Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí cải tiến

TR Ư Ờ N G ĐẠI H Ọ C s ư PH Ạ M HÀ N Ộ I 2
KH O A H Ó A H Ọ C

===£Q m C3===

BÙI T H Ị NGA

NGHIÊN CỨU x ư LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
SINH HOẠT BẰNG HỆ THỐNG LỌC SINH HỌC
THIỂU KHÍ - HIẾU KHÍ CẢI TIẾN

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: H óa Công nghệ - M ôi trường

Người hướng dẫn khoa học
ThS. LÊ CAO KHẢI

HÀ N Ộ I - 2016


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

L Ờ I CẢM ƠN
Đe có thể hoàn thiện được khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của
bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các thày
cô khoa Hóa học, trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã luôn quan tâm và tận
tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thòi gian theo học
tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới ThS. Lê Cao Khải,

người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lọi nhất cho em trong
quá trình nghiên cứu và suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Đồng thời em xin cảm ơn tập thể các cán bộ phòng Công nghệ xử lý
nước - Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin dành lòi cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè,
những người vẫn luôn quan tâm, động viên và là chỗ dựa tinh thần giúp em
hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình
nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2016
Sinh viên

Bùi T hị Nga


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH M ỤC CÁC K Ý H IỆ U , C H Ữ V IẾ T TẮT

AO (Anoxic - Oxic)

Thiếu khí - hiếu khí

BOD5 (Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa sinh học (5 ngày)

COD (Chemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxy hóa hóa học

DO

Lượng oxy hòa tan trong nước

MBR (Membrane Biological Reactor)

Thiết bị sinh học màng

MLSS ( Mixed liquor suspended

Tải lượng bùn hoạt tính

solids)
NTSH

Nước thải sinh hoạt

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

T -N

Tổng Nitơ

TKN

Tổng Nitơ Kendan

SS (Suspendedsolid)
ss

Hàm lượng chất rắn lơ lửng


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. Thành phàn nước thải sinh hoạt phân tích theo các phưomg pháp của
APHA
Bảng 2. Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Bảng 3. Mối tương quan giữa tỉ lệ vi sinh nitrifier thành phàn BOD/ TKN
ừong nước thải
Bảng 4. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu
Bảng 5. Các chế độ vận hành


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1. Chu trình Nitơ
Hình 2. Quá trình nitrat hóa ừên màng tế bào chất của sinh vật
Hình 3. Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AO
Hình 4. Mô hình hệ thống thí nghiệm AO
Hình 5. Đồ thị ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý N-NH4+
Hình 6. Đồ thị ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý T-N
Hình 7. Đồ thị ảnh hưởng của tải lượng N-NH4+ đến hiệu quả xử lý
N-NH4+


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

M ỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ TH Ị_Toc451239816
MỞ Đ Ầ U ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QU AN....................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về nước thải sinh h o ạt....................................................................... 3
1.1.1. Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt............................................................... 3
1.1.2. Phân loạị các đối tượng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt......................... 3
1.1.2.1. Phân loại theo đặc trưng vật lý....................................................................... 3
1.1.2.2. Phân loại theo đặc trưng hóa h ọ c .................................................................. 4
1.1.2.3. Phân loại theo đặc trưng sinh h ó a ..................................................................5
1.1.3. Thành phần và đặc tính nước thải sinh h o ạ t..................................................5
1.2.

Tổng quan về sự ô nhiễm nitơ trong nước thải sinh h o ạ t............................. 7

1.2.1. Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự n h iê n ................................................. 7
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ ừong môi trườngnước..................11
1.2.3. Ảnh hưởng của nitơ đối với môi trường và sức khỏe cộng đ ồ n g ............. 12
1.3. Các phương pháp xử lý nitơ trong nước th ả i................................................ 13
1.3.1. Phương pháp Clo hóa tại điểm đột biến........................................................13
1.3.2. Phương pháp vật l ý ..........................................................................................14
1.3.3. Phương pháp ừao đổi io n ................................................................................15
1.3.4. Phương pháp sinh h ọ c ..................................................................................... 15
1.3.4.1. Quá trình nitrat h ó a ...................................................................................... 15
1.3.4.2. Quá trình khử nitrat h ó a .............................................................................. 18


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
C Ứ U ...............................................................................................................................30
2.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................... 30
2.2. Mục đích nghiên cứu...........................................................................................30
2.3. Nội dung nghiên cứ u..........................................................................................30
2.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 30
2.4.1. Phương pháp tài liệu kế thừa.......................................................................... 30
2.4.2. Phương pháp phân tích....................................................................................31
2.4.3. Phương pháp thực nghiệm ...............................................................................33
2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu................................................................................34
2.4.5. Phương pháp tính to á n ..................................................................................... 35

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N ........................................................... 36
3.1. Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý N-N H4+......................... 36
3.2. Anh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý T -N .................................37
3.3. Anh hưởng của tải lượng N-NH4+ đến hiệu quả xử lý N -N H 4+..................37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NG HỊ.................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 40
PHỤ L Ụ C ......................................................................................................................43


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

MỞ ĐÀU
Lý do chọn đề tài
Điều kiện kinh tế - xã hội phát triển, mức sống của con người được nâng
cao, dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt thải ra môi trường ngày một tăng.
Cùng với nước thải do hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, nước thải sinh
hoạt - nước đã nhiễm bẩn trong quá trình con người sinh hoạt được rời khỏi
khu vực đang sử dụng về nguồn nhận như ao, hồ, sông, biển. Trong khi dịch
chuyền một số chất độc hại sẽ ngấm vào đất làm ônhiễm môi trường đất tạo ra
môi trường nước ngầm có chứa các chất độc hại. Tác nhân gây ô nhiễm môi
trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và
các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận.
Họp chất hữu cơ giàu thành phàn cacbon có khả năng sinh huỷ (BOD) khi
tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật
phát triển. Với các loại vi sinh vật hiếu khí, trong quá trình phát triển và hoạt
động chúng tiêu thụ một lượng oxy tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục
nước và khi chết chúng lắng xuống lóp bùn đáy. Trong điều kiện thiếu oxy các
loại vi sinh vật yếm khí phát triển, tạo ra nhiều dạng hợp chất có mùi hôi (các

chất có tính khử cao như H2S, metan, axit hữu cơ dễ bay hơi) đầu độc môi
trường nước và không khí vùng xung quanh.
Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các
hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công
nghiệp, nông nghiệp. Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thảnh
phần dinh dưỡng ừong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá
trầm trọng cho môi trường. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào
môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy 1 kg
photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết. Trong nguồn nước
nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực

Bùi Thị Nga

1

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn gây ra hiện tượng phú dưỡng lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường
nước. Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên
tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không
thể sống đối vói thuỷ động vật từ đó gây ô nhiễm môi trường nước.
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học,
phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên,
việc áp dụng các quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ
là vấn đề càn được chú ý và đẩy mạnh hơn nữa. Đây là phương pháp dừng vi

sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm
tạo ra các sản phẩm có lợi như cacbonic, nước và các chất vô cơ khác, do vậy
là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Xuất phát từ lý
do đó tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt

bằng hệ thống lọc sinh học thiếu khí - hiếu khí cải tiến ” làm đề tài nghiên
cứu.

Bùi Thị Nga

2

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tồng quan về nước thải sinh hoạt
1.1.1. Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày
của con người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ă n ... Lượng nước thải thực
sự từ mỗi người hàng ngày gần 80% lượng nước tiêu thụ. Nguồn nước thải
sinh hoạt tạo ra từ các mục đích vệ sinh, chuẩn bị đồ ăn thức uống hàng ngày.
Trong quá trinh thu gom và vận chuyển nước thải về nguồn nhận nước, các
thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian, các thành phần dễ
sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn so với các thành phần khó phân hủy

nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và nồng độ
tạp chất theo thời gian và mang tính cục bộ (đặc thù) khá cao.
Nhìn chung,tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử
dụng nước nằm trong khảng 150 - 200 L/ngày trên đầu người. Tại các vùng
nông thôn, mức độ sử dụng nước thường thấp hơn so vói thành phố.
Trong sinh hoạt gia đình, nước thải bao gồm ba nguồn chính với lưu
lượng gần ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm
gội, từ giặt giũ và chuẩn bị cho ăn uống. Nước thải từ bể phốt được gọi là
nước thải đen, nước thải từ nhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám.
Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm các chất cặn bã hữu cơ,
các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD, COD), các chất dinh
dưỡng (nitơ, photpho), các vi trùng gây bệnh (ecoli, coliữom...).

1.1.2. Phân loại các đối tượng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt
1.1.2.1. Phân loại theo đặc trưng vật lý
Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng

Bùi Thị Nga

3

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

thái tập hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán.
Trạng thái của vật chất ừong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và

rắn. Khí và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới
dạng hạt keo (chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí. Tính chất nổi,
chìm hay phân tán của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào
khối lượng riêng của nó so với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng
nhỏ thì độ phân tán càng cao). Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan
(tồn tại ở mức phân tử độc lập trong nước), chỉ tan một phàn (dạng keo, ví dụ
keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng huyền phù. Kích thước của các chất rắn
trong nước thải nằm trong khoảng rất rộng, từ vài mm đến mức phần triệu
mm (virut). Kích thước của chất rắn liên quan mật thiết đến biện pháp kỹ
thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại màng lọc).

1.1.2.2. Phân loại theo đặc trưng hóa học
Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có
mặt, tuy vậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi
tiết được. Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí họp chất vô cơ, hữu
cơ. Hợp chất vô cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat,
photphat, sunfat), thành phần bán kim loại (borat, silicat...) và kim loại (muối
Na, Cu, C a...).
Họp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ
chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân thơm ...). Cách phân
loại đó phức tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự
tồn tại của hàng triệu chất hữu cơ đã biết cho tới nay. Cách phân loại thực tế
và có ích hơn là theo nguồn gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân
tạo. Tuy vậy cách phân loại này cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại họp
chất hữu cơ có trong thiên nhiên cũng được con người chế tạo và còn biến
tính thành các họp chất mói hữu dụng hơn. Đại diện cho các họp chất có

Bùi Thị Nga

4

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit humic, tanin, lignin.
Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội đầu, xà phòng, hóa
mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp.

1.1.2.3. Phân loại theo đặc trưng sinh hóa
Phân loại tạp chất ừong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên
đặc điểm về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống
xử lý nước thải, ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm
(mỡ, protein), không phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu
cơ chứa clo, một số loại thuốc trừ sâu), độc (dioxin).

1.1.3. Thành phần và đặc tỉnh nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học,
ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất
nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như
protein (40 - 50%), hydrat cacbon (40 - 50%). Nồng độ chất hữu cơ ừong
nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/L. Có khoảng 20 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc,
điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lí thích đáng
là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do nồng
độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp. Thành phần amoni chiếm 60
- 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt.

Bùi Thị Nga

5

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Bảng 1. Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích
theo các phương pháp của APHA
Mức đô■ ô nhiễm
Các chất (mg/L)
Nặng

Trung bình

Thấp

Tổng chất rắn

1000

500

200

Chất rắn hòa tan

700

350

120

Chất rắn không hòa tan

300

150

8

Tổng chất rắn lơ lửng

600

350

120

Chất rắn lắng

12

8

4

BODs

300

200

100

DO

0

0

0

Tổng N

85

50

25

Nitơ hữu cơ

35

20

10

N itơ amoniac

50

30

15

N 02

0.1

0.05

0

no3

0.4

0.2

0.1

Clorua

175

100

15

Độ kiềm

200

100

50

Chất béo

40

20

0

T-P

-

8

-

(Nguồn: Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 2002)

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phàn ô nhiễm chính đặc

Bùi Thị Nga

6

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ, photpho,

ss, TOC chất tẩy

rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng nitơ và photpho rất lớn, (từ 50 đến
55%), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển. Nếu
không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng.
Đồng thời trong nước thải còn có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ,cần
thiết cho các quá trình chuyển hoá chất bẩn ừong nước. Và vấn đề đặt ra là
yêu càu chấtlượng nước thải sau xử lý phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn sau:

Bảng 2. Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT
Giói hạn cho phép
STT

Thông số ô nhiễm

(QCVN 14:2008)

Đơn vi•

Mức A

Mức B

1

pH

mg/L

5-9

5-9

2

BOD

mg/L

30

50

3

Chất rắn lơ lửng

mg/L

50

100

4

Tổng chất rắnhòatan

mg/L

500

1000

5

Suníua (H2S)

mg/L

1

4

6

Amoni (tính theo nitơ)

mg/L

5

10

1.2. Tổng quan về sự ô nhiễm nitơ trong nước thải sinh hoạt
1.2.1. Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự nhiên
Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng họp chất hóa học, tham gia và
chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa
các dạng họp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ. Trong môi trường hiếu khí, thực

Bùi Thị Nga

7

K38C CNHóa học
-


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

vật chết và protein động vật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và
amoniac bị oxy hóa thành nitrit, nitrat. Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và

từ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tế bào thực vật, vi sinh vật nằm
dưới dạng họp chất hữu cơ. Chất hữu cơ chứa nitơ trong thực vật, vi sinh vật
được động vật tiêu thụ để sản xuất protein. Đó là chu trình nitơ tổng thể. Mặc
dù nhóm vi sinh vật cố định đạm từ khí nhỏ nhưng chúng có vài trò khá quan
trọng, nổi bật trong trường họp thiếu đạm.
Trong môi trường nước, sự chuyển hóa của họp chất nitơ có những nét
đặc trưng riêng.
Họp chất nitơ ít có sẵn ữong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các
hoạt động của con người dưới dạng họp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin,
protein, urin...) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo
thành amoniac.
Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo
một trong ba phương thức:
- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để
tạo ra sinh khối.
- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó
trong không khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại). Mức độ bay
hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường. Amoniac là một bazơ yếu có
cường độ bazơ là 9.25. Tại pH = 9.25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung
hòa (NH3)

có

khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+)

không bay hơi. Tại pH = 7.2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là
100/1, ngược lại tại pH = 11.25 thì tỉ lệ trên là 1/100. pH cao là điều kiện càn để
amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi. Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy
amoniac bốc hơi (giải hấp thụ).
- Sự có mặt của amoniac trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ

Bùi Thị Nga

8

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

(Nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxy càn thiết để oxy hóa
amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành niừat (vi
khuẩn Niừobacter). Để oxy hóa 1 g amoniac cần 4.5 g oxy. Quá trình oxy hóa
amoniac phụ thuộc trực tiếp vào mật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng
độ oxy tan ừong nước. Trong các dòng chảy (sông,suối, mương...) có lớp
nước nông quá trình oxy hóa diễn ra mạnh hơn so với các nguồn nước sâu.
Mức độ sinh trưởng và phát triển của chủng loại vi sinh Nitrifier (oxy
hóa amoniac) thấp nên mật độ phân tán của chúng trong nước cũng thấp, hiệu
quả oxy hóa amoniac không cao. Vi sinh Nitrifier thường tập họp lại thảnh
màng bám vào đất đá ven bờ và cũng chính ở các địa điểm đó hàm lượng oxy
cục bộ cũng cao hơn giá trị trung bình của nguồn nước. Vì lý do đó nên tốc độ
oxy hóa amoniac phụ thuộc vào tỉ lệ giữa diện tích tiếp xúc và thể tích của
dòng chảy, các nguồn chảy nông tạo điều kiện tốt hơn cho quá trình so với
dòng chảy sâu. Mặt khác lớp nước ừên bề mặt cũng có nhiệt độ thường cao
hơn so với dưới lóp nước sâu.
Trong các nguồn nước lặng (ao, hồ, đập...) sự biến động của họp chất
nitơ, photpho luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng.
Amoniac và niừat được tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein, khi chết bị

phân hủy thành amoniac từ nguồn thực vật và vi sinh vật.
Vi sinh vật sử dụng amoniac để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết
(phân hủy nội sinh) tiết ra amoniac và một phần tạo ra lượng sinh khối thực.
Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản
xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển. Quá
trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa. Loại vi sinh tùy
nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) và tạo
thảnh khí nitơ. Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương
pháp sinh học.

Bùi Thị Nga

9

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Bùi Thị Nga

Khóa luận tốt nghiệp

10

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Hợp chất Nitơ
( Protein, urê)
Phân hủy vi sinh thủy phân

Hìnhl. Chu trình Nỉtơ
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trườngnước
Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ ừong môi
trường nước, nhưng nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nitơ trong nước theo
đánh giá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như nước thải sinh hoạt,
nước thải công nghiệp có chứa các họp chất nitơ, phân bón sử dụng ừong sản
xuất nông nghiệp. Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu
gom xử lý đã tác động xấu tới nguồn nước. Ở Việt Nam, một nguồn chính
khác góp phần gây ô nhiễm nitơ trong nước là các hoạt động sản xuất nông
nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, hằng năm phải
bón 5 - 7 triệu tấn phân hóa học. Như vậy, phân bón hóa học (urê, lân, kali) sẽ
còn một lượng dư thừa lớn, có tới hàng nghìn tấn các chất nitơ, photpho, kali
trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mưong rạch ảnh hưởng đến
nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tàng nước ngầm.

Bùi Thị Nga

11

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Không chỉ vậy, một số ngành công nghiệp có nước thải chứa nitơ cũng là
nguồn gây nên tình trạng ô nhiễm nitơ trong môi trường nước. Với mức độ
tăng trưởng kinh tế như hiện nay, chắc chắn Việt Nam sẽ gặp khó khan đáng
kể với vấn đề ô nhiễm môi trường nước nếu không có các biện pháp xử lý ô
nhiễm phù họp và kịp thời.

1.2.3. Ảnh hưởng của nitơ đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng
Amoni hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người,
nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý... amoni được chuyển hoá thành
nitrit (N 0 2) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người.
Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả
năng gây ung thư cho con người. Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng
họp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau
tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước. Nitrat là muối nitơ vô cơ trong
môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện
đặc biệt, còn amoniac (NH3) và ion NH4+ tồn tại trong điều kiện kỵ khí.
Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng amoni hydroxit (NH4OH) và
sẽ phân ly thành ion NH4+và OH \ Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng
nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng
ion amoni. Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phú dưỡng mà khi chỉ
tiêu N 0 3trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45mg/L sẽ gây ra mối đe doạ
nghiêm họng đối với sức khỏe con người. Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng
định khi hàm lượng N 0 3 trên 45 mg/L sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên
nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu
đường.
Trong đường một trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá
niừat thành nitrit. Nitrit có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy, khi
nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, họp chất này không thể nhận oxy

Bùi Thị Nga

12

K38C CNHóa học
-


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

và gây ra bệnh xanh xao ở ừẻ nhỏ (methermoglobinemia), thậm chí có thể gây tử
vong. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ bị mắc
căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp - đây
là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin trở lại thành
hemoglobin.
Ngoài Mỹ, một số nước Đông Ầu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh
hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ tại Transylvania ở Rumani trong thời
gian từ 1990 - 1994 trung bình cứ 100000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363 ca
nhiễm độc. Độ nguy hiểm của N 0 3- đã khiến người Mỹ quy định trong Đạo luật
về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA - Safe Drinking Water Act)
hàm lượngN03- tối đa là 10 mg/L.
Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo
hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm đảm
bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng. Khi có
mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm
monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính sát
khuẩn kém hàng trăm làn so với clo nguyên tố. Bên cạnh đó amoni là nguồn dinh

dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển. Sự phát triển này làm
ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc
nitrit và nitrat.
1.3. Các phương pháp x ử ỉý nitơ trong nước thải

1.3.1. Phương pháp Clo hóa tại điểm đột biến
Phư-ing ph,p
0 ng ho,

clo ho,

t 1i ®iÓm gÉy dùa tran p M n

hãc cna amoni víi clo, phĩn 0 ng oxy ho, hãa

hăc xĩy ra theo nhiòu bẼc, phô thuéc vụo t0 lổ gi-ỉ-a
clo vụ amoni.

Bùi Thị Nga

13

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
NH3 + H0C1 —» NH2C I

Khóa luận tôt nghiệp

(m o n o c lo a m in )

+ H2O

( 1)

NH 2C1 + HOC1

NHCI 2 (dicloamin)

+ H20

(2 )

ẽ t0

lõ

C1

: NH 3 <

4

tÝnh

theo

khèi

phÈm hxnh thpnh chn yõu lp monocloamin,
sĩn phÈm chn yõu lp di vp tricloamin
lồ C1

: NH 3 ® 1t tíi gi,

NHCI 2 + HOC1

lượng,

sĩn

tran ®ã thx

(NCI3 ) . Khi t0

tri> 7.6 thx xĩy ra phĩn 0 ng

N 2 + 3 HC1 + H20
(3)

Trong thực tiễn phản ứng này rất ít được sử dụng để loại bỏ amoni trong
nước, kể cả nước sinh hoạt vì liều lượng clo cần rất lớn (thực tiễn để khử 1 g
NH3 cần tới 10 g clo), với liều lượng clo lớn sẽ xảy ra rất nhiều các phản ứng
phụ, tạo thành nhiều họp chất hóa học dạng cơ- clo rất độc cho môi trường.

1.3.2. Phương pháp vật lý
Phương pháp vật lý để loại bỏ amoni ra khỏi môi trường nước được thực
hiện theo nguyên tắc sau:
Trong nước amoni (NH4+) là chất không có khả năng bay hơi, ammoniac

(NH3) dạng trung hòa có khả năng bay hơi. Giữa chúng tồn tại một cân
bằng:
NH4+ 4— ►

NH 3 + H+

(4)

vii pKB= 9.25
Tại pH = 9.25 lượng NH3 và NH4+ bằng nhau, tại pH = 1 1 .5 lượng NH3
chiếm gần 100%, ngược lại pH = 7.5 thì NH4+ chiếm gần 100%. Muốn đuổi

Bùi Thị Nga

14

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

NH3 ra khỏi nước càn phải đưa pH lên trên 11 và sục khí với lượng 1600 m 3 1800 m3/m 3nước [11].Lượng dư trong nước sau sục khí là 1 - 3 mg/L.

1.3.3. Phương pháp trao đổi ion

về nguyên tắc, amoni có thể trao đổi trên tất cả các loại vật liệu trao đổi
ion. Tuy nhiên, độ chọn lọc ừao đổi của amoni thấp hom nhiều so với các

cation thường có ừong nước và nước thải (Ca2+, Mg2+, ion hữu cơ) trên các
vật liệu ừao đổi ion thông dụng (các loại nhựa). Một trong số rất ít các vật
liệu có độ chọn lọc cao đối với amoni là clinoptilolit - một loại zeolite tự
nhiên.Dung lượng trao đổi của clinoptilolit nằm trong khoảng 14- 32 g NH4/
kg. Tuy vậy dung lượng hoạt động của nó ít khi vượt quá 50% của dung dịch
tổng, thường chỉ đạt 1-7 g/kgdo khi gần bão hòa amoni bị chiết ra ngoài dung
dịch. Tái sinh clinoptilolit đã bão hòa amoni cũng gặp nhiều trở ngại trong
thực tiễn sử dụng.

1.3.4. Phương pháp sinh học
Cơ sở lỉ thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải
Phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt được thực hiện qua hai
quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat hóa trong đó quá trình nitrat hóa
chuyển hóa amoni thành nitrat, còn quá trình khử nitrat chuyển nitrat thành nitơ
tự do N2.

1.3.4.1. Quá trình nỉtrat hóa
•

Vi sinh vật và điều kiện của quá trình nỉtrat hóa

Vi sinh vật của quá trình nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:

Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vì chúng
nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng họp tế bào phần lớn từ quá
trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3 là chính) và nitơ vô cơ.
Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (vi khuẩn hiếu khí).

Bùi Thị Nga

15

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

Cả hai nhóm vi sinh vật mày đều có những yêu càu khá đặc trưng đối với
các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc
độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng.

Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa N£Lị+thành NO2', sau đó Nitrobacter làm
chức năng chuyển hóa NO2' thành NO3'.

Cơ chế của quá trình nỉtrat hóa

•

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật
đươc viết như sau:

Nitrosomona

NH4+ + 3/ 20 2

N 02 +

----------------------- ►

7 2Ơ2

N itro b a (Ẻ

NO2' + 2H+ + H 2O

NO 3

(5)

(6 )

Phương trình tổng:

vsv
NH4+ + 2 0 2 — ►1VV3 + 2H+ + H20

(7)

Như vậy, 1 mol N-NĨỈ4+ tiêu thụ 2 mol O2 hay 1 gam N-NIỈ4+ tiêu thụ
4.57 gam O2, 1 mol N-NĨỈ4+ tạo thành 1 mol N-NO3", 1 mol N-NĨỈ4+ tạo thành
2 mol H+. Lượng H+ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3', như vậy lgam NNEỈ4+ tiêu thụ 7.14 gam độ kiềm (quy về CaCƠ3).
Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và
Jenkin:

1.02NHS + 1.890 2 + 2 .02 HCO3+I.92 H2CO3+ I.O6H 2O

0 .0 2 IC 5H 7O2N + LOONO3-

(8)

Như vậy, 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 4.3 gam O2 , 1 gam N-NH4+ tiêu thụ 7.2
gam độ kiềm (quy về CaCƠ3).

Từ phương trình (8) ở trên, ta có thể thấy điều kiện cơ bản cho quá trình

Bùi Thị Nga

16

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

niừat hóa là phải đảm bảo độ kiềm cho vi sinh vật thực hiện quá trình oxy
hóa.

Các yầ i tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

•

- Anh hưởng của pH tới quá trình nitrat hóa: Trên thực tế, pH có ảnh
hưởng lớn đến quá trình niừat hóa. Nghiên cứu của Grady và Lim cho thấy vi
khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với pH, đối với Niừosomonas có dải pH tối
thích hợp từ 7.0 đến 8.0 và đối với Nitrobacter là từ 7.5 đến 8.0. Bên cạnh đó,
nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể

thích hợp mức pH > 9. Tuy nhiên, khoảng pH thích họp nhất cho quá trình
nitrat hóa là pH = 7.0 - 8.5, tối ưu là xung quang giá trị pH= 8.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ
của quá trình niừat hóa. Tốc độ tăng trưởng của vi sinh tăng khi nhiệt độ đến
giá trị giới hạn khoảng

35°c, nhiệt độ quá cao làm giảm hoạt tính của vi sinh,

gây ức chế hoạt động hay chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ có thể ứng dụng
được là 5 -

35°c, khoảng tối ưu là 30 - 35°c.

- Anh hưởng của nồng độ NEỈ4+ tới quá trình nitrat hóa: Turk.o., và
Mavinic, D.s. (1986) chỉ ra rằng quá trình oxy hóa nitrit bị ức chế khi nồng
độ NH3 đạt 0.1 - lm g/L và nồng độ NH3 từ 5 -20mg/L, quá trình oxi hóa
NH4+ cũng bị ức chế. Sự có mặt của NO2' và pH thấp sinh ra HNO2 không
phân li, đây là tác nhân gây ức chế quá trình oxy hóa nitrit.
- Ảnh hưởng của các chất độc tới vi khuẩn niừat hóa: So với các vi
khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn tự dưỡng nitrat hóa nhạy cảm với nhiều kim loại
nặng và hóa chất. Một số chất có thể gây độc cho vi khuẩn Niừosomonas như:
anilin, athylenediamin, hexamethylenediamin và monoethanolamin. Beckman
cùng nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng với lượng đồng (Cu) và crom (Cr) nhỏ
hơn hoặc bằng 10mg/L sẽ không gây ảnh hưởng cho quá trình nitrat hóa. Đối
với kẽm (Zn) và niken (Ni) nồng độ nhỏ hơn 0.5mg/L làm giảm quá trình
nitrat hóa.

Bùi Thị Nga

17

K38C - CN Hóa học


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tôt nghiệp

1.3.4.2. Quá trình khử nitrat hóa
•

Vi sinh vật và điều kiện của quá trình khử nitrat hóa
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình khử nitrat sử dụng oxy từ nitrat

nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng nghĩa
là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình khử nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

NO3 -> N ữ 2 —>NO (k) -> N20 (k) -> N 2 (k)
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là
chất hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và

s. Khi có mặt đồng

thời NO3' và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa, đồng thời NO3'
nhận điện và bị khử về N2.
Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình khử
nitrat. Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacỉllỉus denitrificans, Mỉcrocous

denitrificans, Pseudomonas stützen và Achrommobacter, Paracocus, Spirìlum

và Thiobacilus... Phần lớn các vi khuẩn này là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng
cacbon hữu cơ mà chúng sẽ oxy hóa để tổng họp tế bào mới.
Chỉ có Thiobacilus Denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ

s nguyên

tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ C 0 2 và HCO3") để tổng họp
tế bào mới.
•

Cơ chế quá trình khử nitrat
Minh họa quá trình khử nitrat hóa ừên màng tế bào chất của vi khuẩn ở

hình 2.

Bùi Thị Nga

18

K38C - CN Hóa học