Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH
KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MƠI TRƢỜNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
AMONI TRONG NƢỚC
BẰNG THAN SINH HỌC
CÓ NGUỒN GỐC TỪ BÃ CÀ PHÊ

HỒ NGUYỄN HOÀNG YẾN

TP.HCM, tháng 10 năm 2020

1


TRƢỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH
KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MƠI TRƢỜNG


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
AMONI TRONG NƢỚC
BẰNG THAN SINH HỌC
CÓ NGUỒN GỐC TỪ BÃ CÀ PHÊ

SINH VIÊN THỰC HIỆN

HỖ NGUYỄN HOÀNG YẾN

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

TS. VÕ THỊ DIỆU HIỀN

Tp.HCM, tháng 10 năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

Cán bộ hướng dẫn: (ghi tên và ký duyệt)

Cán bộ chấm phản biện: (ghi tên và ký duyệt)

Khóa luận được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN ĐẠI
HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH, ngày 9 tháng 10 năm
2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH
KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM & MÔI TRƢỜNG
BỘ MÔN: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN
& MÔI TRƢỜNG

NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: Hồ Nguyễn Hồng Yến

MSSV: 1611536041

NGÀNH: Quản lý Tài ngun và Mơi trường

LỚP: 16DTNMT1A

Tên Khóa luận: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng than sinh
học có nguồn gốc từ bã cà phê.
Tiếng Việt: Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni trong nước bằng than sinh học có
nguồn gốc từ bã cà phê
Tiếng Anh: Application of biochar derived from the spent coffee ground for
ammonium removal in aqueous solution
Nhiệm vụ Khóa luận:
1. Chế tạo than sinh học từ bã cà phê (BSCG)
2. Đánh giá đặc tính của than sinh học (BSCG)
3. Đánh giá ảnh hưởng của pH, nồng độ Amoni, BSCG lên khả năng hấp thụ của
BSCG
4. Xác định đẳng nhiệt hấp phụ Amoni của BSCG.
Ngày giao Khóa luận: 1/5/2020
Ngày hồn thành nhiệm vụ: 30/09/2020
Họ tên cán bộ hướng dẫn: TS. Võ Thị Diệu Hiền
Nội dung và yêu cầu KLTN đã được Hội Đồng chun ngành thơng qua.
TP.HCM, ngày
TRƢỞNG BỘ MƠN

tháng

năm 20

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TRƢỞNG/ PHÓ KHOA


LỜI CẢM ƠN

Hồn thành báo cáo này tơi đã nhận được nhiều sự trợ giúp từ quý thầy cô,
bạn bè. Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến với TS. Võ Thị Diệu Hiền
đã cung cấp những kinh nghiệm, kiến thức quý báu cũng như những tài liệu
chuyên mơn và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và sửa chữa những thiếu sót và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt thời gian thực hiện và hồn thành luận
văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả q thầy, cơ đã tận tình hỗ trợ tài liệu,
đóng góp ý kiến cũng như động viên tơi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện
luận văn, đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình đào tại
trường.
Cuối cùng, tơi cũng xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã giúp đỡ
và động viên tinh thần cho tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2020

Sinh viên thực hiện

Hồ Nguyễn Hoàng Yến



TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Amoni (NH4+ -N) chủ yếu được tạo ra từ các hoạt động nông nghiệp và cơng
nghiệp. Nước có chứa nhiều NH4+ -N sẽ ức chế q trình nitrat hóa tự nhiên, gây ra
tình trạng thiếu oxy trong nước, gây ngộ độc cho cá và dẫn đến ơ nhiễm mơi trường.
Hiện nay, có nhiều phương pháp để loại bỏ NH4+-N, nhưng phương pháp hấp phụ
bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê là một kỹ thuật được ưa chuộng hơn
nhiều để khử amoni từ nước do vận hành đơn giản và chi phí thấp.
Mục tiêu của nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng hấp phụ của amoni môi trường
nước bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê (BSCG). Đặc tính hóa lý của than
sinh học biến tính được xác định bằng cách xác định đặc tính của BSCG như SEM,
BET và FTIR và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ amoni.
Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hấp phụ tối ưu là 80% với điều kiện tối ưu
khi giá trị pH là 7, nồng độ amoni là 40 mg/l, nồng độ BSCG là 2 g/l, thời gian hấp
phụ đạt cân bằng sau 24h, Qmax =151.52 mg/g. Quá trình hấp phụ tuân thủ theo cả hai
cơ chế hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý tùy thuộc vào pH của môi trường. Dựa vào
dung lượng hấp phụ, chúng ta có thể khẳng định than biến đổi có tiềm năng để hấp
phụ amoni trong dung dịch.


ABSTRACT

Ammonium (NH4+-N) is mainly generated from agricultural and industrial
activities. The water containing high NH4+-N would inhibit the natural nitrification
which causes water hypoxia, resulting in fish poisoning, and leads to environmental
pollution. Currently, there are many methods for NH4+-N removal, but the biochar
adsorption is a much preferable technique for deammonification from water due to

simple operation and low cost.
The objective of the study was to evaluate the adsorption capacity of ammonium in
water environment by biochar derived from coffee grounds (BSCG). The physical and
chemical properties of modified biochar were determined by determining the
properties of BSCG such as SEM, BET and FTIR and investigating the factors
affecting the ammonium adsorption capacity.
Research results show that the optimal adsorption process is 80% under optimal
conditions when the pH value is 7, the ammonium concentration is 40 mg/l, the BSCG
concentration is 2 g/l, the adsorption time is balanced. After 24 hours, Qmax=151.52
mg/g. The adsorption process follows both chemical adsorption and physical
adsorption mechanism depending on the pH of the medium. Based on the adsorption
capacity, we can confirm that modified coal has potential to adsorb ammonium in
solution.


MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................v
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...............................................................................1
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...............................................................................1
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................................................3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................4
1.1

TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM AMONI TRONG NƢỚC ...........................4

1.1.1

Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm tại Việt Nam ............... 4

1.1.2

Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm trên thế giới................ 5

1.1.3

Amoni trong nƣớc sinh hoạt và tác hại tới sức khỏe ........................... 6

1.2

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC Ơ NHIỄM AMONI ...................................7

1.2.1

Phƣơng pháp kiềm hóa và làm thoáng ................................................ 7

1.2.2

Phƣơng pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua (Br-)............................. 7

1.2.3

Phƣơng pháp trao đổi ion ..................................................................... 8

1.2.4

Phƣơng pháp sinh học ........................................................................... 8

1.2.5

Phƣơng pháp hấp phụ ......................................................................... 10

1.2.6 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc. ........................ 12
1.2.7 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ. ..................................... 13
1.3

THAN SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƢỚC Ô NHIỄM .........................13

1.3.1

Thành phần tính chất .......................................................................... 13

1.3.2

Vật liệu sản xuất than sinh học .......................................................... 14
i


1.3.3

Ứng dụng than sinh học trong xử lý nƣớc ô nhiễm amoni .............. 15

CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................16
2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...........................................................................16
2.2 ĐIỀU CHẾ THAN SINH HỌC TỪ BÃ CÀ PHÊ (BSCG) .........................17

2.3 CÁC THÍ NGHIỆM .......................................................................................17
2.4 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .....................................................................19
CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................21
3.1 ĐẶC TÍNH SINH HỌC CỦA THAN SINH HỌC (BSCG) ........................21
3.2 ẢNH HƢỞNG CỦA pH ĐẾN KHẢ NĂNG LOẠI BỎ AMONI CỦA
BSCG ............................................................................................................................23
3.3 ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BSCG ĐẾN KHẢ NĂNG LOẠI BỎ
AMONI CỦA BSCG ...................................................................................................24
3.4 ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ AMONI ĐẾN KHẢ NĂNG LOẠI BỎ
AMONI CỦA BSCG ...................................................................................................25
3.5 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA BSCG THEO THỜI GIAN .........26
3.6 ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ AMONI CỦA BSCG .........................................27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................29
1. KẾT LUẬN ........................................................................................................29
2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................................29
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................30
PHỤ LỤC ...............................................................................................................33

ii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Q trình chuyển hóa Amoni....……………………………………….……..4
Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nhiễm Amoni trong nước ngầm……...……………….…….4
Hình 1.3 Các mơ hình của một cấu trúc graphitic microcristalline…………..………13
Hình 2.1 Quy trình chế tạo than sinh học từ bã cà phê……………………………….16
Hình 3.1 Ảnh SEM của BSBG ở kích thước 1 và 10 µm.……………………………20
Hình 3.2 Kết quả phân tích FITR của BSCG ………..………………………………21
Hình 3.3 Giá trị pHpzc của BSCG ……………………………………………….…..22
Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG………………22

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ BSCG đến hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG....23
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ amoni đến hiệu suất hấp phụ amoni của BSCG….24
Hình 3.7 Khả năng hấp phụ amoni theo thời gian của BSCG……………………......25
Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich …....……………...….26

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. So sánh khả năng hấp phụ amoni của BSCG với các Biochar
khác…………………………………………………………………………………....27

iv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên Môi trường

BSCG

Than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê

BYT

Bộ Y tế

QCQG

Quy chuẩn quốc gia

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

VLHP

Vật liệu hấp phụ

v


MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, việc sản xuất và sử dụng biochar ngày càng được quan
tâm vì khả năng lưu trữ carbon bền trong đất, khả năng cải thiện độ phì nhiêu đất và
giảm rửa trơi các chất ơ nhiễm ra mơi trường bên ngồi. Biochar được định nghĩa là
sản phẩm giàu carbon được sản xuất bằng quá trình nhiệt phân chất hữu cơ ở điều kiện
oxygen hiếm và ở nhiệt độ cao.
Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt 01-1:2018 BYT,
hàm lượng amoni trong nước sinh hoạt đạt chuẩn khi có hàm lượng amoni 0,3 mg/l.
Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nước sinh hoạt ở nhiều nơi đều vượt quá chỉ
tiêu cho phép, nhiều nơi cao từ 20 đến 30 lần. Mức độ ô nhiễm tăng trong khi các tác
nhân nhiễm bẩn chưa được ngăn chặn hiệu quả. Trong những năm gần đây, hấp phụ là
công nghệ được ưa chuộng hơn để xử lý amoni trong nước do dễ hoạt động và chi phí
thấp. Việc tận dụng phế phụ phẩm sinh hoạt, trong đó có bã cà phê, để biến nó thành
một loại vật liệu có giá trị mang lại lợi ích kinh tế và mơi trường sẽ là một hướng đi
phù hợp.
Với các lý do trên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni

trong nƣớc bằng than sinh học có nguồn gốc từ bã cà phê” để tận dụng phế phụ
phẩm bã cà phê để sản xuất than sinh học và sử dụng để hấp phụ amoni trong nước bị
ô nhiễm.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu của đề tài là điều chế thành công than sinh học từ bã cà phê (BSCG) và
đánh giá hiệu quả hấp phụ amoni trong nước ở những điều kiện khác nhau.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

Xác định đặc tính của BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của pH đến khả năng loại bỏ amoni của BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của liều lượng BSCG đến khả năng loại bỏ amoni của BSCG.

-

Đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ amoni đến khả năng loại bỏ amoni của BSCG.

-

Xác định đẳng nhiệt hấp phụ amoni của BSCG.
1


2

4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu hấp phụ: than sinh học từ bã cà phê
Đối tượng xử lý: amoni trong nước
 Thời gian nghiên cứu
Không gian: Thí nghiệm được thực hiện tại phịng thí nghiệm Quan trắc Môi
trường – Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường – Trường Đại học Nguyễn Tất
Thành và thực hiện trên các máy móc và thiết bị có sẵn.
Thời gian thực hiện: từ 1/5/2020 đén 30/09/2020

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM AMONI TRONG NƢỚC
1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm tại Việt Nam
Theo Chi cục bảo vệ môi trường TP.HCM, kết quả quan trắc nước ngầm tầng
nông gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày
càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đơng Thạch (huyện Hóc Mơn) bị ơ nhiễm
amoni (68.73 mg/l cao gấp 1.9 lần so với năm 2005). Ngồi ra cịn có một số khu vực
khác cũng bị ô nhiễm amoni trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm amoni trong
nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo kết quả
khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ
Quốc gia và trường Đại học Mỏ - Địa chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng
Bắc Bộ gồm các tỉnh như Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng
n, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng. Xác suất các
nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt là
3mg/l khoảng 70-80%. Trong nhiều nguồn nước ngầm cịn chứa nhiều hợp chất hữu

cơ, độ oxi hố có nguồn đạt 30-40 mg O2/l. Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước
ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các chất hợp chất hữu cơ (Nhan
2002).
Theo kết quả khảo sát của các nhà khoa học Viện Địa lý thuộc Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam thì hầu như các mẫu nước từ các huyện của tỉnh Hà Nam đều có
tỷ lệ nhiễm amoni ở mức đáng báo động. Chẳng hạn như tại Lý Nhân có mẫu nước với
hàm lượng lên tới 111,8 mg/l gấp 74 lần so với tiêu chuẩn BỘ Y Tế (TC BYT), còn ở
Duy Tiên là 93,8 mg/l gấp 63 lần…Trong khi đó, các kết quả khảo sát của trường Đại
Học Mỏ - Địa chất Hà Nội cũng cho biết chất lượng nước ngầm ở tầng mạch nông và
mạch sâu tại các địa phương này cũng có hàm lượng Nitơ trung bình > 20 mg/l vượt
mước tiêu chuẩn Việt Nam cho phép rất nhiều lần. (Nhan 2002).

4


Hình 1.1 Q trình chuyển hóa Ammonia
Có nhiều ngun nhân dẫn đến tình trạng nhiễm bẩn amoni và các chất hữu cơ trong
nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng q mước
lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hoá chất, thực vật gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến nguồn nước, hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và các chất trên càng
làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm. Ngồi ra mức độ ơ nhiễm cịn
phụ thuộc vào loại hình canh tác của từng khu vực.


Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng



Do sự tồn tại của nguồn ơ nhiễm nằm ở phía trên mặt đất



Do chiều dày đới thơng khí



Do độ dốc thuỷ lực lớn

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nhiễm Ammoni trong nƣớc ngầm
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm trên thế giới
Amoni có mặt trong nước ngầm là do kết quả của q trình phân huỷ yếm khí
các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên và cũng do các nguồn thải hữu cơ từ các hoạt động
của con người. Nồng độ amoni cao từ 1-10 mmol/L đã được tìm thấy ở các tầng chứa
nước bị nhiễm bẩn do sự rò rỉ từ trong đất và trong các hoạt động thải nước thải nồng
5


độ amoni cao. Đã có nhiều cơng trình khoa học sử dụng kỹ thuật đồng vị kết hợp với
các phương pháp khác để nghiên cứu về ngồn gốc ô nhiễm amoni cũng như sự di
chuyển của chất này từ trong môi trường đất vào nước ngầm thông qua các quá trình
biến đổi các hợp chất nitơ.
1.1.3 Amoni trong nƣớc sinh hoạt và tác hại tới sức khỏe
Bản thân Amoni không quá độc với cơ thể, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm
lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư
và các bệnh nguy hiểm khác. Các nghiên cứu cho thấy, 1g amoni khi chuyển hóa hết
sẽ tạo thành 2,7 g nitrit và 3,65 g nitrat. Trong khi hàm lượng cho phép của nitrit là
0,05 mg/l và nitrat là 2-5 mg/lít theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT quy định về chất
lượng nước mặt. (BTNMT 2015)
Amoni là một trong những yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm
giảm tác dụng của Clo, giảm hiệu quả khử trung nước do phản ứng với Clo tạo thành

monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần. Amoni cùng với
các chất vi lượng trong nước (hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn”
để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị
đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước. Nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố
cảm quan (NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong
đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan). Một hiện tượng nữa cần được quan tâm
là khi nồng độ amoni trong nước cao, rất dễ tạo thành các nitrat (NO2-), nitrit (NO3-).
Trong cơ thể động vật, nitrit và nitrat có thể biến thành N – nitroso – là chất tiền ung
thư.
Khi ăn uống nước có chứa nitrit, cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ
tranh oxy của hồng cầu làm hêmoglobin 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,
nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp, trẻ bị xanh xao, ốm yếu,
thiếu máu, khó thở do thiếu oxi trong máu. Đối với người lớn, 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 – 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
6


Các hợp chất nito trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử
dụng nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên
những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt
nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Sau khi lọt vào cơ
thể, nitrat được chuyển hoá nhanh thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Iron nitrit còn
nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khoẻ con người. Khi tác dụng với các amin hạt alkyl
cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nito gây ung thư.
1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC Ô NHIỄM AMONI
1.2.1 Phƣơng pháp kiềm hóa và làm thống

Amoni ở trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng:
NH4  NH3 (khí hồ tan) + H+

pKa = 9,25

(1)

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta
nâng pH tới 9,25 tỷ lệ [NH3]/[ NH4+] = 1 và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về
phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ
bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải:
NH4+ + OH-  NH3 + H2O

(2)

Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi NH4+ ở mức
1600m3 khơng khí/m3 nước và q trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.
Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đo được nồng độ amoni
xuống dưới 1,5 mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lý nước cấp (Xuan Hien et
al 2010)
1.2.2 Phƣơng pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua (Br-)
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp Clo hố điểm đột biến người ta có thể
thay thế một số tác nhân oxi hoá khác là ozon với sự có mặt của Br- về cơ bản xử lý
amoni bằng O3 với sự có mặt của Brom cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương
pháp xử lý dùng Clo. Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hoá thành BrO theo phản ứng
sau đây (Cat 2002):
Br_ + O3 + H+ → HBrO + O2

(3)

Phản ứng oxy hoá amoni được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion Clo7


NH3 + HBrO → NH2Br + H2O

(4)

NH2Br + HBrO → NHBr2 + H2O

(5)

NH2Br + NHBr2 →N2 + 3Br- + 3H+

(6)

1.2.3 Phƣơng pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải
cũng như nước cấp. Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử
dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại, các
ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước.
Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước
các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thủy ngân, cadimi, mangan...) các hợp chất
của asen, photpho, xianua, và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi
các chất có giá trị với độ làm sạch nước cao. Nhược điểm chính của phương pháp này
là chi phí đầu tư và chi phí vận hành khá cao nên ít được sử dụng cho các cơng trình
lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượng xử lý cao. Ưu điểm của
phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng. Thực chất của phương pháp
này là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và
ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một q trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ
(phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi).

Sự ưu tiên hấp thụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion
trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi. Quá
trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau (Hien et al
2010).
1.2.4 Phƣơng pháp sinh học
Ở phương pháp sinh học bao gồm hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hố và khử
nitrat hố như sau:
a) Q trình nitrat hố:
Q trình chuyển hố về mặt hố học được viết như sau:
(7)

8


(8)
Phương trình tổng:
(9)
Đầu tiên, amoni được oxy hóa thành các nitrit nhờ các vi khuẩn Nitrosomonas,
Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thành nitrat
nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa
Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng. Năng lượng sinh
ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào.
Nguồn cacbon để sinh tổng họp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vơ cơ (HCO3- là
chính). Ngồi ra chúng tiêu thụ mạnh O2. (Duc 2004)
Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính
bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. Vận tốc q trình oxy hóa nitơ amoni phụ
thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi
sinh vật, hàm lượng nitơ amoni, oxy hòa tan, vật liệu lọc... Các vi khuẩn nitrat hóa có
khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính
bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm

của phản ứng sinh hóa. Sử dụng vật liệu mang phù họp làm giá thể cố định vi sinh cho
phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bùn, nâng cao và ổn định hiệu suất
xử lý trong cùng một khối tích cơng trình cũng như tránh được những sốc do thay đổi
điều kiện môi trường (Duc 2004).
b) Q trình khử nitrat hố:
Để loại bỏ nitrat trong nước, sau cơng đoạn nitrat hóa amoni là khử nitrat sinh hóa
nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ
chuyển thành dạng khí N2.
Q trình khử nitrat hố là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:
NO3 → NO2 → NO → N2O → N2

(10)

Để thực hiện phương pháp này, người ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu
lọc, nơi dính bám và sinh trưởng của vi sinh vật khử nitrat. Q trình này địi hỏi
nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ, H2S, ... Nếu trong nước
9


khơng có oxy nhưng có mặt các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được, trong môi
trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn oxy để oxy hóa
chất hữu cơ (chất nhường điện tử), còn NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí N2.
Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ q trình chuyển hố NO3- thành khí
N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Do đó khi khử NO3- sau q trình nitrat
hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đo thêm các chất này vào nước.
Hiện nay, người ta thường sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rượu, đường, cồn, giấm,
axetat natri, ... Axetat natri là một trong những hoá chất thích hợp nhất.
Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý amoni, nhưng phương pháp hấp phụ amoni là
phương pháp hiệu quả và đơn giản về kĩ thuật nhất hiện nay.
1.2.5 Phƣơng pháp hấp phụ

Hấp phụ:
Hấp phụ là q trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí, rắn - lỏng,
khí - lỏng, lỏng - lỏng) (Thanh 2014).
Trong đó:
Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử
của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt
chất hấp phụ.
Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi
bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác giữa
các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật
lý và hấp phụ hóa học (Thanh 2014).

10


 Hấp phụ vật lý
Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls
giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng,
định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính
thuận nghịch cao.
Hấp phụ vật lý khơng có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình
thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt lượng tỏa
ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2†6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất
hóa học của bề mặt, khơng có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị
hấp phụ (Cat 2002)

 Hấp phụ hóa học
Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng

hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia q
trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lượng
tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương
đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trình hấp phụ vật lý,
khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hóa học tăng lên.
Rất khó phân biệt rõ ràng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Tốc độ của quá
trình hấp phụ vật lý thường cao cịn hấp phụ hóa học thì ngược lại và được xác định
theo cơng thức (Lan 2016) :
Khpc= k0.z.e – E/RT

(11)

Trong đó: Khpc: hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học K0 : hệ số hấp phụ
E: năng lượng hoạt hóa
z: số va chạm của phần tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời
gian

11


1.2.6 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc.
Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít nhất ba
thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của
nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị
hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất
hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó (Thanh 2014).
Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị

hấp phụ trong nước, tính kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ
trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước
tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không
phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các
chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như
SO42-, PO43- ,CrO42-… thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua
lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi
một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất
bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện.
Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ
phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch.
Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các
chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị
phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hồ tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng
điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng khơng, trên giá trị đó bề mặt
chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương. Đối
với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm
chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất
Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng
ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong mơi trường nước chúng có độ tan khác nhau
12