Xử lý chất nitơ trong nước: Bài giảng Xử lý chất đặc biệt trong nước

1. D¹ng tån t¹i cña c¸c hîp chÊt Nit¬

xö lý c¸c chÊt ®Æc biÖt trong n−íc

(cid:1) KhÝ N2 + (cid:1) Nit¬ Am«n NH4

Xö lý c¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc

(cid:1) Ammoniac NH3:

+ trong n−íc khi pH cao.

- (cid:1) NO3

- (cid:1) NO2

(cid:1) ®¹m (Protein)

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh Phã viÖn tr−ëng, ViÖn Khoa häc vµ Kü thuËt M«i tr−êng, Tr−êng ®¹i häc X©y dùng

Nit¬ nguyªn chÊt. 79% khÝ quyÓn. S¶n phÈm ph©n huû c¸c hîp chÊt h/c¬ chøa Nit¬. Lµ nguån dinh d−ìng dÔ hÊp thô ®èi víi c©y trång KhÝ (®éc), tan nhiÒu trong n−íc. T¹o tõ NH4 S¶n phÈm oxy ho¸. T¹o c¸c muèi víi c¸c kim lo¹i. D¹ng c©y trång dÔ hÊp thô. S¶n phÈm trung gian cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ Nit¬ Amm«ni thµnh Nitrat Hydrocacbon CxHyOzNn. Cã ph©n tö l−îng cao, lµ thµnh phÇn quan träng ®Ó x©y dùng tÕ bµo cña bÊt kú c¬ thÓ sèng nµo.

(cid:1)

C¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc ngÇm

(cid:1) Nit¬ trong Humic (25 - 60%), Axit Amin (21 - 35%),

+ trong n−íc ngÇm: N−íc th¶i sinh ho¹t, qu¸

(cid:1) N-NH4

(cid:1) Chóng cã thÓ lµ s¶n phÈm cña c¸c qu¸ trình hãa -

Clorophyl (1 - 3%), Peptite, vv...

(cid:1) Qu¸ trình amon hãa (nhê c¸c vi khuÈn amon, men,

trình Am«n hãa - ph©n hñy c¸c HCHC: ®¹m, n−íc tiÓu, axit nucleic... bëi vi sinh vËt, hay do viÖc sö dông ph©n bãn trong n«ng nghiÖp. sinh häc, x©m nhËp vµo n−íc ngÇm tõ n−íc th¶i hay do mét sè qu¸ trình ®Þa hãa ®Æc biÖt.

...): Protein (cid:2) Pepton (cid:2) Peptit (cid:2) Axit Amin (cid:2) Ammoniac

(NH2)2CO + H2O (cid:2) 2 NH3 + CO2

C¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc:

- nhờ vi

- chuyển hóa thành NO2

(cid:1) Phát triển vi sinh vật trong đường ống và làm tăng

(cid:1) Lọt vào cơ thể, NO3 khuẩn đường ruột.

nhanh quá trình ăn mòn đường ống.

- tác động lên Hemoglobin (Hb), biến nó

(cid:1) Các NO2

(cid:1) Gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng

nước. thành Methemoglobin (Met-Hb), mất khả năng vận chuyển oxy đến các mô.

- tác dụng với các Amin hay Alkyl Cacbonat trong

(cid:1) NO2

- tạo ra chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp

(cid:1) NO3

(cid:1) N trong Nước pha Sữa cho Trẻ em - men dạ dày

cơ thể người, có thể tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư. với các Amin để tạo nên những Nitrosamin gây ung thư ở người cao tuổi.

- -

- dễ biến thành NO2

còn chưa phát triển - NO3 chiếm lấy Hb - biến thành Met-Hb - Các mô thiếu oxy - Trẻ xanh xao

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

1

2. C¸c ph−¬ng ph¸p lo¹i bá c¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc

QCVN 01:2009/BYT

- < 50 mg/l - < 3 mg/l + < 3 mg/l (= QCVN 02:2009/BYT)

(cid:1) NO3 (cid:1) NO2 (cid:1) NH4

(cid:1) Am«ni NH4

(cid:1) Làm thoáng (sục khí) (cid:1) Clo hóa, (cid:1) Nitrat hóa + khử Nitrat bằng phương pháp sinh hóa (cid:1) Trao đổi ion (cid:1) Điện hóa, (cid:1) Lọc màng: điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều, (cid:1) Chưng cất (cid:1) vv...

+ ë mét sè giÕng khoan khai th¸c n−íc ngÇm cña Hµ néi: 10 - 20 mg/l hoÆc cao h¬n.

2.1. Lµm tho¸ng ®Ó khö Amoni (air stripping)

+ H+

NH4

+ ↔ NH3 • ë ®iÒu kiÖn pH >7, c©n b»ng chuyÓn dÞch sang ph¶i. • víi pH >10, h¬n 85% Amoni cã thÓ chuyÓn dÞch sang d¹ng

+ OH- ↔ NH4OH

NH4 NH4OH ↔ NH3

↑ + H2O

khÝ khi lµm tho¸ng. • pH = 10 - 11: c¸c ion Hydroxyt d− sÏ chuyÓn c¸c ion NH thµnh Hydroxit Amon.

2.2. Ph−¬ng ph¸p Clo hãa

L−îng Cl2 d−, mg/l

Ct A -

(cid:1) NH3 dễ hoà tan trong nước: Hi = f(t) (cid:1) Hi (NH3) = 0,76 atm/mol ở 20oC (cid:1) CO2: 150 atm/mol; O2: 43000 atm/mol (cid:1) Cần lượng không khí lớn: (cid:1) G/L = 6000, E = 90%.

-

Ct B

(cid:1) Vôi, NaOH + Tăng nhiệt độ (cid:2) Tăng E.

CA

C B

LiÒu l−îng Cl2 ®−a vµo n−íc, mg/l

Cl2 d− khi trong n−íc kh«ng cã NH3 Cl2 d− khi trong n−íc cã NH3 Hµm l−îng NH3 trong n−íc

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

2

2.3. Trao ®æi Ion

(cid:1) XL Amoni: läc qua vËt liÖu läc trao ®æi Kation nh− Zeolite

(pH <<<< 7) (pH > 8) (pH <<<< 5) Cl2 + H2O ↔↔↔↔ HCl + HClO ↔↔↔↔ H+ + ClO- tù nhiªn - ®Êt sÐt, Klinoptilolyte hay Sepiolite. Break points

+ (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) Z-NH4

+ + Na+ + + H+

Z-Na + NH4 hoÆc Z-H + NH4

+ (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) Z-NH4

(cid:1) [Cl2] = 7..10 (10..25) [NH3] (= 6 - 15 mg/l).

2-.

(cid:1) XL Nitrat, Nitrit: Sö dông c¸c vËt liÖu trao ®æi Anionit gèc Cl-, OH- hay SO4

(cid:1) Sö dông, vËn hµnh phøc t¹p; khã hoµn nguyªn, .v.v.

(cid:1) [Cl2] ? [Cl2] d−? THMs? Mïi?

NH3 + Cl2 NH3 + 2Cl2 Hoµn nguyªn: (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) HCl + NH2Cl (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) 2 HCl + NHCl2 (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) N2 + 3HCl NH2Cl + NHCl2 NaCl 0.6M hoÆc H2SO4 (thu ®−îc (NH4)2SO4: ph©n bãn) 2 NH2Cl + Cl2 (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) N2 + 4HCl

2.4. Ph−¬ng ph¸p sinh häc

Denitrification

10-60%

Primary

(1) Nitrification/Denitrification

Settling tank

Nitrification

settling tank

(cid:1) BÞ hÊp thô bëi tÕ bµo trong qu¸ trình chuyÓn ho¸

40-80%

100%

Metabolism

30-40%

20%

15-20%

Super-natant

Incorporation: 15-20%

(cid:1) TÕ bµo hÊp thô ®Ó sinh tr−ëng (cid:1) ChuyÓn tõ Amoni sang d¹ng oxy ho¸ (cid:1) ChuyÓn tõ d¹ng «xy ho¸ sang Nit¬ tù do N2 (cid:1) Yªu cÇu:

Sludge

Sludge thickening

Digestor

(cid:1) Oxygen (cid:1) Carbon (hữu c¬/v« c¬)

a. Nitrification

(cid:1) Nitrosomonas, Nitrosospire, Nitrosococcus, Nitrosolobus

+ + 3 O2

- + 2 H2O + Q

2 NH4 (cid:2) 4 H+ + 2 NO2 Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng: dùng năng lượng sinh ra từ phản ứng Nitrat hóa để khử CO2 của không khí và tạo nên các chất hữu cơ của cơ thể chúng.

TÕ bµo míi

M« tÕ bµo

- + Q

(cid:1) Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus (cid:2) 2 NO3

- + O2

2 NO2

TÕ bµo míi

- + 1,88 H2CO3

NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3 0,021C5H7NO2 + 1,041 H2O + 0,98 NO3

§é kiÒm gi¶m bæ sung KiÒm!

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

3

(cid:1) Bể lọc sinh học (cid:1) Vận tốc quá trình oxy hóa Amôni phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng VSV), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng Amôni, oxy hòa tan, vật liệu lọc, tỷ lệ C/N...

(cid:1) Độ kiềm (cid:1) 1 mg N-NH4 cần 4,6 mg O2, tạo 0,09 mg sinh khối (cid:1) DO > 4 mg/l; (cid:1) Các chất ức chế: Cu, Ag, Hg, Ni, Cr, Zn, ..., các hợp

DO = 2 mg/l: E = 50%

chất Phenol, Xianua, Nitrit, ...

b. Khö Nitrat trong ®iÒu kiÖn thiÕu khÝ (Anoxic)

(cid:1) NÕu cã oxy trong n−íc, ph¶i khö b»ng c¸ch bæ sung thªm

(cid:1) Nguån Cacbon: Metan, Methanol, ®−êng, Etanol, dÊm :

1 l−îng Methanol: (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) NO3

- + 1.08 CH3OH + 0.24 H2CO3

3O2 + 2 CH3OH (cid:2) 2 CO2 + 4 H2O

-

(cid:1) H« hÊp néi bµo:

-)-N = 3 .. 5 kg/kg

- + NO3

0.056 C5H7NO2 + 0.47 N2+ 1.68 H2O + HCO3

C5H7NO2 + 4.6NO3

- (cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) 2.8N2 + 5CO2 + 4.6OH- + 1.2H2O

(cid:1) Chất nh−êng ®iÖn tö: Hydro (H) (cid:1) BOD/N: BOD/(NO2 (cid:1) KiÒm tăng

Microcucous Ptoteus Pseudomonas Brevibacterium Spirillium

Aerobacter Alcaligenes Bacilus Brevibacterium Lactobacillus

Vi khuÈn dÞ d−ìng

Nitrification – denitrification

VK



 → Nitrit VK

276

351

+ 4

− 2

O2H 2

3 2

VK  → VK Nitrat



+ 2

− 3

1 2

n o i t a c i f i r t i

→

N

+ 4

− 3

OH 2

4NO3

- + CH3COONa → 4NO2

- + 2CO2 + H2O + NaOH

VK

2NO2

- + CH3COONa → N2 + 2CO2 + H2O + NaOH

VK

4NO3

- + 3CH3COONa → 2N2 + 6CO2 + 3H2O + 3NaOH

n o i t a c i f i r t i n e D

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

4

Nitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph

50.0

10.0

45.0

9.0

40.0

8.0

) l /

)

35.0

7.0

C o ( ,

q e g m

30.0

6.0

( y t i n

i l

25.0

5.0

l

a k A

,

20.0

4.0

e r u t a r e p m e T

H p

15.0

3.0

10.0

2.0

To in

5.0

1.0

To out

0.0

pH in

pH out

Date

Ki in

Ki out

Denitrification: Temp., pH, Alkalinity Graph

30.0

9.0

Nitrogen loading rate (NLR) vs. Removal efficiency (E)

8.0

100

) l /

25.0

7.0

C o

q e g m

20.0

6.0

%

( y t i n

,

5.0

15.0

i l a k l A

,

4.0

, e r u t a r e p m e T

H p

E, %

10.0

3.0

2.0

5.0

T in

1.0

E y c n e i c i f f e l a v o m e R

T out

0.0

pH in

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

pH out

Date

Ki in

NLR, g N-NO

/(g VSS.d)

3

Ki out

removed Graph

COD consumed vs. N-NO 3

25.0

180

160

20.0

) l /

NaHCO3 = 50 mg/l

140

) l /

Nitrification

g m

50.0

100.0

HRT = 0.5h

120

) l /

( t u o

15.0

45.0

90.0

,

)

( t u o

g m

(

n

,

100

%

-

i

n

2 i

40.0

80.0

O N

,

D O C

+

35.0

70.0

10.0

-

4 H N

3 O N N

30.0

60.0

( l a v o m e r E

, ) l /

25.0

50.0

g m

5.0

(

-

3

20.0

40.0

O N

15.0

30.0

COD in

0.0

10.0

20.0

NH4+ in

NH4+ out

COD out

5.0

10.0

Date

NO2- in

0.0

NO2- out

N-NO3 in

NO3- in

NO3- out

Date

N-NO3 out

E removal, %

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

5

(2) Xö lý sinh ho¸, nhê c¸c vi khuÈn khö Nitrat tù d−ìng

Denitrification

3.00

100.0

)

%

) l /

( .

90.0

g m

2.50

80.0

m e r E

( t u o

(cid:1) Methanogenic, Homoaceotogenic, vi khuÈn khö Sulfat, .. . (cid:1) Sö dông Hydro Cathode (tõ qu¸ tr×nh oxy ho¸ s¾t): Fe(0) + 2 H2O → H2 + Fe2+ + OH-

,

, ) l /

70.0

n

2.00

i

-

g m

2

(cid:1) Hydrogen: chÊt nh−êng ®iÖn tö, t¹o n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh

60.0

O N

( t u o

,

1.50

50.0

dinh d−ìng.

n

i

-

, + 4 H N

3

40.0

O N

- + 5 H2

1.00

30.0

20.0

NH4+in

0.50

NH4+out

10.0

NO2- in

2NO3 (cid:2) N2 + 4 H2O + 2 OH-

5 Fe(0) + 2 NO3

- + 6 H2O →→→→ 5 Fe2+ + N2 + 12 OH-

0.00

0.0

NO2- out

NO3- in

Date

NO3- out

9/3/2004

14/04/04

27/04/04

16/06/04

12/5/2004

27/7/2004

30/7/2004

E removal, %

(4) Khö Nit¬ trong bÓ läc sinh häc nhá giät

(3) Oxy hóa bậc cao, phản ứng Fenton

Activ. sludge

Sedimentation

Raw wastewater

Fe2+ + H2O2

Fe2+ or Fe3+

Runoff

(5) C«ng nghÖ Anammox (Anaerobic Ammonia Oxidation)

C¬ chÕ khö Nit¬ trong bÓ läc sinh häc nhá giät

(cid:1) Delft Univ., Hµ lan (cid:1) ViÖn M«i tr−êng Liªn bang Thôy sÜ EAWAG (cid:1) Kumamoto Univ., NhËt b¶n (cid:1) Hannover Univ., Germany (cid:1) TT NC CN Cao, Qeensland, Australia

(50-60% Q) (40-50% Q) 2 NH4 NH4

+ + 3 O2 + + NO2

(cid:1) Vi khuÈn kþ khÝ nhãm Planktomyces (cid:1) Môi trường thích hợp (pH, to, ...)

(cid:2) 4 H+ + 2 NO2 + 2 H2O - (cid:2) N2 + 2H2O

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

6

C«ng nghÖ Anammox

gas gas gas gas

aqueous aqueous aqueous aqueous

++++ NHNHNHNH3333/NH/NH/NH/NH4444

Nitrogen Cycle Giảm 25% nhu cầu oxy, 40% nhu cầu Carbon ! HNOHNOHNOHNO3333 NONONONO Nitrification/Denitrification Nitritation/ANAMMOX HNOHNOHNOHNO2222 NNNN2222OOOO NH4 NH4 2 O2 0.75 O2 60% NNNN2222 NHNHNHNH2222OHOHOHOH 40% NNNN2222HHHH4444 Nitrification Denitrification Anammox 0.4 NH4 0.6 NO2 NO3 OrgOrgOrgOrg----NNNN CH3OH 3.4 kgkg-1N no CH3OH

Anammox:

---- ++++ NONONONO 2222

NNNN2222 + + + +

NHNHNHNH 4444 2H2H2H2H2222O O O O ---- + 0.13H + 0.13H + + + + + 0.13H + 0.13H

---- + + + +

---- + 0.066HCO + 0.066HCO3333 + 0.066HCO + 0.066HCO

+ 0.26NO3333 1.02N2222 + 0.26NO 1.02N + 0.26NO + 0.26NO 1.02N1.02N

++++ + 1.32NO + 1.32NO2222 NHNHNHNH 4444 + 1.32NO + 1.32NO 0.066Biomass+2.03H2222O O O O 0.066Biomass+2.03H 0.066Biomass+2.03H 0.066Biomass+2.03H

0.5 N2 0.5 N2

2.5. Điện hóa

ガスタンク Gas tank

処理水 effluent

(cid:1) Hòa nước cần xử lý với nước muối hay nước biển rồi

Ⓟ 流入水

influent

(cid:1) Các bọt khí H2 xuất hiện trên Katod sẽ nổi lên, cuốn

cho qua ngăn điện phân với điện cực bằng than. (cid:1) Do sự khác nhau giữa tỷ trọng của nước biển (muối) và dung dịch, nước muối sẽ dồn chảy tới đáy Anod và tạo kết tủa MgNH4PO4 + Mg(OH)2.

(cid:1) Cl2 tạo thành trên Anod được tận dụng để khử trùng

theo bọt và tách ra.

(cid:1) Áp dụng để khử Nitơ trong nước thải trong công

nước xử lý.

đoạn xử lý bậc 3.