TỔNG QUAN
Tổng quan về amoni
1.1.1 Tính chất chung của amoni
Dễ tan trong nước Các muối amoni trong nước điện ly gần như hoàn toàn thành ion (khi ở dạng muối amoni gồm cation amoni NH 4 + và amoni gốc acid)
Hằng số phân ly acid (pK a ) của NH4 + là 9,25
Ion NH 4 + trong nước khi tác dụng dung dịch kiềm sẽ tạo khí NH 3 bay ra
Ion NH 4 + nhường H + vậy ion NH 4 + có tính acid
Theo chu trình Nitơ, khi có tác dụng nhiệt muối amoni trong nước sẽ tham gia các phản ứng sau
NH 4 Cl NH 3 + HCl (NH 4 ) 2 CO 3 NH 4 + NH 4 HCO 3
1.1.2 Nguồn phát thải và ảnh hưởng từ amoni
Amoni xuất hiện từ các quá trình chuyển hóa, nông nghiệp, công nghiệp và do khử trùng nước bằng cloramin Ô nhiễm amoni ngày càng gia tăng do chăn nuôi gia súc quy mô lớn, sử dụng phân bón hữu cơ và thuốc bảo vệ thực vật.
Những nguyên nhân đã tác động nghiêm trọng đến nguồn nước, đặc biệt là ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Amoni không gây hại nhiều cho sức khỏe ở liều lượng thấp, nhưng khi tiếp xúc với khoảng 200 mg/Kg thể trọng, nó có thể trở nên nguy hiểm Hơn nữa, amoni có thể chuyển hóa thành nitrat và nitrit, gây ra tác hại lớn hơn Đối với môi trường, sự hiện diện của amoni làm mất mỹ quan và tạo ra mùi khó chịu.
1.1.2.3 Tiêu chuẩn hàm lượng amoni trong nước
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn cho phép thải với chỉ tiêu tổng Nitơ (*)
Khu vực Tiêu chuẩn thải tổng Nitơ mg/L) Khu vực tinh khiết < 30
Khu vực A < 60 Khu vực B < 60 Khu vực đặc biệt < 60 (*) Trích bảng 1.3 – phần phụ lục
Bảng 1.2 trình bày giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào vùng nước biển ven bờ, nhằm đảm bảo an toàn cho các hoạt động thể thao và giải trí.
F là thải lƣợng, m 3 /ngày (24 giờ)
F1 từ 50 m 3 /ngày đến dưới 500 m 3 /ngày
F2 từ 500 m 3 /ngày đến dưới 5000 m 3 /ngày
F3 bằng hoặc lớn hơn 5000 m 3 /ngày
(**) Trích bảng 1.4 - phần phụ lục
Bảng 1.3 Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (***)
STT Thông số Đơn vị
2005 Gía trị giới hạn Gía trị giới hạn
1 Amoniac (tính theo Nitơ) mg/L
(***) Trích bảng 1.5 – phần phụ lục
Bảng 1.4 Giá trị các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán giá trị tối đa cho phép trong nước thải sinh hoạt.C max = C x K (****)
(****) Trích bảng 1.6 – phần phụ lục
Giá trị hệ số K ứng với loại hình cơ sở dịch vụ, cơ sở công cộng và chung cƣ Bảng 7.1 – phần phụ lục)
1.1.3 Phương pháp xác định amoni
Có nhiều phương pháp để xác định amoni, tùy thuộc vào hàm lượng amoni trong mẫu, ảnh hưởng của các cấu tử nhiễu, cũng như kỹ năng và điều kiện phòng thí nghiệm Phương pháp xác định trực tiếp chỉ phù hợp với các mẫu nước uống, nước bề mặt sạch và nước thải đã qua xử lý sơ bộ có hàm lượng amoni tương đối thấp Trong các trường hợp khác, cần xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác để lựa chọn phương pháp xác định phù hợp.
4 các cấu tử nhiễu là đáng kể thì mẫu cần được chưng cất lại trước khi tiến hành phân tích
Amoni có thể được xác định thông qua nhiều phương pháp khác nhau như chưng cất chuẩn độ, trắc quang với thuốc thử Nessler, phương pháp điện cực chọn lọc, trắc quang indophenol blue, phương pháp phenat hoặc phương pháp sắc ký lỏng.
Tổng quan về nitrat
Tan tốt trong nước Các muối nitrat trong nước điện ly gần như hoàn toàn thành ion
Phản ứng nhiệt phân tạo ion NO 2 - và khí oxi vì vậy nitrat có tính oxi hóa trong môi trường acid
Nitrat là sản phẩm cuối cùng trong chu trình nitơ, được hình thành từ sự phân hủy các chất chứa nitơ có trong chất thải Các phản ứng trong chu trình nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác, góp phần duy trì sự cân bằng sinh thái.
1.2.2 Nguồn phát thải và ảnh hưởng từ nitrat
Nguồn phát sinh nitrat chủ yếu từ việc môi trường ô nhiễm lâu ngày hoặc qua việc sử dụng dƣ thừa các loại phân bón NPK trong nông nghiệp
Các nguồn thải từ ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm chứa acid nitric hòa tan trong nước mưa, dẫn đến việc hình thành HNO3 Điều này làm gia tăng lượng NO3- trong nước, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm.
Do các quá trình biến đổi trong chu trình nitơ:
Quá trình nitrat hóa: Oxi hóa tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat
Quá trình khử nitrat: Chuyển hóa lại thành dạng nitơ
Quá trình cố định nitơ là quá trình chuyển đổi nitơ trong không khí thành dạng amoni, một dạng có thể được sử dụng trong hệ sinh học Quá trình này yêu cầu năng lượng để thực hiện việc chuyển hóa từ nitơ khí thành amoni.
Các ion nitrat trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, kích thích sự phát triển động vật thủy sinh và làm ô nhiễm khi chúng chết
Nitrat có thể gây ra tình trạng thiếu vitamin và ung thư ở người cao tuổi, đồng thời gây kích ứng cho trẻ em Khi thức ăn được tiêu hóa, vi khuẩn đường ruột chuyển đổi nitrat thành nitrit, dẫn đến việc nitrit cạnh tranh với oxy trong hồng cầu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của Hemoglobin, gây ra tình trạng thiếu máu và da xanh.
+ 2OH - + NO 3 - + O 2 1.2.2.3 Tiêu chuẩn hàm lượng nitrat trong nước
Bảng 1.5 Giá trị các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán giá trị tối đa cho phép trong nước thải sinh hoạt.C max = C x K (*****)
Thông số Đơn vị Giá trị C
Nitrat (NO 3 - ) (tính theo N) mg/L 30 50
(*****)Trích bảng 1.6 – phần phụ lục
1.2.3 Phương pháp xác định nitrat
Việc xác định nitrat gặp khó khăn do quy trình phức tạp và khả năng bị ảnh hưởng bởi nhiễu cao Phương pháp trắc quang thường được áp dụng để xác định nitrat, sử dụng các thuốc thử như 2,4-disunfophenic, acid salisilic, dimethylphenol, 4-fluorophenol và thuốc thử brucine.
Tổng quan về nitrit
Tan tốt trong nước Các muối nitrit trong nước điện ly gần như hoàn toàn thành ion
Đa số các muối nitrit không màu
Trong môi trường acid, muối nitrit thể hiện tính oxi hoá và tính khử tương tự như acid nitrơ Acid nitrơ và muối NaNO2 được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt là trong sản xuất phẩm nhuộm azo.
Ion NO2- có khả năng tạo liên kết với ion kim loại nhờ cặp electron tự do ở nitơ Một phức chất tiêu biểu là natricobantinitrit Na3[Co(NO2)6], được sử dụng làm thuốc thử để phát hiện ion K+ thông qua việc tạo ra kết tủa K3[Co(NO2)6] màu vàng.
Nitrit kim loại kiềm có độ bền cao với nhiệt, không phân hủy khi nóng chảy và chỉ bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ trên 500ºC Trong khi đó, nitrit của các kim loại khác lại kém bền hơn, như AgNO2, phân hủy khi đun nóng ở 140ºC.
1.3.2 Nguồn phát thải và ảnh hưởng từ nitrit
Từ nước thải của các nhà máy sản xuất phân bón, hóa chất, nước thải sinh hoạt…
Do các quá trình biến đổi trong chu trình nitơ
Các vết nitrit là chỉ số quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ, vì chúng là sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ Trong nước, nitrit (NO2-) thường chuyển hóa thành nitrat (NO3-).
Gây tổn thương tế bào, sinh khối u trong gan, phổi, vòm họng…
Gián tiếp gây đến tình trạng thiếu máu, da xanh cơ chế ảnh hưởng 1.2.2.2)
Ion nitrit được coi là nguy hiểm hơn nitrat Trong môi trường acid, nitrit có thể phản ứng với các amin thứ cấp để tạo ra nitrosamine, một hợp chất gây ung thư Sự hình thành này có thể gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
1.3.3 Phương pháp xác định nitrit
Nitrit có thể được xác định qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp trắc quang với thuốc thử Griss, sulfuanilamide và N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride, cũng như phương pháp chuẩn độ với KMnO4 và phương pháp động học xúc tác trắc quang Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào hàm lượng mẫu, phạm vi áp dụng và nhiều yếu tố khác.
NỘI DUNG PHÂN TÍCH
Cách lấy mẫu và bảo quản
Lấy mẫu là bước quan trọng đầu tiên trong quá trình phân tích, vì nếu không thực hiện đúng quy cách, kết quả phân tích sẽ bị sai lệch và ảnh hưởng đến việc đánh giá chất lượng nước thải Do đó, người phân tích cần tuân thủ nghiêm ngặt các kỹ thuật lấy mẫu để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Trước khi tiến hành lấy mẫu, dụng cụ cần phải được làm sạch và rửa kỹ bằng nước cất Khi lấy mẫu, bình chứa mẫu cũng cần được tráng rửa từ 2 đến 3 lần bằng dung dịch mẫu Phương pháp lấy mẫu sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí lấy mẫu.
Để lấy mẫu nước từ đường ống dẫn, bạn cần mở vòi nước chảy mạnh trong khoảng 5 đến 10 phút Sau đó, mở nút dụng cụ và đặt miệng dụng cụ vào đầu vòi nước, để nước chảy tràn trong khoảng 2 đến 3 phút trước khi vặn nút bình mẫu lại.
Lấy mẫu nước tại ao, hồ, giếng và ruộng là một quy trình quan trọng, trong đó cần thực hiện ở nhiều vị trí khác nhau với độ nông sâu khác nhau Có thể sử dụng dụng cụ lấy mẫu chuyên dụng để thu thập nước ở các độ sâu từ 0,5m, 1m, 1,5m đến 2m Đối với nước bề mặt, nên lấy mẫu ở điểm giữa, xung quanh và những vị trí ngẫu nhiên khác để đảm bảo tính đại diện cho mẫu nước.
Lấy mẫu xong cần phải đƣa ngay về phòng thí nghiệm
Để đảm bảo an toàn cho các chai, lọ, bình trong quá trình vận chuyển, cần sắp xếp mẫu sao cho tránh va chạm và dao động Nếu thời gian vận chuyển vượt quá 2 giờ, mẫu cần được bảo quản ở nơi thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp Thời gian vận chuyển không nên kéo dài quá 24 giờ.
Một số phương pháp xác định các chỉ tiêu amoni, nitrat, nitrit trong nước thải
2.2.1 Xác định amoni trong nước thải
2.2.1.1 Phương pháp chưng cất chuẩn độ (Phương pháp Kjeldahl) a Nguyên tắc
Phân giải amoni trong mẫu bằng dung dịch NaOH sẽ tạo ra amoni, được hấp thu vào dung dịch acid dư như HCl, H2SO4 hoặc H3BO3 Để chuẩn lại lượng acid dư, sử dụng dung dịch chuẩn NaOH cho HCl hoặc H2SO4, và HCl hoặc H2SO4 cho H3BO3.
Xác định điểm tương đương:
Khi dung dịch hấp thu là HCl hoặc H₂SO₄, lượng acid dư sẽ được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với NaOH, sử dụng chỉ thị Phenolphtalein hoặc Tashiro cho đến khi dung dịch chuyển từ màu hồng sang màu xanh.
Dung dịch H3BO3 khi tác dụng với amoni sẽ tạo thành muối NH4H2BO3, được xác định qua quá trình chuẩn độ bằng HCl hoặc H2SO4 Sử dụng chỉ thị Tashiro, quá trình này sẽ hoàn tất khi dung dịch chuyển từ màu xám bẩn sang màu hồng tím.
Phương trình phản ứng khi sử dụng HCl hay H 2 SO 4 là dung dịch hấp thu:
(NH 4 ) 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O + 2NH 3
Phương trình phản ứng khi sử dụng H 3 BO 3 là dung dịch hấp thu:
(NH 4 ) 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O + 2NH 3
H 3 BO 3 + NH 4 OH → NH 4 H 2 BO 3 + 2H 2 O 2
NH 4 H 2 BO 3 + H 2 SO 4 → 2H3BO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4
Ure là một chất gây cản trở trong phân tích vì nó có thể bị chưng cất dưới dạng amoniac, làm tăng hàm lượng xác định Các amin dễ bay hơi cũng bị chưng cất và phản ứng với acid trong quá trình chuẩn độ, dẫn đến sai số trong kết quả Đối với mẫu chứa clo, cần loại trừ bằng cách thêm vài giọt Na2S2O3 0,1N để chuyển clo tự do thành Cl-, giảm thiểu sự bay hơi của clo vào dung dịch hấp thu.
Trong quá trình chưng cất, việc duy trì nguồn cung cấp nhiệt ổn định là rất quan trọng để ngăn ngừa dung dịch trong bình cất bị hút trở lại vào bình phân giải.
Các dụng cụ thủy tinh thông thường: Phục vụ quá trình phân tích
Hệ thống chƣng cất: Phân giải amoni
Bếp điện: Gia nhiệt, tăng vận tốc phân giải d Hóa chất
Dung dịch chuẩn HCl hay H 2 SO 4 : Là dung dịch hấp thu và là dung dịch chuẩn hóa khi dùng dung dịch hấp thu là H 3 BO 3
Dung dịch NaOH 40% là dung dịch phân giải amoni, với nồng độ cao giúp hạn chế thể tích dung dịch cần sử dụng trong bình chưng cất Sử dụng dung dịch pha loãng hơn sẽ tốn nhiều thể tích hơn, dẫn đến hiện tượng sôi trào Để bảo quản, cần lưu trữ trong chai nhựa vì NaOH có khả năng ăn mòn thủy tinh.
Chỉ thị Phenolphthalein (PP) 1%:Nhận biếtđiểm tương đương trong quá trình hấp thu và chuẩn độ
Cách pha chế: Cân 1 g phenolphtalein vào cốc chứa 100 mL cồn, khuấy đều Bảo quản trong chai màu tối
Chỉ thị Tashiro được sử dụng để nhận biết điểm tương đương trong quá trình hấp thu và chuẩn độ Công thức pha chế của chỉ thị này bao gồm sự kết hợp giữa chỉ thị metyl red (MR) và metyl blue (MB).
Metyl red (MR): Cho chỉ thị vào cốc chứa cồn 60 o , khuấy cho tan hoàn toàn Bảo quản trong chai màu tối
Metyl blue (MB): Hòa tan 0,1 g MB và 50 g NaH 2 PO 4 với 41 mL H 2 SO 4 6N thêm nước thành 1 lít e Quy trình xác định
Lấy mẫu, bảo quản mẫu
Vị trí lấy mẫu: Tại nơi cần xác định amoni
Thể tích mẫu lấy: Tùy vào hàm lượng Amoni có trong mẫu và phương pháp sử dụng.Lấy thể tích mẫu theo bảng 2.1
Bảng 2.1 Thể tích mẫu lấy xác định hàm lƣợng amoni
Hàm lƣợng Amoni trong mẫu (mg/L) Thể tích mẫu (mL)
Dụng cụ lấy mẫu: Có thể lấy mẫu bằng bình thủy tinh hay bình nhựa
Bảo quản mẫu: Để bảo quản mẫu lâu (khoảng 24 giờ) thì ta cần acid hóa mẫu (pH
Việc sử dụng acid H2SO4 và làm lạnh ở nhiệt độ 2 - 5 độ C giúp ngăn chặn sự bay hơi và thất thoát của NH3 trong quá trình phân tích Acid hóa mẫu là bước quan trọng để bảo đảm độ chính xác của kết quả phân tích NH3 hoặc NH4+.
8 trong nước cùng với photphat sẽ thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước nên cần làm lạnh xuống 2 - 5 o Ckhi không có điều kiện phân tích ngay
Lắp ráp, rửa sạch và kiểm tra hệ thống chƣng cất
Hình2.1 Hệ thống chƣng cất
1 Bình hứng 2 Bình cất 3.6.9 Khóa
4 Phểu 5 Bếp điện 7 Bình phân giải
8 Bình rửa 10 Ống sinh hàn
Kiểm tra nước hoàn lưu và chạy mẫu trắng trước khi chưng cất
Hệ thống chƣng cất phải kín
Trong bình cất cho vào vài hạt đá bọt để sôi đều
Đầu ống sinh hàn phải ngập trong dung dịch hấp thu Gia tăng hiệu quả hấp thu
Chuẩn bị trước hoặc đồng thời với bình chưng cất để khi cho NaOH vào bình chƣng cất thì amoni bay ra sẽ đƣợc hấp thu ngay
Khi sử dụng dung dịch hấp thu, cần chú ý đến màu sắc của nó, vì nồng độ của dung dịch này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác trong việc xác định hàm lượng amoni trong mẫu nước Nếu hàm lượng amoni trong mẫu cao nhưng nồng độ dung dịch hấp thu không đủ, có thể dẫn đến thất thoát và làm sai lệch kết quả tính toán.
Để tiến hành quá trình chưng cất, hãy cho dung dịch hấp thu với thể tích chính xác vào bình tam giác và thêm vài giọt chỉ thị Tashiro Lưu ý theo dõi màu sắc của dung dịch hấp thu trong suốt quá trình chưng cất để đảm bảo kết quả chính xác.
Nhúng đầu ống sinh hàn của bộ chƣng cất ngập hẳn trong dung dịch của bình hấp thu
Mở nước vào ống sinh hàn
Cho mẫu và dung dịch NaOH vào bình phân giải, cho thêm vài viên đá bọt để dung dịch sôi đều
Nhận màu dung dịch hấp thu: Thông qua chỉ thị Tashiro
Dung dịch hấp thu có thể là HCl hoặc H2SO4 Trong quá trình hấp thu, dung dịch sẽ giữ nguyên màu hồng; nếu màu sắc chuyển sang xanh, cần bổ sung một lượng chính xác acid hấp thu.
Dung dịch hấp thu H3BO3 cần có màu xám bẩn trong quá trình hấp thu Nếu dung dịch chuyển sang màu xanh, cần bổ sung H3BO3 vào bình hấp thu để duy trì hiệu quả.
Để kiểm tra kết thúc quá trình hấp thu, nâng đầu ống sinh hàn lên khỏi mặt dung dịch trong bình hứng Sử dụng bình tia để rửa đầu ống sinh hàn và kiểm tra giọt nước chảy ra ở đầu ống bằng giấy quỳ Nếu giọt nước không làm đổi màu giấy quỳ, quá trình hấp thu có thể được coi là đã hoàn tất.
Dung dịch hấp thu có thể là HCl hoặc H₂SO₄ Để chuẩn độ, dung dịch này được sử dụng với NaOH tiêu chuẩn, kèm theo chỉ thị phenolphtalein hoặc tashiro Điểm tương đương được xác định khi màu dung dịch chuyển từ hồng sang xanh.
Dung dịch hấp thu được xác định là H3BO3, được chuẩn hóa bằng dung dịch chuẩn HCl hoặc H2SO4 với chỉ thị Tashiro Điểm tương đương được nhận biết khi màu dung dịch chuyển từ xám bẩn sang hồng tím Kết quả cần được tính toán chính xác.
Khi dùng dung dịch hấp thu là HCl hay H 2 SO 4
N H , V H : là nồng độ đương lượng (N), thể tích dung dịch acid H 2 SO 4 đem đi hấp thu (mL)
N OH , V OH : là nồng độ đương lượng N), thể tích NaOH tiêu tốn cho việc chuẩn độ lƣợng H2SO 4 dƣ sau khi hấp thụ NH3 (mL)
f: hệ số pha loãng (mL)
Khi dùng dung dịch hấp thu là H 3 BO 3
N H , V H : là nồng độ đương lượng (N), thể tích dung dịch acid H 3 BO 3 đem đi hấp thu (mL)
N OH , V OH : là nồng độ đương lượng N), thể tích NaOH đem phân giải (mL)
f: hệ số pha loãng (mL)
2.2.1.2 Phương pháp so màu với thuốc thử Nessler a Nguyên tắc
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
Phương pháp khử ion amoni
3.1.1 Phương pháp Clo hóa nước đến điểm đột biến
Khi cho Clo vào nước, trong nước tạo ra acid hypoclorit
Cl 2 + H 2 O ⇔ HCl + HOCl Acid hypoclorit kết hợp với NH 4 + tạo thành Cloramin Khi nhiệt độ nước ≥ 20ºC, pH ≥ 7 phản ứng diễn ra nhƣ sau:
OH - + NH 4 + → NH 4 OH ⇔ NH 3 + H 2 O
NH 3 + HOCl → NH 2 Cl + H 2 O monocloramin
NH 2 Cl + HOCl → NHCl2 + H 2 O dicloramin NHCl 2 + HOCl → NCl 3 + H 2 O tricloramin Quá trình kết thúc sau 3 phút khuấy trộn nhẹ Tại điểm oxy hóa hết cloramin và trong nước xuất hiện clo tự do gọi là điểm đột biến Sau khi khử hết NH 4 + trong nước còn lại lượng clo dư lớn, phải khử clo dư trước khi cấp cho người tiêu thụ:
Khử clo dư trong nước sau khi lọc bằng natrisunfit (Na 2 SO 3 )
Na 2 SO 3 + Cl 2 + H 2 O → 2HCl + Na 2 SO 4
Khử clo dư trong nước sau khi lọc bằng trionatrisunfit (Na 2 S 2 O 3 )
4Cl 2 + Na 2 S 2 O 3 + 5H 2 O → 2NaCl+ 6HCl + 2H2SO 4 Quá trình diễn ra hoàn chỉnh sau 15 phút khuấy trộn đều hóa chất và nước
Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng tốc độ phản ứng của clo với các hợp chất hữu cơ chỉ bằng một nửa so với phản ứng với amoni Khi amoni phản ứng gần hết, clo dư sẽ tương tác với các hợp chất hữu cơ trong nước, tạo ra nhiều hợp chất clo có mùi khó chịu Khoảng 15% trong số đó là các hợp chất nhóm THM (trihalometan) và HAA (acid axetic halogen), đều là những chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt.
Sử dụng clo trong các nhà máy lớn đòi hỏi một lượng lớn clo, gây ra vấn đề an toàn khó khăn Mặc dù phương pháp clo hóa có thiết bị đơn giản và chi phí xây dựng thấp, nhưng việc áp dụng nó gặp nhiều thách thức.
Muốn khử NH 4 + ra khỏi nước bằng phương pháp làm thoáng, phải đưa pH của nước nguồn lên 10,5 – 11,0 để biến 99% NH 4 + thành khí NH 3 hòa tan trong nước
Nâng pH của nước thô: Để nâng pH của nước thô lên 10,5 – 11,0 thường dùng vôi hoặc xút Sau bể lọc phaacid vào nước để đưa pH từ 10,5 – 11,0 xuống còn 7,5
Tháp làm thoáng khử khí amoniac NH3 được thiết kế để xử lý nước có hàm lượng amoniac đầu vào từ 20 – 40 mg/L, với mục tiêu giảm hàm lượng còn lại xuống còn 1 – 2 mg/L, đạt hiệu quả khử khí từ 90 – 95% Hiệu quả khử khí NH3 của tháp phụ thuộc vào pH, với điều kiện pH ≥ 11, và đặc biệt ảnh hưởng bởi nhiệt độ nước; khi nhiệt độ tăng, tốc độ và số lượng ion NH4+ chuyển hóa thành NH3 cũng tăng nhanh chóng.
3.1.3 Phương pháp trao đổi ion Để khử NH 4 + ra khỏi nước có thể áp dụng phương pháp lọc qua bể lọc cationit Qua bể lọc cationit, lớp lọc sẽ giữ lại ion NH 4 + hòa tan trong nước trên bề mặt hạt và cho vào nước ion Na + Để khử NH 4 + phải giữ pH của nước nguồn lớn hơn 4 và nhỏ hơn 8.Vì khi pH ≤ 4, hạt lọc cationit sẽ giữ lại cả ion H + làm giảm hiệu quả khử NH 4 + Khi pH > 8 một phần ion NH 4 + chuyển thành NH 3 dạng khí hòa tan không có tác dụng với hạt cationit
3.1.4 Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br - ) Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hoá điểm đột biến người ta có thể thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt của Br - Về cơ bản xử lýNH4 +bằng O3 với sự có mặt của Br - cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương pháp xử lý dùng clo Dưới tác dụng của O 3 , Br - bị oxi hoá thành BrO - theo phản ứng sau đây:
Br - + O 3 + H + = HBrO + O 2 Phản ứng oxy hoá NH 4 + đƣợc thực hiện bởi ion BrO - giống nhƣ của ion Cl -
NH 2 Br + NHBr 2 = N 2 + 3Br - + H + Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp clo hoá và Ozon hoá xúc tác
3.1.5 Phương pháp sinh học xử lý amoni
3.1.5.1 Phương pháp sinh học truyền thống xử lý amoni
Quá trình nitrat hóa là một yếu tố quan trọng trong hệ sinh thái trái đất, đặc biệt trong chu trình nitơ Đây là phương pháp truyền thống để xử lý amoni, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ từ dạng khử sang dạng oxi hóa Amoni được loại bỏ qua hai giai đoạn: nitrat hóa và đề nitrat hóa.
Trong quá trình nitrat hóa, hai loại vi sinh vật chính tham gia là nitrosomonas và nitrobacter Chúng là vi sinh vật tự dưỡng, sử dụng năng lượng từ việc oxi hóa các hợp chất vô cơ hoặc CO2 để phát triển và tổng hợp tế bào, thay vì từ hợp chất hữu cơ Mỗi loại vi sinh vật này có yêu cầu môi trường riêng biệt như pH, nhiệt độ và oxi hòa tan, và chúng tái sinh chậm hơn so với vi sinh vật dị dưỡng Ngoài ra, sự phát triển của chúng có thể bị ức chế bởi nhiều loại kim loại nặng hoặc các hợp chất hữu cơ Nitrosomonas có khả năng oxi hóa amoni thành nitrit, trong khi nitrobacter chuyển đổi nitrit thành nitrat.
Hình 3.1 Vi khuẩn NitrosomonasII (Yuichi Suwa) và Vi khuẩn Nitrobacter Điều kiện tối ƣu cho sự phát triển của 2 loại vi khuẩn trên:
Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ từ 25 – 30 o C là thích hợp cho việc nitrat hóa, trong đó tại nhiệt độ xung quanh 30 o C tốc độ nitrat hóa là cao nhất
Quá trình chuyển hóa amoni thành nitrat thông qua nitrit bởi vi sinh vật nitrat hóa tự dưỡng thường diễn ra trong môi trường có pH từ trung tính đến kiềm Ngược lại, quá trình nitrat hóa ở pH acid thường được coi là kết quả của hoạt động của các vi sinh vật khác.
Nghiên cứu về vi sinh vật dị dưỡng cho thấy tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống gián đoạn phụ thuộc vào pH Cụ thể, pH tối ưu cho nitrosomonas và nitrobacter lần lượt nằm trong khoảng 7,5 – 9,0 và 7,0 – 9,3 Ở pH kiềm, sự oxi hóa nitrit bị giảm do cạnh tranh giữa NO2- và OH-, trong khi ở pH thấp, sự oxi hóa này cũng bị ảnh hưởng bởi sự hình thành acid nitric tự do.
Phương trình tỷ lượng:Sự oxi hóa của NH 4 + và NO 3 - xảy ra theo 2 bước như sau:
Bước 1: Amoni được oxi hóa thành nitrit
Vi khuẩn thực hiện quá trình này ở thủy vực nước ngọt có tên là nitrosomonas europara và trong thủy vực nước lợ có tên là nitrosococcus
Bước 2: Oxi hóa NO2 - thành NO 3 -
Phương trình tổng cộng có thể viết như sau:
NH 4 + + 2O 2 → NO 3 - +2H + +H 2 O (1) Để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn muốn oxi hóa 1g NH4 + cần 4,57 g O 2
Phản ứng tạo sinh khối cũng xảy ra đồng thời với quá trình nitrat hóa theo phương trình:
NH 4 + + HCO 3 - + 4CO 2 + H 2 O → C 5 H 7 O 2 N + 5O 2 (2) Trong đó C 5 H 7 O 2 N là công thức tƣợng trƣng cho tế bào vi khuẩn
Kết hợp 1) và 2), phương trình tổng cộng của quá trình oxi hóa và tạo sinh khối là: 22NH 4 + + 37O 2 + HCO 3 - + 4CO 2 →C 5 H 7 O 2 N + 21NO 3 - + 20H 2 O + 42H +
Từ phương trình trên ta thấy rằng tính kiềm sẽ giảm dần trong suốt quá trình nitrat hóa
Hiệu quả của quá trình nitrat hóa:
Vận tốc nitrat hóa chịu ảnh hưởng bởi tuổi thọ bùn, nhiệt độ, pH, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng amoni, oxy hòa tan và vật liệu lọc Quá trình này diễn ra thuận lợi hơn ở nhiệt độ cao.
Quá trình nitrat hóa hiệu quả khi hàm lượng oxy hòa tan lớn hơn 4 mg/L; nếu chỉ đạt 2 mg/L, hiệu suất giảm 50% Vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết tụ thấp, vì vậy việc chọn vật liệu lọc và các màng vi sinh vật bám dính rất quan trọng cho hiệu suất làm sạch và sản phẩm của phản ứng sinh hóa Đề nitrat hóa là quá trình mà một số loài vi khuẩn nhất định trong điều kiện kỵ khí khử NO3- thành các sản phẩm khí như N2, NO, và N2O, những chất này có ảnh hưởng không đáng kể tới môi trường.
Vi khuẩn đề nitrat hóa:
Vi khuẩn đề nitrat hóa, khác với vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng, là vi khuẩn dị dưỡng Những loại vi khuẩn phổ biến trong nhóm này bao gồm Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas và Achromobacter.
Trong môi trường kị khí, vi khuẩn sử dụng NO3- hoặc NO2- làm chất nhận điện tử cuối cùng, kết hợp với các hợp chất hữu cơ như methanol, axetat, glucozo và etanol để tạo ra năng lượng Methanol (CH3OH) là một lựa chọn phổ biến do giá thành thấp, vì vậy nó thường được sử dụng rộng rãi trong các quá trình này.
Phương trình tỉ lượng cho quá trình nitrat hóa là một quá trình gồm hai bước, trong đó metanol được sử dụng làm chất cho điện tử.
CH 3 OH + 3NO 3 - → 3NO 2 - + CO 2 + 2H 2 O
CH 3 OH + 2NO 2 - → CO 2 + N 2 + H 2 O +2OH - Phương trình tổng cộng:
Khử nitrate NO 3 -
Để khử nitrat, có thể sử dụng các phương pháp như lọc thẩm thấu ngược RO, điện phân và trao đổi ion trong các bể lọc ionit Phương pháp trao đổi ion chỉ áp dụng khi nước có hàm lượng cặn dưới 1 mg/L và tổng hàm lượng ion NO3-, SO42- và Cl- không vượt quá 250 mg/L, trong đó ion Cl- là giới hạn tối đa cho phép trong nước uống.
29 lọc anionit các ion SO 4 2- , NO 3 - đƣợc giữ lại, thay bằng ion Cl - khi hoàn nguyên bể lọc anionit bằng dung dịch muối ăn.
Đánh giá
Nhiều phương pháp và công trình đã được nghiên cứu để xử lý nitơ trong nước thải, bao gồm các phương pháp hóa học, sinh học và vật lý Tuy nhiên, phần lớn các phương pháp này vẫn chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ chuẩn có thể áp dụng rộng rãi Bài viết dưới đây sẽ phân tích tổng quan về các dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng.
Bảng 3.1 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải
Các phương pháp xử lý
Hiệu suất xử lý nitơ % )
Bậc II 15-50% < 10% Hiệu suất thấp 10-30%
Xử lý bằng phương pháp sinh học
Vi khuẩn hấp thụ nitơ 0 40-70% Hiệu suất thấp 30-70%
Chủ yếu chuyển hoá thành NH 3 -
Quá trình nitrat hoá Xử lý có giới hạn
Chủ yếu chuyển hoá thành NH 3 -
Xử lý bởi quá trình làm thoáng
Tách bằng các quá trình nitrat và khử nitrat
Các phương pháp hoá học
Châm clo Kém ổn định 90-100% 0 80-95% Đông tụ hoá học 50-70% Hiệu suất thấp
Cacbon dính bám 30-50% Hiệu suất thấp
Trao đổi ion có chọn lọc với amoni
Hiệu suất thấp, kém ổn định 80-97% 0 70-95%
Trao đổi ion có chọn lọc với nitrat Hiệu suất thấp Hiệu suất thấp 75-90% 70-90%
Các phương pháp vật lý
Lọc 30-95% N dạng cặn hữu cơ
Kết tủa bằng điện cực
Phân tích hiệu quả xử lý nitơ cho thấy phương pháp sinh học mang lại hiệu quả cao Bên cạnh đó, cần xem xét các phương pháp khác như hóa học (châm clo), vật lý (thổi khí) và trao đổi ion Theo thống kê, trong số 1200 nhà máy xử lý nitơ, chỉ có 6 nhà máy sử dụng biện pháp thổi khí, 8 nhà máy sử dụng châm clo, và chỉ 1 nhà máy áp dụng trao đổi ion Nguyên nhân chính cho việc ít sử dụng các biện pháp này là do chi phí đầu tư lớn và sự phức tạp trong vận hành và bảo trì.