1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ
1.2.1 Các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni
Các ion NH4 trong nước trong trạng thái cân bằng với các phân tử amoniac và ion H+ :
NH4+ NH3 + H+ (1.1)
Ở điều kiện pH > 7, cân bằng chuyển dịch sang phải. Với pH > 10, hơn 85%
amoniac có thể chuyển dịch sang dạng khí khi làm thoáng. Ở giá trị pH = 10 ÷ 11, các ion Hyđroxy dư sẽ chuyển các ion NH4 thành Hydroxit amon:
NH4+ + OH- NH4OH (1.2) NH4OH NH3 + H2O (1.3)
Ngoài ra, hiệu suất xử lí còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì hiệu suất xử lí càng lớn [5].
Ưu điểm :
+ Đơn giản, rẻ tiền và ta có thể kiểm soát được quá trình.
+ Quá trình loại bỏ được NH3 mà không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp trong nước.
Nhược điểm:
+ Quá trình chính để loại nitơ, quá trình chuyển NH3 (dạng dung dịch) thành NH3 (khí) lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ (khó thực hiện được ở nhiệt độ thấp).
+ Khi dùng vôi để tăng pH thường tạo cặn bám vào vật liệu lọc làm tăng trở lực quá trình.
+ Trong nước thải, các hợp chất Nitơ không chỉ tồn tại ở dạng amoni, mà còn tồn tại ở dạng NO3-, NO2-. Chính vì vậy xử lý bằng phương pháp này chưa triệt để .
+ Quá trình chuyển hoá NH4+ thành NH3 (khí) nếu không thu gom NH3 sẽ đưa vào khí quyển làm ô nhiễm không khí.
1.2.1.2. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point)
Đây là phương pháp loại bỏ N - NH4+ bằng Clo hoá với nồng độ Clo cao hơn nồng độ tương ứng điểm đột biến trên đường cong hấp thụ Clo trong nước. Điểm đột biến là điểm mà ở đó bắt đầu xuất hiện Clo dư trong nước.
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của nồng độ Clo dư trong nước vào nồng độ Clo xử lí nước có và không có NH3
____ Cl2 dư khi trong nước không có NH3
--- Cl2 dư khi trong nước có NH3
... Hàm lượng NH3 trong nước
Phương trình phản ứng khi đưa Clo vào nước. Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào giá trị pH:
Cl2 + H2O (pH = 5) HCl + HClO (pH = 7) H+ + ClO- (pH = 8) (1.4) Nếu trong nước có chứa amoni, sản phẩm của quá trình Clo hoá sẽ tạo thành các Cloamin (từ điểm đột biến A). Nếu sử dụng Clo với liều lượng lớn hơn nồng độ CA
Cloamin sẽ phân huỷ tạo thành N2 bay hơi. Lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới giá trị nhỏ nhất CtB, tương ứng với điểm đột biến B. Tác dụng khử trùng của Clo chỉ đạt hiệu quả cao khi đưa Clo vào nước với nồng độ lớn hơn điểm đột biến trên (CB).
2NH3 + HClO 2N2 + 3H2O + 3HCl (1.5) hoặc
2NH4+ + 3Cl2 N2 + 2H+ + 6HCl (1.6)
Phương pháp này tương đối đơn giản, hiệu suất cao, song cần lưu ý đến vấn đề phải khống chế nồng độ Clo dư trong sản phẩm nước sau xử lí và nồng độ các sản phẩm phụ sinh ra từ quá trình Clo hoá các hợp chất hữu cơ có trong nước (điển hình là CHCl3), cũng như lượng Clo tiêu thụ.
Lượng Clo cần thiết , theo lí thuyết, bằng 7...10 lượng Amoniắc. Trên thực tế, tỉ lệ này có thể lên đến 10...25 [5].
Ưu điểm :
+ Kiểm soát được quá trình.
+ Có thể kết hợp được với quá trình khử trùng nước cấp.
+ Không tốn diện tích mặt bằng.
Nhược điểm :
+ Chi phí vận hành cao vì phải tiêu tốn nhiều Clo (Cl2).
+ Trong nước có mặt các chất khử dạng hữu cơ hoặc vô cơ sẽ phản ứng với Cl2
để sinh ra các sản phẩm phụ có hại cho sức khoẻ con người. Ngoài ra bản thân Cl2
cũng là một khí độc có hại cho sức khoẻ con ngời.
+ Không khử được nitơ ở dạng NO2- và NO3- . + Gây ô nhiễm thứ cấp.
1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange).
Có thể loại bỏ Amoniac trong nước bằng cách lọc qua vật liệu lọc trao đổi cation như Klynoptilolyle hay Sepiolite. Đây là loại quặng zeolit tự nhiên. Phương trình có thể biểu diễn như sau:
Men+ + Z-A (Z)nMen+ + nA+ (1.7) Trong đó : Men+ (NH4+, Ca2+…) là ion có trong nước.
A+ (Na+, H+) là ion trên vật liệu trao đổi ion
Z là chất nền của vật liệu trao đổi ion (RSO3Na, RSO3H, RCOONa, RCOOH)
Ưu điểm :
Ưu điểm của phương pháp này là có thể đạt hiệu suất rất cao (80-90%). Sử dụng phương pháp trao đổi ion với các vật liệu trao đổi anionit gốc Cl-, OH- hay SO42- cũng là phương pháp đạt hiệu suất cao để loại bỏ nitrat ra khỏi nước ngầm.
Nhược điểm :
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là quá trình sử dụng, vận hành phức tạp, khó khăn trong việc hoàn nguyên… [5].
1.2.1.4. Phương pháp điện hóa.
Hòa nước cần xử lý với nước muối hay nước biển rồi cho qua ngăn điện phân với điện cực bằng than. Do sự khác nhau giữa tỷ trọng của nước biển (muối) và dung dịch, nước muối sẽ dồn chảy tới đáy anot và tạo kết tủa MgNH4PO4 + Mg(OH)2. Các bọt khí H2 xuất hiện trên catot sẽ nổi lên, cuốn theo bọt và tách ra. Cl2 tạo thành trên anot sẽ được tận dụng để khử trong nước xử lý (phương pháp này thường được sử dụng để khử nitơ trong nước thải trong công đoạn xử lý bậc 3).
1.2.1.5. Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP).
Gần đây người ta bắt đầu để ý đến một phản ứng lúc đầu chỉ nhằm để phát hiện ion phốt pho trong môi trường Amoni trong nước:
NH4+ + Mg2+ + PO43- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (1.8)
Sản phẩm của phản ứng là Magiê Amoni Phốt phát (MAP), có công thức MgNH4PO4.6H2O. Hợp chất này còn một tên gọi khác là “struvit” là chất gây ra sỏi thận. MAP đã được nghiên cứu sử dụng như là một loại phân bón nhả chậm vì chúng sẽ tan dần khi môi trường nước có pH<7. MAP bao gồm 2 nguyên tố N và P là 2 trong số 3 nguyên tố dinh dưỡng đa lượng chủ yếu của cây trồng (N, P, K), ngoài ra còn một nguyên tố Mg là một trong các nguyên tố dinh dưỡng thuộc loại nguyên tố trung lượng của cây trồng, có tác dụng cung cấp Mg cho cấu tạo của chất diệp lục, giữ vai trò quan trọng trong quang hợp. Mg trong thực vật còn là hoạt chất của hệ enzym gắn liền với
sự chuyển hóa hyđratcacbon, tổng hợp axit nucleic, thúc đẩy sự vận chuyển lân của cây.
Với phản ứng này cùng một lúc có thể sử dụng để tách loại cả Nitơ và Phốt pho có trong nước thải. Quá trình phản ứng cần bổ sung Mg2+ là các muối vô cơ song cũng có thể sử dụng nguồn Magiê rẻ tiền từ nước ót tại các vùng làm muối thủ công.
Sản phẩm MAP được sử dụng làm phân bón phục vụ cho nông nghiệp sẽ là nguồn không nhỏ. Một khối nước thải có nồng độ Amoni 500mg/l có thể cho tới 10 kg MAP. Nước thải sau khi đã tiền xử lý thu hồi MAP, lượng N và P còn lại rất thuận lợi cho xử lý sinh học tiếp theo (xử lý sinh học cần tỉ lệ BOD : N : P là 200 : 5 : 1). Tuy nhiên để có thể ứng dụng quy trình này trong xử lý nước thải cần có các nghiên cứu hoàn thiện hơn về cơ bản, công nghệ và tính toán kinh tế.