đồ án tốt nghiệp xử lý nước nhiễm amoni

Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Trường
Khoa……………….
………… o0o…………

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM AMONI
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
1
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
MỤC LỤC
Trường 1
Khoa………………. 1
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
2
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
LỜI MỞ ĐẦU
Khoảng 71% với 361 triệu km
2
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
3
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Chương1
TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI VÀ MỘT SỐ
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1 NGUỒN GỐC VÀ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC NGẦM Ở
VIỆT NAM
1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm
1.1.1.1 Sự tồn tại của các hợp chất Nitơ trong nước
Amoni (NH
4
+
)

thật ra không quá độc đối với sức khoẻ con người song do quá trình

khai thác, xử lý, lưu trữ NH
4
+
chuyển hoá thành nitrit (NO
2
-
) và nitrat (NO
3
-
). Nitrit là
chất độc rất có hại cho sức khoẻ con người do nó chuyển hoá thành Nitrosamin, là một
chất có khả năng gây ung thư.
Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các dạng
vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước. Nitrat là muối Nitơ
vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục. Nitrit (NO
2
-
) tồn tại trong điều
kiện đặc biệt, còn amoniac (NH
3
) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni
hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH
4
OH) và sẽ phân ly thành ion
amoni (NH
4
+
) 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.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
4
Các prôtêin
(động vật và thực vật)
Quá trình cố định nitơ
Quá trình denitrat hoá
NO
3
-
(Nitorat tan trong nước)
NO
2
-
(Nitorit tan trong nước)
NH
3
(NH
4
OH)
(amoni tan trong nước)
Quá trình oxi hoá
và quá trình khử
Quá trình quang
tổng hợp
Quá trình hô hấp
Quá trình nitrat hoá
Các amino axit
Hình1.1 Quá trình chuyển hoá của các hợp chất Nitơ trong nước
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường

Quá trình oxi hoá các dạng Nitơ vô cơ thành NO
3
-
được gọi là quá trình nitrat hoá
(nitrification). Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển khí NO
3
-
thành
khí Nitơ (N
2
) hoặc ôxit Nitơ (N
2
O). 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 NO
3
-
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 NO
3
-
tăng lên nhưng Photpho không tăng, hoặc nồng độ Photpho
tăng lên nhưng nồng độ Nitơ không tăng thì sẽ không làm cho thực vật phát triển.
Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nghiên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni

trong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân
bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao.
1.1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam
Có nhiều nghiên nhân dẫn đến trình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu cơ
trong nước ngầm nhưng một trong những nghiên nhân chính là do việc sử dụng quá
mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật đã gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các
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
5
Hình 1.2 Chu trình Nitơ trong tự nhiên
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
6
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 NO
2
-

và NO
3
-
.
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

7
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
chứa nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hoá có nguồn đạt 30-40 mg O
2
/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 NH
4
+
tối đa cho phép là 1,5 mg/l)
Bảng 1.1 Chất lượng nước tại một số huyện thuộc tỉnh Hà Nam [9]
STT Tên các huyện
Số lượng
mẫu lấy
[N-NH
4
+
] theo giá
trị điển hình
(mg/l)
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế

(mg NH
4
+
/l)
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
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
8
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
Bảng 1.2 Đặc trưng chất lượng nước ngầm của một số nhà máy nước khu vực Hà Nội[11]
Các nhà
máy
Các chỉ tiêu chất lượng
PH
NH
4
+
(mg/l)
NO

3
-
(mg/l)
Fe
(mg/l)
Cl
-
(mg/l)
Độ cứng
(
0
dH)
Mn
(mg/l)
Độ oxi
(mg/l)
-Ngô Sĩ Liên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0
6,2
6,7
13,3
0
1,5
10,6
0
0,7
16,7

0,4
3,1
88
20
48
13
1
9
2,3
0
1,0
0,1
0
0,7
-Lương Yên
Cao
Thấp
Trung bình
8,0
6,8
7,7
5
0
1,0
4
0
0,4
19,9
2,8
7,2

4
2
1
9
5
7
0,5
0
0,2
1,8
0
0,4
-Tương Mai
Cao
Thấp
Trung bình
8
6,3
6,8
30
2,6
10,4
5
0
0,3
27,4
4,4
10,3
105
6

27
11
3
7
1,5
0
0,3
12,8
0,2
2,9
-Hạ Đình
Cao
Thấp
Trung bình
7,6
6,5
6,9
20
4
12,8
5
0
0,4
19,7
6,7
11,4
45
10
25
10

4
8
0,4
0
0,1
8,2
1,3
3,0
-Pháp Vân
Cao
Thấp
Trung bình
7,8
6,5
7
60
6,6
19,7
3
0
0,2
12
3,8
8,1
31
9
22
11
5
8

0,9
0
0,1
14,2
2,9
6,3
-Mai Dịch
Cao
Thấp
Trung bình
8
6
6,6
1,3
0
0,2
12,3
0
1,3
3,3
0
0,7
77
6
25
10
1
8
2
0,1

0,7
3
0
0,3
-Ngọc Hà
Cao
Thấp
Trung bình
7,1
6,1
6,7
30
0
0,7
7,5
0
0,9
4,7
0,1
1,6
57
14
37
14
4
9
2,4
0
1,1
2,6

0
0,5
-Yên Phụ
Cao
Thấp
Trung bình
8,2
6,2
7,2
20
0
2,8
5
0
0,2
11,6
0,3
3,7
51
4
15
17
0,3
11
2,9
0,3
0,6
6,6
0
0,8

-Sóc Sơn
Trung bình 6,5 1,3 1,7 2,7 47 6 - 0,7
-Đông Anh
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
9
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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 NH
4
+
tại đầu ra của một số nhà máy nước ở Hà Nội[4]
STT Tên nhà máy nước
[NH
4
+
](mg/l) theo
giá trị trung bình
Tiêu chuẩn Bộ Y Tế
1329/2002 (mg/l)
1 Mai Dịch 0,85
1,5
2 Yên Phụ 1,45
3 Ngọc Hà 1,80

4 Ngô Sỹ Liên 0,60
5 Lương Yên 1,54
6 Tương Mai 8,09
7 Hạ Đình 15-20
8 Pháp Vân 23,20
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 (NO
2
-
)
và nitrat (NO
3
-
) 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 (NO
2
-
) và nitrat (NO
3
-
) 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
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].
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
10
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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 NO
3
-
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 NH
4
+
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.
● NH
4
+
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
Châu Âu
80/778/EEC
WHO
1993
Tiêu chuẩn Bộ Y
Tế 1329/2002
NH
4
+
- 1,5 1,5 1,5
NO
3
-
44,3 50 50 50
NO
2

-
4,4 0,1 3 3
Tóm lại tác hại của các hợp chất Nitơ trong nước được trình bày dưới dạng bảng sau:
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
11
NO
3
-
trong
nước cấp
NO
2
-
trong
nước cấp
Nguồn gốc gây ra bệnh methmoglobin- huyết cho
trẻ sơ sinh (nhất là trẻ dưới sáu tháng tuổi)
Được xem là nguồn gốc gây bệnh ung thư
NH
4
+
trong
nước cấp
- NH
4
+
kết hợp với Clo tạo ra các hợp chất cơ Clo
trong quá trình khử trùng, một chất có tiềm năng
gây ung thư.
- NH

4
+
có thể kết hợp với Clo tạo Cloramin là chất
làm giảm hiệu suất khử trùng.
- NH
4
+
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…
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI
Amoniac (NH
3
) là chất khí và ở dạng bazơ yếu, độ tan trong nước rất cao: tại
20
0
C áp suất thường độ tan là 520 g/l. Khi tan trong nước nó tồn tại ở hai dạng:
amoniac (NH
3
) là dạng trung hoà và dạng ion amoni NH
4
+
. Phụ thuộc vào PH của nước
mà tỷ lệ NH
3
/NH
4
+
được xác định. Điểm Pk

B
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
NH
3
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
NH
4
+
và NO
3
-
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 N
2
. 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:
Cl

2
+ H
2
O HCl + HClO (PH<7) (1.1)
HClO H
+
+ ClO
-
(PH>8) (1.2)
Khi trong nước có NH
4
+
sẽ xảy ra các phản ứng sau:
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
12
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
HClO + NH
3
= H
2
O + NH
2
Cl (Monocloramin) (1.3)
HClO + NH
2
Cl = H
2
O + NHCl
2
(Dicloramin) (1.4)

HClO + NHCl
2
= H
2
O + NCl
3
(Tricloramin) (1.5)
Nếu có Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các Cloramin
HClO +2 NH
2
Cl = N
2
+ 3Cl
-
+ H
2
O (1.6)
Lúc này lượng Clo dư trong nước sẻ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản
ứng phân huỷ Cloramin, điểm tương đương ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến.
Hình1.3 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni [12]
Theo lý thuyết để xử lý NH
4
+
phải dùng tỷ lệ Cl:N = 7,6:1 song trên thực tế phải
dùng 8:1 hoặc hơn để oxi hoá NH
3
. 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:
NH
4
+
NH
3 (khí hoà tan)
+ H
+

; pk
a
= 9,5 (1.7)
Như vậy, ở PH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH
3
so với ion amoni. Nếu
ta nâng PH tới 9.5 tỷ lệ [NH
3
]/[ NH
4
+
] = 1, và càng tăng PH cân bằng càng chuyển về
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN

13
Phản ứng
với Fe
2+
,
S
2
-
NH
3
Amin
Amin
N
2
0
A
B
C
D
Lượng Clo cho
vào dư
Lượng Clo dư
mg/l
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
phía tạo thành NH
3
. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH
3
sẽ
bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:

NH
4
+
+ OH
-
NH
3
+ H
2
O (1.8)
Trong thực tế PH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH
3
ở mức
1600 m
3
không khí/ m
3
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 NH
4
+
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 NH

4
+
bằng O
3
với sự có mặt của Br
-
cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương
pháp xử lý dùng Clo. Dưới tác dụng của O
3
, Br
-
bị oxi hoá thành BrO
-
theo phản ứng
sau đây:
Br
-
+ O
3
+ H
+
= HBrO + O
2
(1.9)
Phản ứng oxy hoá NH
4
+
được thực hiện bởi ion BrO
-
giống như của ion ClO

-
:
NH
3
+ HBrO = NH
2
Br + H
2
O (1.10)
NH
2
Br + HBrO = NHBr
2
+ H
2
O (1.11)
NH
2
Br + NHBr
2
= N
2
+ 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:
a) Quá trình nitrat hoá:
Quá trình chuyển hoá về mặt hoá học được viết như sau:
NH
4
+
+ 1,5O
2
→ NO
2
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1.13)
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
14
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường

NO
2
-
+ 0,5O
2
→ NO
3
-
(1.14)
Phương trình tổng:
NH
4
+
+ 2O
2
→ NO
3
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1.15)
Như vậy 1 mol NH
4
+
tiêu thụ 2 mol O
2
hay 1gN-NH
4

+
tiêu thụ 4,57 g O
2
, 1mol
NH
4
+
tạo thành 1mol NO
3
-
, 1 mol NH
4
+
tạo thành 2 mol H
+
. Lượng H
+
tạo ra phản ứng
với độ kiềm HCO
3
-
, như vậy 1gN-NH
4
+
tiêu thụ 7,14g độ kiềm (qui về CaCO
3
). Các
phương trình (1.19 và 1.20) không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vi
khuẩn) [2].Ta có:
1,02NH

4
+
+ 1,82O
2
+ 2,02HCO
3
-
→
0,021C
5
H
7
O
2
N + NO
3
-
+ 1,92 H
2
CO
3
+ 1,06 H
2
O (1.16)
Như vậy 1 g N-NH
4
+
tiêu thụ 4,3 g O
2
, 1 g N-NH

4
+
tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (qui về
CaCO
3
).
Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ phương trình (1.20) là 4,3
gO
2
và 7,14g độ kiềm trên 1gN-NH
4
+
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:
NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử) chúng có thể là chất hữu
cơ (phổ biến là axit axetic), H

2
và S. Khi có mặt đồng thời NO
3
-
và các chất cho điện
tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO
3
-
nhận điện tử và khử về N
2
.
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 CO
2
và HCO
3
-
) 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
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 + B
-
AB + X
-
(1.24)
CY + D

+
CD + Y
+
(1.25)
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
15
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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) + NH
4
+
R-NH
4
+ H

+
(Na
+
) (1.26)
2R-H + Ca
2+
R
2
Ca + 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 Ca
2+
,Mg
2+
, 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 (Na
4

K
4
)Al
20
O
40
.20H
2
O, độ lớn mao quản nằm trong khoảng 3-8A
0
, độ xốp
khoảng 34%. Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion amoni tuân theo thứ tự[13]:
Cs
+
>Rb
+
>K
+
>NH
4
+
>Ba
2+
>Na
+
>Ca
2+
>Fe
2+
>Al

3+
Mg
2+
>Li
+
.
Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên như:
Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc của amoni
gần ngang với Kali.
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 NH
4
+
/kg. Tuy vậy dung lượng hoạt động của nó trong thực
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
16
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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
30000m
3
/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.
-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….

Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
17
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & 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 Ca
2+

, Mg
2+
(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:
─ 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.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
18
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
─ 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.
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
TRAO ĐỔI ION
Khái niệm quá trình trao đổi ion
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
19
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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
+

) + B
n+
R
n
-
B
n+
+ nA
+
(2.1)
Ở đây:
R
-
gốc hút anion của nhựa trao đổi ion;
A
+
các ion trao đổi của nhựa;
B
n+
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 (-SO

3
-
, COO
-
đối với cationit) hoặc (-NH
3
+
,-NH
2
+
,-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.
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 1cm
3
chất
trao đổi ion.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
20
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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 Điện tích nhóm
chức
Ion linh động
Cationit
Anionit

Lưỡng tính
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Vô cơ, hữu cơ
Âm
Dương
Âm, dương
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)
 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 SiO
4

(nghiên thuỷ) được thay thế bởi (AlO
4
-
), do
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
21
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
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
+
, Ca
2+
,
K
+
, Mg
2+
. Tuy nhiên khả năng trao đổi của chúng không đáng kể, dung lượng trao đổi
phụ thuộc vào tỉ lệ SiO
4
/AlO
4
, 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 SO
3
-
, 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.
Quá trình hoạt hoá toả nhiệt rất lớn, kèm theo nó là quá trình tương nở than gây ra
vở vụn, hiệu suất thu hồi sản phẩm rất thấp. Một trong các biện pháp nhằm cải thiện
trình trạng trên là hoạt hoá hai giai đoạn: ban đầu với axit loãng, sau đó với axit đặc.
Về một số phương diện than sulfon hoá giống với nhựa trao đổi ion: có các

nhóm chức và cấu trúc gel, tuy nhiên có thành phần hoá học không ổn định, độ bền cơ
và hoá kém hơn, đặc biệt dễ bị kiềm phá huỷ.
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
22
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
2.2.4 Nhựa trao đổi ion
Vật liệu trao đổi ion quan trọng nhất là nhựa trao đổi ion, nó là dạng gel, không
tan trong nước do cấu trúc mạng không gian ba chiều của polime mạch carbon.
Trong mạng polime có chứa các nhóm chức -SO
3
-
, -COO
-
, PO
3
-
, AsO
3
2-
đối với
cationit và các nhóm: -NH
3
+
, RNH
2
+
, RH
2
N
+

, -NR
3
+
(amin bậc 4, amin bậc 3, amin bậc
2, ≡ S
+
đối với anionit).
Mạng polime có tính kỵ nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng có tính ưa
nước. Polime mạch thẳng có chứa các nhóm chức trên tan trong nước, nhựa trao đổi
ion không tan nhờ cấu trúc ba chiều của mạng, nó cũng không tan trong hầu hết các
loại dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ dẻo và tương nở khi ngậm dung môi, nó có độ
xốp khá lớn (nhựa thương phẩm có chứa 40 – 60% nước tính theo khối lượng). Lỗ xốp
của nó có kích thước không đều như zeolit, tuy vậy người ta vẫn coi nó là có cấu trúc
đồng nhất theo thể tích xốp. Độ bền hoá học, bền nhiệt, bền cơ của nhựa phụ thuộc vào
cấu trúc và mức độ liên kết ngang của mạng cũng như vào bản chất và mật độ của các
nhóm chức. Mức độ liên kết ngang quyết định độ xốp hay kích thước mao quản, độ
tương nở hay khả năng linh động của ion và độ dẫn điện của nhựa. Độ lớn (hiệu dụng)
của mao quản đối với nhựa có độ liên kết ngang thấp, trong trạng thái tương nở hoàn
toàn kích thước mao quản vượt trên 100 A
0
. Nhựa có liên kết ngang cao bền cơ học,
cứng và ít bị mài mòn.
Tính bền cơ và hoá của nhựa cũng chỉ có giới hạn. Nghiên nhân gây hỏng nhựa
thông thường là yếu tố hoá học và nhiệt như oxy hoá mạng, phá huỷ các nhóm chức do
thuỷ phân nhiệt. Phần lớn nhựa trao đổi ion bền trong các dung môi thông dụng trừ
trường hợp trong các dung môi có tính oxi hoá khử cao, thường chịu được tới 100
0
C.
Riêng anionit mạnh bắt đầu phân huỷ ở 60
0

C.
Tính năng trao đổi ion của nhựa chủ yếu được quyết định bởi các nhóm chức. Mật
độ nhóm chức xác định dung lượng trao đổi ion của nhựa. Bản chất nhóm chức ảnh
hưởng lên cân bằng của quá trình trao đổi ion. Bản chất nhóm chức trước hết thể hiện ở
cường độ axit hoặc bazơ của nó. Nhóm axit yếu COO
-
chỉ phân ly ở pH cao, ở vùng pH
thấp nó liên kết với H
+
và trở nên trung hoà COOH và mất đi khả năng trao đổi. Ngược
lại, nhóm axit mạnh –SO
3
-
phân li ở mội vùng pH và vì vậy nó luôn có tác dụng trao
đổi ion.
Bản chất nhóm chức trong mạng cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc trao đổi: các
ion trao đổi ưa các nhóm chức mà chúng có khả năng tạo phức hay cặp ion. Ví dụ
nhóm sulfonic –SO
3
-
ưa Ag
+
, nhựa có nhóm chức –COO
-
ưa ion kiềm thổ, các nhóm
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
23
Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
chức chelat (vòng càng) ưa các kim loại nặng. Điều này dễ nhận biết qua độ tan thấp
hay phân ly yếu của muối tạo thành giữa các nhóm chức với các ion trao đổi, cụ thể

bạc sulfonat, kim loại kiềm thổ cacboxylat, chelat-kim loại nặng.
Rất nhiều loại nhựa trao đổi ion với các tính chất khác nhau được sản xuất, chúng
không chỉ khác nhau về bản chất hoá học và mật độ nhóm chức mà còn khác nhau về
thành phần hoá học và mức độ liên kết ngang của mạch polyme nhằm tương thích với
điều kiện sử dụng. Nhựa trao đổi cũng có cấu trúc vật lý khác nhau: dạng gel, dạng xốp
lớn (macroporons resin), dạng xốp đều (isoporous), dạng bột mịn (micro resin) và dạng
từ tính (magnetic resin). Nhựa dạng gel được sản xuất sớm nhất, nước được phân bố
đều trong cả mạng polyme. Nhựa được tương nở trong những điều kiện nhất định và
chính sự có mặt của nước trong mạng làm tăng khoảng cách của các chuỗi polyme.
Các hạt nhựa thường dùng trong cột có kích thước 0,3 – 1,2 mm. Do quá trình
động học trao đổi ion bị khống chế bởi khếch tán trong nên tốc độ trao đổi ion thường
tỉ lệ nghịch với kích thước hạt. Để tăng tốc độ trao đổi ion cần sử dụng hạt có kích
thước nhỏ. Dạng bột được sử dụng cho mục đích này kiểu dạng lớp lót (precoat filter),
nó đóng vai trò hai chức năng: lọc và loại bỏ ion đồng thời. Nó được sử dụng để loại
bỏ lượng vết bẩn của nước ngưng trong công nghiệp điện. Do mịn nên việc tổn hao áp
suất rất lớn trong khi lọc và do là hỗn hợp bột của cationit và anionit nên rất khó tái
sinh, thường chỉ dùng một lần là bỏ. Để khắc phục khó khăn khi thao tác với bột trao
đổi ion mịn, người ta trộn thêm vào hạt một chất độn có từ tính, ví dụ với γ – Fe
2
O
3
,
chúng dễ dàng tạo thành các tập hợp lớn, lắng nhanh như các hạt nhựa thông dụng, các
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
24
R
-
R
-
R

-
R
-
R
-
R
-
R
-
R
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
Lớp cố định
Lớp khuyếch
tán
Hình 2.1 Cấu tạo của hạt nhựa

Đồ án tốt nghiệp Viện Khoa Học & Công Nghệ Môi Trường
hạt nhựa này cũng dễ dàng bị phá huỷ khi khuấy trộn. Chúng khắc phục được những
khó khăn nêu trên.
2.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA NHỰA TRAO ĐỔI ION
2.3.1 Dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi ion là một thông số đặc trưng quan trọng cho một chất trao
đổi, tức là thể hiện về mặt chất lượng sản phẩm. Nó là thông số quan trọng dùng để
tính toán, thiết kế quá trình trao đổi ion kỹ thuật. Trong một chừng mực nào đó, dung
lượng trao đổi được xem là một đại lượng đặc trưng không phụ thuộc vào ngoại cảnh
hoặc phụ thuộc vào điều kiện tiến hành. Sau đây là một vài định nghĩ về dung lượng
trao đổi ion[14]:
Dung lượng tổng: là số nhóm chức tính bằng đương lượng gam trên một đơn vị
khối lượng khô chất trao đổi hay trên một đơn vị thể tích trao đổi ở trạng thái tương nở
(mđl/g hoặc mđl/l). Đại lượng này chỉ cho biết số nhóm chức tối đa mà vật liệu trao đổi
có, chứ không thể hiện tính năng sử dụng của nó.
Dung lượng hiệu dụng: là lượng ion trao đổi tiến hành trong điều kiện cụ thể.
Trị số của đại lượng này luôn nhỏ hơn dung lượng tổng phụ thuộc vào điều kiện tiến
hành như: pH, nồng độ ion cần trao đổi.
Dung lượng hấp thu: một số chất điện ly, chất tan được làm giàu lên trong lòng
chất trao đổi ion do quá trình hấp phụ, tạo phức cùng với quá trình trao đổi thật sự.
Dung lượng hấp phụ đôi khi cao hơn dung lượng tổng.
Dung lượng động: thường dùng trong trường hợp cột trao đổi ion hoạt động liên
tục trong dòng chảy dưới điều kiện dòng chảy qua cột, ví dụ trong dòng nước chứa ion
Ca
2+
có nồng độ C
o
khi cho qua cột cationit dạng Na
+
. Khi chảy qua cột xảy qua quá

trình trao đổi giữa Na
+
của chất trao đổi ion với Ca
2+
của nước và kết quả là nước đầu
ra chỉ chứa Na
+
. Sau một thời gian hoạt động cột bắt đầu bảo hoà và nồng độ Ca
2+
tăng
dần (theo thời gian) ở đầu ra và đạt tới nồng độ C
o
. Cột phải dừng hoạt động trước khi
nồng độ ở đầu ra đạt giá trị C
o
, trong thực tiễn thường là 0,05 C
o
mặc dù tiềm năng trao
đổi ion của cột chưa cạn kiệt, vì vậy dung lượng trao đổi của khối chất trao đổi ion bị
hao phí một phần. Khả năng trao đổi ion khi đó thấp hơn điều kiện tĩnh tương ứng và
gọi là dung lượng động. Dung lượng động có liên quan chặc chẽ đến yếu tố động học,
yếu tố động lực, thuỷ lực của dòng chảy, bản chất ion trao đổi, pH của môi trường.
2.3.2 Khả năng trương nở
Khả năng trương nở là khả năng chất trao đổi ion hút dung môi làm tăng thể tích
của nó lên. Khả năng trương nở của nhựa ảnh hưởng đến tốc độ, mức độ trao đổi của
Sinh viên:Đào Chánh Thuận Lớp CNMT-K47-QN
25