Đang tải... (xem toàn văn)
i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HỢP TÁC GIỮA TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN VỚI CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƢ PHÁT T[.]
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HỢP TÁC GIỮA TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN VỚI CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƢ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ VÀ TƢ VẤN XÂY DỰNG APTCO VIỆT NAM TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHẤT XÚC TÁC HẤP PHỤ TỪ THAN HOẠT TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG XỬ LÝ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƢỚC THẢI Chủ nhiệm đề tài: TS Văn Hữu Tập Đơn vị chủ trì đề tài: Trƣờng Đại học Khoa học Đơn vị hợp tác: Công ty Cổ phần đầu tƣ phát triển công nghệ tƣ vấn xây dựng ATPCO Việt Nam 2018 TẮT DANHTHÁI MỤCNGUYÊN, CÁC TỪ VIẾT i MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phạm vi đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nhiễm mơi trƣờng nƣớc Việt Nam 1.1.1 Tình hình nhiễm nguồn nƣớc mặt 1.1.2 Tình hình ô nhiễm nƣớc ngầm 1.2 Tình hình nhiễm chất hữu nguồn nƣớc 1.2.1 Nguồn g ô nhiễm chất hữu nƣớc ta 1.2.2 Hiện trạng nguồn nƣớc bị ô nhiễm chất hữu Việt Nam 1.2.3 Ảnh hƣởng ô nhiễm chất hữu nguồn nƣớc sức khỏe ngƣời 1.3 Các phƣơng pháp xử lý chất hữu 1.3.1 Phƣơng pháp sinh học hiếu khí 1.3.2 Phƣơng pháp sinh học kị khí 1.3.3 Phƣơng pháp ọc sinh học 1.4 Một số kết nghiên cứu hấp phụ chất hữu nguồn nƣớc ô nhiễm CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 2.1 Đối tƣợng: 10 2.2 Phƣơng pháp 10 2.2.2 Phƣơng pháp ph n tích chất hữu 10 2.2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm 13 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 19 3.1 Đặc điểm than hoạt tính Trà Bắc 19 3.2 Thí nghiệm hấp phụ tĩnh 21 3.2.1 Ảnh hƣởng tỉ lệ biến tính than hoạt tính đến hiệu hấp phụ đƣờng 21 3.2.2 Ảnh hƣởng pH đến hiệu hấp phụ đƣờng MAC 22 3.3 Hấp phụ động 23 ii 3.3.1 Ảnh hƣởng nồng độ chất hữu đến trình hấp phụ chất hữu than hoạt tính biến tính 23 3.4 Ảnh hƣởng tốc độ bơm đến hiệu xử lý chất hữu than hoạt tính biến tính 25 3.5 Ảnh hƣởng chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến hiệu xử lý chất hữu than hoạt tính biến tính 26 3.6 Mô kết nghiên cứu theo mơ hình động học hấp phụ 26 3.7 Nghiên cứu điều kiện hoàn nguyên vật liệu hấp phụ (MAC) 31 3.8 Tính tốn thông số cho hệ xử ý nƣớc thải thực tế công suất 100 m3/ngày 32 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AC Than hoạt tính thƣơng mại BTNMT Bộ Tài ngu ên Mơi trƣờng BYT Bộ Y tế C0 Nồng độ amoni ban đầu Ct Nồng độ amoni dƣ sau thí nghiệm thời điểm t CHC Chất hữu MAC Than hoạt tính biến tính KT Hệ số tốc độ Thomas KYN Hệ số tốc độ Yoon-Nelson KB Hệ số tốc độ Bohart-Adam Q Tốc độ dòng chảy QCQG Quy chuẩn quốc gia QCVN Quy chuẩn Việt Nam R2 Hệ số tƣơng quan VSV Vi sinh vật Z Chiều cao cột hấp phụ τ Thời gian để hấp phụ 50% chất bị hấp phụ iv MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển mạnh mẽ xã hội đại, chất ƣợng sống ngƣời ngà đƣợc n ng cao Tu nhiên kèm theo nhiễm ngày gia tăng môi trƣờng sống phát sinh từ hoạt động cơng nghiệp dân sinh Ơ nhiễm chất hữu cơ, vô từ nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải chăn nuôi sở công nghiệp dệt nhuộm, chế biến thực phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật… tạo nguồn nhiễm chứa chất hữu khó ph n hủy, amoni Các chất hữu có độc tính cao thƣờng chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân huỷ Một số chất hữu tích uỹ tồn ƣu u dài môi trƣờng thể thuỷ sinh vật thông qua chuỗi thức ăn, g nên ô nhiễm tiềm tàng Các chất hữu có độc tính cao phenol dẫn xuất nó, hoá chất bảo vệ thực vật, loại tanin lignin, loại h drocacbon đa vòng ngƣng tụ… Các chất hữu iên kết với Clo tạo chất g ung thƣ, với oxy tạo chất độc Nitrit - gây tƣợng thiếu ox máu (methemog obin), đặc biệt trẻ em nhiễm chất độc nà thƣờng xanh xao dễ bị đe dọa đến tính mạng, đặc biệt trẻ dƣới tháng tuổi Nitrit kết hợp với axit amin thể tạo thành chất nitrosamine g ung thƣ, hàm ƣợng nitrosamin cao khiến thể khơng kịp đào thải, tích ũ u ngà gan g tƣợng nhiễm độc, ung thƣ gan Để loại bỏ chất hữu có thê sử dụng số phƣơng pháp: sục khí, oxy hóa (vi sinh, hóa học, quang hóa) hấp phụ than hoạt tính Xu hƣớng sử dụng phƣơng pháp hấp phụ để ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng hƣớng nhiều triển vọng Than hoạt tính đƣợc sử dụng để loại bỏ chất hữu nƣớc tính tƣơng đồng tính chất khơng phân cực bề mặt than với chất hữu môi trƣờng có tính phân cực cao nƣớc Than hoạt tính lâu vốn đƣợc biết đến hấp phụ chất hữu ph n tử ƣợng lớn, có màu có mùi Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng lớn dung ƣợng hấp phụ cao Tuy nhiên, sử dụng than hoạt tính đơn xử lý chất nhiễm nƣớc thải hiệu chƣa thực tốt Nguyên nhân khả hấp phụ than hoạt tính bị bão hịa sau thời gian sử dụng đinh Vấn đề đặt cần phải nâng cao khả hấp phụ chất hữu than hoạt tính hồn ngun nhanh chóng than hoạt tính bão hịa để tái sử dụng nhiều lần Nhƣ vậy, việc chế tạo than hoạt tính chứa xúc tác tăng ực làm việc than hoạt tính, biến đổi thành mơi chất có khả năng xử lý chất ô nhiễm hữu nƣớc thải cách hiệu lâu bền Đó mục tiêu hƣớng đến đề tài Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo chất hấp phụ ngậm xúc tác từ than hoạt tính có khả hồn ngu ên thành vật liệu xử lý ô nhiễm chất hữu nƣớc thải Nội dung nghiên cứu - Nôi dung 1: Chế tạo chất hấp phụ ngậm xúc tác từ than hoạt tính Trà Bắc muối kim loại thơng dụng, có giá rẻ - Nội dung 2: Lắp ráp mơ hình cột xử ý nƣớc thải có chứa vật liệu hấp phụ ngậm xúc tác (bao gồm bình chứa, cột lọc chứa vật liệu hấp phụ có đƣờng kính 5,6cm; cao 0,5m; bơm định ƣợng van/ống nƣớc) - Nội dung 3: Tiến hành thí nghiệm hấp phụ chất hữu chất hấp phụ ngậm xúc tác mô hình cột hấp phụ: Đánh giá ảnh hƣởng chế độ vận tốc dòng chảy vào, thời gian hấp phụ dung ƣợng hấp phụ - Nội dung 4: Xác định điều kiện hoàn nguyên tối ƣu: nhiệt độ thời gian hoàn nguyên - Nội dung 5: Khảo sát hình thái học, cấu trúc diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ ngậm xúc tác thông qua phép đo XRD, SEM - Nội dung 6: Tính tốn thơng số cho hệ xử ý nƣớc thải thực tế có quy mơ 100m3/ngày Phạm vi đề tài Các thực nghiệm đƣợc tiến hành quy mơ phịng thí nghiệm CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nhiễm mơi trƣờng nƣớc Việt Nam 1.1.1 Tình hình ô nhiễm nguồn nước mặt Hiện chất ƣợng nƣớc vùng thƣợng ƣu sơng cịn tốt Tuy nhiên vùng hạ ƣu có nhiều vùng bị nhiễm đáng kể Đặc biệt mức độ ô nhiễm sông tăng cao vào mùa khô ƣợng nƣớc đổ giảm Chất ƣợng nƣớc suy giảm mạnh, nhiều tiêu nhƣ: BOD, COD, NH4+ cao tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Ví dụ, nhƣ sơng Thị Vải, sơng ô nhiễm nặng hệ thống sông Đồng Nai, có đoạn sơng chết dài 10km [11] Cụ thể, giới hạn cho phép môi trƣờng nƣớc ≤ 0,6 mg/l tế sông Thị Vải thành phần ≤ 0,005 mg/l, nhƣng thực mức 1,73 0,8 Bên cạnh đó, hàm ƣợng ox nƣớc thấp (1,2 mg/l), dƣới ngƣỡng cho phép để trì sống [11] Theo khảo sát Trung tâm Quan trắc môi trƣờng Quốc gia - Tổng cục Môi trƣờng (Bộ Tài ngu ên Môi trƣờng) năm 2017, cho thấy trạng môi trƣờng nƣớc mặt nhiều nơi bị ô nhiễm nghiêm trọng Miền Bắc tập trung đông d n cƣ (đặc biệt Đồng sông Hồng), ƣợng nƣớc thải đô thị lớn hầu hết thành phố chƣa đƣợc xử lý, xả trực tiếp vào kênh mƣơng chảy thẳng sông Ngồi ƣợng lớn nƣớc thải cơng nghiệp, làng nghề áp ực lớn môi trƣờng nƣớc 1.1.2 Tình hình nhiễm nước ngầm Nƣớc tàng trữ òng đất phận quan trọng nguồn tài ngu ên nƣớc Việt Nam Mặc dù nƣớc ngầm đƣợc khai thác để sử dụng cho sinh hoạt có từ u đời nay, nhiên việc điều tra nghiên cứu nguồn tài nguyên cách tồn diện có hệ thống đƣợc tiến hành gần mƣời năm gần đ Hiện na phong trào đào giếng để khai thác nƣớc ngầm đƣợc thực nhiều nơi vùng nơng thơn phƣơng tiện thủ cơng, cịn khai thác phƣơng tiện đại đƣợc tiến hành nhƣng hạn chế nhằm phục vụ cho sản xuất sinh hoạt trung tâm công nghiệp khu d n cƣ ớn Theo Trung tâm quan trắc dự báo tài ngu ên nƣớc, Bộ Tài Nguyên - Môi trƣờng, mƣời năm gần đ , nƣớc ngầm số nơi Hà Nội giảm đến 6m, thành phố Hồ Chí Minh có nơi giảm đến 10m [4] Việc khai thác nƣớc ngầm mức đƣợc lý giải gia tăng d n số, tốc độ đô thị hoá nhanh sản xuất phát triển Theo thống kê thành phố Hồ Chí Minh năm 2011, có 300.000 giếng khoan.Việc sụt giảm nguồn nƣớc ngầm không gây thiếu nƣớc sinh hoạt, ún đất mà khiến cho nƣớc giếng số nơi nhiễm mặn sử dụng đƣợc Bên cạnh vấn đề giảm trữ ƣợng nƣớc ngầm, Việt Nam phải đối mặt với tình trạng nhiễm nguồn nƣớc ngầm 1.2 Tình hình nhiễm chất hữu nguồn nƣớc ồn n ễm chất hữ nước ta Các chất hữu nhƣ cacboh drat, protein, chất béo, pheno … có nguồn gốc từ nƣớc thải sinh hoạt nƣớc thải công nghiệp, nguyên nhân tạo nên thiếu hụt oxy, làm cân sinh thái nguồn nƣớc Sự phân huỷ chất hữu với ƣợng oxy tiêu thụ lớn làm cho nồng độ oxy hoà tan không ổn định thiếu hụt nhiều, tạo điều kiện kị khí Trong nguồn nƣớc mặt, thời điếm nguy kịch hệ sinh thái hàm ƣợng ox hồ tan nƣớc thấp Có nhiều ngun nhân dẫn đến tình trạng nhiễm chất hữu nƣớc nhƣ: gia tăng d n số, mặt trái q trình cơng nghiệp hố, đại hoá, sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu: nhận thức ngƣời dân vấn đề môi trƣờng chƣa cao… Đáng ý bất cập hoạt động quản lý, bảo vệ môi trƣờng Nhận thức ngƣời dân nhiệm vụ bảo vệ môi trƣờng nƣớc chƣa s u sắc đầ đủ; chƣa thấy rõ ô nhiễm môi trƣờng nƣớc loại ô nhiễm gây nguy hiểm trực tiếp, hàng ngày khó khắc phục đời sống ngƣời nhƣ phát triển bền vững đất nƣớc Cơ chế phân công phối hợp quan, ngành địa phƣơng chƣa đồng bộ, chồng chéo, chƣa qu định trách nhiệm rõ ràng Chƣa có qu định hợp lý việc đóng góp tài để quản lý bảo vệ môi trƣờng nƣớc, gây nên tình trạng thiếu hụt tài chính, thu khơng đủ chi cho bảo vệ môi trƣờng nƣớc 1.2.2 Hiện trạng nguồn nước bị ô nhiễm chất hữ Việt Nam Tại cụm công nghiệp Tham Lƣơng, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nƣớc bị nhiễm bẩn nƣớc thải công nghiệp với tổng ƣợng nƣớc thải khoảng 500.000 m3/ngày từ nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt Ở thành phố Thái Ngu ên, nƣớc thải công nghiệp thải từ sở sản xuất giấy, luyện thép, luyện kim màu, khai thác than, mùa cạn tổng ƣợng nƣớc thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% ƣu ƣợng sông Cầu; nƣớc thải từ sản xuất giấ có hàm ƣợng chất hữu cao, nƣớc thải có màu nâu, mùi khó chịu… Một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, giấy, dệt nhuộm Bắc Ninh cho thấ nƣớc thải chứa chất hữu không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nƣớc môi trƣờng khu vực Ở thành phố Hà Nội, nƣớc thải sinh hoạt khơng có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mƣơng) Mặt khác, nhiều sở sản xuất không xử ý nƣớc thải; ƣợng rác thải lớn thành phố không thu gom hết đƣợc… nguồn quan trọng gây ô nhiễm nƣớc Hiện nay, mức độ ô nhiễm chất hữu kênh, sông, hồ thành phố lớn nặng [7] Hiện Việt Nam có gần 70% dân số sinh sống nông thôn, nơi sở hạ tầng lạc hậu, phần lớn chất thải ngƣời gia súc không đƣợc xử lý nên thấm xuống đất bị rửa trơi, làm cho tình trạng nhiễm nguồn nƣớc mặt hữu vi sinh vật ngày cao Theo báo cáo Bộ Nông nghiệp Phát triển nơng thơn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ 1.500-3.500MNP/100ml vùng ven sông Tiền sông Hậu, tăng ên tới 3800-12.500MNP/100ML kênh tƣới tiêu [12] Trong sản xuất nông nghiệp, lạm dụng loại thuốc bảo vệ thực vật, nguồn nƣớc sông, hồ, kênh, mƣơng bị ô nhiễm, ảnh hƣởng lớn đến môi trƣờng nƣớc sức khoẻ ngƣời Do nuôi trồng thủy hải sản ạt, thiếu quy hoạch, khơng tn theo quy trình kỹ thuật nên g nhiều tác động tiêu cực tới môi trƣờng nƣớc Cùng với việc sử dụng nhiều không cách oại hố chất ni trồng thuỷ sản, thức ăn dƣ thừa lắng xuống đá ao, hồ, òng sông àm cho môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm chất hữu cơ, àm phát triển số loài sinh vật gây bệnh xuất số tảo độc; chí có dấu hiệu xuất thuỷ triều đỏ số vùng ven biển Việt Nam 1.2.3 Ản n ười ưởng ô nhiễm chất hữ tron nguồn nước sức khỏe Các chất hữu kết hợp với Clo tạo chất g ung thƣ, kết hợp với oxy tạo chất độc Nitrit, chất nà vào thể ngƣời gây tƣợng thiếu oxy máu (methemog obin), đặc biệt trẻ em nhiễm chất độc nà thƣờng xanh xao dễ bị đe dọa đến tính mạng, đặc biệt trẻ dƣới tháng tuổi Nitrit kết hợp với axit amin thể tạo thành chất nitrosamine g ung thƣ, hàm ƣợng nitrosamin cao khiến thể không kịp đào thải, tích ũ u ngà gan g tƣợng nhiễm độc, ung thƣ gan Nguồn nƣớc có số Pecmanganat cao nhanh chóng tạo rêu, tảo bể chứa, môi trƣờng thuận lợi cho vi sinh vật độc hại phát triển nƣớc 1.3 Các phƣơng pháp xử lý chất hữu 1.3.1 P ươn p áp sinh học hiếu khí Xử ý nƣớc thải phƣơng pháp sinh học hiếu khí q trình sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu thích hợp có nƣớc thải điều kiện đƣợc cung cấp oxy liên tục Quá trình phân hủy chất hữu vi sinh vật (VSV) hiếu khí mơ tả phản ứng sau: (CHO)nNS + O2 → CO2 + H2O + NH4+ + H2S + Tế bào VSV + ∆H Xử ý nƣớc thải phƣơng pháp sinh học hiếu khí gồm giai đoạn: Giai đoạn 1: Oxy hóa tồn chất hữu có nƣớc thải để đáp ứng nhu cầu ƣợng tế bào Giai đoạn 2: (q trình đồng hóa): Tổng hợp để xây dựng tế bào Giai đoạn 3: ( trình dị hóa): Hơ hấp nội bào Khi khơng đủ chất, q trình chuyển hóa chất tế bào bắt đầu xảy tự oxy hóa chất liệu tế bào Các trình xử ý nƣớc thải phƣơng pháp sinh học hiếu khí xảy điều kiện tự nhiên nhân tạo Tùy theo loại VSV khác mà trình sinh học hiếu khí nhân tạo đƣợc chia thành: - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trƣởng dạng ửng - Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trƣởng dạng dính bám 1.3.2 P ươn p áp sinh học kị khí Phƣơng pháp xử ý nƣớc thải phƣơng pháp sinh học kỵ khí q trình sử dụng vi sinh vật kỵ khí mơi trƣờng khơng có oxy Q trình phân hủy kỵ khí trải qua giai đoạn: Giai đoạn 1: trình thuỷ phân, cắt mạch hợp chất cao phân tử Trong giai chất thải hữu chứa nhiều chất hữu cao ph n tử nhƣ protein, chất béo, xen u ozo, ignin,… chúng bị thuỷ phân, đƣợc cắt mạch tạo thành phân tử đơn giản hơn, dễ phân huỷ Các phản ứng thuỷ phân chuyển hoá protein thành amino axit, carboh drat thành đƣờng đơn, chất béo thành axid béo Giai đoạn 2: axit hoá Trong giai đoạn này, chất hữu đơn giản lại phân giải chuyển hoá thành axit acetic, H2 CO2 Các axit béo dễ ba chủ yếu axit acetic, axit propionic axit lactic Giai đoạn 3: Acetate hoá Giai đoạn 4: Methane hoá Tuỳ theo trạng thái tồn bùn, chia q trình xử lý kỵ khí thành: • Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trƣởng dạng ửng nhƣ q trình tiếp xúc kỵ khí, q trình xử lý bùn kỵ khí với dịng nƣớc từ dƣới lên (UASB) • Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trƣởng dạng dính bám nhƣ q trình lọc kỵ khí 1.3.3 P ươn p áp lọc sinh học Lọc sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy hợp chất hữu thành CO2, H2O muối Khi bắt đầu tiến hành, vi sinh vật có sẵn nguyên liệu mà ... hóa học, quang hóa) hấp phụ than hoạt tính Xu hƣớng sử dụng phƣơng pháp hấp phụ để ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng hƣớng nhiều triển vọng Than hoạt tính đƣợc sử dụng để loại bỏ chất hữu nƣớc tính. .. đổi thành mơi chất có khả năng xử lý chất ô nhiễm hữu nƣớc thải cách hiệu lâu bền Đó mục tiêu hƣớng đến đề tài Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo chất hấp phụ ngậm xúc tác từ than hoạt tính có khả hồn... cao khả hấp phụ chất hữu than hoạt tính hồn ngun nhanh chóng than hoạt tính bão hịa để tái sử dụng nhiều lần Nhƣ vậy, việc chế tạo than hoạt tính chứa xúc tác tăng ực làm việc than hoạt tính, biến