Ứng dụng công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải công nghiệp

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KEO TỤ ĐIỆN HĨA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ Chủ nhiệm nhiệm vụ: Th.S Phan Quang Huy Hoàng 10 ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH ĐỒN TP HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRẺ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KEO TỤ ĐIỆN HĨA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 19/01/2018) Chủ nhiệm nhiệm vụ: (ký tên) Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu (Ký ghi rõ họ tên) Th.S Phan Quang Huy Hồng Cơ quan chủ trì nhiệm vụ PGS.TS Bùi Xuân An Đoàn Kim Thành 11 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 14 DANH MỤC CÁC BẢNG 15 DANH MỤC CÁC HÌNH 16 TÓM TẮT 17 MỞ ĐẦU 19 Lý chọn đề tài 19 Mục tiêu nghiên cứu 23 Phạm vi nghiên cứu 23 Nội dung nghiên cứu 23 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 24 Chương I TỔNG QUAN 25 1.1 Tổng quan nước thải cơng nghiệp khó phân hủy sinh học phương pháp xử lý 25 1.1.1 Nước thải mực in 25 1.1.2 Nước thải cà phê hòa tan 29 1.2 Công nghệ keo tụ điện hóa 30 1.3 Tổng quan nghiên cứu nước 38 Chương II NỘI DUNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐÃ THỰC HIỆN 41 2.1 Nội dung khoa học công nghệ thực 41 2.2 Thực nghiệm xử lý nước thải mực in PTN 42 2.2.1 Vật liệu hóa chất 42 2.2.2 Kết bàn luận 45 2.2.3 Kết luận 54 2.3 So sánh phương pháp keo tụ hóa học với keo tụ điện hóa 54 2.3.1 Vật liệu hóa chất 54 2.3.2 Kết bàn luận 55 2.3.3 Kết luận 60 2.4 Thực nghiệm xử lý nước thải mực in mô hình pilot 61 2.4.1 Vật liệu hóa chất 61 12 2.4.2 Phương pháp tiến hành 63 2.4.3 Kết bàn luận 65 2.4.4 Kết luận 68 2.5 Đề xuất sơ đồ công nghệ áp dụng q trình keo tụ điện hóa xử lý nước thải mực in 69 2.6 Thực nghiệm xử lý nước thải cà phê PTN 70 2.6.1 Vật liệu hóa chất 70 2.6.2 Kết bàn luận 73 2.6.3 Kết luận 83 2.7 Đề xuất sơ đồ công nghệ ứng dụng keo tụ điện hóa xử lý nước thải cà phê 84 Chương III CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 86 Sản phẩm KHCN 86 KẾT LUẬN 88 KIẾN NGHỊ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 98 A.1 Hình ảnh xử lý nước thải in ấn PTN 98 A.2 Hình ảnh xử lý nước thải cà phê PTN 99 A.3 Hình ảnh xử lý nước thải in ấn mơ hình pilot 100 A.4 Bài báo cáo hội thảo 102 A.5 Bài báo đăng t ạp chí 103 A.6 Giấy xác nhận 104 13 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxi sinh học BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxi hóa học EC (Electrocoagulation) Keo tụ điện hóa EF (Electroflotation) Tuyển điện hóa EO (electrooxidation) Oxi hóa điện hóa KCN Khu cơng nghiệp NT1 Nước thải in ấn từ xí nghiệp sản xuất bao bì Cơng ty Cổ phần bảo vệ thực vật An Giang, tỉnh An Giang NT2 Nước thải in ấn Công ty TNHH quốc tế Sianghe, khu công nghiệp Vĩnh Lộc, TP Hồ Chí Minh NT3 Nước thải cà phê PAC (Poly Aluminium Chloride) Phèn nhôm PCB (Printed Circuit Board) Bảng mạch in PTN Phịng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam SBR (Sequencing batch reactors) Bể phản ứng theo mẻ TN (Total Nitrogen) Tổng nito TNHH Trách nhiệm hữu hạn TSS (Total Suspended Solid) Tổng chất rắn lơ lửng UV (UltraViolet) Cực tím US (Ultrasound) Siêu âm 14 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I-1 Nghiên cứu xử lý nước thải in ấn keo tụ điện 39 Bảng I-2 Nghiên cứu xử lý nước thải cà phê keo tụ điện hóa 40 Bảng II-1 Tính chất Tính chất nước thải đầu vào NT1 NT2 43 Bảng II-2 Điều kiện thí nghiệm xử lý nước thải mực in PTN 44 Bảng II-3 Xử lý nước thải mực in keo tụ điện hóa điều kiện tối ưu 53 Bảng II-4 Thành phần tính chất nước thải cà phê 71 Bảng II-5 Điều kiện thí nghiệm nước thải cà phê, mơ hình PTN 72 Bảng II-6 Kết thí nghiệm điều kiện nồng độ chất điện ly NaCl tốc độ khuấy trộn khác (NT3-2) 79 Bảng II-7 Tóm tắt đặc tính vận hành điều kiện thích hợp nước thải cà phê (NT3-2) 82 Bảng II-8 Hệ số động học điều kiện điện khác trình loại bỏ COD độ màu (NT3-2) 83 Bảng III-1 Sản phẩm dạng II: Nguyên lý ứng dụng; Phương pháp; Tiêu chuẩn; Quy phạm; Phần mềm máy tính; Bản vẽ thiết kế; Quy trình cơng nghệ; Sơ đồ, đồ; Số liệu, Cơ sở liệu; Báo cáo phân tích; Tài liệu dự báo (phương pháp, quy trình, mơ hình, ); 86 Bảng III-2 Sản phẩm dạng III: Bài báo; Sách chuyên khảo; sản phẩm khác87 15 DANH MỤC CÁC HÌNH -1 Mơ hình điện keo tụ [18] 31 -1 Sơ đồ nội dung khoa học công nghệ thực 42 -2 Sơ đồ hệ thống keo tụ điện hóa PTN 44 -3 Biến đổi theo thời gian hiệu điện khác của: (a) COD, (b) độ màu mẫu sau xử lý (NT1); (c) COD, (d) độ màu sau xử lý (NT2) 46 -4 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực lên: (a) COD độ màu nước thải sau xử lý; (b) mật độ dòng 48 -5 Ảnh hưởng pH lên COD độ màu nước thải sau xử lý (NT1); (b) Đường mơ tả hịa tan Al(OH)3 (chỉ xem xét dạng nhôm đơn nhân) [23] 48 -6 Ảnh hưởng tốc độ khuấy lên nồng độ COD (trước lắng sau lắng) độ màu (trước lắng) 50 -7 Ảnh hưởng nồng độ NaCl lên nồng độ COD độ màu nước sau xử lý 51 -8 Sơ đồ nghiên cứu xử lý nước thải mực in PAC 55 -9 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý (a) COD, (b) độ màu 56 -10 Sự phân bố phân tử thủy phân nhôm theo pH [36] 57 -11 Ảnh hưởng nồng độ PAC đến hiệu xử lý (a) COD, (b) Độ màu 58 -12 So sánh hiệu xử lý nước thải mực in EC PAC (NT1) 59 -13 Sơ đồ mơ hình pilot 62 -14 Mơ hình pilot: lắp đặt mơ hình đặt mơ hình đặt Cơng ty TNHH quốc tế Sianghe 63 -15 Nước thải đầu vào đầu chế độ xử lý với cặp điện cực, chạy theo mẻ liên tục (mẫu đầu vào: n = 10; mẫu khác: n = 3) 65 -16 Biến đổi COD độ màu theo thời gian thí nghiệm chạy bền (3 cặp cực- NT2 ) 67 -17 Đề xuất sơ đồ cơng nghệ với keo tụ điện hóa bước tiền xử lý nước thải mực in 70 -18 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 72 -19 Khả loại bỏ COD (a) độ màu (c) sử dụng điện cực Al-Al; khả loại bỏ COD (b) độ màu (d) sử dụng điện cực Al-Ti 74 -20 Sự thay đổi mật độ dòng điện điện khác (NT3-2 ) (a) Al-Al, (b) Al-Ti 75 -21 Ảnh hưởng pH đến khả loại bỏ COD độ màu đầu độ giảm khối lượng điện cực (a) điện cực Al-Al, (b) điện cực Al-Ti 76 -22 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu xử lý COD độ màu điện cực Al- Al and Al-Ti (NT3-2) 78 -23 Hiệu trình xử lý nước thải cà phê điều kiện thích hợp với tiêu COD, độ màu, TSS, BOD TN (a) NT3-1, (b) NT3-2 81 -24 Đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải cà phê 85 16 TĨM TẮT Mục đích nghiên cứu ứng dụng công nghệ keo tụ điện hóa để xử lý nước thải mực in từ xí nghiệp sản xuất bao bì Cơng ty Cổ phần bảo vệ thực vật An Giang Công ty TNHH quốc tế Sianghe thuộc khu công nghiệp Vĩnh Lộc, TP Hồ Chí Minh Đối với mơ hình keo tụ điện hóa phịng thí nghiệm (PTN), điều kiện tối ưu (30 V, keo tụ điện hóa thời gian 30 phút, khoảng cách cm, pH nồng độ chất điện ly không điều chỉnh, không khuấy trộn, lắng 30 phút), độ màu gần loại bỏ hoàn toàn khỏi nước thải TSS đầu hai loại nước thải đạt QCVN tương ứng COD xử lý đạt hiệu 95.1% (NT1) 85% (NT2), mẫu đầu NT1 đạt QCVN NT chưa đạt Keo tụ hóa học PAC tiến hành nước thải mực in để so sánh với phương pháp keo tụ điện hóa Điều kiện tối ưu trình bao gồm pH = 7, nồng độ PAC = 0.8 g/l, cho hiệu suất xử lý sau: H COD = 89.9 % Hđộ màu = 99.9 %, thấy độ màu đạt cột B QCVN 40:2011/BTNMT COD chưa đạt Như vậy, phương pháp keo tụ hóa học PAC cho hiệu suất xử lý COD thấp so với phương pháp điện hóa Riêng độ màu hai phương pháp cho hiệu xử lý cao Chi phí xử lý phương pháp keo tụ điện hóa có phần cao chút so với phương pháp keo tụ PAC Mơ hình pilot thiết kế đưa vào chạy thử để xử lý nước thải in ấn Công ty TNHH quốc tế Sianghe Kết cho thấy chế độ chạy theo mẻ cho hiệu xử lý COD độ màu cao hơn, không nhiều so với chạy liên tục Quá trình chạy theo thời gian dài cho thấy tính chất nước đầu vào biến thiên mạnh theo ngày, nước thải đầu có tính chất tương đối ổn định, với độ màu TSS đạt QCVN 10:2011, cột B Mặc dù vậy, COD vượt giá trị cho phép Do đó, q trình keo tụ điện hóa coi bước tiền xử lý hiệu quả, xử lý 77% COD 17 Nghiên cứu mở rộng áp dụng keo tụ điện hóa với đối tượng nước thải công nghiệp nước thải cà phê, với mục đích đưa cơng nghệ xử lý nước thải với hiệu xử lý cao giảm thời gian xử lý, sử dụng cặp điện cực (Al-Al, Al-Ti) Nước thải thực lấy bể thu gom nước thải từ trình sản xuất cà phê hịa tan Cơng ty Cổ phần Vinacafe (KCN Long Thành- Đồng Nai) Điều kiện tối ưu bao gồm: pH 6, điện 30 V, khoảng cách điện cực cm, thời gian 60-75 phút Ở điều kiện này, hiệu loại bỏ COD độ màu 87 99% Chi phí vận hành tương ứng 0.83-1.49 $ /kgCOD (Al-Al) 0.88-1.39 $/kgCOD (Al-Ti) Kết chứng minh keo tụ điện hóa với thiết kế vận hành đơn giản hứa hẹn phương pháp được ứng dụng phổ biến, đặc biệt bước tiền xử lý nước thải cà phê Mặc dù BOD5 đầu nước thải in ấn cà phê thải chưa đạt, tỷ lệ BOD5 /COD loại nước thải sau xử lý tăng đáng kể so với ban đầu: từ 0.43 thành 0.66 (NT 1); 0.42 thành 0.65 (NT 3-2), cho thấy cải thiện khả phân hủy sinh học chúng Mặc dù vậy, kết từ trình xử lý NT2 cho thấy tỷ lệ nước đầu vào sau xử lý có tăng khơng nhiều (0.35 thành 0.41) Dựa vào tính chất nước đầu ra, chúng tơi đề xuất bước xử lý xử lý sinh học cho nước thải cà phê, cho nước thải in ấn (nếu tỷ lệ BOD5 /COD > 0.5) Để áp dụng phương pháp này, yếu tố dinh dưỡng cần quan tâm Bên cạnh xử lý hóa lý bậc cao xúc tác quang có tiềm áp dụng nước thải lúc này, COD cịn lại chủ yếu dạng hịa tan, TSS thấp, thuận lợi cho khả truyền UV qua nước thải 18 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa dẫn tới số lượng nhà máy, xí nghiệp, khu cơng nghiệp tăng lên nhanh chóng Bên cạnh lợi ích kinh tế, nước thải cơng nghiệp vấn đề đáng quan tâm Nước thải từ ngành sản xuất khác có thành phần nhiễm đặc trưng tác động tới môi trường nước khác nhau, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống người Xử lý nước thải phương pháp sinh học coi phương pháp thân thiện với môi trường, giải pháp không hiệu áp dụng cho nguồn nước thải có tỷ lệ BOD/COD