Luận văn thạc sĩ khoa học: Nghiên cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí và hiếu khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ THẾ NAM

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
NITƠ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ THẾ NAM

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
YẾM KHÍ VÀ HIẾU KHÍ
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. TRỊNH LÊ HÙNG

Hà Nội – 2014


Lời cảm ơn
Luận văn này được thực hiện tại bộ môn Hoá môi trường - khoa Hoá Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Trịnh Lê Hùng,
người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong bộ môn Hoá môi
trường, các bạn và các em trong phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa công nghệ đã
tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Hà Nội, tháng 7 năm 2014
Học viên

Lê Thế Nam


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ …………......................………………..41
Bảng 1.2. Một số vi khuẩn sinh metan …………….…………................................…42
Bảng 2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của amoni...............................................…51
Bảng 2.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrit……….................……..........…..54
Bảng 2.3. Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrat……….……...............................57
Bảng 2.4. Kết quả dựng đường chuẩn PO43-……………….........................................60
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 1…….............................…………............63
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm yếm khí lần 2 ……………............................................63
Bảng 3.3. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý yếm khí………...........………............64
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 1…………..........................……..........….68
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm hiếu khí lần 2…...............................…………..........…69

Bảng 3.6. Kết quả trung bình thí nghiệm xử lý hiếu khí………...................................69
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm yếm khí và hiếu khí trong 4 ngày…...…...............……75
Bảng 3.8. Phần trăm N chuyển hóa thành NH4+, NO2-, NO3- qua các ngày….............79
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm yếm khí trước trong 3 ngày, sau đó tiếp tục xử lý hiếu
khí trong 3 ngày và ngược lại....……........................................................................…80


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của nồng độ Clo dư trong nước vào nồng độ Clo xử lí nước có
và không có NH3...........................................................................................................13
Hình 1.2. Vi khuẩn Nitrosomonas ................................................................................18
Hình 1.3. Vi khuẩn Nitrobacter ....................................................................................18
Hình 1.4. Vi khuẩn Bacillus..........................................................................................20
Hình 1.5. Vi khuẩn Pseudomonas.................................................................................20
Hình 1.6. Cơ chế sinh hóa giả thiết của phản ứng Anammox.......................................27
Hình 1.7. Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia....................................................28
Hình 1.8. Chu trình N trong tự nhiên ...........................................................................35
Hình 1.9. Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học......................................46
Hình 2.1. Phương trình đường chuẩn của amoni..........................................................51
Hình 2.2. Phương trình đường chuẩn của nitrit.............................................................55
Hình 2.3. Phương trình đường chuẩn của nitrat............................................................58
Hình 2.4. Phương trình đường chuẩn của photphat.......................................................60
Hình 3.1. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí......................................64
Hình 3.2. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí..................................65
Hình 3.3. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí....................................66
Hình 3.4. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí...................................67
Hình 3.5. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí..............................68
Hình 3.6. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm hiếu khí......................................70
Hình 3.7. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm hiếu khí..................................71

Hình 3.8. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm hiếu khí....................................72
Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm hiếu khí...................................73
Hình 3.10. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm hiếu khí............................74
Hình 3.11. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày .....75


Hình 3.12. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày.76
Hình 3.13. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày....77
Hình 3.14. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4 ngày...77
Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm yếm khí và hiếu khí 4
ngày................................................................................................................................78
Hình 3.16. Sự thay đổi COD (mg/l) trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm khí.....81
Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ amoni trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm
khí...................................................................................................................................82
Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ nitrit trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm
khí...................................................................................................................................82
Hình 3.19. Sự thay đổi nồng độ nitrat trong thí nghiệm kết hợp hiếu khí và yếm
khí...................................................................................................................................83
Hình 3.20. Sự thay đổi nồng độ photphat trong thí nghiệm kết hợp yếm khí và hiếu khí
........................................................................................................................................84


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

------------------------------------------------------------------------------------------------AOB

Ammonium oxidizing bacteria

Vi khuẩn oxi hóa amoni

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxi sinh hóa (hay sinh học)

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxi hoá học

DO

Dissolved oxigen

Oxi hòa tan

EPA

Environmental Protection Agency

Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ

FA

Free amoni

Amoni tự do

FNA

Free nitrogen amonium

Amoni tự do

HRT

Hydranliz Retention Time

Thời gian lưu thủy lực

MAP

Magie Amoni Photphat,
MgNH4PO4.6H2O

SRT

Sludge Retention Time

Tuổi của bùn

WHO

World Health Organization

Tổ chức y tế thế giới


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..........................................................................................3
1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong nước...........3
1.1.1. Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay....................................................3
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước............................................4
1.1.3. Nguyên nhân ....................................................................................................7
1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người..........................7
1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ.....................................................9
1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên....................................................9
1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người ..................................................10
1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ..................10
1.2.1 Các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni.....................................11
1.2.1.1. Làm thoáng để khử amoni (Air stripping).............................................11
1.2.1.2. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point)..........................12
1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange).............................................14
1.2.1.4. Phương pháp điện hóa............................................................................15
1.2.1.5. Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP)......................15
1.2.2. Các phương pháp sinh học tách loại amoni....................................................16
1.2.2.1. Các điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học....................................16
1.2.2.2. Phương pháp sinh học truyền thống.......................................................17
1.2.2.3. Phương pháp sinh học Sharon................................................................21
1.2.2.4. Phương pháp sinh học Anammox..........................................................26
1.2.3. Xử lý nước thải chứa amoni bằng phương pháp bãi lọc trồng cây ngập nước

(wetland)..................................................................................................................29


1.2.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.................................30
1.2.3.2. Các ưu - nhược điểm chính của bãi lọc trồng cây..................................32
1.3. Đánh giá các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải............................................32
1.4. Quá trình chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước thải........................................33
1.4.1. Hệ vi khuẩn của nước thải..............................................................................33
1.4.2. Quá trình amoni hóa sinh học.........................................................................35
1.4.3. Quá trình nitrat hóa sinh học..........................................................................36
1.4.4. Đenitrat hóa....................................................................................................38
1.4.5. Quá trình yếm khí...........................................................................................39
1.4.6. Quá trình hiếu khí...........................................................................................44
1.4.7. Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải do vi sinh vật..............................46
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC
NGHIỆM.......................................................................................................................47
2.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................47
2.2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................47
2.3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................47
2.4. Phương pháp phân tích............................................................................................47
2.4.1. Phương pháp xác định COD bằng kalibicromat.............................................47
2.4.2. Xác định hàm lượng amoni............................................................................48
2.4.3. Xác định hàm lượng Nitrit (NO2-) trong nước bằng phương pháp so màu với
thuốc thử Griss..........................................................................................................52
2.4.4. Xác định nitrat (NO3-) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử
phenoldisunfonic.......................................................................................................55
2.4.5. Xác định photphat (PO43-) trong nước bằng phương pháp trắc phổ dùng
amoni molipđat.........................................................................................................58
2.5. Thực nghiệm ..........................................................................................................61
2.5.1. Quá trình yếm khí...........................................................................................61

2.5.2. Quá trình hiếu khí...........................................................................................61
2.5.3. So sánh giữa yếm khí và hiếu khí...................................................................62
2.5.4. Nghiên cứu trật tự yếm khí và hiếu khí trong quá trình xử lý nước
thải............................................................................................................................62
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................63
3.1. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí...........................................................................63
3.2. Kết quả thí nghiệm xử lý hiếu khí...........................................................................68
3.3. Kết quả thí nghiệm xử lý yếm khí và hiếu khí trong cùng một thời gian 4
ngày................................................................................................................................75
3.4.

Kết

quả

thí

nghiệm

xử

lý

phối

hợp

giữa

yếm

khí

và

hiếu

khí...................................................................................................................................80
KẾT LUẬN ..................................................................................................................85
KIẾN NGHỊ..................................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................87


MỞ ĐẦU
Các hợp chất Protein (với hàm lượng Nitơ chiếm từ 15 đến 18%) được coi là
các chất nền tảng của sự sống, phổ biến rộng rãi trong thế giới sống của chúng ta.
Chúng tồn tại đa dạng trong tất cả các cơ thể sống và vì vậy các hợp chất của nitơ
chính là nguồn dinh dưỡng bảo đảm cho sự phát sinh và phát triển của sinh vật nói
chung. Trong quá trình trao đổi chất của sự sống, nguyên tố nitơ đã tạo thành một chu
trình khép kín gồm rất nhiều chất với cấu tạo hóa học phức tạp. Với quá trình chuyển
hóa này, nguyên tố nitơ đã tạo ra nhiều chất có lợi nhưng đồng thời cũng sinh ra nhiều
chất có hại. Biết khai thác những chất có lợi và hạn chế những chất có hại chính là tìm
ra những phương pháp xử lý thích hợp.
Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay chủ yếu là do các nguồn thải của
các hợp chất chứa nitơ bị vi sinh vật phân hủy thành các hợp chất hòa tan trong nước
nhưng chưa được xử lý. Trong số các chất gây ô nhiễm này, amoni là dạng phổ biến
nhất. Nó gây hại cho động vật và người, nhưng ở một mức độ nhất định lại có lợi cho
thực vật và vi sinh vật vì đó là dinh dưỡng trực tiếp của chúng. Trên thực tế, các cơ sở

chôn lấp rác hoặc tập kết rác thải sinh hoạt, các cơ sở chăn nuôi tập trung có các hầm
yếm khí xử lý phân của chúng để tận thu biogas, nước thải sinh hoạt hàng ngày, nước
các ao hồ nuôi trồng thủy sản, các cơ sở sản xuất phân đạm, các cơ sở sản xuất công
nghiệp và nông nghiệp có sử dụng các muối kép chứa Amoni nói chung,... đều là các
nơi phát sinh ra amoni với hàm lượng rất cao. Nếu không xử lý, chúng sẽ hòa tan theo
dòng nước lan tỏa vào nguồn nước bề mặt và thẩm lậu xuống các nguồn nước ngầm
gây ra ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh vật nói chung và
con người nói riêng.
Nhìn chung hiện nay ở nước ta, tình hình xử lý Amoni đối với các loại nước thải
có hàm lượng cao hay thấp đều chưa có giải pháp thích hợp.
Để góp phần tìm hiểu về chu trình nitơ và sự phân hủy tự nhiên nhờ vi sinh vật
đối với các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là Protein, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên

1


cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
yếm khí và hiếu khí ” nhằm góp phần tăng cường sự hiểu biết chung về nitơ để có thể
làm chủ trong quá trình xây dựng hệ thống xử lý và vận hành hợp lý các nhà máy xử lý
nước thải .

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong nước
1.1.1. Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay
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 vẫn là một vấn đề rất đáng lo ngại.

Với tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa khá nhanh, sự gia tăng về dân số đã
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. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp
đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải.
Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng.
Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và
một số thành phố lớn khác. Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt có rất ít các hệ
thống xử lý tập trung mà trực tiếp đổ ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt
khác còn rất nhiều các cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và
cơ sở y tế chưa có hệ thống xử lý nước thải, một lượng lớn chất thải rắn trong thành
phố không thu gom hết được… là những nguồn đáng kể gây ô nhiễm nguồn nước.
Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng.
Ở thành phố Hà Nội, tổng lượng nước thải của thành phố lên tới 300.000 đến
400.000 m3/ngày, hiện mới chỉ có 5/31 bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải, chiếm
25% lượng nước thải bệnh viện; 36/400 cơ sở sản xuất có xử lý nước thải, lượng nước
thải sinh hoạt chưa được thu gom khoảng 1.200m3/ngày đang xả vào các khu đất ven
hồ, kênh, mương trong nội thành. Chỉ số BOD, oxy hòa tan, các chất NH4+, NO2-, NO3ở các sông, mương nội thành đều vượt quá quy định cho phép. Ở thành phố Hồ Chí
Minh, lượng rác thải lên tới gần 4000 tấn/ngày, chỉ có 24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý
nước thải, 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc diện phải di dời.

3


Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và các thành phố khác như Hải
Phòng, Nam Định, Hải Dương, Đà Nẵng… nước thải sinh hoạt cũng không được xử lý,
độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép.
Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, nơi cơ sở hạ tầng còn
lạc hậu, phần lớn chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống
đất hoặc bị rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước bề mặt và cả nguồn nước

ngầm về mặt hữu cơ, vi sinh và vô cơ ngày càng cao. Trong sản xuất nông nghiệp do
lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô
nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khỏe của nhân dân.
Theo thống kê của Bộ Thủy sản, tổng diện tích nước mặt sử dụng cho nuôi trồng
thủy sản đến năm 2010 của cả nước là 1,1 triệu ha. Do nuôi trồng thủy sản ồ ạt, thiếu
quy hoạch, không tuân theo quy trình kĩ thuật nên đã gây nhiều tác động tiêu cực tới
môi trường nước. Ngoài ra, với việc sử dụng nhiều và không đúng cách các loại hóa
chất trong nuôi trồng thủy sản, các thức ăn dư thừa lắng xuống đáy ao, hồ, lòng sông
đang làm cho môi trường nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ, làm phát triển một số loài
sinh vật gây bệnh và làm xuất hiện một số loại tảo độc, thậm chí đã có dấu hiệu xuất
hiện thủy triều đỏ ở một số vùng ven biển Việt Nam.
Như vậy, có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô
nhiễm môi trường nước như: sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công nghiệp
hóa, hiện đại hóa, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu, nhận thức của người dân còn nhiều
hạn chế… Đáng chú ý là sự bất cập trong hoạt động quản lý, bảo vệ môi trường. Nhận
thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ chức và cá nhân có trách nhiệm về
nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ. Cơ chế phân công giữa các
cơ quan, các ngành chưa đồng bộ, chưa quy định trách nhiệm rõ ràng…
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước
Hiện nay, do thực trạng hệ thống cấp – thoát nước, xử lí nước cấp và nước thải,
chất thải rắn chưa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các ngành công – nông

4


nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chưa kể đến các quá trình diễn ra trong
tự nhiên, ở điều kiện địa chất – thủy văn phức tạp ở vùng châu thổ sông Hồng, đã gây
cho nguồn cấp nước duy nhất hiện nay – nguồn nước ngầm, nguy cơ ô nhiễm ngày
càng cao, trong đó có ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ.
Theo tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế, đối với nước cấp dùng cho nước sinh

hoạt, hàm lượng nitrat (NO3-) không được vượt quá 10 mg/lít (tương đương với tiêu
chuẩn của WHO và EPA đối với nước cấp uống trực tiếp.
Tiêu chuẩn của EPA đối với NO2- trong nước cấp uống trực tiếp không được
vượt quá 1 mg/lít, trong khi giá trị tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế, đối với nước cấp
dùng cho sinh hoạt là 0 mg/lít.
Qua nghiên cứu cho thấy phần lớn nước dưới đất tầng chứa nước Qc và Qa
vùng Hà Nội chưa bị nhiễm bẩn NO2-, trừ một số khu vực có dấu hiệu nhiễm bẩn đến
mức vừa (khu vực Lương Yên, Thủy Lợi), chúng mang tính cục bộ. Khu vực Lương
Yên trong 64 số mẫu chỉ có 6 mẫu vượt giới hạn, chiếm 9,4%. Khu vực Thủy Lợi trong
10 mẫu phân tích chỉ có một mẫu vượt giới hạn, chiếm 10%. Một số khu vực khác như
Ngô Sỹ Liên, Yên Phụ, Ngọc Hà, Mai Dịch, mẫu có giá trị NO2- vượt giới hạn chỉ
chiếm 1 – 2% tổng số mẫu phân tích.
Sự ô nhiễm NO2- và NO3- hiện chưa đáng kể và chưa vượt quá giới hạn cho
phép. Tuy nhiên tại một số nơi có những xuất hiện dị thường đáng lo ngại, phần lớn tập
trung ở dải phía Nam tính từ khoảng đê La Thành trở xuống, gồm Thanh Trì, Yên Sở,
gò Đống Đa, Đại học Ngoại ngữ, Thượng Đình, Viện Quân Y 103, cơ khí Quang
Trung, nhà máy Phân lân, pin Văn Điển (nồng độ NO3- có khi tới 6 – 7 mg/lít).[10]
Hàm lượng NH4+ trong nước cấp sinh hoạt theo tiêu chuẩn quy định của Bộ Y tế
không được vượt quá 3 mg/lít (đối với nước ngầm) và 0 mg/lít (đối với nước mặt).
Theo tiêu chuẩn Châu Âu, trong nước cấp uống trực tiếp, NH4+ không vượt quá 0,5
mg/lít.

5


Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng
Bắc Bộ như Hà Nội, Ninh Bình, Hải Dương … đều bị nhiễm Amoni NH 4+rất nặng,
vượt tiêu chuẩn nhiều lần.
Tại Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình,
xác xuất các nguồn nước ngầm nhiễm Amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn là khoảng

70 – 80%. Ngoài Amoni, không ít nguồn còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ. Như vậy
tình trạng nhiễm bẩn Amoni và hợp chất hữu cơ trong nước ngầm ở Đồng bằng Bắc Bộ
đã đến mức báo động và khả năng tác động của Amoni lên cơ thể con người là chắc
chắn.
Kết quả khảo sát mới đây của Liên đoàn địa chất thủy văn – địa chất công trình
miền Bắc cho thấy, hàm lượng Amoni, Nitrat, Nitrit, … trong nước ngầm ở Hà Nội đã
vượt nhiều lần chỉ tiêu cho phép, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Theo tiêu
chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên Quyết định 1329 của Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt
chuẩn ở mức hàm lượng Amoni: 1,5mg/L. Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu
nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao hơn từ 20 đến 30 lần. Tầng nước
ngầm trên (cách mặt đất từ 25m đến 40m) – nơi người dân khai thác bằng đào giếng
khoan – đã ô nhiễm nặng ở nhiều nơi. Điển hình là xã Pháp Vân có hàm lượng Amoni
là 31,6 mg/L. Phường Tương Mai có hàm lượng Amoni 13,5 mg/L. Các phường Trung
Hòa, xã Tây Mỗ, xã Trung Văn ... đều có hiện trạng tương tự.
Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xã Yên Sở trong năm
2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng Amoni là 37,2 mg/L nay đã tăng lên 45,2
mg/L, phường Bách Khoa mức nhiễm từ 9,4 mg/L, nay tăng lên 14,7 mg/L. Có nơi
chưa từng bị nhiễm Amoni song nay cũng đã vượt tiêu chuẩn cho phép như Long Biên,
Tây Mỗ, Đông Ngạc ... Hiện nguồn nước nhiễm bẩn đã lan rộng trên toàn thành phố.
Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất từ 45m đến 60m) là nguồn cung cấp cho
các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn. Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm bẩn

6


Amoni” do Sở Giao thông Công Chính Hà Nội đã nghiệm thu cho thấy: “Do cấu trúc
địa chất, nước ngầm Nhà máy nước Tương Mai có hàm lượng sắt và Amoni NH4+ là 612, có khi 18 mg/L; Hạ Đình là 12-20, có khi 25 mg/L; Pháp Vân: 15-30, có khi 40
mg/L” [3, 4].
1.1.3. Nguyên nhân
Các chất hữu cơ chứa nitơ đã gây ô nhiễm sẽ từ nước mặt thấm xuống nước

dưới đất. Đó là nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm. Như vậy nếu nguồn nước mặt bị
ô nhiễm thì sẽ dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm. Ngoài ra quá trình lắng
đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình phân giải tự
nhiên (protein, amino axit, amit, amin..., hợp chất hữu cơ chứa nitơ nói chung) cũng là
nguyên nhân gây ô nhiễm nitơ trong nước. Ở môi trường pH từ 6 – 8, nitơ nằm chủ yếu
dưới dạng NH4+. Amoni có thể xuất hiện trong nước ngầm từ nước thải sinh hoạt, bãi
chôn lấp phế thải, nghĩa trang ... do kết quả của quá trình Amôn hóa (phân hủy các hợp
chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic,...) bởi vi sinh vật hay còn do việc sử
dụng phân bón, thuốc trừ sâu có chứa nitơ và các sản phẩm công nghiệp nói chung. Sự
có mặt các ion NH4+ cùng với NO2-, NO3- vượt quá tiêu chuẩn chứng tỏ nguồn nước
ngầm đã bị ô nhiễm [1].
1.1.4. Tác hại của các hợp chất chứa nitơ đối với cơ thể con người
Các hợp chất Nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat và
amoni. Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa nitơ hữu cơ, thí
dụ: protein và hợp phần của protein.

Vi khuẩn nitrat hóa

Nitrosomonas

Protein
NO3-

Phân hủy

NH3

Vi khuẩn đề nitrat hóa

Nitrobacter

NO2

-

NO2-  NO  N2O  N2

7

NO3-


- Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì
chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm.
- Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrit (NO2-) là nước đã bị ô nhiễm
một thời gian.
- Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrat (NO3-) chứng tỏ quá
trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy các nitrat chỉ bền ở trong điều kiện hiếu khí, khi ở
trong điều kiện thiếu khí hoặc kị khí các nitrat dễ bị khử thành N2O, NO và N2 tách
khỏi nước bay vào không khí. [7]
Amoni thực ra cũng không quá độc với cơ thể người. Ở trong nước ngầm
Amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy. Khi khai thác lên, vi sinh vật trong
nước nhờ oxy trong không khí chuyển Amoni thành các nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) tích
tụ trong nước ăn. Các hợp chất chứa Nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy
hiểm cho người sử dụng nước.
Trong những thập niên gần đây, nồng độ nitrat trong nước uống tăng lên đáng
kể. Nguyên nhân là do sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ nitrat xuống nước ngầm.
Hàm lượng nitrat trong nước uống tăng gây nguy hại về sức khỏe đối với cộng đồng.
Bản thân nitrat không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên nitrat chuyển thành nitrit (do
vi sinh vật chuyển hóa khử nitrat) lại có khả năng gây độc. Nitrit ảnh hưởng đến sức

khỏe với 2 khả năng sau: Chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng [1].
* Chứng máu Methaemo – globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em)
Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tố bào thai và do
trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hóa nitrat thành nitrit. Nitrit
hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc tố mang oxy, oxy
hóa sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, có
khả năng gây tử vong do ngột ngạt hóa chất. Ở những quốc gia có nồng độ NO 3- cao,

8


phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và trẻ em
được nuôi bằng sữa bình.
* Ung thư tiềm tàng
Đối với người lớn, NO2- kết hợp với các amino axit trong thực phẩm thành chất
Nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế bào – nguyên nhân gây bệnh
ung thư. Những thí nghiệm cho NO2- vào thức ăn, nước uống của chuột, thỏ... với hàm
lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan,
phổi, vòm họng của chúng.
Ngoài ra, Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử
trùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành cloramin, có tác dụng sát khuẩn
yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần). Ngoài ra, nó còn giảm khả năng xử lý sắt,
mangan bằng công nghệ truyền thống. Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho
các vi sinh vật trong nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng
nguồn nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi vị, nhiễm khuẩn [5].
1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm các hợp chất chứa nitơ
1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên
Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh
học, hóa học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép
kín gọi là chu trình Nitơ.

Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ. Lượng này càng được
tăng lên do sự phân hủy xác thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực vật không thể
trực tiếp sử dụng những dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển
hóa chúng thành những dạng vô cơ dễ hấp thụ. Khi được rễ cây hấp thụ, qua các quá
trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein, clorophin... nhờ đó thực vật
lớn lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật, sau đó thải cặn bã vào đất

9


cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần như cây họ
đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng ... có khả năng tích tụ nitơ và chuyển hóa trực tiếp nitơ
trong khí quyển thành dạng hợp chất của nitơ sử dụng được cho cây. Nitơ đã tạo ra một
chu trình kín trong tự nhiên.
1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người
Ngoài quá trình hình thành theo con đường tự nhiên lượng ion NO3-, NO2-,
NH4+ trong chu trình còn được tăng lên do các nhà máy sản xuất phân đạm, chất thải
khu đô thị có hàm lượng nitơ cao. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước bề mặt có thể từ
nhiều nguồn khác nhau: Công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt ... Các ngành công
nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat
được thải qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này
còn chứa nhiều oxit nitơ (NOx) thải vào khí quyển, gặp mưa và tiếp tục một số quá
trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2 làm cho pH
giảm và hàm lượng của các ion NO2-, NO3- trong nước tăng lên.
Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm cho nước bề mặt. Việc sử dụng
phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa
bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ, ...làm cho lượng nitrat, amoni trong nước bề mặt và sau đó là
nước ngầm ngày càng lớn.
Trong nước thải sinh hoạt đều có chứa một lượng nhất định các hợp chất của
nitơ hòa tan. Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con

sông trong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước [10].
1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ
Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nước thải. Các dòng thải chứa nitơ
có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độ oxi trong

10


nước, hiện tượng phú dưỡng và ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ clo. Vì vậy loại bỏ
nitơ có trong các nguồn nước thải là cần thiết.
Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp vật lý, hóa lý, hóa học
hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác ít độc hơn hoặc
chuyển thành dạng khí hoặc rắn tách khỏi pha nước.
Các hợp chất của nitơ có thể được loại bỏ từ nước thải bởi các quá trình sinh học
hay các quá trình kết hợp giữa hóa học và vật lý. Phương pháp sinh học là kinh tế và
hiệu quả do giá thành vận hành thấp và quá trình thực hiện là thuận lợi hơn so với các
phương pháp vật lí, hóa học. Do đó, quá trình loại bỏ nitơ theo phương pháp sinh học
thường được ứng dụng rộng rãi hơn các phương pháp vật lý, hóa học [3].
Để khử các hợp chất nitơ trong nước có thể sử dụng các phương pháp như: Làm
thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 – 11); clo hóa với nồng độ cao hơn
điểm đột biến (break-point) trên đường cong hấp thụ clo trong nước, tạo cloramin; trao
đổi ion NH4+ và NH3- bằng các vật liệu trao đổi Cation – Anion; nitrat hóa bằng
phương pháp sinh học; nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; công nghệ Anammox, Sharon
- Anammox; Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều, dùng vi
sinh vật...
1.2.1 Các phương pháp hóa lý và hóa học tách loại amoni
1.2.1.1. Làm thoáng để khử amoni (Air stripping)
Các ion NH 4 trong nước trong trạng thái cân bằng với các phân tử amoniac và
ion H+ :
NH4+  NH3 + H+

(1.1)

Ở điều kiện pH > 7, cân bằng chuyển dịch sang phải. Với pH > 10, hơn 85%
amoniac có thể chuyển dịch sang dạng khí khi làm thoáng. Ở giá trị pH = 10 ÷ 11, các
ion Hyđroxy dư sẽ chuyển các ion NH 4 thành Hydroxit amon:

11


NH4+ + OH-  NH4OH

(1.2)

NH4OH  NH3  + H2O

(1.3)

Ngoài ra, hiệu suất xử lí còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì hiệu
suất xử lí càng lớn [5].
Ưu điểm :
+ Đơn giản, rẻ tiền và ta có thể kiểm soát được quá trình.
+ Quá trình loại bỏ được NH3 mà không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp trong
nước.
Nhược điểm:
+ Quá trình chính để loại nitơ, quá trình chuyển NH3 (dạng dung dịch) thành
NH3 (khí) lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ (khó thực hiện được ở nhiệt độ thấp).
+ Khi dùng vôi để tăng pH thường tạo cặn bám vào vật liệu lọc làm tăng trở lực
quá trình.
+ Trong nước thải, các hợp chất Nitơ không chỉ tồn tại ở dạng amoni, mà còn

tồn tại ở dạng NO3-, NO2-. Chính vì vậy xử lý bằng phương pháp này chưa triệt để .
+ Quá trình chuyển hoá NH4+ thành NH3 (khí) nếu không thu gom NH3 sẽ đưa
vào khí quyển làm ô nhiễm không khí.
1.2.1.2. Phương pháp clo hoá đến điểm đột biến (break point)
Đây là phương pháp loại bỏ N - NH4+ bằng Clo hoá với nồng độ Clo cao hơn
nồng độ tương ứng điểm đột biến trên đường cong hấp thụ Clo trong nước. Điểm đột
biến là điểm mà ở đó bắt đầu xuất hiện Clo dư trong nước.

12


Hình 1.1. Sự phụ thuộc của nồng độ Clo dư trong nước vào nồng độ Clo xử
lí nước có và không có NH3
____ Cl2 dư khi trong nước không có NH3
---------

Cl2 dư khi trong nước có NH3

.............

Hàm lượng NH3 trong nước

Phương trình phản ứng khi đưa Clo vào nước. Sản phẩm của quá trình này phụ
thuộc vào giá trị pH:
Cl2 + H2O (pH = 5)  HCl + HClO (pH = 7)  H+ + ClO- (pH = 8)

(1.4)

Nếu trong nước có chứa amoni, sản phẩm của quá trình Clo hoá sẽ tạo thành các
Cloamin (từ điểm đột biến A). Nếu sử dụng Clo với liều lượng lớn hơn nồng độ C A

Cloamin sẽ phân huỷ tạo thành N2 bay hơi. Lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới giá trị
nhỏ nhất CtB, tương ứng với điểm đột biến B. Tác dụng khử trùng của Clo chỉ đạt hiệu
quả cao khi đưa Clo vào nước với nồng độ lớn hơn điểm đột biến trên (CB).
2NH3 + HClO



2N2 + 3H2O + 3HCl

2NH4+ + 3Cl2



N2 + 2H+ + 6HCl

(1.5)

hoặc

13

(1.6)


Phương pháp này tương đối đơn giản, hiệu suất cao, song cần lưu ý đến vấn đề
phải khống chế nồng độ Clo dư trong sản phẩm nước sau xử lí và nồng độ các sản
phẩm phụ sinh ra từ quá trình Clo hoá các hợp chất hữu cơ có trong nước (điển hình là
CHCl3), cũng như lượng Clo tiêu thụ.
Lượng Clo cần thiết , theo lí thuyết, bằng 7...10 lượng Amoniắc. Trên thực tế, tỉ
lệ này có thể lên đến 10...25 [5].

Ưu điểm :
+ Kiểm soát được quá trình.
+ Có thể kết hợp được với quá trình khử trùng nước cấp.
+ Không tốn diện tích mặt bằng.
Nhược điểm :
+ Chi phí vận hành cao vì phải tiêu tốn nhiều Clo (Cl2).
+ Trong nước có mặt các chất khử dạng hữu cơ hoặc vô cơ sẽ phản ứng với Cl 2
để sinh ra các sản phẩm phụ có hại cho sức khoẻ con người. Ngoài ra bản thân Cl2
cũng là một khí độc có hại cho sức khoẻ con ngời.
+ Không khử được nitơ ở dạng NO2- và NO3- .
+ Gây ô nhiễm thứ cấp.
1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion (Ion Exchange).
Có thể loại bỏ Amoniac trong nước bằng cách lọc qua vật liệu lọc trao đổi
cation như Klynoptilolyle hay Sepiolite. Đây là loại quặng zeolit tự nhiên. Phương
trình có thể biểu diễn như sau:
Men+ + Z-A  (Z)nMen+ + nA+

(1.7)

Trong đó : Men+ (NH4+, Ca2+…) là ion có trong nước.
A+ (Na+, H+) là ion trên vật liệu trao đổi ion
Z là chất nền của vật liệu trao đổi ion (RSO3Na, RSO3H, RCOONa,
RCOOH)

14


Ưu điểm :
Ưu điểm của phương pháp này là có thể đạt hiệu suất rất cao (80-90%). Sử dụng
phương pháp trao đổi ion với các vật liệu trao đổi anionit gốc Cl-, OH- hay SO42- cũng

là phương pháp đạt hiệu suất cao để loại bỏ nitrat ra khỏi nước ngầm.
Nhược điểm :
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là quá trình sử dụng, vận hành
phức tạp, khó khăn trong việc hoàn nguyên… [5].
1.2.1.4. Phương pháp điện hóa.
Hòa nước cần xử lý với nước muối hay nước biển rồi cho qua ngăn điện phân
với điện cực bằng than. Do sự khác nhau giữa tỷ trọng của nước biển (muối) và dung
dịch, nước muối sẽ dồn chảy tới đáy anot và tạo kết tủa MgNH4PO4 + Mg(OH)2. Các
bọt khí H2 xuất hiện trên catot sẽ nổi lên, cuốn theo bọt và tách ra. Cl2 tạo thành trên
anot sẽ được tận dụng để khử trong nước xử lý (phương pháp này thường được sử dụng
để khử nitơ trong nước thải trong công đoạn xử lý bậc 3).
1.2.1.5. Phương pháp tạo kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP).
Gần đây người ta bắt đầu để ý đến một phản ứng lúc đầu chỉ nhằm để phát hiện
ion phốt pho trong môi trường Amoni trong nước:
NH4+ + Mg2+ + PO43- + 6H2O → MgNH4PO4.6H2O (1.8)
Sản phẩm của phản ứng là Magiê Amoni Phốt phát (MAP), có công thức
MgNH4PO4.6H2O. Hợp chất này còn một tên gọi khác là “struvit” là chất gây ra sỏi
thận. MAP đã được nghiên cứu sử dụng như là một loại phân bón nhả chậm vì chúng
sẽ tan dần khi môi trường nước có pH<7. MAP bao gồm 2 nguyên tố N và P là 2 trong
số 3 nguyên tố dinh dưỡng đa lượng chủ yếu của cây trồng (N, P, K), ngoài ra còn một
nguyên tố Mg là một trong các nguyên tố dinh dưỡng thuộc loại nguyên tố trung lượng
của cây trồng, có tác dụng cung cấp Mg cho cấu tạo của chất diệp lục, giữ vai trò quan
trọng trong quang hợp. Mg trong thực vật còn là hoạt chất của hệ enzym gắn liền với

15