Nghiên cứu ứng dụng quá trình khử trùng điện hóa tại chỗ để xử lý nước sông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH ĐẠT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG ĐIỆN HÓA TẠI CHỖ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC SÔNG TREATMENT OF RIVER WATER BY IN-SITU ELECTROCHEMICAL DISINFECTION Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Phan Thanh Lâm TS Hoàng Thị Tuyết Nhung Cán phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong Cán phản biện 2: TS Nguyễn Thái Anh Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM ngày 29 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS Đặng Viết Hùng Cán phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tấn Phong Cán phản biện 2: TS Nguyễn Thái Anh Ủy viên Hội đồng: TS Huỳnh Thị Ngọc Hân Thư ký Hội đồng: TS Lê Thị Huỳnh Trâm Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH ĐẠT MSHV: 2270003 Ngày, tháng, năm sinh: 03/08/1999 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 Tên đề tài Nghiên cứu ứng dụng q trình khử trùng điện hóa chỗ để xử lý nước sông Treatment of river water by in-situ electrochemical disinfection Nhiệm vụ đề tài luận văn - Phân tích mẫu nước sơng Sài Gịn: độ đục, độ màu, tổng Fe, tổng Nitơ, Coliforms,… - Phân tích vật liệu than chì SEM/EDX, XRD - Thực thí nghiệm đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến q trình khử trùng điện hóa như: thời gian, cường độ dòng điện, pH, khoảng cách - Sử dụng phần mềm Design Expert để tìm điều kiện tối ưu cho mơ hình ‐ Biến tính vật liệu Graphite phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt xác định khả khả trùng vật liệu điều kiện tối ưu Ngày giao nhiệm vụ (Ghi theo định giao đề tài): 06/02/2023 Ngày hoàn thành nhiệm vụ (Ghi theo định giao đề tài): 11/06/2023 Cán hướng dẫn (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Phan Thanh Lâm TS Hoàng Thị Tuyết Nhung CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Tp HCM, ngày … tháng… năm 2023 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠỌ (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN (Họ tên chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian vừa qua, em thầy khoa Mơi trường tài ngun tận tình dạy truyền đạt kiến thức quý báu Luận văn tốt nghiệp hội để em tổng hợp lại kiến thức học vận dụng vào thực tế để đúc kết kinh nghiệm cho thân tảng tốt cho cơng việc sau Để hồn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô hướng dẫn tận tình hướng dẫn, cung cấp cho em kiến thức quý báu trình học làm luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Môi trường tài nguyên giảng dạy, dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành đề cương Do lần đầu thực nghiên cứu, kiến thức hạn chế, kinh nghiệm chưa có nên phần nội dung cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy ,cô nhằm rút kinh nghiệm cho công việc sau Trân trọng cảm ơn ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu này, nước sơng Sài Gịn xử lý phương pháp keo tụ, lắng, lọc khử trùng điện hóa thay cho phương pháp khử trùng truyền thống clo Các than chì có bán thị trường sử dụng làm điện cực song song để khử trùng điện hóa thí nghiệm Một số thử nghiệm thực để điều tra ảnh hưởng yếu tố độ pH, khoảng cách điện cực, mật độ dòng điện thời gian tiếp xúc hiệu khử trùng Kết cho thấy điện cực làm than chì hoạt động tốt điều kiện axit yếu trung tính Mật độ để loại bỏ hoàn toàn Coliforms 1,6 – 2,0 mA/cm2 Đồng thời, khoảng cách điện cực 3, 5, cm cho hiệu suất loại bỏ Coliforms 100%, 100%, 98,62% 98,62% Những kết cho thấy khử trùng điện hóa giải pháp thay tiềm lớn cho khử trùng truyền thống clo tạo sản phẩm phụ khử trùng thấp nhà máy xử lý nước cấp ABSTRACT In this study, the water of the Saigon River was treated by coagulation, sedimentation, filtration, and electrochemical disinfection instead of traditional disinfection using chlorine Commercially available graphite plates were used as parallel electrodes for the electrochemical disinfection in the experiments Several tests were carried out to investigate the influence of factors such as pH, electrode distance, current density, and contact time on the disinfection effect The results showed that electrodes made of graphite worked well under weak acidic and neutral conditions The current density for complete Coliforms removal was 1.6 – 2.0 mA/cm2 At the same time, the electrode distance of 3, 5, 7, and cm gives Coliforms removal efficiencies of 100%, 100%, 98.62%, and 98.62%, respectively These results showed that electrochemical disinfection could be a great potential alternative to traditional disinfection by chlorine since it would be low in disinfection by-product production in supply water treatment plant iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung kết nghiên cứu luận văn “ Nghiên cứu ứng dụng trình khử trùng điện hóa chỗ để xử lý nước sông” sản phẩm nghiên cứu cá nhân tơi Sản phẩm phân tích cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng chưa cơng bố hình thức Tơi xin cam kết sẵn sàng chịu toàn trách nhiệm có thiếu trung thực thơng tin hay kết sử dụng cơng trình nghiên cứu Học viên thực Nguyễn Thành Đạt iv MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ix DANH MỤC BẢNG xi CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 1.5.1 Ý nghĩa khoa học 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.6 Tính đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan lý thuyết 2.1.1 Một số tính chất nước mặt sơng Sài Gòn 2.1.2 Hệ thống xử lý nước cấp 2.1.3 Các loại vi khuẩn điện hình nước 2.2 Tổng quan phương pháp 2.2.1 Cơng nghệ khử trùng điện hóa 2.2.2 Vật liệu điện cực 11 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình 13 2.3 Tổng quan nghiên cứu nước 16 v CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 3.1 Sơ đồ nghiên cứu 21 3.2 Hóa chất, thiết bị mơ hình thí nghiệm 22 3.2.1 Hóa chất thiết bị 22 3.2.2 Mơ hình thí nghiệm 24 3.3 Phương pháp nghiên cứu 25 3.3.1 Phương pháp phân tích Coliforms 25 3.3.2 Phương pháp phân tích pH, độ đục, độ màu 28 3.3.3 Phương pháp thí nghiệm Jartest [22] 29 3.3.4 Phương pháp phân tích Chlorine tự 30 3.3.5 Phương pháp phân tích sắt tổng 30 3.3.6 Phương pháp phân tích NH4+ 30 3.3.7 Phương pháp phân tích số Pemanganat 30 3.4 Nội dung nghiên cứu 30 3.5 Phương pháp phân tích liệu 30 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .32 4.1 Nội dung 1: Xác định khả khử trùng vật liệu Graphite 32 4.1.1 Kết Jartest tiêu nước đầu vào 32 4.1.2 Phân tích vật liệu điện cực 33 4.1.3 Ảnh hưởng mật độ dòng điện 35 4.1.4 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 36 4.1.5 Ảnh hưởng pH 38 4.1.6 Ảnh hưởng khoảng cách hai điện cực 40 4.1.7 Tối ưu điều kiện xử lý phần mềm Design Expert 41 4.2 Nội dung 2: Biến tính vật liệu Graphite phương pháp phủ lớp Cu2O lên bề mặt xác định khả khả trùng vật liệu điều kiện tối ưu 45 vi 4.2.1 Phương pháp thực 45 4.2.2 Phân tích vật liệu 45 4.2.3 Thực thí nghiệm 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VẦ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BOD - Biological Oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh học BTNMT - Bộ Tài nguyên Môi trường COD - Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hóa học MT - Mơi trường QCVN - Quy chuẩn Việt Nam TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam TN - Total Nitrogen - Tổng Nitơ TP - Total Phosphorus - Tổng phospho TPHCM - Thành phố Hồ Chí Minh TSS - Total suspended solids - Tổng chất rắn lơ lửng EDS - Energy-dispersive X-ray spectroscopy- Phổ tán sắc lượng SEM - Scanning Electron Microscope - Quét kính hiển vi điện tử XRD - X-ray Diffraction - Nhiễu xạ tia X viii Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu ứng dụng q trình khử trùng điện hóa chỗ để xử lý nước sông HVTH: Nguyễn Thành Đạt MSHV: 2270003 Theo quan sát, q trình điện hóa diễn tốt môi trường axit yếu giảm dần giá trị pH tăng Hiện tượng tác dụng hydroxyl ozone tạo bề mặt điện cực Sau phản ứng điện hóa, giá trị pH thay đổi không đáng kể [19] 4.1.6 Ảnh hưởng khoảng cách hai điện cực Hai điện cực than chì ngun chất có kích thước 50mm x 100mm x 3mm đặt song song thí nghiệm Thời gian phản ứng phút cường độ dòng điện 0,1A Khoảng cách điện cực khoảng cm, cm, cm cm, thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng khoảng cách đến hiệu suất điện hóa Hình 4.13 Ảnh hưởng khoảng cách đến pH, số permanganat hiệu xử lý Coliforms Hình 4.14 Ảnh hưởng khoảng cách khác thay đổi độ đục 40 Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu ứng dụng q trình khử trùng điện hóa chỗ để xử lý nước sơng HVTH: Nguyễn Thành Đạt MSHV: 2270003 Hình 4.15 Ảnh hưởng khoảng cách khác thay đổi độ màu Khi hai điện cực xa nhau, trở kháng chúng lớn, điều gây tượng gọi tổn thất điện áp Tổn thất điện áp điện áp q trình dịng điện truyền từ điểm đến điểm khác mạch điện.Tổn thất điện áp làm giảm dòng điện làm cho lượng truyền q trình bị giảm Vì vậy, hai điện cực xa nhau, dòng điện bị yếu hiệu suất mạch điện giảm Đây lí mạch điện, điện cực thường đặt gần để giảm thiểu tổn thất điện áp tăng hiệu suất hệ thống mạch điện Ngoài ra, nồng độ chất hòa tan vi sinh vật khác nước sơng Khoảng cách hai điện cực cần phải tinh chỉnh phù hợp để đạt hiệu cao việc khử trùng loại bỏ tạp chất nước sông Trong q trình khử trùng điện hóa, điện cực cần phải đặt khoảng cách tối ưu với nhau, điện cực cần phải tạo điện trường đủ mạnh để diệt khuẩn loại bỏ tạp chất nước Khoảng cách tốt để loại bỏ vi khuẩn Coliforms lít nước 3cm-5cm Khoảng cách hai điện cực xa hiệu xử lý Coliforms giảm Chỉ tiêu pecmanganat nước sau xử lý nằm ngưỡng cho phép QCVN 011:2018/BYT Các tiêu độ đục độ màu khơng ảnh hưởng q trình khử trùng điện hóa 4.1.7 Tối ưu điều kiện xử lý phần mềm Design Expert Design Expert software Để chứng minh mô hình có nghĩa, số liệu từ thí nghiệm mơ hình đưa vào phần mềm Design Expert (phần mềm giúp sàng lọc yếu tố ảnh hưởng đến mô hình đồng thời đưa điều kiện tối ưu hóa) Để phần mềm có đủ số liệu kết cần phải thực thêm vài thí nghiệm bổ sung Thí nghiệm thực với 25 lần chạy mơ hình để khảo sát hiệu xử lý Coliforms điện cực Graphite điều kiện khác Các yếu tố khảo sát bao gồm: Mật độ dòng điện, thời gian phản ứng, pH, khoảng cách hai điện cực Với replicates of factorial point: 1, replicates of axis point: 1, Center point: 1, alpha = 41 Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu ứng dụng trình khử trùng điện hóa chỗ để xử lý nước sông HVTH: Nguyễn Thành Đạt MSHV: 2270003 Bảng 4.5 Mơ hình xây dựng phần mềm Design Expert software File Version 11.1.0.1 Subtype Randomized Study Type Response Surface Runs 25 Design Type Central Composite Blocks No Blocks Design Model Quadratic Build Time (ms) 19.00 Bảng 4.6 Phân tích phù hợp mơ hình cho thí nghiệm Source Mơ hình CV% R2 Adjusted R2 VIF df F value P value Các yếu tố 57.05