Đánh giá sự ô nhiễm Amoni trong nước thải bãi rác và thử nghiệm phương pháp xử lý kết tủa Magie Amoni Photphat (Map) làm phân bón

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM




NGUYỄN THÀNH HƢNG

ĐÁNH GIÁ SỰ Ô NHIỄM AMONI TRONG
NƢỚC THẢI BÃI RÁCVÀ THỬ NGHIỆM
PHƢƠNG PHÁP XỬ LÍ KẾT TỦA MAGIE
AMONI PHOTPHAT (MAP) LÀM PHÂN BÓN

LUẬN VĂN THẠC SĨKHOA HỌC MÔI TRƢỜNG



TháiNguyên -2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ii

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM


NGUYỄN THÀNH HƢNG

ĐÁNH GIÁ SỰ Ô NHIỄM AMONI TRONG
NƢỚC THẢI BÃI RÁCVÀ THỬ NGHIỆM
PHƢƠNG PHÁP XỬ LÍ KẾT TỦA MAGIE
AMONI PHOTPHAT (MAP) LÀM PHÂN BÓN
Nghành: Khoahọcmôitrƣờng
Mãsốnghành: 60440301
LUẬN VĂN THẠC SĨKHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
Ngƣờihƣớngdẫnkhoahọc:
1.PGS.TSTrịnhLêHùng

2.PGS.TSNguyễnTuấnAnh

TháiNguyên -2014


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là kết quả của quá trình thực nghiệm của tôi
trong phòng thí nghiệm và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2014
Tác giả


Nguyễn Thành Hưng




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iv
LỜI CẢM ƠN
Bằng tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
PGS.TS. Trịnh Lê Hùng và PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh đã giao đề tài, hướng
dẫn chu đáo và tận tình trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thành
luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, bảo ban của các thầy cô
giáo trong trường đại học Nông Lâm Thái Nguyên trong suốt thời gian vừa
qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em trong phòng thí nghiệm của
Trung tâm Công nghệ Môi trường Việt Nhật đã tạo điều kiện thuận lợi và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ban lãnh đạo, các anh
chị em trong Công ty Cổ phần Thương mại và Kỹ thuật Việt Sing đã luôn
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2014
Tác giả

Nguyễn Thành Hưng



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


v
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ix
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 4
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
1.1.Nito và sự ô nhiễm amoni 4
1.2.Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên 6
1.3.Độc tính của các hợp chất nito đối với con người và hệ sinh thái 10
1.4.Một số tính chất hóa học của ion NH
4
+
13
1.5.Quá trình chuyển hóa nito 14
1.5.1.Quá trình amoni hóa sinh học 14
1.5.2.Quá trình nitrat hóa sinh học 14
1.5.3.Denitrat hóa 16
1.5.4.Phương pháp Anammox 16
1.6.Các phương pháp xử lý amoni 17
1.6.1.Xử lý amoni bằng phương pháp thổi khí cưỡng bức 18

1.6.2.Xử lý amoni bằng phương pháp sử dụng nhựa trao đổi ion 19
1.6.3.Xử lý amoni bằng các tác nhân oxi hóa 20
1.6.4.Xử lý amoni bằng Nano MnO
2
-FeOOH mang trên Laterit 22
1.6.5.Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học 22
1.6.6.Xử lý amoni bằng phương pháp kết tủa MAP 27
Chƣơng 2 30
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 30
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 30


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vi
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu 30
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu 30
2.3. Nội dung nghiên cứu 31
2.4. Phương pháp nghiên cứu 31
2.4.1. Phương pháp kế thừa và sử dụng tài liệu 31
2.4.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu phòng thí nghiệm 31
2.4.3. Các phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 35
Chƣơng 3 41
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 41
3.1. Sơ lược về Bãi chôn lấp Xuân Sơn-Hà Nội 41
3.2. Đánh giá sự ô nhiễm nước nói chung và sự ô nhiễm amoni trong nước
thải bãi chôn lấp Xuân Sơn 43
3.3. Nghiên cứu chế tạo MAP 46

3.3.1. Xây dựng đường chuẩn 46
3. 3.2. Xác định nồng độ tối ưu để tạo MAP 51
3.3.3. Xác định pH tối ưu để tạo MAP 54
3.3.4. Xác định thời gian tối ưu để tạo MAP 56
3.3.5. Khả năng sử dụng nước ót thay thế ion Mg
2+
trong phản ứng tạo MAP
58
3.4. Áp dụng các điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo kết tủa MAP vào xử lý
nước thải 58
3.5. Đề xuất quy trình và sơ đồ công nghệ xử lý amoni trong nước thải bằng
phương pháp kết tủa MAP 60
3.5.1. Quy trình công nghệ 60
3.5.2. Sơ đồ công nghệ 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
PHỤ LỤC


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu
Nghĩa của từ
MAP
Magie amoni photphat (MgNH
4

PO
4
.6H
2
O)
COD
Nhu cầu ôxy hóa học
BYT/QĐ
Bộ Y Tế/ quyết định
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
BCL
Bãi chôn lấp
HTXLNT
Hệ thống xử lý nước thải
BTNVMT
Bộ tài nguyên và Môi trường
ABS
Đơn vị đo quang
MBBR
Công nghệ bùn hoạt tính kết hợp vi sinh
MBR
Công nghệ màng lọc sinh học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


viii
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu trung bình hợp chất nito trong nước thải sinh hoạt 8
Bảng 1.2: Mức độ ô nhiễm hợp chất nito trong một số nguồn
nước thải công nghiệp 9
Bảng 2.1: Yêu cầu về việc bảo quản mẫu của BTNVMT 25
Bảng 3.1: Thành phần các loại rác thải bãi rác Xuân Sơn 43
Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước thải vị trí cống xả đầu ra 44
Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước mặt gần cống xả 45
Bảng 3.4: Phân tích chất lượng mẫu nước giếng khu dân cư 46
Bảng 3.5: Kết quả xây dựng đường chuẩn của amoni 48
Bảng 3.6: Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrit 49
Bảng 3.7: Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrat 50
Bảng 3.8: Kết quả xây dựng đường chuẩn photphat 51
Bảng 3.9: Tỷ lệ mol Mg
2+
: NH
4
+
: PO
4
3-

tương ứng với nồng độ mg/l 52
Bảng 3.10: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol 53
Bảng 3.11: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng
của pH
đ
đối với tỷ lệ mol 1,6 : 0,6 : 1 55
Bảng 3.12: Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của t
pư
đối với
tỷ lệ mol 1,6 : 0,6 : 1 57
Bảng 3.13: So sánh hiệu suất tạo thành MAP của nước ót với hóa chất
khác 59
Bảng 3.14: Kết quả xử lý nước thải từ bãi chôn lấp Xuân Sơn 60
Bảng 3.15: Kết quả xử lý amoni của nước thải từ hầm biogas 61


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình của nito trong tự nhiên 4
Hình 1.2: Cơ chế sinh hoá giả thiết của phản ứng anammox 16
Hình 1.3: MBR ngập nước và MBR đặt ngoài 25
Hình 1.4: Giá đệm sinh học cố định 26
Hình 2.1: Các loại chai dùng để lấy mẫu 23
Hình 2.2: Xô nhựa dùng lấy mẫu 23
Hình 2.3: Sơ đồ bãi chôn lấp Xuân Sơn và vị trí lấy mẫu 24
Hình 3.1: Vị trí bãi rác Xuân Sơn và các bãi rác khác ở Hà Nội 42

Hình 3.2: Phương trình đường chuẩn của amoni 48
Hình 3.3: Phương trình đường chuẩn của nitrit 49
Hình 3.4: Phương trình đường chuẩn của nitrat 50
Hình 3.5: Phương trình đường chuẩn của photphat 51
Hình 3.6: Hiệu suất xử lý amoni phụ thuộc vào tỷ lệ mol 53
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của khối lượng MAP vào tỷ lệ mol 54
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của pH
s
vào tỷ lệ mol 54
Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hiệu suất xử lý amoni vào pH
đ
56
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của khối lượng MAP vào pH
đ
56
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của hiệu suất xử lý amoni vào t
pư
58
Hình 3.12: Sự phụ thuộc của khối lượng MAP vào t
pư
58
Hình 3.13: Sơ đồ công nghệ xử lý amoni của nước thải biogas, nước rác 62






1
MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Tình trạng ô nhiễm môi trường nước do nguồn thải chứa amoni chưa
được xử lý tương đối phổ biến. Amoni có hại cho động vật và người nhưng ở
một mức độ nhất định lại có lợi cho thực vật và vi sinh vật vì đó là nguồn
dinh dưỡng của chúng. Trên thực tế, nhiều cơ sở có nước thải chứa amoni hầu
như đều vượt quá ngưỡng quy chuẩn cho phép tới hàng trăm, hàng nghìn lần.
Với mức độ này của amoni thì các phương pháp xử lý thông thường đều
không giải quyết nổi. Vì vậy thường phải pha loãng amoni đến mức độ nào đó
rồi mới tiếp tục xử lý, hoặc phải nâng pH của dung dịch nước thải để chuyển
amoni thành amoniac và thổi khí cưỡng bức để amoniac bay lên không trung,
gây ô nhiễm bầu không khí như quá trình xử lý nước rỉ rác tại bãi rác Xuân
Sơn – Hà Nội. Các cơ sở chăn nuôi tập trung có các hầm yếm khí xử lý phân
của chúng để tận thu biogas nhưng amoni có nhiều trong nước thải thì hầu
như lại không được xử lý và đổ trực tiếp ra môi trường nhờ sự pha loãng của
tự nhiên. Đây chính là nguyên nhân gây ô nhiễm amoni cho nguồn nước mặt
hiện nay. Các cơ sở sản xuất phân đạm urê ví dụ như nhà máy phân đạm Hà
Bắc đều đã tận thu tối đa amoni nhưng vẫn không được triệt để, ngoài ra urê
rơi vãi còn hòa tan theo nguồn nước thải ra môi trường sau một thời gian sẽ
thủy phân thành amoni, vì vậy hàm lượng amoni trong nước thải là rất
cao.Tuy đã có hệ thống xử lý sinh học nhưng vẫn không đáp ứng được. Nhìn
chung hiện nay ở nước ta, tình hình xử lý amoni đối với loại nước thải có hàm
lượng cao đều chưa có giải pháp thích hợp.
Để có một nền sản xuất sạch, chúng ta cần tính đến khả năng khép kín
trong quy trình công nghệ. Điều đó cũng có nghĩa là phải tận dụng các phế
liệu, phế thải thành các sản phẩm cho một quy trình khác. Trước đây với nền
sản xuất tự cấp tự túc, các gia đình nông dân trồng lúa lấy lương thực nuôi
sống chính mình, đồng thời nuôi lợn lấy phân bón lại cho đồng ruộng. Ngày

2
nay tập quán đã khác trước, nông dân trồng lúa dưới dạng hàng hóa, năng suất
cần phải cao với những quy trình trồng lúa chuyên canh mới trên những thửa
ruộng có diện tích lớn hơn, vì vậy phân bón cũng phải cần nhiều và đã được
các nhà máy sản xuất phân bón cung cấp. Tập quán chăn nuôi cũng thay đổi
với các trang trại nuôi hàng nghìn con trở lên. Nguồn phân súc vật chủ yếu
được xử lý bằng cách ngâm vào các bể yếm khí để thu khí biogas, nhưng có
biết đâu rằng nguồn đạm đã không thành được khí mà nằm lại trong nước thải
dưới dạng amoni gây ô nhiễm cho nguồn nước mặt khi đổ ra môi trường. Nếu
tận dụng lại nguồn đạm này tức là chúng ta đã thực hiện một sự khép kín
trong quy trình trồng lúa trước đây nhưng ở quy mô chuyên canh lớn hơn.
Vì vậy chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Đánh giá sự ô nhiễm amoni
trong nước thải bãi rác và thử nghiệm phương pháp xử lý kết tủa magie
amoni photphat (MAP) làm phân bón.“
2. Mục tiêu của đề tài
2.1. Mục tiêu tổng quát
- Đánh giá được sự ô nhiễm amoni trong nước thải bãi rác.
- Thử nghiệm được phương pháp xử lý kết tủa magie amoni photphat
(MAP) làm phân bón.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Xác định hàm lượng amoni trong nước thải của bãi rác Xuân Sơn- Hà
Nội.
- Sản xuất MAP từ nước thải có hàm lượng amoni cao.
3. Yêu cầu của đề tài
- Đánh giá được mức độ ô nhiễm của amoni trong nước thải của bãi rác
Xuân Sơn-Hà Nội.
- Tìm ra được các điều kiện tối ưu để sử lý amoni trong nước thải bãi
rác để đạt hiệu suất tạo MAP là cao nhất.
- Ứng dụng thực tế cho xử lý nước thải nhiễm amoni.

3
4. Ý nghĩa
- Về khoa học:
+ Đánh giá được hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước thải bãi rác
Xuân Sơn.
+ Tìm điều kiện điều kiện tốt nhất cho phản ứng kết tủa tạo MAP.
- Về thực tiễn: đây là bài toán có ý nghĩa về môi trường góp phần giải
quyết theo hướng tái sử dụng các nguồn thải thành thương phẩm.

4
Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Nito và sự ô nhiễm amoni
Sự sống mà nền tảng là các hợp chất protein bao gồm 6 nguyên tố chủ
yếu: Cacbon, hydro, oxy, nito, phot pho và lưu huỳnh, trong đó hàm lượng
nito chiếm tới 16% . Nito có ở dạng đơn chất và trong vô vàn dạng hợp chất.
Chúng phân bố khắp mọi nơi trong không khí, trong đất và trong nước. Khối
lượng các hợp chất hữu cơ chứa nito trong tự nhiên rất cao[6]. Trong quá
trình vận động chuyển hóa của sự sống, nguyên tố nito đã tạo thành một chu
trình các chất rất phức tạp.
Khí quyển
N2, một ít N2O
Vết của NO, NO2, HNO3, NH4NO3
Thủy quyển v à địa quyển
NO3,
-,
NH4
+
Hợp chất N hữu cơ có trong sinh khối chết và
nhiên liệu hóa thạch
Trí quyển
NH3, HNO3, NO, NO2
Hợp chất Nitrat vô cơ
Các sản phẩm Nitơ hữu cơ
Sinh quyển
Các hợp chất Nitơ xuất hiện

trong quá trình trao đổi chất
của sự sông
NH4+ NO3-, hòa tan
từ kết tủa

Hình 1.1: Chu trình của nito trong tự nhiên
Nito từ không khí đã đi vào cơ thể sống theo 2 hướng: một là được vi
sinh vật cố định nito chuyển hóa thành hợp chất cho cây hấp thụ được, hai là
các hiện tượng sấm, sét của tự nhiên đã chuyển hóa nito thành các chất nitrat
giúp cho cây có thể hấp thụ được. Thực vật phát triển đã cung cấp thức ăn cho
động vật. Thực vật và động vật chết đi được vi sinh vật phân hủy. Nhờ sự
hoạt động của vi sinh vật yếm khí các hợp chất có nitơ (protein) bị phân giải
chuyển thành amoni (NH
3
hoặc NH
4
+
). Các vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa



5
tiếp các chất này thành NO
2
-
và NO
3
-
. Sau đó các vi sinh vật yếm khí lại
chuyển hóa tiếp các chất này thành nito hoàn trả lại khí quyển. Bản thân khí

nito không độc nhưng trong quá trình vận động của thiên nhiên và sự sống,
nguyên tố nito đã chuyển hóa và tạo ra rất nhiều chất có lợi và có hại, trong
đó đặc biệt phải kể đến khí amoniac (NH
3
) ion amoni (NH
4
+
) gọi chung là
amoni , tuy có lợi chủ yếu cho thực vật và vi sinh vật nhưng lại đặc biệt có hại
cho động vật và con người. Biết khai thác những chất có lợi và hạn chế những
chất có hại chính là tìm ra những phương pháp xử lý thích hợp.
Thực vật và vi sinh vật cũng không thể chịu đựng được nồng độ quá cao
của amoni trong nước do hiện tượng thẩm thấu tác động lên rễ cây hoặc màng
tế bào vi sinh vật. Trên thực tế, kết quả phân tích nhiều mẫu nước đã hoặc
chưa xử lý đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, có nơi còn cao hơn từ 20 đến 30
lần. Theo tiêu chuẩn xả thải hiện nay của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì
nước thải sau xử lý phải đạt quy chuẩn QCVN 14 : 2008/BTNMT là 5 mg/l.
Hầu như các nguồn nước thải sinh hoạt và sản xuất đều có hàm lượng
amoni nhất định, tuy nhiên ở mức độ khác nhau. Có thể từ 30- 50 mg/l đến
800-1000 mg/l và có thể còn cao hơn nữa. Các cơ sở xử lý nước thải cũng rất
khó đạt được các tiêu chuẩn quy định về xả thải vì nhiều lý do khác nhau.
Nước rác từ bãi chôn lấp rác sinh hoạt có hàm lượng amoni cao hơn cả, tùy
thuộc vào mức độ thu gom và lưu giữ. Các bãi chôn lấp rác sinh hoạt phần lớn
là các chất hữu cơ, trong đó đặc biệt phải kể đến các hợp chất protein khi
phân giải yếm khí đã giải phóng rất nhiều amoni, vì vậy nước rác luôn có
pH>8 - 9. Khi được lưu giữ trong hồ do hoạt động của vi khuẩn hiếu khí
chúng được chuyển thành NO
2
-
và NO

3
-
, nên hàm lượng amoni có phần giảm
đi. Cùng dựa trên nguyên lý phân giải yếm khí của protein, các nhà máy sản
xuất thực phẩm (chế biến thịt, cá), các nhà máy thuộc da đều có nước thải với
hàm lượng amoni rất cao. Tương tự, nước thải các bể biogas, các cơ sở chăn
nuôi, nước thải sinh hoạt qua các cống ngầm cũng tương tự, đều có hàm
lượng amoni cao. Nước thải công nghiệp của các nhà máy sản xuất phân đạm,



6
nếu không có hệ thống thu gom tốt thì lượng amoni trong nước thải cũng rất
cao. Nước thải của một số nhà máy sử dụng các hợp chất có amoni trong
thành phần (ví dụ: muối kép có chứa amoni) cũng để lại hàm lượng cao của
amoni (khi amoni đã không được sử dụng hoặc sử dụng ít trong quá trình
công nghệ). Nước ngầm của một số vùng nhất định cũng có hàm lượng amoni
cao, nguyên nhân là do sự phát tán của amoni trong điều kiện yếm khí trong
lòng đất đối với các mạch nước ngầm gần các vùng có sự phân hủy protein (ví
dụ gần bãi rác, gần nghĩa trang, ).
1.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên
Nito từ đất, nước, không khí vào các cơ thể sinh vật qua nhiều dạng
biến đổi sinh học, hoá học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí
tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình nito.
Trong đất, nito chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất nito hữu cơ. Lượng này
càng được tăng lên do sự phân huỷ xác động thực vật, chất thải động vật. Hầu
hết thực vật không thể trực tiếp sử dụng những dạng nito hữu cơ này mà phải
nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hoá chúng thành những dạng vô cơ mà thực
vật có thể hấp thụ được. Khi được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi
hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein, clorophin…nhờ đó thực vật lớn

lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật sau đó thải cặn bã vào
đất cung cấp trở lại nguồn nito cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần
như: cây họ đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng…có thể chuyển hoá nito trong khí
quyển thành dạng nito sử dụng được cho cây. Nito đã tạo được một chu trình
kín trong tự nhiên.
Nguồn ô nhiễm nito trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau do
con người tạo ra như: sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông
vận tải thủy,…
- Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, các cơ sở hoạt
động thương mại xã hội như công sở, trường học [3]Trong nước thải sinh



7
hoạt thường chứa nhiều tạp chất dưới dạng protein, cacbon hidrat, lipid, các
chất bẩn từ người, động vật, thực vật, các loại rác, giấy, gỗ, các chất hoạt
động bề mặt, Ngoài ra còn có các loại vi khuẩn như: trứng giun, virut, vi
trùng, siêu vi trùng. Trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lượng
nitơ nhất định. Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống
các con sông trong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm
nước.
Hợp chất nito trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit,
axit amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Các hợp
chất chứa nito, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu bị thủy phân rất
nhanh tạo thành amoniac/amoni. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân hủy
yếm khí các chất thải, quá trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng chất
hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng giảm hợp chất nito thì không đáng kể, trừ
một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng nito trong
nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy
yếm khí.

Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do
nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật tự dưỡng thấp. Thành phần amoni
chiếm 60-80% hàm lượng nito tổng trong nước thải.
Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chính của nito trong nước thải sinh hoạt
Thứ tự
Chỉ tiêu(đơn vị: mg/l)
Trung bình
1
Tổng nito
40
2
Nito hữu cơ
15
3
Nito amoni
25
4
Nito nitrit
0,05
5
Nito nitrat
0,2
Nguồn:” Kỹ thuật xử lý nước thải”, Trịnh Lê Hùng (2006) NXB Giáo
Dục, Hà Nội [6]



8
- Nước thải đô thị: là nước thải trong hệ thống thoát nước của một thành
phố, một khu đô thị. Trong nước thải đô thị, ngoài nước thải sinh hoạt còn có

thể có nước thải của một số cơ sở sản xuất công nghiệp, nước thải của các
bệnh viện, trạm y tế.
- Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy, xí nghiêp sản
xuất hoặc từ các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp đang hoạt động. Các tạp
chất trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, phức tạp tùy thuộc vào đặc thù
của sản xuất như nguyên liệu sử dụng, các qui trình sản xuất, các biện pháp
kỹ thuật được áp dụng Thường các tạp chất chính là từ các nguyên liệu được
sản xuất và từ các chất được hình thành trong các công đoạn sản xuất khi thực
hiện các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat
trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat được thải
qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này
còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số quá trình biến
đổi hoá học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO
3
, HNO
2
. Do đó hàm
lượng của các ion này trong nước tăng lên.
Bảng 1.2: Mức độ ô nhiễm hợp chất nito trong một số nguồn
nước thải công nghiệp
Nguồn thải nito
Nồng độ nito tổng(mg/l)
Giết mổ
115
Chế biến thịt
76
Chế biến thủy sản:
+ Cá da trơn
+ Cua
+ Tôm

+ Cá

33
94
215
30
Chế biến rau quả, đồ hộp
4
Bột, sản phẩm khoai tây
21
Rượu vang
40
Hóa chất, phân bón
1820
Nguồn: “Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp”, Trần Hiếu Nhuệ
(1999), NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [12]



9
- Nước thải nông nghiệp: là loại nước thải trong quá trình sản xuất nông
nghiệp. Tạp chất chủ yếu có trong nước thải nông nghiệp là các loại phân bón
vô cơ, hữu cơ, các hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, các chất kích thích sinh
trưởng dư thừa hoặc bị rửa trôi. Hàm lượng các tạp chất phụ thuộc vào chế độ
canh tác, mùa vụ sản xuất. Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm lớn
cho nước. Việc sử dụng phân bón hoá học chứa nitơ với số lượng lớn, thành
phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ,…thông qua quá
trình rửa trôi, thấm, lọc, lượng nitrat hoá, amoni trong nước bề mặt và nước
ngầm ngày càng lớn.
- Nước thải do giao thông vận tải thủy: Nước trên các dòng sông, hồ,

biển có thể bị ô nhiễm do các phương tiện tàu, thuyền trên sông, biển thải ra,
các tàu chở dầu, hóa chất bị rò rỉ làm ảnh hưởng đến môi trường nước, làm
chết các loại động, thực vật sống trong môi trường sông, biển.
- Nước rác: Bãi chôn lấp rác là lò ủ vi sinh vật yếm khí, trong đó một
tập đoàn vi sinh vật hoạt động phân hủy một phần chất hữu cơ trong chất rắn.
Tốc độ phân hủy chất hữu cơ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của
bãi chôn lấp rác.[1,3]
Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật yếm khí gồm có 3 giai
đoạn nối tiếp nhau. Thủy phân (bẻ gẫy) các phân tử hữu cơ lớn như polymer,
lipit, protein, hydrat cacbon thành các phân tử nhỏ như monosaccarit, amino
axit,… chúng là những nguyên liệu thích hợp cho việc tổng hợp tế bào. Giai
đoạn 2 là giai đoạn chuyển hóa các sản phẩm thủy phân thành các axit, như
axit axetic, crotonic, adipic, pyruvic,
Giai đoạn tạo khí metan và CO
2
được thực hiện bởi nhóm vi sinh
methanogens.
Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa nito bị
thủy phân bởi enzym do vi sinh vật yếm khí và một phần hiếu khí tạo ra axit
amin và tiếp tục thành amoni và CO
2
cùng với axit dễ bay hơi. Một lượng lớn
amino axit, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng dư sẽ còn



10
lại trong nước rác. Sau một chu kỳ hoạt động, các vi sinh vật yếm khí chết và
bị phân hủy như xác động vật.
Trong hồ yếm khí, các hợp chất nito tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni,

một phần nằm trong tế bào của vi sinh vật yếm khí. Do không tách được sinh
khối ra khỏi nước nên khi phân hủy, amoni được trả lại hầu như nguyên vẹn
vào môi trường nước.
Trong hồ tùy nghi, mặc dù với sự có mặt thêm của các vi sinh vật hiếu
khí và tảo, sự diễn biến về nồng độ hợp chất nito cũng có hình ảnh tương tự
nhưng với tốc độ giảm amoni nhanh hơn giai đoạn đầu và tăng nhanh trong
quá trình phân hủy.
Trong hồ hiếu khí quá trình chuyển hóa các hợp chất nito phức tạp hơn
do các vi sinh vật dị dưỡng phải sống trong môi trường giàu oxy.
1.3. Độc tính của các hợp chất nito đối với con ngƣời và hệ sinh thái
Nito là một trong những nguyên tố chính không thể thiếu trong các hợp
chất hữu cơ phức tạp của vi sinh vật như: protein, axit nucleic, chất màu,…
Thực vật tổng hợp protein từ nito dưới dạng amoni và nitrat. Con người và
động vật lấy nguồn cung cấp protein từ thực vật và động vật. Quá trình tổng
hợp protein được thực hiện nhờ hệ thống các enzim mà enzim lại chính là các
protein. Protein là thành phần chính tạo nên tế bào sống. Theo quan điểm sinh
học, protein có các chức năng: cấu trúc, xúc tác, vận chuyển, chuyển động,
bảo vệ, dự trữ, điều khiển, có giá trị cảm quan và dinh dưỡng.
Trong quá trình sống của con người và động thực vật, luôn luôn có sự
đào thải các chất dư thừa, các chất khó tiêu hóa, cặn bã dưới dạng phân và
nước tiểu. Đó là kết quả của quá trình phân hủy protein. Trong nước tiểu, nito
tồn tại phần lớn ở dạng ure. Trong phân và trong xác động thực vật chứa
lượng lớn nito hữu cơ. Dưới tác động của vi khuẩn thì những nguồn thải này
là nguồn dinh dưỡng nito, cung cấp cho sự sinh trưởng và phát triển của thực
vật.



11
Như vậy, trong quá trình sinh trưởng và phát triển, con người và động

thực vật luôn luôn cần có nito ở các dạng và hàm lượng thích hợp. Điều này
càng khẳng định chu trình chuyển hóa nito trong hệ sinh thái là một vòng tuần
hoàn. Thế nhưng trong hệ sinh thái, nito tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như:
NH
4
+
(NH
3
), NO
2
-
, NO
3
-
, , và nếu tất cả các ion này tồn tại trên giới hạn cho
phép thì sẽ gây ảnh hưởng đến con người và hệ sinh thái.
,
nhưng o
n

.
, khi






n ,
nguyên

,
.
Các hợp chất nito 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



12
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.
3
-

. Ngo


40 khi
.
4
+
:
- c c
c .
- n
năng gây ung thư.
- NH

4
+
trong
nito
,
n
về các hợp chất n
methmoglobin - ), đ
.
Trong nước tồn tại cân bằng: NH
3
+ H
2
O ↔ NH
4
+
+ OH
-
(1.1) và có thể
có sự chuyển hóa NH
4
+
sang NO
2
-
, NO
3
-
. Các ion này là tác nhân gây độc đối
với con người, đặc biệt là với trẻ em. Bởi vì, NO

2
-
oxi hóa ion Fe
2+
của
hemoglobin tạo ra methemoglobin là chất không có khả năng kết hợp và vận



13
chuyển oxi tới các tế bào. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra các
bệnh về máu cho trẻ em. Ngoài ra, nitrit còn có khả năng kết hợp với các
amin, amit và các hợp chất chứa nitơ khác tạo ra nitrosamin, một nhóm
carcinogen là tác nhân có khả năng gây ung thư, đe dọa sự sống của con
người [4,5,17].
Vì vậy, trong các nguồn nước thải bị nhiễm amoni quá cao cần phải xử
lý để đảm bảo an toàn cho người và hệ sinh thái.
Bảng 1.3. Giới hạn nồng độ các hợp chất của nito trong nước uống
STT
Chỉ tiêu
Giới hạn tối đa
Đơn vị
1
Hàm lượng amoni
3
mg/l
2
Hàm lượng nitrat
50
mg/l

3
Hàm lượng nitrit
3
mg/l
Nguồn: Theo QCVN 01:2009/BYT
1.4. Một số tính chất hóa học của ion NH
4
+

Dựa vào một số tính chất hóa học đặc trưng của ion NH
4
+
như: cân
bằng phân ly của các muối amoni, khả năng tạo phức ít tan, khả năng tạo kết
tủa, , để tách loại amoni trong nước thải:
- Ion NH
4
+
tồn tại trong nước chủ yếu do sự phân ly của các muối
amoni và sự hòa tan NH
3
. Trong nước tồn tại cân bằng sau [11]:
NH
3
+ H
2
O ↔ NH
4
+
+ OH

-
(1.2)
Dựa vào phản ứng này người ta có thể chuyển hóa NH
4
+
trong nước
thành NH
3
bằng cách kiềm hóa môi trường nước để làm cho cân bằng chuyển
dịch về bên trái. NH
3
tạo thành được tách ra bằng phương pháp cơ học như
thổi khí.
Ion NH
4
+
có khả năng tạo phức ít tan với ion Mg
2+
và PO
4
3-
trong môi
trường ammoniac:
Mg
2+
+ NH
4
+
+ PO
4

3-
→ MgNH
4
PO
4
↓ (1.3)



14
và tạo kết tủa amoniphotphomolipdat trong môi trường axit:
3NH
4
+
+ PO
4
3-
+ 12MoO
4
2-
+ 24H
+
→ (NH
4
)
3
[PMo
12
O
40

] + 12H
2
O (1.4)
Phản ứng này được dùng để nhận biết ion PO
4
3-
trong nước [11].
Ngoài ra, ion NH
4
+
cũng có thể bị oxi hóa bởi các tác nhân oxi hóa như:
clo, ozon, tạo thành N
2
, NO
2
-
, NO
3
-
. Dựa vào tính chất này, trong quá trình
xử lý amoni trong nước thải người ta thường tiến hành các phản ứng hóa học
để loại bỏ hoàn toàn NH
4
+
hoặc chuyển NH
4
+
thành NO
3
-

, bằng các tác nhân
oxi hóa như: clo, ozon, , hoặc bằng các phản ứng sinh học nhờ các vi sinh
vật đặc chủng như anammox.
1.5. Quá trình chuyển hóa nito
1.5.1. Quá trình amoni hóa sinh học
Quá trình chuyển hóa nito trong nước thải thường bắt đầu bằng sự thủy
phân, oxi hóa và phân hủy nitơ hữu cơ bao gồm: các hợp chất dị vòng,
protein, peptit, amino axit, ure,
Dưới tác dụng của enzim ureaza, ure và các hợp chất tương tự ure bị
thủy phân tạo thành ammoniac và muối amonibicacbonat. Phản ứng này có
thể mô tả bằng phương trình sau[6]:
CO(NH
2
)
2
+ 2H
2
O → NH
4
+
+ HCO
3
-
+ NH
3
(1.5)
Sự chuyển hóa nito hữu cơ thành amoni được thực hiện nhờ các nhờ
các loài vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc.
N-hữu cơ (axit nucleic, protein, peptit, amino axit) → NH
4

+
(1.6)
Amoni tạo thành được các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn dinh
dưỡng nito đồng hóa để xây dựng tế bào mới. Tảo và các thực vật thủy sinh
khác cũng dùng amoni cùng với CO
2
và P để quang hợp [1, 13, 14].
1.5.2. Quá trình nitrat hóa sinh học
Nitrat hóa amoni là một quá trình gồm hai giai đoạn. Đầu tiên, amoni bị
oxi hóa thành thành nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas, là vi khuẩn hình cầu



15
hoặc hình bầu dục, gram (-), không sinh bào tử. Sau đó nitrit bị oxi hóa thành
nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobacter, là trực khuẩn gram (-) không sinh bào tử.
Quá trình này được mô tả theo hai phương trình sau [4, 12, 13, 17]:
2NH
4
+
+ 3O
2
→ 2NO
2
-
+ 4H
+
+ 2H
2
O + Q (1.7)

2NO
2
-
+ O
2
→ 2NO
3
-
+ Q (1.8)
Phương trình tổng:
NH
4
+
+ 2O
2
→ NO
3
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1.9)
Trong quá trình nitrat hóa, oxi đóng vai trò là chất nhận điện tử và chỉ
nhận điện tử mà Nitrosomonas và Nitrobacter có thể sử dụng. Do đó, môi
trường hiếu khí là điều kiện cần thiết cho quá trình nitrat hóa.
Quá trình nitrat hóa là quá trình giải phóng năng lượng, Nitrosomonas
và Nitrobacter sử dụng năng lượng này để duy trì và phát triển sinh khối (các
tế bào vi khuẩn). Các tế bào vi khuẩn này có thể biểu diễn gần đúng bằng
công thức hóa học C

5
H
7
O
2
N. Phản ứng tổng hợp sinh khối nhờ Nitrosomonas
và Nitrobacter được thực hiện như sau [4]:
NH
4
+
+ HCO
3
-
+ 4CO
2
+ H
2
O → C
5
H
7
O
2
N + 5O
2
(1.10)
Như vậy, các tế bào vi khuẩn được tạo nên hoàn toàn từ các hợp chất
vô cơ. Ngoài ra cần có thêm một lượng nhỏ các chất dinh dưỡng vi lượng như
P, S, Fe cho quá trình tổng hợp nhưng không làm thay đổi phản ứng (1.10).
Năng lượng ban đầu cho phản ứng tổng hợp này khởi phát thu được từ phản

ứng oxi hóa NH
4
+
và NO
2
-
(phương trình (1.7) và (1.8)). Do đó các phản ứng
oxi hóa NH
4
+
và NO
2
-
thường xảy ra đồng thời.
Vì năng lượng giải phóng từ phản ứng oxi hóa 1 mol NH
4
+
hoặc NO
2
-

ít hơn năng lượng cần thiết để tạo thành 1 mol các tế bào vi khuẩn, nên các
phương trình (1.7), (1.8) và (1.10) phải được cân bằng lại để đạt được hiệu
suất chuyển đổi năng lượng tức là năng lượng cần sử dụng bằng năng lượng
tạo thành. Vì vậy, quá trình nitrat hóa sinh học có thể biểu diễn bằng phương
trình tổng sau.



16

NH
4
+
+ 1,83O
2
+ 1,98HCO
3
-
→ 0,021C
5
H
7
O
2
N + 0,98NO
3
-
+ 1,041H
2
O
(1.11)
Phương trình này được sử dụng để đánh giá ba thông số quan trọng
trong quá trình nitrat hóa: nhu cầu oxi, độ kiềm sử dụng và sự tạo thành sinh
khối có khả năng nitrat hóa.
1.5.3. Denitrat hóa
Denitrat hóa là quá trình khử NO
3
-
hoặc NO
2

-
thành sản phẩm cuối cùng
là khí N
2
nhờ các vi sinh vật kỵ khí. Các vi sinh vật thực hiện quá trình này
phân bố rộng rãi trong môi trường. Trong số các vi sinh vật thực hiện quá
trình denitrat hóa có Thiobacillus, Hydrogenomnas thuộc nhóm tự dưỡng và
Pseudomonas, Micrococcus thuộc nhóm dị dưỡng.
Để quá trình denitrat hóa đạt hiệu suất cao cần phải bổ xung các hợp chất
hữu cơ dễ phân hủy sinh học làm nguồn cacbon. Hiện nay, người ta thường sử
dụng metanol, etanol, đường, dấm, Quá trình phản ứng xảy ra như sau:
3NO
3
-
+ CH
3
OH → 3NO
2
-
+ CO
2
+ 2H
2
O (1.12)
2NO
2
-
+ CH
3
OH → N

2
+ CO
2
+ H
2
O + 2OH
-
(1.13)
Tổng hợp hai quá trình:[22]
3NO
3
-
+ 5CH
3
OH → 3N
2
+ 5CO
2
+ 7H
2
O + 6OH
-
(1.14)
Nếu trong nước có oxi hòa tan sẽ làm giảm hiệu suất của quá trình
denitrat hóa, do các vi khuẩn sẽ sử dụng O
2
thay cho NO
3
-
hoặc NO

2
-
như chất
nhận điện tử từ phản ứng khử để tạo năng lượng. Do đó phải loại bỏ oxi hòa
tan trước khi thực hiện quá trình denitrat hóa bằng cách bổ sung thêm một
lượng metanol vào nước.
1.5.4. Phương pháp anammox
Anammox (Anaerobic ammonium oxidation) là quá trình oxi hóa amoni
yếm khí, trong đó amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí
N
2
dưới điều kiện yếm khí, với amoni là chất cho điện tử còn nitrit là chất
nhận điện tử để tạo thành khí N
2
.