CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về nitơ và sự ô nhiễm amoni 1.1 Nitơ và tình trạng ô nhiễm các hợp chất có chứa nitơ Nitơ trong môi trường tự nhiên tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau bao gồm nitơ hữu cơ như amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), nitơ oxit (N2O), nitric oxit (NO), hoặc nitơ vô cơ như khí nitơ (N2). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống, đất mùn, hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ. Các quá trình trong chu trình nitơ chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác. Một số quá trình này được tiến hành bởi các vi khuẩn, qua quá trình đó hoặc để chúng lấy năng lượng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng.
Sơ đồ bên dưới thể hiện các quá trình này tương thích với nhau để tạo ra chu trình nitơ [1].1: Chu trình Nitơ trong tự nhiên [1] Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 4 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 Đầu tiên Nitơ trong khí quyển do khá trơ về mặt hóa học nhờ quá trình cố định nitơ mà nitơ dạng phân tử được phân giải về dạng nguyên tử dưới tác dụng của sấm sét, quá trình cố định này còn có thể theo con đường sinh học, một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng cố định nitơ như Azotobacter, vi khuẩn sống cộng sinh trên nốt sần rễ cây họ đậu, tảo lam…nhờ quá trình cố định đạm mà nitơ trong khí quyển được chuyển đổi thành amoni, thành phần này trong đất còn được bổ sung bằng phân bón hóa học. Thực vật lấy nitơ trong đất bằng cách hấp thu chúng quá rễ cây dưới dạng ion nitrat hoặc amoni, các amoni này sẽ bước vào quá trình khử để tổng hợp nên amino axít, nucleic axít và diệp lục quá trình này được gọi là quá trình đồng hóa nitơ. Thực vật sẽ là nguồn thức ăn của động vật, cung cấp cho động vật một nguồn nitơ dưới dạng chất hữu cơ. Sau khi động vật và thực vật chết đi, thì dạng ban đầu của nitơ đó là chất hữu cơ, trong một số trường hợp vi khuẩn hoặc nấm sẽ chuyển đổi nitơ trong xác thực vật và động vật thành amoni, quá trình này được gọi là quá trình amoni hóa hay khoáng hóa.
Sau đó là quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat, quá trình này được tiến hành đầu tiên bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác. Trong giai đoạn nitrat hóa đầu tiên, sự oxy hóa amoni được tiến hành bởi các vi khuẩn Nitrosomonas, quá trình này chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO2-). Các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter có nhiệm vụ oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-). Việc biến đổi nitrit thành nitrat là một quá trình quan trọng vì sự tích tụ của nitrit sẽ gây ngộ độc cho thực vật.
Giai đoạn cuối cùng trong chu trình nitơ đó là quá trình khử nitrat, quá trình này giúp khử nitrat thành khí nitơ hoàn thành chu trình nitơ. Quá trình này được thực hiện bởi một số vi khuẩn [1]. Sự tồn tại của các chất nitơ trong nước Nitơ tồn tại trong hệ thủy sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các dạng vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào môi trường nước.
Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục. Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion amoni (NH4+) và ion hyđrôxit (OH-). Quá trình oxi hóa có thể Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 5 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóa chúng thành dạng nitơ [5].
Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau nhưng chủ yếu do hoạt động của con người tạo ra như: Sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải thủy…[6]. 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…trong nước thải sinh hoạt thường chứa nhiều tạp chất dưới dạng protein, cacbon hydrat, 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. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptit, axít amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu phân hủy rất nhanh thành amoniac/amoni.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrit và nitrat có hàm lượng thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh vật tự dưỡng thấp. Thành phần nmoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải [6]. 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 nước thải của một số cơ sở sản xuất công nghiệp, nước thải của bệnh viện, trạm y tế [6].
Nước thải công nghiệp: Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp 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 quy trình sản xuất, các biện pháp kỹ thuật được áp dụng… Thường các tạp chất thường là từ các nguyên liệu sản xuất và từ các chất được hình thành trong 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 hay 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 Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 6 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2. Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên [6]. 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 ô nhiễm lớn cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lí, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ…. thông qua quá trình rửa trôi, thấm lọc lượng nitrat hóa, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng cao [6].
Nước thải do giao thông vận tải thủy: Nước trên các dòng sông, hồ, biển có thể bị ô nhiễm do các phương tiện tàu, thuyền trên sông, biển thải ra, các tàu chở dầu, hóa chất bị rò rỉ làm ảnh hưởng đến môi trường nước, làm chết các loại động vật, thực vật sống trong môi trường sông biển [6]. Nước rác: Bãi chôn lấp rác là lò ủ vi sinh vật yếm khí, trong đó có một tập đoàn vi sinh vật hoạt động phân hủy một phần chất hữu cơ trong chất rắn. Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật yếm khí bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau. Thủy phân các phân tử hữu có lớn như polymer, lipit, protein, hydrat cacbon thành các phân tử nhỏ như monosacarit, amino axít… chúng là nguyên liệu thích hợp cho việc tổng hợp tế bào.
Giai đoạn 2 là giai đoạn chúng chuyển hóa các sản phẩm thủy phân thành các axít, như axít axetic, crotonic, adipic, puruvic. Giai đoạn tạo khí metan và CO2 được thực hiện bới chính nhóm vi sinh vật Methanogens Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa nitơ bị thủy phân bởi enzyme và tiếp tục thành amoni và CO2 cùng với các axít dễ bay hơi. Một lượng lớn amino axít, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng dư sẽ còn lại trong nước rác. Sau một chu kì hoạt động, các vi sinh vật yếm khí chết và bị phân hủy như xác động vật.
Trong hồ yếm khí, các hợp chất aitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni, một phần nằm trong tế bào của vi sinh vật yếm khí. Do không tách được sinh khối ra Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm 7 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thùy Dung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHÓA 2012 - 2016 khỏi nước nên khi phân hủy, amoni được trả lại hầu như nguyên vẹn vào môi trường nước [6].2 Sơ lược về amoni [6] Amoni bao gồm có 2 dạng: trung hòa (NH3) và ion (NH4+). Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hóa nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin. Tác hại của amoni chỉ xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng khoảng trên 200mg/kg trọng lượng.3 Hiện trạng ô nhiễm Amoni ở Việt Nam [1] Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước.
Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005). Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bi ô nhiễm trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo kết quả khảo sát của trung tâm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia và trường Đại Học Mỏ - Địa Chất thì phần lớn nước ngầm khu vực đồng bằng Bắc Bộ gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình và phía nam Hà Nội đều bị nhiễm bẩn amoni rất nặng.
Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%.