Xử lý Amoni trong nước thải

Hằng năm, lượng nước thải ra trên thế giới nhẩm tính có thể lên đến hàng tỷ tỷ m³ nước thải. Nước thải phát sinh chủ yếu từ các hoạt động sinh hoạt, sản xuất, nông nghiệp. Điểm qua một số loại nước thải có nồng độ amoni từ thấp đến cao: Nồng độ amoni trong nước thải sinh hoạt dao động khoảng 40 – 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.

Như chúng ta đã biết, nitơ trong nước thải nếu không được xử lý triệt để trước khi xả ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người như gây hiện tượng phú dưỡng, làm cạn kiệt oxy hòa tan trong nước, gây độc cho hệ sinh vật trong nước; nitrat và nitrit có thể gây ung thư cho con người.

Trong nước thải nitơ tồn tại ở 2 dạng chính là nitơ vô cơ (amoni, nitrat, nitrit) và nitơ hữu cơ (axit amin, protein,…). Hầu hết nước thải mà chúng ta gặp nitơ tồn tại ở dạng vô cơ chiếm phần lớn, trong đó, đặc biệt là amoni, có thể chiếm đến 90 – 97% tổng nitơ. Amoni tồn tại ở 2 dạng là dạng ion (NH4+) và dạng khí hòa tan (NH3), có thể chuyển dịch theo cân bằng thuận nghịch (phụ thuộc pH và nhiệt độ):

NH3 + H+ <=> NH4+

NH3 là chất khí không màu, có mùi khai, tan nhiều trong nước, gây độc chết tôm cá, thủy sinh thực vật trong nước. NH4+ thì ít độc hơn.

Ở pH gần 7 thì chỉ có một lượng rất nhỏ amoniac khí so với amoni. Khi nâng pH lên 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, và càng tăng pH lên 11 cân bằng càng chuyển dịch về phía tạo thành NH3. Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì amoniac sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm chuyển dịch cân bằng về phía phải:

NH3 (dung dịch) <=> NH3 (khí)

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, một chất không tự sinh ra và cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Như vậy, xử lý triệt để nitơ là chuyển hóa được hoàn toàn nitơ (amoni) về dạng không ô nhiễm là N2 (dạng khí). Trong khí quyển Trái Đất, nitơ chiếm khoảng 78%.

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI

1. Quá trình nitrat hóa (môi trường hiếu khí)

Quá trình nitrat hoá từ amoni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi khuẩn, đó là vi khuẩn Nitơsomonas và vi khuẩn Nitơbacteria.

Bước 1. NH4- + 1,5 O2 --> NO2- + 2H+ + H2O

Bước 2. NO-2 + 0,5 O2 --> NO3-

2. Quá trình anamox (môi trường yếm khí)

Quá trình ANAMMOX là quá trình ôxy hoá amoni trong điều kiện yếm khí thành nitơ bởi các vi khuẩn anammox.

Trong quá trình Anammox amoni cùng với nitrit được chuyển đổi dưới điều kiện yếm khí tới N2 cung cấp hơi đốt và một lượng nhỏ nitrat theo phương trình phản ứng sau:

NH3 + 1,32 NO2- + H+ --> 1,02N2 + 0,26 NO3- + 2H2O

Để loại bỏ nitơ amoni từ nước thải sử dụng vi khuẩn anammox một phần nitơ amoni thích hợp được sử dụng để sản sinh ra lượng nitrit NO2- theo phương trình phản ứng sau :

NH4+ + 1,5O2 +2HCO3- --> NO2 - + 2 CO2 + 3H2O

Trong thực tế để thực hiện thành công quá trình anammox thì bắt buộc phải thực hiện trước một bước quá trình aerobic để oxy hoá amoni thành nitrit. Quá trình này còn gọi là quá trình nitrit hoá bộ phận. Tiếp theo NO2- như một chất nhận điện tử sẽ tiếp tục phản ứng với amoni còn lại để tạo thành N2. Quá trình này được gọi là quá trình anammox.

3. Clo hóa đến điểm đột biến

Lượng clo thêm vào nước thải tỷ lệ với amoni tương ứng 8:1 và thường cho dư để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khi amoni phản ứng gần hết, clo dư sẽ phản ứng với các chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều chất cơ clo có mùi đặc trưng khó chịu, trong đó, khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-trihalometan và HAA- axit axetic halogen hoá đều là các chất có khả năng gây ung thư.

4. Trao đổi ion

Các ion amoni được hoán đổi với các cation trong zeolit. Các zeolit phải thường xuyên tái sinh.

5. Stripping điều khiển pH

Nâng pH nước thải lên 11 để chuyển hóa NH4 sang dạng NH3. Sử dụng quạt gió với tỷ lệ không khí : nước = 3000:1 (nghĩa là 3m3 khí cho 1 L nước thải). Tuy nhiên, hiệu quả khó đạt được trên 80%.

6. Stripping điều khiển nhiệt độ

Cung cấp nhiệt vào nước thải là một giải pháp. Hiệu quả xử lý amoni có thể đạt khoảng 98%. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao.

7. Phương pháp điện hóa

Nước thải cho vào bể điện phân. Hiệu suất xử lý đạt 80 – 85%. Hiệu điện thế sử dụng khoảng 7 V, tiêu tốn điện năng ở mức 200 A/h cho 1m3 nước thải.

8. Tách loại amoni bằng quá trình màng thẩm thấu ngược RO

RO là phương pháp lọc tốt nhất trong tất cả các phương pháp lọc màng. Quá trình lọc này chỉ cho nước đi qua màng còn tất cả các chất hoà tan, các chất rắn lơ lửng, amoni hòa tan đều bị giữ lại. Màng lọc dùng trong trường hợp này có kích thước lỗ < 0,0005 µm.

...

Trên đây là một vài phương pháp xử lý amoni trong nước thải. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng.

Ngoài chi phí đầu tư, chi phí vận hành, thì cái quan trọng nhất để 1 quá trình thành công là yếu tố kỹ thuật. Hầu hết các phương pháp đạt hiệu quả không cao, nguyên nhân là do kỹ thuật áp dụng không chuẩn (như lựa chọn thiết bị, vị trí đặt thiết bị, tốc độ khuấy, pH tối ưu, liều lượng hóa chất, cường độ sục khí …).