ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG
--------------o0o---------------

TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI 2: NITROGEN- AMONIA,
NITRIT, NITRAT
GVGD: TS. Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh
SVTH: Lê Thanh Sơn
MSSV: 91203160

Tp HCM, Tháng 03-2014

1


Nitơ (Nitrogen)
I.

Tổng quan

Nitơ là nguyên tố quan trọng trong đất, nước, khí quyển và là thành phần dinh
dưỡng cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của các loài động thực vật trên Trái
đất. Tính chất hóa học của Nitơ rất phức tạp do có nhiều số oxi hóa thay đổi từ
(-III) đến (V):

Từ chu trình Nitơ, khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc nhận các nguồn nitơ từ
sự phóng điện, vi khuẩn -tảo cố định nitơ, quá trình đốt cháy...

Hình 1: Chu trình Nitơ

Nitơ bị oxi hóa thành NO bởi tác dụng của bão điện từ, NO sẽ bị oxi hóa thành NO2 bởi
sự hiện diện của Ozon trong không khí. NO2 sẽ bị khử trở lại thành NO bởi quá trình
quang hóa.
Quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (động cơ đốt trong của ôtô) cũng chuyển hóa
N2 thành NO và NO2. Các phản ứng tiếp theo trong khí quyển sẽ oxi hóa NO2 thành N2O5.
2


N2O5 sẽ liên kết với nước trong không khí tạo thành nitrat (NO3-) của axit nitric (HNO3).
Đây là một trong những nguyên nhân gây ra mưa axit. Nitrat cũng được tạo ra từ quá
trình oxi hóa trực tiếp nitơ hoặc ammonia từ phân bón hóa học. Nitrat đóng vai trò quan
trọng cung cấp nguồn dinh dưỡng cho cây trồng và được hấp thu để chuyển hóa thành
protein (nitơ hữu cơ).
NO3- + CO2 + thực vật xanh + ánh sáng mặt trời → protein
Ngoài ra nitơ trong khí quyển được chuyển hóa thành protein bởi sự tham gia của vi
khuẩn cố định đạm Cyanobacteria,một loài vi khuẩn có nhiều đặc điểm giống tảo.
N2 + Vi khuẩn cố định đạm → protein
Ammonia (NH3) và hợp chất ammonium (NH4+) chứa trong urea là nguồn dinh dưỡng
được dùng để bón cho đất cung cấp nguồn nitơ cho cây trồng chuyển hóa thành protein.
NH3 + CO2 + thực vật + ánh sáng → protein
Thực vật và con người không có khả năng chuyển sử dụng nitơ và các hợp chất vô cơ để
tổng hợp thành protein mà phải dựa vào động vật khác. Trong cơ thể động vật, protein
được sử dụng với một lượng lớn cho sự phát triển và hình thành tế bào mới. Cùng với
quá trình sử dụng, các hợp chất nitơ được thải ra trong suốt quá trình sống. Urine là hợp
chất chứa nitơ được thải ra qua quá trình phân giải protein. Urine (urea) nhanh chóng bị
thủy phân tạo thành ammonium cacbonat. Quá trình vi khuẩn phân hủy xác động thực
thực vật sẽ trả về nguồn nitơ cho đất dưới dạng NH3

Một số nitơ hữu cơ không phân hủy sinh học tồn tại ở dạng cặn lắng trong nước và mùn
bã trong đất.

Ammonia được giải phóng từ quá trình phân hủy urea và protein được thực vật sử dụng
để tổng hợp nên protein cho tế bào. Khi nguồn cung cấp ammonia nhiều hơn nhu cầu sử
dụng của thực vật, ammonia sẽ được sử dụng bởi vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng (nhóm).
Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa ammonia thành nitrit (NO2-) dưới điều kiện hiếu
khí.
(*)
Nitrit được tạo thành sẽ bị oxi hóa thành nitrat bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn
Nitrobacter.
3


(**)
Nitrat được hình thành cung cấp chất dinh dưỡng cho đất. Khi nitrat trong đất thừa, nó sẽ
thấm vào nước bởi vì đất khơng có khả năng lưu giữ nitrat. Q trình này sẽ làm gia tăng
nồng độ nitrat trong nước ngầm. Dưới điều kiện yếm khí nitrat sẽ bị khử thành nitrit, q
trình khử tiếp tục xảy ra chuyển hóa nitrit thành N2 và được giải phóng vào khí quyển.
Q trình này làm mất chất dinh dưỡng của phân bón cho đất nhất là khi điều kiện yếm
khí xảy ra.

II.

Chuyển hố của Nitơ trong mơi trường nước

Ba dạng Nitơ kết hợp với nước tạo thành các ion vơ cơ và có thể đạt đến nồng độ
rất cao như sau:

Các dạng Oxi hóa khác của Nitơ là N 2, N 2 O (Nitrous Oxit), NO (Nitric Oxit) và
NO 2 (Nitơ Oxit) tồn tại ở dạng khí. Nitơ là thành phần cấu tạo của nhiều chất hữu
cơ. Dạng khử N(III) là ngun tố chính cấu tạo Protein,Amino Acid và Nucleic
Acid

Nitơ trong nước có thể xảy ra các q trình biến đổi như sau:

Ví dụ : Phản ứng cắt urea bởi enzyme urease tạo amonia:
NH2CONH2 + H2O  CO2 + 2 NH3
Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrite hay oxi hoá nitrite thành nitrate:
Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa ammonia thành nitrit (NO2-) dưới điều kiện hiếu
khí.
2NH3 + 3 O2 2 NO2– + 2 H+ +2 H2O
Nitrit được tạo thành sẽ bị oxi hóa thành nitrat bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn
Nitrobacter
NO2– + 3 O2  2NO3–
4


Nếu trong nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, ammoniac và NH 4 OH, thì
chứng tỏ nguồn nước mới bị ô nhiễm, NH 3 trong nước sẽ nhiễm độc đến cá và các
sinh vật trong nước.
Nếu nước chứa Nitơ dạng Nitrit (NO 2 - ) là nước bị ô nhiễm một thời gian dài hơn.
Nếu nguồn nước chứa Nitơ dạng Nitrat (NO 3 - ) chứng tỏ quá trình oxi hóa đã kết
thúc. Tuy nhiên, Nitrat chỉ bền ở điều kiện hiếu khí. Trong điều kiện yếm khí
Nitrat nhanh chóng bị khử thành Nitơ tự do giải phóng ra khỏi nước .
Khi xem xét về khía cạnh hóa học liên quan tới nước thải và nước ô nhiễm nước
người ta thấy rằng phần lớn nitơ ban đầu thường ở dạng nitơ hữu cơ (protein) và
amonia. Theo thời gian của quá trình chuyển hóa thì Nitơ hữu cơ chuyển dần
thành nitơ ammonia và sau đó tiếp tục, nếu dưới điều kiện hiếu khí thì sẽ có phản
ứng oxy hóa amonia thành nitrit và nitrat. Trên hình 2 cho thấy sự thay đổi của
các dạng nitơ trong nước ô nhiễm ở điều kiện hiếu khí.
Khi trong nguồn nước phát hiện thấy nước chứa chủ yếu là nitơ hữu cơ và nitơ
amonia thì có thể cho rắng là bị đã bị ô nhiễm một thời gian lâu trước đó, do vậy
sẽ có thể ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Nước với hàm lượng nitrit đáng kể

cũng là đặc trưng đáng nghi ngờ về khả năng đã bị ô nhiễm.

Hình 2: Sự thay đổi các dạng nitơ trong nước ô nhiễm dưới điều kiện hiếu
khí

5


Sự chuyển hóa tự dưỡng của amonia thành nitrit và nitrat yêu cầu có sự hiện diện
của oxy (phương trình *,**). Qúa trình khử Nitơ amonia cùng với quá trình oxy
hóa tiếp theo của nó có thể làm giảm nghiên trọng mức oxy hòa tan trong nước
sông và cửa sông.

III. Tầm quan trọng củachỉ số nitơ trong môi trường nước
- Chỉ thị chất lượng nước
Nitơ trong nước tồn tại ở các dạng NH 3 ,NO 3 -,NO 2 - . Khi nồng độ NO 3 - trong nước
uống vượt giới hạn 45mg/l sẽ gây độc hại với người vì khi vào cơ thể trong điều
kiện thích hợp, ở hệ tiêu hóa chúng sẽ chuyển hóa thành Nitrit, kết hợp với hồng
cầu tạo thành chất không vận chuyển oxi gây ra bệnh thiếu máu xanh xao.
Trong quá trình khử trùng nước, clorin dư sẽ phản ứng với NH 3 tạo thành NH2 Cl
(Cloramin) là hợp chất gây bệnh ung thư, Nồng độ giới hạn của NH3 trong nước
là 0,2 mg/l, NH 4+ là 3mg/l. Nồng độ thông thường của các dạng nitơ trong nước
thải sinh hoạt : NH 4+ ≈ 25mg/l; N-hữu cơ ≈ 25mg/l; NO 3 - ≈ 0mg/l
- Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng:
Nguyên tố dinh dưỡng này cần cho sự phát triển của tảo. Do đó việc phân tích
hàm lượng Nitơ trong nước thải đã hoặc chưa được xử lý trước khi thải ra môi
trường là rất quan trọng .
- Quá trình chuyển hóa dị dưỡng của ammonia thành Nitrat và Nitrit:
Qúa trình này làm giảm oxi hòa tan trong nước. Trong xử lí nước thải bằng
phương pháp phân hủy hiếu khí phải tính đến lượng oxi cần cung cấp cho sự oxi

hóa của Nitơ.
- Nitơ rất cần cho sự phát triển của vi sinh vật:
Cần tính lượng Nitơ cần thiết được thêm vào để làm tăng hiệu quả của hệ thống
xử lí. Ngoài ra lượng Nitơ còn lại trong bùn thải là một trong những yếu tố quyết
định hiệu quả làm phân bón của bùn thải sau xử lí.
- Nitrat được hình thành cung cấp chất dinh dưỡng cho đất.
Khi Nitrat trong đất thừa, nó sẽ thấm vào nước bởi vì đất không có khả năng lưu
trữ Nitrat. Quá trình này làm gia tăng nồng độ Nitrat trong nước ngầm. Dưới điều
kiện yếm khí Nitrat sẽ bị khử thành Nitrit, quá trình khử tiếp tục xảy ra chuyển

6


hóa Nitrit thành N 2 và được giải phóng vào khí quyển. Quá trình này làm mất chất
dinh dưỡng của phân bón cho đất nhấ là khi điều kiện yếm khí xảy ra.

IV. Ô nhiễm nitơ trong các loại nước thải
 Nước thải sinh hoạt
Thành phần nitơ (đạm) 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, từ các dịch vụ công cộng như thương mại, bến
tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Chúng thường được thu gom
vào các kênh dẫn nước thải và các hệ thống thoát nước. Hợp chất nitơ trong nước thải là
các hợp chất amoni, 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 huỷ 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 thường cao hơn so với các
nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí do quá trình phân hủy chất thải rắn và vi sinh xảy
ra trong đó.
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

 Nước thải công nghiệp.
Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tới một số ngành
như chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành nghề đặc biệt như
chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da. Thành phần và mức độ ô nhiễm của các
ngành này khá đa dạng, nhưng trong đó hàm lượng nitơ là đáng kể.
Ngành chế biến thực phẩm xả thải một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, do liên quan
đến các loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thuỷ hải sản, giết mổ và sản xuất thức
ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm. Hợp chất hữu cơ chứa nitơ, cả ở dạng tan và không tan
7


nhanh chóng bị phân hủy và giải phóng amoni vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ
phân tán (kích thước chất rắn), nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế biến.
Chủng loại và kích thước vật giết mổ gây ra độ ô nhiễm rất khác nhau: giết mổ cá (sản
phẩm dạng phi lê) thấp hơn nhiều so với làm tôm đông lạnh, chế biến mực và bạch tuộc
thải ra nguồn nước có độ ô nhiễm rất cao. Với cùng chủng loại thì vật mổ có kích thước
(trọng lượng) lớn sẽ ít gây ô nhiễm hơn vật có kích thước nhỏ khi tính theo đầu vật mổ
hay khối lượng. Vật bị giết mổ có kích thước nhỏ (gia cầm) thải ra một lượng nước lớn
và độ ô nhiễm cao hơn so với loại kích thước lớn (bò, lợn) khi tính theo đơn vị khối
lượng .

Chế biến sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng là những nguồn thải
đáng kể chứa hợp chất nitơ.
Quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lượng khá lớn
hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thuỷ phân trong môi trường và tạo ra
amoniac.
Nồng độ hợp chất nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh, không
chỉ theo mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm sản
xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm. Vì lý do đó, các số liệu phân tích về ô nhiễm nói
chung hay về nitơ nói riêng chỉ mang tính chất khái quát, không thể sử dụng trực tiếp làm
số liệu cho tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải.

V. Các nguyên tắc xử lý hợp chất có nitơ trong nước thải
Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật lý hoặc
sinh học (sinh hoá) dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách
loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước.
a) Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí. Con đường chuyển hóa này có
thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp
nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (nitrat với tư cách là chất oxy hóa và
chất hữu cơ carbon là chất khử). Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trực tiếp
giữa amoniac với nitrit và nitrat bằng phương pháp vi sinh (quá trình Anamox).
Oxy hóa xúc tác trực tiếp amoniac thành khí nitơ. Oxy hóa amoniac với clo
hoạt động (clo hóa tại điểm đột biến).
b) Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối
(thực vật và vi sinh vật). Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng
sinh hóa xảy ra trong tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực
8


vật hay đồng hóa của vi sinh vật. Q trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở
của phương pháp xử lý bằng các loại thủy thực vật.

c) Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển. Phương pháp này thật ra là chuyển chất ơ
nhiễm từ nước vào khơng khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào mơi
trường nước ở những vị trí khác. Để thực hiện phương pháp trên, amoniac phải
tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) và do độ tan của amoniac trong nước rất lớn
nên để thúc đẩy cần phải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao.
d) Tách amoniac ra khỏi mơi 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.
e) Tách amoni ra khỏi mơi trường nước dưới dạng hợp chất struvite có độ tan
thấp.
f) Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nano, màng thẩm thấu ngược hay
điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất
khác.

VI. Xử lý hợp chất nitơ trong nước thải phương pháp sinh hố
Để loại nitơ amino và hợp chất nitơ dò vòng theo phương pháp sinh học, bước
đầu tiên trong quy trình xử lý kỵ khí và hiếu khí là cần phải chuyển nitơ sang dạng
ammonia. Sau đó, ammonia sẽ trải qua quá trình nitro hoá, và nitrat sẽ trải qua quá
trình khử nitro để tạo ra nitơ. Do đó, tuỳ thuộc vào loại hợp chất nitơ hiện diện trong
nước thải, quá trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa 3 giai đoạn theo thứ tự: ammonia
hoá, nitro hoá, và khử nitro hoá.
Phần lớn lượng hợp chất nitơ trong nước thải thành phố là các hợp chất nitơ ở
dạng khử như ammonia, urea, amine, amino acid và protein. Các hợp chất nitơ dạng
oxi hoá như nitrate và nitrite thường không hiện diện hoặc ở nồng độ nhỏ. Tuy nhiên,
nitrate và nitrite có thể là tải lượng nitơ chính trong nước thải từ một số ngành công

nghiệp thực phẩm và kim loại (Gensicke và cộng sự, 1998; Zayed và Winter, 1998).
Ammonia trong nước thải thành phố có nguồn gốc chủ yếu từ nước tiểu và được
tạo ra trong hệ thống cống rãnh do phản ứng cắt urea bởi enzyme urease (1):
9


NH2CONH2 + H2O  CO2 + 2 NH3

(1)

Thời gian lưu của nước thải trong hệ thống cống thường không đủ lâu để tạo ra
ammonia từ các nguồn khác như phân giải protein hay khử amin các amini acid.
6.1. Quá trình ammonia hóa
Các hợp chất nitơ hữu cơ chính trong nước thải thành phố là các hợp chất dò
vòng (như nucleic acid) và protein. Quá trình phân huỷ protein và các amino acid dẫn
đến sự giải phóng ammonia theo nhiều cơ chế ammonia hoá khác nhau (Rheinheimer
và cộng sự, 1988), bao gồm khử amin theo thuỷ phân, oxi hoá, khử và khử bão hoà
(Phản ứng 2–5, theo thứ tự):
R–NH2 + H2O  R–OH + NH3

(2)

R–CHNH2COOH + H2O  R–CO–COOH + 2 (H) + NH3

(3)

R–CHNH2–COOH + 2 (H)  R–CH2-COOH + NH3

(4)


R–CH2–CHNH2–COOH  R–CH=CH–COOH + NH3

(5)

6.2. Quá trình nitrate hóa ammonia
Nitrate hóa tự dưỡng
Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí oxi hoá ammonia thành
nitrite (Phản ứng 6) và thành nitrate (Phản ứng 7). Các vi sinh vật xúc tác cho quá
trình nitrite hoá (Phản ứng 6) thuộc các chi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus,
Nitrosospira và Nitrosovibrio, các vi sinh vật xúc tác cho quá trình nitro hoá (Phản
ứng 7) bao gồm các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, Nitrococcus và Nitrospira.
NH4+ + 1,5 O2  NO2– + 2 H+ + H2O

(6)

NO2– + 0,5 O2  NO3–

(7)

Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrite hay oxi hoá nitrite thành nitrate là các
quá trình tạo ra năng lượng dùng cho sự tăng trưởng tự dưỡng của các vi khuẩn nitro
hoá.
Nitrate hóa dò dưỡng
Một vài loài vi khuẩn thuộc chi Arthrobacter, Flavobacterium và Thiosphaera có
khả năng xúc tác quá trình nitro hoá dò dưỡng của các cơ chất hữu cơ chứa nitơ (Phản
ứng 8):
10


R–NH2  R–NHOH  R–NO  NO3–


(8)

Các vi khuẩn nitro hoá dò dưỡng oxi hoá các hợp chất nitơ có tính khử, như
hydroxylamine và các chất chứa nitơ vòng thơm và nitơ không vòng, nhưng ngược với
quá trình nitro hoá tự dưỡng, quá trình nitro hoá dò dưỡng không tạo ra năng lượng khi
hình thành nitrate.
6.3. Khử nitrate hóa: loại bỏ nitrate khỏi nước thải
Nhiều loại vi khuẩn hiếu khí dường như có khả năng chuyển từ cơ chế oxi hoá
sang quá trình hô hấp nitrate. Tương tự như quá trình hô hấp oxy, quá trình hô hấp
nitrate của các vi khuẩn dò dưỡng cần có một nguồn carbon phức hợp làm nguồn cung
cấp điện tử cho quá trình khử nitrate (ví dụ như Phản ứng 9 và 10).
Quá trình khử nitrate (Phản ứng 11) bắt đầu bằng việc khử nitrate thành nitrite nhờ
enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a). Sau đó, enzyme khử nitrite gắn trên
màng tế bào (b) xúc tác quá trình hình thành NO. Cuối cùng, enzyme khử NO (c) và
enzyme khử N2O (d) tạo ra N2. Hoá học lượng pháp lý thuyết về quá trình khử nitro
hoá với nguồn carbon là methanol hoặc acetate được trình bày trong Phản ứng 12 và
13. Về mặt ứng dụng thực tiễn, cần phải cung cấp nguồn carbon dư thừa, do trong
nước thải có khí oxy và một phần nguồn carbon được sử dụng cho quá trình hô hấp
cho đến khi đạt được điều kiện thiếu oxy.
CH3OH + H2O  CO2 + 6 H+ + 6 e–
CH3COOH + 2 H2O  2 CO2 + 8 H+ + 8 e–
2e

e

e

e


a

b

c

d

(9)
(10)

NO 3  NO 2  NO  0,5 N 2 O  0,5 N 2

(11)

5 CH3OH + 6 HNO3  5 CO2 + 3 N2 + 13 H2O

(12)

5 CH3–COOH + 8 HNO3  10 CO2 + 4 N2 + 14 H2O

(13)

Ngoại trừ quá trình khử nitrate dò hoá, nhiều loại vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí có
khả năng khử nitrate đồng hoá để cung cấp ammonia cho sự tăng trưởng tế bào (Phản
ứng 14 và 15). Tuy nhiên, các enzyme đồng hoá nitrate chỉ được biểu hiện ở nồng độ
ammonia < 1 mM.
2e

2e


2e

2e

a

b

c

d

NO 3  NO 2  HNO  NH 2 OH  NH 3

11

(14)


HNO3 + 8 (H)  NH4+OH– + 2 H2O

(15)

Tại đây, enzyme khử nitrate B (enzyme a trong Phản ứng 14) khử nitrate thành
nitrite, sau đó, nitrite bò khử thành ammonia bởi phức hợp enzyme khử nitrite (enzyme
b trong Phản ứng 14). Quá trình khử nitrate xúc tàc bởi enzyme khử nitrate A gắn trên
màng tế bào, nhạy với oxy là quá trình bảo tồn năng lượng, trong khi đó, việc bảo tồn
năng lượng là không thể có trong phản ứng xúc tác bởi enzyme khử nitrate B ở dạng
hoà tan, không bò ức chế bởi khí oxy.

6.4. Ôxy hóa ammonia kò khí (Anamox)
Đến nay, đã có hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí được phân lập và đònh
danh sơ bộ thuộc bộ Planctomycetales là Brocardia anammoxidans và Kuenenia
stuttgartiensis. Trong điều kiện kỵ khí, ammonia bò oxi hoá thành nitrite trong
anammoxosome nằm trong tế bào chất, gắn lên màng tế bào (Schmidt và cộng sự,
2003).
Trong quy trình Anamox, ammonia bò oxi hoá thành nitơ, nitrite đóng vai trò chất
nhận điện tử (Van de Graaf và cộng sự, 1995). Sử dụng đồng vò N 15 cho thấy rắng
nitrite bò khử thành hydroxylamine (Phản ứng 16), sau đó, phản ứng với ammonia tạo
thành hydrazine (N2H4, Phản ứng 17). Qua quá trình oxi hoá hydrazine thành nitơ
phân tử (Phản ứng 18), 4 đương lượng khử được tạo ra, đầy là điều kiện cần thiết cho
quá trình khử nitrite thành hydroxylamine (Van de Graaf và cộng sự, 1997).
2 HNO2 + 4 XH2  2 NH2OH + 2 H2O + 4 X

(16)

2 NH2OH + NH3  2 N2H4 + 2 H2O

(17)

2 N2H4 + 4 X  2 N2 + 4 XH2

(18)

Do trạng thái oxi hoá khử cân bằng trong các phản ứng trên, đương lượng khử
dùng để khử CO2 bởi vi khuẩn tự dưỡng cần phải được tạo ra từ quá trình oxi hoá
nitrite thành nitrate (Phản ứng 19):
HNO2 + H2O + NAD  HNO3 + NADH2

(19)


Quy trình Anammox dường như thích hợp để loại nitơ trong dòng nước ra giàu
ammonia của bể phản ứng kỵ khí dùng xử lý nước thải giàu các hợp chất TKN. Các
hợp chất nitơ có thể được loại bỏ khỏi loại nước thải này bằng cách kết hợp quá trình

12


nitro hoá cho các nguồn cung cấp nitrite và quá trình oxi hoá ammonia kỵ khí (Strous
và cộng sự, 1997).
Trong môi trường có lượng oxy giới hạn (ví dụ như mặt giao giữa vùng có oxy
và thiếu oxy của màng sinh học hoặc bông bùn), các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ
khí và hiếu khí là kết hợp với nhau một cách tự nhiên. Ammonia bò oxi hoá thành
nitrite và đồng thời, hàm lượng oxy giảm. Vi khuẩn anammox chuyển đổi nitrite và
lượng ammonia còn lại thành N2. khi hàm lượng ammonia bò giới hạn, ái lực của các
vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵkhi1 và hiếu khí có thể làm cho mối cộng tác tự nhiên
thay đổi trở thành cạnh tranh (Schmidt và cộng sự, 2002).

VII. Một số phương pháp cơng nghệ loại bỏ nitơ áp dụng trong thực tiễn
7.1. Phương pháp khử ion Amoni
* Phương pháp Clo hóa nước đến điểm đột biến
Khi cho Clo vào nước, trong nước tạo ra axit hypoclorit:
Cl2 + H2O ⇔ HCl + HOCl
Axit hypoclorit kết hợp với NH4+ tạo thành Cloramin. Khi nhiệt độ nước ≥200C, pH ≥7
phản ứng diễn ra như sau:
OH- + NH4+→ NH4OH ⇔ NH3 + H2O
NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O monocloramin
NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O dicloramin
NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O tricloramin
Q trình kết thúc sau 3 phút khuậy trộn nhẹ. Tại điểm oxy hóa hết Cloramin và trong

nước xuất hiện Clo tự do gọi là điểm đột biến. Sau khi khử hết NH4+ trong nước còn lại
lượng clo dư lớn, phải khử clo dư trước khi cấp cho người tiêu thụ.

13


♦

Khử

Clo

dư

trong

nước

sau

khi

lọc

bằng

Natrisunfit

(Na2SO3)


Na2SO3 + Cl2 + H2O → 2HCl + Na 2SO4
♦

Khử Clo dư trong nước sau khi lọc bằng Trionatrisunfit (Na 2S2O3)
4Cl2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2NaCl+ 6HCl + 2H2SO4

Quá trình diễn ra hoàn chỉnh sau 15 phút khuấy trộn đều hóa chất và nước
* Phương pháp làm thoáng
Muốn khử NH4+ ra khỏi nước bằng phương pháp làm thoáng, phải đưa pH của nước
nguồn lên 10.5 – 11.0 để biến 99% NH4+ thành khí NH3 hòa tan trong nước.
♦

Nâng pH của nước thô: Để nâng pH của nước thô lên 10.5 – 11.0 thường dùng vôi

hoặc xút. Sau bể lọc pha axit vào nước để đưa pH từ 10.5 – 11.0 xuống còn 7.5
♦

Tháp làm thoáng khử khí amoniac NH3 thường được thiết kế để khử khí amoniac có

hàm lượng đầu vào 20 – 40 mg/l, đầu ra khỏi giàn hàm lượng còn lại 1 – 2mg/l, như vậy
hiệu quả khử khí của tháp phải đạt 90 – 95%. Hiệu quả khử khí NH3 của tháp làm thoáng
khi pH ≥11 phụ thuộc nhiều nhiệt độ của nước. Khi nhiệt độ nước tăng, tốc độ và số
lượng ion NH4 chuyển hóa thành NH3 tăng nhanh.
* Phương pháp trao đổi ion
Để khử NH4+ ra khỏi nước có thể áp dụng phương pháp lọc qua bể lọc cationit. Qua bể
lọc cationit, lớp lọc sẽ giữ lại ion NH4+ hòa tan trong nước trên bề mặt hạt và cho vào
nước ion Na +. Để khử NH4+ phải giữ pH của nước nguồn lớn hơn 4 và nhỏ hơn 8. Vì khi
pH ≤ 4, hạt lọc cationit sẽ giữ lại cả ion H+ làm giảm hiệu quả khử NH4+ . Khi pH > 8
một phần ion NH4+ chuyển thành NH3 dạng khí hòa tan không có tác dụng với hạt
cationit.

* Phương pháp sinh học

14


Lóc nước đã được khử hết sắt và cặn bẩn qua bể lọc chậm hoặc bể lọc nhanh, thổi khí
lien tục từ dưới lên. Do quá trình hoạt động vi khuẩn Nitrosomonas oxi hóa NH4+ thành
NO2- và vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa NO2- thành NO3- .
Quá trình diễn ra theo phương trình:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
1.02NH4++ 1.89O2 + 2.02HCO3- → 0.21C5H7O2N + 1.0NO3- + 1.92 H2CO3 + 1.06H2O
Nhìn chung, phụ thuộc vào nồng độ amoni trong nước thải, các phương pháp sau có
thể lựa chọn dựa trên tiêu chí về giá thành xử lý:


Nồng độ amoni trong nước thải không cao, nhỏ hơn 100 mgN/l như trong nước
thải sinh hoạt thì phương pháp vi sinh là thích hợp.



Nồng độ amoni nằm trong khoảng 100 - 5000 mg N/l như trong nước thải từ quá
trình phân hủy bùn (vi sinh) thì phương pháp được cho là khả dĩ vẫn là phương
pháp vi sinh. Kết luận này được đưa ra sau rất nhiều công trình nghiên cứu đã triển
khai. Phương pháp bốc hơi hoặc kết tủa dưới dạng struvite cũng là phương án khả
dĩ song giá thành không thuận lợi.



Nước thải có nồng độ amoni cao, lớn hơn 5000 mg N/l có thể xử lý theo phương
pháp hóa lý sẽ thuận lợi cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Đã có hệ thống công nghiệp

được xây dựng để xử lý nước thải chứa 1,5% NH3 bằng phương pháp sục khí nóng
để bốc hơi amoni và thu hồi NH3 từ pha khí.

7.2. Phương pháp khử Nitrate NO3 Để khử nitrat dùng lọc thẩm thấu ngược RO, điện phân, trao đổi ion trong các bể lọc ionit.
Điều kiện áp dụng phương pháp trao đổi ion:
♦

Nước có hàm lượng cặn < 1mg/l.

♦

Tổng hàm lượng ion NO3- và SO42- và Cl- có sẵn trong nước phải nhỏ hơn 250 mg/l,

đây cũng là hàm lượng ion Cl- lớn nhất cho phép có trong nước ăn uống. Vì khi lọc qua

15


bể lọc anionit các ion SO4 2-, NO3- được giữ lại, thay bằng ion Cl- khi hoàn nguyên bể lọc
anionit bằng dung dịch muối ăn
7.3. Các công trình xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học áp dụng trong thực tiễn
Cho tới nay các công trình và giải pháp xử lý sinh học được thực hiện rộng rãi hơn các
giải pháp khác. Bảng 1 so sánh một số đặc trưng của các hệ thống sinh học dùng để xử lý
nước thải giàu hợp chất nitơ.
Bảng 1. Một số đặc trưng vận hành hệ thống xử lý sinh học .
Hệ xử lý

Tải lượng

Năng


kgN/(ha.ngày) lượng tiêu

Tỉ lệ
COD/N

Sinh khối Hiệu quả
kg/kg N

thụ

xử lý
N %

kWh/kgN
Bùn hoạt tính, nitrat
hóa,

khử

200-700 1)

2,3 2)

3-6

1,0-1,2

> 75


200-700 1)

1,7 2)

2-4

0,8-0,9

> 75

0,9

0

<0,1

> 75

nitrat

thông dụng
Bùn hoạt tính, nitrat
hóa, khử từ nitrit
(SHARON)
Bùn hoạt tính, oxy > 200-700 1)
hóa trực tiếp giữa
NH3

và


NO2-

(Anamox)
Ao tảo

15-30

0,1 - 1,0

6-7

10-15

23-78

Ao bèo

3-4

< 0,1

28

20-26

74-77

3-26 4)

< 0,1


2-7

-

30-70

Vùng

ngập

nước

nhân tạo
16


Ghi chú: 1) Tính theo bể hiếu khí có độ sâu 2m, diện tích bể chiếm 25% diện tích mặt
bằng tổng; 2) Năng lượng sử dụng cho sục khí và khuấy trộn, hiệu quả sử dụng 2 kg
O2/kWh; 3) Sinh khối khơ; 4) Đơi khi với tải lượng cao tới 112 kg N/ha.
Nhìn chung, tất cả mọi loại nước thải đều chứa hợp chất nitơ và hợp chất hữu cơ dạng
carbon, với một tỉ lệ C/N nào đó.

VIII. Ngun tắc phân tích các chỉ tiêu Nitơ trong nước
8.1. Nitơ Nitrít
* Nitrite là một giai đoạn trung gian trong chu trình đạm hóa do sự phân hủy các
chất đạm hữu cơ. Vì có sự chuyển hóa giữa nồng độ các dạng khác nhau của nitrogen
nên các vết nitrite được sử dụng để đánh giá sự ô nhiễm hữu cơ. Trong các hệ thống
xử lý hay hệ thống phân phối cũng có nitrite do những họat động của vi sinh vật.
Ngoài ra nitrite còn được dùng trong ngành cấp nước như một chất chống ăn mòn. Tuy

nhiên, trong nước uống, nitrite không được vượt quá 0.1 mg/l.
* Ngun tắc phân tích:
Nitrite được xác đònh bằng phương pháp so màu. Màu do phản ứng từ các dung dòch
tham chiếu và mẫu sau khi tác dụng với acid sulfanilic và naphthylamine ở môi
trường pH = 2 – 2.5 tạo thành hợp chất màu đỏ tím của acid azobelzol naphthylamine
sulfonic như sau:

Phương pháp DIAZO thích hợp khi xác đònh hàm lượng N-NO2 từ l-25 µg/l

17


* Các ảnh hưởng:
Chlorine và nitrogen trichloride tồn tại trong mẫu sẽ gây ra trở ngại đối với phương
pháp này. Ảnh hưởng này sẽ giảm thấp khi thêm naphthylamine hydrochloride trước,
sau đó đến acid sulfanilic. Những ion tạo kết tủa làm sai lệch kết quả như: Sb, Fe3+,
Pb2+, Hg2+, Ag+ khơng nên tồn tại trong mẫu. Một số chất rắn lơ lửng cũng có thể gây
cản trở nhưng có thể lọc qua giấy lọc kích thước 0.45 micron.
8.2. Ni tơ Nitrát
* Nitrate là sản phẩm của giai đoạn oxy hóa cao nhất trong chu trình của nitrogen,
cũng là giai đoạn quan trọng trong tiến trình oxy hóa sinh học. Ở lớp nước mặt thường
gặp nitrate ở dạng vết nhưng đôi khi rong nước ngầm mạch nóng lại có hàm lượng
cao. Nếu nước uống có quá nhiều nitrate thường gây bệânh huyết sắc tố ở trẻ em. Do
đó, trong nguồn nước cấp cho sinh hoạt giới hạn nitrate không vượt quá 6mg/l.
* Nguyên tắc phân tích
Phản ứng giữa nitrate và brucine cho sản phẩm có màu vàng được áp dụng để xác
đònh hàm lượng nitrate bằng phương pháp so màu. Cường độ màu được đo ở bước
sóng 410nm. Tốc độ phản ứng giữa nitrate và brucine chòu ảnh hưởng rõ rệt vào lượng
nhiệt tỏa ra trong quá trình phản ứng. Vì thế, các chất phản ứng được thêm vào lần
lượt và ủ ở một khoảng thời gian chính xác tại nhiệt độ đã biết. Nồng độ acid và thời

gian phản ứng được lựa chọn để tạo màu tốt nhất và ổn đònh.
Phương pháp này thích hợp với cả nước ngọt và nước biển, với hàm lượng N-NO3 xấp
xỉ 0,1-2 mg/l.
* Các ảnh hưởng
Sự hiện diện của tác nhân oxy hóa có thể được loại trừ bằng cách thêm chất phản ứng
orthotolidine. Trở ngại bởi Clor dư có thể bò loại bằng một lượng sodium arsenite khi
chlor dư không quá 5 mg/l. Một lượng dư sodium arsenite nhỏ không ảnh hưởng đến
việc xác đònh nitrate. Ion Fe 2+, Fe3+ và Mn4+ sẽ gây ảnh hưởng nhẹ, nhưng nếu hàm
lượng các ion này nhỏ hơn 1mg/l thì ảnh hưởng không đáng kể. Trở ngại do nitrite gây
ra khi N-NO2 < 0,5 mg/l được ngăn ngừa bằng acid sulfanilic.
18


Hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải cũng sẽ gây trở ngại cho việc xác đònh
nitrate.
8.3. Nitơ Ammonia
* Sự hiện hữu của ammonia trong nước mặt hay nước ngầm bắt nguồn từ hoạt động
phân hủy chất hữu cơ do các loại vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. Đối với nguồn
nước cấp cho sinh hoạt, ammonia được tìm thấy khi bò nhiễm bẩn bởi các dòng nước
thải. Trong mạng lưới cấp nước, ammoniac còn được sử dụng dưới dạng hóa chất diệt
khuẩn chloramines nhằm tạo lượng chlor dư có tác dụng kéo dàithời gian diệt khuẩn
khi lưu chuyển trong đường ống. Tùy theo tỷ lệ phối hợp, ammonia có thể kết hợp với
chlor để cho monochloramine, dichloramine, trichloramine.
* Nguyên tắc
a. Phương pháp Nessler được áp dụng cho nước uống tinh khiết, nước thiên nhiên,
nước thải đã được làm sạch hoặc chưng cất. Tất cả các loại này phải có độ màu thấp
và nồng độ N-NH3 lớn hơn 20 microg/l. Áp dụng phương pháp Nessler hóa trực tiếp
đối với nước thải sinh hoạt, có thể chấp nhận sai số của N-NH3 từ 1-2 mg/l.
Ammonia tác dụng với thuốc thử Nessler trong môi trường kiềm theo phản ứng sau để
cho sản phẩm có màu vàng:

2K2HgI4 +NH3 + 3KOH

(NH2)Hg-O-HgI + 7KI + 2H2O

b. Đối với nước thải, để tránh những trở ngại do các tạp chất có trong mẫu gây ra,
mẫu cần được chưng cất và dòch phẩm thu được sẽ dùng phương pháp Nessler để xác
đònh.
* Các trở ngại
Khi hàm lượng calci vượt quá 250mg/l, ammonia đo được thường thấp hơn thực tế. Để
tránh điều này phải điều chỉnh pH trước khi chưng cất mẫu. Dung dich độn phosphate
còn được dung với mục đích phụ làm kết tủa lượng calci trên dưới dạng calci
phosphate. Một số hợp chất amine day thẳng, hợp chất vòng, chloramines hữu cơ,
acetone, aldehyt, rượu, và những chất hữu cơ khác cũng gây nhiều trở ngại.Những
dung dòch này có thể cho màu vàng hay màu lục hoặc trở nên đục khi thêm thuốc thử
Nessler vào chưng cất phẩm.
19


MỤC LỤC

I.
II.
III.
IV.
V.

Tổng quan – trang 1
Chuyển hoá của Nitơ trong môi trường nước – trang 4.
Tầm quan trọng củachỉ số nitơ trong môi trường nước – trang 6.
Ô nhiễm nitơ trong các loại nước thải – trang 7

Các nguyên tắc xử lý hợp chất có nitơ trong nước thải – trang 8.

VI. Xử lý hợp chất nitơ trong nước thải phöông phaùp sinh hoá – trang 9.
VII. Một số phương pháp công nghệ loại bỏ nitơ áp dụng trong thực tiễn –
trang 13
VIII. Nguyên tắc phân tích các chỉ tiêu Nitơ trong nước - trang 17.

20