Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Lƣơng Văn Anh những ngƣời đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị trong phòng Kiểm nghiệm chất
lƣợng nƣớc thuộc Trung tâm Quốc gia Nƣớc sạch và VSMT nông thôn đã hƣớng
dẫn và giúp đỡ em trong những ngày em làm thí nghiệm tại trung tâm.
Xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các bạn cùng lớp.
Và cuối cùng con xin cảm ơn bố mẹ và các thành viên trong gia đình đã
tạo điều kiện về mặt vật chất cũng nhƣ tinh thần để con hoàn thành luận tốt
nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn./.
Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Học viên

Vũ Thị Mến

Vũ Thị Mến

1

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................4

DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................5
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ......................................................................................8
1.1. AMONI VÀ CÁC TÁC TỚI SỨC KHỎE ........................................................8
1.1.1. Các tác động có hại của amoni trong nƣớc ngầm ..........................................8
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nƣớc ngầm khu vực Hà Nội .....................9
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI ÁP DỤNG XỬ LÝ NƢỚC CẤP..13
1.2.1. Phƣơng pháp hóa l ......................................................................................13
1.2.1.2. Clo hoá tới điểm nhảy ................................................................................13
1.2.1.2. Phương pháp thổi khí ở pH cao .................................................................14
1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion ..........................................................................14
1.2.2. Phƣơng pháp sinh học ...................................................................................15
1.2.2.1. Phƣơng pháp lọc nhỏ giọt [1] ....................................................................18
1.2.2.2 Phương pháp lọc sinh học kiểu lớp vật liệu mang vi sinh ngập nước ......19
1.2.2.3. Phương pháp lọc chậm ...............................................................................20
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC ..........................23
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................................23
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ................................................................25
CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................27
2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ..........................................................................27
2.1.1. Vị trí địa l khu vực nghiên cứu. ..................................................................27
2.1.2. Dân số và dự báo dân số khu vực nghiên cứu..............................................28
2.1.3. Chất lƣợng nƣớc nguồn vùng dự án .............................................................30
2.1.4. Một số công nghệ đã đƣợc áp dụng ..............................................................31
2.1.4.1. Hiện trạng công nghệ xử lý nước ngầm ở Việt Nam .................................31

Vũ Thị Mến

2


CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

2.1.4.2. Công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm NH4+ bằng phương pháp lọc AquazuV
có bổ sung vật liệu mang vi sinh ...............................................................................33
2.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................37
2.2.1 Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp tài liệu .................................................37
2.2.2. Phƣơng pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ..........................................37
2.2.3. Cấu tạo và các thông số của bể lọc AquazuV ..............................................38
2.2.4 Nội dung nghiên cứu ......................................................................................45
2.2.5. Phƣơng pháp phân tích ..................................................................................46
2.2.5.1. Phương pháp phân tích amoni ...................................................................46
2.2.5.2. Phương pháp phân tích xác định nitrat.....................................................46
CHƢƠNG 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...............................47
3.1. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA 47
3.1.1. Ảnh hƣởng của photpho đến tốc độ quá trình nitrat hóa .............................47
3.1.2. Kết quả khảo sát sự biến đổi thành phần nitơ theo đầu vào và đầu ra .......48
3.1.2.1 Giai đoạn không bổ sung Photpho, không sục khí ....................................48
3.1.2.2. Giai đoạn chỉ sục khí, không bổ sung Photpho ........................................49
3.1.2.4. Giai đoạn bổ sung 0,054mg/l Photpho và sục khí ....................................52
3.2. HIỆU SUẤT LOẠI BỎ NITƠ, TẢI XỬ LÝ, TẢI LƢỢNG CỦA HỆ ..........56
3.3. NHẬN XÉT PHƢƠNG ÁN ĐỀ XUẤT VÀ PHƢƠNG ÁN KHẮC PHỤC .57
KẾT LUẬN ..............................................................................................................60
PHỤ LỤC 1 ..............................................................................................................62

Vũ Thị Mến


3

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Bản đồ khu vực nghiên cứu ............................................................... 27
Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ xử l nƣớc ngầm tại Việt Nam ............................... 32
Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ xử l nƣớc ngầm bằng công nghệ AquazuV ........... 33
Hình 2.4: Ảnh hƣởng của pH tới vi khuẩn nitrat hóa ........................................ 34
Hình 2.4. Cấu tạo mô hình bể lọc AquazuV trong phòng thí nghiệm ................ 38
Hình 2.5. Hình ảnh bể lọc AquazuV ................................................................. 39
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định các thông số động học của
quá trình nitrat hóa ........................................................................................... 45
Hình 3.1. Ảnh hƣởng của photpho đến tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng ................. 47
Hình 3.2. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn khởi động ... 49
Hình 3.3. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn chỉ sục khí,
không bổ sung Photpho .................................................................................... 51
Hình 3.4. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn không sục khí,
bổ sung Photpho ............................................................................................... 52
Hình 3.6. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra giai đoạn bổ sung 0,054
mg P/L và sục khí dƣ ........................................................................................ 53
Hình 3.7. Diễn biến các nồng độ N trung bình tại các vị trí của cột lọc............. 55
Hình 3.8. Hiệu suất loại bỏ nitơ ........................................................................ 57

Vũ Thị Mến


4

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp xử l amoni .......................... 22
Bảng 2.1. Bảng tổng hợp dân số vùng nghiên cứu ............................................ 27
Bảng 2.2. Bảng dự báo phát triển dân số khu vực nghiên cứu ........................... 27
Bảng 2.3. Bảng dự báo dân số .......................................................................... 28
Bảng 2.4. Bảng Tổng hợp nhu cầu dùng nƣớc .................................................. 28
Bảng 2.5. Chất lƣợng nƣớc ngầm theo QCVN 01:2009 /BYT ........................... 30
Bảng 2.6. Số liệu về độc tính của một số chất ................................................... 34
Bảng 2.7. Nồng độ NH 4+ và NO2- gây ức chế Nitrobacter [21] ........................ 35
Bảng 3.1 – sự thay đổi tốc độ tiêu thụ cơ chất theo nồng độ photpho ............... 46
Bảng 3.2. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 1 ................ 47
Hình 3.2. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn khởi động ... 48
Bảng 3.3. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 2 ................ 49
Bảng 3.4. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 3 ................ 50
Bảng 3.5. Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 4 ............... 51
Bảng 3.6. Biến đổi NO 3- theo chiều cao cột lọc ................................................ 53
Bảng 3.7. Bảng tính các thông số làm cơ sở cho thiết kế một hệ lọc ................ 55

Vũ Thị Mến

5


CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

MỞ ĐẦU
Nƣớc là một nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật. Không có nƣớc sự sống
trên trái đất không thể tồn tại đƣợc. Hàng ngày cơ thể ngƣời cần từ 3 đến 10 lít
nƣớc cho các hoạt động bình thƣờng. Lƣợng nƣớc này thông qua con đƣờng thức
ăn, nƣớc uống đi vào cơ thể để thực hiện quá trình trao đổi chất, trao đổi năng
lƣợng, sau đó theo đƣờng bài tiết thải ra ngoài.
Ở nƣớc ta, việc sử dụng nƣớc ngầm làm nƣớc cấp cho ăn uống, sinh hoạt
là rất phổ biến. Các nhà máy nƣớc chủ yếu sử dụng nƣớc ngầm làm nguồn nƣớc
thô để xử l , vì nƣớc ngầm có ƣu điểm là độ đục thấp và ít vi sinh vật, ổn định
về mặt chất lƣợng.
Ngày nay, do quá trình phát triển của đời sống xã hội, sự phát triển của
công nghiệp và nông nghiệp, nguồn nƣớc ngầm ngày càng bị ô nhiễm nhƣ ô
nhiễm sắt, mangan, asen, amoni, hợp chất hữu cơ…
Ở Hà Nội, phần lớn các nhà máy nƣớc phía Nam đều bị ô nhiễm amoni.
Ngƣời dân đã và đang phải chấp nhận sử dụng nguồn nƣớc không phù hợp với
tiêu chuẩn vệ sinh mà nhất là có khả năng ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời.
Hiện nay phần lớn các nhà máy xử l nƣớc cấp dùng nƣớc ngầm làm
nguồn nƣớc thô ở Việt Nam đều sử dụng dây chuyền công nghệ gồm các bƣớc:
làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc và clo hoá. Công nghệ này nói chung chỉ xử l tốt
đƣợc sắt, mangan, còn xử l amoni hầu nhƣ không có khả năng xử l
Xuất phát từ thực tế đó, các nhà khoa học đã tốn rất nhiều công sức để có
thể đƣa ra đƣợc một giải pháp hợp l nhất, phù hợp nhất đối với tình hình hiện
nay nhƣ tính khả thi về khía cạnh tài chính, khả thi về mặt kỹ thuật (quản l vận
hành và bảo dƣỡng).

Nếu chúng ta chỉ thay đổi thời gian lƣa nƣớc cho các bể lọc cát các bể
này có thể xử l đƣợc amoni đƣợc hay không, thời gian lƣu tối ƣu để xử l đƣợc
tối đa amoni bao lâu? Biện pháp khắc phục đạt hiệu quả ra sao?

Vũ Thị Mến

6

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Với mục tiêu nghiên cứu khả năng xử l amoni của các công nghệ xử l
nƣớc cấp, chúng tôi đã chọn đề tài để có biện pháp khắc phục: “Nghiên cứu
đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V
trong quá trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện
Phú Xuyên -TP. Hà Nội” để thực hiện luận văn này.
Trên cơ sở nghiên cứu khả năng xử l

NH 4+ bằng phƣơng pháp lọc

AquazuV, lựa chọn các thông số vận hành để có thể đi đến mục tiêu xa hơn là
thiết kế hệ thống trên thực tế. Mục đích của chúng ta là làm sao để đƣa công
trình nghiên cứu ra thực tế cho nên việc xác định đƣợc chế độ vận hành với lƣu
lƣợng cao nhất mà vẫn đạt mục tiêu đặt ra là rất quan trọng.
Luận văn bao gồm 03 chƣơng và đƣợc bố cục nhƣ sau:
Đặt vấn đề
Chƣơng I: Tổng quan

Chƣơng II: Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng III: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết luận và kiến nghị

Vũ Thị Mến

7

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. AMONI VÀ CÁC TÁC TỚI SỨC KHỎE
1.1.1. Các tác động có hại của amoni trong nước ngầm
Amoni (NH4+) thật ra không quá độc đối với cơ thể con ngƣời, song do
quá trình khai thác, xử l , lƣu trữ NH 4+ đƣợc chuyển hoá thành nitrit (NO 2-) và
nitrat (NO3-). Nitrit là chất độc rất có hại cho con ngƣời do nó có thể chuyển hoá
thành Nitroamin, một chất có khả năng gây ung thƣ.
Các ion NO3- có trong nƣớc đổ ra biển và ở hàm lƣợng lớn chúng sẽ kích
thích sự phát triển của thực vật thuỷ sinh, sau khi chết xác của chúng sẽ gây ô
nhiễm nguồn nƣớc. Thông thƣờng NO 3- không gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng
nƣớc ngọt, mà photpho (P) mới là yếu tố dinh dƣỡng gây ức chế sự phát triển của
thực vật, nếu nồng độ NO 3- tăng nhƣng photphat không tăng lên thì không làm
cho thực vật phát triển. Trong một số trƣờng hợp thì Nitơ lại là yếu tố dinh
dƣỡng ức chế đối với môi trƣờng nƣớc ngọt.
Hàm lƣợng nitrat trong nƣớc uống cao là một vấn đề đáng quan tâm do
chúng là nguồn gốc gây ra bệnh methemoglobin-huyết cho trẻ sơ sinh (nhất là

dƣới 6 tháng tuổi) và cả ngƣời lớn. Làm cho da của trẻ sơ sinh có màu xanh xỉn,
gây kích thích, hôn mê và nếu ở thể nặng, không đƣợc điều trị thích hợp có thể
dẫn tới tử vong mà ngƣời ta quen gọi là hội chứng Blue Syndrome, hay còn gọi
tắt là BBS.
Nếu hàm lƣợng methemoglobin cao và không đƣợc điều trị kịp thời thì
khả năng tử vong là khá cao. Những yếu tố gây hội chứng BBS có thể nhận biết
dễ dàng nhƣ thiếu hụt enzyme cố hữu, viêm nhiễm, phản thuốc… và nếu tiếp xúc
với hoá chất, hàm lƣợng methemoglobin sẽ tăng nhanh chóng.
Ngoài ra, thức ăn có hàm lƣợng nitrat và nitrit cao cũng rất đáng quan
tâm. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới đƣợc 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn
bệnh này vì hàm lƣợng enzyme methemoglobin reductase tƣơng đối. Thấy đây là
một loại enzyme tế bào máu đỏ có khả năng chuyển hoá methemoglobin trở lại

Vũ Thị Mến

8

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

thành hemoglobin. Mối quan hệ giữa nƣớc giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS
lần đầu tiên đƣợc Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi đầu thập niên 40 khi
ông điều trị hai đứa trẻ mắc chứng da xanh.
Ngoài Mỹ, một số nƣớc Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn nƣớc sinh
hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ, tại Transylvania ở Rumani trong thời
gian từ 1990-1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 - 363 ca
nhiễm độc. Theo Đạo luật và An toàn nguồn nƣớc sinh hoạt của Mỹ (SDWA)

quy định thì hàm lƣợng nitrat tối đa là 10mg/l. Thêm vào đó, hàm lƣợng NH 4+
trong nƣớc uống cao có thể một số hậu quả khác nhƣ: Trong đó hàm lƣợng NH 4+
trong nƣớc uống cao có thể gây một số hậu quả nhƣ:
Thứ nhất, nó làm giảm hiệu quả, độ tin cậy của khâu clo hoá sát trùng là
bƣớc cuối cùng trong dây truyền công nghệ xử l nƣớc hiện hành nhằm đảm bảo
nƣớc hoàn toàn về mặt vi sinh khi đến tay ngƣời tiêu dùng. Đó là do phản ứng
ngay với clo để chuyển hoá clo thành cloamin có tác dụng sát khuẩn yếu so với
clo khoảng 100 lần.
Thứ hai, khi có mặt trong nƣớc lâu, theo chu trình tự nhiên amoni dƣới
tác dụng của oxy và vi khuẩn có thể bị oxy hoá thành nitrit và nitrat. Bản thân
nirit và nitrat không gây ung thƣ nhƣng khi vào cơ thể ngƣời dễ phản ứng với
các chất khác tạo các hợp chất N-nitroso gây ung thƣ, tiêu chuẩn mới nhất của
Bộ Y tế yêu cầu tổng N-nitrit và nitrat ≤ 10mg/l (ứng với 50mgnitrat/l).
Thứ ba, nó là nguồn dinh dƣỡng mà khi có nó các sinh vật nƣớc kể cả tảo
phát triển rất nhanh làm ảnh hƣởng đến các tính chất cảm quan của nƣớc nhƣ độ
trong, mùi vị.
1.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội
a, Nguồn thải từ sinh hoạt
Thành phần nitơ trong thức ăn của ngƣời và động vật đƣợc cơ thể hấp thu
một phần, phần còn lại đƣợc thải ra dƣới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết
khác (nƣớc tiểu, mồ hôi).

Vũ Thị Mến

9

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá

trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Nguồn nƣớc thải từ sinh hoạt gồm: nƣớc tắm, nƣớc rửa rau, thịt, cá,…
nƣớc từ bể phốt, khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng nhƣ thƣơng mại,
bến tàu xe, bệnh viện, trƣờng học, khu du lịch, khu vui chơi giải trí. Nƣớc thải
đƣợc dẫn vào hệ thống kênh rãnh. Hợp chất nitơ trong nƣớc thải là các hợp chất
amoniac, protein,… hàm lƣợng nitơ thải qua nƣớc tiểu lớn hơn trong phân
khoảng 8 lần. Các hợp chất nitơ trong nƣớc tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành
NH3/NH4+. Hàm lƣợng hợp chất nitơ trong nƣớc thải từ các bể phốt cao hơn so
với các nguồn thải chƣa qua phân huỷ yếm khí. Trong nƣớc thải sinh hoạt amoni
chiếm 60-80% hàm lƣợng tổng nitơ, nồng độ N-tổng chiếm khoảng 15-20% của
nồng độ BOD5 [1].
b, Nguồn thải từ nghành công nghiệp
Các ngành sản xuất công nghiệp liên quan tới các ngành chế biến thực
phẩm, sản xuất phân bón, công nghiệp thuộc da,… Đặc biệt, ngành chế biến thực
phẩm nhƣ ngành chế biến thuỷ hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn,… thải ra
một lƣợng lớn amoni.
Nước thải từ các xí nghiệp giết mổ: sản phẩm của các xí nghiệp, lò mổ
đông vật gồm có thịt, mỡ và các sản phẩm từ các nguyên liệu thô, một số phụ
phẩm xƣơng (chiếm 30 - 40%), nội tạng, da, lông,… của các loại gia súc (trâu,
bò), gia cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng,…). Nƣớc thải của các xí nghiệp giết mổ rất
giàu các chất hữu cơ nhƣ NH 4+.
Nước thải của ngành công nghiệp thuộc da: thuộc da là ngành công
nghiệp làm cho da động vật (bò, trâu, lợn, thỏ,…) bền với nhiệt, không bị giòn,
cứng, gẫy khi gặp lạnh, không bị nhăn hoặc thối giữa khi gặp ẩm. Trong quá
trình tách các chất từ da, một lƣợng lớn hợp chất chứa nitơ đã bị thải ra.
Nước thải trong công nghiệp sản xuất các chế phẩm sinh học: Các chế
phẩm sinh học nhƣ axit amin, vitamin, enzym,… đƣợc sản xuất trên cơ sở tổng
hợp vi sinh học và tổng hợp hoá học. Nƣớc thải của các xí nghiệp tổng hợp vi
sinh học có nhiều các chất hữu cơ trong đó có ô nhiễm amoni. Ngành chế biến


Vũ Thị Mến

10

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ƣơm tơ cũng thải ra một lƣợng nƣớc
thải đáng kể chứa hợp chất nitơ.
c, Nguồn thải từ nghành nông nghiệp, chăn nuôi
Trong quá trình canh tác nông nghiệp, lƣợng phân bón sử dụng nhiều và
không đƣợc cây trồng hấp thu hết dẫn đến ô nhiễm amoni. Nguyên nhân do
lƣợng phân urê khi bón cho lúa có thể bị mất mát tới 30 - 40% do bị rửa trôi,
thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trƣờng. Trong môi trƣờng nƣớc, urê dễ
dàng bị thủy phân tạo thành amoniac và khí cacbonic:
CO (NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3

(1)

Mặt khác, nguồn nƣớc thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc, chủ
yếu là nƣớc tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nƣớc thải từ chuồng trại chăn nuôi
chứa một lƣợng chất rắn không tan lớn, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp
chất hữu cơ chứa nitơ đƣợc chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nƣớc. Nồng độ
hợp chất nitơ trong khoảng 1500 - 15200 mg N/L [9]. Nƣớc thải chuồng trại của
các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dƣỡng
trong phân khác nhau.

Đặc biệt trong ngành nuôi trồng thuỷ sản, phân tôm cá, thức ăn và chất bài
tiết cũng làm tăng nồng độ hợp chất nitơ, nhất là khi phân và thức ăn thừa không
đƣợc thu gom và tách ra khỏi nguồn nƣớc nuôi kịp thời. Hợp chất nitơ bị thuỷ
phân thành amoniac và đƣợc tảo hấp thu.
d, Nguồn thải từ nước rác
Rác thải sinh hoạt từ các đô thị, thành phố có khối lƣợng khá lớn. Bình
quân lƣợng rác thải theo đầu ngƣời là 0,6 - 0,8 kg/ngƣời/ngày. Thành phần chủ
yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, quả, thực vật,…). Thành phần hóa học
trong nƣớc thải thấm ra từ bãi rác sinh hoạt (chủ yếu chứa chất hữu cơ) phụ
thuộc vào mức độ phân huỷ của rác, điều kiện thời tiết, độ ẩm và tuổi của bãi
rác. Thành phần hữu cơ có thành phần hóa học nitơ chiếm 0,5%. Nƣớc rác đƣợc
tách ra khỏi bãi chôn và thƣờng đƣợc gom về các hồ chứa trƣớc khi đƣợc xử l
và thải ra môi trƣờng. Sự biến động về nồng độ các hợp chất nitơ trong nƣớc thải

Vũ Thị Mến

11

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

dƣới sự tƣơng tác của vi sinh vật, điều kiện vật l

(gió, mƣa, khô, hanh, nóng,

lạnh,…) và thực vật là đối tƣợng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trƣng của nƣớc
rác.

Đối với khu vực Hà Nội nhất là khu vực nghiên cứu, bị nhiễm Amoni có
thể giải thích theo khía cạnh nhƣ sau [6]
Thứ nhất: Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng
Thành phố Hà Nội nằng trong vùng đồng bằng Bắc Bộ và một lịch sử địa
chất lâu dài và phức tạp gắn liền với nền văn minh lúa nƣớc của vùng châu thổ
song Hồng. Ở đây, xảy ra các quá trình xâm thực, xói mòn, và các hoạt động
dòng chảy tạo ra sự bồi đắp phù sa. Kết quả của những hoạt động địa chất này là
sự hình thành tầng chứa nƣớc cuội sỏi Đệ Tứ, đây là nguồn nƣớc chính đƣợc
khai thác cung cấp nƣớc sinh hoạt cho nội và ngoại thành Hà Nội. Tầng Đệ Tứ
bao gồm nhiều hệ kiến tạo với các loại trầm tích khác nhau về nguồn gốc, nhƣng
nhìn chung các tầng này đều có chứa các hạt bùn, than bùn, đất có lẫn các chất
hữu cơ.
Khả năng di chuyển chất bẩn vào tầng nƣớc có liên quan chặt chẽ tới
thành phần hạt. Hạt càng thô tính lƣu thông càng lớn, khả năng hấp phụ nhỏ, các
chất bẩn di chuyển dễ dàng. Hạt càng mịn ngƣợc lại.
Do quá trình khai thác nƣớc ngầm đã kéo theo việc giải phóng các hợp
chất Nito đƣợc phát sinh ngay từ trong lớp bùn cứa nhiều chất hữu cơ bị phân
hủy, đây có thể là một trong những nguyên nhân làm cho hàm lƣợng amoni trong
nƣớc ngầm Hà Nội cao hơn so với các vùng khác.
Thứ 2: Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm ở phía trên mặt đất
Tình trạng khoan khai thác nƣớc một cách tùy tiện của tƣ nhân hiện nay
rất phổ biến. Giếng đƣợc khoan có độ sâu 25-30m là nguồn gốc tạo ra các cửa sổ
địa chất thủy văn đƣa các chất nhiễm bẩn xuống nƣớc ngầm. Ngoài ra, việc khai
thác nƣớc lƣu lƣợng lớn mà lƣợng nƣớc mới không kịp bổ cập và đã tạo ra các
phễu hạ thấp mực nƣớc, điều này cũng góp phần làm cho chất bẩn xâm nhập
nhanh hơn.

Vũ Thị Mến

12


CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Để bù đắp nguồn nƣớc ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên
đƣợc đẩy mạnh, nƣớc ngầm đƣợc bổ xung bằng quá trình thấm từ nguồn nƣớc
mặt xuống. Đây chính là nguyên nhân của sự gia tang nồng độ các chất ô nhiễm
trong nƣớc ngầm bởi các loại hợp chất có nguồn gốc nhân tạo.
Thứ 3: Do điều kiện thủy văn thuận lợi cho sự xâm nhập các chất bẩn
Do bề dày tầng sét cách nƣớc Q b (nằm dƣới tầng nƣớc ngầm mạch nông
QC và trên tầng nƣớc ngầm mạch sâu Q A) ở vùng ven sông Hồng gần xã Thụy
Phú, Hồng Thái huyện Phú Xuyên; để tạo nên các cửa sổ các cửa sổ địa chất
thủy văn. Tại đây, tầng chứa nƣớc Q c nằm trực tiếp trên tầng chứa Q a, tạo điều
kiện thuận lợi cho các chất ô nhiễm ở trên mặt đất xâm nhập vào tầng chứa nƣớc
dƣới đất thông qua các cửa sổ địa chất thủy văn của vùng.
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI ÁP DỤNG XỬ LÝ NƢỚC CẤP
1.2.1. Phư ng pháp hóa l
1.2.1.2. Clo hoá tới điểm nhảy
Clo gần nhƣ là hoá chất duy nhất có khả năng oxy hoá amoni/amoniac ở
nhiệt độ phòng thành N 2. Khi hoà tan Clo hoặc các hợp chất Clo trong nƣớc, tuỳ
theo pH của nƣớc mà clo có thể nằm ở dạng HClO hay ClO - theo phƣơng
trình[2]:
Cl2 + H2O (pH<5)  HCl + HClO (pH<7)  H+ + ClO (pH>8)

(2)

Khi trong nƣớc có NH 4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau:

HClO + NH3 = H2O + NH2Cl

Monocloramin

(3)

HClO + NH2Cl = H2O + NH2Cl Dicloramin

(4)

HClO + NHCl2 = H2O + NCl3

(5)

Tricloramin

Nếu dƣ clo sẽ xảy ra phản ứng phân huỷ cloaramin
NH2Cl + NHCl2 = N2  + 3HCl

(6)

Lúc này lƣợng Cl 2 dƣ trong nƣớc sẽ giảm tới giá trị nhỏ nhất vì xảy ra sự
phân huỷ cloramin, điểm tƣơng ứng với giá trị này gọi là điểm đột biến. Theo l
thuyết để xử l NH4+ phải dùng tỉ lệ Cl:N = 7,6:1, song trong thực tế phải dùng tỉ
lệ 8:1 hoặc hơn để oxy hoá hết NH 4+.

Vũ Thị Mến

13


CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Những nghiên cứu trƣớc đây cho thấy, tốc độ phản ứng của clo với hữu cơ
bằng một nửa so với phản ứng với amoni. Khi amoni phản ứng gần hết, clo dƣ sẽ
phản ứng với các chất hữu cơ có trong nƣớc để hình thành nhiều chất cơ clo có
mùi đặc trƣng khó chịu, trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THMTrihalometan và HAA-axit acetic halogen hoá đều là các chất có khả năng gây
ung thƣ và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt.
Ngoài ra, với lƣợng clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải
quyết đối với các nhà máy lớn. Đây cũng là những l do làm cho phƣơng pháp
clo hoá mặc dù rất đơn giản và rẻ tiền về mặt thiết bị và xây dựng cơ bản nhƣng
rất khó áp dụng.
1.2.1.2. Phương pháp thổi khí ở pH cao
Amoni tồn tại trong nƣớc dƣới dạng cân bằng:
NH4+  NH3 (khí hoà tan) + H+

(7)

với pK a = 9,5

Nhƣ vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lƣợng nhỏ NH 3 khí so với amoni. Nếu ta
nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH3/NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về
phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì NH 3
sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm cân bằng chuyển về phía phải:
NH4+ + OH-  NH3  + H2O (8)
Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 11, lƣợng khí cần để đuổi NH 3 ở
mức 1600m3 không khí /m3 nƣớc và quá trình rất phụ thuộc vào nhiệt độ môi

trƣờng [4]. Phƣơng pháp này áp dụng đƣợc cho nƣớc thải là chủ yếu nhƣng hiếm
khi áp dụng đối với nƣớc cấp do khó có thể đƣa nồng độ amoni xuống dƣới
1,5mgN/l.
1.2.1.3. Phương pháp trao đổi ion
Là quá trình trong đó một số ion trong dung dịch cần loại bỏ thế chỗ cho
một số ion loại khác trên các chất mang nhồi trong cột lọc. Có hai loại nhựa ion
trao đổi là nhựa tự nhiên và nhân tạo. Nhựa nhân tạo đƣợc sử dụng bền hơn nhựa
tự nhiên. Lƣợng nhựa sau một thời gian sử dụng có thể tái sinh. Một vài loại
nhựa tự nhiên cũng đƣợc sử dụng để loại bỏ amoni trong nƣớc nhƣ clinoptiolite.

Vũ Thị Mến

14

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Ái lực của clinoptiolite với NH 4+ mạnh hơn các loại nhựa khác, có khả năng
chọn lọc cao đối với amoni và giá thành tƣơng đối thấp. Một trong những đặc
điểm của loại zeolit tự nhiên clinoptiolite là dễ tái sinh. Khi hết ái lực, nó có thể
tái sinh bằng Ca(OH) 2, lúc đó NH4+ đƣợc loại bỏ khỏi clinoptiolite và bay ra
dƣới dạng khí [1].
1.2.2. Phư ng pháp sinh học
Để xử l amoni trong nƣớc cấp cũng nhƣ trong nƣớc thải ngƣời ta có thể
sử dụng phƣơng pháp vật l , hóa học và hóa học nhƣng xu hƣớng ngày nay con
ngƣời thƣờng sử dụng phƣơng pháp sinh học cho các hệ xử l nói chung bởi
những tính năng ƣu việt mà phƣơng pháp này mang lại. Trong rất nhiều nghiên

cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử l bằng phƣơng pháp sinh học đã mang
lại cho con ngƣời những lợi điểm nhƣ sau: hiệu suất xử l đạt rất cao có thể là
90-99% [10], ít sử dụng hóa chất, chi phí năng lƣợng cho một đợn vị xử l thấp
so với các phƣơng pháp khác và do những ƣu điểm trên nên phƣơng pháp sinh
học mang tính kinh tế rất cao. Thực ra, tính quan trọng của phƣơng pháp sinh
học xuất phát từ những tính năng của nó nhƣ xử l dễ dàng các sản phẩm trong
nƣớc, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nƣớc với một chất
lƣợng đảm bảo sạch về mặt hóa chất độc hại và ổn định về mặt tính sinh học,
chất lƣợng cao (cả về mui, vị, tính ăn mòn). Trong phƣơng pháp này, amoni sẽ bị
chuyển thành nito nhờ hoạt tính của vi sinh vật tự nhiên. Trong quá trình xử l vi
sinh sẽ đƣợc tạo các điều kiện về dinh dƣỡng cũng nhƣ các yếu tố khác để có thể
đạt đƣợc hoạt tính cao nhất... Ở phƣơng pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm
hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat hóa nhƣ sau:
* Các quá trình chuyển hoá amoni
Sự chuyển hoá các hợp chất amoni trong nƣớc nhờ vi sinh vật bao gồm hai
quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá.
a, Quá trình nitrat hoá
Oxy hoá amoni với tác nhân oxy hoá là oxy phân tử còn có tên gọi là
nitrat hoá, đƣợc hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:

Vũ Thị Mến

15

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội


NH4+ + 1,5O2

NO2 - + 2H+ + H2O

NO2 - + 0,5 O2

(14)

NO3 -

(15)

Phản ứng (14), (15) đƣợc thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas và
Nitrobacter. Phản ứng (14), (15) chỉ mô tả phản ứng tỷ lƣợng của amoni với oxy
do vi sinh vật thực hiện nhằm sản xuất năng lƣợng để duy trì sự sống và phát
triển. Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại sinh vật tự dƣỡng, chúng sử dụng
nguồn carbon vô cơ (chủ yếu là HCO 3– và CO2) cùng với các chất dinh dƣỡng
(N, P, vi lƣợng…) để xây dựng tế bào. Thành phần nitơ ƣa chuộng nhất để xây
dựng tế bào là amoni. Thành phần oxy trong tế bào (C 5H7O2N) đƣợc lấy từ CO 2
hoặc HCO3-. Nếu lấy hiệu suất sinh khối của cả hai loại vi sinh trên là 0,17 g/g
NO3--N tạo thành thì phản ứng tổng thể của quá trình oxy hoá amoni thành nitrat
sẽ là:
1,02NH4+ + 1,5O2 + 2,02HCO3-  0,02C5H7O2N+1,06H2O + 1,92H2CO3

(16)

Oxy hoá amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hoá của cả
quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn. Từ các kết quả nghiên
cứu cho thấy tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với loại
Nitrobacter và vì vậy nồng độ nitrit thƣờng rất thấp trong giai đoạn ổn định,

chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hoá từ amoni thành nitrit là bƣớc quyết định tốc độ
phản ứng oxy hoá đối với một hệ xử l hoat động bình thƣờng. Vì l do đó, trong
khi tính toán theo mô hình động học ngƣời ta chỉ sử dụng các thông số liên quan
đến loại vi sinh Nitrosomonas đặc trƣng cho quá trình oxy hoá amoni.
Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dƣỡng tuân theo quy luật động học
Monod đối với từng yếu tố ảnh hƣởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho
vi sinh vật. Hai yếu tố (cơ chất) có ảnh hƣởng quan trọng đến tốc độ sinh trƣởng
của vi sinh tự dƣỡng là nồng độ amoni và oxy hoà tan, chúng tác động lên tốc độ
sinh trƣởng của vi sinh theo dạng quy luật hàm Monod [1]:


S N   DO 
.

 S N  K N   DO  K DO 

   m .

(17)

b, Quá trình khử nitrat

Vũ Thị Mến

16

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá

trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hoá amoni chƣa đƣợc xem
là bền vững và còn gây độc cho môi trƣờng nên cần đƣợc tiếp tục chuyển hoá về
dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hoá học, chuyển hoá trị của nitơ
từ +5 ( NO3-) về hoá trị không (N2).
Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm
hoá trị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1 và 0:
NO3-  NO2-  NO (khí)  N2 ( khí )

(18)

Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier bao
gồm ít nhất là 14 loại vi sinh vật, ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,
Thiobacillus. Phần lớn loại vi sinh vật trên thuộc loại tuỳ nghi với nghĩa là chúng
sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hoá (nhận điện tử trong các phản ứng
sinh hoá) để sản xuất năng lƣợng.
Quá trình khử nitrat thƣờng đƣợc nhận dạng là khử nitrat yếm khí, tuy
nhiên diễn biến quá trình sinh hoá không phải là quá trình lên men yếm khí mà
nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhƣng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử
dụng nitrat, nitrit khi môi trƣờng không có oxy. Vì vậy quá trình khử nitrat xảy
ra chỉ trong điều kiện thiếu khí oxy. Sự khác biệt giữa quá trình hiếu khí và thiếu
khí là loại enzym tham gia vào giai đoạn vận chuyển điện tử cho hợp chất nitơ ở
bƣớc cuối cùng trong cả chuỗi phản ứng (reductas enzym).
Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hoá), chất khử
có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ nhƣ H 2S, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật nhóm
khử nitrat thuộc loại dị dƣỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào
ngoài phần sử dụng cho phản ứng nitrat. Rất ít vi sinh vật khử Nitrat thuộc loại
tự dƣỡng, ví dụ loại Thiobacillius Denitrificant sử dụng lƣu huỳnh làm chất khử
để sản xuất năng lƣợng và sử dụng nguồn carbon vô cơ (CO 2, HCO3- ) để xây

dựng tế bào.
Phản ứng khử nitrat với chất hữu cơ là metanol hay axit axetic xảy ra theo
phƣơng trình sau:
6NO3- + 5CH3OH  3N2 + 7H2O + 6OH-

Vũ Thị Mến

17

(19)

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

8NO3- + 5CH3COOH  4N2 + 10CO2 + 8OH-

(20)

Nếu sử dụng một chất hữu cơ nào đó từ nguồn nƣớc thải với công thức
chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra:
1
1
1
17
1
1
1

C18H19O9N + H+ 
N2 +
CO2 +
HCO3- +
NH4+ + H2O
7
5
10
10
5
70
70

(21)

Song song với quá trình khử nitrat, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra,
khi đó lƣợng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lƣợng cần thiết
cho phản ứng hoá học.
Sử dụng metanol làm chất cho điện tử của quá trình khử nitrat và nitrit
cùng với tổng hợp tế bào sẽ thu đƣợc:
NO3- + 1,08CH3OH + 0,24 H2CO3  0,056C5H7NO2 + 0,47N2 + 1,68H2O +
HCO3
NO2- + 0,67CH3OH + 0,53 H2CO3  0,04C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O +
HCO3O2 + 0,93CH3OH + 0,56NO3-  0,056C5H7NO2 + 1,04N2 + 0,59H2O +
0,56HCO3Từ các phƣơng trình phản ứng trên cho thấy để khử 1g nitrat cần 2,86g
chất hữu cơ tính theo COD và thu đƣợc 4,35 g HCO 3- khi nguồn nitơ tổng hợp tế
bào là nitrat hoặc 3,7gHCO 3- khi nguồn nitơ tổng hợp tế bào là amoni.
1.2.2.1. Phư ng pháp lọc nhỏ giọt [1]
Một cột lọc sinh học chỉ hoạt động có hiệu quả khi đáp ứng đƣợc các tiêu
chí:

+ Vi sinh vật phải đƣợc cố định (bám) trên chất mang với mật độ cần thiết
do quá trình xử l đòi hỏi.
+ Tiếp xúc tốt giữa nƣớc thải chứa cơ chất và màng vi sinh vật bám trên
chất mang.
+ Kiểm soát đƣợc sự phát triển của màng vi sinh sao cho không để xảy ra
hiện tƣợng bị tắc hoặc bị rửa trôi.

Vũ Thị Mến

18

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

+ Cung cấp đủ oxy cho nƣớc để đáp ứng nhu cầu cho phản ứng xảy ra
trong màng.
Hệ phản ứng lọc nhỏ giọt bao gồm ba pha: chất rắn (màng vi sinh bám
trên chất mang), nƣớc chứa cơ chất cần xử l và khí (khoang rỗng của tầng chất
rắn).
Tầng lọc chất rắn là tầng cố định, thƣờng là vật liệu bằng đá với kích
thƣớc 5-20 cm với chiều cao từ 1,2-2,5 m (thƣờng là 1,8 m) hoặc vật liệu nhựa
với các kiểu cấu hình khác nhau, chiều cao của tầng lọc từ 4-12 m.
Nƣớc đƣợc phân tán thành các giọt nhỏ, phun đều lên toàn bộ tiết diện của
cột lọc-trên bề mặt của chất mang và đƣợc thu lại ở dƣới đáy của bể lọc. Không
khí thâm nhập vào bể lọc từ phía dƣới đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định. Biện
pháp tăng cƣờng dòng khí bằng các kỹ thuật cƣỡng bức ít đƣợc sử dụng trong
thực tế vì do sự chênh lệch nhiệt độ giữa tầng tĩnh, nƣớc và không khí xung

quanh tạo điều kiện cho quá trình tối ƣu (tự nhiên) của không khí diễn ra thuận
lợi, đủ khả năng cấp khí cho phản ứng xảy ra. Cấp khí cƣỡng bức chỉ thực hiện
khi nồng độ cơ chất quá cao, kích thƣớc vật liệu mang nhỏ.
Lọc nhỏ giọt có hiệu quả cao về phƣơng diện cố định vi sinh vật, khả năng
tiếp xúc giữa nƣớc và màng vi sinh và khả năng hấp thu oxy của nƣớc.
1.2.2.2 Phương pháp lọc sinh học kiểu lớp vật liệu mang vi sinh ngập nước
Đặc điểm: vật liệu lọc nằm ở phía dƣới lớp mặt nƣớc, vật liệu lọc đƣợc cố
định thành tầng lọc hoặc có khả năng dịch chuyển.
Đối với tầng lọc cố định, chiều của dòng khí đƣợc bố trí chảy ngƣợc từ
dƣới lên, chiều của dòng nƣớc có thể cùng hoặc ngƣợc chiều với dòng khí, nƣớc
sau khi qua cột có thể có hoặc không đƣợc hồi lƣu trở lại cột.
Chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế là kiểm soát đƣợc độ dày của màng vi sinh
và cấp oxy cho cột lọc.
Độ dày của màng vi sinh liên quan đến hiện tƣợng tắc cột lọc và giải pháp
phòng tránh sẽ là: tạo không gian rỗng giữa vật liệu đủ lớn hoặc áp dụng chế độ

Vũ Thị Mến

19

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

thuỷ lực đủ để màng vi sinh phát triển không quá dày. Một hệ lọc nhƣ vậy sẽ có
diện tích tiếp xúc thấp hoặc quy mô thiết bị lớn.
Lọc qua tầng cố định áp dụng để xử l BOD, thực hiện quá trình nitrat hoá
và khử nitrat. 21

Tầng lọc không cố định đƣợc chia thành hai dạng: giãn nở và lƣu thể.
Tầng giãn nở sử dụng vật liệu có kích thƣớc không lớn, chiều của dòng
nƣớc và khí đều hƣớng lên. Trong trạng thái không hoạt động, tầng lọc có tính
năng của một tầng tĩnh. Khi hoạt động dƣới áp lực của dòng khí, dòng nƣớc
hƣớng ngƣợc làm giãn nở thể tích của tầng lọc, tăng hơn so với trạng thái tĩnh
khoảng 30-40%. Vật liệu lọc (cát) bị mất tiếp xúc với nhau, các hạt lọc có thể
dịch chuyển ở một mức độ nào đó. Do va chạm lẫn nhau nên màng vi sinh bám
trên chất mang bị hao mòn. Kinh nghiệm hiện tại cho phép tính toán đƣợc quá
trình kiểm soát độ dày của lớp màng vi sinh trong thực tế.
Kỹ thuật phản ứng dạng lƣu thể có hiệu suất xử l tính theo thể tích cao
nhất so với các kỹ thuật khác với mật độ sinh khối hữu hiệu có thể đến 40 kg/m 3.
Tuy vậy, vận hành hệ thống hoàn toàn không đơn giản và kinh nghiệm thiết kế
cũng nhƣ vận hành đƣợc tích luỹ chƣa nhiều. Tuy nhiên tiềm năng sử dụng của
kỹ thuật này rất lớn là điều không nghi ngờ [1].
1.2.2.3. Phương pháp lọc chậm
Hiệu suất khử tạp chất của các bể lọc chậm đƣợc tổng hợp từ các cơ chế
làm sạch khác nhau nhƣ cơ chế sàng, cơ chế lắng, cơ chế hấp phụ, cơ chế hoạt
hoá và cơ chế sinh hoá [5].
Cơ chế sàng:
Quá trình tách các hạt cặn lơ lửng có kích thƣớc lớn hơn kích thƣớc mao
quản của vật liệu lọc đƣợc thực hiện bằng cơ chế sàng, các hạt rắn lơ lửng đƣợc
giữ lại trên bề mặt vật liệu lọc. Khi xảy ra hiện tƣợng bắc cầu giữa các hạt lơ
lửng trong các lỗ mao quản cũng có thể giữ lại các hạt có kích thƣớc nhỏ. Quá
trình chuyển động của các phần tử lơ lửng trong mao quản của vật liệu lọc làm
cho các hạt có kích thƣớc nhỏ tiếp xúc và liên kết với nhau tạo thành bông keo to

Vũ Thị Mến

20


CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

hơn. Các bông keo này đƣợc giữ lại sâu trong các lỗ mao quản, làm cho tiết diện
tự do của mao quản nhỏ dần đi và hiệu suất cơ chế sàng sẽ tăng lên theo thời
gian [10].
Cơ chế lắng: Các phần tử lơ lửng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc theo
nguyên l giống nhƣ quá trình lắng trong bể lắng, tuy nhiên khi lắng trong bể
lắng, các phần tử lắng xuống đáy bể, còn ở đây chúng lắng trên bề mặt hạt vật
liệu lọc.
Cơ chế hấp phụ: Lực hấp phụ chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa các
hạt lơ lửng trong nƣớc và bề mặt hấp phụ rất nhỏ, do đó cơ chế hấp phụ chỉ có
tác dụng khi các cơ chế khác đã đƣa hạt bẩn cần tách trong nƣớc đến tiếp cận với
bề mặt vật liệu lọc.
Cơ chế hoạt hoá: Cơ chế này biến các chất bẩn hoà tan trong nƣớc thành
các chất đơn giản và vô hại, hoặc là làm sao cho chúng tạo thành những hợp chất
không tan để có thể tách chúng ra nhờ cỏ chế sàng, lắng, hấp phụ.
Khi trong nƣớc có oxy hoà tan, các chất hữu cơ có thể bị phân huỷ hiếu
khí trong phản ứng sau:
C5H7NO2 + 5O2  H2O + 4CO2 + NH4+ + HCO33
2

NH4+ + O2  H2O + 2H+ + NO2NO2- +

1
O2  NO32


(9)

(10)
(11)

Ngoài ra còn xảy ra phản ứng:
H+ + HCO3-  H2O + CO2

(12)

Các phản ứng trên chỉ xảy ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc, nơi ở đó có
mặt chất xúc tác hoặc vi khuẩn cần thiết cho quá trình chuyển hoá.
Cơ chế sinh học: Với mục đích khử sắt, mangan và các chất hữu cơ trong
nƣớc, ngƣời ta cấy các vi khuẩn lên lớp bề mặt vật liệu lọc để chúng trở thành
tác nhân cho quá trinh khử các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong nƣớc. Các chất
hữu cơ và vô cơ trong nƣớc một phần trở thành thức ăn cho vi khuẩn, cung cấp
năng lƣợng cho chúng hoạt động và một phần chuyển hoá vào tế bào để cho
Vũ Thị Mến

21

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

chúng phát triển. Trong quá trình chuyển hoá các chất nói trên, nhờ vi khuẩn mà
các chất hữu cơ bị phân huỷ dần, ví dụ amoni chuyển hoá thành nitrit rồi sau đó
thành nitrat, các chất khác chuyển hoá thành các chất vô cơ vô hại nhƣ nƣớc,

CO2, NO2-, photphat... Sản phẩm của quá trình đi theo nƣớc lọc cùng với một
phần các vi khuẩn bị phân huỷ, có phần đƣợc khoáng hoá.
1.2.2.4. Phương pháp ozon hóa với xúc tác Bromua (Br-)
Để khắc phục nhƣợc điểm của phƣơng pháp clo hóa điểm đột biến ngƣời ta
có thể thay thế một tác nhân oxy hóa khác là ozon với sự có mặt của Br-. Về cơ bản
xử l NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống nhƣ
phƣơng pháp xử l dùng clo. Dƣới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa thành BrO- theo
phản ứng sau đây.
Br- + O3 +H+ ↔ HbrO + O2
Phản ứng oxy hóa NH4+ đƣợc thực hiện bởi ion BrO- giống nhƣ của ion ClONH3 + HbrO  NH2Br + H2O
NH2Br + NHBr2  NHBr + H2O
NH2Br + NHBr  N2 ↑ 3Br- + 3H+
Đây chính là điểm tƣơng đồng giữa hai phƣơng pháp clo hóa và ozon hóa
xúc tác Br- do Galat – Gorhev và Moris tìm ra năm 1975.
Bảng 1.1. Ưu, nhược điểm của các phư ng pháp xử l amoni
Phư ng

Ưu điểm

Nhược điểm

Clo hóa

Có thể oxi hóa hoàn toàn NH 4+ đầu

Sau khi dƣ lƣợng clo cao nhƣ cơ

đến

tƣ thấp, không gian nhỏ.


clo, THMs gây độc với hệ thủy

pháp

điểm

sinh và con ngƣời. Do đó có thể

đột biến

làm tăng chi phí xử l . Quá trình
rất nhạy cảm và chịu ảnh hƣởng
lớn của pH. Chi phí vận hành
cao bởi hóa chất. Lƣợng clo tăng
làm tăng TDS. Có thể không đạt

Vũ Thị Mến

22

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

đƣợc tiêu chuẩn NH4+ cho phép.
Đòi hỏi ngƣời vận hành có kỹ
năng thành thạo

Trao

Có thể đạt tổng lƣợng N tiêu chuẩn. Chất hữu cơ có thể gây kết dính

đổi ion

Dùng cho sản phẩm đòi hỏi chất

nhựa. Nồng độ NH4+ cao có thể

lƣợng cao. Dễ kiểm soát sản phẩm

làm giảm hiệu quả hiệu quả loại
bỏ NH4+. Đầu vào cần đƣợc lọc
thƣờng xuyên tránh tắc cột. Tái
sinh cột yêu cầu thiết bị phụ trợ
khác nhƣ máy thổi khí. Chi phí
đầu tƣ và vận hành cao. Cần kỹ
năng vận hành cao

Thối

Quá trình có thể kiểm soát đối với

Quá trình nhạy cảm với nhiệt độ.

khí

việc loại NH4+ chọn lọc. Áp dụng


Hay gây độc đục. Phải kiểm soát

tốt nhất khi kết hợp hệ thống cung

pH thƣờng xuyên.

cấp vôi để loại photpho.
Quá trình có thể đạt đƣợc tiêu
chuẩn tổng lƣợng N cho phép.
Không bị ảnh hƣởng bởi các chất
độc.
Vi sinh

Quá trình có thể đạt tiêu chuẩn tổng Phải hoạt động liên tục, chịu ảnh
lƣợng N cho phép, vốn đầu tƣ thấp,

hƣởng lớn của nhiệt độ, pH, DO

ổn định về hoạt tính sinh học, chất
lƣợng cao
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Vấn đề xử l N-amoni trong nƣớc nhất là nƣớc cấp những năm gần đây
đang đƣợc quan tâm rất mạnh mẽ ở Việt Nam. Những nghiên cứu xung quanh

Vũ Thị Mến

23

CHMTBK 2011B



Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

vấn đề chất lƣợng nƣớc cấp và cải thiện công nghệ xử l nƣớc ngầm để nâng cao
chất lƣợng nƣớc cấp ở Việt Nam chƣa nhiều. So với thế giới chúng ta bắt đầu
chậm hơn khoảng 30 năm cả về khía cạnh nghiên cứu lẫn ứng dụng các các kĩ
thuật xử l chất hữu cơ, amoni. Các nghiên cứu mang tính bắt đầu và còn thƣa
thớt.
Phần lớn các đề tài đều khẳng định có thể xử l đƣợc và xử l tốt amoni
nhƣng liên quan đến nƣớc thải. Đối với nƣớc cấp các phƣơng pháp trao đổi ion
đƣợc đề xuát để xử l quy mô nhỏ. Đề tài 01C-09/11-2000-2 đã thử nghiệm các
phƣơng pháp trao đổi ion, clo hóa, lọc sinh học thấy có kết quả khả quan, hiệu
suất xử l NH3 có thể đạt tới 70-90%. Ngoài các phƣơng pháp trao đổi ion đƣợc
đề xuất để xử l quy mô nhỏ, các đề tài đều khẳng định phƣơng pháp sinh học là
định hƣớng chính cho quy mô lớn.
Hiện trạng xử l amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội
Để xử l hoặc loại bỏ NH 4+ trong nƣớc sinh hoạt chúng ta có thể sử dụng
một số giải pháp kỹ thuật nhƣ trao đổi ion, clo hóa, sục khí, phƣơng pháp vi sinh
đƣợc sử dụng có hiệu quả. Phƣơng pháp này có thể biến đổi NH 4+ thành nito
dạng khí hoặc chuyển hóa tới dạng nitrat đỡ độc hơn, ở Việt Nam đã có một số
kết quả khả quan về phƣơng pháp này ở quy mô (xử l 20-30 l/ngày).
Để đảm bảo chất lƣợng nƣớc cấp, các tiêu chuẩn nhà nƣớc về hàm lƣợng
NH4+ và NO3- trong các nguồn nƣớc cũng nhƣ trong nƣớc cấp rất ngặt nghèo
(theo TC1329/BYT-2002, đối với nƣớc cấp nồng độ NH 4+ tối đa cho phép là
1,5mg/L, NO-3 là 50mg/l). Trong khi đó, Hà Nội nơi có hệ thống cấp nƣớc thuộc
loại tốt của Việt Nam, các số liệu về chất lƣợng của nƣớc nguồn cũng nhƣ nƣớc
cấp về khía cạnh các hợp chất Nito cho thấy hàm lƣợng NH+4 trong các nguồn
nƣớc của 3 nhà máy khu vực phía Nam Hà Nội là Tƣơng Mai, Hạ Đình, Pháp

Vân đều vƣợt giá trị cho phép, trong khi đó công nghệ xử l nƣớc cấp của các
nhà máy do công ty Kinh doanh nƣớc sạch nƣớc sạch Hà Nội mới chỉ xử l sắt,
mangan trong nƣớc ngầm.

Vũ Thị Mến

24

CHMTBK 2011B


Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá
trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP. Hà Nội

1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Những kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng là lọc sinh học ngập nƣớc, lọc cát
nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính.
Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về ngƣời Anh [6]. Họ
sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá, dày 2m, tốc độ lọc 0,8-2.8 m/h để xử l
nƣớc sông Thames với nồng độ amoni 2-3 mg/l. Do vật liệu lọc thô, không có hệ
sục khí mà hệ chỉ đạt hiệu suất 80% chỉ sau một năm hoạt động, ngoài ra nhiệt
độ thấp và thiếu oxy cũng ảnh hƣởng xấu đến hiệu quả xử l .
Hệ lọc với lớp đệm mở rộng tỏ ra hiệu quả hơn nhiều. Nhờ kết cấu hình
chóp ngƣợc, nƣớc đi từ dƣới lên, tốc độ nƣớc dâng sẽ giảm dần và thấp nhất ở
vùng thu nƣớc hình trụ phía trên cùng, ở vùng giữa, sinh khối và vật liệu lọc sẽ
lơ lửng và quá trình xử l vi sinh xảy ra ở đây. Vùng trên cùng là vùng có thiết
diện chảy cao nhất ứng với tốc độ nƣớc dâng thấp nhất cho phép sinh khối kết
bông và rơi trở lại vùng phản ứng. Bằng kết cấu này, ngƣời ta có thể nâng tốc độ
lọc lên tới 6-30 m/h, thời gian lƣu nƣớc chỉ có 5-10 phút. Hiệu quả xử l phụ
thuộc nhiệt độ và tốc độ lọc và đạt tốc độ 20 -100%. Theo tài liệu chúng tôi tham

khảo, hiện tại một nhà máy ở Anh, một ở Đức áp dụng kỹ thuật này.
Trong hệ lọc nhanh, nếu tạo điều kiện để vi khuẩn nitrat hoá tích luỹ cũng
có thể thực hiện quá trình nitrat hoá. Tại Pháp, để thực hiện điều này ngƣời ta bổ
sung lên bề mặt cát bể lọc nhanh 3-5 mm vật liệu lọc là pozzolana và sục khí vào
bể với cƣờng độ 0,9 m3 không khí/h. Ở Mỹ ngƣời ta hay dùng lớp vật liệu lọc
thô, xốp với chiều dày tới 4m để thay lớp cát lọc thông thƣờng [62].
Nếu áp dụng than hoạt tính làm vật liệu lọc thì quá trình xảy ra còn tốt
hơn. Ví dụ, Jekel thông báo kết quả nitrat hóa hoàn toàn khi nƣớc ozon hóa qua
bồn than hạt – GAC với tốc độ 10m/h ứng với thời gian lƣu tính cho cột rỗng chỉ
15 phút. Rice và ctv. Giới thiệu nhà máy nƣớc La Chapelle ở Pháp sử dụng công
nghệ nitrat hóa với dây chuyền ozon (0,7mg/l, t-3 phút) –c nhanh (4,84 m/h, cát
1mm dày 1m) – lọc GAC (tốc độ 4,84 m/h, lớp GAC 0,75m). Hiệu suất xử l

Vũ Thị Mến

25

CHMTBK 2011B