ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI

Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Trường Khoa……………… ………… o0o………… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương1 1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở VIỆT NAM 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI 13 1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến 13 Hình1.3 Đường cong Clo hố tới điểm đột biến nước có amoni [12] 14 1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping) 15 1.3.5 Phương pháp trao đổi ion 17 Cs+>Rb+>K+>NH4+>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+Mg2+>Li+ 18 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA 18 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN 19 Chương 21 Khái niệm trình trao đổi ion 21 2.1 CHẤT TRAO ĐỔI ION 21 2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13] 22 a) Loại cationit 22 b) Loại anionit 23 2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion 23 2.2.2 Chất trao đổi ion vô tổng hợp 23 2.2.3 Vật liệu trao đổi ion than 23 2.2.4 Nhựa trao đổi ion 24 2.3.3.2 Tính chọn lọc 30 2.4 CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION[13] 31 2.5 CỘT TRAO ĐỔI ION 32 2.5.1 Quá trình trao đổi ion cột[13] 32 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi ion cột 34 2.5.3 Tính tốn thiết kế cột trao đổi ion[13] 36 2.5.4 Tái sinh chất trao đổi ion 37 Chương 39 3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 39 3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 39 3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 a) Phương pháp xác định amoni (phương pháp so màu dùng thuốc thử Nessler) 40 Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường b) Phương pháp xác định độ cứng tổng (phương pháp chuẩn độ với EDTA môi trường kiềm với thị Eriochrome blackT) 41 3.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 42 3.4.1 Hoá chất thiết bị 42 3.4.1.1 Hoá chất: 42 3.4.1.2 Thiết bị: 42 3.4.2 Quá trình chuẩn bị nhựa trao đổi ion 43 3.4.3 Quá trình tái sinh cột trao đổi ion thí nghiệm 43 3.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 KẾT LUẬN 73 Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường LỜI MỞ ĐẦU Khoảng 71% với 361 triệu km2 bề mặt trái đất bao phủ nước Nước dạng vật chất cần cho tất sinh vật sống Trái Đất Nước có nhiệt hố hơi, đóng băng ngưng kết tương đối gần nhau, nước tồn Trái Đất ba dạng: rắn, lỏng Người ta phát thấy khoảng 80% loại bệnh tật người có liên quan đến chất lượng nguồn nước dùng cho sinh hoạt Vì chất lượng nước có vai trị quan trọng nghiệp bảo vệ chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Các nguồn nước sử dụng chủ yếu nước mặt nước ngầm qua xử lý sử dụng trực tiếp Phần lớn chúng bị ô nhiễm tạp chất với thành phần mức độ khác tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt vùng phụ thuộc vào địa hình mà chảy qua hay vị trí tích tụ Ngày nay, với phát triển cơng nghiệp, q trình thị hoá bùng nổ dân số làm cho nguồn nước tự nhiên ngày cạn kiệt ngày ô nhiễm Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với loại phân bón diện rộng Các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho nước ngầm ngày bị ô nhiễm hợp chất nitơ mà chủ yếu amoni Amoni không gây độc trực tiếp cho người sản phẩm chuyển hoá từ amoni nitrit nitrat yếu tố gây độc Các hợp chất nitrit nitrat hình thành q trình oxi hố vi sinh vật trình xử lý, tàng trử chuyển tải nước đến người tiêu dùng Vì việc xử lý amoni nước đối tượng đáng quan tâm Với mục đích áp dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý amoni nước ngầm vật liệu trao đổi ion nhựa cationit, đồ án em tập trung nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi amoni nhựa cationit như: nồng độ amoni nước, tốc dộ dòng chảy, độ cứng nước Để phục vụ mục tiêu thiết kế cột trao đổi ion nhằm loại amoni khỏi nước ngầm Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Mơi Trường Chương1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG Ơ NHIỄM AMONI VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Quá trình oxi hố q trình khử 1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở VIỆT NAM 1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm amoni nước ngầm 1.1.1.1 Sự tồn hợp chất Nitơ nước Amoni (NH4+) thật không độc sức khoẻ người song trình khai thác, xử lý, lưu trữ NH4+ chuyển hoá thành nitrit (NO2-) nitrat (NO3-) Nitrit chất độc có hại cho sức khoẻ người chuyển hố thành Nitrosamin, chất có khả gây ung thư Nitơ tồn hệ thuỷ sinh nhiều dạng hợp chất vô hữu Các dạng vô cơ với tỷ lệ khác tuỳ thuộc vào môi trường nước Nitrat muối Nitơ vô mơi trường sục khí đầy đủ liên tục Nitrit (NO2-) tồn điều kiện đặc biệt, amoniac (NH3) tồn dạng điều kiện kỵ khí Amoni hịa tan nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) phân ly thành ion amoni (NH4+) ion hydroxit (OH-) Quá trình oxi hố chuyển tất dạng Nitơ vơ thành ion nitrat, cịn q trình khử chuyển hoá chúng thành dạng nitơ NO3(Nitorat tan nước) Quá trình nitrat hố NO2(Nitorit tan nước) Q trình denitrat hố Q trình quang tổng hợp NH3(NH4OH) (amoni tan nước) Các amino axit Quá trình cố định nitơ Quá trình hơ hấp Các prơtêin (động vật thực vật) Hình1.1 Q trình chuyển hố hợp chất Nitơ nước Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Q trình oxi hố dạng Nitơ vơ thành NO3- gọi q trình nitrat hố (nitrification) Q trình khử nitrat (denitrication) q trình chuyển khí NO3- thành khí Nitơ (N2) ơxit Nitơ (N2O) Q trình cố định Nitơ (nitrogenfixation) trình Nitơ khơng khí cố định vào hệ sinh học thơng qua dạng amoni Q trình địi hỏi lượng đáng kể để chuyển hố Nitơ khơng khí thành dạnh Amon Các prôtêin mùn động vật thực vật sau bị phân ly thành amoni axit tiếp đến phân huỷ thành amoni dạng nitơ vô nước vào hệ sinh vật cuối chuyển hoá dạng Nitơ vô Các ion NO3- nước thải chảy sơng biển hàm lượng lớn, chúng kích thích phát triển động vật thuỷ sinh Sau chết xát chúng gây ô nhiễm nguồn nước Nitơ Photpho hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước Nếu nồng độ NO3- tăng lên Photpho không tăng, nồng độ Photpho tăng lên nồng độ Nitơ khơng tăng khơng làm cho thực vật phát triển Hình 1.2 Chu trình Nitơ tự nhiên Qua hình 1.2 thấy nghiên nhân dẫn đến nhiễm amoni nước từ hai nguồn chính: khống hố hợp chất hữu từ nguồn phân bón sử dụng sản xuất nông nghiệp nước thải có chứa hợp chất hữu cao 1.1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni nước ngầm Việt Nam Có nhiều nghiên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni chất hữu nước ngầm nghiên nhân việc sử dụng mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, trình phân huỷ hợp chất hữu Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường chất làm đẩy nhanh q trình nhiễm amoni nước ngầm Ngồi mức độ nhiễm cịn phụ thuộc vào loại hình canh tác khu vực Riêng khu vực Hà Nội, khu vực phía nam, bị nhiễm amoni giải thích theo khía cạnh địa chất sau [4]: i Do cấu tạo địa chất lịch sử hình thành địa tầng Kết hoạt động địa chất hình thành lên tầng chứa nước cuội sỏi Đệ Tứ Đây nguồn nước khai thác cung cấp nước sinh hoạt cho hoạt động sống người Tầng Đệ Tứ bao gồm nhiều loại kiến tạo với loại trầm tích khác nguồn gốc Nhưng nhìn chung tầng có chứa hạt than bùn, đất có lẫn hợp chất hữu Khả chuyển chất bẩn vào tầng nước có liên quan chặc chẽ đến thành phần hạt Hạt khơ tính lưu thông lớn, khả hấp thụ nhỏ, chất bẩn chuyển dễ dàng, hạt mịn ngược lại ii Do tồn nguồn ô nhiễm nằm phía mặt đất Do q trình khai thác nước ngầm ngày mở rộng kéo theo việc giải phóng hợp chất Nitơ phát từ lớp đất bùn chứa chất hữu bị phân huỷ, nghiên nhân làm hàm lượng amoni nước ngày cao Trong nhiều năm qua với phát triển đời sống xã hội, phát triển công nghệp nông nghiệp thải vào môi trường lượng lớn chất thải, mà nước thải sản xuất nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu gây ô nhiễm sinh học cao Trình trạng khoan khai thác nước cánh tuỳ tiện tư nhân phổ biến Giếng khoan có độ sâu từ 25 m đến 30 m nguồn gốc tạo cửa sổ thuỷ văn đưa chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm Ngoài việc khai thác nước ngầm với khối lượng lớn mà lượng nước không kịp bổ xung tạo phểu hạ thấp mực nước, gốp phần làm cho chất bẩn xâm nhập nhanh Để bù đắp lượng nước ngầm bị khai thác, trình xâm thực tự nhiên đẩy mạnh, nước ngầm bổ xung việc thấm từ nguồn nước mặt xuống Đây nghiên nhân gia tăng nồng độ chất ô nhiễm nước ngầm chất có nguồn gốc nhân tạo Do việc phóng thải lượng lớn chất thải, nước thải có chứa nhiều hợp chất Nitơ hoà tan nước dẫn đến gia tăng nồng độ chất Nitơ nước bề mặt, ví dụ sản phẩm trình Urê hố, amoni muối amon từ phân bón, từ trình thối rửa từ dây chuyền sinh học từ nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp…Các chất theo nước mặt thấm xuyên từ xuống Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường thấm qua sườn sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng độ amoni nước ngầm iii Do chiều dày đới thơng khí Khi chiều dày đới thơng khí (hay chiều dày đường thấm) nhỏ khả xâm nhập chất bẩn vào tầng chứa nước nhiều Nhưng riêng hợp chất nitrat nitrit chiều dày đới thơng khí lớn, q trình nitrat hố diễn thuận lợi, cịn chiều dày đới thơng khí nhỏ q trình nitrat hố yếu Đối với thực tế điều kiện đới thơng khí dày hàm lượng oxy xâm nhập từ khí nguồn khác mặt đất vào đới thơng khí lớn, thúc đẩy điều kiện thuận lợi cho phát triển vi khuẩn hiếu khí Khi q trình nitrat hoá xảy làm tăng hàm lượng NO2- NO3- iv Do độ dốc thuỷ lực lớn Những nơi có cường độ dịng chảy mạnh làm tăng khả xâm nhập chất ô nhiễm vào nước ngầm Điều lý giải phần khu vực phía nam Hà Nội lại nhiễn amoni cao Những khu vực nằm độ dốc cao thường có hàm lượng nhiễm nặng vùng có độ dốc thấp Điều phù hợp với qui luật vận động tự nhiên vật chất 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni nước ngầm Việt Nam Theo đánh giá nhiều báo cáo hội thảo khoa học trình trạng nhiễm amoni nước ngầm phát nhiều vùng nước Chẳng hạn thành phố Hồ Chí Minh: ”Theo chi cục bảo vệ mơi trường thành phố Hồ Chí Minh (TP Hồ Chí Minh), kết quan trắc nước ngầm tầng nông gần cho thấy lượng nước ngầm khu vực ngoại thành diễn biến ngày xấu Cụ thể nước ngầm trạm Đơng Thạch (huyện Hóc Mơn) bị nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) có hàm lượng nhơm cao, độ mặn tăng mức độ ô mhiễm chất hữu tăng nhanh năm gần đây; nồng độ sắt nước ngầm số khu vực khác Linh Trung, Trường Thọ (Thủ Đức), Tân Tạo (Bình Chánh)…cũng cao (11,76 đến 27,83 mg/l) vượt tiêu chuẩn cho phép gần 50 lần [7] Ngồi cịn có số khu vực khác bị ô nhiễm amoni nước ngầm khu vực bị ô nhiễm amoni nước ngầm nặng nề nước khu vực đồng Bắc Bộ Theo kết khảo sát trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên công nghệ quốc gia trường Đại Học Mỏ-Địa Chất phần lớn nước ngầm khu vực đồng Bắc Bộ gồm tỉnh như: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình phía nam Hà Nội bị nhiễm Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường bẩn amoni nặng Xác suất nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 70-80% Trong nhiều nguồn nước ngầm chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hố có nguồn đạt 30-40 mg O2/l Có thể cho phần lớn nguồn nước ngầm sử dụng không đạt tiêu chuẩn amoni hợp chất hữu [6] Theo kết khảo sát nhà khoa học Viện Địa lý thuộc Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam mẫu nước từ huyện tỉnh Hà Nam có tỷ lệ nhiễm amoni mức đáng báo động[9].Chẳng hạn Lý Nhân có mẫu nước với hàm lượng lên tới 111,8 mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế (TC BYT), Duy Tiên 93,8 mg/l gấp 63 lần…Trong đó, kết khảo sát trường Đại Học Mỏ-Địa Chất Hà Nội cho biết chất lượng nước ngầm tầng mạch nông mạch sâu địa phương có hàm lượng Nitơ trung bình > 20 mg/l vượt mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép nhiều lần [10] (Tiêu chuẩn nước vệ sinh ăn uống 1329/BYT-2002 nồng độ NH4+ tối đa cho phép 1,5 mg/l) Bảng 1.1 Chất lượng nước số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9] [N-NH4+] theo giá Tiêu chuẩn Bộ Y Tế trị điển hình (mg NH4+/l) (mg/l) STT Tên huyện Số lượng mẫu lấy Bình Lục 20 58.8 Thanh Liêm 20 >50 Kim Bảng >50 Lý Nhân 111,8 Duy Tiên 93,8 Thị Trấn Vĩnh Trụ - 77,63 ≤1,5 Riêng khu vực Hà Nội nơi nước sử dụng 100% nước ngầm làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt Mặc dù qui định hàm lượng chất Nitơ nước nghiêm ngoặt song nước ngầm Hà Nội bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt khu vực phía nam thành phố Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Bảng 1.2 Đặc trưng chất lượng nước ngầm số nhà máy nước khu vực Hà Nội[11] Các tiêu chất lượng Các nhà máy PH -Ngô Sĩ Liên Cao Thấp Trung bình 8,0 6,2 6,7 13,3 1,5 10,6 0,7 16,7 0,4 3,1 88 20 48 13 2,3 1,0 0,1 0,7 -Lương Yên Cao Thấp Trung bình 8,0 6,8 7,7 1,0 0,4 19,9 2,8 7,2 0,5 0,2 1,8 0,4 -Tương Mai Cao Thấp Trung bình 6,3 6,8 30 2,6 10,4 0,3 27,4 4,4 10,3 105 27 11 1,5 0,3 12,8 0,2 2,9 -Hạ Đình Cao Thấp Trung bình 7,6 6,5 6,9 20 12,8 0,4 19,7 6,7 11,4 45 10 25 10 0,4 0,1 8,2 1,3 3,0 -Pháp Vân Cao Thấp Trung bình 7,8 6,5 60 6,6 19,7 0,2 12 3,8 8,1 31 22 11 0,9 0,1 14,2 2,9 6,3 -Mai Dịch Cao Thấp Trung bình 6,6 1,3 0,2 12,3 1,3 3,3 0,7 77 25 10 0,1 0,7 0,3 -Ngọc Hà Cao Thấp Trung bình 7,1 6,1 6,7 30 0,7 7,5 0,9 4,7 0,1 1,6 57 14 37 14 2,4 1,1 2,6 0,5 -Yên Phụ Cao 8,2 20 11,6 51 17 2,9 6,6 Fe ClNO3Độ cứng Mn Độ oxi NH4 (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (0dH) (mg/l) (mg/l) + Sinh viên:Đào Chánh Thuận 10 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Thấp Trung bình 6,2 7,2 2,8 0,2 0,3 3,7 15 0,3 11 0,3 0,6 0,8 -Sóc Sơn Trung bình 6,5 1,3 1,7 2,7 47 - 0,7 -Đơng Anh Trung bình 6,3 2,0 1,6 7,9 - - - 1,2 -Gia Lâm Trung bình 6,7 2,1 1,2 8,1 - - - 1,0 Từ bảng 1.2 nhận thấy nguồn nước ngầm Hà Nội bị ô nhiễm amoni Riêng nhà máy phía nam bị nhiễm amoni nặng chẳng hạn như: Tương Mai, Hạ Đình riêng Pháp Vân nặng Mặc dù sau qua hệ thống xử lý nước nhà máy để cấp cho người dân hàm lượng amoni nước mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Bảng 1.3 Hàm lượng NH4+ đầu số nhà máy nước Hà Nội[4] STT Tên nhà máy nước Mai Dịch Yên Phụ Ngọc Hà Ngô Sỹ Liên Lương Yên Tương Mai Hạ Đình Pháp Vân [NH4+](mg/l) theo giá trị trung bình 0,85 1,45 1,80 0,60 1,54 8,09 15-20 23,20 Tiêu chuẩn Bộ Y Tế 1329/2002 (mg/l) 1,5 1.2 AMONI VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG Amoni thật không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ người, trình khai thác, lưu trữ xử lý…Amơni chuyển hố thành nitrit (NO2-) nitrat (NO3-) chất có tính độc hại tới người, chuyển hố thành Nitrosamin có khả gây ung thư cho người Chính qui định nồng độ nitrit cho phép nước sinh hoạt ngoặt nghèo Như nước ngầm amoni khơng thể chuyển hố thiếu oxy, khai thác lên vi sinh vật nước nhờ oxy khơng khí chuyển amoni thành nitrit (NO2-) nitrat (NO3-) tích tụ thức ăn Khi ăn uống nước có chứa nitrit thể hấp thu nitrit vào máu chất tranh oxy hồng cầu làm hemoglobin khả lấy oxy, dẫn đến trình trạng thiếu máu, xanh da Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm trẻ sinh sáu tháng tuổi, làm chậm phát triển, Sinh viên:Đào Chánh Thuận 11 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường gây bệnh đường hô hấp Đối với người lớn, nitrit kết hợp với axit amin thực phẩm làm thành họ chất nitrosami Nitrosamin gây tổn thương truyền tế bào, nghiên nhân gây ung thư Những thí nghiệm cho nitrit vào thức ăn, thức uống chuột, thỏ…với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thấy sau thời gian khối u sinh gan, phổi, vòm họng chúng [6] Các hợp chất nitơ nước gây nên số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước Nitrat tạo chứng thiếu vitamin kết hợp với amin để tạo nên nitrosamin nghiên nhân gây ung thư người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, qua nước dùng để pha sữa Sau lọt vào thể, nitrat chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion nitrit nguy hiểm nitrat sức khỏe người Khi tác dụng với amin hay alkyl cacbonat thể người chúng tạo thành hợp chất chứa nitơ gây ung thư Một số nghiên cứu Nepan khẳng định, hàm lượng NO3- 45 mg/l người dân dùng thường xuyên nguồn nước mắc bệnh ung thư dày, thực quản bệnh tiểu đường [9] Ngồi ra, thức ăn có hàm lượng nitrit nitrat cao đáng lo ngại Mối quan hệ nước giếng nhiễm nitrat hội chứng BBS (Bady Blue Syndrome) lần Hunter Comly, bác sỹ Iowa tìm thấy hồi thập niên 40 ơng điều trị cho hai đứa trẻ mắc chứng da xanh [4] Bên cạnh hàm lượng NH4+ nước uống cao gây số hậu sau: ● Nó kết hợp với Clo tạo Cloramin chất làm cho hiệu khử trùng giảm nhiều so với Clo gốc ● Nó nguồn Nitơ thứ cấp sinh nitrit nước, chất có tiềm gây ung thư ● NH4+ nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển đường ống gây ăn mòn, rò rỉ mỹ quan Mặc dù chứng nhiễm độc hợp chất Nitơ nước chưa đầy đủ khẳng định độc với trẻ em nguy gây bệnh sắc tố máu, xanh da, mê,…và gây ung thư người lớn Để đề phòng nhiễm độc hợp chất Nitơ gây số quốc gia tổ chức giới đưa tiêu chuẩn hợp chất Nitơ sau Bảng 1.4 Tiêu chuẩn số quốc gia hợp chất Nitơ nước cấp[6] Chỉ tiêu Hoa Kỳ NH4+ - Sinh viên:Đào Chánh Thuận Châu Âu 80/778/EEC 1,5 12 WHO 1993 1,5 Tiêu chuẩn Bộ Y Tế 1329/2002 1,5 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường NO344,3 50 50 50 NO2 4,4 0,1 3 Tóm lại tác hại hợp chất Nitơ nước trình bày dạng bảng sau: NO3- nước cấp Nguồn gốc gây bệnh methmoglobin- huyết cho trẻ sơ sinh (nhất trẻ sáu tháng tuổi) NO2- nước cấp Được xem nguồn gốc gây bệnh ung thư NH4+ nước cấp - NH4+ kết hợp với Clo tạo hợp chất Clo trình khử trùng, chất có tiềm gây ung thư - NH4+ kết hợp với Clo tạo Cloramin chất làm giảm hiệu suất khử trùng - NH4+ nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật tái phát triển đường ống gây ăn mòn, rò rỉ mỹ quan… 1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI Amoniac (NH3) chất khí dạng bazơ yếu, độ tan nước cao: 20 C áp suất thường độ tan 520 g/l Khi tan nước tồn hai dạng: amoniac (NH3) dạng trung hoà dạng ion amoni NH4+ Phụ thuộc vào PH nước mà tỷ lệ NH3/NH4+ xác định Điểm PkB chúng 9,15 tức PH = PH = 11 amoni amoniac có khả bốc [13] Trong nước ngầm, hợp chất nitơ tồn dạng hợp chất hữu là: nitrit, nitrat, amoni Có nhiều phương pháp xử lí amoni nước ngầm nước giới thử nghiệm đưa vào áp dụng: Làm thống để khử NH3 mơi trường pH cao (pH = 10 - 11); Clo hóa với nồng độ cao điểm đột biến (break-point) đường cong hấp thụ Clo nước, tạo Cloramin; Trao đổi ion NH4+ NO3- vật liệu trao đổi Cation/Anion; Nitrat hóa phương pháp sinh học; Nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; Cơng nghệ Annamox, Sharon/Annamox (nitrit hóa phần amoni, sau amoni cịn lại chất trao điện tử, nitrit tạo thành chất nhận điện tử, chuyển hóa thành khí nitơ nhờ vi khuẩn kỵ khí; Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v 1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến Sinh viên:Đào Chánh Thuận 13 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Lượng Clo dư Clo gần hố chất có khả oxi hố amoni/amoniac nhiệt độ phịng thành N2 Khi hồ tan Clo nước tuỳ theo PH nước mà Clo nằm dạng HClO hay ion ClO- có phản ứng theo phương trình: HCl + HClO (PH8) (1.2) HClO H + ClO Khi nước có NH4+ xảy phản ứng sau: = H2O + NH2Cl (Monocloramin) (1.3) HClO + NH3 (1.4) HClO + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.5) HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin) Nếu có Clo dư xảy phản ứng phân huỷ Cloramin (1.6) HClO +2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O Lúc lượng Clo dư nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ xảy phản ứng phân huỷ Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị gọi điểm đột biến D B A Phản ứng với Fe2+, S2 C NH3 Amin Amin N2 mg/l Lượng Clo cho vào dư Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến nước có amoni [12] Theo lý thuyết để xử lý NH4+ phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song thực tế phải dùng 8:1 để oxi hoá NH3 Do xảy phản ứng nêu, trình Clo hoá thực tế xảy theo đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột biến” hình1.3 Những nghiên cứu trước cho thấy, tốc độ phản ứng Clo với hợp chất hữu nửa so với phản ứng với amoni[12] Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dư phản ứng với hợp chất hữu có nước để hình thành nhiều chất Clo có mùi đặc trưng khó chịu Trong khoảng 15% hợp chất nhóm THM-trihalometan HAA-axit axêtic halogen chất có khả gây ung thư bị hạn chế nồng độ nghiêm ngoặc Sinh viên:Đào Chánh Thuận 14 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Mơi Trường Ngồi với lượng Clo cần dùng lớn, vấn đề an tồn trở nên khó giải nhà máy lớn Đây lý khiến phương pháp Clo hoá đơn giản mặt thiết bị, rẻ mặt kinh tế xây dựng khó áp dụng 1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping) Amoni nước tồn dạng cân bằng: NH3 (khí hồ tan) + H+ ; pka = 9,5 (1.7) NH4+ Như vậy, PH gần có lượng nhỏ khí NH3 so với ion amoni Nếu ta nâng PH tới 9.5 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1, tăng PH cân chuyển phía tạo thành NH3 Khi áp dụng kỹ thuật sục khí thổi khí NH3 bay theo định luật Henry, làm chuyển cân phía phải: NH3 + H2O (1.8) NH4+ + OHTrong thực tế PH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH3 mức 1600 m3 khơng khí/ m3 nước [12] trình phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Phương pháp áp dụng cho nước thải, khó đưa nồng độ NH4+ xuống 1,5mg/l nên áp dụng để xử lý nước cấp 1.3.3 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br-) Để khắc phục nhược điểm phương pháp Clo hố điểm đột biến người ta thay số tác nhân oxi hoá khác ozon với có mặt Br- Về xử lý NH4+ O3 với có mặt Br- diễn theo chế giống phương pháp xử lý dùng Clo Dưới tác dụng O3, Br- bị oxi hoá thành BrO- theo phản ứng sau đây: (1.9) Br- + O3 + H+ = HBrO + O2 + Phản ứng oxy hoá NH4 thực ion BrO giống ion ClO-: (1.10) NH3 + HBrO = NH2Br + H2O (1.11) NH2Br + HBrO = NHBr2 + H2O + (1.12) NH2Br + NHBr2 = N2 + 3Br + H Đây điểm tương đồng hai phương pháp Clo hoá Ozon hoá xúc tác Br- 1.3.4 Phương pháp sinh học Đây phương pháp xử lý amoni nhiều nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu cho nhiều kết khả quan Mặc dù xử lý sinh học thực nhiều q trình vật lý, hố học hố lý phương pháp sinh học lại mang ý nghĩa hoàn toàn khác ngày trở nên quan trọng Phương pháp vi sinh xuất phát từ tính xử lý dể dàng sản Sinh viên:Đào Chánh Thuận 15 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường phẩm nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho sản phẩm nước với chất lượng hoàn toàn bảo đảm mặt hoá chất độc hại ổn định hoạt tính sinh học, chất lượng cao (cả mùi, vị tính ăn mịn) Ở phương pháp sinh học thực bao gồm hai trình nối tiếp nitrat hố khử nitrat hố sau: a) Q trình nitrat hố: Q trình chuyển hoá mặt hoá học viết sau: (1.13) NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1.14) NO2 + 0,5O2 → NO3 Phương trình tổng: (1.15) NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O + + Như mol NH4 tiêu thụ mol O2 hay 1gN-NH4 tiêu thụ 4,57 g O2, 1mol NH4+ tạo thành 1mol NO3-, mol NH4+ tạo thành mol H+ Lượng H+ tạo phản ứng với độ kiềm HCO3-, 1gN-NH4+ tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui CaCO3) Các phương trình (1.19 1.20) khơng tính đến q trình sinh tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) [2].Ta có: 1,02NH4+ + 1,82O2 + 2,02HCO3- → (1.16) 0,021C5H7O2N + NO3- + 1,92 H2CO3 + 1,06 H2O + + Như g N-NH4 tiêu thụ 4,3 g O2, g N-NH4 tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (qui CaCO3) Để thiết kế người ta hay dùng số suy từ phương trình (1.20) 4,3 gO2 7,14g độ kiềm 1gN-NH4+ để tính tốn b) Q trình khử nitrat hố: Khác với q trình nitrat hố q trình khử nitrat hố sử dụng oxi từ nitrat nên gọi anoxic (thiếu khí) Các vi khuẩn dị dưỡng nghĩa cần nguồn Cacbon hữu để tạo nên sinh khối Q trình khử nitrat hố tổng hợp bốn phản ứng nối tiếp nhau: NO2NO N2O N2 NO3Quá trình đòi hỏi nguồn chất (chất cho điện tử) chúng chất hữu (phổ biến axit axetic), H2 S Khi có mặt đồng thời NO3- chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO3- nhận điện tử khử N2 Vi khử tham gia vào trình khử nitrat bao gồm:Bacilus, Pseudơmnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, …Chỉ có Thiobaciluc denifrifcans Sinh viên:Đào Chánh Thuận 16 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường sử dụng nguồn điện tử S nghiên tố để tạo lượng nguồn cacbon vô (từ CO2 HCO3-) để tổng hợp tế bào 1.3.5 Phương pháp trao đổi ion Quá trình trao đổi ion q trình hố lý thuận nghịch xảy phản ứng trao đổi ion dung dịch điện ly với ion bờ mặt bên pha rắn tiếp xúc với Q trình trao đổi ion tn theo định luật bảo tồn điện tích, phương trình trao đổi ion mô tả cách tổng quát sau: AB + X(1.24) AX + B+ + CD + Y (1.25) CY + D Trong AX chất trao đổi anion, CY chất trao đổi cation Phản ứng trao đổi phản ứng thuận nghịch, chiều thuận gọi chiều trao đổi, chiều nghịch gọi chiều phản ứng tái sinh Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào: ● Kích thước hố trị ion ● Nồng độ ion có dung dịch ● Bản chất chất trao đổi ion ● Nhiệt độ Nhựa trao đổi ion dạng rắn dùng để thu ion định dung dịch giải phóng vào dung dịch lượng tương đương ion khác có dấu điện tích Nhựa trao đổi cation (Cationit) hợp chất cao phân tử hữu có chứa nhóm chức có khả trao đổi với cơng thức chung RX Trong R gốc hữu phức tạp, là: COOH-, Cl-,…Phản ứng trao đổi cation chất trao đổi cation có dung dịch R-NH4 + H+(Na+) (1.26) R-H(Na) + NH4+ 2+ + R2Ca + 2H (1.27) 2R-H + Ca Chất trao đổi ion có sẳn tự nhiên loại khống sét, quan trọng zeolit, loại sợi,…cũng chất vơ tổng hợp (aluminosilicat, aluminophotphat,…) hữu (nhựa trao đổi ion) Trong thực tế nhựa trao đổi ion sản xuất ứng dụng rộng rải Trong nước ngầm ion amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với cation khác) cịn tồn cation hố trị I hoá trị II Ca2+,Mg2+, K+, Na+,…phần lớn nhựa cation có độ chọn lọc thấp ion amoni Để ứng dụng thực triển cần tìm chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao ion amoni Trong đó, Zeolic đặc biệt loại Clinoptilolit tự nhiên đáp ứng đồi hổi Clinoptilolit loại Zeolic tự nhiên có cơng thức hoá học Sinh viên:Đào Chánh Thuận 17 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường (Na4K4)Al20O40.20H2O, độ lớn mao quản nằm khoảng 3-8A0, độ xốp khoảng 34% Độ chọn lọc Clinoptilolit ion amoni tuân theo thứ tự[13]: Cs+>Rb+>K+>NH4+>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+Mg2+>Li+ Từ dãy chọn lọc cho thấy hầu hết cation có mặt nước tự nhiên như: 2+ Ca , Mg2+, Na+ có tính chọn lọc so với amoni tính chọn lọc amoni gần ngang với Kali Chabazit loại Zeolit có độ chọn lọc cao ion amoni Dung lượng trao đổi Clinoptilolit nhiều tác giả xác định, nằm khoảng từ 1-2,7 đl/kg, tương ứng với 14-32g NH4+/kg Tuy dung lượng hoạt động thực triễn vượt 50% dung lượng tổng, thường 1-7 g/kg, gần bão hoà amoni bị chiết khỏi dung dịch [13] 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA Trong năm gần có số cơng trình nghiên cứu xử lý hợp chất hữu chứa Nitơ nước cấp nước thải, nghiên cứu hạn chế chưa đầy đủ liệt kê số cơng trình nghiên cứu sau đây: -Hồn thiện cơng nghệ xử lý nước để áp dụng cho số nguồn nước bị nhiễm arsenic; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn Chủ nghiệm đề tài: KS Đinh Viết Đường, Công ty nước môi trường Việt Nam -Nghiên cứu xử lý N-Amoni nước ngầm Hà Nội Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà(2002) -Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002 -Báo cáo kết nghiên cứu xử lý amoni Pilot Pháp Vân Cao Thế Hà, Lê Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004) -Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giàu hợp chất Nito(N), Photpho (P) thích hợp với điều kiện Việt Nam Lê Văn Cát, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ thuộc chương trình nhà nước bảo vệ mơi trường, Hà Nội 2001-2002 -Nghiên cứu xử lý chất dinh dưỡng (các hợp chất N P), hệ xử lý nước thải sinh hoạt Lê Văn Chiều, Luận án tiến sĩ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2003 -Nuyên cứu xử lý amoni nước ngầm Hà Nội Đề tài cấp thành phố 01C – 09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khơi –Sở giao thơng cơng Hà Nội -Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất 30000m3/ngày.đêm , (2002) – cơng ty tư vấn nước mơi trường Việt Nam (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment) Sinh viên:Đào Chánh Thuận 18 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường -Các đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ viện khoa học công nghệ Việt Nam phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị -Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit, chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam -Xử lý nitrat, báo cáo Lâm Minh Triết cộng tác viên, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh -Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm 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 asen nước sinh hoạt, Viện Công nghệ Môi trường… Phần lớn đề tài khẳng định xử lý tốt amoni nước ngầm nước thải Đối với qui mô vừa nhỏ phương pháp trao đổi ion nhà khoa học đề xuất thích hợp Các đề tài khẳng định phương pháp sinh học định hướng cho qui mơ lớn Vấn đề xử lý amoni nước cấp, đặc biệt mức cao cỡ 15-25 mg/l vấn đề mẻ nước ta giới Trước năm 2002 tiêu chuẩn Việt Nam giới hạn nồng độ amoni mức ≤ 3mg/l từ năm 2002 với định 1329/2002 QĐ-BYT Bộ Y Tế, giới hạn nồng độ amoni Việt Nam mức qui định tổ chức giới WTO 1,5mg/l Châu 0,5mg/l Điều thúc đẩy nhiều nghiên cứu Việt Nam lĩnh vực xử lý amoni nước cấp 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN Như trình bày phần trên, trình trạng nhiễm amoni nước ngầm ngày phổ biến Hàm lượng amoni nước ngầm ngày cao vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ người dân sở sản xuất Từ vấn đề cần phải có nhiều nghiên cứu xử lý amoni để loại bỏ amoni khỏi nước cấp nhằm phụ vụ nhu cầu cung cấp nước cho người dân cở sở sản xuất Từ trạng ô nhiễm amoni nước ngầm nay, để loại bỏ amoni khỏi nước ngầm nhằm cung cấp nước cho người dân sở sản xuất vừa nhỏ phương pháp trao đổi ion thích hợp Chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao với amoni Zeolit, đặc biệt clinoptilolit, nghiên liệu có dung lượng nhỏ khơng có sẳn Việt Nam Để áp dụng rộng rải phổ biến cần phải dùng chất trao đổi ion thơng dụng nhựa cationit Vì em lựa chọn phương pháp Sinh viên:Đào Chánh Thuận 19 Lớp CNMT-K47-QN Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường trao đổi ion với vật liệu trao đổi nhựa cationit C100 để nghiên cứu khử amoni khỏi nước ngầm Đối với nhựa cationit độ lựa chọn ion Ca2+, Mg2+(độ cứng) cao so với ion amoni Với mục đích để xử lý amoni khỏi nước ngầm phương pháp trao đổi ion nhựa cationit C100 biết nồng độ amoni hàm lượng độ cứng nguồn nước ngầm bất kỳ, nội dung đồ án bao gồm: ─ Xác định thời gian đạt cân nhựa C100 (Mỹ) ion amoni ─ Xây dựng đường đẳng nhiệt cân trao đổi ion nhựa C100 (Mỹ) với ion amoni  Xác định ảnh hưởng tốc độ dòng chảy đến hiệu xử lý amoni ─ Xác định ảnh hưởng độ cứng đến hiệu xử lý amoni ─ Xác định ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào đến hiệu xử lý Sinh viên:Đào Chánh Thuận 20 Lớp CNMT-K47-QN