Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu xử lý amoni và cod trong nước rỉ rác bằng phương pháp hấp phụ dạng cột sử dụng xỉ thép biến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Ờ N G HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Ô IT RƯ TRẦN PHÚC TÂN LV TS KĨ T H U ẬT M NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI VÀ COD TRONG NƢỚC RỈ RÁC BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ DẠNG CỘT SỬ DỤNG XỈ THÉP BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ IT RƯ Ờ N G Trần Phúc Tân U ẬT M Ô NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI VÀ COD TRONG NƢỚC RỈ RÁC BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ DẠNG CỘT SỬ DỤNG XỈ THÉP BIẾN TÍNH LV TS KĨ T H Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN TUẤN MINH Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm Ờ N G Học viên LV TS KĨ T H U ẬT M Ô IT RƯ Trần Phúc Tân LỜI CẢM ƠN Lời với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Tuấn Minh – người truyền cho tri thức tâm huyết nghiên cứu khoa học, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị em phịng Cơng nghệ xử lý chất thải rắn khí thải – Viện Cơng nghệ môi trường tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ sở vật chất, kinh nghiệm trợ giúp nhiều thời gian thực G luận văn Ờ N Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, thầy cô Học Viện RƯ Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập cao học Học viên LV TS KĨ T H U ẬT M Ơ IT Cuối tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, bạn bè tin tưởng động viên, chia sẻ tiếp sức cho tơi có thêm nghị lực để tơi vững bước vượt qua khó khăn sống, hoàn thành luận văn Trần Phúc Tân MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH iii MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Ờ N G 1.1 TỔNG QUAN VỀ NƢỚC RỈ RÁC 1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác .4 RƯ 1.1.2 Tính chất nhiễm nước rỉ rác IT 1.1.3 Ảnh hưởng nước rỉ rác tới môi trường sức khỏe người .7 1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC M Ô 1.2.1 Phương pháp sinh học .10 ẬT 1.2.2 Phương pháp hóa lý 10 1.2.3 Phương pháp hấp phụ 12 H U 1.3 TỔNG QUAN VỀ XỈ .13 KĨ T 1.3.1 Sự hình thành xỉ 13 1.3.2 Các ứng dụng xỉ 16 LV TS 1.3.3 Tiềm sử dụng xỉ làm vật liệu hấp phụ .18 1.4 HẤP PHỤ CỘT 20 1.4.1 Giới thiệu tổng quan hấp phụ cột 20 1.4.2 Biểu diễn kết thông số mơ hình hấp phụ cột .21 1.4.3 Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ cột 22 Chƣơng ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 24 2.1.3 Hóa chất, vật liệu 24 2.3.2 Thiết bị, dụng cụ 25 2.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.2.1 Phương pháp thực nghiệm 25 2.2.2 Phương pháp xác định tính chất vật lý vật liệu 29 2.2.3 Phương pháp phân tích .29 2.2.4 Phương pháp tính tốn 31 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 TÍNH CHẤT Ơ NHIỄM AMONI VÀ COD CỦA NƢỚC RỈ RÁC DÙNG CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ CỘT .34 3.2 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐỘ XỐP, CẤU TRÚC BỀ MẶT, VÀ NHÓM CHỨC TRONG VẬT LIỆU 34 3.3 KẾT QUẢ XỬ LÝ AMONI BẰNG CỘT LỌC A-BFS3 37 G 3.4 KẾT QUẢ XỬ LÝ COD BẰNG CỘT LỌC MS20 .43 Ờ N KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 RƯ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 LV TS KĨ T H U ẬT M Ô IT PHỤ LỤC 54 i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Advanced oxidation processes/Quy trình oxi hóa bậc cao A-BFS3: Vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ lị cao BET: Brunaumer-Emmet-Teller surface area analysis BJH: Barret-Joyner-Halenda method BOD5: Nhu cầu oxy sinh hóa Ct: Nồng độ chất nhiễm thời gian t Co: Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu COD: Chemical oxygen demand EBCT: Thời gian tiếp xúc lớp vật liệu lọc FT-IR: Phân tích quang phổ hồng ngoại kTH: Hằng số động học Thomas kYN: Hằng số động học Yoon-Nelson MS20: Vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ thép QL: Lưu lượng nước thải QCVN: Quy chuẩn Việt Nam PAC: Phèn nhôm SEM: Scanning electron microscope TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam LV TS KĨ T H U ẬT M Ô IT RƯ Ờ N G AOPs: ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Tính chất nước rỉ rác qua thời điểm chôn lấp [12] .6 Bảng Thành phần hóa học xỉ lò cao [31] 15 Bảng Thành phần hóa học xỉ luyện thép [31] 16 Bảng Thông số cột hấp phụ sử dụng vật liệu A-BFS3 MS20 28 Bảng 2 Các nồng độ bước sóng đường chuẩn đo amoni 30 Bảng Tính chất nhiễm amoni COD mẫu nước rỉ rác trước sau trình tiền xử lý 34 LV TS KĨ T H U ẬT M Ô IT RƯ Ờ N G Bảng So sánh diện tích bề mặt riêng đặc trưng lỗ xốp vật liệu A-BFS3 MS20 với nghiên cứu trước .35 Bảng 3 Các thông số tính tốn từ mơ hình Thomas Yoon-Nelson từ kết thực nghiệm hấp phụ amoni từ nước rỉ rác cột lọc A-BFS3 42 Bảng So sánh vật liệu hấp phụ amoni dùng cột lọc 42 Bảng Các thơng số tính tốn từ mơ hình Thomas Yoon-Nelson từ kết thực nghiệm hấp phụ COD từ nước rỉ rác cột lọc MS20 47 Bảng So sánh vật liệu hấp phụ amoni dùng cột lọc 47 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ amoni từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu A-BFS3 lưu lượng QL = 2,5 mL/phút 55 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ amoni từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu A-BFS3 lưu lượng QL = mL/phút 57 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ amoni từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu A-BFS3 lưu lượng QL = 10 mL/phút 58 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ amoni từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu A-BFS3 lưu lượng QL = 20 mL/phút 59 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ COD từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu MS20 lưu lượng QL = 2,5 mL/phút 60 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ COD từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu MS20 lưu lượng QL = mL/phút .62 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ COD từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu MS20 lưu lượng QL = 10 mL/phút .63 Bảng A- Số liệu thí nghiệm hấp phụ COD từ nước rỉ rác sử dụng cột hấp phụ vật liệu MS20 lưu lượng QL = 20 mL/phút .64 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1 Lưu trình hình thành nước rỉ rác bãi chôn lấp [10] Hình Cơ chế phương pháp hấp phụ 12 Hình Sự hình thành xỉ trình sản xuất thép 14 Hình So sánh hai mơ hình hấp phụ thí nghiệm: hấp phụ mẻ hấp phụ cột 21 Hình Biểu đồ thể đường cong đột phá thí nghiệm hấp phụ cột 22 Hình Quy trình tổng hợp vật liệu A-BFS3 26 Ờ N G Hình 2 Vật liệu A-BFS3 thu từ xỉ lò cao 26 Hình Quy trình tổng hợp vật liệu MS20 27 Hình Vật liệu MS20 thu từ xỉ thép 27 IT RƯ Hình Sơ đồ quy trình thí nghiệm hấp phụ cột xử lý amoni/COD vật liệu A-BFS3/MS20 28 Hình Biểu đồ thể đường chuẩn amoni đo bước sóng 659 nm 30 Ơ Hình Ảnh chụp SEM A-BFS3 (trái) MS20 (phải) 36 LV TS KĨ T H U ẬT M Hình Phổ FT-IR vật liệu A-BFS3 (đường kẻ đứt) MS20 (đường liền) 37 Hình 3 Kết thí nghiệm hấp phụ amoni dải lưu lượng nước thải từ 2,5 đến 20 mL/phút 37 Hình Mối tương quan ảnh hưởng thời gian tiếp xúc (EBCT) với thời gian hiệu cột lọc A-BFS3 xử lý amoni đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A (m = 160g, nồng độ hiệu Ct = mg/L) 38 Hình Biểu đồ tuyến tính mơ hình hấp phụ Thomas hấp phụ amoni từ nước rỉ rác cột lọc A-BFS3 39 Hình Biểu đồ tuyến tính mơ hình hấp phụ Yoon-Nelson hấp phụ amoni từ nước rỉ rác cột lọc A-BFS3 41 Hình Kết thí nghiệm hấp phụ COD dải lưu lượng nước thải từ 2,5 đến 20 mL/phút 43 Hình Mối tương quan ảnh hưởng thời gian tiếp xúc (EBCT) với thời gian hiệu cột lọc MS20 xử lý COD đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A (m = 160g, nồng độ hiệu Ct = 50 mg/L) 44 Hình Biểu đồ tuyến tính mơ hình hấp phụ Thomas hấp phụ COD từ nước rỉ rác cột lọc MS20 45 Hình 10 Biểu đồ tuyến tính mơ hình hấp phụ Yoon-Nelson hấp phụ COD từ nước rỉ rác cột lọc MS20 46 Hình Mơ hình ứng dụng xỉ từ sản xuất thép xử lý nước thải 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: IT RƯ Ờ N G Xỉ thép phế thải ngành công nghiệp luyện gang thép, thải phẩm dạng hạt có đường kính 10 ÷ 200 mm Đây sản phẩm phụ trình luyện quặng oxit sắt thành gang Trong năm 2018 ngành công nghiệp luyện thép giới đạt sản lượng 1808 triệu tấn, tương đương với lượng xỉ thép kèm vào khoảng 181-271 triệu [1] Tại Việt Nam, xỉ thép phát thải với khối lượng tăng nhanh chóng năm gần năm tới [2] Năm 2016, sở sản xuất gang, thép nước đạt sản lượng 2,6 triệu gang 7,0 triệu phôi thép Để sản xuất thép thải từ 0,15 ÷ 0,2 xỉ luyện thép Theo tính tốn, năm 2020 dự án sản xuất gang, thép lớn vào hoạt động, lượng xỉ tạo đạt – triệu tấn, đến năm 2025 đạt 10 triệu LV TS KĨ T H U ẬT M Ô Xỉ thép Việt Nam xếp vào loại chất thải rắn với khối lượng phát thải tương đối lớn phát triển gia tăng hoạt động sản xuất gang thép Do đó, chi phí xử lý, vận chuyển diện tích xử lý trở thành gánh nặng cho công tác bảo vệ môi trường Các bãi chất thải rắn chiếm diện tích lớn có tác động lớn đến chất lượng môi trường hàm lượng bụi, rỉ sét kim loại nặng lớn Vì vậy, địi hỏi phải có giải pháp để thúc đẩy việc xử lý, tái chế sử dụng nhằm hạn chế việc tồn chứa gây tốn diện tích bãi chứa ảnh hưởng đến môi trường Hiện nay, việc tái chế, tái sử dụng xỉ thép ứng dụng làm chất độn xi măng cốt liệu san lấp hay cốt liệu cho bê tông nhựa đường [3] Tuy nhiên tình hình ứng dụng thực tế lại khơng tận dụng hết tính chất quy chuẩn khoa học vật liệu Hơn 90% lượng xỉ tồn đọng bãi thải chôn lấp chỗ nhà máy Trong kỹ thuật xử lý nước thải hấp phụ, việc lựa chọn vật liệu hấp phụ ưu tiên xét tiêu chí đặc tính kỹ thuật độ xốp, diện tích bề mặt than hoạt tính, có thành phần khống đá ong zeolite, etc Bên cạnh đó, tiêu chí giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với mơi trường xem xét để giảm chi phí xử lý giảm lượng phát thải môi trường Xỉ thép với tính chất thành phần khống từ nhiều oxit kim loại có tiềm để tái sử dụng trở thành S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G S T LV K H T Ĩ U T Ậ M Ô IT Ờ RƯ N G