Trong các nguồn ô nhiễm môi trường nước hiện nay, hợp chất chứa nitơ trong nước thải được xem là một trong những tác nhân nguy hiểm và khó kiểm soát. Hàm lượng nitơ cao không chỉ làm thay đổi cân bằng sinh thái của hệ sinh thái thủy sinh mà còn gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người thông qua chuỗi thực phẩm và nguồn nước sinh hoạt. Việc áp dụng các biện pháp xử lý tổng nitơ trong nước thải có ý nghĩa quan trọng nhằm bảo vệ môi trường, đảm bảo an toàn.
Tổng nitơ trong nước thải là chỉ số thể hiện toàn bộ hàm lượng các hợp chất chứa nitơ tồn tại trong mẫu nước, bao gồm nitơ hữu cơ, amoni, nitrit và nitrat. Đây là một trong những thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm và khả năng tác động đến môi trường tự nhiên cũng như sức khỏe con người. Giá trị tổng nitơ thường được dùng làm căn cứ trong việc kiểm soát xả thải và thiết kế hệ thống xử lý nước thải.
Trong môi trường nước thải, nitơ có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào nguồn phát sinh và điều kiện hóa – sinh. Quá trình phân hủy chất hữu cơ, hoạt động vi sinh và phản ứng hóa học trong nước thải sẽ làm nitơ biến đổi từ dạng này sang dạng khác. Vì vậy, khi phân tích và xử lý nước thải, việc xác định tổng nitơ giúp đưa ra giải pháp toàn diện thay vì chỉ tập trung vào một dạng nitơ đơn lẻ.
Khái niệm cơ bản về tổng Nitơ trong nước thải là gì
Nitơ hữu cơ là dạng nitơ có trong protein, axit amin, urê và các hợp chất hữu cơ khác từ chất thải sinh hoạt và công nghiệp thực phẩm. Khi xâm nhập vào nước, nitơ hữu cơ thường phân hủy chậm dưới tác động của vi sinh vật. Quá trình này có thể chuyển hóa nitơ hữu cơ thành amoni, làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng trong nước thải.
Amoni thường có mặt trong nước thải sinh hoạt, đặc biệt từ nước tiểu, phân và các sản phẩm phân hủy nitơ hữu cơ. Ở pH thấp, amoni tồn tại chủ yếu dưới dạng ion NH₄⁺, trong khi ở pH cao nó chuyển sang dạng khí NH₃ gây độc cho sinh vật thủy sinh. Hàm lượng amoni cao không chỉ gây ô nhiễm mà còn là chỉ báo về sự phân hủy mạnh của chất hữu cơ.
Nitrit là sản phẩm trung gian trong quá trình oxy hóa amoni thành nitrat (nitrification) hoặc khử nitrat về amoni (denitrification). Trong điều kiện yếm khí hoặc thiếu oxy, nitrit có xu hướng tích tụ, gây độc cho sinh vật và làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu người (gây hội chứng methemoglobinemia). Vì nitrit kém bền nên thường chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ, nhưng sự xuất hiện của nó cho thấy hệ thống xử lý chưa hoàn chỉnh.
Nitrat là sản phẩm cuối cùng trong quá trình oxy hóa nitơ trong nước thải, tồn tại ổn định hơn so với nitrit. Mặc dù ít độc hơn nitrit và amoni, nitrat lại là chất dinh dưỡng dễ gây hiện tượng phú dưỡng, làm bùng phát tảo độc và giảm chất lượng nguồn nước. Ngoài ra, khi đi vào cơ thể, nitrat có thể chuyển hóa thành nitrit và tạo hợp chất nitrosamine, một tác nhân tiềm tàng gây ung thư.
Nước thải sinh hoạt là một trong những nguồn chính chứa nitơ, xuất phát từ các hoạt động hằng ngày như tắm giặt, nấu ăn, rửa và đặc biệt là chất thải từ con người. Thành phần nitơ chủ yếu ở đây là urê trong nước tiểu, protein trong phân, cũng như các chất tẩy rửa có chứa hợp chất nitơ. Khi thải ra môi trường, các hợp chất này nhanh chóng phân hủy thành amoni và các dạng nitơ khác, góp phần làm tăng tải lượng ô nhiễm cho hệ thống thoát nước đô thị.
Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, lượng nitơ lớn phát sinh từ protein, axit amin, máu và phụ phẩm hữu cơ. Ngành dệt nhuộm và sản xuất hóa chất sử dụng nhiều hợp chất chứa nitơ trong phẩm nhuộm, dung môi và phụ gia, dẫn đến sự có mặt của nitrat và nitrit trong nước thải. Đặc biệt, nước thải từ các trang trại chăn nuôi chứa hàm lượng cao urê, amoni và nitơ hữu cơ do phân gia súc gia cầm, gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không được xử lý.
Nông nghiệp sử dụng lượng lớn phân bón vô cơ chứa nitơ như urê, amoni sunfat, nitrat kali và nitrat amoni. Khi mưa hoặc tưới tiêu, nitơ từ phân bón bị rửa trôi vào sông hồ, kênh rạch dưới dạng nitrat và amoni. Ngoài ra, thuốc trừ sâu và hóa chất bảo vệ thực vật cũng chứa hợp chất nitơ, góp phần gia tăng ô nhiễm nitơ trong nguồn nước, đặc biệt ở các vùng thâm canh nông nghiệp.
Các phương pháp hóa lý được áp dụng khi cần xử lý nitơ nhanh chóng, đặc biệt là amoni trong nước thải. Kỹ thuật stripping thổi khí ở pH cao giúp loại bỏ NH₃ ra khỏi nước. Trao đổi ion sử dụng nhựa trao đổi để hấp thụ ion amoni, sau đó hoàn nguyên bằng dung dịch muối. Ngoài ra, phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính hoặc zeolit cũng hiệu quả trong việc giữ lại các hợp chất chứa nitơ, tuy nhiên chi phí thường cao và cần tái sinh vật liệu.
Phương pháp hóa học thường được dùng khi hàm lượng nitơ cao vượt mức cho phép và cần xử lý triệt để. Oxy hóa amoni có thể thực hiện bằng clo, ozon hoặc các chất oxy hóa mạnh để biến đổi NH₄⁺ thành nitrat hoặc khí N₂. Quá trình kết tủa bằng MAP sử dụng magie và photphat để tạo tinh thể MgNH₄PO₄·6H₂O (struvite), vừa giảm nồng độ amoni vừa thu hồi phân bón. Ngoài ra, điện hóa cũng là một giải pháp mới, sử dụng dòng điện để oxy hóa hoặc khử các hợp chất nitơ trong nước thải.
Công nghệ sinh học được coi là giải pháp bền vững và tiết kiệm chi phí để xử lý nitơ trong nước thải. Quá trình nitrat hóa (nitrification) chuyển amoni thành nitrit và nitrat nhờ vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter. Sau đó, quá trình khử nitrat (denitrification) diễn ra trong điều kiện thiếu oxy, biến nitrat thành khí N₂ thoát ra ngoài không khí. Đặc biệt, công nghệ Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) cho phép xử lý trực tiếp amoni và nitrit thành khí N₂ mà không cần bổ sung nhiều nguồn carbon, giúp giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả xử lý.
Các phương pháp xử lý tổng nitơ trong nước thải hiểu quả nhất
Tổng nitơ trong nước thải bao gồm nhiều dạng tồn tại khác nhau và xuất phát từ nhiều nguồn, từ sinh hoạt cho đến công nghiệp. Hàm lượng nitơ quá cao có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường và sức khỏe, do đó cần có các giải pháp xử lý hiệu quả. Việc áp dụng các phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học không chỉ giúp giảm tải ô nhiễm nitơ mà còn hướng đến mục tiêu quản lý tổng hợp, bền vững và thân thiện với môi trường.
