(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Phùng Linh Phương

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LỊ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ
AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội- 2021

Luan van


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Phùng Linh Phương

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LỊ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ
AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Tuấn Minh

Hà Nội - 2021

Luan van


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu sử dụng xỉ lị cao biến tính để
xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ” là do tôi thực hiện
và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ
một cơng trình nghiên cứu nào. Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn.
Hà Nội, tháng

năm

Học viên

Phùng Linh Phương

Luan van


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời
cảm ơn tới TS Nguyễn Tuấn Minh– người đã truyền cho tôi tri thức cũng như
tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo
điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các anh chị em phòng Cơng nghệ xử lý chất
thải rắn và khí thải – Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi
giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất, kinh nghiệm và trợ giúp tôi rất nhiều trong thời
gian tôi thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, các thầy cô tại Học Viện
Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập cao học.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, và
bạn bè đã ln tin tưởng động viên, chia sẻ và tiếp sức cho tơi có thêm nghị
lực để tơi vững bước và vượt qua khó khăn trong cuộc sống, hoàn thành bản
luận văn này.

Học viên

Phùng Linh Phương

Luan van

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. vii
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................. 4
1.1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ..................................... 4
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hố học và vật lý của amoni ............................. 4
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước ...................................... 7
1.1.3. Tác hại của amoni trong môi trường nước ......................................... 8
1.2. Các phương pháp xử lý nước nhiễm amoni ..................................................... 9
1.2.1. Xử lý sinh học ................................................................................... 9
1.2.2. Keo tụ hoá học ................................................................................ 12
1.2.3. Màng lọc ......................................................................................... 15
1.2.4. Phương pháp tách khí ...................................................................... 17
1.3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ........................................... 20
1.3.1. Tổng quan về phương pháp hấp phụ ................................................ 20
1.3.2. Xu hướng sử dụng vật liệu hấp phụ giá rẻ ....................................... 22
1.4. TỔNG QUAN VỀ XỈ LỊ CAO ..................................................................... 28
1.4.1. Sự hình thành và đặc tính của xỉ lị cao............................................ 28
1.4.2. Các ứng dụng của xỉ lò cao.............................................................. 30

Luan van

iv

1.4.3. Tiềm năng sử dụng xỉ lò cao làm vật liệu hấp phụ tái chế chi phí
thấp ............................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY HOẠCH
THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 34
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 34
2.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................... 34
2.3. HOÁ CHẤT, VẬT LIỆU, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG ................. 34
2.3.1. Hóa chất, vật liệu ............................................................................. 34
2.3.2. Thiết bị, dụng cụ.............................................................................. 34
2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ..................................................................... 35
2.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................... 37
2.5.1. Phương pháp biến tính vật liệu ........................................................ 37
2.5.2. Q trình hấp phụ Amoni sử dụng xỉ lị cao biến tính. ..................... 40
2.5.3. Phương pháp tính tốn ..................................................................... 43
2.5.4. Phương pháp xác định tính chất vật lý của vật liệu .......................... 46
2.5.5. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................... 46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................... 48
3.1. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA CÁC VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO......... 48
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TIẾP XÚC TỚI HIỆU SUẤT HẤP
PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 49
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN PH TỚI KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA
AMONI TỚI VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4 ......................................................... 50
3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG VẬT LIỆU TỚI KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 51
3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BAN ĐẦU ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 52

Luan van


v

3.6. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ
CAO ..................................................................................................................... 57
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 61

Luan van


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BET:

Brunaumer-Emmet-Teller surface area analysis

CANON:

Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite

COD:

Chemical oxygen demand

MF:

Microfiltration

NF:

Nanofiltration

KL:

Hằng số Langmuir

KF:

Hằng số Freundlich

OLAND:

Oxygen-limited autotrophic nitrification and denitrification

PVDF:

Polyvinylidene difluoride

PP:

Polypropylene

SEM:

Scanning electron microscope

SHARON: Single reactor system for High activity Ammonium Removal
Over Nitrite
RO:

Reverse osmosis

UF:

Ultrafiltration

VL1-4:

Vật liệu xỉ lò cao và vật liệu xỉ lị cao biến tính (1-4)

WHO:

World Health Organization

Luan van


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ammoniac [1] ................................................. 4
Bảng 1. 2. Hiệu suất xử lý và hiệu suất hấp phụ amoni của 11 vật liệu hấp phụ
[33]............................................................................................................... 26

Bảng 2.1. Các nồng độ và bước sóng đường chuẩn đo amoni. ...................... 36
Bảng 2.2. Mối tương gian của RL và các dạng mơ hình ............................... 45

Bảng 3.1. Giá trị tham số RL của quá trình hấp phụ amoni bằng xỉ lị cao VL4.
..................................................................................................................... 55
Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng và đặc trưng lỗ xốp của vật liệu trước và sau
biến tính. ...................................................................................................... 58

Bảng PL.1. Kết quả thí nghiệm so sánh hiệu suất hấp phụ giữa các vật liệu xỉ
lị cao biến tính. ............................................................................................ 65
Bảng PL.2. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến
hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. .................................................... 65
Bảng PL.3. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của điều kiện pH đến hiệu
quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4 ............................................................ 66
Bảng PL.4. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. ............................................. 67
Bảng PL.5. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amoni ban
đầu đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4........................................ 68
Bảng PL.6. Các số liệu thực nghiệm và tính tốn cho mơ hình Langmuir. .... 69
Bảng PL.7. Các số liệu thực nghiệm và tính tốn cho mơ hình Freundlich. .. 70

Luan van


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác
động của pH [2] . ............................................................................................ 6
Hình 1.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên [5] ..................................................... 7

Hình 1.3. Cấu tạo hệ phản ứng nito hố từng phần (trái) và ơ xi hố kị khí
amoni (phải). [19]......................................................................................... 11
Hình 1.4. Quy trình hệ xử lý COD và tổng nito hiếu khí với màng lọc sinh học
thẩm thấu [21] . ............................................................................................ 12
Hình 1.5. Quy trình thu hồi amoni từ nước thải chăn nuôi bằng phương pháp
kết tủa struvite ([23] . ................................................................................... 13
Hình 1.6. Ảnh hưởng của liều lượng MgO tới nồng độ các ion amoni,
photphat và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . ....... 14
Hình 1.7. Ảnh hưởng của CaO lên nồng độ amoni, phosphate, và sunfua dưới
điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . .............................................. 15
Hình 1.8. So sánh hiệu năng của các loại màng lọc khác nhau [4] . .............. 16
Hình 1. 9. Sơ đồ hệ thống cột stripping/hấp thụ cho thí nghiệm stripping tách
amoni [2] ...................................................................................................... 18
Hình 1.10. Mơ hình vận hành của cột stripping pilot (a), ảnh chụp cột
stripping và hấp thụ ammoniac (b), vật liệu nhồi cột (c). .............................. 19
Hình 1. 11. Thiết bị tiếp xúc li tâm dùng cho stripping amoni [29] ............... 20
Hình 1.12. Cơ chế của phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính [4]. ........... 21
Hình 1. 13. Phân loại và quy trình phát triển nghiên cứu vật liệu hấp phụ giá
rẻ [31]........................................................................................................... 23
Hình 1. 14. Hiệu suất xử lý amoni của vật liệu composite, zeolite và than hoạt
tính [32]........................................................................................................ 25
Hình 1.15. Sự khác biệt trong cấu trích hạt than hoạt tính qua hai phương
pháp biến tính bằng hơi nước (C6S9) và bằng KOH (C6K9) [34]. ............... 27
Hình 1. 16. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất hấp phụ của
than sinh học mùn cưa biến tính với HNO3 và Na2CO3 ................................ 28

Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện đường chuẩn amoni đo tại bước sóng 659 nm .... 36
Hình 2.2. Quy trình chế tạo và biến tính vật liệu hấp phụ từ xỉ lị cao........... 38
Hình 2.3. Mẫu xỉ lị cao lấy tại Cơng ty Formosa ......................................... 39

Luan van


ix

Hình 2.4. Xỉ lị cao được ngâm trong HNO3 ................................................. 39
Hình 2.5. Mẫu xỉ lị cao gây phản ứng khi ngâm trong HNO3 8M ................ 39
Hình 2.6. Các mẫu xỉ lị cao sau khi biến tính............................................... 39
Hình 2.7. Quy trình thực hiện thí nghiệm khảo sát hấp phụ amoni sử dụng xỉ
lị cao............................................................................................................ 42
Hình 2.8. Thí nghiệm hấp phụ trong máy lắc ................................................ 43

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ amoni của các VLHP từ xỉ lò cao
..................................................................................................................... 48
Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ .............. 49
Hình 3.3. Ảnh hưởng của điều kiện pH đến hiệu suất hấp phụ amoni của vật
liệu xỉ lị cao VL4. ........................................................................................ 50
Hình 3.4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ VL4 lên hiệu suất hấp
phụ amoni .................................................................................................... 51
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu lên hiệu quả hấp phụ amoni
của vật liệu xỉ lò cao VL4 (○: dung lượng hấp phụ, ◊: hiệu suất hấp phụ). ... 53
Hình 3.6. Biểu đồ thể hiện mơ hình tuyến tính Langmuir hấp phụ amoni của
VL4 .............................................................................................................. 54
Hình 3.7. Biểu đồ thể hiện mơ hình tuyến tính Freundlich hấp phụ amoni của
VL4 .............................................................................................................. 55
Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir, Freundlich và kết quả
thu được từ thực nghiệm hấp phụ amoni đối với vật liệu xỉ lị cao VL4........ 56
Hình 3.9. Ảnh SEM vật liệu VL -1 ............................................................... 57
Hình 3.10. Ảnh SEM vật liệu VL - 4 ............................................................ 57

Luan van


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn của con người là
nước. Trái đất là một hành tinh với 71% bề mặt được bao phủ bởi nước. Tuy
nhiên, nước biển chiếm đến 97% và chỉ có 3% là nước ngọt. Trong tổng trữ
lượng nước ngọt, chỉ có 0,06% là có thể được khai thác sử dụng số còn lại là
băng tuyết và phần nước ngầm không thể khai thác. Nhu cầu về nước sạch
liên tục tăng do sự gia tăng nhanh chóng về dân số và các hoạt động cơng,
nơng nghiệp. Hơn 80 quốc gia chiếm 40% dân số thế giới đang phải đối mặt
với nạn thiếu nước trầm trọng. Ước tính hiện có khoảng 1,2 tỷ người đang
phải uống nước khơng an tồn. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn nước và các
công nghệ xử lý nước hiệu quả nhằm khắc phục tình trạng khan hiếm nước đã
trở thành một thách thức tồn cầu.
Ơ nhiễm nước liên tục gia tăng trên thế giới, cản trở sự phát triển kinh tế,
xã hội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Cho đến nay,
khan hiếm nước không chỉ do sự khan hiếm về lượng mà còn bởi sự suy giảm
về chất lượng nước, giảm lượng nước an toàn để đưa vào sử dụng. Nước bị ơ
nhiễm có thể chứa nhiều tác nhân ơ nhiễm khác nhau. Trong đó ơ nhiễm nước
do amoni được đánh giá là phổ biến và ngày càng diễn ra trên diện rộng. Đặc
biệt là trong nước ngầm, việc ô nhiễm amoni ngày càng nghiêm trọng hơn từ
những hoạt động của con người như sản xuất nông nghiệp, khai khống và xử
lý chơn lấp rác thải. Nồng độ ion amoni NH4+ vượt ngưỡng an toàn trong
nước ngầm là hệ quả của q trình phân huỷ kị khí của các hợp chất hữu cơ
chứa nito từ rác thải chôn lấp và chất thải chăn nuôi và nông nghiệp trong các
tầng địa chất. Việc xử lý amoni được giới khoa học quan tâm nghiên cứu, do

những ảnh hưởng của chúng đối với hệ sinh thái cũng như đối với sức khỏe
con người. Cho đến nay đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu được thực hiện
nhằm tìm kiếm các công nghệ cũng như vật liệu loại bỏ amoni trong nước.
Trong tất cả các kỹ thuật đã được sử dụng, hấp phụ được đánh giá là
công nghệ phổ biến, hiệu quả cao trong xử lý nước do hệ thống đơn giản, tốc

Luan van


2

độ cao, vận hành đơn giản. Tính hiệu quả của cơng nghệ hấp phụ trong xử lý
nước nói chung phụ thuộc vào đặc tính, cấu trúc và chức năng của chất hấp
phụ. Trên thực tế thì có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ amoni (zeolit,
than hoạt tính, bentonit, clinoptilolit) trong nước. Bên cạnh đó, những tiêu chí
như giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với
môi trường cũng được xem xét để giảm chi phí xử lý và giảm lượng phát thải
ra mơi trường. Xỉ lị cao với các tính chất như độ xốp cao, diện tích bề mặt
tương đối, và thành phần khoáng từ nhiều oxit kim loại rất có tiềm năng để tái
sử dụng trở thành vật liệu hấp phụ.
Trên cơ sở các phân tích trên, đề tài được lựa chọn có tên: “Nghiên cứu
sử dụng xỉ lị cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương
pháp hấp phụ” nhằm mục đích đánh giá khả năng tái sử dụng xỉ lò cao, từ
một sản phẩm phụ được coi là chất thải từ quá trình luyện thép, trở thành vật
liệu hấp phụ xử lý amoni trong môi trường nước.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
- Chế tạo vật liệu hấp phụ amoni từ xỉ lò cao
- Khảo sát, đánh giá khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lị cao biến
tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh.

Nội dung nghiên cứu:
-

Tổng quan về tình hình ơ nhiễm amoni và cấc phương pháp xử lý

amoni trong mơi trường nước.
-

Thực nghiệm biến tính xỉ lị cao bằng HNO3.

Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ
lị cao biến tính bằng HNO3.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Bước đầu nghiên cứu và chế tạo được vật liệu xỉ lị cao biến tính và đánh
giá được khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính.

Luan van


3

Ý nghĩa thực tiễn:
Từ các kết quả của luận văn, có thể chế tạo xỉ lị cao biến tính định
hướng ứng dụng xử lý ô nhiễm amoni trong nước. Nghiên cứu tổng hợp một
vật liệu tương đối mới, chi phí thấp, hướng đến giải quyết một vấn đề bức
thiết trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Luan van

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hố học và vật lý của amoni
Amoni (NH4+) là một hợp chất cấu thành từ một phân tử nito và các phân
từ hidro. Ở dạng khí, amoni tồn tại dưới dạng amoniac (NH3), là một khí
khơng màu và có mùi khai. Trong mơi trường nước, hợp chất này là một chất
thải phổ biến, cùng với photpho gây nên hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm
môi trường nước mặt. Trong tự nhiên, amoniac được tạo thành từ chất thải
của các loài động vật, và một lượng nhỏ trong nước mưa. Muối amoni clorua
(NH4Cl) trong tự nhiên cũng có thể được phát hiện tại những khu vực gần núi
lửa. Dù hợp chất này phổ biến trong tự nhiên, nhưng nó có thể trở nên rất
nguy hại nếu ở dạng sản phẩm hoá học nồng độ cao. Dựa trên lý thuyết về sức
đẩy giữa các cặp electron hố trị và hình dạng học phân tử (VSEPR), phân tử
amoniac có dạng hình chóp tam giác, với tính lưỡng cực tạo nên bởi một một
cặp electron đơn độc. Sự phân cực này khiến amoni có khả năng tạo liên kết
hidro khiến chúng rất dễ trộn lẫn với nước. Tính chất hố học và vật lý của
amoniac được thể hiện trong bảng 1.1 dưới đây [1].
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ammoniac [1] .
Cơng thức hố học
Hình dáng, mùi và dạng tồn tại

NH3
Khí khơng màu có mùi khai mạnh,
dễ dàng nhận biết ở nồng độ 20
ppm.

Phân tử khối

17.0

Nhiệt độ sôi (1 atm)

-28 oF (-33.4 oC)

Trọng lượng riêng (air = 1)

0.59

Nhiệt độ đóng băng / nhiệt độ chảy

-107.9 oF (-77.7 oC)

Luan van


5

Áp suất khí (at 70 oF (21.1 oC))

114.4 psig

Tỉ trọng khí (tại 70 oF (21.1 oC) và 1
atm)

0.045 lb/ft3

Độ tan trong nước (vol./vol. tại 68 oF) 0.848

Trong môi trường nước, ammoniac tồn tại dưới hai dạng: ammoniac tự
do (NH3) và amoni (NH4+). Tỉ lệ tồn tại của hai dạng này được quyết định bởi
độ pH và nhiệt độ của dung dịch. Ở nhiệt độ cao và nồng độ cao, các
ammoniac tự do sẽ chiếm tỉ lệ cao trong dung dịch. Điều kiện pH của dung
dịch cũng có ảnh hưởng rất lớn tới sự phân chia này. Ở điều kiện pH thấp, các
phân tử ammoniac sẽ dịch chuyển về dạng ion amoni, sự dịch chuyển này sẽ
xảy ra hoàn toàn khi dung dịch đạt pH dưới 7. Phản ứng cân bằng và biểu đồ
dịch chuyển ion của ammoniac/amoni được thể hiện dưới đây ([2], [3]):
𝑁𝐻# + 𝐻%𝑜 ⇌ 𝑁𝐻)* + 𝑂𝐻 ,
[𝑁𝐻# ] =

0123 *1245 6
7*

085 6
9:

=

0123 *1245 6
7*7;<9: =<8

Luan van

(1.1)
(1.2)


Hệ số phân tán

6

Amoniac

Amoni

Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác
động của pH [2] .
Amoni là thành phần ô nhiễm thường gặp trong nước thải. Amoni trong
nước thải đến từ các hoạt động sinh hoạt của con người, hoạt động chăn nuôi,
và các hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp. Các hoạt động công
nghiệp sản xuất kim loại, cao su, dệt nhuộm và phân bón thường có hàm
lượng amoni trong nước thải rất cao [4] .

Luan van


7

Hình 1.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên [5]
Trong nước ngầm, amoni chủ yếu tồn tại dưới dạng ion NH4+. Sự tồn tại
này là kết quả của quá trình phân huỷ kị khí của các chất hữu cơ bắt nguồn từ
việc chôn lấp các rác thải hữu cơ [6] . Amoni là một trong những thành phần
ơ nhiễm hồ tan chính trong mơi trường nước ngầm. Các hệ thống tự hoại và
các hoạt động nông nghiệp cũng là nguyên nhân dẫn đến việc gia tăng hàm
lượng amoni trong nước ngầm.
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước
Trên thế giới, việc đối mặt với vấn đề ô nhiễm amoni trong nguồn nước
đã khơng cịn xa lạ. Một trong những ngun nhân gây nên vấn đề này trên
nhiều quốc gia đó là sự xâm nhập của amoni từ nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác

thải sinh hoạt sau xử lý ra môi trường nước mặt. Các chất hữu cơ trong nước
thải sau quá trình xử lý sẽ thấm vào nguồn nước ngầm từ đó phân huỷ thành
các dẫn chất nhỏ hơn chứa phần tử nito dẫn đến ô nhiễm amoni. Quá trình
xâm nhập này thường xảy ra ở những khu vực có bề mặt có khả năng thấm
đẫm tốt như đồng bằng, đất phù sa [7]. Tại Trung Quốc, nhiều nghiên cứu đã
chỉ ra rằng hiện tượng ô nhiễm amoni trong nước ngầm là hệ quả của các hoạt

Luan van


8

động nơng nghiệp sử dụng phân bón và chăn ni, cùng với các hoạt động
sinh hoạt và khai khoáng khác. Tại các khu vực kênh đào tây bắc Trung
Quốc, đã có hiện tượng ơ nhiễm nito nặng trong nguồn nước từ các dẫn chất
nito hữu cơ trong đất xâm nhập vào nước ngầm dẫn đến nguy cơ ung thư cao
cho người dân lân cận [8] . Năm 2013, tại các giếng nướng ngầm tại khu vực
Hemlock Crossing Park, hạt Ottawa, bang Michigan, Mỹ, đã ghi nhận nồng
độ amoni tăng lên đáng kể [9] . Hàm lượng amoni cao trong nước ngầm này
là hệ quả của các tác động nhân tạo như nước rỉ rác hay các hoạt động nông
nghiệp.
Tại Việt Nam, với hình thức sản xuất chủ yếu là nơng nghiệp với diện
tích đồng bằng canh tác lớn, các hoạt động chăn nuôi gia súc và với các khu
xử lý rác thải với hình thức chơn lấp thì việc ơ nhiễm amoni trong nguồn
nước ngầm là điều tất yếu. Nồng độ amoni cao trong nước ngầm khu vực nam
Hà Nội đã là vấn đề tồn tại trong suốt 25 năm qua. Nghiên cứu của Norrman
và cộng sự (2015) chỉ ra rằng nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng nồng độ NH4+
tại khu vực phía nam Hà Nội khơng chỉ đến từ các nguồn chất thải từ hoạt
động của con người, mà còn từ các tầng địa chất sâu dưới lòng đất quanh khu
vực đồng bằng sông Hồng. Họ kết luận rằng với điều kiện khử trong môi

trường nước ngầm tại khu vực Nam Du này sẽ duy trì nitơ dưới dạng NH4+.
Năm 2014, tại Hà Nam, theo kết quả của Trung tâm Quan trắc Phân tích Tài
ngun Mơi trường của Sở Tài Ngun và Mơi trường, có tới 15 điểm trong
tỉnh cho thấy hàm lượng amoni trong nước ngầm cao hơn mức cho phép hàng
chục, thậm chí hàng trăm lần [10] . Năm 2002, tại các tỉnh miền bắc khác như
Hà Nội, Hà Tây, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng n, Thái Bình,
có đến 70% các mẫu nước ngầm được quan trắc có nồng độ cao hơn mức tiêu
chuẩn 3 mg/l [11] .
1.1.3. Tác hại của amoni trong môi trường nước
Trong môi trường thuỷ sinh, amoni với nồng độ nhỏ từ 0.53 tới 22.8
mg/l đã có thể gây độc hại đối với các loài vi sinh vật và sinh vật. Đối với con
người, tiếp xúc với amoni ở nồng độ cao có thể gây các triệu chứng chóng
mặt, co giật, hoặc thậm chí tử vong [12] . Khi amoni được thải ra môi trường

Luan van


9

nước mặt với dư lượng lớn với photpho, lượng dưỡng chất lớn này gây nên sự
phát triển mạnh ở các loài tảo. Hiện tượng phú dưỡng này dẫn tới sự giảm sút
oxy trong môi trường nước sẽ giết chết các loài sinh vật thuỷ sinh khác, đi
kèm với các vấn đề khác như gây mùi và đục môi trường nước mặt, ảnh
hưởng nghiêm trọng tới chất lượng môi trường. Amoni tồn tại trong nước sinh
hoạt sẽ kích thích sự phát triển của tảo và các vi khuẩn, xảy ra hiện tượng ăn
mòn đường ống, cần tới lượng clo khử trùng nhiều hơn cần thiết [13] . Amoni
tồn tại trong nước ngầm sẽ làm giảm chất lượng và khả năng sử dụng nước
ngầm. Amoni ở nồng độ thấp hơn 1.5 mg/l không quá động với cơ thể người,
nhưng khi vượt ngưỡng này nó có thể chuyển hố thành nitrit và nitrat. Hai
chất này trong cơ thể sẽ chuyển hoá thành nitrosamine, gây tổn thương di

truyền tế bào và là một nguyên nhân gây ung thư ([5], [14]).
Hiện nay, theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm
(QCVN 09-MT:2015/BTNMT) là 1 mg/l (15). WHO cũng đã đưa ra ngưỡng
nồng độ tối đa cho amoni trong nước uống ở 1,5 mg/l [16] . Do vậy, việc đưa
ra các giải pháp công nghệ để giảm thiểu amoni trong nước là rất tất yếu trong
thời điểm hiện tại.
1.2. Các phương pháp xử lý nước nhiễm amoni
Có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm các phương pháp để loại bỏ một
cách hiệu quả amoni trong nước. Loại bỏ amoni có thể bao gồm: phương pháp
sinh học, phương pháp hóa học, hóa lý. Mỗi phương pháp có những ưu nhược
điểm khác nhau và tùy thuộc vào mức độ ô nhiễm, đối tượng, quy mô và mục
tiêu xử lý mà mỗi phương pháp sẽ phát huy được các điểm mạnh của mình.
1.2.1. Xử lý sinh học
Xử lý sinh học có khả năng loại bỏ các hợp chất nito trong nước thải nhờ
vào các vi khuẩn có khả năng phân huỷ nito trong tự nhiên với ưu điểm tiết
kiệm chi phí xử lý. Vi khuẩn có khả năng phân huỷ amoni trong nước thải
được phân loại thành hai nhóm là vi khuẩn oxi hố amoni hiếu khí và oxi hố
amoni kị khí. Quy trình phân huỷ hiếu khí và kị khí được thực hiện dựa trên

Luan van


10

hai q trình khơng q khác biệt. Q trình hiếu khí được thể hiện trong
phản ứng (1.3) tới (1.6) và kị khí được thể hiện trong phản ứng (1.7) [4] :
𝑁𝐻)* + 1.5𝑂% → 𝑁𝑂%, + 2𝐻 * + 𝐻%𝑂

(1.3)

𝑁𝐻)* + 𝑁% 𝑂) → 0.33𝑁𝑂%, + 1.33𝐻 * + 0.33𝑁% + 2𝑁𝑂 + 1.33𝐻%𝑂

(1.4)

𝑁𝑂%, + 0.5𝑂% → 𝑁𝑂#%,

(1.5)

𝑁𝑂#%, + 𝐻 * + 5[𝐻 ] → 0.5𝑁% + 3𝐻%𝑂

(1.6)

𝑁𝐻)* + 𝑁𝑂%, → 2𝑁% + 𝐻% 𝑂

(1.7)

Vi khuẩn hiếu khí sẽ tiêu thụ oxy, đóng vai trị như một chất nhận
electron để khử amoni thành ion nitrit (NO2-), tiếp đến là nitrat (NO), cuối
cùng trở thành khí nito. Với các vi khuẩn kị khí, với điều kiện khơng có oxi,
ion nitrite sẽ đóng vai trị là một chất cho electron để khử amoni thành khí
nito.
Hiện nay, đã có nhiều cơng nghệ đã ứng dụng khả năng của những vi
khuẩn trên vào quy trình xử lý sinh học để đạt được hiẹu quả xử lý các hợp
chất nito với hiệu suất từ 60 – 95% [17] . Các phương pháp phổ biến hiện nay
Cặn nổi bổ sung
trên thế giới để loại bỏ các hợp chất nito trong nước thải hiện nay dựa vào các
quá trình nitrification và denitrification là hệ xử lý amoni hiệu suất cao trên
nitrit (single reactor system for ammonium removal over nitrite, SHARON),
hệ xử lý nito tự dưỡng toàn phần trên nitrit (completely autotrophic nitrogenremoval over nitrite, CANON), và hệ xử lý nito tự dưỡng thiếu khí (oxygenlimited autotrophic nitrification and denitrification, OLAND) [18] . Hệ xử lý
sinh học nitơ hố từng phần và oxi hố amoni kỵ khí tiếp diễn đã được ứng

dụng dưới quy mô pilot để xử lý nước thải chứa amoni nồng độ cao trong
nghiên cứu của Fux và cộng sự [19] . Dưới điều kiện nhiệt độ 30 oC, thời gian
lưu 1-1.5 ngày, nồng độ amoni đầu vào khoảng 650 g nitơ/m3, hơn 90% lượng
nitơ đầu vào đã được xử lý chỉ với hàm lượng bùn thải ra không đáng kể.

Luan van


11

Cặn nổi

Hỗn hợp
amoni/nitrit

Nước gạn về
bể lắng

Chảy tràn về
bể lắng

Khí

Hình 1.3. Cấu tạo hệ phản ứng nito hoá từng phần (trái) và ơ xi hố kị khí
amoni (phải). [19]
Theo tác giả Yamamoto và cộng sự (2006), hệ phản ứng với giá thể sinh
học sợi acrylic đã được thử nghiệm cho quá trình xử lý nitrit từng phần với
nước thải chăn ni lợn với điều kiện kị khí [20] . Hiệu quả xử lý đạt 62%
lượng amoni được oxi hoá với lưu lượng đầu vào của tổng nito ở mức 1,9 kgN/m3.d Tuy nhiên, hiệu quả xử lý có thể bị suy giảm nếu nhiệt độ của hệ
thống thấp hơn 15 oC hoặc nồng độ đầu vào cao hơn bình thường. Trong

nghiên cứu của tác giả Wu và cộng sự (2019), hiệu quả xử lý tổng nito và
COD của hai loại màng lọc sinh học thẩm thấu dưới điều kiện hiếu khí đã
được khảo sát và so sánh [21] . Màng sinh học polyvinylidene flouride
(PVDF) đạt được hiệu quả xử lý COD (97.06 ± 0.97%) và tổng nito (85.66 ±
0.87%) cao hơn so với hiệu suất của màng lọc sinh học polypropylene (PP)
(87.13 ± 0.87 % COD và 71.13 ± 0.71% tổng nito). Tác giả cũng nhấn mạnh
rằng bề mặt nhám ưa nước của màng lọc PVDF là yếu tố đem lại hiệu suất xử
lý sinh học cao hơn. Tuy nhiên, phương pháp này đối với hai màng lọc yêu
cầu thời gian lưu nước tương đối cao ở ngưỡng 12 giờ đối với PVDF và 20

Luan van


12

tiếng đối với PP, ở cùng lưu lượng chất thải đầu vào với 11.56 g COD/m2.d và
2.32 g NH3-N/m2.d.
Áp kế

Đồng hồ đo
lưu lượng
khí

Máy thổi khí

Nước sau xử lý
Bơm tuần hồn

Nước thải
Bơm định

lượng

Khí ra

Điểm lấy mẫu
bùn thải

Hình 1.4. Quy trình hệ xử lý COD và tổng nito hiếu khí với màng lọc
sinh học thẩm thấu [21] .
Ưu điểm của các phương pháp sinh học về cơ bản có thể nói là chi phí
xử lý thấp do chủ yếu dựa vào khả năng phân huỷ của các vi sinh vật. Tuy
nhiên, hạn chế của phương pháp này có thể kể đến là thời gian nuôi cấy tương
đối dài, thời gian lưu đáng kể, và tương đối nhạy cảm với sự thay đổi của các
thông số vận hành như nhiệt độ và nồng độ chất thải đầu vào.
1.2.2. Keo tụ hoá học
Phương pháp keo tụ hoá học dựa trên việc bổ sung các chất hố học
thích hợp tạo nên các hợp chất với chất ơ nhiễm tạo thành các tinh thể lắng có
khối lượng lớn qua đó được loại bỏ khỏi nước trong một quy trình xử lý nước
thải. Đối với xử lý amoni trong nước thải, kết tủa struvite, hình thành kết tủa
amoni dưới dạng magnesium ammonium phosphate (MgNH4PO4.6H2O) là
một kỹ thuật thường được ứng ụng phổ biến [4] . Kết tủa struvite được tạo ra
từ phản ứng cân bằng của ion thành phần. Phản ứng này yêu cầu sự cân bằng

Luan van


13

nồng độ của ion magie và photphat, điều kiện pH tối ưu, và sự thiếu vắng của
ion gây ảnh hưởng ví dụ như canxi [22] . Phương trình phản ứng của kết tủa

struvite (1.8) được thể hiện dưới đây:
%*
*
#,
𝑀𝑔(HI)
+ 𝑁𝐻)(HI)
+ 𝑃𝑂)(HI)
→ 𝑀𝑔𝑁𝐻) 𝑃𝑂)(L)

(1.8)

Van xả khí
Ống ngưng tụ
Chỉ thị
pH
Đo lưu
lượng
khí

Nước thải
vào
Thu hồi
amoni

Lớp
cách
nhiệt

Nước thải ra
Bể lắng

Máy bơm
khí

Nước
sạch
Cửa lắng (struvite cùg chất lắng)

Hình 1.5. Quy trình thu hồi amoni từ nước thải chăn ni bằng phương pháp
kết tủa struvite ([23] .
Có nhiều nghiên cứu đã ứng dụng phương pháp này vào quy trình xử lý
các loại nước thải chứa amoni khác nhau như nước thải chế biến thực phẩm,
nước thải chăn nuôi, nước thải đầu ra của hệ kị khí, nước thải rỉ rác [4] . Ryu
và cộng sự (2018) đã sử dụng phương pháp này để xử lý amoni trong nước
thải của một nhà máy sản xuất vật liệu bán dẫn [23] . Kết quả cho thấy hiệu
quả xử lý đạt mức tối ưu 89% ổn định trong 176 ngày vận hành tại điều kiện
pH 9.2. Tunay và Kabdasli đã thực hiện khảo sát khả năng xử lý amoni của
phương pháp này trong quy mơ phịng thí nghiệm đối với nước thải từ quy

Luan van


14

trình sản xuất thực phẩm [24] . Thời gian quy trình xử lý diễn ra nhanh trong
khoảng từ 1 đến 3 giờ với điều kiện pH trong khoảng 7,5 đến 9,5. Kết luận
tương tự cũng được nhấn mạnh trong nghiên cứu của Borojovich và cộng sự
khi họ nêu ra bốn ưu điểm nổi bật của sử dụng MgO trong phương pháp kết
tủa struvite đó là: hiệu suất kết tủa cao (99%), nồng độ amoni đầu ra ổn định
dưới 50 mg/L, kết tủa diễn ra ở điều kiện pH trung tính, và lượng dư MgO
cũng không làm ảnh hưởng đến điều kiện pH của nước thải [22] . Tuy nhiên,

dưới sự xuất hiện của ion canxi, nồng độ amoni đầu ra có thể bị tăng lên 1000
mg/L (Hình 1.7, 1.8).

Nồng độ amoni

Nồng độ sunfua và photphat

Nồng độ MgO

Hình 1.6. Ảnh hưởng của liều lượng MgO tới nồng độ các ion amoni,
photphat và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] .

Luan van