Nghiên cứu khả năng hấp phụ Amoni trong nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã Cà phê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYÊN TÁT THÀNH

KHOA KỸ THUẬT THỤC PHẨM VÀ MƠI TRƯỜNG

NGUYEN TAT THANH

KHĨA LUẬN TĨT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
AMONI TRONG NƯỚC
BẰNG THAN SINH HỌC
CÓ NGUỒN GỐC TỪ BÃ CÀ PHÊ

HỊ NGUN HỒNG N

TP.HCM, tháng 10 năm 2020


TÓM TẤT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Amoni (NH4+ -N) chủ yếu được tạo ra từ các hoạt động nông nghiệp và công
nghiệp. Nước cỏ chứa nhiều NH4 -N sẽ ức chế quả trình nitrat hóa tự nhiên, gảy ra

tình trạng thiếu oxy trong nước, gây ngộ độc cho cả và dẫn đen ơ nhiễm mơi trường.

Hiện nay, có nhiều phương pháp để loại bỏ NH4+-N, nhưng phương pháp hấp phụ

bằng than sinh học cỏ nguồn gốc từ bã cà phê là một kỹ thuật được ưa chuộng hơn
nhiều đê khử amoni từ nước do vận hành đơn giản và chi phỉ thấp.
Mục tiêu của nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng hấp phụ của amoni môi trường

nước bang than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê (BSCG). Đặc tính hóa lý của than

sinh học biến tỉnh được xác định bằng cách xác định đặc tỉnh của BSCG như SEM,
BET và FTIR và khảo sát các yếu tổ ánh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni.

Ket quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ tối ưu là 80% với điều kiện tối ưu
khi giả trị pH là 7, nồng độ amoni là 40 mg/l, nồng độ BSCG là 2 g/l, thời gian hấp

phụ đạt cân bằng sau 24h, Q„lax =151.52 mg/g. Quá trình hấp phụ tuân thủ theo cả hai
cơ chế hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý tùy thuộc vào pH của môi trường. Dựa vào
dung lượng hấp phụ, chủng ta có thế khẳng định than biến đơi có tiềm năng đê hấp

phụ amonỉ trong dung dịch.


MỤC LỤC

MỤC LỤC................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................. iv
DANH MỤC TÙ VIẾT TẮT................................................................................ V

MỞ ĐẦU................................................................................................................. 1
1. ĐẬT VẮN ĐỀ.................................................................................................... 1

2. MỤC TIÊU NGHIÊN cúu............................................................................. 1
3. NỘI DUNG NGHIÊN củu............................................................................. 1
4. PHẠM
VI NGHIÊN cúu................................................................................ 3
•

CHƯƠNG 1. TĨNG QUAN TÀI LIỆU............................................................... 4
1.1

TĨNG QUAN VỀ Ơ NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC.......................... 4

1.1.1

Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam..............4

1.1.2

Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm trên thế giới...............5

1.1.3

Amoni trong nước sinh hoạt và tác hại tới sức khỏe......................... 6

1.2

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM AMONI.................................. 7

1.2.1

Phương pháp kiềm hóa và làm thống................................................ 7

1.2.2

Phương pháp Ozon hố với xúc tác Bromua (Br-)............................ 7

1.2.3

Phương pháp trao đổi ion..................................................................... 8

1.2.4

Phương pháp sinh học........................................................................... 8

1.2.5

Phương pháp hấp phụ......................................................................... 10

1.2.6

Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trườngnước....................... 12

1.2.7

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.................................. 13

1.3

THAN SINH HỌC TRONG xử LÝ NƯỚC Ơ NHIỄM........................ 13

1.3.1

Thành phần tính chất......................................................................... 13

1.3.2

Vật liệu sản xuất than sinh học......................................................... 14

1


1.3.3

ứng dụng than sinh học trong xử lý nước ô nhiễm amoni............. 15

CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cúu...............................................16
2.1 NỘI DUNG NGHIÊN cúu......................................................................... 16

2.2 ĐIỀU CHẾ THAN SINH HỌC TÙ BÃ CÀ PHÊ (BSCG)....................... 17
2.3 CÁC THÍ NGHIỆM................................................................................... 17

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH................................................................. 19

CHƯ ƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................ 21
3.1 ĐẶC TÍNH SINH HỌC CỦA THAN SINH HỌC (BSCG)...................... 21

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA pH ĐẾN KHẢ NĂNG LOẠI BỎ AMONI CỦA

BSCG..........................................................................................................................23
3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG Đỏ BSCG ĐẾN KHẢ NĂNG LOẠI BỎ
AMONI CỦA BSCG.................................................................................................24

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NÒNG ĐỌ AMONI ĐẾN KHẢ NÀNG LOẠI BỒ
AMONI CỦA BSCG.................................................................................................. 25

3.5 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA BSCG THEO THỜI GIAN...... 26
3.6 ĐẮNG NHIỆT HẮP PHỤ AMONI CỦA BSCG.......................................27

KỂT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 29
1. KẾT LUẬN..................................................................................................... 29

2. KIẾN NGHỊ.....................................................................................................29

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 30

PHỤ LỤC.............................................................................................................. 33

II


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Q trình chuyển hóa Amoni.......................................................................... 4
Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nhiễm Amoni trong nước ngầm.......................................... 4
Hình 1.3 Các mơ hình của một cấu trúc graphitic microcristalline............................. 13
Hình 2.1 Quy trình chế tạo than sinh học từ bã cà phê................................................ 16
Hình 3.1 Ảnh SEM của BSBG ở kích thước 1 và 10pm............................................ 20
Hình 3.2 Kết quả phân tích FITR của BSCG............................................................. 21
Hình 3.3 Giá trị pHpzc của BSCG.............................................................................. 22
Hình 3.4 Ánh hưởng của pH đen hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG....................... 22
Hình 3.5 Ánh hưởng của nồng độ BSCG đến hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG....23
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG.. ..24
Hình 3.7 Khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của BSCG..................................... 25
Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich................................... 26

iii


DANH MỤC BANG

Bảng 3.1. So sánh khả năng hấp phụ amoni của BSCG với các Biochar

27

khác

IV


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên Môi trường

BSCG

Than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê

BYT

Bộ Y tế

ỌCQG

Quy chuân quôc gia

ỌCVN

Quy chuẩn Việt Nam

VLHP

Vật liệu hấp phụ

V


MỞ ĐÀU
1. ĐẶT VÁN ĐỀ
Trong những năm gần đây, việc sản xuất và sử dụng biochar ngày càng được quan
tâm vì khả năng lưu trừ carbon ben trong đất, khả năng cải thiện độ phì nhiêu đất và

giảm rửa trơi các chất ơ nhiễm ra mơi trường bên ngồi. Biochar được định nghĩa là
sản phẩm giàu carbon được sản xuất bằng quá trình nhiệt phân chất hữu co ở điều kiện

oxygen hiếm và ở nhiệt độ cao.
Theo quy chuẩn kỳ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt 01-1:2018 BYT,

hàm lượng amoni trong nước sinh hoạt đạt chuẩn khi có hàm lượng amoni 0,3 mg/1.
Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nước sinh hoạt ở nhiều noi đều vượt quá chỉ
tiêu cho phép, nhiều noi cao từ 20 đến 30 lần. Mức độ ô nhiềm tăng trong khi các tác

nhân nhiễm bấn chưa được ngăn chặn hiệu quả. Trong những năm gần đây, hấp phụ là
công nghệ được ưa chuộng hơn đế xử lý amoni trong nước do dễ hoạt động và chi phí
thấp. Việc tận dụng phế phụ phấm sinh hoạt, trong đó có bã cà phê, để biến nó thành
một loại vật liệu có giá trị mang lại lợi ích kinh tế và mơi trường sè là một hướng đi

phù hợp.

Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni

trong nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê” đế tận dụng phế phụ
phẩm bã cà phê để sản xuất than sinh học và sử dụng để hấp phụ amoni trong nước bị

ô nhiễm.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN cúu
Mục tiêu của đề tài là điều che thành công than sinh học từ bã cà phê (BSCG) và
đánh giá hiệu quả hấp phụ amoni trong nước ở những điều kiện khác nhau.

3. NỘI DUNG NGHIÊN cứu
Xác định đặc tính của BSCG.
Đánh giá sự ảnh hưởng của pH đen khả năng loại bỏ amoni của BSCG.

Đánh giá sự ảnh hưởng của liều lượng BSCG đến khả năng loại bỏ amoni của BSCG.
Đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ amoni đến khả năng loại bỏ amoni của BSCG.

Xác định đắng nhiệt hấp phụ amoni của BSCG.
1



4. PHẠM VI NGHIÊN cứu
• Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu hấp phụ: than sinh học từ bã cà phê
Đối tượng xử lý: amoni trong nước

• Thời gian nghiên cứu

Khơng gian: Thí nghiệm được thực hiện tại phịng thí nghiệm Quan trắc Môi

trường - Khoa Kỳ thuật Thực phẩm và Môi trường - Trường Đại học Nguyễn Tất
Thành và thực hiện trên các máy móc và thiết bị có sằn.

Thời gian thực hiện: từ 1/5/2020 đén 30/09/2020

3


CHƯƠNG 1. TƠNG QUAN TÀI LIỆU
1.1

TĨNG QUAN VỀ Ơ NHIỄM AMONI TRONG NƯỚC

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam
Theo Chi cục bảo vệ môi trường TP.HCM, kết quả quan trắc nước ngầm tầng

nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang điền biến ngày
càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đơng Thạch (huyện Hóc Mơn) bị ơ nhiễm
amoni (68.73 mg/1 cao gấp 1.9 lần so với năm 2005). Ngồi ra cịn 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 cùa trung tâm nghiên cứu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
Quốc gia và trường Đại học Mở - Địa chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng

Bắc Bộ gom các tỉnh như Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng

n, 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 là

3mg/l khoảng 70-80%. Trong nhiều nguồn nước ngầm cịn chứa nhiều hợp chất hữu

cơ, độ oxi hố có nguồn đạt 30-40 mg 02/l. Có the cho rằng phần lớn các nguồn nước

ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các chất hợp chất hữu cơ (Nhan
2002).
Theo kết quả khảo sát cùa 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. Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mầu nước với

hàm lượng lên tới 111,8 mg/1 gấp 74 lần so với tiêu chuẩn BỘ Y Te (TC BYT), còn ở
Duy Tiên là 93,8 mg/1 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/1 vượt

mước tiêu chuấn Việt Nam cho phép rất nhiều lần. (Nhan 2002).

4


Ammonia ô=Êx$.r
tođ

Nitrate

Nitrite

Hitroớomnas
bacteria

Hitrospira
bacteria

Hỡnh 1.1 Quỏ trỡnh chuyn húa Ammonia

Cú nhiu nguyờn nhân dần đến tình trạng nhiễm bấn amoni và các chất hừu cơ trong
nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mước
lượng phân bón hừu cơ, thuốc trừ sâu, hố chất, thực vật 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. Ngồi ra mức độ ơ nhiễm cịn

phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực.

Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng
Do sự tồn tại của nguồn ơ nhiềm nằm ở phía trên mặt đất
Do chiều dày đới thơng khí

Do độ dốc thuỷ lực lớn

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nhiễm Ammoni trong nước ngầm

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm trên thế giới

Amoni có mặt trong nước ngầm là do kết quả của q trình phân huỷ yếm khí
các hợp chất hừu cơ trong tự nhiên và cũng do các nguồn thải hữu cơ từ các hoạt động
của con người. Nồng độ amoni cao từ 1-10 mmol/L đã được tìm thấy ở các tầng chứa

nước bị nhiễm bấn do sự rò rỉ từ trong đất và trong các hoạt động thải nước thải nồng

5


độ amoni cao. Đã có nhiều cơng trình khoa học sử dụng kỳ thuật đồng vị kết hợp với

các phương pháp khác đe nghiên cứu về ngon gốc ô nhiễm amoni cũng như sự di
chuyển của chất này từ trong môi trường đất vào nước ngầm thông qua các quá trình
biến đổi các họp chất nitơ.

1.1.3 Amoni trong nước sinh hoạt và tác hại tới sức khoe

Bản thân Amoni không quá độc với cơ the, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm
lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có the chuyến hóa thành các chất gây ung thư

và các bệnh nguy hiểm khác. Các nghiên cứu cho thấy, Ig amoni khi chuyển hóa hết
sè tạo thành 2,7 g nitrit và 3,65 g nitrat. Trong khi hàm lượng cho phép của nitrit là

0,05 mg/1 và nitrat là 2-5 mg/lít theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT quy định về chất
lượng nước mặt. (BTNMT 2015)

Amoni là một trong những yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm
giảm tác dụng của Clo, giảm hiệu quả khử trung nước do phản ứng với Clo tạo thành
monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần. Amoni cùng với

các chất vi lượng trong nước (họp chất hữu cơ, phot pho, sắt, mangan...) là “thức ăn”

để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị
đục, đóng cặn trong hệ thống dần, chứa nước. Nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố

cảm quan (NH4‘ là nguồn dinh dường để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong

đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan). Một hiện tượng nữa cần được quan tâm
là khi nồng độ amoni trong nước cao, rất dễ tạo thành các nitrat (NO2‘), nitrit (NO3‘).
Trong cơ thể động vật, nitrit và nitrat có thể biến thành N - nitroso - là chất tiền ung
thư.

Khi ăn uống nước có chứa nitrit, cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ
tranh oxy cùa hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng
thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm cho trẻ mới sinh dưới sáu tháng,

nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp, trẻ bị xanh xao, ốm yếu,
thiếu máu, khó thở do thiếu oxi trong máu. Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các

axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây

tổn thương di truyền tế bào - nguyên nhân gây bệnh ung thư. Những thí nghiệm cho
nitrit vào thức ăn, nước uống của chuột, thỏ... với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép

thì sau một thời gian thấy những khoi u sinh ra trong gan, phoi, vòm họng của chúng
6


Các hợp chất nito trong nước có thế gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử

dụng nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết họp với các amin để tạo nên
những 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 đe pha sữa. Sau khi lọt vào cơ

thể, nitrat được chuyển hoá nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Iron nitrit còn
nguy hiếm hơn nitrat đối với sức khoẻ con người. Khi tác dụng với các amin hạt alkyl

cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các họp chất chứa nito gây ung thư.
1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM AMONI

1.2.1 Phương pháp kiềm hóa và làm thống
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH4 ~ NH3 (khí hồ tan) + H+

pKa = 9,25

(1)

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Neu ta

nâng pH tới 9,25 tỷ lệ [NH3]/[ NH4‘] = 1 và càng tăng pH cân bằng càng chuyến về
phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỳ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ

bay hơi theo định luật Henry, làm chuyến cân bằng về phía phải:
NHZ + OH- ~ NH3 + H2O

(2)

Trong thực te pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần đế đuổi NH4+ ở mức

1600m3 khơng khí/m3 nước và q trình phụ thuộc vào nhiệt độ cùa môi trường.
Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có the đo được nồng độ amoni

xuống dưới 1,5 mg/1 nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp (Xuan Hien et

al 2010)

1.2.2

Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua (Br-)
Đe khắc phục nhược điếm của phương pháp Clo hoá điếm đột biến người ta có thế

thay thế một số tác nhân oxi hố khác là ozon với sự có mặt của Br’ về cơ bản xử lý
amoni bằng 03 với sự có mặt của Brom cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương

pháp xử lý dùng Clo. Dưới tác dụng của 03, Br- bị oxi hoá thành BrO theo phản ứng
sau đây (Cat 2002):

Br H O3 + H —> HBrO + 02

(3)

Phản ứng oxy hoá amoni được thực hiện bởi ion BrO' giống như của ion Clo’
7


NH3 + HBrO -> NH2Br + H2O

(4)

NH2Br + HBrO -► NHBr2 + H2O

(5)

NH2Br + NHBr2 ^N2 + 3Bf + 3H+

(6)

1.2.3 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đối ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải

cũng như nước cấp. Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đối ion thường được sử

dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại, các
ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước.
Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng đe loại ra khỏi nước
các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thủy ngân, cadimi, mangan...) các hợp chất

của asen, photpho, xianua, và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi
các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao. Nhược điểm chính của phương pháp này

là chi phí đầu tư và chi phí vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các cơng trình

lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao. Uu điểm của
phương pháp là rất triệt đe và xử lý có chọn lựa đối tượng. Thực chất của phương pháp
này là q trình trao đơi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và

ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một q trình gom các phản ứng hóa học đổi chồ
(phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đồi).

Sự ưu tiên hấp thụ của nhựa trao đối dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion
trong pha lỏng dề dàng thế chồ các ion có trên khung mang cùa nhựa trao đoi. Quá
trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau (Hien et al

2010).

1.2.4 Phương pháp sinh học
ớ phương pháp sinh học bao gom hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hố và khử
nitrat hố như sau:
a)

Quả trình nitrat hố:

Q trình chuyển hố về mặt hố học được viết như sau:
NH4+ + 3/2Ơ2 -* NO2 - + 2H+ + H2O

8

(7)


NƠ2 ’ + I/2O2 —* NO3 ■

(8)

NH/ 4- 202 -> NO3 - + 2H+ + H20

(9)

Phương trình tổng:

Đầu tiên, amoni được oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuấn Nitrosomonas,
Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thành nitrat

nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa

Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng. Năng lượng sinh
ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuấn sử dụng trong q trình tổng hợp tế bào.

Nguồn cacbon để sinh tổng họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO3‘ là
chính). Ngồi ra chúng tiêu thụ mạnh O2. (Due 2004)
Quá trình trên thường được thực hiện trong bề phản ứng sinh học với lóp bùn dính

bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. Vận tốc quá trình oxy hóa nitơ amoni phụ

thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi

sinh vật, hàm lượng nitơ amoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc... Các vi khuấn nitrat hóa có
khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính
bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phàm

của phản ứng sinh hóa. Sử dụng vật liệu mang phù họp làm giá the cố định vi sinh cho

phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất
xử lý trong cùng một khối tích cơng trình cũng như tránh được những sốc do thay đổi
điều kiện mơi trường (Due 2004).
b) Quả trình khử nitrat hoả:

Đe loại bỏ nitrat trong nước, sau cơng đoạn nitrat hóa amoni là khử nitrat sinh hóa
nhờ các vi sinh vật dị dường trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ

chuyển thành dạng khí N2.
Q trình khử nitrat hố là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:

NO3 -> NO2

NO

N2O -> N2

(10)

Đẻ thực hiện phương pháp này, người ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu

lọc, nơi dính bám và sinh trưởng của vi sinh vật khử nitrat. Q trình này địi hỏi

nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có the là chất hừu cơ, H2S,... Neu trong nước
9


khơng có oxy nhưng có mặt các họp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được, trong môi

trường anoxic, khi đó vi khuấn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3' như nguồn oxy đe oxy hóa
chất hừu cơ (chất nhường điện tử), còn NO3’ (chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2.
Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ q trình chuyển hố NO3' thành khí

N2 và cần có nguồn cacbon để tổng họp tế bào. Do đó khi khử NO3' sau q trình nitrat
hóa mà thiếu các họp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đo thêm các chất này vào nước.
Hiện nay, người ta thường sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rượu, đường, cồn, giấm,
axetat natri,... Axetat natri là một trong những hố chất thích họp nhất.

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý amoni, nhưng phương pháp hấp phụ amoni là

phương pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay.

1.2.5 Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ:
Hấp phụ là q trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí, rắn - lỏng,

khí - lởng, lỏng - lỏng) (Thanh 2014).
Trong đó:

Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lóp bề mặt có khả năng hút các phần tử
của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha the tích đến tập trung trên bề mặt

chất hấp phụ.
Pha mang: hồn họp tiếp xúc với chất hấp phụ.

Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi

bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác giữa
các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật

lý và hấp phụ hóa học (Thanh 2014).

10


> Hấp phụ vật iý
Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls

giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng,
định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vờ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính

thuận nghịch cao.

Hấp phụ vật lý khơng có tính chọn lọc. Quá trinh hấp phụ vật lý là một quá trình
thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt lượng tỏa

ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2-^6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất
hóa học của bề mặt, khơng có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị
hấp phụ (Cat 2002)

> Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng

hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đoi electron

giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. cấu trúc electron phân tử các chất tham gia q
trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dần đen hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lượng

tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương
đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Một so trường họp tồn tại cả quá trình hấp

phụ vật lý và hấp phụ hóa học. ớ vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý,
khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học tăng lên.
Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Tốc độ của quá
trình hấp phụ vật lý thường cao cịn hấp phụ hóa học thì ngược lại và được xác định

theo cơng thức (Lan 2016):
Khpc= ko.z.e - E/RT

(11)

Trong đó: Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học Ko: hệ số hấp phụ

E: năng lượng hoạt hóa
z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời

gian

11


1.2.6 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước.
Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hồn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba
thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của

nước nên trong hệ sè xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị

hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất
hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó (Thanh 2014).

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị
hấp phụ trong nước, tính kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ

trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước

tiên phụ thuộc vào tính tương đong về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không
phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các

chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như

SO42', PO43' ,CrO42'... thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua

lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi
một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân từ chất

bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện.
Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sè được hấp phụ tốt hơn do độ
phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch.

Sự biến đối pH dần đen sự biến đối bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các
chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị
phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hồ tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng
điếm đắng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng khơng, trên giá trị đó bề mặt

chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương. Đối
với các chất trao đoi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li cùa các nhóm

chức và các cấu tử trao đoi cũng phụ thuộc vào pH cùa môi trường, đồng thời trong hệ

cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lồ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng

ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hừu cơ, trong mơi trường nước chúng có độ tan khác nhau

12

do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lón các chất hữu cơ tồn

tại trong nước dạng phân từ trung hịa, ít bị phân cực nên quá trình hấp phụ trên VLHP
đối với chất hữu cơ chù yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý. Khả năng hấp phụ các chất

hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng độ
chất bị hấp phụ...( Dai 2008)

Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trường nước: để tồn tại được ở trạng
thái ben, các ion kim loại trong môi trường nước bị hydrat hóa tạo ra lóp vỏ là các phân

tử nước, các phức chất hidroxo, các cặp ion hay phức chất khác. Tùy thuộc vào bản
chất hóa học của các ion, pH của môi trường, các thành phần khác cùng có mặt mà
hình thành các dạng tồn tại khác nhau.

1.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Khối lượng phân tử
- Cấu trúc phân tử

- Diện tích bề mặt riêng
- Số lượng vi lồ có trong vật liệu
- pH của mơi trường hấp phụ
- Liều lượng vật liệu hấp phụ
- Thời gian hấp phụ
- Nồng độ chất hấp phụ.
1.3

THAN SINH HỌC TRONG xử LÝ NƯỚC Ơ NHIỄM

1.3.1 Thành phần tính chất
Cellulose bị nhiệt phân ở nhiệt độ từ 250-350°C, khi bị nhiệt phân các tiểu cấu

chúc cấu thành cellulose sè bị phân cắt và tách ra, hầu hết chúng là những phân tử hữu
cơ phân tử thấp nên dễ bay hơi, hay bị phân hủy thành co2, dần đến làm giảm khối
lượng đáng kể của sinh khối dưới dạng các chất dề bay hơi, để lại đằng sau một ma

trận c vô định hình cứng chắc. Khi làm tăng nhiệt độ nhiệt phân, tỷ lệ cacbon thơm
trong biochar bắt đầu thay đổi theo hướng tăng lên, do việc mất các chất dề bay hơi

13


(ban đầu là nước, tiếp theo là các hydrocacbon, hơi hắc ín, H2, co và co2) và việc
chuyển hóa của nhóm ankyl và O-ankyl. ở khoảng 330 °C, tấm graphene polyaromatic

bắt đầu phát triển theo chiều ngang và cuối cùng kết lại. Chính điều này đã làm cho
biochar có cấu trúc lớp, độ xốp và diện tích bề mặt lớn mà biochar có được cũng là do
q trình này. ớ nhiệt độ trên 600 °C, cacbon hóa sẽ trở thành q trình chiếm ưu thế.

Cacbon hóa đánh dấu sự loại bỏ các ngun tử khơng chứa c cịn lại và kết quả là tăng

hàm lượng c (có the lên đen 90% theo khối lượng của biochar được sản xuất từ gồ)

(Antal and Gronli, 2003; Demirbas, 2004).
Mồi hạt biochar bao gom 2 phần kết cấu chính: các tấm graphene kết tinh xếp
chồng lên nhau và các cấu trúc thơm vô định hình theo một trật tự ngẫu nhiên. Hydro,

o, N, p và s được tìm chủ yếu kết hợp trong các vòng thơm như các nguyên tử khác

(Bourke et al., 2007). Sự có mặt của các nguyên tử khác là một đóng góp lớn, đặc

trưng cho hóa học bề mặt rất khơng đồng nhất và hoạt tính của biochar.( Lan 2016)

Hình 1.3 Các mơ hình cùa một cấu trúc graphitic microcristalline được hiển thị

trên bên trái và hình ảnh biochar trên kính hiến vi điện tử qt, cấu trúc một vịng
thơm chứa oxy và các gốc c tự do

1.3.2 Vật
• liệu
• sản xuất than sinh học
•
Than sinh học (biochar) được sản xuất từ bất kỳ vật liệu thực vật nào (ví dụ như

cành cây, vỏ trấu, rơm) có hàm lượng carbon cao (Tu 2016). Nó được tạo ra bởi q
trình nhiệt phân - nghĩa là được đốt trong buồng chứa có lượng oxy hạn chế. Việc sản

xuất than sinh học có the thực hiện bằng cách ủ trong các đống đất theo kiểu truyền

thống, hoặc hiệu quả hơn trong các thùng kim loại hoặc trong các hệ thống nhiệt phân
được thiết kế đặc biệt. Khi bị đốt nóng, các chất khơ của cây bắt đầu tạo ra khí tong

hợp dề cháy (hồn hợp hydro và carbon monoxide), có thể vận chuyến được nhằm duy
trì lượng nhiệt cần thiết để làm giảm tối đa diện tích bề mặt sản phẩm cuối cùng.

Biochar có diện tích bề mặt rất lớn và có khả năng trao đổi cation cao, do đó nó có khả
14

năng lưu giừ các chất dinh dưỡng của thực vật như Na+, K+, Ca++ vv. Tính chất xốp
của vật liệu cũng có nghĩa là nó chứa được nước và khơng khí. Do đó, nó cung cấp tất
cả các nhu cầu chính cho sự tồn tại cùa vi sinh vật trong đất, đóng một vai trị quan

trọng trong dinh dưỡng thực vật. Biochar có the giúp cải thiện các loại đất có độ màu
mỡ thấp. Đất màu mỡ với hàm lượng chất hữu cơ cao có diện tích bề mặt lớn chứa

nhiều vi khuẩn, các chất dinh dưỡng và các phân tử nước. Khi chất hữu cơ giảm, đất bị
mất đi tính chất này, do đó việc đảo ngược quy trình này có thể giúp đất đai trở nên

màu mờ hơn. Biochar cũng rất ơn định vì vậy nó trở thành một thành phần tồn tại lâu
dài trong đất; các nghiên cứu khảo co học ở Amazon đã phát hiện ra các trầm tích ‘đất
đen’ có tuổi trên 500 năm vần giữ được độ màu mỡ.

1.3.3 Úng dụng than sinh học trong xử lý nước ô nhiễm amoni
0 nhiễm amoni trong nước ngầm đã và đang trở thành vấn đề bức xúc ở nước ta.
Nước ngầm bị ô nhiềm amoni từ nhiều nguồn nước thải như nước thải nông nghiệp,

công nghiệp và sinh hoạt. Các phương pháp truyền thong để xử lý amoni là phương
pháp sinh học, trao đối ion, hấp phụ... Trong đó, phương pháp hấp phụ thường được sử

dụng và cho hiệu quả loại bỏ amoni tương đối cao. Tuy nhiên, nhược điếm của các
chất hấp phụ thương mại là giá thành cao và khó khăn trong việc tái sử dụng.

Do đó xu hướng dùng phế phụ phẩm nơng nghiệp để sản xuất than sinh học để loại
bỏ các chất ô nhiễm khác nhau trong môi trường nước đang được tập trung nghiên cứu.
Ngoài ra, dung lượng hấp phụ của than hoạt tính đối với amoni là hạn chế. Nghiên cứu

của Moreno-Castilla đã chứng minh tính chất hóa học bề mặt cùa than quan trọng hơn

diện tích bề mặt riêng khi hấp phụ amoni. Có rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng các chất
oxy hóa để biến đổi bề mặt than hoạt sinh học nhằm tăng cường khả năng hấp phụ
amoni ví dụ Azhar Abdul Halim và cộng sự nghiên cứu loại bỏ amoni trong dung dịch

bằng than sinh học biến tính bằng axit, than sinh học sau khi được ngâm với HNO3,
tiếp tục được ngâm với NaOH.

15


CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu
2.1 NỘI DUNG NGHIÊN cúu

Characteristics of BSCG

SEM
BET
FTIR

Ex 1: Effects of pH
pH: 2- 11

Ex 5: pHpzc
pH: 3 to 11
[NaCl]: 0,01
M
[BSCGJ: 2
g/L
Time: 2411
Shake: 200

rpm

[NH4 -NJ: 100
mg/L
[BSCG]: Ig/L
Time: 24h
Shake: 200 rpm

B OCHAR
Ex 4: Adsorption
Isotherms
pH: 7
[NH4+-N]:
40rag/L
[BSCG]: 2g/L
Time: 5 - 120
min.
Shake: 200
rpm

Ex 2: Effects of
[BSCG]
pH: 7
+
[NH4 -N]:
lOOmg/L
[BSCGJ: 0.52.5 g/L
Time: 24h
Shake: 200
rpm

Ex 3: Effects of[NH N]

pH: 7

[NH -N]: 10-

100 mg/L
[BSCG]: 2g/L
Time: 24h
Shake: 200 rpm

16


2.2 ĐIÊU CHẾ THAN SINH HỌC TỪ BÃ CÀ PHÊ (BSCG)

Quy trình chế tạo than sinh học từ bă cà phê: chọn bã cà phê mộc (cà phê nguyên

chất) sau khi thu thập tại quán cà phê tại Thù Dầu Một, Bình Dương được chế tạo
thành than hoạt tính theo quy trình:

Ngâm rửa nước cất, khuấy từ mồi lần 30 phút, lặp lại

8 lần

Sấy khơ 60°C và lưu trừ BSCG

Hình 2.1 Quy trình chế tạo than sinh học từ bã cà phê
2.3 CÁC THÍ NGHIỆM

> Thí nghiệm 1: Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến khả năng loại bỏ amoni của

BSCG
Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị mầu: Nồng độ amoni = 100mg/l, nồng độ BSCG = lg/1

17


Cách pha như sau: Lấy 100ml dung dịch lưu trừ N-NH3 [1000 mg/1] pha định

mức lên 1 lít cho vào bình định mức 1000ml, cân 0,03g BSCG vào 10 ống ly tâm.
Hút 60ml dung dịch vào 10 cốc, tiến hành chuẩn độ pH từ 6, 7, 8, 9, 10, 11. Rót

30 ml vào 10 ống ly tâm 50 ml, đổ tương ứng các ống BSCG (0,03g) vào các ống sau
đó đem lắc 24h, 200 vòng/phút. Hút 2ml dung dịch thuốc thử Nessler vào 30ml còn lại

của các ống, dung dịch sau tạo phức để ổn định và phát triển màu 10-15 phút đem đo

quang ở bước sóng 430 nm.

Sau 24h, mầu được lọc qua giấy lọc, phần dung dich sau lọc đem đo pH sau hấp
phụ, sau đó tiếp tục hút 2ml dung dịch Nessler vào đo quang đầu ra ở cùng bước sóng

trên.
> Thí nghiệm 2: Khảo sát sự ảnh hưởng của BSCG đến khả năng loại bỏ amoni
Tiến hành thí nghiệm:

Chuẩn bị mầu: Nồng độ amoni = 100mg/l, nồng độ BSCG thay đổi theo dãy 0,5;
1; l,5;2;2,5g/l.

Cách pha như sau: Lấy 50ml dung dịch lưu trừ N-NH3 [1000 mg/1] pha định

mức lên 500ml cho vào bình định mức 500ml, cân tương ứng 0,015; 0,03; 0,045; 0,06;
0,75 gam BSCG vào 5 ống ly tâm.
Thí nghiệm được tiến hành với pH = 7. Hút 30ml dung dịch vào 5 ống ly tâm,
đố tương ứng các ống BSCG vào sau đó đem lắc 24h, 200 vòng/phút. Hút 2ml dung

dịch thuốc thử Nessler vào 30ml dung dịch mầu, dung dịch sau tạo phức de on định và
phát triển màu 10-15 phút và đo quang đầu ở bước sóng 430 nm.

Sau 24h, mẫu được lọc qua giấy lọc, phần dung dịch sau lọc đem đo pH sau hấp
phụ, sau đó tiếp tục hút 2ml dung dịch Nessler vào đo quang đầu ra.

'ĩ* Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ amoni đến khả năng loại bỏ
amoni của BSCG

Tiến hành thí nghiệm:
Chuẩn bị mầu: Nồng độ amoni thay đổi theo dãy 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100
mg/1, nồng độ BSCG tối ưu ở Thí nghiệm 2 = 2 g/1 (0,06g) và pH = 7.

18