Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu thu hồi Amoni và Photphat trong nước tiểu dưới dạng cấu trúc struvite

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận văn là nghiên cứu sự hình thành cấu trúc Struvite - MAP. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến quá trình tạo Struvite - MAP. Sử dụng phương pháp tạo kết tủa Struvite để tách loại được amoni và photphat trong nước tiểu (từ nguồn thải sinh hoạt và nguồn thải chăn nuôi bò sữa Ba Vì). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu thu hồi Amoni và Photphat trong nước tiểu dưới dạng cấu trúc struvite

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THU HỒI AMONI VÀ PHOTPHAT TRONG NƯỚC TIỂU DƯỚI DẠNG CẤU TRÚC STRUVITE LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THU HỒI AMONI VÀ PHOTPHAT TRONG NƯỚC TIỂU DƯỚI DẠNG CẤU TRÚC STRUVITE Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Lưu Thị Nguyệt Minh THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, bổ ích trong suốt khóa học vừa qua. Đó là những kiến thức vô cùng quan trọng giúp tôi có cơ sở vững vàng trong suốt quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn cô TS. Lưu Thị Nguyệt Minh - phó phòng Hóa Phân Tích - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam -Người đã giao đề tài luận văn và tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thị Vân đã giúp đỡ chỉ bảo thân tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và làm thực nghiệm. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể nhân viên, cán bộ phòng Hóa Phân Tích - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam đã luôn tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi làm thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cám ơn đến những người thân yêu trong gia đình luôn động viên, ủng hộ trong suôt quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp này. Tác giả luận văn Hoàng Thị Thùy Dương a Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... a MỤC LỤC ............................................................................................................ b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... e DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. f DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. g MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 4 1.1. Ô nhiễm môi trường nước từ nguồn nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho ....... 4 1.1.1. Hiện trạng .................................................................................................... 4 1.1.2. Nguồn gốc ................................................................................................... 5 1.1.3. Tác hại của việc ô nhiễm nguồn nước....................................................... 11 1.2. Tổng quan về nước tiểu ................................................................................ 12 1.2.1. Khái niệm, thành phần nước tiểu .............................................................. 12 1.2.2. Sự thủy phân ure trong nước tiểu .............................................................. 12 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất của nước tiểu thải ............. 13 1.3. Các phương pháp xử lý N và P trong nước tiểu ........................................... 14 1.3.1. Xử lý hợp chất nitơ.................................................................................... 14 1.3.2. Xử lý hợp chất photpho ............................................................................. 20 1.3.3. Xử lý đồng thời nitơ và photpho ............................................................... 22 1.4. Kết tủa Struvite............................................................................................. 25 1.4.1. Khái niệm .................................................................................................. 25 1.4.2. Tính chất hóa lý của struvite ..................................................................... 25 1.4.3. Quá trình hình thành kết tủa struvite ......................................................... 25 1.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành kết tủa struvite .............. 27 1.4.5. Hạn chế sự hình thành struvite .................................................................. 29 1.4.6. Các công trình nghiên cứu tổng hợp MAP từ nguồn nước thải ................ 29 b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1.4.7. Giá trị làm phân bón của Struvite ............................................................. 30 Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................ 32 2.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................... 32 2.1.1. Địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 32 2.1.2. Thời gian nghiên cứu ................................................................................ 33 2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 34 2.2.1. Cơ sở khoa học .......................................................................................... 34 2.2.2. Phương pháp kế thừa và sử dụng tài liệu .................................................. 34 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu phòng thí nghiệm ...................... 34 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm .................................... 37 2.2.5. Thiết bị ...................................................................................................... 37 2.2.6. Dụng cụ ..................................................................................................... 39 2.2.7. Hóa chất..................................................................................................... 39 2.3. Thực nghiệm................................................................................................. 40 2.3.1. Theo dõi pH của các mẫu nước tiểu bò và nước tiểu người theo ngày .... 41 2.3.2. Nghiên cứu phương pháp xác định hàm lượng amoni .............................. 41 2.3.3. Nghiên cứu phương pháp xác định hàm lượng photphat .......................... 43 2.3.4. Xác định hàm lượng amoni và photphat ban đầu của nước tiểu ............... 47 2.3.5. Xác định các điều kiện tối ưu để tạo kết tủa Struvite - MAP ................... 48 2.3.6. Phân tích thành phần và cấu trúc của kết tủa thu được ............................. 49 Chương 3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN ............................................................... 51 3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng amoni .................................... 51 3.1.1. Xây dựng đường chuẩn ............................................................................. 51 3.1.2. Kiểm tra độ chính xác của đường chuẩn ................................................... 52 3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng photphat ................................ 52 3.2.1. Xây dựng đường chuẩn ............................................................................. 53 3.2.2. Kiểm tra độ chính xác của đường chuẩn ................................................... 55 3.3. Theo dõi pH của các mẫu nước tiểu bò và nước tiểu người theo ngày ....... 55 c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3.4. Thành phần và tính chất của nước tiểu ........................................................ 57 3.5. Xác định các điều kiện tối ưu để tạo kết tủa Struvite .................................. 59 3.5.1.Khảo sát sự ảnh hưởng của pH .................................................................. 59 3.5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P .............................................. 63 3.5.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng ........................................ 64 3.6. Phân tích thành phần kết tủa thu được ......................................................... 66 3.7. Phân tích cấu trúc của kết tủa thu được ....................................................... 67 3.7.1. Kết quả chụp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 68 3.7.2. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................... 69 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 73 PHỤ LỤC d Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ABS : Đơn vị đo quang BOD : Biochemical oxygen Demand- Nhu cầu oxy sinh hoá COD : Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học Cond (spC): Statistical Process Control- Quy trình kiểm soát thống kê DO : Oxy hoà tan Eh : Thế oxy hóa khử HAP : Hydroapatit HC : Cacbon hữu cơ MAP : Magnesium Ammonium Phosphate hexahydrated ORP : Oxygen Reducton Potential- khả năng khử các chất oxy hóa của một chất Sal : Salinity - Độ mặn SEM : Scanning Electron Microscope- Kính hiển vi điện tử quét TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TDS : Total Dissolved Solids - Độ đục; Tổng chất rắn hoà tan. TKN-N : Tổng nitơ Kjeldahl TOC : Total Organci Carbon - Tổng cacbon hữu cơ Tur : Turbidity & suspendid solids- Tổng rắn lơ lửng. XRD : X-RayDiffraction - Nhiễu xạ tia X e Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khô trên đầu người trong ngày tại điểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R). ................. 7 Bảng 1.2. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt [10] ................................ 8 Bảng 1.3. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp [14, 15,16] .............. 9 Bảng 1.4. Thành phần chính trong phân tươi của một số loài nuôi .................. 11 Bảng 1.5. Một số thành phần dinh dưỡng trong nước tiểu ............................... 12 Bảng 1.6. Tích số tan của một số hợp chất photphat ........................................ 21 Bảng 1.7. Các tính chất hóa lý của struvite ....................................................... 25 Bảng 1.8. Tích số tan của struvite ..................................................................... 26 Bảng 2.1. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định NH4+ bằng hỗn hợp thuốc thuốc thử oxi hóa và phenat ...................................... 43 Bảng 2.2. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định photphat 46 Bảng 3.1. Dãy dung dịch chuẩn và độ hấp phụ tương ứng trong đường chuẩn xác định NH4+ bằng hỗn hợp thuốc thuốc thử oxi hóa và phenat ........... 51 Bảng 3.3. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đường chuẩn xác định photphat 53 Bảng 3.4. Tương quan giữa mật độ quang và nồng độ Photphat (PO43-).......... 54 Bảng 3.6. Kết quả đo pH các mẫu nước tiểu trong 7 ngày ............................... 56 Bảng 3.7. Kết quả đo PO43- và NH4+ trong các mẫu nước tiểu bò .................... 58 Bảng 3.8. Thành phần hóa học của mẫu nước tiểu người ................................. 58 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni trong nước tiểu sử dụng 2 tỷ lệ Mg/P là 1,5:1 và 1,8:1. ...................................... 60 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni trong nước tiểu .................................................................................. 63 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi photphat trong MAP......................................................................................... 65 f Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Bảng 3.12. Đặc trưng của sản phẩm kết tủa thu được ........................................ 66 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Trại Bò sữa và đồng cỏ mẫu Ba Vì ..................................................... 32 Hình 2.2. Trại bò sữa nhỏ lẻ ................................................................................ 33 Hình 2.3. Xô nhựa dùng để lấy mẫu ................................................................... 35 Hình 2.4. Loại chai dùng để chứa mẫu ............................................................... 35 Hình 2.5. Hệ thống máy đo quang: UV-VIS CinTra 40 ..................................... 37 Hình 2.6. Máy đo pH........................................................................................... 38 Hình 2.7. Máy li tâm ........................................................................................... 38 Hình 2.8. Cân điện tử .......................................................................................... 39 Hình 3.1. Dãy dung dịch chuẩn amoni (NH4+) ................................................... 51 Hình 3.2. Đường chuẩn xác định hàm lượng NH4+ ............................................ 52 - Hình 3.3. Dãy dung dịch chuẩn photphat (PO43 ) ............................................... 54 Hình 3.4. Đường chuẩn xác định hàm lượng PO43- ............................................ 55 Hình 3.5. Sự biến đổi pH của mẫu nước tiểu bò T1M1 ....................................... 57 Hình 3.6. Sự biến đổi pH của mẫu nước tiểu người ........................................... 57 Hình 3.7. Hiệu suất loại bỏ amoni và photphat tại tỉ lệ Mg/P= 1,5:1 ................. 61 Hình 3.8. Hiệu suất loại bỏ amoni và photphat tại tỉ lệ Mg/P= 1,8:1 ................. 61 Hình 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg/P đến hiệu suất thu hồi photphat và amoni trong nước tiểu .................................................................................. 64 Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất loại bỏ PO43- ....... 65 Hình 3.11. Struvite mẫu 1 ................................................................................... 67 Hình 3.12. Struvite mẫu 1,2 ................................................................................ 67 Hình 3.13. Sản phẩm Struvite thu được .............................................................. 68 Hình 3.14. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu MAP 3 ............................. 69 Hình 3.15. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 2 ........................................................... 70 g Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.16. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 3 ........................................................... 70 h Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rấ t nhiề u ngành nghề sản xuấ t công nghiệp, nông nghiệp. Trong nước thải, nitơ và photpho tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau (hợp chất hữu cơ, vô cơ)…và các hơ ̣p chấ t này được thủy phân về dạng amoni (NH4+), photphat (PO43-) là dạng rất thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật, tảo, thực vật thủy sinh… Trong phạm trù nước thải, chúng được gọi là thành phầ n dinh dưỡng và được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp dưới dạng phân bón và thức ăn chăn nuôi. Trong thời gian gần đây, nhu cầu về phân bón cho các hoạt động nông nghiệp đang tăng mạnh. Sản xuất phân bón công nghiệp có chứa nitơ và photpho tăng 600% từ năm 1950 đến năm 2000 [1], đạt tỷ lệ 100 triệu tấn nitơ mỗi năm [2]. Nông nghiệp hiện đại phụ thuộc nhiều vào photpho, trong đó có nguồn gốc từ đá photphat, một nguồn tài nguyên không tái tạo có trữ lượng toàn cầu có thể bị cạn kiệt trong 50-160 năm tới [3-6]. Chính vì vậy cần thiết phải tìm kiếm các nguồn có khả năng tái sử dụng các thành phần dinh dưỡng N và P, có thể sử dụng lâu dài và không gây ảnh hưởng đến môi trường. Các nguồn thải như nước bể phốt, nước tiểu, nước cống thải, nước thải chăn nuôi và nước thải công nghiệp là những nguồn có hàm lượng lớn N và P có thể được sử dụng để thu hồi các thành phần dinh dưỡng trên. Nước tiểu là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong đó có kim loại, muối, amino axit, urea và các thành phần dạng vết khác. Nước tiểu thường được quảng bá như một loại phân bón lỏng, nhưng có nhiều hạn chế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng dụng trực tiếp của nước tiểu vào trong đất trồng trọt làm giảm khả năng phục hồi nitơ trong đất. Khi nước tiểu được thải vào bồn cầu không một chút đắn đo đã làm mất đi một lượng lớn các 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
chất dinh dưỡng quý giá cho cây xanh, các chất hoá học này sẽ bị hoà tan cùng một lượng lớn nước khiến cho quá trình lọc chúng tại các nhà máy xử lí nước thải trở nên không hiệu quả một cách không cần thiết và việc xả trực tiếp vào môi trường còn gây hại cho hệ sinh thái. Thu hồi, tái sử dụng chất dinh dưỡng từ các nguồn chất thải rắn, nước thải là một nguồn lợi tiềm năng, một phần sẽ bù đắp chi phí cho quá trình xử lý, vừa đáp ứng được mục tiêu bảo vệ nguồn nước, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm nguồn tài nguyên, phù hợp với phương pháp luận “công nghệ xanh” (green engineering). Để thu hồi nguồn dinh dưỡng đó thì Struvite là một lựa chọn. Struvite đang bắt đầu được quan tâm trong nước thải, bởi kết tủa Struvite gây ra tắc các đường ống khi xử lý nước thải. Trong một thời gian dài, struvite được biết đến là dạng phân bón có hiệu quả cao đối với cây trồng. Struvite (MAP- Magnesium Ammonium Phosphate hexahydrated) là một chất khoáng màu trắng, có hình kim tự tháp; gồm có magie, amoni và photphat trong phân tử với tỉ lệ 1: 1: 1 có công thức hóa học MgNH4PO4.6H2O. Struvite đã được mô tả lần đầu tiên từ hệ thống cống thoát nước từ thời trung cổ ở Hamburg Đức năm 1845 và được đặt tên từ tên của nhà địa lý và địa chất học, Heinrich Christian Gottfried von Struve (1772-1851). Kết tủa struvite là một nguồn tốt của phosphate, có thể được sử dụng làm phân bón nhả chậm và nó có thể được thu hồi từ nước tiểu người hay chất thải chăn nuôi như nước tiểu bò. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nó có thể tương đương hoặc cao hơn photphat thương mại khác trong nông nghiệp. Những tiến bộ công nghệ gần đây ở Canada và Nhật Bản về thu hồi N và P trong nước thải dưới dạng kết tủa struvite đã mở ra tương lai cho ngành công nghiệp tái sử dụng photpho và nitơ [7, 8]. Struvite có thể trở thành một nguồn năng lượng tái tạo cho một sự phát triển nông nghiệp bền vững. Chính vì các lí do trên mà tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thu hồi Amoni và Photphat trong nước tiểu dưới dạng cấu trúc struvite”. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Mục tiêu của đề tài nhằm giải quyết các vấn đề: - Nghiên cứu sự hình thành cấu trúc Struvite - MAP. - Nghiên cứu các điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến quá trình tạo Struvite - MAP. - Sử dụng phương pháp tạo kết tủa Struvite để tách loại được amoni và photphat trong nước tiểu (từ nguồn thải sinh hoạt và nguồn thải chăn nuôi bò sữa Ba Vì). - Đánh giá hiệu suất thu hồi Struvite - MAP. Với đề tài trên tôi tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: - Nghiên cứu xác định hàm lượng NH4+, PO43- trong nước tiểu trước và sau khi tạo kết tủa. - Khảo sát điều kiện tối ưu để tạo kết tủa MAP: pH, tỉ lệ mol, hàm lượng MgCl2, thời gian phản ứng… - Đánh giá hiệu suất thu hồi amoni và photphat trong nước tiểu dưới dạng kết tủa MAP. - Xác định các đặc trưng vật lý của kết tủa Struvite - MAP - Nhận xét, đánh giá các kết quả thu được. - Rút ra kết luận. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Ô nhiễm môi trường nước từ nguồn nước thải giàu hợp chất nitơ và photpho 1.1.1. Hiện trạng Nước là nguồn tài nguyên quý báu và hết sức thiết yếu đối với sự sống trên trái đất. Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá - đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Tại các thành phố lớn, lượng nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp xả thẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nguồn nước. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng. Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Nhiều khu vực đang bị ô nhiễm môi trường rất nặng nề do các loại chất thải từ chăn nuôi dù cho đã thực hiện nhiều biện pháp giảm ô nhiễm môi trường như vệ sinh môi trường, thông tắc cống, làm hầm biogas…Vì vậy việc quản lý chất thải trong chăn nuôi đã được thắt chặt hơn, vấn đề bảo vệ môi trường được quan tâm hơn trước. Thế nhưng sau khi những mô hình chăn nuôi bò sữa cho hiệu quả cao, tạo nên một cú hích cho đời sống của người dân thì mọi người lại bắt đầu chạy theo lợi nhuận mà quên đi những sức ép từ những đàn bò này mang đến cho môi trường. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Không thể không nói việc phát triển những đàn bò sữa là một việc làm rất đúng đắn, có thể cải thiện đời sống cho người dân nhưng chúng ta cũng không thể phủ nhận việc chăn nuôi ồ ạt chính là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm tại nhiều khu vực hiện nay. Có những khu vực, do người dân chăn nuôi bò sữa theo mô hình chăn thả nên môi trường đã bị ô nhiễm nặng nề bởi chất thải từ những đàn bò sữa này. Nhiều nơi, đất và nước đều bốc mùi hôi thối như mùi nước hút bể phốt dù trời nắng hay mưa. Không chỉ có mô hình chăn nuôi chăn thả mới gây ô nhiễm mà mô hình chăn nuôi khác cũng gây ô nhiễm môi trường khi mà người dân không xử lý kịp thời các chất thải từ bò sữa hoặc làm cho lượng chất thải tồn đọng quá nhiều. Theo các chuyên gia môi trường cho biết, tại Việt Nam hiện nay hầu hết các hộ gia đình chăn nuôi đều sử dụng hầm Biogas để xử lý chất thải chăn nuôi, nhưng do lượng chất thải từ bò sữa quá nhiều nên hầm Biogas đã không còn là biện pháp khả thi nữa. 1.1.2. Nguồn gốc Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hoá. 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. Nguồn phát thải hợp chất nitơ vào môi trường rất phong phú: từ các chất thải rắn, khí thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là từ nguồn phân và chất bài tiết trong nước thải sinh hoạt. Trong nước thải, photpho tồn tại chỉ ở một dạng hoá trị là +5 và do vậy hợp chất photpho tồn tại trong tự nhiên không nhiều: hợp chất muối và este của axit photphoric. Axit photphoric (H3PO4) là một axit yếu với ba bậc phân li, ứng với các hằng số axit pKa là 2,16, 7,16 và 12,4. Khi phân li, gốc photphat hình thành là thành phần tham gia vào các quá trình sinh hoá của tế bào động, thực vật. Vi sinh vật và nhiều cơ thể sống sử dụng photphat đơn (ortho - photphat) này để tạo ra các hợp chất hữu cơ chứa photphat trong các tế bào: trong axit nucleic, photpho lipit, adenosin triphotphat, hormon. Canxi photphat là thành phần cơ bản của xương. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Photphat là hợp chất không bay hơi, dễ tạo thành các hợp chất có tính tan thấp (với Al3+; Fe2+; Ca2+) nên chúng chỉ tồn tại trong môi trường nước và trong đất, trầm tích. Photpho trong nước thải chủ yếu có từ nguồn gốc: phân người, nước tiểu, đồ thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất thải từ sản xuất công nghiệp, chất chống ăn mòn trong các đường ống dẫn nước. 1.1.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt Trong thức ăn của người và động vật nói chung, thành phần nitơ 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, peptit, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5- 16g 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 [9]. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein, và ure trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac. Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí các chất thải, quá trình phân huỷ này làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ dạng carbon nhưng tác dụng 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 huỷ yếm khí. Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lượng rất thấp do lượng oxy hoà tan và mật độ vi sinh tự dưỡng (tập đoàn vi sinh có khả năng oxy hoá amoni) thấp. Thành phần amoni chiếm 60 - 80% hàm lượng nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt [10,11]. Nguồn phát thải photpho quan trọng nhất trong nước thải sinh hoạt là phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp. Lượng photpho có nguồn gốc từ phân được ước tính là 0,2 - 1,0 kg P/người/năm hoặc trung bình là 0,6 kg. Lượng photpho từ nguồn chất tẩy rửa tổng hợp được ước tính là 0,3 kg/người/năm. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Sau khi hạn chế hoặc cấm sử dụng photpho trong thành phần chất tẩy rửa, lượng photpho trên giảm xuống, còn khoảng 0,1 kg/người/năm. Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn nước thải. Lượng chất thải vì vậy thường được tính theo đầu người (khối lượng khô) hoặc nồng độ sau khi đã được pha loãng với mức nước sử dụng trên đầu người. Bảng 1.1 ghi đặc điểm nước thải sinh hoạt khá đặc trưng của các thành phố ở Mỹ [10, 11]. Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt, tính theo khối lượng khô trên đầu người trong ngày tại điểm xả C(x) và tại cống rãnh C(R). Thông số m (g/người/ngày) C(x) (mg/l) C(R) (mg/l) BOD 85 450 187 COD 198 1050 436 Cặn không tan 95 503 209 NH3-N 7,8 41,2 17,2 TKN-N 13,3 70,4 29,3 P-Hữu cơ 1,23 6,5 2,7 P-Vô cơ 2,05 10,8 4,5 P-tổng 3,28 17,3 7,2 Mức độ ô nhiễm nitơ và photpho trong nước thải từ bếp nấu ăn và từ các bể phốt cao hơn so với các giá trị đưa ra trong bảng 1.1 vì hình thái sinh hoạt ở các vùng, các vị trí có nước thải khác nhau, ví dụ khách sạn không có nhà ăn, trường học, các công sở, bệnh viện, khu du lịch, nghỉ mát khác nhau nên nước thải từ các nguồn có độ ô nhiễm cũng khác nhau. Giá trị ô nhiễm đặc trưng vì vậy chỉ có thể có được bằng cách đánh giá trực tiếp mang tính hệ thống. Nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ nhiều loại hình hoạt động, chúng thường được thu gom về các cống dẫn thải. Thành phần ô nhiễm và mức độ ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt từ cống dẫn thải được ghi trong bảng 1.2. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Bảng 1.2. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải sinh hoạt [10] Nồng độ Thành phần Đơn vị Khoảng Đặc trưng Chất rắn tan mg/l 350 - 1200 700 Cặn không tan mg/l 100 - 350 210 BOD mg/l 110 - 400 210 TOC mg/l 80 - 240 160 COD mg/l 250 - 1000 500 Nitơ tổng (N) mg/l 20 - 85 35 NH3-N mg/l 12 - 50 22 P-tổng (P) mg/l 4 - 15 7 P-hữu cơ mg/l 1-5 2 P-vô cơ mg/l 3- 10 5 1.1.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất nitơ, photpho từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặc biệt 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, photpho liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thuỷ hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm. Chế biến thuỷ sản, giết mổ gia súc gồm các công đoạn sản xuất các sản phẩm đông lạnh (thô) và đồ hộp, tỉ lệ các sản phẩm trên phụ thuộc vào nhu cầu của thị trường và trình độ phát triển công nghệ của từng nước. Các công đoạn sản xuất 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 hoặc diện tích làm việc. Hợp chất chứa nitơ, photpho nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần rắn vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế biến. Chủng loại và kích thước vật giết mổ gây ra độ ô nhiễm rất khác nhau: giết mổ cá (sản phẩm dạng phi lê) thấp hơn nhiều so với làm tôm đông lạnh, 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
chế biến mực và bạch tuộc thải ra nguồn nước có độ ô nhiễm rất cao [12, 13]. Với cùng chủng loại thì vật mổ có kích thước (trọng lượng) lớn sẽ ít gây ô nhiễm hơn vật có kích thước nhỏ khi tính theo đầu vật mổ hay khối lượng. Vật bị giết mổ có kích thước nhỏ (gia cầm) thải ra một lượng nước lớn và độ ô nhiễm cao hơn so với loại kích thước lớn (bò, lợn) khi tính theo đơn vị khối lượng [14]. Chế biến sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng thải ra một lượng nước thải đáng kể chứa hợp chất nitơ [15,16]. Quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lượng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thuỷ phân trong môi trường và tạo ra amoniac [15]. Nồng độ hợp chất nitơ, photpho trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm. Vì lý do đó các số liệu phân tích về ô nhiễm nói chung hay về nitơ, photpho nói riêng chỉ mang tính chất khái quát, không thể sử dụng trực tiếp làm số liệu cho tính toán thiết kế hệ thống xử lý. Bảng 1.3 ghi mức độ ô nhiễm hợp chất nitơ trong một vài nguồn thải [11, 15]. Bảng 1.3. Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp [14, 15,16] 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 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1.1.2.3. Nguồn nước thải nông nghiệp, chăn nuôi 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. Điều đáng bàn là ở chỗ lượng phân bón mà cây trồng không hấp thu được do nhiều nguyên nhân: phân huỷ, rửa trôi (phân đạm ure, 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 ure khi bón cho lúa nước có thể bị mất mát tới 30 - 40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trường. Trong môi trường nước, ure rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac và khí cacbonic: CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3 (1.1) Lượng nitơ trong phân đạm ure chiếm 46%, mỗi ha lúa nước sử dụng khoảng 12 kg ure, 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. Tuy nhiên do diện phân bố rộng nên hàm lượng amoniac trong nước mặt không cao. Mặt khác khi tồn tại trong nước amoniac cũng bị các loại thuỷ thực vật khác như rong, rêu, tảo, cỏ dại hấp thu và một phần chuyển hoá thành dạng hợp chất khác như nitrat do hoạt động của vi sinh vật. Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn so với nước sinh hoạt, chủ yếu là 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, photpho được chiết ra từ các chất thải 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 nằm trong khoảng 1500 - 15200 mg N/l, của photpho từ 70 - 1750 mg P/l. [17,18]. Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn