Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu sự phản nitrate hóa đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm

Chia sẻ: 123share | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 16
download

Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu sự phản nitrate hóa đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quá trình chuyển hoá nitơ là rất quan trọng trong xử lý nước thải, được xem là một cách loại thải amôn và nitrate thừa trong môi trường. Trong xử lý nước thải, sự loại thải hợp chất đạm có thể được thực hiện bởi sự kết hợp của quá trình nitrate hoá và quá trình khử nitrate. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo nội dung luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu sự phản nitrate hóa đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm". Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu sự phản nitrate hóa đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN & HỒ NGỌC HIỀN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỰ PHẢN NITRATE HÓA ĐẠM AMÔN TRONG NƯỚC Ở ĐIỀU KIỆN PHÒNG THÍ NGHIỆM Cán bộ hướng dẫn: LÊ ANH KHA Cần Thơ, 12/2013
PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm”, do Hồ Ngọc Hiền thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua. Cán bộ phản biện Cán bộ phản biện PGS. Nguyễn Văn Công ThS. Nguyễn Thị Như Ngọc Cán bộ hướng dẫn ThS. Lê Anh Kha
LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp là một thử thách đối với tôi vì nó đánh dấu một bước ngoặc trước khi tốt nghiệp. Sau một khoảng thời gian khá dài thực hiện đề tài luận văn của mình tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ mọi người. Giờ đây, khi hoàn thành tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô bộ môn Khoa học Môi Trường – Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên đã truyền dạy vốn kiến thức quý báu, những kinh nghiệm thực tế để từ đó tạo cơ hội cho tôi thực tập tốt và thực hiện đề tài của mình. Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Anh Kha đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Khoa học Môi trường – K36 đã giúp đỡ và bổ sung những kiến thức cho đề tài luận văn của tôi. Trong quá trình hoàn thành luận văn mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến cũng như bổ sung của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 25 tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực hiện Hồ Ngọc Hiền
TÓM LƯỢC Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên, việc áp dụng quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ đang được chú ý và đẩy mạnh. Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi như cacbonic, nước và các chất vô cơ khác. Do vậy, đây là phương pháp tiết kiệm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường. Từ nhiều công trình nghiên cứu cho thấy có nhiều phản ứng phức tạp xảy ra ở màng sinh học (biofilm). Đây là một nghiên cứu nhằm ứng dụng giai đoạn khử nitrate hóa xảy ra ở màng sinh học để loại bỏ nitơ trong nước thải tổng hợp. Một hệ thống xử lí dạng bể liên tục chứa đựng vật liệu tự chế là các khối bê tông có sự tham gia của màng sinh học (biofilm) được bố trí ở phòng thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng, khi sử dụng các khối vật liệu không có lớp màng biofilm thì hệ thống xử lý nitrate không đạt hiệu quả. Nồng độ nitrate đầu vào và đầu ra ít dao động, nước thải đầu ra vẫn còn tồn tại dạng đạm amon. Khi hệ thống sử dụng các khối vật liệu có lớp màng biofilm và được cung cấp lượng cacbon từ bên ngoài thì hệ thống loại được hơn 98% đạm nitrate, nồng độ TN giảm hơn 76%, nước thải đầu ra không còn đạm nitrite và amon, đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40: 2011/BTNMT. i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM LƯỢC ............................................................................................................ i MỤC LỤC............................................................................................................... ii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .................................................................................. 1 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ......................................................... 3 2.1 Đặc điểm nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản .................................... 3 2.2 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước ............................................... 7 2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải ............................................................ 8 2.3.1 Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng .................................. 8 2.3.2 Tác hại của nitơ đối với môi trường ................................................ 8 2.3.3 Tác hại của nitơ đối với quá trình xử lý nước ................................. 9 2.4 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ................................................. 9 2.4.1 Quá trình amôn hoá ......................................................................... 9 2.4.2 Quá trình nitrate hoá ...................................................................... 10 2.4.3 Quá trình khử nitrate hoá ............................................................... 11 2.5 Các điều kiện để phản ứng loại nitrate xảy ra ...................................... 13 2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate .................................. 14 2.7 Sơ lược về hệ vi sinh vật trong nước ................................................... 15 2.8 Tác động của một số yếu tố lý hoá lên sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong nước ................................................................................................ 18 2.8.1 Nhiệt độ ......................................................................................... 18 2.8.2 pH môi trường ............................................................................... 19 2.8.3 Ảnh hưởng của oxy đối với sinh vật kỵ khí .................................. 19 2.8.4 Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời .................................................. 20 2.8.5 Nhu cầu oxy hoá học (COD) ......................................................... 20 2.9 Sinh trưởng bám dính của màng sinh học (Biofilm) ........................... 20 2.10 Một số phương pháp xử lý nitơ trong nước thải ................................ 22 2.10.1 Phương pháp lý hóa ..................................................................... 22 ii
2.10.2 Phương pháp trao đổi ion ............................................................ 23 2.10.3 Phương pháp sinh học ................................................................. 23 2.11 Các công trình nghiên cứu có liên quan............................................. 27 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................... 29 3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu........................................................ 29 3.2 Phương tiện nghiên cứu ....................................................................... 29 3.3 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 29 3.3.1 Tạo vật liệu thí nghiệm .................................................................. 29 3.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm ...................................................... 31 3.3.3 Phương pháp thu mẫu .................................................................... 33 3.3.4 Phương pháp phân tích mẫu .......................................................... 34 3.3.5 Phương pháp xử lý số liệu ............................................................. 34 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 35 4.1 Kết quả tạo màng biofilm cho vật liệu thí nghiệm .............................. 35 4.2 Kết quả thí nghiệm với dung dịch nước thải pha từ hóa chất có nồng độ tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản ........................................ 36 4.2.1 Nhiệt độ ......................................................................................... 36 4.2.2 pH .................................................................................................. 37 4.2.3 EC .................................................................................................. 39 4.2.4 DO.................................................................................................. 40 4.2.5 COD ............................................................................................... 42 4.2.6 Tổng đạm ....................................................................................... 44 4.2.7 Tổng lân ......................................................................................... 46 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ 50 5.1 Kết luận ................................................................................................ 50 5.2 Kiến nghị .............................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii
DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp (trước xử lý) ................................................................................................................3 Bảng 2.2: Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thủy sản ...............................................................................................................................4 Bảng 2.3: Thành phần nước thải công nghiệp của một số nhà máy chế biến thủy sản tiêu biểu ........................................................................................................5 Bảng 2.4: Giá trị nồng độ các chất ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chế biến thủy hải sản An Giang .............................................6 Bảng 3.1: Tên và lượng hóa chất được đưa vào bể cấp ................................33 Bảng 3.2: Phương pháp phân tích từng chỉ tiêu ............................................34 iv
DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học ......................13 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát ..................................................32 Hình 4.1: Khối bê tông không có màng biofilm ...........................................35 Hình 4.2: Khối bê tông sau khi tạo màng biofilm .........................................35 Hình 4.3: Sự biến động nhiệt độ (oC) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất .............................................36 Hình 4.4: Sự biến động pH giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất ...............................................................37 Hình 4.5: Sự biến động độ dẫn điện (EC, µS/cm) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất .....................39 Hình 4.6: Sự biến động oxy hòa tan (DO, mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất ..............................41 Hình 4.7: Sự biến động của COD (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất ...................................43 Hình 4.8: Sự biến động nồng độ Photphorus (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất .....................44 Hình 4.9: Sự biến động nồng độ Nitrogen (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất .....................46 v
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, nước ta không ngừng đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa nhằm thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Điều đó dẫn đến hàng loạt các khu công nghiệp mọc lên, nếu không có sự kiểm soát và quản lý chặt chẽ thì sự phát triển về kinh tế sẽ đánh đổi bằng sự phá hoại về môi trường và cuối cùng dẫn đến ô nhiễm môi trường. Vấn đề ô nhiễm do khu công nghiệp, đặc biệt ô nhiễm môi trường nước là vấn đề bức thiết cần có sự quan tâm chặt chẽ của cấp quản lý và ban ngành có liên quan. Nước thải từ các khu công nghiệp chứa hàm lượng đạm, lân, các chất hữu cơ độc hại khó phân hủy, các loại vi trùng gây bệnh,… rất cao, đặc biệt là các nhà máy chế biến thủy sản đều chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để trước khi đưa ra môi trường bên ngoài (Bùi Thị Nga, 2006). Trong đó, sự ô nhiễm nitrate là mối quan tâm từ trước đến nay, vì đây là nguồn dinh dưỡng tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng phú dưỡng của các thủy vực, tảo phát triển mạnh, khi chết đi sẽ phóng thích các độc tố làm ảnh hưởng đến đời sống của thủy sinh vật, gây ra hiện tượng ô nhiễm các kênh rạch, và trong hệ tiêu hóa của con người NO3- sẽ bị chuyển hóa thành nitrosamine là hợp chất gây ung thư (Lương Đức Phẩm, 2007) làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng. Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2000), nước thải sau khi qua các giai đoạn xử lý của nhà máy chỉ làm giảm phần nào nguồn cacbon hữu cơ, còn lại chất dinh dưỡng đạm và lân. Sau khi xử lý sinh học, bình thường nước thải có thể giảm được 90 - 98% BOD, nhưng tổng nitơ chỉ giảm được 30 – 40% và khoảng 30% lượng photpho. Khi trong nước thải có hàm lượng N từ 30 – 60mg/l và hàm lượng P từ 4 – 8mg/l sẽ là môi trường quá giàu dinh dưỡng rất thích hợp cho rêu tảo và thực vật thuỷ sinh phát triển (Lương Đức Phẩm, 2007). Vì vậy việc áp dụng, lựa chọn các phương pháp hợp lý để xử lý nguồn nước thải là hết sức quan trọng. Công nghệ xử lý nước thải ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học và các biện pháp sinh học cũng đã chứng minh hiệu quả xử lý triệt để, hơn hẳn những biện pháp xử lý hóa lý khác. Phương pháp xử lý nước thải dùng hệ vi sinh vật bám dính có ưu điểm gọn nhẹ, đơn giản và tiết kiệm trong vận hành đã mở ra triển vọng ứng dụng rộng cho các công trình xử lý nước thải. Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu loại bỏ dinh dưỡng đạm lân trong nước thải bằng biện pháp sinh học như: Sử dụng hạt đất nung và khối bê tông để loại bỏ đạm và lân trong nước (Lê Anh Kha, 2003), nghiên cứu tính đa dạng nhóm vi sinh vật nitrate hoá (Slil et al., 2007), nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni bằng phương pháp sinh học kết hợp nitrate hoá và khử nitrate với giá thể vi sinh là sợi Acrylic (Nguyễn Việt Anh và ctv, 2005) và thí nghiệm khử nitơ amôn trong 1
nước ngầm bằng công nghệ sinh học ứng dụng giá thể vi sinh dạng sợi Polyester (Lều Thọ Bách, 2009). Theo Trần Đức Hạ (2002) để loại dinh dưỡng đạm trong nước bằng biện pháp sinh học cần thiết phải có nitrate hoặc nitrite,… Chứng tỏ việc loại đạm, lân trong nước thải đang được quan tâm và đạt được nhiều kết quả. Quá trình chuyển hoá nitơ là rất quan trọng trong xử lý nước thải, được xem là một cách loại thải amôn và nitrate thừa trong môi trường. Trong xử lý nước thải, sự loại thải hợp chất đạm có thể được thực hiện bởi sự kết hợp của quá trình nitrate hoá và quá trình khử nitrate. Thông qua quá trình phản nitrate hoá, nitrate được chuyển hoá thành N2O hoặc N2 bay vào khí quyển làm giảm hàm lượng đạm trong nước thải. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm” được thực hiện. Ø Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng vật liệu bám dính khảo sát sự phản nitrate hoá đạm amôn trong dung dịch pha từ hóa chất ở điều kiện phòng thí nghiệm để có thể ứng dụng vào thực tế xử lí nước thải sinh hoạt, nước thải của trại chăn nuôi, xí nghiệp giết mổ gia súc hay nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản trước khi thải vào sông rạch tự nhiên. Ø Nội dung nghiên cứu Tạo các khối bê tông có dạng khối lập phương từ những nguyên liệu dễ tìm và rẻ tiền như cát, đá, xi măng. Tạo lớp màng biofilm trên bề mặt vật liệu bám dính có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật có sẵn trong hệ thống nước thải nhà máy chế biến thủy sản. Thực hiện thí nghiệm với nước thải tổng hợp có nồng độ tương đương với nồng độ nước thải sau giai đoạn nitrate hóa của nhà máy chế biến thủy sản dựa theo các tài liệu tham khảo. Theo dõi sự phản nitrate hóa đạm amôn trong bể phản ứng để tính hiệu suất xử lý của vật liệu. 2
CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Đặc điểm nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản Thành phần nước thải các khu công nghiệp phụ thuộc vào ngành nghề của các cơ sở sản xuất trong khu công nghiệp. Thành phần nước thải của các khu công nghiệp chủ yếu bao gồm các chất lơ lửng (SS), chất hữu cơ (thể hiện qua hàm lượng BOD, COD), các chất dinh dưỡng (biểu diễn bằng hàm lượng tổng nitơ và tổng photpho) và kim loại nặng. Bảng 2.1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp (trước xử lý) Ngành công nghiệp Chất ô nhiễm chính Chất ô nhiễm phụ Chế biến đồ hộp, thủy sản, BOD, COD, pH, SS Màu, tổng P, N rau quả, đông lạnh Chế biến nước uống có cồn, BOD, pH, SS, N, P TDS, màu, độ đục bia, rượu Chế biến thịt BOD, pH, SS, độ đục NH4+, P, màu Sản xuất bột ngọt BOD, SS, pH, NH4+ Độ đục, NO3-, PO43- Cơ khí COD, dầu mỡ, SS, CN-, Cr, SS, Zn, Pb, Cd Ni Thuộc da BOD5, COD, SS, Cr, NH4+, N, P, tổng Coliform dầu mỡ, phenol, sunfua Dệt nhuộm SS, BOD, kim loại nặng, Màu, độ đục dầu mỡ Phân hóa học pH, độ acid, F, kim loại Màu, SS, dầu mỡ, N, P nặng Sản xuất phân hóa học NH4+, NO3-, ure pH, hợp chất hữu cơ Sản xuất hóa chất hữu cơ, vô pH, tổng chất rắn, SS, Cl-, COD, phenol, F, Silicat, kim cơ SO42- loại nặng Sản xuất giấy SS, BOD, COD, phenol, pH, độ đục, độ màu lignin, tannin (Nguồn: Quan trắc và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước, Lê Trình, NXB KHKT, 1997) Ngành chế biến thủy sản đã sử dụng một lượng nước rất lớn trong quá trình chế biến đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng lớn nước thải cùng với các chất thải rắn (đầu, dè, mực, vây, vỏ tôm,…) Lượng nước thải từ các công nghệ rất khác nhau, phụ thuộc vào lượng nước cấp, quy trình công nghệ, phương pháp chế biến, tình trạng máy móc. Lượng nước 3
thải từ các công ty dao động rất lớn, ở Việt Nam nước thải tính trên một tấn sản phẩm dao động từ 30 – 200m3. Khối lượng và chế độ thải nước, thành phần và tính chất nước thải tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là: nguyên liệu và các hoá chất sử dụng trong sản xuất; dây chuyền công nghệ sản xuất; chất lượng nước tiêu thụ cho các nhu cầu sản xuất; điều kiện địa phương (Trần Hiếu Nhuệ, 1999). Thành phần chính của nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản gồm có: - Nước thải sản xuất là loại nước dùng để rửa thuỷ sản trong sản xuất. - Nước thải vệ sinh công nghiệp là loại nước dùng để vệ sinh tay, chân công nhân trước khi vào ca sản xuất, rửa dụng cụ chế biến, thiết bị, máy móc và sàn nhà phân xưởng mỗi ngày,… - Nước thải sinh hoạt từ hoạt động sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên trong nhà máy. Hiện nay, lượng nước thải sinh ra từ lĩnh vực chế biến thủy sản khá lớn, cụ thể như tổng lượng nước thải từ các Khu công nghiệp ở Đồng bằng sông Cửu Long là 13.700 m3/ngày, trong đó Cần Thơ chiếm 11.300 m3/ngày (Bộ Tài nguyên Môi Trường, 2009). Theo Viện Công nghệ Môi trường – Trung tâm KHTN&CN Quốc gia: Nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản được đặc trưng bởi hàm lượng ô nhiễm chất hữu cơ và nitơ cao. Nồng độ BOD ≥ 1000mg/l và tổng nitơ ≥150mg/l. Tỉ lệ COD/BOD5 nằm trong khoảng 1.1 – 1.3, cho phép xử lý nước thải theo phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao. Số liệu khảo sát tại một số nhà máy chế biến thuỷ sản tại Việt Nam về thành phần các chất ô nhiễm thể hiện ở bảng sau: Bảng 2.2: Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thuỷ sản Đơn vị tính: mg/l Thành phần Hàm lượng Chất rắn lơ lửng 800 – 2000 COD 700 – 1500 BOD 600 – 1300 Tổng nitơ 100 – 350 Photpho 30 – 70 Đặc điểm nước thải thủy sản là bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, các chất dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh. Các chất ô nhiễm này khi thải ra ngoài môi trường gây ô nhiễm lan tỏa tới môi trường đất, nước, không khí, ảnh hưởng tới kinh tế, cảnh quan và sức khỏe con người. 4
Nước thải chế biến thủy sản có hàm lượng COD dao động trong khoảng 1000÷1200 mg/L, hàm lượng BOD5 cũng khá lớn từ 400÷3800 mg/L, nồng độ chất rắn lơ lửng từ 125÷400 mg/L, trong nước còn chứa các vụn thủy sản và các vụn này thường dễ lắng, hàm lượng nitơ từ 57÷120 mg/L và photpho từ 13÷90 mg/L, tổng vi khuẩn hiếu khí từ 104 – 105 khuẩn lạc/100ml. Bảng 2.3: Thành phần nước thải công nghiệp của một số nhà máy chế biến thủy sản (CBTS) tiêu biểu. Thành phần hóa học Nhà máy CBTS Phương Xí nghiệp đông lạnh TS 30-4 Nam (tỉnh Sóc Trăng) (Thị xã Vĩnh Long) pH 6.5 – 7.5 6.6 – 6.7 COD (mg/L) 1200 1780 BOD5 (mg/L) 800 1100 Tổng N 98 85 Chất rắn lơ lửng 250 300 (mg/L) (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, 2003) Nước thải nhà máy chế biến thủy sản chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng thích hợp cho công nghệ xử lý sinh học (Hồ Mỹ Loan, 2007). Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tùy thuộc vào sản phẩm của từng quy trình sản xuất (Lê Hoàng Việt, 2005). Theo nghiên cứu của Bùi Thị Nga (2008), cho thấy nước thải tại KCN Trà Nóc có hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt QCVN từ 2-53 lần, chất hữu cơ vượt từ 5-6 lần, coliform vượt từ 2 – 48 lần (QCVN 08:2008/BTNMT); điều này đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường trên các sông, rạch và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình nuôi trồng thủy sản, sinh hoạt của cộng đồng dân cư tại chổ và lân cận. Tuy nhiên, nồng độ và thành phần các chất hữu cơ có trong nước thải thay đổi theo mùa thủy sản, theo mức nước sử dụng, có xu hướng giảm dần ở những lần rửa sau cùng. Cho nên, cũng khó đề xuất ra một quy trình xử lý phù hợp. Trên thực tế thành phần chất thải bị ô nhiễm đạm không chỉ chứa nitrate mà có nhiều dạng khác nhau của nitơ. Thật vậy theo số liệu tháng 6 năm 2004 của nhóm sinh viên lớp môi trường K26 trong quyển “ Khảo sát hiện trạng môi trường xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản An Giang (Agifish 7)” có giá trị các thông số ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lí nước thải của xí nghiệp như sau: 5
Bảng 2.4: Giá trị, nồng độ các chất ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản An Giang Thông số Đầu vào Đầu ra TCVN (Nước thải công (mg/L) (mg/L) nghiệp loại A) Nhiệt độ (0C) 28.5 30.3 40 DO (mg/l) 1.05 1.04 - COD (mg/l) 2512 121.6 50 N-NO3- (mg/l) 18.1 5.85 - TN (mg/l) 49.8 32.8 30 3- PO4 (mg/l) 70.6 1.53 - TP (mg/l) 137.6 28.6 4 Qua bảng 2.4 cho thấy nước thải của xí nghiệp có nồng độ N-NO3- và TN rất cao. Khi trong nước thải có hàm lượng N từ 30 – 60mg/l và hàm lượng P từ 4 – 8mg/l sẽ là môi trường quá giàu dinh dưỡng rất thích hợp cho rêu tảo và thực vật thuỷ sinh phát triển (Lương Đức Phẩm, 2007). Nước thải còn chứa nhiều mảnh vụn thịt và ruột, đầu, vỏ,… và các thành phần hữu cơ cao khi thải trực tiếp vào thủy vực qua thời gian lâu dài sẽ làm cho thủy vực mất khả năng tự làm sạch dẫn đến thủy vực bị ô nhiễm hữu cơ. Nếu thủy vực chứa quá nhiều chất hữu cơ thì chất hữu cơ chủ yếu được phân hủy bởi vi sinh vật yếm khí. Khi đó sản phẩm phân hủy chất hữu cơ là các khí thường độc và có mùi hôi khó chịu như metan (CH4), ammoniac (NH3), sunfuahydro (H2S),… Trong trường hợp này nồng độ oxy trong nước (DO) cũng bị giảm xuống dưới mức độ giới hạn đối với cá, dẫn đến các sinh vật hiếu khí bị chết hay trốn khỏi nguồn nước đó gây mất cân bằng sinh thái và chuỗi thức ăn (Trịnh Lê Hùng, 2009). Trong nước thải thủy sản còn chứa rất nhiều chất dinh dưỡng đặc biệt là nitơ và các chất khoáng khác. Các chất này khi vào nguồn nước sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa cho nguồn nước. Các chất dinh dưỡng sẽ được phù du thực vật, nhất là tảo lam, hấp thụ tạo nên sinh khối trong quá trình quang hợp. Sự phát triển đột ngột của tảo lam trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng làm cho nước có mùi và độ màu tăng lên, chế độ oxy trong nguồn nước không ổn định. Sau quá trình phát triển, phù du thực vật bị chết. Xác phù du thực vật sẽ làm tăng thêm một lượng chất hữu cơ, tạo nên sự nhiễm bẩn lần hai trong nguồn nước (Trần Đức Hạ, 2002). 6
2.2 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước Trong nước các hợp chất nitơ thường tồn tại ở 3 dạng: hợp chất hữu cơ, ammoniac và dạng oxi hoá (nitrite, nitrate), các dạng này là khâu chuỗi phân huỷ hợp chất chứa nitơ hữu cơ như protein và hợp phần của protein (Lương Đức Phẩm, 2007). Vi khuẩn nitrate hoá Phân huỷ Protein N 3, NH4+ NH NO2- N NO3- N Nitrosomonas Nitrobacter Vi khuẩn khử NO3- NO2- NO N2 O N2 Các nguồn nitơ sử dụng cho vi sinh vật thực tế bao gồm toàn bộ các nguồn nitơ hữu cơ và vô cơ. Nitơ được chuyển hoá để tạo ra các protein, các axit nucleic, các polime của thành tế bào. Nitơ chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của một khối vi sinh vật nguyên chất, trong nước thải giá trị này chiếm khoảng 10% (Nguyễn Văn Tố, 1999). Cũng theo Nguyễn Văn Tố (1999), khi phân tích hàm lượng nitơ trong nước: - Nếu nước thải chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amomiac, hoặc NH4OH là nước mới bị ô nhiễm. - Nếu nước chứa hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài. - Nếu nước chỉ chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân huỷ đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí. Ammoniac (NH3): ammoniac có mặt tự nhiên trong nước mặt và nước thải sinh hoạt. Ammoniac ở trong nước tồn tại dạng NH3 và NH4+ (NH4OH, NH4NO3, (NH4)2SO4,…) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ yếu. Tính độc của NH3 cao hơn các ion amon (NH4+). Với nồng độ 0.01 mg/l NH3 đã gây độc cho cá qua đường máu, nồng độ 0.2 – 0.5 mg/l đã gây độc cáp tính. Nitrate (NO3-): nitrate là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa N có trong chất thải của người và động vật, thực vật. Nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, trong điều kiện yếm khí chúng nhanh chóng bị khử thành nitơ tự do tách ra khỏi nước. Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l. Vùng bị ô nhiễm do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trong nước 7
trên 10mg/l, làm cho rong tảo dễ phát triển, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản. Bản thân nitrate không có độc tính, nhưng trong cơ thể nó bị chuyển hoá thành nitrite rồi kết hợp với một số chất khác có thể tạo thành hợp chất nitrozo là chất có khả năng gây ung thư (Lương Đức Phẩm, 2007). Trong nước nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau như: NH4+, NO2-, NO3- và các dạng hữu cơ, trong đó NH4+, NO3- là dạng được sinh vật hấp thụ nhiều nhất, N-NH3 là muối dinh dưỡng quan trọng rất cần thiết cho đời sống của thủy sinh vật, là nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp cho thủy sinh vật sử dụng tạo nên chất sống vì thực vật thủy sinh là nguồn thức ăn quan trọng cho tôm cá,… (Đặng Kim Chi, 1996). 2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải 2.3.1 Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng Trên bình diện sức khoẻ nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về môi trường. Sự có mặt của nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều ammoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ôxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ. Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrate tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrate lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrate chuyển hóa thành nitrite nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrite còn nguy hiểm hơn nitrate đối với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể nitrite có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong. 2.3.2 Tác hại của nitơ đối với môi trường Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4... tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước. 8
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H2S. Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư. 2.3.3 Tác hại của nitơ đối với quá trình xử lý nước Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả làm việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người. Với đặc tính như vậy việc xử lý nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng được nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các học giả đi sâu tìm hiểu. 2.4 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ Trong các môi trường tự nhiên, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân tử ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động vật, thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ này tồn tại ở trong đất. Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các axit amin. Các axit amin lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành NH3 hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hóa. Quá trình này gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hóa thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrate hóa. Các hợp chất nitrate lại được chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá trình này gọi là sự phản nitrate hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrate. Khí nitơ sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển thành dạng nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định nitơ. Như vậy vòng tuần hoàn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các khâu chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng (Trần Cẩm Vân, 2002). 2.4.1 Quá trình amôn hoá Bản chất của quá trình amôn hóa là sự tạo thành NH3 hoặc NH4+ từ các hợp chất nitơ hữu cơ (protein, urê, axit nucleic…) dưới tác động của vi sinh vật. Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, acid amin, acid nucleic, urê… Các hợp chất này đi vào nước từ nguồn xác động vật, thực vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác rưởi. Thực vật không thể đồng hóa được 9
dạng nitơ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn hóa, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hóa thành dạng NH4+ hoặc NH3. 2.4.2 Quá trình nitrate hoá Theo Trần Cẩm Vân (2005), các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hoá thành dạng NH4+, NH3 thông qua quá trình amôn hoá. Sau quá trình amôn hoá là quá trình nitrate hoá chuyển hoá amôn thành nitrate bởi hoạt động của vi sinh vật. Nhóm vi sinh vật tiến hành quá trình này gọi chung là nhóm vi khuẩn nitrate hoá bao gồm hai nhóm tiến hành hai giai đoạn của quá trình. Giai đoạn oxy hoá NH4+ thành NO2- gọi là giai đoạn nitrite hoá, giai đoạn oxy hoá NO2- thành NO3- gọi là giai đoạn nitrate hoá. v Giai đoạn nitrite hoá Quá trình oxy hoá NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi vi khuẩn Nitrite hoá. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng. NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + năng lượng Năng lượng này dùng để đồng hoá CO2 thành cacbon hữu cơ. Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí. Nhóm vi khuẩn nitrite hoá bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozlobus và Nitrosopira chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch. Do vậy phân lập chúng rất khó, phải dung silicagen thay cho thạch (Trần Cẩm Vân, 2002). v Giai đoạn nitrate hoá Quá trình oxy hoá NO2- thành NO3- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrate. Chúng cũng là những nhóm vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NO2- tạo thành năng lượng. Năng lượng này được dùng để đồng hoá CO2 tạo thành đường. NO2- + ½ O2 NO3- + năng lượng Nhóm vi khuẩn tham gia quá trình oxy hoá NO2- thành NO3- bao gồm: Nitrobacter, Nitrosospira và Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng này, trong đất còn có một số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hoá. Đó là vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces,…(Trần Cẩm Vân, 2002). Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình nitrate hoá là một khâu quan trọng trong vòng tuần hoàn nitơ, nhưng đối với nông nhiệp nó có nhiều điều bất lợi: Dạng đạm nitrate thường dễ bị rửa trôi xuống các tầng sâu, dễ bị đi vào quá trình phản nitrate hoá tạo thành khí nitơ làm mất đạm. Anion NO3- thường kết hợp với ion H+ 10
trong đất tạo thành HNO3 làm cho pH đất giảm xuống rất bất lợi đối với cây trồng. Hơn nữa, lượng nitrate dư thừa trong đất được cây trồng hấp thu nhiều làm cho hàm lượng nitrate trong sản phẩm lương thực, thực phẩm cao gây độc cho người. 2.4.3 Quá trình khử nitrate hoá Sự phản nitrate hoá được hiểu là quá trình khử nitrate tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử. Quá trình nitrate hoá mang nhu cầu oxy cho nguồn tiếp nhận nước. Do đó nitrate cần phải được loại bỏ trước khi chúng được thải vào nguồn tiếp nhận, đặc biệt đối với nguồn cấp nước uống (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết, 2005). Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrate có tên chung là Denitrifier bao gồm ít nhất 14 loài vi sinh vật. Ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Thiobacillus. Phần lớn loại vi sinh vật trên sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng (Lê Văn Cát, 2007). Quá trình phản nitrate hoá được xảy ra theo hai chiều hướng khác nhau: v Phản nitrate hoá trực tiếp: được thực hiện bởi rất nhiều vi sinh vật khác nhau, trong đó đáng chú ý nhất là những loài sau: Chromobacterium denitrificans: loài này không tạo bào tử, chúng thuộc loài yếm khí tuỳ tiện, chúng có khả năng khử nitrate thành N2 tự do. Achromobacter stutzeri: loài này thường tạo thành chuỗi dài. Chúng có khả năng làm đông tụ sữa và có khả năng lên men một số đường tạo thành các chất khí. Pseudomonas fluorescens: loài trực khuẩn này có khả năng chuyển động, trong thiên nhiên chúng tạo thành chuỗi. Bacterium pyocianeum: loài này có khả năng oxy hoá nitrate thành N2 trong môi trường chúng thường tạo sắc tố màu xanh. Cơ chế chuyển hoá nitrate trong quá trình phản nitrate hoá là một cơ chế rất phức tạp. Sự phức tạp của cơ chế này phụ thuộc rất nhiều ở từng giống vi sinh vật và điều kiện xãy ra quá trình. Quá trình này có thể xãy ra ba trường hợp khác nhau: Trường hợp thứ nhất: Nhiều loài vi khuẩn và cả nấm hoại sinh có thể khử axit nitric thành axit nitrơrit theo phương trình sau: HNO3 + 2H HNO2 + H2O 11
Trường hợp thứ hai: Nhiều loài vi khuẩn có khả năng khử nitrate thành NH3 theo phương trình sau: HNO3 + 8H NH3 + 3H2O Trường hợp thứ ba: Nhiều loài vi sinh vật khác lại có khả năng khử nitrate thành N2 tự do qua một số sản phẩm trung gian như phương trình sau: 2HNO3 2HNO2 2HNO N2 Tất cả quá trình khử nitrat đều có ý nghĩa giải phóng năng lượng cho vi sinh vật phát triển. Các vi sinh vật tham gia phản ứng nitrate là những vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện. Trong điều kiện thoáng khí, chúng sử dụng CO2 làm chất nhận H2. Trong điều kiện yếm khí, chúng sử dụng nitrate làm nhiệm vụ này. Trong thiên nhiên luôn xảy ra quá trình phản nitrate hoá. Quá trình này là một quá trình có hại cho thực vật vì bản chất của quá trình là quá trình làm mất nitơ trong nước (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003). v Phản nitrate hoá gián tiếp Vi sinh vật chỉ tham gia giai đoạn đầu là oxy hoá axit nitric thành axit nitrit. Còn những giai đoạn sau là xảy ra hoàn toàn theo những phản ứng hoá học thuần tuý ở môi trường axit để giải phóng N2. Các phản ứng hoá học giữa axit nitrit với axit amin xảy ra theo phương trình: R-CHNH2-COOH + HNO2 R-COOH + N2 + H2O R-CO-NH2 + O2 N-OH R-COOH + N2 + H2O Toàn bộ quá trình phản nitrate hoá là quá trình có lợi trong quá trình tự làm sạch môi trường nước, trả nitơ về không khí và để chúng lại tiếp tục quá trình chuyển hoá trong vòng tuần hoàn của chúng (Nguyễn Đức Lượng và ctv, 2003). Sự giải phóng nitơ là sản phẩm ưu thế của quá trình khử nitrate. Tuy nhiên nitơ hòa tan ít trong nước, do đó có khuynh hướng thoát ra như các bong bóng nổi lên. Các bong bóng này có thể ngăn chặn sự lắng của bùn trong các bể lắng. Ngoài ra oxit nitơ (N2O) có thể sinh ra trong quá trình khử nitrate trong nước thải, dẫn đến sự loại bỏ không hoàn toàn nitrate. Khí N2O là chất gây ô nhiễm không khí, cần ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự sinh ra chất này. Ở một số điều kiện, có thể đến 8% nitrate chuyển thành N2O và điều kiện thích hợp hơn cho chúng là tỷ số COD/N-NO3 thấp, thời gian lưu bùn ngắn và pH thấp (Lê Văn Cát, 2007). Trong thiên nhiên còn có một quá trình hết sức quan trọng khác, đó là quá trình cố định nitơ phân tử. Quá trình này xảy ra rất mãnh liệt trong đất nhờ hai nhóm vi sinh vật: vi sinh vật cố định nitơ tự do (Azotobacter, Clostridium) và vi sinh vật 12