Ngày đăng: 14:43:10 30-09-2019
Quá trình chuyển hóa hợp chất nitơ trong nước thải
Hợp chất nitơ có trong nước thải chưa qua xử lý chủ yếu nằm ở dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ dạng tan và không tan (protein, axit amin, amin, urin...). Quá trình thủy phân hợp chất hữu cơ chưa nitơ do vi sinh vật tiến hành diễn ra rất nhanh và tạo ra sản phẩm chính là Amoni.
Amoni là gì?
Amoni bản thân nó không độc. Tuy nhiên, khi tồn tại trong nước, nguyên tố này dễ dàng kết hợp với các nguyên tố khác để chuyển thành nitrit, một chất cực độc khi đi vào cơ thể người. Mục đích của việc loại bỏ amoni trong nước thực chất là để ngăn ngừa khả năng chất này chuyển hóa thành nitrit gây hại cho cơ thể.
Dấu hiệu nhận biết nước nhiễm amoni
- Amoni trong nước vượt quá 20mg/l sẽ khiến cho nước có mùi khai giống như mùi nước tiểu. Dưới mức này, ta khó có thể nhận biết được nước nhiễm amoni vì màu sắc và mùi vị của nước nhiễm amoni gần như không đổi.
Vd: sử dụng nước nhiễm amoni để luộc thịt, quan sát sẽ thấy thịt luộc bằng nguồn nước này vẫn còn màu đỏ, trông như thịt luộc chưa chín.
Trong điều kiện bình thường hệ thống thu gom nước thải hay hầm tự hoại thì nitrit và nitrat khó hình thành do mật độ vi sinh tự dưỡng thấp và điều kiện môi trường không thích hợp.
Protein và hợp chất hữu cơ là nguyên tố chất của thành phần nitơ trong nước thải. Protein có nhiều trong dòng nước thải thủy sản, giết mổ, là nguồn đạm cần thiết cho người và động vật. Trong nguồn nước thải chúng sẽ tiếp tục phân hủy thành axit amin và thủy phân thành amoni
Tổng hợp các phương pháp xử lý hợp chất Nitơ trong nước thải
1. NGUỒN GỐC PHÁT SINH
Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung 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... Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng.
Mỗi người hàng ngày tiêu thụ 5-16 g 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. Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein, và urin trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac.
Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân hủy 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.
Nguồn chứa nitơ chính:
Nông nghiệp: Nitrat, Ammonium (từ phân bón và phân)
Nước thải sinh hoạt: N hữu cơ (chủ yếu là ure từ nước tiểu), Ammonium, Nitrat (từ nước sạch)
Nước thải công nghiệp: N hữu cơ, Ammonium, Nitrat, Nitrit.
2. PHÂN LOẠI
Nitơ hữu cơ (N hữu cơ):
- Urê(CH4N2O)
- Amin(R-NH2)
- Axitamin(R-CHNH2-COOH)
- Chuỗiaxitamin(Protein,Peptin)
Nitơ vô cơ (N vô cơ):
- Ammonium(NH4 )
- Nitrit(NO2-)
- Nitrat(NO3-)
3. THÀNH PHẦN CHỦ YẾU
Thành phần chủ yếu của hợp chất nitơ trong nước thải đầu vào 60-70% là Nitơ vô cơ, chủ yếu tồn tại ở dạng Amoni (NH4), 30-35% là Nitơ hữu cơ.
Nitơ đầu tiên đi vào nước thải ở thể liên kết hữu cơ (urê, Axitamin và Abumin), phản ứng xảy ra một phần trong mạng lưới đường ống, nên tại đầu vào của nhà máy khoảng 60% tải lượng N đã tồn tại dưới dạng NH4-N.
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NITƠ
Quá trình xử lý nước thải chứa nitơ dựa trên nguyên tắc hóa học, nước thải được đưa đến pH trong khoảng từ 10 đến 11 bằng cách thêm vào Ca(OH)2 với nồng độ 10g/l để tạo thành NH4OH, khi đó amoni chuyển từ trạng thái lỏng sang khí và sau đó được đưa ra ngoài không khí qua các tháp làm lạnh.
Nhược điểm của phương pháp này là:
- Chi phí đầu tư và vận hành lớn vì đòi hỏi lượng không khí lớn và lượng Ca(OH)2.
- Phải làm giảm PH bằng H2SO4 trước khí thải ra môi trường.
Phương pháp để loại bỏ amoni trong nước thải thông qua việc kết tủa amoni dưới dạng (NH4)MgPO4.6H2O khi thêm MgCl2 và Na2HPO4 trong quá trình xử lý. Bằng phương pháp này, với tỷ lệ Mg:NH4:PO4=1:1:1 và pH trong nước từ 8,5 đến 9, nồng độ amoni trong nước thải rỉ rác giảm từ 5.600 mg/l xuống chỉ còn 110 mg/l trong 15 phút, đối với nước thải sinh hoạt hiệu quả xử lý là 66%. phương pháp này còn có thể ứng dụng cho việc loại bỏ hợp chất chứa photpho trong nước thải.
Một phương Pháp để xử lý nitơ khác là bổ sung thêm clo vào nước thải trong quá trình xử lý. Khi cho clo vào nước thải, NH3 sẽ phản ứng với clo dưới dạng HOCl để tạo ra các sản phẩm trung gian là NH2Cl, NHCl2, NCl3. Quá trình xử lý sẽ diễn ra liên tục khi thêm HOCl vào phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử. Quá trình này diễn ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, pH, thời gian xử lý và tỷ lệ HOCl/NH3. Với tỷ lệ HOCl/NH3 được tính theo mol bằng 1 tại pH trong khoảng từ 7 đến 8 tất cả NH3 đều chuyển hóa thành NH2Cl. Với tỉ lệ HOCl/NH3 bằng 2 sản phẩm chủ yếu là NHCl2, khi tỉ lệ trên bằng 3 thì sản phẩm xử lý tạo ra chủ yếu là NCl3.
Theo tỉ lệ mol HOCl/NH3 = 1 tại pH = 7-8 tất cả NH3 đều chuyển hóa thành monocloamin với tốc độ rất nhanh (phần ngàn giây). Với tỉ lệ HOCl/NH3 = 2 tính theo mol hoặc bằng 10 tính theo nồng độ khối lượng (mg/l) tại vùng pH =7-8 thì sản phẩm chủ yếu là dicloamin, khi tỉ lệ trên bằng 3 thì sản phẩm là tricloamin. Hai phản ứng sau có tốc độ chậm hơn phản ứng đầu, nhanh ở vùng pH thấp, chậm ở vùng pH cao.
Trong môi trường nước, hợp chất nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni (NH4 ), nitrate (NO3-), ít hơn ở dạng nitrite (NO2-) và trong một số hợp chất hữu cơ khác. Thành phần được xem là bền đối với môi trường và không gây hiệu quả xấu cho môi trường là khí nitơ (N2). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ.
Xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ dựa trên các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa thành các chất không độc như khí N2, trả lại môi trường không khí. Phương pháp sinh học có những ưu điểm so với các phương pháp vật lý hóa học như: hiệu suất khử nitơ cao, sự ổn định và tương đối dễ vận hành, quản lý, chi phí đầu tư hợp lý và quan trọng cho sự phát triển bền vững, bảo vệ môi trường và hệ sinh thái.
Các quá trình trong chu trình nitơ chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng khác đều được tiến hành bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau với mục đích lấy năng lượng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng. Các dạng nitơ hữu cơ từ nguồn động thực vật sau khi chết được các vi khuẩn amoni hóa chuyển hóa thành dạng NH4 ; sau đó NH4 được chuyển hóa thành NO2- nhờ vi khuẩn nitrite hóa; NO2- sinh ra được nhóm sinh vật nitrate hóa chuyển hóa thành NO3-; cuối cùng nitrate được nhóm sinh vật thiếu khí chuyển thành dạng nitơ phân tử nhờ quá trình khử nitrate.
Tách amoniac ra khỏi môi trường nước có thể thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion trên cationit. Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối với amoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt với nồng độ cao như canxi, magie. Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng chọn lọc cao đối với amoni có thể được sử dụng trong một số trường hợp. Nitrat cũng là cấu tử có độ chọn lọc trao đổi ion thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp. Trên thị trường có một số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat.
Lưu ý:
- pH tối ưu cho quá trình trao đổi là 6
- Tái sinh bằng biện pháp hóa học là sử dụng các dung dịch muối trao đổi ngược lại với amoni trong zeolit, sau đó dùng khí thổi qua dung dịch tái sinh, hấp thụ lại vào axit, thu hồi dưới dạng amoni. Sử dụng dung dịch muối NaCl có nồng độ 6 - 26 g/l là biện pháp thông dụng.
Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nanô, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất khác.
Phương pháp sục khí nóng để bốc hơi amoni và thu hồi NH3 từ pha khí.
