Tài liệu Nghiên cứu loại bỏ các hợp chất nitơ trong nước thải chế biến tinh bột sắn bằng phương pháp sinh học

§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT Më ®Çu HiÖn nay, t¹i ViÖt Nam, m«i tr−êng lµng nghÒ ®ang bÞ « nhiÔm nghiªm träng. Trong ®ã n−íc th¶i tõ c¸c lµng nghÒ ®−îc chó ý h¬n c¶. HÇu hÕt n−íc th¶i cña lµng nghÒ ®Òu ch−a ®−îc xö lý ®· x¶ th¼ng ra m«i tr−êng, g©y « nhiÔm nghiªm träng tíi m«i tr−êng ®Êt, n−íc, kh«ng khÝ, ®· ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi ®êi sèng cña con ng−êi vµ c¸c sinh vËt sèng xung quanh. §Æc biÖt ®èi víi lµng nghÒ chÕ biÕn n«ng s¶n thùc phÈm, n−íc sö dông trong hÇu hÕt c¸c qu¸ tr×nh chÕ biÕn nªn th¶i ra m«i tr−êng l−îng n−íc lín. Theo sè liÖu kh¶o s¸t cho thÊy hµm l−îng trung b×nh c¸c chÊt « nhiÔm c¬ b¶n trong n−íc th¶i rÊt cao: COD tõ 9763868mg/l, v−ît tõ 9,7 - 87 lÇn; BOD tõ 642 - 2003mg/l, v−ît TCCP 12,8 – 140 lÇn; c¸c hîp chÊt Nit¬ tõ 20,9-1002mg/l, v−ît TCCP 16,7 lÇn, pH thÊp...[4] Nh− vËy gi¸ trÞ COD, BOD, SS vµ tæng nit¬ ®Òu cao chøng tá nit¬ cã nhiÒu trong n−íc th¶i chÕ biÕn n«ng s¶n v× nit¬ tån t¹i trong n−íc ë d¹ng nit¬ h÷u c¬ vµ v« c¬. C¸c hîp chÊt nit¬ cã trong n−íc th¶i lµ thµnh phÇn quan träng g©y hiÖn t−îng phó d−ìng ë c¸c ao, hå, s«ng ngßi,... ¶nh h−ëng ®Õn n−íc mÆt vµ n−íc ngÇm. Bëi v× c¸c hîp chÊt nit¬ cã trong n−íc lµ chÊt dinh d−ìng ®Ó sinh vËt x©y dùng tÕ bµo, nguån thøc ¨n cho c¸c loµi t¶o hoÆc thùc vËt thuû sinh kh¸c. V× vËy ®Ó h¹n chÕ t×nh tr¹ng « nhiÔm t¹i c¸c lµng nghÒ chÕ biÕn n«ng s¶n nhÊt lµ c¸c hîp chÊt nit¬ th× ph−¬ng ph¸p sinh häc ¸p dông ®Ó xö lý lo¹i n−íc nµy lµ hîp lý h¬n so víi c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c. XuÊt ph¸t tõ nh÷ng lý do trªn, víi môc ®Ých nghiªn cøu kh¶ n¨ng ¸p dông ph−¬ng ph¸p xö lý sinh häc ®Ó xö lý c¸c hîp chÊt nit¬ trong n−íc th¶i chÕ biÕn tinh bét s¾n. V× vËy chóng t«i tiÕn hµnh thùc hiÖn ®Ò tµi: “Nghiªn cøu lo¹i bá c¸c hîp chÊt Nit¬ trong n−íc th¶i chÕ biÕn tinh bét s¾n b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ë lµng nghÒ D−¬ng LiÔu - Hoµi §øc - Hµ Néi“. Hy väng sÏ gi¶i quyÕt ®−îc t×nh tr¹ng « nhiÔm m«i tr−êng t¹i ®Þa ph−¬ng ®Æc biÖt lµ « nhiÔm c¸c hîp chÊt nit¬, ®ãng gãp cho sù ph¸t triÓn bÒn v÷ng n«ng th«n nãi chung vµ c¸c lµng nghÒ nãi riªng trong c«ng cuéc CNH- H§H ®Êt n−íc. Hoμng ThÞ Hoa 1 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT CH¦¬NG 1. Tæng quan tμi liÖu 1.1. Lµng nghÒ D−¬ng LiÔu 1.1.1. §iÒu kiÖn tù nhiªn * VÞ trÝ ®Þa lý khu vùc Lµng nghÒ D−¬ng LiÔu n»m trªn d¶i ®ª s«ng §¸y c¸ch thµnh phè Hµ Néi 25 km vÒ phÝa T©y B¾c, thuéc ®Þa phËn huyÖn Hoµi §øc. Ranh giíi cô thÓ cña x· nh− sau: - PhÝa §«ng gi¸p x· §øc Th−îng - PhÝa T©y gi¸p s«ng §¸y - PhÝa Nam gi¸p víi x· C¸t QuÕ - PhÝa B¾c gi¸p x· Minh Khai * KhÝ hËu Do lµng nghÒ n»m trong vïng ®ång b»ng B¾c Bé nªn cã chung kiÓu khÝ hËu khu vùc: - KhÝ hËu nhiÖt ®íi giã mïa Èm, mïa hÌ nãng vµ m−a nhiÒu, mïa ®«ng l¹nh vµ m−a Ýt. - NhiÖt ®é trung b×nh hµng n¨m lµ 23,6oC. - L−îng m−a trung b×nh hµng n¨m lµ 1700 -1800mm ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu trong c¸c th¸ng. - §é Èm t−¬ng ®èi trung b×nh 80 – 90%. - Cã 2 h−íng giã râ rÖt: Giã §«ng B¾c trong mïa ®«ng vµ giã §«ng Nam trong mïa hÌ. 1.1.2. §iÒu kiÖn kinh tÕ - x∙ héi * D©n sè [1] Tæng sè d©n toµn x· kho¶ng 11.794 ng−êi, trong ®ã sè Nam giíi lµ 6034 ng−êi, N÷ giíi lµ 5700 ng−êi Sè hé d©n: 2652 hé, møc ®é t¨ng d©n sè: 0,946%/n¨m Hoμng ThÞ Hoa 2 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT * Lao ®éng vµ viÖc lµm TÝnh ®Õn hÕt th¸ng 6 n¨m 2006 toµn x· cã 25 c«ng ty TNHH vµ c«ng ty cæ phÇn trong ®ã cã 18 c«ng ty tham gia vµo qu¸ tr×nh s¶n xuÊt vµ chÕ biÕn n«ng s¶n, h¬n 300 hé gia ®×nh s¶n xuÊt víi quy m« võa vµ nhá [1]. Gi¶i quyÕt c«ng ¨n viÖc lµm cho nh©n d©n vµ thu hót ®¸ng kÓ lao ®éng tõ c¸c ®Þa ph−¬ng kh¸c tíi tham gia. Toµn x· hiÖn cã kho¶ng 6.500 lao ®éng, trong ®ã 3.000 lao ®éng lµ n÷, riªng lao ®éng bªn ngoµi ®Õn lµm thuª kho¶ng 300 - 500 lao ®éng. B×nh qu©n thu nhËp ®¹t 7 triÖu/ng−êi /n¨m[1]. B¶ng 1. C¬ cÊu lao ®éng ph©n theo ngµnh s¶n xuÊt [1] STT Ngµnh Sè hé Sè L§ 1 N«ng nghiÖp 714 1.699 2 CN – TTCN (c¶ hé kiªm) 1.193 3.050 3 Th−¬ng m¹i – Dich vô 745 1.657 Tæng céng 2652 6.388 1.1.3. Ho¹t ®éng s¶n xuÊt và chÕ biÕn tinh bét s¾n 1.1.3.1. T×nh h×nh chÕ biÕn tinh bét s¾n trong n−íc S¾n lµ mét lo¹i c©y cã cñ quan träng ®−îc trång réng r·i ë nhiÒu vïng nhiÖt ®íi trªn thÕ giíi, ë n−íc ta c©y s¾n ®ãng vai trß quan träng trong ®êi sèng kinh tÕ x· héi vµ lµ lo¹i l−¬ng thùc ®øng thø 2 sau g¹o. C©y s¾n ®−îc trång ë nhiÒu n¬i vµ trªn nhiÒu lo¹i ®Êt kh¸c nhau nh−ng phæ biÕn ë vïng trung du, miÒn nói, th−êng tËp trung chñ yÕu ë 3 vïng: miÒn nam tËp trung ë T©y Ninh, B×nh Ph−íc, §ång Nai vµ B×nh ThuËn; miÒn Trung tËp trung ë §¾c L¾c, Gia Lai, Qu¶ng Ng·i, Qu¶ng Nam; miÒn B¾c tËp trung ë Hµ t©y, Phó Thä. TÝnh ®Õn n¨m 2006 s¶n l−îng s¾n cñ c¶ n−íc 7.714.000 tÊn víi tæng diÖn tÝch ®Êt trång s¾n ë n−íc ta lµ 474.800 ha [14]. C©y s¾n cã kh¶ n¨ng chÞu h¹n tèt, c¸ch thøc trång ®¬n gi¶n, thÝch hîp víi nhiÒu lo¹i khÝ hËu vµ cã n¨ng suÊt cao h¬n c¸c lo¹i c©y trång kh¸c vµ ®¹t æn ®Þnh trªn nhiÒu lo¹i ®Êt. Bét s¾n ®−îc sö dông víi nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau, hiÖn nay bét s¾n kh«ng chØ dïng lµm nguån l−¬ng thùc truyÒn thèng mµ cßn ®−îc sö dông trong rÊt nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp nh−: Hoμng ThÞ Hoa 3 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT ngµnh dÖt, thùc phÈm, thøc ¨n gia sóc, d−îc phÈm... ë c¸c n−íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn, bét s¾n ®−îc dïng ®Ó chÕ biÕn thµnh c¸c lo¹i thøc ¨n kh« cho ng−êi rÊt tiÖn Ých. Thµnh phÇn ho¸ häc cña cñ s¾n ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng sau: B¶ng 2. Thµnh phÇn ho¸ häc cña s¾n cñ [3] STT Thµnh phÇn Hµm l−îng STT Thµnh phÇn (%) Hµm l−îng (%) 1 N−íc 64 - 74 6 Xenlulo 1-3 2 Tinh bét 20 - 34 7 §éc tè 0,001 - 0,04 3 Protein 0,8 - 4,2 8 Tro 0,54 4 Lipit 0,3 - 0,4 9 C¸c Polyphenol 0,1 - 0,3 5 Pectin, ®−êng 1 - 3,1 Nhu cÇu cña thÕ giíi vÒ bét s¾n ngµy cµng t¨ng nhanh, nhÊt lµ t¹i c¸c thÞ tr−êng Trung Quèc, §µi Loan, Hµn Quèc vµ NhËt B¶n, bªn c¹nh c¸c thÞ tr−êng tiªu thô truyÒn thèng nh− EU vµ Mü. §Ó t¨ng gi¸ trÞ xuÊt khÈu cña c©y s¾n ë n−íc ta sè l−îng nhµ m¸y chÕ biÕn tinh bét s¾n ®· ®−îc x©y dùng vµ më réng thªm chñ yÕu ë miÒn Nam. Do ®ã, ngµnh chÕ biÕn tinh bét s¾n t¹i ViÖt Nam ®· cã sù ph¸t triÓn nhanh chãng. Tõ c©y l−¬ng thùc “chèng ®ãi” c©y s¾n ViÖt Nam ®· cã khèi l−îng xuÊt khÈu cao trªn thÕ giíi [12], vµ trë thµnh c©y “xo¸ ®ãi gi¶m nghÌo” cña bµ con n«ng d©n. N¨m 2006, c¶ n−íc ®· cã tíi 52 nhµ m¸y chÕ biÕn tinh bét s¾n quy m« lín, víi tæng c«ng suÊt chÕ biÕn c«ng nghiÖp lµ 3.500 tÊn tinh bét s¾n/ ngµy t−¬ng ®−¬ng 14.000 tÊn cñ, ch−a tÝnh ®Õn c¸c c¬ së t− nh©n quy m« nhá vµ c¸c lµng nghÒ truyÒn thèng [40]. C¸c nhµ m¸y hiÖn cã nay còng chØ ®ñ n¨ng lùc ®Ó chÕ biÕn kho¶ng 40% s¶n l−îng s¾n cñ hiÖn t¹i. Theo dù kiÕn, diÖn tÝch trång s¾n trªn c¶ n−íc sÏ cßn t¨ng lªn ®¸ng kÓ trong nh÷ng n¨m tíi. Víi t×nh h×nh nh− vËy ngµnh chÕ biÕn tinh bét s¾n sÏ cßn ph¸t triÓn m¹nh vµ sè nhµ m¸y sÏ cßn t¨ng trong t−¬ng lai. Dùa trªn ®Æc ®iÓm vµ nhu cÇu tiªu thô tinh bét s¾n t¹i ®Þa ph−¬ng, lµng nghÒ D−¬ng LiÔu ®· chÕ biÕn tinh bét s¾n theo quy m« hé gia ®×nh ®Ó phôc vô mét sè ngµnh kh¸c cã nhu cÇu t¹i ®Þa ph−¬ng vµ c¸c vïng phô cËn. Hoμng ThÞ Hoa 4 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT 1.1.3.2. Quy tr×nh s¶n xuÊt vµ chÕ biÕn tinh bét s¾n (CBTBS) [3] 1. Röa, c¹o vá S¾n nguyªn liÖu ®−îc ®−a qua c«ng ®o¹n röa c¹o vá b»ng m¸y li t©m. Môc ®Ých cña kh©u röa c¹o vá lµ lo¹i bá t¹p chÊt b¸m bÈn vµo nguyªn liÖu vµ lo¹i bá 1 phÇn ®éc tè cã trong s¾n (HCN). L−îng n−íc dïng trong kh©u c¹o vá kho¶ng 2- 3 m3/tÊn cñ s¾n. 2. Xay nghiÒn Qu¸ tr×nh nµy kh«ng dïng n−íc, sau khi ®−îc röa c¹o vá nguyªn liÖu cñ ®−îc ®−a vµo nghiÒn ®Õn ®é mÞn thÝch hîp ®Ó ph¸ vì cÊu tróc cña h¹t tinh bét. §èi víi s¾n nguyªn liÖu tr−íc khi ®em nghiÒn cÇn ph¶i ng©m trong n−íc 15 - 20 phót ®Ó t¸ch bít ®éc tè (chøa CN-) cã trong cñ s¾n. Sau ®ã ®−a qua c«ng ®o¹n läc t¸ch b·. 3. Läc, t¸ch b· Bét nh·o sau khi nghiÒn ®−a sang c«ng ®o¹n läc t¸ch b· b»ng m¸y v¾t li t©m, phÇn tinh bét hoµ tan trong n−íc ®−îc ®−a sang bÓ l¾ng, phÇn b· vµ s¬ sîi ®−îc t¸ch ra. L−îng n−íc cÇn cho c«ng ®o¹n nµy lµ kho¶ng 6 -10 m3/ tÊn nguyªn liÖu s¾n. 4. Qu¸ tr×nh l¾ng L¾ng lÇn 1: T¸ch bét ®en (cã lÉn c¸c t¹p chÊt kh¸c nhau) vµ bét t−¬i riªng ra. N−íc th¶i cã chøa hµm l−îng chÊt h÷u c¬ cao, do sù ph©n huû cña vi sinh vËt nªn n−íc cã mïi chua. L¾ng lÇn 2: tinh bét thu ®−îc qua l¾ng lÇn 2 lµ bét lo¹i 2. Thêi gian l¾ng cña tinh bét s¾n tõ 10 - 12 giê. Sau khi t¸ch bét ®en, tinh bét th« ®−îc röa s¹ch lÇn 2, dïng m¸y khuÊy c¸nh qu¹t ®¸nh t¬i vµ hoµ tan bét trong n−íc, ®Ó l¾ng, g¹n n−íc ®Ó t¸ch riªng bét lµm kh« b»ng tro xØ s¹ch. S¶n phÈm bét thu ®−îc d−íi d¹ng bét Èm 50%. Hoμng ThÞ Hoa 5 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT S¾n cñ N−íc cÊp N−íc th¶i (1) Bãc vá ngoµi, röa N−íc cÊp NghiÒn B· Läc L¾ng lÇn 1 L¾ng lÇn 2 Thu tinh bét Thu bét ®en Ph¬i kh« Lµm thøc ¨n cho gia sóc N−íc th¶i (2) S¶n phÈm H×nh 1. Quy tr×nh s¶n xuÊt tinh bét s¾n 1.1.3.3. HiÖn tr¹ng m«i tr−êng trong s¶n xuÊt tinh bét s¾n M«i tr−êng n−íc L−îng n−íc th¶i sinh ra trong qu¸ tr×nh chÕ biÕn tinh bét lµ rÊt lín, trung b×nh 10 -20 m3/tÊn s¶n phÈm, n−íc sö dông trong toµn bé qu¸ tr×nh s¶n xuÊt kh«ng ®−îc tuÇn hoµn, t¸i sö dông, tÊt c¶ c¸c lo¹i n−íc th¶i ®Òu th¶i th¼ng ra m«i tr−êng g©y « nhiÔm nghiªm träng, l−îng n−íc x¶ th¶i t−¬ng ®−¬ng víi l−îng n−íc sö dông cho s¶n xuÊt. Nh÷ng dßng n−íc th¶i nµy ch¶y ra c¸c con kªnh, m−¬ng, s«ng, gÇn ®ã lµm cho c¸c khu vùc nµy trë nªn « nhiÔm nghiªm träng. N−íc th¶i (1): lµ n−íc th¶i ra sau khi phun vµo guång röa s¾n cñ ®Ó lo¹i bá c¸c chÊt bÈn vµ vá ngoµi cñ s¾n. Lo¹i n−íc th¶i nµy chiÕm mét l−îng nhá Hoμng ThÞ Hoa 6 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT kho¶ng 2m3 n−íc th¶i/ tÊn s¾n cñ, chñ yÕu chøa c¸c chÊt cã thÓ sa l¾ng nhanh (vá s¾n, ®Êt c¸t...). N−íc th¶i lo¹i (2): Lµ n−íc th¶i ra trong qu¸ tr×nh läc s¾n, chiÕm mét l−îng lín kho¶ng 10m3 n−íc th¶i/ tÊn s¾n cñ: cã hµm l−îng chÊt h÷u c¬ cao, hµm l−îng r¾n l¬ löng cao, pH thÊp, hµm l−îng xianua cao, mïi chua, mµu tr¾ng ®ôc. Hai lo¹i n−íc th¶i trªn th−êng x¶ th¶i trùc tiÕp ra hÖ thèng tho¸t n−íc chung, g©y « nhiÔm nghiªm träng tíi thuû vùc. TÝnh axit cña n−íc th¶i cã thÓ huû diÖt c¸c sinh vËt d−íi n−íc vµ m«i tr−êng sèng cña chóng, ng¨n c¶n qu¸ tr×nh tù lµm s¹ch cña thuû vùc. ChÊt r¾n l¬ löng cã trong n−íc th¶i sau khi ®i vµo thuû vùc, cã thÓ l¾ng ë ®¸y thuû vùc vµ huû ho¹i vïng sinh s¶n cña c¸c loµi c¸ sinh sèng trong ®ã. C¸c chÊt h÷u c¬ ph©n huû ®· lµm gi¶m hµm l−îng oxy hoµ tan trong thuû vùc, g©y mïi h«i thèi vµ hËu qu¶ lµ thuû vùc ë ®ã kh«ng thÓ phï hîp cho bÊt kú môc ®Ých sö dông nµo. B¶ng 3. Thµnh phÇn « nhiÔm ®Æc tr−ng cña n−íc th¶i tinh bét s¾n [3] STT Thµnh phÇn Gi¸ trÞ STT Thµnh phÇn (mg/l) Gi¸ trÞ (mg/l) 1 COD 7.000 - 40.000 5 CN- 10-40 2 BOD5 6.000 - 23.000 6 pH 3,5-5 3 SS 4.000 - 8.000 7 Tæng phèt pho 11-46 4 Tæng nit¬ 42 - 262 Gi¸ trÞ BOD cao trong n−íc th¶i còng g©y t¸c ®éng bÊt lîi ®èi víi thuû vùc, lµm gi¶m nhanh hµm l−îng oxy hoµ tan cña n−íc vµ t¨ng c−êng sù sinh tr−ëng cña c¸c sinh vËt g©y h¹i trong thuû vùc. M«i tr−êng kh«ng khÝ Do ®Æc thï cña lµng nghÒ chÕ biÕn tinh bét s¾n lµ tÊt c¶ c¸c c«ng ®o¹n chÕ biÕn vµ vËn hµnh ®Òu lµ qu¸ tr×nh ”−ít”. Do vËy c¸c vÊn ®Ò m«i tr−êng chñ yÕu liªn quan ®Õn m«i tr−êng n−íc. ¤ nhiÔm kh«ng khÝ chñ yÕu lµ mïi h«i do sù ph©n huû yÕm khÝ c¸c chÊt h÷u c¬ d¹ng r¾n vµ trong n−íc th¶i sinh ra: H2S, NH3...[4]. Chóng t¹o ra c¸c mïi chua, nång bèc ra tõ n−íc th¶i, b· th¶i ë c¸c hé Hoμng ThÞ Hoa 7 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT s¶n xuÊt, tõ cèng r·nh lé thiªn trong lµng. Ngoµi ra do ho¹t ®éng vËn chuyÓn nguyªn nhiªn liÖu nªn còng g©y ra « nhiÔm bôi t¹i lµng nghÒ. ¤ nhiÔm chÊt th¶i r¾n ChÊt th¶i r¾n tõ s¶n xuÊt tinh bét bao gåm vá vµ b·, cã lÉn c¶ t¹p c¸t s¹n. B· s¾n chøa chñ yÕu lµ x¬ (xenlulo) vµ mét luîng tinh bét. Vá lôa cña s¾n chøa chñ yÕu lµ pectin, tinh bét vµ s¬. Trung b×nh 1 tÊn s¾n lµ 0,4 tÊn b·; 0,05 tÊn vá vµ ®Êt c¸t. HiÖn nay b· th¶i s¾n ®−îc tËn thu lµm thøc ¨n cho c¸c vµ nu«i lîn. Mét phÇn bÞ tr«i theo n−íc th¶i xuèng cèng r·nh g©y t¾c nghÏn, khi ph©n huû g©y mïi h«i thèi. Nguån th¶i nµy gãp phÇn chÝnh lµm « nhiÔm m«i tr−êng ®Êt vµ trùc tiÕp g©y « nhiÔm m«i tr−êng kh«ng khÝ còng nh− ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng n−íc mÆt, n−íc ngÇm. 1.2. Hîp chÊt nit¬ trong tù nhiªn vµ c¸c vÊn ®Ò m«i tr−êng 1.2.1. Chu tr×nh nit¬ vµ c¸c ph¶n øng chuyÓn ho¸ sinh ho¸ - ho¸ häc 1.2.1.1. Chu tr×nh nit¬ Nit¬ lµ nguyªn tè chiÕm gÇn 80% thÓ tÝch khÝ quyÓn. Nit¬ tham gia vµo thµnh phÇn cÊu tróc cña protein cho nªn ®ãng vai trß quan träng nh− mét yÕu tè giíi h¹n ®èi víi nhiÒu qu¸ tr×nh sinh ho¸ diÔn ra trong c¬ thÓ, ®Æc biÖt trong thêi kú t¨ng tr−ëng. Nit¬ ph©n tö cã nhiÒu trong khÝ quyÓn, nh−ng kh«ng ph¶i sinh vËt nµo còng kiÕm ®−îc, chØ mét sè rÊt Ýt nh− c¸c vi khuÈn cè ®Þnh ®¹m cã thÓ kiÕm ®−îc. B¶n th©n thùc vËt còng dinh d−ìng ®¹m ë d¹ng nitrat (NO3-) hoÆc ion amon (NH4+). Sinh vËt s¶n xuÊt hÊp thô vµ ®ång ho¸ råi chuyÓn cho c¸c nhãm sinh vËt kh¸c, cuèi cïng bÞ ph©n huû tr¶ l¹i nit¬ cho m«i tr−êng. Hoμng ThÞ Hoa 8 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT H× nh 2. Ch u tr× nh Nit ¬ C ¸c c«ng ®o¹n trong chu tr×nh nit¬: Sù cè ®Þnh ®¹m Cè ®Þnh ®¹m tr−íc hÕt ®ßi hái sù ho¹t ho¸ ph©n tö nit¬ ®Ó t¸ch nã ra thµnh 2 nguyªn tö ( N22N) trong cè ®Þnh nit¬ sinh häc th× ®ßi hái n¨ng l−îng víi gi¸ trÞ 160 Cal/mol. Khi kÕt hîp nit¬ tù do víi hy®ro thµnh amoniac (NNH3) ph¶n øng gi¶i phãng 13 Cal/mol, n¨ng l−îng ®−a vµo qu¸ tr×nh cè ®Þnh ®¹m lµ 147 Cal/mol. Lo¹i trõ ®èi víi qu¸ tr×nh quang hîp, tÊt c¶ c¸c sinh vËt cè ®Þnh nit¬ ®Òu cÇn n¨ng l−îng. Qu¸ tr×nh amon ho¸ hay kho¸ng ho¸ Sau khi kÕt hîp chÊt nit¬ v« c¬ (NO3-) thµnh d¹ng h÷u c¬ (th−êng lµ nhãm amin- NH2) th«ng qua sù tæng hîp protein vµ axit nucleic th× phÇn lín chóng l¹i quay vÒ qu¸ tr×nh nh− c¸c chÊt th¶i cña qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt (urª, axit uric...) hoÆc chÊt sèng (protoplasma) trong c¬ thÓ chÕt. RÊt nhiÒu vi khuÈn dÞ d−ìng, actinomyces vµ nÊm trong ®Êt, trong n−íc l¹i sö dông c¸c chÊt h÷u c¬ giµu ®¹m, cuèi cïng gi¶i phãng ra m«i tr−êng c¸c d¹ng v« c¬ (NO2-, NO3– vµ NH3) Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Qu¸ tr×nh biÕn ®æi cña NH3, nitrit thµnh NO2-, NO3 -, ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh nitrat ho¸. Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ phô thuéc vµo pH cña m«i tr−êng, tr¶i qua 2 b−íc: - BiÕn ®æi amoniac thµnh nitrit (NH4+ NO2-) Hoμng ThÞ Hoa 9 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT - BiÕn ®æi nitrit thµnh nitrat (NO2- NO3 ) Nh÷ng ®¹i diÖn cña Nitrosomonas cã thÓ biÕn ®æi amoniac thµnh nitrit mét chÊt ®éc thËm chÝ víi hµm l−îng nhá. Nh÷ng sinh vËt kh¸c nh− Nitrobacter l¹i dinh d−ìng b»ng nitrit, tiÕp tôc biÕn ®æi nã thµnh nitrat. Qu¸ tr×nh ph¶n øng nitrit Con ®−êng chuyÓn ho¸ cña nitrat qua c¸c qu¸ tr×nh ®ång ho¸ - dÞ hãa ®Ó trë vÒ d¹ng nh− N2, NO, N2O ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh ph¶n øng nitrat. Vi khuÈn ®ãng vai trß quan träng trong qu¸ tr×nh nµy lµ Pseudomonas, Escherichia vµ nÊm. Chóng sö dông nitrat nh− nguån oxy víi sù cã mÆt cña glucozo vµ photphat. PhÇn lín nh÷ng vi khuÈn ph¶n øng nitrat chØ khö nitrat ®Õn nitrit, song nh÷ng loµi kh¸c l¹i khö nitrit ®Õn amoniac. Trõ khi b¾t ®−îc trë l¹i trong qu¸ tr×nh cè ®Þnh nit¬, nit¬ ph©n tö ®−îc gi¶i phãng trong qu¸ tr×nh ph¶n øng nitrat cã thÓ trë l¹i nguån dù tr÷ ë khÝ quyÓn. Dï ë d¹ng oxit nµo hay nit¬ ph©n tö cã ®−îc t¹o thµnh hay kh«ng ®Òu tuú thuéc vµo pH cña m«i tr−êng. Sù t¨ng tiÕn cña nit¬ oxit ( NO) xuÊt hiÖn ë pH < 7. NÕu ë pH >7,3 th× dinit¬ oxyt (N2O) cã xu h−íng bÞ t¸i hÊp thô vµ tiÕp theo bÞ khö trong qu¸ tr×nh ph¶n øng nitrat trë thµnh nit¬ ph©n tö. 1.2.1.2. C¸c ph¶n øng chuyÓn ho¸ sinh ho¸ - ho¸ häc * C¸c ph¶n øng trong thuû quyÓn vµ sinh quyÓn: Urªase NH4+ + NH3 + HCO3- CO(NH2)2 + 2H2O + NH4 + 1,5O2 Nitrosomona s H2O + NO2- + 2H+ Nitrobacter - NO3- NO2 + 0,5O2 Khö nitrat - + - NO3 + 6H + 5e 5N2 + 3 H2O 6NO3-+ 5CH3OH + 6H+ 5CO + 3N2 + 13H2O 8NO3- + 5CH3 COOH + 8H+ 4N2 + 10CO2 + 14H2O * C¸c ph¶n øng trong khÝ quyÓn: Hoμng ThÞ Hoa 10 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp N2 + O2 HC + C2 + Khoa CNSH& MT 2NO HCN + N N2+ N2 2CN N2O + O NH3 + OH NH2 + NO +O, O2 NOx 2NO NH2 + H2O H2N – NO N2 + O2 +OH R – CH - NH2 R – CH2 - NH2 - H2O + H2O RCHO + NH2 + NO RCHO + N2 + H2O +NO + OH R2 – NH R2N - H2O R2N - NO (®ialkylnitrosamin) - + NO2 R2N - NO2 (®ialkylnitrami®) 1.2.2. ¤ nhiÔm c¸c hîp chÊt nit¬ Nit¬ tån t¹i ë c¸c d¹ng chñ yÕu sau: Nit¬ h÷u c¬ (N-HC), nit¬ amoni (NNH4+/N-NH3), nit¬ nitrit (N-NO2), nit¬ nitrat (N-NO3-) vµ N2 tù do. Nit¬ lµ nguyªn tè chÝnh x©y dùng tÕ bµo tæng hîp protein nªn sè liÖu vÒ chØ tiªu nit¬ lµ rÊt cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng cã thÓ xö lý mét lo¹i n−íc th¶i nµo ®ã cã thÓ xö lý b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®−îc hay kh«ng [9]. ChØ tiªu hµm l−îng nit¬ trong n−íc ®−îc xem nh− lµ chÊt chØ thÞ t×nh tr¹ng « nhiÔm cña n−íc v× amoni (hay NH3) lµ s¶n phÈm ph©n huû c¸c chÊt chøa protein, trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ x¶y theo s¬ ®å sau: Hoμng ThÞ Hoa 11 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT Oxy ho¸ Nitrosomonas Protein NH3 (NH4+) Nitrobacter NO-2 NO3- H×nh 3. Qu¸ tr×nh ph©n gi¶i Protein trong ®iÒu kiÖn hiÕu khÝ Amoni hÇu nh− kh«ng cã ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi søc khoÎ con ng−êi, nh−ng trong qu¸ tr×nh khai th¸c, l−u tr÷ vµ xö lý... amoni ®−îc chuyÓn ho¸ thµnh nitrit (NO-2) vµ nitrat (NO3-) lµ nh÷ng chÊt cã tÝnh ®éc h¹i ®èi víi con ng−êi. Nitrit lµ chÊt rÊt ®éc v× nã cã thÓ chuyÓn ho¸ thµnh c¸c nitrosamin, nh÷ng chÊt nµy cã kh¶ n¨ng g©y ung th− cho con ng−êi [12]. Nit¬ tån t¹i trong hÖ thuû sinh ë nhiÒu d¹ng hîp chÊt v« c¬ vµ h÷u c¬, c¸c d¹ng nit¬ v« c¬ c¬ b¶n tån t¹i víi tØ lÖ kh¸c nhau tuú thuéc vµo ®iÒu kiÖn cña m«i tr−êng n−íc. Nitrat lµ muèi nit¬ v« c¬ trong m«i tr−êng n−íc ®−îc sôc khÝ ®Çy ®ñ vµ liªn tôc, nitrit tån t¹i trong ®iÒu kiÖn ®Æc biÖt, cßn amoniac (NH3) vµ ion NH4+ tån t¹i trong ®iÒu kiÖn kÞ khÝ. Amoniac hoµ tan trong n−íc t¹o thµnh d¹ng hy®r«xit amoni (NH4OH) vµ sÏ ph©n ly thµnh ion NH4+ vµ OH-. Qu¸ tr×nh oxi ho¸ cã thÓ chuyÓn tÊt c¶ c¸c d¹ng nit¬ v« c¬ thµnh ion nitrat, cßn qu¸ tr×nh khö sÏ chuyÓn ho¸ chóng thµnh d¹ng ion amoni. Nit¬ kh«ng nh÷ng chØ cã thÓ g©y ra c¸c vÊn ®Ò phó d−ìng mµ khi chØ tiªu N - NO3- trong n−íc cÊp sinh ho¹t v−ît qu¸ 45 mg/l g©y ra mèi ®e do¹ nghiªm träng ®èi víi søc kháe con ng−êi. Trong ®−êng ruét trÎ nhá th−êng t×m thÊy lo¹i vi khuÈn cã thÓ chuyÓn ho¸ nitrat thµnh nitrit. Nitrit cã ¸i lùc víi hång cÇu trong m¸u m¹nh h¬n oxy, khi nã thay thÕ oxy sÏ t¹o thµnh methermoglobin, hîp chÊt nµy kh«ng thÓ nhËn oxy vµ g©y ra bÖnh xanh xao ë trÎ nhá (methermoglobinemia), thËm chÝ cã thÓ g©y tö vong. T¹i Transylvania ë Rumani tõ 1990 -1994 trung b×nh cø 100.000 trÎ em s¬ sinh th× cã tíi 24 ®Õn 363 ca nhiÔm ®éc. Sù nguy hiÓm cña NO3- ®· ®Æt ng−êi Hoμng ThÞ Hoa 12 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT Mü quy ®Þnh trong §¹o luËt vÒ An toµn Nguån n−íc Sinh ho¹t cña Mü (SDWASafe Drinking Water Act) hµm l−îng nit¬-nitrat tèi ®a lµ 10 mg/l. B»ng chøng dÞch tÔ häc vÒ ®é ®éc cña nitrit vµ nitrat lµ ch−a ®Çy ®ñ, tuy nhiªn cã thÓ kh¼ng ®Þnh r»ng nã ®éc víi trÎ em v× nguy c¬ g©y bÖnh mÊt s¾c tè m¸u methaemoglobinaemia, nhÊt lµ trÎ d−íi 3 th¸ng tuæi [9]. Tæ chøc søc khoÎ thÕ giíi ®Ò nghÞ møc 50 mg/l cho tæng nitrit vµ nitrat, trong ®ã nitrit kh«ng ®−îc lín h¬n 3mg/l. C¸c tiªu chuÈn vÒ n−íc cÊp ë ViÖt Nam còng nh− thÕ giíi ®Òu 1,5 mg/l [11], riªng tiªu chuÈn Ch©u ¢u cã yªu cÇu rÊt nghiªm ngÆt lµ 0,5 mg/l. Bªn c¹nh ®ã amoni lµ nguån dinh d−ìng cho c¸c sinh vËt n−íc, t¶o sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn. Sù ph¸t triÓn nµy lµm « nhiÔm n−íc thø cÊp trong qu¸ tr×nh l−u tr÷, ®ång thêi sinh ra c¸c chÊt ®éc nitrit vµ nitrat. 1.2.3. C¸c ph−¬ng ph¸p xö lý c¸c hîp chÊt Nit¬ §Ó xö lý c¸c hîp chÊt nit¬ trong n−íc th¶i cã thÓ xö lý b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sôc khÝ ®uæi amoniac trong m«i tr−êng kiÒm, trao ®æi ion, clo ho¸ ®Õn ®iÓm ®ét biÕn, ph−¬ng ph¸p sinh häc, ph−¬ng ph¸p ®iÖn ho¸, ®iÖn thÈm t¸ch ®¶o chiÒu, ch−ng cÊt... 1.2.3.1. Ph−¬ng ph¸p clo hãa tíi ®iÓm ®ét biÕn [5] §iÓm ®ét biÕn lµ ®iÓm mµ ë ®ã x¶y ra sù chuyÓn ®æi gi÷a sù biÕn mÊt vµ xuÊt hiÖn trë l¹i cña clo d−. Ph−¬ng ph¸p Clo ho¸ ®Õn ®iÓm ®ét biÕn lµ ph−¬ng ph¸p clo ho¸ víi nång ®é cao h¬n nång ®é t−¬ng øng víi ®iÓm ®ét biÕn trªn ®−êng cong hÊp phô Clo trong n−íc. Clo gÇn nh− lµ ho¸ chÊt duy nhÊt cã kh¶ n¨ng «xy ho¸ amoni/amoniac ë nhiÖt ®é phßng thµnh N2. Khi hßa tan Clo trong n−íc, tïy theo pH cña n−íc mµ Clo cã thÓ n»m ë d¹ng HClO hay ClO- do cã ph¶n øng theo ph−¬ng tr×nh: Cl2 + H2O = HCl + HClO ( pH <7) = H+ + ClO- (pH > 8) (1.1) Khi trong n−íc cã NH4+ sÏ x¶y ra c¸c ph¶n øng sau: HClO + NH3 = H2O HClO + NH2Cl = H2O HClO + NHCl2 = H2O + NH2Cl (Monocloramin) (1.2) + NHCl2 (Dicloramin) (1.3) + NCl3 (Tricloramin) (1.4) NÕu cã clo d− sÏ x¶y ra ph¶n øng ph©n huû c¸c cloramin Hoμng ThÞ Hoa 13 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT 2NH2Cl + HClO = N2O 3H+ + 3Cl- + + H2O (1.5) Lóc nµy l−îng clo d− trong n−íc sÏ gi¶m tíi gi¸ trÞ nhá nhÊt v× x¶y ra sù L−îng clo d− ph©n huû cloramin, ®iÓm t−¬ng øng víi gi¸ trÞ nµy gäi lµ ®iÓm ®ét biÕn. D B C A 0 L − î n g c lo c h o v µ o , m g /L P h ¶ n N H ø n g ví i 2 + 2 F e , S 3 a m in a m in N C lo d − 2 H×nh 4. §−êng cong clo ho¸ tíi ®iÓm ®ét biÕn ®èi víi n−íc cã amoni [5] Theo lý thuyÕt ®Ó xö lý NH4+ ph¶i dïng tû lÖ Cl : N = 7,6 : 1 song trªn thùc tÕ ph¶i dïng tû lÖ 8 : 1 hoÆc h¬n ®Ó oxy hãa hÕt NH3. Do x¶y ra c¸c ph¶n øng ®· nªu, qu¸ tr×nh clo ho¸ thùc tÕ diÔn ra theo mét ®−êng cong cã d¹ng ®Æc biÖt, cã "®iÓm ®ét biÕn" nh− h×nh 2. Nh÷ng nghiªn cøu tr−íc ®©y cho thÊy, tèc ®é ph¶n øng cña clo víi chÊt h÷u c¬ b»ng nöa so víi ph¶n øng víi amoni. Khi amoni ph¶n øng gÇn hÕt, clo sÏ ph¶n øng víi c¸c chÊt h÷u c¬ cã trong n−íc ®Ó h×nh thµnh nhiÒu chÊt c¬ clo cã mïi ®Æc tr−ng khã chÞu, trong ®ã, kho¶ng 15% lµ c¸c hîp chÊt nhãm Trihalometan - THM vµ axit axetic halogen (HAA) ho¸ ®Òu lµ c¸c chÊt cã kh¶ n¨ng g©y ung th− vµ bÞ h¹n chÕ nång ®é nghiªm ngÆt. 1.2.3.2. Ph−¬ng ph¸p thæi khÝ ë pH cao Amoni ë trong n−íc tån t¹i d−íi d¹ng c©n b»ng: NH4+ <=> NH3(khÝ hoµ tan) + H+ víi pKa = 9,5 (1.6) Nh− vËy, ë pH gÇn 7 chØ cã mét l−îng rÊt nhá lÖ [NH3] so víi [NH4+]. NÕu ta n©ng pH tíi 9,5 tû lÖ [NH3]/[NH4+] = 1, vµ cµng t¨ng pH c©n b»ng cµng chuyÓn vÒ phÝa t¹o thµnh NH3. Khi ®ã nÕu ¸p dông c¸c kü thuËt sôc hoÆc thæi khÝ th× NH3 sÏ bay h¬i theo ®Þnh luËt Henry, lµm chuyÓn c©n b»ng vÒ phÝa ph¶i: Hoμng ThÞ Hoa 14 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT NH4+ + OH- ↔ NH3 ↑ + H2O (1.7) Trong thùc tÕ pH ph¶i n©ng lªn xÊp xØ 11, l−îng khÝ cÇn ®Ó ®uæi NH3 ë møc 1600 m3 kh«ng khÝ/1m3 n−íc vµ qu¸ tr×nh rÊt phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i tr−êng. Ph−¬ng ph¸p nµy ¸p dông ®−îc cho n−íc th¶i, tuy nhiªn khã cã thÓ xö lý triÖt ®Ó N-amoni vµ còng kh«ng cã kh¶ n¨ng xö lý nit¬ trong c¸c hîp chÊt h÷u c¬. Ngoµi ra, mét sè ph−¬ng ph¸p ho¸ häc kh¸c theo lý thuyÕt còng cã thÓ xö lý ®−îc N-amoni trong n−íc nh−: ph−¬ng ph¸p trao ®æi ion, ph−¬ng ph¸p ozon ho¸ víi xóc t¸c Bromua [11]. Tuy nhiªn, chi phÝ xö lý cña c¸c ph−¬ng ph¸p nµy qu¸ cao, còng nh− hiÖu qu¶ xö lý phô thuéc nhiÒu vµo thµnh phÇn cña n−íc nªn kh«ng phï hîp trong xö lý n−íc th¶i. 1.2.3.3. Ph−¬ng ph¸p sinh häc [5] HiÖn nay ph−¬ng ph¸p sinh häc th−êng ®−îc sö dông cho hÇu hÕt c¸c hÖ xö lý n−íc th¶i nãi chung. Nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt mµ ph−¬ng ph¸p nµy mang l¹i: hiÖu suÊt xö lý ®¹t rÊt cao cã thÓ lµ 90 - 99%, Ýt sö dông ho¸ chÊt, chi phÝ n¨ng l−îng cho mét ®¬n vÞ thÓ tÝch xö lý thÊp so víi c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nªn cã tÝnh kinh tÕ rÊt cao. TÝnh quan träng cña ph−¬ng ph¸p sinh häc xuÊt ph¸t tõ nh÷ng tÝnh n¨ng cña nã nh− xö lý dÔ dµng c¸c s¶n phÈm trong n−íc, kh«ng g©y « nhiÔm thø cÊp ®ång thêi cho ra s¶n phÈm n−íc víi mét chÊt l−îng b¶o ®¶m s¹ch vÒ mÆt hãa chÊt ®éc h¹i vµ æn ®Þnh vÒ ho¹t tÝnh sinh häc, h¹n chÕ c¶ vÒ mïi, vÞ vµ tÝnh ¨n mßn [5, 8, 11]. Trong ph−¬ng ph¸p nµy, amoni sÏ bÞ chuyÓn ho¸ thµnh nitrat råi N2 nhê ho¹t tÝnh cña vi sinh vËt trong tù nhiªn. Trong qu¸ tr×nh xö lý vi sinh vËt sÏ ®−îc t¹o c¸c ®iÒu kiÖn vÒ dinh d−ìng còng nh− c¸c yÕu tè kh¸c ®Ó cã thÓ ®¹t ®−îc ho¹t tÝnh cao nhÊt... ë ph−¬ng ph¸p sinh häc cã thÓ thùc hiÖn bao gåm hai qu¸ tr×nh nèi tiÕp lµ nitrat ho¸ vµ khö nitrat ho¸ nh− sau: Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Qu¸ tr×nh chuyÓn hãa vÒ mÆt hãa häc ®−îc viÕt nh− sau: NH4+ + 1,5O2  NO2- + 2H+ + H2O (1.13) NO2- + 0,5O2  NO3- (1.14) Ph−¬ng tr×nh tæng: NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O (1.15) Hoμng ThÞ Hoa 15 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT Nh− vËy, 1 mol NH4+ tiªu thô 2 mol O2 hay 1 g N-NH4+ tiªu thô 4,57 g O2, 1 mol NH4+ t¹o thµnh 1 mol NO3-, 1 mol NH4+ t¹o thµnh 2 mol H+. L−îng H+ t¹o ra ph¶n øng víi ®é kiÒm HCO3-, nh− vËy 1g N-NH4+ tiªu thô 7,14 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3). C¸c ph−¬ng tr×nh (1.15 vµ 1.16) kh«ng tÝnh ®Õn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp. NÕu tÝnh c¶ c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp sinh khèi (vi khuÈn), theo Gujer vµ Jenkins [8] ta cã: 1,02 NH4+ + 1,89 O2 + 2,02 HCO3-  0,02C5H7O2N + 1,00NO3- + 1,92H2CO3 + 1,06H2O (1.16) Nh− vËy, 1 gam N-NH4+ tiªu thô 4,3 g O2, 1 gam N-NH4+ tiªu thô 7,2 g ®é kiÒm (quy vÒ CaCO3). Qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ Qu¸ tr×nh khö nitrat sö dông «xy tõ nitrat nªn gäi lµ anoxic (thiÕu khÝ). C¸c vi khuÈn ë ®©y lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ cÇn nguån cacbon h÷u c¬ ®Ó t¹o nªn sinh khèi míi. Qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ lµ tæng hîp cña bèn ph¶n øng nèi tiÕp sau: NO3-  NO2-  NO (k)  N2O (k)  N2 (k) Qu¸ tr×nh nµy ®ßi hái nguån c¬ chÊt - chÊt cho ®iÖn tö, chóng cã thÓ lµ chÊt h÷u c¬ (phæ biÕn nhÊt lµ methanol), H2 vµ S. Khi cã mÆt ®ång thêi NO3- vµ c¸c chÊt cho ®iÖn tö, chÊt cho ®iÖn tö bÞ oxy ho¸, ®ång thêi NO3- nhËn ®iÖn vµ bÞ khö vÒ N2. C¸c nhµ khoa häc ®· ph©n lËp ®−îc Ýt nhÊt 14 lo¹i vi khuÈn tham gia vµo qu¸ tr×nh khö nitrat. Chóng lµ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum vµ Thiobacilus, v.v... PhÇn lín c¸c vi khuÈn lo¹i nµy lµ dÞ d−ìng nghÜa lµ chóng dïng cacbon h÷u c¬ mµ chóng sÏ «xy ho¸ ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi [9,10] ChØ cã Thiobacilus lµ sö dông nguån ®iÖn tö tõ S nguyªn tè ®Ó t¹o n¨ng l−îng vµ nguån cacbon v« c¬ (tõ CO2 vµ HCO3-) ®Ó tæng hîp tÕ bµo míi. NÕu sö dông nguån cacbon lµ methanol hoÆc methan th× vi khuÈn Methylotrophic sÏ chuyÓn ho¸ c¸c c¬ chÊt tan tèt nh− xitrat vµ isoxitrat ®Ó vi khuÈn hÊp thô vµ sö dông nh− nguån ®iÖn tö e-. Hoμng ThÞ Hoa 16 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT C¸c ph−¬ng tr×nh tØ l−îng cña qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ phô thuéc vµo b¶n chÊt nguån cacbon sö dông nh− sau: l í p n −í c lipoprotein m µ ng v á ngo µ i N2O N2 NO2 - NO N 2O NO red red NO 2 kh è i ch Ê t b µ o NO3 - - NO red 3 - m µ ng t Õ b µ o ch Ê t red NO 2 - NO 3 - t Õ b µ o ch Ê t H×nh 5. Qu¸ tr×nh khö nitrat trªn mµng tÕ bµo chÊt cña vi khuÈn [5] 6NO3- + 5CH3OH  3N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- (1.17) 8NO3- + 5CH3COOH  4N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8 OH (1.18) 8NO3- + 5CH4  4N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (1.19) 10NO3- + C10 H19O3 N  5N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3g + 10 OH- (1.20) Ghi chó: C10 H19O3N - c«ng thøc trung b×nh cña n−íc th¶i sinh ho¹t. Nhãm OH- sÏ ph¶n øng víi CO2 t¹o ®é kiÒm bicacbonat: OH- + CO2  HCO3Còng nh− tr−êng hîp nitrat ho¸, nÕu tÝnh c¶ qu¸ tr×nh sinh tæng hîp th× ta cã: NO3- + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3   0,056C5H7NO2 + 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3- (1.21) NO2- + 0,67CH3OH + 0,53H2CO3   0,04 C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + CO3- (1.22) Theo ph−¬ng tr×nh (1.22) ®−îc nªu bëi (McCarty, 1968): Cø 1 mg/l NO3- bÞ khö th× sinh ra 3,57 mg/l ®é kiÒm. NÕu trong hÖ cã NH3 th× l−îng kiÒm sinh ra sÏ Ýt h¬n. Hoμng ThÞ Hoa 17 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nitrat ho¸ H×nh 6. ¶nh h−ëng cña pH tíi vi khuÈn nitrat ho¸ [7] - ¶nh h−ëng cña pH vµ nhiÖt ®é tíi qu¸ tr×nh nitrat ho¸ Thùc nghiÖm cho thÊy kho¶ng pH tèi −u kh¸ réng vµ dao ®éng xung quanh gi¸ trÞ pH = 8 (6 - 10) [11]. Khi thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh pH tèi −u cÇn l−u ý kh¶ n¨ng thÝch nghi cña vi khuÈn, vËy c¸c phÐp ®o ph¶i ®−îc thùc hiÖn ngay khi ®−a vµo m«i tr−êng pH míi. §Ó hiÓu râ h¬n nghiªn cøu cña Grady vµ Lim [12]sÏ chøng minh cho chóng ta thÊy ë h×nh 6. Nghiªn cøu nµy ®· chøng minh cho thÊy vi khuÈn nitrat ho¸ rÊt nh¹y c¶m víi pH, ®èi víi Nitrosomonas cã d¶i pH tèi thÝch tõ 7,0 ®Õn 8,0. Vµ ®èi víi Nitrobacter lµ tõ 7,5 ®Õn 8,0. Nh−ng bªn c¹nh ®ã nghiªn cøu cña Skadsen vµ céng sù (1996) l¹i cho thÊy mét sè loµi cã thÓ thÝch hîp ë møc pH > 9 [10]. Tuy nhiªn, Odell vµ céng sù (1996) l¹i cho r»ng cßn rÊt nhiÒu nh÷ng yÕu tè kh¸c lµm ¶nh h−ëng tíi sù tån t¹i vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat vµ nghiªn cøu cña «ng l¹i chØ ra r»ng pH thÝch hîp cho vi khuÈn nµy lµ tõ 6,6 ®Õn 9,7 [11]. NhiÖt ®é cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn hiÖu qu¶ qu¸ tr×nh nitrat ho¸ b»ng vi sinh. Thùc nghiÖm cho thÊy nhiÖt ®é tèi −u n»m trong kho¶ng 15 - 27oC [12], nh−ng cã t¸c gi¶ l¹i cho biÕt vïng nhiÖt ®é cã thÓ nghiªn cøu ®−îc l¹i n»m trong kho¶ng rÊt réng tõ 4-50OC [12] . NÕu nhiÖt ®é qu¸ cao sÏ lµm gi¶m ho¹t tÝnh cña Hoμng ThÞ Hoa 18 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT vi sinh, g©y øc chÕ ho¹t ®éng vµ cã khi g©y chÕt vi sinh vËt. Tuy nhiªn, do ®iÒu kiÖn vÒ quy m« xö lý cho nªn trong qu¸ tr×nh vËn hµnh kh«ng thÓ ®iÒu chØnh nhiÖt ®é cña n−íc ®Çu vµo, thùc tÕ nguån n−íc t¹i phßng thÝ nghiÖm kh¸ æn ®Þnh vµ n»m trong giíi h¹n thuËn lîi cho ho¹t ®éng cña toµn bé hÖ thèng. - ¶nh h−ëng cña c¸c chÊt ®éc tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitrat ho¸ So víi c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng, c¸c vi khuÈn tù d−ìng nitrat ho¸ nh¹y c¶m víi nhiÒu kim lo¹i nÆng vµ hãa chÊt. Sè liÖu vÒ ®éc tÝnh cña mét sè chÊt cho ë Phô lôc 5 - ¶nh h−ëng cña nång ®é NH4+ tíi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn nitratNitrobacter Turk vµ Mavinic, D.S. (1986) ®· chØ ra r»ng c¸c qu¸ tr×nh «xi ho¸ nitrit bÞ øc chÕ khi nång ®é NH3 ®¹t 0,1 - 1mg/l vµ ë nång ®é NH3 tõ 5 -20 mg/l, qu¸ tr×nh oxi hãa NH4+ còng bÞ øc chÕ. Tuy nhiªn, Ford et al. (1980) l¹i cho sè liÖu vÒ nång ®é g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xi hãa nitrit cao h¬n nhiÒu (10 - 150 mg NH3 /l). Sù cã mÆt cña NO2- vµ pH thÊp sinh ra HNO2 kh«ng ph©n li, ®©y lµ t¸c nh©n g©y øc chÕ qu¸ tr×nh «xy ho¸ nitrit. Alleman (1985) [11] cho thÊy khi nång ®é nitrit cao tíi 27 mg/l th× Nitrobacter bÞ øc chÕ m¹nh h¬n Nitrosomonas. Alleman còng cho r»ng nhiÖt ®é thÊp, «xy hoµ tan (DO) thiÕu vµ CO2 cao, sù cã mÆt cña NH3 tù do vµ d− l−îng bïn lµm gi¶m tèc ®é ph¸t triÓn cña Nitrobacter vµ kÐo theo sù gi¶m oxi hãa nitrit. Ngoµi ra, sèc amoni vµ sù khö nitrat cã thÓ g©y ra sù tÝch luü chÊt ®éc NO2-. §ã lµ do Nitrosomonas Ýt nh¹y c¶m h¬n ®èi víi sèc NH3 vµ nhanh thÝch nghi h¬n Nitrobacter dÉn tíi sù tÝch luü nitrit trong hÖ. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh khö nitrat ho¸ §iÒu kiÖn ph¸t triÓn vi khuÈn khö nitrat hãa: pH 7 - 8; nhiÖt ®é tõ 5 - 25 oC [9], c¬ chÊt lµ chÊt tan, cµng dÔ ®−îc vi sinh hÊp thô cµng tèt. MÆc dï methanol lµ c¬ chÊt phæ biÕn nhÊt, nh−ng nã ch−a ph¶i lµ chÊt tèt nhÊt vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc. Monteith (1980) ®· ghi nhËn lµ trong sè 30 lo¹i n−íc th¶i c«ng nghiÖp cã 22 lo¹i (th¶i bia vµ r−îu) dïng trong khö nitrat hãa tèt h¬n methanol [12]. Vi Hoμng ThÞ Hoa 19 MSSV: 505303021 §å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH& MT khuÈn khö nitrat hãa cã søc chÞu ®éc h¬n vi khuÈn tù d−ìng. Tuy nhiªn, vÉn cÇn l−u ý c¸c tr−êng hîp sau: DO øc chÕ men khö nitrit (m¹nh h¬n so víi t¸c ®éng lªn men khö nitrat). NÕu cã DO, nitrit sÏ tÝch luü. NÕu DO = 5% møc b·o hoµ, tèc ®é t¹o khÝ NOx gi¶m, nÕu ®¹t 13% th× men khö nitrit kh«ng ho¹t ®éng, nÕu h¬n 13 % th× men khö nitrat còng bÞ øc chÕ. 1. B¶n th©n nitrit còng lµ chÊt ®éc. NÕu N-NO2- ≥ 14 mg/l ë pH =7 th× qu¸ tr×nh chuyÓn hãa chÊt h÷u c¬ bëi Pseudomonas Aeruginosa sÏ chËm l¹i, ë nång ®é 350 mg/l qu¸ tr×nh bÞ øc chÕ hoµn toµn (kÓ c¶ qu¸ tr×nh oxic dïng chÊt nhËn e- lµ O2). T−¬ng tù, c¸c khÝ NOx còng lµ chÊt ®éc. 2. Sù khö ®èi víi NO2- bÞ ¶nh h−ëng m¹nh khi gi¶m pH < 7,5 (ng−îc l¹i ®èi víi sù khö NO3-). Ph−¬ng ph¸p xö lý c¸c hîp chÊt nit¬ trong n−íc th¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sinh häc ®−îc ph¸t triÓn vµ øng dông vµo thùc tÕ vµo nh÷ng n¨m 1960. Cho ®Õn nay c¸c biÖn ph¸p sinh häc ngµy cµng ®−îc øng dông nhiÒu trong lÜnh vùc xö lý « nhiÔm m«i tr−êng nãi chung bëi nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt mµ ph−¬ng ph¸p nµy mang l¹i. Hoμng ThÞ Hoa 20 MSSV: 505303021