MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Luận văn Nước là dạng vật chất rất cần cho mọi sinh vật sống trên Trái Đất. Những nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng các loại bệnh tật có liên quan trực tiếp đến chất lượng nguồn nước, do đó bảo vệ chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc chăm sóc và bảo đảm sức khỏe con người. Các nguồn nước được sử dụng chủ yếu là nước mặt và nước ngầm đã qua xử lý hoặc sử dụng trực tiếp.
Phần lớn nguồn nước bị ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tùy theo địa hình, đặc thù sản xuất, sinh hoạt của từng vùng mà nó đi qua. Hoạt động nông nghiệp sử dụng các loại phân bón trên diện rộng, các loại nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt giàu hợp chất nitơ đã thải vào môi trường làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nitơ mà chủ yếu là amoni. Amoni tuy không gây độc trực tiếp cho con người nhưng các sản phẩm chuyển hóa từ amoni như nitrit, nitrat lại là các tác nhân gây hại đến sức khỏe con người. Các phương pháp vật lý và hóa lý xử lý amoni đã được thử nghiệm và áp dụng khá nhiều trên thế giới.
Tuy nhiên các phương pháp này có giá thành vận hành cao và quá trình thực hiện phức tạp. Hiện nay, công nghệ xử lý amoni bằng biện pháp sinh học thường được ứng dụng rộng rãi. Việc sử dụng các vi sinh vật để xử lý có tính ổn định cao, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Phương pháp sinh học sử dụng nhóm vi khuẩn nitrat hóa và khử nitrat hóa được ưa chuộng nhiều hơn bởi không đòi hỏi nhiều điều kiện nghiêm ngặt.
Nhóm vi khuẩn nitrat hóa có hai nhóm là nhóm dị dưỡng và nhóm tự dưỡng hóa năng. Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước ngầm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng vẫn được sử dụng nhiều, bởi chúng cho hiệu quả cao hơn và không cần nguồn dinh dưỡng hữu cơ. Theo kết quả quan trắc tài nguyên nước dưới đất của Trung tâm Quan trắc và Dự báo tài nguyên nước (Bộ Tài nguyên Môi trường) đã công bố cho thấy tại một số điểm quan trắc ở Hà Nội như xã Tân Lập, Đan Phượng, nước ngầm có hàm lượng amoni được phát hiện là 23,3 mg/L cao hơn quy chuẩn cho phép nhiều lần, 2 đặc biệt là vào mùa khô [8]. Hiện nay, phần lớn người dân khu vực này đều sử dụng nguồn nước ngầm phục vụ chủ yếu cho sinh hoạt.
Chính việc không đủ nước sạch khiến người dân vẫn phải dùng nguồn nước ngầm bị ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống. Vì thế việc xử lý amoni trong nước ngầm là cần thiết và đáng quan tâm. Trên cơ sở đó, tác giả thực hiện luận văn thạc sỹ với đề tài: “Nghiên cứu quá trình tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển hóa amoni trong nước ngầm tại xã Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội”. Trong khuôn khổ luận văn mới chỉ đề cập đến quá trình nitrat hóa, chuyển hóa các dạng amoni, nitrit thành nitrat.
Vì vậy, đây là những kết quả bước đầu mà luận văn đạt được sẽ phục vụ cho những mục đích nghiên cứu tiếp theo đối với việc xử lý amoni trong nước ngầm. Mục đích của Luận văn - Tuyển chọn được chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính mạnh. - Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang. - Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: vi khuẩn nitrat hóa thuộc bộ chủng giống đã được phân lập của Phòng vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KHCNVN, vật liệu mang DHY và một số mẫu nước ngầm nhiễm amoni. Phạm vi nghiên cứu: xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp 1: Thu thập, phân tích, xử lý và tổng hợp số liệu. Thu thập tất cả các tài liệu hiện có liên quan đến luận văn.
Bên cạnh đó luận văn có sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để phân tích, xử lý số liệu và đánh giá trong quá trình thực hiện luận văn. - Phương pháp 2: Kế thừa. 3 Kế thừa các tài liệu, các kết quả nghiên cứu trước đây để tiếp thu và bổ sung cho bài luận văn. - Phương pháp 3: Lấy mẫu thực địa.
Thu thập và lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu. - Phương pháp 4: Quy hoạch thực nghiệm. Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng với thiết kế Box-Behnken nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố trong giới hạn đến các mục tiêu. - Phương pháp 5: Phân tích trong phòng thí nghiệm.
Sử dụng các phương pháp phân tích hóa học, vi sinh theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế để thu thập các số liệu thực nghiệm. Kết quả đạt được - Tuyển chọn được chủng vi khuẩn có hoạt tính mạnh. - Đưa ra điều kiện thích hợp cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang. - Đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa.
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm 1. Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ với tỷ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường nước. Nitrat và nitrit là các muối nitơ vô cơ có trong môi trường nước, tồn tại trong điều kiện có oxy, còn amoniac (NH 3 ) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí.
Amoni hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH 4 OH) và sẽ phân ly thành ion NH 4 + và ion OH-. Quá trình oxy hoá có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion NO 3 -, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng nitơ không khí. NO3- Quá trình nitrat (Nitrat tan trong hoá Quá trình oxy hoá và quá trình nước) NO2- khử Quá trình (Nitrit tan trong denitrat hoá nước) NH3(NH4OH) Quá trình cố định (amoni tan trong nitơ nước) Quá trình quang tổng hợp Quá trình hô Các amino axit hấp Các prôtêin (động vật và thực vật) Hình 1. Quá trình chuyển hoá của các hợp chất nitơ trong nước 5 Quá trình oxy hoá các dạng nitơ vô cơ thành NO 3 - được gọi là quá trình nitrat hoá (nitrification).
Quá trình khử nitrat (denitrication) là quá trình chuyển hóa NO 3 - thành nitơ không khí hoặc oxyt nitơ. Quá trình cố định nitơ (nitrogenfixation) là quá trình nitơ trong không khí được cố định vào hệ sinh học thông qua dạng amoni. Quá trình này đòi hỏi một năng lượng đáng kể để chuyển hoá nitơ không khí thành dạng amoni. Các protein trong mùn động vật và thực vật sau đó có thể bị phân ly thành các amino axit rồi tiếp đến phân huỷ thành amoni và các dạng nitơ vô cơ trong nước đi vào hệ sinh vật rồi cuối cùng chuyển hoá về dạng nitơ hữu cơ.
Nitơ trong nước thải chảy ra sông và biển ở hàm lượng lớn, chúng sẽ kích thích sự phát triển của sinh vật thuỷ sinh. Sau khi chết xác của chúng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước. Nitơ và phospho là hai yếu tố gây ảnh hưởng đến môi trường nước ngọt. Nếu nồng độ nitơ tăng lên nhưng phospho không tăng, hoặc nồng độ phospho tăng lên nhưng nồng độ nitơ không tăng thì sẽ không làm cho sinh vật thuỷ sinh phát triển.
Chu trình Nitơ trong tự nhiên Qua hình 1.2 chúng ta có thể thấy nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm amoni trong nước là từ hai nguồn chính: khoáng hoá các hợp chất hữu cơ và từ nguồn phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp hoặc nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao. Nguồn gốc ô nhiễm Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh học, hóa học rồi quay trở về môi trường đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình nitơ. Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ. Hàm lượng này càng được tăng lên do sự phân hủy xác động, thực vật, chất thải động vật.
Hầu hết thực vật không trực tiếp sử dụng dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hóa 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 enzym, protein… 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 nitơ cho thực vật. Một số loại thực vật có nốt sần như: cây họ đậu, cỏ ba lá… có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử dụng được cho cây.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm nhưng một trong những nguyên nhân chính là do việc sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực vật đã gây ảnh hưởng đến nguồn nước; do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ làm đẩy nhanh quá trình nhiễm amoni trong nước ngầm. Bên cạnh đó, mức độ ô nhiễm còn phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của khu vực [8]. Nước ngầm ô nhiễm amoni do quá trình thấm xuyên nước mặt xuống các tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn. Các hợp chất nitơ sẽ từ nước mặt thấm xuống nước dưới đất.
Như vậy nếu nguồn nước mặt bị ô nhiễm thì dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm. Ngoài ra quá trình lắng đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình tự nhiên (amon axit, amid, hợp chất nitơ dị vòng…) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ. Ở môi trường pH từ 6 – 8, nitơ nằm chủ yếu dưới dạng amoni. Amoni có thể xuất hiện trong nước ngầm từ nước thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa trang… do kết quả của quá trình amon hóa – phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic… bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ 7 sâu có chứa nitơ trong nông nghiệp.
Sự có mặt các ion NH 4 + cùng với ion NO 3 - chứng tỏ nước ngầm bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt mới xâm nhập [2]. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm Ở trong nước ngầm, amoni không thể chuyển hoá được do thiếu oxy .