Tổng nitơ trong nước thải (total nitrogen) là tổng nitrat nitơ NO3 – N, nitrit nitơ NO2 – N, ammoniac nitơ NH3 – N và các hữu cơ ngoại quan nitơ. Cần phân biệt rõ tổng nitơ (total nitrogen) và tổng nitơ của ammoniac cộng với nitơ hữu cơ nhưng không bao gồm nitơ nitrat hoặc nitơ nitrit (Total kjeldahl nitrogen).
Tổng nitơ đôi khi được quy định như 1 thông số nước thải của các nhà máy xử lý nước thải y tế, đô thị và công nghiệp. Nhưng phổ biến hơn là các giới hạn được đặt trên 1 dạng nitơ riêng lẻ chẳng hạn như ammoniac. Các nhà máy xử lý có giới hạn tổng nitơ thường cần nitrat hóa và khử nitrat để đạt được tiêu chuẩn.
Mục lục
Các dạng tồn tại của nitơ trong nước thải
Vì nitơ trong nước thải có thể tồn tại ở 4 dạng chính (không bao gồm khí nitơ) theo thứ tự trạng thái oxy hóa giảm dần bao gồm. Nitrat, nitrit, ammoniac và nitơ hữu cơ. Mỗi dạng thường được phân tích thành 1 thành phần riêng biệt, tổng nitơ được tính từ tổng của 4 dạng. Tất cả các dạng nitơ này (bao gồm cả khí nitơ) có thể hoán đổi sinh hóa và là thành phẩn của chu trình nitơ.
Nitơ trong nước mới bị ô nhiễm ban đầu có dạng nitơ hữu cơ và ammoniac. Các quá trình sinh hóa tự nhiên từ từ chuyển đổi nitơ hữu cơ sang ammoniac. Đây là dạng nitơ được sử dụng như 1 chất dinh dưỡng của các vi sinh vật trong quá trình xử lý.
1 số nước thải có thể thiếu nitơ và cần bổ sung ammoniac để sản sinh đủ. Trong điều kiện hiếu khí, chuyển đổi nitơ hữu cơ thành ammoniac đạt đến định điểm ở điều kiện thích hợp. Về mặt sinh hóa oxy hóa đầu tiên thành nitrit, sau đó thành nitrat. Khi nitơ nitrit và ammoniac ở nồng độ tối thiểu (mức gần bằng 0) và nitrat ở giá trị tối đa, nước thải đã được nitrat hóa hoàn toàn.
Phân tích nitơ trong nước
Nitơ hữu cơ được định nghĩa chức năng là nitơ liên kết hữu cơ ở trạng thái oxy hóa 3 chiều. Không bao gồm tất cả các hợp chất nitơ hữu cơ. Về mặt phân tích, nitơ hữu cơ và ammoniac có thể được xác định cùng nhau và được gọi là nitơ Kjeldahl. Đây là 1 thuật ngữ phản ánh kỹ thuật sử dụng trong phân tích nitơ nước thải. Nitơ hữu cơ bao gồm các vật liệu tự nhiên như protein và peptide, axit nucleic và urê cùng nhiều vật liệu hữu cơ tổng hợp.
Tổng nitơ oxy hóa là tổng nitơ nitrat và nitrit. Nitrat thường xảy ra trong nước mặt nhưng đạt được ngưỡng cao trong nước ngầm. Khi vượt ngưỡng quá mức, gây ra bệnh methemoglobinemia ở trẻ sơ sinh. Giới hạn đặt ra cho nước uống là 10mg nitrat ở đơn vị Nitơ/L. Nitrat trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý chỉ chứa 1 lượng nhỏ. Nhưng tại các nhà máy xử lý sinh học nitrat hóa, nồng độ nitrat lên tới 30mg ở Nitơ/L. Đây cũng là chất dinh dưỡng thiết yếu cho nhiều sinh vật tự dưỡng quang hợp. Trong 1 số trường hợp, được xác định là chất dinh dưỡng hạn chế sự tăng trưởng.
Tổng nitơ oxy hóa là tổng nitơ nitrat và nitrit. Nitrat thường xảy ra trong nước mặt nhưng đạt được ngưỡng cao trong nước ngầm. Khi vượt ngưỡng quá mức, gây ra bệnh methemoglobinemia ở trẻ sơ sinh. Giới hạn đặt ra cho nước uống là 10mg nitrat ở đơn vị Nitơ/L. Nitrat trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý chỉ chứa 1 lượng nhỏ. Nhưng tại các nhà máy xử lý sinh học nitrat hóa, nồng độ nitrat lên tới 30mg ở Nitơ/L. Đây cũng là chất dinh dưỡng thiết yếu cho nhiều sinh vật tự dưỡng quang hợp. Trong 1 số trường hợp, được xác định là chất dinh dưỡng hạn chế sự tăng trưởng.
Nguy hiểm tiềm ẩn của nitơ trong nước đối với con người
Nitrit là 1 trạng thái oxy hóa trung gian của nitơ. Cả trong quá trình oxy hóa ammoniac thành nitrat và trong quá trình khử nitrat. Quá trình giảm oxy hóa trạng thái nitơ xảy ra trong các nhà máy xử lý nước thải, hệ thống phân phối nước và nước trong tự nhiên. Nitrit có thể xâm nhập vào hệ thống cấp nước thông qua việc sử dụng như 1 chất ức chế ăn mòn trong nước xử lý công nghiệp.
Nitrit là căn nguyên thực sự gây ra căn bệnh methemoglobinemia ở trẻ sơ sinh. Axit nitơ được hình thành từ nitrit trong dung dịch axit. Phản ứng với các amin thứ cấp để tạo thành nitrosamine RR’N – NO. Nhiều chất gây ung thư.
Amoniac có mặt tự nhiên trên bề mặt chất thải. Nồng độ trung bình thấp trong nước ngầm tương đối thấp. Vì nó bị hấp thụ trong các hạt đất sét nên không bị rửa trôi. Được sản xuất chủ yếu bằng cách khử các hợp chất chứa nitơ hữu cơ và thủy phân urê. Tại 1 số nhà máy xử lý nước, ammoniac được thêm vào bể phản ứng với clo tạo thành hợp chất. Nồng độ ammoniac trong nước thay đổi từ dưới 10mg nitơ ammoniac/L ở 1 số bề mặt tự nhiên và nước ngầm đến hơn 30mg/L trong 1 số chất thải.
Xác định nitơ trong nước thải
Tổng nitơ có thể được xác định thông qua quá trình xử lý oxy hóa các dạng nitơ thành nitrat. Tiếp theo là định lượng nitrat. Có thể sử dụng phương pháp xử lý lưu huỳnh/UV (4500 – NB) và quy trình xử lý lưu huỳnh 4500 – NC. Kết quả mang lại sẽ là tổng nitơ, bao gồm nitơ hữu cơ (1 số hợp chất nitơ thơm), ammoniac, nitrit và nitrat. Nitơ phân tử không được xác định và độ thu hồi của 1 số hợp chất chứa nitơ công nghiệp thấp.
Các ion clorua không can thiệp vào quá trình oxy hóa lưu huỳnh nhưng tốc độ khử nitrat thành nitrit (trong quá trình phân tích nitrat tiếp theo bằng cách khử cadmium) đã giảm đáng kể bởi clorua. Các ion amoni và nitrat hấp phụ trên các hạt đất sét hoặc bùn tinh khiết lơ lửng sẽ cho hiệu quả định lượng từ quá trình xử lý lưu huỳnh. Nếu hợp chất lơ lửng vẫn còn sau xử lý, cần loại bỏ trước khi khử.
Nếu chất hữu cơ lơ lửng được hòa tan bằng thuốc thử xử lý lưu huỳnh sẽ thu được sản lượng tương đương với các chất từ các dung dịch thực sự. Nếu không hòa tan, kết quả này được cho là không đúng và phản ánh sự can thiệp tiêu cực. Phương pháp này không hiệu quả trong chất thải có lượng chất hữu cơ cao. Cần pha loãng các mẫu và phân tích lại đến khi kết quả đồng nhất.
Phương pháp phân tích nitơ trong phòng thí nghiệm
Việc đo nitơ hữu cơ khá là khó do phải xử lý mẫu trước khi phân tích. Mục đích nhằm chuyển đổi nitơ hữu cơ thành dạng dễ phân tích hơn. Quá trình Kjeldahl chuyển đổi nitơ hữu cơ thành ammoniac nhưng đòi hỏi phải chưng cất để thu thập đủ chất. Việc này không dễ dàng thực hiện bằng máy phân tích trực tuyến trên thực địa.
Phương pháp xử lý lưu huỳnh oxy hóa tất cả các hợp chất nitơ thành nitrat. Nhưng cần làm nóng mẫu bằng thuốc thử xử lý trong 30 phút ở 110◦C. Sau đó làm lạnh đến nhiệt độ phòng trước khi phân tích.
