Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling Nghiên cứu xử lý khí thải chứa hơi phenol bằng phương pháp lọc Biotrickling
Trang 1ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN THÀNH PHÓ HỎ CHÍ MINH
BAO CAO NGHIEM THU DE TAI NGHIEN CUU KHOA HOC CAP TRUONG
Trang 2Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013 Chương I: GIỚI THIỆU 11 Tổng quan về phenol 1.1.1 Tính chất vật lý — hóa học 25?”
a Tinh chat vat lý
Phenol là một loại hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm hydroxyl (-OH) liên kết trực tiếp vào nhân benzene (nhân thơm)
Phenol đơn giản nhất là CạHạO Còn có tên gọi là: hydroxyl benzene, acid phenilic, acid
carbolic i
- Cong thirc phan tử CạH;OH `
- - Phân tử lượng: 94.11 NA
- _ Tỉnh thể màu trắng, hoặc không màu, chuyển hồng hoặc đỏ khi tiếp xúc với không khí hoặc ánh sáng, chảy rữa do hấp thụ hơi nước (tạo thành hydrate)
-_ Nhiệt độ sôi: 141.5°C
- Phenol tan trong hau hết dung môi hữu cơ nhưng độ hòa tan giới hạn đối với các dung môi hữu cơ là chất béo Mặc dù phenol có khả năng tạo liên kết hydro với nước nhưng phenol tan ít trong nước lạnh (9.5g/100g nước lạnh), do gốc phenyl (C¿H; - ) khá lớn nên ky nước Tuy nhiên, phenol tan vô hạn trong nước nóng > we
b Tinh chat hóa học Tinh axit
Phenol có tính axit vì có hiệu ứng cộng hưởng xảy ra trong phân tử Vì vậy, khác với
rượu, phenol còn có thê tác dụng với bazơ mạnh:
CạH;OH + NaOH > C¿H;ONa + HạO (Natri phenolat)
Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu K,=10”” nên không làm đổi màu quỳ tím Vì
vay, mudi phenolat bi axit cacbonic tac dung tao lai phenol: C.HsONa + CO, + H,O > CsH;OH + NaHCO;
Trang 3
Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp
Tinh chất như rượu
Phenol có thể tác dụng được với Na như rượu nhưng khác với rượu, muối phenolat không
bị nước phân hủy:
C;H;ONa + H;O > C;H;OH + NaOH C¿HzƠNa + H;O > không phản ứng
Phenol cũng tạo được este như rượu nhưng khác với rượu có thé tac dụng trực tiếp với axit, phenol chỉ có thể tác dụng với clorua axit hoặc anhidric axit mới tạo được este:
CạH;OH + CH:COCI > CH:COOC,H; + HCI
CạH;OH + (CH:CO);O >3 CH;COOC,H; + CH;COOH Tính chất của nhân thơm
Phenol phản ứng với dung dịch brom tạo kết tủa vàng Phenol phản ứng với HNO; tạo kết tủa trắng
1.1.2 Sản xuất phenol
- Trong tự nhiên, phenol thu được từ nhựa than da (coal oxidation) hoac bằng cách oxi hóa
khong hoan toan benzene, bang qua trinh Cumene hay qua trinh Raching 1.1.3 Một số ứng dung cia phenol
Bác sĩ Joseph LIster là người tiên phong trong việc sử dụng phenol trong khử trùng phẫu thuật, mặc dù việc tiếp xúc phenol trong một thời gian lâu dài gây nên các hiện tượng phông da, nhưng vì đặc tính khử trùng của phenol dẫn đến việc thay thế các
phương pháp khử trùng khác trong phẫu thuật Đây là một trong những thành phần chính
của chất khử trùng TCP đã được thương mại hóa
Phenol được dùng để điều chế nhiều dược phẩm như asprrin làm giảm đau, hạ nhiệt,
phòng và chữa huyết khối; acid salicilic là thuốc giảm đau, hạ nhiệt, chống viêm), metyl salicilate (dầu nóng, làm giảm dau trong các chứng viêm thấp khớp, đau cơ) Phenol sử
dụng để điều chế phẩm nhuộm, chất dẻo (nhựa bakelite là một hỗn hợp của phenol-
formandehyde ), tơ tổng hợp (nylon-6,6 ), thuốc diệt cỏ và cũng là chất kích thích tố
thực vật (2.,4-D, là muối natri của acid 2,4- dichlophenonoxiacetic, 2,4-CjC¿H:O-
Trang 4
Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013
CH;COONa ), thuốc nỗ (acid picric), thuốc diệt nắm mốc (ortho- và para-nitrophenol, o- và p-OzN-C¿HOH ) Phenol có thể dùng trực tiếp làm chất sát trùng, tây ué (nhu phenol được cho vào hồ tinh bột làm keo dán giấy để bảo quản hồ tỉnh bột lâu hư, nhờ tinh sat trung cua phenol)
1.1.4 Nguén phat thai phenol
Phenol có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống Tuy nhiên, nếu sử dụng không đúng cách, không đảm bảo an tồn lao động, khơng có các biện pháp bảo vệ môi trường, hạn chế sự phát tán phenol ra môi trường sẽ gây tác động xấu đến môi trường và con người, đặc biệt là người lao động Người lao động khi tham gia vào việc sản xuất phenol bởi quá trình cumene, hoặc sản xuất phenol từ chlorobenzene có nguy cơ nhiễm độc
phenol rất cao Phenol có thể được thải vào không khí trong chế biến các loại nhựa
phenolic, sản xuất các dẫn xuất của phenol và phenol, sản xuất caprolactam, sản xuất
coca cola và các vật liệu cách điện Hơi phenol còn có thê được phát thải từ các xưởng
đúc sắt, thép hoặc trong quá trình khí hóa than, nhà máy liquefication, nhà máy bakelitre, sợi tổng hợp len thủy tinh Trong quá trình ướp xác, nồng độ cao phenol được sử dụng cũng gây phơi nhiễm hơi phenol, có khả năng gây ngộ độc
1.1.5 Tác động đến môi trường và sức khỏe cộng đồng
Phenol có thể tiếp xúc với cơ thể người thông qua các tuyến tiếp xúc, hít thở, tiêu hóa Sau khi uống phenol tạo ra cơn đau rát và tốn thương hoại tử trắng trong miệng thực quản và dạ dày, nôn mửa và tiêu chảy ra máu Sau khi tiếp xúc với da, đau được theo sau bởi tê và đa trở nên chân Các tác dụng lâm sàng của phenol là độc lập trên tuyến đường
tiếp xúc, chúng bao gồm: nhức đầu, chóng mặt, hạ huyết áp, loạn nhịp tâm thất, thở nông, xanh tím, xanh xao, kích thích và co giật có thé xay ra ban dau, nhưng nó là cách nhanh
chóng theo sau bắt tỉnh Nhiệt độ cơ thể tăng nhẹ và phù phổi có thể xảy ra Nhiều nghiên cứu cho thấy, phenol còn gây nên methemoglobin và thiếu máu tan huyết Các tác động quan trọng nhất trong nghiên cứu động vật ngăn hạn là độc thần kinh, gan và tốn thương thận và các hiệu ứng đường hô hấp Nếu phát tán phenol với nồng độ cao hoặc lâu dài có
thể gây tử vong hoặc suy thoái hệ sinh thái
Trang 5
Do các ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe cộng đồng, nhiều nơi trên Thế Giới đã quy định tiêu chuẩn phát thải đối với phenol, đặc biệt là hơi phenol vào không khí: Bảng 1.1: Giới hạn phơi nhiễm phenol trong khí thải công nghiệp tại một số quốc ia’?! § Quốc gia/ Mô tả Giá trị Ngày có Tổ chức hiệu lực
Australia Ngưỡng giới hạn 19 mg/m” 1983
Germany Nồng độ tối đa tại nơi làm việc 19 mg/m* 1985
Giới hạn phơi nhiễm tức thời (5 phút) 38 mg/m? 1985
Hungary Nong độ tối đa cho phép 5 mg/mÌ 1978
Giới hạn phơi nhiễm tức thời (30 phút) 10 mg/mÏ 1978
Japan Nồng độ tối đa cho phép 19 mg/m* 1981
Sweeden Giới hạn cao nhất 4 mg/m? 1985
Giới hạn phơi nhiễm tức thời (15 phút) 8 mg/mỶ 1985
USA (OSHA) Cấp phơi nhiễm có thể chấp nhận được 19 mg/m` 1974
USA (ACGIH) Ngưỡng giới hạn 19 mg/m? 1984
Giới hạn phơi nhiễm tức thời 38 mg/m? 1984
USSR Giới hạn cao nhất 0.3 mg/m` 1977
Cũng theo QCVN 20: 2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công
nghiệp đối với một số chất hữu co), nồng độ tối đa cho phép cơ sở phát thải phenol vào không khí là 19 mg/NmỶ Luận văn nghiên cứu dựa theo quy chuẩn này để đánh giá chất lượng khí thải sau xử lý
12 Tổng quan về các phương pháp xử lý phenol trong khí thải
12.1 Đô”
Được áp dụng khi nồng độ chất ô nhiễm rất lớn, phù hợp với quá trình cháy, đặc biệt là
các chất ô nhiễm gây mui va cdc hop chat hitu co bay hoi (VOCs), trong dé cé phenol Các chất khí này dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ phản ứng với oxi, quá trình oxi hóa xảy
ra Sản phẩm tạo thành cua quá trinh la CO), H,O và một sỐ hợp chất khác ít mùi và ít ô
nhiễm hơn Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi tiêu tôn nhiều năng lượng, nhiên liệu, chi phí
Trang 6
Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013
đầu tư thiết bị và vận hành tương đối lớn Hơn nữa, nếu trong khí thải đầu vào có chứa
các hợp chất của clo, nito, lưu huỳnh, khi cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các hợp chất
gây độc cho môi trường và sức khỏe con người 1.2.2 Hap phụ bằng than hoạt tính?
Hơi phenol trong khí thải có thể dễ dàng hấp phụ bởi than hoạt tính Sau một thời gian xử lý, than hoạt tính được tái sinh bằng hơi nước bão hòa, không khí nóng Tuy nhiên thời gian hấp phụ của than hoạt tính tương đối ngắn, quá trình giải hấp và xử lý phần khí thải sau giải hấp mất nhiều thời gian và chi phí cao Đây chỉ là một phương pháp chuyên dạng
chất ô nhiễm chứ chưa giải quyết triệt dé
1.2.3 Hấp phụ bằng than hoạt tính - xúc tác”!
Nhằm hạn chế nhược điểm khó hoàn nguyên của than hoạt tính, than hoạt tính — xúc tác
ra đời bằng cách tắm vài phần trăm kim loại chuyển tiếp Loại vật liệu này có khả năng hấp phụ rất tốt phenol cũng như các hợp chất hữu cơ bay hơi khác Ưu điểm của thiết bị là khả năng oxi hóa trực tiếp phenol trên bề mặt than hoạt tính, chuyển phenol thanh CO), H;O và các hợp chất đơn giản, ít độc tính khác, có khả năng hoàn nguyên đơn giản băng
không khí nóng Tuy nhiên, cần duy trì một lượng âm nhất định trên bề mặt vật liệu
1.3 Tổng quan về phương pháp lọc sinh học [10] 1.3.1 Lich sw nghién cwu:
Phương pháp xử lý sinh học đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dé giảm thiểu ô nhiễm trong suốt thế kỷ 20 Tuy nhiên chỉ trong thời gian gần đây lọc sinh học được chấp nhận ở Hoa Kỳ như một giải pháp hữu hiệu cho xử lý khí thải Những loại khí thải có mùi rất đặc trưng của các cơ sở xử lý nước thải và hầu như không được
kiểm soát Trước khi được chấp nhận ở Hoa Kỳ, biofilters đã đạt được nhiều thành công ở châu Âu, đặc biệt là Hà Lan, như một giải pháp xử lý hữu hiệu đối với một loạt các vấn
đề phát thải khí Trong thực tế, các thiết bị biofilters đầu tiên được có từ hàng trăm năm
về trước để giảm thiểu mùi hôi từ các hồ xí ngoài trời; các bằng sáng chế Mỹ đầu tiên đã
được cấp vào nam 1957 Tuy nhiên, các hệ thống đầu thường được sử dụng vật liệu đất
xốp như là phần vật liệu đệm, và hệ thống đường ống được sử dụng cho luồng khí qua
Trang 7
các tầng Những nỗ lực đầu tiên đã tương đối hiệu quả, nhưng dễ bị hỏng vì sau một thời gian hoạt động, vật liệu đệm sẽ bị nén, dưới tác dụng của dòng khí hình thành nên những rãnh nhỏ, làm cho sự phân phối khí trong lớp vật liệu đệm kém đi
Hệ thống lọc sinh học trước đây thường được thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử
lý nước thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost Sau đó, nó được ứng dụng phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ khác
1.3.2 Lý thuyết quá trình lọc sinh học: "”
a Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị
Một thiết bị lọc sinh học đơn giản bao gồm: thân thiết bị, lớp đệm, dung dịch dinh dưỡng hoặc nước và một bể dùng để lăng dung dịch tưới Ngoài ra còn có các thiết bị khác đi
kèm như bom, pet phun, thiết bị cấp khí và thu khí, thiết bị thu cặn bề lắng Nguyên lý hoạt động:
2 Thiết bị biofilter thông thường gồm một lớp đệm được đặt trong cột lọc; một số loại
vật liệu lọc được sử dụng là phân compost hoặc than bùn, dăm bào, mùn cưa, bã mía Khí thải sẽ được dẫn đi qua lớp vật liệu lọc này Nước được xỊt/nhỏ giọt được định vị bên trong đệm hoặc lên bề mặt đệm nhằm cung cấp độ âm cần thiết để không cho đệm khơ,
kiểm sốt độ pH cũng như cung cấp chất dinh dưỡng bồ sung
e Pha lỏng sau khi đi qua lớp vật liệu đệm sẽ đi vào bề chứa để lăng các chất rắn và tăng cường sự phân hủy sinh học trước khi được bơm trở lại
e _ Dòng khí thải khi đi qua lớp vật liệu lọc sẽ diễn ra quá trình phân bố và khuyếch tán vào trong màng sinh học Đây là nơi các phân tử khí tiếp xúc với các vi sinh vật và bị phân hủy Cơ chế của quá trình lọc sinh học bao gồm quá trình hấp phụ, hấp thụ và phân
hủy bởi các vi sinh vật Các vi sinh vật trong màng sinh học liên tục hấp thụ và biến
dưỡng các chất ô nhiễm, biến chúng thành các sản phẩm cuối cùng là nước, CO2 và các
Trang 8Neguyén Ly S¥ Phu ẫ 2013
b Vật liệu đệm
Việc lựa chọn vật liệu đệm rắn cho một hệ thống biofiltration có thể là quyết định quan
trọng nhất trong thiết kế của các hệ thống xử lý Tất cả các giá thể đệm hỗ trợ tốt cho lọc sinh học thường có một số đặc tính phổ biến Chúng bao gồm khả năng hỗ trợ tăng
trưởng của vi khuẩn trên bề mặt của các hạt Vật liệu có bề mặt thô ráp, độ xốp của hạt
đáng kể, và không có tính chất ức chế các vi khuẩn Trạng thái lý tưởng này giúp chúng bền vững, chống lại sự phá hủy được và sự nén Sự phá hủy và nén chặt của lớp vật liệu
đệm dẫn đến nhiều vấn đề lúc hoạt động và đòi hỏi vật liệu đệm phải được thay thế
thường xuyên hơn, do đó chi phí tăng Môi trường phải có khả năng giữ nước: thông
thường từ 40% đến 70% cho vật liệu đệm có hoạt tính sinh học và từ 30% đến 60% đối
với vật liệu trơ Trừ khi biofilter được thiết kế đặc biệt, vật liệu đệm nên có độ pH từ 6
đến 8 và lý tưởng hơn là loại vật liệu có tính đệm Chi phí vận hành của vật liệu đệm liên
quan mật thiết đến tuổi thọ của nó, khi thiết kế và vận hành cần lưu ý đến vấn đề này
Tuôi thọ của mỗi loại vật liệu đệm khác nhau là khác nhau Đối với các vật liệu đệm có
tuổi thọ ngắn thì cần phải thay thế thưởng xuyên, dẫn đến chi phí vận hành, bảo dưỡng thiết bị cao
Vật liệu đệm được sử dụng trong thiết bị biofilter là loại vật liệu tự nhiên có một số lợi
thế rõ ràng: Nó có nhiều giá trị dinh dưỡng (N và P) để hỗ trợ vi sinh vật phát triển và do đó không phải bổ sung liên tục nguồn dinh dưỡng này, chỉ phí tương đối thấp và dễ tìm, khả năng giữ âm tốt tạo điều kiện tốt cho vi sinh vật sống và phát triển Hơn thế nữa, bản
than vật liệu đệm tự nhiên có chứa một số loại vi sinh vật nhất định, qua quá trình thích
Ran?
nghi, “chọn lọc tự nhiên” giúp giữ lại, làm giàu các loại vi sinh vat cần thiết cho nhu cầu
xử lý của thiết bị, đo đó có thể có hoặc không việc cấy vi sinh vật vào thiết bị
Khi lọc sinh học được thiết kế cho một ứng dụng cụ thể, cần đánh giá tinh chat vật lý, hóa
học của các hóa chất để lựa chọn loại vật liệu đệm phù hợp a Vi sinh vat
Mặc dù có rất nhiều cân nhắc kỹ thuật phải biết khi thiét ké mot hé théng biofiltration,
một trong những yếu tô cần nhớ răng những thiết kế cho hệ thống này sẽ là vô nghĩa nếu không có vi khuẩn hoạt động Những tiền đề của biofiltration thông thường là một hóa
Trang 9
Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013 =
chất di qua lớp đệm biofilter và được chuyển từ các pha khí sang pha lỏng bao quanh các
chất mang vật liệu răn Giai đoạn này pha lỏng là một màng sinh học, nơi các vi sinh vật
phân hủy các hợp chất hóa học cần thiết Hai yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng
_ phân tán của các chất ô nhiễm từ pha khí vào pha lỏng là khả năng hòa tan và tỷ lệ trao đổi của vi sinh vật trong màng sinh học
Sự phân hủy của các chất khí ô nhiễm luôn xảy ra trong pha lỏng, do đó, trong quá trình lọc sinh học cần duy trì các yếu tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật trong lớp màng này Thông thường biofilter hoạt động ở pH trung tính 6 — 8 Tuy nhiên, một số
ứng dụng đòi hỏi pH của hệ thống phải thấp (pH khoảng 2), như các loài Thiobacillus để
oxi hóa các hợp chất sulfua hydro và phân hủy các hợp chất có chứa lưu huỳnh Tại pH
trung tính, nhiều loài vi sinh vật hoạt động trong hệ thống biofilter đã được xác định như Pseudomonas, Alcaligenes, Xanthomonas và nhiều loài vi sinh vật khác Mặc dù những vị sinh vật này hoạt động tùy thuộc vào thành phần khí trong khí thải đưa vào hệ thống
nhưng trong nhiều trường hợp, trong hệ thống có thể tồn tại cùng lúc nhiều loài vi sinh
vật, cùng phân giải một chất hay nhiều chất — ˆ
13.3 Úng dụng
Lọc sinh lọc đã được sử dụng để làm giảm bớt các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, làm dịu đi
các hợp chất gây mùi và kết hợp với các công nghệ xử lý khác Với những sự thay đổi
gần đây ở Mỹ về tiêu chuẩn không khí, sự gia tăng áp lực đã được đặt lên các ngành công nghiệp về việc phát thải các hóa chất vào không khí Lọc sinh học ngày càng được lựa chọn để sử dụng một cách phổ biến hơn để xử lý khí thải bởi vì chi phí vận hành thấp và chi phí đầu tư thấp so với các công nghệ khác
Bang 1.2: Danh mục các ngành công nghiêp ứng dụng lọc sinh học đề kiểm sốt ơ nhiễm không khí:
Chăn nuôi thú quy mô lớn Sơn quy mơ lớn
Ơ tơ Cơng nghiệp hóa dầu
Sản xuất hóa chất Dầu khí
Khí hóa than Sản xuất nhựa
Trang 10
Nguyễn Lý Sỹ Phú L_ 2013
San xuat phan compost In an
San xuat ethanol Giấy và bột giấy
Chế biến thực pham Rendering
Fragrance Công nghệ bán dẫn
Đúc sắt Nhà máy xử lý nước thải
Khí phát sinh từ bãi chôn lấp Sản xuất đồ gỗ
1.3.5 Ưu nhược điểm của hệ thống lọc biotrickling: * Ưu điểm
e Giá thành thấp chi phí vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất
e Thiết kế linh động do đó có thể thích nghỉ với mọi loại hình công nghiệp và diện
tích của xí nghiệp
e Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất hữu cơ bay
hơi và các chất độc Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các khí thải có nồng độ
các chất ô nhiễm < 1000 ppm
e Vật liệu đệm sử dụng là vật liệu nhân tạo có độ bền cơ học, hóa học cao điều này
cho phép hoạt động lâu dai va dé duy trì các thông số hoạt động thích hợp * Khuyết điểm
e Hệ thống lọc sinh học không xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm có khả năng hấp phụ
thấp và tốc độ phân hủy sinh học chậm ví dụ như các hợp chất hữu cơ bay hơi có chứa
chlor
e Các nguồn ô nhiễm có nồng độ cao cần các hệ thống lớn và diện tích lớn để lắp đặt
hệ thống lọc sinh học
e Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phát thải chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của chúng
e Thời gian để cho các vi sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng
sinh học (biofilm) có thể kéo đài hàng tuần đến hàng tháng, đặc biệt là đối với việc xử lý
các chất hữu cơ bay hơi
Trang 11
Chương II: THỰC NGHIỆM
Trang 122013
Nguyễn Lý Sỹ Phú |
7 Chậu chứa dung dịch đinh dưỡng § Bơm chất lỏng đề tuần hoàn
9 Đĩa phân phối dung dịch dinh dưỡng 10 Vật liệu đệm
Hình 2.2: Mô hình thí nghiệm thực tế 2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm:
Mô hình thực nghiệm bao gồm: ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN THƯ VIÊN 001283 - C6t loc biotrickling - _ Hệ thống cấp khí - _ Dòng tuần hoàn dung dịch dinh dưỡng
- Những thiết bị khác (van, các phụ kiện và ống)
Cột lọc biotrickling là một ống trụ bằng nhựa acrilic trong suốt với chiều cao 70 cm và đường kính trong 5 cm Một khay nhựa PVC đục lỗ được đặt phía trên cách đáy 10cm để đỡ lớp vật liệu đệm và phân bố không khí đều qua từng lớp Dòng khí đầu vào
nằm phía dưới cách tam đục lỗ 3 cm Bên trong cột lọc này được nhéi lớp vật liệu đệm bằng 2 loại vật liệu tự nhiên và nhân tạo Chiều cao chứa lớp vật liệu đệm là 50 cm với
"BEBSG0GNGL2N03050HE30NGSGSIUERBSHPIDIEEHDIHHIGIRIGSIGIGDBHHIDHBHISHGIS00000000/00đ0đ00G04IGBHGGHHEGIENGISEIGREHGDHSISHGIEIEIHEISIBEGSIGISIOfSNGiSiGMSiGI2/000800G0MBIIHSIGIESEGEGIEiiiBiESiBSBiiiiitiiiiBiIliG3880fãđ80G0ĂN00i0G88GGt8GiGN0iG8GiittNGSiĐt0300/80083800218008
Trang 13thể tích là 1,23 lít Cột lọc có một khoảng bên trên khoảng 10cm, cho phép bố trí đĩa phân phối dung dịch dinh dưỡng Đầu ra của khí cách bề mặt của lớp vật liệu đệm 10cm
Dung dịch dinh dưỡng cung cấp cho cột lọc được chuẩn bị băng cách pha các muối khoáng đa lượng và vi lượng vào một lít nước Dung dịch dinh dưỡng sẽ được thêm
định kỳ vào dung dịch tuần hoàn với một lượng nhất định để đảm bảo đủ nguồn dinh
dưỡng, độ âm cần thiết cho vi sinh vật có thể sống và phân hủy phenol
Dung dịch dinh đưởng được chuẩn bị bằng cách pha các loại muối chứa các thành
phần đa lượng và vi lượng gom: K;PO¿, KH;PO¿, NH¿CI, MgC];.H;O, Na;HPO¿.12H;O,
MgSO¿.7H;O, FeSOx.7H;O, CaC];.6H;O, ZnSO¿.7H;O, MnSO¿.HO Dung dịch dinh
dưởng được định kỳ thêm vào dung dịch tuần hoàn nhằm bổ sung chất dinh dưỡng cho
quá trình nuôi cấy vi sinh vật (50 mL/ngày) Thời gian lưu dung dịch tuần hoàn là 2 ngày, do trong quá trình sống và phân hủy của vi sinh vật sản sinh ra một số chất có khả năng gây ức chế trở lại hoạt động sống của chúng
2.3 Chuẩn bị vi sinh và cấy vào mô hình:
Bùn vi sinh được lấy từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Bình Hưng xã Bình Hưng,
huyện Bình Chánh, Tp HCM Dung dịch cấy được chuẩn bị từ bùn hoạt tính (được lấy
từ Nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh, Tp HCM) Bùn hoạt tính sau khi lấy từ nhà máy về được chứa trong thùng chứa và sục khí có chứa
phenol với nồng độ tăng dần đồng thời bố sung dung dịch dinh dưỡng trong 24h Đây là
quá trình thích nghi, làm giàu vi sinh vật có khả năng phân hủy phenol trong bùn hoạt tính, đồng thời loại bỏ những vi sinh vật không thích nghi Sau đó, dăm bào được ngâm vào hỗn hợp bùn và tiếp tục sục khí trong 24h tiếp theo Điều này giúp các vi sinh vật
trong dung dịch bùn dính bám lên bề mặt vật liệu Kết thúc quá trình sục khí, dăm bào
được lấy ra và được trộn đều với compost (tý lệ 4:1) Thêm dung dịch dinh dưỡng đến
khi đạt độ âm 50% rồi cấy vào thiết bị Đối với vật liệu đệm nhân tạo (mút xốp) thì chỉ
cần cấy trực tiếp vào mà không cần xử lý trước
Pha hỗn hợp gồm bùn hoạt tính (đã được làm giàu vi sinh vật phân hủy phenol) và dung dịch dinh đưỡng với TSS khoảng 3000 mg/l Ding bơm tuần hoàn để cấy hỗn hop này
Trang 14
: :
Neuyén Ly SY Phu) 2013
ˆN3gH20190400
vào thiết bị cột lọc với lưu tốc 150 ml/phút cho đến khi TSS của dung dịch < 300 mg/L
Trong quá trình cấy, vẫn tiếp tục sục khí có chứa phenol vào thiết bị để làm giàu và thích nghi vi sinh vật Lưu lượng dòng khí khoảng 1 L/phút, nồng độ hơi phenol trong khí được kiểm soát ở 50 ppm
2.4 Lấy mẫu và phương pháp phân tích
2.4.1 Phương pháp phân tích mẫu khí:
e Nguyên (ắc
Phenol trong khí thải sau khi được hấp thu vào dung dịch dung dịch natri cacbonat được cho tác dụng với dung dịch para nitroanilin sau khi đã được diazo hóa Hợp chất màu vàng cam tạo thành sẽ được đo màu ở bước song 450nm Cường độ màu của dung dịch tỷ lệ với hàm lượng của phenol trong khí thải
e_ Hóa chất thuốc thử
Dung dịch hấp thụ:
Natri cacbonat 10% ding dé lay mau
Natri cacbonat 1% dùng để dựng dãy chuẩn Dung dịch Phenol tiêu chuẩn:
Dung dịch phenol gốc: Cân 1,00g phenol hoa tan trong nước cất hai lần thành I lit Dung
dịch nhận được có độ chuẩn Img/ml dung dịch bền 1 tháng Các dung dịch phenol làm
việc được pha loãng theo tỉ lệ phù hợp e Chuan bị thuốc thử:
Hoà tan 0,69g p.nitroanilin trong 150ml axit clohidric IM, thêm nước đến l lít, lắc kỹ Natri nitrit (NaNO;), dung dịch bão hoà chuẩn bị như sau: Hoà tan 42g natri nitrit trong
50ml nước cất ở nhiệt độ phòng
2.42 Dựng đường chuẩn:
Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn chứa phenol trong bình định mức dung tích 50ml đã có chứa sãn 20 ml nước cất theo bảng:
Trang 15
Dung dịch chuẩn số 1 2 3 4 5 6 7 Nước cắt 2 lần 25 ml Dung dich phenol Sppm 0 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0 15.0
Dung dịch Na;COa 1% (cân khối lượng (g)) 5ml
Thuốc thử pha loãng 2.5 ml Nong dé (ppm) 0 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 15 Lắc trộn cần thận và để yên 15 phút Đo độ hấp thu quang tại bước sóng 480nm Đồ thị đấy chuân A 0.5 + 0.45 5 y = 0.29719x+ 0.00025 we 04 - R? =0.99996 a 0.35 - “á 0.3 - wee 0.25 - i ne + 02 + 2” | a 0.15 - ee 01- _Z 00s ô* 5đ : x A 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 12 14 18 ig Nong do Hình 2.3: Đô thị đường chuẩn độ hấp thu theo nông độ phenol Công thức xác định nồng độ phenol: , 10 c=C mL TR Se
Trang 16Nguyễn Lý Sỹ Phú ' 2013
2.5 Các bước tiến hành lấy mẫu và phân tích
Tiến hành thu mẫu đồng thời đầu vào và đầu ra Mẫu sau khi hấp thụ xong được phân tích ngay bằng phương pháp trắc quang như sau:
Bước 1: Tiến hành thu mẫu đồng thời đầu vào và đầu ra bằng 2 impinger mắc nối tiếp,
mỗi impinger chưa 10 ml dung dịch hấp thu Na;CO: 10%
Bước 2 : Pha loãng mẫu
Bước 3 : Lấy một thể tích thích hợp mẫu đã pha loãng cho vào bình định mức 50 mL Bước 4 : Thêm 2.5 mL dung dịch thuốc thử
Bước 5 : Dinh mức bằng nước cất hoặc bằng dung dịch NazCO; 0.1%, lắc đều để yên
trong 15 phút
Bước 6 : Đo quang tại bước sóng 480 nm
2.6 Tiến hành thí nghiệm trên mô hình
Dòng khí có chứa hơi phenol được tạo ra bang cách sục không khí sạch tốc độ chậm vào
một impinger chứa dung dịch phenol đã biết nồng độ, hơi thoát ra được dẫn trực tiếp vào
thiết bị biofilter sao cho dòng khí đi vào từ dưới lên Nồng độ hơi phenol trong khí đầu
_ Vào được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi nồng độ dung dịch phenol trong impinger Khi muốn tăng nồng độ phenol, có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 impinger
Trong quá trình di chuyển của dòng khí, hơi phenol tiếp xúc và bị hấp phụ vào lớp
màng mỏng vi sinh vật dính bám trên bề mặt đệm Tại đây, dưới tác động của vi sinh vật,
phenol sẽ bị phân hủy Sau một khoảng thời gian nhất định, tiến hành lấy mẫu khí tại đầu
vào, đầu ra để phân tích
Dung dịch tuần hoàn được thu vào bể chứa rồi tuần hoàn trở lại với vận tốc xác
định Đĩa phân phối chất lỏng giúp phân phối đều dung dịch lên toàn bộ lớp vật liệu đệm
Dòng tuần hoàn giúp duy trì độ âm và pH cho vật liệu đệm, đồng thời cung cấp chất dinh dưỡng cho vi sinh vật phân hủy phenol hoạt động Dung dịch này được kiểm tra nồng độ phenol trong nước
Thời gian lưu (Empty bed residence time: EBRT) của không khí trong cột lọc
biofilter được khảo sát ở giá trị xác định trước bằng cách biến đổi tốc độ dòng khí chính
Trang 17
Sas
vào impinger Tốc độ dong khí được kiểm soát bằng flowmeter và van hiệu chỉnh lưu lượng Tiến hành các khảo sát sau:
Đối với vật liệu đệm tự nhiên (sơ dừa và phân bò):
- _ Thích nghi vi sinh vật và cấy vi sinh vật vào thiết bị xử lý
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình vận hành: tỷ lệ phối trộn của vật liệu
dém (1:1, 4:1, 6:1), van tốc dòng tuần hoàn, khả năng hấp phụ của vật liệu đệm
- _ Thay đổi tốc độ dòng khí từ 1,0 — 2,5 L/phút, tương ứng EBRT 30 — 75s để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến hiệu suất xử lý
_ Khảo sát hiệu năng cột lọc, khảo sát hiện tượng “shock” tải
Tất cả các thí nghiệm đều được tiến hành ở nhiệt độ phòng Cột nước duy trì bên trong thiết bị khoảng 3 cm M6 ta chỉ tiết phương pháp thực nghiệm:
Bảng 2.1: Mô tả chỉ tiết phương pháp thực nghiệm phương pháp lọc sinh học
Chỉ tiêu Giá trị
s* Giai đoạn khởi động
Nồng độ phenol đầu vào 50 mg/NmỶ
Lưu lượng dòng khí I L/phút
EBRT 75s
Vận tốc dòng tuần hoàn 40 mL/phut
“¢ Giai doan van hành
Trang 18Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013
Đối với vật liệu đệm nhân tạo (múi xếp):
— _ Ảnh hưởng của nồng độ phenol đầu vào
— Ảnh hưởng của thời gian lưu và tốc độ dòng khí
— _ Tải trọng giới hạn của cột lọc sinh học nhỏ giọt
- _ Ảnh hưởng của sự thay đổi đột ngột nồng độ phenol đầu vào Các thông số tiễn hành thí nghiệm được trình bày ở bảng :
Bảng 2.2: Các thông số vận hành mô hình thí nghiệm với vật liệu đệm nhân tạo Các giai đoạn vận hành Thông sô Giai đoạn thích nghỉ Nồng độ khí phenol đầu vào 190 - 205 mg/m” Lưu lượng dòng khí 1,5 L/phút Thời gian lưu 50 giây Lưu lượng đòng dung dịch tuần hoàn 107 L/phút Giai đoạn vận hành
Trang 19
CHUONG III : KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Thích nghỉ vi sinh vật:
Để tránh gây sốc cho vi sinh vật, bùn sau khi lấy về từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt được bổ xung dung dịch dinh dưỡng và tiến hành sục khí có chứa hơi phenol ở nồng độ thấp trong vòng một ngày Sau khi VSV đã dần thích nghi, thêm dung dịch phenol vào dung dịch bùn để làm giàu vi sinh vật oxy hóa phenol (POB) trong thời gian ngắn và đảo thải các loài vi sinh vật không có khả năng oxy hóa phenol Nhằm đánh giá khả năng sống, phát triển của VSV đồng thời đảm bảo môi trường sống thích hợp cho VSV, cần
tiến hành khảo sát chỉ số TSS, DO và pH của dung dịch bùn trong thời gian thích nghỉ
Trang 20Nguyễn Lý Sỹ Phú L 2013 6.6 6.4 we 6.2 \ 5.6 1 2 3 3 5 6 7
Hình 3.1: Đô thị khảo sát các thông số trong quá trình thích nghỉ bùn hoại tính Sự đào thải của các vi sinh vật không thích nghi được biểu thị thông qua chỉ số TSS giảm
nhanh trong những ngày đầu tiên Ngày thích nghi thứ 3 TSS giảm nhiều nhất do ngày
thứ 2 ngoài việc sục không khí có hơi phenol ta còn tiến hành thêm dung dịch phenol 5000 ppm vao dung dich bùn ( 50 ml sau mỗi § giờ trong ngày thứ 2 và tăng lên 100 ml trong ngày thứ 7) Trong những ngày tiếp theo lượng vi sinh sau khi thích nghi tăng trưởng nhanh chóng làm hàm lượng bùn tăng đều trong ngày thứ tư đến ngày thứ 7 quá
trình làm giàu POB đã hoàn tắt
Trong thời gian thích nghi hàm lượng oxy hòa tan được kiểm tra hàng ngày nhằm kiểm soát quá trình sinh trưởng, phát triển của VSV Nếu DO giảm quá thấp có thể cho thấy VSV phát triển quá mức đã sử dụng một lượng lớn O; trong nu Chỉ số DO được duy trì khá ổn định, dao động xung quanh nồng độ 6 mg/I pH trong suốt quá trình thích nghi cũng thay đổi không đáng kể xung quanh giá trị pH bằng 6ó Những ngày giá trị pH tăng là do dung dịch dinh dưỡng được thêm vào định kỳ sau 2 ngày ( dung dịch dinh dưỡng có tính kiềm), sau đó độ pH giảm dần do trong quá trình sống các vi sinh vật sẽ phân giải các chất tạo ra các axit hữu cơ
Sau thời gian thích nghi thêm 150 ml dung dịch dinh dưỡng vào 1 lít bùn có chỉ số TSS khoáng 3000 mg/I để chuẩn bị dung dịch cấy vào cột lọc biotrickling Quá trình thực
nghiệm cho thấy rằng chỉ số TSS này là thích hợp để tiến hành cấy vì dung dịch không
Trang 21
quá đặc thuận lợi hơn cho việc bơm tuần hoàn trong suốt quá trình thích nghỉ vì trở lực của bơm tuần hồn khơng q lớn, ngoài ra nếu dung dịch có chỉ số TSS lớn hơn sẽ gây trở lực lớn khi được bơm vào cột lọc do tắc nghẽn và khi đó lưu lượng khí bơm vào cột
lọc sẽ thấp làm kéo dài thời gian thích nghi
3.2 Xử lý hơi phenol bằng phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm tự nhiên:
Khi khảo sát vật liệu đệm với các tỷ lệ phối tr6n dam bao: compost khac nhau: 1:1;
4:1; 6:1 Dòng tuần hoàn được duy trì khoảng 20 mL/phút, tốc độ đòng khí 1,5 L/phút Ở
tỉ lệ 1:1 lưu lượng dòng khí đầu ra của cột lọc sau 4 giờ bắt đầu giảm, cho thấy trở lực
thiết bị tăng do compost khi gặp nước rất đễ chảy vữa, dính bết Còn với tỉ lệ 6:1 màng vi sinh vật phát triển rất chậm do lượng compost không đủ đề cung cấp chất dinh dưỡng cho
vi sinh vật hoạt động làm giảm tốc độ quá trình cấy và thích nghi vi sinh vật Riêng đối
với tỷ lệ phối trộn 4:1 (200 g dim bao : 50 g compost): Sau 4 gid, mang vi sinh vat hinh thành và phát triển trong khi vận tốc đòng khí tại đầu ra không đổi (1,5 L/phút) Tiếp tục khảo sát trong những giờ tiếp theo, tốc độ dòng khí tại đầu ra được giữ ổn định Từ đó có
thê kết luận rằng, tỷ lệ phối trộn 4:1 là tý lệ thích hợp đề sử dụng trong nghiên cứu Tỷ lệ
này được sử dụng cho các khảo sát tiếp theo
Khảo sát tốc độ dòng tuần hoàn trong khoảng 10 — 100 mL/phút Kết quả quan sát
lớp vật liệu đệm và khảo sát trở lực thiết bị cho thấy tại tốc độ dòng tuần hoàn là 20 mL/phút, vật liệu đệm vẫn duy trì được độ âm (70%), không bị nén ép, dính bết, trở lực thiết bị rất thấp (gần băng 0) Do đó lựa chọn vận tốc dòng tuần hoàn là 20 mL/phút
Thí nghiệm được tiến hành tại nồng độ hơi phenol đầu vào là 200 mg/Nm', tốc độ
dòng khí khảo sát ước tính là 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 L/phút, tương ứng với EBRT là 75, 60, 45,
30 s Khi đó, tải trọng thể tích của hơi phenol khoảng 9,6 đến 24 g„e;¡m”.h'` Khảo sát
cho thấy hiệu suất xử lý của thiết bị lọc sinh học là rất cao (hơn 99%) khi tốc độ dòng khí
từ 1,0 — 2,0 L/phút Hiệu suất xử lý giảm xuống còn 98,6% khi tốc độ dòng khí tăng lên 2,5 L/phút Vì vậy lưu lượng dòng khí 1,5 L/phút, tương ứng EBRT 60s được sử dụng trong những khảo sát tiếp theo
Trang 22
59099 Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013 — 400 3S 400 - smiles 99,8 = œ 98 | > 8: T 97 | | | | 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tốc dộ dòng khí (L/phút)
_ Hình 3.2: Đô thị biểu diễn hiệu suất xử lý hơi phenol khi tăng tốc độ dòng khí 3.2.1 Khảo sát ảnh hướng của nông dé hoi phenol đến hiệu suất xử lý:
Mỗi thiết bị có khả năng xử lý đến một nồng độ giới hạn nhất định Đây là thông số
rất cần thiết trong quá trình thiết kế Thí nghiệm được tiến hành băng cách nâng từ từ nồng độ hơi phenol trong khoảng 200 — 1800 mg/Nm* Tốc độ dòng khí được duy trì ở 1,5 L/phút Khi đó tai trọng thể tích phenol trong dòng khí dao động từ 12,5 — 107,11 g.mẺ.h” — T500 ¬ - 100.00 5 Z 7000 - - SQC > # 2000 80.00 = = + = 1500 - - 60.00 B = ~ = 1000 - - 40.00 “8 = = = <D- ge 500 - - 20.00 & oh =| 0 1 2 3 4 a 6 7 8 9 Thời gian vận hanh (ngày)
~#-Đaàuvào =s#=Đâura ~——= Hiệu suat
Hình 3.3: Đô thị khảo sát ảnh hưởng của nông độ đầu vào đến hiệu suất xử lý
* Nhận xét: Dựa vào đồ thị trên có thể nhận thấy hiệu suất xử lý hơi phenol luôn cao hơn 98% cho nồng độ đầu vào nhỏ hơn 1300 mg/NmỶ (tải trọng đầu vào lên đến 78,4 gam”
‘prereset ee PPS SS ES TS SESE EO EI EIS OS SOU SESE RE ET
Trang 23Nguyên Lý Sỹ Phú | 2013
Đ Khi tăng nồng độ lên hơn 1300 mg/Nm’, hiéu suất xử lý giảm rất nhanh (dưới 85%),
đồng thời nồng độ hơi phenol trong dòng khí đầu ra rất cao (217.67 mg/NmìỶ gấp 11.4 lần so với giới hạn theo QCVN 20:2009/BTNMT) Trong thực tế, nêu nồng độ hơi phenol trong khí thải đầu vào quá cao có thể xử lý nhiều bậc nhằm tăng hiệu quả xử lý
Sided Khảo sát khả năng loại bỏ:
Theo nghiên cứu hiệu suất xử lý của thiết bị lọc biofiter là hơn 98% Tại nồng độ
hoi phenol trong dong khi dau vao thấp, hiệu suất xử lý có thể đạt đến 100% Tại nồng độ cao, hiệu suất xử lý giảm chỉ còn 85% nhưng lượng phenol đã được oxy hóa khá cao Do đó để đánh giá hiệu quả xử lý tổng thể cần tiến hành khảo sát dựa trên khả năng loại loại
bỏ hơi phenol của thiết bị 100 - B——m—— ii a + 100 Ð 80- — .S0 : 2 Man ‘S 60 - ~ 60 = Sid _ “58 5 - 3 “ om ao 400-2 im we a F 20 a - 20 = 2 + 0 20 40 60 SO 100 Tải trọng thể tích (ø.m$.h-) =—s—= Khả nắng loại bö =#-Hiệu suất ===100%eRE
Hình 3.4: Đồ thị khảo sát khả năng loại bỏ hơi phenol của thiết bị biofilter
* Nhận xét: Dựa vào hình trên có thể nhận thấy khả năng loại bỏ hơi phenol của thiết bị biofilter khá cao Khả năng loại bỏ hơi phenol tăng với độ tăng của tải trọng dòng vào và
không lệch đáng kể so với đường hiệu suất 100% (100%RE) Tải trọng thể tích hơi
phenol trong dòng vào giới hạn là 78,4 g.m”.h và khả năng loại bỏ hơi phenol giới hạn
là 77.4 g.m”.h'
Trang 24
Nguyễn Lý Sỹ Phú ` 2013
Tăng tải trọng dòng vào thì đường khả năng loại bỏ lệch so với đường hiệu suất
100% cho đến khi đạt trạng thái ôn định và cao nhất là 78,7 gmbh! với tải trọng đầu vào
91,8 g.mẺ.hÌ Khi đó hiệu suất xử lý chỉ còn 85%
Việc theo đõi nồng độ phenol ở dòng tuần hoàn cho thấy không có phenol bị tồn đọng trong pha lỏng, khăng định rằng tất cả phenol được loại bỏ từ dòng khí đã được
phân hủy sinh học trong cột lọc của thiết bị biofilter 3.2.3 Khảo sát hiện tượng shock tải:
Quá trình sản xuất công nghiệp trong thực tế thường không phải lúc nào cũng đồng đều và liên tục, dẫn đến sự biến động của khí thải, gây ra những biến động nhất thời đối với nồng độ lưu lượng, tải trọng ô nhiễm Khi những yếu tố này thay đổi sẽ ảnh hưởng
rất lớn đến hiệu suất xử lý của thiết bị Do đó cần tiến hành thí nghiệm để khảo sát khả
năng chịu đựng, thích ứng của vi sinh vật trong thiết bị với những biến đổi của lượng khí thải
Thí nghiệm được tiến hành bằng cách thay đôi đột ngột nồng độ đầu vào trong khoảng
200 — 1300 mg/NmỶ Tốc độ dòng khí được duy trì 1,5 L/phút tương ứng EBRT là 60s Khi đó tai trọng phenol trong dòng khí đầu vào 12.5 — 78.4 g.mỶ.h'” 1400 - - TO0O 1300 - - M8 = 1000 - ~ Z, - ` S S00 - ae = os = 600 - _o4 + tp 7+ 3 2# 400 Z : ., z — Oo? 200 - 5 0 3 4 6 8 10 12
Thời gian vận hảnh (ngày)
Trang 25Bao
Nhận xét: dựa vào đồ thị trên cho thấy phản ứng của thiết bi lọc biofilter với những thay đổi của nồng độ đầu vào
Thiết bị biofilter cho thấy khả năng thích nghi nhanh chóng với sự thay đổi của
nồng độ đầu vào Trong giới hạn xử lý (nồng độ đầu vào thấp hơn 1300 mg/Nm*), cho du nồng độ đầu vào thay đổi rất lớn (gấp hơn 60 lần) thì thiết bị van co thé dat trang thai can bằng và duy trì hiệu suất xử lý hơn 98% Điều này cho thấy răng hệ thống biofilter rất
linh hoạt, có khả năng thích nghi với điều kiện hoạt động thực tẾ tại các nhà máy
3.3 Xử lý hơi phenol bằng phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm nhân tạo: 3.3.1 Khao sat thoi gian lưu:
KHA NANG LOAI BO TRUNG BINH CUA COT
LOC BIOTRICKLING UNG VỚI CÁC THỜI GIAN LƯU Hiệu suất loại bồ (9o) 100 1 99 - | 98 - 97 - 96 - 95 + 94 | 93 Thời gian lưu 0 20 40 60 80 a (giay)
Hình 3.6: đô thị hiệu suất xử lý hơi phenol theo thời gian lưu
Khi vận hành mô hình ở các thời gian lưu: 74, 50, 37, 30 và 25 giây với nồng độ phenol đầu vào dao động trong khoảng 1920 -1953_ mg/m' Từ kết quả khảo sát ta thấy
được rằng hiệu suất loại bỏ phenol đối với thời gian lưu 74, 50, 37 giây lớn hơn 99%,
trong khi hiệu quả suất loại bỏ giảm xuống giảm xuống còn 97% với thời gian lưu 25 giây Với kết quả này có có thể thấy 30 giây là thời gian lưu tối ưu nhất đối với cột lọc sinh học nhỏ giọt vì đây là thời gian lưu nhỏ nhất mà cột lọc vẫn đạt hiệt suất cao (gần
dat 99%)
Trang 26
Nguyễn Lý Sỹ Phú 2013
3.3.2 Khảo sát únh hưởng của nông độ phenol đầu vào:
Với nồng độ đầu vào thay đổi từ 630 mg/m” đến 2447 mg/m', thời gian lưu là 50 giây, hiệu suất xử lý hơi phenol của cột lọc sinh học nhỏ giọt được đánh giá dựa trên số liệu thu thập được khi mô hình được chạy ổn định trong thời gian một ngày với các nồng
độ đầu vào khác nhau, kết quả thu được như sau:
Nong a6 hoi Hiệu suất xứ phenol mg/m* : lý (%) 3000 ¬ - ~ 100 2500 - 3h O8 oe - ØG 2000 - - Ø4 1500 - = Uy Ni 1060 90 500 - 7 - 0 a a St TẾ ie i a tứ remem Q 2 4 6 8 10 Ngay
—#—Nông add hoi phenol dau vào ~~ Nong dé hoi phenol dau ra
ode FHiéu suat xu ly (0)
Hình 3.7: Hiệu suát xử lý hơi phenol của cột lọc sinh học nhỏ giọt ở các nông độ khác nhau
Dựa vào đồ thị trênCó thể nhận thấy khả năng xử lý của cột lọc là khá cao Theo
QCVN 20: 2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với
một số chất hữu cơ), thì cột lọc có thể xử lý hơi phenol có nồng độ đầu vào lên đến 2175
mg/m? ma đầu ra vẫn thấp hơn nồng độ xả thải tiêu chuẩn cho phép (< 19 mg/m`)) với thời gian lưu là 50 giây Với các nồng độ đầu vào cao hơn, bằng cách tăng thời gian lưu, cột lọc sinh học nhỏ giọt cũng có thể đáp ứng được tiêu chuẩn xả thải này Từ đây có thể thấy rằng xử lý khí thải bằng phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt có tính linh hoạt rất cao với các điêu kiện thực tê khác nhau
Trang 27
3.3.3 Tái trọng giới hạn của cột lọc sinh học nhỏ giọt
Để có thể thấy được khả năng xử lý hơi phenol với các nồng độ đầu vào khác nhau đê tài đã khảo sát và tính toán hiệu suât xử lý hơi phenol ứng với từng nông độ đầu vào 300 ~ 100 = 250 a = š 200 9 & = a, Fs k= [50 Oe .— —_ ee <a = i > = = 100 98 ⁄ CL x 2 a 50 z = = ™ 0 ' ' ! 97 0 50 100 LSO 300 250 300
Tai trong dau vao (Sphenoit She?)
——Hiệu suất xử lý 100% = —*Kha nang loai bé “ste Hiệu suất xử lý Hình 3.8 : Đồ thị đánh giá khả năng loại bỏ của phương pháp lọc sinh với vật liệu đệm
nhân tạo
Từ kết quả thu được có thể thấy răng khả năng loại bỏ tăng đồng biến với sự gia tăng
của tải trọng đầu vào và không thấy độ lệch đáng kể so với đường đại diện cho hiệu suất loại bỏ 100%, lúc tải trọng tăng lên đến 229 g„n„om”h`, hiệu suất xử lý vẫn lớn hơn
99%, Đây chính là tải trọng giới hạn của cột lọc sinh học nhỏ giọt vì với tải trọng đầu vào
lớn hơn hiệu suất xử lý của cột lọc sinh học nhỏ giọt bắt đầu giảm xuống rất nhanh Tải
trọng giới hạn này chính là cơ sở để thiết cột lọc có kích thước tối ưu nhất Với tải trọng
đầu vào tăng từ 229 g„uenom ”h'” 1én 2948 neni h’! hiéu suat xir ly của cột lọc từ 99,2%
đã giảm xuống còn 97,7
Trang 28Nguyễn Lý Sỹ Phú 2013
Ngoài oxy, chất dinh dưỡng và các yếu tố môi trường khác, hai yếu tố tác động trực tiếp đến hiệu suất xử lý hơi phenol của cột lọc sinh học nhỏ giọt là cơ chế truyền khối và khả năng phân hủy sinh học của vi sinh vật oxy hóa phenol Dựa vào hình 3.11 ta thấy rằng khả năng loại bỏ hơi phenol tăng nhanh (gần như sắp xỉ bằng với tải trọng đầu vào) khi tăng tải trọng đầu vào tới điểm giới han va van tiếp tục tăng khi tai trọng đầu vào lớn
hơn Từ đó có thể rút ra một kết luận là việc loại bỏ phenol của cột lọc sinh học trong
điều kiện thực nghiệm không bị giới hạn bởi sự phân hủy sinh học, mà sự truyền khối của phenol từ pha khí sang pha lóng chính là yếu tố làm giới hạn khả năng loại bỏ hơi phenol trong cột lọc sinh học nhỏ giọt
Việc theo dõi nồng độ phenol ở dòng tuần hoàn cho thấy lượng bị hấp thụ trong pha
lỏng là rất bé (nhỏ hơn khả năng phát hiện của phương pháp phân tích), do đó có thể kết
Trang 29
Hình trên cho thay hiệu suất xử lý của cột lọc sinh học nhỏ giọt phụ thuộc vào sự
thay đổi của nồng độ phenol đầu vào và rất thấp Với nồng độ 1908 mg/mỶ tương ứng với
tải lượng 230 ø„we;om°h”, hiệu suất loại bỏ trung bình lớn hơn 99% Lúc nồng độ đầu
vào giảm 3 lần xuống 630 mg/mỶ, hiệu suất loại bỏ tăng lên khoảng 100% Tiếp theo khi
ngừng cung cấp phenol trong thời gian 1 ngày (không khí và chất dinh dưỡng vẫn được cung cấp trong giai đoạn này) rồi tăng đột ngột tăng nồng độ phenol đầu vào lên 1227
mg/m „ cột lọc sinh học nhỏ giọt cũng cho thấy một sự thích nghi nhanh với hiệu suất xử
lý tăng từ 87,7 đến 99,7% chỉ sau một ngày vận hành Khi ta tiếp tục tăng nồng độ lên 1,5
lần cột lọc sinh học nhỏ giọt cũng cho thấy một sự thích nghi khá nhanh với hiệu suất xử
ly đạt 98.7% ngay khi nồng độ độ thay đổi
Tất cả những kết quả này chỉ ra rằng nếu tải trọng đầu vào thấp hơn tải trọng giới hạn thì các vi sinh vật có thể phân hủy phenol và cột lọc sinh học nhỏ giọt có thể giữ được hiệu suất cao ngay cả khi thay đổi nồng độ đầu vào đột ngột Do đó, có thể kết luận rằng
màng sinh học của vi sinh vật oxy hóa phenol trên bề mặt lớp vật liệu đệm được phát
triển hoàn toàn sẽ rất linh hoạt và thích hợp cho những ứng dụng thực tế 3.4 Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp:
3.4.1 Phương pháp lọc sinh học với vật liệu đệm tự nhiên:
+ Uudiểm:
Phương pháp biofilter là một phương pháp “xanh”, vì có khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong không khí, tiết kiệm năng lượng Chi phí đầu tư và vận hành thấp
+ Khuyết điểm:
Thiết bị lọc sinh học đòi hỏi người thiết kế và vận hành cần có chuyên môn cao để
có thể ngăn ngừa và xử lý tốt một số "vấn đề" hạn chế như chất ô nhiễm có nồng độ cao,
kích thước của đơn vi, kha nang cua vi khuẩn, và nhiệt độ không khí thải ra
Bên cạnh đó, trong quá trình vận hành thiết bị còn có những hạn chế do vật liệu
đệm không đồng nhất, dễ nghẹt, dễ bị phá hủy và nén hay do vi sinh vật phát triển quá
mức dẫn đến tăng trở lực thiết bị Thiết bị biofilter chỉ xử lý được khí thải có tốc độ dòng
Trang 30
Nguyễn Lý Sỹ Phú ent 2013
thấp, nồng độ không quá lớn Tốc độ dòng tuần hoàn trong thiết bị không quá lớn, duy trì
được độ âm và pH cần thiết cho vi sinh vật hoạt động
3.4.2 Phwong phap loc sinh hoc voi vật liệu đệm nhân tạo:
+ Uudiém:
— Giá thành thấp, chi phí vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất
— Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghỉ với mọi loại hình công nghiệp và diện
tích của xí nghiệp
— Hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất
hữu cơ bay hơi và các chất độc Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các khí thải
có nồng độ các chất ô nhiễm < 1000 ppm
— Vật liệu đệm sử dụng là vật liệu nhân tạo có độ bền cơ học, hóa học cao điều này
cho phép hoạt động lâu dài và đễ duy trì các thông số hoạt động thích hợp
+ Khuyết điểm: |
— Hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt không xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm có khả năng hòa tan thấp và tốc độ phân hủy sinh học chậm
— Các nguồn ô nhiễm có nồng độ cao cần các hệ thống lớn và diện tích lớn để lắp
đặt hệ thống lọc sinh học (đo thời gian lưu cần thiết để xử lý khí thải rất lớn làm tăng kích
thước thiết kế của hệ thống rất nhiều so với các phương pháp hóa lý khác)
— Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phát thải chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của hệ thống
— Thời gian để cho các vĩ sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng sinh hoc (biofilm) co thé kéo dai hang tuan đến hàng tháng, đặc biệt là đối với việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi
— Vi sinh vật dễ phát triển quá mức gây tắc nghẽn, tăng trở lực hệ thống
‘EE a SS I
Trang 31
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
4.1 Kết luận
Nghiên cứu đã xác định được những thông số kỹ thuật cần thiết đối với phương pháp cho quá trình vận hành và ứng dụng thực tế Có thể thấy răng phương pháp lọc sinh học có khả năng xử lý hơi phenol trong khí thải với hiệu suất khá cao Đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy khả năng thích nghi nhanh chóng với những biến đổi của khí thải đầu vào
nhưng ít ảnh hưởng đến hiệu suất và hoạt động của thiết bị
Tóm tắt một sô thong sô vận hành của mô hình: > Phương pháp lọc sinh học vật Phương pháp lọc sinh học vật liệu Dac diém liệu đệm tự nhiên đệm nhân tạo
Các thông | Lưu lượng dòng khí: 1,5 L/phut Lưu lượng dòng khí: IL/phút số tối ưu | Thời gian lưu: 1phút Thời gian lưu: 50 giây
vận hành | Tỉ lệ phối trộn vật liệu đệm: 4:1 | Vật liệu đệm: mút xốp kích thước 8
mô hình (200 g dam bao : 50 g compost) mm x 8 mm
Tốc độ dòng tuần hoàn: 20|Tốc độ dòng tuần hoàn: 107 mL/phut mL/phut Giới hạn nồng độ” 1306,42 1909,96 (mg/Nm’) Tai trọng trà 78.39 137,52 (g.m”.h)
" Nông độ lớn nhất mà mô hình có thể xử lý để nồng độ hơi phenol có trong dòng khí sau xử lý nhỏ hơn nồng độ xả thải cho phép của QCVN 20 (<19 mg/Nm`)
Các kết quả đề tài đạt được đã góp phần vào việc đa dạng hóa đưa ra thêm các công nghệ
mới để xử lý khí thải có chứa hơi phenol nói riêng và khí thải chứa thành phần các chất hữu co dễ bay hơi VOCs nói chung góp phần làm giảm thiểu vấn đề ô nhiễm không khí
'SEBDSNUGORGHGNHEDGAIGIGRGIDIDDIBBIEIGHRIBPDISIRIGHIDIGGHGHNIHIDIGSIBIHGIEIBRGISGEDHSHESIEIGHDHHEBISGHIHDIRGHEHGHGISHININHGINBISIRHDUTORENGIIDHHEHEEIEEIIEHSISIEHIENBDIEIHERGISIIEIEIBSIRIENGSOiiiiBiRSHBiIE8002i808G0000/80ãGi0t9N0200QGãi0i8838G0502N209/380i0030088
IEEEĐIEGIGBEGIIBHEGDEGIGHEGIESIOUIGDDESUEOHDEOANO EU HH Ôn ID HẾOH EƯ CHHHẪCMOGCAHẢO DU GHÓCGÔE HÔNG GAECE a eee ee a ae HC CC CHÍ GÍỂ CHÍ GIẢ QUA UAA K ( ẪA QC CA AC CAU AN AA A G G Ụ g CỤ G Ị g U G G G VỤ, (VỤ (ỤUỜ VỤ (U (U/ (Ự/ UA Uy U// V/V U/U Ụ/ V22
Trang 32Nguyễn Lý Sỹ Phú ' 2013
Mỗi loại vật liệu đệm đều có những ưu nhược điểm riêng nên sẽ tùy thuộc vào các
trường hợp cụ thê đê xác định nên sử dụng loại vật liệu nào đê có thê đem lại hiệu quả xử
lý tốt nhất
4.2 Kiến nghị
“ Cần nghiên cứu một số thông số có liên quan đến quá trình nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý, nâng cao hiệu suất, khả năng xử lý
s* Nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý của từng phương pháp khi ứng dụng vào thực tế Trong điều kiện vận hành thực tế, có thể tiến hành phối hợp cùng với phương pháp khác hay mắc nối tiếp hai thiết bị để xử lý triệt để hơi phenol trong khí thải mà không
ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của thiết bị Ngoài ra có thể tiến hành cải tiến thiết bị bằng cách thiết kế xử lý nhiều bậc để có thể xử lý hơi phenol với nồng độ cao hơn
s» Đưa mô hình vào thử nghiệm thực tế để khảo sát khả năng thích ứng của mô hình
đối với khí thải thực tế có lẫn nhiều thành phần khác ngoài phenol
Trang 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO
+ Tài liệu tham khảo tiếng Việt
[1] Tô Kim Anh (2004) “Nghiên cứu giải pháp sinh học phân giải phenol và một số
dẫn xuất của phenol”, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trang 28-34
[2] Tran Ngọc Chấn (2011), “Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải”, Tập 3: Lý thuyết
tính tốn và cơng nghệ xử lý khí độc hại, NXB Khoa học và Kỹ thuật, trang 40, 64,
80 — 87, 162
[3| Trinh Thi Thanh — Trần Yêm — Đồng Kim Loan (2004), “Giáo trình công nghệ môi
trường”, Đại học quốc gia Hà Nội, trang 33-52 +} Tài liệu tham khảo tiếng Anh
[1] Eldon R Rene, D.V.S Murthy, T Swaminathan (2005), “Performance evaluation of a compost biofilter treating toluene vapours”, Process Biochemistry 40, 2771— 2179,
[2] EPA (1998), “An analysis of Composting as an Environmental Remediation Technology’, Solid Waste and Emergency Response (5306W), EPA530-R-98-008 [3] EPA (2006), “Off-Gas treatment technologies for soil vapor extraction systems”,
EPA-542-R-05-02
[4] G Gonzalez, M G Herrera, M T Garcia and M M Pefia (2001), “Biodegradation of phenol in a continuous process: comparative study of stirred tank and fluidized-
bed bioreactors’’, Bioresource Technology, Volume 76, Issue 3, p 245 — 251
[5] Hossein Nikakhtari, Gordon A Hill (2006), “Continuous bioremediation of phenol- polluted air in an external loop airlift bioreactor with a packed bed”, Journal of
Chemical Technology and Biotechnology, Volume 81, Issue 6, p 1029 — 1038 [6] Hermann J.M (1999), “Heterogeneous photocatalysis fundamentals and
applications to the removal of various types of aqueous pollutants” Catalysis Today, 53, pp.115-129
[7] HPA, 2007 “Phenol Toxicological overview ` [8] HPA, 2007 “Phenol General information”
Trang 34
Nguyễn Lý Sỹ Phú | 2013
[9] HPA, 2011 “Compendium of Chemical Hazards, Phenol”
[10] Lawrence K Wang, Norman C Pereira, Yung-Tse Hung (2004), “Air Pollution Control Engineering” Handbook of Environmental Engineering, colume 1,
Humana Press, p 421 — 433, 440 - 441
[11] M Zilli, A Converti, A Lodi, M Del Borghi, G Ferraiolo (1993), “Phenol
removal from waste gases with a biological filter by Pseudomonas putida’, Biotechnology and Bioengineering Volume 41, Issue 7, p 693 — 699
[12] MR Shahmansouri, H Taghipour, B Bina, H Movahedian (2005), “Biological
Removal of Ammonia from Contaminated Air Streams Using Biofiltration System”,
Iranian J Env Health Sci Eng, vol.2, no 2, p 17 — 25
[13] Mukherjee, S., Kumarb, S., Misra, A.K., Fa, M (2007), “Removal of phenols from
water environment by activated carbon, bagasse ash and wood charcoal.” Chem Eng J, p 129, 133-142
[14] Manfred Weber and Markus Weber (2010), “Phenolic Resins: A Century of Progress”, chapter 2, Publisher Springer, pp 12-15
[15] N.J.R Kraakman, N van Ras, D Llewellyn, D Starmans, P Rebeyre (2007), “Biological Waste Gas Purification using Membranes: Opportunities and Challenges”, p.1 [16] Hossein Nikakhtari (2006), “Bioremediation of Industrial VOC Air Pollutants”, p 5,25 —27 [17] HSDB (1999), Hazardous Substances Data Bank Available online at http://sis.nlm.nih.gov
Trang 35[20] The Clean Air Technology Center (CATC), U.S Environmental Protection
Agency (E143-03), Research Triangle Park, North Carolina 27711 (2003), “Using bioreactors to control air pollution”, EPA - 456/R — 03 - 003
[21] Trevisan, M T S., Pfundstein, B., Haubner, R., Wiirtele, G., Spiegelhalder, B., Bartsch, H., Owen, R W (2006), “Characterization of alkyl phenols in cashew
products”, pp.188-197
[22] US Department of Health and Human Services, Public Health Services, Agency for Toxic Substances and Disease Registry (2008) “Toxicological profile for phenol”, p 9
[23] U.S Environmental Protection Agency (EPA) (November, 1983), Guideline Series: “Control of volatile organic compounds emmission from manufacture of high-density polyethylene, polypropylene and polystylene resins”, pp.(3) 21-36 [24] V Saravanan, M Rajasimman, N.Rajamohan (2010), “Biofiltration kinetics of
ethyl acetate and xylene using sugarcane bagasse based biofilter”, Chemical Engineering Research Bulletin 14, p 51 — 57
[25] WHO Geneva International Programme on Chemical Safety (IPCS) (1994) “Environmental Health Criteria 161 Phenol”
[26] WHO Geneva International Programme on Chemical Safety (IPCS) (1994) “Phenol Health and safety guide no 88”