MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nƣớc có vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cộng đồng.Các nguồn nƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu là nƣớc mặt và nƣớc ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp. Phần lớn chúng đều bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa lý, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng và phụ thuộc vào địa hình mà nó chảy qua hay vị trí tích tụ. Ngày ngay, với sự phát triển của nền công nghiệp, quá trình đô thị hóa và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nƣớc tự nhiên ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm.Hoạt động nông nghiệp sử dụng các loại phân bón trên diện rộng, các loại nƣớc thải công nghiệp, sinh hoạt giàu hợp chất nitơ thải vào môi trƣờng làm cho nƣớc nguồn nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng mà chủ yếu là nhiễm amoni.
Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nƣớc ngầm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ nhƣ tại Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dƣơng. đều bị nhiễm amoni (NH4+) rất nặng, vƣợt tiêu chuẩn nhiều lần. Tại các tỉnh Đồng bằng Bắc Bộ, đặc biệt là Hà Nội, xác suất các nguồn nƣớc ngầm nhiễm amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn (3mg/L) là khoảng 70-80%. Ngoài amoni, không ít nguồn nƣớc còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ, độ ôxy hóa có nguồn đạt tới 30-40 mgO/L [21].Số liệu quan trắc quốc gia do Liên đoàn Địa chất thuỷ văn - Địa chất công trình miền Bắc quản lý và Phòng Kiểm tra chất lƣợng của Công ty Kinh doanh nƣớc sạch Hà Nội cũng khẳng định nhiều vùng nƣớc ngầm nhiễm amoni ở mức độ khác nhau, nặng nhất là phía Nam thành phố Hà Nội [9].
Trong thực tế, còn có một số nguồn nƣớc cấp cho sinh hoạt có hàm lƣợng amoni cao. Nhƣ vậy, tình trạng nhiễm bẩn amoni và hợp chất hữu cơ trong nƣớc ngầm và nƣớc cấp sinh hoạt ở Đồng bằng Bắc Bộ nói chung và Hà Nội nói riêng đã đến mức báo động, ảnh hƣởng không nhỏ đến sức khỏe con ngƣời. 1 z Vấn đề ô nhiễm amoni trong nguồn nƣớc ngầm, nƣớc cấp tại nhà máy và nƣớc sinh hoạt tại hộ gia đình khu vực Hà Nội đã đƣợc một số tác giả nghiên cứu và công bố[1,3, 9, 18]; đặc biệt quan trọng là nguy cơ tái nhiễm bẩn nguồn nƣớc sinh hoạt trong các thiết bị lƣu trữ. Amoni (NH4+) là chỉ tiêu cảm quan, tuy nhiên trong quá trình khai thác, xử lý, lƣu trữ, amoni đã đƣợc chuyển hóa một phần thành nitrit và nitrat có thể chuyển hóa thành nitroamin, một chất có khả năng gây ung thƣ.
Hàm lƣợng nitrit và nitrat trong nƣớc uống cao là một vấn đề đáng quan tâm, do chúng là nguồn gốc gây bệnh methemoglobin - huyết cho trẻ sơ sinh và cả ngƣời lớn.Nó có thể làm cho da của trẻ sơ sinh có màu xanh xỉn, gây kích thích, hôn mê nếu ở thể nặng. Nếu không đƣợc điều trị kịp thời có thể dẫn đến tử vong mà ngƣời ta gọi là hội chứng Blue Syndrome hay còn gọi tắt là BBS. Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện lưu trữ nước cấp đến hàm lượng các hợp chất nitơ và vi sinh vật phân giải”nhằm xác định sự có mặt của vi sinh vật và sự thay đổi nồng độ các hợp chất nitơ trong nƣớc cấp ở các điều kiện lƣu trữ nƣớc sinh hoạt khác nhau.Đây là cơ sở khoa học cho việc đề xuấ t các giải pháp kh ắc phục khả năng gây đô ̣c do nồ ng đô ̣ tổ ng NO 2- + NO3- vƣơ ̣t quá ngƣỡng cho phép đối với nƣớc ăn uống và sinh hoạt trong trƣờng hợp nguồn nƣớc cấ p sinh hoa ̣t có nồ ng đô ̣ amoni cao. Mục tiêu của đề tài Xác định ảnh hƣởng của điều kiện lƣu trữ nƣớc cấp đến hàm lƣợng các hợp chất nitơ và vi sinh vật chuyển hóa.
Nội dung nghiên cứu - Khảo sát diễn biến của một số yếu tốvi môi trƣờng (nhiệt độ, pH, DO)trong các điều kiện lƣu trữ nƣớc cấp sinh hoạt có nồng độ amoni cao. - Nghiên cứu và đánh giá ảnh hƣởng của các điều kiện lƣu trữ nƣớc cấp sinh hoạt khác nhau đến sự có mặt và mật độ của các vi sinh vật chuyển hóa. 2 z - Nghiên cứu và đánh giá ảnh hƣởng của các điều kiện lƣu trữ nƣớc cấp sinh hoạt khác nhau đến sự chuyển hóa các hợp chất nitơ. Nguyên nhân tồn tại các hợp chất nitơ trong nƣớc cấp Sự có mặt của các hợp chất nitơ trong nƣớc cấp là do nƣớc cấp sinh hoạt bị nhiễm amoni từ các nguồn khác nhau nhƣ: nguồn nƣớc thô ban đầu cấp cho các nhà máy nƣớc; từ quá trình sản xuất, phân phối, lƣu trữ và sử dụng; trong đó xảy ra sự chuyển hóa quyết định sự tồn tại của các dạng hợp chất nitơ khác nhau.
Nhiễm amoni từ nguồn nƣớc thô ban đầu đƣợc đánh giá là nguyên nhân chủ yếu nhất. Ngoài ra, amoni cũng có thể đƣợc thêm vào nƣớc trong quá trình xử lý.Đây là một biện pháp khử trùng nƣớc cấp sinh hoạt để tạo thành cloamin - một chất khử trùng thứ cấp. Việc bổ sung một lƣợng dƣ amoni hoặc clo không phù hợp theo tỷ lệ có thể dẫn đến sự hiện diện của amoni trong nƣớc thành phẩm. Amoni cũng có thể đƣợc hình thành trong đƣờng ống phân phối nƣớc, trong quá trình lƣu trữ nƣớc do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Có hai loại nguồn nƣớc thô phổ biến nhất để sử dụng làm nƣớc cấp sinh hoạt, đó là nƣớc mặt và nƣớc ngầm. Nƣớc mặt, nƣớc ngầm có thể bị nhiễm amoni từ các nguồn khác nhau: từ khí quyển (nƣớc mƣa); phân bón; chất thải công nghiệp; chất thải sinh hoạt; các hệ thống vệ sinh; chất thải chăn nuôi; từ nguồn nitơ tại chỗ trong các hợp chất hữu cơ; từ khoáng chất địa chất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng nhiễm amoni trong nƣớc ngầm nhƣng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lƣợng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực vật đã gây ảnh hƣởng đến nguồn nƣớc; do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nƣớc ngầm. Nƣớc ngầm nhiễm amoni do quá trình thấm xuyên nƣớc mặt xuống các tầng phía dƣới qua các cửa sổ địa chất thủy văn.
Các hợp chất nitơ sẽ từ nƣớc mặt thấm xuống nƣớc dƣới đất [3].Nhƣ vậy nếu nguồn nƣớc mặt chứa các hợp chất nitơ thì dẫn đến nguồn nƣớc ngầm cũng chứa các hợp chất nitơ. Độc tính của các hợp chất nitơ trong nƣớc Amoni trong nƣớc tồn tại ở 2 dạng: không ion hoá (NH3) và ion hoá (NH4+). Độc tính của amoni phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó trong nƣớc.Các phân tử NH3 độc hơn so với NH4+, điều này phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của nƣớc.Ion NH4+ ít độc hại hơn và tồn tại ở pH thấp hơn.Khi pH tăng từ 7-8 thì có sự chuyển NH4+thành NH3 [23]. Tài liệu Hƣớng dẫn về chất lƣợng nƣớc uống của Tổ chức Y tế thế giới cũng nhƣ QCVN 01:2009/BYT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc ăn uống không coi amoni là chất gây nguy hại cho sức khoẻ con ngƣời mà xếp vào nhóm các chất có thể làm ngƣời dùng nƣớc than phiền vì lý do cảm quan (mùi , vị).Amoni không gây ảnh hƣởng trƣ̣c tiế p đế n sƣ́c khoẻ con ngƣời , nhƣng trong quá trình khai thác , xƣ̉ lý , phân phối, lƣu trữ…amoni đƣơ ̣c chuyể n hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chấ t có tin ́ h đô ̣c ha ̣i tới con ngƣời.
Nitrat và nitrit là những tác nhân gây ảnh hƣởng tới sức khỏe cộng đồng và là một trong những nguyên nhân gây ra hai loại bệnh: methaemoglobinemia: hội chứng da xanh ở trẻ sơ sinh và ung thƣ dạ dày ở ngƣời lớn [18]. Khi đi vào cơ thể, nitrat tham gia phản ứng khử ở dạ dày và đƣờng ruột do tácdụng của các men tiêuhoá sinh ra nitrit.Nitrit sau đó phản ứng với hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả năng vận chuyển oxi của hemoglobin. Thông thƣờng hemoglobin chứa ion Fe(II) (ion này có khả năng liên kết với oxi), nên khi có mặt NO2- nó sẽ chuyển hoá thành Fe(III)làm cho hồng cầu không thực hiện đƣợc nhiệm vụ chuyển tải oxi. Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong[10].
4HbFe2+(O2) +4NO2- + 2H2O → 2HbFe3+ + OH- +4NO3- +O2 Sự tạo thành methaemoglobinemia đặc biệt thấy rõ ở trẻ em. Trẻ em mắc chứng bệnh này thƣờng xanh xao và dễ bị đe doạ đến cuộc sống đặc bệt là trẻ dƣới 6 tháng tuổi. Ngoài ra, NO2 trong cơ thể dễ tác dụng với các axit amin tạo thành nitrosamin một hợp chất gây ung thƣ. N – N = O + H2 O R R2 Các hợp chất nitroso đƣợc tạo thành từ các amin bậc hai và các axit nitrơ (HNO2) có thể trở nên bền vững hơn nhờ tách lại proton để trở thành nitrosamin.
Các amin bậc ba trong môi trƣờng axit yếu ở pH=3- 6 với sự có mặt của ion nitrit chúng dễ dàng phân huỷ thành andehit và amin bậc hai. Sau đó amin bậc hai tiếp tục chuyển thành nitrosamin. Do độc tính của amoni, nitrit và nitrat mà các tổ chức y tế thế giới và các quốc gia đều có những qui định về hàm lƣợng của các ion này trong nƣớc. Ở Việt Nam, Bộ Tài Nguyên Môi Trƣờng, Bộ Y tế đã ban hành các quy chuẩn và tiêu chuẩn về hàm lƣợng cho phép amoni, nitrit và nitrat nhƣ sau: Bảng 1.
Giới hạn cho phép hàm lƣợng amoni, nitrit và nitrat trong nƣớc Nƣớc mặt (QCVN 08:2015/BTNMT) Nƣớc ngầm Nƣớc ăn uống Mục đích Mục đích (QCVN (QCVN Ion sinh hoạt khác 09:2015/BTNMT) 01:2009/BYT) (A1) (B1) NH4+ - N 0,3 (mg/L) 0,9 (mg/L) 1 (mg/L) NH4+ 3,0 (mg/L) NO2- - N 0,05(mg/L) 0,05 (mg/L) 1 (mg/L) NO2- 3,0 (mg/L) NO3- - N 2,0 (mg/L) 10 (mg/L) 15 (mg/L) NO3- 50 (mg/L) 1. Sự chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nƣớc nhờ vi sinh vật 1. Quá trình cố định nitơ Quá trình cố định nitơlà quá trình chuyển hóa khí N2 trong khí quyển thành amoni (NH4+) [54]. N2+8H++8e-2NH3+H2 Vi sinh vật cố định nitơ là các nhóm vi sinh vật có khả năng thực hiện quá trình cố định nitơ.
Trong các vi sinh vật có khả năng cố định nitơ theo kiểu không 6 z cộng sinh, vi khuẩnAzotobacter và Clostridium đƣợc đánh giá là có thể phân tán rộng rãi trong tất cả các hệ sinh thái. Vi khuẩn Azotobacterlà vi khuẩn cố định nitơ trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩnClostridium là vi khuẩn cố định nitơ trong điều kiện kỵ khí.