Đánh giá hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR)

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Amoni lên quá trình nitrat hóa trong hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni...34 2.5.3.. Kết quả Khảo

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 9

1.1 Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm Amoni nước ngầm ở Hà Nội 9

1.2 Nguồn gốc và chu trình nitơ trong tự nhiên 10

1.2.1 Nguồn gốc của nitơ 10

1.2.2 Nguồn gốc Nitơ trong nước ngầm 10

1.2.3 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 11

1.3 Các hợp chất chứa nitơ trong nước 13

1.4 Độc tính của các hợp chất nitơ đối với con người và sinh vật 15

1.5 Khái quát về các phương pháp xử lý hợp chất nitơ 16

1.5.1 Xử lý amoni bằng chất ôxy hoá……… 16

1.5.2 Xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng………16

1.5.3 Xử lý amoni bằng trao đổi ion………17

1.5.4 Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học ……… 17

1.6 Các kĩ thuật xử lí hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học 18

1.6.1 Khái quát về phương pháp xử lí sinh học 18

1.6.2 Các kĩ thuật xử lí hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học 18

1.7 Quá trình oxy hóa Amoni xảy ra trong hệ xử lý 22

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 25

2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nước 25

2.3.1 Xác định pH 25

2.3.2 Xác định kiềm 27

2.3.3 Xác định amoni bằng phương pháp dùng thuốc thử Neesler 27

2.3.4 Xác định Nitrat bằng phương pháp Salisilat 28

2.3.5 Xác định nitrit bằng phương pháp Griss 29

2.4 Thí nghiệm 30

2.4.1 Mô tả thí nghiệm 30

2.4.2 Tiến hành thí nghiệm 31

2.4.2.1 Nuôi cấy vi sinh vật. 31

2.4.2.2 Tiến hành thí nghiệm 32

2.5 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình nitrat hóa trong môi trường nước ngầm trên hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động 33

2.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trong hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm 33

2.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Amoni lên quá trình nitrat hóa trong hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni 34

2.5.3 Khảo sát khả năng xủ lý Amoni của hệ sau các khoảng thời gian trong 5 ngày và 10 ngày sau khi chạy hệ 34

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1.Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trong hệ thống bể sinh học sử dụngvật liệu mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni 36

3.2 Kết quả Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Amoni lên quá trình nitrat hóa trong hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni 40

3.3 Kết quả khảo sát khả năng xủ lý Amoni của hệ sau các khoảng thời gian trong 5 ngày và 10 ngày sau khi chạy hệ 42

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 44

Kết luận 45

Kiến nghị 46 Tài liệu tham khảo 47

ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển

Bảng 4 Ảnh hưởng của thời gian lưu của bể sinh học sử dụng vật liệu

mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni với hệ 1 bình phản

ứng

37

Bảng 5 Ảnh hưởng của thời gian lưu của bể sinh học sử dụng vật liệu

mang vi sinh chuyển động lên hiệu quả xử lý amoni với hệ 2 bình liên tục 38Bảng 6 Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước

ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển

động lên hiệu quả xử lý amoni qua việc thay đổi nồng độ amoni đầu vào

với hệ 1 bình phản ứng

40

Bảng 7 Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước

ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển

động lên hiệu quả xử lý amoni qua việc thay đổi nồng độ amoni đầu vào

Bảng 8 Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước

ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển

động lên hiệu quả xử lý amoni qua việc so sánh khả năng xử lý amoni của

hệ sau thời gian 5 ngày và 10 ngày

42

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1 Chu trình nito trong tự nhiên 11

Hình 3 Vật liệu mang vi sinh(bên trái: Vật liệu mang đã có vi sinh, bên

Hình 4 Hệ 1 bình phản ứng với dòng liên tục 33Hình 5 Hệ 2 bình phản ứng nối tiếp

33Hình 6 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ amoni theo thời gian lưu

Hình 7 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ amoni theo thời gian lưu

Hình 8 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến

quá trình nitat hóa với hệ 1 bình liên tục và hệ 2 bình nối tiếp 41Hình 9 Đồ thị biểu diễn khả năng xử lý amoni của hệ sau thời gian 5 ngày

và 10 ngày

42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1 BYT: Bộ Y tế.

2 EPA: Cơ quan bảo vệ môi sinh Hoa Kỳ.

3 MBBR: (Moving Bed Biofilm Reactor) , công nghệ vật liệu mang

vi sinh chuyển động

4 MBC – 1: Vật liệu mang vi sinh

5 QCVN: Quy chuẩn Việt Nam.

6 SK: Sinh khối.

7 UNICEF: Quỹ nhi đồng liên hợp quốc.

MỞ ĐẦU

Nước có vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ và chăm sóc sức khoẻcộng đồng Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đãqua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp.Vấn đề nước sạch đã và đang là mối quan tâm củamọi tầng lớp nhân dân, từ thành thị đến nông thôn Nhưng hiện nay nguồn nước ấyđang dần bị ô nhiễm trầm trọng

Hiện nay, chất lượng các nguồn nước thiên nhiên ngày càng xấu đi do tácđộng của việc tiếp nhận ngày càng nhiều nguồn nước thải đô thị, nước thải côngnghiệp không được xử lý đạt yêu cầu; do việc sử dụng ngày càng nhiều các chất bảovệ thực vật, kể cả các chất bị cấm sử dụng trong các hoạt động nông nghiệp Khôngchỉ nguồn nước mặt mà ngay cả nước ngầm ngoài Sắt và Mangan, còn chứa các tạpchất có hại khác Đặc biệt là hàm lượng Amoni cao hơn tiêu chuẩn vệ sinh cho phépđến nhiều lần Việc khai thác nước dưới đất diễn ra tương đối phức tạp và ở nhiềunơi, nhiều lúc không kiểm soát được Phần nhiều các hệ thống cấp nước tập trungkhai thác nước trong các tầng chứa nước cuội sỏi Đây là tầng chứa nước côngnghiệp được bảo vệ bởi các tầng sét dày ở phía trên Các giếng khoan của các hệthống cấp nước tập trung do các Công ty cấp nước các tỉnh quản lý được xây dựngđúng kỹ thuật và vì vậy chống được sự ô nhiễm bởi nguồn chất thải từ các tầng trênthấm trực tiếp xuống ngay tại vị trí giếng Bên cạnh loại giếng này, một số lượng rấtlớn các giếng khoan do các đơn vị sản xuất tự xây dựng và tự kiểm soát Các loạigiếng này không phải lúc nào cũng được xây dựng đúng kỹ thuật nên có khả năng bị

ô nhiễm trực tiếp tại các vị trí giếng khoan Cùng với việc khai thác nước trong cáctầng cuội sỏi, một bộ phận rất đông dân cư đang khai thác nước trong các tầng nôngvới các loại giếng khoan giếng qui mô nhỏ, hộ gia đình “ gọi là các giếng kiểuUNICEF” Các giếng khoan kiểu UNICEF phần lớn được thực hiện bởi các đơn vị,

cá nhân không chuyên ngành thực hiện Các giếng khoan kiểu UNICEF không đượccấu tạo đúng kỹ thuật hiện đang hoạt động cũng như các giếng đã ngừng hoạt độngnhưng không được lấp đúng kỹ thuật có khả năng gây nên hiện tượng thông tầngchứa nước Các tầng chứa nước phía trên bị ô nhiễm bởi các nguồn chất thải thông

qua các giếng này làm nước ở các tầng chứa nước ở phía dưới bị nhiễm bẩn nhanhchóng Tầng sét bảo vệ tầng chứa nước công nghiệp bị xuyên thủng Nước thải cũng

có thể xâm nhập vào các tầng chứa nước ngầm thông qua các cửa sổ địa chất thuỷvăn Nguồn chất thải này qua các quá trình hoá sinh trong lòng đất tạo nên một sựnhiễm bẩn đặc biệt là Amoni

Các phương pháp xử lý nước nhiễm Amoni đã được nghiên cứu và áp dụngnhiều trong nước cũng như thế giới bao gồm: sục khí, sinh học, keo tụ, lắng, lọc,tuyển nổi, hấp phụ, kết tủa, màng, oxy hóa, khử trùng… trong đó phương pháp sinhhọc là thân thiện với môi trường và mang lại hiệu quả cao Vì vậy ngày nay phươngpháp sinh học là phương pháp tốt nhất dùng để xử lý Trong phương pháp sinh học

có rất nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau như lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học,tầng lưu thể, màng sinh học tầng chuyển động, và một trong những phương phápcho hiệu quả cao và mới mẻ là phương pháp màng sinh học tầng chuyển động,dùng vi sinh với mục đích xử lý Amoni trong nước ngầm Phương pháp này có ưuđiểm là đơn giản, dễ áp dụng, không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao, có thể áp dụngvới cả các quy mô vừa và lớn

Vì tính cấp bách của vấn đề đó cũng như trong phạm vi cho phép em đã

chọn đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý Amoni trong nước ngầm bằng hệ thống bể sinh học sử dụng vật liệu mang vi sinh chuyển động (MBBR) ” nhằm đưa ra biện

pháp xử lý amoni trong nước ngầm một cách tốt nhất mà không làm ảnh hưởng xấutới môi trường, cũng như với mục đích mang lại chất lượng nước tốt nhất cho conngười và sinh vật khi sử dụng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm Amoni nước ngầm ở Hà Nội.

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngầm ở Hà Nội hiện nay đang ở mức báođộng nghiêm trọng Hà Nội có địa hình thấp về phía Nam và Đông Nam, toàn bộnước bề mặt kéo theo chất bẩn về đây, ngấm xuống làm bẩn cả tầng chứa nước dướilòng đất Tại khu vực phía Nam và Đông Nam thành phố Hà Nội, nguồn nước ngầmđều bị nhiễm Amoni nặng Hàm lượng Amoni cao hơn giới hạn cho phép gấp nhiềulần, điển hình là các giếng của nhà máy nước Pháp Vân chứa NH4 tới 30 mg/l ỞHà Nội, nhiều khu vực đã xuất hiện tụt mực nước ngầm, lưu lượng giảm đáng kể.Một số nơi đã xảy ra lún đất, biến dạng bề mặt mặt đất, nhiều giếng đã bị tụt mựcnước ngầm trên 10m và lưu lượng bị giảm đi so với một nửa ban đầu

Từ các số liệu thu thập được cho thấy nguồn nước ngầm một số khu vực nhưở Hà Nội có hàm lượng Amoni rất cao

Bảng 1 Hàm lượng Amoni trong một số bãi giếng Hà Nội

1.2 Nguồn gốc và chu trình nitơ trong tự nhiên

1.2.1 Nguồn gốc của nitơ

Cơ thể động vật, thực vật ngoài thành phần chính là các hợp chất hữu cơchứa C, H, thì Nitơ là thành phần luôn có mặt, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng hợpchất hữu cơ và vô cơ trong các sản phẩm tự nhiên và công nghiệp Nguyên tố Nitơ

có thể tồn tại ở 7 trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N3-) là Amoniac đến dạng oxihóa (N5+) là Nitrat

Ở trong nước tự nhiên các hợp chất amoniac, hợp chất hữu cơ chứaNitơ, khí Nitơ, Nitrat và Nitrit có nồng độ không đáng kể nhưng chúng là nguồnNitơ cho phần lớn sinh vật trong đất nước Vi sinh vật sử dụng nguồn Nitơ trên vàotổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng Trong các quátrình đó, hợp chất chứa Nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóahọc khác nhau

1.2.2 Nguồn gốc Nitơ trong nước ngầm

Do thực trạng hệ thống cấp thoát nước, xử lí nước cấp và nước thải, chất thảirắn chưa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông

nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chưa kể đến các quá trình diễn ratrong tự nhiên, và một số do điều kiện địa chất thủy văn phức tạp nguồn nước ngầmđang dần bị nhiễm Nito trầm trọng Khi bón phân cho đất, Nitrat và Amoni mộtphần được cây cối hấp thụ, một phần giải phóng ra ngoài khí quyển dưới dạngNitơ tự do và Amoniac, phần còn lại tích tụ trong nước và dễ lọc qua đất bởivậy nó sẽ bị hòa tan vào nước ngầm

Các hoạt động sinh hoạt cũng như canh tác của con người, sử dụng thuốc trừsâu, thuốc bảo vệ thực vật cũng như việc bón phân cho đất… và một số hoạt động

tự nhiên trên dẫn tới các chất bẩn ngày càng tích tụ nhiều, ngấm xuống đất và qualớp đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, một số chất có nồng độ tăng vượt quá tiêuchuẩn cho phép đặc biệt là nito Vì vậy, cần phải có các biện pháp khắc phục ônhiễm, tránh ảnh hưởng xấu tới con người và sinh vật khi sử dụng nguồn nướcngầm

1.2.3 Chu trình Nitơ trong tự nhiên.

Phân hủy vi sinhthủy sinh

tạo sinh khốiphân hủy nội sinh khử nitrat

Chất hữu cơ cacbon

Hình 1 Chu trình nito trong tự nhiên.

Nitơ từ đất, nước, không khí đi vào cơ thể sinh vật qua nhiều quá trình biếnđổi sinh học, hóa học phức tạp rồi quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một

Hợp chất nito

(protein, ure)

NO2

-NO3

-Khí nito

vòng khép kín gọi là chu trình nitơ.

Trong đất nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất nitơ hữu cơ Lượng nitơ nàytăng lên do sự phân hủy xác động, thực vật, chất thải động vật Hầu hết thực vậtkhông thể sử dụng trực tiếp những dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩntrong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụđược Khi được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, các hợpchất này sẽ tạo thành enzim, protein… Một số loài thực vật có nốt sần như cây họđậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng… có thể chuyển hóa Nitơ trong khí quyển tạo thànhdạng Nitơ sử dụng được cho cây

Khi bón phân cho đất, Nitrat và Amoni một phần được cây cối hấp thụ, mộtphần giải phóng ra ngoài khí quyển dưới dạng nitơ tự do và Amoniac, phần cònlại tích tụ trong nước và dễ lọc qua đất bởi vậy nó sẽ bị hòa tan vào nước ngầm.Ion Nitrat là ion có tính oxi hóa mạnh

Hàm lượng Nitrat và Amoni trong đất và nước ngầm sẽ càng cao nếu lượngphân bón chứa Nitơ được sử dụng càng nhiều NO3- và NO2- là hai chỉ tiêu quantrọng để đánh giá sự ô nhiễm của môi trường Theo sự đánh giá của tổ chức Y tếthế giới (WHO), hàm lượng Nitrat trong nước ngầm ở hầu hết các nước pháttriển sẽ tiếp tục tăng trong những năm tới

Ngoài quá trình hình thành theo con đường tự nhiên, lượng ion NO3-,

NO2-, NH4+ trong chu trình còn tăng lên do các nhà máy sản xuất phân đạm, chấtthải khu đô thị có hàm lượng Nitơ cao

Nguồn ô nhiễm Nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau: côngnghiệp, nông nghiệp, dân cư…Khói thải của các nhà máy còn chứa nhiều oxit nitơthải vào khí quyển, gặp mưa và một số quá trình biến đổi hóa học khác,ngấm xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2 Trong công nghiệp, việc sử dụng phânbón hóa học chứa nitơ với lượng lớn, việc sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ…qua quá trình rửa trôi, thấm, lượng Nitrat, Amoni trong nước bề mặt và nước ngầmngày càng lớn

Trong nước thải sinh hoạt cũng chứa một lượng Nitơ nhất định Việcthải nước sinh hoạt không qua xử lý vào hệ thống thoát nước trong thành phốcũng là một trong các nguồn gây ô nhiễm nguồn nước Thêm vào đó, nguồn gây ônhiễm Nitơ còn do sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, chất thải của sinh vật dướinước và ảnh hưởng của các phương tiện giao thông đường thủy…

Con người và động thực vật luôn luôn cần có nitơ ở một liều lượngthích hợp và có thể nói chu trình chuyển hóa nitơ trong hệ sinh thái là mộtvòng tuần hoàn Tuy nhiên, Nitơ có nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau: NH4+(NH3), NO2, NO3-

Tất cả các ion này nếu hàm lượng ở trên mức cho phép đều gây hại cho sứckhỏe con người và ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái Cần được xử lý đạt tiêu chuẩncho phép

1.3 Các hợp chất chứa nitơ trong nước.

Trong nước hợp chất chứa Nito thường tồn tại ở 3 dạng : Nitơ hữu

cơ, Amoniac (amoni) và dạng oxi hóa (nitrat, nitrit) Các dạng này là các khâutrong chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ, thí dụ: protein và hợp phần củaprotein

-Các vi sinh phân hủy

NO3- NO2- NO N2O N2Nước chứa các hợp chất Nitơ hữu cơ, Amoniac hoặc NH4OH là nước mới bị

ô nhiễm Nước chứa nhiều Nitrit (NO2-) là nước đã bị ô nhiễm thời gian dài hơn.Nếu nước chứa chủ yếu các hợp chất Nitơ ở dạng Nitrat (NO3-) chứng tỏ quátrình phân hủy đã kết thúc Tuy vậy, Nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, Nitrat dễ

bị khử thành N2O, NO và Nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí

Amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH3 và NH4+(NH4OH, NH4NO3,(NH4)2SO4…) tùy thuộc vào pH của nước NH3 hoặc NH4+ có trong nước cùng với

photphat thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước Trong nước mặt tự nhiênvùng không ô nhiễm hàm lượng amoni nhỏ hơn 0,05 ppm; trong nước ngầm hàmlượng này cao hơn nhiều; trong nước thải từ xí nghiệp chế biến thực phẩm, sảnxuất hóa chất có hàm lượng amoni 10- 100 mg/l.

Amoni là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu

cơ chứa Nitơ có trong chất thải của người và động vật, thực vật

Trong nước tồn tại cân bằng: NH2 + H2O = NH4+ + OH- và có thể có

sự chuyển hóa NH4+ sang NO2- và NO2- là các ion được xem là tác nhân gâyđộc, đặc biệt đối với trẻ em Sau khi đi vào cơ thể, Nitrat được chuyển hóa thànhNitrit nhờ vi khuẩn đường ruột gây ra bệnh thiếu máu ở trẻ em Nitrit còn có thểkết hợp với các amin, amit và các hợp chất chứa nito khác tạo nitrosamin, trongnhóm casinogen được xem là tác nhân có khả năng gây ung thư

- Tiêu chuẩn của EPA đối với NO2 trong nước cấp uống trực tiếp khôngđược vượt quá 1 mg/l, trong khi tiêu chuẩn của Bộ y tế (BYT) đối với nước cấpdùng trong sinh hoạt là 10 mg/l

- Hàm lượng NH4+ trong nước cấp cho sinh hoạt, theo tiêu chuẩn của BYT, không được vượt quá 3 mg/l (đối với nước ngầm ) và 0 mg/l (đối với nước mặt) Theo tiêu chuẩn Châu Âu, trong nước cấp uống trực tiếp hàm lượng NH4+không vượt quá 0,5 mg/l

Quá trình biến đổi từ NH4 thành NO3- là quá trình Nitrat hóa bao gồm haibước:

electron tự do của nitơ, ion NO2- có khả năng tạo liên kết cho nhận với ion kimloại và một số hợp chất khác.

Ion Nitrit còn là sản phẩm trung gian của quá trình Nitrat hoá từ Amoni nhờ

1.4 Độc tính của các hợp chất nitơ đối với con người và sinh vật.

Nitơ gây độc chủ yếu là khi tồn tại ở dạng Nitrit, một phần Nitrat và Amoniở hàm lượng cao Amoni là chất không có khả năng bay hơi, hàm lượng Amonitrong nước ngầm thường cao hơn trong nước mặt

Amoni chỉ gây ảnh hưởng độc hại tới sức khoẻ của những người khoẻ mạnhkhi lượng hấp thụ lớn hơn khả năng đào thải của con người Nói chung độc tính củaAmoni không cao đối với người nhưng trong quá trình bơm, lọc, vận chuyển, lưugiữ Amoni sẽ chuyển hoá (do vi sinh vật) thành dạng độc là nitrit, nó tiếp tụcchuyển hoá trong cơ thể con người và gây độc

Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằngclo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramins, có tác dụng sát khuẩn yếuhơn nhiều so với clo (khoảng 1.000 lần) Ngoài ra, nó còn giảm khả năng xử lý sắt,mangan bằng công nghệ truyền thống Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiệncho các vi sinh vật trong nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chấtlượng nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn

Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm chongười sử dụng nước Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với cácamin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ

sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa.Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩnđường ruột Ion nitrit còn nguy hiểm hơn Nitrat đối với sức khỏe con người Khi tácdụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành cáchợp chất chứa nitơ gây ung thư.

Việc sử dụng nước ăn uống có hàm lượng nitrat, nitrit cao có thể gây bệnhMethemoglobinemia, đặc biệt là ở trẻ sơ sinh dưới 6 tháng tuổi Trẻ bị nhiễmmethemoglobinemia cấp sẽ bị xanh da do lượng ôxy trong hệ tuần hoàn giảm

Như vậy, độc tính của các hợp chất Nitơ trong nước đối với con người khi sửdụng là rất lớn, vì vậy cần phải có các biện pháp loại bỏ các chất này ra khỏi nướctrước khi đưa vào sử dụng để đảm bảo sức khỏe cho con người khi dùng

1.5 Khái quát về các phương pháp xử lý hợp chất nitơ.

1.5.1 Xử lý amoni bằng chất ôxy hoá.

Trong nước thiên nhiên, Amôni có thể xử lý được nhờ phản ứng oxy hoágiữa NH4 và Cl2 Khi cho clo vào nước, sẽ xảy ra các phản ứng tổng quát sau:

NH3 + 4Cl2 + 3H2O  NO3- + 9H+ + 8Cl- (1)

2NH3 + Cl2 N2 + 6H+ + 6Cl- (2)

Để oxy hoá 1 mg/l NH3 theo phương trình (1) cần 16,7 mg/l Cl, theo phươngtrình (2) cần 6,3 mg/l Cl Kinh nghiệm thực tế cho thấy để oxy hoá 1 mg/l NH3 cầnkhoảng 10 mg/l Cl Phản ứng oxy hoá xử lý amôni bằng clo chỉ xảy ra triệt để tạiđiểm gãy Trước và sau điểm gãy đều tạo nên một lượng clo dư thừa nguyhiểm.Việc định lượng clo vào nước đòi hỏi rất chính xác và nghiêm ngặt

1.5.2 Xử lý amoni bằng kiềm hoá và làm thoáng.

Trong nước thiên nhiên, amôni thường tồn tại dưới dạng ion NH4 hoà tan donguồn nước phần nhiều có môi truờng pH trung tính Khi thay đổi nâng môi trường

pH lên cao hơn 10, Amôniắc chuyển từ thể dạng ion hoà tan NH4 thành khí hoà tantrong nước NH3 Quá trình xử lý amôni có thể thực hiện bằng phương pháp kiềmhoá nâng pH lên trên 10, rồi làm thoáng để đuổi khí NH3 hoà tan ra khỏi nước

Lượng không khí dùng để làm thoáng rất cao, tới 1200 m3 không khí cho 1 m3 nướccần xử lý.

1.5.3 Xử lý amoni bằng trao đổi ion.

Phương pháp xử lý Amoni và các hợp chất khác của nitơ bằng trao đổi ion đãđược nhiều tác giả nghiên cứu (Y.R Richard, 1989; Lauch và Guter,1986; I.J.Fletcher và các cộng sự, 1991) Quá trình xử lý amôni có thể thực hiện được bằngphương pháp trao đổi ion với các chất trao đổi ion mạnh Các cation trao đổi chọnlọc theo thứ tự sau:

Fe3+, Al3+, Ba2+, Cr2+, Ca2+, Cu2+, Zn2+, Mg2+, Mn2+, NH4+, Na+, H+

Từ dãy trao đổi chọn lọc trên, có thể thấy NH4 chỉ có thể xử lý được bằngphương pháp trao đổi ion khi các cation đứng trước nó đã được xử lý hết Phươngpháp này đặc biệt không kinh tế khi độ cứng trong nước cao Phương pháp xử lýamôni bằng trao đổi ion nhìn chung rất tốn kém và ít được áp dụng để xử lý nướccấp cho ăn uống và sinh hoạt

1.5.4 Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học.

Ba phương pháp trên ít được áp dụng trong thực tế do vần đề kinh phí đầu vàvận hành rất cao Phương pháp xử lý Amôni sinh học là phương pháp thông dụng,được áp dụng để xử lý hầu hết các nguồn nước chứa amôni Cơ sở của phương pháplà dùng các vi khuẩn tự dưỡng hoạt động trong môi trường hiếu khí Các chất cầnthiết cho sự phát triển của vi khuẩn xử lý amôni là nguồn cacbon có từ các ionbicacbonat HCO3- có trong nước, oxy hoà tan và phốt pho Amoni được oxy hóa vềnitrit và sau đó chuyển thành nitrat Quá trình trên là quá trình oxy hóa amoni haycòn gọi là quá trình nitrat hóa

Oxy hóa amoni bằng oxy phân tử (tác nhân oxy hóa) còn gọi là quá trình nitrat hóa:

NH4 + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1)

NO2- + 0,5 O2 → NO3- (2)

NH4 + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O (3)Phản ứng 1, 2 được thực hiện do chủng vi sinh vật nitrosomonas và nitrobacter

Sau đó là quá trình khử nitrat hóa chuyển về khí N2.

4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ   5CO2 + 2N2 + 2H2O

1.6 Các kĩ thuật xử lí hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học.

1.6.1 Khái quát về phương pháp xử lí sinh học.

Quá trình xử lí nước ô nhiễm bằng phương pháp sinh học thực chất là táchcác chất ô nhiễm ra khỏi nước hoặc chuyển hóa chúng thành những chất khôngđộc, hoặc ít độc hơn Các chất tan trong nước là đối tượng chính trong xử lí nướcthải Trong quá trình xử lí sinh học, một phần chất tan gây ô nhiễm đượcchuyển hóa thành sinh khối, được tách ra dưới dạng chất rắn thông qua các kĩthuật thích hợp như lắng, lọc, một phần được chuyển hóa thành các chất không độcthông qua các phản ứng sinh hoá xảy ra trong tế bào của vi sinh vật

Quá trình sinh hóa cung cấp nguyên liệu và năng lượng để xây dựng tế bàovà duy trì hoạt động của vi sinh vật, tức là để chúng phát triển và tồn tại

Nhóm sinh vật tham gia vào quá trình xử lí nước thải gồm vi khuẩn, tảo,động vật nguyên sinh, động vật, thực vật bậc t và siêu vi khuẩn (vi rút) Vi sinhvật là dạng cơ thể sống trải qua các giai đoạn: sinh ra, lớn lên và chết đi Đểsinh sản và phát triển chúng cần có nguồn cơ chất, chất dinh dưỡng (có sẵn trongnước thải hoặc bổ sung thêm) cùng một loạt điều kiện khác từ môi trường Các vi

khuẩn thường sử dụng trong xử lí nước là: Nitrosomonas, Nitrobacter, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrococcus…Trong các loài vi khuẩn đó thì Nitrosomonas và Nitrobacter là 2 loại phổ biến nhất tham gia vào quá trình xử lý

nước Các vi sinh vật này là loại tự dưỡng vì chúng tiếp nhận năng lượng cho sựsinh trưởng và tổng hợp tế bào từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ hoặc CO2 hơn là

từ các hợp chất hữu cơ Hai loài vi sinh vật này đều có yêu cầu về môi trườngriêng biệt cho sự sinh trưởng như pH, nhiệt độ, oxi hòa tan

1.6.2 Các kĩ thuật xử lí hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học.

Để xử lí nguồn ô nhiễm chứa các hợp chất chứa nitơ bằng phương phápsinh học có nhiều kĩ thuật nhưng một số kĩ thuật thường được sử dụng như là hệ lọc

sinh học, kĩ thuật nhỏ giọt, đĩa quay sinh học, kỹ thuật màng vi sinh tầng tĩnh vàkỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động ,

 Hệ lọc sinh học.

Hệ lọc sinh học có đặc trưng quan trọng nhất là vi sinh vật bám vào bề mặtcủa chất rắn, gọi là chất mang, tạo thành màng vi sinh Màng sinh học là lớp màngchứa các vi sinh vật bám vào chất rắn khá chặt để không bị bong ra Thời gian lưuthủy lực (tiếp xúc) với nước ngắn nên vi sinh vật tự do trong nước ít có cơhội khuếch tán vào sâu bên trong màng vi sinh, dễ bị rửa trôi theo dòng chảy.Yếu điểm của kĩ thuật lọc sinh học là hiệu quả xử lí không cao vì trước khi cơ chấtđược vi sinh vật sử dụng đã xảy ra một loạt các quá trình chuyển khối trong lớplọc Tốc độ của hầu hết các quá trình chuyển khối rất chậm, đặc biệt là quá trìnhkhuếch tán qua màng nên thường là yếu tố khống chế toàn bộ tiến trình độnghọc xử lí nước thải

 Kĩ thuật lọc nhỏ giọt.

Lọc nhỏ giọt là kĩ thuật thông dụng trong xử lí nước thải bậc hai với nhiềuphiên bản khác nhau Hệ phản ứng lọc nhỏ giọt bao gồm ba pha: chất rắn (màng visinh bám trên chất mang), nước thải chứa cơ chất cần xử lí (khoảng rỗng củatầng chất rắn), không khí sục vào hệ xử lý

Tầng lọc chất rắn là tầng cố định, thường là vật liệu bằng đá với kich thước

5 – 20 cm với chiều cao từ 1,2 - 1,5 m(thường là 1,8 m) hoặc vật liệu nhựa vớicác kiểu cấu hình khác nhau, chiều cao của tầng lọc từ 4 - 12m

Nước thải được phân tán thành các giọt nhỏ, phun đều lên toàn bộ tiết diệncột lọc trên bề mặt của chất mang và được thu lại ở dưới đáy bể lọc Không khíthâm nhập vào bể lọc từ phía đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định Biện pháp tăngcường dòng khí bằng các kĩ thuật cưỡng bức ít được sử dụng trong thực tế vì do sựchênh lệch nhiệt độ giữa tầng tĩnh, nước thải và không khí xung quanh tạo điềukiện cho quá trình đối lưu (tự nhiên) của không khí diễn ra thuận lợi, đủ khảnăng cấp khí cho phản ứng xảy ra Cấp khí cưỡng bức chỉ thực hiện khi nồng độ cơchất quá cao, kích thước vật liệu mang nhỏ

Lọc nhỏ giọt có hiệu quả cao về phương diện cố định vi sinh vật, khả năngtiếp xúc giữa nước và màng vi sinh và hiệu quả hấp thu oxy của nước.

 Đĩa quay sinh học

Đĩa quay sinh học là thiết bị được gắn rất nhiều đĩa hình tròn trên một trụcquay Vật liệu chế tạo đĩa là polyethylen hoặc polyninylclorua Thiết bị đĩaquay sinh học được đặt chìm trong nước (40% tổng diện tích bề mặt) và quay vớitốc độ chậm Màng vi sinh vật hình thành trên mặt đĩa nhựa với độ dày 1-4mm tương đương với mật độ bùn 2500- 10000mg/l trong kĩ thuật dạng huyềnphù Do chuyển động quay, đĩa chứa màng vi sinh được tiếp xúc với cơ chất (chấtgây ô nhiễm) khi chuyển động trong nước và tiếp xúc với oxy của khí quyển khiquay trong không khí để các phản ứng hiếu khí xảy ra Tác động quay của thiết bịcũng là cơ chế kiểm soát độ dày của màng vi sinh vật, loại bỏ sinh khối dư thừabám trên đĩa Lượng sinh khối bong ra khỏi đĩa được tách loại nhờ bể lắng thứcấp khác

Màng vi sinh bám trên đĩa có dạng thô nhám, chứa ít vi sinh vật dạng sợi.Diện tích riêng của thiết bị (dùng nhựa polyetylen) đạt 121m2.m-3 Mỗi thiết bị đơn

lẻ có kích thước: đường kính tới 3,7 m và chiều dài tới 7,6 m, tổng diện tích đĩatrong một thiết bị có diện tích tới 9290 m 2 Đặc điểm nổi trội nhất của loại hình kĩthuật xử lý đĩa quay sinh học là tiết kiệm năng lượng

 Kỹ thuật tầng chuyển động ( Moving Bed Biofilm Reactor – MBBR )

Tầng chuyển động cũng sử dụng vật liệu mang có kích thước thích hợp để cốđịnh vi sinh vật Các vi sinh vật bám dính trên các màng vi sinh gọi là chất mang.Các chất mang này có diện tích bề mặt lớn là điều kiện tốt để các vi sinh vật sinhtrưởng và phát triển Để giữ cho trạng thái chuyển động của vật liệu lọc sử dụngsục khí giống như hệ bùn hoạt tính, điểm khác nhau là trong khối phản ứng có mặtchất mang với nhiệm vụ cố định vi sinh vật

Hiệu quả xử lý chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể (Fluidized bed reactor), caohơn nhiều so với các kỹ thuật khác, bù lại vận hành công nghệ này đơn giản hơnnhiều so với kỹ thuật tầng lưu thể và không cần thiết phải có thêm công đoạn lắng

Kỹ thuật tầng chuyển động sử dụng vật liệu mang có kích thước lớn (cỡ cm),nhẹ (khối lượng riêng ngang với nước ), với bề mặt được bảo vệ lớn (hạn chế bongmàng vi sinh ra khỏi chất mang), độ rỗng (bề mặt tiếp xúc ) cao Ưu điểm của kỹthuật tầng chuyển động so với các kỹ thuật khác là chi phí vận hành thấp phù hợpvới điều kiện ở Việt Nam Sử dụng kích thước vật liêu mang lớn > 1cm nên khôngphải thiết kế thêm bể lắng bùn (do lượng bùn sinh khối sinh ra nhỏ ) Điều kiện vậnhành đơn giản không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao mà vẫn đạt hiệu quả xử lý nhưmong muốn Do đó trong khóa luận này tôi đi sâu nghiên cứu xử lý amoni bằng kỹthuật vi sinh tầng chuyển động

Hiệu quả hoạt động của bể lọc sinh học sử dụng vật liệu mang tầng chuyểnđộng phụ thuộc vào các yếu tố:

 Yếu tố cấu trúc hệ xử lý như vật liệu mang, hệ phân phối khí, nước

 Yếu tố vận hành: liều lượng khí cấp, tốc độ nước, tải lượng và thời gianlưu

 Đặc trưng nước thải: chất rắn không tan, hàm lượng hữu cơ, hàm lượngchất dinh dưỡng, dao động lưu lượng, nhiệt độ

 Mục tiêu xử lý: xử lý triệt để, tiền xử lý, xử lý sâu

Do có các ưu điểm trên nên phương pháp kỹ thuật tầng chuyển động đangđược áp dụng ngày càng nhiều hơn, cho hiệu quả xử lý tốt hơn

Trước tình hình thực tiễn ở Việt Nam, mức thu nhập chưa cao, khả năng tàichính hạn hẹp, trình độ kỹ thuật vận hành còn hạn chế nên phương án kỹ thuật đượclựa chọn là kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động

Các hợp chất của nito trong nước ngầm sau khi xử lý để sử dụng cho mụcđích sinh hoạt ăn uống cần phải đạt QCVN 01/2009/BYT

Bảng 2 Giới hạn cho phép của các thông số NH + 4, NO3 - , NO2 - trong nước sử dụng cho mục đích sinh hoạt ăn uống theo tiêu chuẩn 01/2009/BYT

1.7 Quá trình oxy hóa Amoni xảy ra trong hệ xử lý

Xử lý amoni trong nước với mục đích cao nhất về công nghệ là chuyển hóa

về dạng khí nito, đây là thành phần được xem là bền và không gây hậu quả xấu tớimôi trường Nhưng trong thời gian ngắn, hoặc điều kiện chưa cho phép có thể khửamoni thành dạng nitrat thông qua quá trình nitrat hóa

Vi sinh vật sử dụng một lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng để xây dựng

tế bào, một lượng chất vi sinh sử dụng để sản xuất năng lượng thông qua phản ứngsinh hóa, tỷ lệ của hai quá trình đó phụ thuộc vào hiệu suất sinh khối của từng loại

vi sinh Vì vậy chất dinh dưỡng cho quá trình xử lý cũng khác nhau khi tính theonồng độ vi sinh

Amoni được oxy hóa về nitrit và sau đó chuyển thành nitrat Quá trình trên làquá trình oxy hóa amoni hay còn gọi là quá trình nitrat hóa

Oxy hóa amoni bằng oxy phân tử (tác nhân oxy hóa) còn gọi là quá trìnhnitrat hóa:

NH4 + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1)

NO2- + 0,5 O2 → NO3- (2)

NH4 + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O (3)Phản ứng 1, 2 được thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas vàNitrobacter để sản xuất năng lượng và thuộc loại vi sinh tự dưỡng sử dụng Cacbon

vô cơ chủ yếu là HCO3 – và CO2, chất dinh dưỡng sử dụng (N, P, các nguyên tố vilượng…), thành phần nito sử dụng nhiều nhất để xây dựng tế bào là amoni.

Một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình oxy hóa amoni: nhiệt độ, pH, nồngđộ oxy, ảnh hưởng của độc tố, thời gian lưu và cả nồng độ amoni

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của vi sinh tự dưỡng: tăng khinhiệt độ tăng Từ thực nghiệm đã xây dựng được mối quan hệ giữa m và nhiệt độtheo các loại tương quan định lượng khác nhau và vì vậy sẽ thu được các giá trịkhác nhau Một trong những hàm tương quan hay được sử dụng là phương trìnhDowning:

- Ảnh hưởng của độc tố

Trong hai loại vi sinh tự dưỡng tham gia vào quá trình oxy hóa Amoni thìloại Nitrosomonas có tốc độ sinh trưởng chậm hơn loại Nitrobacter với hiệu suấtsinh khối nằm trong khoảng 0,05 - 0,29g SK hữu hiệu/g NH4-N

Thông thường loại vi sinh vật có tốc độ phát triển chậm thì có sức sống vàchịu đựng hoàn cảnh bất lợi của môi trường tốt hơn loại phát triển nhanh, ví dụ loại

vi sinh vật yếm khí có khả năng chịu đựng tốt hơn loại hiếu khí Tuy vậy, so vớiloại vi sinh vật dị dưỡng, loại tự dưỡng có sức chịu đựng thấp hơn, chúng bị ức chếhoặc mất khả năng hoạt động do tác động của nhiều loại độc tố: một số họp chấthữu cơ, kim loại nặng Các độc tố đối với vi sinh tự dưỡng có thể chỉ có tác động ức

chế hoặc tiêu diệt chúng phụ thuộc vào dạng cụ thể và nồng độ Một loạt các hợpchất hữu cơ tổng hợp có độc tính cao đối với vi sinh tự dưỡng là: hợp chất phenol,hợp chất chứa clo, hợp chất Nitơ Liều gây chết LC-50 khá thấp đối vớiNitrosomonas Ví dụ LC-50 đối với Nitrosomonas của Methylen chlorid: 1,2 mg/l;Chloroform: 0,48 mg/l; 1 1 2 2 Tetrachloroethan: 1,4 mg/l; Trichloromethylen:0,81 mg/l; 1 3 Dichloropropen: 0,67 mg/l; 5 Chloro-1 pentyne: 0,59 mg/l và đặcbiệt là 2-Chloropropionic axit: 0,04 mg/l Mức độ chịu đựng các hợp chất trên củaloại vi sinh dị dưỡng cao hơn nhiều lần, từ vài chục đến một ngàn lần hoặc lớn hơn.

Ảnh hưởng của một số Anion như sau: với nồng độ Florua 100 mg/l sẽ làmgiảm quá trình Nitrat hóa 80% Sunfat với nồng độ tới 50 mg/l không gây ảnhhưởng Clorua có ảnh hưởng khá mạnh, tốc độ oxy hóa amoni giảm gần như tuyếntính khi nồng độ clorua tăng trong khoảng 40 đến 70 mg/l Tốc độ Nitrat hóa giảmtới 60% khi nồng độ Nitrit NO2--N nằm trong khoảng một vài trăm mg/l tại pH = 8

Nhìn chung, vi sinh vật tự dưỡng rất dễ bị ức chế bởi nhiều loại độc tố khácnhau, dẫn tới tốc độ oxy hóa các loại nước thải cũng rất khác nhau, vì vậy khi thiết

kế một hệ xử lý nước cụ thể nên tiến hành nghiên cứu trước trong phòng thí nghiệmhoặc nghiên cứu đánh giá ở qui mô pilot