Mở đầu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 5 Luận văn thạc sĩ CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nguyên tố nitơ .1 Chu trình nitơ trong tự nhiên .2 Nguồn phát thải nitơ và vấn đề môi trƣờng .1 Quá trình hình thành nƣớc rỉ rác .2 Phân loại, thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác .3 Các phƣơng pháp xử lý nitơ .1 Phƣơng pháp sinh học xử lý nitơ truyền thống .2 Các phƣơng pháp sinh học xử lý nitơ mới .1 Quá trình nitrit hoá - khử nitrit .2 Quá trình ANAMMOX® .3 Quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình ANAMMOX® trong hai bể phản ứng .4 Quá trình nitrit hoá bán phần và quá trình ANAMMOX® trong một bể phản ứng .5 Quá trình DENAMMOX .3 Công nghệ SNAP .4 Phƣơng pháp xử lý nƣớc rỉ rác .1 Tiêu chuẩn quy định .2 Công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác .5 Hiện trạng xử lý nƣớc rỉ rác tại Việt Nam .1 Xử lý nƣớc rỉ rác BCL Nam Sơn (Hà Nội) .2 Xử lý nƣớc rỉ rác BCL Gò Cát (Tp. Hồ Chí Minh). 34 Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 6 Luận văn thạc sĩ CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nguyên tố nitơ 1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên Nguyên tố nitơ là thành phần có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên [2].
Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N-3) là amoni đến dạng oxy hóa sâu (N+5) là nitrat.1 trình bày các trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ và hợp chất hóa học đại diện cho trạng thái hóa trị đó [2].1: Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học [2] Hợp chất Công thức hóa học Hóa trị Amoni/Amoniac NH4+/NH3 -3 Khí Nitơ N2 0 Dinitơ oxyt N2 O +1 Nitơ oxyt NO +2 Nitrit NO2--N +3 Nitơ dioxyt NO2 +4 - Nitrat NO3 -N +5 Trong môi trƣờng nƣớc tự nhiên, các hợp chất amoni, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khí nitơ, nitrat, nitrit có nồng độ không đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn nitơ cho phần lớn sinh vật. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lƣợng. Trong các quá trình đó, hợp chất nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác, quá trình đó đƣợc gọi là chu trình nitơ. Chu trình nitơ là một quá trình mà nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó.
Việc biến đổi này đƣợc tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học. Quá trình quan trọng trong chu trình nitơ bao gồm sự cố định nitơ (đạm), đồng hóa, khoáng hóa, nitrat hóa, khử nitrat và oxy hóa kỵ khí amoni (Hình 1. Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 7 Luận văn thạc sĩ NO N2 O - Nitrat hóa NO2 N2 Nitrat hóa Cố định nitơ Hợp chất nitơ Khoáng hóa Hiếu khí - + NO3 (protein, urê) NH3/NH4 Thiếu khí Đồng hóa Cố định nitơ Anammox N2 N2 O Khử nitrat NO2- NO Khử nitrat Hình 1.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên [79] Quá trình cố định nitơ/đạm (Nitrogen fixation): Là sự chuyển đổi dạng N2 thành dạng hữu cơ mà sinh vật sử dụng đƣợc. Một lƣợng nhỏ đƣợc cố định nhờ sấm chớp, cháy rừng hay các hoạt động của con ngƣời (bón phân chứa nhiều đạm, đốt các nhiên liệu hóa thạch…) [79].
Quá trình amoni hóa hay khoáng hóa (Ammonification): Khi thực vật hoặc động vật chết đi thì dạng ban đầu của nitơ là chất hữu cơ. Vi khuẩn hoặc nấm, trong một số trƣờng hợp, chuyển đổi nitơ trong xác của chúng thành amoni [79]. Quá trình nitrat hóa (Nitrification): Quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat đƣợc tiến hành bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác (Nitrosomonas và Nitrobacter) [79]. Quá trình khử nitrat (Denitrification): Là sự khử nitrat thành khí nitơ (N2), hoàn tất chu trình nitơ.
Quá trình này xảy ra nhờ các loại vi khuẩn nhƣ Pseudomonas và Clostridium trong môi trƣờng kỵ khí [79]. Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox): Là quá trình mới đƣợc phát hiện từ năm 1995. Trong quá trình này, nitrit và amoni bị biến đổi trực tiếp thành khí nitơ nhờ vi khuẩn anammox trong điều kiện không có mặt oxy [79]. Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 8 Luận văn thạc sĩ 1.2 Nguồn phát thải nitơ và vấn đề môi trƣờng Nguồn phát thải hợp chất nitơ vào môi trƣờng rất phong phú nhƣ từ chất thải rắn, khí thải, nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải ông nghiệp, nƣớc thải nông nghiệp và nƣớc thải chăn nuôi.
Cũng chính vì đặc điểm khác nhau của từng nguồn phát thải mà nồng độ ô nhiễm nitơ cũng khác nhau (Bảng 1.2: Ô nhiễm nitơ theo các nguồn phát thải khác nhau Tổng nitơ (mg/l) Nguồn phát thải Khoảng giá trị Trung bình Nƣớc rỉ rác [58, 29] Giai đoạn axit hóa 194 – 3.610 Giai đoạn metan hóa 283 – 2.040 Nƣớc thải sinh hoạt [54] 20 – 85 35 Nƣớc thải công nghiệp [32, 35] - Giết mổ 115 - Chế biến thịt 76 - Chế biến cá da trơn 28 – 50 33 - Chế biến rau, quả, đồ uống 4 - Rƣợu vang 10 – 50 40 - Hóa chất, phân bón NH3-N 1270 NO3-N 550 - Chế biến cao su (Mủ ly tâm)* 565 Nƣớc thải chăn nuôi gia súc, gia cầm [75, 77] 1500 – 15.200 Nƣớc ao nuôi tôm [14] 20,9** * Bộ môn chế biến, Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam ** Tính theo mật độ nuôi là 60 con/m2 Hoạt động thải các hợp chất nitơ có thể gây tác động đến môi trƣờng xung quanh, nơi tiếp nhận nƣớc thải hoặc các thủy vực. Các hợp chất nitơ thƣờng gây ra các tác động tiêu cực là: amoni, nitrit và nitrat. Sự hiện diện của các hợp chất này ở nồng độ cao có thể gây ra các vấn đề sau: Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 9 Luận văn thạc sĩ Sự suy giảm oxy hòa tan (DO) (1) Gây độc (2) Hiện tƣợng phú dƣỡng hóa (Eutrophication) (3) Bệnh Methemoglobin (4) Suy giảm chất lƣợng nƣớc (tạo màu và mùi hôi) (5) (1) Các phản ứng của quá trình nitrat hóa đều sử dụng oxy hoà tan trong nƣớc, vì thế oxy hoà tan trong nƣớc sẽ giảm và dẫn đến cạn kiệt. Bên cạnh đó, khi tồn tại quá nhiều chất dinh dƣỡng nitơ sẽ tạo điều kiện cho tảo và thực vật thủy sinh tăng trƣởng.
Khi chúng chết sẽ tạo ra lƣợng lớn vật chất hữu cơ mà sẽ đƣợc phân hủy bởi vi khuẩn, và dẫn đến sự giảm hơn nữa lƣợng oxy hòa tan. (2) Các ion của nitơ có thể gây độc đối với đời sống thủy sinh, đặc biệt là ion amoni (NH4+) và nitrit (NO2-) đƣợc xem là cực kỳ độc. Amoni là một trong những chất dinh dƣỡng ƣa thích đối với hầu hết các sinh vật, nhƣng nó có thể đƣợc chuyển đổi sang amoniac (NH3) khi pH môi trƣờng cao (pH > 8). Amoniac có thể gây độc cho đời sống thủy sinh ở nồng độ là 0,025 mg NH3/l.
Hậu quả của sự tăng trƣởng phú dƣỡng hoá là hạn chế ánh sáng đến đƣợc các vùng nƣớc đáy, làm nồng độ oxy hòa tan và pH thay đổi, lần lƣợt giao động trong khoảng 1-20 mg/l và 5,5-10,5 [2]. Hơn nữa, quá trình phát triển mạnh (tảo nở hoa) hay chết (phân hủy) của các loài vi tảo tạo ra nhiều độc tố đối với các loài thủy động vật. Ví dụ của hiện tƣợng phú nhƣỡng hóa là thủy triều đỏ diễn ra ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Mỹ, Trung Quốc…hay tảo nở hoa tại Hồ Xuân Hƣơng, Đà Lạt, Việt Nam (Hình 1. Nitrat đƣợc khử thành nitrit thông qua hệ thống tiêu hoá, nitrit sau đó gắn với hemoglobin của máu, từ đó ngăn chặn cơ chế vận chuyển ôxy.
Bệnh đặc biệt Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 10 Luận văn thạc sĩ nghiêm trọng đối với trẻ nhỏ hơn 4 tháng tuổi (gây ra bệnh trẻ xanh xao – blue baby) [28]. Ngoài ra, nitrit còn kết hợp với một số chất khác có thể tạo thành các hợp chất nitrozo, là chất có khả năng gây ung thƣ.2: Thủy triều đỏ (Trung Quốc) [81] và tảo nở hoa (Việt Nam) [78] (5) Sự bùng nổ về tăng trƣởng hay chết của thực vật thủy sinh sẽ tạo màu, mùi nguồn nƣớc, từ đó làm suy giảm chất lƣợng nguồn nƣớc.1 Quá trình hình thành nƣớc rỉ rác Rác thải là thành phần không còn đƣợc sử dụng đƣợc vào mục đích nào đó nên đƣợc thải bỏ. Rác thải đƣợc phân loại theo hai đối tƣợng chính là rác thải công nghiệp và rác thải sinh hoạt. Các phƣơng pháp xử lý rác thải bao gồm xử lý cơ học, xử lý sinh học, thiêu-đốt và chôn lấp.
Kinh nghiệm đúc kết trên thế giới cho thấy chôn lấp rác thải bằng bãi chôn lấp (BCL) hợp vệ sinh là phƣơng pháp thích hợp cho mọi quốc gia phát triển cũng nhƣ đang phát triển kể cả về mặt kinh tế-kỹ thuật và môi trƣờng. Tuy vậy, nƣớc rỉ rác từ BCL có mức độ ô nhiễm cao và nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng rất lớn. Nƣớc rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình hóa, lý và sinh học diễn ra trong lòng BCL chất thải rắn (Hình 1. Là loại nƣớc chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dƣới đáy ô chôn lấp.
Lƣợng nƣớc rỉ rác đƣợc hình thành chủ yếu do các quá trình sau [4]: Nƣớc thoát ra từ độ ẩm rác: Rác thải đô thị luôn chứa một hàm lƣợng ẩm. Trong quá trình đầm nén, lƣợng nƣớc tách ra khỏi rác và trở thành nƣớc rỉ rác (dƣới 30%) [2]. Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu HVTH: Đào Vĩnh Lộc 11 Luận văn thạc sĩ Nƣớc từ các quá trình phân hủy sinh học: Nƣớc là một trong những sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ. Nƣớc ngầm thấm qua đáy/thân ô chôn lấp vào bên trong nơi chứa rác.
Nƣớc gia nhập từ bên ngoài vào: Nguồn nƣớc mƣa thấm từ trên xuống, qua lớp phủ bề mặt của BCL cũng đóng góp một lƣợng không nhỏ nƣớc rỉ rác (khoảng 70%) [2].3: Nƣớc rỉ rác BCL Gò Cát, Hồ Chí Minh [82] 1.2 Phân loại, thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác a.