Đề tài Hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống

3- với Clo ở lớp khuếch tán của hạt nhựa. Kết quả là NO3- bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nước sau khi đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lượng NO3- đạt yêu cầu dùng cho nước ăn uống Nước vào Bể chứa trung gian Bể lọc áp lực Cột trao đổi anion Nước ra Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO3- cao trong nước ngầm Ưu điểm + Dễ dàng kiểm soát quá trình + Điều kiện vận hành đơn giản + Đạt hiệu quả cao + Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi bằng cách ngâm nhựa trong dung dịch muối ăn bão hoà để giải hấp phụ. Nhược điểm + Chi phí vận hành cao + Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ + Không áp dụng được cho nguồn nước có nhiều cặn lơ lửng 3. Phương pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nước 3.1 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp sinh học 3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Sơ đồ dười đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dưới tác động của sinh vật Hình 2: chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Trong chu trình chuyển hoá này, các cơ thể thực vật, vi khuẩn có khả năng sử dụng(đồng hoá) nhiều dạng nitơ liên kết để sinh trưởng và phát triển. Các vi khuẩn nitrat hoá và phản nitrat hoá trong tự nhiên chuyển hoá các hợp chất nitơ vô cơ thành N2 .Nitơ phân tử(N2) lại được nhiều loại vi khuẩn cố định để chuyển thành NH4+ và như vậy chu trình được khép kín. Chính các cơ thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nước trong thiên nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ. 3.1.2 Quá trình amôn hoá - Đây là quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ, qúa trình này được thực hiện nhờ các vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn , nấm…. Dưới tác dụng của các vi sinh vật, protein sẽ chuyển thành các chuỗi peptit và các amino acid, các amino acid này sẽ biến đổi và tạo thành acid và NH4 theo cơ chế sau: R-CH(NH2)-COOH + 0.5O2 R-CO-COOH + NH4+ (amino acid) (keto acid) R-CH(NH4)-COOH + 2H+ R-CH2-COOH + NH4+ (amino acid) (acid) 3.1.3 Quá trình đồng hoá nitơ liên kết ở thực vật - Thực vật thủy sinh, đặc biệt là tảo đơn bào sử dụng NH4+, CO2 và các chất vô cơ khác để tổng hợp sinh khối. Ngoài ra tảo còn tiếp nhận năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ và giải phóng oxy. Quá trình đồng hoá amoni của tảo tiêu tốn cacbon hidrat dự trữ trong tế bào và amoni được chuyển sang dạng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ - Một số enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá amôn ở tảo như sau: + Enzyme glutamin dehydrogenaza (GDH) Axit - glutaric + NH3 + NAD(P)H + H+ + GDH Axit glutamic + H2O + Enzyme glutamic syntheaza(GS) Axit glutamic +NH3 + ATP + GS Glutamin + ADP + Pi 3.1.4 Quá trình nitrat hoá Là quá trình chuyển hoá amoni thành nitrat dưới tác dụng của enzyme amon monoxygenaza của các vi khuẩn. Quá trình này gồm hai giai đoạn oxy hoá amôn (nitrit hoá)và oxy hoá nitrit (nitrat hoá), do hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí bắt buộc thực hiện. Các vi khuẩn này có dạng hình que, hình cầu, hình elip, hoặc hình xoắn, không sinh bào tử , gram âm và là các vi khuẩn hiếu khí. Các vi khuẩn nitrat hoácó thể phát triển được ở pH từ 5,5 - 9,0, pH tối ưu là 7,5 3.1.4.1 Giai đoạn oxy hoá amôn (Nitrit hoá) - Do các nhóm vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas (N. europaea, N. oligocarbogenes) ; Nitrosospira ; Nitrosococcus ; Nitrosolobus Phương trình phản ứng như sau NH4+ + 1.5O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ +H2O + 275kJ - Nhiệt độ sinh trưởng và phát triển đối với vi khuẩn nitrit hoá là 5 - 400C. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrit hoá là 25 - 300C. Chúng có thể sống được ở độ mặn từ 0 - 4,4 %. - Các vi khuẩn có thể sinh trưởng được ở pH: 6,0 - 9,0. Với độ pH dưới 7,0 quá trình phát triển của chúng bị chậm lại. Nếu pH nhỏ hơn 6,5 hoặc lớn hơn 9,0 thì hoạt tính nitrit hoá sẽ giảm hoặc không xẩy ra. Bởi vậy, chất đệm trong nước có vai trò rất quan trọng. Nếu pH giảm, hoạt tính nitrit hoá và sự phát triển của các vi khuẩn này sẽ bị ức chế (10, 11, 12, 13). * Cơ chế hoá học của quá trình oxy hoá amôni - Cơ chế hoá học của quá trình này đã được nghiên cứu từ lâu. Trong quá trình oxy hoá amôn thành nitrit có nhiều enzim trong và ngoài màng của tế bào tham gia. Cơ chế quá trình này được trình bày ở sơ đồ sau : NH3 NH2OH NO2- NO3- [NOH] 2e- Chuỗi truyền điện tử trong Nitrosomonas 0.5O2 H2O P460 red P460 ox 0.5O2 H2O 0.5O2 H2O 2e- Chuỗi truyền điện tử trong Nitrobacter - Trước tiên, NH3 (chứ không phải là ion NH4+) bị oxy hoá bằng oxy phân tử thành hydroxylamine (NH2OH) nhờ enzim Ammonia monooxygennaza. NH3 + O2 + NADH + H+ → NH2OH + H2O + NAD+ Quá trình này đòi hỏi phải có nguồn điện tử để tạo ra hydroxylamine. Nguồn điện tử này được sinh ra khi oxy hoá NADH thành NAD+ và truyền qua cytochrom P460. Một phần nguồn điện tử trong quá trình oxy hoá amôni thành hydroxylamine đi vào chuỗi chuyền điện tử trong màng tế bào của Nitrosomonas. Trong quá trình vận chuyển điện tử này ATP được tạo ra. Phần điện tử còn lại dùng để oxy hoá hydroxylamine thành nitrit theo phản ứng: NH2OH + O2 → NO2- + H2O + H+ - Quá trình này do enzym hydroxylamine oxydaza xúc tác. Khi oxy hoá NH2OH thành NO2- tạo ra sản phẩm trung gian [NOH] không bền vững, và chuyển thành NO2- ,quá trình này cũng giải phóng điện tử, các điện tử này chuyển đến P460 ox để tạo ra P460 red, và do vậy khép kín chuỗi chuyền điện tử (14, 15) 3.1.4.2 Giai đoạn oxy hoá Nitrit(Nitrat hoá) Đó là quá trình oxy hoá NO2- thành NO3-. Quá trình này được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng. Đa số các nhóm vi khuẩn này đều có cấu tạo tế bào hình que, hình cầu, hình bầu dục…, đây là nhóm vi khuẩn Gram (-). Tất cả các chủng đều có khả năng sử dụng nitrat làm nguồn năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon (theo chu trình Calvin) cho chúng sinh trưởng. Mỗi phân tử CO2 được cố định 100 phân tử NO2- được oxy hoá. Đó là nguồn năng lượng cần thiết để tổng hợp nên tế bào [13, 16]. NO2- +0.5 O2 Nitrobacter NO3- + 75kJ Quá trình nitrat hoá có thể mô tả như sau: NH4+ + 2O2 Amon monoxygenaza NO3- + 2H+ + H2O +Q - Trong quá trình nitrat hoá, cần cung cấp oxy cho hoạt động hô hấp của các vi sinh vật, để oxy hoá hoàn toàn 1 mg NH4+thành NO3-cần tới 4,32 mg O2 . Nếu pH của môi trường nhỏ hơn 7.0 thì tốc độ sinh trưởng và khả năng nitrat hoá của các vi khuẩn này bị giảm. Nhiệt độ sinh trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá này là từ 5 – 40oC. Nhiệt độ tối ưu cho các vi khuẩn này là 28oC – 30oC Quá trình nitrat hoá lại bị ức chế bởi nồng độ NH4+cao do NH4+phân ly thành NH3 , H+ và sau đó bị ức chế khi NO2-, NO3- nồng độ cao,vì H+ có thể kết hợp với NO2- tạo ra HNO2 bị tích luỹ l;ại gây ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá. Vì vậy cần phải loại bỏ H+ ra khỏi môi trường để hạn chế sự tạo thành HNO2và HNO3 . * Cơ chế của quá trình oxy hoá nitrit (nitrat hoá) - Quá trình oxy hoá nitrit thành nitrat do enzym nitritoxydaza và Cytochrom oxydaza xúc tác. NO2- + H2O → NO3- + 2H+ + 2e - Trong quá trình oxy hoá nitrit này oxy được lấy từ nước (chứ không phải là từ oxy phân tử). Điện tử sinh ra trong quá trình này lại đi vào mạch truyền điện tử tới Cytochrom a, Cytochrom c đến Cytochrom oxydaza (aa3) và kết hợp với oxy phân tử tạo thành nước trong nguyên sinh chất. Các thành phần mạch truyền điện tử đó được định vị trên màng nguyên sinh chất. Khi proton (H+) chuyển ngược từ ngoài màng qua màng để vào vùng nguyên sinh chất năng lượng được giải phóng ở dạng ATP. - Ngoài các vi khuẩn tự dưỡng ra, quá trình nitrat hoá còn được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxy hoá NH4+ và các hợp chất hữu cơ thành NO2-, NO3- như : Methylococcus capsulata, Methylomonas methanica, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera patotropha ( 20, 21 ) Sự oxy hoá nitrit thành nitrat và vận chuyển proton qua màng tạo ra năng lượng được trình bày ở sơ đồ sau: Ngoài màng NSC Màng NSC Nguyên sinh chất Nitrit- Oxydaza Mo Cyt.a Cyt.c 2e- Cytochrom- Oxydaza aa3 H+ NO2- + H2O NO3- + H+ 0,5O2 + 2H+ H2O Tổng cộng: NO2- + 0,5O2đ NO3- ADP + Pi đ ATP ATPaza 3.1.5 Quá trình phản nitrat hoá - Quá trình phản nitrat hoá được thực hiện trong điều kiện thiếu khí với sự tham gia của các enzyme nitrit và nitrat – reductara. Sự có mặt của oxy phân tử ức chế hoạt động của các enzyme này và dẫn đến sự kìm hãm quá trình phản nitrat hoá . Quá trình phản nitrat hoá tạo ra những sản phẩm trung gian sau đây NO3- NO2- NO N2O N2 - Quá trình phản nitrat hoá được thực hiện nhờ các loại vi khuẩn kị khí tuỳ tiện như : Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococcus, Thiobacillus denitrificans .Các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý các nguồn nước thải chứa hàm lượng NO3- cao. Độ pH tối ưu để quá trình phản nitrat hoá xẩy ra là 6.0 – 8.0. - Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrat hoá + Nồng độ nitrat:Trong quá trình phản nitrat hoá, nitrat được sử dụng như là chất nhận điện tử, do đó nồng độ của nó ảnh hưởng đến tốc độ quá trình phản nitrat hoá + Nồng độ oxy: Hàm lượng oxy hoà tan phải nhỏ hơn 0.1 mg/l vì O2cạnh tranh mạnh mẽ với NO3- trong vai trò là chất nhận điện tử, đồng thời nó còn kìm hãm hoạt động của emzyme Nitrit reductase và Nitrat reductase. Do đó sự có mặt của oxy tự do sẽ gây ức chế và ức chế hoàn toàn quá trình phản nitrat hoá + Nhiệt độ: Quá trình khử nitrat hoá có thể xẩy ra ở khoảng nhiệt độ từ 5 – 45oC, ở nhiệt độ 5 – 10oC quá trình vẫn xẩy ra nhưngvới tốc độ chậmvà ở 0- 2oC thì quá trình sẽ không xẩy ra + Độ pH: tối ưu là pH = 7.0 3.2 Các phương pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết trong nước Được chia làm hai nhóm: - Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên - Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo 3.2.1 Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên Cơ sỏ lý thuyết cuả các biện pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của hệ tự nhiên. Việc xử lý nước thực hiện ở các dạng như: Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, ao hồ sinh học… Ao hồ sinh học là loại công trình khá phổ biến và cũng là phương pháp đơn giản nhất và được chia làm ba loại. + Ao hồ hiếu khí: là loại ao hồ nông, chiều sâu của ao hồ này khoảng từ 0.5 – 0.9 m, được chiếu sáng tốt và đảm bảo thông khí tốt từ mặt ao xuống đáy ao. Quá trình oxy hoá chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí. + Ao hồ kỵ khí: là loại ao hồ sâu khoảng 3 – 6 m, đảm bảo điều kiện kị khí cho các hoạt động sống của các hệ vi sinh vật trong đó. Loại hồ này thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, vì nó gây mùi thối khó chịu (3) + Hồ kị khí tuỳ tiện: là loại ao hồ có chiều sâu khoảng 1 – 1.7 m. Loại ao, hồ này có sự hoạt động của cả hai quá trình hiếu khí và kị khí . Hiện nay loại ao, hồ này đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các hồ sinh học. - Trong thực tế, để loại bỏ được nitơ liên kết người ta thường sử dụng loại ao hồ hiếu khí và tuỳ tiện. Đặc điểm của các hồ này là tảo và các vi sinh vật khác cùng sinh trưởng và phát triển, ở lớp nước trên của hồ các vi sinh vật hiếu khí sẽ sử dụng oxy hoà tan (một phần do tảo tạo ra) để hô hấp, các chất hữu cơ chứa nitơ sẽ được vi sinh vật oxy hoá thành CO2, H2O, NH4+, NO3-, NO2-. Các chất này sẽ được tảo sử dụng để tăng trưởng đồng thời giải phóng oxy phục vụ cho hoạt động sống của vi khuẩn. Đây là sự cộng sinh có hiệu quả giữa tảo và các vi sinh vật khác. Việc sử dụng Tảo để hấp thụ các thành phần có trong nước thải rất đáng được lưu tâm vì trong tế bào của chúng nitơ chiếm tới 8-10 % 3.2.2 Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo - Nguyên tắc của việc sử dụng các biện pháp này là cũng dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật như và sinh trưởng. Nhờ quá trình phát triển, quá trình trao đổi chất của chúng mà các chất ô nhiễm sẽ bị chuyển hoá thành các dạng vô hại. - Dựa vào trạng thái tồn tại của các vi sinh vật trong hệ thống xử lý mà người ta chia làm hai kỹ thuật: Kỹ thuật lọc sinh học Kỹ thuật bùn hoạt tính 3.2.2.1Kỹ thuật lọc sinh học - Kỹ thuật lọc sinh học nói chung dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật bám trên vật liệu rắn tạo ra màng sinh học. Màng sinh học là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí, kỵ khí tuỳ tiện - Các vi khuẩn này liên kết với nhau trên bề mặt chất mang tạo thành lớp màng vi sinh vật goị là màng sinh học, các chất hữu cơ và vô cơ trong nước sẽ được hấp thụ lên bề mặt màng và được các vi sinh vật sử dụng hoặc chuyển hoá. Chất mang thường sử dụng là các vật liệu như:nhựa tổng hợp ,polymer… - Đối với các hợp chất chứa nitơ : Đây là quá trình xử lý bằng vi sinh vật ưa khí bám trên bề mặt chất mang Nitrosomonas, Nitrobacter… .Trong quá trình khử nitơ liên kết ở lọc sinh học, amoni có trong nước sẽ bị hấp thụ lên lớp ngoài của màng, màng này thường dày khoảng 0,1-0,4 mm. Quá trình chuyển hoá amôni trong nước tách thành hai bước: lớp ngoài màng chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí thực hiện quá trình nitrat hoá theo hai phản ứng sau: NH4+ + O2 → NO2- + H2O + 2H+ Oxy hoá nitrit : NO2- + O2 → NO3- - ở lớp trong của màng, lượng oxy bị giảm do các vi khuẩn hiếu khí lớp ngoài sử dụng nên đây là vùng thiếu khí, tạo điều kiện cho các vi khuẩn kỵ khí phát triểnvà xẩy ra quá trình phản nitrat hoá. - Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng được mô tả hình dưới Màng lọc sinh học Nước Không khí BOD CO2 CO2 O2 H2S H2S SO42- NO2- NO3- N2 NH3 NH3 Chất mang Hình 3: Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng 3.2.2.2 Kỹ thuật bùn hoạt tính - Trong kỹ thuật bùn hoạt tính, nước cần xủ lý được đưa vào một bể hiếu khí (bể aeroten) và được khuấy trộn với bùn hoạt tính. Bùn có dạng bông, mầu nâu xám. Thành phần của bùn hoạt tính bao gồm một số lượng lớn các nhóm sinh vật. Các vi sinh vật có thể là vi khuẩn, xạ khuẩn, và động vật nguyên sinh như :Nitrosomonas, Actinomyces, Athrobacter, Bacillus, Bacterium, Micrococcus, Pseudomonas… . Các vi khuẩn Pseudomonas phân huỷ các loại rượu, acid béo, paraffin, … Bacterium phân huỷ dầu mỏ ,paraffin, naften, phenol, andehit và các acid béo. - Sau khi nước ra khỏi bể aeroten, hỗn hợp nước và bùn được đưa vào bể lắng thứ cấp. ở đó bùn hoạt tính được lắng xuống, một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể aeroten để giữ cho hàm lượng bùn trong bể luôn ổn định Bể lắng sơ cấp Bể aeroten Nước vào Bể lắng thứ cấp Nước ra Bùn hồi lưu Bùn dư Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bùn hoạt tính - Các yếu tố như pH, nhiệt độ có ảnh hưởng khá lớn đến quá trình xử lý.Khoảng pH từ 6.5 – 9 được coi là tối ưu cho hoạt động của bùn hoạt tính. Nếu pH 9 thì tốc độ trao đổi chất sẽ bị chậm lại. - Trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính, ngoài sự loại bỏ các chất hữu cơ dễ bị oxy hoá sinh học còn có quá trình oxy hoá NH4+ thành NO3- theo phương trình sau : NH4+ + 4O2 2NO3- +4H+ + 2H2O + 350kJ Quá trình phản nitrat hoá sẽ xẩy ra khi không tiếp tục cung cấp không khí. Khi đó oxy cần cho hoạt động của vi sinh vật giảm dần và việc giải phóng oxy từ nitrat sẽ xẩy ra. Do vậy, trong kỹ thuật này giai đoạn sau nên tạo điều kiện thiếu khí để loại bỏ hoàn toàn hợp chất nitơ ra khỏi nguồn nước. III. Tình hình nghiên cứu công nghệ khử nitơ liên kết ở Việt Nam ở nước ta hiện nay nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt ở nông thôn cũng như đô thị phần lớn là nước ngầm. - Về nguyên tắc, so với nguồn nước mặt thì thì nước ngầm sạch hơn về mặt vi sinh, về các chất lơ lửng và ít khả năng bị ô nhiễm bởi các chất thải sinh hoạt và công nghiệp hơn. - Tuy nhiên, nước ngầm lại chứa nhiều. chất khoáng hoà tan cần xử lý là sắt, mangan, Asen và các hợp chất chứa nitơ. ở Hà Nội, nước dùng cho sinh hoạt hiện chỉ là nước ngầm. Trong khi đó nitơ liên kết trong nước ngầm ở Hà Nội chủ yếu tồn tại dưới dạng amôni (22) với hàm lượng cao đáng báo động. Trong số 700.000 m3 nước /ngày đêm từ 8 giếng khoan tập trung và 130 giếng khoan lẻ do công ty kinh doanh nước sạch cung cấp thì có đến 150.000 m3 từ các nhà máy nước Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai thườngxuyên chứa NH4+ vượt 5 đến 20 lần tiêu chuẩn cho phép của bộ y tế (2002) (23). Hơn thế nữa ở một số nhà máy nước mới xây dựng như Cáo Đỉnh, Nam Dư cũng bị nhiễm nặng amôni . Ngoài ra nước từ nhiều trạm cấp nước vừa và nhỏ từ các giếng khoan thủ công cũng bị nhiễm amôni đặc biệt là các vùng nam Hà Nội. Vì thế, cho đến nay nhiều cơ sở nghiên cứu công nghệ ở nước ta đang chú trọng tìm biện pháp để giải quyết tình trạng này và đã có nhiều đề tài được tiến hành như : Xử lý amôni trong nước ngầm quy mô pilot tại nhà máy nước Pháp Vân (do kỹ sư Bùi Văn Mật chủ nhiệm đề tài, 12/2002). Nghiên cứu xử lý N-NH4+ trong nước ngầm Hà Nội (đề tài cấp thành phố 01C- 09/11- 2000- 2002). Công ty Tư vấn cấp thoát nước và môi trường Việt Nam. Báo cáo bước đầu xử lý amôni cho nhà máy nước Nam Dư 30.000m3 /ngày, 2002. Các đề tài xử lý nitơ quy mô nhỏ của CFINEA, ĐHQG Hà Nội, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh… Tại Viện Công nghệ sinh học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các nghiên cứu được tiến hành từ năm 2000 – 2004. Kết quả đã được công bố: Chọn lựa được các vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hoá amôni có trong nước ngầm. Nghiên cứu kỹ thuật cố định các chủng vi khuẩn chọn lọc vào chất mang. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc sinh học sử dụng chất mang này để xử lý nước ăn uống nhiễm amôni Hiện nay, tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị xử lý amôni với quy mô gia đình. Trong quá trình sử dụng chúng tôi đã thấy suất hiện một số hạn chế cần khắc phục như: Hiệu suất xử lý chưa cao,chưa tự động hoá,và chưa loại được asen, mangan và thiết bị còn cồng kềnh.. .Vì vậy để góp phần giải quyết một số vấn đề nêu trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu : “Hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nứơc ăn uống” Phần II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu I. Vật liệu 1. Đối tượng nghiên cứu Nguồn nước sinh hoạt bi nhiễm nitơ liên kết và nguồn nước bị nhiễm asen..tại Hà Nội và các vùng phụ cận 2. Dụng cụ và hoá chất 2.1 Dụng cụ Cân điện tử Máy đo oxy hoà tan Thiết bị khử nitơ liên kết NIREF Các dụng cụ khác phục vụ quá trình 2.2 Hoá chất và cách pha chế Các hoá chất có độ tinh khiết cao, một số hoá chất nhập ngoại được sử dụng trong báo cáo này. 2.2.1 Một số thuốc thử thường dùng * Dung dịch Nessler để xác định NH4+ [ 18] Pha 10g KI trong 10ml nước cất. Thêm từng giọt dung dịch bão hoà dung dịch HgCl2 cho đến khi dung dịch có kết tủa bền màu gạch. Bổ sung thêm 30g KOH, khuấy cho tan hết sau đó thêm 10ml dung dịch HgCl2 bão hoà. Cuối cùng thêm nước cho vừa đủ 200ml. Để lắng tránh ánh sáng, sau đó lọc qua giấy lọc và bảo quản trong lọ thuỷ tinh mầu nâu có nút nhám để chỗ tối. * Dung dịch EDTA (Ethylene Diamine Tetraacetic Acid) để xác định NH4+[18] Pha 50g EDTA vào 50ml dung dịch NaOH 20% (nếu cần đun nhẹ để hoà tan). Để nguội, thêm nước cất cho vừa đủ đến 100ml. Bảo quản trong tủ lạnh. * Dung dịch Griss để xác định NO[18] Griss I: Axít sunfanilic: 0,5g Axít acetic 5N: 150m Hoà tan axít sunfanilic vào axít axetic (nếu cần đun nhẹ để hoà tan). Griss II: - Naphtylamin: 0,5 Axít acetic 5N: 150ml Nước cất: 50ml Hoà tan - Naphtylamin vào nước sôi rồi bổ xung axít axetic. Bảo quản trong tủ lạnh. II. Phương pháp nghiên cứu 1 Phương pháp xác định hàm lượng NH4+(18) Hàm lượng NH4+ trong dung dịch được xác định bằng phương pháp Nessler có cải tiến[18]. * Chuẩn bị dịch pha loãng của dung dịch NH4Cl chuẩn: - Dung dịch chuẩn gốc (0,3819% ~1,28 mg/ml NH4+) Hoà tan 3,819g NH4Cl vào nước cất, thêm nước cho vừa đủ 1000ml - Dung dịch chuẩn gốc pha loãng : Pha loãng dung dịch chuẩn gốc ra 100 lần : 1ml dung dịch chuẩn gốc + 99ml nước cất. Hàm lượng NH4Cl trong dung dịch pha loãng này là 0,03819 mg NH4Cl/ml (tương ứng với 0,0128 mg NH4+ /ml. Tiếp tục pha loãng như sau: Tỷ lệ pha loãng dung dịch với nước cất (ml +ml) Hàm lượng NH4+ trong dung dịch pha loãng (mg/l) 1+49 3+47 6+44 12+38 0,2569 0,7708 1,5417 3,0832  - Chuẩn bị mẫu: Trước khi sử dụng phương pháp Nessler, dung dịch mẫu phải được khử tạp chất + Khử tạp chất: Cho vào bình tam giác (dung tích 250 ml ) 100 ml dung dịch mẫu, cho thêm 1ml dung dịch ZnSO4 10% lắc đều. Điều chỉnh độ pH của dung dịch đến 10,5 bằng dung dịch NaOH 6 N để lắng vài phút, sau đó lọc qua giấy lọc + Phản ứng tạo màu của dung dịch nghiên cứu với thuốc thử Nessler: Lấy 50 ml mẫu (nếu mẫu quá đặc cần được pha loãng bằng nước cất không có amôni). Sau đó nhỏ một giọt EDTA, lắc đều dung dịch.Thêm 2 ml thuốc thử Nessler vào dung dịch mẫu, lắc đều. Nếu trong mẫu nghiên cứu có mặt NH4+ , hỗn hợp dung dịch thuốc thử với Nessler sẽ có màu vàng. * Xác định hàm lượng NH4+ bằng phương pháp so màu trên máy quang phổ: Đo độ hấp thụ màu của dung dịch nghiên cứu và dung dịch chuẩn trên máy quang phổ kế ở bước sóng 420 nm. Hàm lượngNH4+ trong dung dịch nghiên cứu được tính theo công thức: [NH4+]( mg/l) = (ODmẫu / ODchuẩn) x Nồng độ chuẩn(mg/l) x Độ pha loãng mẫu. Ví dụ: ODmẫu = 0,313, Độ pha loãng 10 lần ODchuẩn = 0,21. Nồng độ chuẩn: 1,5416 mg/l Nồng độ [ NH4+] trong mẫu = ( 0,313/0,21) x 1,5416 x 10 = 22,98 mg/l 2 Xác định hàm lượng NO2- Dựa vào phản ứng tạo mầu của NO2- với thuốc thử Griss [17, 18] Chuẩn bị dung dịch chuẩn NaNO2: - Dung dịch chuẩn gốc( 0,75% NaNO2 = 0,5 mg/ml NO2-) Hoà tan 0,75 g NaNO2 vào nước cất, thêm nước cho vừa đủ 1000 ml. - Dung dịch chuẩn gốc pha loãng: Pha loãng dung dịch chuẩn gốc ra 100 lần: 1 ml dung dịch chuẩn gốc + 99 ml nước cất. Hàm lượng NaNO2 trong dung dịch chuẩn pha loãng sẽ là 0,0075 mg NaNO2 / ml( = 0,005 mg NO2- / ml) - Tiếp tục pha loãng như sau: Tỷ lệ pha loãng dung dịch chuẩn với nước cất( ml + ml) Hàm lượng NO2- trong dung dịch pha loãng( mg /l) 1 + 49 2 + 48 3 + 47 4 + 46 5 + 45 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 * Chuẩn bị mẫu: Mẫu chuẩn : 5 ml dung dịch chuẩn gốc pha loãng. 0,05 ml Griss I 0,05 ml Griss II Mẫu nghiên cứu: 5 ml dung dịch nghiên cứu( pha loãng nếu cần) 0,05 ml Griss I 0,05 ml Griss II Lắc đều các hỗn hợp trên. Để tĩnh 10 phút. Phản ứng dương tính sẽ có mầu hồng. Mức độ mầu phụ thuộc vào hàm lượng NO2- có trong dung dịch phản ứng. Đo độ hấp thụ của phản ứng mầu của dung dịch nghiên cứu và dịch chuẩn trên máy quang phổ kế ở bước sóng 520 nm. Hàm lượng NO2- trong dung dịch nghiên cứu được tính theo công thức: [ NO2-]( mg /l) = ( ODmẫu / ODchuẩn) x Nồng độ chuẩn( mg/l) x Độ pha loãng mẫu. 3. Xác định hàm lượng N – NO3- Hàm lượng NO3- được xác định bằng phương pháp so mầu trên máy quang phổ kế . - Chuẩn bị dung dịch chuẩn gốc KNO3. Hoà tan 0,7218 g KNO3 vào trong nước cất, thêm nước vừa đủ đến 100 ml + Dung dịch chuẩn gốc pha loãng. Pha loãng dung dịch gốc ra 100 lần: 1 ml dung dịch gốc + 99 ml nước cất. Hàm lượng KNO3 trong dung dịch pha loãng là 0,072 mg KNO3 / ml tương đương với 0,014 mg NO3 / ml. - Chuẩn bị mẫu nghiên cứu: Lấy 10 ml mầu cho vào bình 50 ml(Pha loãng nếu cần). Thêm 1 ml dung dịch Salisilat 0,5 %. Đun ở nhiệt độ 105oC cho đến khi cạn và để nguội đến nhiệt độ phòng. Thêm 1 ml H2SO4 đặc, lắc đều rồi để yên 10 phút, sau đó thêm 8 ml nước cất, để nguội, tiếp đó thêm 7 ml NaOH 30 % và sau cùng thêm NaOH 2,5 % cho đến 25 ml. Trộn kỹ, để 15 phút, sau đó đo OD ở bước sóng 420 nm. - Đối với mẫu gốc ta làm như sau: Lấy 2 ml dung dịch chuẩn gốc pha loãng với 8 ml nước cất. Thêm 1 ml dung dịch salisilat 0,5 %. Đun ở nhiệt độ 105oC cho đến khi cạn và để nguội đến nhiệt độ phòng. Thêm 1 ml H2SO4 đặc, lắc đều rồi để yên 10 phút, sau đó thêm 8 ml nước cất, để nguội, tiếp đó thêm 7 ml NaOH 30 % và cuối cùng là thêm NaOH 2,5 % cho đến 25 ml. Lắc đều và đo OD ở bước sóng 420 nm. Hàm lượng N – NO3 được tính như sau: [N - NO3](mg /l) = ( ODmẫu / ODchuẩn) x Nồng độ chuẩn( mg/l) x Độ pha loãng mẫu. Phần III: Kết quả nghiên cứu I. Tìm hiểu về thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết NIREF 1.Cấu tạo Thiết bị NIREF có hình trụ gồm hai khoang : khoang nitrat hoá (I), khoang khử nitrat (II) (hình 5 ) Vỏ NIREF được cấu tạo bằng thép inox không rỉ hoặc bằng nhựa, bên trong khoang I và II được bố trí hai máy bơm(máy bơm ngâm trong nước) Nước ra I II Nước vào NIREF Hình 5: Sơ đồ thiết bị khử nitơ liên kết (NIREF) 2. Công dụng Dùng để loại bỏ nitơ liên kết trong nước ăn uống :amôni ,nitrit, nitrat những chất có thể bị vi khuẩn chuyển hoá thành NO2- . Chất này gay bệnh đường hô hấp ở trẻ nhỏ và kết hợp với một số axit amin trong thức ăn tạo ra một số sản phẩm có thể gây bệnh ung thư cho cả người lớn. 3. Nguyên lý hoạt động NIREF hoạt động theo nguyên lý sinh học nhờ các vi khuẩn nitrat hoá thuộc chi Ntrosomonasse,Ntrobacter và nhóm vi khuẩn nitrat được cố định trên vật liệu lọc (các hạt lọc) chứa đầy trong hai khoang của máy. Tại khoang nitrat hoá,vi khuẩn được cố định trên vật liệu lọc (bề mặt của hạt lọc) tiến hành quá trình oxy hoá NH4+thành NO2- và NO3-. Tại khoang khử nitrat xẩy ra quá trình chuyển NO3 thành nitơ phân tử N2 không độc hại bay vào không khí Nguyên lý hoạt động của máy lọc nước khử nitơ liên kết: Nước được chẩy vào khoang I ở đây nước được chẩy quay vòng nhiều lần qua vật liệu lọc nhờ một máy bơm ngầm và ở đây xẩy ra quá trình nitrat hoá NH4+