nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan bằng một số quá trình oxy hóa nâng cấp

2 Hiện nay, bên cạnh những công ty chế biến cà phê thực hiện đúng quy trình xử lý nước thải thì vẫn còn tồn tại một số công ty chưa xử lý nước thải hoặc xử lý chưa đạt hiệu quả QCVN về m

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN BẰNG MỘT SỐ QUÁ

TRÌNH OXY HÓA NÂNG CAO

Giảng viên hướng dẫn : TS THÁI VĂN NAM Sinh viên thực hiện : LÊ THỊ THÙY NHIÊN MSSV: 1191080079 Lớp: 11HMT01

TP Hồ Chí Minh, 2013

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm 01):

Lê Thị Thùy Nhiên MSSV: 1191080079 Lớp:11HMT01

Ngành : Môi trường và Công nghệ sinh học

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường

2 Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan bằng một

số quá trình oxy hóa nâng cao

3 Tổng quát về ĐATN:

Số trang: 78 Số chương: 04

Số bảng số liệu: 16 Số hình vẽ: 27

Số tài liệu tham khảo: 07 Phần mềm tính toán:

Số bản vẽ kèm theo: Hình thức bản vẽ:

Hiện vật (sản phẩm) kèm theo:

4 Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

b) Những kết quả đạt được của ĐATN:

c) Những hạn chế của ĐATN:

5 Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐATN để chấm)  Không được bảo vệ  TP HCM, ngày … tháng … năm ………

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Gh i chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐATN

viên hướng dẫn giao Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này do em tự thực hiện, không sao chép dưới bất kỳ hình thức nào, các số liệu trích dẫn và các kết quả nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp là trung thực và chính xác Nếu có bất kỳ sự gian lận nào thì em sẽ chịu toàn bộ trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan của mình

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thùy Nhiên

dắt của quý thầy cô trong Khoa Môi Trường - Công Nghệ Sinh Học và các Khoa khác đã truyền đạt và bồi dưỡng cho em những kiến thức, phương pháp học tập và nghiên cứu chuyên môn cũng như trong những lĩnh vực khác Chính sự tận tụy và lòng nhiệt huyết của quý thầy cô, là nguồn động lực giúp em cố gắng trau dồi thêm

kiến thức và vượt qua những khó khăn trong học tập

Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc của mình tới quý thầy cô trong Khoa Môi Trường - Công Nghệ Sinh Học và các Khoa khác đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức và

tạo mọi điều kiện tốt nhất để giúp em hoàn thành khoá học

Em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Thái Văn Nam, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp này

Thay cho lời kết em xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật

chất lẫn tinh thần trong suốt những năm học tập Đồng thời xin cảm ơn tất cả những

bạn bè đã gắn bó cùng nhau học tập và giúp đỡ trong thời gian qua, cũng như trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thành cám ơn !

TP HCM, ngày 30 tháng 03 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thùy Nhiên

i

1

1 T N .1

2 CTIÊUNGHIÊN U 2

3 IDUNGNGHIÊN U 2

4 I NG VÀPHẠMVINGHIÊN U 3

4.1 Đối tượ .3

4.2.Phạ .3

5. A I 3

3

4

NÂNG CAO 5

1.1 NG N CHUNG CÁC NHOXI ANÂNGCAO 5

5

6

*OH 7

1.1.4 Phân loại các quá trình oxy hóa nâng cao 10

10

11

1.2.GIỚITHIỆUMỘTSỐ NHOXI ANÂNGCAO 12

12

12

1.2.1.2 Cơ chế tạ .13

1.2.1.3 Nh ững nhân tố ảnh hưởng 14

ii

(UV/ Oxidation Processes) 19

1.2.3.1 Gi ới thiệu quá trình UV/oxi hóa (UV/ Oxidation Processes) 19

1.2.3.2 Quá trình quang phân UV b ằng Ozone 19

1.2.3.3 Quá trình xử lý nước bằng hệ H 2 O 2 /O 3 /UV 20

1.2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến xử lý nước thải bằng quá trình UV/oxi hóa 20

1.2.3.5 Động học của quá trình UV/oxi hóa 21

CH Ế BIẾN CÀ PHÊ VÀ NHÀ MÁY S ẢN XUẤT VINACAFÉ BIÊN HÒA 24

2.1 NGQUAN NH PHÊ TNAM 24

2.1.1 Các đặc điểm chung của cà phê Việt Nam 24

2.1.2 Chế biến và xuất khẩu cà phê của Việt Nam 24

2.1.3 26

26

26

2.1.4 các vấn đề môi trường của nhà máy chế biến cà phê 26

2.1.4.1 Nước thải 26

2.1.4.2 Chất thải rắn 26

2.1.4.3 Khí th ải 26

2.1.4.4 Ti ếng ồn và độ rung 27

2.1.5 Thành phần và tính chất nước thải chiến biến cà phê hòa tan 27

2.2.TỔNGQUANVỀCÔNGNGHỆCHẾBIẾNCÀP HÊCÔNG TY VINACAFÉBIÊNHÒA 30

2.2.1 Giới thiệu về ngành chế biến cà phê hòa tan của công ty 30

2.2.2 Phương pháp chế biến cà phê 31

2.2.3 nguồn phát sinh và lưu lượng nước thải 35

iii

VÀ V ẬT LIỆ 39

3.1.SƠĐỒNGHIÊNCỨU 39

3.2 MÔ NHNGHIÊN U 41

41

3.3 A T, NG T NGHIÊN U 43

43

45

45

3.4 N NH M 46

3.4.1 Quá trình Fenton đồng thể 46

ằng hệ peroxon (H2O2/O3) 47

ằng hệ O3/UV 47

ằng hệ H2O2/O3/UV 48

3.5 PHƯƠNG PPHÂN CH 48

50

4.1.KẾTQUẢCÁCQUÁTRÌNHTHÍNGHIỆM 50

4.1.1 Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng phương pháp Fenton đồng thể 50

4.1.2 Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng peroxon (H2O2/O3) 52

4.1.2.1 Kh ảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan 52

4.1.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng H 2 O 2 đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan 55

4.1.2.3 Kh ảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan 57

4.1.2.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan 59

iv

4.1.3.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước

th ải cà phê hòa tan bằng hệ O 3 /UV 64

4.1.4 Quá trình xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ H2O2/O3/UV 67

4.2.SOSÁNHHIỆUQUẢXỬLÝGIỮACÁCPHƯƠNGPHÁP .70

4.2.1 So sánh hiệu quả xử lí COD trong nước thải cà phê hòa tan 70

4.2.2 So sánh hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan 71

4.3.TÍNH TOÁNCHIPHÍCỦACÁCPHƯƠNGPHÁP .72

4.3.1.Oxi hóa bằng quá trình Fenton 72

4.3.2.Oxi hóa bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) 72

4.3.3 Quá trình xử lý bằng hệ O3/UV 73

4.3.4 Quá trình xử lý bằng hệ H2O2/O3/UV 73

4.4.SOSÁNHKẾTQUẢPHÂN TÍCHNƯỚCTHẢICÀPHÊHÒATANCỦA BỐNPHƯƠNGPHÁPOXYHÓANÂNGCAO 74

76

1 KẾTLUẬN 76

2 KIẾNNGHỊ 77

v

1 AOPs Advanced Oxidation

Processes Các quá trình oxy hóa bậc cao

2 BOD Biochemical Oxygen

Demand Nhu cầu oxy sinh hoá

3 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá học

vi

B ảng 1.2: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá

trình oxi hóa nâng cao [Simon, 2004] 9

1.3: 10

1.4: 11

2.1 25

Bảng 2.2 Thành phần tính chất nước thải chế biến cà phê hòa tan 27

B ảng 3.1: Đặc tính nước thải chế biến cà phê hòa tan sau xử lý sinh học 41

3.2: 45

Bảng 4.1: Hiệu quả xử lý bằng phương pháp Fenton đồng thể 50

Bảng 4.2: Hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) ở pH = 8 52

B ảng 4.3: Hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) ở pH = 8 55

Bảng 4.4: Hiệu quả xử lý độ màu bằng quá trình peroxon (H2O2/O3) 57

B ảng 4.5: Hiệu quả xử lý COD bằng quá trình peroxon (H2O2/O3) 59

B ảng 4.6: Hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O3/UV 62 Bảng 4.7: Hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O3/UV 64

Bảng 4.8: Hiệu quả xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng hệ H2O2/O3/UV 67

B ảng 4.9: So sánh hiệu quả tối ưu của bốn phương pháp oxy hóa nâng cao 74

vii

2.1: 2008) 24

Hình 2.2: 29

Hình 2.3: Quy trình chế biến cà phê hòa tan Vinacafé Biên Hòa .31

2.4: Quy trình công nghệ xử lý nước thải, công suất 100 m3/ngày.đêm 37

Hình 3.1: Sơ đồ trình tự thí nghiệm 41

3.2: .43

3.3: .43

Hình 3.4: Hóa chất thí nghiệm 44

Hình 3.5: Các dụng cụ thí nghiệm 45

Hình 3.6: hotometer sử dụng trong đo độ màu .46

Hình 4.1: Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ hóa chất H2O2/Fe2+đến hiệu quả xử lý nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình Fenton đồng thể 51

Hình 4.2: Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải và phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) .53

Hình 4.3: Biểu đồ ảnh hưởng của hàm lượng H2O2 đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải và phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) .55

Hình 4.4: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) .57

Hình 4.5: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng quá trình Peroxon (H2O2/O3) .60

Hình 4.6: mẫu trước và sau xử lý 60 phút .61

Hình 4.7: mẫu trước và sau xử lý 20, 40, 60, 80 phút 62

Hình 4.8: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O3/UV 64

Hình 4.9: Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan bằng hệ O3/UV .65

Hinh 4.10: Mẫu trước và sau xử lý 60 phút .67

viii

Hình 4.13: Mẫu trước và sau xử lý 60 phút .70

Hình 4.14 : Mẫu trước và sau xử lý 20, 40, 60, 80 phút .71

Hình 4.15: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý COD trong nước thải cà phê hòa tan của

một số quá trình oxy hóa .71

Hình 4.16: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý độ màu trong nước thải cà phê hòa tan

của một số quá trình oxy hóa .72

1

U

1

Cà phê là thức uống có từ lâu đời và phát triển cho đến ngày nay, là một trong

những loại thức uống được ưa chuộng nhất trên thế giới và có mức tiêu thụ cao Vì

vậy, đối với những nước có điều kiện trồng cà phê như nước ta cà phê không chỉ được tiêu thụ trong nước mà còn là mặt hàng xuất khẩu mang lại lợi nhuận kinh tế cao Với người sử dụng ngày càng nhiều cộng với nhịp sống hối hả của thời đại công nghiệp việc pha cà phê bằng phin rất bất lợi nhất là về thời gian Đối với người tiêu dùng cà phê hòa tan nhanh chóng được ưa chuộng vì sự tiện lợi của nó Đối với nhà sản xuất cà phê hòa tan là một mặt hàng có giá trị cao thu được nhiều lợi nhuận.Việc sản xuất cà phê hòa tan đang được nhiều công ty sản xuất vì tính tiện lợi

và lợi nhuận của nó như: Nescafe, Trung Nguyên, Vinacafé,… Với việc sản xuất ngày càng nhiều thì lượng chất thải ra môi trường sẽ nhiều, nhất là lượng nước thải sau quá trình sản xuất, khoảng vài trăm khối một ngày

Tuy nhiên, vì quá chú tâm phát triển kinh tế mà chưa quan tâm sâu sắc đến khía cạnh môi trường và kết quả của sự phát triển lệch lạc đó là môi trường đang bị

ô nhiễm nghiêm trọng Nước thải cà phê nếu không có biện pháp xử lý hợp lý, quản

lý chặt chẽ thì không chỉ ảnh hưởng tới mỹ quan môi trường trong vùng mà hệ sinh thái, sức khỏe cộng đồng cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng Một bài học được rút ra

từ

ải ra, biến thành những con sông chết

Quy trình sản xuất cà phê hòa tan làm phát sinh lượng nước thải rất lớn Nước

thải từ quá trình sản xuất có thành phần ô nhiễm cao, đặc biệt là nồng độ COD và

độ màu, Ngoài ra còn nhiều chất hữu cơ đa vòng, cafein, chất chát, lingin… là

những chất khó phân hủy sinh học và gây ức chế quá trình hoạt động của vi sinh

vật, rất khó xử lý triệt để bằng quá trình sinh học Nước thải sau quá trình xử lý sinh

học hầu hết không đạt tiêu chuẩn xả thải mà cần thiết phải có công đoạn xử lý tiếp theo như quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs)

2

Hiện nay, bên cạnh những công ty chế biến cà phê thực hiện đúng quy trình

xử lý nước thải thì vẫn còn tồn tại một số công ty chưa xử lý nước thải hoặc xử lý chưa đạt hiệu quả QCVN về một số thông số như: COD, độ màu…

Trên cơ sở đó nghiên cứu xử lý nước thải từ quá trình sản xuất cà phê hòa tan

bằng một số quá trình oxy hóa nâng cao được đặt ra nhằm giải quyết vấn đề trên

2

Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu, so sánh hiệu quả xử lý nước thải sau quá trình xử lý sinh học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan bằng một số quá trình oxy hóa bậc cao như

Để làm được điều này, đề tài tập trung vào hai mục tiêu cụ thể sau:

• Xác định các thông số tối ưu của bốn phương pháp oxy hóa bậc cao đã đề

cập ở trên: pH, H2O2 và thời gian xử lý

• So sánh các quá trình oxy hóa bậc cao và tìm ra quá trình mang lại hiệu quả cao nhất, xử lý tốt nhất đối với nước thải sau quá trình xử lý sinh học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan

3

Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài tập trung vào các nội dung sau:

• Nghiên cứu một số quá trình oxy hóa bậc cao (Fenton đồng thể, H2O2/O3,

O3/UV và H2O2/O3/UV) áp dụng đối với nước thải sau quá trình xử lý sinh

học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan: làm thí nghiệm từng quá trình để xem hiệu quả xử lý của chúng

• Xác định pH tối ưu, hàm lượng H2O2 tối ưu và thời gian xử lý tối ưu cho

từng phương pháp oxi hóa bậc cao

Nước thải sau bể xử lý sinh học của hệ thống xử lý nước thải từ quá trình sản

xuất cà phê hòa tan lấy từ trạm xử lý nước thải vinacafé Biên Hòa

3.2 Phạm vi

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, thực hiện bởi mô hình Oxi hóa bậc cao,

vì thời gian có hạn nên sử dụng cố định cường độ UV phát ra có bước sóng 254 nm

và lượng O3 cung cấp là 1 g/h

Nghiên cứu tập trung vào hiệu quả xử lý độ màu và hiệu quả xử lý COD của

một số quá trình oxi hóa bậc cao xử lý nước thải sau quá trình xử lý sinh học của nhà máy sản xuất cà phê hòa tan, cụ thể là nước thải tại nhà máy Vinacafé Biên Hòa

5

5.1.

Các thông số thí nghiệm nghiên cứu của đề tài có tham khảo và kế thừa thành quả của các thí nghiệm trước, tạo cơ sở và độ tin cậy kết quả thí nghiệm mang lại

Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để áp dụng các phương pháp oxi hóa bậc cao vào xử lý nước thải nói chung và nước thải chế biến cà phê hòa tan nói riêng

Hiện nay, các quá trình oxi hóa bậc cao vẫn chưa được phổ biến rộng rãi so với các quá trình xử lý khác Vì vậy, việc nghiên cứu các quá trình oxi hóa bậc cao mang tính mới, và cần thiết

4

5.2.

Trên cơ sở nghiên cứu thành công, đề tài có thể áp dụng vào thực tế với các

ưu điểm: thời gian xử lý nhanh, hiệu quả cao, dễ vận hành, mặt bằng xử lý nhỏ

Đó là những ưu điểm rất hấp dẫn của đề tài nghiên cứu này

(Advanced Oxidation Processes – AOPs)

đặc biệt là các chất hữu cơ bền vững và độc hại

(POPs) như hydrocacbon halogen (trihalom

- Ng

Escherichia coli, Coliform

6

Campylobacter, Yersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporium,

trihalometan (THM)

1.1.2.

Trong công nghệ xử lý nước và nước thải truyền thống thường sử dụng các

chất oxi hóa thông dụng sau đây:

Clo (Cl 2 )

Clo là chất oxi hóa hóa học tốt được sử dụng để khử Fe2+ trong nước ngầm

hoặc nước mặt, trong khử trùng nước sau xử lý Vì clo là chất oxi hóa tương đối

mạnh, rẻ tiền và dễ sử dụng nên được dùng rất phổ biến trong ngành xử lý nước và nước thải cho đến ngày nay Tuy vậy, nhược điểm chính của clo là trong quá trình

khử sắt và khử trùng bằng clo đã tác dụng với các chất hữu cơ thiên nhiên (NOM),

tạo ra những phụ phẩm là các chất hữu cơ chứa clo (THM) gây nguy cơ ung thư cho người sử dụng Ngoài ra, clo chỉ có khả năng khử trùng một số rất hạn chế loại vi khuẩn như E.Colis, không có khả năng diệt các vi khuẩn hoặc virus truyền bệnh nguy hiểm như Giardia và Cryptosporidium

Kali pecmanganat là chất oxi hóa được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước Đó

là chất oxi hóa mạnh hơn clo, có thể làm việc trong khoảng pH rộng, nhưng đắt tiền Ngoài ra, nhược điểm đáng kể của kali pecmanganat khi sử dụng trong xử lý nước

là tạo ra mangan dioxit trong quá trình oxi hóa, chất này kết tủa và do vậy phải tách

ra bằng cách lọc hoặc lắng, gây tăng thêm chi phí

Hydrogen peroxit là chất oxi hóa mạnh hơn clo và kali pecmanganat và được

sử dụng rất phổ biến trong xử lý nước thải để phân hủy các chất hữu cơ và khử màu

của nước thải ngành giấy hoặc dệt nhuộm Ngoài ra, ưu điểm của hydrogen peroxit

là không sinh ra chất độc hoặc chất có màu trong quá trình sử dụng Tuy vậy, khả

hoạt Ưu điểm của ozon là tự phân hủy, không để lại các phụ phẩm lạ và nguy hiểm trong nước sau khi phản ứng Tuy vậy, ozon hòa tan kém trong nước và là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài phút Vì vậy, để có thể đạt được số lượng ozon hòa tan trong nước đủ lớn cho quá trình oxi hóa, phải đưa vào hệ một lượng ozon

lớn Ngoài nhược điểm nói trên, khi sử dụng ozon làm chất oxi hóa trong xử lý nước và nước thải là phải sản xuất ozon tại chỗ, ngay trong dây chuyền xử lý

1.1.3.

*OH

Oxi hóa là quá trình trong đó electron được chuyển từ một chất này sang một

chất khác Điều này tạo nên một hiệu thế được biểu thị bằng volt (V) dựa trên hiệu

thế điện cực hydro bằng zero Mỗi chất (tác nhân) oxi hóa đều có một thế oxi hóa khác nhau và đại lượng này được dùng để so sánh khả năng oxi hóa mạnh hay yếu

của chúng

Khả năng oxi hóa của các tác nhân oxi hóa được thể hiện qua thế oxi hóa và được sắp xếp theo các thứ tự trình bày trên (bảng 1.1) dưới đây

8

Nhiều tác nhân oxi hóa mạnh đề , trong số đó, gốc hydroxyl

*OH là tác nhân oxi hóa mạnh nhất Thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH là 2,80V, cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp Nếu so với clo, thế oxi hóa của

gốc hydroxyl *OH cao gấp 2,05 lần và so với ozon, thế oxi hóa của gốc hydroxyl

*OH cao gấp 1,52 lần

Đặc tính của các gốc tự do là trung hòa về điện Mặt khác, các gốc này không tồn tại có sẵn như những tác nhân oxi hóa thông thường, mà được sản sinh ngay trong quá trình phản ứng, có thời gian sống rất ngắn, khoảng vài nghìn giây nhưng liên tục được sinh ra trong suốt quá trình phản ứng Với thế oxy hóa rất cao

gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mọi chất hữu cơ, dù là loại khó phân hủy nhất thành những hợp chất vô cơ không độc hại như CO2, H2O, axit vô cơ, …

Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm và khử trùng của các quá trình oxi hóa nâng cao vượt xa các công nghệ truyền thống trong xử lý nước và nước thải Dưới đây sẽ đơn cử một số chất ô nhiễm đặc trưng mà các quá trình oxi hóa nâng cao có

thể loại bỏ khỏi nước và nước thải đạt đến cấp độ mong muốn mà công nghệ truyền

thống khó có thể đạt được (bảng 1.2)

Bảng 1.1: Khả năng oxi hóa của một số tác nhân oxi hóa

9

B ảng 1.2: Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải có thể xử lý bằng các quá

trình oxi hóa nâng cao [Simon, 2004]

Các thuốc kháng sinh Nước thải thuộc da

Crom Nước thải sản xuất thuốc bảo vệ thực

vật Coliform Các chất hữu cơ bay hơi (VOC)

Các sản phẩm phụ khi khử trùng bằng

clo

Nước thải sản xuất bột giấy

Nước thải chưng cất cồn rượu Cryptosporidium

Nước thải sản xuất sợi thủy tinh Các chất có màu và mùi vị khó chịu Nước thải bệnh viện Nước thải chế biến cao su

Hóa chất bảo vệ thực vật Nước thải sản xuất hóa chất đặc biệt Nước thải sản xuất giất Craft Các chất mùn và humic

Các chất hữu cơ thiên nhiên Nước thải mạ niken

Nước thải khai thác dầu thô Xyanua

Nước thải sản xuất dầu oliu Escherichia coli

Nước thải chứa phenol Nhựa phenolic

Nước thải ngành in Nước thải ngành nhuộm

Trinitrotoluen (TNT) Các chất hữu cơ bền vững (POP)

Siêu âm

6 H2

cao

H2O →nlc *OH + *H ( 1 - 10 Mev)

11

1.1.4.2

ờ năng lượng bức xạ tia cực tím UV, bao gồm các quá trình được trình bày ở (bảng 1.4)

2 O3

photon UV

O3 + H2O →hv 2*OH (λ = 253,7 nm)

12

1.2.1 Q

1.2.1.1.

Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu

của tác giả J.H.Fenton, trong đó ông ta quan sát thấy phản ứng oxi hóa axit malic

bằng hydrogen peroxit đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt [Walling, C., 1975] Sau đó, tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+được sử dụng làm tác nhân oxi hóa rất

hiệu quả cho nhiều đối tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác nhân

Fenton” (Fenton Reagent)

Hệ xúc tác Fenton được nghiên cứu rất mạnh và phát triển rộng , không

những ở dạng tác nhân Fenton cổ điển (H2O2/Fe2+) mà còn sử dụng những ion kim

loại chuyển tiếp và các phức chất của chúng như Fe(II), Fe(III), Cu(I), Cr(II) và Ti(III) tác dụng với H2O2 để tạo ra gốc *OH, được gọi chung là các tác nhân kiểu

như Fenton (Fenton-like Reagents)

Mặc dù tác nhân Fenton đã được biết hàng thế kỷ nay và thực tế đã chứng minh là một tác nhân oxi hóa rất mạnh do sự hình thành gốc hydroxyl *OH trong quá trình phản ứng, nhưng cơ chế của phản ứng Fenton cho đến nay vẫn còn đang tranh cãi, thậm chí có ý kiến trái ngược phản bác Chẳng hạn, trong khi tuyệt đại đa

số nhà nghiên cứu thừa nhận sự hình thành gốc hydroxyl *OH là nguyên nhân của

khả năng oxi hóa cao của tác nhân Fenton, nhưng vẫn có ý kiến nghi ngờ về sự hình thành gốc hydroxyl đó

Quá trình Fenton dạng cổ điển nói chung có hiệu quả cao trong khoảng pH

2-4, cao nhất ở pH khoảng 2,8 [Pignatello, JJ.1992] Do đó, trong điều kiện xử lý nước thường gặp (pH 5 - 9), quá trình xảy ra không có hiệu quả Nguyên nhân vì

bấy giờ ion Fe2+ có xu hướng tạo thành kết tủa feric oxyhydroxit hoạt tính rất thấp Tuy nhiên, nếu thêm vào hệ một số phân tử (ligand) hữu cơ nào đó có thể tạo thành

phức chất Fe(III) hữu cơ thì quá trình có thể xảy ra ở pH cao hơn [Balmer, ME, et

al., 1999] Lý do vì phức Fe(III) với các phối tử hữu cơ có thể tan được trong nước nên hạn chế sự mất mát ion Fe bị kết tủa dưới dạng oxyhydroxit Hơn nữa, phức Fe(III) hữu cơ rất hoạt động khi có ánh sáng và dễ dàng tạo ra Fe(II) nên giúp cho

13

quá trình Fenton đạt hiệu quả cao Đó chính là bản chất của quá trình photo Fenton Điều này có ý nghĩa quan trọng khi áp dụng quá trình Fenton vào thực tế do tránh được môi trường pH thấp Tuy nhiên vẫn không tránh khỏi vấn đề phải tách các ion sắt ra sau khi xử lý Những nghiên cứu về quá trình Fenton dị thể xảy ra trên chất xúc tác sắt rắn như Goethite (α-FeOOH) đã giải quyết được vấn đề này, đồng thời

có thể tiến hành quá trình Fenton ngay ở pH trung tính [Lin, S.S and Gurol, M.M., 1996]

Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối

rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, trong khi đó hiệu

quả oxi hóa được nâng cao hơn rất nhiều so với H2O2 sử dụng một mình Áp dụng quá trình Fenton để xử lý nước và nước thải dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất

hữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ Tuy nhiên, trong điều kiện đó phải sử

dụng rất nhiều hóa chất làm cho chi phí xử lý cao Do vậy, trong nhiều trường hợp

chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyển các chất hữu cơ không thể hoặc khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng phân hủy sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau

Hệ tác nhân Fenton cổ điển là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị 2 (thông thường dùng muối FeSO4) và hydrogen peroxit H2O2, chúng tác dụng với nhau sinh

ra các gốc tự do hydroxyl *OH, còn ion Fe2+

dễ bị oxi hóa thành ion Fe3+

Fe3+ + H2O2→ Fe2+

+ H+ + *HO2 (k < 3.10-3 l.mol -1 s -1 ) (1.2)

*OH + H2O2 → H2O + *HO2 (1.3) *OH + Fe2+ → OH-

+ Fe3+ (1.4) *OH + RH → H2O + *R (1.5)

: *R + Fe2+ → Fe3+

+ O2 + Fe3+ (1.10) Phương trình phản ứng Fenton tổng cộng có dạng:

Fe2+ + H2O2 + RH → Fe3+

+ H2O + CO2 (1.11)

Ảnh hưởng độ pH

Trong phản ứng Fenton, độ phân hủy và nồng độ Fe2+ảnh hưởng rất đến tốc độ

phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ Nguyên nhân là trong môi trường acid thì sự khử Fe3+→ Fe2+ xảy ra dễ dàng thuận lợi cho quá trình tạo thành gốc hydroxyl *OH, trong môi trường pH cao thì Fe3+ → Fe(OH)3 làm giảm nguồn tạo ra

Fe2+ Nói chung phản ứng Fenton đồng thể xảy ra thuận lợi khi pH < 4

15

hay Fe 3+ )

Tốc độ phản ứng tăng khi tăng nồng độ H2O2, đồng thời nồng độ H2O2 lại

phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm cần xử lý, đặc trưng bằng tải lượng COD Theo kinh nghiệm, tỷ lệ mol/mol H2O2 : COD thường 0,5 – 1 :1

Tỷ lệ Fe2+

: H2O2 nằm trong khoảng 0,3 - 1 : 10 mol/mol

Việc sử dụng ion Fe2+

hay Fe3+ không ảnh hưởng gì đến tác dụng xúc tác cho

phản ứng Fenton Tuy nhiên, khi sử dụng H2O2 với liều lượng thấp (< 10-15 mg/l

H2O2) nên sử dụng Fe2+ sẽ tiết kiệm được hóa chất

Ảnh hưởng các anion vô cơ

Một số anion vô cơ thường gặp trong nước thải là những ion cacbonat (CO32), bicacbonat (HCO3-), Clorua (Cl-)sẽ tóm bắt các gốc hydroxyl *OH làm hao

tổn số lượng gốc hydroxyl, giảm mất khả năng phản ứng oxi hóa, Những chất tóm

bắt này gọi chung là những chất tìm diệt gốc hydroxyl, những phản ứng săn lùng

như sau:

*OH + CO32- → *CO3 + OH- (1.12)

*OH + Cl → *Cl + OH

-(1.13) , cacbonat (CO32-), bicacbonat (HCO3-), Clorua (Cl-)

, bicacbonat

(SO42-), Nitrat (NO3-), photphat (PO4

chủ yếu là gián tiếp thông qua gốc hydroxyl *OH được tạo ra từ ozone

Trong nước thải, quá trình Peroxon sử dụng để xử lý các chất mang màu

hoặc các chất hữu cơ chứa halogen như tricloetylen (TCE), percloetylen (PCE), diclopropen (DCPE), clopentan (CP A), dicloetan (DCA), các hợp chất của phenol, các alcohol và axit dây ngắn đến mức độ khoáng hóa nhất định Tuy nhiên quá trình này thường dừng lại ở mức độ phân hủy nào đó, nhằm chuyển hóa các

chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành những chất hữu cơ có khả năng dễ bị phân

hủy sinh học, làm cải thiện tỷ số BOD/COD trong nước thải theo chiều thuận lợi để

thực hiện các quá trình xử lý sinh học tiếp theo

19

(1.26) 1 mol H2O2 2 mol O3 2*OH

2O2/O3 0,5 mol H2O2 cho 1 mol O3

1.2.3 / (UV/ Oxidation Processes)

Quá trình UV/oxy hóa bao gồm UV/H2O2 và UV/O3 nhằm tạo ra gốc tự do hyldroxyl *OH thông qua quá trình quang phân H2O2 và O3 dưới tác dụng của bức

xạ UV Quá trình này được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong thời gian gần đây, được phát triển ở mức độ thương mại hóa để xử lý nước và nước thải với mục tiêu sau:

• Loại bỏ các chất ô nhiễm vi lượng và đa lượng trong nước uống và nước sinh

hoạt

• Loại bỏ những sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình khử trùng nước uống và nước sinh hoạt bằng clo

• Xử lý các chất hữu cơ nồng độ thấp trong nước ngầm

• Xử lý các loại nước thải công nghiệp bền vững, khó phân hủy để khử độc tính cũng như để tăng khả năng phân hủy sinh học

Quá trình quang phân O3 dưới tác dụng bức xạ UV sẽ tạo ra H2O2 sau đó, từ

H2O2 lại bị quang phân tiếp tục tạo thành gốc *

OH Quá trình xảy ra như sau:

O3 + hν + H2O → H2O2 + O2 (1.27)

H2O2 + hν → 2*

20

Khi sử dụng nguồn UV là đèn hơi thủy ngân thấp áp với bước sóng 253,7

nm, hệ số hấp thu phân tử của O3 đạt được rất cao, 3.300 l.M-1

cm-1, nên rất thích

hợp trong trường hợp này Hiệu suất tạo gốc *OH đối với hệ O3/UV cao hơn rất nhiều so với hệ H2O2/UV Thực tế cho thấy, khi sử dụng đèn UV có bước sóng 253,7 nm, hiệu suất tạo gốc *OH đối với hệ O3/UV là 2.00 gốc *

OH/photon, trong khi đó hệ H2O2/UV chỉ có 0.09 gốc *

OH/photon [Munter, 2001]

Nếu đưa thêm H2O2 vào hệ O3/UV trở thành hệ UV/O3/H2O2, sự tạo thành

gốc *

OH sẽ được gia tăng nhờ phản ứng như khảo sát trong quá trình Peroxon, hiệu

quả quá trình xem như cao hơn so với hai hệ đã khảo sát O3/UV và H2O2/UV:

H2O2 + 2O3 → 2*

Sự có mặt các chất tìm diệt gốc hydroxyl: làm ảnh hưởng đến tốc độ phản

ứng

Đối với gốc hydroxyl *OH, các chất tìm diệt chúng là bicacbonat và cacbonat hoặc ion clo Ảnh hưởng của chúng thể hiện ở các phương trình phản ứng

với gốc hydroxyl sau:

*OH + HCO3- → *CO3

tạo ra hoạt động rất yếu so với gốc hydroxyl

*OH, tốc độ các phản ứng xảy ra rất nhỏ nhưng không giống nhau với từng chất

Chẳng hạn, ở pH = 7, hằng số tốc độ phản ứng giữa gốc ion *CO3

-, đối với benzen

Tỷ số ion cacbonat/bicacbonat rất khác nhau khi môi trường nước xử lý có

pH khác nhau Cân bằng của chúng thể hiện ở các phương trình sau:

H2CO3 + H2O → H3O+ + HCO3- pKa = 6,35 (1.33) HCO3- + H2O → H3O+ + CO32- pKa = 10,3 ( 1.34)

Độ kiềm cacbonat: là số đo tổng lượng cacbonat trong bể

Qua phương trình trên cho thấy, ở pH trung tính tỷ số cacbonat/bicacbonat là 0,00047; trong khi đó ở pH = 10, tỷ số này là 0,47, có nghĩa hai ion này chiếm số lượng gần như ngang nhau Hằng số tốc độ phản ứng giữa ion cacbonats và gốc hydroxyl rất lớn so với ion bicacbonat như đã thấy rõ ở phương trình (1.30), (1.31) nên ảnh hưởng của ion cacbonat đến sự giảm tốc độ phản ứng chung của quá trình

UV oxy hóa sẽ nhiều hơn Như vậy ở độ kiềm tổng cacbonat không đổi, pH càng cao càng bất lợi cho phản ứng, gốc *OH bị các gốc cacbonat tìm diệt nhiều hơn

Phương trình tốc độ phản ứng

Mặc dù quá trình loại bỏ và vô cơ hóa các chất ô nhiễm hữu cơ bằng quá trình UV oxi hóa là phức tạp, bao gồm một số phản ứng hóa học khác nhau, nhưng động học quá trình tổng thể để xử lý loại bỏ từng thành phần chất ô nhiễm hoặc động học sự suy giảm tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) vẫn có thể mô tả một cách hình thức bằng những biểu thức tốc độ đơn giản, hoặc thứ hạng không, hoặc thứ

hạng đối với chất ô nhiễm

Nói chung Tất cả các quá trình oxi hóa nâng cao đều có thể diễn đạt theo cơ

chế sau [Bolton et al., 2001]

s− Kw), phụ thuộc vào hệ thống và công nghệ:

+ P- Điện năng (kW) cung cấp cho hệ thống

+ V – Thể tích nước xử lý, (1):

+ A – Chất ban đầu, có thể là nước hoặc những chất cho thêm vào ( H O2 2, O3):

+ ∗Z- Chất trung gian hoạt động ( gốc hydroxyl ∗OH ∗H…)

+ B- chất ô nhiễm hoặc TOC:

23

ợp nế ộ chất ô nhiễm cao, có nghĩa [C] có giá trị rất lớn so

với, có nghĩa phản ứng (1.36) chiếm ưu thế hơn so với phản ứng (1.37) của chất săn

bắt gốc tự do ∗Z Trường hợp này, tốc độ phản ứng có thứ hạng không đối với [C]:

Mặt khác, nếu nồng độ chất ô nhiễm thấp, có nghĩa [C] có giá trị rất nhỏ, tốc

độ phản ứng thứ hạng một đối với [C], phương trình có dạng sau:

Như phương trình (1.38 minh họa trên đây về động học của quá trình, hệ

thống có thể chuyển từ động học thứ hạng không sang thứ hạng một trong quá trình

xử lý khi mức độ loại bỏ chất ô nhiễm cao và nồng độ chất ô nhiễm lớn Trong trường hợp đó, cả k C c[ ]hoặc si[ ]i

t

k S

∑ cũng không thể nào thể hiện đầy đủ trong phương trình tốc độ ở trạng thái ổn định (1.39), do đó, động học của quá trình trở nên phức tạp hơn nhiều và không thể diễn đạt bằng phương trình động học thứ hạng không hoặc thứ hạng một như trên

24

NHÀ MÁY SẢN XUẤT VINACAFÉ BIÊN HÒA

2.1

2.1.1 Các đặc điểm chung của cà phê Việt Nam

Việt Nam được chia thành hai vùng khí hậu phù hợp cho chế biến cà phê:

• Vùng Tây Nguyên và tỉnh Đồng Nai: chủ yếu trồng cà phê vối;

• Các tỉnh miền Bắc: chủ yếu trồng cà phê chè;

Trong đó, diện tích cà phê vối chiếm hơn 95% tổng diện tích gieo trồng

Tỷ trọng diện tích 6 vùng trồng cà phê: Đông Bắc và duyên hải Nam Trung

Bộ 0%, Tây Bắc 1%, Bắc Trung Bộ 2 %, Đông Nam Bộ 8%, Tây Nguyên 89%

2.1.2 Chế biến và xuất khẩu cà phê của Việt Nam

Tình hình chế biến và xuất khẩu cà phê của Việt Nam thể hiện ở (hình 2.1 và bảng 2.1)

Nhận xét: Công nghiệp chế biến cà phê chiếm vị trí rất quan trọng trong nền

kinh tế nước ta Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp và dịch vụ khác, nhu cầu về các sản phẩm cà phê ngày càng tăng Năm 2007 là đỉnh cao của xuất

khẩu cà phê, kim ngạch đạt 1,8 tỷ USD tăng 219% và gần 1 tỷ USD so với kế

hoạch Nếu so với năm 2000 thì kim ngạch xuất khẩu đã tăng tới 3,6 lần Đây là

một bước tăng rất đáng kể, hầu như không nông sản nào có thể đạt được Cùng với

sự phục hồi của đơn giá, xuất khẩu cà phê Việt Nam đã đứng thứ nhì thế giới sau Brazil Chính vì vậy, ngành công nghiệp này không thể thiếu được trong đời sống

của người dân

Có thể nói, cà phê tạo nguồn lợi hết sức to lớn về kinh tế: tạo ra các sản

phẩm ngày càng đa dạng để phục vụ trong nước, xuất khẩu khối lượng lớn nhân cà phê để thu nhiều ngoại tệ cho đất nước và tạo ra công ăn việc làm cho người lao động

• Ở công đoạn trích ly có nước thải do rửa bình trích ly, vệ sinh…

• Ở công đoạn ly tâm cũng có lượng nước thải được thải ra trong quá trình rửa bình, vệ sinh thiết bị ly tâm

• Ở công đoạn cô đặc có nước ngưng, nước vệ sinh được thải ra

• Và một lượng nước sinh hoạt được thải ra

Trong ngành chế biến cà phê chất thải rắn cũng đáng quan tâm

Chất thải rắn thường là: bao nylon, bao caton, thủy tinh, nhựa, cà phê thải, bã

cà phê, tạp chất cà phê, rác sinh hoạt…

Khí thải của ngành chế biến cà phê chỉ thải ra trong công đoạn của quá trình

sản xuất cà phê đó là công đoạn rang Ở công đoạn này có khói cà phê, khí do đốt

dầu DO, khí do đốt gas

27

Đối với ngành chế biến cà phê thì vấn đề tiếng ồn và độ rung không ảnh hưởng và tồn tại Quá trình sản xuất không cần nhiệt độ cao, chỉ ở nhiệt độ bình thường, và dây chuyền sản xuất không có công đoạn nào có độ rung cao, vượt chỉ tiêu cho phép mà ảnh hưởng đến công nhân làm việc

2.1.5 Thành phần và tính chất nước thải chiến biến cà phê hòa tan

Bảng 2.2 Thành phần tính chất nước thải chế biến cà phê hòa tan

Nhận xét: nước thải chế biến cà phê hòa tan có hàm lượng ô nhiễm (BOD,

COD, SS) rất lớn, màu cao, gây mùi và chứa các chất khó phân hủy sinh học gây ô nhiễm môi trường xung quanh Nếu không được xử lý triệt để trước khi xả ra nguồn

nhận hay thải ra môi trường

Máy thổi khí