Đang tải... (xem toàn văn)
Gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng.. nước.[r]
(1)xử lý chất đặc biệt trong n−ớc
PGS TS Ngun ViƯt Anh Phã viƯn tr−ëng,
Viện Khoa học Kỹ thuật Môi tr−ờng, Tr−ờng đại học Xây dựng
Xö lý hợp chất Nitơ trong nớc
2
1 Dạng tồn hợp chất Nitơ
Khí N2 Nitơ nguyên chất 79% khí
Nitơ Amôn NH4+ Sản phẩm phân huỷ hợp chất h/cơ
cha Nit L ngun dinh dng dễ hấp thụ trồng
Ammoniac NH3: Khí (độc), tan nhiều n−ớc Tạo từ
NH4+trong n−íc pH cao
NO3- S¶n phÈm oxy hoá Tạo muối với
kim loại Dạng trồng dễ hấp thụ NO2- Sản phẩm trung gian trình oxy
hoỏ Nit Ammụni thnh Nitrat đạm (Protein) Hydrocacbon CxHyOzNn
Có phân tử l−ợng cao, thành phần quan trọng để xây dựng tế bào thể sống
3
Các hợp chất Nitơ nớc ngầm
Nit¬ Humic (25 - 60%), Axit Amin (21 - 35%),
Clorophyl (1 - 3%), Peptite, vv
Chúng sản phẩm trỡnhhóa
-sinh học, xâm nhập vào nớc ngầm từ nớc thải hay
do mt s quỏ trỡnhđịa hóa đặc biệt
4 N-NH4+ n−íc ngÇm: Nớc thải sinh hoạt,
trnhAmụn húa - phõn hủy HCHC: đạm, n−ớc tiểu, axit nucleic vi sinh vật, hay việc sử dụng phân bón nơng nghiệp
Qu¸ trìnhamon hãa (nhê c¸c vi khuÈn amon, men, .):
Protein Pepton Peptit Axit Amin Ammoniac (NH2)2CO + H2O NH3+ CO2
5
Các hợp chất Nitơ nớc:
Phỏt triển vi sinh vật đường ống làm tăng
nhanh q trình ăn mịn đường ống
Gây nên số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng
nước
NO2-tác dụng với Amin hay Alkyl Cacbonat
cơ thể người, tạo thành hợp chất chứa Nitơ gây ung thư
6 Lọt vào thể, NO3-chuyển hóa thành NO2-nhờ vi
khuẩn đường ruột
Các NO2-tác động lên Hemoglobin (Hb), biến
thành Methemoglobin (Met-Hb), khả vận chuyển oxy đến mô
NO3-tạo chứng thiếu Vitamin kết hợp
với Amin để tạo nên Nitrosamin gây ung thư người cao tuổi
N Nước pha Sữa cho Trẻ em - men dày
còn chưa phát triển -NO3-dễ biến thành NO2-
(2)7
QCVN 01:2009/BYT
NO3-< 50 mg/l NO2-< mg/l
NH4+< mg/l (= QCVN 02:2009/BYT)
Am«ni NH4+ë mét sè
giếng khoan khai thác nớc ngầm Hà nội: 10 - 20 mg/l cao
8
2 Các phơng pháp
loại bỏ hợp chất Nit¬ n−íc
Làm thống (sục khí) Clo hóa,
Nitrat hóa + khử Nitrat phương pháp sinh hóa Trao đổi ion
Điện hóa,
Lọc màng: điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều, Chưng cất
vv
9 2.1 Làm thoáng để khử Amoni
(air stripping) NH4+ NH3 + H+
ã ở điều kiện pH >7, cân chuyển dịch sang phải.
ã với pH >10, 85% Amoni chuyển dịch sang dạng
khí làm thoáng
ã pH = 10 - 11: c¸c ion Hydroxyt d− sÏ chuyển ion NH 4+
thành Hydroxit Amon
NH4+ + OH- ↔ NH4OH
NH4OH ↔ NH3↑ + H2O
10
11 NH3dễ hoà tan nước: Hi = f(t)
Hi (NH3) = 0,76 atm/mol 20oC CO2: 150 atm/mol; O2: 43000 atm/mol Cần lượng khơng khí lớn:
G/L = 6000, E = 90%
Vôi, NaOH + Tăng nhiệt độ Tăng E
12
2.2 Ph−¬ng pháp Clo hóa Lợng Cl2
d, mg/l
Liều lợng Cl2 đa vào nớc, mg/l
3
2
Ct A
-Ct B - *
*
CA CB
Cl2d− n−íc kh«ng cã NH3
Cl2d− n−íc cã NH3
(3)13 (pH <<<<5) (pH <<<<7) (pH > 8)
Cl2+ H2O ↔↔↔↔ HCl + HClO ↔↔↔↔ H++ ClO
-Break points NH3+ Cl2 HCl + NH2Cl NH3+ 2Cl2 2 HCl + NHCl2
NH2Cl + NHCl2 N2+ 3HCl 2 NH2Cl + Cl2 N2+ 4HCl
[Cl2] = 10 (10 25) [NH3] (= - 15 mg/l)
[Cl2] ? [Cl2] d−? THMs? Mïi?
14
2.3 Trao đổi Ion
XL Amoni: lọc qua vật liệu lọc trao đổi Kation nh− Zeolite
tự nhiên - đất sét, Klinoptilolyte hay Sepiolite
Z-Na + NH4+Z-NH4++ Na+ hc Z-H + NH4+Z-NH4++ H+ Hoàn nguyên:
NaCl 0.6M H2SO4 (thu đợc (NH4)2SO4: phân bón)
XL Nitrat, Nitrit: Sử dụng vật liệu trao đổi Anionit gốc
Cl-, OH-hay SO
42-
Sư dơng, vËn hành phức tạp; khó hoàn nguyên, v.v
15
2.4 Phơng pháp sinh học (1) Nitrification/Denitrification
Bị hấp thụ tế bào trỡnh chun ho¸
Metabolism
Tế bào hấp thụ để sinh tr−ởng
Chun tõ Amoni sang d¹ng oxy hoá
Chuyển từ dạng ôxy hoá sang Nitơ tự N2
Yêu cầu:
Oxygen
Carbon (hu cơ/vô cơ)
16
100% 40-80%
Nitrification
Digestor
Sludge
Denitrification
20%
Incorporation: 15-20% 30-40%
10-60%
15-20%
16 Settling tank Primary
settling tank
Super-natant
Sludge thickening
17
a Nitrification
Nitrosomonas,Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus
2 NH4++ O24 H++ NO2 -+ H2O + Q
Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus
2 NO2-+ O
22 NO3-+ Q
TÕ bµo míi TÕ bµo míi
18
Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng: dùng lượng sinh từ phản ứng Nitrat hóa để khử CO2 khơng khí tạo nên chất hữu c th chỳng
Mô tế bào
Độ kiềm gi¶m bỉ sung KiỊm!
NH4++ 1,83 O2+ 1,98 HCO
3- 0,021C5H7NO2+ 1,041 H2O
(4)19 Bể lọc sinh học
Vận tốc q trình oxy hóa Amơni phụ thuộc vào tuổi
thọ bùn (màng VSV), nhiệt độ, pH môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Amôni, oxy hòa tan, vật liệu lọc, tỷ lệ C/N
Độ kiềm
mg N-NH4cần 4,6 mg O2, tạo 0,09 mg sinh khối DO > mg/l; DO = mg/l: E = 50%
Các chất ức chế: Cu, Ag, Hg, Ni, Cr, Zn, , hợp
chất Phenol, Xianua, Nitrit,
20
21 b Khư Nitrat ®iỊu kiƯn thiÕu khÝ (Anoxic)
Nguån Cacbon: Metan, Methanol, ®−êng, Etanol, dÊm :
NO3-+ 1.08 CH3OH + 0.24 H2CO3
0.056 C5H7NO2 + 0.47 N2+ 1.68 H2O + HCO3
Hô hấp nội bào:
C5H7NO2+ 4.6NO3-2.8N2+ 5CO2+ 4.6OH-+ 1.2H2O
Microcucous Ptoteus Pseudomonas Brevibacterium Spirillium Aerobacter
Alcaligenes Bacilus Brevibacterium Lactobacillus
Vi khn dÞ d−ìng
22
NÕu cã oxy n−íc, ph¶i khử cách bổ sung thêm
1 lợng Methanol:
3O2 + CH3OH CO2 + H2O
Chất nh−êng ®iƯn tư: Hydro (H)
BOD/N: BOD/(NO2-+ NO3-)-N = kg/kg
KiÒm tăng
23
Nitrification – denitrification
4NO3-+ CH3COONa →4NO2-+ 2CO2+ H2O + NaOH 2NO2-+ CH
3COONa →N2 + 2CO2+ H2O + NaOH
4NO3-+ 3CH
3COONa →2N2 + 6CO2 + 3H2O + 3NaOH KJ 351 276 O 2H 2H NO O
2
NH 2
Nitrit VK
4+ → + + + ÷ +
− +
− ++ →
3 Nitrat VK
2 O NO
1 NO
O H 2H NO 2O
NH4+ 2→ 3+ + + − +
N
it
ri
fi
c
a
ti
o
n
D
e
n
it
ri
fi
c
a
ti
o
n
VK
VK
VK
VK
(5)25 26 Nitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 Date T e m p e ra tu re , ( o C ) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 p H , A lk a li n it y ( m g e q /l ) To in To out pH in pH out Ki in Ki out 27 Denitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 Date T e m p e ra tu re , o C 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 p H , A lk a li n it y ( m g e q /l ) T in T out pH in pH out Ki in Ki out 28 Nitrogen loading rate (NLR) vs Removal efficiency (E)
85 90 95 100
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
NLR, g N-NO 3/(g VSS.d)
R e m o v a l e ff ic ie n c y E , % E, % 29 COD consumed vs N-NO
3removed Graph
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Date C O D i n , o u t (m g /l ) 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 N -N O3 in , o u t (m g /l ) COD in COD out N-NO3 in N-NO3 out 30 Nitrification 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 Date N H4 +, N O2 -(m g /l ) 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 N O 3 -(m g /l ), E r e m o v a l (% ) NH4+ in NH4+ out NO2- in NO2- out NO3- in NO3- out E removal, % NaHCO3 = 50 mg/l
(6)31 Denitrification
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00
9/3/ 2004
14/0 4/04
27/0 4/04
12/5 /200
4 16/0
6/04 27/7
/200
30/7 /200
4 Date
N
H4 +,
N
O2
- i
n
,
o
u
t
(m
g
/l
)
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
N
O3 - in
,
o
u
t
(m
g
/l
),
E
r
e
m
(%
)
NH4+in NH4+out NO2- in NO2- out NO3- in NO3- out E removal, %
32
(2) Xư lý sinh ho¸,
nhê c¸c vi khn khư Nitrat tù d−ìng
Methanogenic, Homoaceotogenic, vi khuÈn khö Sulfat, .
Sử dụng Hydro Cathode (từ trình oxy hoá s¾t):
Fe(0) + H2O → H2+ Fe2++ OH
Hydrogen: chất nhờng điện tử, tạo lợng cho trình
dinh dỡng
2NO3- + H2N2 + H2O + OH
-5 Fe(0) + NO3-+ H2O →→→→5 Fe2++ N2+ 12 OH
-33 (3) Oxy hóa bậc cao, phản ứng Fenton
Fe2++ H2O2
ES Activ sludge Sedimentation
Runoff Fe2+ or Fe3+
Raw wastewater
34 (4) Khö Nit¬ bĨ läc sinh häc nhá giät
35 C¬ chÕ khư Nit¬
trong bĨ läc sinh häc nhá giät
36 (5) C«ng nghƯ Anammox
(Anaerobic Ammonia Oxidation)
Delft Univ., Hµ lan
Viện Môi trờng Liên bang Thụy sĩ EAWAG
Kumamoto Univ., NhËt b¶n
Hannover Univ., Germany
TT NC CN Cao, Qeensland, Australia
(50-60% Q) 2 NH4++ O24 H++ NO2+ H2O
(40-50% Q) NH4+ + NO2-N2 + 2H2O
Vi khuẩn kỵ khí nhóm Planktomyces
(7)37
0.6 NO2 -0.4 NH4+
NH4+
0.5 N2
40% 60%
Nitritation/ANAMMOX
NO3 -NH4+
0.5 N2
2 O2
CH3OH 3.4 kgkg-1N
Nitrification/Denitrification
0.75 O2
no CH3OH
C«ng nghÖ Anammox
Giảm 25% nhu cầu oxy, 40% nhu cầu Carbon !
N NN N2222
NH NHNH NH3333/NH/NH/NH/NH4444++++
NH NHNH NH2222OHOHOHOH N
N N N2222HHHH4444
HNO HNO HNO HNO2222
HNO HNO HNO HNO3333
NO NONO NO N
NN N2222OOOO
gas gas gas
gas aqueousaqueousaqueousaqueous
Org Org Org Org -N-NNN
Nitrification Denitrification
Anammox
NH NH NH
NH4444+++++ 1.32NO+ 1.32NO+ 1.32NO+ 1.32NO2222 + 0.066HCO+ 0.066HCO+ 0.066HCO+ 0.066HCO3333 + 0.13H + 0.13H + 0.13H + 0.13H + + + + 1.02N1.02N1.02N1.02N2222+ 0.26NO+ 0.26NO+ 0.26NO+ 0.26NO3333 + + + +
0.066Biomass+2.03H 0.066Biomass+2.03H 0.066Biomass+2.03H 0.066Biomass+2.03H2222O O O O
Anammox:
Nitrogen Cycle
NH NH NH
NH4444++++NONONONO2222 NNNN2222+ + + +
2H 2H2H 2H2222O O O O
Ⓟ流入水 ガスタンク
処理水
influent effluent Gas tank
40
2.5 Điện hóa
Hòa nước cần xử lý với nước muối hay nước biển
cho qua ngăn điện phân với điện cực than
Do khác tỷ trọng nước biển (muối)
và dung dịch, nước muối dồn chảy tới đáy Anod tạo kết tủa MgNH4PO4+ Mg(OH)2
Các bọt khí H2xuất Katod lên,
theo bọt tách
Cl2tạo thành Anod tận dụng để khử trùng nước xử lý
Áp dụng để khử Nitơ nước thải công
đoạn xử lý bậc
41
C¸c phương pháp kh¸c
Chưng cất
Lọc màng: Điện thẩm tách, Điện thẩm tách đảo chiều,
thẩm thấu ngược, y
Sử dụng thực vật nước (tảo, rong, ) hồ /
kênh sinh học,