CÁCH XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC – CÔNG NGHỆ NÀO CÓ THỂ LOẠI BỎ NH₄⁺?

Trả lời nhanh: Amoni là ion hòa tan nên lõi lọc cơ học, keo tụ hay lắng không xử lý được. Các hướng xử lý gồm xử lý sinh học có kiểm soát, trao đổi ion (zeolite, nhựa trao đổi), màng RO, clo hóa điểm đột biến (breakpoint chlorination) và vật liệu hấp phụ chọn lọc. Hiệu quả của từng cách phụ thuộc pH, nồng độ đầu vào, ion cạnh tranh và dung lượng vật liệu, nên cần đo amoni trước và sau xử lý.

Ở bài trước, chúng ta đã tìm hiểu amoni trong nước là gì, nó đến từ đâu và tại sao một nguồn nước nhìn hoàn toàn trong vẫn có thể chứa NH₄⁺.

Nhưng phát hiện amoni mới chỉ là bước đầu tiên. Câu hỏi quan trọng tiếp theo là: làm thế nào để loại bỏ amoni khỏi nước?

Câu trả lời không đơn giản là lắp thêm một lõi lọc. NH₄⁺ tồn tại dưới dạng ion hòa tan, vì vậy cơ chế xử lý nó khác đáng kể so với việc giữ cát, bùn hoặc những hạt cặn mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt.

1. Vì sao amoni khó xử lý bằng lọc thông thường?

1.1. NH₄⁺ không phải là một hạt cặn

Một lõi lọc cơ học hoạt động chủ yếu dựa trên kích thước. Những hạt lớn hơn khe lọc bị giữ lại, trong khi nước và các thành phần nhỏ hơn tiếp tục đi qua.

Cát, bùn, gỉ sắt dạng hạt và nhiều chất lơ lửng có thể được xử lý theo nguyên lý này. Nhưng ion NH₄⁺ hòa tan trong nước không phải một hạt cặn.

Do đó, không nên suy luận rằng chỉ cần sử dụng lõi PP 5 µm, 1 µm hay một cấp lọc cơ học nhỏ hơn là có thể xử lý amoni theo cơ chế giữ cặn.

1.2. Keo tụ và lắng cũng không phải giải pháp chính

Các công nghệ xử lý nước truyền thống như keo tụ, tạo bông và lắng rất hữu ích để loại bỏ nhiều loại hạt lơ lửng.

Muốn xử lý NH₄⁺ hòa tan, chúng ta phải sử dụng những cơ chế phù hợp hơn với bản chất hóa học của nó.

2. Có những phương pháp nào để xử lý amoni?

Không tồn tại một phương pháp duy nhất phù hợp với mọi nguồn nước.

Health Canada liệt kê một số hướng xử lý amonia trong nước gồm xử lý sinh học có kiểm soát, breakpoint chlorination, trao đổi ion, công nghệ màng và air stripping trong những điều kiện phù hợp. Việc lựa chọn phụ thuộc vào nguồn nước, nồng độ amonia, điều kiện vận hành và mục tiêu xử lý. (Nguồn: Health Canada)

Điều này rất quan trọng: khi nói “công nghệ xử lý amoni”, chúng ta thực chất đang nói đến nhiều cơ chế hoàn toàn khác nhau.

3. Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học

3.1. Sử dụng chính quá trình nitrat hóa

Ở bài trước, quá trình nitrat hóa được nhắc đến như một vấn đề có thể xảy ra ngoài ý muốn trong hệ thống phân phối. Nhưng khi được thiết kế và kiểm soát trong một công đoạn xử lý, chính quá trình sinh học này lại có thể được sử dụng để giảm amonia.

Một số vi sinh vật có khả năng oxy hóa amonia thành nitrit và sau đó chuyển tiếp thành nitrat.

Điểm khác biệt nằm ở chữ “kiểm soát”: thay vì để quá trình nitrat hóa xảy ra không mong muốn trong đường ống, nó được chủ động thực hiện trong một hệ thống xử lý được thiết kế cho mục tiêu đó.

Health Canada ghi nhận các hệ thống xử lý sinh học quy mô đầy đủ đã được sử dụng để oxy hóa amonia trong nước nguồn. (Nguồn: Health Canada)

3.2. Đây không phải một lõi lọc gia đình thông thường

Xử lý sinh học đòi hỏi kiểm soát điều kiện cho quần thể vi sinh vật hoạt động ổn định, đồng thời phải theo dõi các sản phẩm sau quá trình nitrat hóa.

Do đó, không nên hiểu đơn giản rằng chỉ cần cho một loại “vi sinh xử lý amoni” vào nước là vấn đề được giải quyết. Đây là một quá trình xử lý nước cần được thiết kế và vận hành phù hợp.

4. Xử lý amoni bằng zeolite và trao đổi ion

4.1. Vì sao trao đổi ion có thể giữ NH₄⁺?

NH₄⁺ là một cation, tức ion mang điện tích dương. Một số vật liệu có khả năng trao đổi cation có thể giữ NH₄⁺ và đồng thời giải phóng một ion khác khỏi cấu trúc vật liệu.

Zeolite tự nhiên như clinoptilolite là một trong những vật liệu đã được nghiên cứu nhiều cho mục đích này. Ngoài zeolite, các loại nhựa trao đổi ion tổng hợp cũng có thể được sử dụng.

Health Canada xác nhận trao đổi cation có khả năng loại bỏ amonia/amoni khỏi nước và liệt kê nhiều loại zeolite tự nhiên cũng như nhựa tổng hợp đã được nghiên cứu. (Nguồn: Health Canada)

4.2. Tại sao hiệu suất trao đổi ion không cố định?

Đây là phần đặc biệt quan trọng khi đánh giá các tuyên bố quảng cáo về lõi lọc amoni.

Hiệu quả giữ NH₄⁺ của vật liệu có thể bị ảnh hưởng bởi pH, kích thước vật liệu, nồng độ NH₄⁺ đầu vào và sự hiện diện của các cation cạnh tranh như Ca²⁺, Mg²⁺ và K⁺. (Nguồn: Health Canada)

Ngoài ra, vật liệu trao đổi ion không có dung lượng vô hạn. Khi các vị trí trao đổi dần bị chiếm, NH₄⁺ có thể bắt đầu “breakthrough” qua lớp vật liệu. Health Canada vì vậy lưu ý quá trình trao đổi ion không tạo ra một tỷ lệ loại bỏ chất ô nhiễm cố định theo thời gian. (Nguồn: Health Canada)

Nói đơn giản hơn, một vật liệu có thể xử lý tốt khi mới sử dụng nhưng hiệu quả sẽ thay đổi khi vật liệu dần đạt đến dung lượng của nó.

5. Xử lý amoni bằng màng RO

5.1. RO có thể giảm amoni hay không?

Có thể. Nhưng câu trả lời cần đi kèm điều kiện.

Health Canada liệt kê membrane filtration – lọc màng, trong đó có reverse osmosis (RO), là một trong những công nghệ có thể được sử dụng để giảm amonia trong nước. Tài liệu cũng ghi nhận RO và ở mức thấp hơn là nanofiltration có thể có hiệu quả đối với mục tiêu này. (Nguồn: Health Canada)

Một ví dụ được Health Canada tổng hợp cho thấy hệ màng RO polyamide thin-film composite trong một hệ thống cụ thể đã giảm amonia từ khoảng 2,0 mg NH₄⁺-N/L xuống 0,08 mg NH₄⁺-N/L, tức mức giảm trên 96% trong điều kiện vận hành được nghiên cứu. (Nguồn: Health Canada)

Nhưng con số này không có nghĩa mọi máy RO đều mặc định loại bỏ 96% amoni. Nó là kết quả của một hệ thống cụ thể dưới những điều kiện cụ thể.

5.2. Vì sao không nên nói “RO chỉ loại bỏ 50% amoni”?

Khả năng xử lý amonia/amoni của màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có loại màng, pH, nhiệt độ, áp suất, nồng độ đầu vào, thành phần nước và điều kiện vận hành.

Đặc biệt, NH₃ và NH₄⁺ có tính chất khác nhau: NH₄⁺ là ion mang điện trong khi NH₃ là phân tử trung hòa. Tỷ lệ giữa hai dạng lại thay đổi theo pH.

Do đó, một câu như “RO chỉ loại bỏ được 50% amoni” không thể được sử dụng như một quy luật chung.

Nếu muốn công bố hiệu suất xử lý amoni của một hệ thống RO cụ thể, cần xác định rõ nguồn nước đầu vào, nồng độ NH₄⁺, pH, loại màng, điều kiện vận hành và kết quả nước đầu ra.

6. Breakpoint chlorination xử lý amonia như thế nào?

6.1. Chlorine không chỉ dùng để khử trùng

Khi chlorine được đưa vào nước chứa amonia, hai chất phản ứng với nhau và hình thành các chloramine. Khi tiếp tục tăng lượng chlorine trong điều kiện được kiểm soát, hệ thống có thể đạt đến breakpoint, tại đó amonia được oxy hóa và chlorine tự do bắt đầu xuất hiện trở lại.

Health Canada xác định breakpoint chlorination là một trong những phương pháp có thể sử dụng để loại bỏ lượng amonia dư trong nguồn nước và kiểm soát các đợt nitrification trong mạng lưới. (Nguồn: Health Canada)

6.2. Tại sao không nên tự áp dụng phương pháp này tại gia đình?

Breakpoint chlorination không đơn giản là “nước có amoni thì cho thêm clo”.

Quá trình phụ thuộc vào nồng độ amonia, pH, nhiệt độ, nhu cầu chlorine của nước và nhiều thành phần khác. Health Canada lưu ý phải thường xuyên theo dõi amonia, chlorine tổng, chlorine kết hợp và chlorine tự do để bảo đảm đạt đúng breakpoint. Liều chlorine cao cũng có thể gây thêm vấn đề, chẳng hạn làm tăng sự hình thành một số sản phẩm phụ khử trùng khi trong nước có vật chất hữu cơ. (Nguồn: Health Canada)

Vì vậy, đây là một quá trình kỹ thuật cần kiểm soát, phù hợp hơn với hệ thống xử lý được thiết kế và vận hành chuyên nghiệp.

7. Vật liệu hấp phụ có thể xử lý amoni không?

7.1. Từ trao đổi ion đến vật liệu hấp phụ chọn lọc

Ngoài các phương pháp trên, vật liệu có khả năng tương tác với NH₄⁺ cũng là một hướng được nghiên cứu trong xử lý nước.

Tuy nhiên, khi nói một vật liệu “hấp phụ amoni”, điều quan trọng không chỉ là vật liệu có khả năng tương tác với NH₄⁺ hay không. Cần xác định dung lượng giữ amoni, tính chọn lọc, ảnh hưởng của các ion cạnh tranh, thời gian tiếp xúc, khả năng tái sinh và thời điểm vật liệu bắt đầu mất hiệu quả.

Đây chính là điểm mà nghiên cứu vật liệu xử lý nước ngày càng tập trung: không chỉ tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn mà còn điều chỉnh cấu trúc và các vị trí tương tác để hướng đến những chất mục tiêu.

7.2. MOFs và xử lý amoni

MOFs -Organic– là một họ vật liệu khung kim loại – hữu cơ có cấu trúc xốp và có khả năng điều chỉnh thành phần, kích thước lỗ cũng như hóa học bề mặt. Vì những đặc tính này, MOFs đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực hấp phụ và xử lý nhiều loại chất ô nhiễm trong nước.

NH₄⁺ có thể đi vào hệ lỗ xốp của vật liệu và tương tác với các vị trí có ái lực trên bề mặt hoặc bên trong cấu trúc. Vì vậy, khả năng xử lý không chỉ phụ thuộc vào “kích thước khe lọc” mà còn phụ thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận, hóa học bề mặt, mật độ vị trí hoạt động, khả năng khuếch tán và tính chọn lọc của vật liệu đối với ion mục tiêu.

Kết luận: Muốn loại bỏ amoni phải hiểu đúng bản chất của amoni

Amoni cho chúng ta thấy rất rõ tại sao xử lý nước không đơn giản là “lọc càng nhiều lõi càng sạch”.

NH₄⁺ là một ion hòa tan nên không thể được xử lý giống như cát, bùn hay cặn. Các công nghệ như xử lý sinh học có kiểm soát, trao đổi ion, màng RO, breakpoint chlorination và những vật liệu có khả năng tương tác chọn lọc với amoni có thể được sử dụng trong những điều kiện phù hợp. (Nguồn: Health Canada)

Trong hệ thống ETUGI, MOF Organ được định hướng như một lớp xử lý chuyên biệt nhằm tăng cường kiểm soát amoni sau công đoạn RO. Tuy nhiên, khả năng xử lý của vật liệu cần được đánh giá bằng nồng độ NH₄⁺ đầu vào – đầu ra, lưu lượng, lượng vật liệu và thời gian vận hành cụ thể.