Các phương pháp xử lý amôni trong nước .
Sơ lược về amôni

            Thuật ngữ Amoni bao gồm có 2 dạng: không ion hoá (NH3) và ion hoá (NH4). Amoni có mặt trong môi trường có nguồn tốc từ các quá trình chuyển hoá, nông nghiệp, công nghiệp và từ sự khử trùng nước bằng cloramin. Lượng Amoni tự nhiên ở trong nước bề mặt và nước ngầm thường thấp hơn 0,2mg/lít. Các nguồn nước hiếm khí có thể có nồng độ Amoni lên đến 3mg/lít.

            Việc chăn nuôi gia súc quy mô lớn có thể làm gia tăng ượng Amoni trong nước mặt. Sự nhiễm bẩn Amoni có thể tăng lên do các đoạn nối ống bằng vữa ximăng. Amoni trong nước là một chỉ danh ô nhiễm do chất thải động vật, nước cống và khả năng nhiễm khuẩn. Khi hàm lượng Amoni trong nước ăn uống cao hơn tiêu chuẩn cho phép chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi chất thải động vật, nước cống và có khả năng xuất hiện các loại vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh.

            Lượng Amoni trong môi trường so với sự tổng hợp bên trong cơ thể là không đáng kể. Tác hại của nó chỉ xuất hiện khi tiếp xúc với liều lượng khoảng trên 200mg/kg thể trọng.

            Tiêu chuẩn về Amoni trong nước được xây dựng không phải vì tác hại của nó đến sức khoẻ nên không có hướng dẫn dựa trên cơ sở sức khoẻ. Tuy vậy, Amoni làm hại cho quá trình khử trùng nước, nó tạo ra nitrit trong hệ thống phân phối, làm hại quá trình tách loại mangan và gây mùi vị lạ.

            Với những lý do trên đây, Amoni được xếp vào nhóm các chỉ tiêu cảm quan (được đánh dấu bằng chữ a trong bảng tiêu chuẩn theo quyết định 1329/2002/BYT-QĐ của Bộ Y tế). Khi Amoni trong nước ăn uống vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì chưa ảnh hưởng lắm tới sức khoẻ nhưng đó là dấu hiệu cho thấy nguồn nước bị ô nhiễm bởi chất thải có nguồn gốc động vật và có thể chứa các vi khuẩn gây bệnh.

amôni là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp thể hiện ở hai khía cạnh.

Thứ nhất, nó làm giảm tác dụng của clo là tác nhân sát trùng chủ yếu áp dụng ở các nhà máy nước (NMN) Việt Nam, do phản ứng với clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém clo hơn 100 lần.

            Thứ hai, amôni cùng với một số vi lượng trong nước (hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) là “thức ăn” để vi khuẩn phát triển, gây hiện tượng “không ổn định sinh học” của chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước. Nước bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan. Đây chính là khía cạnh được giới khoa học các nước phát triển quan tâm nhiều vào những năm 1980-1990 và là cơ sở của phương pháp xử lý - ổn định nước cấp bằng vi khuẩn.

            Một hiện tượng nữa cần được quan tâm là khi nồng độ amôni trong nước cao, rất dễ sinh nitrit (NO2). Trong cơ thể động vật, nitrit và  nitrat có thể biến thành N - nitroso - là tiền chất có tiềm năng gây ung thư. Mặc dù bằng chứng dịch tễ học chưa đầy đủ về tác hại đối với con người, nhưng Tổ chức Y tế thế giới cũng như Tiêu chuẩn 1329/2002 (Bộ Y tế) đã đề ra mức giới hạn 3 và 50mg/l đối với nitrit và  nitrat tương ứng nhằm ngăn ngừa bệnh mất sắc tố máu (methaemoglobinaemia) đối với trẻ sơ sinh dưới 3 tháng tuổi. 

Trong nước ngầm, các hợp chất nito có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat, và amôni. Có rất Hệ thống xử nhiều phương pháp xử lí amôni trong Vật lý: Amôni & nước ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng: Làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 .. 11); clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến trên đường cong hấp thụ clo trong nước, tạo cloramin; Trao đổi ion NH4+ vŕNO3- bằng các vật liệu trao đổi Kation/Anion, như:

            Klynoptilolyle hay Sepiolite; Nitrat hóa bằng phương pháp sinh học; Nitrat hóa kết hợp với Khử nitrat;

Công nghệ Annamox, Sharon/Annamox (nitrit hóa một phần amôni, sau đó amôni cňn lại là chất trao điện tử, nitrit tạo thành là chất nhận điện tử, được chuyển hóa thŕnh khí nitơ nhờ các vi khuẩn kỵ khí;

Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều; vv...

Vấn đề xử lý amôni trong nước cấp, nhất là ở mức nồng độ cao cỡ 10 - 20mg/l và hơn nữa, còn khá mới mẻ không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới.

Trong điều kiện Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng, cần phải nghiên cứu tìm ra một phương pháp phù hợp, đảm bảo một số yêu cầu như: Hiệu quả xử lý cao, làm việc ổn định, chi phí chấp nhận được, phù hợp với các thông số chất lượng nước của ta.

Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, trong số các phương pháp xử lí amôni trong nước cấp thì phương pháp oxy hóa vi sinh - lọc sinh học ngập nước có thổi khí, có hoặc không có quá trình khử nitrat (tùy theo nồng độ amôni ban đầu) tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn cả. Phương pháp này không gây ô nhiễm, không cần giai đoạn xử lý phụ như phương pháp clo hóa, hoặc tốn kém trong công đoạn hiếm nguyên vật liệu như trao đổi Kation.

Cơ chế sinh hóa của quá trình xử lý amôni trong nước ngầm bằng phương pháp sinh học

Đầu tiên, amôni được oxy hóa thŕnh các nitrit nhờ các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosospire,

Nitrosococcus, Nitrosolobus (pha thứ 1). Sau đó các ion nitrit bị oxy hóa thŕnh nitrat nhờ các vi khuẩn

Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus (pha thứ 2). Các vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng. Năng lượng sinh ra từ phản ứng nitrat hóa (Nitơ Amôn là chất nhường điện tử) được vi khuẩn sử dụng trong quá trěnh tổng hợp tế bào. Nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO3- là chính). Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O2.

Quá trình trên thường được thực hiện trong bể phản ứng sinh học với lớp bùn dính bám trên các vật liệu mang - giá thể vi sinh. Vận tốc quá trình oxy hóa nitơ amon phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng nitơ amon, oxy hòa tan, vật liệu lọc... Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết hợp thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa. Sử dụng vật liệu mang phù hợp làm giá thể cố định vi sinh cho phép giữ được sinh khối trên giá thể, tăng tuổi thọ bůn, nâng cao và ổn định hiệu suất xử lý trong cùng một khối tích công trình cũng như tránh được những sốc do thay đổi điều kiện môi trường.

Để loại bỏ nitrat trong nước, sau công đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí N2. Để thực hiện phương pháp này, người ta cho nước qua bể lọc kỵ khí với vật liệu lọc, nơi dính bám và sinh trưởng của vi sinh vật khử nitrat. Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ, H2S, vv... Nếu trong nước không có oxy nhưng có mặt các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được, trong môi trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn ôxy để ôxy hóa chất hữu cơ (chất nhường điện tử), còn NO3- (chất nhận điện tử) bị khử thành khí nitơ. Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển hoá NO3- thành khí N2 và cần có nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Do đó khi khử NO3- sau quá trình nitrat hóa mà thiếu các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thì phải đưa thêm các chất này vào nước.

Hiện nay, người ta thường sử dụng khí tự nhiên (chứa metan), rượu, đường, cồn, dấm, axetat natri, vv... Axetat natri là một trong những hoá chất thích hợp nhất.

Vật liệu mang – giá thể vi sinh là sợi acrylic chuyên dụng, có đặc tính nhẹ, rẻ, dạng sợi xù xì (để tăng độ bám cho mảng vi sinh vật - biofilm), đường kính 1.5 mm, kết nối với nhau thành mạng lưới, màu trắng, do Công ty Biofill, NET Co. Ltd. (Nhật Bản) sản xuất. Mô hình vận hành với hàm lượng nitơ amôni trong nước thí nghiệm ~ 20mg/l (là giá trị N-NH4+ cao trong nước ngầm ở một số nhà máy nước của Hà Nội hiện nay). Các mô hình được chạy với các chế độ khác nhau, mục đích là xác định các thông số phù hợp sao cho đạt hiệu quả xử lý cao nhất nhưng đảm bảo yêu cầu về mặt kinh tế. Các tiêu chí để lựa chọn chế độ vận hành là: Thời gian lưu nước tối thiểu, đồng nghĩa với việc giảm khối tích công trình xử lý;

Loại hóa chất phù hợp: chất nuôi, nguồn cacbon, chất kiềm; Lượng hóa chất bổ sung tối thiểu, để giảm chi phí vận hành trạm xử lý, nghĩa là chi phí sản xuất nước tối thiểu nhưng vẫn đạt hiệu quả xử lý: chất kiềm, nguồn cacbon; Xác định các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý như nhiệt độ, độ kiềm, hàm lượng oxy hòa tan, sự có mặt và ảnh hưởng của các hợp chất gây ức chế quá trình xử lý như sắt, mangan, nitrit, vv... Kết quả cho thấy, sau quá trình Nitrat hóa, hàm lượng amôni trong nước thí nghiệm khoảng 20 mg/l đã giảm xuống chỉ còn xấp xỉ 0 - 0,53mg/l, đạt hiệu suất từ 93,2 - 99,9%, với thời gian lưu nước 1 giờ. Với hàm lượng amôni trong nước <10mg/l, có thể chỉ cần thực hiện một quá trình nitrat hóa là đủ đạt yêu cầu chất lượng nước cấp cho sinh hoạt. Với hàm lượng amôni trong nước lớn hơn, cần thực hiện cả hai quá trình: nitrat hóa và khử nitrat để đạt yêu cầu chất lượng nước với cả chỉ tiêu NO3- (vì NH4+ được chuyển hoá thành NO3-).

Do phản ứng nitrat hóa tiêu thụ ion HCO3-, nếu độ kiềm trong nước nguồn không đảm bảo, cần bổ sung thêm kiềm.

            Với nguồn nước lấy cho thí nghiệm tại Trung tâm CEETIA, liều lượng kiềm tối thiểu cần bổ sung là 50 mg NaHCO3/l. Tuy nhiên, nếu hàm lượng kiềm bổ sung nhiều, pH cao, lại không có lợi cho quá trình xử lý, do NH4+ chuyển thành dạng NH3 tự do là chất kìm hãm quá trình phát triển của vi sinh vật. Lượng bùn dư nhiều ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

Việc sục khí trực tiếp và xả bùn dư có thể khắc phục được hạn chế này.

Hiệu quả Khử nitrat đạt trung bình 95.14%. Thời gian lưu nước tối thiểu để đạt hiệu suất cao và ổn định (> 95%) là HRT = 2giờ.

Sau xử lý NO2- ở đầu ra mô hình khử nitrat vẫn còn có lúc cao hơn tiêu chuẩn cho phép (3 mg/l). Để khắc phục vấn đề tręn, có thể thực hiện các giải pháp: tăng thời gian lưu nước vì điều chỉnh tỷ lệ F/M phù hợp; bổ sung thêm axetat natri để sử dụng hết oxy hòa tan còn trong nước; sục khí bổ sung sau công đoạn khử nitrat. Kiểm soát mùi cũng là một lý do cần thiết phải sục khí bổ sung sau khử nitrat.

Vật liệu mang acrylic tỏ ra rất phù hợp làm giá thể dính bám vi sinh trong xử lý sinh học. So với các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên như các loại đá khoáng xốp, vật liệu này có các chỉ tiêu vượt trội hơn hẳn về độ sạch, diện tích tiếp xúc bề mặt, độ rỗng, độ bền, nhẹ, lại không bị tắc vŕ sức cản dòng chảy nhỏ. Còn so với các vật liệu nhân tạo khác, vật liệu này cũng có nhiều ưu điểm như độ dính bám tốt, nhẹ, vŕ giá thành rẻ.

-           Giá thành xử lý nước ngầm nhiễm amôni khá phức tạp và tốn kém.