Khảo sát quá trình phản nitrat hoá & nghiên cứu điều kiện xử lý NITƠ trong hệ thống SBR thiếu khí

Lêi c¶m ¬n B¶n luËn ¸n nµy ®­îc hoµn thµnh t¹i Bé m«n ho¸ sinh vµ sinh häc ph©n tö, phßng 202- C4, ViÖn C«ng nghÖ sinh häc vµ Thùc phÈm, Tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi. T«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n s©u s¾c sù h­íng dÉn rÊt tËn t×nh, chu ®¸o, khoa häc cña TS T« Kim Anh ®· gióp ®ì t«i tËn t×nh trong qu¸ tr×nh lµm luËn ¸n tèt nghiÖp. T«i còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù gióp ®ì ch©n thµnh cña c¸c b¹n sinh viªn trong nhãm “Xö lý n­íc th¶i chøa nit¬ ”, ®Æc biÖt lµ sù gióp ®ì cña thÇy gi¸o: TrÇn Ngäc H©n. Cho phÐp t«i ®­îc bµy tá lêi c¶m ¬n s©u s¾c ®Õn toµn thÓ anh, chÞ, em, c¸c b¹n sinh viªn lµm viÖc t¹i c¸c phßng thÝ nghiÖm thuéc ViÖn C«ng nghÖ sinh häc vµ thùc phÈm, Tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi. Cuèi cïng t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù quan t©m cña gia ®×nh vµ b¹n bÌ trong suèt thêi gian häc tËp ®Ó cho t«i hoµn thµnh b¶n luËn ¸n nµy. Môc lôc §Æt vÊn ®Ò HiÖn nay ®· cã rÊt nhiÒu lêi c¶nh b¸o vÒ ¶nh h­ëng cña n­íc th¶i chøa nit¬ ®Õn m«i tr­êng trong ®ã cã rÊt nhiÒu nghiªn cøu chØ ra ¶nh h­ëng nghiªm träng cña n­íc « nhiÔm nit¬ ®Õn søc khoÎ cña céng ®ång. Kh«ng chØ ë ViÖt Nam, mµ trªn thÕ giíi hiÖn t­îng nµy ®· g©y ®au ®Çu kh«ng Ýt nhµ khoa häc nghiªn cøu vÒ vÊn ®Ò nµy. C¸c ph­¬ng ph¸p xö lý n­íc « nhiÔm nit¬ nãi riªng vµ n­íc th¶i nãi chung hiÖn nay cã rÊt nhiÒu. Cïng vãi nã lµ c¸c hÖ thèng xö lý n­íc th¶i kh¸c nhau. ë ViÖt Nam hiÖn nay ®· ¸p dông vµ nghiªn cøu ®­îc mét sè hÖ thèng xö lý n­íc th¶i nãi chung, tuy nhiªn c¸c hÖ thèng xö lý míi th× hiÓu biÕt vÒ nã cßn h¹n chÕ. HÖ thèng SBR hiÖn nay ®­îc ®¸nh gi¸ lµ mét gi¶i ph¸p lý t­ëng nhÊt cho øng dông th­¬ng m¹i vµ ®« thÞ. §©y lµ nh÷ng g× EPA ®¸nh gi¸ vÒ hÖ thèng nµy “ HÖ thèng SBR cã mét øng dông réng r·i cho xö lý m¸y ho¸ víi nh÷ng l­u l­îng n­íc nhá, bëi v× nã cung cÊp xö lý gi¸n ®o¹n. HÖ thèng nµy phï hîp lý t­ëng cho c¸c dßng ch¶y cã l­u l­îng thay ®æi réng ®iÒu khiÓn b»ng chÕ ®é ‘n¹p vµ rót’, ng¨n ngõa hiÖn t­îng tho¸i ho¸ bïn mµ hay gÆp ë c¸c hÖ thèng hiÕu khÝ më réng. Mét thuËn lîi kh¸c cña hÖ thèng lµ kh«ng cÇn nhiÒu ng­êi ®iÒu khiÓn nh­ng hiÖu qu¶ xö lý vÉn rÊt cao”. ë ViÖt Nam hiÖn nay viÖc t×m hiÓu, nghiªn cøu vÒ hÖ thèng nµy ch­a ®­îc biÕt ®Õn nhiÒu. Hi väng r»ng hÖ thèng nµy víi nh÷ng rÊt nhiÒu ­u ®iÓm sÏ nhanh chãng ®­îc quan t©m vµ triÓn khai t¹i ViÖt Nam. Nh»m gãp phÇn lµm gi¶m « nhiÔm vÒ n­íc, còng nh­ ®ãng gãp vµo viÖc t×m hiÓu vµ ¸p dông c¸c ph­¬ng ph¸p míi vµo viÖc xö lý n­íc th¶i chøa nit¬ ë ViÖt Nam chóng t«i tiÕn hµnh lµm ®Ò tµi nghiªn cøu : “Kh¶o s¸t qu¸ tr×nh ph¶n nitrat ho¸ vµ nghiªn cøu ®iÒu kiÖn xö lý nit¬ trong hÖ thèng SBR thiÕu khÝ”. §Ò tµi cña bao gåm c¸c phÇn sau : 1) Kh¶o s¸t qu¸ tr×nh ph¶n nitrat. 2) TiÕn hµnh x©y dùng hÖ thèng xö lý ë quy m« phßng thÝ nghiÖm. 3) Nghiªn cøu qu¸ tr×nh xö lý n­íc th¶i chøa nit¬ víi hÖ thèng xö lý SBR thiÕu khÝ. Trong ®ît lµm luËn ¸n nµy viÖc t×m hiÓu vÒ ®Ò tµi nµy ®· mang l¹i cho chóng t«i nhiÒu ®iÒu bæ Ých. T«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c b¹n sinh viªn, nh÷ng thÇy c« gi¸o ®· t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh nµy. C¸c ký hiÖu, côm ch÷ viÕt t¾t dïng trong luËn ¸n BBS (Blue Baby Syndrome) : Héi chøng xanh da. Bé KHCN & MT :Bé Khoa Häc C«ng NghÖ vµ M«i Tr­êng BOD (Biochemical Oxygen Demand) :Nhu cÇu oxy sinh häc COD (Chemiacal Oxygen Demand) :Nhu cÇu oxy ho¸ häc §BSH :§ång b»ng s«ng Hång. §BSCL :§ång b»ng s«ng Cöu Long DO (Dissolved Oxygen) :Nhu cÇu oxy hoµ tan EPA (Environment protect agent) :C¬ quan b¶o vÖ m«i tr­êng Mü KCN :Khu c«ng nghiÖp KCX :Khu chÕ xuÊt NHL (lympho non-Hodgkin) :BÖnh u hÖ b¹ch huyÕt NH4+ :Amoni NO3- :Nitrat NO2- :Nitrit N- NH4+ :Nitơ amoni N- NO3- :Nitơ nitrat N- NO2- :Nitơ nitrit HNO2 :AxÝt nit¬ O2 :Oxy S¾t nitronsyl :Fe2(SCH3)2(NO)4 SBR (Sequencing Batch Reactor) :ThiÕt bÞ xö lý gi¸n ®o¹n SS (Suspend Solid) :Hµm l­îng r¾n huyÒn phï Viện KTNĐ & BVMT :Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường VSV :Vi sinh vật WHO ( World Health Organization) :Tæ chøc søc khoÎ thÕ giíi  tæng quan tµi liÖu tæng quan vÒ « nhiÔm nguån n­íc chøa nit¬ T×nh h×nh « nhiÔm nguån n­íc chøa nit¬ : N­íc sinh ho¹t : Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên quyết định 1329 của Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng amoni : 1.5mg/l. Trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao từ 20¸30 lần. Theo số liệu điều tra mới đây của Bộ Xây dựng cho thấy: nước dùng để ăn uống ở các làng quê, thị xã, thành phố lấy từ nước giếng khoan đều bị nhiễm nitơ liên kết: amoni, nitrat và nitrit. Bộ Xây dựng đã phân loại từng địa bàn, tiến hành điều tra lấy mẫu nước sinh hoạt tại một làng, xã, nông thôn, đồng bằng, thị xã và thành phố có mật độ dân cư cao và phát hiện thấy mẫu nước sinh hoạt tại tất cả các thôn đều bị nhiễm nặng amoni từ 15¸30mg/l quá cao so với tiêu chuẩn cho phép.[12] N­íc mÆt : Số liệu về chất lượng nước mặt ở Việt Nam còn rất ít. Tuy các kết quả thực nghiệm còn chưa được thực hiện nhiều nhưng cũng cho thấy mức độ ô nhiễm ở hạ lưu một số con sông chính ngày càng tăng. Chất lượng nước ở thượng lưu một số con sông chính còn rất tốt, trong khi các vùng hạ lưu đã có dấu hiệu bị ô nhiễm do ảnh hưởng của các vùng đô thị, và các cơ sở công nghiệp. Mạng quan trắc môi trường quốc gia tiến hành quan trắc ở 4 con sông chảy qua các đô thị chính ở Việt Nam là sông Hồng (Hà Nội), sông Cầu (Hải Phòng), sông Hương (Huế) và sông Sài Gòn (Thành phố Hồ Chí Minh) và có một số con sông khác cũng được quan trắc (Bảng sau). Vùng Sông Vượt tiêu chuẩn loại A ĐBSH Sông Hồng - Lào Cai – Hà Nội 1.5÷2/NH4+ Sông Hồng đoạn từ Sông Hồng đến Việt Trì 3.8/BOD5, 2/ NH4+ Sông Cầu 2/NH4+ Sông Thương 2.7/BOD5 Bắc Trung Bộ Sông Hiếu 2÷3/BOD5,1.5÷1.8/NH4+ Sông Hương 2.5/BOD5 Duyên Hải và Nam Trung Bộ Sông Hàn 1÷2/BOD5, 1.4÷2.6/ NH4+ ĐBSCL Sông Sài Gòn 2÷4/BOD5 Sông Thị Vải 10÷15/BOD5 Các số liệu khảo sát do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường cũng cho thấy, hàm lượng của các chất gây ô nhiễm trong các sông của Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Hải Dương, Bắc Giang, Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam và Đồng Nai cao hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều. Các xu thế cho thấy, giá trị đo được ở 2 thông số ô nhiễm cơ bản là : amoni và nhu cầu oxy sinh hóa dao động khá nhiều và vượt mức tiêu chuẩn loại A một vài lần (hình sau). Tình trạng ô nhiễm càng trở nên trầm trọng hơn vào mùa khô khi mà các dòng chảy sông ngòi hạ thấp. N­íc ngÇm : ë vïng ®ång b»ng B¾c Bé, theo kÕt qu¶ kh¶o s¸t cña c¸c c¬ së nghiªn cøu thuéc Trung t©m khoa häc tù nhiªn vµ c«ng nghÖ quèc gia vµ Tr­êng ®¹i häc Má-§Þa chÊt th× phÇn lín n­íc ngÇm gåm c¸c tØnh: Hµ T©y, Hµ Nam, Nam §Þnh, Ninh B×nh, Hµ Néi, H¶i D­¬ng, H­ng Yªn, Th¸i B×nh ®Òu bÞ nhiÔm bÈn bëi amoni rÊt nÆng. [12], [14] Một nghiên cứu thực hiện ở Hà Nội đã cảnh báo về tình hình ô nhiễm amoni trong nước dưới đất ở phía Nam Hà Nội. Nồng độ amoni trong nước đã qua xử lý của 3 nhà máy nước cao hơn tiêu chuẩn cho phép 2¸8 lần. Tất cả các mẫu nước lấy từ tầng nước trên đều có hàm lượng amoni cao hơn tiêu chuẩn nhiều lần. Các nhà khoa học ước tính là với mức khai thác 700.000 m3/ngày như hiện nay thì sẽ dẫn đến nguy cơ hạ thấp mực nước ngầm xuống 114 m và hiện tượng ô nhiễm nguồn nước dưới đất sẽ phổ biến ở Hà Nội. Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xã Yên Sở trong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng amoni là 37.2 mg/l hiện nay đã tăng lên 45.2 mg/l, phường Bách Khoa mức nhiễm từ 9.4 mg/l, nay tăng lên 14.7 mg/l, phường Tương Mai là 13.5 mg/l. Người dân tại khu vực này cũng thừa nhận nguồn nước lấy từ các giếng khoan rất đục, vàng. Ông Trần Văn Dũng, xã Yên Sở, huyện Thanh Trì nói: "Chúng tôi chỉ biết dùng bể cát lọc để lấy nước ăn, song vẫn không khử hết mùi tanh và lờ lợ". Có nơi chưa từng bị nhiễm amoni song nay cũng đã vượt tiêu chuẩn cho phép như Long Biên, phường Trung Hòa, xã Tây Mỗ, xã Trung Văn, Đông Ngạc...Hiện giờ các nguồn nước nhiễm bẩn đã lan rộng trên toàn thành phố. X¸c suÊt c¸c nguån n­íc ngÇm nhiÔm amoni cã nång ®é cao h¬n tiªu chuÈn n­íc sinh ho¹t (3 mg/l) kho¶ng 70¸80%. Trong nhiÒu nguån n­íc ngÇm cßn chøa kh¸ nhiÒu hîp chÊt h÷u c¬, ®é oxy ho¸ cã nguån ®¹t tíi 30¸40 mgO2/l. Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất từ 45¸60 m) là nguồn cung cấp cho các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn. Hiện các nhà máy nước Hạ Đình, Tương Mai, Pháp Vân, Linh Đàm đã bị nhiễm amoni và có hàm lượng sắt cao 1.2¸19.5 mg/l. Nước từ các nhà máy đang đứng trước nguy cơ nhiễm bẩn bởi vẫn chưa có hạng mục xử lý amoni. Duy nhất, nhà máy nước Nam Dư đang xây dựng hệ thống này với chi phí khoảng 40 tỷ đồng. Nh­ vËy cã thÓ nãi r»ng, kh¶ n¨ng nhiÔm bÈn bëi amoni vµ hîp chÊt h÷u c¬ trong n­íc ngÇm ë ®ång b»ng B¾c Bé ®· ®Õn møc b¸o ®éng vµ kh¶ n¨ng t¸c ®éng amoni lªn c¬ thÓ con ng­êi lµ ch¾c ch¾n. [13] N­íc th¶i : Ở khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam theo Viện KTND & BVMT, mỗi ngày các khu công nghiệp và các khu chế xuất thải ra trên 137.000 m3 nước thải có chứa gần 93 tấn chất thải ra các hệ thống sông Đồng Nai, Thị Vải và Sài Gòn. Trong khi đó thì chỉ có 2 trong số 12 KCN và KCX của thành phố Hồ Chí Minh, 3 trong số 17 KCN và KCX của Đồng Nai, 2 trong số 13 khu của Bình Dương và không có khu nào của Bà Rịa Vũng Tàu có hệ thống xử lý nước thải. Theo các chuyên gia về môi trường ở khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam, cần phải đầu tư khoảng 5.7 nghìn tỷ đồng (380 triệu đô la Mỹ) đến năm 2003 và 13 nghìn tỷ đồng (687 triệu đô la Mỹ) đến năm 2010. c¸c nguån g©y « nhiÔm nit¬ trong n­íc : Sự ô nhiễm nitrat cũng xuất hiện trong các cơ cấu địa lý liên quan đến lượng nitơ từ các nguồn khí thải như xe hơi, các khí thải công nghiệp và các đặc tính tưới tiêu cho đất. Các khu vực mà đất được tưới tiêu tốt và nguồn nitơ đầu vào cao thì nồng độ nitrat có trong nguồn cung cấp nước là cao nhất. Ví dụ : một vài khu vực rộng lớn của các bang được mệnh danh là vành đai ngũ cốc của Midwestern ở Mỹ có nồng độ nitrat cao hơn nồng độ tự nhiên. Mức độ ô nhiễm tăng lên trong khi các tác nhân nhiễm bẩn chưa được ngăn chặn. Nhiều hộ dân khoan giếng bằng những thiết bị không đúng tiêu chuẩn, nước bẩn trên bề mặt thấm theo đường khoan đi vào lòng đất, tình trạng này cũng phổ biến trên những ruộng rau ngoại thành như Đông Anh, Gia Lâm, Thanh Trì. Cùng với đó là rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom và xử lý đã tác động xấu tới nguồn nước. Các yếu tố tự nhiên như phân hủy chất hữu cơ trong than bùn cũng là nguồn gốc gây ô nhiễm amoni. thùc tr¹ng xö lý : §Ó xö lý hoÆc lo¹i bá amoni trong n­íc sinh ho¹t ng­êi ta cã thÓ sö dông mét sè gi¶i ph¸p kü thuËt nh­ trao ®æi ion, clo ho¸, sôc khÝ, ph­¬ng ph¸p vi sinh...Trong tÊt c¶ c¸c ph­¬ng ph¸p xö lý amoni, ph­¬ng ph¸p vi sinh ®­îc sö dông cã hiÖu qu¶ trong thêi gian gÇn ®©y, ph­¬ng ph¸p nµy cã thÓ biÕn ®æi amoni thµnh nit¬ d¹ng khÝ hoÆc chuyÓn ho¸ tíi d¹ng nitrat ®ì ®éc h¹i h¬n, ë ViÖt Nam ®· cã mét sè kÕt qu¶ kh¶ quan vÒ ph­¬ng ph¸p nµy ë quy m« nhá (xö lý 20¸30 l/ngµy). VÊn ®Ò nhiÔm bÈn n­íc chøa amoni vµ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ vÉn ®ang ®­îc c¸c nhµ khoa häc nghiªn cøu. Tuy nhiªn nhu cÇu vÒ c«ng nghÖ xö lý n­íc nhiÔm amoni vµ c¸c hîp chÊt nit¬ trong n­íc lµ rÊt cÊp b¸ch vµ kh«ng thÓ tr× ho·n. ¶nh h­ëng cña nguån n­íc chøa nit¬ ®Õn m«i tr­êng: N­íc th¶i giµu nit¬ nÕu kh«ng ®­îc xö lý tr­íc khi th¶i vµo m«i tr­êng sÏ g©y ra nh÷ng ¶nh h­ëng sau: G©y hiÖn t­îng ph× d­ìng trong hÖ sinh th¸i n­íc. Lµm c¹n kiÖt oxy trong n­íc. G©y ®éc víi hÖ sinh vËt n­íc. Lµm n­íc ngÇm « nhiÔm nitrat, ¶nh h­ëng tíi søc kháe céng ®ång. HiÖn t­îng ph× d­ìng trong n­íc lµ do d­ thõa chÊt dinh d­ìng dÉn tíi sù ph¸t triÓn bïng næ cña c¸c loµi t¶o vµ vi sinh vËt, cßn gäi lµ hiÖn t­îng t¶o në hoa. Khi ®ã mËt ®é thuû sinh vËt trong hå rÊt dµy ®Æc lµm cho n­íc cã ®é mµu vµ ®é ®ôc cao. Ngoµi ra khi mét sè lín t¶o chÕt ®i sÏ cÇn l­îng «xy lín t­¬ng øng ®Ó ph©n huû dÉn ®Õn hµm l­îng «xy hßa tan trong n­íc bÞ c¹n kiÖt, lµm chÕt c¸c sinh vËt sèng trong n­íc. Tài liệu “Hướng dẫn về chất lượng nước uống” của Tổ chức Y tế thế giới cũng như Tiêu chuẩn 1329/2002 (Bộ Y tế) không coi amôni là chất gây nguy hại cho sức khoẻ con người mà xếp vào nhóm các chất có thể làm người dùng nước than phiền vì lý do cảm quan (mùi, vị). Tuy nhiên, amôni lại là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp thể hiện ở hai mặt: Thứ nhất : nó làm giảm tác dụng của clo là tác nhân sát trùng chủ yếu áp dụng ở các nhà máy nước Việt Nam, do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần. Thứ hai : amôni cùng với một số 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. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước. Nước bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan. Một hiện tượng nữa cần được quan tâm là khi nồng độ amôni trong nước cao, rất dễ sinh nitrit. Ủy ban châu Âu quy định mức tối đa của nitrat trong nước uống là 50 mg/l, Mỹ là 45 mg/l, Tổ chức sức khoẻ thế giới: 100 mg/l, tiêu chuẩn 1329/2002 (Bộ Y tế) đã đề ra mức giới hạn 3 và 50mg/l đối với nitrit và nitrat. Trong cơ thể động vật, nitrit và nitrat có thể ảnh hưởng đến sức khoẻ với 2 khả năng sau: chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng. Chứng máu Methaemo- globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em) Trªn t¹p chÝ Y häc M«i tr­êng cña Mü (EHP) sè ra th¸ng 7 võa qua cã ®¨ng t¶i mét bµi viÕt nãi vÒ t×nh tr¹ng m¾c bÖnh xanh da ë trÎ em khi sö dông n­íc giÕng bÞ nhiÔm ®éc Nitrat, theo ®ã ng­êi ta ®· c¶nh b¸o t×nh tr¹ng sö dông n­íc giÕng bÞ nhiÔm ®éc Nitrat dïng cho trÎ em uèng sÏ g©y nªn bÖnh methomo-globinaemia mµ ng­êi ta quen gäi lµ héi chøng Blue Baby Syndrome, hay cßn gäi t¾t lµ BBS. Héi chøng BBS lµ mét c¨n bÖnh nguy hiÓm x¶y ra khi hemoglobin (Fe2+) kh«ng cã kh¶ n¨ng vËn chuyÓn «xi nªn lµm cho da trÎ em trë nªn xanh tÝm, g©y kÝch thÝch, h«n mª. NÕu hµm l­îng methemoglobin cao h¬n 50% vµ kh«ng ®­îc ®iÒu trÞ kÞp thêi cã kh¶ n¨ng tö vong lµ ®iÒu khã tr¸nh khái. Nh÷ng yÕu tè g©y héi chøng BBS cã thÓ nhËn biÕt dÔ dµng nh­ thiÕu hôt enzyme cè h÷u, viªm nhiÔm, ph¶n øng thuèc vµ nÕu tiÕp xóc víi ho¸ chÊt, hµm l­îng methemoglobin sÏ t¨ng nhanh chãng. Nguyªn nh©n chÝnh lµ do n­íc sinh ho¹t bÞ nhiÔm ®éc nitrat. Tuy nhiªn thøc ¨n cã hµm l­îng nitrat vµ nitrit cao còng lµ nguyªn nh©n g©y bÖnh. Nh÷ng ®øa trÎ s¬ sinh trong giai ®o¹n míi ®­îc 6 th¸ng tuæi dÔ bÞ m¾c c¨n bÖnh nµy v× hµm l­îng Enzyme methemoglobin reductase (Enzyme tÕ bµo m¸u ®á cã kh¶ n¨ng chuyÓn ho¸ methemoglobin trë l¹i thµnh hemoglobin) t­¬ng ®èi thÊp. Mèi quan hÖ gi÷a n­íc giÕng nhiÔm nitrat vµ héi chøng BBS lÇn ®Çu tiªn ®­îc Hunter Comly, b¸c sÜ ë Iowa t×m thÊy håi ®Çu thËp niªn 40 khi «ng ®iÒu trÞ cho hai ®øa trÎ m¾c chøng da xanh. C¶ 2 ®øa trÎ nµy ®Òu bÞ èm sau khi chóng dïng n­íc giÕng cã hµm l­îng Nit¬-Nitrat : 90¸150mg/l. Sau khi Comly cho c«ng bè sè liÖu nµy, ng­êi ta nhËn ®­îc nhiÒu b¸o c¸o t­¬ng tù cã liªn quan ®Õn 278 tr­êng hîp bÞ nhiÔm ®éc ë 14 bang cña n­íc Mü vµ míi ®©y Së Y tÕ vµ dÞch vô céng ®ång ë Wisconsin ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu míi vµ ph¸t hiÖn ra nhiÒu vô nhiÔm ®éc trÇm träng kh¸c. Bëi vËy, c¸c nhµ khoa häc Mü ®· khuyÕn c¸o nh©n d©n trong c¸c vïng Wisconsin kh«ng nªn dïng n­íc giÕng cho c¸c ch¸u nhá vµ mét khi ph¸t hiÖn thÊy nh÷ng sù cè bÊt th­êng ph¶i ®­a trÎ ®i kh¸m ngay. Ngoµi Mü, mét sè n­íc §«ng ¢u, møc ®é nhiÔm ®éc nguån n­íc sinh ho¹t lÊy tõ giÕng lªn còng rÊt cao. VÝ dô t¹i Transylvania ë Rumani trong thêi gian tõ 1990-1994 trung b×nh cø 100.000 trÎ em s¬ sinh th× cã tíi 24 ®Õn 363 ca nhiÔm ®éc. Ung thư tiềm tàng : Ở điều kiện pH axit của dạ dày, nitrat chuyển hóa thành axit nitrơ. Rất nhiều trong số đó được biết đến như là tác nhân gây ung thư ở súc vật. Các nghiên cứu sinh hoá ở người đã chỉ ra rằng nitrat trong nước kết hợp với các axit amin để tạo ra các hợp chất trên. Axit là một tác nhân nitro hóa mạnh, phản ứng với các thành phần thực phẩm kể cả các axit amin và hỗn hợp sắt, gây tích luỹ lớn ở cơ bắp. Nhiều thí nghiệm trên hàng loạt động vật (chuột cống, ..) đă chứng minh rằng : nuôi bằng thức ăn có chứa hàm lượng muối nitrat cao đă gây ra ung thư. Với một số người, bia là nguồn nitrat chủ yếu: 4 chai bia con có hàm lượng nitrat trung bình bằng 2 lần lượng hấp thụ từ thức ăn có chứa nitrat. Ở dạ dày người lớn nhiều axit hơn trẻ em nên việc chuyển nitrat thành nitrit bị hạn chế. Nitrat là nguồn nitrit chủ yếu trong rau và thịt ướp, còn số lượng trong nước uống không đáng kể. Thực ra nồng độ nitrit trong rau thấp (khoảng 1 ppm trong rau tươi) nhưng do số lượng ăn và nồng độ nitrat cao nên rau là nguồn nitrat quan trọng, chiếm 75 % tổng mức cung cấp. Ví dụ : rau diếp, cần tây: 100 mg/kg; đậu Hà Lan, hành, khoai tây: ~200mg/kg. Các mức nitrat thay đổi theo mùa và điều kiện trồng trọt. nitrat còn có mặt trong thịt, thường trong quá trình ướp thịt, người ta hay tẩm thịt sống với muối có chứa nitrat hoặc tẩm Kali nitrat trong một số gia vị. Giới hạn cao nhất cho phép của nitrat trong sản phẩm dăm bông và thịt xông khói là 500 ppm, trong thịt ướp nitrat giới hạn tối đa là 200 ppm. Ướp thịt bằng Natri nitrat và Kali nitrat làm cho thịt có hương vị thơm và màu đặc trưng, bảo quản cho thịt khỏi bị hỏng do sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí gây hại tiềm tàng như Clostridium botulinum, giới hạn tối đa Kali nitrat là 595 ppm. Nitrat trong nước uống chỉ là nguồn rất nhỏ gây ra nitrit, tuy nhiên nếu uống nhiều sẽ trở thành nguồn quan trọng. Người ta còn phát hiện thấy rau muối ngâm trong nước nhiều tuần và bánh ngô cũng có hàm lượng nitrat và nitrit cao. Trong rau muối phát hiện thấy chứa hỗn hợp sắt- nitronsyl, hợp chất này không gây ung thư mà chỉ gây đột biến yếu, nhưng chúng có thể làm tăng tác động ung thư của các hợp chất khác. Một số nghiên cứu cho thấy N-nitrosamines và các hydrocacbon thơm làm tăng khả năng sinh u của ở động vật. Trong bánh ngô thường bị nhiễm mốc Fusarium moniliform có thể tạo ra nitrosamines, gây dễ tiếp xúc với mầm sinh ung thư tiềm tàng. Một nghiên cứu của Viện ung thư quốc gia Mỹ gợi ý rằng sự nhiễm Nitrate vào nước uống có thể liên quan đến sự gia tăng nguy cơ bệnh u lympho non-Hodgkin (NHL) - một loại ung thư hệ bạch huyết, đặc biệt là ở các vùng nông nghiệp. Sự gia tăng tần xuất tử vong do NHL cao nhất ở các vùng này có thể được giải thích một phần là do những người nông dân ở đây có tiếp xúc với thuốc trừ sâu. Từ năm 1973, tần xuất mắc NHL ở Mĩ đã tăng lên khoảng 75%, một trong những tốc độ gia tăng nhiều nhất trong số các loại ung thư chủ yếu. Người ta dự đoán rằng vào năm 1996 sẽ có 52700 người dân Mĩ được chẩn đoán NHL và 23300 người sẽ chết vì căn bệnh này. NCI dự đoán rằng 1/52 người nam giới và 1/61 người nữ giới ở Mỹ sẽ được chẩn đoán mắc bệnh NHL trong đời và với cả hai giới thì cứ 100 người sẽ có gần một người chết vì căn bệnh này. Trong một nghiên cứu xuất bản trong số ra tháng 9 của tạp chí "Epidemiology", các nhà nghiên cứu thuộc NCI, trung tâm y tế trường đại học tổng hợp Nebraska tại Omaha, và trường đại học tổng hợp Johns Hopkins ở Baltimore đã khảo sát lượng nitrat trong nước uống ở 90 phụ nữ và 66 nam giới được chẩn đoán là NHL trong khoảng từ 1983 đến 1986 mà có dùng các nguồn nước công cộng, đồng thời so sánh với nhóm chứng gồm 276 phụ nữ và 251 nam giới ở cùng các hạt thuộc miền đông Nebraska mà cũng dùng nguồn nước công cộng. Những người mắc NHL thường gặp ở nhóm dùng lượng nitrat cao nhất (trung bình là > 6,3 mg mỗi ngày trong suốt độ tuổi trưởng thành) nhiều gấp hai lần so với những người không mắc ung thư. Những người có lượng nitrat trong nước uống cao hơn mức giới hạn qui định của EPA 10mg/lít trong một năm hoặc hơn (chiếm tới 25% tổng số người nghiên cứu) có nguy cơ mắc ung thư cao hơn 50% so với những người không tiếp xúc với nitrat ở nồng độ đó. Kết quả cho thấy càng dùng nhiều nguồn nước thì khả năng phát triển bệnh NHL càng lớn và những người bị NHL thường gặp trong nhóm người dùng lượng nước chứa nitrate cao gấp 2 lần so với những người không bị NHL. NCI cũng đang tiến hành điều tra với các cư dân ở Lowa và Minnesota là các bang làm nông nghiệp khác có các vùng với nguồn nước ngầm chứa nhiều nitrat. Tiêu thụ nitrat cũng đang được nghiên cứu như là một yếu tố nguy cơ có thể đối với ung thư dạ dày- một loại bệnh ít phổ biến hơn ở Mĩ so với ở Châu Á và một vài khu vực khác trên thế giới. Tiến sĩ Mary H. Ward, tác giả chính của nghiên cứu này phát biểu : "Ðây là một trong những nghiên cứu dịch tễ học đầu tiên gợi ra một mối liên hệ giữa nitrat trong nước uống và nguy cơ u lympho non-Hodgkin". Bà còn cho biết thêm : “Những khám phá này có giá trị cao hơn nhiều bởi vì nitrat là một chất gây ô nhiễm phổ biến có trong nước ngầm ở rất nhiều khu vực. Tuy vậy, vẫn chưa chắc chắn liệu những khám phá này có phản ánh đúng tác dụng của nitrat hay không". NCI đang triển khai một nghiên cứu bổ sung giúp xác định một cách chắc chắn hơn xem liệu mối liên quan này có thực hay không và nếu có thì nó ở mức độ nào. Một phân tích riêng biệt các trường hợp mắc NHL và nhóm chứng là những người sử dụng nước giếng cá nhân đã cho thấy không có liên hệ gì giữa tần xuất NHL và mức nitrat trong nước giếng. Tuy nhiên, không giống các nguồn nước công cộng, không có các ghi chép kéo dài nào về các nồng độ nitrat trong các giếng cá nhân cả. Nồng độ nitrat trong nước giếng chỉ được đo một lần, tại thời điểm nghiên cứu, đã gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu trong việc xác định nguy cơ gây ung thư do tiêu dùng nitrrat đối với những người sử dụng giếng nước cá nhân. Hai mươi phần trăm các giếng cá nhân có mức nitrat vượt quá mức qui định của EPA. Nhìn chung, những người dùng giếng cá nhân có vẻ như uống nước có chứa nồng độ nitrat cao hơn so với những người dùng nước công cộng bởi vì các giếng cá nhân được xây dựng đơn giản hơn và nông hơn. Trong nghiên cứu này các nhà nghiên cứu cũng ước tính lượng nitrat vào cơ thể thông qua nguồn thức ăn của từng người. Lượng nitrat trong thức ăn càng cao (hầu hết là từ rau xanh như rau dền, rau diếp, củ cải đường) thì nguy cơ mắc NHL càng thấp. Phát hiện dường như đối nghịch này có thể được lý giải là do các tác dụng chống ung thư của các thành phần trong rau xanh như vitamin C và các caroten (các hợp chất liên quan đến vitamin A). Rõ ràng có mối quan hệ phức hợp giữa tỷ lệ mắc ung thư với mức nitrat trong nước uống, mức nitrat/ nitrit trong thức ăn. Phải hết sức thận trọng và nghiêm túc xem xét đầy đủ bằng chứng về các rủi ro đối với nitrat. C¬ së qu¸ tr×nh khö Nit¬ b»ng ph­¬ng ph¸p sinh häc Trên trái đất, đa số nitơ nằm bất động trong đá và đất và do sự hoạt động của các vi sinh vật, nitơ được chuyển hoá thành các các muối hoà tan và được sinh vật sử dụng. Sự chuyển hoá của nitơ trong môi trường phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như : pH, sự phân tầng nước, nhiệt độ, độ mặn...Việc cung cấp nitơ và các chu trình vật chất trong tự nhiên phụ thuộc nhiều vào quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất chứa nitơ trong môi trường. Sự trao đổi và phân huỷ sinh khối khác nhau đáng kể giữa các nơi sống, kích cỡ và hoạt động sống của các quần xă vi sinh vật (VSV) và nấm. Trong các môi trường nóng ẩm và có đủ oxy, sự phân huỷ và giải phóng chất dinh dưỡng diễn ra nhanh chóng (ở vùng nhiệt đới, thời gian tồn tại của cacbon trong lá cây là 3 tháng); rừng ôn đới từ 4-16 năm; trong khi đó ở các hệ Bắc bán cầu có thể tới hơn 100 năm). Sự phân huỷ thường rất hạn chế bởi lượng nitơ có sẵn. Tỷ lệ trung bình của C : N trong sinh khối VSV xấp xỉ 10 : 1; Thực vật có tỷ lệ C : N là 40¸80 : 1 nghĩa là có sự thiếu hụt nitơ; Động vật duy trì tỷ lệ C : N gần bằng tỷ lệ của VSV phân huỷ, gây phân hủy nhanh. Trong đất, tỷ lệ C : N ổn định nhất là ~10. Theo Begon (1990), khi một chất có hàm lượng N 1.8% được bổ sung thì các ion NH4+ có xu hướng được giải phóng. Toàn bộ nitơ trong chu trình nitơ sinh học diễn ra chủ yếu qua hoạt động cố định đạm của các vi khuẩn sống trong cây, các tảo lục và các VK cộng sinh trong rễ của một số loài thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốt sần của rễ một số loài họ đậu). Những sinh vật này có khả năng chuyển hóa N2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở cạn và ở nước. NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích lũy dưới dạng NO3-. Việc chuyển hóa nitơ hữu cơ gồm 4 giai đoạn: Amon hóa: thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+. Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ vi khuẩn sống trong cây dưới đất (Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N3- thành N3+, cho NO2-. Nitrat hóa: NO2- được oxy hóa tiếp do vi khuẩn Nitrobacter trong đất và nước biển cho NO3- (thể N5-). Dưới dạng này nitơ được các thực vật sống trên cạn và dưới nước sử dụng. Khử nitrat : trong điều kiện không có oxy (ngập úng, cặn lắng...) sẽ diễn ra quá trình khử nitrat. Trong đó NO2- và NO3- được các vi khuẩn sử dụng làm chất nhận electron (chất gây oxy hoá) và chuyển thành N2, trả lại nitơ cho khí quyển. Nitơ được cố định gần bề mặt đất có thể bị mất do khử nitrat hóa. Quá trình này xảy ra do các vi khuẩn như Pseudomonas denitrificans. Tuy nhiên gần đây có rất nhiều bài báo nghiên cứu nói rằng quá trình khử nitrat có thể xảy ra trong đièu kiện thiếu khí. Theo Hardy và Havelka (1975), quá trình cố định nitơ và khử nitrat cân bằng trên quy mô toàn cầu và chiếm khoảng 2% tổng nitơ tuần hoàn. Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ : T¸c nh©n sinh häc : Hai nhãm vi khuÈn quan träng trong qu¸ tr×nh nitrat ho¸ lµ Nitrosomonas vµ Nitrobacter. Ngoµi ra cßn cã : Nitrosospira, Nitrosolobus vµ Nitrosovibrio còng lµ vi khuÈn nitrat ho¸. C¸c nhãm vi khuÈn nµy lµ nh÷ng sinh vËt tù d­ìng hiÕu khÝ, chóng lÊy n¨ng l­îng tõ sù «xy ho¸ hîp chÊt nit¬ v« c¬ vµ sö dông CO2 ®Ó tæng hîp sinh khèi. Mçi loµi cã kh¶ n¨ng «xy ho¸ nit¬ tíi møc ®é nhÊt ®Þnh. Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus vµ Nitrosovibrio cã thÓ «xy ho¸ NH3 thµnh NO2- nh­ng kh«ng thÓ «xy ho¸ hoµn toµn thµnh NO3-. Trong khi ®ã, Nitrobacter l¹i chØ «xy ho¸ NO2- thµnh NO3-. Tr¸i víi nh÷ng vi sinh vËt dÞ d­ìng, vi khuÈn nitrat ho¸ tù d­ìng ph¸t triÓn rÊt chËm, tèc ®é t¨ng tr­ëng trªn mét ®¬n vÞ NH4+ hoÆc NO2- bÞ «xy ho¸ thÊp. Thêi gian mét thÕ hÖ lµ 0.4¸2.5 ngµy ®èi víi Nitrosomonas vµ 0.3¸1.5 ngµy ®èi víi Nitrobacter. S¶n l­îng tÕ bµo lµ 0,29gtÕ bµo kh«/gN «xy hãa víi Nitrosomonas vµ 0.08gtÕ bµo kh«/gN «xy hãa víi Nitrobacter. Nh­ng còng gièng nh­ c¸c vi sinh vËt kh¸c, vi khuÈn nitrat ho¸ cã thÓ sinh tr­ëng ë tèc ®é cùc ®¹i khi ®iÒu kiÖn m«i tr­êng lµ tèi ­u vµ kh«ng cã c¸c chÊt ®éc. GÇn ®©y hµng lo¹t c¸c lo¹i vi khuÈn dÞ d­ìng cã kh¶ n¨ng «xy hãa NH4+ vµ c¸c hîp chÊt nit¬ h÷u c¬ thµnh NO2-, NO3- ®· ®­îc c«ng bè. VÝ dô: Methylococcus capsulata, Methylomonas methanica, Methylosinus trichosporium, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera pantotropha, Thiobacilus novellus ... §¹i diÖn ®Æc tr­ng cho nhãm vi khuÈn dÞ d­ìng ®­îc nghiªn cøu kÜ nhÊt lµ T.pantotropha do Gupta ph©n lËp. T.pantotropha kh«ng nh÷ng cã kh¶ n¨ng «xy hãa m¹nh NH4+ vµ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ chøa nit¬ thµnh NO2- vµ NO3- mµ nã cßn cã kh¶ n¨ng khö NO2- vµ NO3- thµnh N2. [7, 13] C¸c sè liÖu thu ®­îc gÇn ®©y cho thÊy qu¸ tr×nh nitrat hãa nhê c¸c vi khuÈn dÞ d­ìng cã tÇm quan träng ®Æc biÖt bëi nã dÔ sinh tr­ëng vµ ph¸t triÓn ë mäi lo¹i m«i tr­êng, kÓ c¶ n¬i giµu hay nghÌo chÊt h÷u c¬. MÆc dï kh¶ n¨ng «xy hãa NH4+ cña c¸c vi khuÈn dÞ d­ìng nhá h¬n tõ 103- 104 kh¶ n¨ng «xy hãa NH4+ cña c¸c vi khuÈn tù d­ìng, song bï l¹i chóng l¹i cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn nhanh h¬n rÊt nhiÒu lÇn. H¬n n÷a ngoµi kh¶ n¨ng «xy hãa NH4+, c¸c vi khuÈn dÞ d­ìng cßn cã c¶ enzim khö nitrat (nitrat reductaza) thµnh N2 ngay c¶ trong ®iÒu kiÖn cã O2 bëi vËy chóng còng lµ c¸c vi khuÈn lý t­ëng trong xö lý « nhiÔm m«i tr­êng do NH4+, NO2-, NO3-. Cã 2 ®iÒu kiÖn cÇn ph¶i ®­îc ®¸p øng ®Ó qu¸ tr×nh nitrat ho¸ cã thÓ x¶y ra. Thø nhÊt, tuæi bïn ph¶i ®ñ cao ®Ó ng¨n sù röa tr«i cña bïn theo n­íc trong hÖ thèng bïn ho¹t tÝnh. Thø hai, thêi gian tiÕp xóc gi÷a vi khuÈn vµ amon ph¶i ®ñ dµi. Ngoµi ra c¸c yÕu tè nh­ DO, pH, nhiÖt ®é... còng ¶nh h­ëng tíi qu¸ tr×nh. V× vËy, ®Ó qu¸ tr×nh nitrat ho¸ ®¹t hiÖu qu¶ cao, cÇn t¹o ®­îc m«i tr­êng thÝch hîp cho sù ph¸t triÓn cña c¶ hai nhãm vi khuÈn nitrat ho¸. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh : Trong qu¸ tr×nh nitrat ho¸, NH4+ bÞ «xy ho¸ theo 2 b­íc: NH4+ + 1,5 O2 2H+ + HO + NO2- (1) NO2- + 0,5 O2 NO3 (2) N¨ng l­îng sinh ra tõ ph¶n øng (1) vµ (2) t­¬ng øng ®­îc cung cÊp cho Nitrosomonas vµ Nitrobacter ®Ó tæng hîp sinh khèi. Trong ®ã, ph¶n øng (1) sinh ra kho¶ng 58¸84 kcal/mol NH3, ph¶n øng (2) sinh ra 15.4¸20.9 kcal/mol. Do ®ã, Nitrosomonas nhËn ®­îc nhiÒu n¨ng l­îng h¬n Nitrobacter. Tæng hîp qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ NH4+ thµnh NO3-: NH4+ + 2 O2 = NO3 + 2 H + H2O (3) Sö dông c«ng thøc kinh nghiÖm C5H7NO2 biÓu diÔn tÕ bµo vi khuÈn ®­îc tæng hîp, cã thÓ kÕt hîp ph­¬ng tr×nh «xy hãa NH4+ , NO2- víi sù t¹o thµnh Nitrosomonas vµ Nitrobacter t­¬ng øng nh­ sau: 15 CO2 + 13 NH4+ 10 NO2- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ + 4 H2O 5 CO2 + NH4+ + 10 NO2- + 2 H2O 10 NO3- + C5H7NO2 + H+ ¶nh h­ëng cña c¸c yÕu tè m«i tr­êng tíi qu¸ tr×nh nitrat hãa : ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é : NhiÖt ®é tèi ­u cho qu¸ tr×nh sinh tr­ëng cña vi khuÈn nitrat ho¸ lµ 28¸360C trong ®ã kho¶ng nhiÖt ®é chÊp nhËn ®­îc lµ tõ 5¸500C. Tuy nhiªn, khi nhiÖt ®é nhá h¬n 150C tèc ®é nitrat ho¸ diÔn ra chËm vµ hÇu nh­ vi khuÈn nitrat ho¸ kh«ng cßn sinh tr­ëng ë nhiÖt ®é nhá h¬n 40C. NhiÖt dé qu¸ cao lµm biÕn tÝnh protein, g©y chÕt vi sinh vËt. Kho¶ng nhiÖt ®é g©y chÕt vi khuÈn Nitrosomonas ~55 ¸580 C . Tèc ®é t¨ng tr­ëng cùc ®¹i cña vi sinh vËt vµ h»ng sè b¸n tèc ®é chÞu ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é. Sù phô thuéc cña tèc ®é t¨ng tr­ëng riªng cùc ®¹i vµ h»ng sè b¸n tèc ®é ks cña Nitrosomonas vµo nhiÖt ®é ®­îc cho bëi b¶ng sau : [10] NhiÖt ®é , ngµy -1 ks (gN/m3) 5 0,18 0,13 10 0,29 0,23 15 0,47 0,40 20 0,77 0,73 25 1,25 1,30 Mèi liªn hÖ gi÷a h»ng sè b¸n tèc ®é vµ nhiÖt ®é tu©n theo ®Þnh luËt Arrhenius nh­ sau : K s , Nitrosomonas = 0,405 *e0,118(T-15) Ks , nitrobacter = 0,405 * e0,146(T-15) ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é tíi tèc ®é t¨ng tr­ëng riªng cùc ®¹i cña vi sinh vËt theo nh÷ng nghiªn cøu kh¸c nhau ®­îc m« t¶ theo c¸c quan hÖ kh¸c nhau: Nitrosomonas trong n­íc s«ng vµ canh tr­êng thuÇn khiÕt : =0,47 * e 0,098*(T-15) Nitrosomonas trong bïn ho¹t tÝnh : =0,18 * e0,116(T-15) Nitrobacter trong n­íc s«ng : = 0,79 * e 0,69(T-15) ¶nh h­ëng cña DO : V× qu¸ tr×nh nitrat ho¸ lµ qu¸ tr×nh hiÕu khÝ nªn ®ßi hái sù cã mÆt cña «xy. Theo tÝnh to¸n ë phÇn trªn, DO = 4,6 mg/mg N-NH4+ chØ lµ võa ®ñ ®Ó sö dông cho qu¸ tr×nh nitrat ho¸. Trong hÇu hÕt c¸c hÖ thèng xö lý, «xy cßn ®­._.