trong nước thải còn có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ,cần thiết cho các quá trình chuyển hoá chất bẩn ừong nước Và vấn đề đặt ra là yêu càu chấtlượng nước thải sau xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn sau:

Bảng 2 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

Giói hạn cho phép STT Thông số ô nhiễm Đơn vi • (QCVN 14:2008)

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm nitơ trong nước thải sinh hoạt

1.2.1 Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự nhiên

Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng họp chất hóa học, tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa các dạng họp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ Trong môi trường hiếu khí, thực

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

vật chết và protein động vật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và amoniac bị oxy hóa thành nitrit, nitrat Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và

từ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tế bào thực vật, vi sinh vật nằm dưới dạng họp chất hữu cơ Chất hữu cơ chứa nitơ trong thực vật, vi sinh vật được động vật tiêu thụ để sản xuất protein Đó là chu trình nitơ tổng thể Mặc

dù nhóm vi sinh vật cố định đạm từ khí nhỏ nhưng chúng có vài trò khá quan trọng, nổi bật trong trường họp thiếu đạm

Trong môi trường nước, sự chuyển hóa của họp chất nitơ có những nét đặc trưng riêng

Họp chất nitơ ít có sẵn ữong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng họp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin ) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành amoniac

Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo một trong ba phương thức:

- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để tạo ra sinh khối

- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó trong không khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại) Mức độ bay hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường Amoniac là m ột bazơ yếu có cường độ bazơ là 9.25 Tại pH = 9.25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung hòa (NH3) có khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+) không bay hơi Tại pH = 7.2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là 100/1, ngược lại tại pH = 11.25 thì tỉ lệ trên là 1/100 pH cao là điều kiện càn để amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy amoniac bốc hơi (giải hấp thụ)

- Sự có m ặt của amoniac trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ

(Nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxy càn thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành niừat (vi khuẩn Niừobacter) Để oxy hóa 1 g amoniac cần 4.5 g oxy Quá trình oxy hóa amoniac phụ thuộc trực tiếp vào m ật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng

độ oxy tan ừong nước Trong các dòng chảy (sông,suối, mương ) có lớp nước nông quá trình oxy hóa diễn ra mạnh hơn so với các nguồn nước sâu

Mức độ sinh trưởng và phát triển của chủng loại vi sinh Nitrifier (oxy hóa amoniac) thấp nên mật độ phân tán của chúng trong nước cũng thấp, hiệu quả oxy hóa amoniac không cao Vi sinh Nitrifier thường tập họp lại thảnh màng bám vào đất đá ven bờ và cũng chính ở các địa điểm đó hàm lượng oxy cục bộ cũng cao hơn giá trị trung bình của nguồn nước Vì lý do đó nên tốc độ oxy hóa amoniac phụ thuộc vào tỉ lệ giữa diện tích tiếp xúc và thể tích của dòng chảy, các nguồn chảy nông tạo điều kiện tốt hơn cho quá trình so với dòng chảy sâu M ặt khác lớp nước ừên bề mặt cũng có nhiệt độ thường cao hơn so với dưới lóp nước sâu

Trong các nguồn nước lặng (ao, hồ, đập ) sự biến động của họp chất nitơ, photpho luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng Amoniac và niừat được tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein, khi chết bị phân hủy thành amoniac từ nguồn thực vật và vi sinh vật

Vi sinh vật sử dụng amoniac để xây dựng tế bào, m ột phần tế bào bị chết (phân hủy nội sinh) tiết ra amoniac và một phần tạo ra lượng sinh khối thực Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa Loại vi sinh tùy nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) và tạo thảnh khí nitơ Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp

Hợp chất Nitơ

( Protein, urê)

Phân hủy vi sinh thủy phân

Hìnhl Chu trình Nỉtơ

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trườngnước

Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ ừong môi trường nước, nhưng nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nitơ trong nước theo đánh giá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có chứa các họp chất nitơ, phân bón sử dụng ừong sản xuất nông nghiệp Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom xử lý đã tác động xấu tới nguồn nước Ở Việt Nam, m ột nguồn chính khác góp phần gây ô nhiễm nitơ trong nước là các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, hằng năm phải bón 5 - 7 triệu tấn phân hóa học Như vậy, phân bón hóa học (urê, lân, kali) sẽ còn m ột lượng dư thừa lớn, có tới hàng nghìn tấn các chất nitơ, photpho, kali trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mưong rạch ảnh hưởng đến nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tàng nước ngầm

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

Không chỉ vậy, một số ngành công nghiệp có nước thải chứa nitơ cũng là nguồn gây nên tình trạng ô nhiễm nitơ trong môi trường nước Với mức độ tăng trưởng kinh tế như hiện nay, chắc chắn Việt Nam sẽ gặp khó khan đáng

kể với vấn đề ô nhiễm môi trường nước nếu không có các biện pháp xử lý ô nhiễm phù họp và kịp thời

1.2.3 Ảnh hưởng của nitơ đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng

Amoni hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoni được chuyển hoá thành nitrit (N 0 2 ) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả năng gây ung thư cho con người Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng họp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) và ion NH4+ tồn tại trong điều kiện kỵ khí

Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng amoni hydroxit (NH4OH) và

sẽ phân ly thành ion NH4+và O H \ Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng ion amoni Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phú dưỡng mà khi chỉ tiêu N 0 3trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45mg/L sẽ gây ra mối đe doạ nghiêm họng đối với sức khỏe con người Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định khi hàm lượng N 0 3 trên 45 mg/L sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu đường

Trong đường m ột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá niừat thành nitrit Nitrit có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy, khi

nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, họp chất này không thể nhận oxy

và gây ra bệnh xanh xao ở ừẻ nhỏ (methermoglobinemia), thậm chí có thể gây tử vong Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp - đây

là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin trở lại thành hemoglobin

Ngoài Mỹ, m ột số nước Đông Ầu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao Ví dụ tại Transylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990 - 1994 trung bình cứ 100000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363 ca nhiễm độc Độ nguy hiểm của N 0 3- đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo luật

về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA - Safe Drinking Water Act) hàm lượngN 03- tối đa là 10 mg/L

Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính sát khuẩn kém hàng trăm làn so với clo nguyên tố Bên cạnh đó amoni là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển Sự phát triển này làm

ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc nitrit và nitrat

1.3 Các phương pháp x ử ỉý nitơ trong nước thải

1.3.1 Phương pháp Clo hóa tại điểm đột biến

Phư-ing ph,p clo ho, t 1 i ®iÓm gÉy dùa t r an p M n

0ng ho, hãc cna amoni víi clo, phĩn 0ng oxy ho, hãa hăc xĩy ra theo nhiòu bẼc, phô thuéc vụo t0 lổ gi-ỉ-a clo vụ a m o n i

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

lồ C1 : N H3 ® 1t tíi gi, tri> 7.6 thx xĩy ra phĩn 0ng

NHCI2 + HOC1 N2 + 3 HC1 + H20

(3)Trong thực tiễn phản ứng này rất ít được sử dụng để loại bỏ amoni trong nước, kể cả nước sinh hoạt vì liều lượng clo cần rất lớn (thực tiễn để khử 1 g NH3 cần tới 10 g clo), với liều lượng clo lớn sẽ xảy ra rất nhiều các phản ứng phụ, tạo thành nhiều họp chất hóa học dạng cơ- clo rất độc cho môi trường

1.3.2 Phương pháp vật lý

Phương pháp vật lý để loại bỏ amoni ra khỏi môi trường nước được thực hiện theo nguyên tắc sau:

Trong nước amoni (NH4+) là chất không có khả năng bay hơi, ammoniac

(NH3) dạng trung hòa có khả năng bay hơi Giữa chúng tồn tại một cân bằng:

vii pKB= 9.25

Tại pH = 9.25 lượng N H 3 và NH4+ bằng nhau, tại pH = 1 1 5 lượng NH 3 chiếm gần 100%, ngược lại pH = 7.5 thì NH4+ chiếm gần 100% Muốn đuổi

NH3 ra khỏi nước càn phải đưa pH lên trên 11 và sục khí với lượng 1600 m 3 -

1800 m3/m 3 nước [11].Lượng dư trong nước sau sục khí là 1 - 3 mg/L

1.3.3 Phương pháp trao đổi ion

về nguyên tắc, amoni có thể trao đổi trên tất cả các loại vật liệu trao đổi ion Tuy nhiên, độ chọn lọc ừao đổi của amoni thấp hom nhiều so với các cation thường có ừong nước và nước thải (Ca2+, M g2+, ion hữu cơ) trên các vật liệu ừao đổi ion thông dụng (các loại nhựa) M ột trong số rất ít các vật liệu có độ chọn lọc cao đối với amoni là clinoptilolit - m ột loại zeolite tự nhiên.Dung lượng trao đổi của clinoptilolit nằm trong khoảng 14- 32 g NH4/

kg Tuy vậy dung lượng hoạt động của nó ít khi vượt quá 50% của dung dịch tổng, thường chỉ đạt 1-7 g/kgdo khi gần bão hòa amoni bị chiết ra ngoài dung dịch Tái sinh clinoptilolit đã bão hòa amoni cũng gặp nhiều trở ngại trong thực tiễn sử dụng

1.3.4 Phương pháp sinh học

Cơ sở lỉ thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải

Phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt được thực hiện qua hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat hóa trong đó quá trình nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển nitrat thành nitơ

tự do N2

1.3.4.1 Quá trình nỉtrat hóa

• Vi sinh vật và điều kiện của quá trình nỉtrat hóa

Vi sinh vật của quá trình nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:

Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vì chúng nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng họp tế bào phần lớn từ quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3 là chính) và nitơ vô cơ Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (vi khuẩn hiếu khí)

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

Cả hai nhóm vi sinh vật mày đều có những yêu càu khá đặc trưng đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc

độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng

Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa N£Lị+ thành NO2', sau đó Nitrobacter làm chức năng chuyển hóa NO2' thành NO3'

• Cơ chế của quá trình nỉtrat hóa

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật đươc viết như sau:

-Như vậy, 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 4.3 gam O2, 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 7.2 gam độ kiềm (quy về CaCƠ3).

Từ phương trình (8) ở trên, ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình

niừat hóa là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa.

• Các y ầ i tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

- Anh hưởng của pH tới quá trình nitrat hóa: Trên thực tế, pH có ảnh hưởng lớn đến quá trình niừat hóa Nghiên cứu của Grady và Lim cho thấy vi khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với pH, đối với Niừosomonas có dải pH tối thích hợp từ 7.0 đến 8.0 và đối với Nitrobacter là từ 7.5 đến 8.0 Bên cạnh đó, nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy m ột số loài có thể thích hợp mức pH > 9 Tuy nhiên, khoảng pH thích họp nhất cho quá trình nitrat hóa là pH = 7.0 - 8.5, tối ưu là xung quang giá trị pH= 8

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của quá trình niừat hóa Tốc độ tăng trưởng của vi sinh tăng khi nhiệt độ đến giá trị giới hạn khoảng 35°c, nhiệt độ quá cao làm giảm hoạt tính của vi sinh, gây ức chế hoạt động hay chết vi sinh vật Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng được là 5 - 35°c, khoảng tối ưu là 30 - 35°c.

- Anh hưởng của nồng độ NEỈ4+ tới quá trình nitrat hóa: T urk.o., và Mavinic, D.s (1986) chỉ ra rằng quá trình oxy hóa nitrit bị ức chế khi nồng

độ NH 3 đạt 0.1 - lm g/L và nồng độ NH3 từ 5 -20mg/L, quá trình oxi hóa NH4+ cũng bị ức chế Sự có mặt của N O 2' và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit

- Ảnh hưởng của các chất độc tới vi khuẩn niừat hóa: So với các vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn tự dưỡng nitrat hóa nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất M ột số chất có thể gây độc cho vi khuẩn Niừosomonas như: anilin, athylenediamin, hexamethylenediamin và monoethanolamin Beckman cùng nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng với lượng đồng (Cu) và crom (Cr) nhỏ hơn hoặc bằng 10mg/L sẽ không gây ảnh hưởng cho quá trình nitrat hóa Đối với kẽm (Zn) và niken (Ni) nồng độ nhỏ hơn 0.5mg/L làm giảm quá trình nitrat hóa

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tôt nghiệp

1.3.4.2 Quá trình khử nitrat hóa

• Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử nitrat hóa

Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng oxy từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí) Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa

là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới

Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

NO 3 -> N ữ 2 —> NO (k) -> N20 (k) -> N 2 (k)

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và s Khi có m ặt đồng thời NO3' và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa, đồng thời NO3'

nhận điện và bị khử về N 2

Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacỉllỉus denitrificans, Mỉcrocous denitrificans, Pseudomonas stützen và Achrommobacter, Paracocus, Spirìlum

và Thiobacilus Phần lớn các vi khuẩn này là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ oxy hóa để tổng họp tế bào mới

Chỉ có Thiobacilus Denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ s nguyên

tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ C 0 2 và HCO3") để tổng họp

tế bào mới

• Cơ chế quá trình khử nitrat

M inh họa quá trình khử nitrat hóa ừên màng tế bào chất của vi khuẩn ở hình 2