Nghiên cứu thực trạng nhiễm và chuyển hóa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo hình thức lưu trữ quy mô hộ gia đình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN C ỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HÓA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNHTHỨC
LƯU TRỮ QUY MÔ H Ộ GIA ĐÌNH

LUẬN ÁN TI ẾN SỸ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ N ỘI - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN C ỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HÓA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNH THỨC
LƯU TRỮ QUY MÔ H Ộ GIA ĐÌNH

LUẬN ÁN TI ẾN SỸ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ N ỘI - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN C ỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HÓA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNHTHỨC
LƯU TRỮ QUY MÔ H Ộ GIA ĐÌNH
CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC
MÃ S Ố: 62440303

LUẬN ÁN TI ẾN SỸ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.
PGS. TS. ĐỒNG KIM LOAN
2.
PGS. TS. TRẦN HỒNG CÔN

HÀ N ỘI - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung th ực và chưa từng được ai công b ố
trong bất kỳ cô ng trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả luận án

Lê Anh Trung

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của
PGS.TS. Đồng Kim Loan và PGS.TS. Trần Hồng Côn, những người Thầy đã
trực tiếp hướng dẫn và chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến thức
chuyên mô n và hơn hết là truyền cho tác giả lò ng đam mê khoa học và
tinh thần tự giác trong học tập nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc về sự giú p đỡ quý báu này với các Thầy, những người đã h ết
lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả học tập, nghiên cứu và
hoàn thành luận án này.
Tác giả xin bày tỏ lò ng cảm ơn tới TS. Lê Thị Hoàng Oanh, các Thầy,
Cô và tập thể cán bộ Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQG Hà Nội đã đóng góp những ý kiến chân thành, bổ ích để giúp tác giả
hoàn thiện luận án.
Tác giả xin bày tỏ lò ng cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ Phò ng thí
nghiệm của Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường
(CEMM), trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ và
tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả trong quá trình thực hiện lấy mẫu và phân
tích mẫu môi trường, để tác giả có th ể hoàn thành tốt luận án này.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo các cơ quan nơi tác giả
công tác, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt
thời gian học tập và nghiên cứu.
Cuối cù ng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người thân yêu trong
gia đình đã luôn ở bên cạnh và động viên tác giả cả về vật chất và tinh thần để
vững tâm hoàn thành luận án của mình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này!
Tác gi ả luận án


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC T Ừ VÀ CÁC KÝ HI
ỆU VIẾT TẮT.............................................. 4
DANH MỤC CÁC B ẢNG.......................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................................... 6
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 8

1. Lý do ch ọn đề tài luận án........................................................................................................ 9
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................................. 10
3. Nội dung nghiên cứu................................................................................................................ 10
4. Những đó ng gó p mới của luận án.................................................................................. 10
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN C ỨU................................................ 12

1.1. Chu trình nitơ và amoni trong nước tự nhiên.................................................. 12
1.1.1. Chu trình nitơ....................................................................................................................... 12
1.1.2. Amoni....................................................................................................................................... 14
1.1.3. Các tác động của amoni trong nước sinh hoạt.................................................... 17
1.2. Sự chuyển hóa các h ợp chất nitơ trong nước.................................................. 19
1.2.1. Quá trình cố định nitơ...................................................................................................... 19
1.2.2. Quá trình amôn hóa........................................................................................................... 21
1.2.3. Quá trình nitrat hóa........................................................................................................... 22
1.2.4. Quá trình khử nitrat........................................................................................................... 25
1.2.5. Quá trình anamox............................................................................................................... 26
1.2.6. Quá trình khử nitrat thành amoni............................................................................... 27
1.3. Tình hình nghiên cứu về nhiễm amoni và quá trình chuyển hóa các
hợp chất nitơ trong nước cấp sinh hoạt......................................................................... 28
1.3.1. Trên thế giới.......................................................................................................................... 28
1.3.2. Ở Việt Nam............................................................................................................................ 31
1.4. Tổng quan về các hình thức lưu trữ nước ......................................................... 34

1


1.5. Các gi ải pháp ki ểm soát amoni trong nước cấp sinh hoạt ....................37
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................... 41

2.1. Đối tượng và ph ạm vi nghiên cứu........................................................................... 41
2.2. Nội dung nghiên cứu.......................................................................................................... 41
2.3. Các phương pháp nghiên c ứu.................................................................................... 45
2.3.1. Phương pháp kế thừa tài liệu....................................................................................... 45
2.3.2. Phương pháp điều tra, khảo sát và lấy mẫu thực địa....................................... 45
2.3.3. Các phương pháp phân tích.......................................................................................... 46
2.3.4. Phương pháp thực nghiệm............................................................................................. 49
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu phân tích........................................................................ 56
2.3.6. Phương pháp đánh giá kết quả nghiên cứu........................................................... 57
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN C ỨU VÀ TH ẢO LUẬN................................... 59

3.1. Hiện trạng nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt ở Hà N ội...............59
3.1.1. Kết quả khảo sát sự nhiễm amoni trong nước sinh hoạt tại ba quận nội
thành Hà N ội..................................................................................................................................... 59
3.1.2. Sự nhiễm amoni trong các loại bể lưu trữ nước hộ gia đình.......................61
3.1.3. Hiện trạng lưu trữ nước và nồng độ các hợp chất nitơ vô cơ......................63
3.1.4. Ảnh hưởng của loại hình lưu trữ nước đến nồng độ amoni, nitrit,
nitrat ở hộ gia đình.......................................................................................................................... 70
3.2. Ảnh hưởng của quá trình lưu trữ đến sự thay đổi nồng độ các h ợp
chất nitơ vô cơ................................................................................................................................. 73
3.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường nước......................................................... 73
3.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện lưu trữ............................................................................... 86
3.2.3. Ảnh hưởng của quá trình sử dụng nước.............................................................. 101
3.3. Đề xuất giải pháp gi ảm thiểu nồng độ các h ợp chất nitơ trong bể

lưu trữ nước sinh hoạt quy mô h ộ gia đình............................................................. 110
3.3.1. Giải pháp về đường ống phân phối nước cấp................................................... 110

2


3.3.2. Về điều kiện lưu trữ....................................................................................................... 111
3.3.3. Về thời gian lưu trữ........................................................................................................ 111
3.3.4. Về vật liệu bể trữ nước................................................................................................. 112
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ......................................................................................................... 113

Kết luận.............................................................................................................................................. 113
Kiến nghị........................................................................................................................................... 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC......................................................... 115
TÀI LI ỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 116
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................... 132

3


DANH MỤC CÁC T Ừ VÀ CÁC KÝ

STT

KÝ HI ỆU
1

AOB

2

Anamox

3

ATP

4

BOD

5

BTNMT

6

BYT

7

COD

8

DEN

9

DO

10

DON

11

DRNA

12

MPN

13

NOB

14

QCVN

15

PON

16

TAN

17

TB

18

TCVN

19

T-N

20

TSS

21

VSV

22

WHO

4


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tỷ lệ amoniac trong dung dịch........................................................................... 16
Bảng 1.2: Nồng độ một số cấu tử trong nước thô c ủa nhà máy nước................32

Bảng 1.3: Kết quả phân tích trung bình trong các mẫu nước thô t ại các nhà
máy nước.............................................................................................................................................. 33
Bảng 1.4: Ảnh hưởng sự nhiễm bẩn vi sinh vật trong thiết bị lưu trữ nước. . .35
Bảng 1.5: Loại dụng cụ chứa nước tại một số địa phương........................................ 36
Bảng 2.1: Địa chỉ khảo sát các thi ết bị lưu trữ nước tại hộ gia đình...................44
Bảng 2.2. Các phương pháp phân tích hóa h ọc.............................................................. 47
Bảng 2.3: Môi trường nuôi c ấy các vi sinh vật............................................................... 48
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát các thi ết bị lưu trữ nước tại hộ gia đình..................64
Bảng 3.2. Nồng độ amoni, nitrat đầu vào........................................................................... 73
Bảng 3.3. Nhiệt độ, pH, DO của nước theo mùa trong năm..................................... 74
Bảng 3.4. Nồng độ amoni, nitrat đầu vào........................................................................... 77
Bảng 3.5. Nhiệt độ, pH, DO của nước theo vị trí........................................................... 77
Bảng 3.6. Nồng độ NH4+ và NO3- ban đầu........................................................................ 82
Bảng 3.7. Nhiệt độ, pH, DO của nước theo nồng độ amoni và nitrat..................82
Bảng 3.8. Tổng tỷ lệ [NO2-]/GHCP + [NO3-]/GHCP................................................... 85
Bảng 3.9. Nồng độ amoni, nitrat đầu vào........................................................................... 86
Bảng 3.10. Tỷ lệ nitơ tạo ra hay mất đi trong điều kiện xáo trộn........................... 98
Bảng 3.11. Tỷ lệ nitơ tạo ra hay mất đi trong điều kiện tĩnh hở............................. 99
Bảng 3.12. Tỷ lệ nitơ tạo ra hay mất đi trong điều kiện kín khí........................... 100
Bảng 3.13. Điều kiện ban đầu của các bể........................................................................ 102

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Chu trình nitơ rút gọn.............................................................................................. 12
Hình 1.2: Sơ đồ các dạng nitơ khác nhau trong nước.................................................. 14
Hình 1.3: Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ........................................................................... 15
Hình 1.4: Chu trình cố định N2 trong nước....................................................................... 20

Hình 1.5: Ảnh hưởng của pH đối với vi khuẩn............................................................... 23
Hình 2.1: Vị trí lấy mẫu nước cấp sinh hoạt tại 3 quận............................................... 42
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống cấp nước cho các hộ gia đình............................................ 43
Hình 2.3: Thiết kế bể lưu trữ nước sử dụng trong quá trình nghiên cứu............53
Hình 2.4: Bể nước lưu trữ sử dụng trong quá trình nghiên cứu.............................. 53
Hình 2.5: Thiết kế bể nghiên cứu trong điều kiện lưu trữ khác nhau...................54
Hình 2.6: Địa điểm đặt các bể nghiên cứu thực nghiệm............................................. 55
Hình 3.1: Nồng độ amoni (mgN/L) trong nước sinh hoạt......................................... 61
Hình 3.2. Nồng độ amoni (mgN/L) trong nước sinh hoạt.......................................... 63
Hình 3.3. Nồng độ N-NH4+ trung bình của 10 hộ gia đình....................................... 66
Hình 3.4. Nồng độ amoni trung bình trong 6 tháng khảo sát................................... 67
Hình 3.5. Nồng độ trung bình các dạng nitơ vô cơ tại 6 đợt khảo sát.................68
Hình 3.6. Nồng độ nitrat trung bình trong nước tại các bể và đường ống.........68
Hình 3.7. Nồng độ nitrit trung bình trong nước ở các bể tại hộ gia đình...........68
Hình 3.8. Nồng độ nitrat trung bình trong nước ở các bể tại hộ gia đình..........68
Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ trung bình các hợp chất nitơ vô cơ.......................70
Hình 3.10. Biến thiên nồng độ amoni, nitrit, nitrat........................................................ 71
Hình 3.11. Biến động các hợp chất nitơ trong mùa hè................................................. 74
Hình 3.12. Biến động các hợp chất nitơ trong mùa đông........................................... 76
Hình 3.13. Biến động DO, pH, nhiệt độ tại bể trong nhà và ngoài tr ời.............78
Hình 3.14. Biến động amoni tại bể trong nhà và ngoài tr ời..................................... 79
Hình 3.15. Biến động nitrit tại bể trong nhà và ngoài tr ời........................................ 79

6


Hình 3.16. Biến động nitrat tại bể trong nhà và ngoài tr ời....................................... 81
Hình 3.17. Biến động nhiệt độ, DO, pH.............................................................................. 83
Hình 3.18. Biến thiên nồng độ amoni ở hai bể................................................................ 84
Hình 3.19. Biến thiên nồng độ nitrit ở hai bể................................................................... 84

Hình 3.20. Biến thiên nồng độ nitrat ở hai bể.................................................................. 85
Hình 3.21. Biến động môi trường trong các bể thiết kế.............................................. 87
Hình 3.22. Biến động COD trong các điều kiện lưu trữ............................................. 88
Hình 3.23. COD, N- hữu cơ và vi khuẩn amôn ở xáo trộn thoáng khí...............89
Hình 3.24. COD, N- hữu cơ và vi khuẩn amôn ở tĩnh hở.......................................... 89
Hình 3.25. COD, N- hữu cơ và vi khuẩn amôn ở kín khí.......................................... 89
Hình 3.26. Biến động nồng độ nitơ hữu cơ trong các điều kiện lưu trữ.............90
Hình 3.27. Sự biến thiên nồng độ amoni theo các điều kiện lưu trữ....................92
Hình 3.28. Biến thiên nồng độ nitrit, nitrat trong các điều kiện lưu trữ.............93
Hình 3.29. Sự biến thiên nồng độ nitơ vô cơ và mật độ VSV AOB.....................94
Hình 3.30. Sự biến thiên nồng độ nitơ vô cơ và mật độ VSV AOB ở xáo trộn............95
Hình 3.31. Sự biến thiên nồng độ nitơ vô cơ và VSV AOB ở tĩnh hở.................95
Hình 3.32. Sự biến thiên nồng độ nitơ tổng và mật độ vi khuẩn ở xáo trộn...97
Hình 3.33. Sự biến thiên nồng độ nitơ tổng và mật độ vi khuẩn tĩnh hở...........97
Hình 3.34. Sự biến thiên nồng độ nitơ tổng và mật độ vi khuẩn ở kín khí.......97
Hình 3.35. Biến đổi các hợp chất nitơ theo thời gian tại bể inox........................ 102
Hình 3.36. Biến thiên nồng độ của các hợp chất nitơ tại bể xi măng................104
Hình 3.37. Biến đổi các hợp chất nitơ theo thời gian tại điều kiện tĩnh hở.. 105
Hình 3.38. Biến thiên nồng độ amoni trong các bể.................................................... 106
Hình 3.39. Biến thiên nồng độ nitrit trong các bể....................................................... 107
Hình 3.40. Biến thiên nồng độ nitrat trong các bể....................................................... 107
Hình 3.41. Biến thiên nồng độ nitơ tổng trong các bể.............................................. 108
Hình 3.42. Biến thiên COD trong các bể......................................................................... 109

7


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết phải nghiên cứu của đề tài lu ận án
Nhiễm amoni trong nước ngầm dùng cho s ản xuất nước sinh hoạt đã

được quan tâm nghiên cứu ở nhiều khu vực, nhiều quốc gia trên thế giới [122,
129, 135]. Ở Việt Nam, khu vực đồng bằng Sông Hồng nói chung và tại Hà
Nội nói riêng, hiện tượng này đã được thừa nhận [4, 5]. Các cô ng trình
nghiên cứu đã xác định có hai nguồn hình thành amoni trong nước ngầm khu
vực Hà Nội đó là: (a) khoáng hóa các vật liệu hữu cơ trong các lớp trầm tích
chứa than bùn và (b) nguồn gốc amoni từ các hoạt động của con người như
phân hóa học hoặc từ nước thải sinh hoạt và cô ng nghiệp [16, 22].
Tài liệu hướng dẫn về chất lượng nước uống của Tổ chức Y tế thế giới
cũng như QCVN 01:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng
nước ăn uống) xếp amoni là chỉ tiêu cảm quan. Sự có m ặt của amoni trong
nước cùng v ới một số vi chất (chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức
ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện tượng “không ổn định sinh học” về chất
lượng nước sau xử lý ; Nước có th ể bị đục, đóng cặn, có mùi và rêu tảo phát
triển trong hệ thống phân phối và lưu trữ nước. Thêm nữa, nồng độ amoni cao
trong các nguồn nước dùng để sản xuất nước sinh hoạt còn làm giảm tác dụng
của clo (là tác nhân kh ử trùng ch ủ yếu trong các nhà máy nước ở Việt Nam)
do phản ứng với clo tạo thành các clo ramin là những chất khử trùng th ứ cấp
hiệu quả kém so với clo nhiều lần, thậm chí gây độc và mùi xú u ế khi hình
thành tricloramin. Ngoài ra, trong quá trình khai thác, xử lý và lưu trữ, amoni
có th ể được chuyển hóa thành nitrit (NO 2-) và nitrat (NO3-). Nitrit là chất rất
độc hại cho con người và nó có th ể chuyển hóa thành nitroamin, m ột chất có
khả năng gây ung thư. Hàm lượng nitrit trong nước uống cao là một vấn đề

8


đáng quan tâm, do chúng là nguồn gốc gây bệnh methemoglobin huyết cho trẻ
sơ sinh và cả người lớn. Nó có th ể làm cho da của trẻ sơ sinh có màu xanh
xỉn, gây kích thích, hôn mê nếu ở thể nặng. Nếu không được điều trị kịp thời
có th ể dẫn đến tử vong mà người ta gọi là hội chứng Blue Syndrome hay còn

gọi tắt là BBS.
Với công ngh ệ xử lý đang sử dụng tại nhiều công trình cấp nước tập
trung hiện nay ở nước ta, sự có m ặt amoni trong nước cấp vẫn là vấn đề cần
được quan tâm để hạn chế ảnh hưởng của tác nhân này đến sức khỏe con
người. Bên cạnh ảnh hưởng trực tiếp của amoni, các sản phẩm chuyển hóa
hình thành trong quá trình lưu trữ nước cũng ảnh hưởng đến người sử dụng,
đặc biệt là các s ản phẩm chuyển hóa có tính độc cao như nitrit. Hiện nay các
nghiên cứu cũng như báo cáo c ủa cơ quan quản lý ch ỉ tập trung đánh giá
nguồn nước đầu vào hệ thống xử lý và đầu ra trước khi phân phối vào đường
ống các khu dân cư mà chưa có các đánh giá, giám sát chất lượng nước cấp
cộng đồng sử dụng trực tiếp [31].
Việc nghiên cứu quá trình chuyển hóa của các dạng nitơ trong nước tại
các bể lưu trữ có ý nghĩa rất quan trọng đến công tác cấp nước sạch cho nhân
dân. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam chưa có đề tài nghiên cứu, đánh giá hiện
tượng nhiễm amoni trong các bể lưu trữ khác nhau trong cộng đồng dân cư ,
tìm hiểu sâu, phân tích các quá trình chuyển hóa, biến đổi của hợp chất nitơ
trong các loại hình lưu trữ nước , từ đó tìm ra giải pháp khắc phục.
Để đáp ứng vấn đề này, luận án “Nghiên cứu thực trạng nhiễm và
chuyển hóa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo hình thức lưu trữ quy mô
hộ gia đình” được thực hiện nhằm góp phần giải quyết các yêu cầu trên; đảm
bảo tiêu chuẩn, quy chuẩn cho phép; đảm bảo sức khỏe cho nhân dân.

9


2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này được tiến hành với các mục tiêu sau:
-

Đánh giá thực trạng nhiễm amoni và các hợp chất nitơ vô cơ (nitrit, nitrat)

trong nước cấp sinh hoạt từ nhà máy c ấp nước có hàm lượng amoni cao

được lưu trữ tại thiết bị chứa nước sinh hoạt quy mô h ộ gia đình.
-

Nghiên cứu sự chuyển hóa c ủa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo

hình thức lưu trữ quy mô h ộ gia đình trong điều kiện lưu trữ thực tế và trong
các điều kiện thí nghiệm.
3. Nội dung nghiên cứu
-

Điều tra, khảo sát và lấy mẫu phân tích nồng độ amoni trong nước cấp

sinh hoạt lưu trữ quy mô h ộ gia đình trên địa bàn ba quận Cầu Giấy, Thanh
Xuân, Hoàng Mai .
-

Đánh giá và lựa chọn khu vực lấy mẫu nước cấp sinh hoạt để tiến hành

thực nghiệm nghiên cứu về ảnh hưởng của các điều kiện lưu trữ đến khả năng
chuyển hóa lẫn nhau giữa các dạng nitơ vô cơ.
-

Lựa chọn 01 hộ gia đình đ ể lắp đặt, bố trí thực nghiệm nghiên cứu lưu

trữ nước sinh hoạt trong các điều kiện thiết kế và nghiên c ứu đánh giá tại bể
lưu trữ thực tế của hộ gia đình.
-

Nghiên cứu sự xuất hiện và đánh giá mật độ của vi sinh vật chuyển hóa

nitơ trong nước sinh hoạt ở điều kiện lưu trữ khác nhau trong mô hình thí
nghiệm.
-

Đề xuất một số giải pháp nhằm giảm thiểu mức độ tác động của hiện

tượng nhiễm amoni trong các bể lưu trữ nước sinh hoạt quy mô h ộ gia đình.
4. Những đó ng gó p mới của luận á n
-

Đã đưa ra bức tranh về hiện trạng lưu trữ nước cấp sinh hoạt phổ biến

của các hộ gia đình, cụm dân cư tại 3 quận nội thành Hà N ội. Các hình thức
lưu trữ nước cấp sinh hoạt có n ồng độ amoni cao tiềm ẩn những nguy cơ

10


nhiễm độc các hợp chất nitơ do tái nhiễm và sự chuyển hóa trong quá trình
lưu trữ.
-

Lần đầu tiên ở Việt Nam đề cập tới những quá trình sinh hóa xảy ra

trong các hình thức lưu trữ nước sinh hoạt và làm sáng t ỏ một số vấn đề về sự
nhiễm amoni, sự chuyển hóa các hợp chất nitơ và sự tồn tại, tác động của một
số vi sinh vật chuyển hóa nitơ trong các hình thức lưu trữ nước khác nhau ở

quy mô hộ gia đình.
-

Những kết quả nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm là cơ sở đề xuất

một số giải pháp nhằm giảm thiểu vấn đề nhiễm amoni trong quá trình lưu trữ
nước sinh hoạt.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận á n
Đề tài luận án góp ph ần làm rõ c ơ sở khoa học của sự nhiễm amoni và
quá trình chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ cũng như thời gian tồn lưu của
chúng trong thiết bị lưu trữ nước quy mô hộ gia đình, các quá trình chuyển
hóa và những yếu tố ảnh hưởng, tác động đến quá trình chuyển hóa c ác hợp
chất chứa nitơ.
Những phát hiện và những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở đóng
góp vào vi ệc thay đổi quan điểm và nâng cao nh ận thức về các hình thức lưu
trữ nước đang rất phổ biến tại Việt Nam, góp ph ần bảo vệ sức khỏe cộng
đồng. Các đề xuất về giảm thiểu nồng độ amoni và các h ợp chất chứa nitơ
khác trong các thi ết bị lưu trữ nước có th ể áp dụng ngay cho hộ gia đình
cũng như các cụm dân cư có các bể lưu trữ nước chung. Kết quả của luận án
là cơ sở thực tiễn góp ph ần giải quyết vấn đề ô nhi ễm amoni và các h ợp chất
chứa nitơ trong những thiết bị lưu trữ nước sinh hoạt không ch ỉ ở các thành th
ị mà tại hầu hết các địa bàn dân cư ở Việt Nam.

11


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN C ỨU
1.1. Chu trình nitơ và amoni trong nước tự nhiên
1.1.1. Chu trình nitơ
Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và

chuyển hó a trong nhiều quá trình. Trong đó, quan trọng hơn cả là sự chuyển
hóa giữa các dạng hợp chất nitơ vô cơ và nitơ hữu cơ ở những điều kiện khác
nhau. Chu trình nitơ trong môi trường nước được mô tả ở hình 1.1 [45]. Chu
trình trình bày theo trạng thái oxy hóa và phân tách thành các quá trình hiếu
khí (bên phải) và các quá trình kỵ khí (bên trái) .

Hình 1.1. Chu trình nitơ rút gọn

Trong chu trình nitơ, các vi sinh vật có vai trò rất quan trọng. Amoni
được giải phóng nhờ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (N hữu
cơ) gọi là quá trình amôn hóa. Các vi sinh v ật chủ yếu thực hiện quá trình
12


này là vi khuẩn amôn hóa. Quá trình này còn được gọi là sự khoáng hoá chất
hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành nitơ vô cơ (NH 3/NH4+). Tiếp
theo, NH3/NH4+ có thể bị oxi hóa thành NO 2- (quá trình nitrit hóa) và NO 3(quá trình nitrat hóa). Hai quá trình này được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn
oxi hóa amoni (vi khu ẩn AOB) và vi khuẩn oxi hóa nitrit (vi khuẩn NOB)
trong môi trường. Dưới điều kiện hạn chế về oxi, NO 3- có th ể bị khử thành
NO2-, rồi tiếp tục về đến NH 4+ được gọi là quá trình khử dị hóa nitrat thành
amoni (quá trình DNRA). Quá trình chuyển đổi từng bước NO3-  NO2- 
NO  N2O N2 (quá trình khử nitrat hóa) được thực hiện nhờ nhóm vi
khuẩn khử nitrat hóa. Cũng trong vòng tuần hoàn này, các vi sinh vật cố định
nitơ có thể sử dụng N2 vừa sinh ra từ quá trình khử nitrat hoặc có thể lấy N 2 từ
khí quyển (là chính) để thực hiện quá trình cố định nitơ (N2  NH4+); từ đó
cung cấp nitơ sinh học dưới dạng NH

4

+

cho hệ sinh thái. Ngoài ra, N 2 có thể

được tạo ra trong quá trình oxi hóa kỵ khí giữa NH 4+ và NO2- (quá trình
anamox) [64].
Trong môi trường, quá trình chuyển hóa nitơ được nghiên cứu sớm nhất là
quá trình amôn hóa [41]. Nó thể hiện mối quan hệ giữa nitơ vô cơ và nitơ hữu
cơ. Các bước trong quá trình chuyển hóa nitơ hữu cơ và nitơ vô cơ được thực
hiện trong điều kiện hiếu khí với tốc độ của mỗi giai đoạn như phương trình
+

(1.1); Trong điều kiện kỵ khí, quá trình dừng lại ở giai đoạn 1 (tạo NH 4 )

[70].
N hữu cơ  NH4
Chậm

Trong vòng tuần hoàn nitơ , hầu hết những quá trình chuyển hoá đều có
sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau (điều kiện sinh hóa) và các
điều kiện môi trường khác (nhiệt độ, mức oxi hòa tan , pH...). Nếu sự hoạt

13


động của một nhóm vi khuẩn nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hoá của
vòng tuần hoàn sẽ bị ảnh hưởng.
Các dạng nitơ khác nhau trong môi trường nước được minh họa ở hình
1.2 [55].

Hình 1.2. Sơ đồ các dạng nitơ khác nhau trong nước

1.1.2. Amoni
1.1.2.1. Các nguyên nhân gây nhi ễm amoni trong nước cấp sinh hoạt
Nước cấp sinh hoạt có th ể bị nhiễm amoni từ nguồn nước thô ban đầu
cấp cho các nhà máy nước cũng như từ quá trình sản xuất, phân phối, lưu trữ
và sử dụng. Trong đó, nhiễm amoni từ nguồn nước thô ban đầu được đánh giá
là nguyên nhân ch ủ yếu [42, 129]. Ngoài ra, amoni cũng có thể được thêm
vào nước trong quá trình khử trùng nước cấp sinh hoạt để tạo thành cloamin một chất khử trùng th ứ cấp. Việc bổ sung một lượng dư amoni hoặc clo
không phù h ợp theo tỷ lệ có th ể dẫn đến sự hiện diện của amoni trong nước
thành phẩm. Amoni cũng có thể được hình thành trong đường ống phân phối
nước, trong quá trình lưu trữ nước do nhiều nguyên nhân khác nhau [152].

14


Có hai lo ại nguồn nước thô ph ổ biến nhất được dùng trong s ản xuất
nước cấp cho sinh hoạt là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt, nước ngầm có
thể bị nhiễm amoni từ các nguồn khác nhau như nước mưa (khí quyển), phân
bón, chất thải công nghi ệp, chất thải sinh hoạt, các hệ thống vệ sinh, chất thải
chăn nuôi, từ nguồn nitơ tại chỗ trong các hợp chất hữu cơ và từ các khoáng
chất trong tự nhiên [3, 105].
1.1.2.2. Các d ạng tồn tại của amoni trong nước
Trong môi tr ường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử amoniac
(NH3) hoặc ion amoni (NH4+) theo cân bằng sau [17]:
NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+

(1.2)

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cân bằng giữa NH3 và NH4+ là pH và
nhiệt độ [38]. Đánh giá chi tiết trình bày trong hình 1.3 đã cho thấy ảnh hưởng

của pH và nhiệt độ đến tỷ lệ nồng độ amoniac (trong dung dịch nước) trên
tổng nitơ-amoni (total ammonia-nitrogen, TAN = NH3 + NH4+). Khi pH của
dung dịch < 7, dạng tồn tại của amoni chủ yếu là ion NH4+.

Hình1.3. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến tỷ lệ nồng độ giữa
NH3 và TAN (tổng nitơ-amoni) trong nước

15


Ở

pH > 8, dạng NH3 bắt đầu tăng nhanh. Nhiệt độ tăng sẽ làm ra tăng

nồng độ NH3; Chẳng hạn ở pH = 9, nồng độ NH3 chỉ chiếm < 20% so với
TAN khi nhiệt độ là 15oC, nhưng khi nhiệt độ là 35oC nồng độ NH3 tăng lên >
60%. Vì thế, thuật ngữ "amoni" thường được dùng chung khi nói về
NH3/NH4+ trong nước tự nhiên và thực tế việc phân tích cũng thường là tính
chung cho TAN ở pH và nhiệt độ xác định (trừ trường hợp yêu cầu phân tích
riêng trong điều kiện cụ thể của nghiên cứu).
Nghiên cứu của Emerson và cộng sự [60] cũng cho thấy, nếu tăng một
đơn vị pH có th ể làm nồng độ NH3 trong nước tăng lên gần 10 lần và nếu
tăng nhiệt độ lên 5ºC có th ể làm nồng độ NH3 tăng từ 40 ÷ 50% (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Tỷ lệ (%) amoniac trong dung dịch với điều kiện
nhiệt độ t = 0 - 30ºC và pH = 6 - 10

t (oC)

0

0

5

0

10

0

15

0

20

0

25

0

30

0

Phản ứng của amoni với clo được đặc biệt quan tâm trong nước cấp sinh
hoạt. Khi clo được thêm vào nước để khử trùng , HOCl được hình thành theo
phương trình dưới đây:

16


Cl2 + H2O  HOCl + H+ + ClSau đó, ClO- sẽ phản ứng với NH4+ để hình thành monocloamin
(NH2Cl). Nếu tiếp tục bổ sung clo, cân bằng (1.3) sẽ dịch chuyển mạnh về
bên phải và HOCl lại phản ứng với monocloamin để tạo thành dicloamin
(NHCl2) và tricloamin (NCl3) [39, 153].
OCl- + NH4
HOCl + NH2Cl  NHCl2 + H2O
HOCl + NHCl2  NCl3+ H2O
Do đó, đối với mục đích theo dõi n ước ăn uống, sinh hoạt, tổng nitơ
amoni là tất cả các dạng amoniac, ion amoni và dẫn xuất, bao gồm NH 3,
NH4+, NH2Cl, NHCl2 và tricloamin NCl3.
1.1.3. Các tác động của amoni trong nước sinh hoạt
Trong nước tự nhiên, các m ức amoni tổng (NH3 + NH4+) chỉ ở khoảng
0,25 mg/L đã có th ể gây nguy hại cho cá và các loài động vật sống dưới nước
khác [75]. Trong nước ăn uống và sinh hoạt, amoni là chỉ tiêu cảm quan buộc
phải giám sát (mức độ A đối với nước ăn uống và mức độ B đối với nước sinh
hoạt [20, 21]), vì sự xuất hiện của nó báo hi ệu nguồn nước bị ô nhi ễm, cần
phải kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác có nguy cơ gây hại cho sức khỏe
như nitrat, nitrit, vi sinh vật và gây hi ện tượng không ổn định sinh học của
chất lượng nước sau xử lý (nước có th ể bị đục, đóng cặn trong hệ thống ống
dẫn, bể chứa, bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan). Tiêu chuẩn môi trường
cho nước sinh hoạt và ăn uống: Ở Việt Nam là 3 mg/L (QCVN 01:2009/BYT,
QCVN 02:2009/BYT [20, 21]; TCVN 2002 là 1,5 mg/L; tổ chức Y tế Thế giới
WHO là 1,5 mg/L [32]; một số nước Châu Âu là 0,5 mg/L ; tiêu chuẩn nước
uống của Nhật bản là 0,0 mg/L [106].
Như đã nh ắc tới ở trên, trong sản xuất nước cấp amoni là yếu tố gây cản
trở công ngh ệ xử lý th ể hiện ở hai khía cạnh: (1) Làm giảm tác dụng của clo 17

tác nhân kh ử trùng ch ủ yếu áp dụng ở các nhà máy nước của Việt Nam, do
phản ứng với clo tạo thành monocloramin là chất khử trùng th ứ cấp hiệu quả
kém clo hơn 100 lần; (2) Amoni cùng v ới một số chất vi lượng trong nước
(hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây
hiện tượng “không ổn định sinh học” của chất lượng nước sau xử lý.
Một đặc điểm nữa cần được quan tâm là khi amoni tồn tại trong nước rất
dễ hình thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) trong quá trình khai thác, xử lý và
lưu trữ. Đối với nitrat, khi tồn tại trong nước uống và vào cơ thể, nitrat được
chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit là nguy h iểm hơn
đối với sức khỏe. Nitrit có th ể kết hợp với các amin để tạo nên những
nitroamin là nguyên nhân gây ung thư ở người [76]. Khi tác dụng với các
amin trong cơ thể người, chúng có thể tạo thành các h ợp chất chứa nitơ gây
ung thư [100].
R
R

Nitrit tác động lên huyết sắc tố hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển
oxi, biến nó thành methemoglobin (Met - Hb) không có kh ả năng vận chuyển
oxi. Nhờ hệ men đặc biệt, Met - Hb ở người trưởng thành có th ể chuyển thành
Oxy - hemoglobin (Oxy - Hb). Ở trẻ nhỏ, Met - Hb không thể chuyển thành Oxy

- Hb vì trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ. Mặt khác, dạ dày trẻ
sơ sinh không ngăn cản được nitrat chuyển thành nitrit. Kết quả là một lượng lớn
nitrit tác động lên huyết sắc tố và biến thành Met - Hb, mất khả năng vận chuyển
oxy đến các mô, làm trẻ xanh x ao, bệnh tật

(bệnh Blue Baby).
4HbFe2+(O2) +4NO2- + 4H+ → 4HbFe3+ +4NO3- +O2 +2H2O (1.8)

18


1.2. Sự chuyển hóa các h ợp chất nitơ trong nước
Sự chuyển hóa các h ợp chất nitơ trong nước được thực hiện bởi chu
trình nitơ. Tại đây, các quá trình đồng hóa, dị hóa và hô hấp của vi sinh vật đã
t ạo ra một chu trình khép kín. Amoni có thể được sinh ra nhờ quá trình cố
định nitơ, khử nitrat hoặc phân hủy chất hữu cơ (khoáng hóa ). Amoni bị oxi
hóa đến nitrit và nitrat bởi các vi khuẩn nitrat. Nitơ được sinh ra nhờ quá trình
khử nitrat hoá.
1.2.1. Quá trình cố định nitơ (N2 – Fixation)
Cố định nitơ là quá trình chuyển hóa khí N 2 từ khí quyển thành amoni
(NH4+) [137, 157].
Nitrogenase

Vi sinh vật cố định nitơ là các nhóm vi sinh vật có khả năng thực hiện
quá trình cố định nitơ. Trong tự nhiên, các vi sinh v ật này có thể cung cấp
cho Trái đất tới 240 x 10 6 tấn N/năm (gấp 6 lần lượng nitơ cả th ế giới sản
xuất bằng con đường hóa học) [73]. Quá trình cố định nitơ ở các đại dương
được đánh giá là đáng kể [47] và có th ể đóng góp một lượng lên đến 50%
tổng lượng nitơ vào môi trường nước [85]. Trong những thập kỷ qua, sự cân
bằng các hợp chất của nitơ ở biển đã được nghiên cứu. Những đánh giá trên
toàn cầu cho thấy nitơ tổn thất (chủ yếu là qua quá trình khử nitơ và anamox)
lớn hơn rất nhiều lần so với lượng nitơ thêm vào (quá trình cố định nitơ trong
khí quyển) [52]. Quá trình cố định nitơ thường không có ý nghĩa đối với các
vùng nước giàu các hợp chất nitơ [84]. Điều này có ngh ĩa là các vùng nước
có nồng độ tổng nitơ cao thì sự cung cấp nitơ từ khí quyển qua quá trình cố
định nitơ là không đáng kể cho môi trường.

19

Hình 1.4. Chu trình cố định N2 trong nước [47]

(trong đó: PON-particulate organic nitrogen, nitơ hữu cơ dạng hạt; DONdissolved organic nitrogen, nitơ hữu cơ dạng hòa tan; DNRA-dissimilatory
nitrate reductase to ammonium, enzym khử dị hóa nitrat về amoni)
Trong các vi sinh vật có kh ả năng cố định nitơ theo kiểu không c ộng
sinh, vi khuẩn Azotobacter và Clostridium được đánh giá là có thể phân tán
rộng rãi trong tất cả các hệ sinh thái [66]. Vi khuẩn Azotobacter là vi khuẩn cố
định nitơ trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn Clostridium là vi khuẩn cố định
nitơ trong điều kiện kỵ khí. Azotobacter thích hợp nhất với pH = 7,2 ÷ 8,2
song chúng có th ể phát triển được ở pH từ 4,5 ÷ 9,0; thích hợp là nhiệt độ từ
25 đến 30ºC. Clostridium có kh ả năng phát triển ở pH = 4,7 ÷ 8,5; bào tử của
chúng có th ể chịu được nhiệt độ cao (có th ể sống được 1 giờ ở nhiệt độ
80ºC) [18]. Đây là các vi sinh v ật cố định nitơ mà luận án sẽ tiến hành phân
tích để đánh giá khả năng cung cấp amoni từ nitơ khí quyển.

20