Luận án tiến sĩ hus nghiên cứu thực trạng nhiễm và chuyển hóa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo hình thức lưu trữ quy mô hộ gia đình

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu thực trạng nhiễm và chuyển hóa amoni trong nước cấp sinh hoạt theo hình thức lưu trữ, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết,

• Tác giả: Lê Anh Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Đồng Kim Loan
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Môi Trường Đất Và Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Thực Trạng Nhiễm Và Chuyển Hóa Amoni Trong Nước Cấp Sinh Hoạt Theo Hình Thức Lưu Trữ Quy Mô Hộ Gia Đình
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC CÁC TỪ VÀ CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• 1.2. DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1.3. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1.4. MỞ ĐẦU
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 1.7. Những đóng góp mới của luận án
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chu trình nitơ và amoni trong nước tự nhiên
• 2.1.1. Chu trình nitơ
• 2.2. Các nguyên nhân gây nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt
• 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3.2. Nội dung nghiên cứu
• 3.3. Các phương pháp nghiên cứu
• 3.3.1. Phương pháp kế thừa tài liệu
• 3.3.2. Phương pháp điều tra, khảo sát và lấy mẫu thực địa
• 3.3.3. Các phương pháp phân tích
• 3.3.4. Phương pháp thực nghiệm
• 3.3.5. Phương pháp xử lý số liệu phân tích
• 3.3.6. Phương pháp đánh giá kết quả nghiên cứu
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Hiện trạng nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt ở Hà Nội
• 4.1.1. Kết quả khảo sát sự nhiễm amoni trong nước sinh hoạt tại ba quận nội thành Hà Nội
• 4.1.2. Sự nhiễm amoni trong các loại bể lưu trữ nước hộ gia đình
• 4.1.3. Hiện trạng lưu trữ nước và nồng độ các hợp chất nitơ vô cơ
• 4.1.4. Ảnh hưởng của loại hình lưu trữ nước đến nồng độ amoni, nitrit, nitrat ở hộ gia đình
• 4.1.5. Ảnh hưởng của quá trình lưu trữ đến sự thay đổi nồng độ các hợp chất nitơ vô cơ
• 4.1.5.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường nước
• 4.1.5.2. Ảnh hưởng của điều kiện lưu trữ
• 4.1.5.3. Ảnh hưởng của quá trình sử dụng nước
• 4.2. Đề xuất giải pháp giảm thiểu nồng độ các hợp chất nitơ trong bể lưu trữ nước sinh hoạt quy mô hộ gia đình
• 4.2.1. Giải pháp về đường ống phân phối nước cấp
• 4.2.2. Về điều kiện lưu trữ
• 4.2.3. Về thời gian lưu trữ
• 4.2.4. Về vật liệu bể trữ nước
• 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt

Nhiễm amoni trong nước sinh hoạt là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Tình trạng này đã được nghiên cứu và ghi nhận tại nhiều khu vực, đặc biệt là ở Hà Nội. Nước sinh hoạt có chứa amoni có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, bao gồm các bệnh lý liên quan đến hệ tiêu hóa và hô hấp. Việc hiểu rõ về tình trạng nhiễm amoni là cần thiết để có những biện pháp xử lý hiệu quả.

1.1. Nguyên nhân gây nhiễm amoni trong nước sinh hoạt

Nhiễm amoni trong nước sinh hoạt chủ yếu xuất phát từ hai nguồn chính: khoáng hóa các vật liệu hữu cơ và hoạt động của con người như sử dụng phân bón hóa học và nước thải sinh hoạt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự hiện diện của amoni trong nước có thể làm giảm hiệu quả của các biện pháp khử trùng, gây ra các vấn đề về chất lượng nước.

1.2. Tác động của amoni đến sức khỏe con người

Amoni có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe, đặc biệt là đối với trẻ em. Nồng độ amoni cao có thể dẫn đến hiện tượng methemoglobin huyết, gây ra hội chứng Blue Syndrome. Ngoài ra, amoni còn có thể chuyển hóa thành nitrit, một chất độc hại có khả năng gây ung thư.

II. Vấn đề và thách thức trong việc kiểm soát nhiễm amoni

Việc kiểm soát tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt gặp nhiều thách thức. Các phương pháp hiện tại chưa đủ hiệu quả để xử lý triệt để amoni trong nước. Hơn nữa, sự thiếu hụt thông tin về chất lượng nước tại các hộ gia đình cũng là một vấn đề lớn. Cần có những giải pháp đồng bộ để giải quyết tình trạng này.

2.1. Khó khăn trong việc giám sát chất lượng nước

Nhiều hộ gia đình không có thiết bị kiểm tra chất lượng nước, dẫn đến việc không phát hiện kịp thời tình trạng nhiễm amoni. Việc thiếu thông tin này gây khó khăn trong việc đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời.

2.2. Thiếu các biện pháp xử lý hiệu quả

Các biện pháp xử lý amoni hiện tại chủ yếu dựa vào công nghệ hóa học, nhưng chưa đủ hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn amoni. Cần nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cải thiện hiệu quả xử lý.

III. Phương pháp nghiên cứu tình trạng nhiễm amoni

Nghiên cứu tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt được thực hiện thông qua các phương pháp điều tra, khảo sát và phân tích mẫu nước. Các mẫu nước được lấy từ nhiều hộ gia đình khác nhau để đánh giá mức độ nhiễm amoni và các hợp chất nitơ vô cơ khác.

3.1. Phương pháp khảo sát và lấy mẫu

Các mẫu nước được lấy từ ba quận nội thành Hà Nội, bao gồm Cầu Giấy, Thanh Xuân và Hoàng Mai. Việc khảo sát được thực hiện định kỳ để theo dõi sự biến động của nồng độ amoni trong nước.

3.2. Phương pháp phân tích hóa học

Mẫu nước sau khi lấy sẽ được phân tích bằng các phương pháp hóa học hiện đại để xác định nồng độ amoni và các hợp chất nitơ khác. Kết quả phân tích sẽ giúp đánh giá chính xác tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt.

IV. Kết quả nghiên cứu về tình trạng nhiễm amoni

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ amoni trong nước sinh hoạt tại nhiều hộ gia đình vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp can thiệp kịp thời để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.1. Nồng độ amoni trong nước sinh hoạt

Kết quả khảo sát cho thấy nồng độ amoni trong nước sinh hoạt tại một số hộ gia đình lên đến mức cao, gây ra nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng. Cần có các biện pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu tình trạng này.

4.2. Ảnh hưởng của điều kiện lưu trữ đến nồng độ amoni

Điều kiện lưu trữ nước cũng ảnh hưởng đến nồng độ amoni. Các bể chứa nước không được bảo quản đúng cách có thể tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật, làm tăng nồng độ amoni trong nước.

V. Giải pháp giảm thiểu nhiễm amoni trong nước sinh hoạt

Để giảm thiểu tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt, cần áp dụng các biện pháp đồng bộ từ quản lý nguồn nước đến xử lý nước. Việc nâng cao nhận thức của cộng đồng về chất lượng nước cũng rất quan trọng.

5.1. Cải thiện hệ thống xử lý nước

Cần đầu tư vào công nghệ xử lý nước hiện đại để loại bỏ amoni và các hợp chất nitơ khác. Việc áp dụng các công nghệ sinh học có thể là một giải pháp hiệu quả.

5.2. Tăng cường giám sát chất lượng nước

Cần thiết lập hệ thống giám sát chất lượng nước tại các hộ gia đình để phát hiện kịp thời tình trạng nhiễm amoni. Việc này sẽ giúp người dân có biện pháp xử lý kịp thời.

VI. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu tình trạng nhiễm amoni trong nước sinh hoạt là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để đề xuất các giải pháp hiệu quả trong việc xử lý và quản lý nguồn nước. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các quá trình chuyển hóa amoni trong nước.

6.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong xử lý nước và đánh giá tác động của các biện pháp can thiệp đến chất lượng nước sinh hoạt.

6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu mới

Cần nghiên cứu thêm về các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển hóa amoni trong nước, từ đó tìm ra các giải pháp tối ưu hơn cho việc quản lý chất lượng nước sinh hoạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Chu trình nitơ và amoni trong nước tự nhiên 1. Chu trình nitơ Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình.

Trong đó, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa các dạng hợp chất nitơ vô cơ và nitơ hữu cơ ở những điều kiện khác nhau. Chu trình nitơ trong môi trường nước được mô tả ở hình 1. Chu trình trình bày theo trạng thái oxy hóa và phân tách thành các quá trình hiếu khí (bên phải) và các quá trình kỵ khí (bên trái). Chu trình nitơ rút gọn Trong chu trình nitơ, các vi sinh vật có vai trò rất quan trọng.

Amoni được giải phóng nhờ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (N hữu cơ) gọi là quá trình amôn hóa. Các vi sinh vật chủ yếu thực hiện quá trình 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] này là vi khuẩn amôn hóa. Quá trình này còn được gọi là sự khoáng hoá chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành nitơ vô cơ (NH3/NH4+). Tiếp theo, NH3/NH4+ có thể bị oxi hóa thành NO 2- (quá trình nitrit hóa) và NO3- (quá trình nitrat hóa).

Hai quá trình này được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn oxi hóa amoni (vi khuẩn AOB) và vi khuẩn oxi hóa nitrit (vi khuẩn NOB) trong môi trường. Dưới điều kiện hạn chế về oxi, NO 3- có thể bị khử thành NO2-, rồi tiếp tục về đến NH4+ được gọi là quá trình khử dị hóa nitrat thành amoni (quá trình DNRA). Quá trình chuyển đổi từng bước NO3-  NO2-  NO  N2O N2 (quá trình khử nitrat hóa) được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn khử nitrat hóa. Cũng trong vòng tuần hoàn này, các vi sinh vật cố định nitơ có thể sử dụng N 2 vừa sinh ra từ quá trình khử nitrat hoặc có thể lấy N2 từ khí quyển (là chính) để thực hiện quá trình cố định nitơ (N2  NH4+); từ đó cung cấp nitơ sinh học dưới dạng NH 4+ cho hệ sinh thái.

Ngoài ra, N 2 có thể được tạo ra trong quá trình oxi hóa kỵ khí giữa NH 4+ và NO2- (quá trình anamox) [64]. Trong môi trường, quá trình chuyển hóa nitơ được nghiên cứu sớm nhất là quá trình amôn hóa [41]. Nó thể hiện mối quan hệ giữa nitơ vô cơ và nitơ hữu cơ. Các bước trong quá trình chuyển hóa nitơ hữu cơ và nitơ vô cơ được thực hiện trong điều kiện hiếu khí với tốc độ của mỗi giai đoạn như phương trình (1.1); Trong điều kiện kỵ khí, quá trình dừng lại ở giai đoạn 1 (tạo NH4+) [70].

N hữu cơ  NH4+  NO2-  NO3- (1.1) Chậm Nhanh Rất nhanh h Trong vòng tuần hoàn nitơ , hầu hết những quá trình chuyển hoá đều có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau (điều kiện sinh hóa) và các điều kiện môi trường khác (nhiệt độ, mức oxi hòa tan, pH. Nếu sự hoạt 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] động của một nhóm vi khuẩn nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn sẽ bị ảnh hưởng. Các dạng nitơ khác nhau trong môi trường nước được minh họa ở hình 1. Sơ đồ các dạng nitơ khác nhau trong nước 1.

Các nguyên nhân gây nhiễm amoni trong nước cấp sinh hoạt Nước cấp sinh hoạt có thể bị nhiễm amoni từ nguồn nước thô ban đầu cấp cho các nhà máy nước cũng như từ quá trình sản xuất, phân phối, lưu trữ và sử dụng. Trong đó, nhiễm amoni từ nguồn nước thô ban đầu được đánh giá là nguyên nhân chủ yếu [42, 129]. Ngoài ra, amoni cũng có th ể được thêm vào nước trong quá trình khử trùng nước cấp sinh hoạt để tạo thành cloamin - một chất khử trùng thứ cấp. Việc bổ sung một lượng dư amoni hoặc clo không phù hợp theo tỷ lệ có thể dẫn đến sự hiện diện của amoni trong nước thành phẩm.

Amoni cũng có thể được hình thành trong đường ống phân phối nước, trong quá trình lưu trữ nước do nhiều nguyên nhân khác nhau [152]. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Có hai loại nguồn nước thô phổ biến nhất được dùng trong sản xuất nước cấp cho sinh hoạt là nước mặt và nước ngầm. Nước mặt, nước ngầm có thể bị nhiễm amoni từ các nguồn khác nhau như nước mưa (khí quyển), 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 và từ các khoáng chất trong tự nhiên [3, 105]. Các dạng tồn tại của amoni trong nước Trong môi trường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử amoniac (NH3) hoặc ion amoni (NH4+) theo cân bằng sau [17]: NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ (1.2) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cân bằng giữa NH3 và NH4+ là pH và nhiệt độ [38].

Đánh giá chi tiết trình bày trong hình 1.3 đã cho thấy ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến tỷ lệ nồng độ amoniac (trong dung dịch nước) trên tổng nitơ-amoni (total ammonia-nitrogen, TAN = NH3 + NH4+). Khi pH của dung dịch < 7, dạng tồn tại của amoni chủ yếu là ion NH4+. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến tỷ lệ nồng độ giữa NH3 và TAN (tổng nitơ-amoni) trong nước 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ở pH > 8, dạng NH3 bắt đầu tăng nhanh. Nhiệt độ tăng sẽ làm ra tăng nồng độ NH3; Chẳng hạn ở pH = 9, nồng độ NH3 chỉ chiếm < 20% so với TAN khi nhiệt độ là 15oC, nhưng khi nhiệt độ là 35oC nồng độ NH3 tăng lên > 60%.

Vì thế, thuật ngữ "amoni" thường được dùng chung khi nói về NH3/NH4+ trong nước tự nhiên và thực tế việc phân tích cũng thường là tính chung cho TAN ở pH và nhiệt độ xác định (trừ trường hợp yêu cầu phân tích riêng trong điều kiện cụ thể của nghiên cứu). Nghiên cứu của Emerson và cộng sự [60] cũng cho thấy, nếu tăng một đơn vị pH có thể làm nồng độ NH3 trong nước tăng lên gần 10 lần và nếu tăng nhiệt độ lên 5ºC có thể làm nồng độ NH3 tăng từ 40 ÷ 50% (bảng 1. Tỷ lệ (%) amoniac trong dung dịch với điều kiện nhiệt độ t = 0 - 30ºC và pH = 6 - 10 t (oC) pH 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 0 0,008 0,026 0,082 0,261 0,820 2,55 7,64 20,7 45,3 5 0,012 0,039 0,125 0,394 1,230 3,80 11,1 28,3 55,6 10 0,018 0,058 0,186 0,586 1,830 5,56 15,7 37,1 65,1 15 0,027 0,086 0,273 0,859 2,670 7,97 21,5 46,4 73,3 20 0,039 0,125 0,396 1,240 3,820 11,2 28,4 55,7 79,9 25 0,056 0,180 0,566 1,770 5,380 15,3 36,3 64,3 85,1 30 0,080 0,254 0,799 2,480 7,460 20,3 44,6 71,8 89,0 Phản ứng của amoni với clo được đặc biệt quan tâm trong nước cấp sinh hoạt. Khi clo được thêm vào nước để khử trùng, HOCl được hình thành theo phương trình dưới đây: 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Cl2 + H2O  HOCl + H+ + Cl- (1.3) Sau đó, ClO- sẽ phản ứng với NH 4+ để hình thành monocloamin (NH2Cl).

Nếu tiếp tục bổ sung clo, cân bằng (1.3) sẽ dịch chuyển mạnh về bên phải và HOCl lại phản ứng với monocloamin để tạo thành dicloamin (NHCl2) và tricloamin (NCl3) [39, 153]. OCl- + NH4+  NH2Cl + H2O (1.4) HOCl + NH2Cl  NHCl2 + H2O (1.5) HOCl + NHCl2  NCl3+ H2O (1.6) Do đó, đối với mục đích theo dõi nư ớc ăn uống, sinh hoạt, tổng nitơ amoni là tất cả các dạng amoniac, ion amoni và dẫn xuất, bao gồm NH3, NH4+, NH2Cl, NHCl2 và tricloamin NCl3. Các tác động của amoni trong nước sinh hoạt Trong nước tự nhiên, các mức amoni tổng (NH3 + NH4+) chỉ ở khoảng 0,25 mg/L đã có th ể gây nguy hại cho cá và các loài động vật sống dưới nước khác [75]. Trong nước ăn uống và sinh hoạt, amoni là chỉ tiêu cảm quan buộc phải giám sát (mức độ A đối với nước ăn uống và mức độ B đối với nước sinh hoạt [20, 21]), vì sự xuất hiện của nó báo hiệu nguồn nước bị ô nhiễm, cần phải kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác có nguy cơ gây hại cho sức khỏe như nitrat, nitrit, vi sinh vật và gây hiện tượng không ổn định sinh học của chất lượng nước sau xử lý (nư ớc có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống ống dẫn, bể chứa, bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan).

Tiêu chuẩn môi trường cho nước sinh hoạt và ăn uống: Ở Việt Nam là 3 mg/L (QCVN 01:2009/BYT, QCVN 02:2009/BYT [20, 21]; TCVN 2002 là 1,5 mg/L; tổ chức Y tế Thế giới WHO là 1,5 mg/L [32]; một số nước Châu Âu là 0,5 mg/L; tiêu chuẩn nước uống của Nhật bản là 0,0 mg/L [106]. Như đã nhắc tới ở trên, trong sản xuất nước cấp amoni là yếu tố gây cản trở công nghệ xử lý thể hiện ở hai khía cạnh: (1) Làm giảm tác dụng của clo - 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] tác nhân khử trùng chủ yếu áp dụng ở các nhà máy nước của Việt Nam, do phản ứng với clo tạo thành monocloramin là chất khử trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần; (2) Amoni cùng với một số chất vi lượng trong nước (hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện tượng “không ổn định sinh học” của chất lượng nước sau xử lý. Một đặc điểm nữa cần được quan tâm là khi amoni tồn tại trong nước rất dễ hình thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) trong quá trình khai thác, xử lý và lưu trữ. Đối với nitrat, khi tồn tại trong nước uống và vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột.

Ion nitrit là nguy h iểm hơn đối với sức khỏe. Nitrit có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitroamin là nguyên nhân gây ung thư ở người [76]. Khi tác dụng với các amin trong cơ thể người, chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư [100].7) R R2 (Amin) (Nitroamin) Nitrit tác động lên huyết sắc tố hemoglobin (Hb) có nhiệm vụ vận chuyển oxi, biến nó thành methemoglobin (Met - Hb) không có khả năng vận chuyển oxi. Nhờ hệ men đặc biệt, Met - Hb ở người trưởng thành có thể chuyển thành Oxy - hemoglobin (Oxy - Hb).

Ở trẻ nhỏ, Met - Hb không thể chuyển thành Oxy - Hb vì trẻ sơ sinh hệ men cần thiết chưa phát triển đầy đủ. Mặt khác, dạ dày trẻ sơ sinh không ngăn cản được nitrat chuyển thành nitrit.