LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống": http://123doc.vn/document/1049755-hoan-thien-thiet-bi-loc-nuoc-khu-nito-lien-ket-trong-nuoc-an-uong.htm
PHầN 1: TổNG QUAN TàI LIệU
I. Sự ô nhiễm các nguồn nớc
1. Đặc điểm và phân loại nớc thải
- Nớc là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu cho mọi
sinh vật. Không có nớc cuộc sống của con ngời trên trái đất không tồn tại
đợc.Nhng nguồn nớc cấp cho mọi nhu cầu sinh hoạt và giải trí cho
con ngời chỉ có hạn. Lợng nớc ngọt có thể sử dụng đợc chỉ chiếm
khoảng 0.26% lợng nớc toàn trái đất, trong số đó chỉ có 1/3 lợng nớc
này có khả năng sử dụng cho mục tiêu sản xuất nớc sạch. Trong vài thập kỷ
gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi nền kinh tế và
đời sống con ngời đợc nâng cao, bên cạnh đó cũng làm suy thoái và cạn
kiệt các nguồn nớc cấp cho sinh hoạt.Phần lớn lợng phế thải công nghiệp,
nông nghiệp và sinh hoạt của con ngời xả trực tiếp vào các nguồn nớc
không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nặng.
- Có ba loại nớc thải chủ yếu
+ Nứơc thải sinh hoạt : là loại phổ biến, có nguồn gốc từ những sinh hoạt
khác nhau của con ngời, từ các bệnh viện, hàng ăn và các chất thải của
con ngời Nớc thải loại này chứa hàm lợng các chất hữu cơ rất cao.
+ Nớc thải công nghiệp: là loại chứa nhiều chất vô cơ, kim loại, hữu cơ
Điều quan trọng là chúng thờng chứa nhiều chất gây độc đối vối sinh vật.
Loại nớc thải này có nguồn gốc từ những nhà máy, những sản phẩm thừa,
cũ, hỏng hoặc không thể sử dụng đợc và chất thải độc hại từ các quá trình
5
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
sản xuất công nghiệp
2. Các hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ có trong nớc thải thờng đợc chia làm hai loại :Loại khó
phân huỷ và loại dễ phân huỷ. Lợng hữu cơ dễ phân huỷ đợc đánh giá theo
chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD). Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD
5
) là lợng
oxy tiêu tốn nhờ vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nớc trong
thời gian 5 ngày ở 20
o
C. COD: nhu cầu oxy hoá học dùng để oxy hoá toàn
bộ chất hữu cơ và các gốc khử có trong nớc thải . Do vậy tỉ số COD/BOD
luôn lớn hơn 1
3. Các hợp chất vô cơ
Các hợp chất vô cơ có nồng độ khá cao trong nớc thải khu dân c nh Cl
-
,
SO
4
2-
, PO
4
3-
, Na
+
, K
+
và trong nứơc thải công nghiệp nh kim loại có độc
tính cao nh: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr
- Nớc thải còn chứa nhiều hợp chất vô cơ chứa nitơ nh: NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
Trong hệ thuỷ sinh các hợp chất hữu cơ này tăng cờng sinh trởng, nhiều loài
rong tảo phát triển và sự tích tụ rồi phân huỷ sinh khối của chúng gây ô
nhiễm môi trờng nuôi
- Sự ô nhiễm nitơ liên kết nguồn nớc mặt do phế thải sinh hoạt và sản xuất
đã tác động trực tiếp đến chất lợng nguồn nớc ngầm. Tại Hà Nội, kết quả báo
cáo chất lợng nớc của Bộ xây dựng, Công ty t vấn cấp thoát nớc và môi trờng
Việt Nam cho chất lợng nhiều nguồn nớc ngầm ngày càng bị suy giảm
nghiêm trọng.Nớc từ nhiều nhà máy nớc chứa một hàm lợng NH
4
+
lớn nh nhà
6
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
máy nớc Pháp Vân hàm lợng NH
4
+
lên đến 60 mg/l, nhà máy nớc Tơng Mai
là 30 mg/l và nhà máy nớc Yên Phụ là 20 mg/l ( 9 ) .
- Amoni(NH
4
+
)thực ra không qúa độc đối với con ngời nh đối với nhiều thuỷ
động vật nhng trong quá trình khai thác, xử lý, lu trữ chúng bị
chuyển hoá thành nitrit. Hàm lợng nitrit cao trong nớc uống sẽ gây bệnh đ-
ờng hô hấp ( methemoglobinemia (bệnh xanh da)) ở trẻ em. NO
2
-
có thể kết
hợp với axit amincó trong thức ăn để tạo ra hợp chất nitrosamin sản phẩm
này có thể gây bệnh ung th cho con ngời, vì vậy ngời ta đã tìm nhiều biện
pháp loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nớc sinh hoạt
II. Các phơng pháp khử nitơ liên kết trong nớc
Để loại bỏ hợp chất nitơ, ngời ta có thể sủ dụng nhiều phơng pháp nh phơng
pháp lý học, phơng pháp hoá học, sinh học. Chúng có những u nhợc điểm
riêng và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau.
1. Phơng pháp lý học( 19)
- Trong phơng pháp lý học ngời ta thờng loại bỏ amôn ở dạng khí dễ bay hơi
(NH
3
), bằng cách thổi khí .Để chuyển hoá mạnh amôn thành dạng khí ngời
ta nấy pH nớc khoảng 10,5-11,5.
- Ưu nhợc điểm của quá trình :
Ưu điểm :
+ Có thể kiểm soát đợc quá trình
+ Kỹ thuật đơn giản
Nhợc điểm
+ Trong môi trờng nớc Nitơ liên kết không chỉ tồn tại ở dạng NH
4
+
mà
7
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
nó còn tồn tại dới dạng NO
2
-
, NO
3
-
. Bằng phơng pháp này không thể giảm
thiểu đợc các hợp này
+ Quá trình chuyển hoá NH
4
+
thành NH
3
và giải phóng vào không khí dẫn
đến ô nhiễm không khí
2. Phơng pháp hoá học (19)
Để xử lý nớc chứa Nitơ liên kết bằng phơng pháp hoá học ngời ta sử dụng
các phơng pháp nh: Phơng pháp clo hoá, phơng pháp trao đổi ion.
2.1 Phơng pháp Clo hoá (19)
Nguyên tắc
Sử dụng chất oxy hoá mạnh nh :Clo, Ozon, Cloramin, KMnO
4
để oxy hoá
amoni thành Nitrit, Nitrat .
Khi sử dụng Clo quá trình này diễn ra nh sau :
Cl
2
+ H
2
O = HClO + HCl (1)
(hypoclorit)
Amonia trong nớc sẽ tác dụng với HClO tạo nitơ phân tử bay vào không khí
2 NH
3
+ 3 HClO = N
2
+ 3 H
2
O + 3 HCl (2)
- Tuy nhiên, để phản ứng (2) xảy ra thì tỉ lệ Cl
2
/NH
4
+
(về khối lợng g/g)
phải đạt tới 7,6, do đó chuyển hoá 1mg NH
3
phải cần ít nhất 8 mg Clo. Nh
vậy khi sử dụng phơng pháp này, ngời ta cần dùng một lợng lớn Clo.
- Ưu nhợc điểm của quá trình :
Ưu điểm
+ Quá trình này có thể kiểm soát đợc, tất cả lợng N-NH
3
đều có thể đợc
oxy hoá hết.
8
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
+ Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nớc
+ Không tốn diện tích mặt bằng
Nhợc điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Còn tồn tại một lợng lớn Clo d và hợp chất Clo là nguyên nhân gây
độc với con ngời và sinh vật thuỷ sinh
+ Quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH, liều lợng Clo sử dụng
+Trong quá trình xử lý một lợng trihalomethane tạo thành ảnh hởng đến
chất lợng nớc cấp
+ Cần phải kiểm soát chặt chẽ độ pH để tránh sự tạo thành khí NCl
3
+ Không khử đợc nitơ dạng NO
2
-
và NO
3
-
2.2 Phơng pháp trao đổi ion (19)
Nguyên tắc
Nớc cần xử lý đi qua bề mặt nhựa trao đổi này(loại cationit).NH
4
+
đợc hấp
thụ lên bề mặt hạt nhựa đó. Để hoàn nguyên vật liệu này cần sử dụng một số
iôn khác đẩy NH
4
+
ra, thông thờng ngời ta sử dụng HCl loãng Phơng pháp
này hiện nay đợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý nớc cấp.
Ngày nay ngời ta đã chế tạo ra một loại nhựa nhân tạo để xủ lý nớc ngầm có
nồng độ NO
3
-
cao theo nguyên lý sau: Nớc ngầm đợc bơm lên từ giếng vào
bể chứa trung gian. Sau đó nớc đợc bơm qua bể áp lực để loại bỏ cặn
9
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
bẩn ở dạng keo Hydroxit- Fe, Al Nớc đợc dẫn chẩy qua cột trao đổi ion
(loại anionit). Tại đây xẩy ra quá trình trao đổi ion NO
3
-
với Clo ở lớp khuếch
tán của hạt nhựa. Kết quả là NO
3
-
bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nớc sau khi
đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lợng NO
3
-
đạt yêu cầu dùng cho nớc ăn
uống
Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO
3
-
cao trong nớc ngầm
Ưu điểm
+ Dễ dàng kiểm soát quá trình
+ Điều kiện vận hành đơn giản
+ Đạt hiệu quả cao
+ Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi bằng cách ngâm nhựa trong dung dịch
muối ăn bão hoà để giải hấp phụ.
Nhợc điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ
+ Không áp dụng đợc cho nguồn nớc có nhiều cặn lơ lửng
3. Phơng pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nớc
3.1 Cơ sở lý thuyết của các phơng pháp sinh học
3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên
N ớc vào
Bể
chứa
trun
g
gian
Bể lọc áp
lực
Cột
trao
đổi
anion
N ớc ra
10
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Sơ đồ dời đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dới tác động của
sinh vật
Hình 2: chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên
Trong chu trình chuyển hoá này, các cơ thể thực vật, vi khuẩn có khả năng
sử dụng(đồng hoá) nhiều dạng nitơ liên kết để sinh trởng và phát triển.
Các vi khuẩn nitrat hoá và phản nitrat hoá trong tự nhiên chuyển hoá các
hợp chất nitơ vô cơ thành N
2
.Nitơ phân tử(N
2
) lại đợc nhiều loại vi khuẩn cố
định để chuyển thành NH
4
+
và nh vậy chu trình đợc khép kín. Chính các cơ
thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nớc trong thiên
nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ.
11
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
3.1.2 Quá trình amôn hoá
- Đây là quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ,
qúa trình này đợc thực hiện nhờ các vi sinh vật nh vi khuẩn, xạ khuẩn ,
nấm. Dới tác dụng của các vi sinh vật, protein sẽ chuyển thành các chuỗi
peptit và các amino acid, các amino acid này sẽ biến đổi và tạo thành acid và
NH
4
theo cơ chế sau:
R-CH(NH
2
)-COOH + 0.5O
2
R-CO-COOH + NH
4
+
(amino acid) (keto acid)
R-CH(NH
4
)-COOH + 2H
+
R-CH
2
-COOH + NH
4
+
(amino acid) (acid)
3.1.3 Quá trình đồng hoá nitơ liên kết ở thực vật
- Thực vật thủy sinh, đặc biệt là tảo đơn bào sử dụng NH
4
+
, CO
2
và các chất
vô cơ khác để tổng hợp sinh khối. Ngoài ra tảo còn tiếp nhận năng lợng ánh
sáng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ và giải phóng oxy. Quá trình
đồng hoá amoni của tảo tiêu tốn cacbon hidrat dự trữ trong tế bào và amoni
đợc chuyển sang dạng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ
- Một số enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá amôn ở tảo nh sau:
+ Enzyme glutamin dehydrogenaza (GDH)
Axit
- glutaric + NH
3
+ NAD(P)H + H
+
+ GDH Axit glutamic + H
2
O
+ Enzyme glutamic syntheaza(GS)
Axit glutamic +NH
3
+ ATP + GS Glutamin + ADP + P
i
3.1.4 Quá trình nitrat hoá
Là quá trình chuyển hoá amoni thành nitrat dới tác dụng của enzyme
12
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
amon monoxygenaza của các vi khuẩn. Quá trình này gồm hai giai đoạn oxy
hoá amôn (nitrit hoá)và oxy hoá nitrit (nitrat hoá), do hai nhóm vi khuẩn tự
dỡng hiếu khí bắt buộc thực hiện. Các vi khuẩn này có dạng hình que, hình
cầu, hình elip, hoặc hình xoắn, không sinh bào tử , gram âm và là các vi
khuẩn hiếu khí. Các vi khuẩn nitrat hoácó thể phát triển đợc ở pH từ 5,5 -
9,0, pH tối u là 7,5
3.1.4.1 Giai đoạn oxy hoá amôn (Nitrit hoá)
- Do các nhóm vi khuẩn tự dỡng Nitrosomonas (N. europaea,
N. oligocarbogenes) ; Nitrosospira ; Nitrosococcus ; Nitrosolobus
Phơng trình phản ứng nh sau
NH
4
+
+ 1.5O
2
Nitrosomonas NO
2
-
+ 2H
+
+H
2
O + 275kJ
- Nhiệt độ sinh trởng và phát triển đối với vi khuẩn nitrit hoá là 5 - 40
0
C.
Nhiệt độ tối u cho quá trình nitrit hoá là 25 - 30
0
C. Chúng có thể sống
đợc ở độ mặn từ 0 - 4,4 %.
- Các vi khuẩn có thể sinh trởng đợc ở pH: 6,0 - 9,0. Với độ pH dới 7,0 quá
trình phát triển của chúng bị chậm lại. Nếu pH nhỏ hơn 6,5 hoặc lớn hơn 9,0
thì hoạt tính nitrit hoá sẽ giảm hoặc không xẩy ra. Bởi vậy, chất đệm trong n-
ớc có vai trò rất quan trọng. Nếu pH giảm, hoạt tính nitrit hoá và sự phát
triển của các vi khuẩn này sẽ bị ức chế (10, 11, 12, 13).
* Cơ chế hoá học của quá trình oxy hoá amôni
- Cơ chế hoá học của quá trình này đã đợc nghiên cứu từ lâu. Trong quá
trình oxy hoá amôn thành nitrit có nhiều enzim trong và ngoài màng của tế
bào tham gia. Cơ chế quá trình này đợc trình bày ở sơ đồ sau :
13
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Trớc tiên, NH
3
(chứ không phải là ion NH
4
+
) bị oxy hoá bằng oxy phân tử
thành hydroxylamine (NH
2
OH) nhờ enzim Ammonia monooxygennaza.
NH
3
+ O
2
+ NADH + H
+
NH
2
OH + H
2
O + NAD
+
Quá trình này đòi hỏi phải có nguồn điện tử để tạo ra hydroxylamine.
Nguồn điện tử này đợc sinh ra khi oxy hoá NADH thành NAD
+
và truyền
qua cytochrom P
460
. Một phần nguồn điện tử trong quá trình oxy hoá amôni
thành hydroxylamine đi vào chuỗi chuyền điện tử trong màng tế bào của
Nitrosomonas. Trong quá trình vận chuyển điện tử này ATP đợc tạo ra.
Phần điện tử còn lại dùng để oxy hoá hydroxylamine thành nitrit theo phản
ứng:
14
NH
3
NH
2
OH
NO
2
-
NO
3
-
[NOH]
2e
-
Chuỗi truyền
điện tử trong
Nitrosomonas
0.5O
2
H
2
O
P460 red
P460 ox
0.5O
2
H
2
O
0.5O
2
H
2
O
2e
-
Chuỗi truyền
điện tử trong
Nitrobacter
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét