Tích hợp chiếu xạ tia cực tím và điện hóa để khử trùng nước uống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tích hợp chiếu xạ tia cực tím điện hóa để khử trùng nước uống NGƠ DUY TỒN ndtoan0394@gmail.com Ngành Q trình – Thiết bị Cơng nghệ Hóa học Thực phẩm Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tân Chữ ký GVHD Bộ mơn: Q trình-Thiết bị Cơng nghệ Hóa học & Thực phẩm Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 11/2022 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Nước ngầm Việt Nam Hình Một hệ thống xử lý nước sông thành nước sinh hoạt 10 Hình Ơ nhiễm nước sơng Thị Vải 11 Hình Minh họa chế khử trùng nước clo 13 Hình Khử trùng nước ozone 14 Hình Hệ thống màng vi lọc/siêu lọc 15 Hình Đèn UV khử trùng nước 16 Hình Quang phổ điện từ 20 Hình Cơ chế tháo xoắn ADN 21 Hình 10 Sự biến đổi gen chịu tác động UV-C 21 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý trình điện phân 24 Hình 12 Thiết bị khử trùng điện hóa AQUADES-EL (AquaRotter GmbH GERUS mbH, Đức) 26 Hình 13 Thiết bị khử trùng điện hóa Hypocell ® B4 (GERUS mbH, Đức) 27 Hình Hệ thống thí nghiệm thực tế 36 Hình 2 Vỏ thiết bị - Ống thạch anh – Đèn UVC 37 Hình Bề mặt A (điện cực đương) bề mặt B buồng điện hóa 37 Hình Buồng điện hóa hồn thiện 38 Hình Môi trường PCA môi trường Endo 40 Hình Chuẩn bị đĩa petri cấy vi sinh vật 41 Hình Thao tác pha loãng mẫu chuẩn bị đổ đĩa 42 Hình Lấy vi sinh vật cấy vào đĩa petri 43 Hình Kết khử trùng E Coli nước cất tốc độ dòng khác 45 Hình Kết khử trùng E Coli nồng độ NaCl bổ sung khác 48 Hình 3 Kết tính tốn hiệu khử trùng (tại phút thứ 5) điều kiện nồng độ NaCl bổ sung khác 49 Hình Động học phản ứng khử trùng E Coli điều kiện khác 50 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Tóm tắt ưu, nhược điểm công nghệ khử trùng nước 17 Bảng Liều lượng chiếu để tiêu diệt 90% lượng số VSV 30 Bảng Một số nghiên cứu khử trùng nước điện hóa 31 Bảng Thiết bị làm thí nghiệm 34 Bảng Kết tính tốn chuẩn số Reynolds hệ thống tích hợp 46 Bảng Hằng số tốc độ phản ứng khử trùng trường hợp khác 52 Bảng 3 Một số tiêu hóa lý loại nước trước sau khử trùng 54 Bảng Kiểm tra khả tái nhiễm vi sinh vật nước sau khử trùng 55 Bảng Tiêu thụ lượng số phương pháp khử trùng 57 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Minh Tân, người tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người bạn tôi, Th.S Phạm Đức Chinh; đồng hành hỗ trợ nhiệt tình kiên nhẫn suốt năm qua Luận văn khơng thể hồn thành trọn vẹn thiếu hỗ trợ kịp thời Th.S Vũ Ngọc Hà, KS Trần Khải Hoàn, KS Nguyễn Văn Long… từ Viện Nghiên cứu Phát triển hợp chất thiên nhiên (INAPRO) Xin cảm ơn chị em sinh viên, thật tuyệt vời tơi làm việc người khơng khí thoải mái ấm áp Trong trình học tập công tác, nhận hỗ trợ, động viên an ủi từ phía gia đình: bố mẹ anh chị Quá khứ thế, thế, sau thế… mãi Tôi dành câu chữ cảm ơn cuối cho tình yêu to lớn - Thùy Linh niềm hi vọng chào đời hai Mong từ đây, thứ trở nên tốt đẹp Bắc Giang, ngày 28 tháng 10 năm 2022 Học viên Ngơ Duy Tồn TÓM TẮT LUẬN VĂN Việt Nam quốc gia thiếu nước, mức sử dụng trung bình đạt khoảng 3600 m3/người/năm Tại vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo sở hạ tầng hệ thống xử lý, cung cấp nước chưa đồng bộ, vấn đề thiếu nước để ăn uống, sinh hoạt thường xuyên xảy ra, đặc biệt mùa bão, lũ Vì vậy, cần có phương án thiết lập hệ thống xử lý nước uống quy mô vừa nhỏ để cung cấp nước cho người dân, góp phần đảm bảo an sinh xã hội Mục tiêu đề tài tích hợp chiếu xạ tia cực tím điện hóa để khử trùng nước uống hướng tới phục vụ cho địa bàn vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo Luận văn khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng nồng độ NaCl bổ sung đến hiệu khử trùng E Coli nước cất, nhìn chung tăng tốc độ dòng nồng độ clorua hiệu khử trùng tăng Ở chế độ vận hành thích hợp khoảng 3.0 l/p, nồng độ NaCl bổ sung khoảng 100mg/l, số tốc độ phản ứng khử trùng E.Coli ghi nhận đạt 0.5854 (1/phút), lượng tiêu thụ đạt 3.25 kWh/m3 Luận văn thử nghiệm hiệu khử trùng E Coli vi sinh vật tổng số nước máy nước mưa hệ thống tích hợp UV-C điện hóa, kết cho thấy, hiệu khử trùng loại nước so với nước cất Một điểm đáng lưu ý rằng, nước sau khử trùng hệ thống tích hợp UV-C điện hóa có khả lưu trữ lâu so với nước khử trùng trình UV riêng lẻ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng sử dụng nước uống Việt Nam 1.1.1 Nguồn tài nguyên nước Việt Nam 1.1.2 Thực trạng ô nhiễm nước sinh hoạt/ nước uống Việt Nam 10 1.2 Giới thiệu phương pháp khử trùng 12 1.2.1 Sử dụng nhiệt 12 1.2.2 Khử trùng Clo [5] 12 1.2.3 Khử trùng ozone 14 1.2.4 Khử trùng màng 15 1.2.5 Khử trùng tia cực tím 16 1.2.6 Khử trùng điện hóa 16 1.2.7 Ưu nhược điểm phương pháp khử trùng nước 17 1.3 Tổng quan chiếu xạ cực tím điện hóa 19 1.3.1 Khử trùng tia cực tím 19 1.3.2 Khử trùng phương pháp điện hóa [15] 23 1.3.3 Tích hợp cơng nghệ UV điện hóa để khử trùng nước 29 1.4 Tình hình nghiên cứu 29 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 32 1.5.1 Mục tiêu 32 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 32 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Vật liệu nghiên cứu 33 2.1.1 Hóa chất 33 2.1.2 Thiết bị dụng cụ 33 2.2 Hệ thống thí nghiệm 36 2.2.1 Cấu tạo thiết bị khử trùng UV 37 2.2.2 Cấu tạo buồng điện hóa 37 2.3 Quy trình thí nghiệm 38 2.3.1 Lưu ý trước thí nghiệm 38 2.3.2 Quy trình thí nghiệm 39 2.3.3 Kết thúc thí nghiệm 40 2.4 Phương pháp phân tích 40 2.4.1 Phân tích hàm lượng E.Coli vi sinh vật tổng số 40 2.4.2 Phân tích tiêu lý-hóa nước 43 3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu khử trùng E Coli hệ thống tích hợp UV-C buồng điện hóa 45 3.1.1 Ảnh hưởng chế độ thủy động đến hiệu khử trùng E Coli hệ thống tích hợp UV-C buồng điện hóa 45 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ clorua đến hiệu khử trùng E Coli hệ thống tích hợp UV-C buồng điện hóa 47 3.1.3 Động học trình khử trùng E Coli nước cất hệ thống tích hợp UV-C buồng điện hóa 50 3.2 Hiệu khử trùng hệ thống tích hợp UV-C điện hóa loại nước khác 51 3.2.1 Đánh giá hiệu khử trùng hệ thống tích hợp UV-C điện hóa loại nước khác 51 3.2.2 Tính chất hóa-lý nước sau khử trùng cơng nghệ tích hợp UV-C điện hóa 53 3.3 Đánh giá độ ổn định mẫu nước uống sau khử trùng 55 3.4 Vấn đề tiêu thụ lượng hệ thống khử trùng nước tích hợp UV-C chiếu 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng sử dụng nước uống Việt Nam 1.1.1 Nguồn tài nguyên nước Việt Nam Tài nguyên nước Việt Nam đánh giá đa dạng phong phú, bao gồm nguồn nước mặt nước ngầm thủy vực tự nhiên nhân tạo sông, suối, hồ tự nhiên, hồ nhân tạo, giếng khơi, hồ đập, ao, đầm phá túi nước ngầm Hình 1 Nước ngầm Việt Nam Theo chiến lược quốc gia tài nguyên nước đến năm 2020, Việt Nam có khoảng 2.372 sơng lớn nhỏ có chiều dài từ 10km trở lên, có 109 sơng Trong số có sơng sơng Hồng, sơng Thái Bình, sơng Bằng Giang-Kỳ Cùng, sơng Mã, sơng Cả, sơng Vu Gia-Thu Bồn, sông Ba, sông Đồng Nai, sông Cửu Long bốn nhánh sông sông Đà, sông Lô, sông Sê San, sông Srê Pok tạo nên lưu vực 10.000km2, chiếm khoảng 93% tổng diện tích mạng lưới sơng ngịi Việt Nam [1] Theo số liệu thống kê Bộ Tài nguyên Môi trường, nước có 3.500 hồ chứa lớn nhỏ khoảng 650 hồ chứa cỡ lớn trung bình dùng để sản xuất thủy điện, kiểm soát lũ lụt, giao thông thủy, thủy lợi nuôi trồng thủy sản Mặc dù tài nguyên nước Việt Nam có trữ lượng dồi dào, thực tế nguồn nước sử dụng lại có hạn phân bố không Nhiều vùng bị thiếu nước để sinh hoạt ô nhiễm, lũ lụt, sạt lở đất, hạn hán tác nhân khác [1] [2] UV-C loại ống hình khuyên Các kết phản ánh chi tiết Hình 3.3 100 H(5), % 95 90 85 80 75 30 50 80 100 Nồng độ NaCl, mg/l 150 200 Hình 3 Kết tính tốn hiệu khử trùng (tại phút thứ 5) điều kiện nồng độ NaCl bổ sung khác Theo định luật Lambert-Beer: A= Ɛbc =- logT Ở đây, A độ hấp thụ ánh sáng, T độ truyền quang ánh sáng (%).; giá trị Ɛ độ hấp thụ quang riêng đặc trưng cho loại dung dịch, tính theo L/mol•cm, b chiều dày lớp dung dịch (bề dày truyền quang); C nồng độ dung dịch Giá trị độ hấp thụ tỷ lệ nghịch với độ truyền quang T tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch Do đó, việc tăng nồng độ chất tan chất rắn lơ lửng gây tượng hấp thụ xạ cực tím, loại vi sinh vật nói chung E Coli nói riêng khơng nhận đủ lượng UV-C cần thiết, hiệu tiêu diệt vi sinh vật bị suy giảm Hơn nữa, việc tăng nồng độ NaCl ảnh hưởng tới chất lượng nước, nhìn chung nồng độ NaCl cao, hiệu tiêu diệt vi sinh vật phương pháp điện hóa tăng, nhiên nước uống điều không hợp lý Độ mặn cao khiến nước khơng thể sử dụng cho mục đích uống sinh hoạt, độ mặn thấp phù hợp để sử dụng hiệu khử trùng điện hóa Mặt khác, khử trùng cơng nghệ chiếu xạ UV-C gặp khó khăn loại nước có độ mặn, độ cứng cao, nước sau khử trùng tia UV-C lưu trữ lâu dài Vì vậy, kết hợp với cơng nghệ chiếu xạ UV-C trở thành phương án thay hiệu cho việc khử trùng nước 49 3.1.3 Động học trình khử trùng E Coli nước cất hệ thống tích hợp UV-C buồng điện hóa Hình 3.4 biểu diễn mối quan hệ -ln(N/N0) thời gian t, thấy mối quan hệ mơ tả hàm số bậc (dạng y= kx) Độ tương hợp mơ hình hồi quy giá trị thực nghiệm mức chấp nhận (giá trị hệ số tương quan R2> 0.95) y = 0,5854x R² = 0,9888 y = 0,6307x R² = 0,9904 y = 0,4875x R² = 0,9693 -ln(N/N0) y = 0,4175x R² = 0,9346 1.0 l/p 2.0 l/p 3.0 l/p 4.0 l/p 0 10 12 14 16 Thời gian, phút NaCl 30 mg/l y = 0.6503x R² = 0.9965 y = 0,5854x R² = 0,9888 -ln(N/N0) NaCl 50 mg/l NaCl 100 mg/l NaCl 200 mg/l y = 0,4508x R² = 0,9812 y = 0.4045x R² = 0.989 0 10 12 14 Thời gian, phút Hình Động học phản ứng khử trùng E Coli điều kiện khác 50 Hằng số tốc độ biểu kiến phản ứng khử trùng E Coli hệ thống tích hợp UV-C điện hóa ước tính thơng qua độ dốc (hệ số góc) đường thẳng y= kx Chẳng hạn, điều kiện vận hành tốc độ dòng, nhiệt độ 28 oC, nồng độ NaCl bổ sung 3.0 l/p; 100 mg/l, giá trị số tốc độ phản ứng khử trùng ước tính đạt 0.584 (1/min) Thông qua số tốc độ phản ứng, thời gian cần thiết để đạt hiệu tiêu diệt 99.999% vi sinh vật ước tính theo công thức t99.999= 11.5129 𝑘 , phút Từ đây, có thơng số thể tích lượng tiêu thụ cụm thiết bị, số lượng thiết bị ước tính Sau đó, chi phí đầu tư (thiết bị chiếu xạ UV, buồng điện hóa, đường ống, bơm…) thiết bị vận hành (chi phí nhân cơng, phân tích mẫu, đặc biệt chi phí điện năng) ước tính để đưa chi phí xử lý riêng cho m3 nước uống Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, số tốc độ phản ứng khử trùng E Coli tìm nghiên cứu với trường hợp nước cất Các kết nghiên cứu động học ước tính chi phí xác tiến hành thực nghiệm với nước uống thực (nước mưa, nước máy, nước suối…) Những loại nước có chứa ion vơ hịa tan số hợp chất hữu có hàm lượng nhỏ, hợp chất có khả hấp thụ tia cực tím, làm giảm hiệu khử trùng Hơn nữa, ion Ca2+, Mg2+ nước mưa, nước máy, nước suối… có khả tạo thành lớp cặn bề mặt điện cực Mặc dù việc sử dụng đảo cực loại bỏ ion này, khiến tuổi thọ điện cực bị suy giảm 3.2 Hiệu khử trùng hệ thống tích hợp UV-C điện hóa loại nước khác 3.2.1 Đánh giá hiệu khử trùng hệ thống tích hợp UV-C điện hóa loại nước khác Tiến hành thực nghiệm khử trùng vi khuẩn E Coli loại nước nước máy, nước ngầm qua xử lý sơ (lọc sỏi, cát…) nước mưa hệ thống khử trùng (UV-C riêng lẻ, điện hóa đơn lẻ hệ thống tích hợp) Các đối tượng lựa chọn để khảo sát loại nước thường sử dụng hộ gia đình Q trình thí nghiệm tiến hành với điều kiện sau: lưu lượng dịng 3.0 l/p, khơng bổ sung thêm hóa chất NaCl, nồng độ E Coli ban đầu bổ sung với nồng độ 104 cfu/ml, nhiệt 51 độ 28 oC Các kết so sánh với đối tượng nước cất (khơng/có bổ sung NaCl) Bảng Hằng số tốc độ phản ứng khử trùng trường hợp khác UV-C Điện hóa Tích hợp Nước cất 0.3524 0.0925 0.3744 Nước cất có muối 30 mg/l 0.3518 0.2475 0.4093 mg/l 0.3492 0.2968 0.5854 Nước máy 0.3291 0.2814 0.4154 Nước ngầm 0.2685 0.3102 0.3851 Nước mưa 0.2154 0.1862 0.3186 Nước cất có muối 100 Kết cho thấy, công nghệ khử trùng UV-C đặc biệt hiệu với nước cất, kể nước cất pha thêm NaCl Việc tăng nồng độ NaCl nước cất từ 0- 30-100 mg/l không làm thay đổi đáng kể hiệu khử trùng E Coli Điều độ đục, nồng độ ion vô dư lượng hợp chất hữu nước cất lần nhỏ, tượng hấp thụ, phản xạ tia UV không đáng kể Nước máy có độ đục cao nước cất, có chứa ion vơ cơ, gây chút trở ngại nhỏ cho trình khử trùng tia UV, nhiên nước máy có chứa sẵn ion clo tự do, clo dư (nồng độ clo tự dư hệ thống ống dẫn nước cấp khoảng 0.5 mg/l) có tác dụng khử trùng Hơn kết hợp UV tác nhân clo (dùng để khử trùng nước) UV/Cl2, UV/NaClO… tạo thành q trình oxi hóa tiên tiến mạnh mẽ để loại bỏ hợp chất hữu vi khuẩn, virus [23] [24] Nước ngầm nước mưa có hiệu khử trùng so với loại nước khác, số tốc độ khử trùng đạt 0.268 0.215 1/phút, nguyên nhân gây hiệu khử trùng thấp độ đục nồng độ ion vô tương đối cao gây tượng hấp thụ, tán xạ, che khuất ánh sáng Nhìn chung ứng dụng khử trùng nước nào, độ đục nên giảm thiểu 52 Đối với q trình khử trùng nước cất, quy trình điện hóa hiệu so với khử trùng UV-C đơn lẻ Chẳng hạn trường hợp khử trùng nước cất không bổ sung NaCl số tốc độ phản ứng khử trùng E Coli phương pháp điện hóa 0.0925 1/phút, chênh lệch lớn so với chiếu xạ UV-C (hằng số tốc độ phản ứng khử trùng đạt 0.3524 1/phút) Sự chênh lệch giảm thiểu bổ sung thêm ion clorua, điện phân tạo clo tự có tác dụng khử trùng Tuy vậy, phương pháp lại tỏ có hiệu loại nước có sẵn ion clorua clo dư nước ngầm, nước máy…, nồng độ clorua cao, có lợi cho q trình khử trùng nước modul điện hóa Nhìn chung, hiệu khử trùng q trình UV-C bị suy giảm nhanh chóng nước có độ đục cao, chứa nhiều ion vơ cơ…, mức độ ảnh hưởng yếu tố đến q trình khử trùng điện hóa lại thấp Bên cạnh đó, có mặt ion clorua giúp tăng cường hiệu khử trùng quy trình điện hóa Do đó, việc kết hợp hai yếu tố mang lại hiệu cao so với quy trình đơn lẻ Trong tất trường hợp khảo sát, số tốc độ phản ứng khử trùng hệ thống tích hợp cao so với trình riêng lẻ Hằng số tốc độ khử trùng quy trình tích hợp hai loại nước ngầm nước mưa đạt 0.385 0.319 1/phút Tác động hiệp đồng hai công nghệ việc khử trùng nước gây kết hợp tia UV gốc clo tự sinh trình điện phân Điều cần xem xét cách nghiêm túc nghiên cứu Trong nghiên cứu sơ bộ, Phan Anh Tuấn cộng khẳng định hiệu trình khử trùng nước ngầm địa bàn tỉnh Đà Nẵng hệ thống điện phân kết hợp chiếu xạ cực tím [19] Tóm lại, thử nghiệm nghiên cứu tái khẳng định hiệu khử trùng cơng nghệ điện hóa kết hợp với tia cực tím đối tượng nước thực tế 3.2.2 Tính chất hóa-lý nước sau khử trùng cơng nghệ tích hợp UV-C điện hóa Các đối tượng nước sử dụng thực tế: nước máy, nước ngầm, nước mưa khử trùng hệ thống tích hợp điều kiện: lưu lượng dịng chảy 3.0 l/p, khơng bổ sung thêm NaCl, thời gian khử trùng 30 phút, nhiệt độ 28 oC Kết phân tích số tiêu hóa-lý nước trước sau khử trùng thể Bảng 3.3 53 Bảng 3 Một số tiêu hóa lý loại nước trước sau khử trùng Chỉ tiêu Đơn vị Nước máy Nước ngầm Nước mưa Độ màu mgPt/l KPH kPH KPH KPH KPH KPH 15 Cảm quan Mùi vị Khơng có mùi vị lạ khơng có mùi vị lạ Khơng có mùi, vị lạ Khơng có mùi, vị lạ Khơng có mùi vị lạ Khơng có mùi vị lạ Khơng có mùi vị lạ pH 7.5 7.5 6.9 7.1 7.8 7.7 6.5-8.5 TCVN Độ đục NTU 1.46 1.50 1.62 1.65 1.97 1.95 Độ cứng mg/l 67.2 68.1 184.2 185.7 52.4 51.7 300 Clorua mg/l 11.2 9.7 31.2 27.8 16.1 15.8 250 Florua mg/l 0.92 0.91 1.12 1.07 0.98 0.92 1.5 Nitrat mg/l 1.89 1.72 0.9 0.85 2.1 2.03 50 Nitrit mg/l 0.12 0.09 1.32 1.06 0.02 < 0.01 Sunfat mg/l < 21 < 21