Nghiên cứu quá trình tích hợp vi khuẩn Nitrat hóa trên vật liệu

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Tăng Thị Chính,
Trưởng phòng Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam; PGS. TS. Vũ Đức Toàn, Khoa Môi trường,
Trường Đại học Thủy Lợi đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn và hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn tới các đồng nghiệp hiện đang công tác tại Phòng
Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam; đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt thời gian thực hiện luận văn của mình.
Em xin chân thành cảm ơn tới các giảng viên Khoa Môi trường, Trường Đại
học Thủy Lợi đã giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại đây.
Em cũng xin cảm ơn gia đình, tập thể lớp 21KHMT21 đã động viên, khuyến
khích, giúp đỡ em trong thời gian thực hiện luận văn.
Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp do thời gian và
kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo tận tình của quý thầy cô để khóa luận hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Học viên

Vũ Lê Minh

năm 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là

: Vũ Lê Minh

Mã số học viên

: 138.440.301.021

Lớp

: 21KHMT21

Chuyên ngành

: Khoa học Môi trường

Mã số

: 60-85-02

Khóa học

: K21 (2013 - 2015)

Tôi xin cam đoan quyển luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Tăng Thị Chính và PGS. TS. Vũ Đức Toàn với tên đề tài
“Nghiên cứu quá trình tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển
hóa amoni trong nước ngầm tại xã Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội”.
Đây là luận văn nghiên cứu mới, không trùng lặp với các luận văn nào trước
đây, do đó không có sự sao chép của bất kì luận văn nào khác. Nội dung của luận

văn được thể hiện theo đúng quy định; các tài liệu, tư liệu nghiên cứu sử dụng trong
luận văn đều được trích dẫn nguồn.
Nếu xảy ra vấn đề gì với nội dung của luận văn này, tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm theo quy định./.
NGƯỜI VIẾT CAM ĐOAN

Vũ Lê Minh


i

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của Luận văn ................................................................................1
2. Mục đích của Luận văn .......................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2
5. Kết quả đạt được .................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................4
1.1. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm...................................................4
1.1.1. Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên ........................................4
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm ...................................................................................6
1.1.3. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm .............................................................7

1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam .............................7
1.3. Khái quát một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm .......................8
1.3.1. Phương pháp Clo hoá ................................................................................8
1.3.2. Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng ......................................................9
1.3.3. Phương pháp ozon hoá với xúc tác brom..................................................9
1.3.4. Phương pháp trao đổi ion ........................................................................10
1.3.5. Phương pháp sinh học .............................................................................11
1.4. Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở Việt Nam .............................................14
1.5. Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa ..............15
1.5.1. Vi khuẩn nitrat hóa ..................................................................................15


ii

1.5.2. Đặc điểm phân bố của vi khuẩn nitrat hóa ..............................................15
1.5.3. Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa ................................................16
1.5.4. Quá trình nitrat hóa .................................................................................16
1.5.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa .......................................19
1.5.6. Khả năng bám dính .................................................................................21
1.6. Đặc điểm khu vực nghiên cứu .......................................................................21
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................25
2.1. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................25
2.1.1. Vi khuẩn nitrat hóa ..................................................................................25
2.1.2. Nước ngầm ..............................................................................................25
2.1.3. Vật liệu mang ..........................................................................................25
2.1.4. Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu ..................................................................26
2.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................29
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu..............................................................................29
2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi
khuẩn nitrat hóa .................................................................................................29

2.2.3. Tối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) ...........................30
2.2.4. Tích hợp vi khuẩn lên chất mang ............................................................31
2.2.5. Thử nghiệm xử lý nước ngầm trong phòng thí nghiệm ..........................32
2.2.6. Phương pháp vi sinh................................................................................32
2.2.7. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước ................................33
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................38
3.1. Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa......................................................................38
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của
chủng vi khuẩn nitrat hóa ......................................................................................44
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ..........................................................................45
3.2.2. Ảnh hưởng của pH ..................................................................................46
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ nguồn cacbon vô cơ.........................................48
3.3. Tối ưu hóa các yếu tố bằng phương pháp bề mặt đáp ứng ............................49


iii

3.3.1. Chọn miền khảo sát .................................................................................49
3.3.2. Thiết lập mô hình ....................................................................................50
3.4. Tích hợp vi khuẩn nitrat hóa lên vật liệu mang .............................................54
3.5. Thử nghiệm vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trong xử lý nước
ngầm ......................................................................................................................57
3.5.1. Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại khu vực nghiên cứu....................57
3.5.2. Đánh giá khả năng xử lý nước ngầm của vật liệu mang .........................58
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ......................................................................................62
1. Kết luận .............................................................................................................62
2. Kiến nghị ...........................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64

iv

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni trong môi
trường nước ...............................................................................................................12
Bảng 1.2. Hàm lượng amoni sau xử lý tại một số nhà máy cấp nước ở Hà Nội ......22
Bảng 2.1. Bảng bố trí thí nghiệm theo thiết kế Box - Behnken ...............................31
Bảng 2.2. Hóa chất lập đường chuẩn xác định amoni theo phương pháp Nessler ...34
Bảng 2.3. Dãy dung dịch đường chuẩn xác định nồng độ nitrit ...............................35
Bảng 2.4. Dãy dung dịch đường chuẩn xác định nồng độ nitrat ...............................37
Bảng 3.1. Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm mật độ vi
khuẩn nitrat hóa .........................................................................................................50
Bảng 3.2. Bảng kết quả tối ưu quy hoạch thực nghiệm nuôi cấy chủng vi khuẩn
nitrat hóa ....................................................................................................................50
Bảng 3.3. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu quá trình tổng hợp các yếu tố ............51
Bảng 3.4. Mật độ vi khuẩn nitrat hóa trong dịch và trên vật liệu mang ...................56
Bảng 3.5. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu của hai mẫu nước ngầm ......................57


v

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Quá trình chuyển hoá của các hợp chất nitơ trong nước.............................4
Hình 1.2. Chu trình Nitơ trong tự nhiên ......................................................................5
Hình 1.3. Hai giai đoạn của quá trình nitrat hóa .......................................................17
Hình 1.4. Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrosomonas.......................................18
Hình 1.5. Con đường vận chuyển điện tử ở Nitrobacter ...........................................19
Hình 1.6. Bản đồ khu vực nghiên cứu .....................................................................23

Hình 2.1. Vật liệu mang DHY ..................................................................................25
Hình 2.2. Đường chuẩn xác định hàm lượng amoni .................................................34
Hình 2.3. Đường chuẩn xác định hàm lượng nitrit ...................................................36
Hình 2.4. Đường chuẩn xác định hàm lượng nitrat...................................................37
Hình 3.1. Phân lập vi khuẩn nhóm Nitrosomonas sp. ...............................................38
Hình 3.2. Nhuộm gram âm vi khuẩn nhóm Nitrosobacter sp. ..................................38
Hình 3.3. Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS1 ...........................................39
Hình 3.4. Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS1 ............................................39
Hình 3.5. Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS2 ...........................................40
Hình 3.6. Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS2 ............................................40
Hình 3.7. Khả năng chuyển hóa amoni của chủng NS3 ...........................................41
Hình 3.8. Hiệu suất chuyển hóa amoni của chủng NS3 ............................................41
Hình 3.9. Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng NB1 .............................................42
Hình 3.10. Hiệu suất chuyển hóa nitrit của chủng NB1 ...........................................43
Hình 3.11. Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng NB2 ...........................................43
Hình 3.12. Hiệu suất chuyển hóa nitrit của chủng NB2 ...........................................44
Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng NS2 .................45
Hình 3.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng NB2 .................46
Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của chủng NS2..........................47
Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của chủng NB2 .........................47
Hình 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO 3 đến sự sinh trưởng của chủng NS2 ..49


vi

Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO 3 đến sự sinh trưởng của chủng NB2 .49
Hình 3.19. Bề mặt đáp ứng mô hình khi nhiệt độ và pH thay đổi, nồng độ NaHCO 3
ở mức trung bình .......................................................................................................53
Hình 3.20. Bề mặt đáp ứng mô hình khi pH và nồng độ NaHCO 3 thay đổi, nhiệt độ
ở mức trung bình .......................................................................................................53

Hình 3.21. Bề mặt đáp ứng mô hình khi nhiệt độ và nồng độ NaHCO 3 thay đổi, pH
ở mức trung bình .......................................................................................................54
Hình 3.22. Quy trình tích hợp vi khuẩn lên vật liệu mang........................................55
Hình 3.23. Kết quả chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng
độ amoni là 7,29 mg/L ..............................................................................................58
Hình 3.24. Hiệu suất chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng
độ amoni là 7,29 mg/L ..............................................................................................59
Hình 3.25. Kết quả chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng
độ amoni là 11,56 mg/L ............................................................................................60
Hình 3.26. Hiệu suất chuyển hóa amoni trong thí nghiệm đối với mẫu nước có nồng
độ amoni là 11,56 mg/L ............................................................................................60


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các từ hoặc thuật ngữ
viết tắt

Giải thích các từ hoặc thuật ngữ viết tắt

ADP

Adenosin Diphosphat

AMO

Ammonia monooxygenase

ANOVA

Analysis of Variance – Phân tích phương sai

ATP

Adenosin Triphosphat

BTNMT

Bộ Tài nguyên và môi trường

DO

Dissolved Oxygen - Nồng độ oxy hòa tan

EDTA

Ethylen diamin tetraacetic acid

g/L

gam/lít

h

Hour – giờ

HAO

Hydroxylamine oxydoreductase

KHCNVN

Khoa học và công nghệ Việt Nam

MBBR

Moving bed biofilm reactor

mg/L

miligam/lít

MPN

Most probable number – Số lượng chắc chắn nhất
có thể

NAD

Nicotinamide adenine dinucleotide

OD

Optical density – Mật độ quang

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

rpm

Round per minute – Vòng trên phút

RSM

Respond surface methods – Phương pháp bề mặt
đáp ứng

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam


viii

TDS

Total dissolved solids – Tổng chất rắn hòa tan

TNMT

Tài nguyên môi trường

v/v

Volume per volume - Thể tích/thể tích


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Luận văn
Nước là dạng vật chất rất cần cho mọi sinh vật sống trên Trái Đất. Những
nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng các loại bệnh tật có liên quan trực tiếp
đến chất lượng nguồn nước, do đó bảo vệ chất lượng nước đóng vai trò quan trọng
trong việc chăm sóc và bảo đảm sức khỏe con người.
Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử
lý hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn nguồn nước bị ô nhiễm bởi các tạp chất với
thành phần và mức độ khác nhau tùy theo địa hình, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của
từng vùng mà nó đi qua. Hoạt động nông nghiệp sử dụng các loại phân bón trên
diện rộng, các loại nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt giàu hợp chất nitơ đã
thải vào môi trường làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nitơ mà chủ yếu là amoni.
Amoni tuy không gây độc trực tiếp cho con người nhưng các sản phẩm chuyển hóa
từ amoni như nitrit, nitrat lại là các tác nhân gây hại đến sức khỏe con người.
Các phương pháp vật lý và hóa lý xử lý amoni đã được thử nghiệm và áp
dụng khá nhiều trên thế giới. Tuy nhiên các phương pháp này có giá thành vận hành
cao và quá trình thực hiện phức tạp.
Hiện nay, công nghệ xử lý amoni bằng biện pháp sinh học thường được ứng
dụng rộng rãi. Việc sử dụng các vi sinh vật để xử lý có tính ổn định cao, tiết kiệm
chi phí và thân thiện với môi trường. Phương pháp sinh học sử dụng nhóm vi khuẩn
nitrat hóa và khử nitrat hóa được ưa chuộng nhiều hơn bởi không đòi hỏi nhiều điều
kiện nghiêm ngặt. Nhóm vi khuẩn nitrat hóa có hai nhóm là nhóm dị dưỡng và
nhóm tự dưỡng hóa năng. Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước ngầm vi khuẩn tự
dưỡng hóa năng vẫn được sử dụng nhiều, bởi chúng cho hiệu quả cao hơn và không
cần nguồn dinh dưỡng hữu cơ.
Theo kết quả quan trắc tài nguyên nước dưới đất của Trung tâm Quan trắc và
Dự báo tài nguyên nước (Bộ Tài nguyên Môi trường) đã công bố cho thấy tại một
số điểm quan trắc ở Hà Nội như xã Tân Lập, Đan Phượng, nước ngầm có hàm
lượng amoni được phát hiện là 23,3 mg/L cao hơn quy chuẩn cho phép nhiều lần,

2
đặc biệt là vào mùa khô [8]. Hiện nay, phần lớn người dân khu vực này đều sử dụng
nguồn nước ngầm phục vụ chủ yếu cho sinh hoạt. Chính việc không đủ nước sạch
khiến người dân vẫn phải dùng nguồn nước ngầm bị ô nhiễm gây ảnh hưởng đến
sức khỏe và chất lượng cuộc sống. Vì thế việc xử lý amoni trong nước ngầm là cần
thiết và đáng quan tâm.
Trên cơ sở đó, tác giả thực hiện luận văn thạc sỹ với đề tài: “Nghiên cứu
quá trình tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển hóa amoni
trong nước ngầm tại xã Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội”. Trong khuôn khổ luận
văn mới chỉ đề cập đến quá trình nitrat hóa, chuyển hóa các dạng amoni, nitrit thành
nitrat. Vì vậy, đây là những kết quả bước đầu mà luận văn đạt được sẽ phục vụ cho
những mục đích nghiên cứu tiếp theo đối với việc xử lý amoni trong nước ngầm.
2. Mục đích của Luận văn
-

Tuyển chọn được chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính mạnh.

-

Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn
nitrat hóa trên vật liệu mang.

-

Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu
mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: vi khuẩn nitrat hóa thuộc bộ chủng giống đã được

phân lập của Phòng vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn
lâm KHCNVN, vật liệu mang DHY và một số mẫu nước ngầm nhiễm amoni.
Phạm vi nghiên cứu: xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội.
4. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp 1: Thu thập, phân tích, xử lý và tổng hợp số liệu.
Thu thập tất cả các tài liệu hiện có liên quan đến luận văn. Bên cạnh đó luận
văn có sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để phân tích, xử lý số liệu và
đánh giá trong quá trình thực hiện luận văn.

-

Phương pháp 2: Kế thừa.


3
Kế thừa các tài liệu, các kết quả nghiên cứu trước đây để tiếp thu và bổ sung
cho bài luận văn.
-

Phương pháp 3: Lấy mẫu thực địa.
Thu thập và lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu.

-

Phương pháp 4: Quy hoạch thực nghiệm.
Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng với thiết kế Box-Behnken nghiên cứu
sự ảnh hưởng của các yếu tố trong giới hạn đến các mục tiêu.

-

Phương pháp 5: Phân tích trong phòng thí nghiệm.
Sử dụng các phương pháp phân tích hóa học, vi sinh theo tiêu chuẩn quốc gia
và quốc tế để thu thập các số liệu thực nghiệm.

5. Kết quả đạt được
-

Tuyển chọn được chủng vi khuẩn có hoạt tính mạnh.

-

Đưa ra điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn nitrat hóa
trên vật liệu mang.

-

Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu
mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa.


4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm
1.1.1. Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên
Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ với tỷ
lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước. Nitrat và nitrit là các muối nitơ vô cơ
có trong môi trường nước, tồn tại trong điều kiện có oxy, còn amoniac (NH 3 ) tồn tại
ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng

hyđrôxit amoni (NH 4 OH) và sẽ phân ly thành ion NH 4 + và ion OH-. Quá trình oxy
hoá có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion NO 3 -, còn quá trình khử sẽ
chuyển hoá chúng thành dạng nitơ không khí.

Quá trình oxy hoá và quá trình
khử

NO3(Nitrat tan trong
nước)

NO2(Nitrit tan trong
nước)

NH3(NH4OH)
(amoni tan trong

Quá trình quang tổng hợp

Quá trình nitrat
hoá

Quá trình
denitrat hoá

Quá trình cố định
nitơ

nước)

Các amino axit

Quá trình hô
hấp

Các prôtêin
(động vật và thực
vật)

Hình 1.1. Quá trình chuyển hoá của các hợp
chất nitơ trong nước


5
Quá trình oxy hoá các dạng nitơ vô cơ thành NO 3 - được gọi là quá trình
nitrat hoá (nitrification). Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển hóa
NO 3 - thành nitơ không khí hoặc oxyt nitơ. Quá trình cố định nitơ (nitrogenfixation)
là quá trình nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng
amoni. Quá trình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá nitơ không khí
thành dạng amoni. Các protein trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị
phân ly thành các amino axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô
cơ trong nước đi vào hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng nitơ hữu cơ.
Nitơ trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ kích
thích sự phát triển của sinh vật thuỷ sinh. Sau khi chết xác của chúng sẽ gây ô
nhiễm nguồn nước. Nitơ và phospho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường
nước ngọt. Nếu nồng độ nitơ tăng lên nhưng phospho không tăng, hoặc nồng độ
phospho tăng lên nhưng nồng độ nitơ không tăng thì sẽ không làm cho sinh vật thuỷ
sinh phát triển.

Hình 1.2. Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni

trong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân
bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu
cơ cao.


6
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm
Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh
học, hóa học rồi quay trở về môi trường 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. Hàm lượng này càng
được tăng lên do sự phân hủy xác động, thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực
vật không trực tiếp sử dụng dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất
chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụ được. Khi
được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzym,
protein… nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật
sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loại thực
vật có nốt sần như: cây họ đậu, cỏ ba lá… có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển
thành dạng nitơ sử dụng được cho cây.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm
nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân
bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực vật đã gây ảnh hưởng đến nguồn nước; do
quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong
nước ngầm. Bên cạnh đó, mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của
khu vực [8].
Nước ngầm ô nhiễm amoni do quá trình thấm xuyên nước mặt xuống các
tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn. Các hợp chất nitơ sẽ từ nước mặt
thấm xuống nước dưới đất. Như vậy nếu nguồn nước mặt bị ô nhiễm thì 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 tự nhiên (amon axit, amid, hợp

chất nitơ dị vòng…) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ.
Ở môi trường pH từ 6 – 8, nitơ nằm chủ yếu dưới dạng amoni. 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 amon hóa – phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm,
nước tiểu và axit nucleic… bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ


7
sâu có chứa nitơ trong nông nghiệp. Sự có mặt các ion NH 4 + cùng với ion NO 3 chứng tỏ nước ngầm bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt mới xâm nhập [2].
1.1.3. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm
Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy . Khi
khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni
thành các dạng nitrat, nitrit tích tụ trong nước ăn. Khi ăn uống nước có chứa nitrit,
cơ thể sẽ hấp thụ nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm
hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy,
nitrit đặc biệt nguy hiểm cho trẻ mới sinh dưới sáu tháng, có thể làm chậm sự phát
triển, gây bệnh ở đường hô hấp. Nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm
làm thành một họ chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế
bào là nguyên nhân gây bệnh ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit 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.
Amoni trong nước ngầm còn 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 nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn [10].
1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam
Theo báo cáo của Trung tâm Quan trắc và dự báo tài nguyên nước - Bộ Tài
nguyên và môi trường năm 2013, đã công bố kết quả quan trắc tài nguyên nước
dưới đất ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Nam Bộ và Tây Nguyên. Theo đó, mực
nước ngầm đang sụt giảm mạnh, chất lượng nước ở nhiều nơi cũng không đạt tiêu
chuẩn. Tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện ở nhiều vùng

trên cả nước.
Khu vực bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nặng nề nhất ở Việt Nam là
vùng đồng bằng Bắc Bộ. Theo khảo sát, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng Bắc
Bộ như Hà Nội, Ninh Bình, Hải Dương, Nam Định… đều bị nhiễm amoni và vượt
tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Nồng độ amoni trong các nguồn nước ngầm tại một


8
số vùng trên đều cao hơn quy chuẩn cho phép (theo QCVN 09:2008/BTNMT - Quy
chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm) khoảng 70 – 80% [8].
Tại tỉnh Hà Nam, hàm lượng amoni trong nước ngầm ở một số địa phương
cho thấy phần lớn đều cao hơn hàng trăm lần mức quy chuẩn cho phép như ở xã Bồ
Đề và xã Bối Cầu (huyện Bình Lục) là 754 và 647 lần [8].
Trong kết quả phân tích mẫu nước ngầm ở xã Nghĩa Minh, huyện Nghĩa
Hưng, Nam Định, hàm lượng amoni từ 29,6 – 36,4 mg/L; vượt quá giới hạn cho
phép từ 296 - 364 lần [8].
Tại điểm quan trắc Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội, hàm lượng amoni
lên đến 23,30 mg/L; gấp 233 lần tiêu chuẩn cho phép [8].
1.3. Khái quát một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm
Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất
hữu cơ, nitrit, nitrat, và amoni. Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước
ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng.
Lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cần xem xét hai yếu tố chính là hiệu
quả xử lý và giá thành, điều quan trọng để quyết định phương pháp xử lý phụ thuộc
vào nồng độ amoni trong môi trường nước. Nếu nồng độ amoni khoảng dưới 100
mg/L thì sử dụng phương pháp vi sinh là thích hợp nhất, nồng độ amoni từ 100 –
5000 mg/L cũng sử dụng phương pháp vi sinh hoặc có thể sử dụng phương pháp
sục khí bay hơi, nồng độ amoni lớn hơn 5000 mg/L nên sử dụng phương pháp hóa
lý phù hợp về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế [11].
1.3.1. Phương pháp Clo hoá

Clo gần như là chất oxy hóa mạnh có khả năng oxy hoá amoni/amoniac ở
nhiệt độ phòng thành nitơ không khí [9]. Khi hoà tan Clo trong nước tuỳ theo pH
của nước mà Clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương
trình:
Cl 2 + H 2 O

HCl + HClO

(pH < 7)

HClO

H+ + ClO-

(pH > 8)

Khi trong nước có amoni sẽ xảy ra các phản ứng sau:


9
HClO + NH 3

= H 2 O + NH 2 Cl (Monocloramin)

HClO + NH 2 Cl = H 2 O + NHCl 2 (Dicloramin)
HClO + NHCl 2 = H 2 O + NCl 3 (Tricloramin)
Nếu có Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ các Cloramin:
HClO +2 NH 2 Cl = N 2 + 3Cl- + H 2 O
Lúc này lượng Clo dư trong nước sẽ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra
phản ứng phân huỷ Cloramin.

Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của Clo với các hợp
chất hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni. Khi amoni phản ứng gần hết,
Clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều hợp
chất Clo 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.
1.3.2. Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng
Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH 4 +

NH 3 (khí hoà tan) + H+

pk a = 9,5

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí amoniac so với ion amoni.
Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH 3 ]/[ NH 4 +] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng
chuyển về phía tạo thành NH 3 . Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi
khí thì amoniac sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:
NH 4 + + OH-

NH 3 + H 2 O

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi amoniac ở
mức 1600 m3 không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi
trường. Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ
amoni xuống dưới 1,5 mg/L nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp [9].
1.3.3. Phương pháp ozon hoá với xúc tác brom
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hoá điểm đột biến người ta
có thể thay thế một số tác nhân oxy hoá khác là ozon với sự có mặt của brom [9].
Dưới tác dụng của ozon, brom bị oxy hoá thành BrO- theo phản ứng sau đây:

10
Br- + O 3 + H+ = HBrO + O 2
Phản ứng oxy hoá amoni được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion
ClONH 3

+ HBrO

= NH 2 Br + H 2 O

NH 2 Br + HBrO

= NHBr 2 + H 2 O

NH 2 Br + NHBr 2

= N 2 + 3Br- + H+

Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp Clo hoá và Ozon hoá
xúc tác brom.
1.3.4. Phương pháp trao đổi ion
Quá trình trao đổi ion là một quá trình hoá lý thuận nghịch trong đó xảy ra
phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt hoặc
bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó [9]. Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật
bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như
sau:
AX + B-

AB + X-

CY + D+

CD + Y+

Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation.
Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung
dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu
điện tích. Nhựa trao đổi cation (cationit) là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có
chứa các nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó R là
gốc hữu cơ phức tạp, có thể là: COOH-, Cl-… Phản ứng trao đổi cation giữa chất
trao đổi và cation có trong dung dịch.
R-H(Na) + NH 4 +
2R-H

+ Ca2+

R-NH 4 + H+(Na+)
R 2 Ca

+ 2H+

Chất trao đổi ion có thể có sẵn trong tự nhiên như các loại khoáng sét, trong
đó quan trọng nhất là zeolit, các loại sợi,…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp
(aluminosilicat, aluminophotphat,…) hoặc hữu cơ (nhựa trao đổi ion). Trong thực tế
nhựa trao đổi ion được sản xuất và ứng dụng rộng rãi nhất. Trong nước ngầm, ngoài


11
ion amoni (thường chiếm tỉ lệ thấp so với các cation khác) còn tồn tại các cation hoá

trị I và hoá trị II như Ca2+, Mg2+, K+, Na+,…phần lớn các nhựa cation có độ chọn
lọc thấp đối với ion amoni. Để ứng dụng thực tiễn cần tìm được chất trao đổi ion có
độ chọn lọc cao đối với ion amoni. Trong khi đó, Zeolic, đặc biệt là loại
Clinoptilolit tự nhiên có thể đáp ứng được đòi hỏi trên. Clinoptilolit là loại Zeolic tự
nhiên có công thức hoá học là (Na 4 K 4 )Al 20 O 40 .20H 2 O, độ lớn mao quản nằm trong
khoảng 3-8 A0, độ xốp khoảng 34%. Độ chọn lọc của Clinoptilolit đối với ion
amoni tuân theo thứ tự:
Cs+>Rb+>K+>NH 4 +>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+Mg2+>Li+
Từ dãy chọn lọc này cho thấy hầu hết các cation có mặt trong nước tự nhiên
như: Ca2+, Mg2+, Na+ đều có tính chọn lọc kém hơn so với amoni và tính chọn lọc
của amoni gần ngang với Kali .
1.3.5. Phương pháp sinh học
Trong nước ngầm, các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất
hữu cơ, nitrit, nitrat, và amoni. Vấn đề xử lý amoni trong nước ngầm, nhất là ở
mức nồng độ cao cỡ 10 ÷ 20 mg/L và hơn nữa, còn khá mới mẻ không chỉ ở Việt
Nam mà còn trên thế giới. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, trong số các phương
pháp xử lí amoni trong nước ngầm thì phương pháp oxy

hóa bằng vi sinh

tỏ ra có nhiều ưu điểm. Phương pháp này không gây ô nhiễm, không cần giai
đoạn xử lý phụ như phương pháp clo hóa, hoặc tốn kém trong công đoạn hoàn
nguyên vật liệu như trao đổi cation.
Hạn chế của phương pháp này là lượng bùn sinh ra trong quá trình xử lý,
trong quá trình xử lý có thể sinh mùi, quá trình bổ sung dưỡng chất vi lượng khó
kiểm soát.
Phương pháp vi sinh xuất phát từ những tính năng của nó như xử lý dễ dàng
các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm
với một chất lượng hoàn toàn bảo đảm sạch và ổn định về hoạt tính sinh học, chất
lượng (cả về mùi, vị và tính ăn mòn).

12
Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, trong số các phương pháp xử lý amoni
trong nước ngầm thì phương pháp oxy hóa vi sinh - lọc sinh học ngập nước có thổi
khí, có hoặc không có quá trình khử nitrat (tùy theo nồng độ amoni ban đầu) tỏ ra
có nhiều ưu điểm hơn cả. Phương pháp này không gây ô nhiễm, không cần giai
đoạn xử lý phụ như phương pháp Clo hóa, hoặc tốn kém trong công đoạn hoàn
nguyên vật liệu như trao đổi cation [1].
Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni được so sánh qua bảng
dưới đây.
Bảng 1.1. So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý amoni trong môi
trường nước
Phương

Ưu điểm

Nhược điểm

pháp
Clo hóa đến - Có thể oxy hóa - Sinh ra dư lượng Clo cao gây độc với hệ thuỷ
điểm đột

hoàn toàn

biến

amoni
- Đầu tư thấp
- Không gian

nhỏ.

sinh và con người.
- Quá trình rất nhạy cảm và chịu ảnh hưởng lớn
của pH.
- Chi phí vận hành cao bởi hoá chất.
- Lượng Clo tăng làm tăng TDS.
- Có thể không đạt được tiêu chuẩn amoni cho
phép.
- Đòi hỏi người vận hành có kỹ năng thành thạo.

Trao
đổi ion

- Có thể đạt tổng - Chất hữu cơ có thể gây kết dính nhựa.
lượng nitơ tiêu
chuẩn.
- Dùng cho sản
phẩm đòi hỏi

- Nồng độ amoni cao có thể làm giảm hiệu quả
loại amoni.
- Đầu vào cần được lọc thường xuyên tránh tắc
cột.

chất lượng cao. - Tái sinh cột yêu cầu thiết bị phụ trợ khác nh
- Dễ kiểm soát
sản phẩm.

máy thổi khí.

- Chi phí đầu tư và vận hành cao.


13
Phương

Ưu điểm

Nhược điểm

pháp
- Cần kỹ năng vận hành cao.
Thổi khí

- Quá trình có

- Quá trình nhạy cảm với nhiệt độ.

thể kiểm soát

- Hay gây độ đục.

đối với việc

- Phải kiểm soát pH thường xuyên.

loại amoni chọn
lọc.
- Áp dụng tốt
nhất khi kết

hợp hệ thống
cung cấp vôi để
loại phospho.
- Quá trình có
thể đạt được
tiêu chuẩn tổng
lượng nitơ cho
phép.
- Không bị ảnh
hưởng bởi các
chất độc.
Vi sinh

- Quá trình có
thể đạt được
tiêu chuẩn tổng
lượng nitơ cho
phép.
- Vốn đầu tư
thấp.

- Phải hoạt động liên tục.
- Chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ, pH, DO.


14
Phương

Ưu điểm

Nhược điểm

pháp
- Ổn định về hoạt
tính sinh học.
- Chất lượng cao.
1.4. Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở Việt Nam
Trong những năm gần đây chúng ta có một số công trình nghiên cứu xử lý
amoni trong nước ngầm và nước cấp, các nghiên cứu còn hạn chế và chưa đầy đủ
nhưng có thể liệt kê một số công trình nghiên cứu sau đây:
-

Hoàn thiện công nghệ xử lý nước để áp dụng cho một số nguồn nước bị
nhiễm asen; nguồn nước bị nhiễm amoni với hàm lượng lớn, chủ nghiệm đề
tài: KS. Đinh Viết Đường, Công ty nước và môi trường Việt Nam.

-

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội, Nguyễn Văn Khôi, Cao
Thế Hà (2002) - Đề tài cấp thành phố 01C-09/11-2002.

-

Báo cáo kết quả nghiên cứu xử lý amoni tại Pilot Pháp Vân, Cao Thế Hà, Lê
Văn Chiểu, Nguyễn Văn Khôi, Bùi Văn Mật, Ngô Ngọc Anh (2004).

-

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm Hà Nội, đề tài cấp thành phố 01C
– 09/11-2002-2, Chủ trì Nguyễn Văn Khôi – Sở giao thông công chính Hà

Nội.

-

Báo cáo bước đầu xử lý amoni cho nhà máy nước Nam Dương công suất
30000m3/ngày.đêm, (2002), Công ty tư vấn thoát nước và môi trường Việt
Nam (VIWASE Vietnam Water Supply and Environment).

-

Các đề tài xử lý nitơ quy mô nhỏ của Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ
Việt Nam bằng phương pháp vi sinh, chủ trì đề tài Nguyễn Văn Nhị.

-

Đề tài xử lý Nitơ quy mô nhỏ bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu
Zeolit, chủ trì Nguyễn Hữu Phú - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.


15
-

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm bằng điện thẩm tách (EDR), chủ
trì đề tài Nguyễn Thị Hà, Đề tài cấp Đại học quốc gia Hà Nội, mã số
QT.05.36,2005.

-

Xây dựng công nghệ khả thi xử lý amoni và asen trong nước sinh hoạt, Viện

Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Phần lớn các đề tài trên đều khẳng định có thể xử lý amoni trong nước ngầm.

Các đề tài đều khẳng định phương pháp sinh học là định hướng chính và việc sử
dụng vi khuẩn nitrat cũng rất phổ biến. Ở nước ta hiện nay vấn đề xử lý amoni trong
nước ngầm là một trong những vấn đề còn phức tạp. Điều này sẽ tạo điều kiện thúc
đẩy nhiều nghiên cứu về lĩnh vực xử lý amoni trong nước ngầm ở Việt Nam.
1.5. Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa
1.5.1. Vi khuẩn nitrat hóa
Vi khuẩn nitrat hóa gồm hai nhóm: tự dưỡng và dị dưỡng. Nhóm vi khuẩn tự
dưỡng là nhóm vi khuẩn sử dụng CO 2 như là nguồn cacbon duy nhất tạo nên vật
chất của tế bào. Nhóm dị dưỡng cũng có thể đảm nhiệm quá trình nitrat hóa nhưng
chậm hơn so với nhóm tự dưỡng rất nhiều, để sinh trưởng vi khuẩn nitrat hóa dị
dưỡng phụ thuộc hoàn toàn vào sự oxy hóa chất hữu cơ [7].
Tất cả các chủng vi khuẩn nitrat hóa đều là vi khuẩn hiếu khí, nhưng một vài
chủng có thể sinh trưởng ở nồng độ oxy thấp. Vi khuẩn có rất nhiều hình dạng như:
hình que, hình cầu, vi khuẩn có tiêm mao hoặc chùm mao, không có nội bào tử. Hầu
hết các chủng vi khuẩn nitrat hóa đều là vi khuẩn gram âm.
1.5.2. Đặc điểm phân bố của vi khuẩn nitrat hóa
Vi khuẩn nitrat hóa được phân bố khắp nơi trong đất, nước và trong môi
trường biển từ khi được khám phá bởi S. N. Winogradsky vào cuối thế kỷ 19.
Chúng cũng được tìm thấy trong các môi trường khắc nghiệt như sa thạch, soda
kiềm, băng Nam Cực, hoặc trong bọt biển [7].
Quá trình nitrat hóa được thực hiện thông qua hai bước với sự tham gia của
hai nhóm vi khuẩn. Vi khuẩn oxy hóa amoni thành nitrit và vi khuẩn oxy hóa nitrit
thành nitrat, không nhóm vi khuẩn tự dưỡng nào có thể oxy hóa trực tiếp amoni