BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XỬ LÝ AMONI, NITRAT TRONG NƯỚC THẢI BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Ở QUY MƠ
PHỊNG THÍ NGHIỆM

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Ngọc Thanh
Sinh viên thực hiện:

Phạm Thị Ngọc Mỹ

Mã sớ sinh viên:

58132329

Khánh Hồ – 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
XỬ LÝ AMONI, NITRAT TRONG NƯỚC THẢI BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION Ở QUY MƠ

PHỊNG THÍ NGHIỆM

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Ngọc Thanh
SVTH: Phạm Thị Ngọc Mỹ
MSSV: 58132329

Khánh Hòa, tháng 8 /2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Xử lý amoni, nitrat trong nước thải bằng phương
pháp trao đổi ion ở quy mơ phịng thí nghiệm” là cơng trình nghiên cứu của cá
nhân tôi dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Ngọc Thanh và chưa từng được
công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, tháng 8, năm 2020
Sinh viên
Phạm Thị Ngọc Mỹ

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập, rèn luyện và thực hiện đề tài tốt nghiệp, em đã nhận
được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ,
gia đình và bạn bè.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong Viện Công
nghệ Sinh học và Mơi trường cùng tồn thể thầy cơ Trường Đại học Nha Trang đã
truyền đạt kiến thức về các môn đại cương cũng như các mơn chun ngành, giúp em
có được cơ sở lý thuyết vững vàng.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến cô ThS. Nguyễn Thị Ngọc Thanh

đã ln quan tâm, động viên, tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho em những kinh
nghiệm quý báu, tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài.
Em xin cảm ơn thầy ThS.Trương Trọng Danh đã nhiệt tình giúp đỡ em khắc
phục những sự cố trong quá trình vận hành mơ hình.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã tạo điều kiện, động
viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hồn thành khóa luận tốt nghiệp.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, luận văn này khó
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý, đánh giá của q thầy cơ để
để tài được hồn chỉnh hơn.
Khánh Hịa, tháng 8, năm 2020
Sinh viên
Phạm Thị Ngọc Mỹ

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................1

2.

Mục đích nghiên cứu ......................................................................................2


3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................2

4.

Nội dung nghiên cứu ......................................................................................2

5.

Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................2

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................................4
Tổng quan về amoni, nitrat và các phương pháp xử lý..................................4
1.1.1

Tổng quan về amoni và nitrat .................................................................4

1.1.2

Các phương pháp xử lý amoni, nitrat .....................................................7

Tổng quan về phương pháp trao đổi ion ......................................................10
1.2.1


Giới thiệu ..............................................................................................10

1.2.2

Cơ sở của phương pháp ........................................................................10

1.2.3

Nhựa trao đổi ion ..................................................................................15

1.2.4

Các phương trình đẳng nhiệt.................................................................23

1.2.5

Các nghiên cứu về trao đổi ion trong và ngoài nước ............................25

CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................31
iii


2.1

Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................31

2.1.1

Mẫu nước ..............................................................................................31


2.1.2.

Mơ hình trao đổi ion quy mơ phịng thí nghiệm ...................................32

2.1.2

Vật liệu trao đổi ion ..............................................................................36

2.2

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................39

2.2.1

Phương pháp thu thập thông tin ............................................................39

2.2.2

Phương pháp bố trí thí nghiệm .............................................................39

2.2.3 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu ...................................................48
2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu .........................................................................54
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................58
Khả năng xử lý amoni ..................................................................................58
Thí nghiệm tĩnh .....................................................................................58
Thí nghiệm liên tục ...............................................................................65
Khả năng xử lý nitrat ...................................................................................77
Thí nghiệm tĩnh .....................................................................................77
Thí nghiệm liên tục ...............................................................................85
Khả năng xử lý amoni và nitrat trong nước thải chế biến thủy sản và nước

thải sinh hoạt ..........................................................................................................94
Khả năng xử lý NH4+ ............................................................................94
Khả năng xử lý NO3- .............................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................106
PHỤ LỤC BẢNG ....................................................................................................... I

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BYT: Bộ y tế
CBTS: Chế biến thủy sản
KH&CN: Khoa học và Công nghệ
KS: Kỹ sư
QCVN: Quy chuẩn Việt Nam
TS: Tiến sỹ
XLNT: Xử lý nước thải

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Các tính chất của nhựa trao đổi ion .........................................................18
Bảng 1. 2. Mối tương quan của RL và các dạng của mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir ...................................................................................................................24
Bảng 2. 1. Khối lượng amoni, nitrat tính theo các nồng độ pha trong 1 lít. .............31
Bảng 2. 2. Nước thải thực dùng cho thí nghiệm .......................................................31
Bảng 2. 3. Các thơng số của mơ hình ........................................................................35
Bảng 2. 4. Đặc tính kỹ thuật nhựa trao đổi ion Indion 220 Na .................................36
Bảng 2. 5. Khuyến cáo sử dụng nhựa trao đổi ion Indion 220 Na: ...........................37

Bảng 2. 6. Đặc tính kỹ thuật nhựa trao đổi ion Indion ffip .......................................38
Bảng 2. 7. Khuyến cáo sử dụng nhựa trao đổi ion Indion ffip..................................38
Bảng 2. 8. Thơng số mơ hình trao đổi ion dạng tĩnh.................................................39
Bảng 2. 9. Các phương pháp phân tích mẫu .............................................................49
Bảng 2. 10. Các thông số xây dựng đường chuẩn amoni..........................................50
Bảng 2. 11. Kết quả xây dựng đường chuẩn amoni ..................................................51
Bảng 2. 12. Các thông số xây dựng đường chuẩn nitrat ...........................................53
Bảng 2. 13. Kết quả xây dựng đường chuẩn .............................................................53
Bảng 3. 1 Các thông số xây dựng đường đẳng nhiệt ................................................61
Bảng 3. 2 Các thông số xây dựng đường đẳng nhiệt langmuir .................................62
Bảng 3. 3 Giá trị ln Ce và Ln qe ở các nồng độ .......................................................63
Bảng 3. 4. Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich mô tả quá trình hấp phụ của
NH4+ trên nhựa trao đổi ion Indion 220 Na ..............................................................65
Bảng 3. 5. Hiệu suất xử lý amoni ở các tốc độ bơm khác nhau ................................68
Bảng 3. 6. Kết quả xử lý amoni ở nồng độ 20 mg NH4+/l ........................................70
Bảng 3. 7. Kết quả xử lý amoni ở nồng độ 30 mg NH4+/l ........................................70
Bảng 3. 8. Kết quả xử lý amoni ở nồng độ 40 mg NH4+/l ........................................71
Bảng 3. 9. Kết quả xử lý amoni ở nồng độ 50 mg NH4+/l ........................................72
Bảng 3. 10. Kết quả xử lý amoni ở nồng độ 60 mg NH4+/l ......................................73
Bảng 3. 11. Hiệu suất xử lý ở các nồng độ khác nhau ..............................................73
vi


Bảng 3. 12. Kết quả xử lý amoni lần đầu tiên với nồng độ 20 mg/l .........................74
Bảng 3. 13. Kết quả xử lý amoni ở lần trao đổi sau với nồng độ 20 mg NH4+/l ......75
Bảng 3. 14. Kết quả xử lý amoni sau khi tái sinh ở nồng độ 20 mg NH4+/l .............75
Bảng 3. 15. Kết quả xử lý amoni ở lần trao đổi đầu tiên với nồng độ 60 mg NH4+/l
...................................................................................................................................75
Bảng 3. 16. Kết quả xử lý amoni ở lần trao đổi ion sau với nồng độ 60 mg NH4+/l 76
Bảng 3. 17. Kết quả xử lý amoni sau khi tái sinh ở nồng độ 60 mg NH4+/l .............76

Bảng 3. 18. Các thông số xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ...............................81
Bảng 3. 19. Các thông số xây dựng đường đẳng nhiệt Langmuir ............................81
Bảng 3. 20. Các tham số của mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ......................83
Bảng 3. 21. Giá trị RL theo các nồng độ nitrat đầu vào ............................................83
Bảng 3. 22. Các thông số xây dựng đường đẳng nhiệt Frendlich .............................84
Bảng 3. 23. Các tham số đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich mơ tả q trình hấp phụ của
nitrat trên nhựa trao đổi ion Indion ffip ....................................................................85
Bảng 3. 24. Hiệu xuất xử lý nitrat ở các tốc độ khác nhau .......................................88
Bảng 3. 25. Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ 20 mg NO3-/l ........................................88
Bảng 3. 26. Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ 30 mg NO3-/l ........................................89
Bảng 3. 27. Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ 40 mg NO3-/l .......................................90
Bảng 3. 28. Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ 50 mg NO3-/l ........................................91
Bảng 3. 29. Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ 60 mg NO3-/l ........................................92
Bảng 3. 30 Kết quả xử lý nitrat ở nồng độ khác nhau ..............................................93
Bảng 3. 31. Kết quả xử lý amoni trong nước thải nhà máy XLNT phía Nam TP Nha
Trang khi lọc qua bơng lọc........................................................................................94
Bảng 3. 32. Kết quả xử lý amoni trong nước thải nhà máy XLNT phía Nam TP Nha
Trang khi lọc qua giấy lọc .........................................................................................95
Bảng 3. 33. Kết quả xử lý amoni trong nước thải nhà máy CBTS F17 khi lọc qua
bông lọc .....................................................................................................................97
Bảng 3. 34. Kết quả xử lý amoni trong nước thải nhà máy CBTS F17 khi lọc qua
giấy lọc ......................................................................................................................98
vii


Bảng 3. 35. Kết quả xử lý nitrat trong nước thải nhà máy XLNT phía Nam TP Nha
Trang khi lọc qua bông lọc........................................................................................99
Bảng 3. 36. Kết quả xử lý nitrat trong nước thải nhà máy XLNT phía Nam TP Nha
Trang khi lọc qua giấy lọc .......................................................................................100
Bảng 3. 37. Kết quả xử lý nitrat trong nước thải nhà máy CBTS F17 khi lọc qua

giấy lọc ....................................................................................................................101

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Đường cong trao đổi ion ..........................................................................11
Hình 1. 2. Sự chuyển dịch đường cong cân bằng nồng độ đẳng thời .......................12
Hình 1. 3. Đường cong bão hịa ................................................................................13
Hình 1. 4. Sơ đồ cấu tạo của hạt nhựa trao đổi cation ..............................................15
Hình 1. 5. Phản ứng tạo ra nhựa trao đổi cation axit mạnh ......................................16
Hình 1. 6. Phản ứng tạo ra nhựa trao đổi cation axit yếu ..........................................17
Hình 1. 7. Phản ứng tạo ra nhựa trao đổi anion kiềm mạnh và nhựa trao đổi anion
kiềm yếu ....................................................................................................................18
Hình 1. 8. Mơ hình trao đổi ion xử lý nước với các vật liệu trao đổi ion khác nhau
...................................................................................................................................27
Hình 1. 9. Vị trí lấy mẫu ...........................................................................................27
Hình 1. 10. Mơ hình trao đổi ion xử lý nước cứng ..................................................29
Hình 1. 11. Hệ thống trao đổi ion quy mơ cơng nghiệp ............................................30
Hình 2. 1. Sơ đồ mơ hình trao đổi ion .......................................................................32
Hình 2. 2. Mơ hình trao đổi ion quy mơ phịng thí nghiệm ......................................34
Hình 2. 3. Tấm phân phối nước đường kính lỗ 4 mm...............................................35
Hình 2. 4. Bơm nước thải (bên phải) và bơm hóa chất tái sinh (bên trái) ................35
Hình 2. 5. Nhựa trao đổi ion Indion 220 Na .............................................................36
Hình 2. 6. Nhựa trao đổi ion Indion ffip ...................................................................37
Hình 2. 7. Bố trí thí nghiệm tĩnh xử lý amoni ...........................................................40
Hình 2. 8. Bố trí thí nghiệm tĩnh xử lý nitrat ............................................................40
Hình 2. 9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bơm đến hiệu quả
xử lý amoni và nitrat .................................................................................................44
Hình 2. 10. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu quả

xử lý amoni và nitrat .................................................................................................45
Hình 2. 11. Nhựa trao đổi ion amoni trước và sau khi sử dụng ................................46
Hình 2. 12.Xử lý nước thải trên mơ hình tĩnh ...........................................................47
Hình 2. 13. Lọc mẫu nước thải nhà máy chế biến thủy sản F17 ..............................48
ix


Hình 2. 14. Lọc mẫu nước thải nhà máy xử lý nước thải phía Nam thành phố Nha
Trang .........................................................................................................................48
Hình 2. 15. Đồ thị phương trình đường chuẩn amoni ...............................................51
Hình 2. 16. Đồ thị phương trình đường chuẩn nitrat ................................................53
Hình 3. 1. Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 20 mg NH4+/l ..........58
Hình 3. 2. Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 30 mg NH4+/l ..........59
Hình 3. 3. Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 40 mg NH4+/l ..........59
Hình 3. 4. Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 50 mg NH4+/l ..........60
Hình 3. 5. Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 60 mg NH4+/l ..........60
Hình 3. 6. Đồ thị thể hiện thời gian cân bằng ở các mức nồng độ khác nhau ..........61
Hình 3. 7. Đường đẳng nhiệt trao đổi ion của nhựa Indion 220 Na..........................62
Hình 3. 8. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Ce và Ce/qe ...............................................63
Hình 3. 9. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa ln Ce và ln qe ....................................64
Hình 3. 10. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở tốc độ
30 l/h ..........................................................................................................................66
Hình 3. 11. Biểu diễn sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở tốc độ 45
l/h ...............................................................................................................................67
Hình 3. 12. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở tốc
độ bơm 60 l/h ............................................................................................................68
Hình 3. 13. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của tốc độ bơm đến hiệu suất xử lý.............69
Hình 3. 14. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở nồng
độ 20 mg NH4+/l ........................................................................................................70
Hình 3. 15. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở nồng

độ 30 mg/l..................................................................................................................71
Hình 3. 16. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở nồng
độ 40 mg/l..................................................................................................................72
Hình 3. 17. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở nồng
độ 50 mg NH4+/l ........................................................................................................72

x


Hình 3. 18. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý amoni theo thời gian ở nồng
độ 60 mg NH4+/l ........................................................................................................73
Hình 3. 19. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của các mức nồng độ khác nhau đến hiệu
suất xử lý ...................................................................................................................74
Hình 3. 20. Đồ thị thể hiện hiệu suất xử lý amoni trước và sau khi tái sinh .............77
Hình 3. 21. Đồ thị biểu hiện thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 20 mg NO3/l ...........77
Hình 3. 22. Đồ thị biểu hiện thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 30 mgNO3-/l ...........78
Hình 3. 23. Đồ thị biểu hiện thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 40 mgNO3-/l ...........78
Hình 3. 24. Đồ thị biểu hiện thời gian đạt cân bằng ở nồng độ 50 mg NO3/l ...........79
Hình 3. 25. Đồ thị biểu hiện quan hệ giữa thời gian và nồng độ nitrat còn lại ở nồng
độ 60 mg NO3-/l.........................................................................................................79
Hình 3. 26. Đồ thị thể hiện thời gian cân bằng ở các mức nồng độ khác nhau ........80
Hình 3. 27. Đẳng nhiệt trao đổi ion của nhựa Indion ffip .........................................81
Hình 3. 28. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa Ce và Ce/qe..............................................82
Hình 3. 29 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ NO3- ban đầu
...................................................................................................................................83
Hình 3. 30. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa ln qe và ln Ce của quá trình hấp phụ
nitrat trên nhựa trao đổi ion Indion ffip ....................................................................84
Hình 3. 31. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở tốc độ
30 l/h ..........................................................................................................................86
Hình 3. 32. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở tốc độ

45 l/h ..........................................................................................................................86
Hình 3. 33. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở tốc độ
60 l/h ..........................................................................................................................87
Hình 3. 34. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của tốc độ bơm đến hiệu quả xử lý nitrat ....88
Hình 3. 35. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở nồng
độ 20 mg NO3-/l .........................................................................................................89
Hình 3. 36. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở nồng
độ 30 mg NO3- ...........................................................................................................90
xi


Hình 3. 37. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở nồng
độ 40 mg NO3-/l .........................................................................................................91
Hình 3. 38. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở nồng
độ 50 mg NO3-/l .........................................................................................................92
Hình 3. 39. Đồ thị thể hiện sự thay đổi hiệu suất xử lý nitrat theo thời gian ở nồng
độ 60 mg NO3-/l .........................................................................................................93
Hình 3. 40. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của các mức nồng độ khác nhau đến hiệu
quả xử lý ....................................................................................................................94
Hình 3. 41. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ amoni trong nước thải nhà máy
XLNT phía Nam TP Nha Trang khi lọc qua bơng lọc theo thời gian.......................95
Hình 3. 42. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ amoni trong mẫu nước thải nhà máy
XLNT phía Nam TP Nha Trang khi xử lý bằng phương pháp trao đổi ion (mẫu lọc
qua giấy lọc) ..............................................................................................................96
Hình 3. 43. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ amoni trong nước thải nhà máy
CBTS F17 khi lọc qua bông lọc theo thời gian .........................................................97
Hình 3. 44. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ amoni trong nước thải nhà máy
CBTS F17 theo thời gian khi lọc qua giấy lọc ..........................................................98
Hình 3. 45. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ nitrat trong nước thải nhà máy
XLNT phía Nam TP Nha Trang theo thời gian ......................................................100

Hình 3. 46. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ nitrat trong nước thải nhà máy
XLNT phía Nam TP Nha Trang theo thời gian khi lọc qua giấy lọc ......................101
Hình 3. 47. Đồ thị thể hiện sự thay đổi nồng độ nitrat trong nước thải nhà máy
CBTS F17 theo thời gian khi lọc qua giấy lọc ........................................................102

xii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước có vai trò rất quan trọng, quyết định đến sự tồn tại và phát triển của sự
sống trên trái đất. Các nguồn nước được dùng chủ yếu là nước mặt (sông, hồ) và nước
ngầm đã được xử lý hoặc dùng trực tiếp. Hiện nay, nước ngày càng bị suy thoái về
cả chất lượng và số lượng. Lượng nước giảm do biến đổi khí hậu, nhiệt độ ngày càng
tăng, lượng mưa phân bố khơng đồng đều, một số nơi xảy ra tình trạng hạn hán thiếu
nước nghiêm trọng vào mùa khơ. Ngồi ra do sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế,
nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, khai thác nước ngày càng nhiều dẫn đến tình
trạng thiếu nước. Khơng những thế, chất lượng nước cũng ngày càng xấu đi. Nước bị
ô nhiễm bởi các tạp chất với thành phần và mức độ khác nhau tuỳ vào điều kiện địa
lý, địa hình hay đặc thù sản xuất, sinh hoạt mà dịng chảy chảy qua. Hoạt động nơng
nghiệp sử dụng một lượng lớn phân bón hóa học và thuốc trừ sâu trên diện rộng, các
loại nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt giàu hợp chất dinh dưỡng như: nitơ,
photpho chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để thải vào mơi trường, tích tụ ngày
càng nhiều, làm cho nước ngày càng trở nên ơ nhiễm, phú dưỡng hóa gây mất cân
bằng sinh thái nguồn nước.
Amoni không gây độc trực tiếp cho con người nhưng sản phẩm chuyển hố của
nó là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con
người. Hằng năm, lượng nước thải ra trên thế giới nhẩm tính có thể lên đến hàng tỷ
tỷ m3. Điểm qua một số loại nước thải có nồng độ amoni từ thấp đến cao như: nước
thải sinh hoạt dao động khoảng 20 – 80 mg/l; nước thải chế biến thủy sản khoảng 80

– 150 mg/l; nước thải thuộc da khoảng 300 – 400 mg/l; nước rỉ rác khoảng 200 – 800
mg/l; nước thải chăn nuôi khoảng 400 – 800 mg/l,… Như vậy, hàm lượng amoni
trong nước thải ước tính là một con số khổng lồ nếu chưa được xử lý triệt để mà thải
ra mơi trường sẽ gây những hậu quả khó lường. Vì vậy việc xử lý amoni, nitrat trong
nước đang rất được quan tâm. Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý amoni, nitrat
trong nước thải như phương pháp sinh học, hóa học, hóa lý. Trong phạm vi nghiên
1


cứu này, chúng tôi tập trung vào xử lý amoni, nitrat trong nước thải bằng phương
pháp trao đổi ion.
2. Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước thải bằng phương pháp trao đổi ion
với nhựa Indion 220 Na.
- Đánh giá khả năng xử lý nitrat trong nước thải bằng phương pháp trao đổi ion
với nhựa Indion Ffip.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Nước được dùng nghiên cứu là nước bị nhiễm bẩn amoni, nitrat.
- Mơ hình trao đổi ion dùng xử lý nước ở quy mơ phịng thí nghiệm.
- Nhựa trao đổi ion Indion 220 Na xử lý amoni và nhựa Indion Ffip xử lý nitrat
Phạm vi nghiên cứu:
- Thời gian: Từ ngày 20/3/2020 đến ngày 30/7/2020.
- Không gian: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mơ phịng thí nghiệm, tại phịng
thí nghiệm kỹ thuật mơi trường – Trường Đại học Nha Trang.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về amoni, nitrat và các phương pháp xử lý.
- Tổng quan về phương pháp trao đổi ion.
- Đánh giá khả năng xử lý amoni, nitrat bằng phương pháp trao đổi ion quy mơ
phịng thí nghiệm.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin và tài liệu.
- Phương pháp thực nghiệm: bố trí thí nghiệm.
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu.
- Phương pháp xử lý và đánh giá số liệu.
2


6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với việc thực hiện các khảo sát và kết quả thu được cho phép hiểu về nguyên
tắc xử lý và các quá trình cân bằng trong trao đổi ion.
Nghiên cứu này cũng giúp có những đánh giá ban đầu về các yếu tố có thể ảnh
hưởng đến q trình xử lý amoni, nitrat bằng phương pháp trao đổi ion.
Kết quả của đề tài là cơ sở thiết thực cho phép đánh giá khả năng ứng dụng của
mơ hình trao đổi ion để xử lý nước nhiễm amoni, nitrat ở quy mơ hộ gia đình và quy
mơ cơng nghiệp đảm bảo yêu cầu xử lý.

3


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
Tổng quan về amoni, nitrat và các phương pháp xử lý
1.1.1 Tổng quan về amoni và nitrat
Amoni là chất khí khơng màu, mùi khai, có cơng thức hóa học NH3. Trong nước,
amoni tồn tại dưới 2 dạng là NH3 và NH4+. Tỷ lệ thành phần của NH3 và NH4 + phụ
thuộc vào giá trị pH và nhiệt độ của nước. Giá trị pH càng cao thì tỷ lệ tỷ lệ NH4+
càng thấp. Trong nước thải, khi pH bằng 7 nitơ amoniac tồn tại chủ yếu ở dạng NH4 +,
trong khi hơn 90% là amoniac tự do khi pH trên 11. Amoni có thể chuyển thành dạng
amoniac hoặc ngược lại, tùy thuộc vào trị số pH của môi trường theo phương trình:
H2O + NH3 ⇌ OH- + NH4+


(1.1)

Trong tự nhiên, nồng độ amoni trong nước ngầm và nước bề mặt thường thấp
hơn 0,2 mg/l. Khi nồng độ amoni trong nước từ 20 mg/l trở lên sẽ có mùi khai. Ngồi
ra, có thể nhận biết amoni trong nước thơng qua việc nấu thịt. Ở những nguồn nước
có hàm lượng amoni cao, thịt khi được nấu lên, đến lúc thật chín vẫn cịn màu hồng
như chưa được nấu. Vì trong nước amoni khơng tồn tại được lâu mà nhanh chóng
chuyển thành nitrit, nitrit trong nước sẽ ức chế men enzim có trong thịt làm cản trở
q trình đổi màu của thịt.
Nitrat (có cơng thức hóa học là NO3-) là dạng hợp chất vơ cơ của nitơ có hóa trị
cao nhất. Nó bền trong mơi trường nước. Trong tự nhiên nitrat được tìm thấy trong
mơi trường đất và nước. Nitrat được tìm thấy trong nước ngầm nhiều hơn ở nước mặt
và thường khó phát hiện bằng cảm quan vì nó khơng màu, không mùi, không vị.
Trong nước, nitrat là sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy các chất hữu cơ có trong
chất thải (chu trình nitơ). Các phản ứng trong chu trình nitơ gồm:
N2 → NH3 → NH4+ → NO2- → NO3-

(1.2)

Hàm lượng amoni và nitrat cho phép trong nước sinh hoạt rất thấp. Theo tổ chức
Y tế thế giới và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho
mục đích sinh hoạt (QCVN 01-1:2018/BYT) do Bộ Y tế ban hành đề ra mức giới hạn
4


0,3 mg/l đối với amoni (NH3 và NH4+ tính theo N) và 2 mg/l đối với nitrat (NO3- tính
theo N) [22].
Nguồn gốc ô nhiễm amoni, nitrat
Nguồn gốc tự nhiên:

Do đặc điểm cấu tạo địa chất, kết quả của các hoạt động địa chất (xâm thực, xói
mịn…) góp phần tạo nên tầng chứa nước cuội sỏi Đệ Tứ. Trong tầng này chứa các
hạt than bùn và đất có lẫn các hợp chất hữu cơ. Ngày nay, do nhu cầu sử dụng nước
ngày càng lớn, chúng ta khai thác nước ngày càng nhiều và càng đi sâu xuống lòng
đất đã đẩy nhanh q trình giải phóng các hợp chất của nitơ có trong lớp đất bùn chứa
chất hữu cơ bị phân hủy làm gia tăng lượng nitơ trong nước ngầm [16].
Ngoài ra, các tia chớp oxi hóa N2 trong khơng khí thành NO và NO2 sau đó hịa
tan vào nước mưa rơi xuống đất.
Q trình amon hóa: Các hợp chất nitơ hữu cơ trong mơi trường đất nước xảy
ra q trình khống hố tạo thành NH4+[16].
Nguồn gốc nhân tạo: Ơ nhiễm amoni, nitrat xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau
như: nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp,…
- Nước thải sinh hoạt có thành phần cơ bản là chất hữu cơ dễ phân hủy sinh
học. Các thành phần ô nhiễm chủ yếu là amoni, nitrit, nitrat, photphat, BOD,... Ngồi
ra cịn có các sinh vật gây bệnh như vi khuẩn,virut, vi trùng, siêu vi trùng. Trong nước
thải sinh hoạt, amoni chiếm 60 – 80 % hàm lượng nitơ tổng [30], [33]. Hàm lượng
amoni cao do quá trình phân hủy urê của nước tiểu. Hằng ngày, mỗi người tiêu thụ
từ 5 đến 16 gam nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó [23].
Urê bị thủy phân trong nước:
CO(NH2)2 +2H2O →(NH4)2CO3

(1.3)

Sau đó bị thối rữa:
(NH4)2CO3 → 2NH3 +CO2 +H2O

5

(1.4)



Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng nitrat và nitrit thấp bởi vì lượng oxi hịa
tan và mật độ vi sinh tự dưỡng có khả năng oxi hóa amoni thấp.
- Nước thải công nghiệp: Nước thải từ các nhà máy chế biến thủy sản,sản xuất
phân bón, sản xuất axit nitric, nước thải từ hoạt động giết mổ chứa một lượng lớn
máu, mỡ, phân, thịt vụn,…chưa xử lý triệt để mà thải ra mơi trường. Khí thải thốt ra
từ các nhà máy chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số q trình
biến đổi hố học, rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2 làm tăng hàm lượng của các
ion này trong nước.
- Nước thải nông nghiệp: Nước thải phát sinh từ các hoạt động chăn nuôi gia
súc, gia cầm, nuôi trồng thủy sản thải ra một lượng lớn phân, nước tiểu, thức ăn thừa,
không qua xử lý thải trực tiếp hoặc xử lý chưa triệt để thải ra môi trường.
Trong sản xuất nông nghiệp: người nông dân đã sử dụng một lượng lớn phân
bón hóa học chứa nitơ đặc biệt là NPK, DAP, urê (1 phân tử urê có thể tạo ra 2 phân
tử NH4+), NaNO3 (natri nitrat) và NH4NO3 (amoni nitrat), sử dụng bừa bãi thuốc trừ
sâu, diệt cỏ, đặc biệt là các loại nằm ngoài danh mục cho phép sử dụng như (Aldin,
Thiol, monitor,…). Thông qua q trình rửa trơi, thẩm thấu,…dẫn đến hàm lượng
nitrat, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng tăng lên.
Ảnh hưởng của amoni, nitrat
Đối với môi trường: amoni, nitrat là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, gây
hiện tượng phú dưỡng, làm mất cân bằng sinh thái nguồn nước, mất mỹ quan khu
vực. Các ion nitrat trong nước thải chảy ra sông và biển với nồng độ cao, làm chết
các vi sinh vật hoặc ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Amoni có
thể kết hợp với clo tạo thành cloramin làm cho hiệu quả khử trùng giảm nhiều so với
clo gốc.
Đối với sức khỏe con người: Amoni không tác động trực tiếp đến sức khoẻ con
người, tác hại của nó xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng cao, khoảng trên 200 mg/kg
thể trọng [17]. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển do quá trình

6



oxi hóa của vi sinh vật nên amoni chuyển hóa thành nitrit và nitrat. Nitrat và nitrit là
tác nhân gây ung thư [14].
Nitrat gây chứng thiếu vitamin, gây kích ứng đối với trẻ em. Nitrat xâm nhập
vào cơ thể thông qua thức ăn và nước uống, dưới tác dụng của vi khuẩn đường ruột,
chuyển nitrat thành nitrit, nitrit sẽ tranh oxy với hồng cầu làm Hemoglobin không lấy
được oxy dẫn đến tình trạng thiếu máu xanh da [14].
2HbFe2 + (O2) + NO2- + H2O → 2HbFe3+ + 2OH- + NO3- + O2

(1.5)

1.1.2 Các phương pháp xử lý amoni, nitrat
Có nhiều phương pháp xử lý loại bỏ amoni, nitrat trong nước như: phương pháp
sinh học, hóa học, hóa lý. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau và
tùy thuộc vào mức độ ô nhiễm, đối tượng, quy mô và mục tiêu xử lý mà mỗi phương
pháp sẽ phát huy được thế mạnh của mình.
1.1.2.1 Phương pháp sinh học
Cơ sở lý thuyết: Xử lý amoni, nitrat trong nước thải được thực hiện qua 2 giai
đoạn nối tiếp nhau. Giai đoạn 1 là q trình nitrat hóa, nitơ amoni sẽ được chuyển
thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter. Giai đoạn 2
là quá trình khử nitrat. Khi ở môi trường thiếu ôxy, các vi khuẩn khử nitrat
Denitrificans (dạng kỵ khí tuỳ nghi) tách ơxy từ nitrat và nitrit để oxy hố các chất
hữu cơ. Khí nitơ được tạo ra từ q trình này sẽ được thốt ra khỏi nước [3].
Quá trình nitrat hoá: gồm 2 giai đoạn
Giai đoạn 1: Chuyển hóa NH4+ thành NO2- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn
nitrat hóa. Vi khuẩn chủ yếu tham gia vào quá trình là: Nitrosomonas, Nitrosospire,
Nitrosococcus, Nitrosolobus. Năng lượng sinh ra từ quá trình này được chúng sử dụng
để sinh trưởng và phát triển.
NH4+ + 3/2O2 → NO2- + 2H+ + H2O + Năng lượng


7

(1.6)


Giai đoạn 2: Chuyển hóa NO2- thành NO3- được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn
nitrat hóa.
NO2- + 1/2O2 → NO3- + Năng lượng

(1.7)

Nitrit bị oxy hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobacter, Nitrospina,
Nitrococcus. Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc nhóm vi
khuẩn tự dưỡng hóa năng. Năng lượng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa được vi khuẩn
sử dụng để tổng hợp và xây dựng tế bào. Ngoài ra, chúng cịn tiêu thụ một lượng lớn
oxi. Q trình này thường thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám
trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh.
Q trình khử nitrat hố:
Q trình khử nitrat được thực hiện bởi nhóm vi sinh vật dị dưỡng ở điều kiện
thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ chuyển về dạng khí N2. Q trình khử nitrat gồm
bốn giai đoạn nối tiếp nhau:
NO3- →NO2- → NO → N2O → N2

(1.8)

Quá trình này cần nguồn cơ chất như axit axetic, H2 và S. Khi có mặt đồng thời
NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxi hoá, đồng thời NO3- nhận điện
tử và khử về N2. Có ít nhất 14 loại vi sinh vật tham gia vào quá trình khử nitrat như:
Bacilus, Pseudomnas, Spiritum, Paracocas, Methanomonas, Thiobacilus,… hầu hết

thuộc loại dị dưỡng, dùng nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, một số ít thuộc
loại tự dưỡng [3].
Với phương pháp này, nước được cho qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc. Vi sinh
vật khử nitrat sẽ dính bám trên lớp vật liệu lọc để sinh trưởng và phát triển. Khi trong
nước không có oxy nhưng vẫn có các hợp chất hữu cơ mà vi sinh có thể hấp thụ được
trong mơi trường anoxic, khi đó các vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn
oxy để oxy hóa các hợp chất hữu cơ, còn NO3- bị khử về dạng N2 [3].
1.1.2.2 Phương pháp hóa lý
Phương pháp làm thống xử lý amoni
8


Muốn loại bỏ NH4+ ra khỏi nước phải nâng pH của nước lên 10.5-11 để chuyển
NH4+ về dạng khí NH3. Khí NH3 sẽ bay hơi ra khỏi bề mặt nước, từ đó nồng độ amoni
trong nước được giảm xuống mức thấp nhất. Người ta dùng NaOH để nâng độ kiềm
của nước và sau đó dung axit để đưa pH về bằng 7 [3].
Tháp làm thoáng thường được thiết kế để khử khí amoniac có nồng độ đầu vào
20 - 40 mg/l, sau khi xử lý đầu ra còn lại 1-2 mg/l. Khi pH >11 thì nó phụ thuộc rất
nhiều vào nhiệt độ của nước. Nhiệt độ càng tăng thì tốc độ và số lượng ion NH4+
chuyển hóa thành NH3 càng nhanh.
Điện phân để khử nitrat trong nước
Nguyên tắc: Dùng dòng điện 1 chiều để phân tách và dịch chuyển các electron.
Để thực hiện quá trình này người ta dùng bình điện phân có hai cực.
- Cực catot hay cịn gọi là cực âm (-) tại đây diễn ra quá trình khử (nhận
electron).
- Cực anot hay còn gọi là cực dương (+) tại đây diễn ra q trình oxy hóa (cho
electron).
Khi dòng điện chạy qua hai cực này, các chất điện li trong nước sẽ bắt đầu dịch
chuyển. Các chất mang điện âm sẽ di chuyển về cực anot, còn các chất mang điện
tích dương sẽ di chuyển về cực catot.

Với phương pháp này để khử nitrat thì ion NO3- sẽ dịch chuyển về cực anot,
nhận điện tích và bị khử bởi H+ và tạo thành khí NO2 và H2O bay ra khỏi nước.
1.1.2.3 Trao đổi ion
Trao đổi ion là một q trình mà trong đó các ion trên bề mặt chất rắn trao đổi
với ion cùng điện tích trong dung dịch khi chúng tiếp xúc với nhau.
Để loại bỏ NH4+ ra khỏi nước, người ta cho dung dịch chứa ion NH4+ qua lớp
nhựa trao đổi cation, lớp nhựa trao đổi ion gốc –SO3Na sẽ giữ lại ion NH4+ hòa tan
trong nước trên bề mặt hạt và tách ion Na+ ra khỏi hạt nhựa. Hoàn nguyên hạt nhựa
bằng axit HCl hoặc H2SO4.
9


Để loại bỏ NO3- ra khỏi nước ta cho dung dịch chứa ion NO3- đi qua lớp vật liệu
trao đổi anion, lớp nhựa trao đổi ion gốc Cl- sẽ giữ lại ion NO3- hòa tan trên bề mặt
hạt và tách ion Cl- ra khỏi nhựa. Hoàn nguyên nhựa bằng dung dịch NaOH.
Tổng quan về phương pháp trao đổi ion
1.2.1 Giới thiệu
Trao đổi ion có thể được gọi là một quá trình hấp phụ mà trong đó các ion có
trong dung dịch thay thế những ion của chất trao đổi không hòa tan (còn gọi là mạng
trao đổi ion). Chất trao đổi ion thường sử dụng trong công nghiệp đa số là polymer
không tan, được gọi là nhựa trao đổi ion. Mạng polymer chứa các nhóm có khả năng
kết hợp với các ion dương hoặc kết hợp với ion âm. Chất trao đổi ion có khả năng trao
đổi với cả ion dương và ion âm được gọi là chất trao đổi lưỡng tính [20].
Phương pháp trao đổi ion được dùng nhiều trong xử lý nước thải và nước cấp.
Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để làm mềm
nước, khử khoáng, loại bỏ ion amoni, nitrat, các ion kim loại có trong nước [19].
Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ các
kim loại, các hợp chất của asen, xianua, nitơ, photpho và các chất phóng xạ ra khỏi
nước thải, thu hồi các chất có giá trị. Loại bỏ amoni, nitrat có trong nước thải sinh
hoạt, chăn ni, nuôi trồng thủy sản, chế biến thủy sản [19].

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng từ lâu và rất có hiệu quả trong việc xử
lý nước. Theo con số thống kê ở Pháp, cho đến năm 1990 trong số 21 nhà máy xử lý
nitrat thì có tới 16 nhà máy xử lý bằng phương pháp trao đổi ion và 5 nhà máy sử
dụng phương pháp sinh học [8].
Ưu điểm của phương pháp là xử lý hiệu quả, có tính chọn lọc và độ ổn định cao
có thể tạo ra nước có chất lượng cao, thu hồi các chất có giá trị. Chi phí khơng q
cao, vật liệu trao đổi ion có tái sinh, sử dụng được nhiều lần do đó giảm chi phí vận
hành, ít tiêu tốn diện tích xây dựng.
1.2.2

Cơ sở của phương pháp
Quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và

ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng thế giữa các ion
10


trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) mà không thay đổi trong
cấu trúc rắn [25].
Phương pháp trao đổi ion có 2 dạng là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động
(vận hành và tái sinh liên tục) và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi tĩnh (vận hành và
tái sinh gián đoạn). Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh thường được sử dụng
[19].
Cơ chế trao đổi ion:
 Theo phản ứng thuận nghịch [21]
Q trình trao đổi ion có thể biểu diễn theo phương trình dạng thuận nghịch
R–Na + NH4+ ⇌ R – NH4+ + Na+

(1.9)


Phản ứng thuận ứng với quá trình trao đổi ion và phản ứng nghịch ứng với quá
trình tái sinh chất trao đổi ion. Để trao đổi hoàn tồn thì dung dịch cần trao đổi phải
ngập tồn bộ lớp vật liệu.
Các luật chi phối phản ứng trao đổi ion thuận nghịch: Đối với mỗi phản ứng đều
tồn tại 2 loại ion A và B . Được thể hiện qua đồ thị sự cân bằng nồng độ A và B trong
chất lỏng và trong chất trao đổi ion (Hình 1.1)

Hình 1. 1. Đường cong trao đổi ion [21]
11