Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phõn tử protein hoặc là thành phần phõn huỷ protein như là cỏc peptid, axit amin, ure.
Hàm lượng amoniac (NH3) chớnh là lượng nitơ amụn (NH4+) trong nước thải sinh hoạt, nước thải cụng nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khỏc cú thể rất cao.
Nitơ phõn tử N2 N-Protein thực vật N-Protein động vật Amụn húa NH4+ hoặc NH3 + O2 Nitrit hoỏ NO2- NO3- Nitrat hoỏ
+ O2
Khử nitơrat Cố định nitơ
32
Cỏc tỏc nhõn gõy ụ nhiễm Nitơ trong nước thải cụng nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da.
Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vụ cơ (65%) và hữu cơ (35%). Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoỏt nước 1,2 lớt nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đú nitơ trong ure (N-CO(NH2)2) là 0,7g, cũn lại là cỏc loại nitơ khỏc. Ure thường được amoni hoỏ theo phương trỡnh như sau.
Trong mạng lưới thoỏt nước urờ bị thuỷ phõn:
CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3 (1.2)
Sau đú bị thối rữa:
(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O (1.3)
Như vậy NH3 chớnh là lượng nitơ amụn trong nước thải. Trong điều kiện yếm khớ amoniac cũng cú thể hỡnh thành từ nitrat do cỏc quỏ trỡnh khử nitrat của vi
khuẩn Denitrificans.
Lượng chất bẩn Nitơ amụn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoỏt nước: 7 g/ng.ngày
Bảng 2.1: Cỏc chỉ tiờu trung bỡnh cỏc hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt
Chỉ tiờu Trung bỡnh
Tổng Nitơ, mg/l 40
- Nitơ hữu cơ, mg/l 15
- Nitơ Amoni, mg/l 25
- Nitơ Nitrit, mg/l 0,05
- Nitơ Nitrat, mg/l 0,2
33
Nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quỏ trỡnh oxy hoỏ amoniac hoặc nitơ
amoni trong điều kiện hiếu khớ nhờ cỏc loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đú nitrit hỡnh thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter oxy hoỏ thành nitrat.
Cỏc quỏ trỡnh nitrit và nitrat hoỏ diễn ra theo phản ứng bậc I:
NH4+ kn NO2- km NO3-
Trong đú: kn và km là cỏc hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoỏ.
Cỏc phương trỡnh phản ứng của quỏ trỡnh nitrit và nitrat hoỏ được biểu diễn như sau:
NH4+ + 1,5O2 Nitrosomonas NO2- + H2O + 2H+ NO2- + 0,5O2 Nitrobacter NO3-
NH4+ + 2O2 NO3- + H2O + 2H+
Quỏ trỡnh nitrat hoỏ cần 4,57g ụxy cho 1g nitơ amụn. Cỏc loại vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter là cỏc loại vi khuẩn hiếu khớ thớch hợp với điều kiện
nhiệt độ từ 20 30oC.
Nitrit là hợp chất khụng bền, nú cũng cú thể là sản phẩm của quỏ trỡnh khử nitrat trong điều kiện yếm khớ.
Ngoài ra, nitrit cũn cú nguồn gốc từ nước thải quỏ trỡnh cụng nghiệp điện hoỏ. Trong trạng thỏi cõn bằng ở mụi trường nước, nồng độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nú thường nhỏ hơn 0,02 mg/l. Nếu nồng độ amoni, giỏ trị pH và nhiệt độ của nước cao, quỏ trỡnh nitrit hoỏ diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nú cú thể đạt đến giỏ trị lớn. Trong quỏ trỡnh xử lý nước, nitrit trong nước sẽ tăng lờn đột ngột.
Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vụ cơ của nitơ cú hoỏ trị cao nhất và cú nguồn gốc chớnh từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành cụng nghiệp thực
34
phẩm, hoỏ chất,... chứa một lượng lớn cỏc hợp chất nitơ. Khi vào sụng hồ, chỳng tiếp tục bị nitrat hoỏ, tạo thành nitrat.
Nitrat hoỏ là giai đoạn cuối cựng của quỏ trỡnh khoỏng hoỏ cỏc chất hữu cơ chứa nitơ. Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của cụng trỡnh xử lý nước thải bằng phương phỏp sinh học.
Mặt khỏc, quỏ trỡnh nitrat hoỏ cũn tạo nờn sự tớch lũy oxy trong hợp chất nitơ để cho cỏc quỏ trỡnh oxy hoỏ sinh hoỏ cỏc chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hoà tan trong nước rất ớt hoặc bị hết.
Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat hoỏ sẽ xảy ra quỏ trỡnh ngược lại: tỏch ụxy khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong cỏc quỏ trỡnh oxy hoỏ cỏc chất hữu cơ khỏc. Quỏ trỡnh này được thực hiện nhờ cỏc vi khuẩn phản nitrat hoỏ (vi khuẩn yếm khớ tuỳ tiện). Trong điều kiện khụng cú oxy tự do mà mụi trường vẫn cũn chất hữu cơ cỏcbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quỏ trỡnh ụxy hoỏ cỏc chất hữu cơ. Quỏ trỡnh khử nitrat được biểu diễn theo phương trỡnh phản ứng sau đõy:
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O
Trong quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ, 1g nitơ sẽ giải phúng 1,71g O2 (khử nitrit) và 2,85g O2 (khử nitrat).
2.2 Tỏc hại của Nitơ trong nước thải
2.2.1 Tỏc hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trờn bỡnh diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải cú thể gõy nờn hiệu ứng về mụi trường. Sự cú mặt của Nitơ trong nước thải cú thể gõy ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thỏi và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải cú nhiều amoniac cú thể gõy độc cho cỏ và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thờm hàm lượng photpho cú thể gõy
35
phỳ dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước cú màu và mựi khú chịu đặc biệt là lượng oxy hoà tan trong nước giảm mạnh gõy ngạt cho cỏ và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải khụng tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp cú thể gõy nờn một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu Vitamin và cú thể kết hợp với cỏc amin để tạo thành cỏc nitrosamin là nguyờn nhõn gõy ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dựng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển húa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit cũn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tỏc dụng với cỏc amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chỳng cú thể tạo thành cỏc hợp chất chứa nitơ gõy ung thư. Trong cơ thể Nitrit cú thể oxy hoỏ sắt II ngăn cản quỏ trỡnh hỡnh thành Hb làm giảm lượng oxy trong mỏu cú thể gõy ngạt, nụn, khi nồng độ cao cú thể dẫn đến tử vong.
2.2.2 Tỏc hại của ụ nhiễm Nitơ đối với mụi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sụng, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do vậy nú gõy ra sự phỏt triển mạnh mẽ của cỏc loại thực vật phự du như rờu, tảo gõy tỡnh trạng thiếu oxy trong nước, phỏ vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phỏ hoại mụi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4... tiờu diệt nhiều loại sinh vật cú ớch trong nước. Hiện tượng đú gọi là phỳ dưỡng nguồn nước.
Hiện nay, phỳ dưỡng thường gặp trong cỏc hồ đụ thị, cỏc sụng và kờnh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sụng Sột, sụng Lừ, sụng Tụ Lịch đều cú màu xanh đen hoặc đen, cú mựi hụi thối do thoỏt khớ H2S. Hiện tượng này tỏc động tiờu cực tới hoạt động sống của dõn cư đụ thị, làm biến đổi hệ sinh thỏi của nước hồ, tăng thờm mức độ ụ nhiễm khụng khớ của khu dõn cư.
36
2.2.3 Tỏc hại của Nitơ đối với quỏ trỡnh xử lý nước
Sự cú mặt của Nitơ cú thể gõy cản trở cho cỏc quỏ trỡnh xử lý làm giảm hiệu quả làm việc của cỏc cụng trỡnh. Mặt khỏc nú cú thể kết hợp với cỏc loại hoỏ chất trong xử lý để tạo cỏc phức hữu cơ gõy độc cho con người.
Với đặc tớnh như vậy việc xử lý Nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đỏng được nghiờn cứu và ứng dụng. Vấn đề này đó được cỏc nhà nghiờn cứu, cỏc học giả đi sõu tỡm hiểu.
2.3 Cỏc phương phỏp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay
Đó cú nhiều phương phỏp nhiều cụng trỡnh xử lý nitơ trong nước thải được nghiờn cứu và đưa vào vận hành trong đú cú cả cỏc phương phỏp hoỏ học, sinh học, vật lý.... Nhưng phần lớn chỳng đều chưa đưa ra được một mụ hỡnh xử lý nitơ chuẩn để cú thể ỏp dụng trờn một phạm vi rộng. Dưới đõy là bảng phõn tớch một cỏch tổng quan nhất về dạng và hiệu suất làm việc của cỏc phương phỏp xử lý nitơ trong nước thải đó được nghiờn cứu và ứng dụng.
Bảng 2.2: Cỏc phương phỏp xử lý nitơ trong nước thải Cỏc phương phỏp
xử lý
Hiệu suất xử lý nitơ ( % )
Hiệu suất xử lý % Nitơ dạng hữu cơ NH3 - NH4+ NO3- Xử lý thụng thường Bậc I 10 - 20% 0 0 5 - 10% Bậc II 15 - 50% < 10% Hiệu suất thấp 10 - 30% Xử lý bằng phương phỏp sinh học Vi khuẩn hấp thụ Nitơ 0 40 - 70% Hiệu suất thấp 30 - 70%
37 Quỏ trỡnh khử
nitrat
0 0 80 - 90% 70 - 95%
Thu hoạch tảo
Chủ yếu chuyển hoỏ thành NH3- NH4+ Thu hoạch sinh khối Thu hoạch sinh khối 50 - 80% Quỏ trỡnh nitrat hoỏ Xử lý cú giới hạn Chuyển hoỏ thành nitrat 0 5 - 20% Hồ ụxyhúa Chủ yếu chuyển hoỏ thành NH3- NH4+ Xử lý bởi quỏ trỡnh làm thoỏng Tỏch bằng cỏc quỏ trỡnh nitrat và khử nitrat 20 - 90% Cỏc phương phỏp hoỏ học Chõm clo Kộm ổn định 90-100% 0 80 - 95%
Đụng tụ hoỏ học 50-70% Hiệu suất thấp
Hiệu suất thấp
20 - 30% Cacbon dớnh bỏm 30-50% Hiệu suất
thấp
Hiệu suất
thấp 10 - 20% Trao đổi iụn cú
chọn lọc với Amụni Hiệu suất thấp, kộm ổn định 80 - 97% 0 70 - 95%
Trao đổi iụn cú chọn lọc với Nitrat Hiệu suất thấp Hiệu suất thấp 75 - 90% 70 - 90% Cỏc phương phỏp vật lý Lọc 30-95% N dạng cặn hữu cơ Hiệu suất thấp Hiệu suất thấp 20 - 40% Làm thoỏng 0 60 - 95% 0 50 - 90%
38 Kết tủa bằng đện cực 100% N dạng cặn hữu cơ 30 - 50% 30 - 50% 40 - 50% Thẩm thấu ngược 60-90% 60 - 90% 60 - 90% 80 - 90%
Nguồn: Chuyờn đề lớp cao học – 2006
Qua bảng phõn tớch và đỏnh giỏ hiệu quả xử lý nitơ, ta thấy việc xử lý nitơ bằng phương phỏp sinh học cho hiệu quả rất cao. Cựng với việc ứng dụng phương phỏp sinh học để khử nitơ trong nước thải, ta cũn lưu ý đến cỏc phương phỏp khỏc như: húa học (chõm clo), vật lý (thổi khớ), trao đổi ion...Theo thống kờ cỏc nhà mỏy ứng dụng cỏc cụng nghệ để xử lý nitơ thỡ chi cú 6/1200 nhà mỏy là sử dụng biện phỏp thổi khớ, 8/1200 nhà mỏy sử dụng biện phỏp chõm clo và duy nhất cú 1 nhà mỏy là sử dụng biện phỏp trao đổi ion. Sở dĩ những biện phỏp này ớt được dựng là do chi phớ đầu tư lớn, thờm vào đú là sự phức tạp trong quỏ trỡnh vận hành và bảo dưỡng. Cỏc phương phỏp chủ yếu là:
Phương phỏp sinh học:
- Cỏc muối nitrat, nitrit tạo thành trong quỏ trỡnh phõn hủy hiếu khớ sẽ được khử trong điều kiện thiếu khớ (anoxic) trờn cơ sở cỏc phản ứng khử nitrat.
Phương phỏp hoỏ học và hoỏ lý:
- Vụi hoỏ nước thải đến pH = 1011 để tạo thành NH4OH và thổi bay hơi trờn cỏc thỏp làm lạnh.
- Photpho được lắng xuống nhờ cỏc muối sắt, nhụm hoặc vụi.
Tuy nhiờn, trong đú, phương phỏp sinh học lại cú những ưu điểm nổi bật như: - Hiệu suất khử nitơ rất cao.
- Sự ổn định và đỏng tin cậy của quỏ trỡnh rất lớn. - Tương đối dễ vận hành, quản lý.
39 - Diện tớch đất yờu cầu nhỏ.
- Chi phớ đầu tư hợp lý, vừa phải. 2.4 Kết luận
Với những tỏc động xấu của hàm lượng nitơ cú trong nước thải sinh hoạt và khu cụng nghiệp đến sức khỏe con người cũng như mụi trường, chỳng ta nờn xử lý nitơ xuống dưới tiờu chuẩn cho phộp trước khi xả nước thải ra mụi trường (sụng, hồ...).
Từ việc xem xột, đỏnh giỏ hiệu quả xử lý cũng như tổng quan cỏc phương phỏp xử lý nitơ trong nước thải, chỳng tụi lựa chọn phương phỏp sinh học để xử lý. 2.5 Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương phỏp sinh học
2.5.1 Cơ sở lý thuyết cỏc quỏ trỡnh xử lý nitơ bằng phương phỏp sinh học
Trong quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng phương phỏp sinh học hiếu khớ, nitơ amụn
sẽ được chuyển thành nitrit và nitrat nhờ cỏc loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter. Khi mụi trường thiếu oxy, cỏc loại vi khuẩn khử nitrat Denitrificans
(dạng kỵ khớ tuỳ tiện) sẽ tỏch oxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để oxy hoỏ chất hữu cơ. Nitơ phõn tử N2 tạo thành trong quỏ trỡnh này sẽ thoỏt ra khỏi nước.
40