Nghiên cứu xử lý khí thải chứa nh3 bằng phương pháp lọc sinh học (biotrickling filter)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----o0o----

NGUYỄN THỊ KIM ANH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KHÍ THẢI CHỨA NH3 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC (BIOTRICKLING
FILTER)

CHUYÊN NGÀNH

:

CÔNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG

MÃ NGÀNH

:

60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----o0o----

NGUYỄN THỊ KIM ANH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KHÍ THẢI CHỨA NH3 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC (BIOTRICKLING
FILTER)

CHUYÊN NGÀNH

:

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

MÃ NGÀNH

:

60 85 06

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

:

TS. TÔ THỊ HIỀN
TS. TRẦN TIẾN KHƠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ KIM ANH

MSHV: 12250597

Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1989

Nơi sinh: Tp. HCM

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xử lý khí thải chứa NH3 bằng phương pháp lọc sinh
học (Biotrickling filter).
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài tiến hành khảo sát khả năng xử lý dịng khí có
chứa ammonia bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt (biotrickling filter) thông qua
khảo sát q trình ni cấy, thích nghi, vận hành và ảnh hưởng của các yếu tố: nồng
độ ammonia trong dòng khí, lưu lượng, thời gian lưu,… đến khả năng loại bỏ và khả
năng chuyển hố ammonia trong dịng khí của mơ hình thí nghiệm với vật liệu đệm
polyurethane foam (PUF).
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/01/2014

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2014
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TÔ THỊ HIỀN; TS. TRẦN TIẾN KHÔI
Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Việc thực hiện luận văn thạc sỹ là một bước ngoặt quan trọng trong cuộc đời,
ngoài những cố gắng và nỗ lực của riêng bản thân, em xin trân trọng cảm ơn sự hỗ
trợ và giúp đỡ từ q thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Tô Thị
Hiền và TS. Trần Tiến Khôi – người đã hết mình hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên
cứu và thực hiện đề tài, đã định hướng cũng như cho em những lời khuyên kịp thời
trong mỗi bước đi, luôn tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt để em có thể hồn thành tốt
luận văn.
Tiếp đến em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Môi Trường - Đại Học
Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giúp đỡ, nhiệt tình dạy dỗ và chia sẻ những kiến thức
cũng như kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt khoảng thời gian học tập trên giảng
đường. Đó là động lực giúp em có thể vững tin trong quá trình làm luận văn tốt

nghiệp, cũng như vận dụng trong chính cuộc sống của bản thân mình.
Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm khoa, thầy cô khoa Môi
trường – Đại Học Khoa học Tự Nhiên Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở
vật chất, trang thiết bị, dụng cụ cũng như tạo điều kiện trong q trình cơng tác để
em có thể hồn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn các anh chị Lê Xuân Vĩnh, Nguyễn Lý
Sỹ Phú, Nguyễn Thảo Nguyên, các em Lưu Thị Hân, Trần Minh Lộc, Nguyễn Trí Vũ
Anh đã giúp đỡ em rất nhiều trong khoảng thời gian thực hiện luận văn thạc sỹ.
Sau cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình, bạn bè và những
người thân đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần giúp đỡ em vượt qua những giai đoạn
khó khăn để hồn thành luận văn.
Nguyễn Thị Kim Anh


ii

TÓM TẮT
Đề tài tập trung nghiên cứu khả năng loại bỏ amonia trong dịng khí thải bằng
mơ hình lọc sinh học nhỏ giọt với vật liệu đệm nhân tạo PU (Polyurethane foam)
thông qua khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, lưu lượng, chiều cao mơ hình đến hiệu
quả xử lý và khả năng chuyển hoá ammonia. Nghiên cứu đã cho thấy hiệu suất loại
bỏ rất cao của thiết bị (hơn 99%) khi tăng nồng độ amonia trong dịng khí 69.57
mg/Nm3 lên đến 11419.4 mg/Nm3 tương ứng với khoảng tải trọng từ 0.9 g/Nm3.h đến
149.63 g/Nm3.h, lưu lượng dịng khí duy trì 3.0 L/phút tương ứng thời gian lưu trên
lớp đệm rỗng EBRT là 76 s, pH duy trì trong khoảng 7.5 – 7.8, khí thải sau xử lý có
nồng độ amonia thấp hơn rất nhiều so với quy chuẩn cho phép (QCVN
19:2009/BTNMT, loại B). Đồng thời khi tăng dần chiều cao vật liệu đệm hay tăng
dần thời gian phản ứng, hiệu quả loại bỏ tăng rõ rệt. Với nồng độ đầu vào tối ưu được
duy trì ở 9100 mg/Nm3 (tương ứng tải trọng ammonia trong dịng khí là 119.5
g/Nm3.h), hiệu quả xử lý đạt 52.5% với chiều cao 350 mm, tăng lên đến 77.6% với

chiều cao 700 mm và đạt 99.9% khi tăng chiều cao đến 1000 mm. Ảnh hưởng của
nồng độ nitrite trong dung dịch tuần hoàn cũng được quan tâm nghiên cứu. Kết quả
cho thấy khi nồng độ nitrite tích luỹ trong dung dịch tuần hồn hơn 100 mg/L thì hiệu
quả chuyển hố sinh học giảm cịn 85.99%, đây là giới hạn tích luỹ tối đa cho phép
để hạn chế ảnh hưởng của nitrite đến hoạt động của thiết bị. Nghiên cứu cũng đã khảo
sát ảnh hưởng của tốc độ dịng khí và thời gian lưu đến hiệu quả xử lý. Kết quả cho
thấy hiệu suất xử lý cao nhất đạt 99.8% ứng với tốc độ dịng khí tối ưu 4 L/phút,
EBRT tối ưu 57.2 s. Đồng thời khi tăng dần chiều cao vật liệu đệm hay tăng dần thời
gian phản ứng, hiệu quả loại bỏ tăng rõ rệt. Theo đó cho thấy tốc độ dịng khí và thời
gian lưu trên lớp vật liệu đệm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng loại bỏ ammonia
bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt và cần được quan tâm khi thiết kế và vận
hành hệ thống. Những kết quả này cũng cho thấy hệ thống nghiên cứu có thể xử lý
amoniac trong dòng thải nồng độ cao, phù hợp để xử lý khí thải ở các nhà máy sản
xuất phân ủ, phân bón hóa học.
TỪ KHĨA: ammonia, lọc sinh học nhỏ giọt, chuyển hoá sinh học, tải trọng,
nitrite, thời gian lưu trên lớp đệm rỗng (EBRT)...


iii

ABSTRACT
This research aimed at investigating the ability to remove ammonia emissions
with models of biological trickling filter with the foam cushioning material
(Polyurethanefoam-PU), the influence of concentration, gas flowrate to removal
efficiency and biological eliminating ability. The results showed that the device was
capable of handling the loading rate of ammonia gas concentration was high (over
99%) when increasing the ammonia concentration in the gas stream from 69.57
mg/Nm3 up to 11419.4 mg/Nm3 corresponding to loading rate was increased from
about 0.9 g/Nm3.h to 149.63 g/Nm3.h, while gas flowrate was maintained at 3.0 L/min
corresponding to the emty bed residence time – EBRT was 76 s, pH in the range 7.5

- 7.8, the biological eliminating ability to be maintained at 98.9%. At the same time
as increasing the height of cushioning material or increasing reaction time, removal
efficiency was significantly increased. When inlet concentration was maintained at
9100 mg/Nm3 (corresponding to the ammonia loading rate in the gas stream was
119.5 g/Nm3.h), removal efficiency reached 52.5% with a height of 350 mm
cushioning material, increased to 77.6% with a height of 700 mm and reached 99.9%
while increasing the height to 1000 mm cushioning material. Effect of nitrite
concentration in the fluid, was also studied. The results showed that when the
concentration of nitrite accumulation in the circulation liquid was increased up to 100
mg/L, the biological elinitating efficiency decreased to 85.99%. This was the
maximum accumulation allowed to limit the influence of nitrite concentration to
operation of the device. Gas flowrate (3.5 - 5.0 L/min) and the emty bed residence
time - EBRT (30-75 s) were also concentratedly studied. The results showed that the
highest removal efficiency of 99.8% with optimal flow rate 4 L/min, 57.2 s EBRT.
KEYWORDS: ammonia, biological trickling filter, biodegradation, loading
rate, nitrite, empty bed residence time (EBRT)...


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

LỜI CAM ĐOAN

Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ KIM ANH

MSHV: 12250597

Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1989

Nơi sinh: Tp. HCM

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KHÍ THẢI CHỨA NH3 BẰNG PHƯƠNG
PHÁP LỌC SINH HỌC (BIOTRICKLING FILTER)
Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong Luận án này trung thực
và chưa ai khác công bố trong bất kì cơng trình nào khác

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2014

Nguyễn Thị Kim Anh


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
TÓM TẮT ................................................................................................................ II
ABSTRACT ............................................................................................................ III
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... IV
MỤC LỤC ................................................................................................................. V
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................. IX
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................1

1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...........................................................................2

1.3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..............................................2

1.4.

NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................3

1.5.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...........................................................................3

1.6.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ...........................4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................5
2.1.

TỔNG QUAN VỀ AMMONIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

AMMONIA TRONG KHÍ THẢI ............................................................................5
2.1.1 Tổng quan về ammonia .................................................................................5
2.1.2.

Tổng quan về các phương pháp xử lý ammonia trong khí thải ...............11

a.Các phương pháp hóa lý ...............................................................................11
b.Các phương pháp sinh học ...........................................................................12
2.2.

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC BIOTRICKLING
.........................................................................................................................13

2.2.1.

Lịch sử ......................................................................................................13

2.2.2.

Cấu tạo và nguyên lý vận hành ................................................................14

2.2.3.

Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc sinh học Biotrickling

trong xử lý khí thải chứa ammonia ........................................................................22


vi
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................27
3.1.

GIỚI THIỆU .................................................................................................27

3.2.

NGUN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ........................................................27

3.2.1.

Mơ hình thí nghiệm ..................................................................................27

3.2.2.

Vật liệu đệm .............................................................................................30

3.2.3.

Nguồn khí thải ..........................................................................................31

3.2.4.

Bùn ni cấy.............................................................................................32

3.2.5.

Dung dịch dinh dưỡng ..............................................................................33

3.2.6.

Nước cất ...................................................................................................34

3.2.7.

Các hoá chất khác sử dụng trong phân tích..............................................34

3.3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................35

3.3.1.

Phương pháp tổng hợp tài liệu .................................................................35

3.3.2.

Phương pháp thực nghiệm .......................................................................35

3.3.3.

Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ..................................................43

3.3.4.

Thơng số khảo sát .....................................................................................49

3.3.5.

Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................52

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................53
4.1.

GIỚI THIỆU .................................................................................................53

4.2.

GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI VI SINH VẬT VÀ TIẾN HÀNH CẤY VI

SINH VẬT VÀO MƠ HÌNH ..................................................................................53
4.3.

GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG ..........................................................................57

4.4.

GIAI ĐOẠN HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH .........................59

4.4.1.

Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ nitrite ...........................59

4.4.2.

Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ amonia trong dịng khí

đầu vào ..................................................................................................................61
4.4.3.

Thí nghiệm khảo sát khả năng chuyển hố sinh học................................65

4.4.4.

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của chiều cao đến hiệu quả loại bỏ.......70

4.4.5.

Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí đầu vào đến

hiệu quả loại bỏ ......................................................................................................74
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................78


vii
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................81
PHỤ LỤC .................................................................................................................88
Phụ lục 1: Hình ảnh quá trình thực nghiệm .........................................................88
Phụ lục 2: Thống kê thơng số hoạt động ...............................................................90
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................97


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Mức độ ảnh hưởng của người và động vật khi tiếp xúc với NH3.............10
Bảng 2.2: Danh mục các ngành công nghiệp ứng dụng lọc sinh học để kiểm sốt ơ
nhiễm khơng khí ........................................................................................................21
Bảng 3.1: Đặc lý vật lý của vật liệu đệm ..................................................................30
Bảng 3.2: Thông số chất lượng khí NH3 ...................................................................31
Bảng 3.3: Thành phần dung dịch dinh dưỡng đa lượng và vi lượng ........................34
Bảng 3.4: Thống kê thơng số vận hành .....................................................................41
Bảng 3.5: Bảng tóm tắt chỉ tiêu và phân pháp phân tích ..........................................44
Bảng 3.6: Nồng độ và mật độ quang đường chuẩn ammonia ...................................45

Bảng 3.7: Nồng độ và mật độ quang đường chuẩn phân tích nitrite ........................47
Bảng 3.8: Nồng độ và mật độ quang đường chuẩn phân tích nitrate ........................48
Bảng 4.1: Thống kê kết quả nghiên cứu xử lý khí thải chứa ammonia ....................63
Bảng 4.2: Các kết quả của cân bằng khối lượng nitơ trong ngày đầu tiên của giai
đoạn vận hành ổn định. .............................................................................................69
Bảng 4.3: Phương trình và hệ số tương quan giữa chiều cao mơ hình (0.35; 0.7; 1
m) và hiệu suất loại bỏ ứng với nồng độ ammonia trong dịng khí đầu vào.............72


ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Cấu trúc phân tử ammonia ..........................................................................5
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thực nghiệm .....................................................28
Hình 3.2: Hình ảnh thực tế mơ hình Biotrickling .....................................................29
Hình 3.3: Vật liệu PUF..............................................................................................30
Hình 3.4: Vật liệu PUF trước khi sử dụng ................................................................30
Hình 3.5: Bình chứa khí NH3 ..............................................................................................................................32
Hình 3.6: Valve điều áp Micromatic .........................................................................32
Hình 3.7: Hệ thống hồ trộn khí................................................................................32
Hình 3.8: Dung dịch bùn hoạt tính trong q trình thích nghi ..................................33
Hình 3.9: Đồ thị đường chuẩn phân tích ammonia ...................................................46
Hình 3.10: Đồ thị đường chuẩn phân tích nitrite ......................................................47
Hình 3.11: Đồ thị đường chuẩn phân tích nitrate......................................................48
Hình 4.1: Hàm lượng chất rắn lơ lửng (MLSS) và pH trong bùn hoạt tính trong thời
gian thích nghi ...........................................................................................................54
Hình 4.2: Cột lọc sinh học sau khi cấy vi sinh vật ....................................................56
Hình 4.3: Vật liệu đệm PUF trước (a) và sau (b) khi cấy vi sinh vật .......................57
Hình 4.4: Đồ thị thể hiện hiệu suất của mơ hình lọc sinh học nhỏ giọt ở giai đoạn
khởi động...................................................................................................................58

Hình 4.5: Đồ thị khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ nitrite lên hiệu suất xử lý và
hiệu suất chuyển hố sinh học ...................................................................................60
Hình 4.6: Đồ thị khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ đầu vào lên hiệu suất xử lý và
hiệu suất xử lý sinh học .............................................................................................62
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa nồng độ ammonia trong dong khí
đầu vào và khả năng loại bỏ Re ................................................................................64
Hình 4.8: Đồ thị tương quan giữa tải lượng ammonia trong dịng khí đầu vào và khả
năng loại bỏ EC .........................................................................................................65
Hình 4.9: Đồ thị thể hiện sự biến động của các dạng nitơ theo sự tăng dần của nồng
độ đầu vào. ................................................................................................................66


x
Hình 4.10: Q trình chuyển hố ammonia bởi vi sinh vật trên bề mặt vật liệu đệm
...................................................................................................................................68
Hình 4.11: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của chiều cao vật liệu đệm đến hiệu quả xử lý
...................................................................................................................................71
Hình 4.12: Đồ thị mối tương quan giữa chiều cao mơ hình (0.35; 0.7; 1 m) và hiệu
suất loại bỏ ứng với nồng độ ammonia trong dịng khí đầu vào ...............................73
Hình 4.13: Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của lưu lượng dịng khí đầu vào đến Re ......74
Hình 4.14: Đồ thị mối tương quan giữa lưu lượng dịng khí và hiệu suất loại bỏ ....77


xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AOB

: Ammonia oxidizing bacteria - Vi khuẩn oxy hố ammonia

BTNMT

: Bộ Tài ngun mơi trường

CFC

: Chlorofluorocarbon

CTV

: Cộng tác viên

DDDD

: Dung dịch dinh dưỡng

DDTH

: Dung dịch tuần hoàn

DO

: Dissolved Oxygen - Nồng độ oxy hoà tan

EBRT

: Empty bed residence time - Thời gian lưu trên lớp đệm rỗng

EC

: Elimination capacity - Khả năng loại bỏ

TBRT

: True bed residence time - Thời gian lưu trên lớp đệm thực

TNHH

: Trách nhiệm hữu hạn

PUF

: Polyurethane foam

MLSS

: Mixed liquor suspended solid - Hàm lượng chất rắn lơ lửng

Nm3

: Mét khối khí thải chuẩn (m3 khí thải ở điều kiện 25oC, 1atm)

NH3 – Nig

: Nồng độ nitơ amoniac trong khí thải đầu vào

NH3 – Nog

: Nồng độ nitơ amoniac trong khí thải đầu ra

NH3 – Nwl

: Nồng độ nitơ amoniac trong DDTH

NO2 – Nwl

: Nồng độ nitơ nitrite trong DDTH

NO3 – Nwl

: Nồng độ nitơ nitrite trong DDTH

NOB

: Nitrite oxidizing bacteria - Vi khuẩn oxy hoá nitrite

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

R

: Tỷ lệ loại bỏ sinh học

Rb

: Biological eliminating efficiency - Hiệu suất loại bỏ sinh học

Re

: Removal Efficiency - Khả năng loại bỏ

SND

: Simultaneous nitrification-denitrification - Nitrate hoá và khử nitrate
hoá đồng thời

VL

: Volumetric mass loading - Tải trọng thể tích


1

Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
NH3 được thải ra rất nhiều từ các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, chăn
nuôi gia súc, ủ phân compost, xử lý bùn thải hay từ bãi rác và trạm trung chuyển rác.
Trong chăn ni nơng nghiệp, lượng phát thải khí ammonia khoảng từ 10 – 60 ppmv
[16]. Trong công nghiệp, ammonia được phát thải từ các nhà máy xử lý nước thải,
nhà máy sản xuất phân bón, các ngành cơng nghiệp sản xuất hóa chất. Trong nhà máy
sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn, nồng độ NH3 lên đến 394 ppmv (ở 30OC) [56],
trong khi nhà máy sản xuất phân hữu cơ từ bùn nồng độ lên đến 1023 ppmv (ở 30OC)
[30][23]. Hà Lan là một trong những đất nước chịu ảnh hưởng lớn nhất của q trình
acid hóa đất nơng nghiệp từ ô nhiễm NH3. Hơn một nửa đất rừng bị ảnh hưởng, hầu
hết đầm lầy bị acid hóa, nồng độ nitrate trong đất vượt mức cho phép và còn tiếp tục
tăng cao. Gần đây, người ta cũng nhận thấy vùng đông bắc Carolina đang phải gánh
chịu những tác động tiêu cực từ ơ nhiễm NH3 trong đất. Do đó, NH3 cần phải được
xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường [61].
Từ lâu, nitrogen oxide (NOx) và sulfur oxide (SOx) được xem là các tác nhân

chính acid hóa mơi trường do chúng dễ dàng chuyển hóa thành acid nitric và acid
sulfuric. Trong khi đó, NH3 đóng vai trị kiềm hóa, giúp cân bằng pH tự nhiên trong
khơng khí. Tuy nhiên, khi nồng độ NH3 trong khơng khí tăng lên q cao có thể gây
acid hóa mơi trường theo một cách gián tiếp và góp phần hình thành khói mù quang
hóa trong đơ thị. Phản ứng giữa NH3 và các acid trong khơng khí như H2SO4 và HNO3
hình thành các lớp khí chứa ammonium sulfate ((NH4)2SO4) và ammonium nitrate
(NH4NO3). Sau đó, các muối này sẽ theo q trình lắng đọng ướt hoặc khơ xuống đất,
bị oxy hóa bởi các vi khuẩn trong đất, tạo trở lại HNO3[7]. Bên cạnh đó, ammonia
còn là một chất độc đối với sức khỏe con người. Ở hàm lượng thấp, NH3 tạo cảm giác
cay buốt, cịn ở hàm lượng cao thậm chí có thể gây mù mắt, mùi của nó có thể gây dị
ứng nghiêm trọng đối với người tiếp xúc. Vì vậy, ammonia được xem là nguyên nhân


2
lâu dài gây ra bệnh viêm cuống phổi. Ngoài ra, trong cơng nghiệp, rị rỉ khí NH3 sẽ
gây ăn mịn các thiết bị, từ đó làm tắc nghẽn các quá trình sản xuất.
Khí thải có chứa NH3 chủ yếu được xử lý bằng các phương pháp như: hấp thụ,
oxy hóa, ngưng tụ… Các phương pháp này có nhược điểm là khó thiết kế, vận hành;
chi phí đầu tư, vận hành tương đối cao cũng như tạo sản phẩm phụ cần xử lý. Theo
xu hướng hiện nay, các quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học đang được quan
tâm nghiên cứu và ứng dụng do phương pháp sinh học có khả năng chuyển hóa hồn
tồn chất ơ nhiễm, hiệu suất cao, ít sản sinh chất thải độc hại, dễ thiết kế, vận hành
và chi phí thấp. Theo Estella Pagans (2005), phương pháp lọc sinh học (biofilter) với
vật liệu đệm là compost có khả năng xử lý 2000 mgNH3/m3.h (hiệu suất 95.8%) [23].
Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện chủ yếu với vật liệu đệm tự nhiên:
compost phối trộn với bùn thải [69], compost phối trộn với than hoạt tính [69] [70]…
Tuy nhiên, vật liệu đệm tự nhiên có nhược điểm là độ bền thấp, khả năng chịu nén
thấp nên trở lực thiết bị khá cao. Do đó, đề tài Nghiên cứu xử lý khí thải chứa NH3
bằng phương pháp lọc sinh học (biotrickling filter) được đưa ra nhằm nghiên cứu
khả năng xử lý NH3 trong dịng khí bằng phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm

nhân tạo (biotrickling filter) nhằm tăng khả năng xử lý, tuổi thọ thiết bị và khả năng
ứng dụng cao.

1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu khả năng xử lý dịng khí có chứa ammonia bằng phương pháp lọc
sinh học nhỏ giọt (biotrickling filter).

1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu trên khí thải pha lỗng từ khí NH3
cơng nghiệp
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: kiểm sốt
q trình ni cấy, thích nghi, vận hành, đánh giá khả năng loại bỏ và khả năng


3
chuyển hố ammonia trong dịng khí của mơ hình thí nghiệm với vật liệu đệm
polyurethane foam (PUF).

1.4. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Mơi trường, Khoa Mơi trường, Trường Đại học
Khoa học tự nhiên (Linh Trung, Thủ Đức)

1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

Thiết lập mơ hình nghiên cứu.

-

Thích nghi vi sinh vật và khảo sát quá trình qua các thông số: độ ẩm, pH, hàm

lượng vi sinh vật (MLSS)... trong giai đoạn thích nghi.

-

Khảo sát q trình khởi động cột lọc sinh học (Biotrickling filter).

-

Thay đổi nồng độ ammonia trong dòng vào, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ
ammonia trong dịng khí đầu vào đến hiệu quả loại bỏ, khả năng chuyển hoá
và xác định nồng độ tối ưu cho phương pháp.

-

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nitrite đến hiệu quả loại bỏ và khả năng
chuyển hoá ammonia trong quá trình xử lý.

-

Khảo sát quá trình chuyển hoá ammonia thành nitrite, nitrate… và đánh giá
cân bằng nito trong mơ hình.

-

Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao mơ hình đến hiệu quả xử lý.

-

Thay đổi lưu lượng dịng vào, khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dịng khí đầu
vào đến hiệu quả loại bỏ, khả năng chuyển hoá và xác định lưu lượng cũng

như thời gian lưu tối ưu cho phương pháp.
Ghi chú: Trong suốt quá trình nghiên cứu, các thông số nền như pH, độ ẩm,

nhiệt độ được duy trì, thay đổi các thơng số khảo sát đến khi hiệu suất xử lý đạt ổn
định và dừng lại khi hiệu suất giảm. Mỗi thơng số thích hợp khảo sát được được dùng
cho các công đoạn khảo sát tiếp theo. Phương pháp tiến hành nghiên cứu và các khảo
sát cụ thể được mô tả trong chương 3, phần 3.2.


4
1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài bước đầu đánh giá khả năng xử lý dịng khí có chứa ammonia bằng
phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt (biotrickling filter) thơng qua khảo sát q trình
ni cấy, thích nghi, vận hành và ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ ammonia trong
dịng khí, lưu lượng, thời gian lưu,… đến khả năng loại bỏ và khả năng chuyển hố
ammonia trong dịng khí của mơ hình thí nghiệm với vật liệu đệm polyurethane foam
(PUF). Đây là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm khảo sát quá trình cũng như
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý khí thải chứa ammonia bằng phương pháp
lọc sinh học. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra khả năng ứng dụng cao trong xử lý khí
thải chứa ammonia nồng độ cao trên thực tế tại Việt Nam.


5

Chương 2: TỔNG QUAN
Chương này tổng hợp các tài liệu có liên quan về tính chất vật lý, hố học của
ammonia cũng như nguồn phát thải khí ammonia vào mơi trường. Đồng thời tìm hiểu
những ảnh hưởng của khí ammonia đến sức khoẻ con người và môi trường. Nghiên
cứu cũng tiến hành tổng hợp những tài liệu liên quan đến q trình xử lý khí thải bằng
phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm nhân tạo (Biotrickling filte) về cấu tạo,

nguyên lý hoạt động, vật liệu đệm được sử dụng và hệ vi sinh vật tồn tại trong hệ
thống. Thơng qua q trình tìm hiểu những nghiên cứu trong nước và quốc tế về xử
lý ammonia trong nước và khí thải, làm cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp nghiên
cứu, vật liệu đệm cũng như các phương pháp ni cấy, vận hành thí nghiệm.

2.1. TỔNG QUAN VỀ AMMONIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
AMMONIA TRONG KHÍ THẢI
2.1.1 Tổng quan về ammonia
a. Cấu tạo
Cấu trúc phân tử:

Hình 2.1. Cấu trúc phân tử ammonia
Danh pháp IUPAC: ammonia; tên khác: Azane, Hydrogen nitride.
Công thức phân tử: NH3; phân tử lượng: 17,0304 g/mol. [4]


6
b. Tính chất
 Tính chất vật lý
Ammonia là một chất khí khơng màu, mùi khai và sốc, tan nhiều trong nước, 1
lít nước ở 20oC hịa tan được 800 L NH3. Ammonia tan nhiều trong nước là do NH3
lai hóa sp3, phân tử hình tháp phân cực, do phân tử phân cực và NH3 tạo được liên
kết hidro với H2O nên NH3 tan nhiều trong nước.
 Khối lượng riêng: 0,76 g/L
 Tỷ trọng: 0,6813 g/L
 Nhiệt độ hóa lỏng: -34oC
 Nhiệt độ hóa rắn: -78oC [4] [46]
 Tính chất hóa học
Ammonia là một hợp chất vô cơ mà trong phân tử có chứa nguyên tử nitơ có
cặp electron tự do nên ammonia có tính bazơ:

NH3 + H+ → NH4+
Trong ammonia, nitrogen có số oxi hóa thấp nhất nên trong các phản ứng
ammonia thể hiện tính khử, ví dụ phản ứng cháy của ammonia:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
850𝑜 𝐶, 𝑃𝑡

4NH3 + 5O2→

4NO + 6H2O

Thêm nữa, ammonia tương đối kém bền với nhiệt, nó có thể bị phân hủy ở nhiệt
độ 600 – 700oC, quá trình phân hủy là quá trình thu nhiệt:
To, P, xt

2NH3 → N2 + 3H2


7
c. Sản xuất ammonia
Trong tự nhiên, một phần nhỏ ammonia sinh ra do quá trình phân rã của động
thực vật, từ quá trình trao đổi chất, từ quá trình trao đổi chất trong cơ thể các động
vật. Trong khơng khí ammonia được sinh ra từ N2 dưới xúc tác của các enzyme
nitrogenases. Trong công nghiệp, phần lớn NH3 (90%) được sản xuất theo phương
pháp Haber-Bosch với N2 từ khơng khí, H2 từ khí methane (CH4) và nước.
CH4 + H2O → CO + 3H2
N2 + 3H2



2NH3

 Phương pháp CaCN2 của Rothe-Frank-Caro
CaCN2 + 3H2O → CaCO3 + 2NH3
 Phương pháp Persek từ nitrua nhôm AlN và nước
2AlN + 3H2O → Al2O3 + 2NH3
 Từ NO và H2
2NO + 5H2 → 2NH3 + 2H2O
 Từ NH4Cl
NH4Cl + NaOH → NH3 + H2O + NaCl
d. Một số ứng dụng của ammonia
 Trong công nghiệp
Trong công nghiệp, ammonia được ứng dụng chủ yếu trong điều chế phân bón
(rắn và lỏng – chiếm 80% sản lượng NH3 trên tồn thế giới) và một số hóa chất cơ
bản như acid nitric. Bên cạnh đó, NH3 vẫn được sử dụng trong công nghiệp đông lạnh
(sản xuất nước đá, bảo quản thực phẩm) và là một dung môi chất làm lạnh chủ đạo
trước khi các hợp chất CFC ra đời và cho đến nay[19]


8
 Trong nông nghiệp
NH3 được xem như là thành phần của phân bón.NH3 có thể được bón trực tiếp
lên đồng ruộng bằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một q trình hóa
học nào [19].
 Trong phịng thí nghiệm
NH3 được xem như là hỗn hợp khí chuẩn cho việc kiểm sốt phát thải mơi
trường, kiểm sốt vệ sinh mơi trường, các phương pháp phân tích dạng vết [19].
 Trong công nghệ môi trường
NH3 được dùng để loại bỏ khí SO2 trong khí thải của các nhà máy có q trình
đốt các nhiên liệu hóa thạch (than, dầu) và sản phẩm amoni sulfate thu hồi của các
quá trình này có thể được sử dụng làm phân bón (tuy nhiên nhu cầu này càng ngày

càng giảm) hay dùng trong công nghệ khử chọn lọc với các xúc tác để loại bỏ NOx
trong khói động cơ [19].
 Một số ứng dụng khác
Ngồi ra NH3 cịn được sử dụng trong cơng nghệ hàn làm chất sinh hàn, chế tạo
thức ăn khô như bánh bao, sản xuất hydrazine (N2H4) dùng làm nhiên liệu cho tên
lửa, trong cơng nghiệp dầu khí, thuốc lá và trong công nghệ sản xuất các chất gây
nghiện bất hợp pháp [19].
e. Nguồn phát thải ammonia
Trong khơng khí, ammonia xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Từ các hoạt
động công nghiệp, chăn nuôi gia súc, ammonia bay hơi từ các hợp chất phân bón
chứa urê hay phân bón động vật [37][[47]
Trong cơng nghiệp, các nhà máy sản xuất phân bón, sản xuất đá, đông lạnh với
những kỹ thuật kém an tồn thường xun làm rị rỉ NH3 với nồng độ cao và hàm


9
lượng lớn gây phát tán và nhiễm độc nhanh chóng cho khu vực dân cư xung quanh.
Tại Việt Nam tình trạng rị rỉ khí xảy ra khá thường xun tại các nhà máy phân bón,
các cơ sở sản xuất nước đá, công ty chế biến thực phẩm như cơ sở sản xuất nước đá
Hải Sơn (quận 8, Thành Phố Hồ Chí Minh) vào ngày 3 tháng 7 năm 2005, cơng ty
TNHH nước đá tinh khiết Bình An (quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh) vào tháng 5
năm 2009, nhà máy sản xuất phân bón DAP (Hải Phịng) vào tháng 2 năm 2011, công
ty TNHH kinh doanh chế biến thủy sản Quốc Việt (Cà Mau) vào ngày 3/5/2013, …
Trong công nghiệp, NH3 thường được sử dụng làm tác nhân khử NOx bởi các
quá trình khử xúc tác chọn lọc, theo phản ứng sau :
NH3 + NO + ¼ O2 → N2 + H2O.
Phản ứng này chỉ hiệu quả khi sử dụng dư ammonia, vì vậy nguy cơ rị rỉ lượng
ammonia dư là rất lớn [19].
f. Tác động đến môi trường và sức khỏe cộng đồng
Độc tính của ammonia phụ thuộc vào nồng độ của chất này. Trong cơ thể người

và động vật có tồn tại một cơ chế giúp ngăn cản hiện tượng tích tụ NH3 trong máu do
trong máu NH3 sẽ chuyển thành carbamonyl phosphate do có sự tác động của enzym
tổng hợp carbamonyl phosphate synthetase và ammonia sẽ đi vào chu trình urê của
cơ thể để chuyển thành các amino acid hoặc bị thải ra dưới dạng nước tiểu. Cá và các
lồi lưỡng cư khơng có cơ chế này nhưng có thể thải NH3 dư thừa bằng cách bài tiết
trực tiếp.
NH3 hòa tan trong nước khi ở nồng độ cao sẽ gây độc cho các sinh vật thủy sinh,
kích thích và gây tổn thương da, niêm mạc, đặc biệt là mắt và hệ thống hơ hấp. Dung
dịch ammonia lỗng (dung dịch rửa kính, phịng thí nghiệm,…) có khả năng bốc hơi
làm kích thích niêm mạc. Khi cùng có mặt các sản phẩm chứa Clo (thuốc tẩy), hơi
ammonia có khả năng tạo ra Chloramin độc hại có khả năng gây ung thư.


10
Trong khơng khí có lẫn hơi NH3, tùy theo nồng độ mà người và động vật sẽ bị
ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau. Tiếp xúc với amonia chủ yếu gây kích ứng niêm
mạc, tạo cảm giác bỏng rát ở mắt, mũi và cổ họng; cảm giác này có thể được gây ra
ở nồng độ rất thấp 50-100 ppmv [8]. Ở nồng độ 400 ppmv kích thích là ngay lập tức,
tại 1500 ppmv là nguyên nhân gây ra ho, và 2500 ppmv có thể gây đe dọa tính mạng
[26][32].
Bảng 2.1: Mức độ ảnh hưởng của người và động vật khi tiếp xúc với NH3 [11]
CNH3 (ppm)

Triệu chứng

Thời hạn tiếp xúc

50

Nhận biết mùi

Lao động được trong 8 giờ

Tác dụng trên các đường hô Tiếp xúc trường hợp ngoại lệ,

400

hấp

hậu quả trong 60 phút

Tác dụng giới hạn trên thị Tiếp xúc trường hợp ngoại lệ,

700

giác

1.720

hậu quả dưới 60 phút

Ho, co giật có thể chết người Cấm tiếp xúc, hậu quả dưới 30
phút
Co thắt do phản xạ họng, Cấm tiếp xúc, hậu quả sau vài

5000 đến 10.000 xuất huyết phổi, có thể dẫn phút
tới tử vong.
Nhiễm độc cấp tính:
 Nồng độ khí NH3 trên 100 mg/m3 gây kích ứng đường hơ hấp rõ rệt.
 Ngưỡng chịu đựng đối với NH3 là 20 – 40 mg/m3.

Trị số giới hạn cho phép làm việc với đủ phương tiện phòng hộ trong một giờ


11
là từ 210 – 350 mg/m3.
Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải cơng nghiệp đối với bụi và các
chất vô cơ (QCVN 19:2009/BTNMT), nồng độ ammonia trong khí thải cho phép là
50 mg/Nm3 (Cột B).
2.1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý ammonia trong khí thải
a. Các phương pháp hóa lý


Phương pháp hấp thụ vật lý

Nhờ vào khả năng hịa tan tốt vào nước, khí thải có chứa NH3 từ các nhà máy
sản xuất phân bón, sản xuất NH3… thường được xử lý bằng tháp hấp thụ (tháp đệm),
dung dịch hấp thụ thường dùng là nước. Tháp hấp thụ làm việc liên tục theo nguyên
tắc ngược dịng: nước được phun vào tháp từ trên xuống thơng qua một van điều
chỉnh lưu lượng, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra
[13][39][59].


Phương pháp hấp thụ hóa học

Dựa vào tính chất hóa học của NH3 ta có thể xử lý NH3 bằng cách hấp thu nó
vào các dung dịch acid lỗng như H2SO4, HCl,… Sau khi hấp thu khí NH3 vào dung
dịch acid loãng ta thu được dung dịch muối amoni được sử dụng trong cơng nghệ sản
xuất phân bón[13][39].


Phương pháp oxy hóa xúc tác

Một kỹ thuật mới để loại bỏ NH3 trong môi trường là sử dụng các phản ứng với
xúc tác oxy hóa chọn lọc NH3 thành N2 và H2O. Phương pháp này có thể được ứng
dụng để xử lý các nguồn nhiễm ammoniac ở hàm lượng thấp và cao, cũng như trong
cả pha khí và lỏng [51]