ĐẶT VẤN ĐỀ NH3 được thải ra rất nhiều từ các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, chăn nuôi gia súc, ủ phân compost, xử lý bùn thải hay từ bãi rác và trạm trung chuyển rác. Trong chăn nuôi nông nghiệp, lượng phát thải khí ammonia khoảng từ 10 – 60 ppmv [16]. Trong công nghiệp, ammonia được phát thải từ các nhà máy xử lý nước thải, nhà máy sản xuất phân bón, các ngành công nghiệp sản xuất hóa chất. Trong nhà máy sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn, nồng độ NH3 lên đến 394 ppmv (ở 30OC) [56], trong khi nhà máy sản xuất phân hữu cơ từ bùn nồng độ lên đến 1023 ppmv (ở 30OC) [30][23].
Hà Lan là một trong những đất nước chịu ảnh hưởng lớn nhất của quá trình acid hóa đất nông nghiệp từ ô nhiễm NH3. Hơn một nửa đất rừng bị ảnh hưởng, hầu hết đầm lầy bị acid hóa, nồng độ nitrate trong đất vượt mức cho phép và còn tiếp tục tăng cao. Gần đây, người ta cũng nhận thấy vùng đông bắc Carolina đang phải gánh chịu những tác động tiêu cực từ ô nhiễm NH3 trong đất. Do đó, NH3 cần phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường [61].
Từ lâu, nitrogen oxide (NOx) và sulfur oxide (SOx) được xem là các tác nhân chính acid hóa môi trường do chúng dễ dàng chuyển hóa thành acid nitric và acid sulfuric. Trong khi đó, NH3 đóng vai trò kiềm hóa, giúp cân bằng pH tự nhiên trong không khí. Tuy nhiên, khi nồng độ NH3 trong không khí tăng lên quá cao có thể gây acid hóa môi trường theo một cách gián tiếp và góp phần hình thành khói mù quang hóa trong đô thị. Phản ứng giữa NH3 và các acid trong không khí như H2SO4 và HNO3 hình thành các lớp khí chứa ammonium sulfate ((NH4)2SO4) và ammonium nitrate (NH4NO3).
Sau đó, các muối này sẽ theo quá trình lắng đọng ướt hoặc khô xuống đất, bị oxy hóa bởi các vi khuẩn trong đất, tạo trở lại HNO3[7]. Bên cạnh đó, ammonia còn là một chất độc đối với sức khỏe con người. Ở hàm lượng thấp, NH3 tạo cảm giác cay buốt, còn ở hàm lượng cao thậm chí có thể gây mù mắt, mùi của nó có thể gây dị ứng nghiêm trọng đối với người tiếp xúc. Vì vậy, ammonia được xem là nguyên nhân 2 lâu dài gây ra bệnh viêm cuống phổi.
Ngoài ra, trong công nghiệp, rò rỉ khí NH3 sẽ gây ăn mòn các thiết bị, từ đó làm tắc nghẽn các quá trình sản xuất. Khí thải có chứa NH3 chủ yếu được xử lý bằng các phương pháp như: hấp thụ, oxy hóa, ngưng tụ… Các phương pháp này có nhược điểm là khó thiết kế, vận hành; chi phí đầu tư, vận hành tương đối cao cũng như tạo sản phẩm phụ cần xử lý. Theo xu hướng hiện nay, các quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng do phương pháp sinh học có khả năng chuyển hóa hoàn toàn chất ô nhiễm, hiệu suất cao, ít sản sinh chất thải độc hại, dễ thiết kế, vận hành và chi phí thấp. Theo Estella Pagans (2005), phương pháp lọc sinh học (biofilter) với vật liệu đệm là compost có khả năng xử lý 2000 mgNH3/m3.
Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện chủ yếu với vật liệu đệm tự nhiên: compost phối trộn với bùn thải [69], compost phối trộn với than hoạt tính [69] [70]… Tuy nhiên, vật liệu đệm tự nhiên có nhược điểm là độ bền thấp, khả năng chịu nén thấp nên trở lực thiết bị khá cao. Do đó, đề tài Nghiên cứu xử lý khí thải chứa NH3 bằng phương pháp lọc sinh học (biotrickling filter) được đưa ra nhằm nghiên cứu khả năng xử lý NH3 trong dòng khí bằng phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm nhân tạo (biotrickling filter) nhằm tăng khả năng xử lý, tuổi thọ thiết bị và khả năng ứng dụng cao. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu khả năng xử lý dòng khí có chứa ammonia bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt (biotrickling filter). ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu trên khí thải pha loãng từ khí NH3 công nghiệp Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: kiểm soát quá trình nuôi cấy, thích nghi, vận hành, đánh giá khả năng loại bỏ và khả năng 3 chuyển hoá ammonia trong dòng khí của mô hình thí nghiệm với vật liệu đệm polyurethane foam (PUF).
NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Phòng thí nghiệm Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên (Linh Trung, Thủ Đức) 1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Thiết lập mô hình nghiên cứu. - Thích nghi vi sinh vật và khảo sát quá trình qua các thông số: độ ẩm, pH, hàm lượng vi sinh vật (MLSS). trong giai đoạn thích nghi.
- Khảo sát quá trình khởi động cột lọc sinh học (Biotrickling filter). - Thay đổi nồng độ ammonia trong dòng vào, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ammonia trong dòng khí đầu vào đến hiệu quả loại bỏ, khả năng chuyển hoá và xác định nồng độ tối ưu cho phương pháp. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nitrite đến hiệu quả loại bỏ và khả năng chuyển hoá ammonia trong quá trình xử lý. - Khảo sát quá trình chuyển hoá ammonia thành nitrite, nitrate… và đánh giá cân bằng nito trong mô hình.
- Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao mô hình đến hiệu quả xử lý. - Thay đổi lưu lượng dòng vào, khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí đầu vào đến hiệu quả loại bỏ, khả năng chuyển hoá và xác định lưu lượng cũng như thời gian lưu tối ưu cho phương pháp. Ghi chú: Trong suốt quá trình nghiên cứu, các thông số nền như pH, độ ẩm, nhiệt độ được duy trì, thay đổi các thông số khảo sát đến khi hiệu suất xử lý đạt ổn định và dừng lại khi hiệu suất giảm. Mỗi thông số thích hợp khảo sát được được dùng cho các công đoạn khảo sát tiếp theo.
Phương pháp tiến hành nghiên cứu và các khảo sát cụ thể được mô tả trong chương 3, phần 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài bước đầu đánh giá khả năng xử lý dòng khí có chứa ammonia bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt (biotrickling filter) thông qua khảo sát quá trình nuôi cấy, thích nghi, vận hành và ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ ammonia trong dòng khí, lưu lượng, thời gian lưu,… đến khả năng loại bỏ và khả năng chuyển hoá ammonia trong dòng khí của mô hình thí nghiệm với vật liệu đệm polyurethane foam (PUF). Đây là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm khảo sát quá trình cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý khí thải chứa ammonia bằng phương pháp lọc sinh học. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra khả năng ứng dụng cao trong xử lý khí thải chứa ammonia nồng độ cao trên thực tế tại Việt Nam.
5 Chương 2: TỔNG QUAN Chương này tổng hợp các tài liệu có liên quan về tính chất vật lý, hoá học của ammonia cũng như nguồn phát thải khí ammonia vào môi trường. Đồng thời tìm hiểu những ảnh hưởng của khí ammonia đến sức khoẻ con người và môi trường. Nghiên cứu cũng tiến hành tổng hợp những tài liệu liên quan đến quá trình xử lý khí thải bằng phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm nhân tạo (Biotrickling filte) về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vật liệu đệm được sử dụng và hệ vi sinh vật tồn tại trong hệ thống. Thông qua quá trình tìm hiểu những nghiên cứu trong nước và quốc tế về xử lý ammonia trong nước và khí thải, làm cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp nghiên cứu, vật liệu đệm cũng như các phương pháp nuôi cấy, vận hành thí nghiệm.
TỔNG QUAN VỀ AMMONIA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMMONIA TRONG KHÍ THẢI 2.1 Tổng quan về ammonia a. Cấu tạo Cấu trúc phân tử: Hình 2. Cấu trúc phân tử ammonia Danh pháp IUPAC: ammonia; tên khác: Azane, Hydrogen nitride. Công thức phân tử: NH3; phân tử lượng: 17,0304 g/mol.
Tính chất Tính chất vật lý Ammonia là một chất khí không màu, mùi khai và sốc, tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 20oC hòa tan được 800 L NH3. Ammonia tan nhiều trong nước là do NH3 lai hóa sp3, phân tử hình tháp phân cực, do phân tử phân cực và NH3 tạo được liên kết hidro với H2O nên NH3 tan nhiều trong nước. Khối lượng riêng: 0,76 g/L Tỷ trọng: 0,6813 g/L Nhiệt độ hóa lỏng: -34oC Nhiệt độ hóa rắn: -78oC [4] [46] Tính chất hóa học Ammonia là một hợp chất vô cơ mà trong phân tử có chứa nguyên tử nitơ có cặp electron tự do nên ammonia có tính bazơ: NH3 + H+ → NH4+ Trong ammonia, nitrogen có số oxi hóa thấp nhất nên trong các phản ứng ammonia thể hiện tính khử, ví dụ phản ứng cháy của ammonia: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O 850𝑜 𝐶, 𝑃𝑡 4NH3 + 5O2→ 4NO + 6H2O Thêm nữa, ammonia tương đối kém bền với nhiệt, nó có thể bị phân hủy ở nhiệt độ 600 – 700oC, quá trình phân hủy là quá trình thu nhiệt: To, P, xt 2NH3 → N2 + 3H2 7 c. Sản xuất ammonia Trong tự nhiên, một phần nhỏ ammonia sinh ra do quá trình phân rã của động thực vật, từ quá trình trao đổi chất, từ quá trình trao đổi chất trong cơ thể các động vật.
Trong không khí ammonia được sinh ra từ N2 dưới xúc tác của các enzyme nitrogenases. Trong công nghiệp, phần lớn NH3 (90%) được sản xuất theo phương pháp Haber-Bosch với N2 từ không khí, H2 từ khí methane (CH4) và nước. CH4 + H2O → CO + 3H2 N2 + 3H2 2NH3 Phương pháp CaCN2 của Rothe-Frank-Caro CaCN2 + 3H2O → CaCO3 + 2NH3 Phương pháp Persek từ nitrua nhôm AlN và nước 2AlN + 3H2O → Al2O3 + 2NH3 Từ NO và H2 2NO + 5H2 → 2NH3 + 2H2O Từ NH4Cl NH4Cl + NaOH → NH3 + H2O + NaCl d. Một số ứng dụng của ammonia Trong công nghiệp Trong công nghiệp, ammonia được ứng dụng chủ yếu trong điều chế phân bón (rắn và lỏng – chiếm 80% sản lượng NH3 trên toàn thế giới) và một số hóa chất cơ bản như acid nitric.
Bên cạnh đó, NH3 vẫn được sử dụng trong công nghiệp đông lạnh (sản xuất nước đá, bảo quản thực phẩm) và là một dung môi chất làm lạnh chủ đạo trước khi các hợp chất CFC ra đời và cho đến nay[19] 8 Trong nông nghiệp NH3 được xem như là thành phần của phân bón.NH3 có thể được bón trực tiếp lên đồng ruộng bằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một quá trình hóa học nào [19].