Các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni.. Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học
Trang 1Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trường
Khoa………
………… o0o…………
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI
Trang 2Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 4
Chương1 5
1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở VIỆT NAM 5
1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI 13
1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến 13
Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12] 14
1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping) 15
1.3.5 Phương pháp trao đổi ion 17
Cs + >Rb + >K + >NH 4 + >Ba 2+ >Na + >Ca 2+ >Fe 2+ >Al 3+ Mg 2+ >Li + 18
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA 18
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN 19
Chương 2 21
Khái niệm quá trình trao đổi ion 21
2.1 CHẤT TRAO ĐỔI ION 21
2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13] 22
a) Loại cationit 22
b) Loại anionit 23
2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion 23
2.2.2 Chất trao đổi ion vô cơ tổng hợp 23
2.2.3 Vật liệu trao đổi ion trên than 23
2.2.4 Nhựa trao đổi ion 24
2.3.3.2 Tính chọn lọc 30
2.4 CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ION[13] 31
2.5 CỘT TRAO ĐỔI ION 32
2.5.1 Quá trình trao đổi ion trong cột[13] 32
2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion trong cột 34
2.5.3 Tính toán thiết kế cột trao đổi ion[13] 36
2.5.4 Tái sinh chất trao đổi ion 37
Chương 3 39
3.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 39
3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 39
3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40
a) Phương pháp xác định amoni (phương pháp so màu dùng thuốc thử Nessler) 40
Trang 3Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
b) Phương pháp xác định độ cứng tổng (phương pháp chuẩn độ với EDTA
trong môi trường kiềm với chỉ thị Eriochrome blackT) 41
3.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 42
3.4.1 Hoá chất và thiết bị 42
3.4.1.1 Hoá chất: 42
3.4.1.2 Thiết bị: 42
3.4.2 Quá trình chuẩn bị nhựa trao đổi ion 43
3.4.3 Quá trình tái sinh cột trao đổi ion trong các thí nghiệm 43
3.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
KẾT LUẬN 73
Trang 4Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
LỜI MỞ ĐẦU
Khoảng 71% với 361 triệu km2 bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước Nước là dạng vật chất rất cần cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất Nước có nhiệt hoá hơi, đóng băng và ngưng kết tương đối gần nhau, vì vậy nước tồn tại trên Trái Đất ở cả ba dạng: rắn, lỏng và hơi
Người ta đã phát hiện thấy khoảng 80% loại bệnh tật của con người có liên quan đến chất lượng của nguồn nước dùng cho sinh hoạt Vì vậy chất lượng nước có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp bảo vệ và chăm sóc sức khoẻ cộng đồng
Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần
và mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ Ngày nay, với
sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hoá và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên ngày càng cạn kiệt và ngày càng ô nhiễm
Hoạt động nông nghiệp sử dụng gắn liền với các loại phân bón trên diện rộng Các loại nước công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trường làm cho nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm các hợp chất nitơ mà chủ yếu là amoni
Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hoá từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc Các hợp chất nitrit và nitrat hình thành do quá trình oxi hoá của vi sinh vật trong quá trình xử lý, tàng trử và chuyển tải nước đến người tiêu dùng Vì vậy việc xử lý amoni trong nước là đối tượng rất đáng quan tâm
Với mục đích áp dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý amoni trong nước ngầm trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit, đồ án này em tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi amoni trên nhựa cationit như: nồng độ amoni trong nước, tốc dộ dòng chảy, độ cứng trong nước Để phục vụ mục tiêu thiết kế cột trao đổi ion nhằm loại amoni ra khỏi nước ngầm
Trang 5Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Chương1
TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI VÀ MỘT SỐ
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở VIỆT NAM
1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm
1.1.1.1 Sự tồn tại của các hợp chất Nitơ trong nước
Amoni (NH4+)thật ra không quá độc đối với sức khoẻ con người song do quá trình khai thác, xử lý, lưu trữ NH4+ chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) Nitrit là chất độc rất có hại cho sức khoẻ con người do nó chuyển hoá thành Nitrosamin, là một chất có khả năng gây ung thư
Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ Các dạng
vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước Nitrat là muối Nitơ
vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion amoni (NH4+) và ion hydroxit (OH-) Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng Nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng nitơ
Các prôtêin
(động vật và thực vật)
Quá trình cố định nitơ Quá trình denitrat hoá
NO 3
-(Nitorat tan trong nước)
NO 2
-(Nitorit tan trong nước)
NH 3 (NH 4 OH)
(amoni tan trong nước)
Quá trình hô hấp
Quá trình nitrat hoá
Các amino axit
Hình1.1 Quá trình chuyển hoá của các hợp chất Nitơ trong nước
Trang 6Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Quá trình oxi hoá các dạng Nitơ vô cơ thành NO3- được gọi là quá trình nitrat hoá (nitrification) Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển khí NO3- thành khí Nitơ (N2) hoặc ôxit Nitơ (N2O) Quá trình cố định Nitơ (nitrogenfixation) là quá trình Nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng amoni Quá trình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá Nitơ không khí thành dạnh Amon Các prôtêin trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành các amoni axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô cơ trong nước đi vào
hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng Nitơ vô cơ
Các ion NO3- trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ kích thích sự phát triển của động vật thuỷ sinh Sau khi chết xát của chúng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước Nitơ và Photpho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước ngọt Nếu nồng độ NO3- tăng lên nhưng Photpho không tăng, hoặc nồng độ Photpho tăng lên nhưng nồng độ Nitơ không tăng thì sẽ không làm cho thực vật phát triển
Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nghiên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni trong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao
1.1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Có nhiều nghiên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu cơ trong nước ngầm nhưng một trong những nghiên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các
Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Trang 7Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm Ngoài ra mức
độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực Riêng đối với khu vực Hà Nội, nhất là khu vực phía nam, bị nhiễm amoni có thể giải thích theo khía cạnh địa chất như sau [4]:
i Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng
Kết quả của những hoạt động địa chất đã hình thành lên tầng chứa nước cuội sỏi
Đệ Tứ Đây là nguồn nước chính được khai thác cung cấp nước sinh hoạt cho các hoạt động sống của con người Tầng Đệ Tứ bao gồm nhiều loại kiến tạo với các loại trầm tích khác nhau về nguồn gốc Nhưng nhìn chung các tầng này đều có chứa các hạt than bùn, đất có lẫn các hợp chất hữu cơ Khả năng duy chuyển chất bẩn vào tầng nước có liên quan chặc chẽ đến thành phần hạt Hạt càng khô tính lưu thông càng lớn, khả năng hấp thụ nhỏ, các chất bẩn duy chuyển dễ dàng, hạt mịn thì ngược lại
ii Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm nằm ở phía trên mặt đất
Do quá trình khai thác nước ngầm ngày càng mở rộng đã kéo theo việc giải phóng các hợp chất Nitơ được phát hiện ngay từ lớp đất bùn chứa chất hữu cơ bị phân huỷ, đây có thể là một trong những nghiên nhân làm hàm lượng amoni trong nước ngày càng cao Trong nhiều năm qua cùng với sự phát triển của đời sống xã hội, sự phát triển của công nghệp và nông nghiệp chúng ta đã thải vào môi trường một lượng lớn chất thải, mà trong đó cả nước thải sản xuất và nước thải sinh hoạt đều có hàm
lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm sinh học cao
Trình trạng khoan khai thác nước một cánh tuỳ tiện của tư nhân hiện nay rất phổ biến Giếng được khoan có độ sâu từ 25 m đến 30 m là nguồn gốc tạo ra các cửa sổ thuỷ văn đưa chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm Ngoài ra việc khai thác nước ngầm với khối lượng lớn mà lượng nước mới không kịp bổ xung và đã tạo ra các phểu hạ thấp mực nước, đều này cũng gốp phần làm cho chất bẩn xâm nhập nhanh hơn Để bù đắp lượng nước ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên được đẩy mạnh, nước ngầm được bổ xung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống Đây chính là nghiên nhân của sự gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm bởi các chất có nguồn gốc nhân tạo Do việc phóng thải một lượng lớn các chất thải, nước thải có chứa nhiều hợp chất Nitơ hoà tan trong nước đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ các chất Nitơ trong nước bề mặt, ví dụ sản phẩm của quá trình Urê hoá, amoni và muối amon từ phân bón,
từ quá trình thối rửa và từ dây chuyền sinh học cũng như từ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp…Các chất này theo nước mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặc
Trang 8Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng
độ amoni trong nước ngầm
iii Do chiều dày đới thông khí
Khi chiều dày đới thông khí (hay chiều dày đường thấm) càng nhỏ khả năng xâm nhập các chất bẩn vào tầng chứa nước càng nhiều Nhưng riêng đối với hợp chất nitrat và nitrit thì chiều dày đới thông khí lớn, quá trình nitrat hoá diễn ra thuận lợi, còn chiều dày đới thông khí nhỏ quá trình nitrat hoá yếu hơn
Đối với thực tế trong điều kiện đới thông khí càng dày khi đó hàm lượng oxy xâm nhập từ khí quyển và các nguồn khác trên mặt đất vào đới thông khí sẽ lớn, thúc đẩy các điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí Khi đó quá trình nitrat hoá xảy ra và làm tăng hàm lượng NO2- và NO3-
iv Do độ dốc thuỷ lực lớn
Những nơi có cường độ dòng chảy mạnh làm tăng khả năng xâm nhập của các chất ô nhiễm vào nước ngầm Điều này có thể lý giải một phần tại sao khu vực phía nam Hà Nội lại ô nhiễn amoni cao như vậy Những khu vực nằm dưới độ dốc cao thường có hàm lượng ô nhiễm nặng hơn những vùng có độ dốc thấp Điều này phù hợp với qui luật vận động tự nhiên của vật chất
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì trình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh: ”Theo chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh (TP Hồ Chí Minh), kết quả quan trắc nước ngầm tầng nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005) và có hàm lượng nhôm cao, độ mặn tăng và mức độ ô mhiễm chất hữu cơ cũng tăng nhanh trong những năm gần đây; nồng độ sắt trong nước ngầm của một số khu vực khác như Linh Trung, Trường Thọ (Thủ Đức), Tân Tạo (Bình Chánh)…cũng khá cao (11,76 đến 27,83 mg/l) vượt tiêu chuẩn cho phép gần 50 lần [7] Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ-Địa Chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh như: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm
Trang 9Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
bẩn amoni rất nặng Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 70-80% Trong nhiều nguồn nước ngầm còn chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hoá có nguồn đạt 30-40 mg O2/l Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất hữu cơ [6]
Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa lý thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều có
tỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động[9].Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mẫu nước với hàm lượng lên tới 111,8 mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn Bộ Y Tế (TC BYT), còn
ở Duy Tiên là 93,8 mg/l gấp 63 lần…Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trường Đại Học Mỏ-Địa Chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông
và mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình > 20 mg/l vượt mức tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần [10] (Tiêu chuẩn nước vệ sinh ăn uống 1329/BYT-2002 đối với nồng độ NH4+ tối đa cho phép là 1,5 mg/l)
Bảng 1.1 Chất lượng nước tại một số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9]
mẫu lấy
trị điển hình (mg/l)
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế
6 Thị Trấn Vĩnh
≤1,5
Riêng đối với khu vực Hà Nội là nơi duy nhất của cả nước sử dụng 100% nước ngầm làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt Mặc dù qui định hàm lượng các chất Nitơ trong nước là rất nghiêm ngoặt song nước ngầm Hà Nội đang bị ô nhiễm nghiêm trọng,
đặc biệt là khu vực phía nam thành phố
Trang 10Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Bảng 1.2 Đặc trưng chất lượng nước ngầm của một số nhà máy nước khu vực Hà Nội[11]
Các chỉ tiêu chất lượng Các nhà
+ (mg/l)
NO 3 - (mg/l)
Fe (mg/l)
Cl -(mg/l)
Độ cứng ( 0 dH)
Mn (mg/l)
Độ oxi (mg/l)
-Ngô Sĩ Liên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0 6,2 6,7
13,3
0 1,5
10,6
0 0,7
16,7 0,4 3,1
88
20
48
13
1
9
2,3
0 1,0
0,1
0 0,7 -Lương Yên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0 6,8 7,7
5
0 1,0
4
0 0,4
19,9 2,8 7,2
4
2
1
9
5
7
0,5
0 0,2
1,8
0 0,4 -Tương Mai
Cao
Thấp
Trung bình
8 6,3 6,8
30 2,6 10,4
5
0 0,3
27,4 4,4 10,3
105
6
27
11
3
7
1,5
0 0,3
12,8 0,2 2,9 -Hạ Đình
Cao
Thấp
Trung bình
7,6 6,5 6,9
20
4 12,8
5
0 0,4
19,7 6,7 11,4
45
10
25
10
4
8
0,4
0 0,1
8,2 1,3 3,0 -Pháp Vân
Cao
Thấp
Trung bình
7,8 6,5
7
60 6,6 19,7
3
0 0,2
12 3,8 8,1
31
9
22
11
5
8
0,9
0 0,1
14,2 2,9 6,3 -Mai Dịch
Cao
Thấp
Trung bình
8
6 6,6
1,3
0 0,2
12,3
0 1,3
3,3
0 0,7
77
6
25
10
1
8
2 0,1 0,7
3
0 0,3 -Ngọc Hà
Cao
Thấp
Trung bình
7,1 6,1 6,7
30
0 0,7
7,5
0 0,9
4,7 0,1 1,6
57
14
37
14
4
9
2,4
0 1,1
2,6
0 0,5 -Yên Phụ