Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử nitơ trong nước bằng phương pháp sinh học...

Tài liệu Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử nitơ trong nước bằng phương pháp sinh học

.PDF
135
98
72

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- Nguyễn Viết Thành Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử Nitơ trong nước bằng phương pháp sinh học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Công nghệ môi trường Hà Nội – 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- Nguyễn Viết Thành Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử Nitơ trong nước bằng phương pháp sinh học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Công nghệ môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG XUÂN HIỂN Hà Nội - 2005 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NITƠ 1. 1.CÁC DẠNG NITƠ TRONG TỰ NHIÊN 1.1.1. Nitơ trong địa quyển Nitơ là nguyên tố đa lượng rất cần cho mọi vi sinh vật, không có nitơ thì không có bất kỳ một tế bào động, thực vật nào. Trong đất hợp chất chứa Nitơ có hoá trị –3 và +5. Hợp chất có mức độ oxy hoá khác nhau của Nitơ được gặp với số lượng nhỏ. Amoniac ở dạng tự do thực tế trong đất không gặp, nó là sản phẩm khi phân giải chất hữu cơ, được hoà tan nhanh vào nước NH3 + H2O  NH4+ + OHDạng Nitơ khoáng trong đất ngoài NH4+, NO3-, NO2- còn gặp các Nitơ oxit. Hàm lượng dễ tiêu của chúng nhỏ, chỉ chiếm 1 –3% so với Nitơ tổng. Quá trình khoáng hoá các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ thành nitơ dạng NH 4+ gọi là quá trình amon hoá do vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn hoặc nấm) thực hiện. Đó là bước thứ nhất trong quá trình khoáng hoá có thể minh họa như sau: C2H5NO2 + 3O2 + H+ → 2CO2 + NH4+ + H2O NH4+ được hình thành có thể bị hấp thụ bởi keo đất và một phần dung dịch ở thế cân bằng. Đồng thời NH4+ cũng có nhu cầu cho các cơ thể dị dưỡng khác để sinh trưởng gọi là quá trình tái sử dụng hay đồng hoá NH4+. NH4+ hình thành cũng được sử dụng bởi các vi sinh vật tự dưỡng (là những vi sinh vật nhận năng lượng từ các phản ứng hoá học để đồng hoá CO2). Vi sinh vật này chuyển hoá NH4+ thành NO2- và NO3- gọi là quá trình Nitrat hoá. NO3- được tạo ra là một anion không bị giữ bởi keo đất, tồn tại rất linh động trong dung dịch dễ mất khỏi đất do rửa trôi. Tạo ra NO 3- cũng là tiền đề cho quá trình phản nitrat hoá. Mất Nitơ do quá trình phản nitrat hoá ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 1 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh được thực hiện do vi khuẩn kỵ khí sử dụng NO3- như chất nhận sản phẩm cuối cùng (thay thế cho O2) tạo ra sản phẩm cuối cùng là N2. [10] Trong đất cũng thường xuyên xảy ra quá trình cố định Nitơ sinh học. Theo Postgate (1978) hằng năm xâm nhập vào sinh quyển từ khí quyển 200Mt (mega tấn) nitơ so với sản xuất phần Nitơ toàn cầu là 30 Mt. Cố định Nitơ sinh học là quá trình vi sinh vật sử dụng năng lượng dự trữ của sản phẩm quang hợp để đồng hoá N2 thành NH3: N2 + 3H2 → 2NH3 Nitơ là một trong các nguyên tố đa lượng biến đổi phức tạp trong đất có ý nghĩa nhất đối với độ phì của đất và cả về khía cạnh môi trường. 1.1.2. Nitơ trong khí quyển Phân tử Nitơ là thành phần chính trong khí quyển, dưới tác dụng của các tia sóng rất ngắn ( < 100 nm) có thể xảy ra các phản ứng quang hoá phức tạp với sự tạo thành nguyên tử nitơ hoạt hoá như sau: N2 h N2+ + e- N2+ + O2 → NO+ + NO NO+ + e- → N0 + O Xét về phương diện hoá học khí quyển của nitơ thì NO và NO2 có một ý nghĩa rất lớn. Nó xuất hiện do quá trình oxy hoá N2 với O2 dưới ảnh hưởng của việc phóng điện trong khí quyển: N2 + O2 Phóng điện 2NO Q, t0 cao Mặt khác ở bề mặt trái đất N2O sinh ra do kết quả của các hoạt động vi sinh (quá trình phân huỷ các chất hữu cơ bằng vi khuẩn trên bề mặt trái đất, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 2 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh quá trình khử nitrat bằng sinh học). Khi N2O khuyếch tán lên tầng bình lưu và hấp thụ các tia tử ngoại sóng ngắn thì ta có chuỗi phản ứng sau: [1] N2O NO + N N2O + O 2NO N2O + O N2 + O2 Việc oxy hoá NO thành NO2 nhờ oxy phân tử tiến hành tương đối chậm 2NO + O2 2 NO2 K = 2.10-38 cm3s-1 Nhưng với các chất có tính ôxy hoá mạnh như O3, HO2- hoặc gốc RO2- ở tầng bình lưu NO dễ dàng chuyển thành NO2: NO + O3 NO2 + O2 NO + HO2- NO2 + OHO NO có thể tham gia phản ứng với gốc OHO: NO + OH HNO2 Cuối cùng các phản ứng sẽ kết thúc khi NO2 phản ứng với gốc OHO cho HNO3 hoặc với một số chất hoạt tính HO2, NO2 và peroxyacylnitrat C2H3O5N (PAN) là những chất gây ăn mòn mạnh, một phần tan trong nước và theo mưa rơi xuống tầng bình lưu: NO2 + OHO → HNO3 NO2 + HO2 → HO2NO2 3NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO N2O5 + H2O → 2 HNO3 (tạo mưa axít) Điều này chứng tỏ HNO3 là nguyên nhân làm giảm tạm thời NO2 trong khí quyển ở tầng bình lưu. Khi mưa rơi xuống đất sẽ tạo Nitrat, quá trình khử ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 3 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh nitrat bằng phương pháp sinh học sẽ sinh ra N2 và lại đi vào trong khí quyển tạo thành vòng tuần hoàn Nitơ trong khí quyển. 1.1.3. Nitơ trong thuỷ quyển 1.1.3.1. Nitơ trong nước thiên nhiên Các hợp chất chứa Nitơ xâm nhập vào nước thiên nhiên từ các chất thải sinh hoạt và công nghiệp có chứa chất hữu cơ chủ yếu là protein. Protein (hợp chất có chứa Nitơ) với tác dụng của vi khuẩn biến thành ion amoni (NH4+). Ion amoni dưới tác dụng của vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí Nitromonas được chuyển hoá thành NO2-. Đến lượt NO2- dưới tác dụng của vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí Nitrobacter được chuyển hoá thành NO3-. [1] Nitrosomonas NH4+ +1.5 O2 NO2-+ 0.5 O2 2H+ + H2O + NO2Nitrobacter NO3- NO3- là chất phú dưỡng cho đất và cây xanh. Ngoài quy trình ở trên, NO 3 còn được bổ xung vào nước thiên nhiên do trong không khí chứa 72% Nitơ (N), khi gặp các đám mây tích điện, Nitơ bị oxy hoá thành N 2O5; N2O5 kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitric HNO3 có trong nước mưa. Từ các kết quả nghiên cứu đã ghi nhận với lượng mưa trung bình, mỗi năm nước mưa có thể bổ sung thêm 12kg NO3 cho một ha đất. Các nguồn phân bón hoá chất NPK là nguồn bổ xung NH4+, NO3 cho nguồn nước mặt và nước ngầm. I.1.3.2 Các dạng nitơ trong nước thải: Nitơ có khả năng tồn tại bảy dạng ôxy hoá khác nhau có hoá trị từ –3 đến + 5, vì vậy nó tạo thành rất nhiều hợp chất. Trong nước thải Nitơ có thể thấy ở bốn dạng: Nitơ hữu cơ, NH4+, NO2, và NO3. Trong nước thải, đầu tiên Nitơ sẽ kết hợp với các vật chất protein va ure như là các nitơ hữu cơ. Sự phân huỷ ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 4 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh bởi các vi khuẩn dị dưỡng được biết đến như là sự amon hoá chuyển hoá nitơ từ dạng Nitơ hữu cơ sang amoni. NH4+ Có thể tồn tại trong dung dịch ở cả hai dạng. ion Amonium và Amonia không ion hoá. Mối quan hệ giữa hai dạng phụ thuộc vào độ pH và có thể biểu hiện theo công thức sau: NH3 + H2O → NH4+ + OHAmoni tự do hoặc không bị ion hoá có nồng độ trên 0.2 mg/l sẽ gây hậu quả cho một số loại cá đặc biệt. Năm 1972 Các nhà bác học ở viện hàn lâm Quốc gia đã khuyên rằng nồng độ moni tự do trong nước cấp không được quá 0.02 mg/l để đảm bảo an toàn. Tính độc của Amoniac sẽ không có vấn đề gì ở trong nước có độ pH dưới 8 và nồng độ của ammoniac nitrogen (NH 4+-N) không quá 1 mg/l. Nitrite nitrogen (NO2--N) là hợp chất không bền và dễ bị oxy hoá thành nitrate nitrogen (NO3--N). Nó sẽ tồn tại dưới dạng hợp chất trung gian trong suốt quá trình oxy hoá Ammoniac nitrogen (NH4+-N) thành nitrate nitrogen(NO3--N). Nếu ở trong nước thải, nồng độ của nó thường không quá 1,0 mg/l. Ở trong một số loại nước thải công nghiệp có chứa nồng độ nitrite nitrogen ở mức đáng kể. Nitrate nitrogen(NO3--N) có khả năng oxy hoá tạo thành Nitrogen. Nitrate là một chất dinh dưỡng giới hạn quan trọng cho sự phát triển của tảo, tuy nhiên khi hàm lượng của nó vượt quá giới hạn cho phép, nó góp phần gây ra hiện tượng phì dưỡng trong dòng suối và hồ. Chính vì vậy, trong bất kỳ trường hợp nào, nó chỉ được xả với giới hạn cho phép để không gây ảnh hưởng đến sự phát triển quá mức của tảo. Trong trường hợp là nước cấp sinh hoạt, nồng độ cho phép tối đa của nitrate là 10 mg/l. 1.2. CHU TRÌNH CHUYỂN HOÁ NITƠ TRONG TỰ NHIÊN VÀ TRONG NƯỚC. Chu trình Nitơ trong tự nhiên được thực hiện bởi 4 quá trình cơ bản chính như sau: quá trình cố định Nitơ, quá trình amon hoá, quá trình nitrat hoá ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 5 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh và quá trình khử nitrat hoá. Hình 1.1 mô tả các quá trình quan trọng nhất của vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên. Bên cạnh quá trình oxy hoá khử và những phản ứng axit bazơ là những quá trình hoá học nối hoặc phân tách liên kết NC. Các phản ứng thuỷ phân ure và ôxy hoá vi sinh NH4+ trong quá trình amon hoá đều có thể bị hạn chế bởi hàng loạt các chất khác nhau và người ta đã ứng dụng các đặc điểm này để sử dụng tốt hơn các loại phân bón có chứa Nitơ. Các quá trình nitrit và nitrat hoá sẽ bị ảnh hưởng bởi các vi khuẩn hoá sinh bởi vì chúng sử dụng năng lượng để đồng hoá CO2 hoặc HCO3- hoà tan. Quá trình biến đổi Nitơ (Nitrat hoá) biến đổi Nitơ vô cơ thành NO 3-. Quá trình khử nitrat hoá với sự có mặt các vi khuẩn hiếm khí, dị thể tác động tới N- NO3dưới những điều kiện không có ôxy. Sản phẩm khử tạo thành là N 2, N2O. Quá trình cố định nitơ là quá trình nitơ không khí được cố định vào thực vật bởi các vi sinh vật cố định nitơ thông qua dạng amon. Các protein trong mùn thực vật sau đó lại bị phân huỷ thành amino axit → amoni→ các dạng nitơ vô cơ khác. Quá trình này được xem như là Nitơ dạng vô cơ trong không khí đi vào hệ sinh vật rồi cuối cùng lại chuyển hoá về dạng vô cơ. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 6 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh Hình 1.1. Vòng tuần hoàn của Nitơ 1.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NƯỚC BỊ NHIỄM NITƠ TỚI MÔI TRƯỜNG VÀ SỨC KHOẺ CỘNG ĐỒNG Nước thải chứa nhiều hợp chất Nitơ không được xử lý mà thải trực tiếp vào môi trường sẽ gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng như sau: - Làm ô nhiễm nguồn nước mặt - Làm cạn kiệt ôxy hoà tan trong nước - Gây nên hiện tượng phì dưỡng trong hệ sinh thái nước - Gây độc đối với quần thể sinh vật trong nước - Gây ô nhiễm nước ngầm Hiện tượng phì dưỡng trong nước hay còn gọi là hiện tượng thuỷ triều đỏ, chính là sự dư thừa các chất dinh dưỡng N, P, K trong nước dẫn tới sự phát triển bùng nổ của tảo và các động vật thuỷ sinh trong nước. Sự phát triển của tảo và động vật thuỷ sinh sẽ làm cho nước có màu và độ đục cao. Tảo dư thừa chất kết thành khối trôi nổi trên mặt nước, khi phân huỷ phát sinh mùi và làm giảm nồng độ ôxy hoà tan trong nước, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của một số loài cá. Amoniac tồn tại trong nước ở dạng NH4+. Nó được sinh ra từ sự thuỷ phân các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, protein, ure và axit uric do động vật thải ra. NH4+ có mặt trong nước thải góp phần đáng kể trong việc làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước. Hàm lượng NH4+ trong nước sinh hoạt cao sẽ kết hợp với clo tạo ta cloramin là tác nhân làm giảm quá trình khử trùng của nước bằng clo. NO3- sản phẩm oxy hoá của amoni khi tồn tại oxy và các vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrosobacter, thường gọi quá trình này là quá trình nitrat hoá. Trong nước tự nhiên nồng độ nitrat nhỏ hơn 5mg/l, ở vùng nước bị ô nhiễm do chất thải của con người, động vật, thực vật lượng nitrat trong nước lớn hơn 10 mg/l làm cho rong tảo phát triển gây ô nhiễm nguồn nước. Khi ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 7 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh nồng độ nitrat từ 90 – 104 mg/l sẽ là nguyên nhân gây nên bệnh methomoglobinemia cho trẻ nhỏ dưới 4 tháng tuổi. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC. 1.4.1. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến Clo là một chất oxy hoá mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HClO. HClO là chất duy nhất có khả năng oxy hoá NH3 và NH4+ ở nhiệt độ phòng thành N2. Quá trình này bao gồm một chuỗi các phản ứng phức tạp tạo ra các sản phẩm trung gian như monochloramin (NH2Cl), dichloramin (NHCl2) và amonium trichloride (NCl3). Khi cho clo vào nước ta có phản ứng sau: Cl2 + H2O  HCl + HClO Axit hypoclorit kết hợp với NH4+ tạo thành cloramin. Khi nhiệt độ của nước lớn hơn 200C và pH >7 phản ứng xảy ra như sau: NH3 + HClO → NH2Cl + H2O (monochloramin) NH2Cl + HClO → NHCl2 + H2O (dichloramin) NHCl2 + HClO → NCl3 + H2O (amonium trichloride) Khi cho clo vào nước với liều lượng lớn hơn theo tỉ lệ trọng lượng phân tử gam. Cl: NH4+ = 1:1 (7,6 mg clo cho 1 mg NH4+) thì quá trình chuyển hoá NH4+ và clo tự do thành chloramin sau 30 phút. Khi cho tiếp clo vào nước với liều lượng Cl : NH4+  2 thì axít hypoclorit sẽ oxy hoá tiếp cloramin theo phản ứng: [5][11] NH2Cl + NHCl2 + HClO → N2O + 4HCl NHCl2 + HClO → NH(OH)Cl + HCl NHCl2 + HClO → NCl3 + H2O NH(OH)Cl + HClO → HNO3 +3 HCl Quá trình kết thúc sau 30 phút khuấy trộn nhẹ. Tại điểm oxy hoá hết cloramin và trong nước xuất hiện điểm clo tự do gọi là điểm đột biến. Sau khi khử hết ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 8 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh NH4+ trong nước còn lại điểm clo dư lớn (khoảng 10 - 7.6 = 2.4 mg clo dư cho 1 mg NH4+ cần khử) phải khử clo dư trước khi cấp cho người tiêu thụ. • Ưu nhược điểm của phương pháp: Ưu điểm: - Đơn giản, rẻ tiền về mặt thiết bị. - Kiểm soát được quá trình. - Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nước. - Thiết bị gọn nhẹ không tốn mặt bằng. Nhược điểm: - Chi phí vận hành cao. - Phải khử clo dư trước khi tiêu thụ. - Không khử được dạng NO2- và NO3-. - Tạo ra các sản phẩm phụ có hại. Ví dụ như tạo thành amonium trichloride dạng khí độc thải vào môi trường. 1.4.2. Phương pháp làm thoáng Amoni tồn tại trong nước thiên nhiên ở trạng thái cân bằng động NH 3  NH 4+ = K.10 pH hoặc trong nước ở nhiệt độ 200C:  NH 3  NH 4+ = 10−9.25+ pH Trong đó: NH3 ở dạng khí có thể làm thoáng để khử ra khỏi nước. NH4+ ở dạng ion hoà tan không bay hơi. K: Hằng số cân bằng. Như vậy muốn khử NH4+ ra khỏi nước bằng phương pháp làm thoáng phải đưa pH của nước nguồn lên xấp xỉ 9,5 – 11 để biến NH4+ hoà tan trong nước thành NH3 dạng khí. Hiệu quả xử lý của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ: hệ số bốc hơi của khí tăng nhanh, độ ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 9 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh nhớt của nước giảm, sức căng bề mặt của các giọt nước và màng nước giảm, tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình thay đổi bề mặt tiếp xúc giữa hai pha và khống chế làm tăng nhanh hiệu quả khử khí. [11] Ưu điểm: - Đơn giản. chi phí vận hành thấp. - Có thể kiểm soát quá trình. - Không tạo ra chất ô nhiễm trong nước. Nhược điểm: - Không khử được dạng NO2- và NO3- - Tạo thành NH3 dạng khí gây ô nhiễm không khí. - Phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. - Hiệu suất xử lý thấp. 1.4.3. Phương pháp trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion là một quá trình thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt pha rắn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả tổng quát như sau: AX + B- → AB + XPhản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là phản ứng trao đổi, chiều nghịch gọi là phản ứng tái sinh. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào: nhiệt độ, kích thước, hoá trị, nồng độ của ion trong dung dịch và bản chất của ion trao đổi. Nhựa trao đổi ion ở dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung dịch và giải phóng vào dung dịch lượng tương đương các ion khác có cùng điện tích. Để khử NH4+ ra khỏi nước người ta thường dùng phương pháp lọc qua bể lọc cationit. Nhựa trao đổi ion (cationit) là những hợp chất phân tử hữu cơ có chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó X có thể là HSO 3, COO…, R là gốc hữu cơ phức tạp. Khi qua bể trao đổi ion xảy ra các phản ứng trao đổi sau: ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 10 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh Cat-H+(Na+) + NH4+  Cat-NH4+ + H+ (Na+) Về mặt cơ chế, quá trình trao đổi ion giữa một chất rắn xốp (trao đổi ion) trải qua các giai đoạn sau: 1. Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lớp biên màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion. 2. Khuyếch tán các ion qua lớp biên giới. 3. Chuyển các ion đã qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi. 4. Khuyếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion. 5. Phản ứng hoá học trao đổi ion A và B. 6. Khuyếch tán các ion B trong hạt nhựa trao đổi ion tới biên giới phân pha. 7. Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng 8. Khuyếch tán các ion B qua màng. 9. Khuyếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng. [2] Các chất trao đổi ion có sẵn trong tự nhiên như các loại khoáng sét zeolit hoặc các chất vô cơ như alumino silicat, alumino photphat hoặc một số loại nhựa hữu cơ trao đổi ion. Trên thị trường hiện nay có bán loại cationnit với tên gọi clinoptilotile có khả năng trao đổi chọn lọc các cation theo thứ tự sau: K+ > NH4+ > Ba2+ > Na+ > Ca2+ > Fe3+ > Mg2+ > Li+ Như vậy nếu cho nước đi qua bể lọc cationit loại clinoptilotile thì lớp lọc sẽ giữ lại các Cation K+, NH4+ , Ba2+ hoà tan trong nước trên bề mặt hạt và cho vào nước ion Na+. Để khử NH4+ phải giữ pH của nước đầu vào trong khoảng từ 4 8. Vì khi pH  4 hạt lọc cationit sẽ giữ lại cả ion H+ làm giảm hiệu quả khử NH4+ . Khi pH > 8 một phần ion NH4+ chuyển thành NH3 dạng khí hoà tan không tác dụng với cationnit. • Ưu nhược điểm của phương pháp. Ưu điểm: ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 11 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh - Điều kiện vận hành đơn giản. - Hiệu suất xử lý cao. - Có khả năng hoàn nguyên nhựa cationit. Nhược điểm - Chi phí ban đầu cao. - Không áp dụng với nguồn nước có nhiều cặn lơ lửng. 1.4.4 Phương pháp ozon hoá với xúc tác BrĐể khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hoá đến điểm đột biến người ta có thể thay thế một tác nhân ôxy hoá khác như ozon với sự có mặt của xúc tác Br- .Cơ chế của phương pháp xử lý NH4+ bằng ozon với xúc tác Br- cũng giống như phương pháp xử lý dùng clo. Dưới tác dụng của O 3 thì Brbị ôxy hoá thành BrO- theo phản ứng sau: [11] Br- + O3  HBrO + O2 Phản ứng ôxy hoá NH4+ được thực hiện bởi BrO- tương tự như ClONH3 + HBrO → NH2Br + H2O NH2Br + HBrO → NHBr2 + H2O NH2Br + NHBr2 → N2 + 3HBr 1.4.5. Phương pháp sinh học Để xử lý nitơ trong nước có rất nhiều phương pháp khác nhau và được thực hiện bằng nhiều quá trình hoá học, vật lý khác nhau nhưng phương pháp xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học là phương pháp phổ biển nhất và được sử dụng rất rộng rãi. Tính nổi bật của phương pháp này là thực hiện dễ dàng, xử lý triệt để các chất ô nhiễm mà không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp khác sau quá trình xử lý. Phương pháp xử lý sinh học được chia ra làm hai loại chính là: - Xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên (hồ sinh học, cánh đồng lọc) - Xử lý sinh học bằng phương pháp nhân tạo (SBR, biofin) ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 12 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh 1.4.5.1 Phương pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên. Cơ sở của phương pháp là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là các vi sinh vật sống trong nước và các động vật thuỷ sinh. Các chất bẩn hữu cơ có trong nước được các vi sinh vật phân huỷ thành các chất khoáng vô cơ. Quá trình phân huỷ bao gồm cả quá trình phân huỷ hiếu khí và phân huỷ thiếu khí. Trong thực tế người ta thường xử lý nước nhiễm Nitơ bằng hồ hiếu khí hoặc tuỳ tiện. Đặc điểm của hồ này là tảo và các vi sinh vật khác cùng sinh trưởng và phát triển trong mối quan hệ cộng sinh. Ở lớp trên, các vi sinh vật sẽ sử dụng ôxy hoà tan để hô hấp, các chất hữu cơ chứa nitơ sẽ được vi sinh vật ôxy hoá thành CO2, H2O, NH4+,, NO3-, NO2- chỉ là quá trình chuyển tiếp sau khi sinh ra ngay lập tức bị chuyển hoá thành NO 3- . Các chất này sẽ được tảo sử dụng để tăng trưởng đồng thời giải phóng oxy để phục vụ cho hoạt động sống của vi khuẩn. Vì nitơ chiếm 8-10% thành phần tế bào của tảo nên việc hấp thụ nitơ của tảo từ nước thải là cơ chế quan trọng để loại bỏ nguồn nitơ ô nhiễm trong nước thải. [2] I.4.5.2. Xử lý trong điều kiện nhân tạo. Các giai đoạn biến đổi chính bao gồm: - Quá trình nitrat hoá: xảy ra các phản ứng sau: Nitrosomonas + 2H+ + H2O + NO2- NH4 +1.5 O2 NO2-+ 0.5 O2 Nitrobacter NO3- - Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH4+ thành NO3NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O - Quá trình phản nitrat hoá: Là sự khử NO3- thành N2 trong điều kiện không có ôxy theo quá trình sau: NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 13 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh Phương pháp sinh học xử lý nước trong điều kiện nhân tạo có hai phương pháp chính là quá trình lọc sinh học và kỹ thuật SBR. a). Quá trình lọc sinh học: Xử lý Nitơ trong nước thải bằng lọc sinh học là dạng xử lý hiếu khí, trong đó các tác nhân sinh học (vi sinh vật) tạo màng sinh học bám trên bề mặt vật liệu lọc (môi trường lọc). Nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc sinh học: Hệ thống lọc sinh học thường làm việc theo nguyên tắc ngược chiều: - Nước thải được phân phối đều trên bề mặt và thấm qua lớp vật liệu có màng sinh học. - Lượng oxy cần thiết cho quá trình ôxy hoá được cấp vào hệ thống từ đáy thiết bị một cách tự nhiên hoặc cấp khí cưỡng bức. Cơ chế quá trình lọc sinh học được minh hoạ bằng hình vẽ: Vật liệu đệ m Vùng yếm khí Vùng hiếu khí CHC cacbon Không khí DO Sản phẩm cuối Dòng nước thải Hình 1.2: Cơ chế khuyếch tán qua màng sinh học[2] Màng sinh học được hình thành chủ yếu là vi khuẩn. Mặc dù lớp màng này rất mỏng, song cũng có hai lớp: lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài. Thời gian lưu của màng thường từ 10 14 ngày. Khi các tế bào vùng yếm khí chết, màng sẽ tách ra khỏi vật liệu lọc và cuốn theo nước. Lọc sinh học thường có hiệu quả ôxy hoá thấp, các hệ thống lọc chỉ có thể xử lý được nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm <300mg/l. Tuỳ theo tính chất ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 14 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh nước thải, bản chất các chất ô nhiễm đặc trưng và vật liệu lọc mà hệ thống có hiệu quả ôxy hoá khác nhau. Vật liệu lọc: Vật liệu lọc giúp màng sinh học bám tốt trên bề mặt, tạo diện tích ôxy hoá lớn. Để đảm bảo cho quá trình đạt hiệu quả cao và kinh tế, vật liệu lọc được chọn phải đáp ứng được những yêu cầu sau: - Có tính bền cơ, hoá học cao. - Có bề mặt riêng lớn, độ thoáng cao. - Chất liệu cho màng sinh học dễ bám dính và không ảnh hưởng tới chất lượng của màng sinh học. - Rẻ tiền, dễ kiếm. b). Phương pháp sbr(Bể aeroten khuấy trộn theo mẻ). Để xử lý nước thải chứa nitơ người ta thường xử dụng bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh nuôi cấy theo mẻ. Bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh là hệ thống xử lý bằng cấp khí nhân tạo. Trong quá trình xử lý, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại ở trạng thái huyền phù. Quá trình xử lý nước thải được thực hiện trong bể ôxy hoá có cấp khí. Việc xục khí ở đây đảm bảo hai yêu cầu của quá trình: - Đảm bảo độ ôxy hoà tan cao giúp cho vi sinh vật thực hiện quá trình ôxy hoá các chất có thể ôxy hoá sinh học được. - Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, tạo ra hỗn hợp lỏng huyền phù, giúp vi sinh vật tiếp xúc liên tục với các chất hữu cơ hoà tan trong nước, thực hiện quá trình hiếu khí làm sạch nước. Khi xử lý nước thải chứa nitơ người ta cấp khí sao cho chia bể aeroten thành các vùng hiếu khí và thiếu khí. Vùng hiếu khí Aerobic khử BOD và NH4+, vùng thiếu khí khử NO3- thành khí nitơ bay lên xem sơ đồ hình 1.2 Hiệu suất xử lý nước thải trong bể aeroten và chất lượng bùn hoạt tính phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước thải, điều kiện thuỷ động học các ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi Dòng thải Vùng Vùng Vùng Vùng Bể lắng 15 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh quá trình khuấy trộn, nhiệt độ, độ pH của nước thải, sự tồn tại các nguyên tố dinh dưỡng và các yếu tố khác. Hình 1.3. Sơ đồ công trình xử lý kết hợp khử BOD, NH4+, NO3-[6] Bảng 1.1. Ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý nitơ. Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm Clo hoá đến Ôxy hoá hoàn toàn NH4+ Dư lượng clo sau xử lý cao, tạo điểm đột biến Đầu tư vốn ban đầu thấp, ra nhiều chất độc hại thứ cấp. mặt bằng đặt thiết bị nhỏ Không ôxy hoá được NO2- , NO3-. Hiệu quả của quá trình phụ thuộc nhiều vào pH của nước thải. Làm thoáng Đơn giản, chi phí đầu Không xử lý được triệt để NH4+ vào thấp. Có thể kiểm Không xử lý được NO2- ,NO3soát đối với việc loại Phải kiểm soát pH thường chọn lọc NH4+. Không xuyên tạo ra chất độc trong Thường xử lý kết hợp với vôi nước khi xử lý. để tăng độ pH của nước nên có độ đục cao. Trao đổi ion Xử lý triệt để amoni. Nước thải đầu vào yêu cầu phải ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 16 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Phương pháp NguyÔn ViÕt Thµnh Ưu điểm Nhược điểm Dễ kiểm soát sản phẩm. lọc thường xuyên Chi phí đầu tư và vận hành cao Vi sinh Xử lý hiệu quả, chất Hoạt động liên tục, mặt bằng lượng nước sau xử lý xây dựng đòi hỏi lớn. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào cao. Không tạo ra chất độc hại nhiều yếu tố khách quan như thứ cấp sau xử lý. pH, nhiệt độ…. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Trong nước thải Nitơ tồn tại ở 4 dạng: Nitơ hữu cơ, NH4+ , NO2, và NO3, muốn tách chúng ra khỏi nước thải ta phải áp dụng nhiều quá trình xử lý khác nhau. Các quá trình sinh hoá khử nitơ trong nước được trình bày trong các phần sau. 2.1 QUÁ TRÌNH AMON HOÁ PROTEIN 2.1.1 Quá trình amon hoá ure Cơ chế của quá trình: (NH2)2CO URelaza CO2 + 2NH3 H2 O ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 17 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ViÕt Thµnh Tác nhân sinh học cho quá trình này là vi khuẩn urebacterium: là loài trực khuẩn nhỏ, có nhiều trong nước thải, hô hấp tuỳ tiện và có tác dụng thuỷ phân ure và oxy hoá ure. Quá trình amon hoá ure có vai trò quan trọng trong xử lý nước sinh hoạt nhưng nhược điểm của nó là chỉ oxy hoá đến sản phẩm cuối cùng là NH3 → chưa làm sạch môi trường. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ M«i tr-êng - §HBK Hµ Néi 18
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan