Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni và cấc phương pháp xử lý amoni trong môi trường nước; Thực nghiệm biến tính xỉ lò cao bằng HNO3; Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính bằng HNO3.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phùng Linh Phương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LÒ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội- 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phùng Linh Phương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ LÒ CAO BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Tuấn Minh Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ” là do tôi thực hiện và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn. Hà Nội, tháng năm Học viên Phùng Linh Phương
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Tuấn Minh– người đã truyền cho tôi tri thức cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em phòng Công nghệ xử lý chất thải rắn và khí thải – Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất, kinh nghiệm và trợ giúp tôi rất nhiều trong thời gian tôi thực hiện luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, các thầy cô tại Học Viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập cao học. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, và bạn bè đã luôn tin tưởng động viên, chia sẻ và tiếp sức cho tôi có thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua khó khăn trong cuộc sống, hoàn thành bản luận văn này. Học viên Phùng Linh Phương
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. vii DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................. 4 1.1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ..................................... 4 1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hoá học và vật lý của amoni ............................. 4 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước ...................................... 7 1.1.3. Tác hại của amoni trong môi trường nước ......................................... 8 1.2. Các phương pháp xử lý nước nhiễm amoni ..................................................... 9 1.2.1. Xử lý sinh học ................................................................................... 9 1.2.2. Keo tụ hoá học ................................................................................ 12 1.2.3. Màng lọc ......................................................................................... 15 1.2.4. Phương pháp tách khí ...................................................................... 17 1.3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ........................................... 20 1.3.1. Tổng quan về phương pháp hấp phụ ................................................ 20 1.3.2. Xu hướng sử dụng vật liệu hấp phụ giá rẻ ....................................... 22 1.4. TỔNG QUAN VỀ XỈ LÒ CAO ..................................................................... 28 1.4.1. Sự hình thành và đặc tính của xỉ lò cao............................................ 28 1.4.2. Các ứng dụng của xỉ lò cao.............................................................. 30
iv 1.4.3. Tiềm năng sử dụng xỉ lò cao làm vật liệu hấp phụ tái chế chi phí thấp ............................................................................................................... 32 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 34 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 34 2.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................... 34 2.3. HOÁ CHẤT, VẬT LIỆU, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG ................. 34 2.3.1. Hóa chất, vật liệu ............................................................................. 34 2.3.2. Thiết bị, dụng cụ.............................................................................. 34 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ..................................................................... 35 2.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................... 37 2.5.1. Phương pháp biến tính vật liệu ........................................................ 37 2.5.2. Quá trình hấp phụ Amoni sử dụng xỉ lò cao biến tính. ..................... 40 2.5.3. Phương pháp tính toán ..................................................................... 43 2.5.4. Phương pháp xác định tính chất vật lý của vật liệu .......................... 46 2.5.5. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................... 46 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................... 48 3.1. KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA CÁC VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO......... 48 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TIẾP XÚC TỚI HIỆU SUẤT HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 49 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN PH TỚI KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA AMONI TỚI VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4 ......................................................... 50 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG VẬT LIỆU TỚI KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 51 3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BAN ĐẦU ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ AMONI CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO VL4............................................... 52
v 3.6. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU XỈ LÒ CAO ..................................................................................................................... 57 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 61
vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET: Brunaumer-Emmet-Teller surface area analysis CANON: Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite COD: Chemical oxygen demand MF: Microfiltration NF: Nanofiltration KL: Hằng số Langmuir KF: Hằng số Freundlich OLAND: Oxygen-limited autotrophic nitrification and denitrification PVDF: Polyvinylidene difluoride PP: Polypropylene SEM: Scanning electron microscope SHARON: Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite RO: Reverse osmosis UF: Ultrafiltration VL1-4: Vật liệu xỉ lò cao và vật liệu xỉ lò cao biến tính (1-4) WHO: World Health Organization
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ammoniac [1] ................................................. 4 Bảng 1. 2. Hiệu suất xử lý và hiệu suất hấp phụ amoni của 11 vật liệu hấp phụ [33]............................................................................................................... 26 Bảng 2.1. Các nồng độ và bước sóng đường chuẩn đo amoni. ...................... 36 Bảng 2.2. Mối tương gian của RL và các dạng mô hình ............................... 45 Bảng 3.1. Giá trị tham số RL của quá trình hấp phụ amoni bằng xỉ lò cao VL4. ..................................................................................................................... 55 Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng và đặc trưng lỗ xốp của vật liệu trước và sau biến tính. ...................................................................................................... 58 Bảng PL.1. Kết quả thí nghiệm so sánh hiệu suất hấp phụ giữa các vật liệu xỉ lò cao biến tính. ............................................................................................ 65 Bảng PL.2. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. .................................................... 65 Bảng PL.3. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của điều kiện pH đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4 ............................................................ 66 Bảng PL.4. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4. ............................................. 67 Bảng PL.5. Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu VL4........................................ 68 Bảng PL.6. Các số liệu thực nghiệm và tính toán cho mô hình Langmuir. .... 69 Bảng PL.7. Các số liệu thực nghiệm và tính toán cho mô hình Freundlich. .. 70
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác động của pH [2] . ............................................................................................ 6 Hình 1.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên [5] ..................................................... 7 Hình 1.3. Cấu tạo hệ phản ứng nito hoá từng phần (trái) và ô xi hoá kị khí amoni (phải). [19]......................................................................................... 11 Hình 1.4. Quy trình hệ xử lý COD và tổng nito hiếu khí với màng lọc sinh học thẩm thấu [21] . ............................................................................................ 12 Hình 1.5. Quy trình thu hồi amoni từ nước thải chăn nuôi bằng phương pháp kết tủa struvite ([23] . ................................................................................... 13 Hình 1.6. Ảnh hưởng của liều lượng MgO tới nồng độ các ion amoni, photphat và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . ....... 14 Hình 1.7. Ảnh hưởng của CaO lên nồng độ amoni, phosphate, và sunfua dưới điều kiện pH khác nhau trong nước thải [22] . .............................................. 15 Hình 1.8. So sánh hiệu năng của các loại màng lọc khác nhau [4] . .............. 16 Hình 1. 9. Sơ đồ hệ thống cột stripping/hấp thụ cho thí nghiệm stripping tách amoni [2] ...................................................................................................... 18 Hình 1.10. Mô hình vận hành của cột stripping pilot (a), ảnh chụp cột stripping và hấp thụ ammoniac (b), vật liệu nhồi cột (c). .............................. 19 Hình 1. 11. Thiết bị tiếp xúc li tâm dùng cho stripping amoni [29] ............... 20 Hình 1.12. Cơ chế của phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính [4]. ........... 21 Hình 1. 13. Phân loại và quy trình phát triển nghiên cứu vật liệu hấp phụ giá rẻ [31]........................................................................................................... 23 Hình 1. 14. Hiệu suất xử lý amoni của vật liệu composite, zeolite và than hoạt tính [32]........................................................................................................ 25 Hình 1.15. Sự khác biệt trong cấu trích hạt than hoạt tính qua hai phương pháp biến tính bằng hơi nước (C6S9) và bằng KOH (C6K9) [34]. ............... 27 Hình 1. 16. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu đến hiệu suất hấp phụ của than sinh học mùn cưa biến tính với HNO3 và Na2CO3 ................................ 28 Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện đường chuẩn amoni đo tại bước sóng 659 nm .... 36 Hình 2.2. Quy trình chế tạo và biến tính vật liệu hấp phụ từ xỉ lò cao........... 38 Hình 2.3. Mẫu xỉ lò cao lấy tại Công ty Formosa ......................................... 39
ix Hình 2.4. Xỉ lò cao được ngâm trong HNO3 ................................................. 39 Hình 2.5. Mẫu xỉ lò cao gây phản ứng khi ngâm trong HNO3 8M ................ 39 Hình 2.6. Các mẫu xỉ lò cao sau khi biến tính............................................... 39 Hình 2.7. Quy trình thực hiện thí nghiệm khảo sát hấp phụ amoni sử dụng xỉ lò cao............................................................................................................ 42 Hình 2.8. Thí nghiệm hấp phụ trong máy lắc ................................................ 43 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp phụ amoni của các VLHP từ xỉ lò cao ..................................................................................................................... 48 Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ .............. 49 Hình 3.3. Ảnh hưởng của điều kiện pH đến hiệu suất hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao VL4. ........................................................................................ 50 Hình 3.4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu hấp phụ VL4 lên hiệu suất hấp phụ amoni .................................................................................................... 51 Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu lên hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao VL4 (○: dung lượng hấp phụ, ◊: hiệu suất hấp phụ). ... 53 Hình 3.6. Biểu đồ thể hiện mô hình tuyến tính Langmuir hấp phụ amoni của VL4 .............................................................................................................. 54 Hình 3.7. Biểu đồ thể hiện mô hình tuyến tính Freundlich hấp phụ amoni của VL4 .............................................................................................................. 55 Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir, Freundlich và kết quả thu được từ thực nghiệm hấp phụ amoni đối với vật liệu xỉ lò cao VL4........ 56 Hình 3.9. Ảnh SEM vật liệu VL -1 ............................................................... 57 Hình 3.10. Ảnh SEM vật liệu VL - 4 ............................................................ 57
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Một trong những nhu cầu thiết yếu cho sự sống còn của con người là nước. Trái đất là một hành tinh với 71% bề mặt được bao phủ bởi nước. Tuy nhiên, nước biển chiếm đến 97% và chỉ có 3% là nước ngọt. Trong tổng trữ lượng nước ngọt, chỉ có 0,06% là có thể được khai thác sử dụng số còn lại là băng tuyết và phần nước ngầm không thể khai thác. Nhu cầu về nước sạch liên tục tăng do sự gia tăng nhanh chóng về dân số và các hoạt động công, nông nghiệp. Hơn 80 quốc gia chiếm 40% dân số thế giới đang phải đối mặt với nạn thiếu nước trầm trọng. Ước tính hiện có khoảng 1,2 tỷ người đang phải uống nước không an toàn. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn nước và các công nghệ xử lý nước hiệu quả nhằm khắc phục tình trạng khan hiếm nước đã trở thành một thách thức toàn cầu. Ô nhiễm nước liên tục gia tăng trên thế giới, cản trở sự phát triển kinh tế, xã hội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Cho đến nay, khan hiếm nước không chỉ do sự khan hiếm về lượng mà còn bởi sự suy giảm về chất lượng nước, giảm lượng nước an toàn để đưa vào sử dụng. Nước bị ô nhiễm có thể chứa nhiều tác nhân ô nhiễm khác nhau. Trong đó ô nhiễm nước do amoni được đánh giá là phổ biến và ngày càng diễn ra trên diện rộng. Đặc biệt là trong nước ngầm, việc ô nhiễm amoni ngày càng nghiêm trọng hơn từ những hoạt động của con người như sản xuất nông nghiệp, khai khoáng và xử lý chôn lấp rác thải. Nồng độ ion amoni NH4+ vượt ngưỡng an toàn trong nước ngầm là hệ quả của quá trình phân huỷ kị khí của các hợp chất hữu cơ chứa nito từ rác thải chôn lấp và chất thải chăn nuôi và nông nghiệp trong các tầng địa chất. Việc xử lý amoni được giới khoa học quan tâm nghiên cứu, do những ảnh hưởng của chúng đối với hệ sinh thái cũng như đối với sức khỏe con người. Cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm kiếm các công nghệ cũng như vật liệu loại bỏ amoni trong nước. Trong tất cả các kỹ thuật đã được sử dụng, hấp phụ được đánh giá là công nghệ phổ biến, hiệu quả cao trong xử lý nước do hệ thống đơn giản, tốc
2 độ cao, vận hành đơn giản. Tính hiệu quả của công nghệ hấp phụ trong xử lý nước nói chung phụ thuộc vào đặc tính, cấu trúc và chức năng của chất hấp phụ. Trên thực tế thì có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ amoni (zeolit, than hoạt tính, bentonit, clinoptilolit) trong nước. Bên cạnh đó, những tiêu chí như giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với môi trường cũng được xem xét để giảm chi phí xử lý và giảm lượng phát thải ra môi trường. Xỉ lò cao với các tính chất như độ xốp cao, diện tích bề mặt tương đối, và thành phần khoáng từ nhiều oxit kim loại rất có tiềm năng để tái sử dụng trở thành vật liệu hấp phụ. Trên cơ sở các phân tích trên, đề tài được lựa chọn có tên: “Nghiên cứu sử dụng xỉ lò cao biến tính để xử lý amoni trong nước ngầm bằng phương pháp hấp phụ” nhằm mục đích đánh giá khả năng tái sử dụng xỉ lò cao, từ một sản phẩm phụ được coi là chất thải từ quá trình luyện thép, trở thành vật liệu hấp phụ xử lý amoni trong môi trường nước. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Chế tạo vật liệu hấp phụ amoni từ xỉ lò cao - Khảo sát, đánh giá khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni và cấc phương pháp xử lý amoni trong môi trường nước. - Thực nghiệm biến tính xỉ lò cao bằng HNO3. - Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính bằng HNO3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Bước đầu nghiên cứu và chế tạo được vật liệu xỉ lò cao biến tính và đánh giá được khả năng hấp phụ amoni của vật liệu xỉ lò cao biến tính.
3 Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả của luận văn, có thể chế tạo xỉ lò cao biến tính định hướng ứng dụng xử lý ô nhiễm amoni trong nước. Nghiên cứu tổng hợp một vật liệu tương đối mới, chi phí thấp, hướng đến giải quyết một vấn đề bức thiết trong xử lý ô nhiễm môi trường.
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Ô NHIỄM AMONI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1.1.1. Nguồn gốc, tính chất hoá học và vật lý của amoni Amoni (NH4+) là một hợp chất cấu thành từ một phân tử nito và các phân từ hidro. Ở dạng khí, amoni tồn tại dưới dạng amoniac (NH3), là một khí không màu và có mùi khai. Trong môi trường nước, hợp chất này là một chất thải phổ biến, cùng với photpho gây nên hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm môi trường nước mặt. Trong tự nhiên, amoniac được tạo thành từ chất thải của các loài động vật, và một lượng nhỏ trong nước mưa. Muối amoni clorua (NH4Cl) trong tự nhiên cũng có thể được phát hiện tại những khu vực gần núi lửa. Dù hợp chất này phổ biến trong tự nhiên, nhưng nó có thể trở nên rất nguy hại nếu ở dạng sản phẩm hoá học nồng độ cao. Dựa trên lý thuyết về sức đẩy giữa các cặp electron hoá trị và hình dạng học phân tử (VSEPR), phân tử amoniac có dạng hình chóp tam giác, với tính lưỡng cực tạo nên bởi một một cặp electron đơn độc. Sự phân cực này khiến amoni có khả năng tạo liên kết hidro khiến chúng rất dễ trộn lẫn với nước. Tính chất hoá học và vật lý của amoniac được thể hiện trong bảng 1.1 dưới đây [1]. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ammoniac [1] . Công thức hoá học NH3 Hình dáng, mùi và dạng tồn tại Khí không màu có mùi khai mạnh, dễ dàng nhận biết ở nồng độ 20 ppm. Phân tử khối 17.0 Nhiệt độ sôi (1 atm) -28 oF (-33.4 oC) Trọng lượng riêng (air = 1) 0.59 Nhiệt độ đóng băng / nhiệt độ chảy -107.9 oF (-77.7 oC)
5 Áp suất khí (at 70 oF (21.1 oC)) 114.4 psig Tỉ trọng khí (tại 70 oF (21.1 oC) và 1 0.045 lb/ft3 atm) Độ tan trong nước (vol./vol. tại 68 oF) 0.848 Trong môi trường nước, ammoniac tồn tại dưới hai dạng: ammoniac tự do (NH3) và amoni (NH4+). Tỉ lệ tồn tại của hai dạng này được quyết định bởi độ pH và nhiệt độ của dung dịch. Ở nhiệt độ cao và nồng độ cao, các ammoniac tự do sẽ chiếm tỉ lệ cao trong dung dịch. Điều kiện pH của dung dịch cũng có ảnh hưởng rất lớn tới sự phân chia này. Ở điều kiện pH thấp, các phân tử ammoniac sẽ dịch chuyển về dạng ion amoni, sự dịch chuyển này sẽ xảy ra hoàn toàn khi dung dịch đạt pH dưới 7. Phản ứng cân bằng và biểu đồ dịch chuyển ion của ammoniac/amoni được thể hiện dưới đây ([2], [3]): 𝑁𝐻# + 𝐻%𝑜 ⇌ 𝑁𝐻)* + 𝑂𝐻 , (1.1) 0123 *1245 6 0123 *1245 6 [𝑁𝐻# ] = 085 6 = (1.2) 7* 7*7;
6 Hệ số phân tán Amoniac Amoni Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển ion của ammoniac/amoni dưới tác động của pH [2] . Amoni là thành phần ô nhiễm thường gặp trong nước thải. Amoni trong nước thải đến từ các hoạt động sinh hoạt của con người, hoạt động chăn nuôi, và các hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp. Các hoạt động công nghiệp sản xuất kim loại, cao su, dệt nhuộm và phân bón thường có hàm lượng amoni trong nước thải rất cao [4] .
7 Hình 1.2. Chu trình nitơ trong tự nhiên [5] Trong nước ngầm, amoni chủ yếu tồn tại dưới dạng ion NH4+. Sự tồn tại này là kết quả của quá trình phân huỷ kị khí của các chất hữu cơ bắt nguồn từ việc chôn lấp các rác thải hữu cơ [6] . Amoni là một trong những thành phần ô nhiễm hoà tan chính trong môi trường nước ngầm. Các hệ thống tự hoại và các hoạt động nông nghiệp cũng là nguyên nhân dẫn đến việc gia tăng hàm lượng amoni trong nước ngầm. 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni môi trường nước Trên thế giới, việc đối mặt với vấn đề ô nhiễm amoni trong nguồn nước đã không còn xa lạ. Một trong những nguyên nhân gây nên vấn đề này trên nhiều quốc gia đó là sự xâm nhập của amoni từ nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt sau xử lý ra môi trường nước mặt. Các chất hữu cơ trong nước thải sau quá trình xử lý sẽ thấm vào nguồn nước ngầm từ đó phân huỷ thành các dẫn chất nhỏ hơn chứa phần tử nito dẫn đến ô nhiễm amoni. Quá trình xâm nhập này thường xảy ra ở những khu vực có bề mặt có khả năng thấm đẫm tốt như đồng bằng, đất phù sa [7]. Tại Trung Quốc, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng ô nhiễm amoni trong nước ngầm là hệ quả của các hoạt
8 động nông nghiệp sử dụng phân bón và chăn nuôi, cùng với các hoạt động sinh hoạt và khai khoáng khác. Tại các khu vực kênh đào tây bắc Trung Quốc, đã có hiện tượng ô nhiễm nito nặng trong nguồn nước từ các dẫn chất nito hữu cơ trong đất xâm nhập vào nước ngầm dẫn đến nguy cơ ung thư cao cho người dân lân cận [8] . Năm 2013, tại các giếng nướng ngầm tại khu vực Hemlock Crossing Park, hạt Ottawa, bang Michigan, Mỹ, đã ghi nhận nồng độ amoni tăng lên đáng kể [9] . Hàm lượng amoni cao trong nước ngầm này là hệ quả của các tác động nhân tạo như nước rỉ rác hay các hoạt động nông nghiệp. Tại Việt Nam, với hình thức sản xuất chủ yếu là nông nghiệp với diện tích đồng bằng canh tác lớn, các hoạt động chăn nuôi gia súc và với các khu xử lý rác thải với hình thức chôn lấp thì việc ô nhiễm amoni trong nguồn nước ngầm là điều tất yếu. Nồng độ amoni cao trong nước ngầm khu vực nam Hà Nội đã là vấn đề tồn tại trong suốt 25 năm qua. Nghiên cứu của Norrman và cộng sự (2015) chỉ ra rằng nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng nồng độ NH4+ tại khu vực phía nam Hà Nội không chỉ đến từ các nguồn chất thải từ hoạt động của con người, mà còn từ các tầng địa chất sâu dưới lòng đất quanh khu vực đồng bằng sông Hồng. Họ kết luận rằng với điều kiện khử trong môi trường nước ngầm tại khu vực Nam Du này sẽ duy trì nitơ dưới dạng NH4+. Năm 2014, tại Hà Nam, theo kết quả của Trung tâm Quan trắc Phân tích Tài nguyên Môi trường của Sở Tài Nguyên và Môi trường, có tới 15 điểm trong tỉnh cho thấy hàm lượng amoni trong nước ngầm cao hơn mức cho phép hàng chục, thậm chí hàng trăm lần [10] . Năm 2002, tại các tỉnh miền bắc khác như Hà Nội, Hà Tây, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, có đến 70% các mẫu nước ngầm được quan trắc có nồng độ cao hơn mức tiêu chuẩn 3 mg/l [11] . 1.1.3. Tác hại của amoni trong môi trường nước Trong môi trường thuỷ sinh, amoni với nồng độ nhỏ từ 0.53 tới 22.8 mg/l đã có thể gây độc hại đối với các loài vi sinh vật và sinh vật. Đối với con người, tiếp xúc với amoni ở nồng độ cao có thể gây các triệu chứng chóng mặt, co giật, hoặc thậm chí tử vong [12] . Khi amoni được thải ra môi trường
9 nước mặt với dư lượng lớn với photpho, lượng dưỡng chất lớn này gây nên sự phát triển mạnh ở các loài tảo. Hiện tượng phú dưỡng này dẫn tới sự giảm sút oxy trong môi trường nước sẽ giết chết các loài sinh vật thuỷ sinh khác, đi kèm với các vấn đề khác như gây mùi và đục môi trường nước mặt, ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng môi trường. Amoni tồn tại trong nước sinh hoạt sẽ kích thích sự phát triển của tảo và các vi khuẩn, xảy ra hiện tượng ăn mòn đường ống, cần tới lượng clo khử trùng nhiều hơn cần thiết [13] . Amoni tồn tại trong nước ngầm sẽ làm giảm chất lượng và khả năng sử dụng nước ngầm. Amoni ở nồng độ thấp hơn 1.5 mg/l không quá động với cơ thể người, nhưng khi vượt ngưỡng này nó có thể chuyển hoá thành nitrit và nitrat. Hai chất này trong cơ thể sẽ chuyển hoá thành nitrosamine, gây tổn thương di truyền tế bào và là một nguyên nhân gây ung thư ([5], [14]). Hiện nay, theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm (QCVN 09-MT:2015/BTNMT) là 1 mg/l (15). WHO cũng đã đưa ra ngưỡng nồng độ tối đa cho amoni trong nước uống ở 1,5 mg/l [16] . Do vậy, việc đưa ra các giải pháp công nghệ để giảm thiểu amoni trong nước là rất tất yếu trong thời điểm hiện tại. 1.2. Các phương pháp xử lý nước nhiễm amoni Có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm các phương pháp để loại bỏ một cách hiệu quả amoni trong nước. Loại bỏ amoni có thể bao gồm: phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, hóa lý. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau và tùy thuộc vào mức độ ô nhiễm, đối tượng, quy mô và mục tiêu xử lý mà mỗi phương pháp sẽ phát huy được các điểm mạnh của mình. 1.2.1. Xử lý sinh học Xử lý sinh học có khả năng loại bỏ các hợp chất nito trong nước thải nhờ vào các vi khuẩn có khả năng phân huỷ nito trong tự nhiên với ưu điểm tiết kiệm chi phí xử lý. Vi khuẩn có khả năng phân huỷ amoni trong nước thải được phân loại thành hai nhóm là vi khuẩn oxi hoá amoni hiếu khí và oxi hoá amoni kị khí. Quy trình phân huỷ hiếu khí và kị khí được thực hiện dựa trên