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 NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HĨA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNHTHỨC
LƯU TRỮ QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HĨA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNH THỨC
LƯU TRỮ QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KHOA HỌC MƠI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ ANH TRUNG

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG NHIỄM VÀ CHUYỂN HĨA
AMONI TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT THEO HÌNHTHỨC
LƯU TRỮ QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH

CHUN NGÀNH: MƠI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC
MÃ SỐ: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

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

HÀ NỘI - 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng 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 môn và hơn hết là truyền cho tác giả lòng 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 giúp đỡ quý báu này với các Thầy, những người
đã hết 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 lòng cảm ơn tới TS. Lê Thị Hồng Oanh, các
Thầy, Cơ 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 hồn thiện luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ Phịng thí
nghiệm của Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mơ hình hóa Mơi 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 mơi trường, để tác giả có thể hồn 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 cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người thân u
trong gia đình đã ln 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 lịng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này!
Tác giả luận án


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VÀ CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... 6
MỞ ĐẦU............................................................................................................ 8

1. Lý do chọn đề tài luận án .............................................................................. 9
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 10
3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 10
4. Những đóng góp mới của luận án. .............................................................. 10
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................... 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 hợp chất nitơ trong nước. ..................................... 19
1.2.1. Quá trình cố định nitơ ........................................................................... 19
1.2.2. Q trình amơn hóa............................................................................... 21
1.2.3. Q 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 q 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 giải pháp kiểm soát amoni trong nước cấp sinh hoạt . ............... 37
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 41

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................... 41
2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 41
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ............................................................... 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 CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................... 59

3.1. Hiện trạng nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt ở Hà Nội............ 59
3.1.1. Kết quả khảo sát sự nhiễm amoni trong nước sinh hoạt tại ba quận nội
thành Hà Nội ................................................................................................... 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 hợp
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 giảm thiểu nồng độ các hợp chất nitơ trong bể
lưu trữ nước sinh hoạt quy mơ hộ 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 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC .......................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 116
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 132

3


DANH MỤC CÁC TỪ VÀ CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

STT

KÝ HIỆU

GIẢI THÍCH
TIẾNG VIỆT
Vi khuẩn oxi hóa amoni

TIẾNG ANH

1

AOB

Ammonia-oxidizing bacteria

2

Anamox

3

ATP

Q trình oxi hóa amoni bằng
Anaerobic Ammonium Oxidation
nitrit trong điều kiện kỵ khí
Adenoxin triphotphat
Adenosine Triphosphate

4

BOD

Nhu cầu ơ xy sinh hóa

5

BTNMT

Bộ Tài ngun và Môi trường

6

BYT

Bộ Y tế

Ministry of Natural Resources and
Environment
Ministry of Health

7

COD

Nhu cầu ơxy hố học

Chemical Oxygen Demand

8

DEN

Khử nitrat/Denitrat hóa

Denitrification

9

DO

Ơxy hịa tan

Dissolved Oxygen

10

DON

Nitơ hữu cơ dạng hòa tan

Dissolved Organic Nitrogen

11

DRNA

Khử dị hóa nitrat đến amoni

12

MPN

Số lượng chắc chắn nhất có thể

Dissimilatory nitrate reduction to
ammonium
Most probable number

13

NOB

Vi khuẩn oxi hóa nitrit

Nitrite-oxidizing bacteria

14

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

National Technical regulation

15

PON

Chất hữu cơ chứa nitơ ở thể rắn

Particulate Organic Nitrogen

16

TAN

Tổng nitơ amoni

Total ammonium nitrogen

17

TB

Trung bình

18

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

Vietnamese Standard

19

T-N

Tổng các dạng chứa nitơ

Nitrogen total

20

TSS

Tổng chất rắn lơ lửng

Total Suspended Solids

21

VSV

Vi sinh vật

Microorganism

22

WHO

Tổ chức Y tế thế giới

World Health Organization

Biochemical Oxygen Demand

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 của nhà máy nước............ 32
Bảng 1.3: Kết quả phân tích trung bình trong các mẫu nước thơ tại 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 thiết bị lưu trữ nước tại hộ gia đình .............. 44
Bảng 2.2. Các phương pháp phân tích hóa học............................................... 47
Bảng 2.3: Môi trường nuôi cấy các vi sinh vật ............................................... 48
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát các thiết 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 vơ 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 vơ 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 ngồi trời.......... 78
Hình 3.14. Biến động amoni tại bể trong nhà và ngồi trời .......................... 79
Hình 3.15. Biến động nitrit tại bể trong nhà và ngoài trời ............................ 79

6


Hình 3.16. Biến động nitrat tại bể trong nhà và ngồi trời ............................. 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 mơi 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 thống khí........... 89
Hình 3.24. COD, N- hữu cơ và vi khuẩn amơn ở tĩnh hở............................... 89
Hình 3.25. COD, N- hữu cơ và vi khuẩn amơn 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 vơ 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 luận án
Nhiễm amoni trong nước ngầm dùng cho sản xuất nước sinh hoạt đã
được quan tâm nghiên cứu ở nhiều khu vực, nhiều quốc gia trên thế gi ới [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 cơng trình nghiên
cứu đã xác định có hai nguồn hình thành amoni trong nước ngầm khu vực Hà
Nội đó là: (a) khống 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 công 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 mặt của amoni trong
nước cùng với 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 thể 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 khử trùng chủ yếu trong các nhà máy nước ở Việt Nam)
do phản ứng với clo tạo thành các cloramin là những chất khử trùng thứ cấp
hiệu quả kém so với clo nhiều lần, thậm chí gây độc và mùi xú uế khi hình
thành tricloramin. Ngồi ra, trong q trình khai thác, xử lý và lưu trữ, amoni
có thể được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Nitrit là chất rất
độc hại cho con người và nó có thể chuyển hóa thành nitroamin, một 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 thể làm cho da của trẻ sơ sinh có màu xanh
xỉn, gây kích thích, hơn mê nếu ở thể nặng. Nếu khơng được điều trị kịp thời
có thể dẫn đến tử vong mà người ta gọi là hội chứng Blue Syndrome hay cịn
gọi tắt là BBS.
Với cơng nghệ xử lý đang sử dụng tại nhiều cơng trình cấp nước tập

trung hiện nay ở nước ta, sự có mặt 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 q trình lưu trữ nước cũng ảnh hưởng đến người sử dụng,
đặc biệt là các sản phẩm chuyển hóa có tính độc cao như nitrit. Hiện nay các
nghiên cứu cũng như báo cáo c ủa cơ quan quản lý chỉ 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 q 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 t ài 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 q 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 t rạng nhiễm và
chuyển hóa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo hình thức lưu trữ quy mơ
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 cấp nước có hàm lượng amoni cao
được lưu trữ tại thiết bị chứa nước sinh hoạt quy mơ hộ gia đình.
- Nghiên cứu sự chuyển hóa của amoni trong nước cấp sinh hoạt theo
hình thức lưu trữ quy mơ hộ 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 mơ hộ 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 vơ 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 cứu 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 mơ 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 mơ hộ gia đình.
4. Những đóng góp mới của luận án
- 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 Nội. Các hình thức
lưu trữ nước cấp sinh hoạt có nồng độ amoni cao tiềm ẩn những nguy cơ

10


nhiễm độc các hợp chất nitơ do tái nhiễm và sự chuyển hóa trong q 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 tỏ 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 mơ

hộ gia đình.
- Những kết quả nghiên cứu trên mơ 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 án
Đề tài luận án góp phần làm rõ cơ s ở khoa học của sự nhiễm amoni và
q 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 q trình chuyển
hóa và những yếu tố ảnh hưởng, tác động đến q trình chuyển hóa các hợp
chất chứa nitơ.
Những phát hiện và những kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở đóng
góp vào việc thay đổi quan điểm và nâng cao nhận thức về các hình thức lưu
trữ nước đang rất phổ biến tại Việt Nam, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng
đồng. Các đề xuất về giảm thiểu nồng độ amoni và các hợp chất chứa nitơ
khác trong các thiết bị lưu trữ nước có thể 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 phần giải quyết vấn đề ơ nhiễm amoni và các hợp chất chứa
nitơ trong những thiết bị lưu trữ nước sinh hoạt không chỉ ở các thành thị mà
tại hầu hết các địa bàn dân cư ở Việt Nam.

11


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
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 hóa trong nhiều q 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 mơi trường nước được mơ tả ở hình 1.1 [45]. Chu

trình trình bày theo trạng thái oxy hóa và phân tách thành các q trình hiếu
khí (bên phải) và các q trình kỵ khí (bên trái).

Hình 1.1. Chu trình nitơ rút gọn

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


này là vi khuẩn amơn hóa. Q trình này cịn được gọi là sự khống hố chất
hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành nitơ vơ cơ (NH3/NH4+). Tiếp
theo, NH3/NH4+ có thể bị oxi hóa thành NO 2- (q trình nitrit hóa) và NO3(q trình nitrat hóa). Hai q trình này được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn
oxi hóa amoni (vi khuẩn AOB) và vi khuẩn oxi hóa nitrit (vi khuẩn NOB)
trong mơi trường. Dưới điều kiện hạn chế về oxi, NO 3- có thể bị khử thành
NO2-, rồi tiếp tục về đến NH4+ được gọi là q trình khử dị hóa nitrat thành
amoni (q trình DNRA). Quá trình chuyển đổi từng bước NO3-  NO2- 
NO  N2O N2 (q trình khử nitrat hóa) được thực hiện nhờ nhóm vi
khuẩn khử nitrat hóa. Cũng trong vịng tuần hồn này, các vi sinh vật cố định
nitơ có thể sử dụng N 2 vừa sinh ra từ quá trình khử nitrat hoặc có thể lấy N2 từ
khí quyển (là chính) để thực hiện q 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 q trình oxi hóa kỵ khí giữa NH 4+ và NO2- (q trình
anamox) [64].
Trong mơi trường, q trình chuyển hóa nitơ được nghiên cứu sớm nhất
là q trình amơn hóa [41]. Nó thể hiện mối quan hệ giữa nitơ vô cơ và nitơ
hữu cơ. Các bước trong q 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, q trình dừng lại ở giai đoạn 1 (tạo NH4+)

[70].
N hữu cơ  NH4+  NO2Chậm

Nhanh
h



NO3- (1.1)

Rất nhanh

Trong vịng tuần hồn nitơ , hầu hết những q trình chuyển hố đều có
sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau (điều kiện sinh hóa) và các
điều kiện mơi trường khác (nhiệt độ, mức oxi hòa tan, pH...). Nếu sự hoạt

13


động của một nhóm vi khuẩn nào đó ngừng lại, tồn bộ sự chuyển hố của
vịng tuần hồn 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 nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt
Nước cấp sinh hoạt có thể bị nhiễm amoni từ nguồn nước thơ 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 thơ ban đầu được đánh giá
là nguyên nhân chủ yếu [42, 129]. Ngoài ra, amoni cũng có th ể được thêm
vào nước trong quá trình khử trùng nước cấp sinh hoạt để tạo thành cloamin một chất khử trùng thứ cấp. Việc bổ sung một lượng dư amoni hoặc clo
không phù hợp theo tỷ lệ có thể 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 loại nguồn nước thơ phổ biến nhất được dùng trong sản 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 cơng nghiệp, 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 dạng tồn tại của amoni trong nước
Trong môi trường 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+.

Hình 1.3. 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 thể làm nồng độ NH3 trong nước tăng lên gần 10 lần và nếu tăng
nhiệt độ lên 5ºC có thể 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)

pH
6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

10

0

0,008 0,026 0,082 0,261 0,820

2,55

7,64

20,7

45,3

5

0,012 0,039 0,125 0,394 1,230

3,80

11,1

28,3

55,6

10

0,018 0,058 0,186 0,586 1,830

5,56

15,7

37,1

65,1

15

0,027 0,086 0,273 0,859 2,670

7,97

21,5

46,4

73,3

20

0,039 0,125 0,396 1,240 3,820

11,2

28,4

55,7

79,9

25

0,056 0,180 0,566 1,770 5,380

15,3

36,3

64,3

85,1

30

0,080 0,254 0,799 2,480 7,460

20,3

44,6

71,8

89,0

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+ + Cl-

(1.3)

Sau đó, ClO- sẽ phản ứng với NH 4+ 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+  NH2Cl + H2O

(1.4)

HOCl + NH2Cl  NHCl2 + H2O

(1.5)

HOCl + NHCl2  NCl3+ H2O

(1.6)

Do đó, đối với mục đích theo dõi nư ớc ăn uống, sinh hoạt, tổng nitơ
amoni là tất cả các dạng amoniac, ion amoni và dẫn xuất, bao gồm NH3,
NH4+, NH2Cl, NHCl2 và tricloamin NCl3.
1.1.3. Các tác động của amoni trong nước sinh hoạt
Trong nước tự nhiên, các mức 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 hiệu nguồn nước bị ơ nhiễm, 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 hiện tượng không ổn định sinh học của
chất lượng nước sau xử lý (nư ớc có thể 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 nhắc tới ở trên, trong sản xuất nước cấp amoni là yếu tố gây cản
trở cơng nghệ xử lý thể hiện ở hai khía cạnh: (1) Làm giảm tác dụng của clo 17


tác nhân khử trùng chủ yếu áp dụng ở các nhà máy nước của Việt Nam, do
phản ứng với clo tạo thành monocloramin là chất khử trùng thứ cấp hiệu quả
kém clo hơn 100 lần; (2) Amoni cùng với 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 thể 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 hợp chất chứa nitơ gây
ung thư [100].
R

R1
N - H + NO2- + H+

R

N - N = O + H2O (1.7)
R2

(Amin)

(Nitroamin)

Nitrit tác động lên huyết sắc tố hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận
chuyển oxi, biến nó thành methemoglobin (Met - Hb) khơng có khả năng vận
chuyển oxi. Nhờ hệ men đặc biệt, Met - Hb ở người trưởng thành có thể
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 hợp chất nitơ trong nước
Sự chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước được thực hiện bởi chu trình
nitơ. Tại đây, các quá trình đồng hóa, dị hóa và hơ hấp của vi sinh vật đã tạo
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 (khống hóa). Amoni bị oxi hóa
đến nitrit và nitrat bởi các vi khuẩn nitrat. Nitơ được sinh ra nhờ q trình
khử nitrat hố.
1.2.1. Q trình cố định nitơ (N 2 – Fixation)
Cố định nitơ là q trình chuyển hóa khí N2 từ khí quyển thành amoni
(NH4+) [137, 157].
Nitrogenase

N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP  2NH3 + H2 + 16ADP + 16P1

(1.9)

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 vật 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]. Q trình cố định nitơ ở các đại dương được
đánh giá là đáng kể [ 47] và có thể 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]. Q trình cố định nitơ thường khơng có ý nghĩa đối với các vùng
nước giàu các hợp chất nitơ [84]. Điều này có nghĩa là các vùng nước có nồng
độ tổng nitơ cao thì sự cung cấp nitơ từ khí quyển qua q 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 khả năng cố định nitơ theo kiểu không cộng
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 thể phát triển được ở pH từ 4,5 ÷ 9,0; thích hợp là nhiệt độ
từ 25 đến 30ºC. Clostridium có khả năng phát triển ở pH = 4,7 ÷ 8,5; bào tử
của chúng có thể chịu được nhiệt độ cao (có thể sống được 1 giờ ở nhiệt độ
80ºC) [18]. Đây là các vi sinh vật cố định nitơ mà luận án sẽ tiến hành phân
tích để đánh giá khả năng cung cấp amoni từ nitơ khí quyển.

20