Nghiên cứu tách loại Amoni, Nitrit, Nitrat trong nước ngầm ở khu vực Ngọc Hà, Hà Nội bằng phương pháp trao đổi Ion và phương pháp Clo hoá

ịi i ỉ 11 i _ A / _ V _ V _ _ B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO GIA HÀ NỘI , ĐẠI HỌC QUỐC TRUÔNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN ^&v3»& T iê u ch u ẩ n vệ sin h ăn uống sinh h o t vi k h u ẩ n , vi sinh vật 79 T iê u c h u i tạm thời Ban h àn h k èm th eo Q Đ số 505 B Y T /Q Đ n g ày 13/4/1992 P h ụ lục T C V N 4 - 1995 G iá trị p i h a n ch o p h ép củ a c c thông số n n g đ ộ c h ấ t n h iễm tro n g nưóc n g ầm 80 PHẦN MỞ ĐẦU Từ th u x a xưa người H Nội ch u y ên d ù n g nư ớc m a, nư ớc sông hồ t r o i g sinh ho ạt M ãi đốn năm 1894 hệ th ố n g cấp nước đ ầu tiên m ới xây d ự E g N gu n nư c lúc đ ầu lấy từ sông H ồng, ng d o ch ất lượng nư ớc không tố t x lý q u tố n k ém nên từ 1909 ch o đ ến đư ợ c th ay th ố t ô i n g u n nước n g ìm T ro n g tương lai đ ày nguồn cấp nước q u an trọ n g c ủ a H N ội Chất lư c n g c u ộ c số n g n g ày c àn g tăn g cao đòi hỏi lượng nư ớc cu n g cấp ch ất lượng nước n g ày càn g cao Đ ó yêu cẩu hức bách củ a thự c tế cần phải thoả m ân T heo th ố n g k ê c ủ a tổ c Y tế th ế giỏi cỏ k h o ản g m ột ph ần ba dân c th ế giới th iếu nưức để sinh h o ạt d o đ ó h àn g năm có tới 500 triệu ngíòri bị m ắ c b ện h 10 triệu người (chủ yếu trẻ em ) hị chết T ro n g số &0 $> trư ờng hợp m ắ c h ênh nước đ an g phát triển d o dùn g nước k h n g đ ạt tiêu ch u ẩ n vệ sinh Ở nư c ta, m ộ t Irong nhữ ng m ục tiêu yếu củ a thừi kỳ đ ẩ y m ạn h công nigiiệp h o á, h iện đại h o đất nước m Đ ại hội Đ ản g lổn thứ V III đ ã đề "tất c ả d â n c th àn h thị 80% dân số nông thôn phải đư ợ c c u n g cấp nư ớc sạch" rmiiốn trư c h ết c h ú n g ta cần phải "xây dựng q u y h o ạch hảo vệ khai thác hợo lý n g u n n ớc, đ áp ứng yêu cầu sản x u ất đời số n g " C ù n g với tăn g trương kinh tế xã hội, tố c đ ộ đ ô thị h o á, g ia tăng dân Stố p h át triể n c n g n g h iệp hố đ ã k éo th eo m ứ c đ ộ n h iễm n g u n nước nigìy tăn g C ác hợ p ch ất n itơ sản phẩm phân h u ỷ c ủ a cá c ch ất hữu c động vật thự c vật đ ã xuất nước n g ầm H N ội với h àm lượng mgày lớn đ ặ c hiệt k hu vực nội thành C hất lượng nư ớc k h ô n g tốt gỊây ảnh h n g đ n g kể đ ến sức khoẻ năn g xuất lao đ ộ n g c ủ a nh ân dân V ấn đ ề m a n g lín h cấp th iết đ ặt bằn g m ọi h iện ph áp phải khắc p h ụ c để cu n g cấ p đủ s ố lượng nước phục vụ ch o nh u c ầu sinh h o t nibân dân H N ội tro n g cơng trình c ấp nư ớc ch o nh ân d ân từ ngoại tỉhinh đưa v o ch a đ p ứng K h u vực N g ọ c H th u ộ c quận Ba Đ ình H N ội, có đ ặc đ iểm đ ịa lí đặc b iè t n ằm c n h H B ách thảo, H T ây a nước thải củ a cá c khu d ân cư lân cận n g u y ên nhân ch ín h g â y lên ỏ n h iễm nước m ặt, d ẫn đ ến ô nhiễm nước n g ầ m M ặt k h th ác nước ngầm ch ặt h ẹp lại xen kẽ vùng d â n cư d ẫn đến c h ấ t lượng nước chư a đư ợc n h m o n g m u ố n T ro n g n h ữ n g n ă m gần đ ây chất lượng củ a n g u n nư ớc n ày bị giảm dần H iện tư ợ n g đ ổ n g cặn c ú a nồi tăng n hanh tượng th ủ n g ố n g d ẫn nước củ a cá c th iết bị làm lạm h xảy phổ biến q u an x í n g h iệp khu vực Đ iề u đ ó đòi hỏi phải phốn tích m ột cách hệ th ố n g đ ể đ án h giá chất lượng n đ c đ ề xuất phương án k h ắc ph ụ c n h ằm nân g cấp c h ấ t lượng nước sản p h ẩ m Đ ể g ó p p h ần n g h iên cứu giải q u y ết vấn đề thự c tiễn c ủ a khu vực n vị c h ú n g ch ọ n đề tài: N ghiên cứu tách loại am o n i, nitrit, nitrat nước n g ầm b ằn g phương p háp trao đổi ion phương ph áp clo ho Do thời g ian có h n luận án n ày m ới chí dừ ng lại m ức độ phAn tích tương đối to àn d iện cá c tiêu yếu đ ể đ án h giá c h ất lượng n g u n nước K h áo sát c c yếu tố ánh hưởng tìm đ iều kiện tối ưu cho việc xử lí th m ẫu n c h ằng hai phương pháp trao đổi ion phư ơng p h áp cỉo hoá Với h y v ọ n g kết thu đư ợc sau xử lí thử tro n g phòng th í n g h iệm có thổ đ ó n g g ó p m ộ i số thơng tin hữu ích ch o việc nống cấp n g nghệ x lí để cu n g c ấ p nước phục vụ cho sinh h o ạt n g h iên cứu k h o a học k h u vực sau n ày Cuối lu ận án c h ú n g m ạnh dạn đư a m ột vài k iến nghị n h ỏ nhằm n â n g cấp c h ất lượng nước c ủ a khu vưe A P H Â N T Ô N G Q U A N C H Ư Ơ N G 1: G IỚ I T H IỆ U C H U N G V Ề C Á C H Ợ P C H Ấ T C Ủ A N ITƠ V À S ự Ô N H IỄ M N G U Ồ N N Ư Ớ C 1.1 Tinh hình nhiẻm inỏỉ trường N ăm 1995 U ỷ han k h o a học thứ c củ a N hà T rắn g b ảo vệ m trưtoầg đ ã đ ịnh Iighìa ô nhiễm m ôi trường sau: “ Sự ổ n h iễm thay đổ i b ất lợi c ủ a m ồi Irường thiên nhiên, thể ho àn to àn h ay m ộ t phần n h í ìà sản phẩm p h ụ h o ạt đ ộng củ a người, q u a h iệu q u ả trực tiếp h a ' g iá n tiế p m làm Ihay đổi d ạn g thứ c phân b ố lu n g năn g lượng, m ức độ b ứ t x , th àn h p h ần vật lý ho học củ a m ôi trường tự n h iên đ ộ phổ biến củí c c sin h vật N hững th ay đổi cổ thể làm ảnh hư ởng đ ến người m ệ t cách trực tiếp hay hay g ián tiếp thông q u a cá c n g u n sản phẩm nông n g h iệp , nư c c c sản phẩm sinh h o ạt kh ác, ch ú n g cũ n g có th ể ảnh hưởng tới eton người b ằng h làm thay đổi đối tượng vật lý th u ộ c sở hữ u n,girờj c ó kh ả n ăn g làm thoái hoá thiên n h iê n ” {2 } Sự ỏ n h iễm m ôi lrường n g ày đ an g đư ợc tồn T h ế giới q u an tâm nihít tro n g th(íi đại cách m ạn g khoa học - kỳ thuật, m h o t đ ộ n g c ủ a n;gíời p h át triển tới qui m chư a thấy vấn đề ỏ n h iễm m ôi trường lai c;àng trở n ên g ia tăn g T ro n g vòng 100 năm gần đ ây , tốc đ ộ di ch u y ển k;h)ng g ia n củ a c o n người đ ã tăn g lên 100 lần, m ứ c đ ộ tiêu thụ n ăn g lượng tăng 0)0 lần, sức m n h q u ân tăn g hàng triệu lần đ iều đ ó đ ã k é o th eo tăng líêr gấp bội củ a m ứ c đ ộ ô n hiễm N gười ta x ác đ ịn h vào nhữ ng năm 70 đ ã có k h o ả n g triệu chất htoí chất k h c n h au thải vào m trưím g xung q u an h ( k h ô n g k ể loại pihìn k h o n g ), tro n g số 0 0 chất th u ộ c loại đ ộ c hại N ền sản x u ất đìạ khơng nh ữ n g tạo sản phẩm m ới m thải c c ch ất thải m ới c:hiía có tro n g th iên nh iên , phần lớn xa lạ c c th ể sống C ác n g u n g â y ỏ n h iễm ch ính nhà m áy c ủ a n gành cơng n g h iệp hố chất, luyện kim , c h ế h iến d ầu m ỏ, c h ế tạo m áy, vật liệu xây d ự n g H n g năm đ ã thải vào k h í q u y ển hàng trăm triệu c c ch ất đ ộ c CỈT, HC1, S 2, C „ CO, N O x ( ô x it k h ác củ a nitơ ), h ợ p ch ất th u ỷ ngân, chì, Càdimi, asen Đ ặc biệt n g u y hiểm chất thải c ủ a nhà m áy xử lý chất thải hat nhán, b ụ i p h ó n g x củ a vụ thử hạt nhân Các n g u n g â y ô n h iễm q uan trọng k h ác c c n h m áy n h iệ t điên, phương tiệ n g ia o th ô n g vận tải chạy hàng đ ộ n g đ ố t trong, cá c vụ tai nạn chở dầu, c ố ố n g d ẫn d ầ u , nư ớc thải sinh h o ạt công n g h iệp v.v Hiện n a y vấn cĩề ô n h iễm môi trường trở th àn h nỗi lo củ a tồn nhân loại Nó đ ò i hỏi g iải q u y ế t vấn đ ề m ôi trường tự n h iên đ a n g bị thoái h o nghiêm trọng co tích luỹ m ộ t khối lượng lớn cá c h o c h ấ t g ây n h iều bệnh chưa b iết đ ến Sự ô n h iễm m ôi trường g ây ản h hư ng x ấu đ ến suất trồ n g vật n u ô i, phẩm chất lương thự c thự c phẩm Sự nhiễm đẩy nhanh q u trìn h ăn m ò n m áy m óc, thiết bị làm g iảm tuổi thọ củ a cơng trình k iến trúc, xây d ự n g T iiệ t hại vé k in h tế đ o ô nhiễm m ôi trường g ây lớn, ch ẳn g h ạn năm 1970 uớc tín h th iệt h ại N h ật 23 tỉ đỏla, M ỹ 25 ti’ đ ô la N h iều người cho k ió đ n h g iá h ế t đư ợ c thiệt hại d o ỏ n h iễm m ôi trư ờng g ây p hải tíih đ ế n n h iều yếu tố k h ác chi phí ch o việc ch ữ a b ện h , g iảm su ất la) đ ộ n g x ã h ộ i V ấ n đề hảo vệ m ỏi trường liên q u an trự c tiếp đ ến vấn đề sử dụng h ợ p lý h iệu q u ả nguồn tài n g u y ên th iên n h iên , n h ấ t tài n g u y ê i k h ô n g th ể tái tạo Đ ể ch o người k h ô n g bị đ ầu đ ộ c cá c yếu tố đ ộ c h p h t sinh từ m ọi n g u n k h ác đòi hỏi phải q u an tâm đ ến chất lượng k h n g k h í m co n người h thở, chất lượng c ủ a nước m co n người d ù n g để ăn u ố n g hàng n g y m ộ t số n h ân tố k h ác tác đ ộ n g lên thể người đ n g h h ấ p tiêu hố ng làm tổn hại trạn g thái sinh lý c ủ a thể, c h ẳ n g lạ n tiế n g ồn |)ể b ả o vệ c ác n g u n nước khỏi bị ỏ n h iễm k h ô n g có co n đư ờng n khác p h ả b ả o vệ m ôi trư ờng Đ iều cổ nĩ;hĩa n h ất th iết phải h ạn c h ế lượng c h ấ t tlải p h át sin h từ trìn h sản xuất, h ằng cách sử d ụ n g th àn h tựu IT.ớ củ a k h o a h ọ c v k ỹ th u ật đ ể xây dự ng cô n g n g h ệ k h n g có h a y có chá thải, phải x lý ch ất thải trước thải ch ú n g vào m ôi trư ờng V iệc xây d ự n g nhữ ng d ây chuyền k hơny có c h ấ t thải h ay c c tổ hợp xử lý châ thái đò i hỏi n h iề u phí tổn, đơi làm cho q u trình sản x u ất k h n g giá trị k in h tế C ó th ể nói rằn g , thơng thư ờng m ột g iải p h áp có lợi ch o mơi trương bất lợi kinh tế ngược lại V iệc tìm cá c giải p h áp ch o phù h(f[ với hai vấn đề đ an g vấn đề hức xúc ch o toàn n h ân loại V d o đ ó , c h ú n g ta cần phải nghiên cứu hai lĩnh vực b ảo vệ xử lí mơi trương 1.2 Nitơ chu trình nitơ tự nhiên [ 1, 2] Ni tơ tạo th n h h àn g loạt c c hợp c h ất vô hữ u q u an trọ n g kh('ng khí, đ ấ t nư c n h cá c q u trình h o h ọ c k h c n h au N g u y ên tử nitơ có khí n àn g tạo th n h hợp ch ất hoá học với m ứ c o x i h o từ (-III) đ ến (+V ), vậ) h o h ọ c m ôi trư ng củ a n itơ m Irước hết phản ứng có chuyển electron m an g ý n g h ía lớn q u trình ch u y ể n h o h o h ọ c sinh học M ộ t số ví d ụ cá c d ạn g tồn n itơ n hư sau: M íc oxi hố: D ạig tổ n tại: -3 -2 Ị ị NH, -1 I X -N H +2 +1 N2 I +3 T N ,0 NO H N O , +4 I I N HNO, NH/ CO(NH2)2R2N - NO n o 2- C H ,C (0 )0 N n o R -C H (N H 2)C O O H N gu n ni tí í c h ín h Irong m trường n itơ củ a k h ô n g khí, ngồi nitơ CỊI c ó 'tro n g đ ấl nước +5 P h ân bô n guồn nitư m ỏi trư ờnu I N guồn K hối lượng, triệu O A K )12 Đ ấ t , đá N ước 23.10' 2 1()6 Ni tơ ho tan H ợ p ch ất có ch ứ a ni tơ 0,6.10° K hổng khí ,9 Sinh q u y ể n 3.9 K í’ 1,2 i ()3 Sinh vật sống tro n g đ ất Sinh vật sống hiển ,5 ’ Sinh vật ch ế t tro n g đ ất 0 ' Sinh vật ch ết hiển 0 ' N itơ th n h phần ch ín h Irong k h í q u y ển ng k h ổ n g h o t đ ộ n g m ạnh nlhtf ôxy lẽ n ăn g lượng liên kết phân tử n itơ lương đối lớn ( E = 942 k.J / m ol ) Q u trình phân ly q u an g h ọ c c ủ a phân tử n itơ đòi hỏi cá c photon có biước sóng n g ắ n Ằ < 169 nm Dưới tác d ụ n g cúa c c tia só n g n g ắn X < 100 mm có th ể x ảy phan ứng quaniì hoá phức tạp với tạo ih àn h nguyên tử h«oic phân tử niu# h o ạt h o : hV N, N2+ + > N2+ + e > NO+ + NO NO+ + c > N + o T rong th ự c tế, N O xuất h iện k h í q u y ển d o q u trình o x y hố N , b»ở d o h iệ n iưựng p h ổ n g đ iện tự nhiên Phóng diện N2 + :— — V NO g r c a o H ìn h 3- p h ụ thuộc cihì nồm : độ chất sau sử Ị í (heo th ổ líc h trảO đ ổ i N htìn xé t k ế t • Đ ố i v i N H 4+: T h m lư ợ n g h an đầu c ủ a n c 11,2 m g /1 , h m lư ợ n g c h o p h é p tr o n g nưórc s in h h o t < m g /l c h o th ấ y k h ả n ă n g m s c h c ủ a n h ự a A m b e r lit e IR đ ố i v i n g u n n c n y đ t B V ( tứ c ỉà m ộ t th ể tíc h n h ự a c h ỉ x lí đ ợ c th ể tíc h n c ) N h v ậ y rõ r n g s ự c ó m ặ t v i h m lư ợ n g k h lớ n c ủ a io n C a 2+, M g * \ m c h o k h n ă n g h ấ p th ụ N H 4+ c ủ a n h ự a g iả m đ n g k ể d o v ậ y n h ự a ưu tiê n trao đ ổ i v i C a 2+, M g 2+ h n s o v i v i N H / 66 K ế t q u n y c h o ta th ấ y r ằ n g n ế u tr o n g n c c ó n n g đ ộ c a t io n c ó đ iệ n tíc h lớn cà n g cao th ì k h n ă n g m s c h N H 4+ c n g g iả m K h i đ ỏ c ẩ n tín h to n tă n g th ể t í c h m v i ệ c c ủ a c ộ t n h ự a đ ể p h ù h ợ p v i t ổ n g lư ợ n g c a t io n tr o n g n c ■ Đ ố i v i nitrat: T h m lư ợ n g b a n đ ầ u m g/1 v n n g đ ộ c h o p h é p t r o n g n c s in h h o t 10 m g /1 , c h o th ấ y k h ả n ă n g m s c h c ủ a n h ự a A m b e r lite Í R A 0 đ ố i v i N O ,' đ ố i v i n g u n n c n y 1 B V N h v ậ y ta th ấ y k ế t q u ả x lý N O ,' h ằ n g n h ự a A m b e r lit e LRA 0 tố t, bị ả n h h n g c ủ a c c io n khác ■ Đ ố i v i N O , T h m lư ợ n g b a n đ ầ u ,2 m g/1 v h m lư ợ n g c h o p h é p t r o n g n c s in h h o t , m g/1 n h n g tr o n g th ự c tiễ n k h ó c ó th ể th ự c h iệ n đ ợ c n h v ậ y , b i v ì N O , ’ s ả n p h ẩ m tru n g g ia n tr o n g q u trìn h p h â n h u ỷ N H 4+, d o v ậ y đ â y c h ú n g tô i tạ m c o i n n g đ ộ c h o p h é p c ủ a N O ,' c ó tr o n g n c m ộ t lư ợ n g v é t ,1 m g /I th ì n h ự a A m b e r lit e I R A 0 c ó th ể m s c h N O ,' tr o n g th ể tíc h nurớc h ằ n g 0 () B V ■ H m lư ợ n g C a 2+ v M g 2+ ban đ ầ u tín h t h e o đ ộ c ứ n g ( đ ộ Đ ứ c ) ,5 , th te o t iê u c h u ẩ n h iệ n h n h th ì đ ộ c ứ n g c h o p h é p < 12 đ ộ Đ â y n g u y ê n n h â n c h í n h g â y h iệ n tư ợ n g đ ó n g c ặ n c c đ n g ố n g , n h ấ t h ệ t h ố n g n i h i v c c th ĩiế t bị m lạ n h , th iế t b ị c ấ t n c p h ụ c v ụ c h o p h ò n g th í n g h iệ m Đ i ề u n y m ảnih h n g lớ n đ ế n c h ấ t lư ợ n g tu ổ i th ọ c ủ a c n g trìn h , d o đ ó C a 2+ v M g 2+ y ế u t ố c ầ n đ ợ c x lí N h ự a A m b c r lit e I R c ó th ể x l ý đ ợ c th ể tíc h n c n y b ằ n g 6(X) B V tlể: m g iả m đ ộ c ứ n g x u ố n g c ò n g iá trị c h o p h é p T u y n h iê n v i h m lư ợ n g lớ n cỉu a io n C a 2+ v M g 2+ đ ã m g iả m k h ả n ă n g x lý N H 4+ n h đ ã n ó i ■ Đ ố i v i c c c h ấ t k h c như: M n 2+, F e 2+, C O D s a u k h i x l í c ũ n g đ ợ c k ế t cịuiả tố t v i V > 1 B V * Q u a th ự c t iễ n x l í n c b ằ n g p h n g p h p tr a o đ ổ i io n k ế t h ợ p c ả c a tio n it vàì a n io n it , c c k ế t q u ả x lí n g u n n c n y c h o th ấ y : h a i th p tra o đ ổ i k ế t h ợ p p h iải tín h to n th iế t k ế s a o c h o tỷ lệ n h ự a e a t i o n i t : a n io n it = 1: đ ể c ó c ù n g th i g i;a n n g n g h o t đ ộ n g đ d tái s in h n h ự a tra o đ ổ i io n 67 6.4 Xử lý hợp chất nitơ bàng phương pháp clo hoá C ă n c ứ v o k ế t q u ả x c đ ịn h n n g đ ộ th ự c t ế c ủ a N H / = 1 , m g /1 c h ú n g tơ i tính to n lư ợ n g lư ợ n g c l o c ầ n th iế t đ a v o x l í t h e o tỷ lệ C1 : N H 4+ = : , lư