Hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống

u để tôi hoàn thành báo cáo này Hà nội, ngày 29 tháng 3 năm 2007 Sinh viên Trần Quốc Tuấn Mục lục trang Mở đầu 3 Phần I : Tổng quan tài liệu I Sự ô nhiễm các nguồn nước 1 Đặc điểm phân loại nước 2 Các hợp chất hữu cơ 3 Các hợp chất vô cơ II Các phương pháp khử nitơ liên kết trong nước 1 Phương pháp lý học 2 Phương pháp hoá học 3 Phương pháp sinh học 3.1 Cơ sỏ lý thuyết của phương pháp sinh học 3.2Các phương pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết Phần II : Đối tượng và phương pháp nghiên cứu I Vật liệu 1 Đối tượng nghiên cứu 2 Dụng cụ và hoá chất II Phương pháp nghiên cứu 1 Phương pháp xác định hàm lượng NH4+ 2 Phương pháp xác định hàm lượng NO2- 3Phương pháp xác định hàm lượng NO3- Phần III Kết quả nghiên cứu I Những cải tiến mới II Cấu tạo của thiết bị NIREF III Lắp đặt thực tế IV Kết quả đạt được Phần IV Kết luận và kiến nghị Mở đầu Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, sự phát triển của ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải … và sự gia tăng dân số là những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nhất là môi trường nước. Sự ô nhiễm môi trường này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ cộng đồng và tác hại đến hệ sinh thái. Vì vậy vấn đề giám sát và quản lý môi trường và xử lý làm sạch môi trường được đặc biệt chú trọng và được xem là một trong những nhiệm vụ cấp bách hàng đầu của các Quốc gia trên thế giới. - Việt nam có nguồn tài nguyên nước dồi dào nhưng sự suy giảm chất lượng nước mặt và nước ngầm đang gia tăng ở nhiều nơi. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự ô nhiễm môi trưòng do một lượng lớn phế thải sản xuất, sinh hoạt trực tiếp cho ra môi trường mà không qua xử lý. Các nguồn nước thải loại này có hàm lượng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ rất cao. Các chất này được vi sinh vật phân huỷ tạo thành các sản phẩm trung gian như: NH4+ , NO2- , NO3- được gọi chung là nitơ liên kết - Sự lạm dụng quá nhiều phân đạm hoá học trong sản xuất nông nghiệp cũng là nguyên nhân làm gia tăng hàm lượng nitơ liên kết trong các tầng nước mặt và nước ngầm. Nguồn nước này được các nhà máy nước và các hộ gia đình khai thác để sử dụng làm nước sinh hoạt (kể cả cho mục đích ăn uống) đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là trẻ em và phụ nữ mang thai. - Hiện nay, nhiều phương pháp và quy trình xử lý phù hợp với từng nguồn nước thải khác nhau đang được áp dụng rộng rãi như : Phương pháp cơ học,hoá học, phương pháp sinh học. Do có những ưu việt hơn hẳn so với các phương pháp khác, phương pháp sinh học ngày càng được áp dụng rộng rãi. Trong các phương pháp sinh học, xử lý nước thải bằng vi sinh vật là phương pháp dễ tiến hành, thiết bị đơn giản có hiệu quả cao nhờ vi sinh vật có khả năng tự điều chỉnh có thể sử dụng và chuyển hoá nhiều loại hợp chất hữu cơ độc hại thành sản phẩm vô hại. - Gần đây việc xử lý nitơ liên kết trong nguồn nước sinh hoạt trong những năm gần đây rất được chú trọng, đã có nhiều công trình nghiên cứu và có kết quả rất khả quan. Tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị khử nitơ liên kết trong nước ăn uống bằng kỹ thuật sinh học. Mặc dù đang được áp dụng vào thực tế cuộc sống nhưng việc hoàn thiện công nghệ và tối ưu hoá cấu tạo thiết bị còn phải được tiếp tục. Do đó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : “Hoàn thiện thiết bị lọc nướckhử nitơ liên kết trong nước ăn uống " PHầN 1: TổNG QUAN TàI LIệU I. Sự ô nhiễm các nguồn nước 1. Đặc điểm và phân loại nước thải - Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật. Không có nước cuộc sống của con người trên trái đất không tồn tại được.Nhưng nguồn nước cấp cho mọi nhu cầu sinh hoạt và giải trí … cho con người chỉ có hạn. Lượng nước ngọt có thể sử dụng được chỉ chiếm khoảng 0.26% lượng nước toàn trái đất, trong số đó chỉ có 1/3 lượng nước này có khả năng sử dụng cho mục tiêu sản xuất nước sạch. Trong vài thập kỷ gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi nền kinh tế và đời sống con người được nâng cao, bên cạnh đó cũng làm suy thoái và cạn kiệt các nguồn nước cấp cho sinh hoạt.Phần lớn lượng phế thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt của con người xả trực tiếp vào các nguồn nước không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nặng. - Có ba loại nước thải chủ yếu + Nứơc thải sinh hoạt : là loại phổ biến, có nguồn gốc từ những sinh hoạt khác nhau của con người, từ các bệnh viện, hàng ăn và các chất thải của con người … Nước thải loại này chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao. + Nước thải công nghiệp: là loại chứa nhiều chất vô cơ, kim loại, hữu cơ… Điều quan trọng là chúng thường chứa nhiều chất gây độc đối vối sinh vật. Loại nước thải này có nguồn gốc từ những nhà máy, những sản phẩm thừa, cũ, hỏng hoặc không thể sử dụng được và chất thải độc hại từ các quá trình sản xuất công nghiệp 2. Các hợp chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ có trong nước thải thường được chia làm hai loại :Loại khó phân huỷ và loại dễ phân huỷ. Lượng hữu cơ dễ phân huỷ được đánh giá theo chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD). Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD5) là lượng oxy tiêu tốn nhờ vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước trong thời gian 5 ngày ở 20oC. COD: nhu cầu oxy hoá học dùng để oxy hoá toàn bộ chất hữu cơ và các gốc khử có trong nước thải . Do vậy tỉ số COD/BOD luôn lớn hơn 1 3. Các hợp chất vô cơ Các hợp chất vô cơ có nồng độ khá cao trong nước thải khu dân cư như Cl-, SO42- , PO43- , Na+, K+ và trong nứơc thải công nghiệp như kim loại có độc tính cao như: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr - Nước thải còn chứa nhiều hợp chất vô cơ chứa nitơ như: NH4+, NO3-, NO2-…Trong hệ thuỷ sinh các hợp chất hữu cơ này tăng cường sinh trưởng, nhiều loài rong tảo phát triển và sự tích tụ rồi phân huỷ sinh khối của chúng gây ô nhiễm môi trường nuôi - Sự ô nhiễm nitơ liên kết nguồn nước mặt do phế thải sinh hoạt và sản xuất đã tác động trực tiếp đến chất lượng nguồn nước ngầm. Tại Hà Nội, kết quả báo cáo chất lượng nước của Bộ xây dựng, Công ty tư vấn cấp thoát nước và môi trường Việt Nam cho chất lượng nhiều nguồn nước ngầm ngày càng bị suy giảm nghiêm trọng.Nước từ nhiều nhà máy nước chứa một hàm lượng NH4+ lớn như nhà máy nước Pháp Vân hàm lượng NH4+ lên đến 60 mg/l, nhà máy nước Tương Mai là 30 mg/l và nhà máy nước Yên Phụ là 20 mg/l ( 9 ) . - Amoni(NH4+)thực ra không qúa độc đối với con người như đối với nhiều thuỷ động vật nhưng trong quá trình khai thác, xử lý, lưu trữ chúng bị chuyển hoá thành nitrit. Hàm lượng nitrit cao trong nước uống sẽ gây bệnh đường hô hấp ( methemoglobinemia (bệnh xanh da)) ở trẻ em. NO2- có thể kết hợp với axit amincó trong thức ăn để tạo ra hợp chất nitrosamin sản phẩm này có thể gây bệnh ung thư cho con người, vì vậy người ta đã tìm nhiều biện pháp loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nước sinh hoạt II. Các phương pháp khử nitơ liên kết trong nước Để loại bỏ hợp chất nitơ, người ta có thể sủ dụng nhiều phương pháp như phương pháp lý học, phương pháp hoá học, sinh học. Chúng có những ưu nhược điểm riêng và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau. 1. Phương pháp lý học( 19) - Trong phương pháp lý học người ta thường loại bỏ amôn ở dạng khí dễ bay hơi (NH3), bằng cách thổi khí .Để chuyển hoá mạnh amôn thành dạng khí người ta nấy pH nước khoảng 10,5-11,5. - Ưu nhược điểm của quá trình : Ưu điểm : + Có thể kiểm soát được quá trình + Kỹ thuật đơn giản Nhược điểm + Trong môi trường nước Nitơ liên kết không chỉ tồn tại ở dạng NH4+ mà nó còn tồn tại dưới dạng NO2-, NO3-. Bằng phương pháp này không thể giảm thiểu được các hợp này + Quá trình chuyển hoá NH4+ thành NH3 và giải phóng vào không khí dẫn đến ô nhiễm không khí 2. Phương pháp hoá học (19) Để xử lý nước chứa Nitơ liên kết bằng phương pháp hoá học người ta sử dụng các phương pháp như: Phương pháp clo hoá, phương pháp trao đổi ion.2.1 Phương pháp Clo hoá (19) Nguyên tắc Sử dụng chất oxy hoá mạnh như :Clo, Ozon, Cloramin, KMnO4 để oxy hoá amoni thành Nitrit, Nitrat . Khi sử dụng Clo quá trình này diễn ra như sau : Cl2 + H2O = HClO + HCl (1) (hypoclorit) Amonia trong nước sẽ tác dụng với HClO tạo nitơ phân tử bay vào không khí 2 NH3 + 3 HClO = N2 + 3 H2O + 3 HCl (2) - Tuy nhiên, để phản ứng (2) xảy ra thì tỉ lệ Cl2/NH4+ (về khối lượng –g/g) phải đạt tới 7,6, do đó chuyển hoá 1mg NH3 phải cần ít nhất 8 mg Clo. Như vậy khi sử dụng phương pháp này, người ta cần dùng một lượng lớn Clo. - Ưu nhược điểm của quá trình : Ưu điểm + Quá trình này có thể kiểm soát được, tất cả lượng N-NH3 đều có thể được oxy hoá hết. + Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nước + Không tốn diện tích mặt bằng Nhược điểm + Chi phí vận hành cao + Còn tồn tại một lượng lớn Clo dư và hợp chất Clo là nguyên nhân gây độc với con người và sinh vật thuỷ sinh + Quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH, liều lượng Clo sử dụng +Trong quá trình xử lý một lượng trihalomethane tạo thành ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp + Cần phải kiểm soát chặt chẽ độ pH để tránh sự tạo thành khí NCl3 + Không khử được nitơ dạng NO2- và NO3- 2.2 Phương pháp trao đổi ion (19) Nguyên tắc Nước cần xử lý đi qua bề mặt nhựa trao đổi này(loại cationit).NH4+ được hấp thụ lên bề mặt hạt nhựa đó. Để hoàn nguyên vật liệu này cần sử dụng một số iôn khác đẩy NH4+ ra, thông thường người ta sử dụng HCl loãng Phương pháp này hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước cấp. Ngày nay người ta đã chế tạo ra một loại nhựa nhân tạo để xủ lý nước ngầm có nồng độ NO3- cao theo nguyên lý sau: Nước ngầm được bơm lên từ giếng vào bể chứa trung gian. Sau đó nước được bơm qua bể áp lực để loại bỏ cặn bẩn ở dạng keo Hydroxit- Fe, Al… Nước được dẫn chẩy qua cột trao đổi ion (loại anionit). Tại đây xẩy ra quá trình trao đổi ion NO3- với Clo ở lớp khuếch tán của hạt nhựa. Kết quả là NO3- bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nước sau khi đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lượng NO3- đạt yêu cầu dùng cho nước ăn uống Nước vào Bể chứa trung gian Bể lọc áp lực Cột trao đổi anion Nước ra Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO3- cao trong nước ngầm Ưu điểm + Dễ dàng kiểm soát quá trình + Điều kiện vận hành đơn giản + Đạt hiệu quả cao + Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi bằng cách ngâm nhựa trong dung dịch muối ăn bão hoà để giải hấp phụ. Nhược điểm + Chi phí vận hành cao + Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ + Không áp dụng được cho nguồn nước có nhiều cặn lơ lửng 3. Phương pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nước 3.1 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp sinh học 3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Sơ đồ dười đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dưới tác động của sinh vật Hình 2: chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Trong chu trình chuyển hoá này, các cơ thể thực vật, vi khuẩn có khả năng sử dụng(đồng hoá) nhiều dạng nitơ liên kết để sinh trưởng và phát triển. Các vi khuẩn nitrat hoá và phản nitrat hoá trong tự nhiên chuyển hoá các hợp chất nitơ vô cơ thành N2 .Nitơ phân tử(N2) lại được nhiều loại vi khuẩn cố định để chuyển thành NH4+ và như vậy chu trình được khép kín. Chính các cơ thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nước trong thiên nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ. 3.1.2 Quá trình amôn hoá - Đây là quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ, qúa trình này được thực hiện nhờ các vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn , nấm…. Dưới tác dụng của các vi sinh vật, protein sẽ chuyển thành các chuỗi peptit và các amino acid, các amino acid này sẽ biến đổi và tạo thành acid và NH4 theo cơ chế sau: R-CH(NH2)-COOH + 0.5O2 R-CO-COOH + NH4+ (amino acid) (keto acid) R-CH(NH4)-COOH + 2H+ R-CH2-COOH + NH4+ (amino acid) (acid) 3.1.3 Quá trình đồng hoá nitơ liên kết ở thực vật - Thực vật thủy sinh, đặc biệt là tảo đơn bào sử dụng NH4+, CO2 và các chất vô cơ khác để tổng hợp sinh khối. Ngoài ra tảo còn tiếp nhận năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ và giải phóng oxy. Quá trình đồng hoá amoni của tảo tiêu tốn cacbon hidrat dự trữ trong tế bào và amoni được chuyển sang dạng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ - Một số enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá amôn ở tảo như sau: + Enzyme glutamin dehydrogenaza (GDH) Axit - glutaric + NH3 + NAD(P)H + H+ + GDH Axit glutamic + H2O + Enzyme glutamic syntheaza(GS) Axit glutamic +NH3 + ATP + GS Glutamin + ADP + Pi 3.1.4 Quá trình nitrat hoá Là quá trình chuyển hoá amoni thành nitrat dưới tác dụng của enzyme amon monoxygenaza của các vi khuẩn. Quá trình này gồm hai giai đoạn oxy hoá amôn (nitrit hoá)và oxy hoá nitrit (nitrat hoá), do hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí bắt buộc thực hiện. Các vi khuẩn này có dạng hình que, hình cầu, hình elip, hoặc hình xoắn, không sinh bào tử , gram âm và là các vi khuẩn hiếu khí. Các vi khuẩn nitrat hoácó thể phát triển được ở pH từ 5,5 - 9,0, pH tối ưu là 7,5 3.1.4.1 Giai đoạn oxy hoá amôn (Nitrit hoá) - Do các nhóm vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas (N. europaea, N. oligocarbogenes) ; Nitrosospira ; Nitrosococcus ; Nitrosolobus Phương trình phản ứng như sau NH4+ + 1.5O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ +H2O + 275kJ - Nhiệt độ sinh trưởng và phát triển đối với vi khuẩn nitrit hoá là 5 - 400C. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrit hoá là 25 - 300C. Chúng có thể sống được ở độ mặn từ 0 - 4,4 %. - Các vi khuẩn có thể sinh trưởng được ở pH: 6,0 - 9,0. Với độ pH dưới 7,0 quá trình phát triển của chúng bị chậm lại. Nếu pH nhỏ hơn 6,5 hoặc lớn hơn 9,0 thì hoạt tính nitrit hoá sẽ giảm hoặc không xẩy ra. Bởi vậy, chất đệm trong nước có vai trò rất quan trọng. Nếu pH giảm, hoạt tính nitrit hoá và sự phát triển của các vi khuẩn này sẽ bị ức chế (10, 11, 12, 13). * Cơ chế hoá học của quá trình oxy hoá amôni - Cơ chế hoá học của quá trình này đã được nghiên cứu từ lâu. Trong quá trình oxy hoá amôn thành nitrit có nhiều enzim trong và ngoài màng của tế bào tham gia. Cơ chế quá trình này được trình bày ở sơ đồ sau : NH3 NH2OH NO2- NO3- [NOH] 2e- Chuỗi truyền điện tử trong Nitrosomonas 0.5O2 H2O P460 red P460 ox 0.5O2 H2O 0.5O2 H2O 2e- Chuỗi truyền điện tử trong Nitrobacter - Trước tiên, NH3 (chứ không phải là ion NH4+) bị oxy hoá bằng oxy phân tử thành hydroxylamine (NH2OH) nhờ enzim Ammonia monooxygennaza. NH3 + O2 + NADH + H+ → NH2OH + H2O + NAD+ Quá trình này đòi hỏi phải có nguồn điện tử để tạo ra hydroxylamine. Nguồn điện tử này được sinh ra khi oxy hoá NADH thành NAD+ và truyền qua cytochrom P460. Một phần nguồn điện tử trong quá trình oxy hoá amôni thành hydroxylamine đi vào chuỗi chuyền điện tử trong màng tế bào của Nitrosomonas. Trong quá trình vận chuyển điện tử này ATP được tạo ra. Phần điện tử còn lại dùng để oxy hoá hydroxylamine thành nitrit theo phản ứng: NH2OH + O2 → NO2- + H2O + H+ - Quá trình này do enzym hydroxylamine oxydaza xúc tác. Khi oxy hoá NH2OH thành NO2- tạo ra sản phẩm trung gian [NOH] không bền vững, và chuyển thành NO2- ,quá trình này cũng giải phóng điện tử, các điện tử này chuyển đến P460 ox để tạo ra P460 red, và do vậy khép kín chuỗi chuyền điện tử (14, 15) 3.1.4.2 Giai đoạn oxy hoá Nitrit(Nitrat hoá) Đó là quá trình oxy hoá NO2- thành NO3-. Quá trình này được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng. Đa số các nhóm vi khuẩn này đều có cấu tạo tế bào hình que, hình cầu, hình bầu dục…, đây là nhóm vi khuẩn Gram (-). Tất cả các chủng đều có khả năng sử dụng nitrat làm nguồn năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon (theo chu trình Calvin) cho chúng sinh trưởng. Mỗi phân tử CO2 được cố định 100 phân tử NO2- được oxy hoá. Đó là nguồn năng lượng cần thiết để tổng hợp nên tế bào [13, 16]. NO2- +0.5 O2 Nitrobacter NO3- + 75kJ Quá trình nitrat hoá có thể mô tả như sau: NH4+ + 2O2 Amon monoxygenaza NO3- + 2H+ + H2O +Q - Trong quá trình nitrat hoá, cần cung cấp oxy cho hoạt động hô hấp của các vi sinh vật, để oxy hoá hoàn toàn 1 mg NH4+thành NO3-cần tới 4,32 mg O2 . Nếu pH của môi trường nhỏ hơn 7.0 thì tốc độ sinh trưởng và khả năng nitrat hoá của các vi khuẩn này bị giảm. Nhiệt độ sinh trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá này là từ 5 – 40oC. Nhiệt độ tối ưu cho các vi khuẩn này là 28oC – 30oC Quá trình nitrat hoá lại bị ức chế bởi nồng độ NH4+cao do NH4+phân ly thành NH3 , H+ và sau đó bị ức chế khi NO2-, NO3- nồng độ cao,vì H+ có thể kết hợp với NO2- tạo ra HNO2 bị tích luỹ l;ại gây ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá. Vì vậy cần phải loại bỏ H+ ra khỏi môi trường để hạn chế sự tạo thành HNO2và HNO3 . * Cơ chế của quá trình oxy hoá nitrit (nitrat hoá) - Quá trình oxy hoá nitrit thành nitrat do enzym nitritoxydaza và Cytochrom oxydaza xúc tác. NO2- + H2O → NO3- + 2H+ + 2e - Trong quá trình oxy hoá nitrit này oxy được lấy từ nước (chứ không phải là từ oxy phân tử). Điện tử sinh ra trong quá trình này lại đi vào mạch truyền điện tử tới Cytochrom a, Cytochrom c đến Cytochrom oxydaza (aa3) và kết hợp với oxy phân tử tạo thành nước trong nguyên sinh chất. Các thành phần mạch truyền điện tử đó được định vị trên màng nguyên sinh chất. Khi proton (H+) chuyển ngược từ ngoài màng qua màng để vào vùng nguyên sinh chất năng lượng được giải phóng ở dạng ATP. - Ngoài các vi khuẩn tự dưỡng ra, quá trình nitrat hoá còn được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxy hoá NH4+ và các hợp chất hữu cơ thành NO2-, NO3- như : Methylococcus capsulata, Methylomonas methanica, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera patotropha ( 20, 21 ) Sự oxy hoá nitrit thành nitrat và vận chuyển proton qua màng tạo ra năng lượng được trình bày ở sơ đồ sau: Ngoài màng NSC Màng NSC Nguyên sinh chất Nitrit- Oxydaza Mo Cyt.a Cyt.c 2e- Cytochrom- Oxydaza aa3 H+ NO2- + H2O NO3- + H+ 0,5O2 + 2H+ H2O Tổng cộng: NO2- + 0,5O2đ NO3- ADP + Pi đ ATP ATPaza 3.1.5 Quá trình phản nitrat hoá - Quá trình phản nitrat hoá được thực hiện trong điều kiện thiếu khí với sự tham gia của các enzyme nitrit và nitrat – reductara. Sự có mặt của oxy phân tử ức chế hoạt động của các enzyme này và dẫn đến sự kìm hãm quá trình phản nitrat hoá . Quá trình phản nitrat hoá tạo ra những sản phẩm trung gian sau đây NO3- NO2- NO N2O N2 - Quá trình phản nitrat hoá được thực hiện nhờ các loại vi khuẩn kị khí tuỳ tiện như : Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococcus, Thiobacillus denitrificans .Các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý các nguồn nước thải chứa hàm lượng NO3- cao. Độ pH tối ưu để quá trình phản nitrat hoá xẩy ra là 6.0 – 8.0. - Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrat hoá + Nồng độ nitrat:Trong quá trình phản nitrat hoá, nitrat được sử dụng như là chất nhận điện tử, do đó nồng độ của nó ảnh hưởng đến tốc độ quá trình phản nitrat hoá + Nồng độ oxy: Hàm lượng oxy hoà tan phải nhỏ hơn 0.1 mg/l vì O2cạnh tranh mạnh mẽ với NO3- trong vai trò là chất nhận điện tử, đồng thời nó còn kìm hãm hoạt động của emzyme Nitrit reductase và Nitrat reductase. Do đó sự có mặt của oxy tự do sẽ gây ức chế và ức chế hoàn toàn quá trình phản nitrat hoá + Nhiệt độ: Quá trình khử nitrat hoá có thể xẩy ra ở khoảng nhiệt độ từ 5 – 45oC, ở nhiệt độ 5 – 10oC quá trình vẫn xẩy ra nhưngvới tốc độ chậmvà ở 0- 2oC thì quá trình sẽ không xẩy ra + Độ pH: tối ưu là pH = 7.0 3.2 Các phương pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết trong nước Được chia làm hai nhóm: - Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên - Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo 3.2.1 Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên Cơ sỏ lý thuyết cuả các biện pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của hệ tự nhiên. Việc xử lý nước thực hiện ở các dạng như: Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, ao hồ sinh học… Ao hồ sinh học là loại công trình khá phổ biến và cũng là phương pháp đơn giản nhất và được chia làm ba loại. + Ao hồ hiếu khí: là loại ao hồ nông, chiều sâu của ao hồ này khoảng từ 0.5 – 0.9 m, được chiếu sáng tốt và đảm bảo thông khí tốt từ mặt ao xuống đáy ao. Quá trình oxy hoá chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí. + Ao hồ kỵ khí: là loại ao hồ sâu khoảng 3 – 6 m, đảm bảo điều kiện kị khí cho các hoạt động sống của các hệ vi sinh vật trong đó. Loại hồ này thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, vì nó gây mùi thối khó chịu (3) + Hồ kị khí tuỳ tiện: là loại ao hồ có chiều sâu khoảng 1 – 1.7 m. Loại ao, hồ này có sự hoạt động của cả hai quá trình hiếu khí và kị khí . Hiện nay loại ao, hồ này đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các hồ sinh học. - Trong thực tế, để loại bỏ được nitơ liên kết người ta thường sử dụng loại ao hồ hiếu khí và tuỳ tiện. Đặc điểm của các hồ này là tảo và các vi sinh vật khác cùng sinh trưởng và phát triển, ở lớp nước trên của hồ các vi sinh vật hiếu khí sẽ sử dụng oxy hoà tan (một phần do tảo tạo ra) để hô hấp, các chất hữu cơ chứa nitơ sẽ được vi sinh vật oxy hoá thành CO2, H2O, NH4+, NO3-, NO2-. Các chất này sẽ được tảo sử dụng để tăng trưởng đồng thời giải phóng oxy phục vụ cho hoạt động sống của vi khuẩn. Đây là sự cộng sinh có hiệu quả giữa tảo và các vi sinh vật khác. Việc sử dụng Tảo để hấp thụ các thành phần có trong nước thải rất đáng được lưu tâm vì trong tế bào của chúng nitơ chiếm tới 8-10 % 3.2.2 Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo - Nguyên tắc của việc sử dụng các biện pháp này là cũng dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật như và sinh trưởng. Nhờ quá trình phát triển, quá trình trao đổi chất của chúng mà các chất ô nhiễm sẽ bị chuyển hoá thành các dạng vô hại. - Dựa vào trạng thái tồn tại của các vi sinh vật trong hệ thống xử lý mà người ta chia làm hai kỹ thuật: Kỹ thuật lọc sinh học Kỹ thuật bùn hoạt tính 3.2.2.1Kỹ thuật lọc sinh học - Kỹ thuật lọc sinh học nói chung dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật bám trên vật liệu rắn tạo ra màng sinh học. Màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí, kỵ khí tuỳ tiện - Các vi khuẩn này liên kết với nhau trên bề mặt chất mang tạo thành lớp màng vi sinh vật goị là màng sinh học, các chất hữu cơ và vô cơ trong nước sẽ được hấp thụ lên bề mặt màng và được các vi sinh vật sử dụng hoặc chuyển hoá. Chất mang thường sử dụng là các vật liệu như:nhựa tổng hợp ,polymer… - Đối với các hợp chất chứa nitơ : Đây là quá trình xử lý bằng vi sinh vật ưa khí bám trên bề mặt chất mang Nitrosomonas, Nitrobacter… .Trong quá trình khử nitơ liên kết ở lọc sinh học, amoni có trong nước sẽ bị hấp thụ lên lớp ngoài của màng, màng này thường dày khoảng 0,1-0,4 mm. Quá trình chuyển hoá amôni trong nước tách thành hai bước: lớp ngoài màng chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí thực hiện quá trình nitrat hoá theo hai phản ứng sau: NH4+ + O2 → NO2- + H2O + 2H+ Oxy hoá nitrit : NO2- + O2 → NO3- - ở lớp trong của màng, lượng oxy bị giảm do các vi khuẩn hiếu khí lớp ngoài sử dụng nên đây là vùng thiếu khí, tạo điều kiện cho các vi khuẩn kỵ khí phát triểnvà xẩy ra quá trình phản nitrat hoá. - Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng được mô tả hình dưới Màng lọc sinh học Nước Không khí BOD CO2 CO2 O2 H2S H2S SO42- NO2- NO3- N2 NH3 NH3 Chất mang Hình 3: Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng 3.2.2.2 Kỹ thuật bùn hoạt tính - Trong kỹ thuật bùn hoạt tính, nước cần xủ lý được đưa vào một bể hiếu khí (bể aeroten) và được khuấy trộn với bùn hoạt tính. Bùn có dạng bông, mầu nâu xám. Thành phần của bùn hoạt tính bao gồm một số lượng lớn các nhóm sinh vật. Các vi sinh vật có thể là vi khuẩn, xạ khuẩn, và động vật nguyên sinh như :Nitrosomonas, Actinomyces, Athrobacter, Bacillus, Bacterium, Micrococcus, Pseudomonas… . Các vi khuẩn Pseudomonas phân huỷ các loại rượu, acid béo, paraffin, … Bacterium phân huỷ dầu mỏ ,paraffin, naften, phenol, andehit và các acid béo. - Sau khi nước ra khỏi bể aeroten, hỗn hợp nước và bùn được đưa vào bể lắng thứ cấp. ở đó bùn hoạt tính được lắng xuống, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aeroten để giữ cho hàm lượng bùn trong bể luôn ổn định Bể lắng sơ cấp Bể aeroten Nước vào Bể lắng thứ cấp Nước ra Bùn hồi lưu Bùn dư Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bùn hoạt tính - Các yếu tố như pH, nhiệt độ có ảnh hưởng khá lớn đến quá trình xử lý.Khoảng pH từ 6.5 – 9 được coi là tối ưu cho hoạt động của bùn hoạt tính. Nếu pH 9 thì tốc độ trao đổi chất sẽ bị chậm lại. - Trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính, ngoài sự loại bỏ các chất hữu cơ dễ bị oxy hoá sinh học còn có quá trình oxy hoá NH4+ thành NO3- theo phương trình sau : NH4+ + 4O2 2NO3- +4H+ + 2H2O + 350kJ Quá trình phản nitrat hoá sẽ xẩy ra khi không tiếp tục cung cấp không khí. Khi đó oxy cần cho hoạt động của vi sinh vật giảm dần và việc giải phóng oxy từ nitrat sẽ xẩy ra. Do vậy, trong kỹ thuật này giai đoạn sau nên tạo điều kiện thiếu khí để loại bỏ hoàn toàn hợp chất nitơ ra khỏi nguồn nước. III. Tình hình nghiên cứu công nghệ khử nitơ liên kết ở Việt Nam ở nước ta hiện nay nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt ở nông thôn cũng như đô thị phần lớn là nước ngầm. - Về nguyên tắc, so với nguồn nước mặt thì thì nước ngầm sạch hơn về mặt vi sinh, về các chất lơ lửng và ít khả năng bị ô nhiễm bởi các chất thải sinh hoạt và công nghiệp hơn. - Tuy nhiên, nước ngầm lại chứa nhiều. chất khoáng hoà tan cần xử lý là sắt, mangan, Asen và các hợp chất chứa nitơ. ở Hà Nội, nước dùng cho sinh hoạt hiện chỉ là nước ngầm. Trong khi đó nitơ liên kết trong nước ngầm ở Hà Nội chủ yếu tồn tại dưới dạng amôni (22) với hàm lượng cao đáng báo động. Trong số 700.000 m3 nước /ngày đêm từ 8 giếng khoan tập trung và 130 giếng khoan lẻ do công ty kinh doanh nước sạch cung cấp thì có đến 150.000 m3 từ các nhà máy nước Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai thườngxuyên chứa NH4+ vượt 5 đến 20 lần tiêu chuẩn cho phép của bộ y tế (2002) (23). Hơn thế nữa ở một số nhà máy nước mới xây dựng như Cáo Đỉnh, Nam Dư cũng bị nhiễm nặng amôni . Ngoài ra nước từ nhiều trạm cấp nước vừa và nhỏ từ các giếng khoan thủ công cũng bị nhiễm amôni đặc biệt là các vùng nam Hà Nội. Vì thế, cho đến nay nhiều cơ sở nghiên cứu công nghệ ở nước ta đang chú trọng tìm biện pháp để giải quyết tình trạng này và đã có nhiều đề tài được tiến hành như : Xử lý amôni trong nước ngầm quy mô pilot tại nhà máy nước Pháp Vân (do kỹ sư Bùi Văn Mật chủ nhiệm đề tài, 12/2002). Nghiên cứu xử lý N-NH4+ trong nước ngầm Hà Nội (đề tài cấp thành phố 01C- 09/11- 2000- 2002). Công ty Tư vấn cấp thoát nước và môi trường Việt Nam. Báo cáo bước đầu xử lý amôni cho nhà máy nước Nam Dư 30.000m3 /ngày, 2002. Các đề tài xử lý nitơ quy mô nhỏ của CFINEA, ĐHQG Hà Nội, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh… Tại Viện Công nghệ sinh học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các nghiên cứu được tiến hành từ năm 2000 – 2004. Kết quả đã được công bố: Chọn lựa được các vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hoá amôni có trong nước ngầm. Nghiên cứu kỹ thuật cố định các chủng vi khuẩn chọn lọc vào chất mang. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc sinh học sử dụng chất mang này để xử lý nước ăn uống nhiễm amôni Hiện nay, tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị xử lý amôni với quy mô gia đình. Trong quá trình sử dụng chúng tôi đã thấy suất hiện một số hạn chế cần khắc phục như: Hiệu suất xử lý chưa cao,chưa tự động hoá,và chưa loại được asen, mangan và thiết bị còn cồng kềnh.. .Vì vậy để góp phần giải quyết một số vấn đề nêu trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : “Hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nứơc ăn uống” Phần II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu I. Vật liệu 1. Đối tượng nghiên cứu Nguồn nước sinh hoạt bi nhiễm nitơ liên kết và nguồn nước bị nhiễm asen..tại Hà Nội và các vùng phụ cận 2. Dụng cụ và hoá chất 2.1 Dụng cụ Cân điện tử Máy đo oxy hoà tan Thiết bị khử nitơ liên kết NIREF Các dụng cụ khác phục vụ quá trình 2.2 Hoá chất và cách pha chế Các hoá chất có độ tinh khiết cao, một số hoá chất nhập ngoại được sử dụng trong báo cáo này. 2.2.1 Một số thuốc thử thường dùng * Dung dịch Nessler để xác định NH4+ [ 18] Pha 10g KI trong 10ml nước cất. Thêm từng giọt dung dịch bão hoà dung dịch HgCl2 cho đến khi dung dịch có kết tủa bền màu gạch. Bổ sung thêm 30g KOH, khuấy cho tan hết sau đó thêm 10ml dung dịch HgCl2 bão hoà. Cuối cùng thêm nước cho vừa đủ 200ml. Để lắng tránh ánh sáng, sau đó lọc qua giấy lọc và bảo quản trong lọ thuỷ tinh mầu nâu có nút nhám để chỗ tối. * Dung dịch EDTA (Ethylene Diamine Tetraacetic Acid) để xác định NH4+[18] Pha 50g EDTA vào 50ml dung dịch NaOH 20% (nếu cần đun nhẹ để hoà tan). Để nguội, thêm nước cất cho vừa đủ đến 100ml. Bảo quản trong tủ lạnh. * Dung dịch Griss để xác định NO[18] Griss I: Axít sunfanilic: 0,5g Axít acetic 5N: 150m Hoà tan axít sunfanilic vào axít axetic (nếu cần đun nhẹ để hoà tan). Griss II: - Naphtylamin: 0,5 Axít acetic 5N: 150ml Nước cất: 50ml Hoà tan - Naphtylamin vào nước sôi rồi bổ xung axít axetic. Bảo quản trong tủ lạnh. II. Phương pháp nghiên cứu 1 Phương pháp xác định hàm lượng NH4+(18) Hàm lượng NH4+ trong dung dịch được xác định bằng phương pháp Nessler có cải tiến[18]. * Chuẩn bị dịch pha loãng của dung dịch NH4Cl chuẩn: - Dung dịch chuẩn gốc (0,3819% ~1,28 mg/ml NH4+) Hoà tan 3,819g NH4Cl vào nước cất, thêm nước cho vừa đủ 1000ml - Dung dịch chuẩn gốc pha loãng : Pha loãng dung dịch chuẩn gốc ra 100 lần : 1ml dung dịch chuẩn gốc + 99ml nước cất. Hàm lượng NH4Cl trong dung dịch pha loãng này là 0,03819 mg NH4Cl/ml (tương ứng với 0,0128 mg NH4+ /ml. Tiếp tục pha loãng như sau: Tỷ lệ pha loãng dung dịch với nước cất (ml +ml) Hàm lượng NH4+ trong dung dịch pha loãng (mg/l) 1+49 3+47 6+44 12+38 0,2569 0,7708 1,5417 3,0832  - Chuẩn bị mẫu: Trước khi sử dụng phương pháp Nessler, dung dịch mẫu phải được khử tạp chất + Khử tạp chất: Cho vào bình tam giác (dung tích 250 ml ) 100 ml dung dịch mẫu, cho thêm 1ml dung dịch ZnSO4 10% lắc đều. Điều chỉnh độ pH của dung dịch đến 10,5 bằng dung dịch NaOH 6 N để lắng vài phút, sau đó lọc qua giấy lọc + Phản ứng tạo màu của dung dịch nghiên cứu với thuốc thử Nessler: Lấy 50 ml mẫu (nếu mẫu quá đặc cần được pha._.