Nghiên cứu quá trình xử lý nơước thải chứa nitơ với hệ thống xử lý SBR thiếu kh

Hiện nay đ• có rất nhiều lời cảnh báo về ảnh hươởng của nơước thải chứa nitơ đến môi trơường trong đó có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra ảnh hơưởng nghiêm trọng của nươớc ô nhiễm nitơ đến sức khoẻ của cộng đồng. Không chỉ ở Việt Nam, mà trên thế giới hiện tơượng này đ• gây đau đầu không ít nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này. Các phơương pháp xử lý nươớc ô nhiễm nitơ nói riêng và nơước thải nói chung hiện nay có rất nhiều. Cùng vói nó là các hệ thống xử lý nươớc thải khác nhau. ở Việt Nam hiện nay đ• áp dụng và nghiên cứu đơược một số hệ thống xử lý nơước thải nói chung, tuy nhiên các hệ thống xử lý mới thì hiểu biết về nó còn hạn chế. Hệ thống SBR hiện nay được đánh giá là một giải pháp lý tưởng nhất cho ứng dụng thương mại và đô thị. Đây là những gì EPA đánh giá về hệ thống này “ Hệ thống SBR có một ứng dụng rộng r•i cho xử lý máy hoá với những lưu lượng nước nhỏ, bởi vì nó cung cấp xử lý gián đoạn. Hệ thống này phù hợp lý tưởng cho các dòng chảy có lưu lượng thay đổi rộng điều khiển bằng chế độ ‘nạp và rút’, ngăn ngừa hiện tượng thoái hoá bùn mà hay gặp ở các hệ thống hiếu khí mở rộng. Một thuận lợi khác của hệ thống là không cần nhiều người điều khiển nhưng hiệu quả xử lý vẫn rất cao”. ở Việt Nam hiện nay việc tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống này chưa được biết đến nhiều. Hi vọng rằng hệ thống này với những rất nhiều ưu điểm sẽ nhanh chóng được quan tâm và triển khai tại Việt Nam. Nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm về nơước, cũng nhơư đóng góp vào việc tìm hiểu và áp dụng các phơương pháp mới vào việc xử lý nươớc thải chứa nitơ ở Việt Nam chúng tôi tiến hành làm đề tài nghiên cứu : “Khảo sát quá trình phản nitrat hoá và nghiên cứu điều kiện xử lý nitơ trong hệ thống SBR thiếu khí”. Đề tài của bao gồm các phần sau : 1) Khảo sát quá trình phản nitrat. 2) Tiến hành xây dựng hệ thống xử lý ở quy mô phòng thí nghiệm. 3) Nghiên cứu quá trình xử lý nơước thải chứa nitơ với hệ thống xử lý SBR thiếu khí. Trong đợt làm luận án này việc tìm hiểu về đề tài này đ• mang lại cho chúng tôi nhiều điều bổ ích. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên, những thầy cô giáo đ• tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình này.

Lời cảm ơnBản luận án này đợc hoàn thành tại Bộ môn hoá sinh vàsinh học phân tử, phòng 202- C4, Viện Công nghệ sinh học

và Thực phẩm, Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc sự hớng dẫn rất tậntình, chu đáo, khoa học của TS Tô Kim Anh đã giúp đỡ tôitận tình trong quá trình làm luận án tốt nghiệp

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chân thànhcủa các bạn sinh viên trong nhóm “Xử lý nớc thải chứa nitơ ”,

đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo: Trần Ngọc Hân

Cho phép tôi đợc bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến toànthể anh, chị, em, các bạn sinh viên làm việc tại các phòng thínghiệm thuộc Viện Công nghệ sinh học và thực phẩm, Trờng

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm củagia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập để cho tôihoàn thành bản luận án này

Mục lục

phần I : tổng quan tài liệu 6

chơng I :tổng quan về ô nhiễm nguồn nớc chứa nitơ 6

I.1 Tình hình ô nhiễm nguồn nớc chứa nitơ : 6

I.2 các nguồn gây ô nhiễm nitơ trong nớc : 9

I.3 thực trạng xử lý : 10

I.4 ảnh hởng của nguồn nớc chứa nitơ đến môi trờng: 10

chơng II :Cơ sở quá trình khử Nitơ bằng phơng pháp sinh học 17

II.1 Quá trình nitrat hoá : 18

II.2 Quá trình phản nitrat hoá : 23

chơng III :phơng pháp khử Nitơ trong nớc thải 28

III.1 Phơng pháp lý hoá : 28

III.2 Phơng pháp trao đổi ion : 30

III.3 Phơng pháp sinh học : 31

phần II : phơng pháp nghiên cứu 39

I.1 đối tợng nghiên cứu 39

I.2 phơng pháp nghiên cứu 40

I.3 Phơng pháp hoạt hóa bùn : 40

I.4 thiết lập hệ thống SBR : 42

I.5 phơng pháp phân tích 45

phần III :Kết quả nghiên cứu và thảo luận 52

I.1 phân lập và tuyển chọn bùn hoạt tính : 52 I.2 khảo sát quá trình phản nitrat hoá trong hệ thống bùn hoạt tính

mà trên thế giới hiện tợng này đã gây đau đầu không ít nhàkhoa học nghiên cứu về vấn đề này

Các phơng pháp xử lý nớc ô nhiễm nitơ nói riêng và nớcthải nói chung hiện nay có rất nhiều Cùng vói nó là các hệthống xử lý nớc thải khác nhau ở Việt Nam hiện nay đã ápdụng và nghiên cứu đợc một số hệ thống xử lý nớc thải nóichung, tuy nhiên các hệ thống xử lý mới thì hiểu biết về nócòn hạn chế

Hệ thống SBR hiện nay đợc đánh giá là một giải pháp lýtởng nhất cho ứng dụng thơng mại và đô thị Đây là nhữnggì EPA đánh giá về hệ thống này “ Hệ thống SBR có mộtứng dụng rộng rãi cho xử lý máy hoá với những lu lợng nớc nhỏ,bởi vì nó cung cấp xử lý gián đoạn Hệ thống này phù hợp lý t-ởng cho các dòng chảy có lu lợng thay đổi rộng điều khiểnbằng chế độ ‘nạp và rút’, ngăn ngừa hiện tợng thoái hoá bùn

mà hay gặp ở các hệ thống hiếu khí mở rộng Một thuận lợikhác của hệ thống là không cần nhiều ngời điều khiển nhnghiệu quả xử lý vẫn rất cao”

ở Việt Nam hiện nay việc tìm hiểu, nghiên cứu về hệthống này cha đợc biết đến nhiều Hi vọng rằng hệ thốngnày với những rất nhiều u điểm sẽ nhanh chóng đợc quantâm và triển khai tại Việt Nam

Nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm về nớc, cũng nh

đóng góp vào việc tìm hiểu và áp dụng các phơng pháp mớivào việc xử lý nớc thải chứa nitơ ở Việt Nam chúng tôi tiếnhành làm đề tài nghiên cứu : “Khảo sát quá trình phản nitrathoá và nghiên cứu điều kiện xử lý nitơ trong hệ thống SBRthiếu khí” Đề tài của bao gồm các phần sau :

1) Khảo sát quá trình phản nitrat

2) Tiến hành xây dựng hệ thống xử lý ở quy mô phòngthí nghiệm

3) Nghiên cứu quá trình xử lý nớc thải chứa nitơ với hệthống xử lý SBR thiếu khí.

Trong đợt làm luận án này việc tìm hiểu về đề tài này

đã mang lại cho chúng tôi nhiều điều bổ ích Tôi xin chânthành cảm ơn các bạn sinh viên, những thầy cô giáo đã tạo

điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình này

Mọi ý kiến góp ý xin gửi về địa chỉ :tuantmyb@yahoo.com

C¸c ký hiÖu, côm ch÷ viÕt t¾t dïng trong luËn ¸nBBS (Blue Baby Syndrome) : Héi chøng xanh da.

Bé KHCN & MT :Bé Khoa Häc C«ng NghÖ vµ M«i êng

Tr-BOD (Biochemical Oxygen Demand) :Nhu cÇu oxysinh häc

COD (Chemiacal Oxygen Demand) :Nhu cÇu oxy ho¸häc

S¾t nitronsyl :Fe2(SCH3)2(NO)4

SBR (Sequencing Batch Reactor) :ThiÕt bÞ xö lý gi¸n

phÇn I : tæng quan tµi liÖu

ch¬ng I : tæng quan vÒ « nhiÔm nguån níc

chøa nit¬

I.1 T×nh h×nh « nhiÔm nguån níc chøa nit¬ :

I.1.1 Níc sinh ho¹t :

Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên quyết định 1329 của Bộ

Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng amoni : 1.5mg/l Trên thực

tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơicao từ 2030 lần Theo số liệu điều tra mới đây của Bộ Xây dựng cho thấy:nước dùng để ăn uống ở các làng quê, thị xã, thành phố lấy từ nước giếngkhoan đều bị nhiễm nitơ liên kết: amoni, nitrat và nitrit Bộ Xây dựng đã phânloại từng địa bàn, tiến hành điều tra lấy mẫu nước sinh hoạt tại một làng, xã,nông thôn, đồng bằng, thị xã và thành phố có mật độ dân cư cao và phát hiệnthấy mẫu nước sinh hoạt tại tất cả các thôn đều bị nhiễm nặng amoni từ1530mg/l quá cao so với tiêu chuẩn cho phép.[12]

I.1.2 Níc mÆt :

Số liệu về chất lượng nước mặt ở Việt Nam còn rất ít Tuy các kết quảthực nghiệm còn chưa được thực hiện nhiều nhưng cũng cho thấy mức độ ônhiễm ở hạ lưu một số con sông chính ngày càng tăng

Chất lượng nước ở thượng lưu một số con sông chính còn rất tốt, trongkhi các vùng hạ lưu đã có dấu hiệu bị ô nhiễm do ảnh hưởng của các vùng đôthị, và các cơ sở công nghiệp Mạng quan trắc môi trường quốc gia tiến hành

quan trắc ở 4 con sông chảy qua các đô thị chính ở Việt Nam là sông Hồng(Hà Nội), sông Cầu (Hải Phòng), sông Hương (Huế) và sông Sài Gòn (Thànhphố Hồ Chí Minh) và có một số con sông khác cũng được quan trắc (Bảngsau).

Vùng Sông Vượt tiêu chuẩn loại A ĐBSH Sông Hồng - Lào Cai –

Sông Thương 2.7/BOD 5

Bắc Trung Bộ Sông Hiếu 2÷3/BOD 5, 1.5÷1.8/NH 4+

Sông Hương 2.5/BOD 5

Duyên Hải và Nam Trung Bộ Sông Hàn 1÷2/BOD 5, 1.4÷2.6/ NH 4+

ĐBSCL Sông Sài Gòn 2÷4/BOD 5

Sông Thị Vải 10÷15/BOD 5

Các số liệu khảo sát do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trườngcũng cho thấy, hàm lượng của các chất gây ô nhiễm trong các sông của HàNội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Hải Dương, Bắc Giang, Huế, ĐàNẵng, Quảng Nam và Đồng Nai cao hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều

Cỏc xu thế cho thấy, giỏ trị đo được ở 2 thụng số ụ nhiễm cơ bản là :amoni và nhu cầu oxy sinh húa dao động khỏ nhiều và vượt mức tiờu chuẩnloại A một vài lần (hỡnh sau) Tỡnh trạng ụ nhiễm càng trở nờn trầm trọng hơnvào mựa khụ khi mà cỏc dũng chảy sụng ngũi hạ thấp.

I.1.3 Nớc ngầm :

ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, theo kết quả khảo sát củacác cơ sở nghiên cứu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và

công nghệ quốc gia và Trờng đại học Mỏ-Địa chất thì phầnlớn nớc ngầm gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, NinhBình, Hà Nội, Hải Dơng, Hng Yên, Thái Bình đều bị nhiễmbẩn bởi amoni rất nặng [12], [14]

Một nghiờn cứu thực hiện ở Hà Nội đó cảnh bỏo về tỡnh hỡnh ụ nhiễmamoni trong nước dưới đất ở phớa Nam Hà Nội Nồng độ amoni trong nước đóqua xử lý của 3 nhà mỏy nước cao hơn tiờu chuẩn cho phộp 28 lần Tất cảcỏc mẫu nước lấy từ tầng nước trờn đều cú hàm lượng amoni cao hơn tiờuchuẩn nhiều lần Cỏc nhà khoa học ước tớnh là với mức khai thỏc 700.000

m3/ngày như hiện nay thỡ sẽ dẫn đến nguy cơ hạ thấp mực nước ngầm xuống

114 m và hiện tượng ụ nhiễm nguồn nước dưới đất sẽ phổ biến ở Hà Nội

Nguy hại hơn, mức ụ nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xó Yờn Sởtrong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng amoni là 37.2 mg/l hiệnnay đó tăng lờn 45.2 mg/l, phường Bỏch Khoa mức nhiễm từ 9.4 mg/l, naytăng lờn 14.7 mg/l, phường Tương Mai là 13.5 mg/l Người dõn tại khu vựcnày cũng thừa nhận nguồn nước lấy từ cỏc giếng khoan rất đục, vàng ễngTrần Văn Dũng, xó Yờn Sở, huyện Thanh Trỡ núi: "Chỳng tụi chỉ biết dựng bểcỏt lọc để lấy nước ăn, song vẫn khụng khử hết mựi tanh và lờ lợ" Cú nơichưa từng bị nhiễm amoni song nay cũng đó vượt tiờu chuẩn cho phộp nhưLong Biờn, phường Trung Hũa, xó Tõy Mỗ, xó Trung Văn, Đụng Ngạc Hiệngiờ cỏc nguồn nước nhiễm bẩn đó lan rộng trờn toàn thành phố Xác suấtcác nguồn nớc ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêuchuẩn nớc sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 7080% Trong nhiềunguồn nớc ngầm còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxyhoá có nguồn đạt tới 3040 mgO /l Tầng nước ngầm dưới (cỏch mặt

đất từ 4560 m) là nguồn cung cấp cho cỏc nhà mỏy cũng bị nhiễm bẩn Hiệncỏc nhà mỏy nước Hạ Đỡnh, Tương Mai, Phỏp Võn, Linh Đàm đó bị nhiễmamoni và cú hàm lượng sắt cao 1.219.5 mg/l Nước từ cỏc nhà mỏy đangđứng trước nguy cơ nhiễm bẩn bởi vẫn chưa cú hạng mục xử lý amoni Duynhất, nhà mỏy nước Nam Dư đang xõy dựng hệ thống này với chi phớ khoảng

40 tỷ đồng

Nh vậy có thể nói rằng, khả năng nhiễm bẩn bởi amoni

và hợp chất hữu cơ trong nớc ngầm ở đồng bằng Bắc Bộ đã

đến mức báo động và khả năng tác động amoni lên cơ thểcon ngời là chắc chắn [13]

xử lý nước thải Theo cỏc chuyờn gia về mụi trường ở khu vực kinh tế trọngđiểm phớa Nam, cần phải đầu tư khoảng 5.7 nghỡn tỷ đồng (380 triệu đụ laMỹ) đến năm 2003 và 13 nghỡn tỷ đồng (687 triệu đụ la Mỹ) đến năm 2010

I.2 các nguồn gây ô nhiễm nitơ trong nớc :

Sự ụ nhiễm nitrat cũng xuất hiện trong cỏc cơ cấu địa lý liờn quan đếnlượng nitơ từ cỏc nguồn khớ thải như xe hơi, cỏc khớ thải cụng nghiệp và cỏc

đặc tớnh tưới tiờu cho đất Cỏc khu vực mà đất được tưới tiờu tốt và nguồnnitơ đầu vào cao thỡ nồng độ nitrat cú trong nguồn cung cấp nước là cao nhất.

Vớ dụ : một vài khu vực rộng lớn của cỏc bang được mệnh danh là vành đaingũ cốc của Midwestern ở Mỹ cú nồng độ nitrat cao hơn nồng độ tự nhiờn.Mức độ ụ nhiễm tăng lờn trong khi cỏc tỏc nhõn nhiễm bẩn chưa được ngănchặn Nhiều hộ dõn khoan giếng bằng những thiết bị khụng đỳng tiờu chuẩn,nước bẩn trờn bề mặt thấm theo đường khoan đi vào lũng đất, tỡnh trạng nàycũng phổ biến trờn những ruộng rau ngoại thành như Đụng Anh, Gia Lõm,Thanh Trỡ Cựng với đú là rỏc thải ở nhiều khu dõn cư khụng được thu gom và

xử lý đó tỏc động xấu tới nguồn nước Cỏc yếu tố tự nhiờn như phõn hủy chấthữu cơ trong than bựn cũng là nguồn gốc gõy ụ nhiễm amoni

I.3 thực trạng xử lý :

Để xử lý hoặc loại bỏ amoni trong nớc sinh hoạt ngời ta cóthể sử dụng một số giải pháp kỹ thuật nh trao đổi ion, clohoá, sục khí, phơng pháp vi sinh Trong tất cả các phơngpháp xử lý amoni, phơng pháp vi sinh đợc sử dụng có hiệuquả trong thời gian gần đây, phơng pháp này có thể biến

đổi amoni thành nitơ dạng khí hoặc chuyển hoá tới dạngnitrat đỡ độc hại hơn, ở Việt Nam đã có một số kết quả khảquan về phơng pháp này ở quy mô nhỏ (xử lý 2030 l/ngày)

Vấn đề nhiễm bẩn nớc chứa amoni và các hợp chất hữucơ vẫn đang đợc các nhà khoa học nghiên cứu Tuy nhiên nhucầu về công nghệ xử lý nớc nhiễm amoni và các hợp chất nitơtrong nớc là rất cấp bách và không thể trì hoãn

I.4 ảnh hởng của nguồn nớc chứa nitơ đến môi trờng:

Nớc thải giàu nitơ nếu không đợc xử lý trớc khi thải vàomôi trờng sẽ gây ra những ảnh hởng sau:

1 Gây hiện tợng phì dỡng trong hệ sinh thái nớc

2 Làm cạn kiệt oxy trong nớc

3 Gây độc với hệ sinh vật nớc

4 Làm nớc ngầm ô nhiễm nitrat, ảnh hởng tới sức khỏecộng đồng

Hiện tợng phì dỡng trong nớc là do d thừa chất dinh dỡngdẫn tới sự phát triển bùng nổ của các loài tảo và vi sinh vật,còn gọi là hiện tợng tảo nở hoa Khi đó mật độ thuỷ sinh vậttrong hồ rất dày đặc làm cho nớc có độ màu và độ đụccao Ngoài ra khi một số lớn tảo chết đi sẽ cần lợng ôxy lớn t-

ơng ứng để phân huỷ dẫn đến hàm lợng ôxy hòa tan trongnớc bị cạn kiệt, làm chết các sinh vật sống trong nớc

Tài liệu “Hướng dẫn về chất lượng nước uống” của Tổ chức Y tế thếgiới cũng như Tiờu chuẩn 1329/2002 (Bộ Y tế) khụng coi amụni là chất gõynguy hại cho sức khoẻ con người mà xếp vào nhúm cỏc chất cú thể làm ngườidựng nước than phiền vỡ lý do cảm quan (mựi, vị) Tuy nhiờn, amụni lại là yếu

tố gõy cản trở trong cụng nghệ xử lý nước cấp thể hiện ở hai mặt:

Thứ nhất : nú làm giảm tỏc dụng của clo là tỏc nhõn sỏt trựng chủ yếu

ỏp dụng ở cỏc nhà mỏy nước Việt Nam, do phản ứng với clo tạo thành

monocloamin là chất sỏt trựng thứ cấp hiệu quả kộm clo hơn 100 lần

Thứ hai : amụni cựng với một số vi lượng trong nước (hữu cơ, phốtpho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phỏt triển, gõy hiện tượng

“khụng ổn định sinh học” của chất lượng nước sau xử lý Nước cú thể bị đục,đúng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước Nước bị xuống cấp về cỏc yếu tốcảm quan

Một hiện tượng nữa cần được quan tõm là khi nồng độ amụni trong nướccao, rất dễ sinh nitrit Ủy ban chõu Âu quy định mức tối đa của nitrat trongnước uống là 50 mg/l, Mỹ là 45 mg/l, Tổ chức sức khoẻ thế giới: 100 mg/l,tiờu chuẩn 1329/2002 (Bộ Y tế) đó đề ra mức giới hạn 3 và 50mg/l đối vớinitrit và nitrat Trong cơ thể động vật, nitrit và nitrat cú thể ảnh hưởng đếnsức khoẻ với 2 khả năng sau: chứng mỏu Methaemoglobin và ung thư tiềmtàng

Chứng mỏu Methaemo- globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em)

Trên tạp chí Y học Môi trờng của Mỹ (EHP) số ra tháng 7vừa qua có đăng tải một bài viết nói về tình trạng mắcbệnh xanh da ở trẻ em khi sử dụng nớc giếng bị nhiễm độcNitrat, theo đó ngời ta đã cảnh báo tình trạng sử dụng nớcgiếng bị nhiễm độc Nitrat dùng cho trẻ em uống sẽ gây nênbệnh methomo-globinaemia mà ngời ta quen gọi là hội chứng

Blue Baby Syndrome, hay còn gọi tắt là BBS.

Hội chứng BBS là một căn bệnh nguy hiểm xảy ra khihemoglobin (Fe2+) không có khả năng vận chuyển ôxi nên làmcho da trẻ em trở nên xanh tím, gây kích thích, hôn mê Nếuhàm lợng methemoglobin cao hơn 50% và không đợc điều

trị kịp thời có khả năng tử vong là điều khó tránh khỏi

Những yếu tố gây hội chứng BBS có thể nhận biết dễ

dàng nh thiếu hụt enzyme cố hữu, viêm nhiễm, phản ứngthuốc và nếu tiếp xúc với hoá chất, hàm lợng methemoglobin

sẽ tăng nhanh chóng

Nguyên nhân chính là do nớc sinh hoạt bị nhiễm độcnitrat Tuy nhiên thức ăn có hàm lợng nitrat và nitrit cao cũng

là nguyên nhân gây bệnh Những đứa trẻ sơ sinh trong giai

đoạn mới đợc 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàmlợng Enzyme methemoglobin reductase (Enzyme tế bào máu

đỏ có khả năng chuyển hoá methemoglobin trở lại thànhhemoglobin) tơng đối thấp

Mối quan hệ giữa nớc giếng nhiễm nitrat và hội chứngBBS lần đầu tiên đợc Hunter Comly, bác sĩ ở Iowa tìm thấyhồi đầu thập niên 40 khi ông điều trị cho hai đứa trẻ mắcchứng da xanh Cả 2 đứa trẻ này đều bị ốm sau khi chúngdùng nớc giếng có hàm lợng Nitơ-Nitrat : 90150mg/l Sau khiComly cho công bố số liệu này, ngời ta nhận đợc nhiều báocáo tơng tự có liên quan đến 278 trờng hợp bị nhiễm độc ở

14 bang của nớc Mỹ và mới đây Sở Y tế và dịch vụ cộng

đồng ở Wisconsin đã tiến hành nghiên cứu mới và phát hiện

ra nhiều vụ nhiễm độc trầm trọng khác Bởi vậy, các nhàkhoa học Mỹ đã khuyến cáo nhân dân trong các vùngWisconsin không nên dùng nớc giếng cho các cháu nhỏ và mộtkhi phát hiện thấy những sự cố bất thờng phải đa trẻ đikhám ngay

Ngoài Mỹ, một số nớc Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồnnớc sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao Ví dụ tạiTransylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990-1994 trungbình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363 canhiễm độc

Ung thư tiềm tàng :

Ở điều kiện pH axit của dạ dày, nitrat chuyển húa thành axit nitrơ Rấtnhiều trong số đú được biết đến như là tỏc nhõn gõy ung thư ở sỳc vật Cỏcnghiờn cứu sinh hoỏ ở người đó chỉ ra rằng nitrat trong nước kết hợp với cỏcaxit amin để tạo ra cỏc hợp chất trờn Axit là một tỏc nhõn nitro húa mạnh,phản ứng với cỏc thành phần thực phẩm kể cả cỏc axit amin và hỗn hợp sắt,gõy tớch luỹ lớn ở cơ bắp Nhiều thớ nghiệm trờn hàng loạt động vật (chuộtcống, ) đă chứng minh rằng : nuụi bằng thức ăn cú chứa hàm lượng muốinitrat cao đă gõy ra ung thư

Với một số người, bia là nguồn nitrat chủ yếu: 4 chai bia con cú hàmlượng nitrat trung bỡnh bằng 2 lần lượng hấp thụ từ thức ăn cú chứa nitrat Ở

dạ dày người lớn nhiều axit hơn trẻ em nờn việc chuyển nitrat thành nitrit bịhạn chế Nitrat là nguồn nitrit chủ yếu trong rau và thịt ướp, cũn số lượngtrong nước uống khụng đỏng kể Thực ra nồng độ nitrit trong rau thấp(khoảng 1 ppm trong rau tươi) nhưng do số lượng ăn và nồng độ nitrat caonờn rau là nguồn nitrat quan trọng, chiếm 75 % tổng mức cung cấp Vớ dụ :rau diếp, cần tõy: 100 mg/kg; đậu Hà Lan, hành, khoai tõy: ~200mg/kg Cỏcmức nitrat thay đổi theo mựa và điều kiện trồng trọt nitrat cũn cú mặt trongthịt, thường trong quỏ trỡnh ướp thịt, người ta hay tẩm thịt sống với muối cúchứa nitrat hoặc tẩm Kali nitrat trong một số gia vị Giới hạn cao nhất chophộp của nitrat trong sản phẩm dăm bụng và thịt xụng khúi là 500 ppm, trong

thịt ướp nitrat giới hạn tối đa là 200 ppm Ướp thịt bằng Natri nitrat và Kalinitrat làm cho thịt có hương vị thơm và màu đặc trưng, bảo quản cho thịt khỏi

bị hỏng do sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí gây hại tiềm tàng nhưClostridium botulinum, giới hạn tối đa Kali nitrat là 595 ppm

Nitrat trong nước uống chỉ là nguồn rất nhỏ gây ra nitrit, tuy nhiên nếuuống nhiều sẽ trở thành nguồn quan trọng Người ta còn phát hiện thấy raumuối ngâm trong nước nhiều tuần và bánh ngô cũng có hàm lượng nitrat vànitrit cao Trong rau muối phát hiện thấy chứa hỗn hợp sắt- nitronsyl, hợpchất này không gây ung thư mà chỉ gây đột biến yếu, nhưng chúng có thể làmtăng tác động ung thư của các hợp chất khác Một số nghiên cứu cho thấy N-nitrosamines và các hydrocacbon thơm làm tăng khả năng sinh u của ở độngvật Trong bánh ngô thường bị nhiễm mốc Fusarium moniliform có thể tạo ranitrosamines, gây dễ tiếp xúc với mầm sinh ung thư tiềm tàng

Một nghiên cứu của Viện ung thư quốc gia Mỹ gợi ý rằng sự nhiễm

Nitrate vào nước uống có thể liên quan đến sự gia tăng nguy cơ bệnh u lympho non-Hodgkin (NHL) - một loại ung thư hệ bạch huyết, đặc biệt là ở

các vùng nông nghiệp Sự gia tăng tần xuất tử vong do NHL cao nhất ở cácvùng này có thể được giải thích một phần là do những người nông dân ở đây

có tiếp xúc với thuốc trừ sâu

Từ năm 1973, tần xuất mắc NHL ở Mĩ đã tăng lên khoảng 75%, mộttrong những tốc độ gia tăng nhiều nhất trong số các loại ung thư chủ yếu.Người ta dự đoán rằng vào năm 1996 sẽ có 52700 người dân Mĩ được chẩnđoán NHL và 23300 người sẽ chết vì căn bệnh này NCI dự đoán rằng 1/52người nam giới và 1/61 người nữ giới ở Mỹ sẽ được chẩn đoán mắc bệnhNHL trong đời và với cả hai giới thì cứ 100 người sẽ có gần một người chết vì

căn bệnh này.

Trong một nghiên cứu xuất bản trong số ra tháng 9 của tạp chí

"Epidemiology", các nhà nghiên cứu thuộc NCI, trung tâm y tế trường đại họctổng hợp Nebraska tại Omaha, và trường đại học tổng hợp Johns Hopkins ởBaltimore đã khảo sát lượng nitrat trong nước uống ở 90 phụ nữ và 66 namgiới được chẩn đoán là NHL trong khoảng từ 1983 đến 1986 mà có dùng cácnguồn nước công cộng, đồng thời so sánh với nhóm chứng gồm 276 phụ nữ

và 251 nam giới ở cùng các hạt thuộc miền đông Nebraska mà cũng dùngnguồn nước công cộng Những người mắc NHL thường gặp ở nhóm dùnglượng nitrat cao nhất (trung bình là > 6,3 mg mỗi ngày trong suốt độ tuổitrưởng thành) nhiều gấp hai lần so với những người không mắc ung thư.Những người có lượng nitrat trong nước uống cao hơn mức giới hạn qui địnhcủa EPA 10mg/lít trong một năm hoặc hơn (chiếm tới 25% tổng số ngườinghiên cứu) có nguy cơ mắc ung thư cao hơn 50% so với những người khôngtiếp xúc với nitrat ở nồng độ đó Kết quả cho thấy càng dùng nhiều nguồnnước thì khả năng phát triển bệnh NHL càng lớn và những người bị NHLthường gặp trong nhóm người dùng lượng nước chứa nitrate cao gấp 2 lần sovới những người không bị NHL

NCI cũng đang tiến hành điều tra với các cư dân ở Lowa và Minnesota

là các bang làm nông nghiệp khác có các vùng với nguồn nước ngầm chứanhiều nitrat Tiêu thụ nitrat cũng đang được nghiên cứu như là một yếu tốnguy cơ có thể đối với ung thư dạ dày- một loại bệnh ít phổ biến hơn ở Mĩ sovới ở Châu Á và một vài khu vực khác trên thế giới

Tiến sĩ Mary H Ward, tác giả chính của nghiên cứu này phát biểu :

"Ðây là một trong những nghiên cứu dịch tễ học đầu tiên gợi ra một mối liên

hệ giữa nitrat trong nước uống và nguy cơ u lympho non-Hodgkin" Bà còncho biết thêm : “Những khám phá này có giá trị cao hơn nhiều bởi vì nitrat làmột chất gây ô nhiễm phổ biến có trong nước ngầm ở rất nhiều khu vực Tuyvậy, vẫn chưa chắc chắn liệu những khám phá này có phản ánh đúng tác dụngcủa nitrat hay không" NCI đang triển khai một nghiên cứu bổ sung giúp xácđịnh một cách chắc chắn hơn xem liệu mối liên quan này có thực hay không

và nếu có thì nó ở mức độ nào

Một phân tích riêng biệt các trường hợp mắc NHL và nhóm chứng lànhững người sử dụng nước giếng cá nhân đã cho thấy không có liên hệ gìgiữa tần xuất NHL và mức nitrat trong nước giếng Tuy nhiên, không giốngcác nguồn nước công cộng, không có các ghi chép kéo dài nào về các nồng độnitrat trong các giếng cá nhân cả Nồng độ nitrat trong nước giếng chỉ được

đo một lần, tại thời điểm nghiên cứu, đã gây khó khăn cho các nhà nghiên cứutrong việc xác định nguy cơ gây ung thư do tiêu dùng nitrrat đối với nhữngngười sử dụng giếng nước cá nhân Hai mươi phần trăm các giếng cá nhân cómức nitrat vượt quá mức qui định của EPA Nhìn chung, những người dùnggiếng cá nhân có vẻ như uống nước có chứa nồng độ nitrat cao hơn so vớinhững người dùng nước công cộng bởi vì các giếng cá nhân được xây dựngđơn giản hơn và nông hơn

Trong nghiên cứu này các nhà nghiên cứu cũng ước tính lượng nitratvào cơ thể thông qua nguồn thức ăn của từng người Lượng nitrat trong thức

ăn càng cao (hầu hết là từ rau xanh như rau dền, rau diếp, củ cải đường) thìnguy cơ mắc NHL càng thấp Phát hiện dường như đối nghịch này có thểđược lý giải là do các tác dụng chống ung thư của các thành phần trong rau

xanh như vitamin C và các caroten (các hợp chất liên quan đến vitamin A).

Rõ ràng có mối quan hệ phức hợp giữa tỷ lệ mắc ung thư với mức nitrattrong nước uống, mức nitrat/ nitrit trong thức ăn Phải hết sức thận trọng vànghiêm túc xem xét đầy đủ bằng chứng về các rủi ro đối với nitrat

hệ Bắc bán cầu có thể tới hơn 100 năm) Sự phân huỷ thường rất hạn chế bởilượng nitơ có sẵn Tỷ lệ trung bình của C : N trong sinh khối VSV xấp xỉ 10 :1; Thực vật có tỷ lệ C : N là 4080 : 1 nghĩa là có sự thiếu hụt nitơ; Động vậtduy trì tỷ lệ C : N gần bằng tỷ lệ của VSV phân huỷ, gây phân hủy nhanh.Trong đất, tỷ lệ C : N ổn định nhất là ~10

Theo Begon (1990), khi một chất có hàm lượng N < 1.21.3% được bổsung vào đất thì bất kỳ ion NH4+ nào cũng được hấp thụ, còn khi các chất cóhàm lượng N > 1.8% được bổ sung thì các ion NH4+ có xu hướng được giảiphóng

Toàn bộ nitơ trong chu trình nitơ sinh học diễn ra chủ yếu qua hoạt

động cố định đạm của các vi khuẩn sống trong cây, các tảo lục và các VKcộng sinh trong rễ của một số loài thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốtsần của rễ một số loài họ đậu) Những sinh vật này có khả năng chuyển hóaN2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình

cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở cạn và ởnước NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích lũydưới dạng NO3- Việc chuyển hóa nitơ hữu cơ gồm 4 giai đoạn:

 Amon hóa: thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+

 Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ vi khuẩn sống trong cây dướiđất (Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N3- thành N3+, cho

NO2-

 Nitrat hóa: NO2- được oxy hóa tiếp do vi khuẩn Nitrobacter trong đất

và nước biển cho NO3- (thể N5-) Dưới dạng này nitơ được các thực vậtsống trên cạn và dưới nước sử dụng

 Khử nitrat : trong điều kiện không có oxy (ngập úng, cặn lắng ) sẽdiễn ra quá trình khử nitrat Trong đó NO2- và NO3- được các vi khuẩn

sử dụng làm chất nhận electron (chất gây oxy hoá) và chuyển thành N2,trả lại nitơ cho khí quyển Nitơ được cố định gần bề mặt đất có thể bịmất do khử nitrat hóa Quá trình này xảy ra do các vi khuẩn nhưPseudomonas denitrificans Tuy nhiên gần đây có rất nhiều bài báonghiên cứu nói rằng quá trình khử nitrat có thể xảy ra trong đièu kiệnthiếu khí

Theo Hardy và Havelka (1975), quá trình cố định nitơ và khử nitrat cânbằng trên quy mô toàn cầu và chiếm khoảng 2% tổng nitơ tuần hoàn

II.1 Quá trình nitrat hoá :

II.1.1 Tác nhân sinh học :

Hai nhóm vi khuẩn quan trọng trong quá trình nitrat hoá

là Nitrosomonas và Nitrobacter Ngoài ra còn có :

Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng là vi

khuẩn nitrat hoá

Các nhóm vi khuẩn này là những sinh vật tự dỡng hiếukhí, chúng lấy năng lợng từ sự ôxy hoá hợp chất nitơ vô cơ và

sử dụng CO2 để tổng hợp sinh khối Mỗi loài có khả năng ôxy

hoá nitơ tới mức độ nhất định Nitrosomonas,

Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio có thể ôxy

hoá NH3 thành NO2- nhng không thể ôxy hoá hoàn toàn thành

NO3- Trong khi đó, Nitrobacter lại chỉ ôxy hoá NO2- thành

NO3-

Trái với những vi sinh vật dị dỡng, vi khuẩn nitrat hoá tựdỡng phát triển rất chậm, tốc độ tăng trởng trên một đơn vị

NH4+ hoặc NO2- bị ôxy hoá thấp Thời gian một thế hệ là

0.42.5 ngày đối với Nitrosomonas và 0.31.5 ngày đối với

Nitrobacter Sản lợng tế bào là 0,29gtế bào khô/gN ôxy hóa với

cũng giống nh các vi sinh vật khác, vi khuẩn nitrat hoá có thểsinh trởng ở tốc độ cực đại khi điều kiện môi trờng là tối u

và không có các chất độc

Gần đây hàng loạt các loại vi khuẩn dị dỡng có khả năng

ôxy hóa NH4+ và các hợp chất nitơ hữu cơ thành NO2-, NO3- đã

đợc công bố Ví dụ: Methylococcus capsulata,

Methylomonas methanica, Methylosinus trichosporium, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera pantotropha, Thiobacilus novellus

Đại diện đặc trng cho nhóm vi khuẩn dị dỡng đợc nghiên

cứu kĩ nhất là T.pantotropha do Gupta phân lập.

T.pantotropha không những có khả năng ôxy hóa mạnh

NH4+ và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ thành NO2- và NO3- mà

nó còn có khả năng khử NO2- và NO3- thành N2 [7, 13]

Các số liệu thu đợc gần đây cho thấy quá trình nitrathóa nhờ các vi khuẩn dị dỡng có tầm quan trọng đặc biệtbởi nó dễ sinh trởng và phát triển ở mọi loại môi trờng, kể cảnơi giàu hay nghèo chất hữu cơ Mặc dù khả năng ôxy hóa

NH4+ của các vi khuẩn dị dỡng nhỏ hơn từ 103- 104 khả năng

ôxy hóa NH4+ của các vi khuẩn tự dỡng, song bù lại chúng lại cókhả năng phát triển nhanh hơn rất nhiều lần Hơn nữa ngoàikhả năng ôxy hóa NH4+, các vi khuẩn dị dỡng còn có cả enzimkhử nitrat (nitrat reductaza) thành N2 ngay cả trong điềukiện có O2 bởi vậy chúng cũng là các vi khuẩn lý tởng trong

xử lý ô nhiễm môi trờng do NH4+, NO2-, NO3-

Có 2 điều kiện cần phải đợc đáp ứng để quá trìnhnitrat hoá có thể xảy ra Thứ nhất, tuổi bùn phải đủ cao để

ngăn sự rửa trôi của bùn theo nớc trong hệ thống bùn hoạt tính.Thứ hai, thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và amon phải đủdài Ngoài ra các yếu tố nh DO, pH, nhiệt độ cũng ảnh h-ởng tới quá trình Vì vậy, để quá trình nitrat hoá đạt hiệuquả cao, cần tạo đợc môi trờng thích hợp cho sự phát triểncủa cả hai nhóm vi khuẩn nitrat hoá.

II.1.2 Cơ chế của quá trình :

Trong quá trình nitrat hoá, NH4+ bị ôxy hoá theo 2 bớc:

NH4+ + 1,5 O2  Nitrosomon as

2H+ + H2O + NO2- (1)

NO2- + 0,5 O2 Nitrobacte  r NO3 (2)

Năng lợng sinh ra từ phản ứng (1) và (2) tơng ứng đợc

cung cấp cho Nitrosomonas và Nitrobacter để tổng hợp

sinh khối Trong đó, phản ứng (1) sinh ra khoảng 5884kcal/mol NH3, phản ứng (2) sinh ra 15.420.9 kcal/mol Do

II.1.3.1 ảnh hởng của nhiệt độ :

Nhiệt độ tối u cho quá trình sinh trởng của vi khuẩnnitrat hoá là 28360C trong đó khoảng nhiệt độ chấp nhận

đợc là từ 5500C Tuy nhiên, khi nhiệt độ nhỏ hơn 150C tốc

độ nitrat hoá diễn ra chậm và hầu nh vi khuẩn nitrat hoákhông còn sinh trởng ở nhiệt độ nhỏ hơn 40C Nhiệt dộ quácao làm biến tính protein, gây chết vi sinh vật Khoảng

nhiệt độ gây chết vi khuẩn Nitrosomonas ~55 580 C Tốc độ tăng trởng cực đại của vi sinh vật và hằng số bántốc độ chịu ảnh hởng của nhiệt độ Sự phụ thuộc của tốc

độ tăng trởng riêng cực đại maxvà hằng số bán tốc độ ks củaNitrosomonas vào nhiệt độ đợc cho bởi bảng sau : [10]

Nhiệt

độ

max,ngày -1

ks

(gN/m3)

ảnh hởng của nhiệt độ tới tốc độ tăng trởng riêng cực

đại của vi sinh vật theo những nghiên cứu khác nhau đợc môtả theo các quan hệ khác nhau:

Nitrosomonas trong nớc sông và canh trờng thuần

khiết :

max=0,47 * e 0,098*(T-15)

Nitrobacter trong nớc sông :max = 0,79 * e 0,69(T-15)

II.1.3.2 ảnh hởng của DO :

Vì quá trình nitrat hoá là quá trình hiếu khí nên đòihỏi sự có mặt của ôxy Theo tính toán ở phần trên, DO = 4,6mg/mg N-NH4+ chỉ là vừa đủ để sử dụng cho quá trìnhnitrat hoá Trong hầu hết các hệ thống xử lý, ôxy còn đợc sửdụng để ôxy hoá các chất khác ngoài NH3 trong nớc thải, do

đó tổng lợng ôxy thực tế là cao hơn

Nồng độ ôxy hoà tan có ảnh hởng quan trọng tới tốc độsinh trởng của vi khuẩn nitrat hoá và tốc độ quá trình nitrathoá trong hệ thống xử lý nớc thải sinh hoạt Khi DO là chấtnền giới hạn sự tăng trởng của vi sinh vật thì ảnh hởng của

DO tới tốc độ tăng trởng riêng của vi sinh vật đợc biểu diễntheo phơng trình Mônod nh sau :

N= max,n*KO DO,nDO DO : Nồng độ ôxy hoà tan , mg/l

K O,n : Hằng số bán tốc độ độ , mg/l Giá trị hằng số bán tốc độ KO,n của quá trình nitrat hóa

đợc nhiều tác giả khác nhau xác định có giá trị trong khoảng0.152 mg/l Kết quả của một số tác giả đợc cho bởi bảngsau :

Vi sinh vật

K O,n , mg/l

Tác giả

0,3 Loveless và

Painter (1968)

Nitrosomonas

0,5 Peeters (1969)

Laudelot (1976)

Nitrobac ter

1,840,72

Peeters (1869) Laudelot (1976)

II.1.3.3 ảnh hởng của pH :

Theo một số tài liệu, giá trị pH tối u cho quá trình nitrathoá là trong khoảng 89 Thông thờng tốc độ quá trìnhnitrat hóa giảm khi pH giảm Bằng cách xác định tốc độquá trình nitrat hóa, Meyerhof (1916) tìm thấy pH tối u chohoạt động của Nitrosomonas là khoảng 8.58.8 và choNitrobacter là 8.39.3 Hofman (1973) bằng cách tơng tựtìm thấy pH tối u cho cả hai loài vi khuẩn là 8.3 và xác địnhrằng tốc độ quá trình nitrat hóa gần nh bằng 0 ở pH bằng9.6 Wild (1964) kết luận pH tối u cho quá trình nitrat hóa là8.4 và trong khoảng từ 7.88.9 tốc độ quá trình nitrat đạt90% tốc độ cực đại Trong điều kiện pH <7.0 hoặc > 8.9tốc độ quá trình nitrat chỉ bằng 50% tốc độ cực đại.Painter (1972) xác định quá trình nitrat hóa giảm khi pH <6,7 và dừng hẳn khi pH trong khoảng 5-5,5

Các kết quả trên xác định trong trờng hợp quá trìnhnitrat hóa đợc tiến hành riêng Trong trờng hợp kết hợp quá

trình nitrat hóa và phản nitrat hóa thì pH tối u là khoảng78

II.2 Quá trình phản nitrat hoá :

Phản nitrat là quá trình khử NO3+ thành khí N2 theo 4 giai

đoạn nh sau : NO3- → NO2- → NO (k) → N2O (k) → N2(k)

Trong đó NO2- , NO , N2O là sản phẩm trung gian và mỗigiai đoạn của quá trình đợc xúc tác bởi 1 hệ enzym khácnhau Quá trình này còn đợc gọi là quá trình dị hoá

II.2.1 Tác nhân sinh học :

Khác với quá trình nitrat hoá , số lợng vi khuẩn có thểthực hiện quá trình phản nitrat hoá tơng đối phong phú Có

ít nhất 14 chủng vi khuẩn đợc biết là có khả năng phản nitrat

hoá Ví dụ nh chủng: Bacillus , Pseudomonas ,

Methanomonas , Paracocus , Spirillum , Thiobacillus

Hầu hết vi khuẩn phản nitrat hoá là vi khuẩn hô hấp tuỳtiện, chúng có thể sử dụng O2 hoặc NO3 làm chất nhận điện

tử cuối cùng trong quá trình hô hấp, trờng hợp vi khuẩn sửdụng ôxy làm chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp gọi

là hô hấp hiếu khí , còn trờng hợp vi khuẩn sử dụng NO3

-hoặc NO2- gọi là hô hấp thiếu khí Cơ chế của 2 quá trình

là tơng tự nhau, sự khác nhau duy nhất giữa hô hấp hiếu khí

và hô hấp thiếu khí là enzym xúc tác cho sự vận chuyển

điện tử O2 phải đợc loại trừ để tạo điều kiện cho quá trình

phản nitrat hoá diễn ra Nếu cả O2 và NO3- cùng có mặt thì

vi sinh vật sẽ sử dụng O2 làm chất nhận điện tử do hô hấphiếu khí sinh ra nhiều năng lợng hơn hô hấp thiếu khí

Các vi sinh vật cần nitơ để tổng hợp protein, nguồnnitơ vi sinh vật có thể sử dụng trực tiếp trong tổng hợp là

NH4+ Trong trờng hợp không sẵn có nguồn NH4+, một số visinh vật có khả năng khử NO3- thành NH4+ để sử dụng Khi

đó một phần nitơ đã đợc chuyển vào trong tế bào, quátrình khử nitơ kiểu này đợc gọi là “khử nitrat do đồng hoá

“

Phần lớn vi khuẩn phản nitrat hoá là vi khuẩn dị dỡng tức

là chúng cần nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, chỉ

có một số ít vi khuẩn nitrat hoá là vi khuẩn tự dỡng, sử dụngnguồn cacbon vô cơ để tổng hợp tế bào Ví dụ : Loài

Thiobaccillus denitrificans có khả năng ôxy hoá lu huỳnh

nguyên tố lấy năng lợng và sử dụng nguồn cacbon từ CO2 hoàtan hoặc HCO3- để tổng hợp tế bào

II.2.1.1 Cơ chế của quá trình :

Phơng trình phản ứng mô tả quá trình phản nitrat hoáphụ thuộc vào nguồn cacbon sử dụng Với NO3- là chất nhận

điện tử và nguồn Cacbon là metanol , axit acetic , mêtan vànớc thải ta có các phản ứng sau :

6 NO 3- + 5 CH 3 OH → 3 N 2 + 5 CO 2 +7 H 2 O + (OH)

-8 NO 3- + 5 CH3COOH → 4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O

8 NO3- + 5 CH4 → 4 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8

10 NO3- + C10H19O3N → 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 +10

(OH)-Sự trao đổi điện tử trong quá trình thể hiện ở 2

ph-ơng trình sau :

NO3- + 6 H+ +5 e- → 0.5 N2 + 3 H2O

5 CH3OH + 5 H2O → 5 CO2 + 30 H+ + 30

e-Rõ ràng NO3- nhận điện tử và bị khử thành N2, nguồncacbon trong trờng hợp này là metanol bị mất điện tử và đợc

ôxy hoá thành CO2 OH- sinh ra trong phơng trình trên kết hợpvới CO2 tạo thành HCO3- :

OH- + CO2 →

HCO3-Khi đó các phản ứng đồng hoá và dị hoá nitơ là nh sau:

Đồng hoá nitơ :

14CH OH + 3NO +4H CO → 3C H NO + 20H O +

Tính toán tơng tự với lợng metanol cần thiết để khử NO2

và O2 có công thức tính tổng lợng metanol cần thiết nh sau :

II.2.2 ảnh hởng của các yếu tố môi trờng tới quá trình phản nitRat hoá :

II.2.2.1 ảnh hởng của DO :

Quá trình phản nitrat hoá xảy ra khi NO3- đợc vi sinhvật sử dụng làm chất nhận điện tử trong phản ứng ôxy hoáchất hữu cơ thu năng lợng Nếu trong môi truờng có ôxy, visinh vật sẽ u tiên sử dụng ôxy làm chất nhận điện tử, khi đóquá trình phản nitat hoá bị cản trở ảnh hởng của lợng ôxyhoà tan tới tốc độ quá trình phản nitat hoá có thể biểu diễnbằng phơng trình động học Monod :

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ ôxy hoà tan

là 12 mg/l không ảnh hởng tới quá trình phản nitrat hoátrong hệ thống lọc sinh học nhng trong hệ thống bùn hoạttính thì nồng độ ôxy hoà tan nên nhỏ hơn 0.3 mg/l

II.2.2.2 ảnh hởng của nhiệt độ:

Quá trình phản nitat hoá có thể xảy ra trong khoảng535 oC Nhiều loài vi khuẩn phản nitrat hoá dễ thích nghivới sự thay đổi nhiệt độ Do đó điều quan trọng là xem xét

sự khác nhau giữa ảnh hởng của nhiệt độ trong thời gian dài

và thời gian ngắn tới quá trình phản nitrat hoá

Tốc độ tăng trởng của vi sinh vật và tốc độ khử nitrat

đều chịu ảnh hởng tác động của nhiệt độ Cần phân biệt

2 dạng phản ứng đối với nhiệt độ trong quá trình phản nitrathoá Dạng phản ứng thứ nhất là phản ứng nhiệt độ tức thời(nhanh) có thời gian phản ứng thờng nhỏ hơn so với phản ứngnhiệt độ lâu dài Phản ứng nhiệt độ lâu dài là hỗn hợp củaphản ứng tức thời và sự thích nghi của vi sinh vật

Sự phụ thuộc của tốc độ phản nitrat hoá vào nhiệt độ

có thể biểu diễn bằng phơng trình sau :

max,d t = max,d20*Y T-20 Y : hệ số phụ thuộc vào nhiệt

độ

Vì nhiệt độ thờng thay đổi chậm, nên sự phụ thuộc vàonhiệt độ lâu dài là quan trọng hơn cả

II.2.2.3 2.2.3.3 ảnh hởng của nồng độ cacbon

ảnh hởng của nồng độ cacbon tới tốc độ phản nitrat hoácũng đợc mô tả bằng phơng trình động học Monod sử dụngmetanol làm nguồn cung cấp cacbon, phơng trình nh sau :

Giá trị của KMthờng rất thấp, thờng chấp nhận là :0.1mg/l metanol

Tác động của pH tới quá trình phản nitrat hoá cũng phụthuộc vào thời gian tác động Tác động của pH trong thờigian ngắn là đáng quan tâm hơn cả vì pH thờng thay đổitrong thời gian dài

Trong quá trình kết hợp nitrat hoá phản nitrat hoá pH ờng ổn định do quá trình phản nitrat hoá sinh ra axit nhng

th-đợc trung hoà bởi kiềm do quá trình phản nitrat hoá sinh ra

chơng III : phơng pháp khử Nitơ trong nớc thải

III.1 Phơng pháp lý hoá :

III.1.1 Phơng pháp clo hóa (Breakpoint chlorination) :

Quá trình NH4+ đợc ôxy hoá thành khí N2 bao gồm mộtchuỗi các phản ứng phức tạp trong đó NH4+ phản ứng với Cl2

tạo thành các sản phẩm trung gian là monochloramin (NH2Cl),dichloramin (NHCl2) và ammonium trichloride (NCl3) Cùng vớikhí N2, một số dạng ôxy hoá khác của nitơ cũng đợc tạothành, chủ yếu là NO3- Cơ chế thực của các phản ứng này t-

ơng đối phức tạp Phơng trình phản ứng clo hóa đợc đơngiản hoá nh sau:

2 NH4+ + 3 Cl2 = N2(k) + 6 Cl- + 8 H+

Theo phản ứng này, cần có 7,6 mg Cl2/mg NH4+-N để

ôxy hóa NH4+ thành khí N2 Vì có một phần NH4+ đợc chuyểnhóa thành NO3- và các dạng nitơ ôxy hóa khác nên lợng clothực tế phải đa vào thờng khoảng 10 mg Cl2/ mg NH4+-N Một

điều quan trọng cần phải chú ý là quá trình clo hóa sinh ralợng axit đáng kể (axit HCl ) cần phải đợc trung hòa Lợng axitnày sẽ tiêu thụ độ kiềm với tỉ lệ 10,7 mg CaCO3/ mg NH4+-N

Đối với các nhà máy xử lý nớc thải thông thờng sử dụng phơngpháp clo hóa để xử lý những dòng chứa 20 mg NH4+-N/l cần

152 mg Cl2/l và tiêu thụ 214 mg CaCO3/l [15]

Ưu điểm   :

+Kiểm soát đợc quá trình.

+Có thể kết hợp đợc với quá trình khử trùng nớc cấp

là các trihalomethane nh chloroform (CHCl3), ammoniumtrichloride Ngoài ra bản thân Cl2 cũng là một khí độc có hạicho sức khoẻ con ngời

+Không khử đợc nitơ ở dạng NO2- và NO3-

+Gây ô nhiễm thứ cấp

III.1.2 Phơng pháp làm thoáng (air stripping) :

Nguyên tắc :

Trong nớc NH4+ tồn tại cân bằng với bazơ liên hợp của nó

là NH3 theo phơng trình sau:

NH4+ = NH3(l) + H+ (1) pKa = 9,5

NH3(l) lại tồn tại cân bằng với NH3(k) và tuân theo địnhluật Henry:

NH3 (l)  NH3 (k) (2)

Tại pH = 7, hầu nh chỉ có NH4+ tồn tại Khi pH tăng cânbằng trong phơng trình (1) sẽ chuyển dịch sang phải, vềphía tạo thành NH3 Và khi pH lớn hơn giá trị của pKa (pH >9,5) lợng NH3(l) sẽ đợc tạo thành đáng kể, cân bằng trong ph-

ơng trình (2) sẽ chuyển dịch sang phải, NH3 đợc giải phóng

ra không khí.Trong phơng pháp này thờng dùng Ca(OH)2 để

điều chỉnh pH

Nh

vậy :Qúa trình khử nitơ bằng phơng pháp này bao

gồm việc tăng pH của nớc để nitơ tồn tại phần lớn ở dạng NH3

(l)(theo phơng trình 1) và tăng sự tiếp xúc giữa nớc với khôngkhí để tạo điều kiện cho NH3 đợc giải phóng vào không khí(theo phơng trình 2 )

Ưu điểm :

+Đơn giản,rẻ tiền và ta có thể kiểm soát đợc quá trình

+Qúa trình loại bỏ đợc NH3 mà không tạo ra cácchất ô nhiễm thứ cấp trong nớc

Nh

ợc điểm :

+Quá trình chính để loại nitơ, quá trình chuyển

NH3(l) thành NH3(k) lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ (khó