NGHIÊN cứu THỰC TRẠNG ô NHIỄM AMONI TRONG nƣớc cấp SINH HOẠT, NGUYÊN NHÂN và đề XUẤT GIẢI PHÁP xử lý TT

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam chưa có đề tài nghiên cứu, đánh giá hiện tượng nhiễm amoni trong các bể lưu trữ khác nhau trong cộng đồng dân cư, tìm hiểu sâu, phân tích các quá trình chu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Anh Trung

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT, NGUYÊN NHÂN VÀ

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đồng Kim Loan

PGS.TS Trần Hồng Côn

Phản biện: ………

………

Phản biện: ………

………

Phản biện: ………

………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại : ……… vào hồi giờ ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam;

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhiễm amoni trong nguồn nước ngầm dùng làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt đã được quan tâm nghiên cứu ở nhiều khu vực, nhiều quốc gia trên thế giới Ở Việt Nam, khu vực đồng bằng Sông Hồng nói chung và tại Hà Nội nói riêng, hiện tượng này đã được thừa nhận

Hiện nay, hầu hết các hộ gia đình ở thành phố Hà Nội đều phải

sử dụng thiết bị lưu trữ nước Mô hình cấp nước phổ biến là mô hình bể chứa + bơm + két nước trên cao Cách này cho phép lưu trữ và sử dụng nước theo hình thức tự chảy trong một khoảng thời gian nhất định Một hiện tượng đặc biệt được quan tâm là vấn đề nhiễm amoni tại các bể lưu trữ nước ở cộng đồng dân cư sử dụng Việc nghiên cứu quá trình chuyển hóa của các dạng nitơ trong nước tại các bể lưu trữ có ý nghĩa rất quan trọng đến công tác cấp nước sạch cho nhân dân Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam chưa có đề tài nghiên cứu, đánh giá hiện tượng nhiễm amoni trong các bể lưu trữ khác nhau trong cộng đồng dân cư, tìm hiểu sâu, phân tích các quá trình chuyển hóa, biến đổi của hợp chất nitơ trong các loại hình lưu trữ nước, từ đó tìm ra giải pháp khắc phục

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá thực trạng nhiễm amoni và một số hợp chất nitơ trong thiết bị lưu trữ nước sinh hoạt từ nhà máy cấp nước có hàm lượng amoni cao ở quy mô hộ gia đình

- Nghiên cứu sự biến đổi các hợp chất nitơ trong thiết bị lưu trữ nước ở điều kiện lưu trữ nước sinh hoạt khác nhau

- Đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu mức độ nhiễm amoni, nitrit và nitrat xuống dưới tiêu chuẩn cho phép tại các bể lưu trữ nước sinh hoạt quy mô hộ gia đình

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

Đề tài luận án góp phần làm rõ cơ sở khoa học của sự nhiễm amoni và quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ cũng như thời gian tồn lưu của chúng trong thiết bị lưu trữ nước quy mô hộ gia đình, các quá trình chuyển hóa và những yếu tố ảnh hưởng, tác động đến quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ

b) Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đề xuất được một số biện pháp giảm thiểu nồng độ amoni

và các hợp chất chứa nitơ khác trong các thiết bị lưu trữ nước quy

mô hộ gia đình Kết quả của luận án là cơ sở thực tiễn để giải quyết vấn đề ô nhiễm amoni và các hợp chất chứa nitơ khác trong các thiết

bị lưu trữ nước sinh hoạt xuất hiện phổ biến trong thực tế không ch

ở Hà Nội mà tại hầu hết các địa bàn dân cư ở Việt Nam

4 Những đóng góp mới của luận án

- Lần đầu tiên vấn đề nhiễm amoni và các giải pháp ph ng ngừa, giảm thiểu amoni trong các loại hình lưu trữ nước sinh hoạt quy mô

hộ gia đình được nghiên cứu đầy đủ và có hệ thống

- Nghiên cứu của luận án làm sáng tỏ các vấn đề nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt và sự biến đổi, chuyển hóa các hợp chất nitơ trong thiết bị lưu trữ nước ở những điều kiện lưu trữ nước sinh hoạt khác nhau được sử dụng trong cộng đồng; là cơ sở khoa học cho việc giảm thiểu sự phát sinh và tái nhiễm amoni trong nước máy cấp cho sinh hoạt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Chu trình nitơ và amoni trong nước tự nhiên

- Chu trình nitơ và các dạng tồn tại của hợp chất nitơ trong nước

- Amoni và các tác động của amoni trong nước sinh hoạt

1.2 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước

- Quá trình cố định nitơ

- Quá trình ammon hóa

- Quá trình nitrat hóa

- Quá trình khử nitrat hóa

- Quá trình anammox

- Quá trình khử nitrat thành amoni

1.3 Tình hình nghiên cứu về nhiễm amoni và quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước cấp sinh hoạt

- Trên thế giới: Nhóm nghiên cứu về vấn đề nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt và sự xuất hiện của các vi sinh vật chuyển hóa nitơ trong hệ thống phân phối nước

Nhóm nghiên cứu về quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước cấp sinh hoạt

- Ở Việt Nam: Nhóm nghiên cứu về sự nhiễm amoni và các hợp chất nitơ khác trong nước cấp sinh hoạt

Nhóm nghiên cứu về thực trạng nhiễm các vi sinh vật tại một số

bể chứa nước tại các hộ gia đình

1.4 Tổng quan về các hình thức lưu trữ nước

- Vật liệu bể chứa nước

- Một số yếu tố chính tác động đến chất lượng nước cấp sinh hoạt lưu trữ tại bể chứa quy mô hộ gia đình

Kết luận Chương 1

1 Nghiên cứu tổng quan về amoni, quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước và vấn đề lưu trữ nước sinh hoạt tại các hộ gia đình đã làm sáng tỏ một số vấn đề sau:

- Hiện tượng nhiễm anomi trong nước cấp sinh hoạt đã được phát hiện Ở Việt Nam, hiện tượng này cũng đã được thừa nhận và phổ biến nhất là khu vực phía Nam thành phố Hà Nội Nguyên nhận được xác định đó là ô nhiễm amoni tại nguồn nước ngầm Đây là nguồn nước thô cấp cho các nhà máy nước

- Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề chuyển hóa amoni và các hợp chất nitơ khác cũng như sự xuất hiện của vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong hệ thống phân phối nước sinh hoạt là không nhiều Các nghiên cứu này đã tập trung nghiên cứu sự biến đổi trong quá trình xử lý tại nhà máy nước, tại đường ống phân phối nước cấp sinh hoạt

- Tại các địa phương ở Việt Nam, do nhiều nguyên nhận khác nhau, người dân hầu hết phải sử dụng các bể lưu trữ nước sinh hoạt Các thiết bị này có sự khác nhau về loại hình, điều kiện lưu trữ …, từ

đó sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa hợp chất chứa nitơ

2 Các vấn đề trống chưa tác giả nào nghiên cứu:

Những nghiên cứu về nhiễm amoni và các quá trình chuyển hóa của hợp chất nitơ trong nước cấp sinh hoạt không nhiều, chủ yếu tập trung với đối tượng và phạm vi là nguồn nước thô, nước tại nhà máy

xử lý nước sạch và nước tại đường ống phân phối Chưa có nghiên cứu về hiện tượng nhiễm amoni trong các hình thức lưu trữ nước sinh hoạt tại hộ gia đình và quá trình biến đổi các hợp chất nitơ trong các điều kiện lưu trữ khác nhau

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định là amoni và các hợp chất chứa nitơ khác trong nước cấp sinh hoạt được chứa tại những thiết bị lưu trữ quy mô hộ gia đình

- Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi về thời gian: Các mẫu nước cấp sinh hoạt lưu trữ tại hộ

gia đình được tiến hành phân tích, nghiên cứu thí nghiệm, đánh giá

từ năm 2010 đến năm 2017

Phạm vi về không gian: 3 quận thuộc thành phố Hà Nội, bao

gồm: Cầu Giấy, Thanh Xuân, Hoàng Mai và tập trung vào các hộ gia đình ở quận Hoàng Mai

2.2 Nội dung nghiên cứu

Đề tài luận án được thực hiện qua 2 giai đoạn:

- Giai đoạn điều tra, khảo sát, phân tích chất lượng nước

Giai đoạn này nhằm mục đích xác định hiện tượng nhiễm amoni

trong các hình thức lưu trữ nước sinh hoạt quy mô hộ gia đình Nội

dung cụ thể bao gồm:

+ Điều tra, khảo sát các bể lưu trữ nước sinh hoạt ở một số quận của thành phố Hà Nội Lấy mẫu phân tích amoni tại các bể chứa khác nhau được sử dụng ở hộ gia đình để xác định hiện tượng nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt

+ Tiến hành quan trắc các mẫu nước bị nhiễm amoni tại các bể chứa tại hộ gia đình để đánh giá sự biến đổi nồng độ các hợp chất chứa nitơ trong những thiết bị được lưu trữ ở các điều kiện khác nhau

- Giai đoạn thí nghiệm:

Sau khi đã xác định được các điều kiện lưu trữ nước tiêu biểu tại các hộ gia đình, xác định được hiện tượng nhiễm amoni tại các bể chứa nước trong thực tế Luận án tiến hành thiết kế thí nghiệm các bể lưu trữ nước mô phỏng các điều kiện lưu trữ thực tế Từ đó giải thích được sự biến đổi các hợp chất nitơ trong các bể lưu trữ nước thực tế, qua đó đề xuất được các giải pháp giảm thiểu tác động của hiện tượng này Nội dung cụ thể là:

+ Bố trí thí nghiệm theo dõi, đánh giá sự biến đổi của các hợp chất nitơ trong bể lưu trữ nước theo thời gian;

+ Bố trí thí nghiệm theo dõi, đánh giá sự biến đổi của các hợp chất nitơ trong bể lưu trữ nước theo nồng độ amoni và nitrat ban đầu; + Bố trí thí nghiệm theo dõi, đánh giá sự biến đổi của các hợp chất nitơ trong bể lưu trữ nước theo vị trí đặt bể;

+ Bố trí thí nghiệm lưu trữ nước trong 3 điều kiện: xáo trộn thoáng khí, kín khí và hở tĩnh;

+ Bố trí, thiết kế thí nghiệm, đánh giá sự tác động của quá trình

sử dụng nước hàng ngày của hộ gia đình đến sự biến đổi các hợp chất nitơ

Mẫu nước nghiên cứu là nước sinh hoạt của hộ gia đình (hộ gia đình số nhà 6, ngõ 83/61, Bằng Liệt)

Lấy mẫu, phân tích các ch tiêu để đánh giá các quá trình biến đổi các hợp chất chứa nitơ:

 Theo dõi pH, DO, nhiệt độ

 Theo dõi nồng độ NH4+

, NO2-, NO3-, N tổng

 Theo dõi hàm lượng chất hữu cơ (COD)

 Phân tích phát hiện vi khuẩn ammon hóa, vi khuẩn AOB, vi

khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn Azotobacter, Clostridium

Tần suất lấy mẫu: Mẫu được lấy trong các bể nghiên cứu với tần suất 2 lần/tuần và được phân tích tất cả các ch tiêu hóa học Phân tích các ch tiêu sinh học với tần suất 10 ngày/lần

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án nghiên cứu đã áp dụng và kết hợp nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu là các phương pháp sau:

- Phương pháp kế thừa tài liệu

- Phương pháp điều tra, khảo sát và lấy mẫu thực địa

- Phương pháp chuyên gia

2 Phương pháp lấy mẫu nước, phương pháp phân tích sử dụng trong luận án là các phương pháp tiêu chuẩn Các hóa chất dùng cho nghiên cứu đều có độ tinh khiết PA hoặc tinh khiết hóa học của Việt Nam, Trung quốc, Merck, Pakshoo

3 Việc thiết kế thí nghiệm các bể lưu trữ nước mô phỏng các điều kiện lưu trữ thực tế là phù hợp Từ đó có thể xác định được sự biến thiên nồng độ của các hợp chất chưa nitơ và giải thích được những hiện tượng tại bể lưu trữ nước thực tế tại các hộ gia đình

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Hiện tượng nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt

- Hiện tượng ô nhiễm amoni tại một số nhà máy/trạm cấp nước sinh hoạt và các bể chứa nước quy mô hộ gia đình là rõ ràng qua kết quả điều tra và phân tích Hầu hết các nhà máy nước khử trùng bằng clo và dùng nguồn nước cấp để sản xuất nước sinh hoạt là nước ngầm có hàm lượng ion NH4+ cao Kết quả khảo sát và phân tích đã cho thấy nước sinh hoạt cho một số cộng đồng dân cư đã

có nồng độ amoni ở mức từ 0,04 đến 20,37 mgN-NH4+ Ở nhiều

hộ gia đình, giá trị amoni đã cao hơn giá trị giới hạn theo QCVN 02:2009/BYT

- Phương thức lưu trữ nước sinh hoạt thường sử dụng trong

cộng đồng dân cư là các loại bể Các bể đa phần là xây gạch trát

xi măng, thường đặt ngầm dưới đất; két nước đặt ở trên cao (bể inox) Sử dụng mô hình bể ngầm + bơm + bể nước trên cao để lưu trữ và sử dụng nước sinh hoạt trong gia đình Hệ thống đường ống làm bằng vật liệu ống sắt tráng kẽm, thời gian sử dụng lâu, hầu hết chưa được cải tạo, thường xuyên bị r r , bục vỡ trên các tuyến đường ống bị ôxi hoá

- Cùng một đường ống cấp nước chung, khi đưa vào các hộ gia

đình nồng độ các dạng nitơ đã bị thay đổi theo lượng sử dụng, hình thức và thiết bị lưu trữ Nồng độ amoni cao nhất là ở đường ống, tiếp đến là bể ngầm và cuối cùng là bể inox Kết quả phân tích nitrat lại cho quy luật là thấp nhất ở đường ống, tiếp đến là ở

bể ngầm và cao nhất là ở bể inox

Kết quả nghiên cứu nhận thấy nồng độ NH4+ trong nước ở các

bể xi măng ngầm và bể inox trên cao của các hộ gia đình phần lớn

đều có giá trị thấp hơn ở đường ống dẫn nước chung và ở bể ngầm thấp hơn ở bể inox

là nồng độ cao nhất ở bể ngầm rồi đến bể inox và thấp nhất là ở đường ống

Hình 3.5.c Nồng độ của các dạng nitơ trong mỗi đợt ở đường ống chung Tuy nhiên sự thay đổi xảy ra không đồng nhất trong mỗi loại

bể trữ nước của các hộ gia đình ở mỗi đợt khảo sát Sự thay đổi phức tạp này là hệ quả của sự khác biệt về loại hình, cách thức xây dựng và cách bố trí cũng như điều kiện bảo quản vệ sinh bể chứa, tần suất lưu chuyển nước trong bể

3.2 Ảnh hưởng của quá trình lưu trữ nước đến sự thay đổi nồng

độ các hợp chất nitơ vô cơ

3.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường nước

3.2.1.1 Biến đổi theo mùa

(1) Với các điều kiện tự nhiên của mùa hè, quá trình nitrat hóa diễn ra khá mạnh, ch trong v ng 20 ngày đầu, nồng độ amoni đã giảm từ 11,73 mg/L xuống 0,1 mg/L (tốc độ giảm là 0,58 mg/L.ngày); và từ ngày thứ 38 trở đi không phát hiện được amoni trong bể nghiên cứu Nitrit tăng trong 5 - 6 ngày đầu, sau đó giảm dần đến mức tối thiểu c n có thể phân tích được cho đến ngày thứ

55 Những ngày tiếp theo không phát hiện được nitrit có trong bể Nitrat tăng mạnh trong khoảng 20 ngày đầu từ 7,00 mg/L ban đầu lên 32,2,1 mg/L, sau đó duy trì nồng độ tương đối ổn định trong khối nước Trong toàn bộ quá trình nghiên cứu hầu như không thấy có biểu hiện của quá trình phản nitrat hóa

Hình 3.9 Biến động các hợp chất nitơ

(2) Với điều kiện của mùa đông, tốc độ giảm amoni chậm hơn, trong 20 ngày đầu nồng độ amoni đã giảm từ 9,40 mg/L xuống 0,13 mg/L (tốc độ giảm là 0,46 mg/L.ngày) Nồng độ nitrit tăng nhẹ và duy trì trong khoảng 27 ngày đầu, sau đó giảm và không c n phát hiện từ ngày thứ 62 Nồng độ nitrat tăng rõ rệt trong khoảng 30 ngày đầu lưu nước, sau đó đạt trạng thái gần như ổn định, giá trị nitrat lớn nhất đạt được trong quá trình là 17,2 mg/L

3.2.1.2 Ảnh hưởng của vị trí đến sự thay đổi nồng độ các dạng nitơ

Nồng độ amoni ban đầu của bể đặt ngoài trời, trên cao là 14 mg/L

và bể đặt trong nhà là 12 mg/L; có thể thấy xu hướng của sự biến đổi amoni của 2 bể là tương tự nhau; Mặc dù tốc độ giảm amoni giữa hai

vị trí lưu nước có sự khác biệt nhưng không đáng kể

Nồng độ nitrit tăng nhanh trong khoảng 5 ngày đầu ở bể trên cao, nhoài trời; nhưng ở bể trong nhà, dưới đất thì sau 13 ngày mới đạt giá trị cực đại; sau đó giảm dần đến xấp x 0 mg/L khi nồng độ amoni tiệm cận giá trị 0mg/L Ngược lại, nồng độ nitrat trong bể trong nhà tăng nhanh trong khoảng 16 ngày đầu và đạt giá trị cực đại; sau đó tiến dần về trạng thái ổn định khi nồng độ amoni và nitrit tiệm cận đến 0 mg/L Nhưng đối với bể trên cao, ngoài trời, phải đến ngày thứ 34 mới đạt giá trị cực đại và cũng tiến dần về trạng thái ổn định; nhưng ở mức độ cao hơn so với bể trong nhà, dưới đất Điều này chứng tỏ đã có sự hoạt động mạnh hơn của các vi sinh vật ở bể trên cao, ngoài trời có điều kiên thuận lợi hơn so với bể trong nhà, dưới đất

Qua sự biến động của amoni, nitrit và nitrat của hai bể với vị trí khác nhau, có thể thấy rằng vị trí đặt bể trong nhà hay trên cao, ngoài trời đã ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa của các hợp chất nitơ trong thiết bị lưu trữ nước Song về xu hướng chuyển hóa của chúng

gần như là giống nhau đó là đều thực hiện quá trình nitrat hóa

3.2.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ amoni và nitrat ban đầu

Qua kết quả nghiên cứu, sự biến thiên nồng độ của amoni, nitrit

và nitrat đối với hai trường hợp nồng độ amoni đầu vào cao và thấp

có sự khác nhau đáng kể Cụ thể là đối với nồng độ amoni, ở bể có nồng độ thấp hơn hai lần thì nồng độ amoni giảm xuống tới dưới giới