Tổng quan về nitrat và vật liệu hấp phụ nitrat trong môi trường nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ NITRAT VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ NITRAT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MÀN BẢO NHI AN GIANG, THÁNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG QUAN VỀ NITRAT

VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ NITRAT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

MÀN BẢO NHI

AN GIANG, THÁNG 06 NĂM 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG QUAN VỀ NITRAT

VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ NITRAT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

MÀN BẢO NHI DMT166105

GVHD:

ThS PHAN PHƯỚC TOÀN PGS.TS NGUYỄN TRUNG THÀNH

CHẤP NHẬN CỦA HỘI ĐỒNG

- -

Khóa luận “Tổng quan về nitrat và vật liệu hấp phụ nitrat trong môi

trường nước”, do sinh viên Màn Bảo Nhi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

thầy Phan Phước Toàn và thầy Nguyễn Trung Thành đã báo cáo đề tài và được

Hội đồng thông qua ngày………

Thư ký

Giảng viên hướng dẫn

Chủ tịch hội đồng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài khóa luận của riêng tôi Những kết quả và số liệu trong khóa luận này đã được trích dẫn rõ ràng từ các nghiên cứu trước đó, không sao chép bất kỳ nguồn nào khác Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này

An Giang, ngày 02 tháng 06 năm 2020

MÀN BẢO NHI

LỜI CÁM ƠN

Em xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu trường đại học An Giang, Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật - Công nghệ - Môi trường, Ban Quản lý Khu thí nghiệm Thực hành Trường Đại học An Giang đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Với lòng biết ơn sâu sắc em gửi lời cảm ơn tới thầy Phan Phước Toàn và thầy Nguyễn Trung Thành đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ

em trong suốt quá trình thực hiện đề tài và viết khóa luận

Em cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo giảng dạy tại Khoa Kỹ thuật - Công nghệ - Môi trường, Trường Đại học An Giang, đã cung cấp kiến thức, nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành bài khóa luận này

Em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ trong suốt quá trình thực hiện khóa luận

Em xin chân thành cám ơn!

An Giang, ngày 02 tháng 06 năm 2020

MÀN BẢO NHI

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

- -

An Giang, ngày 30 tháng 06 năm 2020

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

- -

An Giang, ngày 30 tháng 06 năm 2020

Giảng viên phản biện

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

- -

An Giang, ngày 30 tháng 06 năm 2020

Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

CHẤP NHẬN CỦA HỘI ĐỒNG i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CÁM ƠN iii

TÓM TẮT iv

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN v

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN vi

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH BẢNG x

DANH DÁCH HÌNH xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.6 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NITRAT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITRAT 4

2.1 NITRAT, NGUỒN GỐC Ô NHIỄM VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CON NGƯỜI VÀ MÔI TRƯỜNG 4

2.1.1 Nguồn gốc của nitơ, nitrat 4

2.1.2 Nguồn gây ô nhiễm nitrat 5

2.1.2.1 Nguồn gốc tự nhiên 5

2.1.2.2 Nguồn gốc nhân tạo 5

2.1.3 Ảnh hưởng của nitrat đến con người và môi trường 8

2.1.3.1 Ảnh hưởng của nitrat đến môi trường 8

2.1.3.2 Ảnh hưởng của nitrat tới con người 8

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITRAT TRONG NƯỚC 9

2.2.1 Phương pháp khử nitơ sinh học 9

2.2.2 Phương pháp trao đổi ion 10

2.2.4 Điện phân 12

2.2.5 Phương pháp hấp phụ 12

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION NITRAT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 15

3.1 VẬT LIỆU HẤP PHỤ DỰA TRÊN CACBON 15

3.2 VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ BẢN SILICA 19

3.3 VẬT LIỆU HẤP PHỤ KHÁC 24

3.3.1 Vật liệu hấp phụ tự nhiên 24

3.3.2 Vật liệu hấp phụ từ chất thải công nghiệp 28

3.3.3 Vật liệu hấp phụ từ chất thải nông nghiệp 29

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

4.1 KẾT LUẬN 34

4.2 KIẾN NGHỊ 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp 6

Bảng 2 Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý và chất hấp phụ hóa học 13

Bảng 3 Khả năng hấp phụ nitrat của một số chất hấp phụ dựa trên cacbon 18

Bảng 4 Khả năng hấp phụ nitrat của một số chất dựa trên silica 23

Bảng 5 Khả năng hấp phụ nitrat của một số chất tự nhiên 27

Bảng 6 Khả năng hấp phụ nitrat của chất thải công nghiệp 31

Bảng 7 Tóm tắt đánh giá các vật liệu hấp phụ nitrat 32

DANH DÁCH HÌNH

Hình 1 Công thức cấu tạo của nitrat 4 Hình 2 Sơ đồ biểu diễn bề mặt chức năng hóa các nhóm mono amin (Hamoudi & cs, 2011) 20 Hình 3 Tổng hợp vật liệu silic mesopetic chức năng amino thông qua ghép sau tổng hợp (Saad & cs, 2008) 21 Hình 4 Tổng hợp vật liệu silic mesopetic chức năng amino thông qua quá trình ngưng tụ (Saad & cs, 2008) 21 Hình 5 Tổng hợp vật liệu silica bằng phương pháp ghép sau tổng hợp (Ebrahimi - Gatkash & cs, 2017) 22

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ARHA Activated Rice Husk Ash Tro trấu hoạt hóa

CEC Cation Exchange Capacity Khả năng trao đổi cation CPB Cetylpyridinium bromide

GAC Granular Activated Carbon Than hoạt tính dạng hạt HDTMA Hexadecyltrimethylammonium

PAC Powdered Activated Carbon Than hoạt tính dạng bột BPC Bamboo Powder Charcoal Bột than tre

CAC Commercial activated carbon Than hoạt tính thương

mại DEDMA Dodecylethyldimethylammonium

ASTDR Agency for Toxic Substances and

Disease Registry

Cơ quan đăng ký chất độc

và bệnh

ECETOC European chemical industry ecology

and toxicology centre

Trung tâm sinh thái và độc chất công nghiệp hóa học châu Âu

FAO Food and Agriculture Organization

of the United Nations

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc

WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay xã hội đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa các khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp…mộc lên hàng loạt đã giúp nền kinh tế nước ta tăng trưởng mạnh mẽ Bên cạnh những thành tựu đã đạt được thì sự phát triển đó đã làm cho một lượng lớn các chất thải phát thải ra ngoài làm môi trường bị ô nhiễm, đặc biệt là môi trường nước Hiện nay, cùng với

sự gia tăng dân số thì nhu cầu về nước sạch trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Thiếu nước sạch dùng trong sinh hoạt hằng ngày là nguyên nhân chính gây ra bệnh tật Nhiều nơi trên thế giới đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm nitrat

ở các nguồn nước ngày càng tăng cao (Nguyễn Thị Hoà, 2006) Nguyên nhân của việc này có thể là việc xả bỏ nước thải chưa qua xử lý vào môi trường và việc sử dụng phân bón chứa nitơ quá mức sẽ càng làm tăng cao việc nhiễm nitrat cho các nguồn nước Sự có mặt của nitrat trong nước là nguyên nhân gây bệnh methemoglobin, hết sức có hại cho trẻ em và bà mẹ đang tuổi nuôi con (B.T Nolan & cs, 1997) Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống hàm lượng nitrate cho phép trong nước ăn uống không được vượt quá 50 mg/L (QCVN 01:2009/BYT) Do đó việc loại bỏ nitrat khỏi nguồn nước là vấn đề cấp thiết

Có nhiều phương pháp đề ra để loại bỏ nitrat trong nước và nước thải như phương pháp sinh học (kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí) và phương pháp hóa lý (keo tụ tạo bông, trao đổi ion, hấp phụ) Trong đó, phương pháp hấp phụ được đánh giá cao và sử dụng phổ biến để loại bỏ nitrat, bởi chi phí thực hiện thấp,

có khả năng loại bỏ nitrat ở nồng độ cao, chất hấp phụ có thể tái sử dụng nhiều lần và ít tạo ra chất độc hại sau quá trình xử lý Vì vậy, một số vật liệu như zeolit biến tính bề mặt (Schick & cs, 2010), vật liệu nano oxit - amin (Lê Trí Thích, 2018), vật liệu tổng hợp amin - SiO2 (Nguyễn Trung Thành & cs, 2018)

và các vật liệu silica mao quản trung bình (như SBA-15, MCM-48 ) đã được

nghiên cứu tổng hợp và biến tính thêm nhóm amin để loại bỏ các ion nitrat theo cơ chế trao đổi ion khá hiệu quả (Safia Hamoudi & cs, 2007)

Các vật liệu hấp phụ để xử lý nitrat trong môi trường nước hiện nay có rất nhiều và đa dạng, cùng với khả năng hấp phụ của các loại vật liệu đó đối

với nitrat là khác nhau Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài nghiên cứu “Tổng

quan về nitrat và vật liệu hấp phụ nitrat trong môi trường nước” là cần

thiết, để hiểu rõ hơn tác hại của ô nhiễm nitrat trong môi trường nước và đánh giá được khả năng hấp phụ nitrat của các loại vật liệu, góp phần ứng dụng các vật liệu hấp phụ để loại bỏ nitrat một cách hiệu quả nhất

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tổng quan các kết quả nghiên cứu về khả năng loại bỏ nitrat trong môi trường nước của các loại vật liệu hấp phụ hiện có

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Vật liệu hấp phụ nitrat trong môi trường nước

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Tổng hợp kết quả từ các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan về nitrat và các phương pháp loại bỏ nitrat

- Tổng quan về các vật liệu hấp phụ nitrat

+ Vật liệu hấp phụ dựa trên carbon

+ Vật liệu hấp phụ trên cơ bản silica

+ Vật liệu hấp phụ khác

• Vật liệu hấp phụ tự nhiên

• Vật liệu hấp phụ từ chất thải công nghiệp

• Vật liệu hấp phụ từ chất thải nông nghiệp

1.6 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài góp phần phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và làm cơ sở cho các nghiên cứu khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trường Đại học An Giang Làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu loại bỏ nitrat bằng vật liệu hấp phụ

Là tiền đề giúp thực hiện các công trình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ nitrat tiếp theo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NITRAT

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITRAT

2.1 NITRAT, NGUỒN GỐC Ô NHIỄM VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CON NGƯỜI VÀ MÔI TRƯỜNG

2.1.1 Nguồn gốc của nitơ, nitrat

Nitơ tự do là nguyên tố khá phổ biến trong tự nhiên, chiếm 78,03% thể tích của không khí Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần của các hợp chất tha gia quá trình sinh hóa Đồng thời nitơ tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N-3) là amoniac đến dạng oxy hóa sâu (N+5) là nitrat

Nitrat (NO3-) được tạo thành tự nhiên từ nitơ trong lòng đất Nitơ là một loại khí chiếm tới 78% và bầu khí quyển và rất cần thiết cho sự sống

Nitrat hoặc ion nitrat là ion gồm nhiều nguyên tử với công thức phân tử

NO3- và khối lượng phân tử là 62,0049 g/mol

Ion nitrat có cấu tạo gồm một nguyên tử nitơ trung tâm bao quanh bởi ba nguyên tử oxy giống hệt nhau trong xếp trên một mặt phẳng tam giác đều với góc ONO bằng 120o và độ dài của liên kết N – O bằng 1,218 Å

Hình 1 Công thức cấu tạo của nitrat

Ion NO3- không có màu nên các muối nitrat của những cation không màu đều không có màu Hầu như tất cả các muối nitrat vô cơ hòa tan trong nước ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (Hoàng Nhâm, 2006)

2.1.2 Nguồn gây ô nhiễm nitrat

2.1.2.1 Nguồn gốc tự nhiên

Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng: các hiện tượng xói mòn, xâm thực, hiện tượng sét trong tự nhiên, xảy ra giải phóng các hợp chất nitơ dẫn tới quá trình nitrat hóa Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên, các hợp chất này có khả năng được đồng hóa và đưa về trạng thái cân bằng

2.1.2.2 Nguồn gốc nhân tạo

 Nguồn nước thải sinh hoạt

Ô nhiễm nitrat từ nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ các nguồn sau: nước về sinh tắm giặt, nước từ bể phốt, nhà hàng, khách sạn, trường học, bệnh viện, khu vui chơi,… Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng (Lê Văn Cát, 2007)

Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hoá amoni) thấp Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt (R Crites & Gtchobanoglous, 1998)

Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải biến động theo lưu lượng nước thải như mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu, sinh hoạt, thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian Mức

độ ô nhiễm nitrat trong nước thải khác nhau vì hình thái sinh hoạt ở các vùng, các vị trí khách nhau (Lê Văn Cát, 2007)

 Nguồn nước thải công nghiệp

Quá trình khoan khai thác diễn ra phổ biến cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm do lượng nước bị khai thác lớn mà lượng nước mới chưa kịp bổ sung dẫn tới quá trình xâm thực được đẩy mạnh, nước ngầm được

bổ sung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống Do các hoạt động của

nguồn trên đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ các chất nitơ trong nước bề mặt Các chất này theo nước mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặc thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới tình trạng tăng nồng độ hợp chất nitơ

Ô nhiễm nitrat thường từ quá trình sản xuất bằng phản ứng của axit nitric với ammonia hoặc đá khoáng để tạo thành các muối khoáng, dùng làm phân bón, chế biến mũ cao su, tơ tằm, thuộc da Chế biến sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng thải ra một lượng nước thải đáng kể chứa hợp chất nitơ Đặc biệt, nitrat hay được sử dụng làm phụ gia bảo quản, nhất là trong các sản phẩm thịt chế biến, thịt đỏ

Nồng độ nitrat trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm

Bảng 1 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp

 Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi

Việc sử dụng dư lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực vật đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới nguồn nước hoặc do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm nitrat trong nước

Lượng phân bón (phân đạm urê, phân lân, phân tổng hợp NPK) mà cây trồng không hấp thu được do phân huỷ, rửa trôi thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trường

Lượng nitơ trong phân đạm urê chiếm 46%, thì với việc sử dụng phân đạm vào nông nghiệp hàng năm đã làm lượng nitơ thải vào môi trường cũng khá lớn và làm tăng khả năng nhiễm nitrat vào nguồn nước

Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước Nước thải của các loài khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau Nồng độ hợp chất nitơ tăng dần theo thời gian lưu giữ nước thải do lượng chất hữu cơ có khả năng sinh huỷ rất lớn (Lê Văn Cát, 2007)

 Tóm lại:

Sự có mặt của nitrat trong nước cho thấy nguồn nước đã bị nhiễm bẩn từ

sử dụng phân bón trong nông nghiệp, bể phốt, hệ thống xử lý nước thải, chất thải động vật, chất thải công nghiệp hoặc từ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm Ngoài ra, hàm lượng nitrat trong nước cao cho thấy nguồn nước đã bị

nhiễm bẩn bởi một số chất ô nhiễm khác như vi khuẩn hoặc thuốc trừ sâu những chất ô nhiễm này có thể thâm nhập vào nguồn nước

Tùy theo mức độ có mặt của các hợp chất nitơ mà ta có thể biết được mức độ ô nhiễm nguồn nước Khi nước mới bị nhiễm bẩn bởi phân bón hoặc nước thải, trong nguồn nước có NH3, NO2- và NO3- Sau một thời gian NH3 và

NO2- bị oxy hóa thành NO3- Như vậy:

- Nếu nước chứa NH3 và nitơ hữu cơ thì coi như nước mới bị nhiễm bẩn

và nguy hiểm

- Nếu nước chủ yếu có NO2- thì nước đã bị ô nhiễm thời gian dài hơn, ít nguy hiểm hơn

- Nếu nước chủ yếu là NO3- thì quá trình oxy hóa đã kết thúc

2.1.3 Ảnh hưởng của nitrat đến con người và môi trường

2.1.3.1 Ảnh hưởng của nitrat đến môi trường

Nitơ trong nước thải cao thải ra môi trường khi chưa qua xử lý sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái

- Gây ra hiện tượng phú nhưỡng hóa nguồn nước

- Làm suy giảm oxi trong nước

- Gây độc cho các sinh vật sống trong nước và hệ sinh thái

- Làm ô nhiễm nguồn nước ngầm do quá trình thẩm thấu từ bề mặt

Hiện tượng phú dưỡng là sự gia tăng hàm lượng nitrat trong các thủy vực gây ra sự tăng trưởng của các loại thực vật bậc thấp (tảo, vi tảo…) và tạo ra những biến động lớn trong hệ sinh thái nước, làm cho chất lượng nước bị suy giảm và ô nhiễm (Trần Văn Sơn, 2010)

2.1.3.2 Ảnh hưởng của nitrat tới con người

Hàm lượng nitrat cho phép trong nước uống ở Mỹ là 44,3 mg/L và Châu

Âu là 50 mg/L (WHO, 1984) Thực ra NO3- không độc nhưng khi vào cơ thể nitrat được chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion này còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Nguy cơ độc quan trọng nhất của

khả năng vận chuyển oxy trong máu, đồng thời ức chế quá trình phân ly oxy

từ hồng cầu Các cơ quan trong cơ thể vì vậy mà không được cung cấp đủ oxy Lượng methaemoglobin trong máu:

- 0 - 3%: Bình thường

- 3 - 10%: Không có triệu chứng

- 10 - 20%: Chỉ gây tím tái hoặc không có triệu chứng,

- 20 - 40%: Gây đau đầu chóng mặt, mệt mỏi

- Lớn hơn 55%: Dẫn đến suy tim

- Cao hơn 65%: Có thể gây tử vong

Nitrat là một trong các nguyên nhân gây ung thư, đặc biệt là ung thư dạ dày, được đề cập trong nghiên cứu ECETOC (1988) và FAO/WHO (1985), tuy nhiên kết quả không đồng nhất Công bố mới về dịch tễ học cho thấy không có mối liên hệ giữa lượng tiêu thụ nitrat với ung thư dạ dày (ASTDR, 2015)

Nitrat có thể liên quan đến một số bệnh ung thư xuất phát từ tế bào của

hệ thống miễn dịch như ung thư thực quản, mũi họng, bàng quang, ruột kết, tuyến tiền liệt và tuyến giáp (ASTDR, 2015)

Ngoài ra, nitrat còn tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư, gây quái thai, gây đột biến, ion nitrat cũng liên quan đến bệnh tiểu đường (Mikuška & Večeřa, 2013)

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITRAT TRONG NƯỚC

2.2.1 Phương pháp khử nitơ sinh học

Phân hủy sinh học là một biện pháp làm giảm các ion nitrat từ nước thải Các hợp chất khác có thể được sử dụng trong quá trình khử nitrat bao gồm acetate, ethanol, metan, glucose, peptone, bụi, glycerol, axit lactic, mật rỉ, (Adav & cs, 2010) Trong quá trình này, nhờ hoạt động của vi sinh vật khử nitrat thành nitrit và sau đó tạo ra oxit nitric, oxit nitơ và khí nitơ

NO3 → NO2 → NO → N2O → N2

Theo nghiên cứu của Constantin & cs (1997) đã khử nitơ trong nước thải bằng hai nguồn carbon khác nhau là ethanol và axit axetic và kết quả cho thấy ethanol có tỷ lệ khử nitrat tổng thể lớn hơn axit axetic Ngoài ra Greben

& cs (2004), cũng đã đánh giá về khả năng loại bỏ nitrat bằng cách sử dụng bụi là nguồn năng lượng Gần đây, các chất khác như bông, rơm rạ, củi, nhựa mùn cưa và nhựa phân hủy sinh học như nguồn cacbon hữu cơ cũng đang được nghiên cứu (Archana & cs, 2011)

Namasivayam & Sangeetha (2005) cũng đã nghiên cứu việc loại bỏ nitrat

từ nước thải bằng công nghệ khử nitơ sinh học bằng cách sử dụng vi khuẩn Psuedomonas Stutzeri cố định trong lò phản ứng sinh học tầng sôi với nồng độ nitrat ban đầu khác nhau (150, 180 và 200 ppm) và thấy rằng hiệu quả loại bỏ nitơ hơn 96% với methanol là nguồn carbon

2.2.2 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các chất trao đổi ion, chúng hoàn toàn không tan trong nước (Trần Văn Nhân & Ngô Thị Nga, 2002)

Các chất trao đổi ion có thể là vô cơ và hữu cơ, có thể là chất tự nhiên hay nhân tạo

- Nhóm vô cơ tự nhiên gồm caceolit, kim loại khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau…

- Nhóm tổng hợp vô cơ: Silacagen, pecmuit, các oxit và hydroxit khó tan của một vài kim loại

- Nhóm tự nhiên hữu cơ: Chất mùn của đất và than

- Nhóm tổng hợp hữu cơ: Là nhựa trao đổi ion với diện tích bề mặt riêng lớn Các nhựa tổng hợp là các hợp chất cao phân tử, các gốc hydrocarbon của chúng tạo thành mạng lưới không gian với các nhóm chức năng trao đổi ion cố định (Trần Văn Nhân & Ngô Thị Nga, 2002)

Trao đổi ion là một quá trình trao đổi các ion nitrat tan trong nước và nước thải với các ion clorua trên nhựa trao đổi anion Khi khả năng loại bỏ chất nitrat của nhựa được cạn kiệt, nó được tạo ra bằng cách sử dụng dung dịch natri clorua cao để loại bỏ nitrat trên nhựa Trao đổi ion là một phương pháp tiềm năng để loại bỏ nitrat hòa tan với hiệu quả cao, hoạt động đơn giản

và chi phí tương đối thấp Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp với nước thải ô nhiễm nitrat ở nồng độ thấp

2.2.3 Thẩm thấu ngược

Quá trình thẩm thấu ngược dựa trên tính chất của màng bán thấm màng thường được làm bằng vật liệu như cellulose acetate, polyamit và vật liệu composit (Archna & cs, 2011)

Điều quan trọng của thẩm thấu ngược là áp suất thẩm thấu là đại lượng rất nhỏ trong quá trình lọc lại đóng một vai trò quan trọng trong thẩm thấu ngược Thẩm thấu ngược không thể thu hồi được bã lọc có độ ẩm thấp vì áp suất thẩm thấu của dung dịch tăng cùng với sự tách của dung môi Ngoài ra, màng của thẩm thấu ngược làm việc dựa vào các yếu tố khác Màng chỉ cho phân tử nước đi qua còn giữ lại các chất hòa tan trên bề mặt Trong thẩm thấu ngược các hạt được tách (phân tử, các ion hydrat hóa) là các hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước của phân tử dung môi (Trần Văn Nhân & Ngô Thị Nga, 2002)

Hầu hết các màng tế bào không biểu hiện sự chọn lọc cao đối với ion nitrat Ví dụ, Darbi & cs (2003) báo cáo sự so sánh giữa ba công nghệ RO, trao đổi ion và quá trình sinh học để loại bỏ nitrat và cho thấy rằng hiệu suất

xử lý nitrat thấp nhất đạt được với RO (85%) so với 90% và 96% đối với trao đổi ion và quá trình sinh học, tương ứng

Màng lọc RO được sản xuất từ chất liệu Polyamit, công nghệ lọc RO được phát minh và nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trước và phát triển hoàn thiện vào thập niên 70 sau đó Màng lọc RO được phát minh bởi nhà khoa học Oragin

2.2.4 Điện phân

Quá trình thẩm điện phân được thực hiện bằng cách làm cho các cation

và anion từ dung dịch nước qua các màng trao đổi ion sử dụng lực dẫn động của điện trường Khi dòng điện được áp dụng, các cation đi qua các màng trao đổi cation theo một hướng và các anion đi qua các màng trao đổi anion theo một hướng khác (Hell & cs, 1998)

Trong quá trình điện phân, lượng electron nhường từ anot đúng bằng lượng electron nhận từ catot Bình điện phân bao gồm điện cực anot, catot, dung dịch điện phân (Hell & cs, 1998)

Theo Elmidaoui & cs (2001) báo cáo việc loại bỏ nitrat trong nước ngầm Maroc bằng phương pháp thẩm phân điện Thí nghiệm được thực hiện trên năm loại màng trao đổi ion anion và một loại màng trao đổi cation để xử lý nước chứa 113 mg/L nitrat Kết quả đạt được là hàm lượng nitrat giảm xuống còn 30 mg/L sau 1 giờ hoạt động thẩm phân điện

2.2.5 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được dùng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa các hàm lượng rất nhỏ các chất đó Những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao (Trần Văn Nhân

& Ngô Thị Nga, 2002)

Hấp phụ là quá trình hút các chất lên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực

bề mặt Các vật liệu xốp gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ (Nguyễn Bin, 2005)

Hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân chia giữa hao pha gọi

là hiện tượng hấp phụ Trong công nghệ xử lý nước thải phương pháp hấp phụ

là nới về quá trình hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng

vè pha rắn (Trần Hiếu Nhuệ, 2001)

Dựa vào bản chất quá trình hấp phụ, có thể chia thành hai loại đó là hấp

- Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ được thực hiện bởi các lực vật lý

- Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ được thực hiện bởi các liên kết

có bản chất hóa học, tức quá trình này có sự hình thành các liên kết hóa học

Bảng 2 Tiêu chuẩn phân biệt hấp phụ vật lý và chất hấp phụ hóa học

Entanpy hấp phụ 8 - 20 kJ/mol 40 -80 kJ/mol

Năng lượng hoạt hóa

- Khuếch tán vào các mao quản của hạt;

- Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bảo hòa dần từng phần không goan hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên luôn kèm theo sự tỏa nhiệt Hiệu ứng này rất đáng kể đối với hấp phụ khí

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Đối với quá trình hấp phụ thì một số yếu tố như điều kiện pH, thời gian tiếp xúc, khối lượng vật liệu và nồng độ dung dịch ban đầu là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả hấp phụ và thường xuyên được các nhà nghiên cứu khảo sát