Nghiên cứu quá trình tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển hóa amoni trong nước ngầm tại xã tân lập, đan phượng, hà nội

- Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: vi khuẩn nitrat hóa thuộc

M ỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của Luận văn 1

2 Mục đích của Luận văn 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả đạt được 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm 4

1.1.1 Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên 4

1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm 6

1.1.3 Ô nhiễm amoni trong nước ngầm 7

1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam 7

1.3 Khái quát một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm 8

1.3.1 Phương pháp Clo hoá 8

1.3.2 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng 9

1.3.3 Phương pháp ozon hoá với xúc tác brom 9

1.3.4 Phương pháp trao đổi ion 10

1.3.5 Phương pháp sinh học 11

1.4 Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở Việt Nam 14

1.5 Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa 15

1.5.1 Vi khuẩn nitrat hóa 15

1.5.2 Đặc điểm phân bố của vi khuẩn nitrat hóa 15

1.5.3 Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa 16

1.5.4 Quá trình nitrat hóa 16

1.5.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa 19

1.5.6 Khả năng bám dính 21

1.6 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Vật liệu nghiên cứu 25

2.1.1 Vi khuẩn nitrat hóa 25

2.1.2 Nước ngầm 25

2.1.3 Vật liệu mang 25

2.1.4 Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu 29

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu 29

2.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn nitrat hóa 29

2.2.3 Tối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 30

2.2.4 Tích hợp vi khuẩn lên chất mang 31

2.2.5 Thử nghiệm xử lý nước ngầm trong phòng thí nghiệm 32

2.2.6 Phương pháp vi sinh 32

2.2.7 Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa 38

3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chủng vi khuẩn nitrat hóa 44

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 45

3.2.2 Ảnh hưởng của pH 46

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ nguồn cacbon vô cơ 48

3.3 Tối ưu hóa các yếu tố bằng phương pháp bề mặt đáp ứng 49

3.3.1 Chọn miền khảo sát 49

3.3.2 Thiết lập mô hình 50

3.4 Tích hợp vi khuẩn nitrat hóa lên vật liệu mang 54

3.5 Thử nghiệm vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trong xử lý nước ngầm 57

3.5.1 Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại khu vực nghiên cứu 57

3.5.2 Đánh giá khả năng xử lý nước ngầm của vật liệu mang 58

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 62

1 Kết luận 62

2 Kiến nghị 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH M ỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni trong môi

trường nước 12

Bảng 1.2 Hàm lượng amoni sau xử lý tại một số nhà máy cấp nước ở Hà Nội 22

Bảng 2.1 Bảng bố trí thí nghiệm theo thiết kế Box - Behnken 31

Bảng 2.2 Hóa chất lập đường chuẩn xác định amoni theo phương pháp Nessler 34

Bảng 2.3 Dãy dung dịch đường chuẩn xác định nồng độ nitrit 35

Bảng 2.4 Dãy dung dịch đường chuẩn xác định nồng độ nitrat 37

Bảng 3.1 Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm mật độ vi khuẩn nitrat hóa 50

Bảng 3.2 Bảng kết quả tối ưu quy hoạch thực nghiệm nuôi cấy chủng vi khuẩn nitrat hóa 50

Bảng 3.3 Kết quả phân tích ANOVA tối ưu quá trình tổng hợp các yếu tố 51

Bảng 3.4 Mật độ vi khuẩn nitrat hóa trong dịch và trên vật liệu mang 56

Bảng 3.5 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu của hai mẫu nước ngầm 57

DANH M ỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Quá trình chuyển hoá của các hợp chất nitơ trong nước 4

Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 5

Hình 1.3 Hai giai đoạn của quá trình nitrat hóa 17

Hình 1.4 Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrosomonas 18

Hình 1.5 Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrobacter 19

Hình 1.6 Bản đồ khu vực nghiên cứu 23

Hình 2.1 Vật liệu mang DHY 25

Hình 2.2 Đường chuẩn xác định hàm lượng amoni 34

Hình 2.3 Đường chuẩn xác định hàm lượng nitrit 36

Hình 2.4 Đường chuẩn xác định hàm lượng nitrat 37

Hình 3.1 Phân lập vi khuẩn nhóm Nitrosomonas sp 38

Hình 3.2 Nhuộm gram âm vi khuẩn nhóm Nitrosobacter sp 38

Hình 3.3 Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS1 39

Hình 3.4 Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS1 39

Hình 3.5 Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS2 40

Hình 3.6 Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS2 40

Hình 3.7 Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS3 41

Hình 3.8 Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS3 41

Hình 3.9 Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng NB1 42

Hình 3.10 Hiệu suất chuyển hóa nitrit của chủng NB1 43

Hình 3.11 Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng NB2 43

Hình 3.12 Hiệu suất chuyển hóa nitrit của chủng NB2 44

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng NS2 45

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng NB2 46

Hình 3.15 Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của chủng NS2 47

Hình 3.16 Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của chủng NB2 47

Hình 3.17 Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 đến sự sinh trưởng của chủng NS2 49

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 đến sự sinh trưởng của chủng NB2 49 Hình 3.19 Bề mặt đáp ứng mô hình khi nhiệt độ và pH thay đổi, nồng độ NaHCO3

ở mức trung bình 53 Hình 3.20 Bề mặt đáp ứng mô hình khi pH và nồng độ NaHCO3 thay đổi, nhiệt độ

ở mức trung bình 53 Hình 3.21 Bề mặt đáp ứng mô hình khi nhiệt độ và nồng độ NaHCO3 thay đổi, pH

ở mức trung bình 54 Hình 3.22 Quy trình tích hợp vi khuẩn lên vật liệu mang 55 Hình 3.23 Kết quả chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng

độ amoni là 7,29 mg/L 58 Hình 3.24 Hiệu suất chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng

độ amoni là 7,29 mg/L 59 Hình 3.25 Kết quả chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng

độ amoni là 11,56 mg/L 60 Hình 3.26 Hiệu suất chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng

độ amoni là 11,56 mg/L 60

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các t ừ hoặc thuật ngữ

vi ết tắt Gi ải thích các từ hoặc thuật ngữ viết tắt

ANOVA Analysis of Variance – Phân tích phương sai

DO Dissolved Oxygen - Nồng độ oxy hòa tan

MPN Most probable number – Số lượng chắc chắn nhất

có thể

RSM Respond surface methods – Phương pháp bề mặt

đáp ứng

TDS Total dissolved solids – Tổng chất rắn hòa tan

v/v Volume per volume - Thể tích/thể tích

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của Luận văn

Nước là dạng vật chất rất cần cho mọi sinh vật sống trên Trái Đất Những nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng các loại bệnh tật có liên quan trực tiếp đến chất lượng nguồn nước, do đó bảo vệ chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc chăm sóc và bảo đảm sức khỏe con người

Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử

lý hoặc sử dụng trực tiếp Phần lớn nguồn nước bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tùy theo địa hình, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của

từng vùng mà nó đi qua Hoạt động nông nghiệp sử dụng các loại phân bón trên

diện rộng, các loại nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt giàu hợp chất nitơ đã

thải vào môi trường làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nitơ mà chủ yếu là amoni Amoni tuy không gây độc trực tiếp cho con người nhưng các sản phẩm chuyển hóa

từ amoni như nitrit, nitrat lại là các tác nhân gây hại đến sức khỏe con người

Các phương pháp vật lý và hóa lý xử lý amoni đã được thử nghiệm và áp

dụng khá nhiều trên thế giới Tuy nhiên các phương pháp này có giá thành vận hành cao và quá trình thực hiện phức tạp

Hiện nay, công nghệ xử lý amoni bằng biện pháp sinh học thường được ứng

dụng rộng rãi Việc sử dụng các vi sinh vật để xử lý có tính ổn định cao, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường Phương pháp sinh học sử dụng nhóm vi khuẩn nitrat hóa và khử nitrat hóa được ưa chuộng nhiều hơn bởi không đòi hỏi nhiều điều

kiện nghiêm ngặt Nhóm vi khuẩn nitrat hóa có hai nhóm là nhóm dị dưỡng và nhóm tự dưỡng hóa năng Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước ngầm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng vẫn được sử dụng nhiều, bởi chúng cho hiệu quả cao hơn và không

cần nguồn dinh dưỡng hữu cơ

Theo kết quả quan trắc tài nguyên nước dưới đất của Trung tâm Quan trắc và

Dự báo tài nguyên nước (Bộ Tài nguyên Môi trường) đã công bố cho thấy tại một

số điểm quan trắc ở Hà Nội như xã Tân Lập, Đan Phượng, nước ngầm có hàm lượng amoni được phát hiện là 23,3 mg/L cao hơn quy chuẩn cho phép nhiều lần,

đặc biệt là vào mùa khô [8] Hiện nay, phần lớn người dân khu vực này đều sử dụng nguồn nước ngầm phục vụ chủ yếu cho sinh hoạt Chính việc không đủ nước sạch khiến người dân vẫn phải dùng nguồn nước ngầm bị ô nhiễm gây ảnh hưởng đến

sức khỏe và chất lượng cuộc sống Vì thế việc xử lý amoni trong nước ngầm là cần thiết và đáng quan tâm

Trên cơ sở đó, tác giả thực hiện luận văn thạc sỹ với đề tài: “Nghiên cứu

quá trình tích h ợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển hóa amoni trong nước ngầm tại xã Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội” Trong khuôn khổ luận

văn mới chỉ đề cập đến quá trình nitrat hóa, chuyển hóa các dạng amoni, nitrit thành nitrat Vì vậy, đây là những kết quả bước đầu mà luận văn đạt được sẽ phục vụ cho

những mục đích nghiên cứu tiếp theo đối với việc xử lý amoni trong nước ngầm

2 M ục đích của Luận văn

- Tuyển chọn được chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính mạnh

- Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang

- Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: vi khuẩn nitrat hóa thuộc bộ chủng giống đã được

phân lập của Phòng vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KHCNVN, vật liệu mang DHY và một số mẫu nước ngầm nhiễm amoni

Ph ạm vi nghiên cứu: xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu

- P hương pháp 1: Thu thập, phân tích, xử lý và tổng hợp số liệu

Thu thập tất cả các tài liệu hiện có liên quan đến luận văn Bên cạnh đó luận văn có sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để phân tích, xử lý số liệu và đánh giá trong quá trình thực hiện luận văn

- Phương pháp 2: Kế thừa

Kế thừa các tài liệu, các kết quả nghiên cứu trước đây để tiếp thu và bổ sung cho bài luận văn

- Phương pháp 3: Lấy mẫu thực địa

Thu thập và lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu

- Phương pháp 4: Quy hoạch thực nghiệm

Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng với thiết kế Box-Behnken nghiên cứu

sự ảnh hưởng của các yếu tố trong giới hạn đến các mục tiêu

- Phương pháp 5: Phân tích trong phòng thí nghiệm

Sử dụng các phương pháp phân tích hóa học, vi sinh theo tiêu chuẩn quốc gia

và quốc tế để thu thập các số liệu thực nghiệm

5 K ết quả đạt được

- Tuyển chọn được chủng vi khuẩn có hoạt tính mạnh

- Đưa ra điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang

- Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Ngu ồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm

1.1.1 S ự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên

Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ với tỷ

lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước Nitrat và nitrit là các muối nitơ vô cơ

có trong môi trường nước, tồn tại trong điều kiện có oxy, còn amoniac (NH3) tồn tại

ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion NH4+

và ion OH- Quá trình oxy hoá có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion NO3-, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng nitơ không khí

Các prôtêin

(động vật và thực vật)

Quá trình c ố định nitơ

Quá trình denitrat hoá

Quá trình nitrat hoá

Các amino axit

Hình 1.1 Quá trình chuy ển hoá của các hợp

ch ất nitơ trong nước

Quá trình oxy hoá các dạng nitơ vô cơ thành NO3- được gọi là quá trình nitrat hoá (nitrification) Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển hóa

NO3- thành nitơ không khí hoặc oxyt nitơ Quá trình cố định nitơ (nitrogenfixation)

là quá trình nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng amoni Quá trình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá nitơ không khí thành dạng amoni Các protein trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành các amino axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô

cơ trong nước đi vào hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng nitơ hữu cơ

Nitơ trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ kích thích sự phát triển của sinh vật thuỷ sinh Sau khi chết xác của chúng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước Nitơ và phospho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước ngọt Nếu nồng độ nitơ tăng lên nhưng phospho không tăng, hoặc nồng độ phospho tăng lên nhưng nồng độ nitơ không tăng thì sẽ không làm cho sinh vật thuỷ sinh phát triển

Hình 1 2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên

Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni trong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu

cơ cao

1.1.2 Ngu ồn gốc ô nhiễm

Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh

học, hóa học rồi quay trở về môi trường đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình nitơ

Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ Hàm lượng này càng được tăng lên do sự phân hủy xác động, thực vật, chất thải động vật Hầu hết thực

vật không trực tiếp sử dụng dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụ được Khi được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzym, protein… nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển Con người và động vật ăn thực vật sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật Một số loại thực

vật có nốt sần như: cây họ đậu, cỏ ba lá… có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử dụng được cho cây

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực vật đã gây ảnh hưởng đến nguồn nước; do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm Bên cạnh đó, mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của khu vực [8]

Nước ngầm ô nhiễm amoni do quá trình thấm xuyên nước mặt xuống các

tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn Các hợp chất nitơ sẽ từ nước mặt

thấm xuống nước dưới đất Như vậy nếu nguồn nước mặt bị ô nhiễm thì dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm Ngoài ra quá trình lắng đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình tự nhiên (amon axit, amid, hợp

chất nitơ dị vòng…) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ

Ở môi trường pH từ 6 – 8, nitơ nằm chủ yếu dưới dạng amoni Amoni có thể xuất

hiện trong nước ngầm từ nước thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa trang…

do kết quả của quá trình amon hóa – phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic… bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ

sâu có chứa nitơ trong nông nghiệp Sự có mặt các ion NH4+ cùng với ion NO3

-chứng tỏ nước ngầm bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt mới xâm nhập [2]

1.1.3 Ô nhi ễm amoni trong nước ngầm

Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy Khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành các dạng nitrat, nitrit tích tụ trong nước ăn Khi ăn uống nước có chứa nitrit,

cơ thể sẽ hấp thụ nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm cho trẻ mới sinh dưới sáu tháng, có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp Nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế bào là nguyên nhân gây bệnh ung thư Những thí nghiệm cho nitrit vào thức ăn, nước uống của chuột, thỏ… với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng

Amoni trong nước ngầm còn là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các

vi sinh vật trong nước, kể cả tảo phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn [10]

1.2 Hi ện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam

Theo báo cáo của Trung tâm Quan trắc và dự báo tài nguyên nước - Bộ Tài nguyên và môi trường năm 2013, đã công bố kết quả quan trắc tài nguyên nước dưới đất ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Nam Bộ và Tây Nguyên Theo đó, mực nước ngầm đang sụt giảm mạnh, chất lượng nước ở nhiều nơi cũng không đạt tiêu chuẩn Tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện ở nhiều vùng trên cả nước

Khu vực bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất ở Việt Nam là vùng đồng bằng Bắc Bộ Theo khảo sát, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc

Bộ như Hà Nội, Ninh Bình, Hải Dương, Nam Định… đều bị nhiễm amoni và vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Nồng độ amoni trong các nguồn nước ngầm tại một

số vùng trên đều cao hơn quy chuẩn cho phép (theo QCVN 09:2008/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm) khoảng 70 – 80% [8]

Tại tỉnh Hà Nam, hàm lượng amoni trong nước ngầm ở một số địa phương cho thấy phần lớn đều cao hơn hàng trăm lần mức quy chuẩn cho phép như ở xã Bồ

Đề và xã Bối Cầu (huyện Bình Lục) là 754 và 647 lần [8]

Trong kết quả phân tích mẫu nước ngầm ở xã Nghĩa Minh, huyện Nghĩa Hưng, Nam Định, hàm lượng amoni từ 29,6 – 36,4 mg/L; vượt quá giới hạn cho phép từ 296 - 364 lần [8]

Tại điểm quan trắc Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội, hàm lượng amoni lên đến 23,30 mg/L; gấp 233 lần tiêu chuẩn cho phép [8]

1.3 Khái quát m ột số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm

Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất

hữu cơ, nitrit, nitrat, và amoni Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước

ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng

Lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cần xem xét hai yếu tố chính là hiệu

quả xử lý và giá thành, điều quan trọng để quyết định phương pháp xử lý phụ thuộc vào nồng độ amoni trong môi trường nước Nếu nồng độ amoni khoảng dưới 100 mg/L thì sử dụng phương pháp vi sinh là thích hợp nhất, nồng độ amoni từ 100 –

5000 mg/L cũng sử dụng phương pháp vi sinh hoặc có thể sử dụng phương pháp

sục khí bay hơi, nồng độ amoni lớn hơn 5000 mg/L nên sử dụng phương pháp hóa

lý phù hợp về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế [11]

1.3.1 Phương pháp Clo hoá

Clo gần như là chất oxy hóa mạnh có khả năng oxy hoá amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng thành nitơ không khí [9] Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo pH của nước mà Clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:

Cl2 + H2O HCl + HClO (pH < 7)

HClO H+ + ClO- (pH > 8) Khi trong nước có amoni sẽ xảy ra các phản ứng sau:

HClO + NH3 = H2O + NH2Cl (Monocloramin) HClO + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin)

HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin) Nếu có Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các Cloramin:

HClO +2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O

Lúc này lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra

phản ứng phân huỷ Cloramin

Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợp

chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni Khi amoni phản ứng gần hết,

Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều hợp

chất Clo có mùi đặc trưng khó chịu Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm

THM (trihalometan) và HAA (axit axetic halogen) đều là các chất có khả năng gây

ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt

1.3.2 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:

NH4+ NH3 (khí hoà tan) + H+ pka = 9,5 Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí amoniac so với ion amoni

Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng

chuyển về phía tạo thành NH3 Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi

khí thì amoniac sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:

NH4+ + OH- NH3 + H2O

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi amoniac ở

mức 1600 m3 không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi

trường Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ

amoni xuống dưới 1,5 mg/L nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp [9]

1.3.3 Phương pháp ozon hoá với xúc tác brom

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hoá điểm đột biến người ta

có thể thay thế một số tác nhân oxy hoá khác là ozon với sự có mặt của brom [9]

Dưới tác dụng của ozon, brom bị oxy hoá thành BrO-theo phản ứng sau đây:

1.3.4 Phương pháp trao đổi ion

Quá trình trao đổi ion là một quá trình hoá lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt hoặc bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó [9] Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau:

AX + B- AB + X

-CY + D+ CD + Y+Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation

Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu điện tích Nhựa trao đổi cation (cationit) là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX Trong đó R là gốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH-

, Cl-… Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và cation có trong dung dịch

R-H(Na) + NH4+ R-NH4 + H+(Na+) 2R-H + Ca2+ R2Ca + 2H+ Chất trao đổi ion có thể có sẵn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong

đó quan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp (aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion) Trong thực tế nhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rãi nhất Trong nước ngầm, ngoài

ion amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các cation hoá trị I và hoá trị II như Ca2+

, Mg2+, K+, Na+,…phần lớn các nhựa cation có độ chọn lọc thấp đối với ion amoni Để ứng dụng thực tiễn cần tìm được chất trao đổi ion có

độ chọn lọc cao đối với ion amoni Trong khi đó, Zeolic, đặc biệt là loại Clinoptilolit tự nhiên có thể đáp ứng được đòi hỏi trên Clinoptilolit là loại Zeolic tự nhiên có công thức hoá học là (Na4K4)Al20O40.20H2O, độ lớn mao quản nằm trong khoảng 3-8 A0, độ xốp khoảng 34% Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion amoni tuân theo thứ tự:

Cs + >Rb + >K + >NH 4 + >Ba 2+ >Na + >Ca 2+ >Fe 2+ >Al 3+ Mg 2+ >Li +

Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên như: Ca2+

, Mg2+, Na+ đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc của amoni gần ngang với Kali

1.3.5 Phương pháp sinh học

Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất

hữu cơ, nitrit, nitrat, và amoni Vấn đề xử lý amoni trong nước ngầm, nhất là ở

mức nồng độ cao cỡ 10 ÷ 20 mg/L và hơn nữa, còn khá mới mẻ không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, trong số các phương pháp xử lí amoni trong nước ngầm thì phương pháp oxy hóa bằng vi sinh

tỏ ra có nhiều ưu điểm Phương pháp này không gây ô nhiễm, không cần giai đoạn xử lý phụ như phương pháp clo hóa, hoặc tốn kém trong công đoạn hoàn nguyên vật liệu như trao đổi cation

Hạn chế của phương pháp này là lượng bùn sinh ra trong quá trình xử lý, trong quá trình xử lý có thể sinh mùi, quá trình bổ sung dưỡng chất vi lượng khó

kiểm soát

Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như xử lý dễ dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm với một chất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch và ổn định về hoạt tính sinh học, chất lượng (cả về mùi, vị và tính ăn mòn)

Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, trong số các phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm thì phương pháp oxy hóa vi sinh - lọc sinh học ngập nước có thổi khí, có hoặc không có quá trình khử nitrat (tùy theo nồng độ amoni ban đầu) tỏ ra

có nhiều ưu điểm hơn cả Phương pháp này không gây ô nhiễm, không cần giai đoạn xử lý phụ như phương pháp Clo hóa, hoặc tốn kém trong công đoạn hoàn nguyên vật liệu như trao đổi cation [1]

Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni được so sánh qua bảng dưới đây

B ảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni trong môi

- Chi phí vận hành cao bởi hoá chất

- Lượng Clo tăng làm tăng TDS

- Có thể không đạt được tiêu chuẩn amoni cho phép

- Đòi hỏi người vận hành có kỹ năng thành thạo Trao

đổi ion

- Có thể đạt tổng lượng nitơ tiêu chuẩn

- Chất hữu cơ có thể gây kết dính nhựa

- Nồng độ amoni cao có thể làm giảm hiệu quả

loại phospho

- Quá trình có

thể đạt được tiêu chuẩn tổng lượng nitơ cho phép

- Không bị ảnh hưởng bởi các

- Vốn đầu tư

thấp

- Phải hoạt động liên tục

- Chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ, pH, DO

Phương

pháp

- Ổn định về hoạt tính sinh học

- Chất lượng cao

1.4 Tình hình nghiên c ứu xử lý amoni ở Việt Nam

Trong những năm gần đây chúng ta có một số công trình nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm và nước cấp, các nghiên cứu còn hạn chế và chưa đầy đủ nhưng có thể liệt kê một số công trình nghiên cứu sau đây:

- Hoàn thiện công nghệ xử lý nước để áp dụng cho một số nguồn nước bị nhiễm asen; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn, chủ nghiệm đề

tài: KS Đinh Viết Đường, Công ty nước và môi trường Việt Nam

- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội, Nguyễn Văn Khôi, Cao

Thế Hà (2002) - Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002

- Báo cáo kết quả nghiên cứu xử lý amoni tại Pilot Pháp Vân, Cao Thế Hà, Lê

Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004)

- Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội, đề tài cấp thành phố 01C

– 09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khôi – Sở giao thông công chính Hà Nội

- Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất 30000m 3 /ngày.đêm, (2002), Công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt

Nam (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment)

- Các đề tài xử lý nitơ quy mô nhỏ của Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị

- Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit, chủ trì Nguyễn Hữu Phú - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Nghiên c ứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ

trì đề tài Nguyễn Thị Hà, Đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số QT.05.36,2005

- Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt, Viện

Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý amoni trong nước ngầm Các đề tài đều khẳng định phương pháp sinh học là định hướng chính và việc sử

dụng vi khuẩn nitrat cũng rất phổ biến Ở nước ta hiện nay vấn đề xử lý amoni trong nước ngầm là một trong những vấn đề còn phức tạp Điều này sẽ tạo điều kiện thúc

đẩy nhiều nghiên cứu về lĩnh vực xử lý amoni trong nước ngầm ở Việt Nam

1.5 Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa

1.5.1 Vi khu ẩn nitrat hóa

Vi khuẩn nitrat hóa gồm hai nhóm: tự dưỡng và dị dưỡng Nhóm vi khuẩn tự dưỡng là nhóm vi khuẩn sử dụng CO2 như là nguồn cacbon duy nhất tạo nên vật

chất của tế bào Nhóm dị dưỡng cũng có thể đảm nhiệm quá trình nitrat hóa nhưng

chậm hơn so với nhóm tự dưỡng rất nhiều, để sinh trưởng vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng phụ thuộc hoàn toàn vào sự oxy hóa chất hữu cơ [7]

Tất cả các chủng vi khuẩn nitrat hóa đều là vi khuẩn hiếu khí, nhưng một vài

chủng có thể sinh trưởng ở nồng độ oxy thấp Vi khuẩn có rất nhiều hình dạng như: hình que, hình cầu, vi khuẩn có tiêm mao hoặc chùm mao, không có nội bào tử Hầu

hết các chủng vi khuẩn nitrat hóa đều là vi khuẩn gram âm

1.5.2 Đặc điểm phân bố của vi khuẩn nitrat hóa

Vi khuẩn nitrat hóa được phân bố khắp nơi trong đất, nước và trong môi trường biển từ khi được khám phá bởi S N Winogradsky vào cuối thế kỷ 19 Chúng cũng được tìm thấy trong các môi trường khắc nghiệt như sa thạch, soda

kiềm, băng Nam Cực, hoặc trong bọt biển [7]

Quá trình nitrat hóa được thực hiện thông qua hai bước với sự tham gia của hai nhóm vi khuẩn Vi khuẩn oxy hóa amoni thành nitrit và vi khuẩn oxy hóa nitrit thành nitrat, không nhóm vi khuẩn tự dưỡng nào có thể oxy hóa trực tiếp amoni

thành nitrat Vi khuẩn tự dưỡng oxy hóa nitơ gắn liền với quá trình năng lượng, còn quá trình nitrat hóa của nhóm dị dưỡng không gắn với quá trình chuyển hóa năng lượng

1.5.3 Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa

Cho đến hiện nay, quá trình oxy hóa amoni vẫn được nghĩ là quá trình hiếu khí, cần phân tử oxy Thông thường, vi khuẩn oxy hóa amoni có thể hoạt động ở

nồng độ oxy thấp hơn là ở nồng độ amoni thấp Ở các môi trường nước giàu dinh dưỡng vi khuẩn nitrat hóa có thể hấp thụ oxy ở nồng độ dưới 0,05 mg/L Vì vậy, nhóm vi khuẩn nitrat hóa vẫn có số lượng lớn trong điều kiện thiếu oxy dưới các

tầng nước sâu, trong trầm tích dưới nước hoặc bể chứa nước thải, thậm chí cả ở các điều kiện không cho phép vi khuẩn nitrat hóa hoạt động [5]

Trong đất và trong trầm tích dưới nước, nơi có nồng độ oxy thấp, vi khuẩn oxy hóa amoni có thể cải thiện quá trình nitrat hóa Điều này chỉ ra rằng có thể cải thiện đặc điểm sinh lý, như là tăng ái lực oxy hoặc thay đổi cách nhận điện tử hơn là thay đổi thành phần cấu thành của quá trình nitrat hóa nói chung

1.5.4 Quá trình nitrat hóa

Các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ (chemolithotrophic) thường là loại tự dưỡng, đều sử dụng chu trình Calvin để cố định cacbonic như nguồn cacbon duy

nhất Ở vi khuẩn nitrat hoá được xếp vào loại hoá tự dưỡng (chemoautotrophic) sẽ

sử dụng năng lượng thu được từ quá trình oxy hoá amoni hay nitrit để phục vụ cho

việc khử cacbonic thành cacbonhydrat Khi một phân tử cacbonic đi vào chu trình Calvin, nó cần đến 03 phân tử ATP và 02 phân tử NAD(P)H Năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hoá amoni lẫn nitrit được sử dụng để tổng hợp nên ATP và NAD(P)H Chính hai hợp chất quan trọng này mà vi khuẩn nitrat hoá sử dụng để

khử cacbonic và các hợp chất khác phục vụ cho quá trình biến dưỡng của tế bào

Quá trình tạo NADH và ATP ở vi khuẩn nitrat hoá tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và lượng sản phẩm tạo ra ít hơn Nhưng vì nguồn cơ chất amoni, nitrit mà vi khuẩn nitrat hoá sử dụng lại không bị cạnh tranh như các nguồn cơ chất khác

(glucose, lipit, protein), nên vi khuẩn nitrat hoá vẫn thích nghi được với con đường

NH3 + O2 + 2e- + 2H+  NH2OH + H2O + 0,7 kcal/mol Hydroxylamin sinh ra được vận chuyển đến tế bào chất và chuyển thành nitrit đồng thời giải phóng ra 1 proton (H+)

NH2OH + O2 + H2O  NO2- + H+ + 83,3 kcal/mol Khi oxy hóa hydroxylamin thành nitrit sẽ giải phóng ra nước và ion hydro đây là nguyên nhân làm tăng tính axit trong môi trường từ quá trình nitrat hóa Điều này phá vỡ độ đệm của môi trường nuôi cấy Do đó cần bổ sung kiềm để cân bằng

lại độ kiềm của nước, tránh tác động có hại của ion hydro kết hợp với nitrit hoặc nitrat tạo thành axit nitric Quá trình nitrit hóa diễn ra mạnh nhất ở pH trung tính

hoặc kiềm (pH 7,5 – 8) [13]

Như vậy, phản ứng chung của quá trình nitrit hóa như sau:

NH3 + 1,5O2  NO2- + H+ + H2O + 84 kcal/mol

Hình 1.4 Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrosomonas 1.5.4.2 Quá trình nitrat hóa ở Nitrobacter sp

Enzym ở đây là nitritoxydase (NO2

OR) là một enzym có chứa nhân Fe-S và trung tâm hoạt động chứa Mo Trong tế bào vi khuẩn, cơ chế chung như sau:

NO2- + H2O  NO3- + 2(H+ + e-) + 17,8 kcal/mol Khác với quá trình nitrit hóa, nguyên tử oxy dùng để oxy hóa nitrit được lấy

từ nước thay vì phân tử oxy Hai electron sinh ra từ quá trình oxy hóa nitrat được

kết hợp với oxy từ phân tử oxy để tạo thành nước trong nguyên sinh chất

Ngoài ra từ enzym NO2- OR, 2 electron sẽ chuyển NAD+ thành NADH Tế bào sẽ sử dụng NADH sinh ra cho các hoạt động oxy hóa và dùng NADH cho chu trình Calvin [15]

Hình 1.5 Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrobacter

1.5.5 Các y ếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Các vi khuẩn hóa năng vô cơ nói chung sở hữu những cơ chế hóa sinh đặc

biệt giúp chúng tồn tại và phân bố trong một khoảng không gian rộng ở mặt đất và dưới nước Do là vi sinh vật tự dưỡng nên chúng có khả năng tự tổng hợp sinh khối

nhờ có cơ chế sinh hóa chứa đủ hệ enzym phân giải các chất vô cơ Một số yếu tố ảnh hưởng như sau:

một số trường hợp cần bổ sung thêm kiềm để giữ pH Vi khuẩn Nitrosomonas hoạt

động trong khoảng pH 8 ÷ 9,2 Sự thích nghi của vi khuẩn đối với giá trị pH quá cao hoặc quá thấp đều đòi hỏi phải có một khoảng thời gian Trong nhiều nghiên

cứu cho thấy các chủng vi khuẩn tự dưỡng có thể thích nghi được ở các giá trị pH

rất thấp như 3÷ 4 hoặc rất cao 11÷12 [18]

1.5.5.3 N ồng độ amoni

Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến sinh trưởng của các

chủng vi khuẩn oxy hóa amoni, Okano và cộng sự (2004) thấy rằng ở nồng độ amoni từ 20 – 100 mg/L, các tế bào của vi khuẩn oxy hóa amoni sau 7 ngày nuôi

cấy tăng từ 1,3 x 105 đến 6,6 x 106 tế bào/g đất khô Một số nghiên cứu khác còn cho rằng, nồng độ nitơ trong môi trường cao (400 – 1000 mgN/L làm giảm mạnh đến khả năng chuyển hóa nitơ của các chủng vi khuẩn nitrat hóa [17]

1.5.5.4 N ồng độ oxy hòa tan (DO)

Tuy vi khuẩn nitrat hóa là loài hiếu khí bắt buộc nhưng chúng có thể sống trong thời gian dài ở điều kiện thiếu oxy dưới các tầng nước phía đáy hồ, trong các

bể xử lý nước thải và bùn hoạt tính Ở các bể xử lý nước thải liên tục thì mật độ vi khuẩn nhóm Nitrosomonas sp đạt tối ưu ở nồng độ oxy hòa tan khoảng 0,2 mg/L

Quá trình nitrit hóa vẫn xảy ra ở mức độ oxy hòa tan thấp 0,05 mg/L mà vẫn phân

giải được một lượng đáng kể amoni Đối với vi khuẩn nhóm Nitrobacter sp thì có

sức sống tương tự, trong một số trường hợp mật độ tế bào còn nhiều hơn vi khuẩn

oxy nhóm Nitrosomonas sp Việc phát triển các bể xử lý hiếu khí kín có một vài khu vực kị khí cục bộ đã cho phép tiến hành đồng thời quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, chuyển từ amoni đến nitơ Nồng độ oxy hòa tan thích hợp cho hệ vi khuẩn nitrat hóa phát triển tốt là từ 3 mg/L [16, 20, 23]

1.5.5.5 S ự có mặt của các chất độc

Nitrosomonas sp và Nitrobacter sp đều nhạy cảm với một vài hợp chất độc

trong môi trường Tuy nhiên, mức độ nhạy cảm của Nitrosomonas sp thường cao hơn Nitrobacter sp., các hợp chất này gây ngừng quá trình nitrat hóa vì ức chế các

hệ enzym trên màng của tế bào Hầu hết các hợp chất diệt khuẩn đều tác động đến

hoạt động sống của vi khuẩn nitrat hóa [7]

1.5.6 Kh ả năng bám dính

Hệ vi khuẩn nitrat hóa được biết có khuynh hướng tiết ra những polyme ngoại bào và dính vào chất mang Khi chất mang có lớp lipopolysaccharide phủ bên ngoài thì sự bám dính được tốt hơn Nếu bề mặt chất mang không phù hợp và có nước rửa trôi, những cụm tế bào sẽ hình thành gọi là zoogloeas Màng sinh học (biofilm) tạo bởi vi khuẩn nitrat hóa có khối lượng riêng ước đạt 1,14 g/cm3 và tổng

khối lượng riêng khô là 0,03 g/cm3 Trong nguồn nước tự nhiên, vi khuẩn nitrat hóa thường kết với nhau thành từng chùm và nổi trên bề mặt hơn là ở dạng tự do Diab

và Shilo (1988) đã chứng minh vi khuẩn nitrat hóa có thể bám dính từ 70 – 95% lên

một bề mặt mịn, trơ sau 30 phút kể từ khi cho tiếp xúc [14]

Số lượng tế bào của Nitrosomonas sp giảm nhanh trong điều kiện kị khí ở

dịch tế bào tự do so với tế bào nằm trong lớp bùn, được ghi nhận khả năng sống sót trong hàng tháng Diab và Shilo (1988) cũng chứng minh khả năng tồn tại mạnh mẽ

của vi khuẩn nitrat hóa trong điều kiện cố định ở các chế độ kị khí và thiếu nguồn

dinh dưỡng [14] Quá trình nitrat hóa và khả năng sinh trưởng sẽ thấp nếu vi khuẩn

ở dạng tự do, vì thế yêu cầu cần phải cố định là cần thiết, việc sử dụng những vật

liệu mang sẽ tạo hiệu quả của quá trình nitrat hóa lên rất cao

1.6 Đặc điểm khu vực nghiên cứu

Khu vực Hà Nội là nơi duy nhất của cả nước sử dụng đến 90% nước ngầm làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt Mặc dù quy định hàm lượng các chất Nitơ trong nước là rất nghiêm ngặt song nước ngầm Hà Nội đang bị ô nhiễm Chất lượng nước

ngầm ở tầng mạch nông và mạch sâu tại đây có hàm lượng Nitơ trung bình hơn 20 mg/L vượt mức quy chuẩn cho phép rất nhiều lần Một số nhà máy nước cấp bị ô nhiễm amoni nặng như: Tương Mai, Hạ Đình, Pháp Vân, Nam Dư Mặc dù vậy sau khi qua hệ thống xử lý, nước ở các nhà máy cấp cho người dân có hàm lượng amoni vẫn còn ở mức cao, vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần [8]

B ảng 1.2 Hàm lượng amoni sau xử lý tại một số nhà máy cấp nước ở Hà Nội

STT Tên nhà máy nước N ồng độ N-NH 4 +

(Ngu ồn: Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia,

B ộ Tài nguyên và môi trường)

Trong khoảng chục năm trở lại đây, xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội

có tốc độ đô thị hóa khá nhanh Tuy nhiên cách trung tâm thành phố không xa nhưng người dân nơi đây hàng ngày vẫn phải dùng nguồn nước ngầm bị ô nhiễm

Tại đây từ trước đến nay các hộ gia đình đều sử dụng nước giếng khoan Những gia đình có điều kiện trang bị thêm bình nước lọc tinh khiết để dùng cho ăn uống, còn

mọi sinh hoạt dùng nước giếng khoan

Theo Quyết định số 3212/QĐ-UBND ngày 21/5/2013 của UBND thành phố, UBND huyện Đan Phượng đã xây dựng đề án xây dựng nông thôn mới huyện Đan Phượng giai đoạn 2012-2020, trong đó giai đoạn 2012-2015 tỷ lệ người dân sử dụng nước sạch đạt 60%; giai đoạn 2016 - 2020 đạt 80% Tại xã Tân Lập hiện nay đã có

trạm cấp nước sạch với tổng công suất là 6350 m3/ngày đêm tuy nhiên đến hết năm

2014, nước sạch mới chỉ cung cấp cho khoảng 36% dân số của xã; số hộ còn lại vẫn

sử dụng nước mưa, nước giếng khoan sau khi lọc bằng bể lọc, được lọc lại bằng máy lọc để nấu ăn, uống Kế hoạch trước 30/6/2016 toàn xã sẽ có 52% hộ dân của

xã được sử dụng nước sạch đạt yêu cầu theo quy định về tiêu chí nước sạch của Chương trình mục tiêu Quốc gia xây dựng nông thôn mới

Hình 1.6 B ản đồ khu vực nghiên cứu (Nguồn: Google map)

Nguyên nhân ô nhiễm amoni trong nước ngầm chủ yếu do con người gây ra

Việc tồn tại hàng loạt các giếng khoan UNICEF trước đây nay không sử dụng hoặc

bị hỏng không được trám lấp đúng yêu cầu; tình trạng khoan giếng khoan tự phát, khoan khai thác nước quy mô nhỏ trong sản xuất, kinh doanh của các doanh nghiệp trên địa bàn không được kiểm soát chặt chẽ gây nhiễm bẩn tầng chứa nước.Từ đây các loại chất thải gây ô nhiễm sẽ ngấm xuống các tầng chứa nước ngầm Mặt khác, khu vực lại có địa hình thấp dần về phía nam và đông nam, toàn bộ nước bề mặt kéo theo chất gây ô nhiễm, ngấm xuống làm bẩn cả những tầng chứa nước nằm sâu dưới lòng đất

Thêm vào đó, trên địa bàn xã Tân Lập hiện nay có nhiều nhà máy, xí nghiệp

hoạt động và gây ô nhiễm môi trường Điển hình như Xí nghiệp vật liệu hóa chất thuộc Công ty cổ phần Điện tử Tin học Hóa chất đã từng bị Sở TNMT Hà Nội thanh kiểm tra, xử lý việc gây ô nhiễm môi trường Xí nghiệp có xưởng sản xuất

hoạt động chủ yếu là sản xuất các hòm hộp, công trình bằng composite, mạ kim loại

với công suất 2 tấn/ngày Lượng nước thải khoảng 16 m3/ngàyđêm chủ yếu là nước thải từ xưởng mạ được thu gom vào hệ thống xử lý sau đó thải vào mương thoát nước của xã [8]

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 V ật liệu nghiên cứu

2.1.1 Vi khu ẩn nitrat hóa

Vi khuẩn nitrat hóa được kế thừa từ bộ chủng giống vi sinh vật có khả năng chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrit thành nitrat Bộ chủng giống thuộc phòng thí nghiệm Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam

2.1.2 Nước ngầm

Mẫu nước ngầm được lấy tại giếng khoan của một số hộ dân đại diện cho khu vực nghiên cứu là xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội vào tháng 06 và 07 năm 2015 Các giếng khoan được lấy mẫu nằm trong khuôn viên các hộ gia đình có

độ sâu từ 15 – 30m thuộc các tầng chứa nước qh1 và qh2 Vị trí của các giếng được các hộ gia đình bố trí cách xa khu vệ sinh và chuồng trại chăn nuôi

2.1.3 V ật liệu mang

Vật liệu mang DHY được sử dụng trong nghiên cứu là xốp polyurethane có hình khối lập phương với kích thước 1 x 1 x 1 cm, khối lượng riêng không quá 33 g/l; trọng lượng 0,97 g/l; diện tích bề mặt khoảng 6000 ÷ 12000 m2/m3 Polyurethane rất bền và không độc hại khi ở trong nước Vật liệu sau một thời gian

sử dụng không thể hoàn nguyên do xác vi sinh vật bám vào và phân hủy làm thay đổi bề mặt tiếp xúc Tuy nhiên với giá thành rẻ nên có thể sử dụng mới để thay thế

Hình 2.1 V ật liệu mang DHY

Vật liệu mang DHY có diện tích bề mặt được tính toán dựa trên kích thước hình học của giá thể và cấu trúc xốp của nó, chính những lỗ nhỏ li ti bên trong giá

thể tạo ra những bề mặt cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật; cơ chế khuếch tán và trao đổi chất tương tự như màng sinh học cố định Do đó, quá trình chuyển khối trong hệ mang chuyển động cao hơn so với hệ mang cố định Lớp màng vi sinh dính bám tăng dần theo thời gian vận hành do sự phát triển của vi sinh

vật Khi mà chiều dày của lớp màng này vượt quá độ dày mà oxy hòa tan có thể

thấm đến thì phía sâu hơn sẽ hình thành môi trường thiếu khí hay yếm khí Càng vào sâu trong lớp màng, nguồn thức ăn càng trở nên thiếu hụt, dẫn đến quá trình phân hủy nội sinh xảy ra Trong giai đoạn nội sinh, vi sinh vật mất khả năng bám dính trên màng và bị dòng nước kéo ra khỏi màng, đó là giai đoạn bong màng

Vật liệu mang DHY đã được sử dụng trong công nghệ màng vi sinh tầng chuyển động (MBBR) đáp ứng được các điều kiện và yêu cầu đặt ra để xử lý nước thải sinh hoạt tại trạm xử lý nước thải thành phố Đà Lạt

2.1.4 Thi ết bị, dụng cụ nghiên cứu

2.1.4.1 Thi ết bị đo đạc, phân tích

Một số thiết bị, máy móc sử dụng trong luận văn:

- Cân phân tích Sartorius BS 224S, Đức

- Thiết bị đo pH Hannah, Thụy Sỹ

- Thiết bị đo nồng độ oxy hòa tan Hannah HI 9146-04, Thụy Sỹ

- Thiết bị Jartest JTL6 VELP Scientifica, Italia

- Lò vi ba Sanyo, Nhật Bản

- Nồi khử trùng ALP, Nhật Bản

- Tủ lắc ổn nhiệt Shellab, Hoa Kỳ

- Tủ ấm Binder, Đức

- Tủ sấy Bixon, Trung Quốc

- Tủ cấy vi sinh Esco Biotech EQR/GL-64, Indonesia

- Tủ hút, Việt Nam

- Thiết bị phá mẫu COD ECO 8 Thermoreactor VELP Scientifica, Italia

- Thiết bị cất đạm UDK 129 Distillation Unit VELP Scientifica, Italia

- Máy quang phổ khả kiến UV-VIS 1250, Shimazu, Nhật Bản

- Bếp điện, Trung Quốc

2.1.4.2 D ụng cụ thí nghiệm

Một số dụng cụ thí nghiệm phục vụ cho luận văn:

- Pipette thủy tinh, tự động

- Đũa thủy tinh

- Que cấy, que chan

2.1.4 4 Môi trường nuôi cấy vi khuẩn nitrat hóa

Môi trường Winogradsky 1 [19]:

Nước cất 2 lần đủ 1 lít

Chỉnh pH về 8 bằng HCl 1N hoặc NaOH 3N

Khử trùng ở 121 o

C trong 20 phút

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu

Phương pháp lấy mẫu để quan trắc chất lượng nước ngầm được áp dụng theo các tiêu chuẩn quốc gia:

- TCVN 6000:1995 (ISO 5667-11:1992) – Chất lượng nước – Lấy mẫu – Hướng dẫn kỹ thuật lấy mẫu nước ngầm

- TCVN 5993:1995 (ISO 5667-3:1985) – Chất lượng nước – Lấy mẫu – Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu

2.2.2 Kh ảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khu ẩn nitrat hóa

Mật độ vi sinh vật có thể được xác định một cách gián tiếp thông qua độ đục

của môi trường nuôi cấy, khi môi trường lỏng chứa nhiều vi sinh vật sẽ cản ánh sáng làm phân tán chùm tia tới, trong một giới hạn nhất định của độ đục và mật độ

tế bào có thể xác lập được mối quan hệ tuyến tính giữa mật độ tế bào và độ đục, thông thường người ta xác định thông qua độ hấp thụ ánh sáng có bước sóng 600

nm Do đó muốn xác định lượng tế bào cần xây dựng đường cong sinh trưởng dựa vào giá trị mật độ quang ở bước sóng 600 nm (OD600) [3]

2.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa Sau khi được hoạt hóa, vi khuẩn được nuôi cấy trong bình tam giác dung tích 250

mL có chứa 50 mL môi trường nuôi cấy thích hợp, được cấp giống 0,2% v/v Nuôi

lắc (200 rpm) ở các nhiệt độ 20 o

C, 30 oC, 37 oC và 40 oC trong 7 ngày Sau mỗi 24

h lấy mẫu 1 lần và đo giá trị mật độ quang OD600

2.2.2.2 Ảnh hưởng của pH

Sau khi khảo sát ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ, chúng ta sẽ biết ở nhiệt độ nào chủng được chọn sinh trưởng và phát triển tốt nhất, từ đó cố định nhiệt độ và

tiến hành khảo sát pH Môi trường nuôi cấy được chỉnh về các giá trị pH ban đầu: 6,

7, 8 và 9 bằng dung dịch HCl 1N hoặc NaOH 3N Cấp giống 0,2% v/v và nuôi lắc (200 rpm) trong 7 ngày Lấy mẫu đo giá trị mật độ quang OD600 nm sau mỗi 24h

2.2.2.3 Ảnh hưởng của nguồn cacbon vô cơ

Cố định nhiệt độ, pH, tốc độ lắc (200 rpm) mà tại đó chủng sinh trưởng và phát triển tốt nhất Khảo sát nồng độ NaHCO3 bằng cách thay đổi nồng độ tại các giá trị 1, 2, 3, 4 g/L Tiến hành cấp giống 0,2% v/v, nuôi lắc trong 7 ngày và lấy

mẫu đo giá trị mật độ quang OD600 sau mỗi 24 h

2.2.3 T ối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)

Phương pháp bề mặt đáp ứng là một kỹ thuật mô hình thực nghiệm được sử

dụng để đánh giá mối quan hệ giữa một tập hợp của các yếu tố thử nghiệm kiểm soát [6] Dựa trên kết quả kiểm tra biến, mô hình kiểm tra các biến thử nghiệm cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn nitrat hóa một cách tối ưu bằng cách sử dụng thiết kế Box-Behnken

Trong nghiên cứu này, xác định giá trị tối ưu của ba yếu tố chính ở ba mức

(-1, 0 và +1) với 15 thí nghiệm trong đó có 3 thí nghiệm ở tâm [21]

Hàm đáp ứng được chọn là giá trị mật độ quang (OD) của dịch nuôi cấy, mô hình hóa được biểu diễn bằng phương trình bậc hai: Y = Ao + A1X1 + A2X2 + A3X3+ A12X1X2 + A12X1X2 + A12X1X2 + A11X12 + A22X22 + A33X32 Trong đó Ao là

hệ số hồi quy tại tâm; A1, A2, A3 là các hệ số bậc 1; A11, A22, A33 là các hệ số bậc 2; A12, A13, A23 là các hệ số tương tác của từng cặp yếu tố; X1, X2, X3,X11,X22,

X33, X12, X13 và X23 là các biến độc lập Số liệu được phân tích bằng chương trình Statgraphics Centurion XVI v16.1.11 (Statpoint Technologies, Inc., Warrenton, Virginia, Hoa Kỳ) Từ kết quả phân tích xác định mức tối ưu của các yếu tố khảo sát cho giá trị OD cao nhất

Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI v16.1.11 cho chúng ta bảng 2.1 bố trí thí nghiệm như sau

B ảng 2.1 Bảng bố trí thí nghiệm theo thiết kế Box - Behnken

2.2.4 Tích h ợp vi khuẩn lên chất mang

Tiến hành nhân giống các chủng vi khuẩn ở điều kiện tối ưu

Sau khi nhân giống, ta sẽ tiến hành tích hợp vi khuẩn lên chất mang trong môi trường thích hợp Trong quá trình tích hợp, môi trường được nuôi lắc (200 rpm)

và điều chỉnh nhiệt độ, pH, nồng độ nguồn cacbon về giá trị tối ưu Mẫu được khảo sát ở các thời gian khác nhau 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168 h

Sau thời gian tích hợp, tiến hành khảo sát mật độ tế bào có trong vật liệu mang bằng cách nuôi cấy Nitrosomonas và Nitrobacter trong mỗi ống chứa 05 mL

môi trường đã thanh trùng Tiến hành cấy ba nồng độ liên tiếp của dịch huyền phù

mỗi mẫu vào các ống, mỗi nồng độ lặp lại ba lần Sau đó, để vào tủ ấm ở nhiệt độ

30oC trong vòng 07 ngày Lấy các ống ra để xác định sự xuất hiện của nitrit trên

môi trường nuôi cấy vi khuẩn Nitrosomonas và nitrat trên môi trường nuôi cấy vi

khuẩn Nitrobacter Sau đó ghi kết quả các số lượng ống dương tính với nitrit và

nitrat ở các nồng độ khác nhau rồi tiến hành tra bảng MPN để nhận được kết quả

mật độ

2.2.5 Th ử nghiệm xử lý nước ngầm trong phòng thí nghiệm

2.2.5.1 Th ử nghiệm trên quy mô máy Jartest

Cho 02 lít mẫu nước ngầm vào bình dung tích 03 lít, bổ sung vật liệu mang

đã tích hợp vi khuẩn, khuấy với tốc độ 200 rpm, mẫu được lấy mẫu sau 24 h/lần

Tiến hành xác định nồng độ các chỉ tiêu amoni, nitrit và nitrat (mg/L), xác định hiệu

quả xử lý nước ngầm

2.2.5 2 Xác định hiệu suất chuyển hóa

Hiệu suất chuyển hóa (tính theo hàm lượng amoni) = hàm lượng amoni (mg/L) giảm đi/tổng hàm lượng amoni x 100 (%)

2.2.6 Phương pháp vi sinh

2.2.6 1 Phương pháp xác định mật độ vi khuẩn nitrit và nitrat hóa

Pha loãng:

M ẫu rắn: Cân 10g mẫu (chất mang) nghiền nhỏ cho vào 90 mL nước vô

trùng được nồng độ pha loãng 10-1, sau đó lắc đều và lấy 01 mL dịch huyền phù ở

nồng độ pha loãng 10-1

cho vào 09 mL nước vô trùng được nồng độ pha loãng 10-2

, làm tương tự với các nồng độ pha loãng tiếp theo [3]

M ẫu lỏng: Hút 01 mL dịch mẫu cho vào 9mL nước vô trùng được nồng độ

pha loãng 10-1, sau đó lắc đều và lấy 01 mL dịch huyền phù ở nồng độ pha loãng 10-1 cho vào 09 mL nước vô trùng được nồng độ pha loãng 10-2, làm tương tự với các nồng độ pha loãng tiếp theo [3]

Cách ti ến hành:

Chuẩn bị các ống chứa môi trường nuôi cấy Nitrosomonas và Nitrobacter

(mỗi ống chứa 5mL) đã thanh trùng Tiến hành cấy 3 nồng độ liên tiếp của dịch huyền phù mỗi mẫu vào các ống, mỗi nồng độ lặp lại 3 lần Sau đó, để vào tủ ấm ở nhiệt độ 30 oC trong vòng 1 tuần Lấy các ống ra để xác định sự xuất hiện của nitrit