CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nitrat[1] Nitrat là một phần của chu trình nitơ trong môi trường. Hoạt động của con người bao gồm nước thải đô thị, công nghiệp chưa được xử lý hay sử dụng quá nhiều phân đạm trong sản xuất nông nghiệp,. đã phát thải nitrat vào môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước mặt và nước ngầm.Nguồn phát thải nitrat vào môi trường[1, 11] 1.
Nước thải sinh hoạt[11] Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi). Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng.
Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5 – 16 gam nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó. Hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân khoảng 8 lần. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nước tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/ammoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân hủy yếm khí các chất thải, quá trình phân hủy này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng cacbon nhưng tác dụng làm giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật.
Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí. Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hóa amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60 – 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải. Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn nước thải: mức độ sử dụng nước của dân cư, mức độ tập trung các dịch vụ công cộng, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt (thức ăn nguội, tự nấu Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng nướng), thay đổi mạnh theo chu kỳ thời gian ngày tháng cũng như mức sống và tiện nghi cộng đồng.
Lượng chất thải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độ sau khi được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người (ở các nước công nghiệp khoảng 190 lít/người/ngày) hoặc trong các cống rãnh thải (450 lít/người/ngày). Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: Các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat). Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hoá. Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất,.
chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ. Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo thành nitrat. Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa nitơ. Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ oxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng oxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết.
Nước thải công nghiệp[1] Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da. Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy sản, giết mổ, và sản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm. Chế biến thủy sản, giết mổ gia súc gồm các công đoạn sản xuất các sản phẩm đông lạnh (thô) và đồ hộp. Giai đoạn đầu của quá trình chế biến là vệ sinh, giết, mổ, loại bỏ các phần thải (vây cá, lông, phân, chân tôm, cua…).
Các công đoạn kể trên thường được thực hiện trong nước, hoặc được rửa bằng nước với lượng khá lớn. Nước thải từ khâu giết mổ chứa một lượng lớn máu, mỡ, phân cùng các mảnh thịt vụn, nước thải từ khâu giết mổ được thu gom cùng với nước vệ sinh dụng cụ và nơi làm việc.2 ghi mức độ ô nhiễm hợp chất nitơ trong một vài nguồn thải. Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Bảng 1. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp Nguồn Nồng độ nitơ tổng (mg/L) (khoảng) - Giết mổ 115 - Chế biến thịt 76 - Chế biến: + Cá da trơn 33 (28 – 50) + Cua 94 (58 – 138) +Tôm 215 (164 – 266) + Cá 30 - Chế biến rau, quả, đồ uống 4 - Bột, sản phẩm khoai tây 21 (5 – 40) - Rượu vang 40 (10 – 50) - Hóa chất, phân bón + NH3_N 1270 +NO3-_N 550 (nguồn: Lê Văn Cát – Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho) 1.
Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi[1] Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm và lân cho cây trồng vì các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất nitơ, photpho trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân đã bón cây trồng không hấp thu được nhiều do nhiều nguyên nhân: phân hủy, rửa trôi (phân đạm, urê, phân lân, phân tổng hợp (NPK)) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây trồng không thể hấp thu đối với phân lân. Có số liệu cho thấy phân urê khi bón cho lúa nước có thể bị mất mát tới 30 – 40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân hủy ngoài môi trường.
Trong môi trường nước, urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí cacbonic: CO(NH2)2 + H2O CO2 + 2NH3 Lượng nitơ trong phân đạm urê chiếm 46%, mỗi ha lúa nước sử dụng khoảng 12kg urê, với lượng phân đạm sử dụng hàng năm ở nước ta khoảng 2 triệu tấn thì lượng nitơ thải vào môi trường cũng khá lớn. Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn so với nước thải sinh hoạt, chủ yếu là do nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được chiết ra từ các chất rắn khi gặp nước. Nồng độ các tạp chất trong nước thải chuồng trại cao hơn từ 50 – 150 lần so với mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị, nồng độ hợp chất nitơ (TKN) nằm trong khoảng 1500 – 15200 mg/L.
Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau.3 ghi một số thành phần chính trong phân của các loài vật nuôi khác nhau. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi (giá trị trung bình) Phân loài nuôi Độ ẩm (%) N (%) P2O5 (%) K2O (%) Bò thịt 85 0,5 0,2 0,5 Bò sữa 85 0,7 0,5 0,5 Gia cầm 72 1,2 1,3 0,6 Lợn 82 0,5 0,3 0,4 Dê, cừu 77 1,4 0,5 0,2 (nguồn: Lê Văn Cát – Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho) 1. Quá trình chuyển hóa của nitrat trong nước[8, 10] Hiện tượng phú dưỡng là một khái niệm dùng để chỉ một nguồn nước, trong đó có quá trình phát triển ồ ạt của thủy thực vật mà trước tiên là các loài vi tảo. Nguyên nhân của quá trình trên là do nước chứa nhiều chất dinh dưỡng cho thực vật: đạm và lân.
Trong giai đoạn tảo phát triển, nguồn nước giàu oxy, pH cao do quá trình quang hợp áp đảo quá trình hô hấp của thực vật, và ngược lại. Trong giai đoạn tảo chết, phân hủy, nguồn nước sẽ bị cạn kiệt oxy, pH thường là thấp và bị ô nhiễm bởi các chất từ quá trình phân hủy yếm khí có tính khử (hóa học) cao, độc, có mùi hôi. Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin…) các chất này dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac. Sự có mặt của amoniac trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ (nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thị Kim Phượng lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (do vi khuẩn Nitrobacter) là dạng khó xử lý nhất của nitơ.
Quá trình chuyển NO3- NO2- NO N2O N2 với việc sử dụng metanol làm nguồn cacbon được biểu diễn bằng sơ đồ sau đây: Nitơ phân tử N2 Cố định Nitơ N_protein thực vật N_protein động vật Amon hóa Khử nitơrat NH4+ hoặc NH3 Nitrat + hóa O2 Nitrat hóa NO NO2- - + 3 Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình O xử2 lý nitơ bằng phương pháp sinh học. Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa. Nitrat hóa Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất oxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO2 (dạng vô cơ) hơn là các nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới.
Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng. Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vật, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. Ở giai đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat. NH4- + 1,5 O2 NO2- + 2H+ + H2O Bước 2.
NO-2 + 0,5 O2 NO3- Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.
