Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.Nghiên cứu xử lý nước thải bằng hệ lọc cải tiến ứng dụng vật liệu tái chế từ chất thải rắn xây dựng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI TRẦN HOÀI SƠN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ LỌC CẢI TIẾN ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TÁI CHẾ TỪ CHẤT THẢI RẮN XÂY DỰNG STUDY ON WASTEWATER TREATMENT BY ADVANCED FILTRATION SYSTEM USING RECYCLED MATERIAL FROM CONSTRUCTION SOLID WASTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường – Công nghệ Môi trường Nước nước thải Mã ngành: 62520320-2 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội, năm 2023 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Trần Thị Việt Nga Người hướng dẫn khoa học 2: GS Ken Kawamoto Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Dung Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải Phản biện 3: PGS.TS Đỗ Khắc Uẩn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Vào hồi ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc gia Thư viện trường Đại học Xây dựng Hà Nội MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Hiện trạng xử lý nước thải (XLNT) Việt Nam có cải thiện, nhiên tỷ lệ nước thải xử lý mức thấp, đô thị đạt 14%, làng nghề đạt 16,1% khu vực nông thôn đạt 20 m2/g AAC độ rỗng tổng số từ 77-80%, độ rỗng xốp vĩ mơ lên tới 37-46%, tỷ lệ lỗ rỗng có r ≥10 μm chiếm đến 70-80% 1.2 Tổng quan xử lý nước thải sử dụng chất thải rắn xây dựng 1.2.1 Xử lý kim loại nặng nước thải CTRXD CTRXD, đặc biệt loại bê tơng thải có đặc tính giống với vật liệu silicat canxi, có thành phần hóa học giàu kim loại, diện tích bề mặt lớn, có tiềm lớn việc sử dụng làm chất hấp phụ KLN Các vật liệu nghiên cứu gồm: Bột đá cẩm thạch, đá ong, bột bê tơng, bê tơng khí, bê tơng chưng áp, Phần lớn nghiên cứu sử dụng nước thải tổng hợp với KLN phổ biến là: Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Dung lượng hấp phụ KLN loại bê tông thải, AAC dao động khoảng rộng tùy thuộc vào kim loại, Pb, Cd KLN phù hợp với vật liệu AAC dung lượng hấp phụ lên tới 20-300 mg/g, hiệu suất xử lý đạt > 90% 1.2.2 Xử lý nước thải sử dụng CTRXD a Xử lý nước thải sử dụng CTRXD Nghiên cứu Dong CS (2016) sử dụng AAC để thay cho vật liệu mang vi sinh bể lọc sinh học để XLNTcho hiệu xử lý COD đạt từ 60,2- 84,6%, hiệu xử lý TP đạt từ 75,8-91,3% Màng vi sinh vật phát triển tốt bề mặt giá thể AAC Li CS (2021) báo cáo, cột lọc sử dụng bê tơng thải có hiệu loại bỏ TP cao lên đến 87,1%, nguyên nhân giải thích thành phần hóa học chứa ion Ca, Fe, Al tham gia vào phản ứng trao đổi ion tạo kết tủa với phốt phát Nghiên cứu Bao CS (2019) cho thấy mơ hình lọc sinh học sử dụng AAC có hiệu tốt mơ hình sử dụng hạt giá thể Caramite thương mại (tỷ lệ loại bỏ TN tương ứng 45,96% 15,64%, tỷ lệ loại bỏ PO43- 72,45% 33,97%) Nhờ độ rỗng xốp lớn, mạng lưới lỗ rỗng liên thơng, diện tích bề mặt lớn bề mặt thơ ráp AAC cho thích hợp cho phát triển màng sinh học vi sinh vật Sự phát triển lỗ rỗng bên AAC thúc đẩy việc loại bỏ phốt nitơ b Xử lý phốt nước thải sử dụng CTRXD Các nghiên cứu đánh giá khả hấp phụ P CTRXD AAC thực thông qua nghiên cứu hấp phụ tĩnh hấp phụ động Q trình hấp phụ hóa học chủ đạo, bao gồm phản ứng trao đổi ion tạo kết tủa phốt phát Ca3(PO4)2, AlPO4.2H20, MgHPO4.3H20) phức chất HAP(Ca5(OH)(PO4)3) kết tủa bề mặt vật liệu hấp phụ 1.2.3 Hệ lọc cải tiến xử lý nước thải sinh hoạt Các hệ lọc cải tiến xử lý NTSH phân tán kết hợp bể lọc sinh học, hào lọc, dạng bãi lọc ngầm sử dụng vật liệu rỗng xốp hấp phụ P (Filtralite P) để tăng hiệu XLNT, áp dụng rộng rãi nước phát triển Các hệ lọc cho hiệu loại bỏ BOD > 80%, TP > 94%, TN 32-64%, nước thải sau xử lý đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường AAC vật liệu rỗng xốp thành phần giàu Ca, vật liệu có tiềm làm vật liệu hấp phụ P vật liệu mang vi sinh hệ lọc cải tiến để XLNT 1.3 Tiềm ứng dụng AAC cơng trình XLNT 1.3.1 Các đối tượng nhiễm nước thải xử lý AAC a Kim loại nặng: phát nhiều loại nước thải từ lĩnh vực khác nước thải khai thác mỏ, nước thải công nghiệp xi mạ, nước thải từ làng nghề tái chế kim loại, nước rỉ rác, Các KLN phổ biến nước thải Pb, Cd, As, b Nước thải sinh hoạt (NTSH): xếp vào loại có tải lượng thấp với đặc trưng hàm lượng chất hữu thấp Hàm lượng chất ô nhiễm NTSH Hà Nội tương đối thấp: COD < 300 mg/L, NH4-N từ 5-25 mg/L, TN từ 5-55 mg/L, TP từ 1,3-21,5 mg/L c Nước thải giàu phốt pho: Phốt nước thải tồn dạng P hữu cơ, phốt phát đơn tan nước, poly phốt phát trùng ngưng, loại muối phốt phát phốt tế bào sinh khối Hàm lượng TP NTSH từ 1,3-21,5 mg/L, nước rỉ rác từ 4,3-25 mg/L, nước thải nhà máy chế biến thực phẩm (bơ sữa) từ 6-500 mg/L 1.3.2 Các cơng trình XLNT phân tán có tiềm sử dụng AAC Các cơng trình XLNT phân tán phổ biến: Bể tự hoại cải tiến có ngăn lọc kỵ khí; Bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn; Bể lọc kỵ khí; Bãi lọc trồng cây; Bể lọc sinh học; Cánh đồng tưới; Cánh đồng lọc; Hào lọc ngầm Các cơng trình kết hợp tạo thành hệ lọc XLNT điều kiện tự nhiên CTRXD bê tơng AAC sử dụng làm vật liệu lọc, giá thể mang vi sinh cơng trình 1.4 Định hướng nghiên cứu Định hướng nghiên cứu luận án chứng minh khả xử lý đối tượng ô nhiễm nước thải sử dụng vật liệu AAC, bao gồm khả làm vật liệu hấp phụ, xử lý số KLN (Pb, Cd, As), phốt phát; khả làm vật liệu mang vi sinh hệ lọc sinh học để xử lý NTSH AAC Từ đó, nghiên cứu mở hướng áp dụng chất thải AAC hệ, dây chuyền XLNT chi phí thấp CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BÊ TÔNG THẢI AAC 2.1 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ Hấp phụ tích lũy chất bề mặt phân cách pha Trong XLNT, nói phương pháp hấp phụ tức nói hấp phụ chất nhiễm hịa tan bề mặt phân cắt pha lỏng rắn Chất ô nhiễm nước chịu tác dụng lực: Lực tác dụng tương hỗ phân tử chất tan với phân tử dung môi; Lực tác dụng tương hỗ phân tử chất tan với phân tử vật liệu hấp phụ 2.1.1 Một số khái niệm trình hấp phụ a Dung lượng hấp phụ lượng chất bị hấp phụ giữ lại (𝐶 − 𝐶 ).𝑉 đơn vị khối lượng vật liệu:q= 𝑜 𝑐𝑏 (2.1) 𝑚 b Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ tỷ số nồng độ dung dịch bị hấp phụ nồng (𝐶 − 𝐶 ) độ dung dịch ban đầu: 𝐸 = 𝐶 𝑐𝑏 × 100 (2.2) c Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Phương trình Langmuir biểu diễn theo phương pháp đồ thị: 𝐶𝑐𝑏 1 = 𝑏𝑞 + 𝑞 𝐶𝑐𝑏 (2.3) 𝑞 𝑚 𝑚 d Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Phương trình phi tuyến tính mơ hình đẳng nhiệt Freundlich 1/𝑛 biểu diễn theo công thức: qe = Kf.𝐶𝑒 , (n>1) (2.4) Và dạng đồ thị: Logqe = logK f + logCe (2.5) 𝑛 2.1.2 Động học hấp phụ a Phương trình động học biểu kiến bậc (2.6) b Phương trình động học biểu kiến bậc (2.7) 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ môi trường nước Tỷ lệ nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ chất hấp phụ; Nhiệt độ; Bản chất chất hấp phụ bị hấp phụ; pH dung dịch 2.2 Cơ sở khoa học hấp phụ/loại bỏ KLN, phốt phát AAC 2.2.1 Đặc điểm vật liệu AAC AAC có độ rỗng tổng số từ 77-80%, nhiều mạng lưới lỗ rỗng liên thông, độ rỗng xốp vĩ mơ từ 37-46%, diện tích bề mặt > 20 m2/g, AAC mang đặc tính vật liệu slicat canxi, thể tính kiềm, giải phóng gốc OH-, từ tham gia phản ứng tạo kết tủa với ion KLN Thành phần kim loại Ca, Al, Fe tạo điều kiện cho phản ứng trao đổi ion, tạo phức với ion KLN, phốt phát nước thải để hình thành nên kết tủa phức chất bề mặt 2.2.2 Các chế q trình hấp phụ KLN AAC Cơ chế việc loại bỏ KLN vật liệu silicat canxi chủ yếu điều chỉnh chế ba bước năm bước, chẳng hạn thủy phân, hydrat hóa, trao đổi ion, tạo phức bề mặt, kết tủa bề mặt 2.2.3 Các chế q trình hấp phụ phốt phát AAC Việc loại bỏ P AAC q trình đồng thời q trình hịa tan Ca/kiềm, ion kim loại, hấp phụ bề mặt kết tủa hóa học, sản phẩm là: Ca3(PO4)2, Ca5(OH)(PO4)3, MgHPO4, AlPO4 2.3 Cơ sở khoa học XLNT màng lọc sinh học sử dụng vật liệu AAC 2.3.1 Cơ chế trình XLNT màng vi sinh vật dính bám Vi khuẩn phát triển bám chặt vào hầu hết bề mặt, tạo thành cộng đồng phức tạp mặt kiến trúc gọi màng sinh học Màng sinh học bao gồm vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật sinh vật khác Cơ chế xử lý trình lọc – hấp thụ nhờ màng sinh học vật liệu, giá thể lọc 2.3.2 Cơ chế XLNT bể lọc, hào lọc tiếp xúc sinh học a Cơ chế xử lý chất hữu có khả phân hủy sinh học Phân hủy sinh học (hiếu khí thiếu khí) đóng vai trị lớn việc loại bỏ chất hữu dạng hịa tan, dạng keo có khả phân hủy sinh học nước thải; Quá trình lắng lọc b Cơ chế xử lý hợp chất nitơ Sự bay amoniac; nitrat hóa/khử nitrat số chế khác c Cơ chế xử lý hợp chất phốt Hấp phụ kết tủa lên bề mặt vật liệu lọc, dự trữ sinh khối tích tụ vào trầm tích d Cơ chế xử lý vi khuẩn vi rút Các q trình vật lý dính kết lắng, lọc, hấp phụ; điều kiện môi trường không thuận lợi (pH, nhiệt độ, xạ mặt trời, thiếu dinh dưỡng) e Cơ chế loại bỏ chất rắn Quá trình lọc, lắng phân hủy sinh học, hút bám, hấp phụ lên vật liệu lọc, vật liệu đỡ nhờ lực hấp dẫn Van der Waals, chuyển động Brown 12 Bảng 3.3 Thơng số thí nghiệm XLNT liên tục Q HRT Q tuần hoàn Thời gian (ngày) (L/ngày) (giờ) (L/ngày) GĐ 0-65 15 26-27 GĐ 65-110 10 39-40 13 (130% Q) 110-155 15 26-27 13 (86% Q) GĐ 155-200 20 19-20 13 (64% Q) 3.3 Phương pháp phân tích, đánh giá luận án 3.3.1 Đánh giá thành phần, hình thái học bề mặt vật liệu Thành phần hóa học AAC phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) phân tích phổ tán xạ tia X (EDX/EDS) thực phịng thí nghiệm trường Đại học Saitama Nhật Bản Trường Đại học Khoa học tự nhiên Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) giúp quan sát ảnh chụp bề mặt, cấu trúc vật liệu 3.3.2 Đánh giá tiêu chất lượng nước Phương pháp phân tích kim loại nặng: Các tiêu KLN gồm As, Cd, Pb phân tích theo tiêu chuẩn phân tích nước thải SMEWW 3125 (2012) Phương pháp AAS viết tắt từ phương pháp phổ hấp thu nguyên tử Phương pháp phân tích tiêu nhu cầu oxy hóa học (COD), Tổng phốt (TP), Tổng ni tơ (TN), Amoni nước (NH4-N): Các tiêu phân tích theo tiêu chuẩn hành Việt Nam quốc tế tương đương, bao gồm SMEWW 5220C: (2012), TCVN 6179–1 (1996), TCVN 6638 (2000), TCVN 6202 (2008) Việc lấy mẫu nước để phân tích tiêu thực lần/tuần, đo máy đo so màu HACH DR/890 Phương pháp đo tiêu pH, DO: Theo tiêu chuẩn TCVN 6492 (2011), TCVN 7325 (2004), sử dụng máy đo cầm tay hãng Horiba PC110, Japan Tính tốn: Hiệu suất xử lý (E%), Dung lượng hấp phụ thời điểm t (Qt, mg/g) Dung lượng hấp phụ trạng thái cân (Qe, mg/g), 𝐶 −𝐶 tính từ phương trình sau: 𝐸 = 𝑜𝐶 𝑒 × 100 (3.1); 𝑄𝑡 = 𝐶𝑜 −𝐶𝑡 𝑚𝑠 × 𝑉 (3.2); 𝑄𝑒 = 𝐶𝑜 −𝐶𝑒 𝑚𝑠 𝑜 (3.3) Với Co Ce (mg/L) nồng độ ban đầu nồng độ cuối ion dung dịch, Ct (mg/L) nồng độ thời điểm t V thể tích dung dịch (L) ms 13 khối lượng bột hấp phụ sử dụng (g) Qt (mg/g) dung lượng hấp phụ thời điểm t (phút) Qe (mg/g) dung lượng hấp phụ trạng thái cân ứng với nồng độ Ce (mg/L) CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Đặc tính hóa lý vật liệu hấp phụ 4.1.1 Thành phần hóa học vật liệu AAC có hàm lượng SiO2: 55,18%, CaO: 28,89% Al2O3: 2,76%, Fe2O3: 1,72%, K2O: 0,87%, MgO: 0,63% thể vật liệu có tính kiềm, AAC trung hịa nước thải có tính axit q trình hấp phụ Hàm lượng cao kim loại AAC cho thấy khả phản ứng trao đổi ion với KLN, hấp phụ bề mặt với chất nhiễm 4.1.2 Điểm tích điện khơng (pHpzc) vật liệu Điểm điện tích khơng vật liệu AAC khoảng pH Khi pH dung dịch < pHpzc (pH pHpzc (pH>5), bề mặt vật liệu mang điện tích âm (-) hấp phụ cation (+) tốt 4.1.3 Các thông số kỹ thuật khác vật liệu AAC có khối lượng thể tích từ 550-750 kg/m3, cường độ nén trung bình 2,5-5 Mpa, độ rỗng tổng số từ 77-80%, độ rỗng xốp vĩ mơ lên tới 37-46%, diện tích bề mặt BET AAC 21 -24 (m2/g) 4.2 Đánh giá hiệu hấp phụ KLN yếu tố ảnh hưởng 4.2.1 Dung lượng hấp phụ số kim loại AAC a Dung lượng hấp phụ theo thời gian (Qt) Dung lượng hấp phụ AAC tỉ lệ thuận với thời gian tiếp xúc hấp phụ Trong điều kiện thí nghiệm, thời gian cân hấp phụ với Cd(II) As(V) 16-24 giờ, Pb(II) sau 0,5 Hiệu suất loại bỏ Pb sau 30 phút đạt > 90% Hiệu suất xử lý Cd đạt từ 21-99%, hiệu suất xử lý As tăng từ 6-17% tăng thời gian phản ứng từ 0,5-24 b Ảnh hưởng pH tới hiệu xử lý theo thời gian pH dung dịch tăng lên theo thời gian phản ứng, pH dung dịch sau hấp phụ >7, điểm pHpzc AAC khoảng pH 5, AAC có điện ζ mang giá trị âm (-) cation kim loại nặng Pb2+, Cd2+… mang diện tích (+) nên bị hấp phụ bề mặt mang điện tích (-) hạt AAC Chính vậy, hiệu hấp phụ Pb Cd nâng lên pH tăng lên Asen tồn chủ yếu dạng anion (AsO43-) nên khó cố định AAC, hiệu 14 hấp phụ thấp so với hấp phụ Pb, Cd c Dung lượng hấp phụ cực đại AAC theo nồng độ thí nghiệm Ở điều kiện thí nghiệm với dải nồng độ từ 0-5000 mg/L, dung lượng hấp phụ Cd cực đại khoảng 9,0-9,2 mg/g đạt điểm cân khoảng Ci 2000 mg/L, dung lượng hấp phụ cực đại As đạt 2,0-2,2 mg/g, đạt điểm cân khoảng Ci 2000 mg/L Dung lượng hấp phụ Pb AAC đạt khoảng 50 mg/g chưa đạt tới giá trị cân khảo sát tới nồng độ Ci 5000 mg/l Khi thay đổi tỷ lệ khảo sát chất hấp phụ (gam)/dung dịch (ml) 1/100, kết thu cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại Pb(II) lên đến 250 mg/g Bảng 4.1 Tổng hợp kết thí nghiệm hấp phụ theo mẻ AAC Kim Tỷ lệ chất hấp phụ/ Thời gian hấp Dung lượng loại Dung dịch (g/mL) phụ cân hấp phụ cực đại As 1/10 16-24 2,0-2,2 mg/g Cd 1/10 16-24 9-9,2 mg/g Pb 1/100 0,5 230 -250 mg/g 4.2.2 Đánh giá trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Các kết cho thấy mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich phù hợp để mơ tả q trình hấp phụ Cd Pb, As (R2> 0,89) Bảng 4.2 Thông số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ KLN AAC Langmuir Fruendlich Vật Kim liệu Tỷ lệ b Qm R² Kf 1/n R² loại AAC L/mg mg/g mg/g 3-5 0,2700 9,26 0,999 1,507 0,282 0,887 1:10 Cd 5-10 0,0641 8,96 0,999 1,222 0,296 0,892 3-5 0,0018 2,35 0,972 0,022 0,591 0,964 1:10 As 5-10 0,0016 2,13 0,963 0,013 0,653 0,945 3-5 0,0034 256,41 0,998 16,99 0,305 0,951 1:100 Pb 5-10 0,0022 232,56 0,997 11,96 0,327 0,941 Ảnh hưởng kích thước hạt Kết tính tốn cho thấy vật liệu AAC có kích cỡ nhỏ có dung lượng hấp phụ lớn có diện tích bề mặt lớn 4.2.3 Kết nghiên cứu động học hấp phụ ion kim loại AAC Kết nghiên cứu động học hấp phụ bậc bậc hai trình hấp phụ KLN vật liệu AAC thể Bảng 4.3 15 Bảng 4.3 Động học trình hấp phụ KLN AAC qe thực Động học bậc Động học bậc Vật Kim nghiệm qe qe liệu K1 R² K2 R² loại -1 AAC mg/g mg/g (g/mg.ph) mg/g ph 4,20 4,90 5,18 3-5 0,956 0,998 0,0076 0,0028 Cd 5-10 0,0035 0,953 3,39 4,52 0,0016 0,997 4,99 3-5 0,00253 0,833 0,38 0,93 0,0254 0,998 0,95 As 5-10 0,00207 0,832 0,13 0,75 0,0922 0,997 0,76 3-5 0,991 0,999 4,68 0,1716 0,902 2,21 4,69 Pb 5-10 0,802 0,999 4,68 0,1769 0,901 1,94 4,69 Với hệ số tương quan R cao (>0,99) giá trị qe (mg/g) gần với giá trị qe thực nghiệm nên kết luận mơ hình biểu kiến bậc hai mơ tả tốt cho trình hấp phụ ion KLN lên vật liệu AAC 4.2.4 Sự loại bỏ đồng thời kim loại nặng Khi xử lý đồng thời Pb Cd dung lượng hấp phụ hiệu suất loại bỏ Pb(II) cao so với Cd(II), bán kính ngậm nước Pb(II) 4,01 Å nhỏ so với Cd(II) 4,26 Å, Pb(II) tạo lực lớn chất hấp phụ Bên cạnh đó, Pb tạo kết tủa điều kiện pH thấp (pH > 7) so với Cd (pH > 9) Bảng 4.4 Kết hấp phụ đồng thời Pb Cd AAC m V Ci Ce Qe E AAC KLN (g) (ml) (mg/l) (mg/l) (mg/g) (%) Cd 10,06 100,00 508,14 108,00 3,98 78,75 3-5 Pb 10,06 100,00 504,08 5,03 4,96 99,00 Cd 10,01 100,00 508,14 171,00 3,37 66,35 5-10 Pb 10,01 100,00 504,08 5,93 4,98 98,82 4.2.5 Cơ chế hấp phụ loại bỏ kim loại nặng AAC a Cơ chế trình hấp phụ loại bỏ Pb Cd AAC mang đặc trưng vật liệu silicat canxi, việc loại bỏ KLN chủ yếu điều chỉnh chế năm bước thủy phân, hydrat hóa, trao đổi ion, tạo phức bề mặt, kết tủa bề mặt Trao đổi ion Ca2+, tạo phức bề mặt kết tủa chế hấp phụ KLN AAC; có nghĩa phản ứng vật liệu canxi silicat với nước tạo hyđrat canxi silicat (C-S-H) canxi hiđroxit (CH) q 16 trình hydrat hóa, chất hoạt động vị trí hấp phụ KLN Các phản ứng hydrat hóa [phương trình (4.1)] hình thành nhóm chức Ca-OH cạnh tobermorite Sau đó, ion KLN bị thủy phân [phương trình (4.2)] phản ứng với nhóm chức góp phần vào trình hấp phụ KLN Điều hỗ trợ AAC mang điện âm, pHpzc AAC khoảng pH 5, nên có khả thu hút cation nước [1] Hydrat hóa bề mặt chất hấp phụ: (X, Si – O)2−Ca2+ + 2H2O → 2(X, Si − O) −H+ + Ca2+ + 2OH(4.1) [2] Sự tạo kết tủa bề mặt ion kim loại: M2+ + 2(OH)− → M(OH)2 (4.2) 2+ Phân tích hàm lượng Ca dung dịch sau hấp phụ cho thấy tăng lên tỉ lệ với nồng độ dung dịch KLN sử dụng, theo lượng Ca2+ giải phóng tuyến tính với hấp phụ kim loại (R2> 0,97) Điều cho thấy hấp phụ hóa học trao đổi ion (giữa Ca2+ Cd2+, Pb2+) bề mặt chất hấp phụ ngậm nước chế hấp phụ chủ đạo hấp phụ KLN AAC (Phương trình (4.3) (4.4)) [3] Phản ứng trao đổi bề mặt chất hấp phụ: (X, Si – O) 2− Ca2+ + M2+ → (X, Si – O) 2− M2+ + Ca2+ (4.3) (X, Si – O) 2− Ca2+ + 2M(OH)+ → 2(X, Si – O)− M(OH)+ + Ca2+ (4.4) Ngoài ra, kết tủa bề mặt KLN pH dung dịch [phương trình (4.5)] Cd(II) Pb(II) có khả kết tủa dạng hydroxit kim loại pH dung dịch đạt Cd(II) Pb(II) Dung dịch sau hấp phụ có pH > Cd(II) pH > Pb(II), Ci < 2000 mg/L Điều ngụ ý kết tủa bề mặt KLN góp phần vào việc loại bỏ KLN nước với trao đổi ion [4] Sự tạo kết tủa bề mặt ion kim loại: M2+ + 2(OH)− → M(OH)2 (4.5) Mặt khác, nồng độ KLN ban đầu cao (Ci ≥ 2.000 mg/L), phản ứng trước khơng thể thực pH dung dịch thấp Sự hấp phụ chuyển sang dạng hấp phụ đa lớp Ci> 2.000 mg/L Với gia tăng nồng độ Ci hấp phụ kim loại, pH sau hấp phụ giảm liên tục thấp Điều gây deprotonation từ bề mặt silicat canxi, kết hình thành phức chất bề mặt AAC (phương trình (4.6)), phân tán OH− 17 kết tủa bề mặt góp phần làm tăng độ hấp phụ giảm pH sau hấp phụ [5] Sự hình thành phức chất bề mặt AAC: 2(X, Si – O) − H+ + M2+ → (X, Si – O) 2−M2+ + 2H+ (4.6) (Trong phương trình M = Cd, Pb) b Cơ chế hấp phụ, loại bỏ Asen Trong nước thải tổng hợp (H3AsO4), As tồn chủ yếu dạng anion AsO43- Trong mơi trường kiềm, AAC mang điện tích (-), AsO43- khó cố định AAC Cơ chế hấp phụ As diễn chủ yếu giai đoạn đầu, q trình thủy phân bê tơng chưa kịp diễn ra, lúc dung dịch H3AsO4 có pH< 3, tức pH dung dịch < pHpzc (0,9 Hằng số hấp phụ theo mô hình Langmuir b (L/mg) hấp phụ Cd(II) là: 0,0641-0,270; As(V): 0,0016-0,0018; Pb(II): 0,0022-0,0034; phốt phát: 2,8092-4,8836 Hằng số hấp phụ theo mơ hình Fruendlich Kf (mg/g) hấp phụ Cd(II) là: 1,222-1,507; As(V): 0,0130-0,0215; Pb(II): 11,965-16,990; phốt phát: 0,612-0,702 - Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai mơ tả tốt cho q trình hấp phụ Pb(II), Cd(II), As(V), phốt phát vật liệu AAC, cho mối quan hệ tuyến tính với hệ số tương quan cao (R2 > 0,99), giá trị qe gần với giá trị qe thực nghiệm so với giá trị qe tính theo mơ hình hấp phụ biểu kiến bậc Hệ số động học hấp phụ bậc K1 (phút-1) hấp phụ Cd(II) là: 0,0035-0,0076; As(V): 0,00207-0,00253; Pb(II): 0,1716-0,1769; phốt phát: 0,0042-0,0051 Hệ số động học hấp phụ bậc K2 (g/mg.phút) hấp phụ Cd(II) là: 0,0016-0,0028; As(V): 0,02543-0,0922; Pb(II): 0,802-0,991; phốt phát: 0,0548-0,0863 - Thời gian hấp phụ cân Pb khoảng 0,5 giờ, Cd As 16-24 giờ, phốt phát khoảng Ở điều kiện thí nghiệm R:L = 1:100, dung lượng hấp phụ cực đại AAC với Pb(II) cao đến 250 mg/g, tỷ lệ R:L = 1:10, dung lượng hấp phụ cực đại Cd(II) 9,2 mg/g As(V) 2,2 mg/g, phốt phát 1,1 mg P/g (tại điều kiện thí nghiệm R:L = 1:25) Khi xử lý đồng thời Pb Cd thứ tự ưu tiên, hiệu xử lý Pb(II) > Cd(II) Hệ lọc cải tiến sử dụng vật liệu AAC có hiệu cao việc xử lý nước thải sinh hoạt, thời gian lưu nước tối ưu hệ lọc ≥ 26 giờ, tỷ lệ dòng tuần hồn tối ưu 80-130%, hiệu loại bỏ COD, tổng phốt đạt, nitơ amoni > 90% hiệu loại bỏ tổng nitơ đạt > 60% - Hệ thống lọc sinh học tiếp xúc sử dụng vật liệu AAC (gồm bể lọc dòng chảy thẳng đứng nhỏ giọt → bể lọc dòng chảy ngầm → bể lọc tiếp xúc dịng chảy ngầm) xử lýNTSH có phạm vi hiệu loại bỏ COD 60-94%, TN = 22-71%, NH4-N = 31-99%, TP = 73-100% 24 Khi tăng tỷ lệ tuần hoàn (từ lên 130%) thời gian lưu nước (từ 20 lên 40 giờ), hiệu xử lý COD tăng lên 10% (đạt >90%), TN tăng lên thêm 35% (đạt >70%), NH4-N tăng lên thêm 40% (đạt >90%), TP tăng lên thêm 5% (đạt >90%) - Chế độ hoạt động tốt hệ thống ứng với thời gian lưu nước từ 26-40 giờ, lưu lượng tuần hoàn từ 80-130%, lúc hiệu suất xử lý COD, NH4-N >90%, TN > 60% TP >90%, hàm lượng cặn, độ đục thấp Chất lượng nước thải đầu đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia nước thải sinh hoạt xả thải vào nguồn nước mặt theo thông số khảo sát, đặc biệt với hàm lượng TP thấp (