Xử lý dịch đen bằng phản ứng fenton kết hợp với bùn hoạt tính

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ 25 (2009) 13-18 X lý d ch đen b ng ph n ng Fenton k t h p v i bùn ho t tính ðào S ð c 1,*, Tr nh Th Phương2 Khoa Hóa h c, Trư ng ð i h c Khoa h c T nhiên, ðHQG Hà N i, 19 Lê Thánh Tông, Hà N i, Vi t Nam Khoa Công ngh Sinh h c, Vi n ð i h c M Hà N i, T Quang B u, Hà N i, Vi t Nam Nh n ngày 09 tháng năm 2008 Tóm t t Trong cơng trình này, k thu t bùn ho t tính đư c s d ng ñ kh o sát kh x lý d ch ñen sau ñã ñư c x lý b i k thu t oxy hóa tiên ti n (tăng cư ng) v i ph n ng Fentơn Nghiên c u t p trung kh o sát nh hư ng c a nhi t ñ , hàm lư ng ch t h u t i hi u qu x lý H ng s t c đ c a q trình phân h y ch t h u d ch ñen b ng k thu t bùn ho t tính đư c xác đ nh Các k t qu nghiên c u cho th y, k thu t oxy hóa tiên ti n k t h p v i bùn ho t tính phù h p ñ x lý d ch ñen Các ñi u ki n t i ưu v nhi t ñ , hàm lư ng h u cơ, th i gian lưu ñã ñư c ch tương ng 30oC, 1500 mgO2L-1 30 gi u ki n đó, hi u su t x lý COD ñ t x p x 67% v i h ng s t c đ 0.005 L/(g MLSS.h) T khóa: Bùn ho t tính, d ch đen, k thu t oxy hóa tiên ti n (tăng cư ng), ph n ng Fentơn thành ph)n h u d ch ñen r t d( ph n ng v i clo ho#c h p ch t clo (trong nư c th i t!y tr$ng) t o thành h p ch t clo ñ c h i, có kh gây ung thư cao, n tri-, tetracloroguaiacol; di-, tri-, tetra- pentaclorophenol [4-9]; polyclodibenzo-pdioxin polyclodibenzo-p-furan [6,8-10] X lý nư c th i t* ngành công nghi p b t gi y gi y qu c gia nhi t ñ i, ñang phát tri n Vi t Nam v n ñ r t c p thi t Khi s d ng axit sunfuric h pH c a d ch ñen xu ng x p x 3, ph)n l n lignin ñư c tách ra, COD màu gi m rõ r t [1,7], v&n cịn cao, chưa đáp ng đư c tiêu chu!n đ th i mơi trư ng [1] nh ng ñi u ki n sau ti n x lý b ng axit, áp d ng k thu t oxy hóa tăng cư ng có th gi i quy t g)n tr'n v+n v n ñ màu, COD x p x 1000 mg/L, v i t% s BOD/COD x p x 0.5 M ñ u∗ Công nghi p s n xu t b t gi y gi y s d ng m t lư ng nư c c c kỳ l n trình s n xu t, có th lên t i hàng trăm m3/t n s n ph!m; t o m t lư ng nư c th i tương ñương [1,2] D ch ñen ngu"n th i sinh cơng đo n n u r a b t gi y; ñư c ñ#c trưng b i hàm lư ng cao ch t r$n lơ l ng (TSS), h p ch t vô h u (COD cao) Tuy nhiên, t% l BOD/COD d ch ñen r t th p, ch x p x 0.02 - 0.07 [3], l i ch a nhi u lignin d&n xu t nên d ch đen r t t i màu, khó phân h y sinh h'c [1,3], có th ngăn c n trình quang h p, gây nhi(m mơi trư ng m t cách n#ng n , phá h y ñ i s ng c a loài th y sinh [3] ðáng lo ng i hơn, _ ∗ Tác gi liên h , ðT: 84-4-38261855 E-mail: ducds@vnu.edu.vn 13 14 Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 13-18 [11] Q trình oxy hóa tăng cư ng chuy n nh ng h p ch t h u có c u trúc c"ng k nh, ph c t p, khó phân h y sinh h'c thành nh ng h p ch t có c u trúc ñơn gi n hơn, d( phân h y sinh h'c [6-8,10] nên vi c áp d ng k thu t vi sinh ñ x lý ngu"n th i sau q trình oxy hóa hồn tồn h p lý v m#t k thu t [8,12,13] Trong cơng trình khoa h'c này, nh hư ng c a nhi t ñ , hàm lư ng h u th i gian x lý t i hi u su t x lý d ch ñen (ñã qua ti n x lý b ng ph n ng Fenton) b i k thu t sinh h'c s d ng bùn ho t tính ñã ñư c nghiên c u, kh o sát M t s thơng s đ ng h'c đư c tính tốn, vi sinh v t tham gia q trình x lý bư c đ)u đư c phân l p xác ñ nh Nguyên li u phương pháp Nư c th i ñã qua ti n x lí b ng k thu t oxy hóa tăng cư ng v i ph n ng Fenton ñư c trung hòa ch a b (1), giá tr MLSS b x p x 2700 mg/L T i ñây, nư c th i ñư c b- sung dinh dư,ng nitơ photpho cho t% l COD : N : P x p x 100 : : [14] Nư c th i t* b (1) ñư c bơm sang thi t b x lý trung tâm (3) nh bơm (2) Các vi sinh v t thi t b trung tâm (3) ñư c trì u ki n hi u khí nh b ph n khu ch tán (4) bơm s c khí (5) pH nhi t đ đư c theo dõi, ñi u ch nh nh pH meter (7) b ph n gia nhi t (8) Nư c th i sau đư c x lí s đư c ñưa sang thi t b ch a nư c ñã x lí (11) nh ng tràn (9) ho t đ ng theo ngun t$c bình thơng Ch t lư ng c a nư c sau x lí đư c phân tích t i v trí van (10) Khi c)n, sinh kh i có th đư c l y nh van (12) Ho t ñ ng c a tồn b h th ng đư c u n b i b ñi u n trung tâm (13) 2.1 Nguyên li u Nư c th i s d ng nghiên c u có đ#c tính ñư c trình bày b ng d ch ñen (ñư c l y t i Phân xư ng B t, Cơng ty gi y Vi t Trì) sau ñã ñư c x lý b ng s k t h p c a k thu t keo t b ng axit sunfuric, C508 k thu t oxy hóa tăng cư ng s d ng ph n ng Fenton B ng ð#c tính c a nư c th i s d ng nghiên c u STT Thông s pH COD, mg/L BOD, mg/L Giá tr 7-8 1025 625 Dinh dư,ng nitơ ñư c s d ng dư i d ng phân ure dùng nơng nghi p; dinh dư,ng photpho đư c s d ng v i d ng mu i kali dihydro photphat cơng nghi p 2.2 Quy trình th c nghi m Q trình nghiên c u đư c th c hi n thi t b Aerobic reactor W11 c a hãng Armfield, Vương qu c Anh (hình 1) 13 10 ARMFIELD N P 11 12 Hình Sơ đ" thi t b s d ng nghiên c u COD, MLSS, pH ñư c xác ñ nh theo phương pháp tiêu chu!n [15] Các vi sinh v t ñư c phân lo i theo đ#c m hình thái v i phương pháp truy n th ng K t qu th o lu n 3.1 nh hư ng c a nhi t ñ /nh hư ng c a nhi t ñ t i hi u qu x lý d ch ñen b ng k thu t bùn ho t tính đư c ti n hành v i ba giá tr nhi t ñ 25oC, 30oC 35oC Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 13-18 K t qu th c nghi m hình cho th y s tương ñ"ng v di(n bi n hi u su t lo i b0 COD c ba giá tr nhi t ñ kh o sát 15 67% COD ñư c lo i b0 kho ng th i gian 30 gi ñi qua thi t b x lý hi u khí 3.2 Nghiên c u nh hư ng c a hàm lư ng ch t h u Hàm lư ng ch t h u m t nh ng thông s nh hư ng tr c ti p t i hi u qu x lý c a k thu t sinh h'c Nghiên c u ñư c ti n hành m t s giá tr COD ñ)u vào khác nhau: 920, 1235, 1480, 1698 1900 mg/L Hình /nh hư ng c a nhi t ñ t i hi u qu x lý d ch ñen Trong kho ng gi ñ)u tiên, hi u qu x lý tăng lên nhanh, sau tăng ch m d)n đ t ñ n giá tr tương ñ i -n ñ nh th i gian x p x 30 gi Khi nhi t ñ tăng t* 25oC ñ n 30oC, hi u qu x lý có xu hư ng tăng Tuy nhiên, nhi t ñ ti p t c tăng t* 30oC lên 35oC hi u su t l i có xu hư ng gi m K t qu nghiên c u cho th y, nh hư ng c a nhi t ñ t i hi u su t lo i b0 COD nghiên c u b n gi ng v i k t qu nghiên c u nh hư ng c a nhi t ñ t i hi u qu lo i b0 COD trư ng h p k thu t bùn ho t tính đư c áp d ng đ c l p (nư c th i không qua x lý b ng k thu t oxy hóa tăng cư ng) [16] Tuy nhiên, dư i ñi u ki n ti n hành k thu t oxy hóa tăng cư ng, h p ch t có c u trúc tương ñ i ph c t p, c"ng k nh, khó phân h y sinh h'c đư c chuy n hóa thành nh ng h p ch t trung gian có c u trúc ñơn gi n hơn, d( phân h y sinh h'c [4,5] nên hi u qu x lý cao hơn, q trình x lý di(n nhanh trư ng h p này, có kho ng Hình /nh hư ng c a COD ban ñ)u t i hi u qu x lý d ch ñen K t qu th c nghi m hình cho th y, th i m ban ñ)u, giá tr COD ñ)u vào tăng lên t* 920 mg/L t i 1235 mg/L hi u qu x lý có xu hư ng gi m Tuy nhiên, ti p t c tăng giá tr COD ñ)u vào t i 1480 mg/L hi u qu lo i b0 COD l i có xu hư ng tăng ði u cho th y vi sinh v t h th ng x lý thích nghi t t v i ñi u ki n th c nghi m Tuy nhiên, nh ng k t qu th c nghi m ti p theo ñã ch r ng, giá tr COD ban ñ)u phù h p cho vi c x lý b ng bùn ho t tính x p x 1500 mg/L nh ng giá tr COD ban ñ)u cao 1500 mg/L, hi u qu x lý COD th p nhi u 16 Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 13-18 3.3 Kh o sát ñ ng h c, bư c ñ u phân l p, xác ñ nh vi sinh v t Cùng v i m t s ñ i tư ng nư c th i khác, nư c th i t* cơng nghi p d)u khí, nư c th i d t nhu m, nư c th i sinh ho t , s phân h y thành ph)n h u d ch ñen di(n theo m t q trình đ ng h'c b c nh t [17] ñư c bi u di(n b ng phương trình: ln(COD t ) = ln(CODo ) − kXt lư ng X= (1) đó, X giá tr trung bình c a hàm MLSS th i ñi m t, MLSSo + MLSSt ; CODo CODt tương ng giá tr COD ban ñ)u giá tr COD th i ñi m t; k h ng s t c ñ phân h y ch t h u Theo phương trình (1), đ xác ñ nh k c)n theo dõi s thay ñ-i c a COD X theo th i gian t K t qu nghiên c u xác ñ nh h ng s t c ñ phân h y ch t h u b ng vi k thu t bùn ho t tính 30o C th hi n hình cho th y, giá tr c a h ng s k (MLSS) 0.005 L/(g MLSS.h) v i R2 = 0.9783 Như v y, q trình oxy hóa tăng cư ng có nh hư ng tích c c t i trình x lý sinh h'c; h ng s t c ñ phân h y ch t h u ñã qua ph n ng Fenton l n nhi u so v i trư ng h p không qua x lý b ng phương pháp oxy hóa tăng cư ng, 0.0018 L/(g MLSS.h) [16] Dư lư ng c a hóa ch t s d ng trình F-AOPs khơng nh hư ng tiêu c c t i hi u qu x lý; vi sinh v t h th ng hồn tồn khơng b c ch b i hydro peoxit sau q trình oxy hóa tăng cư ng K t qu th sinh lý, sinh hóa c a vi sinh v t đư c ti n hành t i Vi n Vi sinh v t Công ngh Sinh h'c, ð i h'c Qu c gia Hà N i ñã ch ng minh nh n ñ nh (b ng 2, b ng 3) K t qu th sinh lý, sinh hóa bư c ñ)u cho bi t, khu!n l c thư ng bám ch$c b m#t th ch trình phát tri n; có bào t thu c vi khu!n gram dương, t bào hình que ng$n nh0; có kh đ"ng hóa t t v i t t c ngu"n ñư ng ñ#c trưng thư ng dùng cho phân lo i vi sinh v t Ngoài kh phân gi i xenlulo, vi sinh v t có kh hình thành m t s enzim khác amylaza, pectinaza xylanaza; có ph n ng xitrat dương tính ðây m t đ#c m quan tr'ng phân lo i ch ng ñư c nghi ng ch ng thu c chi Bacillus B ng K t qu phân tích sinh lí, sinh hóa c a ch ng vi sinh v t ð#c m Hình thái khu!n l c Hình thái t bào Nhu m Gram Sinh bào t Ch ng vi sinh v t Khu!n l c khô, vơ màu ho#c có màu nâu nh t, ráp, mép có thùy, bám ch#t vào mơi trư ng th ch T bào hình que ng$n nh0, có kích thư c x 1.4 µm, n i l i thành s i dài + Bào t hình ovan, l ch tâm Hình K t qu xác đ nh t c ñ phân h y ch t h u Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 13-18 17 MLSS.h) Bư c ñ)u, vi sinh v t tham gia vào q trình x lý đư c xác ñ nh thu c chi Bacillus, ñây vi sinh v t có kh ng d ng x lý nư c th i ch a nhi u xenlulo, tinh b t, pectin… nư c th i t* ngành Công nghi p Gi y L i c m ơn Các tác gi xin chân thành c m ơn s h1 tr c a TS Nguy(n Th Hoài Hà, Vi n Vi sinh v t Công ngh Sinh h'c, ð i h'c Qu c gia Hà N i q trình th sinh lý, sinh hóa c a ch ng vi sinh v t; xin chân thành c m ơn s h1 tr tài t* ñ tài TN-08-16 Hình /nh vi sinh v t ñư c ch p dư i kính hi n vi B ng ð#c tính c a ch ng vi sinh v t ð#c ñi m Ch ng vi sinh v t Catalaza +1 Ph n ng VP (Voges- Proskauer) + Sinh axit t* D - Glucoza + L - arabinoza + D - xyloza + D - manitol + Có ph n ng xitrat + Kh Cazein ++ th y phân Gelatin ++ Tinh b t ++ Indol DAP-isomer DL-isomer K t lu n K thu t bùn ho t tính phù h p đ x lý d ch ñen ñã ñi qua h th ng ti n x lý axit oxy hóa tăng cư ng nh ng ñi u ki n phù h p: nhi t ñ 30oC, COD ban ñ)u x p x 1500 mg/L, th i gian x lý 30 gi , có kho ng 67% COD ñư c lo i b0 v i t c ñ 0.005 L/(g _ +, ++: Có ph n ng; -: Khơng ph n ng Tài li u tham kh o [1] ðào S ð c, Cao Th Hà, Nghiên c u gi m thi u ô nhi(m h u d ch ñen nhà máy gi y b ng phương pháp keo t k t h p v i vi sinh, T p chí Cơng nghi p gi y 01 (2007) 12 [2] ðào S Sành, Báo cáo t ng quan Cơng nghi p Gi y v n đ mơi trư ng, Vi n Công nghi p Gi y xenlulo, Hà N i, 1996 [3] Angela Claudia Rodrigues, Marcela Boroski, Natalia Sueme Shimada, Juliana Carla Garcia, Jorge Nozaki and Noboru Hioka, Treatment of paper pulp and paper mill wastewater by coagulation-flocculation followed by heterogeneous photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology A Vol 194, Issue (2008) [4] J.J Tana, Sublethal effects of chlorinated phenols and resin acids on rainbow trout (Salmo gairdneri), Water Science Technology Vol 20, (1988) 77 [5] Miguel, Fenton and UV-VIS based advanced oxidation processes in wastewater treatment degradation, ineralization and biodegradability enhancement, PhD Thesis University of Barcelona, Spain, 2003 [6] S Verenich, A Laari, J.Kallas, Wet oxidation of concentrated wastewater of paper mills for water cycle closing, Water manage 20 (2000) 287 18 Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 25 (2009) 13-18 [7] Vimal Chandra Srivastava, Indra Deo Mall, Indra Mani Mishra, Treatment of pulp and paper mill wastewater with poly aluminium chloride and bagasse fly ash, Colloids and surfaces A: Physicochem Eng Aspects 260 (2005) 17 [8] Victor Sarria, Coupled advanced oxidation and biological processes for wastewater treatment PhD Thesis Lausanne, EPFL, 2003 [9] William Murray, Pulp and paper: The reduction of toxic effluents, Science and technology Division, 1994 [10] Virginie Fontanier, Vincent Farines, Joel Albet, Sylvie Baig, Jacques Molinier, Study of catalyzed ozonation for advanced treatment of pulp and paper mill effluents Water research 40 (2006) 303 [11] ðào S ð c, Tr nh Lê Hùng, ðinh Th Thu Phương, Nguy(n Th H"ng, Nghiên c u x lý d ch ñen b ng phương pháp oxy hóa tăng cư ng s d ng ph n ng Fenton, T p chí phân tích Hóa, Lý Sinh h c, t p 13, s (2008) [12] Samia M Helmy, Shadia El Rafie, Montaser Y Ghaly, Bioremediation post-photo-oxidation and coagulation for black liquor effluent treatment Desalination 158 (2003) 331 [13] G Thompson, J Swain, M Kay, Forster, C.F., The treatment of pulp and paper mill effluent: a review, Bioresource Technol 77(3), (2001) 275 [14] Jennifer Peters, The activated sludge treatment of pulp and paper wastewater, Master Thesis McGill University, Canada, 1998 [15] APHA, Standard methods for the examination of water and wastewater 14th edition American Public Health Association Washington, DC., 1995 [16] ðào S ð c, Nguy(n Th Hoài Hà, /nh hư ng c a q trình oxy hóa tăng cư ng t i hi u qu x lý d ch ñen b ng k thu t bùn ho t tính, T p chí Phân tích Hóa, Lý, Sinh h c, 2008 (nh n ñăng) [17] D Tom Reynolds, A Paul Richards, Unit operations and processes in environmental engineering, 2nd editon, PWS Publishing Company, 1996 Treatment of Black liquor using Fenton reaction combined with Activated sludge Dao Sy Duc1, Trinh Thi Phuong2 Faculty of Chemistry, College of Science, VNU, 19 Le Thanh Tong, Hanoi, Vietnam Faculty of Biotechnology, Hanoi Open University, Ta Quang Buu, Hanoi, Vietnam In this study, the biological method using activated sludge was applied in order to remove organic compounds from black liquor (BL) which had been pre-treated by advanced oxidation processes using Fenton reaction (F-AOPs) Batch experiments were carried out to investigate the effects of key operating parameters which were temperature, organic compound levels and residence time on the treatment efficiency The kinetic rate constant, kap, for the BL biodegradation was determined Results indicated that the combined F-AOPs and activated sludge was a suitable technique for treating pulp and paper effluents The optimized experimental conditions were chosen: 30oC of temperature, 1500 mgO2L-1 of the initial concentration of COD, 30 hours of residence time At the optimized conditions, the treatment efficiency (according to COD removal) and the kinetic rate constant for the BL biodegradation were approximately 67% and 0.005 L/(g MLSS.h), respectively Keywords: Activated sludge, black liquor, advanced oxidation processes (AOPs), Fenton reaction, pulp and paper industry  ... (ñã qua ti n x lý b ng ph n ng Fenton) b i k thu t sinh h''c s d ng bùn ho t tính đư c nghiên c u, kh o sát M t s thơng s đ ng h''c đư c tính tốn, vi sinh v t tham gia q trình x lý bư c ñ)u ñư... n K thu t bùn ho t tính phù h p đ x lý d ch ñen ñã ñi qua h th ng ti n x lý axit oxy hóa tăng cư ng nh ng ñi u ki n phù h p: nhi t ñ 30oC, COD ban ñ)u x p x 1500 mg/L, th i gian x lý 30 gi ,... theo ñã ch r ng, giá tr COD ban ñ)u phù h p cho vi c x lý b ng bùn ho t tính x p x 1500 mg/L nh ng giá tr COD ban ñ)u cao 1500 mg/L, hi u qu x lý COD th p nhi u 16 Đ.S Đức, T.T Phương / Tạp chí