Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

NGUYỄN XUÂN HUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Fe0 NANO ĐỂ XỬ LÝ
KẾT HỢP NITRAT VÀ PHOTPHAT TRONG NƢỚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Hà Nội - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

NGUYỄN XUÂN HUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Fe0 NANO ĐỂ XỬ LÝ
KẾT HỢP NITRAT VÀ PHOTPHAT TRONG NƢỚC

Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc
Mã số: 9440301.02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Lê Đức

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của giáo viên hƣớng dẫn. Các số liệu và kết quả đƣợc đƣa ra trong luận
án là trung thực, đƣợc các đồng tác giả cho phép sử dụng. Một số kết quả đã đƣợc
công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành phù hợp với qui định hiện hành.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả
nghiên cứu trong luận án của mình.
Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Huân


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án tiến sĩ này, trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc và kính trọng nhất đến thầy giáo PGS.TS. Lê Đức, giảng viên Khoa Môi trường,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã tận tình
hướng dẫn, góp ý, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian học và thực hiện
luận án tiến sĩ.
Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Môi
trường, Phòng thí nghiệm Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất, Khoa Môi trường,
trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho việc triển khai thí nghiệm và phân tích số liệu cũng như thời gian làm
việc để tôi có thể hoàn thành luận án tiến sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô Khoa Môi trường, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tận tình giảng dạy và truyền
thụ những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập để có thể hoàn

thành luận án tiến sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh, chị, em và bạn bè đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án tiến sĩ
Những lời cảm ơn sau cùng xin dành cho bố, mẹ, vợ cùng các con và anh chị
em trong gia đình đã hết lòng quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành
được luận án tiến sĩ này.
Hà Nội, Ngày

tháng

năm 2020


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................... 12
1.1. Ô NHIỄM NITRAT, PHOTPHAT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ......12
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất và chuyển hóa của nitrat, photphat........................12
1.1.2. Ô nhiễm nitrat, photphat trong nƣớc .......................................................14
1.1.3. Ảnh hƣởng của nitrat, photphat đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời 18
1.1.4. Phƣơng pháp xử lý nitrat, photphat trong nƣớc .......................................20
1.2. VẬT LIỆU NANO, ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT CỦA Fe0 NANO VÀ ỨNG
DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG .............................................................27
1.2.1. Khái niệm vật liệu nano ...........................................................................27
1.2.2. Tính chất của vật liệu nano ......................................................................28
1.2.3. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ...................................................29
1.2.4. Đặc điểm, tính chất của Fe0 nano ............................................................37
1.2.5. Một số ứng dụng trong xử lý môi trƣờng của Fe0 nano ...........................39
1.3. THỰC TRẠNG SẢN XUẤT BIA VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC .48
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 52

2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................................52
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..........................................................................52
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................53
2.3.1. Phƣơng pháp điều chế vật liệu Fe0 nano..................................................53
2.3.2. Phƣơng pháp xác định đặc điểm, tính chất của vật liệu Fe0 nano ...........55
2.3.3. Phƣơng pháp xác định hiệu quả xử lý riêng nitrat bằng liệu Fe0 nano ....55
2.3.4. Phƣơng pháp xác định hiệu quả xử lý riêng photphat bằng Fe0 nano .....56
2.3.5. Nghiên cứu xử lý kết hợp nitrat và photphat bằng Fe0 nano ...................57
2.3.6. Nghiên cứu ảnh hƣởng của Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+ đến hiệu quả xử lý kết
hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano .................................59
2.3.7. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ oxy hòa tan trong nƣớc đến hiệu quả
xử lý kết hợp nitrat và photphat bằng vật liệu Fe0 nano ....................................59
2.3.8. Nghiên cứu ảnh hƣởng của cách thức điều chỉnh pH đến hiệu quả xử lý
kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano ...........................60
2.3.9. Phƣơng pháp xác định một số chỉ tiêu cơ bản của nƣớc .........................61
2.3.10. Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm nâng cao hiệu quả xử lý N và P trong
nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội bằng vật liệu Fe0 nano ......................................61
2.3.11. Phƣơng pháp thống kê và xử lý số liệu .................................................61
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 63
3.1. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU Fe0 NANO .............63
3.1.1. Kết quả nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X của Fe0 nano ..............................63

1


3.1.2. Kết quả chụp ảnh SEM, TEM vật liệu Fe0 nano .....................................65
3.1.3. Kết quả xác định diện tích bề mặt ...........................................................68
3.1.4. Xác định thế zeta của Fe0 nano ................................................................70
3.2. HIỆU QUẢ XỬ LÝ RIÊNG NITRAT, PHOTPHAT BẰNG Fe0 NANO ....72
3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý riêng nitrat ........................72

3.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý riêng nitrat ..73
3.2.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý riêng photphat ..................74
3.2.4. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý riêng photphat ............................75
3.3. HIỆU QUẢ CỦA VIỆC XỬ LÝ KẾT HỢP NITRAT, PHOTPHAT VÀ
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ ...................................78
3.3.1. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat 78
3.3.2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat ..........80
3.3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ Fe0 nano sử dụng đến hiệu quả xử lý kết hợp
nitrat và photphat ...............................................................................................82
3.3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ nitrat và photphat đầu vào đến hiệu quả xử lý
kết hợp nitrat và photphat bằng Fe0 nano...........................................................83
3.3.5. Ảnh hƣởng của Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+ đến hiệu quả xử lý kết hợp nitrat
và photphat bằng vật liệu Fe0 nano ....................................................................85
3.3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ oxy hòa tan trong nƣớc đến hiệu quả xử lý kết
hợp nitrat và photphat bằng vật liệu Fe0 nano ...................................................90
3.3.7. Ảnh hƣởng của các loại axit khác nhau sử dụng để điều chỉnh pH đến
hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng Fe0 nano................93
3.4. ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT CÁC NGUỒN NƢỚC THẢI TẠI NHÀ MÁY
BIA HÀ NỘI VÀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
HIỆN TẠI ............................................................................................................101
3.4.1. Một số kết quả về hoạt động sản xuất của nhà máy bia Hà Nội ............101
3.4.2. Tính chất nƣớc thải sinh hoạt tại nhà máy bia Hà Nội ..........................113
3.4.3. Tính chất nƣớc thải sản xuất tại nhà máy bia Hà Nội ...........................114
3.4.4. Hiệu quả của hệ thống xử lý nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội .................115
3.5. HIỆN TRẠNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC MẶT TẠI ĐIỂM TIẾP NHẬN
NƢỚC THẢI NHÀ MÁY BIA HÀ NỘI ............................................................119
3.6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ N VÀ P
TRONG NƢỚC THẢI NHÀ MÁY BIA HÀ NỘI BẰNG Fe0 NANO ..............121
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................................... 126
KẾT LUẬN .........................................................................................................126

KHUYẾN NGHỊ .................................................................................................127
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ............................................................................................................... 128
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 142

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BTNMT: Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng
BET (Brunauer Emmett Teillor): Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt
BOD5 (Biochemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxi sinh hóa
COD (Chemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxi hóa học
DO (Dissolved Oxygen): Oxi hòa tan
Fe0 nano: Sắt hóa trị (0) và kích thƣớc nano mét
Fe0 micro: Sắt hóa trị (0) và kích thƣớc micro mét
FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy): Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi
Fourier
IEP (Isoelectric Point): Điểm đẳng điện
NTS: Nitơ tổng số
nZVI: Sắt hóa trị (0) và kích thƣớc nano mét
ppm: một phần triệu
PAA: Polyacrylamid
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
QĐ: Quyết định
RNIP (Reactive Nanoscale Iron Particles): Những hạt sắt có kích thƣớc nano mét dễ dàng
tham gia phản ứng hóa học
SEM: Kính hiển vi điển tử quét
TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TSS: Tổng chất rắn lơ lửng
UBND: Ủy ban nhân dân
XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy): Phổ kế quang điện tử tia X
XRD (X-Ray Diffraction): Nhiễu xạ tia X
ATP (Adenosine Triphosphate ): là 1 hợp chất giàu năng lƣợng sinh hóa học
ADP (Adenosine Diphosphat): Đƣợc hình thành từ ATP sau bị đứt một liên kết cao năng,
giải phóng một gốc photphat để cung cấp năng lƣợng.
AMP (Adenosine Monophosphate): là một nuclêotit bao gồm một nhóm photphat

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tích số tan của một số hợp chất photphat với canxi, sắt, nhôm ở 250C............. 25
Bảng 3.1. Số liệu về lƣợng nitrat xử lý trên 1g vật liệu Fe0 nano và hiệu suất xử lý nitrat khi
thay đổi nồng độ nitrat và photphat ban đầu ........................................................................ 83
Bảng 3.2. Số liệu về nồng độ photphat sau xử lý và tính toán số liệu thiết lập phƣơng trình
hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .............................................................................................. 83
Bảng 3.3. Nhu cầu năng lƣợng và nhiên liệu ..................................................................... 104
Bảng 3.4. Nhu cầu về nguyên liệu, vật liệu ....................................................................... 104
Bảng 3.5. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc thải sinh hoạt tại nhà máy bia Hà Nội ...... 113
Bảng 3.6. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc thải sản xuất tại nhà máy bia Hà Nội ....... 114
Bảng 3.7. Hiệu quả xử lý nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội qua từng công đoạn xử lý ....... 115
Bảng 3.8. Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc mặt tại điểm tiếp nhận ............................... 119
Bảng PL1. Nồng độ nitrat sau xử lý và hiệu suất xử lý theo thời gian .............................. 142
Bảng PL2. Nồng độ nitrat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau .................... 142
Bảng PL3. Nồng độ photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý theo thời gian ........................ 143
Bảng PL4. Nồng độ photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau ............... 143
Bảng PL5. Nồng độ nitrat, photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý kết hợp nitrat và photphat
theo thời gian ..................................................................................................................... 144

Bảng PL6. Nồng độ nitrat, photphat sau xử lý và hiệu suất kết hợp xử lý nitrat và photphat
theo pH ............................................................................................................................... 144
Bảng PL7. Ảnh hƣởng của DO đến hiệu quả xử lý nitrat bởi Fe0 nano theo pH............... 144
Bảng PL8. Ảnh hƣởng của DO đến hiệu quả xử lý photphat bởi Fe0 nano theo pH ......... 145
Bảng PL9. Nồng độ N-NO3- còn lại sau xử lý khi điều chỉnh pH bằng các axit khác nhau ... 146
Bảng PL10. Nồng độ N-NH4+ tạo thành sau xử lý khi điều chỉnh pH bằng các axit khác
nhau .................................................................................................................................... 146
Bảng PL11. Nồng độ N-NO2- tạo thành sau xử lý khi điều chỉnh pH bằng các axit khác
nhau .................................................................................................................................... 146
Bảng PL12. Nồng độ N mất đi ở dạng khí sau xử lý khi điều chỉnh pH bằng các axit khác
nhau .................................................................................................................................... 147
Bảng PL13. Nồng độ N bị vật liệu hấp phụ sau xử lý khi điều chỉnh pH bằng các axit khác
nhau .................................................................................................................................... 147
Bảng PL14. Nồng độ N và P còn lại sau xử lý khi bổ sung Fe0 nano tại bể điều hòa ....... 148
Bảng PL15. Nồng độ N và P còn lại sau xử lý khi bổ sung Fe0 nano tại bể yếm khí ........ 148
Bảng PL16. Nồng độ N và P còn lại sau xử lý khi bổ sung Fe0 nano tại bể hiếu khí ........ 149
Bảng PL17. Nồng độ N và P còn lại sau xử lý khi bổ sung Fe0 nano tại bể lắng .............. 149

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Chu trình N trong tự nhiên .................................................................................. 12
Hình 1.2. Chu trình P trong tự nhiên .................................................................................. 13
Hình 1.3. Cấu trúc lõi vỏ của hạt Fe0 nano .......................................................................... 37
Hình 2.1. Sản phẩm vật liệu Fe0 nano sau chế tạo và bảo quản ở điều kiện thƣờng ........... 54
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của Fe0 nano .......................................................................... 64
Hình 3.2. Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano điều chế bởi Yuan-Pang Sun và cộng sự ........ 65
Hình 3.3. Ảnh SEM vật liệu Fe0 nano ................................................................................. 66
Hình 3.4. Ảnh TEM vật liệu Fe0 nano ................................................................................. 66

Hình 3.5. Phổ FT-IR của mẫu Fe0 nano đƣợc bọc bởi PAA và mẫu PAA .......................... 67
Hình 3.6. Kết quả phân tích diện tích bề mặt Fe0 nano bằng phƣơng pháp BET ................ 69
Hình 3.7. Thế zeta của Fe0 nano theo pH ............................................................................ 71
Hình 3.8. Nồng độ nitrat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các thời gian khác nhau ............... 72
Hình 3.9. Nồng độ nitrat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau ........................ 73
Hình 3.10. Nồng độ photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các thời gian khác nhau........ 75
Hình 3.11. Nồng độ photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau ................. 76
Hình 3.12. Cơ chế xử lý photphat bằng Fe0 nano phụ thuộc vào pH .................................. 77
Hình 3.13. Nồng độ nitrat, photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý kết hợp nitrat và photphat
theo thời gian ....................................................................................................................... 78
Hình 3.14. So sánh hiệu quả xử lý kết hợp với xử lý riêng nitrat và photphat .................... 79
Hình 3.15. Cơ chế kết hợp xử lý nitrat và photphat bằng vật liệu Fe0 nano ........................ 80
Hình 3.16. Nồng độ nitrat, photphat sau xử lý và hiệu suất kết hợp xử lý nitrat và photphat
theo pH ................................................................................................................................. 81
Hình 3.17. So sánh hiệu quả xử lý kết hợp với xử lý riêng nitrat và photphat theo pH ...... 81
Hình 3.18. Nồng độ nitrat và photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý kết hợp nitrat và
photphat theo nồng độ Fe0 sử dụng...................................................................................... 82
Hình 3.19. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir photphat của vật liệu Fe0 nano ............... 84
Hình 3.20. Nồng độ nitrat, photphat sau xử lý và hiệu suất xử lý kết hợp khi thay đổi nồng
độ nitrat và photphat ban đầu ............................................................................................... 84
Hình 3.21. Ảnh hƣởng của Cu2+ đến hiệu quả xử lý nitrat và photphat với nồng độ nitrat và
photphat ban đầu là 50 mg/L ............................................................................................... 86

5


Hình 3.22. Ảnh hƣởng của Pb2+, Cd2+ đến hiệu quả xử lý nitrat và photphat với nồng độ
nitrat và photphat ban đầu là 50 mg/L ................................................................................. 88
Hình 3.23. Ảnh hƣởng của Zn2+ đến hiệu quả xử lý nitrat và photphat với nồng độ nitrat và
photphat ban đầu là 50 mg/L ............................................................................................... 89

Hình 3.24. Ảnh hƣởng của DO đến hiệu quả xử lý nitrat bởi Fe0 nano theo pH ................. 90
Hình 3.25. Ảnh hƣởng của DO đến hiệu quả xử lý photphat bởi Fe0 nano theo pH ........... 92
Hình 3.26. Nồng độ N-NO3- còn lại sau xử lý ..................................................................... 93
Hình 3.27. Nồng độ N-NH4+ tạo thành sau xử lý ................................................................ 94
Hình 3.28. Nồng độ N-NO2- tạo thành sau xử lý ................................................................. 95
Hình 3.29. N mất đi ở dạng khí sau xử lý ............................................................................ 96
Hình 3.30. N bị vật liệu hấp phụ sau xử lý .......................................................................... 97
Hình 3.31. So sánh hiệu suất xử lý nitrat khi điều chỉnh pH bằng các axit khác nhau ....... 98
Hình 3.32. So sánh hiệu suất xử lý photphat khi điều chỉnh pH bằng các axit khác nhau .. 98
Hình 3.33. So sánh hiệu suất loại bỏ N khi điều chỉnh pH bằng các axit khác nhau ......... 99
Hình 3.34. Sơ đồ quy trình sản xuất bia ............................................................................ 103
Hình 3.35. Sơ đồ thu gom và thoát nƣớc thải của nhà máy bia Hà Nội ............................ 106
Hình 3.36. Quy trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng bể phốt 3 ngăn ................................ 106
Hình 3.37. Nguyên lý hoạt động của bể phốt tự hoại 3 ngăn ............................................ 106
Hình 3.38. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc thải của nhà máy bia Hà Nội ............................. 108
Hình 3.39. Diễn biến các dạng N qua các công đoạn xử lý ............................................... 117
Hình 3.40. Diễn biến các dạng P qua các công đoạn xử lý................................................ 117
Hình 3.41. Hiệu quả xử lý N và P khi bổ sung Fe0 nano tại bể điều hòa.......................... 121
Hình 3.42. Hiệu quả xử lý N và P khi bổ sung Fe0 nano tại bể yếm khí .......................... 122
Hình 3.43. Hiệu quả xử lý N và P khi bổ sung Fe0 nano tại bể hiếu khí .......................... 123
Hình 3.44. Hiệu quả xử lý N và P khi bổ sung Fe0 nano tại bể lắng ................................. 124

6


MỞ ĐẦU
Quá trình phát triển kinh tế-xã hội trong thời gian qua đã góp phần nâng cao
đáng kể chất lƣợng sống của ngƣời dân. Tuy nhiên, đi kèm với đó là những áp lực
không nhỏ tác động lên môi trƣờng, đặc biệt là đối với môi trƣờng nƣớc. Sử dụng
hợp lý tài nguyên nƣớc nói chung và nƣớc sinh hoạt nói riêng đang là một vấn đề

toàn xã hội quan tâm khi mà tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc bởi nitơ (N) và photpho
(P) ngày càng nghiêm trọng. N và P là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở
tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất
công nghiệp, nông nghiệp. N và P là thành phần dinh dƣỡng quan trọng trong sự
sinh trƣởng và phát triển của các loài sinh vật nhƣng khi sự xuất hiện với một hàm
lƣợng lớn trong nƣớc thải thì chúng lại là đối tƣợng gây ô nhiễm khá nghiêm trọng
cho môi trƣờng. Khi thải 1 kg N và P vào môi trƣờng nƣớc thì tƣơng ứng sẽ tạo ra
20 và 138 kg COD dƣới dạng tảo chết [3]. Nguyên nhân chủ yếu làm tăng hàm
lƣợng các chất ô nhiễm chứa N và P trong nƣớc mặt là các nguồn chất thải sinh hoạt
của con ngƣời, động vật và các trang trại chăn nuôi gia súc, chất thải công nghiệp
hoặc từ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và sản xuất bia [11, 29]. Nitrat và
photphat là hai dạng tồn tại chính của chu trình N và P trong tự nhiên. Tình hình ô
nhiễm nitrat và photphat trong hệ thống nƣớc mặt và nƣớc ngầm hiện đang ngày
càng nghiêm trọng. Nƣớc bị ô nhiễm nitrat và photphat có thể gây hại cho sức khỏe
của con ngƣời khi sử dụng cho mục đích ăn uống hay sinh hoạt. Ngoài ra, hàm
lƣợng nitrat và photphat quá cao trong nƣớc còn gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng
nguồn nƣớc, tác động xấu tới hệ thủy sinh vật cũng nhƣ cảnh quan, gây mùi hôi thối
ảnh hƣởng đến mục đích sử dụng của các thủy vực. Việc loại bỏ nitrat và photphat
trong nƣớc thải của các khu đô thị, nhà máy hay xí nghiệp là vô cùng cần thiết và
cấp bách vì chúng đƣợc coi là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm N và P trong
nƣớc. Để xử lý nitrat và photphat trong nƣớc đã có nhiều nghiên cứu với các giải
pháp công nghệ khác nhau đƣợc tiến hành. Phƣơng pháp ứng dụng công nghệ nano
đã và đang đƣợc các nhà nghiên cứu đƣa vào xử lý môi trƣờng bởi những tiện ích
đáng kể của nó. Công nghệ nano thƣờng đƣợc nói đến nhƣ một cuộc cách mạng

7


trong lĩnh cực công nghệ mới. Đặc biệt là lĩnh vực y học và môi trƣờng, các nano có
thể là chất dẫn truyền thuốc, là chất xử lý ô nhiễm môi trƣờng [100]. Trong công

nghệ nano thì sắt có hóa trị 0 và kích thƣớc nano (Fe0 nano) đƣợc các nhà khoa học
quan tâm lựa chọn nhiều trong ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhƣ: xử lý nƣớc
thải có chứa các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực
vật trong đất và nƣớc [8, 14, 17, 28, 50, 64, 73, 83, 84]. Theo các tài liệu này Fe0
nano hoàn toàn không độc và an toàn với môi trƣờng, việc sử dụng Fe0 nano trong xử
lý ô nhiễm môi trƣờng đạt hiệu suất rất cao [19, 51, 56, 95, 105] . Fe0 nano trong điều
kiện môi trƣờng bình thƣờng có thể đóng vai trò là một chất cho electron (chất khử)
để khử nitrat và sau đó biến đổi thành vật liệu có cấu trúc lõi vỏ để hấp phụ
photphat. Hơn nữa, Fe0 nano còn là vật liệu có thể điều chế bằng nhiều phƣơng pháp
khác nhau với giá thành hợp lý, dễ chế tạo, dễ dàng biến tính để nâng cao hiệu suất xử
lý.
Sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp chế biến thực phẩm sử
dụng lƣợng nƣớc lớn và tạo ra một lƣợng lớn nƣớc thải. Nƣớc thải của nhà máy bia
có hàm lƣợng chất hữu cơ dễ phân huỷ cao có thể gây ảnh hƣởng nghiêm trọng cho
con ngƣời, môi trƣờng và sinh vật thủy sinh nếu không đƣợc xử lý đúng cách [70].
Do đó, việc xử lý và xử lý an toàn nƣớc thải là rất quan trọng trong việc vận hành
các nhà máy bia [81]. Phƣơng pháp xử lý truyền thống tại các nhà máy bia nhƣ
đông tụ/keo tụ, ly tâm và tách lắng trọng lực có những hạn chế nhất định trong việc
xử lý COD và các hợp chất chứa N, P. Theo Guida và cộng sự (2007), các phƣơng
pháp này có hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao, hệ thống xử lý lớn và tạo ra
các chất ô nhiễm thứ cấp [36, 41]. Nhà máy bia Hà Nội tại Hƣng Yên có công suất
50 triệu lít/năm, với lƣu lƣợng xả nƣớc thải khoảng 750 m3/ngày đêm. Hệ thống xử
lý nƣớc thải hiện tại của nhà máy mới chỉ đáp ứng theo tiêu chuẩn QCVN
40:2011/BTNMT, cột B đối với N và P-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải
công nghiệp. Theo Quyết định số 28/2017/ QĐ-UBND ngày 05/12/2017 của UBND
tỉnh Hƣng Yên về công tác bảo vệ môi trƣờng trên địa bàn tỉnh thì các khu sản xuất,
kinh doanh, dịch vụ phải có hệ thống thu gom và xử lý nƣớc thải đạt giá trị giới hạn

8

quy định tại Cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Để
đạt đƣợc điều này, cần phải có biện pháp phù hợp cho việc tăng cƣờng hiệu quả xử
lý nƣớc thải của nhà máy bia. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu
Fe0 nano trong việc xử lý kết hợp nitrat và photphat cho thấy có nhiều ƣu điểm, đặc
biệt trong việc xử lý nƣớc nhằm đạt những tiêu chuẩn cao (Cột A) theo tiêu chuẩn
QCVN 40:2011/BTNMT.
Trên cơ sở những vấn đề đặt ra ở trên, đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng
vật liệu Fe0 nano để xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc” đã đƣợc lựa
chọn nhằm tìm các giải pháp xử lý các nguồn nƣớc thải chứa nitrat và photphat.
Đây là công trình nghiên cứu có triển vọng thực tiễn cao, tiếp nhận đƣợc công nghệ
tiên tiến, đóng góp một phần cơ sở khoa học cho việc nâng cao hiệu quả xử lý nitrat
và photphat trong nƣớc thải nói chung và nƣớc thải nhà máy bia nói riêng góp phần
vào sự nghiệp bảo vệ môi trƣờng.
Mục tiêu của nghiên cứu:
1. Chế tạo đƣợc vật liệu Fe0 nano có đặc điểm, tính chất phù hợp, dễ bảo
quản và ứng dụng trong xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc.
2. Đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng
vật liệu Fe0 nano so với xử lý riêng nitrat và photphat. Xác định các yếu tố ảnh
hƣởng đến hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc từ đó tìm ra điều
kiện phù hợp cho việc ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý kết hợp nitrat và
photphat trong nƣớc.
3. Khảo sát đƣợc tính chất nƣớc thải của nhà máy bia Hà Nội tại Hƣng Yên
và hiệu quả của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện có từ đó thử nghiệm ứng dụng vật
liệu Fe0 nano để nâng cao hiệu quả xử lý N và P.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu của luận án, đối tƣợng nghiên cứu trƣớc
tiên là các mẫu nƣớc đƣợc gây nhiễm nitrat và photphat nhân tạo từ các hóa chất

9

tinh khiết hóa học là KNO3 và KH2PO4 để có thể dễ dàng điều chỉnh các nồng độ
khác nhau và chứng minh đƣợc cơ chế của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat
trong nƣớc bằng Fe0 nano mà không chịu tác động từ các yếu tố khác. Từ các mẫu
nƣớc đã đƣợc gây nhiễm nhân tạo, nghiên cứu đã bổ sung, thay đổi từng các yếu tố
có thể gây ảnh hƣởng đến hiệu quả của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat trong
nƣớc bằng Fe0 nano để tìm ra điều kiện phù hợp cho việc kết hợp xử lý. Sau đó đối
tƣợng nghiên cứu tiếp theo đƣợc lựa chọn là nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội để thử
nghiệm nâng cao hiệu quả xử lý N và P của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại của
nhà máy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án ở quy mô trong phòng thí nghiệm cho cả
nghiên cứu cơ bản trên nền mẫu gây nhiễm nhân tạo và thử nghiệm ứng dụng với
nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
1. Nghiên cứu điều chế vật liệu Fe0 nano có thể bảo quản ở điều kiện tự
nhiên và xác định đặc điểm, tính chất của vật liệu;
2. Nghiên cứu hiệu quả xử lý riêng nitrat và riêng photphat bằng vật liệu Fe0
nano;
3. Nghiên cứu hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat bằng Fe0 nano và ảnh
hƣởng của các yếu tố (thời gian, pH, nồng độ Fe0 nano sử dụng, nồng độ nitrat và
photphat ban đầu, nồng độ của Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, DO và cách thức điều chỉnh
pH) đến hiệu quả xử lý;
4. Khảo sát đƣợc tính chất các nguồn nƣớc thải tại nhà máy bia Hà Nội và hiệu
quả của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại;
5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nitrat và photphat trong nƣớc thải nhà
máy bia Hà Nội bằng Fe0 nano.

10

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
1. Đề tài đã làm rõ hơn cơ sở khoa học về cơ chế kết hợp xử lý nitrat và
photphat bằng vật liệu Fe0 nano, đồng thời góp phần tiếp cận hƣớng nghiên cứu mới
trong việc xử lý nitrat và photphat trong môi trƣờng;
2. Các số liệu thu đƣợc có thể mở ra một hƣớng mới cho việc nâng cao hiệu
quả xử lý N và P có trong nƣớc thải của các nhà máy nhằm đáp ứng yêu cầu nƣớc
thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại A về tổng N và tổng P theo tiêu chuẩn QCVN
40:2011/ BTNMT.
3. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài, góp một phần nhỏ vào phục vụ nghiên
cứu, giảng dạy và ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm môi trƣờng.
Những đóng góp mới của luận án:
1. Đã xác định đƣợc hiệu quả của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat trong
nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano không giảm nhiều so với xử lý riêng nitrat và photphat.
Đã tìm đƣợc điều kiện phù hợp để xử lý N và P trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano.
2. Đã tìm ra giải pháp ứng dụng vật liệu Fe0 nano vào nâng cao hiệu quả xử
lý N và P trong nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội, giúp nƣớc thải sau xử lý có nồng độ
N và P đạt tiêu chuẩn tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A).

11


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Ô NHIỄM NITRAT, PHOTPHAT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1.1. Nguồn gốc, tính chất và chuyển hóa của nitrat, photphat
N là một loại khí chiếm tới 78% bầu khí quyển và rất cần thiết cho sự sống.
Nitrat (NO3-) đƣợc tạo thành tự nhiên từ N trong lòng đất. Cây trồng hấp thụ càng
nhiều N thì năng xuất của mùa màng càng cao. Quá trình hình thành nitrat là một
giai đoạn không thể thiếu trong vòng tuần hoàn của N trong tự nhiên. Thực phẩm và
đồ uống có chứa một hàm lƣợng nitrat thấp thì không có hại cho sức khỏe. Cây cối

hấp thụ nitrat trong đất để lấy dƣỡng chất và có thể sẽ tạo một dƣ lƣợng nhỏ trong lá
và quả. Do tính linh động cao, nitrat dễ dàng thấm vào nguồn nƣớc ngầm. Nếu con
ngƣời và gia súc uống phải nƣớc có nhiều nitrat sẽ dễ bị mắc các chứng bệnh về
máu, đặc biệt là đối với trẻ nhỏ. Nitrat hình thành khi vi sinh vật chuyển hóa phân
bón, phân hủy xác động thực vật. Nếu cây cối không kịp hấp thụ hết lƣợng nitrat
này thì nƣớc mƣa và nƣớc tƣới sẽ làm cho nó ngấm vào lòng đất, làm ô nhiễm
nguồn nƣớc ngầm [67]. Con ngƣời là đối tƣợng chính tạo ra nguồn ô nhiễm nitrat
lớn nhất thông qua các hoạt động nông nghiệp nhƣ: sử dụng phân bón hóa học, chăn
nuôi, nƣớc thải không qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn cho phép.

Hình 1.1. Chu trình N trong tự nhiên [3]

12


Photphat đƣợc hình thành tự nhiên từ nguyên tử P trong môi trƣờng nƣớc, P
là nguyên tố rất quan trọng đối với sinh vật. Chúng có mặt trong thành phần ATP,
ADP, AMP, trong phospholipit, trong axit nucleic. Chính vì thế, P rất cần thiết cho
sinh vật. Trong môi trƣờng nƣớc, P tồn tại ở các dạng: H2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng
polymetaphotphat nhƣ: (NaPO3)6 và P hữu cơ. Trong môi trƣờng tự nhiên, quá trình
trao đổi, hoà tan photphat từ dạng kết tủa hoặc phức bền diễn ra từ từ, quá trình tiêu
thụ photphat diễn ra cân bằng tạo sự phát triển ổn định cho hệ sinh vật. Tuy nhiên
khi lƣợng photphat quá dƣ do nƣớc thải mang đến gây hiện tƣợng phú dƣỡng ở các
lƣu vực [34]. Lƣợng photphat trong hệ sinh thái nƣớc và sinh vật trên cạn không đủ
cung cấp dinh dƣỡng cho các thực vật. Sự thiếu hụt này đƣợc bổ sung bởi các hoạt
động nhân tạo nhƣ việc sản xuất các phân bón photphat từ các quặng photphat
(superphotphat, đisuperphotphat, N, P, K...). Lƣợng P dƣ trong phân bón thấm qua
đất, qua sông ra biển và lắng ở đó. Trong nƣớc mƣa nồng độ P có từ 10-100 mg/m3.
Nguồn phát sinh photphat bao gồm: trong tự nhiên; sản xuất bom, đạn; sản xuất hóa
chất, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật; chất thải, các chất bài tiết của động vật; trong

bùn thải của hệ thống xử lý nƣớc thải…[3].

Hình 1.2. Chu trình P trong tự nhiên [3]

13


1.1.2. Ô nhiễm nitrat, photphat trong nƣớc
Theo báo cáo hiện trạng môi trƣờng Quốc gia năm 2016, môi trƣờng nƣớc
khu vực đô thị đang chịu sức ép rất lớn từ các nguồn thải từ các hoạt động sinh hoạt
của ngƣời dân và các hoạt động phát triển kinh tế, điển hình là nƣớc thải sinh hoạt,
nƣớc thải y tế và nƣớc thải của các cơ sở sản xuất công nghiệp, dịch vụ. Tỷ lệ phần
trăm lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý còn khá thấp đã ảnh hƣởng lớn đến hiện trạng chất
lƣợng môi trƣờng nƣớc ở đô thị. Tại các sông chảy qua khu vực đô thị, chất lƣợng
nƣớc một số đoạn sông đã bị suy giảm. Đối với những sông có lƣu lƣợng nƣớc lớn,
khả năng tự làm sạch tốt, chất lƣợng nƣớc sông khá ổn định, điển hình nhƣ sông
Hồng, sông Thái Bình, sông Đồng Nai. Đối với những sông có lƣu lƣợng nƣớc nhỏ
hơn, khả năng phục hồi hạn chế, chất lƣợng nƣớc bị suy giảm đáng kể ở các khu
vực chảy qua nội thành, nội thị, điển hình nhƣ sông Nhuệ, sông Cầu, sông Sài
Gòn... Trên cùng một lƣu vực sông, những đoạn chảy qua các đô thị lớn có chất
lƣợng nƣớc bị suy giảm rõ rệt so với các đoạn sông chảy qua các đô thị nhỏ. Nƣớc
mặt ở các sông, hồ, kênh, mƣơng nội thành, nội thị hầu hết đã bị ô nhiễm. Mặc dù
đã có những nỗ lực cải thiện thông qua các dự án cải tạo nhƣng ô nhiễm nƣớc mặt
tại các khu vực này vẫn đang là vấn đề nổi cộm tại hầu hết các đô thị hiện nay. Tại
nhiều đô thị, các kênh, mƣơng, hồ nội thành đã trở thành nơi chứa nƣớc thải sinh
hoạt, nƣớc thải sản xuất, điển hình nhƣ tại Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh. Ô nhiễm nƣớc
mặt trong khu vực nội thành xảy ra không chỉ ở các thành phố lớn mà tại các đô thị
nhỏ, đây cũng đang là vấn đề nổi cộm ở nhiều địa phƣơng. Vấn đề ô nhiễm chủ yếu
là ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dƣỡng (N, P) dẫn đến làm phú dƣỡng các ao hồ đô thị
gây ô nhiễm môi trƣờng và mất cảnh quan đô thị [2].

Phú dưỡng (eutrophication) là hiện tƣợng hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng,
đặc biệt là N, P tăng quá cao trong nƣớc ở các thủy vực, gây ra sự phát triển bùng
nổ của các loài tảo, tạo ra những biến động lớn trong hệ sinh thái nƣớc, làm cho
chất lƣợng nƣớc bị suy giảm. Hiện tƣợng phú dƣỡng có thể xảy ra qua 4 giai đoạn:
giai đoạn 1- ô nhiễm gia tăng, giai đoạn 2-rong, tảo phát triển, giai đoạn 3-phân hủy
hiếu khí, giai đoạn 4-phân hủy kị khí.

14


Cơ sở sinh hóa cho rong tảo phát triển mạnh trong môi trƣờng nƣớc có nồng
độ N và P cao là phản ứng quang hóa. Quang năng đƣợc chuyển hóa thành hóa năng
để thực hiện phản ứng quang hóa từ CO2 và H2O. Cacbon vô cơ chuyển hóa thành
cacbon hữu cơ (gluco), sau đó chuyển thành phân tử của tế bào. Thành phần chủ
yếu của rong, tảo, cây xanh là C, H, O.
Phản ứng quang hóa của thực vật phù du xảy ra theo phƣơng trình sau:
106CO2 + 16NO3- + HPO42- +122H2O + 18H+  C106H263ON16P +138O2 (1.1)
Từ phản ứng cho thấy tỷ số C:N:P là 106:16:1. Tỷ số N:P đƣợc gọi là “giá trị
biên độ đỏ”. Nếu tỷ lệ hàm lƣợng N:P > 7 thì P trở thành yếu tố hạn chế, ngƣợc lại
thì N trở thành yếu tố hạn chế. P thƣờng hạn chế dinh dƣỡng trong các vùng nƣớc
ngọt, còn N là yếu tố hạn chế chủ yếu ở các vùng nƣớc biển. Nếu hàm lƣợng N > 30
(mg/L), P > 6 (mg/L) thì xảy ra hiện tƣợng phú dƣỡng. Hiện nay hầu hết các hồ tỉ lệ
N:P > 20. Vì vậy, nguyên tắc trong xử lí nƣớc phú dƣỡng ở vùng nƣớc ngọt hiện
nay là hạn chế hàm lƣợng nitrat và photphat trong nƣớc [3].
Phú dƣỡng làm tăng sinh khối và khi chúng bị thối rữa, phân hủy sẽ làm
giảm nghiêm trọng hàm lƣợng oxi hòa tan trong nƣớc.
CH2O106(NH3)16H3PO4 + 138O2  106CO2 +122H2O + 16HNO3 +H3PO4 (1.2)
Cứ 1 phân tử thực vật phù du sử dụng 276 nguyên tử oxy để tiến hành phản
ứng phân huỷ đồng thời giải phóng một lƣợng đáng kể khí CO2 và axit vào trong
môi trƣờng làm giảm pH của nƣớc, làm cho nƣớc bị nhiễm bẩn, có màu xanh, mùi

hôi thối, cá chết hàng loạt [3].
Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Thị Bích Ngọc và cộng sự (2017) về
mức độ phú dƣỡng của một số hồ nội thành Hà Nội cho thấy hầu hết các hồ đều bị ô
nhiễm các chất dinh dƣỡng (N, P) ở các mức khác nhau, trong đó hồ Ba Mẫu là cao
nhất, tiếp đến là Ngọc Khánh > Giảng Võ > Trúc Bạch > Thành Công > Hồ Tây >
Thiền Quang > Bảy Mẫu > Hồ Gƣơm > Thủ Lệ. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy,
dƣới áp lực của quá trình đô thị hóa, hệ thống thu gom nƣớc thải không hợp lí, ý

15


thức của ngƣời dân còn kém khiến tải lƣợng chất gây ô nhiễm xả xuống hồ tăng
nhanh, gây ô nhiễm nƣớc hồ đô thị. Hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng (NH4+; NO3-;
PO43- mg/l tƣơng ứng) trong một số hồ ở Hà Nội rất cao và dao động trong khoảng
sau: hồ Ba Mẫu (8-10; 3-5; 7,3-10 mg/L), hồ Giảng Võ (7-10; 2-10 mg/L); hồ Ngọc
Khánh (8-9; 30-40; 3,2-5 mg/L), không đạt quy chuẩn 08-MT:2015/BTNMT cột
B1. Nếu dựa vào tổng P và tổng N để đánh giá trạng thái của nguồn nƣớc thì các hồ
quan trắc nói trên đƣợc xếp loại ở trạng thái phú dƣỡng và dinh dƣỡng rất cao [9].
Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Văn Hợp và cộng sự (2012) về chất
lƣợng nƣớc và tình trạng phú dƣỡng các hồ trong kinh thành Huế cho thấy, kênh
Ngự Hà và 8 hồ trong Kinh thành Huế đều bị ô nhiễm hữu cơ: COD trung bình theo
thời gian là 23-31 mg/L, theo không gian (hồ-kênh) là 18-38 mg/L và không đạt loại
B1 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Về mức ô nhiễm hữu cơ, có thể chia các hồkênh thành 2 nhóm-nhóm 1 gồm các hồ Đoài, Tiền Bảo, Tịnh Tâm, Kim Thủy
ngoài, Xã Tắc, Thành Hoàng mức ô nhiễm nhỏ hơn nhóm 2 gồm hồ Cây Mƣng,
Tân Miếu, kênh Ngự Hà. Các hồ-kênh bị ô nhiễm bởi các chất dinh dƣỡng: nồng độ
N-NO2- trong khoảng 0,01-0,21 mg/L; nồng độ N amoni khoảng 0,02-3,86 mg/L;
nồng độ P-PO43- khoảng 0,03-2,21 mg/L, TN và TP tƣơng ứng khoảng 0,55-4,86
mg/L và 0,04-2,97 mg/L không đáp QCVN 08-MT:2015/ BTNMT, cột B1. Hầu hết
các hồ-kênh khảo sát đều ở mức siêu phú dƣỡng khi đánh giá qua chỉ số dinh dƣỡng
Carlson (TSI) và chỉ số dinh dƣỡng Wollenweider (TRIX). Vào đầu mùa khô (tháng

3, 4), đối với đa số các hồ-kênh, P là yếu tố giới hạn sự phú dƣỡng, nhƣng vào giữa
và gần cuối mùa khô (tháng 5, 6, 7), N lại là yếu tố giới hạn sự phú dƣỡng [6].
Theo kết quả nghiên cứu của Đặng Thị Hà và Nguyễn Văn Tới (2017) về
khảo sát chất lƣợng nƣớc sông Dinh và các hồ trên địa bàn thành phố Vũng Tàu cho
thấy cùng với sự phát triển kinh tế thì vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là môi
trƣờng nƣớc, đang trở nên nghiêm trọng trên toàn tỉnh. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc
đang trở thành một trong những thách thức lớn đối với ngƣời dân và chính quyền
tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu bởi các ảnh hƣởng của nó đến sức khỏe con ngƣời, kinh tế
cũng nhƣ mỹ quan đô thị. Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lƣợng các kim loại

16


nặng trong nƣớc sông Dinh và 4 hồ (Á Châu, Võ Thị Sáu, Bàu Sen và Bàu Trũng)
đều rất thấp, nằm trong giới hạn cho phép về chất lƣợng nƣớc mặt theo QCVN 08MT:2015/BTNMT thì hàm lƣợng chất dinh dƣỡng (N, P) lại cao hơn tiêu chuẩn cho
phép nhiều lần, đặc biệt là hàm lƣợng amoni trong nƣớc sông Dinh và photphat
trong các hồ quan trắc. Hơn thế, hàm lƣợng DO đo đƣợc trong các hồ đều rất thấp
(<1mg/l), dƣới tiêu chuẩn cho phép để duy trì đời sống thuỷ sinh nhiều lần. Nguyên
nhân chủ yếu của sự ô nhiễm các chất dinh dƣỡng này là do nƣớc thải từ các hoạt
động công nghiệp và sinh hoạt trên địa bàn tỉnh, cho thấy ảnh hƣởng mạnh mẽ của
con ngƣời lên chất lƣợng nƣớc mặt [4].
Hiện nay tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc khu vực đô thị không chỉ diễn
ra tại Việt Nam mà còn diễn ra tại các nƣớc phát triển nhƣ: Nhật Bản, Trung Quốc,
Mỹ ...
Theo kết quả nghiên cứu của Kota Katsuki và cộng sự (2019) thì hồ Mokoto
nằm dọc theo bờ biển Okshotsk của Hokkaido, miền bắc Nhật Bản đã bị phú dƣỡng
từ đầu thế kỷ 20 do nạn phá rừng, hoạt động của con ngƣời trong lƣu vực, sự phát
triển của ngành chăn nuôi gia súc và nông nghiệp. Đặc biệt, tốc độ bồi lắng của hồ
Mokoto và hàm lƣợng kali và P của trầm tích hồ đã tăng nhanh kể từ năm 1970, liên
quan đến sự gia tăng số lƣợng gia súc [54].

Theo kết quả nghiên cứu của JunliWang và cộng sự (2019) thì tình hình
nƣớc ở khu vực cửa sông của hồ Wuli, vịnh Meiliang và Hồ Taihu, Trung Quốc đã
bị phú dƣỡng thông qua đánh giá các thông số diệp lục diệp lục a (Chl-a), tổng P
(TP), tổng N (TN), amoni (NH4-N), nitrat (NO3-N), nitrite (NO2-N), và photphat
(PO4-P). Bất kể mùa mƣa hay mùa khô, phía Đông hồ Wuli có mức độ phú dƣỡng
và tình trạng chất lƣợng nƣớc xấu hơn vịnh Meiliang và hồ Taihu. Kết quả cũng chỉ
ra rằng N có thể là yếu tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc của các khu vực
phía Đông hồ Wuli, nhất là trong mùa mƣa và P có thể là yếu tố chính ảnh hƣởng
trong mùa khô [49].

17


Kết quả nghiên cứu của BoLiu và cộng sự (2018) cho thấy sự phú dƣỡng và
khả năng phục hồi của hồ Muskegon, Mỹ là kết quả của một tập hợp các yếu tố
tƣơng tác phức tạp theo tổng P. Sông Muskegon tƣơng đối giàu chất dinh dƣỡng do
sự gia tăng hoạt động canh tác nông nghiệp, sử dụng phân bón cao trong các trang
trại dẫn đến gia tăng phát thải P trong thời điểm giữa và cuối thế kỷ 19. Trong thời
kỳ bùng nổ công nghiệp và dân số ở đầu nguồn trong nửa đầu thế kỷ 20 đã làm cho
hiện tƣợng phú dƣỡng của hồ Muskegon tăng lên rất nhiều. Sau năm 1973, sự phát
thải P giảm đi đáng kể do có hệ thống xử lý nƣớc thải cho thị trấn Muskegon nên
hiện tƣợng phú dƣỡng của hồ Muskegon hiện nay cũng đƣợc giảm đi đáng kể [20].
Trƣớc vấn đề phú dƣỡng xảy ra tại các ao, hồ do phát thải quá mức N và P
nhƣ trên sẽ có những tác động nhất định đến sức khỏe con ngƣời và cảnh quan môi
trƣờng, cần phải có những nghiên cứu cơ bản, chuyên sâu về các công nghệ xử lý N
và P trƣớc khi đổ thải ra môi trƣờng.
1.1.3. Ảnh hƣởng của nitrat, photphat đến môi trƣờng và sức khỏe con
ngƣời
Xã hội ngày càng văn minh, tiến bộ thì con ngƣời càng phải đối đầu nhiều
hơn với hiểm họa hóa chất đƣợc sử dụng trong thực phẩm hay sự ô nhiễm nguồn

nƣớc sinh hoạt. Do đó, ngày nay vấn đề hóa chất chứa nitrat trong thực phẩm vẫn
đang là mối lo ngại của tất cả chúng ta. Trong số các hóa chất mà ngƣời ta dùng để
bảo quản thực phẩm thì muối nitrat và muối nitrit đƣợc sử dụng phổ biến. Trên thị
trƣờng bốn loại muối thƣờng đƣợc sử dụng đó là: natri nitrat, natri nitrit, kali nitrat
và kali nitrit. Đây là bốn loại muối đƣợc xếp vào nhóm chất bảo quản có chức năng
ổn định màu, đƣợc dùng trong phomat, các loại thịt, nƣớc giải khát, thủy sản chế
biến. Các muối này có hai công dụng: tạo màu cho cá và thịt, đồng thời ngăn chặn
sự phát triển của một loại vi khuẩn gây ngộ độc thịt. Với công dụng nhƣ vậy, ngƣời
sản xuất không ngần ngại đƣa các muối này vào thực phẩm. Nhƣng một số ít họ
không hề biết rõ tác hại của những loại muối này nếu hàm lƣợng vƣợt quá tiêu
chuẩn cho phép [12]. Muối nitrat (NO3-) khi vào cơ thể ngƣời tham gia phản ứng

18


khử ở dạ dày và đƣờng ruột do tác dụng của các men tiêu hóa sinh ra nitrit (NO2-).
Nitrit sinh ra phản ứng với Hemoglobin tạo thành methemoglobin làm mất khả năng
vận chuyển oxi của Hemoglobin. Thông thƣờng Hemoglobin chứa Fe2+, ion này có
khả năng liên kết với oxi. Khi có mặt NO2- nó sẽ chuyển hóa Fe2+ làm cho hồng cầu
không làm đƣợc nhiệm vụ chuyển tải O2. Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong.
Phƣơng trình phản ứng nhƣ sau:
2HbFe2+(O2) + NO2- + H2O → 2HbFe3+ + 2OH- + NO3- + O2 (1.3)
Hàm lƣợng nitrat cao trong nƣớc có thể gây ra các bệnh về hồng cầu, dễ thấy
nhất là bệnh xanh da ở trẻ nhỏ. Dịch axit trong dạ dày trẻ nhỏ không đủ mạnh nhƣ
của ngƣời trƣởng thành. Tuyệt đối không cho trẻ nhỏ uống nƣớc hoặc ăn các loại
thực phẩm có lƣợng nitrat vƣợt quá 10 mg/L N-NO3-. Methemoglobin không thể
chuyển hóa ngƣợc thành hemoglobin, khi não không đủ ôxy rất dễ dẫn đến tử vong.
Ngày nay hoạt động của con ngƣời đã phá vỡ chu trình tuần hoàn P tự nhiên.
Nƣớc thải từ sinh hoạt, hoạt động công nghiệp, chăn nuôi chứa lƣợng lớn P chảy
trực tiếp vào ao hồ, sông suối, gây hậu quả nghiêm trọng tới môi trƣờng, đời sống

các sinh vật trong thủy vực và con ngƣời.
Nƣớc thải sinh hoạt giàu các hợp chất của P, chủ yếu từ nƣớc tẩy rửa tổng
hợp chứa khoảng 23 mgP/L và các hợp chất vô cơ khác do quá trình phân giải
prôtein và giải phóng photphat từ nƣớc tiểu. Hầu hết các bột giặt tổng hợp trên thị
trƣờng chứa một lƣợng lớn polyphotphat, khoảng > 50%. Nƣớc thải từ chăn nuôi
gia súc chứa từ 620 mgP/L trở lên.
Tác động chủ yếu của việc giàu photphat trong nƣớc là gây nên hiện tƣợng
phú dƣỡng hóa các thủy vực, đặc biệt là các thủy vực tĩnh, gần khu vực dân cƣ nhƣ
thị trấn, thành phố, khu công nghiệp, khu chăn nuôi, khu canh tác nông nghiệp [22].
Khi các hồ gia tăng chất dinh dƣỡng, các loài tảo phát triển mạnh sẽ hạn chế
ánh nắng mặt trời. Với hồ phú dƣỡng, lƣợng oxy hòa tan tăng đáng kể khi trời tối do
sự hô hấp của tảo, gây thiếu oxy cho các sinh vật thủy sinh. Hiện tƣợng cá chết
nhiều ở hồ Dianchi và Thái Hồ ở Trung Quốc là một minh chứng cho hiện tƣợng

19


này. Hiện tƣợng phú dƣỡng có thể gây ra cạnh tranh giữa các loài trong hệ sinh thái,
gây ra sự thay đổi trong thành phần loài của hệ sinh thái. Ngoài ra, một số tảo nở
hoa có chứa các hợp chất độc hại, tác động lên chuỗi thức ăn, dẫn đến tử vong ở
động vật. Đối với con ngƣời, nhiều vùng sử dụng nƣớc ao hồ để cung cấp cho sinh
hoạt hàng ngày. Nhƣng do nƣớc chứa nhiều thực vật trôi nổi làm cản trở việc làm
sạch, gây ảnh hƣởng trực tiếp đến nguồn cung cấp nƣớc cho ngƣời dân. Đồng thời
hiện tƣợng tảo phân hủy gây mùi khó chịu làm các hoạt động bơi thuyền, câu cá
giảm đáng kể, ảnh hƣởng tới du lịch và giải trí. Gần đây, lƣợng khách du lịch đến
với hồ Xuân Hƣơng, trái tim của Đà Lạt giảm nhanh mà nguyên nhân là hồ đang bị
rơi vào tình trạng phú dƣỡng.
1.1.4. Phƣơng pháp xử lý nitrat, photphat trong nƣớc
1.1.4.1. Phương pháp xử lý nitrat
Xử lý hợp chất chứa N có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học),

vật lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc
tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trƣờng nƣớc.
Chuyển hóa các hợp chất chứa N thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí
quyển. Con đƣờng chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phƣơng pháp sinh học
thông qua các quá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử
nitrat với tƣ cách là chất oxy hóa và chất hữu cơ carbon là chất khử). Thực hiện
phản ứng oxy hóa khử trực tiếp giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phƣơng pháp
vi sinh (quá trình Anamox). Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí N2. Oxy
hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa tại điểm đột biến) [3].
Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển. Phƣơng pháp này thật ra là chuyển chất
ô nhiễm từ nƣớc vào không khí, sau đó phần lớn lại đƣợc hấp thụ trở lại vào môi
trƣờng nƣớc ở những vị trí khác. Để thực hiện phƣơng pháp trên, amoniac phải tồn
tại ở dạng bay hơi (trung hòa) và do độ tan của amoniac trong nƣớc rất lớn nên để
thúc đẩy cần phải sục khí với lƣợng rất lớn và ở nhiệt độ cao [3].

20


Tách amoniac ra khỏi môi trƣờng nƣớc có thể thực hiện bằng phƣơng pháp
trao đổi ion trên cationit. Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối với
amoni, dung lƣợng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt
với nồng độ cao nhƣ canxi, magie. Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng
chọn lọc cao đối với amoni có thể đƣợc sử dụng trong một số trƣờng hợp. Nitrat
cũng là cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp.
Trên thị trƣờng có một số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat [3].
Hiện nay, ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp nhƣ: Chƣng cất, trao đổi ion,
thẩm thấu ngƣợc, điện thẩm tách, phƣơng pháp sinh học để xử lý nitrat trong nƣớc.
Phương pháp chưng cất: Chƣng cất là một trong những phƣơng pháp đƣợc
biết đến từ lâu trong việc loại bỏ nitrat và các chất khác ra khỏi nƣớc. Quá trình
chƣng cất gồm ba giai đoạn: giai đoạn 1-nƣớc đƣợc đun sôi; giai đoạn 2-hơi nƣớc

đƣợc bẫy; giai đoạn 3-hơi nƣớc đƣợc ngƣng tụ trên một bề mặt lạnh và thu đƣợc
nƣớc. Các nitrat và khoáng chất khác đƣợc thu lại ở đáy các bể. Phƣơng pháp này đòi
hỏi nhiều năng lƣợng và thƣờng chỉ sử dụng khi cần loại bỏ hoàn toàn nitrat [3, 30].
Phương pháp trao đổi ion: Trao đổi ion là quá trình xử lý nƣớc bằng phản
ứng trao đổi giữa các ion trên pha rắn (chất trao đổi ion) với các ion cùng dấu trong
pha lỏng (nƣớc cần xử lý). Nhƣ vậy hệ trao đổi ion có hai thành phần: chất trao đổi
ion và chất lỏng chứa ion cần trao đổi. Về bản chất đây là quá trình chuyển các ion
từ pha phân tán là nƣớc lên pha tĩnh là chất trao đổi ion [1, 30].
Vật liệu trao đổi ion phổ biến nhất là nhựa trao đổi ion. Nhựa trao đổi ion
đƣợc ứng dụng dƣới dạng cột lọc, nhồi các hạt nhựa đến độ cao nào đó, khi nƣớc
cần xử lý chảy qua sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion giữa pha tĩnh (lớp nhựa trao đổi
ion) và pha động (nƣớc cần xử lý) [11]. Vật liệu trao đổi ion thƣờng dùng trong loại
bỏ ion NO3- là nhựa chứa ion Cl-, do NO3- có ái lực mạnh hơn so với ion Cl- nên nó
sẽ thế chỗ của ion Cl- và NO3- đƣợc giữ lại trên nhựa đó. Quá trình này có thể biểu
diễn theo phƣơng trình sau:
RCl + NO3-  RNO3 + Cl- (1.4)

21