Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng Sunfua - Canxi cacbonat composit trong hệ xử lý nitơ hòa tan từ nước thải bằng phương pháp lọc sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Bùi Phƣơng Thảo NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SUNFUA - CANXI CACBONAT COMPOSIT TRONG HỆ XỬ LÝ NITƠ HÒA TAN TỪ NƢỚC THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Bùi Phƣơng Thảo NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SUNFUA - CANXI CACBONAT COMPOSIT TRONG HỆ XỬ LÝ NITƠ HÒA TAN TỪ NƢỚC THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Văn Quy Hà Nội – 2011 Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN ............................................................................ 10 1.1. Nitơ và chu trình nitơ ........................................................................... 10 1.2. Thực trạng ô nhiễm nitơ trong nước thải ............................................. 14 1.2.1. Nước thải sinh hoạt ....................................................................... 14 1.2.2. Nước thải công nghiệp .................................................................. 15 1.2.3. Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi .......................................... 15 1.2.4. Nước rỉ rác..................................................................................... 16 1.3. Tác hại của hợp chất nitơ ..................................................................... 17 1.3.1. Tác hại của hợp chất nitơ đối với sức khỏe cộng đồng ................ 17 1.3.2. Tác hại của ô nhiễm nitơ đối với môi trường ............................... 18 1.4. Các phương pháp xử lý N trong nước thải........................................... 18 1.4.1. Phương pháp cơ học ...................................................................... 19 1.4.2. Phương pháp oxy hoá .................................................................... 19 1.4.3. Phương pháp trao đổi ion .............................................................. 20 1.4.4. Phương pháp vi sinh ...................................................................... 21 1.5. Phương pháp nitơ hóa bằng vi sinh tự dưỡng có sử dụng vật liệu composit trên cơ sở lưu huỳnh : đá vôi ....................................................... 21 1.5.1. Nitơ hóa bằng vi sinh tự dưỡng..................................................... 21 1.5.2. Quá trình khử nitrat và vật liệu composit ..................................... 23 1.6. Các công trình nghiên cứu nitơ hóa bằng vi sinh vật tự dưỡng ........... 24 Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 29 2.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 29 2.3. Phương pháp thực nghiệm ................................................................... 29 2.3.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất.......................................................... 29 Khóa 17-CHMT 1 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo 2.3.2. Phương pháp phân tích .................................................................. 31 2.4. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý ........................... 34 2.4.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần S:CaCO3 tối ưu cho quá trình khử nitrat tự dưỡng ......................................................................................... 35 2.4.2. Nghiên cứu khả năng khử nitrat tự dưỡng của đá SC đối với một số mẫu bùn thực tế .................................................................................. 37 2.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước viên composit tới hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng .................................................................. 37 2.4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hệ thống tới quá trình khử nitrat tự dưỡng trên mô hình pilot ........................................................... 37 2.4.5. Thử nghiệm khả năng tách loại đồng thời PO43-, NH4+ , Ca2+ ...... 38 2.5. Ứng dụng với nước thải thực tế (nước thải mạ điện)........................... 39 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................ 40 3.1. Thành phần và tính chất nước thải ....................................................... 40 3.1.1. Thành phần và tính chất nước thải nhân tạo ................................. 40 3.1.2. Thành phần và tính chất nước thải mạ điện (nước thải mạ điện của Công ty Cổ phần Xuân Hòa) ................................................................... 41 3.2. Sản phẩm đá lưu huỳnh - đá vôi Composit và tính chất của đá........... 41 3.2.1. Khối lượng riêng của đá ................................................................ 43 3.3. Kết quả nghiên cứu các điều kiện tối ưu tới quá trình khử nitrat tự dưỡng........................................................................................................... 46 3.3.1. Tỷ lệ thành phần S:CaCO3 ............................................................ 46 3.3.2. Khả năng khử nitrat tự dưỡng của đá SC đối với một số mẫu bùn thực tế ...................................................................................................... 52 Khóa 17-CHMT 2 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo 3.3.3. Ảnh hưởng của kích thước viên composit tới hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng.................................................................................. 56 3.3.4. Ảnh hưởng của kích thước hệ thống tới quá trình khử nitrat tự dưỡng trên mô hình pilot ......................................................................... 59 3.4.5. Ứng dụng với nước thải thực tế .................................................... 68 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 76 PHỤ LỤC Khóa 17-CHMT 3 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo DANH MỤC VIẾT TẮT TCE - Tricloroethylence HRT - Thời gian lưu (Hydraulic Retentime Time) SC - Lưu huỳnh - đá vôi composit (Sulfua - Calcium Carbonate Composite) SEM - Ảnh hiển vi điện tử (Scaning Electron Microscope) SS - Chất rắn lơ lửng (Suspended Solids) VSS - Chất rắn lơ lửng bay hơi (Volatile Suspended Solids) VSV - Vi sinh vật DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ………………………... 4 Bảng 3.1. Thành phần vi khoáng của nước thải nhân tạo………………. 34 Bảng 3.2. Thành phần chính của nước thải nhân tạo…………………… 34 Bảng 3.3. Thành phần nước thải mạ điện Xuân Hòa…………………… 35 Bảng 3.4. Khối lượng riêng của từng loại SC........................................... 36 Bảng 3.5. Hằng số động học của quá trình khử nitrat tự dưỡng đối với từng loại đá SC khác nhau…………………………………… 44 Bảng 3.6. Thông số SS và VSS của các loại bùn...................................... 46 Bảng 3.7. Khả năng xử lý của các loại bùn…………………………….. 47 Bảng 3.8. Hằng số động học của quá trình khử nitrat tự dưỡng với các kích thước viên SC khác nhau………………………………. Bảng 3.9. 50 Hiệu suất xử lý nitrat của hai hệ liên tục với nước thải nhân tạo……………………………………………………………. 54 Bảng 3.10. Hiệu suất xử lý nitrat của hai hệ liên tục với nước thải mạ điện…………………………………………………………... Khóa 17-CHMT 4 62 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên................................................. 5 Hình 1.2. Chu trình biến đổi các hợp chất nitơ..................................... 7 Hình 2.1. Hệ xử lý nước thải đệm vi sinh ngược dòng........................ 28 Hình 2.2. Hệ thí nghiệm liên tục.......................................................... 29 Hình 2.3. Hệ thí nghiệm gián đoạn…………………………………. 30 Hình 2.4. Cột sinh học trong hệ thí nghiệm mô hình pilot.................. 32 Hình 3.1. Những sản phẩm SC chế tạo được……………………….. 36 Hình 3.2. Biến thiên pH của 3 loại đá SC theo thời gian……………. 37 Hình 3.3. Biến thiên pH của 3 loại đá SC qua các HRT khác nhau…. 37 Hình 3.4. Biến thiên độ cứng của 3 loại đá SC qua các HRT khác nhau…………………………………………………………. Hình 3.5. Biến thiên độ cứng của 3 loại đá SC theo các HRT khác nhau trên các đồ thị……………………………………….. Hình 3.6. 41 Biến thiên NO2--N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian………………………………………………. Hình 3.9. 40 Biến thiên NH4+-N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian……………………………………………… Hình 3.8. 39 Biến thiên pH của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian…………………………………………………… Hình 3.7. 38 42 Biến thiên NO3--N của các hệ liên tục với ba loại đá SC theo thời gian……………………………………………… 43 Hình 3.10. Đá SC trước khi thí nghiệm………………………………… 45 Hình 3.11. Đá SC sau khi thí nghiệm…………………………………. 45 - Hình 3.12. Đồ thị biến thiên giá trị NO3 -N của các hệ gián đoạn theo Khóa 17-CHMT 5 48 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo thời gian đối với ba loại bùn……………………………….. Hình 3.13. Đồ thị biến thiên giá trị NO3--N của các hệ gián đoạn theo thời gian với các kích thước viên SC khác nhau………….. 49 Hình 3.14. Đồ thị biến thiên giá trị SO42- của các hệ gián đoạn theo thời gian với các kích thước viên SC khác nhau………………. 51 Hình 3.15. Sơ đồ hệ xử lý liên tục……………………………………. 52 Hình 3.16. Đồ thị biến thiên giá trị pH của hai hệ liên tục mô hình pilot theo thời gian …………………………………………….. 53 Hình 3.17. Đồ thị biến thiên nồng độ NO3- của hai hệ liên tục mô hình pilot theo thời gian ………………………………………… 54 Hình 3.18. Hiệu suất xử lý của 2 hệ liên tục với nước thải nhân tạo….. 55 Hình 3.19. Ảnh SEM đá SC trước và sau thí nghiệm……………….. 57 Hình 3.20. Đồ thị biến thiên độ cứng của hai hệ liên tục mô hìnhpilot theo thời gian………………………………………………. 58 Hình 3.21. Đồ thị biến thiên của hệ 1- liên tục quy mô pilot theo thời gian…………………………………………….. 59 Hình 3.22. Đồ thị biến thiên của hệ 2- liên tục quy mô pilot theo thời gian…………………………………………….. 60 Hình 3.23. Đồ thị biến thiên giá trị pH của hai hệ liên tục quy mô pilot với nước thải mạ điện theo thời gian ……………………… 61 Hình 3.24. Biến thiên nồng độ nitrat trong hệ thí nghiệm với nước thải mạ điện…………………………………….. 62 Hình 3.25. Hiệu suất xử lý của 2 hệ với nước thải mạ điện…………. 63 Hình 3.26. Biến thiên sản phẩm sunphat trong 2 hệ với nước thải mạ điện………………………………………………………… Khóa 17-CHMT 6 65 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo MỞ ĐẦU Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở Việt Nam đã và đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Sự phát triển công nghiệp và cả nông nghiệp góp phần thúc đẩy tốc độ tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân. Nhưng, sự phát triển đó cũng tạo ra những thách thức đối với vấn đề bảo vệ môi trường. Đặc biệt, ô nhiễm nước đang ở mức báo động. Trong đó, nước thải giàu N rất phong phú như nước thải sinh hoạt; nước thải từ các ngành công nghiệp như mạ, chế biến thủy sản; nước thải từ nông nghiệp như chăn nuôi và cả nước rác. Nước thải chứa nhiều nitơ hòa tan (nitơ hữu cơ, amoni, nitrit, nitrat) và P sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng (khi nước có hàm lượng nitơ lớn hơn 30-60 mg/l, phôtpho lớn hơn 4-8 mg/l). Phú dưỡng là sự gia tăng lượng nitơ và phôtpho trong nguồn nước ở các thuỷ vực, gây ra sự bùng phát các thực vật bậc thấp (tảo, rong,…). Vì vậy, tuy các hợp chất nitơ và phôtpho là hết sức cần thiết cho sự sinh trưởng của các sinh vật thuỷ sinh, nhưng khi hàm lượng các chất này vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì nó lại gây ô nhiễm cho nguồn nước. Quá trình quang hợp và hô hấp của các thực vật gây ra sự dao động lớn lượng ôxi hoà tan và pH trong nước. Kết quả là tạo ra những biến đổi lớn trong hệ sinh thái thuỷ sinh, giảm đa dạng các sinh vật sống trong nước đặc biệt là cá, nước có màu đen, mùi khai, thối,…Do đó, việc xử lý nitơ, phôtpho trong nước thải là công việc hết sức cần thiết [3]. Trong các hợp chất chứa N, amoni không trực tiếp gây độc cho con người nhưng sản phẩm chuyển hóa từ amoni là nitrit và nitrat là các chất gây độc (nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi, gây bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ. Sau khi vào cơ thể, nitrat có thể chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Nitrit đối với sức khỏe con người còn nguy hiểm hơn nitrat vì nó có khả năng tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người tạo thành hợp Khóa 17-CHMT 7 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo chất gây ung thư). Vì vậy, việc xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải đang rất được quan tâm trong công nghệ xử lý nước. Một phương pháp hiện nay được áp dụng rộng rãi là phương pháp sử dụng vi sinh, bởi chi phí xử lý thấp hơn và thân thiện với môi trường. Phương pháp truyền thống là sử dụng vi khuẩn dị dưỡng để oxi hóa hợp chất nitơ đến hợp chất cuối cùng là khí nitơ, gồm 2 giai đoạn: oxy hóa amoni thành nitrat và khử nitrat về nitơ. Tuy nhiên, phương pháp xử lý bằng vi sinh truyền thống lại có một số vấn đề như khi sử dụng phương pháp này cần cung cấp thêm chất hữu cơ (như metanol) đầy đủ cho quá trình oxy hóa nitrat thì quá trình xử lý mới đạt hiệu quả. Đây là nguyên nhân làm tăng chi phí cho quá trình xử lý. Thứ hai là, vi khuẩn dị dưỡng phát triển rất nhanh, nên tạo ra khối lượng bùn lớn cần xử lý. Để khắc phục điều này, người ta thay thế chủng vi sinh dị dưỡng bằng chủng vi sinh tự dưỡng và cung cấp thêm chất khử. Phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của phương pháp xử lý vi sinh truyền thống. Chính vì vậy, để góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nitơ trong hệ thống xử lý nước thải, đã lựa chọn đề tài "Nghiên cứu quá trình ứng dụng sulfur calcium carbonate composit trong hệ xử lý nitơ hòa tan từ nước thải bằng phương pháp lọc sinh học", nhằm tìm ra được các điều kiện tối ưu của việc xử lý các hợp chất nitơ hòa tan bằng phương pháp lọc sinh học khi sử dụng Sunfua-Canxi Cacbonat Composit làm vật liệu nền. Các nội dung nghiên cứu bao gồm:  Nghiên cứu tỷ lệ thành phần S:CaCO3 tối ưu cho quá trình khử nitrat tự dưỡng;  Nghiên cứu khả năng khử nitrat tự dưỡng của đá SC đối với một số mẫu bùn thực tế;  Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước viên composit tới hiệu quả quá trình khử nitrat tự dưỡng; Khóa 17-CHMT 8 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo  Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu nền tới quá trình khử nitrat tự dưỡng trên mô hình pilot;  Thử nghiệm khả năng tách loại đồng thời Ca2+, NH4+, PO43-;  Thử nghiệm với nước thải thực tế. Khóa 17-CHMT 9 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1.1. Nitơ và chu trình nitơ Nitơ là thành phần của mọi cơ thể sống, quan trọng nhất là các protein. Đồng thời, nitơ cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ nhân tạo cũng như tự nhiên. Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái ôxi hoá, từ dạng khử (N-3) là amoniac (NH3) đến dạng ôxi hoá cao nhất (N+5) là nitrat (NO3-). Bảng 1.1 thể hiện các trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ và hợp chất hoá học đại diện cho trạng thái hoá trị đó. Bảng 1.1 Trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ Hợp chất Công thức hóa học Hóa trị Amoni/amoniac NH4+/NH3 -3 Khí nitơ N2 0 Đinitơ oxit Nitơ oxit Nitrit N2O NO NO2- +1 +2 +3 Nitơ đioxit NO2 +4 - +5 Nitrat NO3 Trong môi trường nước tự nhiên, các hợp chất của nitơ như amoniac, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khí nitơ, nitrat và nitrit có nồng độ không đáng kể. Tuy vậy, chúng là nguồn nitơ cho phần lớn sinh vật trong đất và nước. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hoá năng lượng. Trong các quá trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hoá trị và chuyển hoá thành các hợp chất hoá học khác. Khóa 17-CHMT 10 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo Nitơ phân tử N2 Cố định nitơ N-Protein động vật N-Protein thực vật Khử nitrat vật Amôn hóa NH4+ hoặc NH3 Nitrit hoá NO3- Nitrat hoá + O2 NO2- + O2 Hình 1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình như mô tả trên Hình 1.1, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ. Trong môi trường hiếu khí, thực vật chết và protein động vật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và amoniac tiếp tục bị ôxi hóa thành nitrit, nitrat. Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và nitơ không khí nhờ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tế bào thực vật, vi sinh vật dưới dạng các hợp chất hữu cơ. Chất hữu cơ chứa nitơ trong tế bào thực vật, vi sinh vật được động vật tiêu thụ để sản xuất protein. Đó là chu trình nitơ tổng thể. Mặc dù số loài vi sinh vật cố định đạm từ khí không nhiều nhưng chúng có vai trò khá quan trọng trong chu trình nitơ tự nhiên. Khóa 17-CHMT 11 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo Trong môi trường nước thải sự chuyển hóa của hợp chất nitơ có những nét đặc trưng riêng. Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin...) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành amoni/amoniac (NH4+/NH3). Trong điều kiện nước chảy, amoni sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo một trong ba phương thức: 1) Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để tạo ra sinh khối (tác dụng như phân N); 2) Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac. Mức độ bay hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường. Amoniac là một bazơ yếu có pKb bằng 9,25 nghĩa là tại pH = 9,25 thì 50% nồng độ N tồn tại ở dạng trung hòa (NH3) có khả năng bay hơi còn 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+) không bay hơi. Tại pH = 7,2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là 100/1, ngược lại tại pH = 11,25 thì tỉ lệ trên là 1/100. pH cao là điều kiện cần để amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi. Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy amoniac bay hơi (giải hấp thụ) – đây là cơ sở khoa học của phương pháp xử lí amoni trong nước thải bằng kỹ thuật sục khí; Sự có mặt của N-amoni (NH4+) trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ DO (nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxi cần thiết để oxi hóa amoni thành nitrit (nhờ vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (nhờ vi khuẩn Nitrobacter). Để oxi hóa 1 g amoni cần 4,5 g ôxi. Quá trình ôxi hóa amoni phụ thuộc trực tiếp vào mật độ của chủng Nitrifier và nồng độ oxi tan trong nước. Trong các dòng chảy (sông, suối, mương...) có lớp nước nông, quá trình ôxi hóa diễn ra mạnh hơn so với các nguồn nước tĩnh, sâu. Trong Khóa 17-CHMT 12 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo các nguồn nước tĩnh (ao, hồ...), sự biến động của hợp chất nitơ luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng. Amoni và nitrat được tảo, thực vật hấp thụ tạo thành protein, khi chết lại bị phân hủy thành amoni. Trong quá trình xử lý hợp chất nitơ trong nước thải, sự biến đổi của hợp chất nitơ theo chu trình mô tả trên Hình 1.2. NO3N2O NO NO2N2 NH2OH N2H4 Org-N NH4+ Hình 1.2 Chu trình biến đổi các hợp chất nitơ Ôxi hoá (+ O2) Khử nitrat (+ HC) Cố định nitơ/sinh chuyển hoá Anammox (NO2- + NH4+) Vi sinh vật sử dụng N-amoni để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết (phân hủy nội sinh) thải ra amoni và một phần tạo ra lượng sinh khối thực. Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng ôxi hóa amoni với oxi để sản Khóa 17-CHMT 13 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển. Quá trình ôxi hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa. Quá trình ngược lại là khử nitrit và nitrat bằng chất hữu cơ (chất cho điện tử) tới khí nitơ được thực hiện nhờ các chủng vi sinh tùy nghi, dị dưỡng - Denitrifier. Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học [1,4]. 1.2. Thực trạng ô nhiễm nitơ trong nƣớc thải Nước là yếu tố chủ yếu của hệ sinh thái, là nhu cầu cơ bản của mọi sự sống trên Trái đất và cần thiết cho các hoạt động kinh tế - xã hội của con người. Cùng với các dạng tài nguyên khác, tài nguyên nước là một trong bốn nguồn lực cơ bản để phát triển kinh tế - xã hội. Nước là một trong những nhân tố quyết định chất lượng môi trường sống của con người. Ở đâu có nước ở đó có sự sống, vì vậy vấn đề ô nhiễm nước đã và đang là mối quan tâm của mọi người. Mặc dù lượng nước trên Trái đất là rất lớn, song lượng nước ngọt cho phép con người sử dụng chỉ chiếm một phần rất nhỏ (dưới 1/100.000). Hơn nữa, sự phân bố nước ngọt lại không đều theo thời gian và không gian càng khiến cho nước trở thành một dạng tài nguyên đặc biệt, cần phải được bảo vệ và sử dụng hợp lý. Nguy cơ ô nhiễm nước hiện nay đang diễn ra theo quy mô toàn cầu. Sự ô nhiễm nước có thể có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo, tùy thuộc vào địa hình và điều kiện xung quanh mà mức độ ô nhiễm và thành phần ô nhiễm các nguồn nước khác nhau. Một trong những vấn đề ô nhiễm nước chính là ô nhiễm N. Lượng nước thải giàu N thải ra môi trường ngày càng nhiều, chủ yếu từ các nguồn thải sau: 1.2.1. Nước thải sinh hoạt Khóa 17-CHMT 14 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi). Hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 - 16 g nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein, và urin trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac (NH4+/NH3). Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng ôxi 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 [1]. 1.2.2. Nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da, mạ điện. Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải công nghiệp 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. Do vậy, các số liệu phân tích về ô nhiễm nói chung hay về nitơ nói riêng chỉ mang tính chất khái quát, không thể sử dụng trực tiếp làm số liệu cho tính toán thiết kế hệ thống xử lý. Để có số liệu thiết kế, cách duy nhất cần thực hiện là đánh giá tại chỗ, thu thập số liệu mang tính đại diện [1]. 1.2.3. Nguồn thải từ nông nghiệp, chăn nuôi Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm và lân cho cây trồng vì các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trường hợp, người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất Khóa 17-CHMT 15 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân bón mà cây trồng không hấp thu được do nhiều nguyên nhân: phân huỷ, rửa trôi (phân đạm urê, phân lân, phân tổng hợp NPK) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây trồng không thể hấp thu đối với phân lân. Có số liệu cho thấy phân urê khi bón cho lúa nước có thể bị mất mát tới 30 - 40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trường. Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn so với nước sinh hoạt, 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, phôtpho được chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nồng độ các tạp chất trong nước thải chuồng trại cao hơn từ 50 - 150 lần so với mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị, nồng độ hợp chất nitơ (TKN) nằm trong khoảng 1.500 - 15.200 mg N/L [1]. 1.2.4. Nước rỉ rác Rác thải sinh hoạt từ các đô thị, thành phố có khối lượng khá lớn. Tại các thành phố lớn ở Việt Nam, lượng rác thải bình quân tính theo đầu người là 0,6 - 0,8 kg/người/ngày. Thành phần chủ yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, quả, thực vật...) nhưng một lượng đáng kể các tạp chất vô cơ: gạch, sợi, xỉ than, sành, sứ, thuỷ tinh và đặc biệt là polyme phế thải (bao bì) cũng thường có mặt. Rác được chôn lấp trong các bãi không được che phủ với diện tích khá lớn, ví dụ bãi rác Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội có diện tích tới 83 ha. Các bãi chôn lấp rác phát sinh một lượng lớn nước thải do nước mưa, nước ngầm hoặc nước bề mặt thấm vào và chính do độ ẩm của rác thải. Amoniac chiếm 70 - 80% của tổng nitơ và dao động trong khoảng lớn, từ 40 mg/l đến 1.600 mg/l tuỳ thuộc vào thời điểm và vị trí lấy mẫu. Khóa 17-CHMT 16 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo So với các loại nước thải khác, độ dao động của các đặc trưng ô nhiễm rất lớn do điều kiện thời tiết và mức độ phân huỷ tại thời điểm đánh giá [1]. 1.3. Tác hại của hợp chất nitơ Các hợp chất nitơ khi ở liều lượng thích hợp là các hợp chất dinh dưỡng cần thiết của cây trồng, thực vật, thủy sinh vật. Nếu thiếu các hợp chất này, cây và thủy sinh vật sẽ phát triển chậm. Tuy nhiên, nếu các hợp chất này có hàm lượng lớn, vượt quá ngưỡng cho phép sẽ gây ra tác hại. Những tác hại này thể hiện trên hai mặt cơ bản: tác hại đối với sức khỏe cộng đồng và tác hại đối với môi trường. 1.3.1. Tác hại của hợp chất nitơ đối với sức khỏe cộng đồng Đối với sức khoẻ, nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây hiệu ứng về môi trường. Sự có mặt của nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Nước thải chứa nhiều amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxi hoà tan trong nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu, đặc biệt là lượng ôxi hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ. Khi xử lý không tốt hợp chất nitơ trong nước thải, hợp chất nitơ có thể đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp và gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người, chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể, nitrit có thể ôxi hoá Khóa 17-CHMT 17 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ Bùi Phương Thảo sắt (II) ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng oxi trong máu có thể gây ngạt, nôn; khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong [1,8]. 1.3.2. Tác hại của ô nhiễm nitơ đối với môi trường Nitơ trong nước thải cao chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do vậy, nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu ôxi trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước. Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H2S. Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư [1,8]. 1.4. Các phƣơng pháp xử lý N trong nƣớc thải Trong nước thải, ô nhiễm nitơ hòa tan tồn tại ở dạng vô cơ như amoni, nitrit, nitrat. Dạng amoni là chủ yếu. Nhiều phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được nghiên cứu và đưa vào vận hành, trong đó có cả các phương pháp hoá học, sinh học, vật lý... Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ chuẩn để có thể áp dụng trên một phạm vi rộng. Có bốn phương pháp xử lý amoni trong nước đang được ứng dụng hiện nay là phương pháp cơ học (phương pháp thổi khí), phương pháp oxy hoá (phương pháp clo hoá tại điểm gẫy), phương pháp vi sinh, và phương pháp trao đổi ion. Khóa 17-CHMT 18 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên