Xử lý ion photphat trong nước thải dân dụng bằng phương pháp sinh học - đề xuất một số biện pháp giảm thiểu

Nước là một trong những yếu tố cơ bản quan trọng quyết định sự phát triển của con người, động vật, thực vật, các sản phẩm công nghiệp và dịch vụ khác. nghiên cứu xử lý ion photphat trong nước thải ở sông Tô Lịch bởi một loài thực vật có tên khoa học là Eichornia Crasspipes Solms.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 112 NỘI XỬ LÝ ION PHOTPHAT TRONG NƯỚC THẢI DÂN DỤNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ĐỀ XUẤT MỘ MỘT SỐ SỐ BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU Đào Đình Thuần Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Nước yếu tố quan trọng ñịnh phát triển người, ñộng vật, thực vật, sản phẩm công nghiệp dịch vụ khác Tuy nhiên, sau sử dụng tài ngun nước khơng hợp lý trở thành nước thải bị ô nhiễm mức khác Một tác nhân gây chất thải gây ô nhiễm nguồn nước ion chứa nitơ photpho Chúng ñi trực tiếp ñi vào nguồn nước từ ion chúng ñược sinh trình phân huỷ khác Trong báo này, nghiên cứu xử lý ion photphat nước thải sơng Tơ Lịch lồi thực vật có tên khoa học "Eichornia Crasspipes Solms" Việc xác ñịnh ion octo - photphat trước sau xử lý ñược thực phương pháp quang phổ với hợp chất màu xanh molipden / hấp thụ λ = 890 nm Các kết phân tích cho phép xử lý nước thải phú dưỡng tốt Từ khố: Ơ nhiễm ion photphat Nhận ngày 10.8.2017; gửi phản biện, chỉnh sửa duyệt ñăng ngày 10.9.2017 Liên hệ tác giả: Đào Đình Thuần; Email: daothuan64@gmail.com MỞ ĐẦU Có nhiều tác nhân gây nhiễm nước thải Một tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước chất dinh dưỡng chứa N P Chúng ñi trực tiếp vào nguồn nước từ ion hay sinh q trình phân hủy khác Các ion dinh dưỡng (NH4+, NO3−, H2PO4−, HPO42−) thực phẩm rong tảo, hàm lượng cao rong tảo phát triển mạnh nhanh, nước có màu xanh lục, độ nhớt tăng, tượng phú dưỡng (quá nhiều chất dinh dưỡng (Eutrophication)) Các chất hữu thực phẩm vi sinh vật (VSV) Khi có nhiều dinh dưỡng VSV phát triển mạnh cần tiêu thụ lượng oxy hịa tan đáng kể, lượng oxy khơng kịp bù ñắp gây tượng thiếu oxy nước (oxy hịa tan (DO)) Do đó, động vật thủy sinh tôm, cá VSV hiếu khí cần có oxy để sống bị chết, cịn TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 113 VSV yếm khí lại có điều kiện phát triển mạnh, tạo sản phẩm có mùi thối Vì vậy, nước bị nhiễm Theo quy định Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ ((US - EPA - 1986), US - EPA 2010) chất lượng nước mặt, hàm lượng photphat ñã vượt 0,05 mgP/l hồ, ao chứa khơng đạt u cầu chất lượng, trì nồng độ 0,025 mgP/l Các nguồn nước bổ sung có nồng độ photphat ≥ 0,10mgP/l khơng đổ vào hồ, ao chứa làm cho rong tảo phát triển mạnh, gây nhiễm nguồn nước, q trình tự nhiên tự làm Các nguồn nước bổ sung phải có nồng độ photphat khoảng 0,01 - 0,02 mgP/l khơng gây nên nhiễm THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ, máy móc, hóa chất a) Dụng cụ, máy móc − Các loại dụng cụ thủy tinh, bình định mức, pipet loại − Giấy lọc băng xanh 390, màng lọc 0,45 µm − Thùng nhựa 200 lít (3 cái) − Máy đo pH Meter - HM - 165 (Hãng ToA Nhật) − Cân phân tích GP (150 - 3P, độ xác ±0,1 mg) − Máy đo DO (độ oxy hịa tan) Anh − Máy chưng nước cất lần − Máy quang phổ UV - Vis (Biochrom.Ltd Anh) b) Hóa Chất: Sử dụng loại PA hãng Merck (Đức) − Dung dịch H2SO4 5N − Dung dịch kaliantimonyl tactrat: hòa tan 1,3700 kg K(S60)C4H4O6.1/2H2O 400 ml nước cất ñịnh mức vào bình 500 ml, bảo quản dung dịch lọ có nút nhám − Dung dịch amoni molipdat: hịa tan 20 g (NH4)6Mo7O24.4H2O 500 ml nước cất, bảo quản chai thủy tinh − Dung dịch acid ascobic (AA) 0,1M − Tác nhân kết hợp (TNKH) ñược trộn dung dịch theo tỷ lệ: + 50 ml H2SO4 5N + ml dung dịch kaliantimonyl tactrat + 15 ml dung dịch amoni molipdat + 30 ml dung dịch acid ascobic 0,1M lắc kỹ Sau đó, trộn tác nhân theo trật tự Dung dịch thu ñược gọi tác nhân kết hợp Dung dịch ổn ñịnh vịng tiếng đồng hồ TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 114 NỘI − Dung dịch KH2PO4 gốc (50 mg PO43- P/l) − Dung dịch KH2 PO4 làm việc (2,50 mg PO42− P/l) 2.2 Phương pháp nghiên cứu a) Phương pháp xác ñịnh photphat Nguyên tắc: Photphat ñược xác ñịnh nhờ ñường chuẩn trắc quang hợp chất màu xanh molipden dựa theo nguyên tắc: − Ta chuyển P dạng octo - photphat dung dịch HNO3 − Thực phản ứng tạo kết tủa axit heteropoly photphat molipdat (màu vàng): H3PO4 + 12MoO42− + 3NH4+ + 21H → (NH4)3[P(Mo2O7)6] + 10H2O − Phản ứng khử axit ascobic tạo hợp chất màu xanh molipden: (NH3)3H4[P(MoO7)6] + AA → Xanh molipden Để tạo hợp chất có màu xanh molipden phản ứng cần thực ñiều kiện tối ưu pH, yếu tố cản trở, tỷ lệ TNKH/photphat, bước sóng hấp thụ b) Xây dựng ñường chuẩn phụ thuộc mật ñộ quang nồng ñộ photphat Tiến hành: Chuẩn bị dung dịch chuẩn, có nồng độ khoảng 0,20 - 1,25 mg PO43− P/l Phản ứng tạo màu ñiều kiện tối ưu Đợi màu ổn ñịnh, ño quang tất dung dịch tạo màu máy UV - Vis Biochrom Ltd, giá trị λmax ñã ñược chọn ñường chuẩn bị thiết lập Dung dịch ñược chuẩn bị tương tự khơng có ion photphat c) Đánh giá độ xác đường chuẩn Ta chuẩn bị số dung dịch photphat ñã biết xác định xác nồng độ Sau tiến hành tạo phản ứng màu xác định xác lại nồng ñộ theo ñường chuẩn nhiều lần, sau ñó xử lý thống kê tốn học kết đo 2.3 Phương pháp xử lý photphat mẫu nước thải Có nhiều phương pháp xử lý photphat nước mặt nước thải Hiện nay, phương pháp xử lý theo cơng nghệ sinh học coi phương pháp có nhiều ưu việt, dễ xử lý, kinh tế, thân thiện với môi trường Trong báo này, chúng tơi đưa phương án xử lý photphat bèo tây có Việt Nam a) Cơng tác chuẩn bị bèo tây Bèo tây Việt Nam có tên Latin Eichhornia Crasspipes Solms, thuộc họ Lục bình (Pontederiaceae), gọi bèo sen Bèo tây thuộc loại thân cỏ, sống mặt TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 115 nước, chúng sinh sản nhanh, sống lâu, sản lượng cao, thích hợp với khí hậu nhiệt đới Bèo tây sinh sản, sinh trưởng tốt nhiệt ñộ 15 - 45˚C phát triển nhanh nhiệt ñộ 25 - 35˚C Ở Việt Nam, bèo tây sống quanh năm phát triển tốt khoảng tháng - tháng [1] Bèo ñược chọn làm thí nghiệm bèo bánh tẻ, lấy từ hồ, ao đưa phịng thí nghiệm (khơng lấy bèo già), loại bỏ bèo héo, rách Ta nuôi thả thùng phuy nhựa nước - ngày, sau vớt bèo để nước tự nhiên cân khối lượng bèo ban ñầu, nuôi thả thùng phuy nước thải b) Công tác chuẩn bị mẫu nước thải Chọn mẫu nước thải sông Tô Lịch, khu vực chọn Ngã Tư Sở, nơi tập trung nhiều nguồn nước thải ñược lấy mẫu thời ñiểm khác theo mùa năm Lấy phần mẫu nước sông Tô Lịch ñem ñi phân tích ngay, ñể ñánh giá số thông số (pH, DO) quan trọng hàm lượng photphat ban ñầu Một phần mẫu ñược bảo quản lạnh chai nhiệt ñộ 4˚C lấy khoảng 30 l nước dịng Tơ Lịch bảo quản thường ta ni bèo để làm cơng tác đối chứng, so sánh, phần nước cịn lại đổ vào thùng phuy để ni bèo c) Cơng tác ni bèo phân tích mẫu Chuẩn bị đợt thí nghiệm ni bèo thùng phuy, có hệ thống che mưa cẩn thận Thể tích nước ni bèo xác định 140 l Hằng ngày, lấy mẫu phân tích xác định hàm lượng photphat Khi lấy mẫu cần bổ sung thêm nước cất ñể ñảm bảo thể tích ñúng 140 l Đối với mẫu ñối chứng (bảo quản lạnh bảo quản thường) tiến hành phân tích đánh giá cá thơng số pH, DO, ñặc biệt hàm lượng photphat thời điểm kết thúc thí nghiệm để so sánh, đối chứng d) Cơng tác phân tích mẫu xác định xác nồng ñộ photphat Lấy 600 ml mẫu, lọc loại bỏ huyền phù có mẫu, thu lấy khoảng 450 - 500 ml (DD˚) Hút ml DD˚ cho vào bình định mức 50 ml, thêm vào 35 - 40 ml nước cất, lắc ñều Thêm g thị phenolphtalein, thấy xuất màu hồng nhạt cần phải trung hòa dung dịch H2SO4 5N ñến dung dịch màu Ta thêm vào 8,0 ml dung dịch TNHK, lắc kỹ, thêm nước cất ñến vạch Đợi cho màu phát triển thích hợp, ta xác ñịnh nồng ñộ photphat theo ñường chuẩn Nếu màu nhạt q đậm cần tăng giảm thể tích dung dịch DD˚ cho nồng độ photphat nằm khoảng tuyến tính đường chuẩn Các phép phân tích phải tiến hành - lần lấy kết trung bình TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 116 NỘI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết ño phổ hấp thụ hợp chất màu xanh molipden Từ phổ Hình 1, ta thu ñược giá trị λmax = 890 nm Hình Phổ hấp thụ hợp chất màu xanh molipden nồng ñộ PO43− - P 0,90 mg/l 3.2 Kết xây dựng ñường chuẩn Kết ñường chuẩn ñược xây dựng ñiều kiện tối ưu bước sóng λmax = 890 nm, có thơng số slope: 0,73730, intercep: 0,016, line quality: 99,7%, tuyến tính khoảng nồng độ 0,20 - 1,25 mg Po43− P/l (Hình 2) Hình Đường chuẩn phụ thuộc mật độ quang vào nồng ñộ photphat 3.3 Đánh giá ñộ tin cậy đường chuẩn Kết đánh giá độ xác đường chuẩn trình bày Bảng Bảng Kết đánh giá độ xác ñường chuẩn Nồng ñộ lý thuyết 3(mgPO4 - P/l) Nồng ñộ xác ñịnh lại theo ñường chuẩn 3(mg PO4 - P/l) Sai số % 0,35 0.30±0,01 ±3,34 0,50 0,50±0,01 ±2,00 0,80 0,80±0,01 ±1,26 TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 117 Sai số tương ñối nằm phạm vi cho phép Do đó, đường chuẩn thiết lập đáng tin cậy, dùng để xác định nồng độ photphat mẫu phân tích 3.4 Kết xử lý mẫu nươc thải bèo tây (Tháng 8/2016) Kết theo dõi thông số pH, DO phát triển bèo q trình xử lý nước thải trình bày Bảng Bảng Theo dõi thơng số pH, DO phát triển bèo TT Thời gian (Ngày) Khối lượng (Kg) 2,45 2,90 10 2,95 Cảm quan pH DO (mg/l) Độ ñục, màu, mùi ñều giảm, nước thải so với ban ñầu 8,30 2,50 7,48 6,70 7,43 7,20 Bảng Kết xác ñịnh nồng ñộ photphat trung bình mẫu nước thải xử lý bèo 3- TT Thời gian (ngày) Mg PO4 (P/l) 3,70 2 2,80 3 1,59 0,54 0,085 0,04 11 0,020 Nhận xét kết Bảng cho ta thấy: Trong q trình ni bèo, màu, mùi nước thải giảm rõ rệt, nước hơn, ñộ ñục, ñộ nhớt giảm, tiêu DO tăng mạnh, thay đổi, nồng độ ion photphat giảm nhanh Sau ngày ni bèo, nồng độ photphat nước giảm cịn 0,085 mg (PO43− P/l) sau ngày 0,04 mg (PO43− P/l) Trị số ñã ñạt mức tiêu chuẩn chất lượng nước dùng cho sinh hoạt WHO (0,4 mg PO43− P/l) Đặc biệt sau 11 ngày, nồng độ photphat nước thải cịn 0,02 (PO43− P/l) đạt tiêu chuẩn quy định Cục Mơi trường Mỹ ((US - EPA - 1986) law US - EPA - 2010) TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H 118 NỘI Bảng Kết phân tích xác ñịnh nồng ñộ photphat mẫu nước thải ñược xử lý khơng xử lý bèo (các mẫu đối chứng) TT Thời gian (ngày) Mẫu bảo quản thường 3(mg PO4 P/l) Mẫu bảo quản lạnh 3(mg PO4 P/l) Mẫu nuôi bèo 3(mg PO4 P/l) 3,72 3,72 3,72 3,76 3,74 0,084 3,80 3,72 0,04 11 3,76 3,71 0,02 Nhận xét kết quả: So sánh biến ñổi nồng ñộ photphat mẫu nước thải xử lý khơng xử lý bèo Kết cho thấy nồng ñộ photphat mẫu ñược xử lý không xử lý bèo mẫu ñối chứng ñược trình bày Bảng Qua kết quả, ta thấy mẫu đối chứng khơng xử lý bèo nồng độ photphat gần khơng thay ñổi, ñặc biệt bảo quản lạnh Điều chứng tỏ q trình tự nhiên khơng thể tự làm thấy rõ tác dụng bèo việc xử lý ion photphat KẾT LUẬN Đã sử dụng ñược ñường chuẩn trắc quang ñể xác ñịnh hàm lượng photphat nước thải thời điểm lấy mẫu khác q trình ni bèo so sánh với mẫu khơng xử lý Từ đó, ta thấy tác dụng bèo việc xử lý ion dinh dưỡng, chống tượng phú dưỡng nước mặt nước thải dân dụng Đã nghiên cứu xử lý ion photphat nước thải bèo tây Kết thực nghiệm cho thấy cần 2,45 kg bèo tây, thời gian - 11 ngày ñã xử lý ñược 140 l nước thải (có nồng độ 3,72 mg PO43− P/l) Với kết này, ta mở rộng hướng nghiên cứu sử dụng bèo loại thuỷ sinh khác ñể ứng dụng xử lý tình trạng phú dưỡng ao, hồ khu dân cư thị thành thị KIẾN NGHỊ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Cùng với phát triển đất nước, q trình xây dựng thị hố ngày nhiều, ñặc biệt thành phố lớn khu công nghiệp, việc xả thải ngày lớn, dẫn đến nhiễm mơi trường nghiêm trọng Đặc biệt nước thải dân dụng, sở nghiên cứu khoa học, chúng tơi xin đề xuất số biện pháp sau: Tuyên truyền giáo dục bảo vệ mơi trường, giúp người dân nhận thức tác hại việc xả thải khơng quy định TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 119 Tăng cường nạo vét, khơi thơng dịng chảy dịng sông (sông Tô Lịch Hà Nội) Đối với ao hồ cần hút bùn định kỳ, giữ gìn nguồn nước mặt, tạo điều kiện cho khả hồ tan oxy tốt Khi nguồn nước thải bị phú dưỡng cần phải xử lý phương pháp sinh học rẻ tiền, thân thiện với môi trường, là: thả bèo tây theo khu vực bị ô nhiễm (to hay nhỏ tuỳ thuộc vào diện tích khu vực nước thải mà ta xây dựng bè đẹp, tạo cảnh quan mơi trường) Xây tạo dựng tháp oxy hố, bơm oxy định kỳ ñể ñảm bảo lượng oxy hoà tan TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Hoàng Hộ (1993), Cây cỏ Việt Nam, Montereal, tr 580 Jean Louis BRAULT (1999), Sổ tay xử lý nước, tập 1, 2, Tài liệu dịch từ tiếng Pháp (Memento Technique de Leau), Nxb Xây dựng US-EPA (US-Envỉonment Protection Egency), Water and Environment Analysis APHA-AWWA-WEF (2000), Standard Methods for the Examination of the Water and Wastewater, 19th Edition 1995, Washington D.C Water resource Characterization DDS - Phosphourus (http://h2osparc.-wqncsu.edu./info/phos.html) P of STUDY THE TREATMENT OF PHOSPHORUS ION IN WASTE WATER BY BIOLOGICAL METHOD - PROPOSE SOME REDUCTION SOLUTION Abstract: Water is one of the basic factor of the human body’s developement, animals, plants, other industrial productions and services However, after using water resources all become wastewater and polluted at different levels One of the waste causes that pollutes the water source They are nutrient-rich ions containing nitrogen and phosphorus It directly enters the water source from the ion or they are produced in different digestive tracts In this article, we investigated the treatment of orthophosphates in wastewater of the To Lich River by a plant species known as the "Eichornia Crasspipes Solms" Determination of orthophosphate ion before, after and after treatment is carried out by spectroscopic method with two reactants such as molybdenum / adsorbed at λ = 890 nm The results of crop resource analysis allow for very good wastewater treatment and eutrophication Keywords: Phosphorus contamination  ... ñó xử lý thống kê tốn học kết đo 2.3 Phương pháp xử lý photphat mẫu nước thải Có nhiều phương pháp xử lý photphat nước mặt nước thải Hiện nay, phương pháp xử lý theo cơng nghệ sinh học coi phương. .. ñộ photphat mẫu nước thải xử lý khơng xử lý bèo Kết cho thấy nồng ñộ photphat mẫu ñược xử lý không xử lý bèo mẫu ñối chứng ñược trình bày Bảng Qua kết quả, ta thấy mẫu đối chứng khơng xử lý bèo... lượng photphat nước thải thời điểm lấy mẫu khác q trình ni bèo so sánh với mẫu khơng xử lý Từ đó, ta thấy tác dụng bèo việc xử lý ion dinh dưỡng, chống tượng phú dưỡng nước mặt nước thải dân dụng