Nghiên cứu thu hồi amoni và photphat trong nước tiểu dưới dạng cấu trúc struvite

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU THU HỒI AMONI
VÀ PHOTPHAT TRONG NƯỚC TIỂU
DƯỚI DẠNG CẤU TRÚC STRUVITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU THU HỒI AMONI
VÀ PHOTPHAT TRONG NƯỚC TIỂU
DƯỚI DẠNG CẤU TRÚC STRUVITE
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lưu Thị Nguyệt Minh

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa học, trường
Đại học Khoa học Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến
thức quý báu, bổ ích trong suốt khóa học vừa qua. Đó là những kiến thức vô cùng
quan trọng giúp tôi có cơ sở vững vàng trong suốt quá trình nghiên cứu cũng như
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này.
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn cô TS. Lưu Thị Nguyệt Minh phó phòng Hóa Phân Tích - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ
Việt Nam -Người đã giao đề tài luận văn và tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho
tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thị Vân đã giúp đỡ chỉ bảo thân tình
và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và làm thực nghiệm.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể nhân viên, cán bộ phòng Hóa Phân Tích
- Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam đã luôn tạo điều
kiện, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi làm thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn đến những người thân yêu trong gia đình luôn
động viên, ủng hộ trong suôt quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp này.
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thùy Dương

a
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... a
MỤC LỤC ............................................................................................................ b
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... e
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. f
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. g
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 4
1.1. Ô nhiễm môi trường nước từ nguồn nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho ....... 4
1.1.1. Hiện trạng .................................................................................................... 4
1.1.2. Nguồn gốc ................................................................................................... 5
1.1.3. Tác hại của việc ô nhiễm nguồn nước....................................................... 11
1.2. Tổng quan về nước tiểu ................................................................................ 12
1.2.1. Khái niệm, thành phần nước tiểu .............................................................. 12
1.2.2. Sự thủy phân ure trong nước tiểu .............................................................. 12
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất của nước tiểu thải ............. 13
1.3. Các phương pháp xử lý N và P trong nước tiểu ........................................... 14
1.3.1. Xử lý hợp chất nitơ.................................................................................... 14
1.3.2. Xử lý hợp chất photpho ............................................................................. 20
1.3.3. Xử lý đồng thời nitơ và photpho ............................................................... 22
1.4. Kết tủa Struvite............................................................................................. 25
1.4.1. Khái niệm .................................................................................................. 25
1.4.2. Tính chất hóa lý của struvite ..................................................................... 25
1.4.3. Quá trình hình thành kết tủa struvite ......................................................... 25
1.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành kết tủa struvite .............. 27
1.4.5. Hạn chế sự hình thành struvite .................................................................. 29
1.4.6. Các công trình nghiên cứu tổng hợp MAP từ nguồn nước thải ................ 29

b
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1.4.7. Giá trị làm phân bón của Struvite ............................................................. 30
Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................ 32
2.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................... 32
2.1.1. Địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 32
2.1.2. Thời gian nghiên cứu ................................................................................ 33
2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 34
2.2.1. Cơ sở khoa học .......................................................................................... 34
2.2.2. Phương pháp kế thừa và sử dụng tài liệu .................................................. 34
2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu phòng thí nghiệm ...................... 34
2.2.4. Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm .................................... 37
2.2.5. Thiết bị ...................................................................................................... 37
2.2.6. Dụng cụ ..................................................................................................... 39
2.2.7. Hóa chất..................................................................................................... 39
2.3. Thực nghiệm................................................................................................. 40
2.3.1. Theo dõi pH của các mẫu nước tiểu bò và nước tiểu người theo ngày .... 41
2.3.2. Nghiên cứu phương pháp xác định hàm lượng amoni .............................. 41
2.3.3. Nghiên cứu phương pháp xác định hàm lượng photphat .......................... 43
2.3.4. Xác định hàm lượng amoni và photphat ban đầu của nước tiểu ............... 47
2.3.5. Xác định các điều kiện tối ưu để tạo kết tủa Struvite - MAP ................... 48
2.3.6. Phân tích thành phần và cấu trúc của kết tủa thu được ............................. 49
Chương 3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN ............................................................... 51
3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng amoni .................................... 51
3.1.1. Xây dựng đường chuẩn ............................................................................. 51
3.1.2. Kiểm tra độ chính xác của đường chuẩn ................................................... 52

3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng photphat ................................ 52
3.2.1. Xây dựng đường chuẩn ............................................................................. 53
3.2.2. Kiểm tra độ chính xác của đường chuẩn ................................................... 55
3.3. Theo dõi pH của các mẫu nước tiểu bò và nước tiểu người theo ngày ....... 55
c
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3.4. Thành phần và tính chất của nước tiểu ........................................................ 57
3.5. Xác định các điều kiện tối ưu để tạo kết tủa Struvite .................................. 59
3.5.1.Khảo sát sự ảnh hưởng của pH .................................................................. 59
3.5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P .............................................. 63
3.5.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng ........................................ 64
3.6. Phân tích thành phần kết tủa thu được ......................................................... 66
3.7. Phân tích cấu trúc của kết tủa thu được ....................................................... 67
3.7.1. Kết quả chụp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 68
3.7.2. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................... 69
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 73
PHỤ LỤC

d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ABS

: Đơn vị đo quang

BOD

: Biochemical oxygen Demand- Nhu cầu oxy sinh hoá

COD

: Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học

Cond (spC): Statistical Process Control- Quy trình kiểm soát thống kê
DO

: Oxy hoà tan

Eh

: Thế oxy hóa khử

HAP

: Hydroapatit

HC

: Cacbon hữu cơ

MAP

: Magnesium Ammonium Phosphate hexahydrated

ORP

: Oxygen Reducton Potential- khả năng khử các chất oxy
hóa của một chất

Sal

: Salinity - Độ mặn

SEM

: Scanning Electron Microscope- Kính hiển vi điện tử quét

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS

: Total Dissolved Solids - Độ đục; Tổng chất rắn hoà tan.

TKN-N

: Tổng nitơ Kjeldahl

TOC

: Total Organci Carbon - Tổng cacbon hữu cơ

Tur

: Turbidity & suspendid solids- Tổng rắn lơ lửng.

XRD

: X-RayDiffraction - Nhiễu xạ tia X

e
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khô trên đầu
người trong ngày tại điểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R). ................. 7
Bảng 1.2. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt [10] ................................ 8
Bảng 1.3. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp [14, 15,16] .............. 9
Bảng 1.4. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi .................. 11
Bảng 1.5. Một số thành phần dinh dưỡng trong nước tiểu ............................... 12
Bảng 1.6. Tích số tan của một số hợp chất photphat ........................................ 21
Bảng 1.7. Các tính chất hóa lý của struvite ....................................................... 25
Bảng 1.8. Tích số tan của struvite ..................................................................... 26
Bảng 2.1. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định NH4+ bằng
hỗn hợp thuốc thuốc thử oxi hóa và phenat ...................................... 43
Bảng 2.2. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định photphat 46

Bảng 3.1. Dãy dung dịch chuẩn và độ hấp phụ tương ứng trong đường chuẩn xác
định NH4+ bằng hỗn hợp thuốc thuốc thử oxi hóa và phenat ........... 51
Bảng 3.3. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định photphat 53
Bảng 3.4. Tương quan giữa mật độ quang và nồng độ Photphat (PO43-).......... 54
Bảng 3.6. Kết quả đo pH các mẫu nước tiểu trong 7 ngày ............................... 56
Bảng 3.7. Kết quả đo PO43- và NH4+ trong các mẫu nước tiểu bò .................... 58
Bảng 3.8. Thành phần hóa học của mẫu nước tiểu người ................................. 58
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni trong nước
tiểu sử dụng 2 tỷ lệ Mg/P là 1,5:1 và 1,8:1. ...................................... 60
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni
trong nước tiểu .................................................................................. 63
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi photphat
trong MAP......................................................................................... 65
f
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Bảng 3.12. Đặc trưng của sản phẩm kết tủa thu được ........................................ 66
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Trại Bò sữa và đồng cỏ mẫu Ba Vì ..................................................... 32
Hình 2.2. Trại bò sữa nhỏ lẻ ................................................................................ 33
Hình 2.3. Xô nhựa dùng để lấy mẫu ................................................................... 35
Hình 2.4. Loại chai dùng để chứa mẫu ............................................................... 35
Hình 2.5. Hệ thống máy đo quang: UV-VIS CinTra 40 ..................................... 37
Hình 2.6. Máy đo pH........................................................................................... 38
Hình 2.7. Máy li tâm ........................................................................................... 38
Hình 2.8. Cân điện tử .......................................................................................... 39
Hình 3.1. Dãy dung dịch chuẩn amoni (NH4+) ................................................... 51

Hình 3.2. Đường chuẩn xác định hàm lượng NH4+ ............................................ 52
-

Hình 3.3. Dãy dung dịch chuẩn photphat (PO43 ) ............................................... 54
Hình 3.4. Đường chuẩn xác định hàm lượng PO43- ............................................ 55
Hình 3.5. Sự biến đổi pH của mẫu nước tiểu bò T1M1 ....................................... 57
Hình 3.6. Sự biến đổi pH của mẫu nước tiểu người ........................................... 57
Hình 3.7. Hiệu suất loại bỏ amoni và photphat tại tỉ lệ Mg/P= 1,5:1 ................. 61
Hình 3.8. Hiệu suất loại bỏ amoni và photphat tại tỉ lệ Mg/P= 1,8:1 ................. 61
Hình 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni
trong nước tiểu .................................................................................. 64
Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất loại bỏ PO43- ....... 65
Hình 3.11. Struvite mẫu 1 ................................................................................... 67
Hình 3.12. Struvite mẫu 1,2 ................................................................................ 67
Hình 3.13. Sản phẩm Struvite thu được .............................................................. 68
Hình 3.14. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu MAP 3 ............................. 69
Hình 3.15. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 2 ........................................................... 70
g
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Hình 3.16. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 3 ........................................................... 70

h
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

MỞ ĐẦU
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 rấ t nhiề u ngành nghề sản xuấ t công
nghiệp, nông nghiệp. Trong nước thải, nitơ và photpho tồn tại ở nhiều dạng hợp
chất khác nhau (hợp chất hữu cơ, vô cơ)…và các hơ ̣p chấ t này được thủy phân
về dạng amoni (NH4+), photphat (PO43-) là dạng rất thích hợp cho sự phát triển
của vi sinh vật, tảo, thực vật thủy sinh… Trong phạm trù nước thải, chúng được
gọi là thành phầ n dinh dưỡng và được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp dưới
dạng phân bón và thức ăn chăn nuôi.
Trong thời gian gần đây, nhu cầu về phân bón cho các hoạt động nông
nghiệp đang tăng mạnh. Sản xuất phân bón công nghiệp có chứa nitơ và photpho
tăng 600% từ năm 1950 đến năm 2000 [1], đạt tỷ lệ 100 triệu tấn nitơ mỗi năm
[2]. Nông nghiệp hiện đại phụ thuộc nhiều vào photpho, trong đó có nguồn gốc
từ đá photphat, một nguồn tài nguyên không tái tạo có trữ lượng toàn cầu có
thể bị cạn kiệt trong 50-160 năm tới [3-6]. Chính vì vậy cần thiết phải tìm kiếm
các nguồn có khả năng tái sử dụng các thành phần dinh dưỡng N và P, có thể
sử dụng lâu dài và không gây ảnh hưởng đến môi trường. Các nguồn thải như
nước bể phốt, nước tiểu, nước cống thải, nước thải chăn nuôi và nước thải công
nghiệp là những nguồn có hàm lượng lớn N và P có thể được sử dụng để thu
hồi các thành phần dinh dưỡng trên.
Nước tiểu là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất vô cơ và hữu cơ
trong đó có kim loại, muối, amino axit, urea và các thành phần dạng vết khác.
Nước tiểu thường được quảng bá như một loại phân bón lỏng, nhưng có nhiều
hạn chế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng dụng trực tiếp của nước tiểu vào
trong đất trồng trọt làm giảm khả năng phục hồi nitơ trong đất. Khi nước tiểu
được thải vào bồn cầu không một chút đắn đo đã làm mất đi một lượng lớn các
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

chất dinh dưỡng quý giá cho cây xanh, các chất hoá học này sẽ bị hoà tan cùng
một lượng lớn nước khiến cho quá trình lọc chúng tại các nhà máy xử lí nước
thải trở nên không hiệu quả một cách không cần thiết và việc xả trực tiếp vào
môi trường còn gây hại cho hệ sinh thái.
Thu hồi, tái sử dụng chất dinh dưỡng từ các nguồn chất thải rắn, nước
thải là một nguồn lợi tiềm năng, một phần sẽ bù đắp chi phí cho quá trình xử
lý, vừa đáp ứng được mục tiêu bảo vệ nguồn nước, tiết kiệm năng lượng, tiết
kiệm nguồn tài nguyên, phù hợp với phương pháp luận “công nghệ xanh”
(green engineering). Để thu hồi nguồn dinh dưỡng đó thì Struvite là một lựa
chọn. Struvite đang bắt đầu được quan tâm trong nước thải, bởi kết tủa Struvite
gây ra tắc các đường ống khi xử lý nước thải. Trong một thời gian dài, struvite
được biết đến là dạng phân bón có hiệu quả cao đối với cây trồng.
Struvite (MAP- Magnesium Ammonium Phosphate hexahydrated) là
một chất khoáng màu trắng, có hình kim tự tháp; gồm có magie, amoni và
photphat trong phân tử với tỉ lệ 1: 1: 1 có công thức hóa học MgNH4PO4.6H2O.
Struvite đã được mô tả lần đầu tiên từ hệ thống cống thoát nước từ thời trung
cổ ở Hamburg Đức năm 1845 và được đặt tên từ tên của nhà địa lý và địa chất
học, Heinrich Christian Gottfried von Struve (1772-1851). Kết tủa struvite là
một nguồn tốt của phosphate, có thể được sử dụng làm phân bón nhả chậm và
nó có thể được thu hồi từ nước tiểu người hay chất thải chăn nuôi như nước
tiểu bò. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nó có thể tương đương hoặc cao hơn
photphat thương mại khác trong nông nghiệp. Những tiến bộ công nghệ gần
đây ở Canada và Nhật Bản về thu hồi N và P trong nước thải dưới dạng kết tủa
struvite đã mở ra tương lai cho ngành công nghiệp tái sử dụng photpho và nitơ
[7, 8]. Struvite có thể trở thành một nguồn năng lượng tái tạo cho một sự phát
triển nông nghiệp bền vững.
Chính vì các lí do trên mà tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thu hồi Amoni

và Photphat trong nước tiểu dưới dạng cấu trúc struvite”.
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Mục tiêu của đề tài nhằm giải quyết các vấn đề:
- Nghiên cứu sự hình thành cấu trúc Struvite - MAP.
- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến quá trình tạo Struvite
- MAP.
- Sử dụng phương pháp tạo kết tủa Struvite để tách loại được amoni và
photphat trong nước tiểu (từ nguồn thải sinh hoạt và nguồn thải chăn nuôi bò
sữa Ba Vì).
- Đánh

giá hiệu suất thu hồi Struvite - MAP.

Với đề tài trên tôi tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:
- Nghiên cứu xác định hàm lượng NH4+, PO43- trong nước tiểu trước và
sau khi tạo kết tủa.
- Khảo sát điều kiện tối ưu để tạo kết tủa MAP: pH, tỉ lệ mol, hàm lượng
MgCl2, thời gian phản ứng…
- Đánh giá hiệu suất thu hồi amoni và photphat trong nước tiểu dưới
dạng kết tủa MAP.
- Xác định các đặc trưng vật lý của kết tủa Struvite - MAP
- Nhận xét, đánh giá các kết quả thu được.
- Rút ra kết luận.

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Chương 1.
TỔNG QUAN
1.1. Ô nhiễm môi trường nước từ nguồn nước thải giàu hợp chất nitơ và
photpho
1.1.1. Hiện trạng
Nước là nguồn tài nguyên quý báu và hết sức thiết yếu đối với sự sống
trên trái đất. Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố
gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng
tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối
với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu
công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất
thải rắn.
Tại các thành phố lớn, lượng nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ
sở sản xuất công nghiệp xả thẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô
nhiễm môi trường nguồn nước. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn
nước cũng không ngừng gia tăng. Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống
ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con
người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho
tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao.
Nhiều khu vực đang bị ô nhiễm môi trường rất nặng nề do các loại chất thải từ
chăn nuôi dù cho đã thực hiện nhiều biện pháp giảm ô nhiễm môi trường như
vệ sinh môi trường, thông tắc cống, làm hầm biogas…Vì vậy việc quản lý chất
thải trong chăn nuôi đã được thắt chặt hơn, vấn đề bảo vệ môi trường được
quan tâm hơn trước.
Thế nhưng sau khi những mô hình chăn nuôi bò sữa cho hiệu quả cao,

tạo nên một cú hích cho đời sống của người dân thì mọi người lại bắt đầu chạy
theo lợi nhuận mà quên đi những sức ép từ những đàn bò này mang đến cho
môi trường.
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Không thể không nói việc phát triển những đàn bò sữa là một việc làm
rất đúng đắn, có thể cải thiện đời sống cho người dân nhưng chúng ta cũng
không thể phủ nhận việc chăn nuôi ồ ạt chính là nguyên nhân dẫn đến tình trạng
ô nhiễm tại nhiều khu vực hiện nay. Có những khu vực, do người dân chăn nuôi
bò sữa theo mô hình chăn thả nên môi trường đã bị ô nhiễm nặng nề bởi chất
thải từ những đàn bò sữa này. Nhiều nơi, đất và nước đều bốc mùi hôi thối như
mùi nước hút bể phốt dù trời nắng hay mưa. Không chỉ có mô hình chăn nuôi
chăn thả mới gây ô nhiễm mà mô hình chăn nuôi khác cũng gây ô nhiễm môi
trường khi mà người dân không xử lý kịp thời các chất thải từ bò sữa hoặc làm
cho lượng chất thải tồn đọng quá nhiều.
Theo các chuyên gia môi trường cho biết, tại Việt Nam hiện nay hầu hết
các hộ gia đình chăn nuôi đều sử dụng hầm Biogas để xử lý chất thải chăn nuôi,
nhưng do lượng chất thải từ bò sữa quá nhiều nên hầm Biogas đã không còn là
biện pháp khả thi nữa.
1.1.2. Nguồn gốc
Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật
sống và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hoá. Đồng
thời nó cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm
công nghiệp và tự nhiên.
Nguồn phát thải hợp chất nitơ vào môi trường rất phong phú: từ các chất
thải rắn, khí thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là từ nguồn phân và chất bài

tiết trong nước thải sinh hoạt.
Trong nước thải, photpho tồn tại chỉ ở một dạng hoá trị là +5 và do vậy
hợp chất photpho tồn tại trong tự nhiên không nhiều: hợp chất muối và este của
axit photphoric. Axit photphoric (H3PO4) là một axit yếu với ba bậc phân li,
ứng với các hằng số axit pKa là 2,16, 7,16 và 12,4. Khi phân li, gốc photphat
hình thành là thành phần tham gia vào các quá trình sinh hoá của tế bào động,
thực vật. Vi sinh vật và nhiều cơ thể sống sử dụng photphat đơn (ortho photphat) này để tạo ra các hợp chất hữu cơ chứa photphat trong các tế bào:
trong axit nucleic, photpho lipit, adenosin triphotphat, hormon. Canxi photphat
là thành phần cơ bản của xương.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Photphat là hợp chất không bay hơi, dễ tạo thành các hợp chất có tính
tan thấp (với Al3+; Fe2+; Ca2+) nên chúng chỉ tồn tại trong môi trường nước và
trong đất, trầm tích. Photpho trong nước thải chủ yếu có từ nguồn gốc: phân
người, nước tiểu, đồ thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất thải từ sản xuất
công nghiệp, chất chống ăn mòn trong các đường ống dẫn nước.
1.1.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt
Trong thức ăn của người và động vật nói chung, thành phần nitơ chỉ được
cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân)
và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi).
Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau,
thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như
thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải
trí...Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong
nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit, axit amin, amin cũng như các
thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 516g nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ

thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân khoảng 8 lần [9]. Các hợp chất chứa nitơ,
đặc biệt là protein, và ure trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành
amoni/amoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí các chất
thải, quá trình phân huỷ này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng carbon
nhưng tác dụng giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một phần nhỏ tham gia
vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải từ các
bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do
lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng
oxy hoá amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ
tổng trong nước thải sinh hoạt [10,11].
Nguồn phát thải photpho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt là
phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp. Lượng photpho có nguồn gốc từ phân
được ước tính là 0,2 - 1,0 kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg. Lượng
photpho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm.
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng photpho trong thành phần chất tẩy rửa, lượng
photpho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm.
Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải sinh hoạt biến động theo
lưu lượng nguồn nước thải. Lượng chất thải vì vậy thường được tính theo đầu
người (khối lượng khô) hoặc nồng độ sau khi đã được pha loãng với mức nước
sử dụng trên đầu người.
Bảng 1.1 ghi đặc điểm nước thải sinh hoạt khá đặc trưng của các thành
phố ở Mỹ [10, 11].
Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khô

trên đầu người trong ngày tại điểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R).
Thông số

m (g/người/ngày)

C(x) (mg/l)

C(R) (mg/l)

BOD

85

450

187

COD

198

1050

436

Cặn không tan

95

503

209

NH3-N

7,8

41,2

17,2

TKN-N

13,3

70,4

29,3

P-Hữu cơ

1,23

6,5

2,7

P-Vô cơ

2,05

10,8

4,5

P-tổng

3,28

17,3

7,2

Mức độ ô nhiễm nitơ và photpho trong nước thải từ bếp nấu ăn và từ các bể
phốt cao hơn so với các giá trị đưa ra trong bảng 1.1 vì hình thái sinh hoạt ở các
vùng, các vị trí có nước thải khác nhau, ví dụ khách sạn không có nhà ăn, trường
học, các công sở, bệnh viện, khu du lịch, nghỉ mát khác nhau nên nước thải từ các
nguồn có độ ô nhiễm cũng khác nhau. Giá trị ô nhiễm đặc trưng vì vậy chỉ có thể
có được bằng cách đánh giá trực tiếp mang tính hệ thống. Nước thải sinh hoạt có
nguồn gốc từ nhiều loại hình hoạt động, chúng thường được thu gom về các cống
dẫn thải. Thành phần ô nhiễm và mức độ ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt
từ cống dẫn thải được ghi trong bảng 1.2.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Bảng 1.2. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt [10]
Thành phần

Chất rắn tan
Cặn không tan
BOD
TOC
COD
Nitơ tổng (N)
NH3-N
P-tổng (P)
P-hữu cơ
P-vô cơ

Nồng độ
Khoảng
Đặc trưng
350 - 1200
700
100 - 350
210
110 - 400
210
80 - 240
160
250 - 1000
500
20 - 85
35
12 - 50
22
4 - 15
7

1-5
2
3- 10
5

Đơn vị
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

1.1.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp
Ô nhiễm do hợp chất nitơ, photpho từ sản xuất công nghiệp liên quan
chủ yếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành
nghề đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da.
Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, photpho
liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thuỷ hải sản, giết mổ
và sản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm.
Chế biến thuỷ sản, giết mổ gia súc gồm các công đoạn sản xuất các sản
phẩm đông lạnh (thô) và đồ hộp, tỉ lệ các sản phẩm trên phụ thuộc vào nhu cầu
của thị trường và trình độ phát triển công nghệ của từng nước. Các công đoạn
sản xuất thường được thực hiện trong nước hoặc được rửa bằng nước với lượng
khá lớn. Nước thải từ khâu giết mổ chứa một lượng lớn máu, mỡ, phân cùng
các mảnh thịt vụn, nước thải từ khâu giết mổ được thu gom cùng với nước vệ

sinh dụng cụ hoặc diện tích làm việc.
Hợp chất chứa nitơ, photpho nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần
rắn vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ
môi trường và loại sản phẩm chế biến.
Chủng loại và kích thước vật giết mổ gây ra độ ô nhiễm rất khác nhau:
giết mổ cá (sản phẩm dạng phi lê) thấp hơn nhiều so với làm tôm đông lạnh,
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




chế biến mực và bạch tuộc thải ra nguồn nước có độ ô nhiễm rất cao [12, 13].
Với cùng chủng loại thì vật mổ có kích thước (trọng lượng) lớn sẽ ít gây ô
nhiễm hơn vật có kích thước nhỏ khi tính theo đầu vật mổ hay khối lượng. Vật
bị giết mổ có kích thước nhỏ (gia cầm) thải ra một lượng nước lớn và độ ô
nhiễm cao hơn so với loại kích thước lớn (bò, lợn) khi tính theo đơn vị khối
lượng [14]. Chế biến sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng thải
ra một lượng nước thải đáng kể chứa hợp chất nitơ [15,16].
Quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra
lượng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thuỷ phân
trong môi trường và tạo ra amoniac [15].
Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải công nghiệp cũng biến
động rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với
các cơ sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm. Vì lý do
đó các số liệu phân tích về ô nhiễm nói chung hay về nitơ, photpho nói riêng
chỉ mang tính chất khái quát, không thể sử dụng trực tiếp làm số liệu cho tính
toán thiết kế hệ thống xử lý.
Bảng 1.3 ghi mức độ ô nhiễm hợp chất nitơ trong một vài nguồn thải
[11, 15].

Bảng 1.3. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp [14, 15,16]
Nguồn
- Giết mổ
- Chế biến thịt
- Chế biến:
+ Cá da trơn
+ Cua
+ Tôm
+ Cá
- Chế biến rau, quả, đồ uống
- Bột, sản phẩm khoai tây
- Rượu vang
- Hóa chất, phân bón
+ NH3-N
+ NO3- N

Nồng độ nitơ tổng (mg/l) (khoảng)
115
76
33 (28 - 50)
94 (58 - 138)
215 (164 - 266)
30
4
21 (5 - 40)
40 (10 - 50)
1270
550

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1.1.2.3. Nguồn nước thải nông nghiệp, chăn nuôi
Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm và lân cho cây
trồng vì các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trường hợp
người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất
nitơ, photpho trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Điều đáng bàn là ở chỗ
lượng phân bón mà cây trồng không hấp thu được do nhiều nguyên nhân: phân
huỷ, rửa trôi (phân đạm ure, phân lân, phân tổng hợp NPK) hoặc do tạo thành
dạng không tan, nhất thời cây trồng không thể hấp thu đối với phân lân. Có số
liệu cho thấy phân ure khi bón cho lúa nước có thể bị mất mát tới 30 - 40% do
bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trường. Trong môi trường
nước, ure rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac và khí cacbonic:
CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3

(1.1)

Lượng nitơ trong phân đạm ure chiếm 46%, mỗi ha lúa nước sử dụng
khoảng 12 kg ure, với lượng phân đạm sử dụng hàng năm ở nước ta khoảng 2
triệu tấn thì lượng nitơ thải vào môi trường cũng khá lớn. Tuy nhiên do diện
phân bố rộng nên hàm lượng amoniac trong nước mặt không cao. Mặt khác khi
tồn tại trong nước amoniac cũng bị các loại thuỷ thực vật khác như rong, rêu,
tảo, cỏ dại hấp thu và một phần chuyển hoá thành dạng hợp chất khác như nitrat
do hoạt động của vi sinh vật.
Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng
nhỏ hơn so với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại.
Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn:

phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ,
photpho được chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nồng độ các tạp chất
trong nước thải chuồng trại cao hơn từ 50 - 150 lần so với mức độ ô nhiễm của
nước thải đô thị, nồng độ hợp chất nitơ nằm trong khoảng 1500 - 15200 mg
N/l, của photpho từ 70 - 1750 mg P/l. [17,18].
Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau [19,20]. Bảng 2.5 ghi
một số thành phần chính trong phân của các loài vật nuôi khác nhau.
Nồng độ hợp chất nitơ, photpho tăng dần theo thời gian lưu giữ nước
thải do lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ rất lớn (BOD: 2300 49.000 mg/l), trong thời gian lưu giữ chúng bị phân huỷ yếm khí tạo ra khí
metan và carbonic trong khi hợp chất nitơ, photpho hầu như không biến
động, trong khi đó các vi sinh bị chết cũng tiếp tục phân huỷ thải ra hợp
chất nitơ, photpho.
Bảng 1.4. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi
(giá trị trung bình) [20]
Độ ẩm (%)

N (%)

P2O5 (%)

K2O (%)

Bò thịt

85

0,5

0,2

0,5

Bò sữa

85

0,7

0,5

0,5

Gia cầm

72

1,2

1,3

0,6

Lợn

82

0,5

0,3

0,4

Dê, cừu

77

1,4

0,5

0,2

Phân loài nuôi

1.1.3. Tác hại của việc ô nhiễm nguồn nước
Các khu vực ao hồ, sông ngòi ở Việt Nam đang bị ô nhiễm trầm trọng.
Tùy theo mức độ ô nhiễm khác nhau, các chất gây ô nhiễm có tác hại khác nhau
đến sự sinh trưởng, phát triển của động thực vật, ảnh hưởng đến sức khỏe con
người. Người dân ở các khu vực bị ô nhiễm nguồn nước không có đủ lượng
nước sạch để sử dụng trong sinh hoạt hằng ngày cũng như cho các hoạt động
tưới tiêu chính vì vậy nó ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện sống, Kim loại nặng
và các chất nguy hiểm khác chậm phân hủy sẽ tích lũy theo thức ăn vào cơ thể
người và động vật gây nên những tác hại cho sức khỏe. Hậu quả chung của tình

trạng ô nhiễm nước là tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mãn tính liên quan đến
ô nhiễm nước như viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư… ngày càng tăng. Người
dân sinh sống quanh khu vực ô nhiễm ngày càng mắc nhiều loại bệnh tình nghi
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




là do dùng nước bẩn trong mọi sinh hoạt. Ngoài ra ô nhiễm nguồn nước còn
gây tổn thất lớn cho các ngành sản xuất kinh doanh, các hộ nuôi trồng thủy
sản…
1.2. Tổng quan về nước tiểu
1.2.1. Khái niệm, thành phần nước tiểu
Nước tiểu là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất vô cơ và hữu cơ, và
nó thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ ăn, giới tính, tuổi, tình trạng
của tuyến nội tiết, tình trạng sức khỏe…, bao gồm: các kim loại, muối, amino
axit, ure và các chất dạng vết khác. Hàm lượng một số thành phần dinh dưỡng
chính trong nước tiểu người được đưa ra trong bảng sau [21]:
Bảng 1.5. Một số thành phần dinh dưỡng trong nước tiểu
Thành phần

Hàm lượng

Hàm lượng

(mg/kg thể trọng/ ngày)

(g/người/ngày)

N

215,00

15,05

P

12,00

0,84

K

34,00

2,38

1,35

0,10

S

16,00

1,12

Ca

5,75

0,40

Mg

Khối lượng trung bình của nitơ (N) và photpho (P) trong nước tiểu khoảng
tương ứng là 15 và 0,8g/người/ngày. Phần lớn N và P trong nước thải xuất phát từ
nước tiểu: 80-90% N và 55-70% P. Do đó, nước tiểu được xem là nguồn nước thải
có tiềm năng lớn trong việc thu hồi các chất dinh dưỡng như N và P.
1.2.2. Sự thủy phân ure trong nước tiểu
Ure là một trong những thành phần chính của nước tiểu. Với xúc tác là
enzym urease, quá trình thủy phân nước tiểu sẽ xảy ra với tốc độ tăng lên 10000
lần. Enzym này xúc tác để phân hủy ure thành amoni và cacbonic theo phương
trình phản ứng đơn giản sau:
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2

(1.2)

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




hay cụ thể hơn là theo chuỗi phản ứng sau:
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + NH2CO2H
NH2CO2H+ H2O → NH3 + H2CO3
H2CO3→ H+ + HCO3-

(1.3)
(1.4)

(1.5)

2NH3 + H2O → 2NH4+ + 2OH-

(1.6)

Theo đó, nồng độ amoni và pH của dung dịch sẽ tăng lên. Đây là điều
kiện thuận lợi cho sự hình thành kết tủa struvite khi bổ sung các nguồn magie
vào nước tiểu.
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất của nước tiểu thải
Nhiệt độ, thời gian bảo quản, sự nhiễm bẩn từ các nguồn nước thải khác,
sự pha loãng là những yếu tố ảnh hướng đáng kể thành phần và tính chất của
nước tiểu.
Nghiên cứu về sự biến đổi tự nhiên của nước tiểu chỉ ra rằng việc tăng
nhiệt độ, pha loãng hoặc sự nhiễm bẩn từ nguồn nước thải khác sẽ làm tăng tốc
độ của quá trình thủy phân nước tiểu và kết quả là pH và nồng độ amoini tăng.
Sự axit hóa với axit sulfuric hoặc axetic axit tác động kìm hãm, thậm chí dừng
quá trình biến đổi trên và hiệu quả tốt hơn nếu axit hóa trước khi quá trình thủy
phân bắt đầu [22].
Một yếu tố ảnh hưởng khác là sự kết tủa ngẫu nhiên của các khoáng chất.
Theo nghiên cứu của Uder [22, 23], canxit, struvite (MAP) và hydroapatit (HAP)
là các dạng có thể hình thành và sự pha loãng ảnh hưởng đến dạng kết tủa hình
thành. Ở tỷ lệ pha loãng thấp (< 18 lần) MAP và HAP sẽ đồng kết tủa và tỷ lệ của
MAP sẽ tăng dần khi tỷ lệ pha loãng giảm và chiếm ưu thế ở tỷ lệ 1-4. Ngược lại,
dạng canxit bắt đầu hình thành ở tỷ lệ 18 và tăng dần theo sự giảm của HAP khi
tỷ lệ pha loãng tăng. Nghiên cứu của Uder cũng chỉ ra rằng quá trình thủy phân
ure của nước tiểu là yếu tố ảnh hưởng đến dạng kết tủa hình thành. Canxit và HAP

bão hòa ở ngay thời điểm đầu, tuy nhiên struvite chỉ đạt trạng thái bão hòa khi có
2,5% ure phân hủy. Khi 20% ure phân hủy, các khoáng trên đạt trạng thái quá bão
hòa và không có sự thay đổi gì sau điểm đó.
Photphat được loại bỏ từ nước tiểu dưới dạng HAP hoặc MAP. Dạng và
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




lượng kết tủa bị ảnh hưởng bởi sự pha loãng. Khoảng 28% photphat bị mất với
nước tiểu không pha loãng và gần như 100% khi tỷ lệ pha loãng là 20 lần. Pha
loãng với nước máy sẽ làm mất photphat nhiều hơn so với nước mưa bởi lượng
lớn canxi có trong nước máy.
Cũng theo nghiên cứu này, 100% canxi sẽ được loại bỏ trong nước tiểu
có pha loãng bằng nước máy ở tỷ lệ pha loãng nhỏ hơn 30, tuy nhiên trong thực
tế thì hiệu xuất chỉ đạt 50-95%. Một kết quả thú vị khác được đưa ra là tỷ lệ
pha loãng giảm sẽ làm tăng hiệu suất thu hồi canxi [23,24].
Các phân tích hoá học của nước tiểu bò chỉ ra rằng nó làm phong phú
các phân tử hữu cơ và khoáng chất có tiềm năng làm phân bón nhưng lại trở
thành một trong những nguồn dinh dưỡng gây hiện tượng phú dưỡng khi sử
dụng vượt quá. Do đó, các chất dinh dưỡng trong nước tiểu cần được thu hồi.
Nước tiểu bò có thể được sử dụng để tạo kết tủa struvite và phân có thể được
sử dụng cho tiêu hóa yếm khí để tạo ra khí sinh học. Phương pháp này áp đặt
lợi ích như phốt pho, nitơ phục hồi do đó giảm hiện tượng phú dưỡng. Nó nhằm
mục đích cung cấp cái nhìn sâu sắc vào kết tủa sỏi struvite như một phương
pháp để loại bỏ một cách bền vững phốt pho từ nước tiểu bò. Sỏi struvite thu
được có thể được sử dụng làm phân bón nhả chậm. Ngoài ra phần nổi còn sót
lại sau khi thực hiện sỏi struvite (có photpho và ammonium ít hơn) có thể được
sử dụng để làm ammo- nium sulphate hoặc trực tiếp có thể được áp dụng trong

các lĩnh vực địa phương với số lượng yêu cầu.
1.3. Các phương pháp xử lý N và P trong nước tiểu
1.3.1. Xử lý hợp chất nitơ
Hợp chất nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng amoniac/amoni do
quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ chứa nitơ xảy ra rất nhanh. Xử lý hợp
chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý hoặc sinh
học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại,
cách ly chúng ra khỏi môi trường nước [25].
1.3.1.1. Phương pháp trao đổi ion
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Trao đổi ion là quá trình trong đó xảy ra sự trao đổi giữa các cation và
anion trong dung dịch (pha lỏng) với các cation hoặc anion của ionit (chất trao
đổi ion) ở pha rắn. Kết quả các cation hoặc anion của dung dịch được giữ lại
trên ionit và được tách loại khỏi dung dịch.
Sự trao đổi ion không làm thay đổi cấu trúc của ionit. Trao đổi ion là một
dạng hấp phụ hóa học có thể biểu diễn bởi phương trình sau:
Men+ + Z-A+ → ZnMen+ + nA+

(1.7)

Trong đó: Men+ (NH4+, Ca2+, Men+ là các ion trong nước thải. A+ (Na+,
H+) là các ion trên vật liệu ionit. Z (RSO3Na, RSO3H, RCOONa, RCOOH,...)
là chất nền của vật liệu ionit.
Trong lĩnh vực xử lý nước thải, dùng nhựa trao đổi cation có thể loại
được amoni trong nước thải. Ion mà amoni có thể trao đổi rất đa dạng cùng với

bản chất của dung dịch được sử dụng để tái sinh cột ionit. Nếu dùng dung dịch
của natri để tái sinh ionit thì quá trình trao đổi ion có thể viết như sau:
NH4+ + NaZ → NH4+Z + Na+

(1.8)

Khi lựa chọn nhựa trao đổi ion NH4+, không những phải xem xét đến độ
bền, tính chịu mài mòn mà còn phải chú ý đến độ chọn lọc để loại bỏ ion amoni
trong sự có mặt của các ion khác và giá thành của nhựa. Theo kinh nghiệm thì
zeolit tự nhiên và tổng hợp là một trong những vật liệu ionit tốt nhất để tách
loại amoni. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần có quá trình tái
sinh chất trao đổi, nhưng sau tái sinh hiệu quả sử dụng của vật liệu trao đổi
giảm đi đáng kể.
1.3.1.2. Phương pháp oxy hóa khử
Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu rất kỹ về biện pháp clo hóa. Clo có
tính chất oxy hóa, có khả năng thu điện tử do tích điện dương. Các hợp chất
clo: Cl2, Ca(OCl)2, NaOCl, clo đioxit, một số loại hợp chất clo hữu cơ như
cloramin B, T đều có tính oxy hóa.
Bên cạnh đó cũng có rất nhiều nghiên cứu đề cập đến việc xử lý amoni
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN