Xử lý nitơ trong nước thải

CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
1. MỞ ĐẦU
Tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam rất nhanh cùng với sự phát triển của công nghiệp.
Tỉ lệ dân số tại các thành thị tăng cùng với tốc độ đô thị hóa. Nước thải từ các thành
phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng tăng theo mức tăng dân số với lượng
thải lớn. Lưu lượng nước thải của thành phố 20 vạn dân khoảng 40.000 - 60.000
m
3
/ngày. Hiện nay, tại thành phố Hà Nội tổng lượng nước thải (năm 2005) khoảng
550.000 m
3
/ngày.
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất hữu cơ lớn (từ 55-65% tổng
lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có các vi sinh vật gây bệnh. Thành
phần các chất ô nhiễm trong nước thải như BOD
5
là 110 - 400mg/l, tổng lượng nitơ TN
là 20-85mg/l trong đó nitơ amoni là 12-50mg/l.
Cùng nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp cũng
chứa nhiều loại chất tạp chất phức tạp, có nhiều loại chứa nhiều chất bẩn vô cơ, đặc biệt
là các kim loại nặng như trong các ngành công nghiệp có công nghệ mạ. Nước thải
trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, thuộc da, giết mổ chứa nhiều các chất
hữu cơ, các vi khuẩn gây bệnh.
Sự phát triển nhanh của nền kinh tế dẫn đến sự cải thiện về mức sống của người
dân cũng như sự đòi hỏi về mức độ Vệ sinh môi trường. Vì vậy xây dựng các công trình
xử lý nước thải phải đạt các yêu cầu về chất lượng nguồn nước xả ra. Nồng độ các chất
ô nhiễm trong nước thải thấp hơn giá trị giới hạn cho phép quy định khi xả ra các loại
nguồn nước mặt khác nhau.
Một trong những chỉ tiêu cần phải đạt được là hàm lượng nitơ trong nước thải.
Theo TCVN 6772:2000 thì lượng N-NH
4

+
không lớn hơn 0.05mg/l với nguồn loại A và
1mg/l với nguồn loại B. Hàm lượng Nitơ trong nước thải cao làm ảnh hưởng đến sức
khỏe con người, đến môi trường và với các quá trình xử lý khác trong trạm xử lý nước
thải.
Có nhiều biện pháp để khử nitơ trong nước thải và trong giới hạn của chuyên đề
này, chúng tôi đưa ra các biện pháp sinh học để khử Nitơ.
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006
1
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
2. TỔNG QUAN
2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước thải
Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni
và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng,
chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá.



Hình 1. Chu trình Nitơ trong tự nhiên
Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần
phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê.
Hàm lượng amoniac (NH
3
) chính là lượng nitơ amôn (NH
+
4
) trong nước thải sinh
hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất
cao. Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa,
rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da.

Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%). Nguồn
nitơ chủ yếu là từ nước tiểu. Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2
lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số. Trong số đó nitơ trong urê
(N-CO(NH
2
)
2
) là 0,7g, còn lại là các loại nitơ khác. Urê thường được amoni hoá theo
phương trình như sau.
♦ Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:
CO(NH
2
)
2
+ 2H
2
O = (NH
4
)
2
CO
3
(1.2)
♦ Sau đó bị thối rữa:
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006
2
Nitơ phân tử N
2
N-Protein thực vật N-Protein động vật
Amôn hóa

NH
4
+
hoặc NH
3
+ O
2
Nitrit hoá
NO
2
-
NO
3
-
Nitrat hoá
+ O
2
Khử nitơrat
Cố định nitơ
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
(NH
4
)
2
CO
3
= 2NH
3
+ CO
2

+ H
2
O (1.3)
Như vậy NH
3
chính là lượng nitơ amôn trong nước thải. Trong điều kiện yếm khí
amoniac cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử nitrat của vi khuẩn
Denitrificans.
Lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH
4
) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát
nước: 7 g/ng.ngày
Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư:
Bảng 1. Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu Trung bình
Tổng Nitơ, mg/l 40
- Nitơ hữu cơ, mg/l 15
- Nitơ Amoni, mg/l 25
- Nitơ Nitrit, mg/l 0,05
- Nitơ Nitrat, mg/l 0,2
Tổng Phốt pho, mg/l 8
Nitrit (NO
2
-
) là sản phẩm trung gian của quá trình ôxy hoá amoniac hoặc nitơ amoni
trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit hình thành
tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat.
Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:
NH
4

+ kn
NO
2
-

km
NO
3
-

Trong đó: k
n
và k
m
là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.
Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễn như sau:
NH
4
+
+ 1,5O
2

Nitrosomonas
NO
2
-
+ H
2
O + 2H
+

NO
2
-
+ 0,5O
2
Nitrobacter

NO
3
-
NH
4
+
+ 2O
2
NO
3
-
+ H
2
O + 2H
+
Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn. Các loại vi khuẩn Nitrosomonas
và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt độ từ 20÷30
o
C.
Nitrit là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrat trong
điều kiện yếm khí.
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006

3
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Ngoài ra, nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá. Trong
trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nó thường
nhỏ hơn 0,02 mg/l. Nếu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình
nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn. Trong quá trình
xử lý nước, nitrit trong nước sẽ tăng lên đột ngột.
Nitrat (NO
3
-
) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính
từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất,...
chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo
thành nitrat.
Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa nitơ.
Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học.
Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chất nitơ để cho các
quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng ôxy hoà tan trong nước
rất ít hoặc bị hết.
Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxy khỏi nitrat và
nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ khác. Quá trình này đ-
ược thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện). Trong điều
kiện không có ôxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn
khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình khử
nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:
4NO
3
-
+ 4H

+
+ 5C
hữu cơ
5CO
2
+ 2N
2
+ 2H
2
O
Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O
2
(khử nitrit) và 2,85g O
2
(khử nitrat).
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006
4
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
2.2. Tác hại của Nitơ trong nước thải
2.2.1. Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về môi
trường. Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ
sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều Amôniăc có thể gây độc
cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước. Khi hàm
lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn
tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ôxy hoà tan trong nước
giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn
hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng thiếu
Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các 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. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi
khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người. Khi
tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các
hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể Nitrit có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá
trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ
cao có thể dẫn đến tử vong.
2.2.2. Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do
vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình
trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi
trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH
4
+
, H
2
S,
CO
2
, CH
4
... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó gọi là phú
dưỡng nguồn nước
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải.
Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen
hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H
2
S. Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt
động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô
nhiễm không khí của khu dân cư

GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006
5
CHUYÊN ĐỀ: XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Hình 2. Qúa trình phú dưỡng trong thủy vực nước mặt
2.2.3. Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước
Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả làm
việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý để
tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
Với đặc tính như vậy việc xử lý Nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng được
nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các học giả đi sâu tìm
hiểu
2.3. Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay
Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thải được nghiên cứu
và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoá học, sinh học, vật lý .. v v.
Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra được một mô hình xử lý nitơ chuẩn để có thể
áp dụng trên một phạm vi rộng. Dưới đây là bảng phân tích một cách tổng quan nhất về
dạng và hiệu suất làm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được
nghiên cứu và ứng dụng.
GVHD: PGS.TS Trần Đức Hạ Lớp Cao hoc Môi trường 2006
6