nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm

Nhiệm vụ đề tài luận văn - Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm Al.. Các chỉ tiêu chưa đạt này sẽ đ

TỔNG QUAN

Tổng quan lý thuyết

2.1.1 Một số tính chất của nước mặt sông Sài Gòn

Sông Sài Gòn dài 256 km, chảy dọc trên địa phận Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 80km, có lưu lượng trung bình vào khoảng 54m³/s, bề rộng tại Thành phố khoảng 225m đến 370m, độ sâu có chỗ tới 20 m, diện tích lưu vực trên 5.000 km² [1]

Thành phố Hồ Chí Minh có hệ thống kênh ngòi dày đặc, tuy nhiên, phần lớn những kênh rạch này đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt cũng như các khu công nghiệp, khu chế xuất [2] Từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2021, Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam đã triển khai 8 đợt quan trắc tại 100 điểm gồm 58 điểm nước mặt lục địa trên lưu vực hệ thống sông Đồng Nai (bao gồm: lưu vực sông Đồng Nai, lưu vực sông Sài Gòn, lưu vực sông Thị Vải, lưu vực sông Vàm Cỏ) và lưu vực sông

Mê Công (sông Tiền), 12 điểm nước biển ven bờ và cửa sông ven biển tại khu vực biển

Bà Rịa - Vũng Tàu, TP Hồ Chí Minh, Tiền Giang và khu vực cửa sông Đồng Nai, cửa sông Sài Gòn, cửa sông Thị Vải, cửa sông Tiền [3]

Hình 2.1 Chất lượng môi trường nước khu vực miền Nam theo chỉ số WQI

(chỉ số chất lượng nước) năm 2021

(Nguồn: Tạp chí Môi trường số 3/2022)

Kết quả quan trắc năm 2021 của Trung tâm Quan trắc môi trường miền Nam cho thấy, lưu vực sông Sài Gòn có chất lượng nước kém nhất trong 5 lưu vực sông thực hiện quan trắc tại khu vực miền Nam, mức độ ô nhiễm hữu cơ (đặc trưng bởi thông số COD) và ô nhiễm dinh dưỡng (đặc trưng bởi thông số N-NH4 +) cao hơn các lưu vực sông còn lại [3]

TP.HCM đang trên đà công nghiệp hóa hiện đại hóa với GDP bình quân đạt 9,8% Quá trình này kéo theo sự gia tăng dân số một cách nhanh chóng, tốc độ đô thị hóa ở khu vực nông thôn đang diễn ra mạnh mẽ Hiện tại, nguồn nước sinh hoạt của thành phố cũng đang đối diện với nhiều thách thức lớn khi trên 90% nguồn nước sạch cung cấp cho sinh hoạt của TP.HCM được lấy từ nguồn nước mặt sông Đồng Nai, sông Sài Gòn và kênh Đông [4] Bên cạnh đó, với áp lực bởi các hoạt động kinh tế - xã hội như sự phát triển của các khu công nghiệp/ khu chế xuất (KCN/KCX), tốc độ đô thị hóa, cùng với sự gia tăng dân số đã gây sức ép nặng nề đối với nguồn nước, khiến mức độ ô nhiễm nguồn nước vượt quá khả năng kiểm soát

Hình 2.2 Giá trị N-NH 4 + tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn

(Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học)

Mức độ ô nhiễm dinh dưỡng (tồn tại dưới dạng N-NH4 +) cao nhất trên sông Sài Gòn là khu vực Cầu Chữ Y, giá trị N-NH4 + vượt quy chuẩn QCVN 08 MT:2015/BTNMT cột B1 khoảng 7,0 lần

Hình 2.3 Giá trị BOD5 tại các điểm quan trắc trên sông Sài Gòn

(Nguồn: Trung tâm điều tra, thông tin và dữ liệu về môi trường, đa dạng sinh học)

Dẫu cho Sở Xây dựng TPHCM đã thực hiện nhiều biện pháp bảo vệ nguồn nước, chất lượng nước mặt hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai vẫn tiếp tục bị ô nhiễm nặng nề Các chỉ tiêu amoniac, hữu cơ, vi sinh tăng vượt ngưỡng cho phép Bên cạnh đó, nguồn nước sông cũng chịu ảnh hưởng tiêu cực từ thời tiết, thủy văn cực đoan và biến đổi khí hậu, dẫn đến nguy cơ xâm nhập mặn và thiếu nước vào mùa khô.

Keo tụ điện hóa

Kết tụ điện hóa (EC) là công nghệ xử lý nước và nước thải tiên tiến kết hợp lợi ích của kết tụ, tạo bông, tuyển nổi và điện hóa Cũng giống như phương pháp kết tụ - tạo bông truyền thống (CC/CF), EC trung hòa lực đẩy khiến các hạt lơ lửng, giúp chúng kết tụ thành các hạt lớn hơn và dễ lắng xuống Ưu điểm vượt trội của EC so với CC/CF là sử dụng chất keo tụ được tạo tại chỗ bằng quá trình oxy hóa điện phân, tạo ra ít bùn hơn đáng kể Ngoài ra, EC còn được cải tiến để tiết kiệm chi phí lắp đặt và bảo trì, sản xuất ít bùn, thời gian lắng ngắn và hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao Thép không gỉ (SS), nhôm (Al) và sắt (Fe) được ứng dụng làm điện cực trong quá trình EC để xử lý nước thải.

Power supply: nguồn điện Pollutan: Chất ô nhiễm Precipitate: chất kết tủa

Hình 2.4 Biểu diễn sơ đồ của một mô hình EC cơ bản

(Nguồn: Journal of Environmental Management)

Pollutant rise to the surface: Chất ô nhiễm nổi lên

Mô hình EC cơ bản thường bao gồm một bộ phận điện phân với các điện cực kim loại cực dương và cực âm được kết nối bên ngoài với nguồn điện DC và được ngâm trong dung dịch được xử lý như trong Hình 2.4 Điện cực sắt và nhôm là những kim loại được sử dụng rộng rãi nhất cho các tế bào EC vì các kim loại này có sẵn, không độc hại và được chứng minh là đáng tin cậy Mặc dù EC được coi là khá giống với CC/CF về cơ chế mất ổn định, nhưng nó vẫn khác với CC/CF ở các khía cạnh khác như các phản ứng phụ xảy ra đồng thời ở cả hai điện cực

Cực dương đóng vai trò là chất keo tụ trong mô hình EC, nơi nó phân ly để tạo ra các cation kim loại khi DC được truyền qua Sự phân ly của cực dương tuân theo định luật Faraday như sau:

I: cường độ dòng điện hiện tại (đơn vị: A) t: thời gian phản ứng (đơn vị: giây)

Mw: khối lượng mol (đơn vị: g/mol)

F: hằng số Faraday (96,485 C/mol) z: số electron tham gia phản ứng m: khối lượng của cực dương hòa tan (G)

Các phản ứng tại anode được thể hiện bằng các phương trình sau đây cho cả điện cực nhôm và sắt:

Fe (s) → Fe n+ (aq) + ne -1 (2) 4Fe 2+ (aq) + 10H2O + O2 (aq) → 4Fe(OH)3 (s) + 8H + (3)

Fe 2+ (aq) + 2OH → Fe(OH)2 (s) (4)

Al 3+ (aq) +nH2O → Al(OH)n 3-n + nH + (6)

Hình 2.5 Sơ đồ E-pH của sắt ở 25 o C

Hình 2.6 Sơ đồ E-pH của nhôm ở 25 o C

Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch và tiềm năng, sắt có thể tạo thành các cation hóa trị hai hoặc hóa trị ba như minh họa trong sơ đồ E-pH cho sắt Mặt khác, nhôm chỉ hòa tan dưới dạng cation hóa trị ba Sử dụng sơ đồ E-pH sắt và nhôm (Hình 2.5 và 2.6), các hợp chất ổn định của mỗi hợp chất có thể được dự đoán ở các điều kiện khác nhau Như đã đề cập trước đây, một số phản ứng phụ xảy ra trong tế bào EC, dẫn đến sự gia tăng độ pH của dung dịch như được biểu thị bằng phương trình sau:

Trong một số trường hợp, sự hòa tan cực dương thực tế không khớp với sự hòa tan được tính bằng định luật Faraday, điều này chỉ ra rằng các phản ứng điện hóa khác có thể diễn ra ở cực dương Một số tác giả cho rằng sự tiến hóa của oxy ở cực dương có thể diễn ra ở pH kiềm và tiềm năng anode đủ cao như phương trình dưới, đó có thể là lý do đằng sau sự không đồng nhất giữa sự hòa tan anode lý thuyết và thực tế

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng a Vật liệu điện cực [8]

Lựa chọn vật liệu điện cực là một trong những bước chính cho hiệu quả tối đa của quy trình EC Các vật liệu điện cực khác nhau đã được sử dụng trong EC, bao gồm Al,

Ag, As, Ba, Ca, Cd, Cr, Cs, Fe, Mg, Na, Si, Sr và Zn Thông thường, các điện cực kim loại đa trị như nhôm hoặc sắt được sử dụng để tận dụng các đặc tính keo tụ của các ion đa hóa trị Các điện cực sắt, nhôm và SS có thể xử lý nhiệm vụ kết hợp của EC và EF vì chúng hòa tan anode Ngoài các vật liệu truyền thống này, các anode ổn định kích thước, chẳng hạn như SnO2, PbO2, than chì, niken, v.v và điện cực kim cương pha tạp boron (BDD) có ưu điểm là kháng hóa chất lớn hơn và hiệu quả cao hơn trong xử lý nước thải chứa xyanua

Than chì và PbO2 là anode không hòa tan phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình EC Những anode này có hiệu quả về chi phí và dễ dàng có sẵn Tuy nhiên, chúng cho thấy sự tiến hóa oxy cao quá tiềm năng và độ bền thấp Anode PbO2 tạo ra Pb 2+ có độc tính cao, dẫn đến ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng Điện cực IrOx và Ti/IrOx-Ta2O5 rất đắt Mặc dù năng suất Faradic trung bình tương tự có thể thu được bằng cách sử dụng anode Ti/PbO2 hoặc Ti/SiO2, nhưng sau này được ưa thích hơn vì khả năng oxy hóa các hợp chất độc hại tốt hơn Khi một lượng đáng kể các ion Ca 2+ và hoặc Mg 2+ có trong nước, các điện cực SS có thể được sử dụng Điện cực màng BDD được tìm thấy là vật liệu anode hoạt động mạnh nhất để phân hủy các chất ô nhiễm chịu lửa như amoniac, xyanua, phenol, anilin, TCE, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, v.v Như đã nêu trước đó, các vật liệu được sử dụng trong EC thường là nhôm hoặc sắt Các điện cực có thể được tạo thành từ các tấm Al hoặc Fe hoặc từ các phế liệu như phay Fe hoặc Al cắt, v.v Khi các vật liệu thải được sử dụng, các giá đỡ cho vật liệu điện cực phải được làm từ vật liệu trơ Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng không có cặn bùn ở giữa các phế liệu Cần phải rửa bề mặt của các tấm điện cực thường xuyên vì bất kỳ sự lắng đọng bùn nào trên điện cực đều làm giảm sự giải phóng các cation kim loại trong chất lỏng số lượng lớn Một lượng ion kim loại nhất định là cần thiết để loại bỏ một lượng chất ô nhiễm nhất định Sắt và nhôm là các điện cực phổ biến được sử dụng để xử lý nước thải do tính sẵn có dễ dàng, chi phí thấp và hòa tan tốt hơn Tuy nhiên, sắt được ưa thích hơn vì nó tương đối rẻ hơn Các tấm nhôm cũng đang tìm kiếm các ứng dụng trong xử lý nước thải một mình hoặc kết hợp với các tấm sắt do hiệu quả keo tụ cao của Al 3+ Khi có một lượng đáng kể các ion Ca 2+ hoặc Mg 2+ trong nước, nên sử dụng vật liệu cathode bằng thép không gỉ b Khoảng cách điện cực [8]

Khoảng cách giữa các điện cực ảnh hưởng đến phản ứng điện phân, với dung dịch gần catốt trở nên đậm đặc hơn Khuấy trộn dung dịch giúp giảm hiệu ứng này Điện cực có khoảng cách lớn hơn dễ tích tụ khí, làm tăng điện trở Xúc tác, hình dạng điện cực tối ưu và sắp xếp dọc giúp cải thiện lưu thông Các điện cực sóng và đục lỗ thúc đẩy giải phóng khí Cấu hình mở và sắp xếp song song dọc hiệu quả trong việc tuyển nổi bùn Sử dụng khe hở nhỏ giữa các điện cực trong mô hình phản ứng điện hóa giúp tiết kiệm năng lượng.

Khoảng cách điện cực là một thông số kiểm soát có thể ảnh hưởng đến kích thước của mô hình phản ứng và mức tiêu thụ năng lượng và cũng có thể có tác động đáng kể đến tổng chi phí xử lý Vì sự sụt giảm điện thế ohmic tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa các điện cực, việc giảm khoảng cách này có tầm quan trọng lớn trong việc giảm tiêu thụ năng lượng điện phân Khoảng cách hẹp hơn tăng cường các đặc tính truyền khối lượng và giảm tổn thất ohmic Khi có khí sản phẩm, việc giảm khe hở dẫn đến tăng điện trở chất điện phân Tuy nhiên, khe hở điện cực thiết kế phụ thuộc vào tính thực tế và điều kiện trường Khoảng cách điện cực tối thiểu là 3 và 8 mm là có thể khi xử lý nước thải tổng hợp và nước thải thực tế, tương ứng Khi làm việc với điện áp tế bào thấp có lợi cho sự hình thành các flocs chắc chắn có thể lắng tốt, thích hợp để hạn chế khoảng cách giữa các điện cực không nhỏ hơn 10 mm, nếu không ECR có thể yêu cầu đảo ngược cực thường xuyên Khoảng cách hẹp dưới 10 mm đi kèm với mức tiêu thụ năng lượng thấp Khi tăng khoảng cách giữa các điện cực, sự gia tăng điện áp tế bào xảy ra, gây ra sự gia tăng mức tiêu thụ điện năng

Khoảng cách giữa các điện cực là yếu tố quan trọng trong mô hình phản ứng có tỷ lệ diện tích bề mặt điện cực hoạt động cao so với thể tích Khoảng cách phù hợp là 10 mm, cho phép đủ nhiễu loạn giữa các điện cực để tạo chuyển khối lượng trong lò phản ứng điện hóa Khoảng cách nhỏ hơn 10 mm sẽ làm giảm hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm do giảm vận tốc xoáy của dung dịch Ngoài ra, sự thay đổi điện trở ohmic hoặc sụt giảm IR có thể ảnh hưởng đến các phép đo điện hóa Sự thay đổi này có thể được tính toán theo phương trình: ƞ IR = I.d / A.k, trong đó:

I: cường độ dòng điện (A) d: khoảng cách giữa anode và cathode (m)

A: diện tích anode hoạt động (m 2 ) k: độ dẫn điện riêng (10 3 mS/m)

Từ phương trình (9), có thể suy ra rằng sự sụt giảm IR sẽ tăng lên bằng cách tăng khoảng cách của các điện cực Trong quá trình xử lý nước thải, dòng điện đột ngột giảm sau một thời gian trong quá trình vận hành EC; Do đó, điện áp ứng dụng phải được tăng lên để duy trì đầu vào dòng điện không đổi cho hệ thống Tình trạng này xảy ra có thể là do sự gia tăng mất ohmic (giảm IR) dẫn đến sự ức chế tốc độ oxy hóa anode Do đó, sự gia tăng giảm IR do sự gia tăng khoảng cách giữa anode và cathode không được khuyến nghị trong quy trình EC và nên tránh

Distance: Khoảng cách Sludges: Bùn

Hình 2.7 Khoảng cách giữa hai điện cực

(Nguồn: Environmental science and pollution research) c Sắp xếp điện cực [6]

Mô hình điện cực đơn giản được giới thiệu trong Hình 2.4 có thể không thực tế đối với các hệ thống xử lý nước thải do yêu cầu diện tích bề mặt điện cực lớn để xử lý tốc độ phân ly kim loại Để giải quyết vấn đề này, các hệ thống thực tế thường sử dụng các mô hình điện cực đơn cực hoặc lưỡng cực kết nối song song hoặc nối tiếp, như minh họa trong Hình 2.8.

Trong cấu hình đơn cực - song song (MP-P), tất cả các cực dương được kết nối với nhau và với nguồn cung cấp DC bên ngoài, và điều tương tự cũng áp dụng cho các điện cực cathode Trong cấu hình này, dòng điện được chia giữa các điện cực dẫn đến chênh lệch điện thế thấp hơn nếu so sánh với các điện cực được kết nối nối tiếp Mặt khác, kết nối chuỗi đơn cực (MP-S) đạt được khi hai điện cực ngoài cùng được kết nối với mạch ngoài tạo thành cathode và anode trong khi mỗi cặp điện cực bên trong được kết nối với nhau mà không cần kết nối với các điện cực bên ngoài Trong trường hợp này, điện áp được thêm vào tạo ra sự khác biệt tiềm năng cao hơn Các điện cực bên trong được gọi là "sacrificial electrodes" có thể được làm bằng các kim loại tương tự hoặc khác nhau và vai trò của chúng là giảm mức tiêu thụ anode và thụ động của cathode

Tùy chọn thứ ba là cấu hình chuỗi lưỡng cực (BP-S), trong đó các điện cực ngoài cùng được kết nối trực tiếp với nguồn điện bên ngoài với các điện cực bên trong không được kết nối bằng bất kỳ phương tiện nào Khi dòng điện đi qua các điện cực chính, phía liền kề của các điện cực bên trong bị phân cực và sẽ mang điện tích ngược lại với điện tích của điện cực gần đó Trong cấu hình như vậy, hai điện cực ngoài cùng là đơn cực trong khi các "sacrificial electrodes" bên trong là lưỡng cực Việc lựa chọn kết nối điện cực thích hợp được xác định bởi hiệu quả loại bỏ và chi phí xử lý và đã được nghiên cứu trong một số nghiên cứu Demirci và các cộng sự (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các kết nối điện cực khác nhau (MP-P, MP-S, BP-P) đối với việc loại bỏ màu sắc và độ đục và tổng chi phí xử lý EC của xử lý nước thải dệt may; Kết quả của ông đã chứng minh rằng hiệu quả loại bỏ là tương tự cho cả ba kết nối; tuy nhiên, cấu hình MP-

Nghiên cứu trong và ngoài nước

2.3.1 Electrocoagulation and advanced electrocoagulation processes: A general review about the fundamentals, emerging applications and its association with other technologies [9]

- Tác giả: Sergi Garcia-Segura, Maria Maesia S.G Eibanda, Jailson Vieira de Melo, Carlos Alberto Martínez-Huitle

- Nội dung: Keo tụ điện hóa (EC) là một quá trình điện hóa làm keo tụ và loại bỏ chất rắn lơ lửng, vật liệu keo và kim loại, cũng như các chất rắn hòa tan khác từ nước và nước thải Quy trình EC đã được sử dụng thành công trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm, thuốc trừ sâu và hạt nhân phóng xạ Quá trình này cũng loại bỏ các vi sinh vật gây hại Sự hòa tan điện gây ra sự gia tăng nồng độ kim loại trong dung dịch cuối cùng kết tủa dưới dạng oxit và hydroxit Do thiết kế quy trình và vật liệu chi phí thấp, quy trình EC được chấp nhận rộng rãi so với các quy trình hóa lý khác Bài viết này trình bày một đánh giá chung về các công nghệ EC hiệu quả được phát triển để loại bỏ chất hữu cơ và vô cơ khỏi nước thải để bảo vệ môi trường Các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng chính của EC cũng như tiến trình của các phương pháp xử lý EC mới nổi được báo cáo Ảnh hưởng của anode sắt hoặc nhôm đến việc khử ô nhiễm nước thải tổng hợp được giải thích Ưu điểm của cơ chế EC với điện cực nhôm và sắt được thảo luận rộng rãi Có trình bày các quy trình EC tiên tiến với việc tạo ra gốc hydroxyl tại chỗ Tầm quan trọng của các thông số vận hành đối với việc áp dụng hiệu quả quy trình EC cũng như sự kết hợp của công nghệ điện hóa này với các kỹ thuật phân tích điện và các công nghệ khác được nhận xét

2.3.2 Development of electrocoagulation process for wastewater treatment: optimization by response surface methodology [7]

- Tác giả: Million Ebba, Perumal Asaithambi, Esayas Alemayehu

- Nội dung: RSM (Response Surface Methodology) là một tập hợp các phương pháp toán học và thống kê cụ thể và nó có thiết kế thử nghiệm, phù hợp với mô hình cũng như để tối ưu hóa RSM nhằm mục đích tối ưu hóa đối tượng quan tâm, chịu ảnh hưởng bởi nhiều biến RSM là một phương pháp thống kê hữu ích để tối ưu hóa các phản ứng hóa học và / hoặc quy trình công nghiệp và nó được sử dụng rộng rãi cho thiết kế thử nghiệm, trong kỹ thuật này, bề mặt đáp ứng được tối ưu hóa bị ảnh hưởng bởi các tham số quy trình Hình 2.9 cho thấy, tổng mô hình tuần tự của bình phương và thống kê tóm tắt % loại bỏ COD Từ Hình 2.9 đến 2.13 , mô hình có ý nghĩa quan trọng đối với việc loại bỏ COD vì giá trị p < 0,005, có nghĩa là, mô hình có ý nghĩa ở mức xác suất 95% Kết quả mô hình chỉ ra rằng, hệ số xác định (R 2 ) và hệ số xác định được điều chỉnh (R 2 ) lần lượt là 0,9911 và 0,9834 để loại bỏ COD Theo ANOVA (Hình 2.30, 2.31, 2.32, 2.33) dẫn đến sự tương tác của pH, dòng điện, nồng độ điện phân, khoảng cách giữa các điện cực và thời gian điện phân ảnh hưởng đến màu sắc, COD, độ đục và mức tiêu thụ năng lượng

Hình 2.9 Tổng mô hình tuần tự của bình phương và thống kê tóm tắt % loại bỏ COD

Hình 2.10 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ màu

Hình 2.11 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ COD

Hình 2.12 ANOVA của mô hình bậc hai % loại bỏ độ đục

Hình 2.13 ANOVA của mô hình bậc hai năng lượng tiêu thụ

2.3.3 Optimization of Electrocoagulation Conditions for the Purification of Table Olive Debittering Wastewater Using Response Surface Methodology [10]

- Tác giả: Razieh Niazmand, Moslem Jahani, Farzaneh Sabbagh, Shahabaldin Rezania

2.3.4 Optimization of electrocoagulation process for treatment of rice mill effluent using response surface methodology [11]

- Tác giả: A Ronaldo Anuf, K Ramaraj, Vishnu Sankar Sivasankarapillai, Ragupathy Dhanusuraman, J Prakash Maran, G Rajeshkumar, Abbas Rahdar, Ana M Díez-Pascual

2.3.5 Optimization of the Electrocoagulation Process with Aluminum Electrodes for Rainwater Treatment [12]

- Tác giả: Alejandra Morales-Figueroa, Elia Alejandra Teutli-Sequeira, Ivonne Linares-Hernández, Verónica Martínez-Miranda, Marco A García-Morales, Gabriela Roa-Morales

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sơ đồ nghiên cứu

QCVN 01-1:2018/BYT ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ, ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH

VÀ CHẠY TỐI ƯU HÓA

NƯỚC ĐẦU VÀO (ĐÃ XỬ LÝ TÁCH RÁC)

CHẠY MÔ HÌNH KEO TỤ ĐIỆN HÓA BẰNG ĐIỆN CỰC NHÔM VỚI CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH KHÁC NHAU

SO SÁNH VỚI QCVN 01-1:2018/BYT, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CHO TOÀN BỘ CÁC CHỈ TIÊU BAN ĐẦU VÀ KẾT LUẬN KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO XỬ LÝ NƯỚC CẤP

PHÂN TÍCH MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU ĐẦU VÀO CƠ BẢN: pH, ĐỘ ĐỤC, MÀU SẮC, AMONI, CLO DƯ TỰ DO, NITRAT, NITRIT, PECMANGANAT, SẮT, SUNPHAT, TDS, TSS,

THÔNG SỐ ĐÃ TỐI ƯU HÓA

Thuyết minh: Nguồn nước đầu vào được lấy từ sông Sài Gòn - khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2 Tọa độ lấy mẫu là 10°48'13.3"N 106°43'33.4"E, thời điểm lấy mẫu là 16h Mẫu nước sau khi đem về phòng thí nghiệm sẽ được phân tích một số các chỉ tiêu đầu vào cơ bản như: pH, độ đục, màu sắc, Amoni, Clo dư tự do, Nitrat, Nitrit, Pecmanganat, Sắt, Sunphat, TDS, TSS, Coliforms Các chỉ tiêu chưa đạt QCVN 01-1:2018/BYT sẽ được dùng để phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số vận hành khi thực hiện thí nghiệm phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm, từ đó lấy số liệu chạy tối ưu hóa bằng phần mềm Design Expert Sau khi hoàn thành việc tối ưu hóa, tiến hành lặp lại nghiên cứu ở điều kiện đã tối ưu hóa cho các loại nước sông khác nhau, bao gồm sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ, sông Tiền ; phân tích toàn bộ chỉ tiêu như ban đầu để đối chiếu xác thực, so sánh kết quả phân tích với QCVN 01-1:2018/BYT để đánh giá hiệu suất xử lý và kết luận khả năng áp dụng vào xử lý nước cấp thực tế.

Hóa chất, thiết bị và mô hình thí nghiệm

Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong mô hình thí nghiệm

STT Tên hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết

3 Axit Sunfuric H2SO4 Trung Quốc 98%

4 Axit Ox alic H2C2O4 Trung Quốc 99,5%

7 Axit Boric H3PO3 Trung Quốc 99,5%

8 Axit Clohydric HCl Trung Quốc 36%

Bảng 3.2 Các dụng cụ dùng trong mô hình thí nghiệm

STT Tên dụng cụ Số lượng

Bảng 3.3 Các thiết bị sử dụng trong mô hình thí nghiệm

STT Tên thiết bị Số lượng Xuất xứ

1 Nồi hấp tiệt trùng 1 Nhật Bản

7 Nguồn điện Kikusui PMC18-5AS 1 Nhật Bản

Hình 3.1 Mô hình điện hóa thí nghiệm và thực tế

Mô tả: Nguồn điện sẽ cung cấp dòng điện thông qua hai dây dẫn từ cực âm và cực dương, kết nối vào hai tấm điện cực nhôm Hai tấm điện cực nhôm với kích thước 6 x

3 x 0,3cm đã được cố định bên trong Beaker 1000ml chứa mẫu nước và có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng để thực hiện các thí nghiệm khác nhau Bên trong Beaker 1000ml còn cắm thêm 01 đầu dò pH để ghi nhận sự thay đổi pH xuyên suốt thí nghiệm Tiến hành thay đổi khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện và thời gian phản ứng cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm, sau đó dùng pipet để hút nước đã xử lý đem đi phân tích các chỉ tiêu cần thiết và ghi nhận kết quả.

Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Phương pháp phân tích độ đục

- Hút 25ml mẫu cho vào Erlen 100ml (Nếu mẫu có hàm lượng quá lớn, cần pha loãng mẫu trước khi phân tích)

- Đo hấp thu quang phổ ở bước sóng 450nm bằng máy đo quang phổ DR 2800 Portable Spectrophotometer

- Lập đường chuẩn: Sử dụng 06 bình định mức 25ml, thực hiện dãy chuẩn như sau:

Dung dịch chuẩn độ đục 400 FTU (ml) 0 1 2 3 4 5 Định mức thành 25ml và tiến hành đo hấp thu quang phổ bước sóng 450nm Độ đục FTU 0 16 32 48 64 80

3.3.2 Phương pháp phân tích độ màu

- Hút 25ml mẫu cho vào Erlen 100ml (Nếu mẫu có hàm lượng quá lớn, cần pha loãng mẫu trước khi phân tích)

- Đo hấp thu quang phổ ở bước sóng 455nm bằng máy đo quang phổ DR 2800 Portable Spectrophotometer

- Lập đường chuẩn: Sử dụng 06 bình định mức 25ml, thực hiện dãy chuẩn như sau:

Dung dịch chuẩn độ màu (ml) 0 2,5 5 7,5 10 12,5 Định mức thành 25ml và tiến hành đo hấp thu quang phổ bước sóng 455nm Độ màu Pt-Co 0 50 100 150 200 250

3.3.3 Phương pháp phân tích Amoni

- Hút 25 – 50ml mẫu cho vào bình chưng cất NH3

- Thêm 25ml dd Na2B4O7 vào bình, chỉnh pH lên 9,5 bằng dd NaOH 6N

- Lắp bình vào hệ thống chưng cất Kieldal

- Chưng cất mẫu bằng thiết bị chưng cất trong 8 phút (thời gian chưng cất có thể thay đổi tùy vào loại thiết bị)

- Hấp thụ bằng Beaker 500ml có chứa 50ml dd hấp thụ Acid Boric (H3BO3) Đầu ống ngưng tụ phải để nhúng ngập trong dung dịch hấp thụ

- Chuẩn độ dung dịch đã hấp thụ bằng H2SO4 0,02N, dừng chuẩn độ khi dung dịch chuyển từ màu vàng (xanh) sang màu tím hồng

- Làm thêm 01 mẫu trắng đối chứng

- CN : Nồng độ đương lượng acid dùng để chuẩn độ, CN (H2SO4) = 0,02 N

- Vt : Thể tích H2SO4 0,02N đã dùng để chuẩn độ mẫu (ml)

- V0 : Thể tích H2SO4 0,02N đã dùng để chuẩn độ mẫu trắng (ml)

- Vmẫu : Thể tích mẫu lấy đi phân tích (ml)

3.3.4 Phương pháp phân tích Pecmanganat

- Các mẫu có chỉ số pecmanganat cao cần phải pha loãng, sao cho các kết quả của các mẫu này nằm trong khoảng 0,5 mg/L đến 10 mg/L

- Hút 25ml mẫu cho vào Erlen 250ml

- Thêm 5ml H2SO4 2M và lắc đều

- Đặt lên nồi cách thủy trong 10 phút

- Tiếp tục đun thêm 10 phút

- Thêm 5ml dd chuẩn H2C2O4 0,01N và đợi đến khi dung dịch trở nên không màu

- Chuẩn độ khi còn nóng với KMnO4 0,01N tới màu hồng nhạt bền trong khoảng

30 giây Ghi lại thể tích V1 của dd KMnO4 0,01N đã dùng

- Tiến hành thử mẫu trắng song song, thay 25ml mẫu bằng 25ml nước cất Ghi lại thể tích V0 của dd KMnO4 0,01N đã dùng

- Thêm 5ml dd chuẩn H2C2O4 0,01N vào hỗn hợp đã chuẩn độ dùng để thử trắng Đun nóng lại dung dịch, nếu cần, tới khoảng 80 o C và chuẩn độ tiếp bằng KMnO4

0,01N đến khi xuất hiện màu hồng bền vững trong khoảng 30 giây Ghi lại thể tích V2 của dd KMnO4 0,01N đã dùng

- V0 : Thể tích dd KMnO4 0,01N đã dùng để chuẩn độ mẫu trắng (ml)

- V1 : Thể tích dd KMnO4 0,01N đã dùng để chuẩn độ mẫu (ml)

- V2 : Thể tích dd KMnO4 0,01N đã dùng để chuẩn độ chuẩn (ml)

- V3 : Thể tích dd H2C2O4 chuẩn đã dùng (trong trường hợp này là 5ml)

- Vmẫu : Thể tích mẫu lấy đi phân tích (ml)

- CN : Nồng độ của H2C2O4 chuẩn, CN (H2C2O4) = 0,01 N

- 1000 (tử số) : Hệ số tính chuyển của CN (Na2C2O4) từ mmol/L tới mmol/mL

- 1000 (mẫu số): Hệ số tính chuyển giá trị đo được tới 1L mẫu, tính bằng mL/L

3.3.5 Phương pháp phân tích tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

- Sấy giấy lọc ở 105 o C đến khối lượng không đổi

- Làm nguội giấy lọc trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng

- Cân giấy lọc bằng cân bốn số lẻ được m1

- Đặt giấy lọc lên bình lọc chân không

- Rót V ml mẫu cho đi qua giấy lọc

- Sấy mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105 o C đến khối lượng không đổi

- Làm nguội cốc trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng

- Cân cốc bằng cân bốn số lẻ thu được m2

3.3.6 Phương pháp phân tích Coliforms

Thử nghiệm giả định được tiến hành như sau:

- Chuẩn bị mẫu nước đã qua ly tâm

- Rửa sạch ống nghiệm, ống Durham và các dụng cụ

- Tiệt trùng dụng cụ bằng nồi hấp ở 121˚C trong 15 phút

- Cân môi trường nuôi vi sinh và pha thành dung dịch với nước ấm

- Phân phối 10 ml môi trường LB vào mỗi ống nghiệm, bỏ ngược ống Durham vào mỗi ống và loại bỏ hoàn toàn bọt khí trong ống Durham, sau đó vô trùng bằng nồi hấp ở 121˚C trong 15 phút

- Pha loãng theo bậc 10 tới nồng độ xác định tùy theo loại mẫu, chọn 3 độ pha loãng liên tiếp

Hình 3.2 Cách pha loãng mẫu

- Cấy lần lượt 1ml mẫu tại mỗi nồng độ pha loãng vào ống nghiệm chứa môi trường, mỗi độ pha loãng được cấy lặp lại 3 lần

- Trộn đều mẫu đã cấy với môi trường, tránh tạo bọt khí, mỗi lần pha loãng, đổi pipet mới (hoặc đầu tip mới nếu sử dụng pipet tự động)

- Ủ tất cả các ống này ở 35 ± 0,5˚C, sau 24 giờ, quan sát sự sinh khí, nếu không có khí, ủ lại và quan sát sự sinh khí sau 24 giờ tiếp theo (tổng cộng là 48 giờ)

- Sự sinh khí trong vòng 48 giờ chứng tỏ thử nghiệm giả định dương tính

Hình 3.3 Quy trình thử nghiệm giả định phân tích chỉ số Coliforms

Thử nghiệm xác định được tiến hành như sau:

- Chuyển 1ml dung dịch sau khi quan sát thấy dương tính tại thử nghiệm giả định vào ống nghiệm chứa 10 ml môi trường BGLB có ống Durham

- Ủ tất cả các ống này ở 35 ± 0,5˚C và quan sát sự sinh khí trong vòng 48 giờ, sự sinh khí chứng tỏ thử nghiệm xác định dương tính

- Đọc kết quả theo bảng MPN

Cấy 10 ml mẫu vào môi trường LB, bỏ ngược ống Durham

Vô trùng bằng nồi hấp ở 121°C trong 15 phút

Pha loãng theo bậc 10, chọn 3 độ pha loãng liên tiếp

Cấy 1ml mẫu pha loãng vào môi trường Ủ ở 35°C trong 24 giờ

Hình 3.4 Quy trình thử nghiệm xác định phân tích chỉ số Coliforms

Vật liệu điện cực

Sắt và nhôm là phổ biến điện cực được sử dụng để xử lý nước thải do tính sẵn có, dễ dàng tìm kiếm, chi phí thấp, và hòa tan tốt Trong đó, điện cực được sử dụng nhiều do hiệu quả keo tụ cao của ion Al 3+ Một khối lượng nghiên cứu rộng lớn cũng chứng minh nhôm đó là vật liệu điện cực mang lại hiệu quả và thành công nhất Bởi vì điều này, nhôm (Al) đã được được sử dụng, trong nghiên cứu hiện tại, làm vật liệu điện cực

Cấy mẫu vào môi trường Lauryl Tryptose Broth ủ 35 ± 0,5 o C trong 24h

Kiểm tra sự sinh khí Ủ thêm ở 35 ±

Kiểm tra sự sinh khí

Chuyển sang môi trường BGLB ủ ở 35 ± 0,5 o C trong 48h

Phần mềm Design Expert

Design – Expert là một gói phần mềm thống kê của Stat-Ease Inc chuyên dụng để thực hiện thiết kế các thí nghiệm (DOE) Design – Expert cung cấp các thử nghiệm so sánh, sàng lọc, mô tả đặc tính, tối ưu hóa, thiết kế thông số mạnh mẽ, thiết kế hỗn hợp và thiết kế kết hợp Design – Expert cung cấp ma trận kiểm tra để sàng lọc lên đến

50 yếu tố Ý nghĩa thống kê của các yếu tố này được thiết lập với phân tích phương sai (ANOVA)

Mô phòng / Hướng dẫn sử dụng phần mềm:

Hình 3.5 Giao diện mở đầu của phần mềm

Hình 3.6 Chọn phương pháp Response Surface

Hình 3.7 Số lượng yếu tố và các thông số alpha theo điều kiện thí nghiệm

Hình 3.8 Hoàn tất hiệu chỉnh

Hình 3.9 Nhập kết quả thí nghiệm

Hình 3.10 Sơ đồ phân tích và thống kê

Hình 3.11 Sơ đồ của các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm

Hình 3.12 Optimization – Tối ưu hóa

Hình 3.13 Kết quả tối ưu hóa

Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 1: Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al)

+ Phân tích các chỉ tiêu cơ bản đầu vào của mẫu nước sông Sài Gòn, bao gồm: pH, độ đục, màu sắc, Amoni, Clo dư tự do, Nitrat, Nitrit, Pecmanganat, Sắt, Sunphat, TDS, TSS, Coliforms

+ Thực hiện các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách điện cực

+ Thực hiện các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của cường độ dòng điện (mật độ dòng điện)

+ Thực hiện các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

- Nội dung 2: Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert nhằm đạt hiệu quả xử lý các chỉ tiêu đầu vào chọn lọc đang vượt QCVN 01-1:2018/BYT, về lại đúng giới hạn của QCVN 01-1:2018/BYT

- Nội dung 3: Dùng thông số vừa tối ưu hóa để thử nghiệm cho các loại nước sông khác nhau và đối chiếu xác thực kết quả

Nghiên cứu các chỉ số đầu vào và đầu ra của nước sông Sài Gòn, sông Nhà Bè, sông Đồng Nai, sông Vàm Cỏ, sông Tiền giúp đánh giá chất lượng nước và ảnh hưởng của các hoạt động nhân sinh đối với nguồn nước lưu vực sông Mê Kông, cung cấp thông tin quan trọng cho việc quản lý và bảo vệ tài nguyên nước trong bối cảnh đô thị hóa và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng.

- Nội dung 4: Ước tính chi phí vận hành và khả năng áp dụng vào thực tế của công nghệ keo tụ điện hóa

+ Thực hiện tính toán chi phí điện năng tiêu thụ và độ ăn mòn điện cực.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Ảnh hưởng của các thông số vận hành đến khả năng xử lý ô nhiễm của quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al)

trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Nhôm (Al)

4.1.1 Phân tích các chỉ tiêu nước đầu vào Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ bản nước sông Sài Gòn đầu vào

STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị đo QCVN 01-1:2018/BYT

4 Amoni (NH3 và NH4 + tính theo N) mg/L 0.81 0,3

5 Clo dư tự do mg/L 0,03 0,2 – 1,0

6 Nitrat (NO3 - tính theo N) mg/L 1.2 2

7 Nitrit (NO2 - tính theo N) mg/L 0,021 0,05

11 Tổng chất rắn hòa tan (TDS) mg/L 252 1000

12 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L 61 -

Chất lượng nước đầu vào chưa đạt yêu cầu gồm các chỉ tiêu: Độ đục vượt 5,5 NTU; độ màu vượt 15 độ Pt-Co; Amoni vượt 0,5 mg/l; Pecmanganat vượt 10 mg/l và Coliforms vượt 1000 CFU/100ml Các chỉ tiêu này đều vượt ngưỡng cho phép, ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt.

9,6 – 2,7 – 3 – 11333,3 lần và đều là những chỉ tiêu quan trọng trong xử lý nước cấp

Những chỉ tiêu trên sẽ được dùng để phân tích đánh giá hiệu quả của quá trình keo tụ điện hóa Riêng chỉ tiêu TSS, tuy không có trong QCVN 01-1:2018/BYT, nhưng cũng là một chỉ tiêu quan trọng trong các quá trình keo tụ nên sẽ được bổ sung vào để khảo sát và tăng tính xác thực của nghiên cứu

Trong quá trình chạy tất cả thử nghiệm keo tụ điện hóa, pH của dung dịch thay đổi theo chiều tăng dần do sự sản sinh ion OH - , từ khoảng ban đầu là 7 -7,5 đến khoảng cuối phản ứng là 8 – 8,4 Vì nghiên cứu này mang mục đích hạn chế tối thiểu lượng hóa chất sử dụng, nên sẽ không can thiệp điều chỉnh pH trong suốt quá trình chạy thử nghiệm Các kết quả thử nghiệm đã cho thấy, pH trung tính ban đầu là phù hợp và tốt nhất cho quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực nhôm

4.1.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực

Tiến hành nghiên cứu khảo sát ở các thông số thí nghiệm như sau:

- Kích thước mỗi điện cực (02 tấm đặt song song): 6cm x 3cm x 0,3cm

- Khoảng cách điện cực: 2cm / 3cm / 4cm / 5cm

- Cường độ dòng điện (Mật độ dòng điện): 0,1A (5,56mA/cm2)

- Thời gian phản ứng: 10 phút

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến độ đục

STT Khoảng cách điện cực (cm)

Thời gian phản ứng (phút) pH Độ đục

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến độ màu

Thời gian phản ứng (phút) pH Độ màu

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến Amoni

Thời gian phản ứng (phút) pH Amoni

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến Pecmanganat

Thời gian phản ứng (phút) pH Pecmanganat

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến TSS

Thời gian phản ứng (phút) pH TSS

Hình 4.1 Đồ thị tương quan giữa khoảng cách điện cực và hiệu suất xử lý

Nhận xét: Theo đồ thị hình 4.1, khoảng cách điện cực tốt nhất để loại bỏ các chất ô nhiễm trong 500mL mẫu nước là 3cm, các chỉ tiêu tại điểm này đều được xử lý thỏa QCVN 01-1:2018/BYT, hiệu suất xử lý tốt, trên 75% đối với chỉ tiêu Amoni,

Pecmanganat, TSS và trên 90% đối với chỉ tiêu độ đục, độ màu Hiệu suất xử lý sẽ giảm dần về hai phía, khoảng cách hai điện cực quá xa hoặc quá gần nhau thì hiệu quả xử lý càng giảm

Khi hai điện cực càng xa nhau, trở kháng giữa chúng càng lớn, điều này gây ra một hiện tượng gọi là tổn thất điện áp Tổn thất điện áp là sự mất điện áp trong quá trình dòng điện truyền từ một điểm đến điểm khác trong một mạch điện Tổn thất điện áp làm giảm dòng điện và làm cho năng lượng được truyền đi quá trình đó bị giảm Vì vậy, khi hai điện cực càng xa nhau, dòng điện bị yếu và hiệu suất mạch điện cũng giảm Đây là lí do tại sao trong các mạch điện, các điện cực thường được đặt gần nhau để giảm thiểu tổn thất điện áp và tăng hiệu suất của hệ thống mạch điện Ngoài ra, nồng độ các chất ô nhiễm và vi sinh vật có thể khác nhau trong nước sông, vì vậy, không phải cứ đặt hai điện cực ở càng gần nhau càng tốt Khoảng cách giữa hai điện cực cần phải được tinh chỉnh phù hợp để đạt được hiệu quả cao nhất trong việc keo tụ và loại bỏ chất ô nhiễm

Trong quá trình keo tụ điện hóa, điện cực cần phải được đặt trong khoảng cách tối ưu với nhau, giữa các điện cực cần phải tạo ra điện trường đủ mạnh để có thể diệt khuẩn và loại bỏ các tạp chất trong nước

4.1.3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (mật độ dòng điện)

- Khoảng cách điện cực: 3cm

- Cường độ dòng điện (Mật độ dòng điện): 0,04A (2,22mA/cm2) / 0,06A

(3,33mA/cm2) / 0,08A (4,44mA/cm2) / 0,1A (5,56mA/cm2)

- Thời gian phản ứng: 10 phút

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến độ đục

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến độ màu

STT Khoảng cách điện cực (cm) Cường độ dòng điện (A) Thời gian phản ứng (phút) pH Độ màu

Bảng 4.9 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến Amoni

STT Khoảng cách điện cực (cm) Cường độ dòng điện (A) Thời gian phản ứng (phút) pH Amoni

Bảng 4.10 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến Pecmanganat

Bảng 4.11 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến TSS

Hình 4.2 Đồ thị tương quan giữa cường độ dòng điện và hiệu suất xử lý

Nhận xét: Theo đồ thị hình 4.2, mật độ dòng điện tốt nhất để loại bỏ các chất ô nhiễm trong 500mL mẫu nước là 5,56mA/cm 2 (tương ứng với cường độ 0,1A), các chỉ tiêu tại điểm này đều được xử lý thỏa QCVN 01-1:2018/BYT, hiệu suất xử lý tốt, trên 75% đối với chỉ tiêu Amoni, Pecmanganat, TSS và trên 90% đối với chỉ tiêu độ đục, độ màu Hiệu suất xử lý tăng liên tục theo sự gia tăng mật độ dòng điện, nhưng khoảng gia tăng càng lúc càng giảm và không còn đáng kể

Mật độ dòng điện có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý của quá trình keo tụ điện hóa Khi mật độ dòng điện tăng, năng lượng cung cấp cho dung dịch nước tăng lên, làm cho các ion OH - được tạo ra nhanh hơn dẫn đến hiệu quả xử lý tốt hơn Bên cạnh đó, nếu mật độ dòng điện quá thấp, hiệu quả xử lý sẽ giảm và thời gian xử lý sẽ lâu hơn Mật độ dòng điện tối ưu cần phải được điều chỉnh tùy thuộc vào các yếu tố khác nhau như cường độ dòng điện, loại điện cực được sử dụng và tính chất nước Nói chung, để đạt được hiệu quả tốt nhất trong quá trình keo tụ điện hoá, mật độ dòng điện phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với điều kiện cụ thể của từng ứng dụng khác nhau

4.1.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

- Khoảng cách điện cực: 3cm

- Cường độ dòng điện (Mật độ dòng điện): 0,1A (5,56mA/cm2)

- Thời gian phản ứng: 3 phút / 5 phút / 7 phút / 10 phút

Bảng 4.12 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ đục

Bảng 4.13 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ màu

Thời gian phản ứng (phút) pH Độ màu

Bảng 4.14 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến Amoni

Thời gian phản ứng (phút) pH Amoni

Bảng 4.15 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến Pecmanganat

Bảng 4.16 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến TSS

Hình 4.3 Đồ thị tương quan giữa thời gian phản ứng và hiệu suất xử lý

Nhận xét: Theo đồ thị hình 4.3, thời gian phản ứng tốt nhất để loại bỏ các chất ô nhiễm trong 500mL mẫu nước là 10 phút, các chỉ tiêu tại điểm này đều được xử lý thỏa QCVN 01-1:2018/BYT, hiệu suất xử lý tốt, trên 75% đối với chỉ tiêu Amoni,

Hiệu suất xử lý nước thải bằng thuốc thử KMnO₄ tăng liên tục theo thời gian phản ứng Tuy nhiên, tốc độ tăng này giảm dần theo thời gian và đến một thời điểm nhất định trở đi thì hiệu suất xử lý không còn tăng đáng kể.

Trong quá trình keo tụ điện hóa, nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm đã cho thấy hiệu quả xử lý tỷ lệ thuận với sự gia tăng thời gian phản ứng Ngoài ra, theo công thức E = UIt, thời gian phản ứng tỷ lệ thuận với mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống (t là thời gian phản ứng).

Tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm Design Expert

Để chứng minh mô hình có nghĩa, các số liệu từ thí nghiệm mô hình được đưa vào phần mềm Design Expert (phần mềm giúp sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình đồng thời đưa ra điều kiện tối ưu hóa) Để phần mềm có đủ số liệu để cho ra kết quả cần phải thực hiện thêm một vài thí nghiệm bổ sung

Thí nghiệm được thực hiện với 36 lần chạy mô hình để khảo sát hiệu quả xử lý độ đục, độ màu, Amoni, Pecmanganat và TSS của điện cực nhôm (Al) trong từng điều kiện khác nhau, bao gồm: Khoảng cách điện cực (cm)(yếu tố A) ; Cường độ dòng điện (A)(yếu tố B) ; Thời gian phản ứng (phút)(yếu tố C), với Replicates of factorial point:

3, Replicates of axis point: 3, Center point: 8, Alpha: 1,62

Bảng 4.17 Điều kiện chi tiết và kết quả 36 lần chạy thử nghiệm

Thời gian phản ứng (phút) pH Độ đục Độ màu Amoni Pecman- ganat TSS

Hình 4.4 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý độ đục

Hình 4.5 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý độ đục

Hình 4.6 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến độ đục

Hình 4.7 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý độ màu

Hình 4.8 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý độ màu

Hình 4.9 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến độ màu

Hình 4.10 ANOVA cho mô hình 2FI (two-factor interaction model) trong xử lý Amoni

Hình 4.11 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý Amoni

Hình 4.12 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến Amoni

Hình 4.13 ANOVA cho mô hình bậc hai xử lý Pecmanganat

Hình 4.14 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý Pecmanganat

Hình 4.15 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến Pecmanganat

Hình 4.16 ANOVA cho mô hình 2FI (two-factor interaction model) trong xử lý TSS

Hình 4.17 Phân tích sự phù hợp của mô hình trong xử lý TSS

Hình 4.18 Hệ số của các yếu tố ảnh hưởng đến TSS 4.2.6 Bàn luận

Hình 4.5 đến 4.18 cho thấy mỗi chỉ tiêu cần xử lý sẽ có một mô hình tương tác phù hợp giữa các yếu tố ảnh hưởng (khoảng cách điện cực, cường độ dòng điện, thời gian phản ứng), cụ thể là mô hình bậc hai đối với chỉ tiêu độ đục, độ màu, Pecmanganat và mô hình 2FI đối với chỉ tiêu Amoni, TSS, Pecmanganat

Hình 4.5 đến 4.18 cũng cho thấy mức độ quan trọng và phù hợp của mô hình này đối với việc xử lý độ đục, độ màu, Amoni, Pecmanganat và TSS, vì giá trị p < 0,005 có nghĩa là, mỗi mô hình có ý nghĩa ở mức xác suất 95%

Các giá trị p của các yếu tố A, B, C đều nhỏ hơn 0,05, điều này cho thấy sự tác động của chúng đến hiệu quả xử lý chất ô nhiễm là đáng kể.

R 2 , R 2 điều chỉnh và R 2 dự đoán của mô hình đều cao (trong khoảng 0,89 đến 0,98), điều này có nghĩa là mô hình phù hợp để thực nghiệm VIF lý tưởng của một mô hình bằng 1 ( < 10 là mô hình được coi là có ý nghĩa) Tuy nhiên, VIF lớn hơn 1 cho thấy có hiện tượng đa cộng tuyến và VIF càng cao thì mối tương quan giữa các yếu tốcàng mạnh

Qua quá trình chạy tối ưu hóa, điều kiện tối ưu để quá trình keo tụ điện hóa cho hiệu suất xử lý cao nhất là:

- A: Khoảng cách hai điện cực = 3cm

- B: Cường độ dòng điện = 0,08A (Mật độ dòng điện 4,44mA/cm 2 )

- C: Thời gian phản ứng = 7 phút

Đáng mong muốn (Desirability) của hàm mục tiêu đạt 58,9% Đây là mức độ mong muốn tổng thể của một mẫu hoặc bộ thông số, xác định mức độ tốt nhất hoặc tối ưu dựa trên các tiêu chuẩn đã xác định trước Trong trường hợp này, các thông số tiêu chí gồm: khoảng cách giữa các điện cực (2-5 cm); cường độ dòng điện (0,04-0,1 A); thời gian phản ứng (3-10 phút); độ đục (0-2 NTU); độ màu (0-15 TCU); Amoni (0-0,3 mg/L); Pecmanganat (0-2 mg/L).

; TSS (tối thiểu trong khoảng 0 - 24,28mg/L)

Hình 4.19 Hệ số tổng hợp của hàm mục tiêu cho 3 yếu tố và 5 chỉ tiêu Độ đục (NTU) = 1,41 + 0,0876.A – 0,2410.B – 0,2880.C + 0,0176.AB + 0,0731.AC – 0.0928.BC

+ 0.0879.A 2 + 0,0488.B 2 + 0,0711.C 2 Độ màu (TCU) = 15,04 + 1,0956.A – 2,2759.B – 2,9419.C – 0,2136.AB + 0,3926.AC – 0,3088.BC + 0,8791.A 2 + 1,17.B 2 + 1,19.C 2

Amoni (mg/L) = 0,367 + 0,018.A – 0,0537.B – 0,0593.C + 0,0065.AB + 0,0057.AC – 0,0273.BC

TSS (mg/L) = 18,63 + 0,6402.A – 1,9689.B – 2,3297.C + 0,0099.AB + 0,3048.AC – 0,9355.BC

Hình 4.20 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố A và B

Hình 4.21 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố A và C

Hình 4.22 Đồ thị bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của yếu tố B và C

Đối chiếu xác thực kết quả với các loại nước sông khác nhau

- Vị trí lấy mẫu: Khu vực dọc bờ sông đường Nguyễn Văn Hưởng, phường Thảo Điền, quận 2, thành phố Hồ Chí Minh

- Thời điểm lấy mẫu: 10h30, ngày 04/12/2023

Bảng 4.18 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Sài Gòn

STT Chỉ tiêu Đơn vị Trước xử lý Sau xử lý Hiệu suất

4 Amoni (NH3 và NH4 + tính theo N) mg/L 0,8 0,29 63,7 0,3

5 Clo dư tự do mg/L 0,09 0,049 45,8 0,2 – 1,0

6 Nitrat (NO3 - tính theo N) mg/L 1,3 0,62 52,2 2

7 Nitrit (NO2 - tính theo N) mg/L 0,035 0,016 54,7 0,05

11 Tổng chất rắn hòa tan (TDS) mg/L 310,3 96,43 68,9 1000

12 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L 73,6 12,58 82,9 -

- Vị trí lấy mẫu: Bến phà Bình Khánh, đường Huỳnh Tấn Phát, Phú Xuân, Nhà Bè, thành phố Hồ Chí Minh

- Thời điểm lấy mẫu: 8h, ngày 04/12/2023

Bảng 4.19 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Nhà Bè

5 Clo dư tự do mg/L 0,13 0,07 44,9 0,2 – 1,0

- Vị trí lấy mẫu: Bờ sông coffee, Bình An, Dĩ An, tỉnh Bình Dương

Bảng 4.20 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Đồng Nai

5 Clo dư tự do mg/L 0,08 0,04 46,8 0,2 – 1,0

7 Nitrit (NO2 - tính theo N) mg/L 0,028 0,013 53 0,05

- Vị trí lấy mẫu: Bến phà Mỹ Lợi, Bình Đông, Gò Công, tỉnh Tiền Giang

Bảng 4.21 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Vàm Cỏ

5 Clo dư tự do mg/L 0,07 0,039 44,9 0,2 – 1,0

- Vị trí lấy mẫu: Bến phà du lịch Mỹ Tho, đường Hoàng Sa, phường 4, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang

Bảng 4.22 Kết quả phân tích đầu vào và đầu ra nước sông Tiền

5 Clo dư tự do mg/L 0,14 0,075 46,5 0,2 – 1,0

6 Nitrat (NO3 - tính theo N) mg/L 1,1 0,53 52 2

12 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L 74,4 13,39 82 -

Kết quả phân tích mẫu đối chiếu với các sông tại địa điểm khác nhau cho thấy phần lớn các chỉ tiêu đều đạt chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT, duy chỉ có chỉ tiêu Coliforms vượt ngưỡng Tuy nhiên, lượng TSS còn tồn tại không đáng kể Để đảm bảo quá trình xử lý đạt chuẩn, nước cấp sau xử lý vẫn phải có dư lượng Clo Vì vậy, nước sau keo tụ điện hóa vẫn được cung cấp Clo nhưng với liều lượng thấp hơn nhiều so với quy trình truyền thống.

Ước tính chi phí vận hành

Chi phí vận hành của bất kỳ quy trình nào là một yếu tố rất quan trọng giúp xác định liệu nó có được sử dụng hay không Để một công nghệ keo tụ được lựa chọn trong số tất cả các công nghệ khác, nó không chỉ phải có tỷ lệ loại bỏ chất ô nhiễm cao mà còn phải đủ kinh tế để có tỷ lệ lợi ích trên chi phí tốt, để xác định chi phí xử lý nước tính bằng đơn vị tiền tệ cho mỗi lít nước thải được keo tụ Hóa đơn tiền điện mà mọi người phải trả hàng tháng tùy thuộc vào lượng kilowatt mỗi giờ đã được sử dụng trong thời hạn thanh toán kWh là một đơn vị năng lượng và nó phụ thuộc vào lượng điện năng tiêu thụ trong một khoảng thời gian nhất định (thường tính bằng giờ) Để bắt đầu ước tính chi phí vận hành keo tụ điện hóa, sẽ cần có điện năng tiêu thụ

Các phương trình được sử dụng giống như các phương trình được sử dụng cho dòng điện một chiều Sự khác biệt là các thuật ngữ như điện áp và dòng điện là các giá trị hiệu dụng tương đương của các biến đó Để đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng, phép đo phải được thực hiện song song và để đo dòng điện, nó phải được thực hiện nối tiếp Nếu điều này không được thực hiện đúng cách, hoặc đồng hồ vạn năng không được cấu hình chính xác, hiện tượng đoản mạch sẽ xảy ra và cầu chì sẽ bị cháy Để tính thời gian cần một mét khối nước thải để xử lý, phải tính đến tỷ lệ nghịch của dòng chảy Các tính toán được sử dụng để lập dự toán chi phí được trình bày dưới đây:

≈ 120 (đồng/m 3 ) a: giá tiền điện cho công nghiệp (1.771 VNĐ/kWh) b: giá tiền điện cực, đối với nhôm (Al) là 150000 đồng/kg

Tiêu thụ năng lượng của nguồn DC:

Trong đó U là điện áp (V), I là dòng điện (A), t là thời gian phản ứng (h), V là thể tích nước (m 3 )

Lượng nhôm bị tiêu thụ trong quá trình điện hóa:

Trong đó I là cường độ dòng điện (A), t là thời gian phản ứng (s), MW là khối lượng phân tử của điện cực (g/mol), z là số lượng điện cực được chuyển,

V là thể tích nước (m 3 ) và F là hằng số Faraday 96500 (C/mol).

Tiêu đề	Nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực nhôm
Tác giả	Dương Quốc Vinh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Mỹ Linh, PGS. TS. Nguyễn Nhật Huy
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật môi trường
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	2,92 MB