PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE
1
xử lý các chất đặc biệt
trong n−ớc
PGS. TS. Nguyễn Việt Anh
Phó viện tr−ởng,
Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi tr−ờng,
Tr−ờng đại học Xây dựng
Xử lý các hợp chất Nitơ
trong n−ớc
2
1. Dạng tồn tại của các hợp chất Nitơ
Khí N2 Nitơ nguyên chất. 79% khí quyển.
Nitơ Amôn NH4+ Sản phẩm phân huỷ các hợp chất h/cơ
chứa Nitơ. Là nguồn dinh d−ỡng dễ hấp
thụ đối với cây trồng
Ammoniac NH3: Khí (độc), tan nhiều trong n−ớc. Tạo từ
NH4+ trong n−ớc khi
7 trang |
Chia sẻ: huongnhu95 | Lượt xem: 406 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Giáo trình Xử lý các hợp chất Nito trong nước, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
pH cao.
NO3- S¶n phÈm oxy ho¸. T¹o c¸c muèi víi c¸c
kim lo¹i. D¹ng c©y trång dÔ hÊp thô.
NO2- S¶n phÈm trung gian cña qu¸ tr×nh oxy
ho¸ Nit¬ Amm«ni thµnh Nitrat
®¹m (Protein) Hydrocacbon CxHyOzNn.
Cã ph©n tö l−îng cao, lµ thµnh phÇn quan
träng ®Ó x©y dùng tÕ bµo cña bÊt kú c¬ thÓ
sèng nµo.
3
C¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc ngÇm
Nit¬ trong Humic (25 - 60%), Axit Amin (21 - 35%),
Clorophyl (1 - 3%), Peptite, vv...
Chóng cã thÓ lµ s¶n phÈm cña c¸c qu¸ trình hãa -
sinh häc, x©m nhËp vµo n−íc ngÇm tõ n−íc th¶i hay
do mét sè qu¸ trình ®Þa hãa ®Æc biÖt.
4
N-NH4+ trong n−íc ngÇm: N−íc th¶i sinh ho¹t, qu¸
trình Am«n hãa - ph©n hñy c¸c HCHC: ®¹m, n−íc
tiÓu, axit nucleic... bëi vi sinh vËt, hay do viÖc sö dông
ph©n bãn trong n«ng nghiÖp.
Qu¸ trình amon hãa (nhê c¸c vi khuÈn amon, men,
...):
Protein Pepton Peptit Axit Amin Ammoniac
(NH2)2CO + H2O 2 NH3 + CO2
5
C¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc:
Phát triển vi sinh vật trong đường ống và làm tăng
nhanh quá trình ăn mòn đường ống.
Gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng
nước.
NO2- tác dụng với các Amin hay Alkyl Cacbonat trong
cơ thể người, có thể tạo thành các hợp chất chứa
Nitơ gây ung thư.
6
Lọt vào cơ thể, NO3- chuyển hóa thành NO2- nhờ vi
khuẩn đường ruột.
Các NO2- tác động lên Hemoglobin (Hb), biến nó
thành Methemoglobin (Met-Hb), mất khả năng vận
chuyển oxy đến các mô.
NO3- tạo ra chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp
với các Amin để tạo nên những Nitrosamin gây
ung thư ở người cao tuổi.
N trong Nước pha Sữa cho Trẻ em - men dạ dày
còn chưa phát triển - NO3- dễ biến thành NO2- -
chiếm lấy Hb - biến thành Met-Hb - Các mô thiếu
oxy - Trẻ xanh xao
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
2
7
QCVN 01:2009/BYT
NO3- < 50 mg/l
NO2- < 3 mg/l
NH4+ < 3 mg/l (= QCVN 02:2009/BYT)
Am«ni NH4+ ë mét sè
giÕng khoan khai th¸c
n−íc ngÇm cña Hµ néi:
10 - 20 mg/l hoÆc cao h¬n.
8
2. C¸c ph−¬ng ph¸p
lo¹i bá c¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc
Làm thoáng (sục khí)
Clo hóa,
Nitrat hóa + khử Nitrat bằng phương pháp sinh hóa
Trao đổi ion
Điện hóa,
Lọc màng: điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều,
Chưng cất
vv...
9
2.1. Lµm tho¸ng ®Ó khö Amoni
(air stripping)
NH4
+ ↔ NH3 + H
+
• ë ®iÒu kiÖn pH >7, c©n b»ng chuyÓn dÞch sang ph¶i.
• víi pH >10, h¬n 85% Amoni cã thÓ chuyÓn dÞch sang d¹ng
khÝ khi lµm tho¸ng.
• pH = 10 - 11: c¸c ion Hydroxyt d− sÏ chuyÓn c¸c ion NH
4
+
thµnh Hydroxit Amon.
NH4
+ + OH- ↔ NH4OH
NH4OH ↔ NH3 ↑ + H2O
10
11
NH3 dễ hoà tan trong nước: Hi = f(t)
Hi (NH3) = 0,76 atm/mol ở 20oC
CO2: 150 atm/mol; O2: 43000 atm/mol
Cần lượng không khí lớn:
G/L = 6000, E = 90%.
Vôi, NaOH + Tăng nhiệt độ Tăng E.
12
2.2. Ph−¬ng ph¸p Clo hãa
L−îng Cl2
d−, mg/l
LiÒu l−îng Cl2
®−a vµo n−íc, mg/l
1
3
2
Ct A -
Ct B - *
*
CA C B
Cl2 d− khi trong n−íc kh«ng cã NH3
Cl2 d− khi trong n−íc cã NH3
Hµm l−îng NH3 trong n−íc
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
3
13
(pH 8)
Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO ↔ H+ + ClO-
Break points
NH3 + Cl2 HCl + NH2Cl
NH3 + 2Cl2 2 HCl + NHCl2
NH2Cl + NHCl2 N2 + 3HCl
2 NH2Cl + Cl2 N2 + 4HCl
[Cl2] = 7..10 (10..25) [NH3] (= 6 - 15 mg/l).
[Cl2] ? [Cl2] d−? THMs? Mïi?
14
2.3. Trao ®æi Ion
XL Amoni: läc qua vËt liÖu läc trao ®æi Kation nh− Zeolite
tù nhiªn - ®Êt sÐt, Klinoptilolyte hay Sepiolite.
Z-Na + NH4+ Z-NH4+ + Na+
hoÆc Z-H + NH4+ Z-NH4+ + H+
Hoµn nguyªn:
NaCl 0.6M hoÆc H2SO4 (thu ®−îc (NH4)2SO4: ph©n bãn)
XL Nitrat, Nitrit: Sö dông c¸c vËt liÖu trao ®æi Anionit gèc
Cl-, OH- hay SO42-.
Sö dông, vËn hµnh phøc t¹p; khã hoµn nguyªn, .v.v.
15
2.4. Ph−¬ng ph¸p sinh häc
(1) Nitrification/Denitrification
BÞ hÊp thô bëi tÕ bµo trong qu¸ trình chuyÓn ho¸
Metabolism
TÕ bµo hÊp thô ®Ó sinh tr−ëng
ChuyÓn tõ Amoni sang d¹ng oxy ho¸
ChuyÓn tõ d¹ng «xy ho¸ sang Nit¬ tù do N2
Yªu cÇu:
Oxygen
Carbon (hữu c¬/v« c¬)
16
100% 40-80%
Nitrification
Digestor
Sludge
Denitrification
20%
Incorporation:
15-20%
30-40%
10-60%
15-20%
16
Settling tank
Primary
settling tank
Super-natant
Sludge thickening
17
a. Nitrification
Nitrosomonas,Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus
2 NH4+ + 3 O2 4 H+ + 2 NO2 - + 2 H2O + Q
Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus
2 NO2- + O2 2 NO3- + Q
TÕ bµo míi
TÕ bµo míi
18
Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng: dùng năng lượng sinh ra từ
phản ứng Nitrat hóa để khử CO2 của không khí và tạo nên
các chất hữu cơ của cơ thể chúng.
M« tÕ bµo
§é kiÒm gi¶m bæ sung KiÒm!
NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- 0,021C5H7NO2 + 1,041 H2O
+ 0,98 NO3- + 1,88 H2CO3
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
4
19
Bể lọc sinh học
Vận tốc quá trình oxy hóa Amôni phụ thuộc vào tuổi
thọ bùn (màng VSV), nhiệt độ, pH của môi trường,
nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Amôni, oxy hòa tan,
vật liệu lọc, tỷ lệ C/N...
Độ kiềm
1 mg N-NH4 cần 4,6 mg O2, tạo 0,09 mg sinh khối
DO > 4 mg/l; DO = 2 mg/l: E = 50%
Các chất ức chế: Cu, Ag, Hg, Ni, Cr, Zn, ..., các hợp
chất Phenol, Xianua, Nitrit, ...
20
21
b. Khö Nitrat trong ®iÒu kiÖn thiÕu khÝ (Anoxic)
Nguån Cacbon: Metan, Methanol, ®−êng, Etanol, dÊm :
NO3- + 1.08 CH3OH + 0.24 H2CO3
0.056 C5H7NO2 + 0.47 N2+ 1.68 H2O + HCO3-
H« hÊp néi bµo:
C5H7NO2 + 4.6NO3- 2.8N2 + 5CO2 + 4.6OH- + 1.2H2O
Microcucous
Ptoteus
Pseudomonas
Brevibacterium
Spirillium
Aerobacter
Alcaligenes
Bacilus
Brevibacterium
Lactobacillus
Vi khuÈn dÞ d−ìng
22
NÕu cã oxy trong n−íc, ph¶i khö b»ng c¸ch bæ sung thªm
1 l−îng Methanol:
3O2 + 2 CH3OH 2 CO2 + 4 H2O
Chất nh−êng ®iÖn tö: Hydro (H)
BOD/N: BOD/(NO2- + NO3-)-N = 3 .. 5 kg/kg
KiÒm tăng
23
Nitrification – denitrification
4NO
3
- + CH
3
COONa → 4NO
2
- + 2CO
2
+ H
2
O + NaOH
2NO
2
- + CH
3
COONa → N
2
+ 2CO
2
+ H
2
O + NaOH
4NO
3
- + 3CH
3
COONa → 2N
2
+ 6CO
2
+ 3H
2
O + 3NaOH
KJ351276O2H 2HNOO
2
3
NH 22
NitritVK
24 ÷+++ →+
+−+
−+ →+
3
NitratVK
22
NOO
2
1
NO
OH2HNO 2ONH 2324 ++→+
+−+
N
it
ri
fi
c
a
ti
o
n
D
e
n
it
ri
fi
c
a
ti
o
n
VK
VK
VK
VK
24
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
5
25 26
Nitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
Date
Te
m
p
e
ra
tu
re
, (
o
C
)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
p
H
, A
lk
a
li
n
it
y
(m
g
e
q
/l
)
To in
To out
pH in
pH out
Ki in
Ki out
27
Denitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
Date
Te
m
p
e
ra
tu
re
, o
C
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
p
H
, A
lk
a
li
n
it
y
(m
g
e
q
/l
)
T in
T out
pH in
pH out
Ki in
Ki out
28
Nitrogen loading rate (NLR) vs. Removal efficiency(E)
85
90
95
100
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
NLR, g N-NO
3
/(g VSS.d)
R
e
m
o
v
a
l e
ff
ic
ie
n
c
y
E
,
%
E, %
29
COD consumed vs. N-NO
3
removed Graph
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Date
C
O
D
in
,
o
u
t
(m
g
/l
)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
N
-N
O
3
i
n
, o
u
t
(m
g
/l
)
COD in
COD out
N-NO3 in
N-NO3 out
30
Nitrification
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
Date
N
H
4+
, N
O
2
-
(m
g
/l
)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
N
O
3-
(m
g
/l
),
E
r
e
m
o
va
l
(%
)
NH4+ in
NH4+ out
NO2- in
NO2- out
NO3- in
NO3- out
E removal, %
NaHCO3 = 50 mg/l
HRT = 0.5h
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
6
31
Denitrification
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
9/
3/
20
04
14
/0
4/
04
27
/0
4/
04
12
/5
/2
00
4
16
/0
6/
04
27
/7
/2
00
4
30
/7
/2
00
4
Date
N
H
4
+
,
N
O
2
- i
n
,
o
u
t
(m
g
/l
)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
N
O
3
- i
n
,
o
u
t
(m
g
/l
),
E
r
em
.
(%
)
NH4+in
NH4+out
NO2- in
NO2- out
NO3- in
NO3- out
E removal, %
32
(2) Xö lý sinh ho¸,
nhê c¸c vi khuÈn khö Nitrat tù d−ìng
Methanogenic, Homoaceotogenic, vi khuÈn khö Sulfat, .. .
Sö dông Hydro Cathode (tõ qu¸ tr×nh oxy ho¸ s¾t):
Fe(0) + 2 H2O → H2 + Fe2+ + OH-
Hydrogen: chÊt nh−êng ®iÖn tö, t¹o n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh
dinh d−ìng.
2NO3- + 5 H2 N2 + 4 H2O + 2 OH-
5 Fe(0) + 2 NO3- + 6 H2O → 5 Fe2+ + N2 + 12 OH-
33
(3) Oxy hóa bậc cao, phản ứng Fenton
Fe2+ + H2O2
ES
Activ. sludge Sedimentation
Runoff
Fe2+ or Fe3+
Raw
wastewater
34
(4) Khö Nit¬ trong bÓ läc sinh häc nhá giät
35
C¬ chÕ khö Nit¬
trong bÓ läc sinh häc nhá giät
36
(5) C«ng nghÖ Anammox
(Anaerobic Ammonia Oxidation)
Delft Univ., Hµ lan
ViÖn M«i tr−êng Liªn bang Thôy sÜ EAWAG
Kumamoto Univ., NhËt b¶n
Hannover Univ., Germany
TT NC CN Cao, Qeensland, Australia
(50-60% Q) 2 NH4+ + 3 O2 4 H+ + 2 NO2 + 2 H2O
(40-50% Q) NH4+ + NO2- N2 + 2H2O
Vi khuÈn kþ khÝ nhãm Planktomyces
Môi trường thích hợp (pH, to, ...)
PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE
7
37
0.6 NO2-0.4 NH4
+
NH4+
0.5 N2
40%
60%
Nitritation/ANAMMOX
NO3-
NH4+
0.5 N2
2 O2
CH3OH
3.4 kgkg-1N
Nitrification/Denitrification
0.75 O2
no
CH3OH
C«ng nghÖ Anammox
Giảm 25% nhu cầu oxy, 40% nhu cầu Carbon !
N2
NH3/NH4+
NH2OH
N2H4
HNO2
HNO3NO
N2O
gas aqueous
Org-N
Nitrification
Denitrification
Anammox
NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H + 1.02N2 + 0.26NO3- +
0.066Biomass+2.03H2O
Anammox:
Nitrogen Cycle
NH4+ NO2- N2 +
2H2O
Ⓟ 流入水
ガスタンク
処理水
influent
effluent
Gas tank
40
2.5. Điện hóa
Hòa nước cần xử lý với nước muối hay nước biển rồi
cho qua ngăn điện phân với điện cực bằng than.
Do sự khác nhau giữa tỷ trọng của nước biển (muối)
và dung dịch, nước muối sẽ dồn chảy tới đáy Anod
và tạo kết tủa MgNH4PO4 + Mg(OH)2.
Các bọt khí H2 xuất hiện trên Katod sẽ nổi lên, cuốn
theo bọt và tách ra.
Cl2 tạo thành trên Anod được tận dụng để khử trùng
nước xử lý.
Áp dụng để khử Nitơ trong nước thải trong công
đoạn xử lý bậc 3.
41
C¸c phương pháp kh¸c
Chưng cất
Lọc màng: Điện thẩm tách, Điện thẩm tách đảo chiều,
thẩm thấu ngược, y
Sử dụng các thực vật nước (tảo, rong, ...) trong hồ /
kênh sinh học,
Lọc nước qua đất,
vv...
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giao_trinh_xu_ly_cac_hop_chat_nito_trong_nuoc.pdf