Tài liệu Xử lý nước nhiễm amoni

Đồ 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. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 1 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp 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 Quá trình oxi hoá và quá trình khử 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. NO3(Nitorat tan trong nước) Quá trình nitrat hoá NO2(Nitorit tan trong nước) Quá trình denitrat hoá Quá trình quang tổng hợp NH3(NH4OH) (amoni tan trong nước) Các amino axit Quá trình cố định nitơ Quá trình hô hấp Các prôtêin (động vật và thực vật) Hình1.1 Quá trình chuyển hoá của các hợp chất Nitơ trong nước Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 2 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ 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. Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 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 chất trên càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm. Ngoài ra mức Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 3 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường 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 thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới trình trạng tăng nồng độ amoni trong nước ngầm. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 4 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường 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 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 Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 5 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp 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] [N-NH4+] theo giá STT Tên các huyện Số lượng mẫu lấy 1 Bình Lục 20 58.8 2 Thanh Liêm 20 >50 3 Kim Bảng 5 >50 4 Lý Nhân 5 111,8 5 Duy Tiên 6 93,8 6 Thị Trấn Vĩnh Trụ - 77,63 trị điển hình (mg/l) Tiêu chuẩn Bộ Y Tế (mg NH4+/l) ≤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. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 6 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp 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 máy PH -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 -Lương Yên Cao Thấp Trung bình 8,0 6,8 7,7 5 0 1,0 4 0 0,4 -Tương Mai Cao Thấp Trung bình 8 6,3 6,8 30 2,6 10,4 -Hạ Đình Cao Thấp Trung bình 7,6 6,5 6,9 -Pháp Vân Cao Thấp Trung bình NH4 + NO3- Fe Cl- Mn Độ oxi ( dH) (mg/l) (mg/l) 88 20 48 13 1 9 2,3 0 1,0 0,1 0 0,7 19,9 2,8 7,2 4 2 1 9 5 7 0,5 0 0,2 1,8 0 0,4 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 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 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 8,2 20 5 11,6 51 17 2,9 6,6 6,2 7,2 0 2,8 0 0,2 0,3 3,7 4 15 0,3 11 0,3 0,6 0 0,8 (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Độ cứng 0 -Yên Phụ Cao Thấp Trung bình Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 7 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp -Sóc Sơn Trung bình 6,5 1,3 1,7 2,7 47 6 - 0,7 -Đông Anh Trung bình 6,3 2,0 1,6 7,9 - - - 1,2 -Gia Lâm Trung bình 6,7 2,1 1,2 8,1 - - - 1,0 Từ bảng 1.2 chúng ta có thể nhận thấy được hầu như nguồn nước ngầm Hà Nội đều bị ô nhiễm amoni. Riêng các nhà máy phía nam thì bị ô nhiễm amoni nặng chẳng hạn như: Tương Mai, Hạ Đình riêng Pháp Vân thì rất nặng. Mặc dù vậy nhưng sau khi qua hệ thống xử lý nước ở các nhà máy để cấp cho người dân thì hàm lượng amoni trong nước vẫn còn ở mức cao, vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Bảng 1.3 Hàm lượng NH4+ tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội[4] STT Tên nhà máy nước 1 2 3 4 5 6 7 8 Mai Dịch Yên Phụ Ngọc Hà Ngô Sỹ Liên Lương Yên Tương Mai Hạ Đình Pháp Vân [NH4+](mg/l) theo giá trị trung bình 0,85 1,45 1,80 0,60 1,54 8,09 15-20 23,20 Tiêu chuẩn Bộ Y Tế 1329/2002 (mg/l) 1,5 1.2 AMONI VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý…Amôni được chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hoá thành Nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người. Chính vì vậy qui định nồng độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá ngoặt nghèo. Như vậy ở trong nước ngầm amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy, khi khai thác lên vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) tích tụ trong thức ăn. Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến trình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dưới sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp. Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosami. Nitrosamin có thể gây tổn thương duy Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 8 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp truyền tế bào, nghiên nhân gây ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức uống của chuột, thỏ…với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì thấy sau một thời gian những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng [6]. Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin là nghiên 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. Sau khi lọt vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion 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. Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định, khi hàm lượng NO3- trên 45 mg/l nếu người dân dùng thường xuyên nguồn nước này sẽ mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu đường [9]. Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrit và nitrat cao cũng rất đáng lo ngại. Mối quan hệ giữa nước giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS (Bady Blue Syndrome) lần đầu tiên được Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi thập niên 40 khi ông điều trị cho hai đứa trẻ mắc chứng da xanh [4]. Bên cạnh đó hàm lượng NH4+ trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như sau: ● Nó có thể kết hợp với Clo tạo ra Cloramin là một chất làm cho hiệu quả khử trùng giảm đi rất nhiều so với Clo gốc. ● Nó là nguồn Nitơ thứ cấp sinh ra nitrit trong nước, một chất có tiềm năng gây ung thư. ● NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan. Mặc dù bằng chứng về nhiễm độc của các hợp chất Nitơ trong nước chưa đầy đủ nhưng có thể khẳng định rằng nó rất độc với trẻ em vì nguy cơ gây bệnh mất sắc tố máu, xanh da, hôn mê,…và có thể gây ung thư đối với người lớn. Để đề phòng sự nhiễm độc do các hợp chất Nitơ gây ra thì một số quốc gia và tổ chức trên thế giới đưa ra tiêu chuẩn về các hợp chất Nitơ sau đây. Bảng 1.4 Tiêu chuẩn một số quốc gia về các hợp chất Nitơ trong nước cấp[6] Chỉ tiêu Hoa Kỳ NH4+ NO3NO2- 44,3 4,4 Châu Âu 80/778/EEC 1,5 50 0,1 WHO 1993 1,5 50 3 Tiêu chuẩn Bộ Y Tế 1329/2002 1,5 50 3 Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 9 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Tóm lại tác hại của các hợp chất Nitơ trong nước được trình bày dưới dạng bảng sau: NO3- trong nước cấp Nguồn gốc gây ra bệnh methmoglobin- huyết cho trẻ sơ sinh (nhất là trẻ dưới sáu tháng tuổi) NO2- trong nước cấp Được xem là nguồn gốc gây bệnh ung thư NH4+ trong nước cấp - NH4+ kết hợp với Clo tạo ra các hợp chất cơ Clo trong quá trình khử trùng, một chất có tiềm năng gây ung thư. - NH4+ có thể kết hợp với Clo tạo Cloramin là chất làm giảm hiệu suất khử trùng. - NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật tái phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan… 1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI Amoniac (NH3) là chất khí và ở dạng bazơ yếu, độ tan trong nước rất cao: tại 0 20 C áp suất thường độ tan là 520 g/l. Khi tan trong nước nó tồn tại ở hai dạng: amoniac (NH3) là dạng trung hoà và dạng ion amoni NH4+. Phụ thuộc vào PH của nước mà tỷ lệ NH3/NH4+ được xác định. Điểm PkB của chúng là 9,15 tức là tại PH = 7 hoặc PH = 11 thì amoni hoặc amoniac có khả năng bốc hơi [13]. Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ là: nitrit, nitrat, và amoni. Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng: Làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 - 11); Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến (break-point) trên đường cong hấp thụ Clo trong nước, tạo Cloramin; Trao đổi ion NH4+ và NO3- bằng các vật liệu trao đổi Cation/Anion; Nitrat hóa bằng phương pháp sinh học; Nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox (nitrit hóa một phần amoni, sau đó amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là chất nhận điện tử, được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí; Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; v.v... 1.3.1 Phương pháp Clo hoá đến điểm đột biến Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng thành N2. Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo PH của nước mà Clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình: Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 10 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp Cl2 + H2O HCl + HClO + (PH<7) (1.1) - HClO H + ClO (PH>8) + Khi trong nước có NH4 sẽ xảy ra các phản ứng sau: HClO + NH3 = H2O + NH2Cl (Monocloramin) (1.2) HClO + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin) HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin) Nếu có Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các Cloramin (1.4) (1.5) (1.3) HClO +2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O (1.6) Lúc này lượng Clo dư trong nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản Lượng Clo dư ứng phân huỷ Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến. D B A 0 C mg/l Phản ứng với Fe2+, S2 NH3 Amin Amin N2 Lượng Clo cho vào dư Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12] Theo lý thuyết để xử lý NH4+ phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế phải dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH3. Do xảy ra các phản ứng đã nêu, quá trình Clo hoá thực tế xảy ra theo một đường cong có dạng đặc biệt, có “điểm đột biến” như ở hình1.3. Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợp chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni[12]. Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều chất cơ Clo có mùi đặc trưng khó chịu. Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan và HAA-axit axêtic halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngoặc. Ngoài ra với lượng Clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyết đối với các nhà máy lớn. Đây là những lý do khiến phương pháp Clo hoá mặc dù đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế và xây dựng cơ bản nhưng rất khó áp dụng. 1.3.2 Phương pháp đuổi khí (Air Stripping) Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng: Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 11 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp NH4+ NH3 (khí hoà tan) + H+ ; pka = 9,5 (1.7) Như vậy, ở PH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta nâng PH tới 9.5 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1, và càng tăng PH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải: NH4+ + OHNH3 + H2O (1.8) Trong thực tế PH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH3 ở mức 1600 m3 không khí/ m3 nước [12] và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH4+ xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp. 1.3.3 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 lý NH4+ 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 O3, Br- bị oxi hoá thành BrO- theo phản ứng sau đây: Br- + O3 + H+ = HBrO + O2 (1.9) + Phản ứng oxy hoá NH4 được thực hiện bởi ion BrO giống như của ion ClO-: NH3 + HBrO = NH2Br + H2O (1.10) NH2Br + HBrO = NHBr2 + H2O (1.11) NH2Br + NHBr2 = N2 + 3Br- + H+ (1.12) Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp Clo hoá và Ozon hoá xúc tác Br . 1.3.4 Phương pháp sinh học Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu và cũng cho được nhiều kết quả khả quan. Mặc dù xử lý sinh học cũng được thực hiện bằng nhiều quá trình vật lý, hoá học và hoá lý nhưng phương pháp sinh học lại mang một ý nghĩa hoàn toàn khác và ngày càng trở nên quan trọng. Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như xử lý dể dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với một chất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch về mặt hoá chất độc hại và ổn định về hoạt tính sinh học, chất lượng cao (cả về mùi, vị và tính ăn mòn). Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hoá và khử nitrat hoá như sau: Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 12 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường a) Quá trình nitrat hoá: Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học được viết như sau: NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + H2O NO2- + 0,5O2 → NO3- (1.13) (1.14) Phương trình tổng: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O (1.15) + + Như vậy 1 mol NH4 tiêu thụ 2 mol O2 hay 1gN-NH4 tiêu thụ 4,57 g O2, 1mol NH4+ tạo thành 1mol NO3-, 1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+. Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-, như vậy 1gN-NH4+ tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui về CaCO3). Các phương trình (1.19 và 1.20) không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vi khuẩn) [2].Ta có: 1,02NH4+ + 1,82O2 + 2,02HCO3- → 0,021C5H7O2N + NO3- + 1,92 H2CO3 + 1,06 H2O (1.16) Như vậy 1 g N-NH4+ tiêu thụ 4,3 g O2, 1 g N-NH4+ tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (qui về CaCO3). Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ phương trình (1.20) là 4,3 gO2 và 7,14g độ kiềm trên 1gN-NH4+ để tính toán. b) Quá trình khử nitrat hoá: Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat hoá sử dụng oxi từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần nguồn Cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới. Quá trình khử nitrat hoá là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau: NO3NO2NO N2 O N2 Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến là axit axetic), H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO3- nhận điện tử và khử về N2. Vi khử tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm:Bacilus, Pseudômnas, Methanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus, …Chỉ có Thiobaciluc denifrifcans là sử dụng nguồn điện tử S nghiên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới. 1.3.5 Phương pháp trao đổi ion Quá trình trao đổi ion là một quá trình hoá lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt hoặc Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 13 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường bên trong của 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 một cách tổng quát như sau: AX + BAB + X(1.24) + + CY + D CD + Y (1.25) Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation. Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc vào: ● Kích thước hoá trị của ion. ● Nồng độ ion có trong dung dịch. ● Bản chất của chất trao đổi ion. ● Nhiệt độ. Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu điện tích. Nhựa trao đổi cation (Cationit) là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó R là gốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH-, Cl-,…Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và cation có trong dung dịch. R-H(Na) + NH4+ R-NH4 + H+(Na+) (1.26) 2R-H + Ca2+ R2Ca + 2H+ (1.27) Chất trao đổi ion có thể có sẳn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong đó quan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp (aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion). Trong thực tế nhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rải nhất. Trong nước ngầm ngoài ion amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các cation hoá trị I và hoá trị II như Ca2+,Mg2+, K+, Na+,…phần lớn các nhựa cation có độ chọn lọc thấp đối với ion amoni. Để ứng dụng thực triển cần tìm được chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao đối với ion amoni. Trong khi đó, Zeolic đặc biệt là loại Clinoptilolit tự nhiên có thể đáp ứng được đồi hổi trên. Clinoptilolit là loại Zeolic tự nhiên có công thức hoá học là (Na4K4)Al20O40.20H2O, độ lớn mao quản nằm trong khoảng 3-8A0, độ xốp khoảng 34%. Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion amoni tuân theo thứ tự[13]: Cs+>Rb+>K+>NH4+>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+Mg2+>Li+. Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên như: Ca2+, Mg2+, Na+ đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc của amoni gần ngang với Kali. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 14 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Chabazit là một loại Zeolit có độ chọn lọc khá cao đối với ion amoni. Dung lượng trao đổi của Clinoptilolit được nhiều tác giả xác định, nằm trong khoảng từ 1-2,7 đl/kg, tương ứng với 14-32g NH4+/kg. Tuy vậy dung lượng hoạt động của nó trong thực triễn ít khi vượt quá 50% của dung lượng tổng, thường là 1-7 g/kg, do khi gần bão hoà amoni bị chiết ra khỏi dung dịch [13]. 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI Ở NƯỚC TA Trong những năm gần đây chúng ta có một số công trình nghiên cứu xử lý các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước cấp cũng như trong nước thải, các nghiên cứu còn hạn chế và chưa đầy đủ nhưng có thể liệt kê một số công trình nghiên cứu sau đây: -Hoàn thiện công nghệ xử lý nước để áp dụng cho một số nguồn nước bị nhiễm arsenic; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn. Chủ nghiệm đề tài: KS. Đinh Viết Đường, Công ty nước và môi trường Việt Nam. -Nghiên cứu xử lý N-Amoni trong nước ngầm Hà Nội. Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà(2002) -Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002. -Báo cáo kết quả nghiên cứu xử lý amoni tại Pilot Pháp Vân. Cao Thế Hà, Lê Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004). -Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giàu hợp chất Nito(N), Photpho (P) thích hợp với điều kiện Việt Nam. Lê Văn Cát, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ thuộc chương trình nhà nước về bảo vệ môi trường, Hà Nội 2001-2002. -Nghiên cứu xử lý các chất dinh dưỡng (các hợp chất N và P), trong các hệ xử lý nước thải sinh hoạt. Lê Văn Chiều, Luận án tiến sĩ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2003. -Nuyên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội. Đề tài cấp thành phố 01C – 09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khôi –Sở giao thông công chính Hà Nội. -Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất 30000m3/ngày.đêm , (2002) – công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt Nam. (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment). -Các đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ của viện khoa học và công nghệ Việt Nam bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị. -Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu Zeolit, chủ trì Nguyễn Hưu Phú- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. -Xử lý nitrat, báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng tác viên, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 15 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường -Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ trì đề tài Nguyễn Thị Hà, đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số QT.05.36,2005. -Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt, Viện Công nghệ Môi trường…. Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý tốt amoni trong nước ngầm cũng như trong nước thải. Đối với qui mô vừa và nhỏ thì phương pháp trao đổi ion được các nhà khoa học đề xuất là thích hợp nhất. Các đề tài đều khẳng định phương pháp sinh học là định hướng chính cho qui mô lớn. Vấn đề xử lý amoni trong nước cấp, đặc biệt ở mức cao cỡ 15-25 mg/l là một trong những vấn đề còn khá mới mẻ ở nước ta và trên thế giới. Trước năm 2002 các tiêu chuẩn Việt Nam đều giới hạn nồng độ amoni ở mức ≤ 3mg/l thì từ năm 2002 với quyết định 1329/2002 QĐ-BYT của Bộ Y Tế, giới hạn nồng độ amoni của Việt Nam đã ở mức qui định của tổ chức thế giới WTO là 1,5mg/l trong khi ở Châu âu là 0,5mg/l. Điều này thúc đẩy nhiều nghiên cứu ở Việt Nam trong lĩnh vực xử lý amoni trong nước cấp. 1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỒ ÁN Như đã trình bày ở những phần trên, thì hiện nay trình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm ngày càng phổ biến. Hàm lượng amoni trong nước ngầm ngày càng cao và vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần. Nó đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ người dân và các cơ sở sản xuất. Từ những vấn đề trên thì cần phải có nhiều nghiên cứu xử lý amoni hơn nữa để loại bỏ amoni ra khỏi nước cấp nhằm phụ vụ nhu cầu cung cấp nước sạch cho người dân và các cở sở sản xuất. Từ hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm như hiện nay, để loại bỏ amoni ra khỏi nước ngầm nhằm cung cấp nước sạch cho người dân và các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ thì phương pháp trao đổi ion là thích hợp nhất. Chất trao đổi ion có độ chọn lọc cao với amoni là Zeolit, đặc biệt là clinoptilolit, nhưng nghiên liệu này có dung lượng nhỏ và không có sẳn ở Việt Nam. Để được áp dụng rộng rải và phổ biến thì cần phải dùng chất trao đổi ion thông dụng đó là nhựa cationit. Vì thế em lựa chọn phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi là nhựa cationit C100 để nghiên cứu khử amoni ra khỏi nước ngầm. Đối với nhựa cationit thì độ lựa chọn của ion Ca2+, Mg2+(độ cứng) cao hơn so với ion amoni. Với mục đích là để xử lý amoni ra khỏi nước ngầm bằng phương pháp trao đổi ion trên nhựa cationit C100 khi biết nồng độ amoni và hàm lượng độ cứng của một nguồn nước ngầm bất kỳ, nội dung của đồ án bao gồm: Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 16 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường ─ Xác định thời gian đạt cân bằng của nhựa C100 (Mỹ) và ion amoni. ─ Xây dựng đường đẳng nhiệt cân bằng trao đổi ion của nhựa C100 (Mỹ) với ion amoni.  Xác định ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến hiệu quả xử lý amoni. ─ Xác định ảnh hưởng của độ cứng đến hiệu quả xử lý amoni. ─ Xác định ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu vào đến hiệu quả xử lý. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 17 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Khái niệm quá trình trao đổi ion Trao đổi ion là một phương pháp mà trong một số điều kiện, một chất không tan (nhựa) hút một ion dương hay âm của một dung dịch và nhả ra một ion khác cùng dấu. Hiện tượng này dựa trên phản ứng hoá học tổng quát sau[15]: n(R-A+) + Bn+ Rn-Bn+ + nA+ (2.1) Ở đây: R- gốc hút anion của nhựa trao đổi ion; A+ các ion trao đổi của nhựa; Bn+ các ion hoà tan trong dung dịch. Sau một thời gian nhất định, phản ứng xảy ra cân bằng. 2.1 CHẤT TRAO ĐỔI ION Chất trao đổi ion theo định nghĩa thông thường là chất rắn không tan trong nước có gắn các ion âm hoặc dương, trong dung dịch chứa chất điện ly, các ion âm hoặc dương có thể được thay thế bởi các ion tương ứng có trong dung dịch. Chất trao đổi ion có gắn các ion dương, có khả năng trao đổi với các cation của dung dịch gọi là cationit. Các chất gắn ion âm và trao đổi với các anion của dung dịch gọi là anionit. Chất trao đổi ion có hai tính năng trên thì gọi là lưỡng tính. Các ion có khả năng trao đổi được gắn vào mạng chất rắn không tan thông qua các nhóm chức (-SO3-, COO- đối với cationit) hoặc (-NH3+,-NH2+,-S- đối với anionit), các nhóm chức này tích điện âm đối với cation và tích điện dương đối với anionit. Một chất trao đổi ion được gọi là mạnh khi độ phân ly của nhóm ion và nhóm chức hoàn toàn không bị chi phối bởi độ pH của môi trường. Ngược lại, khi độ phân ly phụ thuộc vào độ pH (độ phân ly của axit yếu tốt khi pH cao, độ phân ly của bazơ yếu khi pH thấp) thì gọi là loại yếu. Sự trao đổi ion tuân theo qui luật tỉ lượng, tức là qui luật trao đổi 1-1 theo hoá trị. Trường hợp trao đổi không theo quy luật trên mà do các quá trình hấp phụ tạo phức góp phần thì gọi là chất trao đổi tạo phức. Ion có khả năng trao đổi nằm trong mạng chất rắn thường là Na+ hoặc H+ đối với cationit và OH- hoặc Cl- đối với anionit. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 18 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường Đồ án tốt nghiệp Một chất trao đổi ion sau khi sử dụng trở nên bảo hoà, có thể sử dụng lại bằng cánh tái sinh, tức là đưa nó về dạng Na+ hoặc OH- ban đầu bằng cánh cho tiếp xúc lại với dung dịch NaCl Hoặc NaOH. Quá trình đó được gọi là tái sinh. Khả năng trao đổi của chất trao đổi ion tính theo khối lượng hoặc thể tích của nó gọi là dung lượng trao đổi, thường tính theo đơn vị đương lượng trên 1g hoặc 1cm3 chất trao đổi ion. Trong một hỗn hợp nhiều ion kim loại, đối với một chất trao đổi nào đó, ion này trao đổi tốt hơn ion khác được thể hiện qua độ chọn lọc. 2.2 VẬT LIỆU TRAO ĐỔI ION[13] Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ. Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi được với bên ngoài. Chất trao đổi ion đề cập ở đây là chất rắn không tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức chứa hai thành phần tích điện của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. Cấu trúc của chúng có thể mô tả như sau: Dạng chất trao đổi Mạng chất rắn Cationit Anionit Lưỡng tính Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Vô cơ, hữu cơ Điện tích nhóm chức Âm Dương Âm, dương Ion linh động Dương Âm Âm, dương Có thể phân loại vật liệu trao đổi ion như sau: a) Loại cationit  Vô cơ + Tự nhiên (zeolit, khoáng sét) + Tổng hợp (zeolit tổng hợp, permutit, silicat tổng hợp)  Hữu cơ + Tự nhiên (than bùn, lignin) + Than sulfon hoá + Tổng hợp (nhựa trao đổi ion trên cơ sở phản ứng trùng ngưng, polime hoá) b) Loại anionit  Vô cơ + Tự nhiên (dolomit, apatit, hydroxy apatit) + Tổng hợp (silicat của kim loại nặng) Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 19 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường  Hữu cơ + Tổng hợp (nhựa trao đổi ion 2.2.1 Khoáng vật trao đổi ion Các khoáng vật có tính năng trao đổi ion phần lớn thuộc họ alumosilicat có cấu trúc tinh thể hoặc lớp như: zeolit, vermiculit, bentonit, beidellit, glauconit. Những chất này có khả năng trao đổi do mạng SiO4 (nghiên thuỷ) được thay thế bởi (AlO4-), do điện tích của Nhôm thấp hơn Silic nên cả mạng tích điện âm. Để trung hoà điện tích âm, các ion (kiềm, kiềm thổ) phân bố trong đó. Các ion này có khả năng trao đổi và các alumosilicat đóng vai trò cationit. Ngoài ra các loại zeolit tự nhiên phần lớn có hệ mao quản khá rộng, rất thuận lợi cho quá trình trao đổi ion. Các ion có thể trao đổi linh động, chuyển dịch khá tự do trong các hốc zeolit, thường là nhiều loại như: Na+, Ca2+, K+, Mg2+. Tuy nhiên khả năng trao đổi của chúng không đáng kể, dung lượng trao đổi phụ thuộc vào tỉ lệ SiO4/AlO4, độ sạch của sản phẩm, nhìn chung ít ổn định. 2.2.2 Chất trao đổi ion vô cơ tổng hợp Chất trao đổi ion vô cơ được tổng hợp cách đây khoảng 90 năm, với cố gắng bắc chước sản phẩm tự nhiên, chủ yếu là silicat. Thương phẩm cationit đầu tiên được chế tạo là natripermutit, là hỗn hợp nung chảy của sô đa, sét cao lanh…nó có tính chất gần giống zeolit ngoại trừ tính không ổn định về cấu trúc nên hiện nay sản phẩm đó không được sử dụng. Zeolit tổng hợp được điều chế theo phương pháp: tinh chế từ zeolit tự nhiên, tái kết tinh zeolit tự nhiên và tổng hợp trực tiếp. Phương pháp tổng hợp trực tiếp trừ natrisilicat và aluminat là phương pháp có hiệu quả nhất. 2.2.3 Vật liệu trao đổi ion trên than Rất nhiều loại than có tính năng trao đổi ion. Các nhóm chức trên bề mặt than như: COOH-, OH- là các axit yếu có khả năng trao đổi H+ trong điều kiện thích hợp. Tuy vậy các loại vật liệu này đã bị kiềm phá huỷ và có xu hướng peptit hoá. Vì vậy trước khi sử dụng chúng cần được ổn định thông qua các biện pháp xử lý. Than non, than lignin có thể xử lý với dung dịch muối đồng, muối Crom hay muối nhôm. Một số loại than đá, than có độ cứng nhất định xử lý với xút hay với axit clohydric, sản phẩm tạo thành có độ bền hoá học tốt hơn. Nhiều loại than như than nâu, than đá có thể chế tạo thành loại cationit bằng cách hoạt hoá với axit sunfurit đặc gắn vào bề mặt than nhóm chức sulfon SO3-, đồng thời tăng cường mật độ nhóm cacboxylic qua quá trình oxy hoá. Tác nhân hoạt hoá ngoài axit sunfuric còn có thể sử dụng dẫn xuất như oleum (axit sunfurit đặc 120-140%), axit pyrosunfuric, kali bisunfat, axit closulfonic. Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN 20 Chia sẽ Đề tài bởi CN. Nguyễn Thanh Tú - Facebook: hwww.facebook.com/daykem.quynhon Website: www.daykemquynhon.ucoz.com