CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay ở Việt Nam và thế giới Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn đề đang được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nước thải là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường hiện nay. Ô nhiễm nguồn nước không chỉ ảnh hưởng đến môi trường sống của con người, mà còn ảnh hưởng đến đa dạng sinh học, đến môi trường sống của các loài động, thực vật trên trái đất.
Theo báo cáo môi trường Quốc gia năm 2010 của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, từ năm 2007 đến năm 2009, ô nhiễm môi trường nước mặt ở tất cả các chỉ số đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 08:2008. Các chỉ số COD, BOD đều vượt quá tiêu chuẩn từ 5 đến 10 lần. Hàm lượng NH4+ trong môi trường nước mặt của sông Nhuệ, sông Đáy và sông Cầu đều vượt quy chuẩn cho phép QCVN 08:2008/BTNMT cho nước mặt phù hợp với việc bảo tồn động thực vật thủy sinh là là 0,2 mg/l. Năm 2009, hàm lượng NH4+ trong nước sông Nhuệ đo tại Cự Đà trên 10 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 50 lần, sông Đáy đo tại Cầu Hoàng 3 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 15 lần, sông Cầu đo tại Thái Nguyên trên 22 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 110 lần [2].
Theo Mulder, lượng hợp chất nitơ trong chuỗi thức ăn là 15 kg/người/năm, một phần trong đó được con người tiêu thụ, phần lớn được thải ra ngoài môi trường. Tính theo đầu người, mỗi người thải ra 4,75 kg nitơ một năm. Lượng nitơ trong nước thải chiếm 30% lượng nitơ tiêu thụ [41]. Nước thải ở các đô thị chủ yếu ở dạng nitơ hữu cơ và amoni, trong đó 60% ở dạng hữu cơ và 40% ở trạng thái amoni.
Ở Mỹ, hàm lượng nitơ có trong nước thải phụ thuộc vào số dân và lưu lượng nước thải hằng ngày. Lượng nitơ thải vào nguồn nước trung bình là 16 g/người/ngày. Hàm lượng và các loại hợp chất chứa nitơ thay đổi trong từng loại nước thải khác nhau. Hàm lượng nitơ trong nước thải thường dao động trong khoảng 20 đến 85 mg/l trong đó nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ trung bình từ 8 đến 35 mg/l, hàm lượng N-NH3 từ 12 đến 50 mg/l [56].
Ngô Thị Kim Toán 3 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Photpho là yếu tố quan trọng trong quá trình trao đổi chất và năng lượng của sinh vật, khi nồng độ photpho quá cao trong môi trường làm tăng sinh của các loại tảo gây hiện tượng phú dưỡng. Nồng độ photpho trong nước thải trung bình từ 6 đến 20 mg/l. Việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt và sản xuất là một trong số các nguyên nhân làm tăng hàm lượng photpho trong nước thải. Trong môi trường nước mặt, nitrate, photphate là hai hợp chất của nitơ và photpho cần thiết cho sự phát triển của rong, tảo.
Hàm lượng photphate trong nguồn nước không ô nhiễm nhỏ hơn 0,01 mg/l. Giá trị này ở sông Mêkông là nhỏ hơn 0,05 mg/l nhưng ở những kênh rạch bị ô nhiễm nước thải do sinh hoạt và công nghiệp hàm lượng photphate có thể lên tới 5 mg/l. Photphate là chất có nhiều trong phân, sản xuất phân lân, thực phẩm, nước thải của các nhà máy chế biến phân lân, chế biến thủy sản. Theo quy định của Hà Lan cũng như tiêu chuẩn của Việt Nam, hàm lượng photphate trong nước uống không được vượt quá 6 mg/l.
Theo tiêu chuẩn của cộng đồng chung châu Âu, trong nước sinh hoạt, hàm lượng photphate không được vượt quá 2,18 mg/l [4]. Nước thải chăn nuôi là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Ô nhiễm nước thải chăn nuôi đặc trưng là ô nhiễm hữu cơ, hàm lượng nitơ, photpho cao và vi sinh vật gây bệnh, hàm lượng nitơ tổng số nằm trong khoảng từ 512 đến 594 mg/l, trong đó N-NH3 trong nước thải từ 304 đến 471 mg/l, hàm lượng photpho tổng số dao động trong khoảng từ 13,8 đến 62 mg/l [6]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của dân số, rác thải sinh hoạt ngày một gia tăng.
Ở Việt Nam, phương pháp xử lý rác thải chính vẫn là sử dụng các hố chôn lấp. Nước rỉ rác từ các hố chôn lấp tại khu xử lý rác thải gây ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của người dân xung quanh, gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm quanh khu vực. Trong nước thải rỉ rác chứa rất nhiều thành phần độc hại khác nhau trong đó đặc biệt là hàm lượng chất hữu cơ cao. Tổng hàm lượng nitơ trong nước thải rỉ rác dao động trong khoảng từ 200 đến 2000 mg/l, hàm lượng amoni cao, trung bình 200 mg/l, trong khi đó tiêu chuẩn cho phép là 0,2 mg/l[6].
Ngô Thị Kim Toán 4 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ 1. Các phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải có chứa hợp chất nitơ, photpho hiện nay Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải được áp dụng như phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. Tất cả các phương pháp xử lý hiện nay đều có những ưu, nhược điểm. Trong thực tế, quá trình xử lý nước thải cần có sự kết hợp của nhiều phương pháp nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thời gian xử lý.
Ví dụ, có thể sử dụng phương pháp cơ học giúp loại bỏ các chất thải có kích thước lớn ban đầu, sau đó có thể áp dụng các phương pháp hóa học, sinh học nhằm loại bỏ các chất độc bảo đảm tính bền vững cho môi trường. Phương pháp hóa học Cơ sở của phương pháp hóa học là dựa trên các phản ứng hóa học. Các phản ứng hóa học được ứng dụng trong xử lý nước thải như phản ứng oxy hóa, phản ứng trung hòa, phản ứng keo tụ… giữa chất ô nhiễm và các hóa chất bổ sung. Xử lý các hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp hóa học Quá trình xử lý nước thải chứa nitơ dựa trên nguyên tắc hóa học, nước thải được đưa đến pH trong khoảng từ 10 đến 11 bằng cách thêm vào Ca(OH)2 để tạo thành NH4OH, khi đó amoni chuyển từ trạng thái lỏng sang khí và sau đó được đưa ra ngoài không khí qua các tháp làm lạnh [56].
Cheung và cộng sự đã sử dụng Ca(OH)2 với nồng độ là 10 g/l, sau thời gian xử lý là 24 giờ và ở nhiệt độ từ 20 đến 23oC. Kết quả cho thấy, đã xử lý 65 – 75% NH4+ khi lưu lượng không khí bằng với môi trường, và 86 – 93% NH4+ khi lưu lượng không khí là 5l/ phút [16]. Ozturk và cộng sự đã áp dụng phương pháp này, sau 2 giờ, đã xử lý được 72 – 85% lượng amoni trong nước thải rỉ rác khi bổ sung Ca(OH)2 với hàm lượng là 8 g/l và lưu lượng không khí là 7,6 l/phút. Tuy nhiên phương pháp này có chi phí xử lý cao vì đòi hỏi lượng không khí lớn và lượng Ca(OH)2 sau đó phải được xử lý với H2SO4 trước khi thải ra môi trường [48].
Li và cộng sự đã thử nghiệm một phương pháp để loại bỏ amoni trong nước thải thông qua việc kết tủa amoni dưới dạng (NH4)MgPO4.6H2O khi thêm MgCl2 và Ngô Thị Kim Toán 5 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Na2HPO4 trong quá trình xử lý. Bằng phương pháp này, với tỷ lệ Mg:NH4:PO4=1:1:1 và pH trong nước từ 8,5 đến 9, nồng độ amoni trong nước thải rỉ rác giảm từ 5.600 mg/l xuống chỉ còn 110 mg/l trong 15 phút [38]. Phương pháp này cũng đã được Yangin và cộng sự áp dụng đối với nước thải sinh hoạt, kết quả đã loại bỏ được 66% lượng amoni trong nước thải và phương pháp này còn có thể ứng dụng cho việc loại bỏ hợp chất chứa photpho trong nước thải [66]. Một phương pháp để xử lý nitơ khác là bổ sung thêm clo vào nước thải trong quá trình xử lý.
Khi cho clo vào nước thải, NH3 sẽ phản ứng với clo dưới dạng HOCl để tạo ra các sản phẩm trung gian là NH2Cl, NHCl2, NCl3. Quá trình xử lý sẽ diễn ra liên tục khi thêm HOCl vào phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử [56]. Quá trình này diễn ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, pH, thời gian xử lý và tỷ lệ HOCl/NH3 [49]. Với tỷ lệ HOCl/NH3 được tính theo mol bằng 1 tại pH trong khoảng từ 7 đến 8 tất cả NH3 đều chuyển hóa thành NH2Cl.
Với tỉ lệ HOCl/NH3 bằng 2 sản phẩm chủ yếu là NHCl2, khi tỉ lệ trên bằng 3 thì sản phẩm xử lý tạo ra chủ yếu là NCl3 [3]. Xử lý các hợp chất photpho bằng phương pháp hóa học. Photphate là một trong các hợp chất của photpho chiếm tỷ lệ cao trong nước thải. Quá trình xử lý nước thải có chứa hợp chất photpho bằng phương pháp hóa học dựa trên nguyên tắc chủ yếu là kết tủa photphate với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối có độ tan thấp và tách chúng dưới dạng chất rắn [4], [6].
Phương pháp hóa học được sử dụng trước tiên trong xử lý nước thải là sử dụng kiềm hóa bằng Ca(OH)2. Khi thêm Ca(OH)2 vào nước thải, pH sẽ tăng làm dịch chuyển cân bằng về PO43-. Tỷ lệ Ca/P nằm trong khoảng 1,33 đến 2,0 và ion Ca2+ có khả năng loại bỏ photphate do nó tạo với photphate những hợp chất kém hoà tan. Hydroxy apatit C10(PO4)6(OH)2 không xuất hiện ngay trong quá trình hình thành dù nó là thành phần ổn định nhất về mặt nhiệt động và kém hòa tan nhất trong số các kết tủa của photphate canxi.
Photphate canxi Ca3(PO10)2 vô định hình là dạng có cấu trúc tinh thể không ổn định và có độ tan thấp [4]. Ngô Thị Kim Toán 6 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Khả năng loại bỏ photphate trong nước thải có hiệu quả cao khi ở pH >10, đặc biệt khi ở pH từ 10,5 đến 11. Đặc điểm của phương pháp dùng Ca(OH)2 là làm tăng độ kiềm của nước, thuận lợi cho phản ứng phân hủy sinh học của NH4+, không đưa anion mới vào nước thải so với cách dùng muối để kết tủa photphate. Ngoài phương pháp sử dụng Ca(OH)2, loại bỏ phosphate bằng phương pháp hóa học có thể bằng việc kết tủa sử dụng muối sắt, nhôm, các muối sắt sử dụng là: FeCl3, FeClSO4, FeSO4 khi bổ sung vào nước thải, sẽ xảy ra quá trình thủy phân tạo ra các phức chất mang điện tích dương như Fe(OH)2+, Fe(OH)2+ và một số dimer, polymer tích điện dương.