Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nito và sự ô nhiễm amoni Sự sống mà nền tảng là các hợp chất protein bao gồm 6 nguyên tố chủ yếu: Cacbon, hydro, oxy, nito, phot pho và lưu huỳnh, trong đó hàm lượng nito chiếm tới 16%. Nito có ở dạng đơn chất và trong vô vàn dạng hợp chất. Chúng phân bố khắp mọi nơi trong không khí, trong đất và trong nước.
Khối lượng các hợp chất hữu cơ chứa nito trong tự nhiên rất cao[6]. Trong quá trình vận động chuyển hóa của sự sống, nguyên tố nito đã tạo thành một chu trình các chất rất phức tạp. Khí quyển N2, một ít N2O Vết của NO, NO 2, HNO 3, NH4NO 3 NH4+ NO3-, hòa tan Trí quyển Sinh quyển NH3, HNO 3, NO, NO2 từ kết tủa Các hợp chất Nitơ xuất hiện Hợp chất Nitrat vô cơ trong quá trình trao đổi chất Các sản phẩm Nitơ hữu cơ của sự sông Thủy quyển v à địa quyển NO 3, -, NH4+ Hợp chất N hữu cơ có trong sinh khối chết và nhiên liệu hóa thạch Hình 1.1: Chu trình của nito trong tự nhiên Nito từ không khí đã đi vào cơ thể sống theo 2 hướng: một là được vi sinh vật cố định nito chuyển hóa thành hợp chất cho cây hấp thụ được, hai là các hiện tượng sấm, sét của tự nhiên đã chuyển hóa nito thành các chất nitrat giúp cho cây có thể hấp thụ được. Thực vật phát triển đã cung cấp thức ăn cho động vật.
Thực vật và động vật chết đi được vi sinh vật phân hủy. Nhờ sự hoạt động của vi sinh vật yếm khí các hợp chất có nitơ (protein) bị phân giải chuyển thành amoni (NH3 hoặc NH4+). Các vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa n 5 tiếp các chất này thành NO2- và NO3-. Sau đó các vi sinh vật yếm khí lại chuyển hóa tiếp các chất này thành nito hoàn trả lại khí quyển.
Bản thân khí nito không độc nhưng trong quá trình vận động của thiên nhiên và sự sống, nguyên tố nito đã chuyển hóa và tạo ra rất nhiều chất có lợi và có hại, trong đó đặc biệt phải kể đến khí amoniac (NH3) ion amoni (NH4+) gọi chung là amoni , tuy có lợi chủ yếu cho thực vật và vi sinh vật nhưng lại đặc biệt có hại cho động vật và con người. Biết khai thác những chất có lợi và hạn chế những chất có hại chính là tìm ra những phương pháp xử lý thích hợp. Thực vật và vi sinh vật cũng không thể chịu đựng được nồng độ quá cao của amoni trong nước do hiện tượng thẩm thấu tác động lên rễ cây hoặc màng tế bào vi sinh vật. Trên thực tế, kết quả phân tích nhiều mẫu nước đã hoặc chưa xử lý đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, có nơi còn cao hơn từ 20 đến 30 lần.
Theo tiêu chuẩn xả thải hiện nay của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì nước thải sau xử lý phải đạt quy chuẩn QCVN 14 : 2008/BTNMT là 5 mg/l. Hầu như các nguồn nước thải sinh hoạt và sản xuất đều có hàm lượng amoni nhất định, tuy nhiên ở mức độ khác nhau. Có thể từ 30- 50 mg/l đến 800-1000 mg/l và có thể còn cao hơn nữa. Các cơ sở xử lý nước thải cũng rất khó đạt được các tiêu chuẩn quy định về xả thải vì nhiều lý do khác nhau.
Nước rác từ bãi chôn lấp rác sinh hoạt có hàm lượng amoni cao hơn cả, tùy thuộc vào mức độ thu gom và lưu giữ. Các bãi chôn lấp rác sinh hoạt phần lớn là các chất hữu cơ, trong đó đặc biệt phải kể đến các hợp chất protein khi phân giải yếm khí đã giải phóng rất nhiều amoni, vì vậy nước rác luôn có pH>8 - 9. Khi được lưu giữ trong hồ do hoạt động của vi khuẩn hiếu khí chúng được chuyển thành NO2- và NO3- , nên hàm lượng amoni có phần giảm đi. Cùng dựa trên nguyên lý phân giải yếm khí của protein, các nhà máy sản xuất thực phẩm (chế biến thịt, cá), các nhà máy thuộc da đều có nước thải với hàm lượng amoni rất cao.
Tương tự, nước thải các bể biogas, các cơ sở chăn nuôi, nước thải sinh hoạt qua các cống ngầm cũng tương tự, đều có hàm lượng amoni cao. Nước thải công nghiệp của các nhà máy sản xuất phân đạm, n 6 nếu không có hệ thống thu gom tốt thì lượng amoni trong nước thải cũng rất cao. Nước thải của một số nhà máy sử dụng các hợp chất có amoni trong thành phần (ví dụ: muối kép có chứa amoni) cũng để lại hàm lượng cao của amoni (khi amoni đã không được sử dụng hoặc sử dụng ít trong quá trình công nghệ). Nước ngầm của một số vùng nhất định cũng có hàm lượng amoni cao, nguyên nhân là do sự phát tán của amoni trong điều kiện yếm khí trong lòng đất đối với các mạch nước ngầm gần các vùng có sự phân hủy protein (ví dụ gần bãi rác, gần nghĩa trang,.
Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên Nito từ đất, nước, không khí vào các cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh học, hoá học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình nito. Trong đất, nito chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất nito hữu cơ. Lượng này càng được tăng lên do sự phân huỷ xác động thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực vật không thể trực tiếp sử dụng những dạng nito hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hoá chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụ được.
Khi được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein, clorophin…nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nito cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần như: cây họ đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng…có thể chuyển hoá nito trong khí quyển thành dạng nito sử dụng được cho cây. Nito đã tạo được một chu trình kín trong tự nhiên.
Nguồn ô nhiễm nito trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau do con người tạo ra như: sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải thủy,… - Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, các cơ sở hoạt động thương mại xã hội như công sở, trường học. [3]Trong nước thải sinh n 7 hoạt thường chứa nhiều tạp chất dưới dạng protein, cacbon hidrat, lipid, các chất bẩn từ người, động vật, thực vật, các loại rác, giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt,.Ngoài ra còn có các loại vi khuẩn như: trứng giun, virut, vi trùng, siêu vi trùng. Trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lượng nitơ nhất định. Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con sông trong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước.
Hợp chất nito trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit, axit amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Các hợp chất chứa nito, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoniac/amoni. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân hủy yếm khí các chất thải, quá trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng giảm hợp chất nito thì không đáng kể, trừ một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng nito trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật tự dưỡng thấp. Thành phần amoni chiếm 60-80% hàm lượng nito tổng trong nước thải.1: Các chỉ tiêu chính của nito trong nước thải sinh hoạt Thứ tự Chỉ tiêu(đơn vị: mg/l) Trung bình 1 Tổng nito 40 2 Nito hữu cơ 15 3 Nito amoni 25 4 Nito nitrit 0,05 5 Nito nitrat 0,2 Nguồn:” Kỹ thuật xử lý nước thải”, Trịnh Lê Hùng (2006) NXB Giáo Dục, Hà Nội [6] n 8 - Nước thải đô thị: là nước thải trong hệ thống thoát nước của một thành phố, một khu đô thị. Trong nước thải đô thị, ngoài nước thải sinh hoạt còn có thể có nước thải của một số cơ sở sản xuất công nghiệp, nước thải của các bệnh viện, trạm y tế. - Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy, xí nghiêp sản xuất hoặc từ các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp đang hoạt động.
Các tạp chất trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, phức tạp tùy thuộc vào đặc thù của sản xuất như nguyên liệu sử dụng, các qui trình sản xuất, các biện pháp kỹ thuật được áp dụng.Thường các tạp chất chính là từ các nguyên liệu được sản xuất và từ các chất được hình thành trong các công đoạn sản xuất khi thực hiện các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat được thải qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói của các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số quá trình biến đổi hoá học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2.
Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên.2: Mức độ ô nhiễm hợp chất nito trong một số nguồn nước thải công nghiệp Nguồn thải nito Nồng độ nito tổng(mg/l) Giết mổ 115 Chế biến thịt 76 Chế biến thủy sản: + Cá da trơn 33 + Cua 94 + Tôm 215 + Cá 30 Chế biến rau quả, đồ hộp 4 Bột, sản phẩm khoai tây 21 Rượu vang 40 Hóa chất, phân bón 1820 Nguồn: “Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp”, Trần Hiếu Nhuệ (1999), NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [12] n 9 - Nước thải nông nghiệp: là loại nước thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp. Tạp chất chủ yếu có trong nước thải nông nghiệp là các loại phân bón vô cơ, hữu cơ, các hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, các chất kích thích sinh trưởng dư thừa hoặc bị rửa trôi. Hàm lượng các tạp chất phụ thuộc vào chế độ canh tác, mùa vụ sản xuất. Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm lớn cho nước.
Việc sử dụng phân bón hoá học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ,…thông qua quá trình rửa trôi, thấm, lọc, lượng nitrat hoá, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng lớn.