MỞ ĐẦU Các hợp chất của nitơ (amoni, nitrit, nitrat) là yếu tố cần thiết phải loại bỏ trong trong nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng do với hàm lượng cao, các hợp chất này gây ra độc tính đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Quá trình chuyển hóa nitơ chính trong nước thải sinh hoạt là quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa. Trong hai quá trình này, sự chuyển đổi giữa các hợp chất NH4+, NO2-, NO3-, N2 diễn ra. Quá trình nitrat hóa chuyển đổi amoni thành nitrat được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrat hóa.
Trong giai đoạn đầu tiên (nitrit hóa), amoni (NH4+) được chuyển đổi thành nitrit (NO2-), quá trình này được tiến hành bởi các loài vi khuẩn Nitrosomonas. Trong giai đoạn thứ hai, các loại vi khuẩn khác như Nitrobacter oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3-). Quá trình phản nitrat hóa khử nitrat thành khí nitơ. Nhờ vào các loại vi khuẩn như Pseudomonas và Clostridium trong môi trường thiếu khí lấy oxy trong nitrat để tổng hợp tế bào, khử nitrat thành N2 dạng khí.
Công nghệ thiếu khí - hiếu khí luân phiên (intermittent aeration) được biết đến là một trong những công nghệ xử lý amoni đặc biệt hiệu quả. Với tỉ lệ C/N thích hợp, hiệu quả loại bỏ nitơ của công nghệ này có thể đạt đến 77,3%. Tỉ lệ N/BOD5 bằng 0,18, khả năng loại bỏ nitơ của hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên đạt tới 96,9% [28]. Có thể thấy đối với những đối tượng nước thải có đặc trưng khác nhau thì quá trình chuyển hóa khác nhau, do đó cần áp dụng những thông số vận hành phù hợp để đạt hiệu quả xử lý cao nhất.
Việc xây dựng được quy trình vận hành phù hợp cho hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên sẽ giúp tiết kiệm diện tích xây dựng, phù hợp với các công trình bị hạn chế về không gian mà vẫn đạt được hiệu quả cao đối với yêu cầu về xử lý nitơ trong nước thải. Tuy nhiên, nhược điểm là nếu quy trình vận hành không phù hợp, không xác định, không hiểu rõ được quá trình chuyển hóa chất ô nhiễm thì hiệu quả xử lý sẽ không cao. Ngoài việc kiểm soát các thành phần nước đầu vào thì việc điều chỉnh lưu lượng khí cấp vào hệ thống cũng như thời gian lưu thủy lực phù hợp giữa giai đoạn thiếu khí và giai đoạn hiếu khí đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả xử lý của hệ thống. Do vậy, luận văn “Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải sinh hoạt bằng hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nitơ và nghiên cứu quá trình chuyển hóa nitơ trong hệ thống khi thay đổi các thông số ảnh hưởng, góp phần giải quyết những hạn chế nêu trên.
9 Mục tiêu của quá trình nghiên cứu: - Xác định, đánh giá hiệu quả chuyển hóa các hợp chất nitơ NH4+, NO2-, NO3- trong một hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên xử lý nước thải sinh hoạt. Ngoài ra đánh giá thêm một số chỉ tiêu phổ biến như COD và PO43-- P để đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thiếu – hiếu khí luân phiên với nước thải sinh hoạt nói chung. - Lựa chọn được thông số vận hành phù hợp cho hệ thống thiếu khí - hiếu khí luân phiên để quá trình chuyển hóa nitơ đạt hiệu suất cao. Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nội dung 1: Ảnh hưởng của hàm lượng bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý của hệ thống.
- Nội dung 2: Ảnh hưởng của thời gian cấp khí/ngừng cấp khí tới hiệu quả xử lý của hệ thống. - Nội dung 3: Đánh giá sự biến thiên của giá trị oxy hòa tan (DO) và pH trong quá trình thí nghiệm - Nội dung 4: Ảnh hưởng của tổng thời gian lưu thủy lực đến hiệu quả xử lý amoni. Các hợp chất nitơ trong nước thải: 1. Nguy cơ đến môi trường Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ hoạt động hằng ngày của con người như tắm giặt, vệ sinh, ăn uống, là loại nước thải phổ biến, thường gặp nhất trong cuộc sống.
Nước thải sinh hoạt được phân loại như sau: ➢ Theo nguồn thải: Nước thải từ các khu nhà vệ sinh. Nước thải từ khu vực nhà bếp, nấu nướng, rửa thức ăn. Nước thải từ khu vực rửa chân tay, tắm giặt. ➢ Theo mức độ ô nhiễm: - Nước thải đen: nước thải tại các khu vệ sinh.
- Nước thải xám: nước thải khu vực nhà bếp, khu vực nhà tắm. Đặc tính chung của nước thải sinh hoạt là bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, dầu mỡ, chất hoạt động bề mặt, các cặn bã lơ lửng, các vi trùng, vi sinh vật gây bệnh (E.coli, Coliform…), các chất dinh dưỡng như phốt pho và đặc biệt là nitơ. Hiện nay, tại Việt Nam tình trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt gây ra vẫn là một vấn đề rất đáng lo ngại. Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác.
Nước thải sinh hoạt có rất ít các hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp đổ ra nguồn tiếp nhận. Khiến các kênh mương, sông hồ trong thành phố trở thành điểm chết gây mất mỹ quan đô thị và ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân. Theo Sở Xây dựng Hà Nội, cả Thủ đô hiện chỉ có 7 nhà máy xử lý nước thải, đáp ứng được 22% số lượng nước thải ra hằng ngày, còn tới 78% đang được xả thẳng ra môi trường. Với dân số hơn 8 triệu người, trong một ngày, Hà Nội tiếp nhận 350.000 m3 nước thải sinh hoạt, trong đó chỉ có 10% được xử lý còn lại tất cả được đổ ra hệ thống kênh rạch, sông hồ trong thành phố [9].
Chỉ số BOD, oxy hòa tan, các chất NH4+, NO2-, NO3- ở các sông, mương nội thành đều vượt quá quy định cho phép. Không chỉ các thành phố lớn, ở nông thôn, nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước bề mặt và cả nguồn nước ngầm ngày càng trầm trọng. Trong số đó, ô nhiễm nguồn nước do amoni và các hợp chất khác của nitơ là nghiêm trọng và rõ ràng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của con người. 11 Các hợp chất của nitơ trong nước thải như nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), amoni (NH4+) là thức ăn đối với sinh vật phù du và tảo.
Khi nồng độ nitơ trong sông, suối, ao, hồ hay nước biển tăng do quá trình xả thải nước thải sinh hoạt ra môi trường, sẽ dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. Do dư thừa dinh dưỡng, thức ăn trong nước, các vi sinh vật và tảo phát triển nhanh về số lượng sẽ làm giảm lượng ô xy hòa tan trong nước gây ngạt cho các sinh vật sống trong khu vực đó, thậm chí là chết hàng loạt [8]. Ngoài ra, nitrit là hợp chất rất độc đối cho con người do nó có thể chuyển hóa thành nitroamin, một chất có khả năng gây ung thư. Cả nitrit và nitrat đều có khả năng tạo methaemoglobin, là nguồn gốc gây bệnh methemoglobin huyết cho cả trẻ sơ sinh và người lớn [4].
Các dạng hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt Trong nước thải sinh hoạt, các hợp chất của nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Trong nước, amoni tồn tại chủ yếu dưới dưới dạng cation NH4+. Amoni không tồn tại lâu trong nước mà dễ dàng chuyển thành nitrit. Nitrit trong nước sẽ ức chế men enzym trong thịt cản trở quá trình chuyển màu của thịt.
Vì thế, thịt khi nấu trong nước có nhiễm amoni chín nhừ vẫn giữ màu như thịt sống. Ngoài ra, với những mẫu nước nhiễm amoni từ 20 mg/l trở lên có thể ngửi thấy mùi khai. [27] Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hoá, nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin. Khi hàm lượng amoni trong nước ăn uống cao hơn tiêu chuẩn cho phép chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi chất 12 thải động vật, con người có khả năng xuất hiện các loại vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh.
Amoni không độc với cơ thể con người, nhưng nếu tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư và các bệnh nguy hiểm khác. Trong khi hàm lượng cho phép của nitrit là 0,01 mg/lít và nitrat là 10-50 mg/lít. [27] Amoni là một trong những yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm giảm tác dụng của clo, giảm hiệu quả khử trung nước do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần. Amoni cùng với các chất vi lượng trong nước (hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý.
Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước. Nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố cảm quan (NH4+ là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan) [3]. b) Nitrit (NO2-) Nitrit là một dạng hợp chất của nitơ và oxy, được hình thành trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ và nitrit trong nước chính là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển amoniac thành nitrat bởi sự hoạt động của vi khuẩn. Hàm lượng nitrit có trong nước chứng tỏ nguồn nước đó đã bị ô nhiễm trong thời gian dài.
Nitrit chỉ có thể tồn tại trong nước thời gian rất ngắn vì khi gặp oxi có trong nước nitrit sẽ chuyển hóa thành nitrat. Nitrit rất độc đối với sức khỏe con người khi nhiễm phải, gây ra các bệnh về thiếu oxy trong máu. c) Nitrat (NO3-) 13 Nitrat (NO3-) là bazơ liên hợp của axit nitric, gồm một nguyên tử nitơ trung tâm bao quanh bởi 3 nguyên tử ôxy giống hệt nhau và xếp trên cùng một mặt phẳng tam giác. Trong nước nó là sản phẩm cuối cùng của phản ứng oxy hóa dưới tác động của vi khuẩn từ NH4+ thành NO2- và cuối cùng là NO3-.
Khi sử dụng nguồn nước hoặc thực phẩm có hàm lượng nitrat lớn hơn 10 mg/l sẽ gây ra các bệnh về máu đặc biệt là ở trẻ nhỏ. Khi NO3- hấp thụ vào máu, các hemoglobin (có chức năng chuyên chở oxy trong máu) sẽ biến thành methemoglobin. Các methemoglobin này sẽ bị mất hoặc suy giảm khả năng vận chuyển oxy, gây nên hiện tượng thiếu oxy cho các tế bào, đặc biệt là não hoạt động.