Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

VŨ THỊ MAI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN BIẾN TÍNH TỪ
LÕI NGÔ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ AMONI
TRONG NƯỚC SINH HOẠT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2018
i


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

VŨ THỊ MAI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN BIẾN TÍNH TỪ
LÕI NGÔ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ
AMONI TRONG NƯỚC SINH HOẠT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 62 52 03 20

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Trịnh Văn Tuyên
2. PGS.TS Đoàn Đình Phương

HÀ NỘI – 2018

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với
bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung
thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai công bố trong bất kỳ
một công trình nghiên cứu nào.

Tác giả luận án

Vũ Thị Mai

ii


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn

bè và gia đình. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc, sự cảm phục và kính trọng nhất tới
PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên và PGS.TS. Đoàn Đình Phương - những người Thầy đã
tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất
cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh
đạo Viện Công nghệ Môi trường cùng tập thể cán bộ của Viện đã quan tâm giúp đỡ
và đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Nguyên Hải, TS. Nguyễn Tiến Vinh về những lời
khuyên bổ ích và những góp ý quý báu trong việc thực hiện và hoàn thiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Lãnh đạo Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài
Nguyên và Môi Trường Hà Nội và các đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất tới toàn thể gia đình, bạn bè và những người thân đã luôn luôn
quan tâm, khích lệ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Vũ Thị Mai

iii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................. 4
1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm và các phương pháp xử lý ........... 4
1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm .................................................... 4
1.1.2. Các phương pháp xử lý amoni .......................................................................... 6
1.2. Tổng quan về quá trình hấp phụ ........................................................................... 16
1.2.1. Kỹ thuật hấp phụ tĩnh ....................................................................................... 16
1.2.2. Kỹ thuật hấp phụ động ..................................................................................... 21

1.3. Tổng quan về than sinh học ................................................................................... 22
1.3.1. Nguyên liệu để sản xuất than sinh học ............................................................ 23
1.3.2. Phương pháp chế tạo than sinh học ................................................................ 24
1.3.3. Một số phương pháp biến tính bề mặt than sinh học...................................... 26
1.3.4. Đặc tính của than sinh học, than biến tính ..................................................... 29
1.3.5. Ứng dụng của than sinh học trong xử lý môi trường ..................................... 32
1.3.6. Tổng hợp các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phương pháp sử dụng
than sinh học, than biến tính để xử lý amoni trong nước. ....................................... 35
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................. 40
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 40
2.2. Hóa chất, vật liệu, dụng cụ và thiết bị sử dụng .................................................... 40
2.2.1. Hóa chất, vật liệu .............................................................................................. 40
2.2.2. Thiết bị và dụng cụ ........................................................................................... 41
2.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 41
2.3.1. Thực nghiệm chế tạo vật liệu ........................................................................... 41
2.3.2. Thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than biến tính ............ 46
2.3.3. Phương pháp nghiên cứu các đặc tính lý hóa của vật liệu............................. 49
2.3.4. Phương pháp xác định hàm lượng amoni, Fe và Mn trong nước ................. 53
2.4. Các phương pháp tính toán kết quả, xử lý số liệu ............................................... 53
2.4.1. Tính toán dung lượng hấp phụ tĩnh ................................................................ 53
2.4.2. Tính toán giải hấp phụ ..................................................................................... 54
2.4.3. Tính toán dung lượng hấp phụ cột, thời gian tiếp xúc, độ dài tầng chuyển
khối, hiệu suất sử dụng cột......................................................................................... 54
2.4.4. Xử lý số liệu ....................................................................................................... 55
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 57
3.1. Xác định các thông số công nghệ của quá trình tạo than sinh học .................... 57
3.1.1. Đặc điểm phân hủy nhiệt của lõi ngô .............................................................. 57
3.1.2. Xác định nhiệt độ nhiệt phân và thời gian nhiệt phân.................................... 58
3.2. Xác định các thông số của quá trình tạo than sinh học biến tính....................... 59
3.2.1.Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 ......................................................................... 59

3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ than và dung dịch HNO3 (R/L) ...................................... 60
3.2.3. So sánh than trước biến tính (Bio-400) và sau biến tính (BioN, BioN-Na)... 61
3.3. Xác định các thông số của quá trình tạo than hoạt tính biến tính ..................... 65
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................... 65
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân............................................................... 66
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit H3PO4. ........................................................... 66
3.3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ ngâm ................................................................................ 68
3.3.5. So sánh ba loại vật liệu lõi ngô, BioP, BioP-Na .............................................. 68
3.4. Tổng hợp các đặc tính của chất hấp phụ .............................................................. 72
3.4.1. Đặc điểm cấu trúc và hình thái của chất hấp phụ .......................................... 72
3.4.2. Đặc điểm bề mặt ................................................................................................ 72
3.4.3. Đặc tính vật lý ................................................................................................... 73
iv


3.5. Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ
tĩnh................................................................................................................................... 74
3.5.1. Ảnh hưởng của pH ........................................................................................... 74
3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ................................................................... 76
3.5.3. Đẳng nhiệt hấp phụ .......................................................................................... 77
3.5.4. Động học hấp phụ............................................................................................. 83
3.5.5. Nhiệt động học quá trình hấp phụ ................................................................... 85
3.5.6. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni trong môi trường
nước. ............................................................................................................................ 87
3.5.7. Nghiên cứu giải hấp phụ .................................................................................. 88
3.6. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động mô phòng thí
nghiệm ............................................................................................................................. 89
3.6.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước ...................................................................... 90
3.6.2. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni ................................................................... 91
3.6.3. Ảnh hưởng của chiều cao cột........................................................................... 93

3.7. Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật hấp phụ động (cột hấp phụ qui
mô pilot) .......................................................................................................................... 95
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 99
ĐÓNG GÓP MỚI VỀ KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN .................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 101
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................................. 113

v


DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ CÁC THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG
ASTM

American Society for
Testing And Materials

Tiêu chuẩn thử nghiệm vật liệu của Hiệp hội
Mỹ

BET

Brunauer – Emmett –
Teller

Tên riêng 3 nhà khoa học

DTA

Differential Thermal
Analysis

Phân tích nhiệt vi sai

FTIR

Fourrier Transform
Ingrared Spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại biến đổi

MBBR

Moving Bed Biofilm
reactor

Thiết bị màng sinh học chuyển động

pHpzc

Point of zero charge

Điểm trung hòa điện tích

QCVN

National technical
regulation

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

SEM

Scanning Electron
Microscopy

Hiển vi điện tử quyét

TCVN

Vietnamese standard

Tiêu chuẩn Việt Nam

TGA

Themal Gravimetric
Analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

Than sinh
học

Biochar

Than sinh học là vật chất rỗng có hàm lượng
cacbon lớn, được sản xuất bằng phương pháp
nhiệt phân trong điều kiện hạn chế oxy và ở
nhiệt độ tương đối thấp < 700oC

Than hoạt
tính

Activated carbon

Than hoạt tính là một loại vật liệu cacbon, một
loại than đã quan tham gia phản ứng với các
hơi, khí hoặc đôi khi được bổ sung các hóa chất
(thí dụ như ZnCl2), trước, trong hoặc sau khi
than hóa để làm tăng khả năng hấp phụ của nó.

Than biến
tính

Modified biochar and
modified activated
carbon

Than biến tính: bao gồm than sinh học biến
tính, than hoạt tính biến tính. Có nhiều cách
thức biến tính bề mặt than đó là: biến tính hóa
học (phương pháp axit hóa, bazơ hóa), biến
tính vật lý (bằng hơi nước, nhiệt độ).

Đường cong Breakthrough curve
thoát

Đường biểu diễn sự phân bố nồng độ theo
thời gian gọi là đường cong thoát.

Thời
thoát

Là thời gian mà khi nồng độ amoni đầu ra
bằng 10% nồng độ đầu vào

gian Breakthrough curve time

Thời gian Saturated time
bão hòa

Là thời gian khi nồng độ amoni đầu ra bằng
90% nồng độ amoni đầu vào.

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Mối tương quan của RL và các dạng mô hình ..........................................18
Bảng 1.2. Tiềm năng sinh khối thải của Việt Nam ..................................................23
Bảng 1.3. Các dạng nhiệt phân và phân bố sản phẩm ..............................................25
Bảng 1.4. Các phương pháp biến tính than sinh học, than hoạt tính ........................27
Bảng 1.5. Một số nghiên cứu sản xuất than hoạt tính bằng tác nhân H3PO4 ............28
Bảng 1.6. Một số nghiên cứu biến tính than sinh học, than hoạt tính bằng HNO3 ...29
Bảng 1.7. Phạm vi tương đối của các thành phần chính của than sinh học .............30
Bảng 1.8. Bảng diện tích bề mặt riêng, đặc điểm cấu trúc của một số than sinh học .....30
Bảng 1.9. Các nghiên cứu về sử dụng than sinh học, than biến tính để xử lý chất
hữu cơ .......................................................................................................................33
Bảng 1.10. Các nghiên cứu về biến đổi bề mặt than hoạt tính để tạo ra các nhóm
chức năng nhằm tăng cường khả năng loại bỏ kim loại nặng ...................................34

Bảng 1.11. Các nghiên cứu về hấp phụ amoni bằng các vật liệu khác nhau ............36
Bảng 3.1. Đặc điểm cấu trúc và vật lý của than ........................................................62
Bảng 3.2. Kết quả đặc điểm hóa học bề mặt than Bio-400, BioN, BioN-Na ...........63
Bảng 3.3. So sánh dung lượng hấp phụ của than Bio-400, BioN, BioN-Na ............64
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến dung lượng hấp phụ amoni của than
BioP ...........................................................................................................................67
Bảng 3.5. So sánh dung lượng hấp phụ của lõi ngô, Than BioP và BioP-Na...........68
Bảng 3.6. Các thông số cấu trúc của than BioP-Na ..................................................70
Bảng 3.7. Kết quả một số đặc điểm hóa học bề mặt than .........................................70
Bảng 3.8. Nồng độ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt chất hấp phụ ...................73
Bảng 3.9. Đặc tính vật lý của than BioN-Na và BioP-Na .........................................73
Bảng 3.10. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Langmuir của than BioN-Na ....77
Bảng 3.11. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Langmuir của than BioP-Na ...78
Bảng 3.12. Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ amoni bằng BioN-Na ......79
Bảng 3.13. Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ amoni bằng BioP-Na ......79
Bảng 3.14. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Freudlich của than BioN-Na ...79
Bảng 3.15. Thông số thực nghiệm và theo mô hình Freudlich của than BioP-Na ...80
Bảng 3.16. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freudlich của than BioN-Na
và BioP-Na ................................................................................................................80
Bảng 3.17. So sánh dung lượng hấp phụ của một số loại vật liệu ............................82
Bảng 3.18. Tham số của phương trình động học biểu kiến bậc nhất ........................84
Bảng 3.19. Tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 2 .............................84
Bảng 3.20. Các thông số nhiệt động học của quá trình hấp phụ amoni trên than
BioN-Na và BioP-Na ................................................................................................87
Bảng 3.21. Bảng tính toán các thông số thí nghiệm cột ..................................................89
Bảng 3.22. Độ dài tầng chuyển khối L của than BioN-Na ..............................................94
Bảng 3.23. Độ dài tầng chuyển khổi L của than BioP-Na ........................................94
Bảng 3.24. Điều kiện vận hành cột hấp phụ qui mô pilot .........................................95
Bảng 3.25. Độ dài tầng chuyển khổi L của than BioN-Na trên hệ pilot ...................96
Bảng 3.26. Dung lượng hấp phụ amoni của BioN-Na trên hệ cột qui mô pilot. ......97

Bảng 3.27. So sánh dung lượng hấp phụ cột đối với amoni của các loại vật liệu khác
nhau ...........................................................................................................................97

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ dây truyền xử lý amoni trong nước ngầm tại Hà Nội .....................12
Hình 1.2. Sơ đồ dây truyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni tại nhà máy
nước Pháp Vân ..........................................................................................................13
Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ xử lý amoni sử dụng giá thể sinh học Acrylic ..............14
Hình 1.4. Đường cong thoát của cột hấp phụ ...........................................................22
Hình 1.5. Tình hình sản xuất ngô Việt Nam giai đoạn 1975 – 2012 .......................24
Hình 1.6. Đặc tính than sinh học thay đổi theo nhiệt độ quá trình nhiệt phân .............30
Hình 1.7. Cấu trúc đơn giản của một vài nhóm chức axit gắn trên vòng aromatic của
than hoạt tính ............................................................................................................32
Hình 2.1. Sơ đồ minh họa quá trình chuẩn bị than sinh học biến tính và than hoạt tính
biến tính......................................................................................................................41
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tạo than sinh học..................................................................42
Hình 2.3. Điều kiện thí nghiệm tạo than sinh học .........................................................43
Hình 2.4. Quy trình tạo than BioN và BioN-Na ...........................................................44
Hình 2.5. Điều kiện thí nghiệm quá trình biến tính than sinh học bằng HNO3 ...............44
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình tạo than BioP, BioP-Na .......................................................45
Hình 2.7. Điều kiện thí nghiệm tối ưu hóa quá trình tạo than BioP-Na..........................46
Hình 2.8. Hệ cột hấp phụ qui mô phòng thí nghiệm .....................................................47
Hình 2.9. Hệ cột hấp phụ qui mô pilot .........................................................................49
Hình 3.1. Kết quả phân tích TGA lõi ngô.....................................................................57
Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ của than sinh
học .............................................................................................................................58
Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ của than sinh

học .............................................................................................................................59
Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 đến dung lượng hấp phụ của than BioN-Na...60
Hình 3.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ R/L đến dung lượng hấp phụ của than BioN-Na ............60
Hình 3.6. Hình ảnh SEM của Bio-400 và BioN-Na......................................................62
Hình 3.7. Ảnh phổ FTIR của than Bio-400, BioN và BioN-Na ...............................63
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ amoni của than
BioP ...........................................................................................................................65
Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ amoni của than
BioP ...........................................................................................................................66
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến dung lượng hấp phụ amoni của than
BioP-Na .....................................................................................................................67
Hình 3.11. Ảnh hưởng của tỉ lệ R/L đến dung lượng hấp phụ amoni của than BioPNa ..............................................................................................................................68
Hình 3.12 Ảnh chụp SEM của lõi ngô và than BioP-Na ..........................................69
Hình 3.13. Hình ảnh phổ hồng ngoại của lõi ngô, than BioP, BioP-Na ...................71
Hình 3.14. Ảnh chụp SEM của (a) BioN-Na và (b) BioP-Na...................................72
Hình 3.15. Hỉnh ảnh phổ FTIR của các chất hấp phụ ...............................................73
Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ amoni của than BioN-Na........74
Hình 3.17. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ amoni của than BioP-Na .....74
Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ amoni đến dung lượng hấp phụ của BioNNa ..............................................................................................................................76
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ amoni của than BioPNa ..............................................................................................................................77
viii


Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir, Freundlich dung lượng hấp
phụ thực nghiệm amoni đối với than BioN-Na ...............................................................81
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir, Freundlich và dung lượng
hấp phụ thực nghiệm amoni đối với than BioP-Na..........................................................81
Hình 3.22. Đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên lõi ngô (CC), than sinh học (Bio), than oxy hóa
(BioN), than sinh học biến tính(BioN-Na), than hoạt tính (BioP), and than hoạt tính biến tính
(BioP-Na)....................................................................................................................82

Hình 3.23. Động học quá trình hấp phụ của than BioN-Na theo mô hình bậc 1, bậc 2, và dữ
liệu thực nghiệm .........................................................................................................85
Hình 3.24. Động học quá trình hấp phụ của than BioP-Na theo mô hình bậc 1, bậc 2, và dữ
liệu thực nghiệm ..........................................................................................................85
Hình 3.25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ amoni của than (a) BioN-Na và
(b) BioP-Na .................................................................................................................86
Hình 3.26. Ảnh hưởng của các ion khác đến ảnh hưởng của dung lượng hấp phụ amoni của
than BioN-Na và BioP-Na ............................................................................................88
Hình 3.27. Phần trăm amoni được giải hấp phụ dùng nhiều dung dịch giải hấp phụ khác
nhau............................................................................................................................89
Hình 3.28. Đường cong thoát cho sự hấp phụ amoni tại các lưu lượng khác nhau,
than BioN-Na ............................................................................................................90
...................................................................................................................................91
Hình 3.29. Đường cong thoát của amoni tại các lưu lượng nước, than BioP-Na .....91
Hình 3.30. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ amoni ở các nồng độ amoni đầu vào
khác nhau, than BioN-Na..............................................................................................92
Hình 3.31. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ amoni ở các nồng độ amoni đầu vào
khác nhau, than BioP-Na ..............................................................................................92
Hình 3.32. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ amoni ở các chiều cao cột khác
nhau, than BioN-Na ..................................................................................................93
Hình 3.33. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ amoni ở các chiều cao cột khác
nhau, than BioP-Na ..................................................................................................93
Hình 3.34. Đường cong thoát quá trình hấp phụ amoni của than BioN-Na .............96

ix


MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam đang có xu

hướng suy giảm về số lượng và chất lượng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các
hoạt động sản xuất, khai thác. Theo báo cáo kết quả thực hiện chương trình Mục tiêu
quốc gia về nước sạch vệ sinh môi trường của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông
thôn (2014)[1], chỉ có 32% hộ dân trong số 84,5% dân số được sử dụng nước hợp vệ
sinh từ các công trình cấp nước tập trung, còn lại từ các công trình nhỏ lẻ như giếng
đào, giếng khoan, bể chứa nước mưa. Đối với các hộ gia đình sử dụng nguồn cấp
nước sinh hoạt trực tiếp từ nước ngầm có thể chịu các rủi ro đối với sức khỏe do chất
lượng nước không được kiểm soát. Nước dưới đất ở nước ta thường bị ô nhiễm bởi
các chỉ tiêu sắt, mangan, asen, amoni.
Nhiều báo cáo của các cơ quan quản lý cho thấy, hàm lượng amoni trong nước
ngầm đã vượt giới hạn cho phép nhiều lần, đặc biệt ở các tỉnh miền bắc của Việt Nam
như Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nội...[2, 3]. Ở khu vực phía
nam, điển hình là nhiều quận, huyện của thành phố Hồ Chí Minh cũng đã ghi nhận
được sự ô nhiễm amoni với hàm lượng rất cao [4].
Một số phương pháp thường sử dụng trong thực tế để xử lý amoni trong nước
là: làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao; Clo hóa đến điểm đột biến; trao đổi
ion; hấp phụ và sinh học. Trong đó phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu như
zeolite, than sinh học được xem là các kỹ thuật đơn giản, hiệu quả, tiềm năng để loại
bỏ amoni trong nước [5, 6].
Than hoạt tính, than sinh học là vật liệu được sử dụng rộng rãi để xử lý các
chất ô nhiễm trong môi trường như kim loại nặng, chất hữu cơ. Tuy nhiên, việc nghiên
cứu và ứng dụng các vật liệu này để xử lý amoni còn hạn chế do các vật liệu đã nghiên
cứu có dung lượng hấp phụ thấp. Điều này là do than sinh học và than hoạt tính có
lượng nhóm chức axit bề mặt khá thấp trong khi đó cơ chế chủ yếu để hấp phụ amoni
liên quan đến số lượng các nhóm chức axit bề mặt vật liệu hấp phụ. Điển hình như
than hoạt tính được tạo ra từ tro núi lửa đạt dung lượng hấp phụ amoni khoảng 5,4
mg/g [7]; từ vỏ trấu là 3,2 mg/g [8]; từ gáo dừa là 2,3 mg/g [9] và từ than hoạt tính
thương mại là 0,5 mg/g [10]. Đối với than sinh học, dung lượng hấp phụ amoni chỉ
1

đạt từ 1,7 đến 5,29 mg/g [11, 12]. Để tăng khả năng hấp phụ amoni của than thì các
phương pháp biến tính thường được sử dụng.
Than hoạt tính được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó
tận dụng các vật liệu thải từ phụ phẩm nông nghiệp đang là một xu hướng nghiên cứu
và ứng dụng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đối với lõi ngô dạng phụ phẩm nông
nghiệp đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu, chế tạo thành than sinh học
và than hoạt tính ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ và một vài tác nhân khác trong
nước [13,14,15, 16].
Đã có một số nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo than sinh học từ các
phụ phẩm nông, lâm nghiệp như vỏ trấu, thân cây lạc, đậu,... và ứng dụng trong việc
xử lý ô nhiễm nguồn nước [17,18]. Tuy nhiên, hiên nay chưa có công bố nào về
nghiên cứu chế tạo than sinh học từ lõi ngô ứng dụng để xử lý loại bỏ amoni trong
nước.
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm và sinh khối thải
rất lớn trong đó có lõi ngô. Theo số liệu thông kê quốc gia năm 2015, diện tích trồng
ngô và sản lượng ngô tại Việt Nam đạt 1.179.300 ha và 5.281.000 tấn [19]. Do đó,
lõi ngô có thể được xem là nguồn phụ phẩm dồi dào, sẵn có và rẻ tiền nếu tận dụng
để chế tạo than sinh học.
Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ
lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt”.
 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
 Xây dựng được quy trình chế tạo than sinh học, than sinh học biến tính,
than hoạt tính biến tính từ phụ phẩm nông nghiệp là lõi ngô thải.
 Đánh giá được đặc trưng vật lý và hóa học của than sinh học biến tính
và than hoạt tính
 Áp dụng than sinh học biến tính, than hoạt tính để loại bỏ amoni trong
nước giả định và nước thải thực tế trong nước thải theo kỹ thuật hấp
phụ tĩnh và kỹ thuật hấp phụ cột

Nội dung nghiên cứu:
 Khảo sát, xác định các thông số công nghệ của quy trình chế tạo than
sinh học, than biến tính từ lõi ngô.
 Xác định các đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu của than biến tính.
2


 Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp
phụ tĩnh.
 Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp
phụ cột (qui mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot).
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Đã xác định được các thông số công nghệ cho quy trình chế tạo than sinh học
từ lõi ngô, quy trình chế tạo than biến tính bằng 02 phương pháp khác nhau.
Xác định được dung lượng hấp phụ của than sinh học biến tính, than hoạt tính
biến tính đạt từ 16,6 đến 22,6 mg/g cao gấp 3-5 lần so với than sinh học (3,92 mg/g).
Xác định được các thông số động học hấp phụ và cân bằng hấp phụ của quá
trình hấp phụ amoni lên than biến tính.
Ý nghĩa thực tiễn:
Từ các kết quả của luận án, có thể chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng
ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi
dào và chi phí thấp ở Việt Nam.

3


Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm và các phương pháp xử lý
1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm

Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn tài nguyên nước ngầm rất lớn,
đây cũng là nguồn nước chính để cung cấp nước sinh hoạt và sản xuất cho người dân.
Theo số liệu thống kê năm 2015 của Cục quản lý tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và
Môi trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng nước sử dụng
cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm [3].
Theo báo cáo của các cơ quan quản lý nhà nước và các nghiên cứu khoa học
gần đây, chất lượng nước ngầm ở Việt Nam đang xuất hiện tình trạng ô nhiễm cục bộ
trên cả nước, trong đó amoni là một trong số các chỉ tiêu được phát hiện với hàm
lượng cao hơn giới hạn cho phép so với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước ngầm, nước sinh hoạt [3].
Cũng theo các báo cáo này, hiện chỉ có khu vực Tây Nguyên, nguồn nước
ngầm chưa có dấu hiệu ô nhiễm còn lại hầu như các địa phương khác trên cả nước
đều phát hiện thấy sự ô nhiễm nguồn nước ngầm ở các mức độ khác nhau. Hàm lượng
amoni trong nước ngầm ở cả tầng nông và tầng sâu khảo sát được tại các tỉnh trung
du và đồng bằng Bắc Bộ; một số tỉnh đồng bằng Nam Bộ vượt ngưỡng cho phép
nhiều lần. Các điểm quan trắc phát hiện hàm lượng amoni cao nhất ở miền Bắc thuộc
các tỉnh Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Thái Bình, Nam
Định, Hà Nội. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn quy
chuẩn của Bộ y tế về chất lượng nước sinh học (3 mg/l, QCVN 02:2009/BYT) khoảng
70-80% [2].
Ở hai khu vực đô thị lớn Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, hàm lượng amoni
quan trắc được cao hơn giới hạn cho phép nhiều lần. Ví dụ, tại điểm quan trắc tại
phường Phú Lãm, quận Hà Đông, Hà Nội, hàm lượng amoni ghi nhận được là 70
mg/l cao hơn giá trị cho phép trong QCVN 02:2009/BYT là 23 lần hay mẫu nước
ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni cao hơn mức cho phép
22 lần [4].
Như vậy, có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm tại Việt Nam không
đạt tiêu chuẩn về amoni, nên việc giảm thiểu, loại bỏ chúng ra khỏi thành phần nước
sinh hoạt là rất cần thiết.
4

Nguyên nhân ô nhiễm amoni trong nước ngầm

Trong nghiên cứu nguồn gốc ô nhiễm amoni tại Hà Nội, tác giả Phạm
Quý Nhân giải thích, hàm lượng amoni cao trong nước ngầm vùng nghiên cứu
có nguồn gốc là sự pha trộn bởi nguồn gốc tự nhiên (từ sự phân hủy vật liệu
hữu cơ trong đất) và nguồn phân hữu cơ của các hệ thống vệ sinh, từ các hệ
thống nước thải và có thể từ nguồn phân bón của các hoạt động nông nghiệp
Sự có mặt với hàm lượng cao của amoni trong đất tầng Pleistocene là
nguyên nhân chính dẫn đến hàm lượng cao của amoni trong nước ngầm tầng
Pleistocene.
Ngoài ra quá trình amôn hóa các hợp chất nitơ trong nước thành amoni
và sự xâm nhập của nước thải của thành phố cũng như các nguồn phân bón hữu
cơ, phân gia súc gia cầm trong canh tác nông nghiệp vào các tầng chứa nước
[20].
Tác hại của amoni
Ảnh hưởng đối với sức khỏe
Tác hại của ô nhiễm amoni đến sức khỏe con người đó là trong quá trình khai
thác, sử dụng, khi nước tiếp xúc với các nguồn chứa oxy và sự tham gia của các vi
khuẩn, amoni sẽ chuyển hóa thành các hợp chất nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những
chất có tính độc hại tới con người, trong trường hợp các hợp chất này chuyển hóa
thành các hợp chất dạng nitrosamin sẽ có khả năng gây ung thư cho con người. Ngoài
ra, NO2- có thể gây ra hội chứng xanh xao ở trẻ em do NO2- phản ứng với huyết sắc
tố mang O2, oxy hóa sắt để tạo thành methaemoglobin, do đó làm giảm khả năng
mang oxi trong máu và có khả năng gây tử vong[20].
Ảnh hưởng đối với các hệ thống xử lý nước sinh hoạt
Amoni còn là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp thể hiện ở hai
khía cạnh:
+ Sự có mặt của amoni trong nước sẽ làm giảm tác dụng khử trùng của Clo do

amoni phản ứng với Clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả
kém hơn so với clo hàng 100 lần.

5


+ Amoni cùng với một số các hợp chất vi lượng trong nước như photpho, sắt,
mangan… là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện tượng “không ổn định sinh
học” của nước sau khi xử lý. Khi có hiện tương này, nước có thể bị đục, đóng cặn
trong hệ thống dẫn nước, chứa nước và do đó làm giảm chất lượng nước về các yếu
tố cảm quan như độ trong, mùi, vị.
1.1.2. Các phương pháp xử lý amoni
Các công nghệ xử lý đang được áp dụng ở các nhà máy xử lý nước cấp sinh
hoạt tại Hà Nội nói riêng và cả nước nói chung tương đối đơn giản, không có công
đoạn xử lý amoni do đó, hiệu quả loại bỏ amoni trong quá trình xử lý là không đáng
kể.
Như đã đề cập ở trên, amoni không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con
người, tuy nhiên trong quá trình tiếp xúc với oxy khi khai thác và sử dụng, amoni sẽ
chuyển hóa thành các hợp chất nitrit NO2- và nitrat NO3- là nguyên nhân gây ra một
số loại bệnh tật và làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Chính vì vậy, việc loại bỏ
amoni trong nước trước khi đưa vào sử dụng là rất quan trọng. Có hai phương pháp
chính được sử dụng để loại bỏ amoni trong nước là phương pháp hóa lý và phương
pháp sinh học.
1.1.2.1. Phương pháp sinh học
Các phương pháp xử lý sinh học bao gồm các quá trình nitrat hóa và khử nitrat
hóa, quá trình Annamox, sharon/Annamox, thực vật thủy sinh...
 Quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa
Quá trình xử lý amoni bằng phương pháp sinh học được thực hiện qua hai
bước nối tiếp: nitrat hóa và khử nitrat. Nước sau khi đã xử lý sắt, cặn bẩn thông qua
bể lọc nhanh và bể lọc chậm, nước được đưa sang bể nitrat hóa, tại đó không khí được

thổi liên tục từ dưới lên cung cấp oxy cho hoạt động của vi khuẩn [21].
Do quá trình hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas oxi hóa NH4+ thành
NO2- và vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa NO2- thành NO3-. Quá trình diễn ra theo
phương trình (1-1):
- Quá trình nitrat hoá:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O

6

(1-1)


Nếu tính cả quá trình tổng hợp sinh khối, phương trình (1-1) được viết như
sau:
1,02 NH4+ + 1,89 O2 + 2,02 HCO3- → 0,21 C5H7O2N + 1,0 NO3- +

(1-2)

1,92 H2CO3 + 1,06 H2O
- Quá trình khử nitrat hoá:
Khác với quá trình nitrat hoá, quá trình khử nitrat hoá sử dụng oxi từ nitrat
nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần nguồn
cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới.
Quá trình gồm 4 phản ứng nối tiếp:
NO3-  NO2-  NO (k)  N2O (k)  N2 (k)

(1-3)

Cơ chất hữu cơ là nước thải:
10 NO3- + C10H19O3N  5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + 10 OH- + NH3

(1-4)

(Vi khuẩn khử nitrat, điều kiện thiếu khí)
Cơ chất hữu cơ là axit acetic:
8 NO3- + CH3COOH  4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH-

(1-5)

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất (chất cho điện tử), chúng có thể là chất
hữu cơ (phổ biến là axit axetic), H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho
điện tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO3- nhận điện tử và khử về N2. Vi
khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm: Bacilus, Pseudomonas,
Ethanomonas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus,…
 Quá trình Annamox, Sharon/Annamox
Nguyên lý của phương pháp là quá trình nitrit hóa một phần amoni, sau đó
amoni còn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là chất nhận điện tử, được chuyển
hóa thành khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí.
Nitritation (partial nitrification):
NH4+ + 1,5 O2 

NO2- + 2H+ + H2O

-

(1-6)

Anamox:
NO2- + NH4+  N2 + 2 H2O
2 NH4+ + 1,5 O2  N2 + 2 H+ + 3 H2O

Quá trình Sharon – Anammox

7

-

(1-7)
(1-8)


Trong điều kiện yếm khí, amoni được oxy hóa với nitrit (NO2-) như là chất
nhận điện tử để tạo thành khí nitơ bởi các vi sinh vật tự dưỡng Planctomycetes. Quá
trình xử lý amoni bằng phương pháp này được thực hiện thông qua hai giai đoạn: giai
đoạn đầu là oxy hóa một phần amoni thành nitrit (khoảng 50% tổng amoni) bằng quá
trình hiếu khí truyền thống (nitrit hóa), tiếp theo là quá trình Anammox chuyển hóa
amoni cùng với nitrit trực tiếp thành khí nitơ. Quá trình này không cần cơ chất hữu
cơ, cho phép tiết kiệm trên 60% lượng oxy cần cung cấp, đồng thời tạo ra ít bùn. Tuy
nhiên, hiện nay phương pháp này cũng đang gặp phải một số khó khăn trong ứng
dụng thực tế. Đó là việc khống chế, điều khiển quá trình nitrit hóa một phần amoni
sao cho chỉ một nửa lượng amoni được chuyển hóa thành nitrit.
 Xử lý amoni bằng thực vật
Là quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ thành các thành phần trong tế
bào của sinh khối (thực vật và vi sinh vật). Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các
phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào động vật, thực vật hoặc trong quá trình quang
hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinh vật.
Các loại thực vật thường được sử dụng để xử lý amoni như cây thủy trúc, bèo
tấm, dương xỉ…Tuy nhiên, phương pháp này cần có diện tích khu xử lý lớn [21, 22].
Ưu, nhược điểm của phương pháp
Phương pháp xử lý sinh học được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới
bởi những ưu điểm như: biến đổi ion NH4+ thành Nitơ dạng khí hoặc chuyển hóa tới

dạng nitrat đỡ độc hại hơn, không gây ô nhiễm thứ cấp.
+ Chất lượng nước sau xử lý bảo đảm sạch về mặt chất độc hại và ổn định về
hoạt tính sinh học, chất lượng cao (mùi, vị và tính ăn mòn).
+ Hiệu suất xử lý của phương pháp sinh học cao, ít sử dụng hóa chất, chi phí
năng lượng cho một đơn vị thể tích xử lý thấp so với các phương pháp khác.
Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi quá trình kiểm soát các điều kiện nghiêm
ngặt để vi sinh vật hoạt động trong điều kiện tốt nhất.
1.1.2.2. Phương pháp hóa lý
Các phương pháp hóa lý thường được sử dụng để loại bỏ amoni trong môi
trường nước bao gồm: phương pháp làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao,
phương pháp clo hóa đến điểm đột biến, phương pháp trao đổi ion và phương pháp
8


hấp phụ. Mỗi phương pháp cũng có những ưu nhược điểm riêng khi xử lý ô nhiễm
amoni.
 Làm thoáng để khử amoni ở môi trường pH cao (pH = 10, 11)
Trong môi trường nước, amoni thường tồn tại dưới dạng ion NH4+ hòa tan do
nguồn nước phần nhiều có môi trường pH trung tính. Quá trình xử lý amoni có thể
được thực hiện bằng phương pháp kiềm hóa nâng pH lên trên 10, rồi làm thoáng để
đuổi khí NH3 hòa tan ra khỏi nước [23].
Nguyên lý của phương pháp:
NH4+  NH3 + H+ (pKa = 9,5)

(1-9)

Trong môi trường kiềm:
NH4+ + OH-  NH3+ H2O

(1-10)

Do đó, để loại bỏ khí NH3 ra khỏi nước, cần phải đưa pH của nguồn nước lên
10,5 – 11,0 bằng vôi hoặc xút để chuyển hóa 99% NH4+ thành khí NH3 và được loại
bỏ thông qua tháp làm thoáng. Sau đó nước cần được trung hòa để đưa pH xuống còn
7,5.
Tháp làm thoáng để xử lý amoni trong nước thông thường được thiết kế để
khử amoni có hàm lượng đầu vào 20 – 40 mg/l và nước sau xử lý tại giàn mưa có
hàm lượng amoni trong khoảng 1 – 2mg/l, như vậy hiệu quả khử khí của tháp đạt 90
– 95%. Tuy nhiên, hiệu quả khử amoni của phương pháp này còn phụ thuộc vào nhiệt
độ của nguồn nước. Thông thường, nhiệt độ của nguồn nước tăng sẽ tăng tốc độ
chuyển hóa ion NH4+ thành NH3, do đó làm tăng hiệu quả quá trình xử lý.
Ưu và nhược điểm của phương pháp: phương pháp này dễ thực hiện về thiết
bị cũng như hóa chất nhưng trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, sau đó lại phải
dùng axit để trung hòa nguồn nước hạ pH xuống môi trường trung tính. Đặc biệt khi
nguồn nước có độ cứng cao, trước hết phải thực hiện quá trình khử độ cứng cacbonnat.
Hiệu quả xử lý của phương pháp này phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nước và tỷ lệ
giữa lưu lượng không khí làm thoáng và nước. Lượng không khí dùng để làm thoáng
rất cao tới 2000 – 3700 m3 không khí cho 1m3 nước cần xử lý ở nhiệt độ 20oC [23].
 Clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến
Nguyên lý của phương pháp:

9


Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxi hoá NH4+/NH3 ở nhiệt độ
phòng thành N2. Khi hoà tan Clo trong nước, tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm
dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:
Cl2 + H2O ⇔ HCl + HOCl

(1-11)

Axit hypoclorit, HOCl, sẽ kết hợp với NH4+ tạo thành cloramin. Khi nhiệt độ
nước ≥ 20oC, pH ≥7 phản ứng diễn ra như sau:
OH- + NH4+→ NH4OH ⇔ NH3 + H2O

(1-12)

NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O monocloramin

(1-13)

NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O dicloramin

(1-14)

NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O tricloramin

(1-15)

Nếu có clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy cloramin theo phương trình
HClO + 2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O

(1-16)

Tại điểm oxy hóa hết cloramin, trong nước xuất hiện clo tự do gọi là điểm đột
biến. Lượng clo dư này có thể được khử bằng 2 hóa chất khác nhau trước khi cấp
cho sinh hoạt theo phương trình (1-17) và (1-18).
-

Khử clo dư trong nước sau khi lọc bằng natrisunfit (Na2SO3)

Na2SO3 + Cl2 + H2O → 2HCl + Na2SO4

-

(1-17)

Khử clo dư trong nước sau khi lọc bằng trionatrisunfit (Na2S2O3)
4Cl2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2NaCl+ 6HCl + 2H2SO4

(1-18)

Về mặt lý thuyết, để xử lý NH4+ phải dùng tỷ lệ Cl : N = 7,6 : 1 nhưng trên
thực tế phải dùng tỷ lệ là 8:1 hoặc cao hơn để oxi hoá và giải phóng hết NH3.
Ưu, nhược điểm của phương pháp: Ưu điểm của phương pháp này là thời gian
xử lý nhanh, thích hợp với nguồn nước có chứa hàm lượng amoni cao. Tuy nhiên có
một số nhược điểm sau:
+ Trong trường hợp nguồn nước chưa được xử lý hết các chất hữu cơ, lượng
clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ này hình thành nhiều phức chất có mùi
đặc trưng khó chịu. Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan
và HAA-axit axetic halogen đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế
nồng độ nghiêm ngặt.
+ Ngoài ra với lượng clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải
quyết đối với các nhà máy lớn. Đây là những lý do khiến phương pháp clo hoá mặc
dù đơn giản về mặt thiết bị, rẻ về mặt kinh tế nhưng rất khó áp dụng.
10


 Trao đổi ion
Phương pháp xử lý amoni và các hợp chất của nitơ bằng trao đổi ion đã được
rất nhiều tác giả quan tâm. Quá trình xử lý amoni có thể thực hiện bằng phương pháp

trao đổi ion với các chất trao đổi ion mạnh.
Nguyên lý của phương pháp: Khi tiếp xúc với vật liệu trao đổi ion, ion
NH4+ hòa tan trong nước sẽ được giữ lại trên bề mặt vật liệu và giải phóng vào nước
ion Na+. Để khử ion NH4+ phải giữ pH của nước nguồn lớn hơn 4 và nhỏ hơn 9. Vì
khi pH ≤ 4, hạt lọc cationit sẽ giữ lại cả ion H+ làm giảm hiệu quả khử ion NH4+. Khi
pH > 9 một phần ion NH4+ chuyển thành NH3 dạng khí hòa tan không có tác dụng
với vật liệu trao đổi ion.
Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và cation có trong dung dịch:
R-H(Na) + NH4+ 
2R-H

+ Ca2+ 

R-NH4+ + H+(Na+)
R2Ca

+ 2H+

(1-19)
(1-20)

Hiện nay vật liệu trao đổi ion dùng để xử lý amoni phố biến là zeolite, dung
lượng trao đổi amoni của zeolit nằm trong khoảng 14-32 gNH4+/kg [24].
Ưu nhược điểm của phương pháp: Phương pháp trao đổi ion là phương pháp
xử lý rất triệt để và xử lý có chọn lọc. Tuy nhiên chi phí đầu tư, chi phí vận hành khá
cao nên ít được sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường
hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao.
 Hấp phụ
Hấp phụ là một quá trình liên kết (ion, nguyên tử, phân tử) trong pha thể tích
(khí, lỏng) với bề mặt phân cách của pha rắn (lỏng) bằng lực vật lý (Van der Walls,

London, lưỡng cực phản ứng) hoặc bằng lực hóa học (liên kết hóa học).
Chất bị thu hút vào pha bề mặt được gọi là chất bị hấp phụ. Chất có pha bề mặt
thu hút chất bị hấp phụ được gọi là chất hấp phụ.
Lượng chất bị hấp phụ qt trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại một nhiệt
độ đã cho (T = const), được gọi là dung lượng hấp phụ.
Ưu nhược điểm của phương pháp hấp phụ: Phương pháp hấp phụ có ưu điểm
rất lớn là hiệu quả xử lý cao, thời gian xử lý nhanh, quy trình xử lý đơn giản tuy nhiên
vật liệu hấp phụ như than hoạt tính thương mại thường có chi phí cao mà dung lượng
hấp phụ amoni lại thấp. Do đó việc nghiên cứu tìm ra các vật liệu có khả năng hấp
phụ amoni với chi phí thấp, dung lượng hấp phụ cao là rất cần thiết.
11


1.1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về xử lý amoni trong nước ngầm
Tại Hà Nội, hiện trạng xử lý nước sinh hoạt tại các trạm cấp nước lớn đều
không có công đoạn xử lý amoni, do đó khả năng loại bỏ amoni ra khỏi nguồn nước
rất thấp.
Tại Việt Nam hiện nay cũng đã có nhiều công trình, đề tài nghiên cứu về việc
xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp màng vi sinh, phương pháp trao đổi
ion, phương pháp clo hóa, lọc sinh học bước đầu có hiệu quả khả quan. Trong đó
phương pháp trao đổi ion được đề xuất xử lý với quy mô nhỏ, phương pháp clo hóa
đến điểm đột biến có thể áp dụng khi nồng độ amoni không cao, chất hữu cơ ít để
giảm thiểu khả năng tạo thành THM (trihalometan), trong khi đó, phương pháp sinh
học được sử dụng ở quy mô vừa và lớn. Gần đây phương pháp hấp phụ cũng đang
được áp dụng để xử lý amoni trong nước ngầm.
Về phương pháp sinh học, phương pháp sử dụng màng vi sinh với các vật liệu
mang khác nhau đang được nghiên cứu để xử lý amoni trong nước cấp, bước đầu cho
thấy những dấu hiệu khả quan trong việc xử lý amoni. Tác giả Lều Thọ Bách [25] đã
đề xuất dây truyền xử lý nước ngầm bị nhiễm amoni ở các mức độ khác nhau:

Hình 1.1. Sơ đồ dây truyền xử lý amoni trong nước ngầm tại Hà Nội
(a): ô nhiễm nhẹ và trung bình, (b): ô nhiễm nặng
Khi nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nhẹ và trung bình (hàm lượng amoni
<11 mg/l) dùng sơ đồ làm thoáng, lắng, lọc, nitrat hóa, lọc và khử trùng, còn khi
nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nặng (hàm lượng amoni >11mg/l), bổ sung quá trình
khử nitrat bằng cách tuần hoàn lại một tỷ lệ nhất định, nước sau khi đi qua quá trình
12


nitrat hóa lại tuần hoàn về ngăn thiếu khí. Với phương pháp này cho hiệu quả xử lý
tương đối cao, hiệu quả của phản ứng nitrat hóa đạt 95% - 99% (hình 1.1).
Đề tài “Nghiên cứu xử lý N-amoni trong nước ngầm Hà Nội” [26] do Nguyễn
Văn Khôi, Cao Thế Hà thực hiện với qui mô pilot công suất 12 m3/ngày đêm tại nhà
máy nước Pháp Vân, công trình chủ đạo nhằm xử lý nitơ amoni là các bể sinh học có
bố trí vật liệu mang vi sinh Kerazit kích thước 4 - 10mm. Các kết quả nghiên cứu
được công bố cho thấy, với lưu lượng nhỏ hơn 4 m3/h hệ đạt năng suất xử lý
390 gN-NH4+/ngày đêm, nồng độ ion NH4+ sau xử lý đạt tiêu chuẩn châu Âu (thấp
hơn 0,5 mg/l).
Công nghệ xử lý amoni dựa trên kỹ thuật màng vi sinh cố định, quá trình xử
lý được thực hiện theo 2 bước nitrat hóa và khử nitrat trong các bể riêng biệt, sơ đồ
dây truyền công nghệ xử lý được trình bày ở hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ dây truyền công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni tại nhà máy
nước Pháp Vân
Mô hình thực hiện với hàm lượng amoni đầu vào 30,05 mgN/l. Hiệu quả xử
lý nitơ đạt 47 %. Tuy nhiên, nhược điểm của dây truyền là khi màng sinh học phát
triển có thể dẫn đến hiện tượng tắc màng nên phải thường xuyên rửa lọc.
Ngoài ra, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni bằng phương
pháp Nitrification kết hợp với Denitrification trong bể phản ứng sinh học theo nguyên
tắc màng vi sinh vật ngập nước với vật liệu mang là sợi Acrylic [27] được thực hiện

bởi nhóm tác giả Nguyễn Việt Anh, Phạm Thúy Nga, Nguyễn Hữu Thắng, Trần Đức
Hạ, Trần Hiếu Nhuệ và cộng tác viên.

13


Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ xử lý amoni sử dụng giá thể sinh học Acrylic
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất khử nitrat cao và ổn định từ 90,1 đến
98,4 %. Nếu có đủ cơ chất, giá thể Acrylic cho phép tạo ra sinh khối có độ đặc cao,
hiệu quả xử lý tốt ngay cả khi tải lượng nitơ lớn.
Tuy nhiên, phương pháp này cần yêu cầu chế độ kiểm soát chặt chẽ nồng độ
oxy hòa tan, độ pH, độ kiềm và nhiệt độ trong nước; hàm lượng nitrit đầu ra vẫn ở
mức cao, muốn xử lý triệt để cần phải có thêm bước sục khí để tiếp tục thực hiện quá
trình nitrat hóa, do đó tiêu tốn nhiều năng lượng. Mặt khác giá thể vi sinh là vật liệu
dạng sợi Acrylic hoàn toàn nhập ngoại nên giá thành khá đắt.
Tại nhà mày nước Nam Dư, Hà Nội phương án công nghệ do công ty Water
& Soil- Phần Lan [28] đề xuất và thiết kế, dây truyền công nghệ của nhà máy nước
Nam Dư được bổ sung thêm khối công trình nitrat hóa và khối bể lọc đợt 2 vào sau
công đoạn xử lý sắt và trước khối công trình khử trùng. Công nghệ áp dụng phương
pháp lọc màng (MBBR) được thiết kế nhằm xử lý nồng độ nitơ amoni đầu vào là
7,4 g/m3 (tính toán thiết kế với nồng độ tối đa là 14,5 g/m3), qua đó toàn bộ nitơ amoni
được chuyển hòa thành nitrat bằng các vi khuẩn nitrat hóa. Các hạt nhựa dạng mì ống
được sử dụng làm giá thể lưu giữ bùn nhằm duy trì nồng độ bùn nitrat thích hợp trong
bể nitrat hóa. Dây truyền công nghệ được thiết kế với công suất 60.000 m3/ngày đêm,
đảm bảo khả năng nitrat hóa hoàn toàn với tải lượng tính toán tối đa 504,6 gNH4+/m3
vật liệu.ngày đêm.
14


Đối với phương pháp xử lý amoni bằng trao đổi ion, công ty Vicen đã thực

hiện một mô hình thực nghiệm xử lý amoni cho nước ngầm (địa điểm xã Tam Hưng,
huyện Thanh Oai- Hà Nội), với hàm lượng amoni đầu vào khoảng 12 mg/l bằng vật
liệu hấp phụ zeolite cho kết quả amoni đầu ra rất tốt (0,12 mg/l). Lượng muối cần
thiết để hoàn nguyên là 360 kg/m3 vật liệu zeolite/lần. Như vậy chi phí cho một lần
hoàn nguyên rất lớn 1,5 triệu đồng/m3 vật liệu. Giá thành xử lý nước lên tới 15.000
đồng cho 1 m3 nước, cao gần 2 lần so với giá nước sạch tại Hà Nội (trung bình 8300
đ/m3). Với chi phí này hoàn toàn không phù hợp với điều kiện nước ta [29].
Với phương pháp hấp phụ, một số công trình nghiên cứu gần đây đã chỉ ra
tiềm năng sử dụng phương pháp hấp phụ để xử lý amoni trong nước. Tác giả Lưu
Minh Đại cùng đồng nghiệp [30] đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu nano
LaMnO3, PrMnO3, CeO2-Mn2O3 với diện tích bề mặt khá cao (27,6 m2/g; 20,5 m2/g;
65,3 m2/g) và dung lượng hấp phụ amoni đạt khá cao từ 66 - 154 mg/g. Tác giả
Nguyễn Trọng Uyển và các cộng sự [31] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ trên
cơ sở than hoạt tính và nanotitan dioxit ứng dụng trong xử lý môi trường. Than hoạt
tính Trà Bắc được nghiền, rây đến kích thước 0,5-1mm, rửa sạch nhiều lần bằng nước
cất, sấy khô, ngâm than hoạt tính với dung dịch TiCl4, nước cất và cồn tuyệt đối, hút
chân không khoảng 30 phút, khuấy từ tại nhiệt độ 60oC trong 24h, sau đó rửa sạch
nhiều lần bằng nước cất và sấy khô ở 120oC. Dung lượng hấp phụ amoni đạt 47,8
mg/g.
Trong khi đó, với mục tiêu sản xuất các vật liệu hấp phụ chi phí thấp, tác giả
Phạm Thị Ngọc Lan, Trường Đại học Thủy Lợi [32] cũng đã sản xuất than hoạt tính
từ phế phẩm nông nghiệp (vỏ lạc, thân cây sắn). Hóa chất biến tính ZnCl 2 2M, nhiệt
phân ở 350oC trong 60 phút, hoạt hóa than sinh học từ vỏ lạc ở 450oC trong 60 phút,
than sinh học từ thân cây sắn ở 500oC trong 60 phút. Kết quả cho thấy, dung lượng
hấp phụ cực đại đối với amoni của mẫu than thân cây sắn đạt 6,97 mg/g cao hơn hẳn
mẫu than tre (5,91 mg/g) và có sự chênh lệch không đáng kể so với mẫu than hoạt
tính gáo dừa – than đối chứng trên thị trường (7,44 mg/g).
Nhìn chung, phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý tốt amoni
trong nước ngầm. Đối với qui mô vừa và nhỏ, phương pháp trao đổi ion được các nhà
khoa học đề xuất thích hợp nhất, trong khi đó phương pháp sinh học được định hướng

15