Bài giảng Xử lý chất đặc biệt trong nước: Xử lý các chất nitơ trong nước cung cấp cho người học các kiến thức: Dạng tồn tại của các hợp chất Nitơ, các phương pháp loại bỏ các hợp chất Nitơ trong nước. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1xử lý các chất đặc biệt
trong nước
PGS TS Nguyễn Việt Anh
Phó viện trưởng,
Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường,
Trường đại học Xây dựng
Xử lý các hợp chất Nitơ
trong nước
2
1 Dạng tồn tại của các hợp chất Nitơ
Khí N 2 Nitơ nguyên chất 79% khí quyển.
Nitơ Amôn NH4 Sản phẩm phân huỷ các hợp chất h/cơ
chứa Nitơ Là nguồn dinh dưỡng dễ hấp thụ đối với cây trồng
Ammoniac NH 3 : Khí (độc), tan nhiều trong nước Tạo từ
NH 4 trong nước khi pH cao.
NO3- Sản phẩm oxy hoá Tạo các muối với các
kim loại Dạng cây trồng dễ hấp thụ.
NO 2- Sản phẩm trung gian của quá trình oxy
hoá Nitơ Ammôni thành Nitrat
đạm (Protein) Hydrocacbon C x H y O z N n
Có phân tử lượng cao, là thành phần quan trọng để xây dựng tế bào của bất kỳ cơ thể sống nào.
3
Các hợp chất Nitơ trong nước ngầm
Nitơ trong Humic (25 - 60%), Axit Amin (21 - 35%), Clorophyl (1 - 3%), Peptite, vv
Chúng có thể là sản phẩm của các quá trỡnh hóa -sinh học, xâm nhập vào nước ngầm từ nước thải hay
do một số quá trỡnh địa hóa đặc biệt
4
N-NH 4 + trong nước ngầm: Nước thải sinh hoạt, quá
trỡnh Amôn hóa - phân hủy các HCHC: đạm, nước tiểu, axit nucleic bởi vi sinh vật, hay do việc sử dụng phân bón trong nông nghiệp
Quá trỡnh amon hóa (nhờ các vi khuẩn amon, men, .):
Protein Pepton Peptit Axit Amin Ammoniac
(NH2)2CO + H2O 2 NH3+ CO2
5
Các hợp chất Nitơ trong nước:
Phỏt triển vi sinh vật trong đường ống và làm tăng
nhanh quỏ trỡnh ăn mũn đường ống
Gõy nờn một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng
nước
NO 2 -tỏc dụng với cỏc Amin hay Alkyl Cacbonat trong
cơ thể người, cú thể tạo thành cỏc hợp chất chứa Nitơ gõy ung thư
6
Lọt vào cơ thể, NO 3 - chuyển húa thành NO 2 -nhờ vi khuẩn đường ruột
Cỏc NO 2 -tỏc động lờn Hemoglobin (Hb), biến nú thành Methemoglobin (Met-Hb), mất khả năng vận chuyển oxy đến cỏc mụ
NO 3 -tạo ra chứng thiếu Vitamin và cú thể kết hợp với cỏc Amin để tạo nờn những Nitrosamin gõy ung thư ở người cao tuổi
N trong Nước pha Sữa cho Trẻ em - men dạ dày
cũn chưa phỏt triển - NO 3 - dễ biến thành NO 2 - -chiếm lấy Hb - biến thành Met-Hb - Cỏc mụ thiếu oxy - Trẻ xanh xao
Trang 2QCVN 01:2009/BYT
NO3-< 50 mg/l
NO2-< 3 mg/l
NH4+< 3 mg/l (= QCVN 02:2009/BYT)
Amôni NH4+ở một số
giếng khoan khai thác
nước ngầm của Hà nội:
10 - 20 mg/l hoặc cao hơn
8
2 Các phương pháp loại bỏ các hợp chất Nitơ trong nước
Làm thoỏng (sục khớ)
Clo húa,
Nitrat húa + khử Nitrat bằng phương phỏp sinh húa
Trao đổi ion
Điện húa,
Lọc màng: điện thẩm tỏch, điện thẩm tỏch đảo chiều,
Chưng cất
vv
9
2.1 Làm thoáng để khử Amoni
(air stripping)
NH4 ↔ NH3 + H+
• ở điều kiện pH >7, cân bằng chuyển dịch sang phải
• với pH >10, hơn 85% Amoni có thể chuyển dịch sang dạng
khí khi làm thoáng
• pH = 10 - 11: các ion Hydroxyt dư sẽ chuyển các ion NH 4
thành Hydroxit Amon
NH4OH ↔ NH3↑ + H2O
10
11
NH3dễ hoà tan trong nước: Hi = f(t)
Hi (NH3) = 0,76 atm/mol ở 20oC
CO2: 150 atm/mol; O2: 43000 atm/mol
Cần lượng khụng khớ lớn:
G/L = 6000, E = 90%
Vụi, NaOH + Tăng nhiệt độ Tăng E
12
2.2 Phương pháp Clo hóa
Lượng Cl 2
dư, mg/l
đưa vào nước, mg/l
1
3
2
-*
*
Cl 2 dư khi trong nước không có NH 3
Cl 2 dư khi trong nước có NH 3 Hàm lượng NH 3 trong nước
Trang 3(pH <<<< 5) (pH <<<< 7) (pH > 8)
-Break points
NH 3 + Cl 2 HCl + NH 2 Cl
NH 3 + 2Cl 2 2 HCl + NHCl 2
NH 2 Cl + NHCl 2 N 2 + 3HCl
2 NH 2 Cl + Cl 2 N 2 + 4HCl
[Cl2] = 7 10 (10 25) [NH3] (= 6 - 15 mg/l)
[Cl 2 ] ? [Cl 2 ] dư? THMs? Mùi?
14
2.3 Trao đổi Ion
XL Amoni: lọc qua vật liệu lọc trao đổi Kation như Zeolite
tự nhiên - đất sét, Klinoptilolyte hay Sepiolite
Z-Na + NH 4 + Z-NH 4 + + Na + hoặc Z-H + NH 4 + Z-NH 4 + + H +
Hoàn nguyên:
NaCl 0.6M hoặc H2SO4 (thu được (NH4)2SO4: phân bón)
XL Nitrat, Nitrit: Sử dụng các vật liệu trao đổi Anionit gốc
Cl-, OH-hay SO42-
Sử dụng, vận hành phức tạp; khó hoàn nguyên, v.v
15
2.4 Phương pháp sinh học
(1) Nitrification/D enitrification
Bị hấp thụ bởi tế bào trong quá trỡnh chuyển hoá
Metabolism
Tế bào hấp thụ để sinh trưởng
Chuyển từ Amoni sang dạng oxy hoá
Chuyển từ dạng ôxy hoá sang Nitơ tự do N2
Yêu cầu:
Oxygen
Carbon (hữu cơ/vô cơ)
16
Nitrification
Digestor
Sludge
Denitrification
20%
Incorporation:
15-20%
30-40%
10-60%
15-20%
16
Settling tank Primary
settling tank
Super-natant
Sludge thickening
17
a Nitrification
Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus
2 NH4++ 3 O2 4 H++ 2 NO2 -+ 2 H2O + Q
Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus
2 NO2-+ O2 2 NO3-+ Q
Tế bào mới
Tế bào mới
18
phản ứng Nitrat húa để khử CO2 của khụng khớ và tạo nờn cỏc chất hữu cơ của cơ thể chỳng
Mô tế bào
Độ kiềm giảm bổ sung Kiềm!
NH4++ 1,83 O2+ 1,98 HCO3- 0,021C5H7NO2+ 1,041 H2O
+ 0,98 NO3-+ 1,88 H2CO3
Trang 4Bể lọc sinh học
Vận tốc quá trình oxy hóa Amôni phụ thuộc vào tuổi
thọ bùn (màng VSV), nhiệt độ, pH của môi trường,
nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Amôni, oxy hòa tan,
vật liệu lọc, tỷ lệ C/N
Độ kiềm
1 mg N-NH4cần 4,6 mg O2, tạo 0,09 mg sinh khối
DO > 4 mg/l; DO = 2 mg/l: E = 50%
Các chất ức chế: Cu, Ag, Hg, Ni, Cr, Zn, , các hợp
chất Phenol, Xianua, Nitrit,
20
21
b Khö Nitrat trong ®iÒu kiÖn thiÕu khÝ (Anoxic)
Nguån Cacbon: Metan, Methanol, ®−êng, Etanol, dÊm :
NO 3 - + 1.08 CH 3 OH + 0.24 H 2 CO 3
0.056 C 5 H 7 NO 2 + 0.47 N 2 + 1.68 H 2 O + HCO 3
- H« hÊp néi bµo:
C 5 H 7 NO 2 + 4.6NO 3 - 2.8N 2 + 5CO 2 + 4.6OH - + 1.2H 2 O
Microcucous Ptoteus Pseudomonas Brevibacterium Spirillium
Aerobacter
Alcaligenes
Bacilus
Brevibacterium
Lactobacillus
Vi khuÈn dÞ d−ìng
22
NÕu cã oxy trong n−íc, ph¶i khö b»ng c¸ch bæ sung thªm
1 l−îng Methanol:
3O2 + 2 CH3OH 2 CO2 + 4 H2O
BOD/N: BOD/(NO2-+ NO3-)-N = 3 5 kg/kg
KiÒm tăng
23
Nitrification – denitrification
4NO3- + CH3COONa → 4NO2- + 2CO2+ H2O + NaOH
2NO2- + CH3COONa → N2 + 2CO2+ H2O + NaOH
4NO3- + 3CH3COONa → 2N2 + 6CO2 + 3H2O + 3NaOH
KJ 351 276 O 2H 2H NO O
2 3
2
4+ → −+ ++ + ÷ +
− + + VK Nitrat → 3 2
2 1 NO
O H 2H NO 2O
NH 4 + + 2 → 3 − + + + 2
VK VK
VK VK
24
Trang 525 26
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
Date
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
To in
To out
pH in
pH out
Ki in
Ki out
27
Denitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
Date
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
T in
T out
pH in
pH out
Ki in
Ki out
28
Nitrogen loading rate (NLR) vs Removal efficiency (E)
85 90 95 100
NLR, g N-NO
3 /(g VSS.d)
E, %
29
COD consumed vs N-NO
3 removed Graph
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Date
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
COD in
COD out
N-NO3 in
N-NO3 out
30
Nitrification
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
Date
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
NH4+ in NH4+ out NO2- in NO2- out NO3- in NO3- out
E removal, %
NaHCO3 = 50 mg/l
HRT = 0.5h
Trang 6Denitrification
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
9/
20
14/0 04
27/0 04
12/5
004
16/0 04
27/7
004
30/7
004 Date
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
NH4+in NH4+out NO2- in NO2- out NO3- in NO3- out
E removal, %
32
(2) Xö lý sinh ho¸, nhê c¸c vi khuÈn khö Nitrat tù d−ìng
Methanogenic, Homoaceotogenic, vi khuÈn khö Sulfat, .
Sö dông Hydro Cathode (tõ qu¸ tr×nh oxy ho¸ s¾t):
Fe(0) + 2 H2O → H2+ Fe2++ OH
- Hydrogen: chÊt nh−êng ®iÖn tö, t¹o n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh dinh d−ìng
2NO3- + 5 H2 N2 + 4 H2O + 2 OH
-5 Fe(0) + 2 NO 3 - + 6 H 2 O →→5 Fe 2+ + N 2 + 12 OH
-33
(3) Oxy hóa bậc cao, phản ứng Fenton
Fe 2+ + H2O2
ES Activ sludge Sedimentation
Runoff
Fe 2+ or Fe 3+
Raw
wastewater
34
(4) Khö Nit¬ trong bÓ läc sinh häc nhá giät
35
C¬ chÕ khö Nit¬
trong bÓ läc sinh häc nhá giät
36
(5) C«ng nghÖ Anammox
(Anaerobic Ammonia Oxidation)
Delft Univ., Hµ lan
ViÖn M«i tr−êng Liªn bang Thôy sÜ EAWAG
Kumamoto Univ., NhËt b¶n
Hannover Univ., Germany
TT NC CN Cao, Qeensland, Australia
(50-60% Q) 2 NH 4 + + 3 O 2 4 H + + 2 NO 2 + 2 H 2 O
(40-50% Q) NH 4 + + NO 2 - N 2 + 2H 2 O
Vi khuÈn kþ khÝ nhãm Planktomyces
Môi trường thích hợp (pH, to, )
Trang 70.6 NO2 -0.4 NH4+
NH4+
0.5 N2
Nitritation/ANAMMOX
NO3
-NH4+
0.5 N2
2 O2
CH3OH 3.4 kgkg-1N
Nitrification/Denitrification
0.75 O2
no
CH3OH
C«ng nghÖ Anammox
Giảm 25% nhu cầu oxy, 40% nhu cầu Carbon !
N2
NH3/NH4+
NH2OH
N2H4
HNO2
HNO3 NO
N2O gas aqueous
Org Org -NN
Nitrification Denitrification Anammox
NH 4++ 1.32NO 2 + 0.066HCO 3 + 0.13H + 1.02N 2 + 0.26NO 3 + 0.066Biomass+2.03H 2 O
Anammox:
Nitrogen Cycle
NH 4+NO 2 N 2 + 2H 2 O
Ⓟ 流入水
ガスタンク
処理水
influent
effluent Gas tank
40
2.5 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 Anod
và tạo kết tủa MgNH 4 PO 4 + Mg(OH) 2
Các bọt khí H2xuất hiện trên Katod sẽ nổi lên, cuốn theo bọt và tách ra
Cl2tạo thành trên Anod được tận dụng để khử trùng nước xử lý
Áp dụng để khử Nitơ trong nước thải trong công đoạn xử lý bậc 3
41
C¸c phương pháp kh¸c
Chưng cất
Lọc màng: Điện thẩm tách, Điện thẩm tách đảo chiều,
thẩm thấu ngược, y
Sử dụng các thực vật nước (tảo, rong, ) trong hồ /
kênh sinh học,
Lọc nước qua đất,
vv