CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng ô nhiễm amoni và một số phương pháp xử lí 1.1 Nguồn gốc và hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ở Việt Nam a. Sơ lược về amoni Amoni bao gồm có 2 dạng: không ion hóa (NH3) và ion hóa (NH4+). Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hóa nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin [1]. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước Nitơ tồn tại trong hệ thủy sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ.
Các dạng vô cơ cơ bản với tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào môi trường nước. Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường được sục khí đầy đủ và liên tục. Nitrit (NO2-) tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) tồn tại ở dạng cơ bản trong điều kiện kỵ khí. Amoni Đồ án thiết kế hòa tan trong nước tạo thành dạng hyđrôxit amoni (NH4OH) và sẽ phân ly thành ion amoni (NH4+) và ion hyđrôxit (OH-).
Quá trình oxi hóa có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hóa chúng thành dạng nitơ [2]. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau nhưng chủ yếu do hoạt động của con người tạo ra như: Sinh hoạt, đô thị, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải thủy…[1].2 Hiện trạng ô nhiễm amoni ở Việt Nam [3] Theo đánh giá của nhiều báo cáo và hội thảo khoa học thì tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã được phát hiện tại nhiều vùng trong cả nước. Chẳng hạn như tại thành phố Hồ Chí Minh, kết quả quan trắc nước ngầm gần đây cho thấy lượng nước ngầm ở khu vực ngoại thành đang diễn biến ngày càng xấu đi. Cụ thể năm 2011 nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni (68,73 mg/l cao gấp 1,9 lần so với năm 2005).
4 Ngoài ra còn có một số khu vực khác cũng bị ô nhiễm trong nước ngầm nhưng khu vực bị ô nhiễm trong nước ngầm nặng nề nhất trong cả nước là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn nước sinh hoạt (3mg/l) khoảng 70 - 80%. Trong nhiều nguồn nước ngầm còn nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxi hóa có nguồn đạt 30 - 40mg O2/l. Có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm đang sử dụng không đạt tiêu chuẩn về amoni và các hợp chất hữu cơ.3 Ảnh hưởng của amoni đối với sức khỏe con người [19] Amoni thật ra không gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lí…Amoni được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, vì nó có thể chuyển hóa thành nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người.
Chính vì vậy quy định nồng độ nitrit cho phép trong nước sinh hoạt là khá thấp. Đồ án thiết kế Khi ăn uống nước có chứa nitrit thì cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxi của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxi, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da. Vì vậy, nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ mới sinh dưới sáu tháng tuổi, nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp. Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một họ chất nitrosamin.
Nitrosamin có thể gây tổn thương duy truyền tế bào, nguyên nhân gây ung thư. Những thí nghiệm cho nitrit vào trong thức ăn, thức uống của chuột, thỏ… với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì thấy sau một thời gian những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng. Các hợp chất nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi.1: Giới hạn nồng độ các hợp chất của nitơ trong nước uống [19].
STT Chỉ tiêu Giới hạn tối đa Đơn vị 1 Hàm lượng amoni tính theo NH4+ 1,5 mg/l 2 Hàm lượng nitrat 50,0 mg/l 3 Hàm lượng nitrit 3,0 mg/l 1.4 Một số phương pháp xử lí amoni [19] a. Phương pháp clo hóa Clo gần như là chất oxi hóa mạnh có khả năng oxi hóa amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng về dạng N2. Khi hòa tan clo trong nước tùy theo pH của nước mà clo có thể nằm dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình: Cl2 + H2O HCl + HClO (1.1) H+ + ClO- Đồ án thiết kế HClO (1.2) Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau: HClO + NH3 H2O + NH2Cl (Monicloramin) (1.3) HClO + NH2Cl H2O + NHCl2 (Dicloramin) (1.4) HClO + NH2Cl H2O + NCl3 (Tricloramin) (1.5) Nếu có clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các cloramin. HClO + 2NH2Cl N2+3Cl’ + H2O (1.6) Lúc này lượng clo dư trong nước sẽ giảm tới số lượng nhỏ nhất vì xảy ra phản ứng phân hủy cloramin.
Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng Amoni trong nước tồn tại dưới dạng cân bằng: 6 + + NH4 NH3 + H ; pKa = 9,5 (1.7) Như vậy, ở pH = 7 chỉ có một lượng rất nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta nâng pH thành 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển cân bằng về phía phải. + NH4 + OH- NH3 + H2O (1.8) Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lượng khí cần để đuổi ở mức 16000 m3 không khí/m3 nước và quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.
Phương pháp này áp dụng được cho nước thải, khó có thể đưa được nồng độ NH4+ xuống dưới 1,5mg/l nên rất hiếm khi được áp dụng để xử lí nước cấp. Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-) Đồ án thiết kế Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến là người ta có thể thay thế bằng một số tác nhân oxi hóa khác như là ozon với sự có mặt của xúc tác Br-. Về cơ bản xử lí NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống nhưng phương pháp xử lí bằng clo. Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa thành BrO- theo phản ứng sau đây: + Br- + O3 + H HBrO + O2 (1.9) Phản ứng oxi hóa NH4+ được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion ClO-: NH3 + HBrO NH2Br + H2O (1.10) NH2Br + HBrO NH2Br2 + H2O (1.11) + NH2Br + NHBr2 N2 + 3Br- + H (1.12) 7 Đây chính là điểm tương đồng của hai phương pháp clo hóa và ozon hóa xúc tác Br.
Phương pháp trao đổi ion Quá trình trao đổi ion là một quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bề mặt hoặc bên trong của pha rắn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo những định luật bảo toàn điện tích, phương trình trao đổi ion được mô tả một cách tổng quát như sau: - AX + B AB + X- (1.14) Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation. Phản ứng trao đổi là một phản ứng thuận nghịch, chiều thuận được gọi là chiều Đồ án thiết kế trao đổi, chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Ví dụ về phản ứng sử dụng nhựa trao đổi ion: + + R-H + NH4 R-NH4 + H (1.
Phương pháp sinh học Ở phương pháp sinh học gồm có hai quá trình nối tiếp nhau là nitrat hóa và khử nitrat hóa như sau: - Quá trình nitrat hóa: Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau: + - + NH4 + 1,5O2 NO2 + 2H + H2O (1.17) 8 Phương trình tổng: + - + NH4 + 2O2 NO3 + 2H + H2O (1.18) Đầu tiên, amoni được oxi hóa thành các nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Sau đó các ion nitrit bị oxi hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng. Năng lượng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuẩn sử dụng trong quá trình tổng hợp tế bào.
Nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ. Ngoài ra chúng còn tiêu thụ mạnh O2. - Quá trình khử nitrat hóa: Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu không khí. Nitrit và nitrat sẽ chuyển hóa thành dạng khí N2.
Phương pháp hấp phụ Đồ án thiết kế Phương pháp hấp phụ dựa vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong đó các chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ nhờ đó mà quá trình lọc được thực hiện. Thường khi sử dụng phương pháp này thì nồng độ của amoni trong nước sẽ xuống nồng độ dưới 1,5mg/l, đem lại hiệu quả tốt hơn nên có thể sử dụng phương pháp này để sản xuất nước cấp được. Để nâng cao khả năng lọc của chất hấp bị phụ có nồng độ lớn ta có thể sử dụng phương pháp sử dụng nhiều lớp chất hấp phụ với các kích thước khác nhau.1 Sơ lược về khoáng kaolinite Ở Việt Nam cao lanh có ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Yên, Hà Giang, Phú Thọ, Lâm Đồng, Bình Dươnng …với trữ lượng lớn và chất lượng khá tốt. Thành phần chính của cao lanh là khoáng vật kaolinite, có công thức hóa học đơn giản là Al2O3.
Kaolinite là loại khoáng thường gặp nhất trong tự nhiên, là thành phần khoáng vật chủ yếu của các loại đất sét. Trong cao lanh còn có Fe2O3, TiO2, K2O, CaO, Na2O với hàm lượng nhỏ. Cao lanh nguyên khai còn có chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, α-quart, pyrit, nhưng hàm lượng rất ít [4]. Cao lanh được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp vật liệu xây dựng, sản xuất gốm sứ, công nghiệp in, làm chất nền, mới đây cao lanh đang được chú ý như một nguồn nguyên liệu có nhiều ưu điểm để sản xuất zeolite Đồ án thiết kế làm các chất trao đổi ion, hấp phụ, làm các chất xúc tác công nghiệp hóa học và môi trường [20].