Một số loại nước thải như nước thải chăn nuôi, y tế, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hóa chất, v.v…. có chứa hàm lượng amoni rất cao. Vì thế cần ứng dụng phương pháp xử lý có khả năng loại bỏ amoni hiệu quả. Trong nội dung dưới đây, mời các bạn cùng tham khảo cách loại bỏ amoni trong nước thải bằng than sinh học.
1. Cơ chế loại bỏ amoni bằng than sinh học
Than sinh học (biochar) là vật liệu carbon hóa từ phế phẩm sinh khối như vỏ trấu, lõi ngô, mùn cưa, vỏ cà phê…Được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân yếm khí ở nhiệt độ từ 300–700°C. Than sinh học có cấu trúc rỗng xốp, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao. Vì vậy, việc sử dụng than sinh học (biochar) để loại bỏ amoni (NH4⁺) trong nước thải là một giải pháp hiệu quả, thân thiện với môi trường, đang được áp dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt trong xử lý nước thải chăn nuôi.
Amoni tồn tại trong nước thải dưới dạng NH4⁺ – là ion dương.Than sinh học mang điện tích âm và có nhiều nhóm chức bề mặt (–COOH, –OH), giúp hấp phụ NH4⁺ nhờ liên kết ion và trao đổi cation. Cơ chế loại bỏ amoni trong nước thải của than sinh học diễn ra như sau:
Bước 1: Nước thải chứa amoni tiếp xúc với than sinh học
- Trong nước thải chăn nuôi, amoni tồn tại chủ yếu dưới dạng ion NH4⁺.
- Khi nước đi qua lớp than sinh học, các ion NH4⁺ bắt đầu tiếp xúc với bề mặt vật liệu này.
Bước 2: Hấp phụ điện tích bề mặt
- Bề mặt than sinh học mang điện tích âm tự nhiên, trong khi NH4⁺ là ion mang điện dương.
- Do đó, xảy ra hiện tượng hút tĩnh điện: NH4⁺ bị giữ lại trên bề mặt than sinh học thông qua liên kết ion.
Bước 3: Trao đổi ion (cation exchange)
- Trên bề mặt than có sẵn các ion như Na⁺, K⁺, Ca²⁺…
- NH4⁺ trong nước sẽ thay thế các ion này và gắn chặt vào bề mặt than theo cơ chế trao đổi ion. Đây là cơ chế chính giúp loại bỏ NH4⁺ hiệu quả.
Bước 4: Liên kết với nhóm chức bề mặt
- Than sinh học có nhiều nhóm chức hóa học như –COOH (carboxyl), –OH (hydroxyl).
- Các nhóm này tạo liên kết yếu với NH4⁺, hỗ trợ giữ ion này trên bề mặt than một cách ổn định.
Bước 5: Hỗ trợ vi sinh vật chuyển hóa amoni (nếu có)
- Bề mặt rỗng xốp của than sinh học là nơi lý tưởng để vi sinh vật bám và phát triển.
- Một số vi sinh như Nitrosomonas, Nitrobacter có khả năng chuyển NH4⁺ thành NO2⁻ và sau đó thành NO3⁻ (quá trình nitr hóa).
- Nhờ đó, amoni không chỉ bị hấp phụ mà còn được phân hủy sinh học nếu điều kiện đủ (pH, oxy, thời gian lưu).
Bước 6: Tái sinh hoặc thay mới khi than bão hòa
- Khi bề mặt than sinh học không còn khả năng hấp phụ NH4⁺ (bị bão hòa), cần tái sinh bằng nước muối loãng hoặc nhiệt.
- Sau một số chu kỳ, than có thể mất hoạt tính và cần được thay thế.
2. Các phương pháp loại bỏ amoni khác
Ngoài cách sử dụng than sinh học để loại bỏ amoni trong nước thải, hiện nay còn các phương pháp khác như:
- Phương pháp sinh học: Xử lý bằng vi sinh vật, sử dụng hồ sinh học, hồ oxi hóa tự nhiên;
- Phương pháp hóa học: Oxy hóa bằng clo, ozone hoặc permanganat, phương pháp kết tủa bằng magie (tạo Struvite), phương pháp trao đổi ion;
- Phương pháp vật lý, hóa lý: Chưng cất hoặc bay hơi, phương pháp thổi khí NH3;
- Phương pháp hấp phụ: Sử dụng than hoạt tính, sử dụng vật liệu zeolit;
- Phương pháp thực vật (thực vật thủy sinh): Dùng bè rau muống, bè lục bình, cỏ vetiver, cây sậy… trồng trên hồ sinh học để hấp thụ amoni.
- Phương pháp kết hợp: Kết hợp sinh học – hấp phụ – trao đổi ion để tăng hiệu quả xử lý, đặc biệt khi nồng độ amoni cao. Ví dụ: Bể MBBR kết hợp giá thể là than sinh học hoặc zeolit để vừa xử lý sinh học vừa hấp phụ.
3. Tại sao cần loại bỏ amoni trong nước thải?
Việc loại bỏ amoni là bước quan trọng để bảo vệ môi trường, sức khỏe cộng đồng và đảm bảo hệ thống xử lý nước thải hoạt động hiệu quả – bền vững và bởi những lý do như sau:
- Đáp ứng tiêu chuẩn xả thải: Việc loại bỏ amoni (NH₄⁺/NH₃) trong nước thải là bắt buộc để đáp ứng các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải.
- Tránh gây ảnh hưởng đến sức khỏe: Hợp chất nitrit và nitrat với hàm lượng cao rất dễ gây ung thư cho con người và thậm chí gây tử vong.
- Tránh làm ảnh hưởng đến hệ thống xử lý nước thải: Amoni cản trở các quy trình xử lý nước thải như làm giảm tác dụng khử trùng của Clo hoặc thường gây ra hiện tượng nước bị đục, đóng cặn trong hệ thống nên làm giảm chất lượng nước như độ trong, mùi và vị có sự thay đổi rõ rệt.
- Không gây độc cho sinh vật thủy sinh: Chỉ với vài mg/L NH₃, cá và động vật dưới nước có thể bị chết. Đây là nguyên nhân chính gây suy thoái hệ sinh thái nước.
- Tránh là ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt: Nếu nước còn amoni bị thấm vào nguồn nước ngầm → gây ô nhiễm nước giếng, ao hồ. Amoni khi kết hợp với clo trong khử trùng có thể sinh ra chất độc (chloramine).
- Tránh gây ra hiện tượng phú dưỡng: Amoni là nguồn dinh dưỡng cho tảo phát triển mạnh. Khi tảo nở hoa, oxy bị cạn kiệt → nước đen, cá chết, mùi hôi thối.
- Tránh gây ăn mòn công trình: Amoni có thể chuyển hóa thành nitrit, nitrat → sinh ra axit → ăn mòn đường ống, bê tông.
Tóm lại, than sinh học là một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao để hỗ trợ loại bỏ amoni trong nước thải chăn nuôi. Đặc biệt phù hợp với mô hình nông hộ, trang trại nhỏ – vừa hoặc khu xử lý có nhu cầu tận dụng phế phẩm nông nghiệp.
