Thuốc nhuộm hấp phụ lên các bề mặt nhựa làm cho chúng phát huỳnh quang khi
được chiếu bằng ánh sáng xanh. Phân tích hình ảnh cho phép các hạt huỳnh quang được xác định và đếm. Hình ảnh phóng to có thể được ghi lại và bao phủ toàn bộ khu vực lọc cho phép phát hiện các hạt có kích thước ở vài micromet. Theo một nghiên cứu trước đây [19], nồng độ dung dịch gốc Nile Red được chuẩn bị ở nồng độ 1 mg/ml trong dung môi acetone, nồng độ Nile Red tối ưu được nhà nghiên cứu xác định được từ 1 đến 1000 μg/ml và nồng độ pha loãng Nile Red để sử dụng xuyên suốt trong thí nghiệm là 10 µg/ml đã được cho là tối ưu cho khả năng hiển thị màu sắc của hạt nhựa trên nền giấy lọc, sử dụng nồng độ thuốc nhuộm cao hơn làm tăng cường độ huỳnh quang của các hạt được nhuộm nhưng cũng làm tăng tín hiệu nền. Theo một
14
nghiên cứu khác của Won Joon Shim thì để pha dung dịch lưu trữ Nile Red thì sử dụng dung dịch acetone (0,05 g/l) [16].
1.4 Các phương pháp loại bỏ vi nhựa trong nước
1.4.1 Loại bỏ vi nhựa bằng vi sinh vật
Quá trình này được thực hiện bởi các vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) có nhiều khả năng phân hủy chất thải nhựa thành sinh khối, metan, carbon dioxide, nước và các hợp chất vô cơ khác nhau. Sự phân hủy sinh học vi nhựa hoàn toàn phụ thuộc vào các đặc tính vật lý và hóa học của từng loại polyme. Đồng thời, vi sinh vật cũng chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, bao gồm ánh sáng mặt trời, tia cực tím, nhiệt độ và độ ẩm khí quyển [20].
Russell và cộng sự., 2011 chứng minh các loại nấm khác nhau có thể sử dụng nhựa làm nguồn dinh dưỡng của chúng. Do đó, những sinh vật này có thể được sử dụng để làm suy giảm các hạt vi nhựa. Kết quả thí nghiệm, sau 14 ngày tiếp xúc giữa vi nhựa với nấm trong môi trường được kiểm soát cho thấy trọng lượng nấm tăng lên với tỷ lệ phần trăm giảm của vi nhựa, sự thay đổi về sinh khối là 82% ± 2,1, trong khi sự thay đổi về khối lượng nhựa là 56,7% ± 2,9 và mức độ loại bỏ là hơn 43% [20]. Các loại vi khuẩn khác nhau phân hủy vi nhựa thành monome thân thiện với môi trường. Yoshida và cộng sự., 2016 thực hiện phân lập vi khuẩn (Ideonella sakaiensis, 201-F6) có khả năng phân hủy PET thành monome thân thiện với môi trường, axit terephthalic và ethylene glycol. Vi khuẩn này có thể tiết ra hai enzym (PETase và MHETase) để thủy phân PET và sử dụng chất thải nhựa làm nguồn dinh dưỡng carbon chính [20].
1.4.2 Loại bỏ vi nhựa bằng cách chiết xuất từ tính
Phương pháp này bao gồm hạt từ tính (hạt nano Fe), axit oxalic (như chất hấp thụ Fe) và lực hút từ bên ngoài để tách hạt vi nhựa. Tính kỵ nước của các hạt nano được đảm bảo bởi sự lắng đọng của hexadecyltrimethoxysilan trên bề mặt của các hạt nano và sự thay đổi này cho phép chúng liên kết với các hạt nhựa. Các hạt nano sắt đã được sử dụng do đặc tính sắt từ của chúng, chi phí thấp và diện tích bề mặt lớn Tuy nhiên,
15
các hạt nano này không thể phân hủy sinh học và không thể tái sử dụng, dẫn đến ô nhiễm thứ cấp [20].
1.4.3 Loại bỏ vi nhựa bằng cách lọc sinh học
Liu và cộng sự., 2020 đã giới thiệu một bộ lọc sinh học để loại bỏ các vi nhựa khỏi các sản phẩm làm đẹp cá nhân, chất thải dược phẩm và nước thải nhà máy xử lý nước. Bộ lọc sinh học này được thiết kế với các lớp khác nhau trong khi nước thải đi vào phần trên cùng của bộ lọc và nước thải đã qua xử lý được thải qua phía dưới. Kết quả cho thấy so với trước khi xử lý, nước thải đầu ra chứa 917 hạt /m3 với nồng độ 24,8 μg/m3, trong khi sau khi xử lý bằng bộ lọc sinh học, chất dạng hạt giảm xuống còn 197 hạt/m3 (79%) với nồng độ khối lượng 2,8 μg/m3 (89%) [20].
1.4.4 Loại bỏ vi nhựa bằng hấp phụ
Hấp phụ là một quá trình hóa lý đơn giản (lực Vander Waals hoặc trao đổi ion) làm cho chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt của chất hấp phụ. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng tảo biển Fucus vesiculosus (tảo nâu) có thể hấp phụ vi nhựa do sự hiện diện của axit alginic trong thành tế bào của nó. Hơn nữa, quá trình hấp thụ tốn nhiều thời gian, chất hấp thụ cũng gây ra gánh nặng ô nhiễm thứ cấp và cần có sự bố trí đặc biệt khi tiến hành chôn lấp hoặc tái sinh để sử dụng tiếp [20].
1.4.5 Loại bỏ vi nhựa bằng màng lọc
Các nhà nghiên cứu khác nhau đã nghiên cứu hiệu quả của việc loại bỏ vi nhựa bằng cách sử dụng các màng khác nhau trong hệ thống xử lý. Màng lọc là một rào cản vật lý để tách các hạt nhựa ra khỏi nước. Hơn hết, màng lọc có thể loại bỏ vi nhựa khỏi hệ thống nước với hiệu quả cao và một số ưu điểm, chẳng hạn như chất lượng nước thải đầu ra ổn định và dễ xử lý. Trong quá trình xử lý nước thải, các đại phân tử và các hạt bao gồm cả vi nhựa tương tác với vật liệu màng cả về mặt vật lý và hóa học và được lắng đọng trên bề mặt màng hoặc trong các lỗ màng. Kết quả là những chất lắng đọng không mong muốn này sẽ chèn ép các lỗ của màng, dẫn đến tắc màng làm giảm lưu lượng nước, áp suất xuyên màng cao hơn, năng lượng cao hơn, chi phí bảo trì và thời gian hoạt động nhiều hơn [20]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi nhựa tích
16
điện âm trong môi trường nước, do đó nếu có thể phát triển bề mặt vật liệu màng có nhóm chức tích điện âm, thì vi nhựa có thể bị loại bỏ trong quá trình xử lý và vấn đề bám bẩn có thể được giảm thiểu ở mức độ lớn hơn.
1.4.6 Cố định vi nhựa bằng Organosilanes
Herbort và cộng sự., 2016 đã phát triển một cách tiếp cận mới để loại bỏ vi nhựa từ nước bằng cách sử dụng organosilanes (Hình 1.7), các organosilanes bao gồm một nhóm hữu cơ và ba nhóm phản ứng. Do sự tương tác của các nhóm chất hữu cơ và bề mặt của vi nhựa, các organosilanes gắn vào bề mặt của vi nhựa và thu thập nó ở dạng kết tụ trong bước đầu tiên của quá trình cố định. Tiếp theo, ba nhóm phản ứng tạo thành một loại silicagel, trong quá trình này các nhóm phản ứng được thủy phân thành các silanol có hoạt tính cao với quá trình cố định hóa học do nước gây ra dẫn đến các hạt hoạt động mạnh và sự kết tụ ổn định. Điểm mới của quá trình này là sự kết hợp của một quá trình keo tụ với quá trình cố định hóa học do nước gây ra nên có tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý nước và loại bỏ vi nhựa [20].
Hình 1.7 Phản ứng keo tụ loại bỏ vi nhựa khỏi nước bằng organosilanes [20]
1.4.7 Loại bỏ vi nhựa bằng chất keo tụ
Trong lĩnh vực xử lý nước, các chất keo tụ được sử dụng để hòa tan trong nước thải để keo tụ và lắng đọng ở đáy. Các vi nhựa mang điện tích âm trong môi trường nước và có thể được loại bỏ bằng quá trình keo tụ tạo bông. Trong các thí nghiệm, chất đông tụ gốc nhôm với sự kết hợp polyacrylamide hoạt động tốt hơn chất keo tụ gốc sắt [20]. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động
17
Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang điện tích, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hoá các nhóm hoạt hoá.
Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hoá nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hoà điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hoà điện tích có thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông. Quá trình thuỷ phân các chất keo tụ và tạo thành bông cặn xảy ra theo các giai đoạn sau:
Me3+ + HOH = Me(OH)2+ + H+
Me(OH)2+ + HOH = Me(OH)+ + H+
Me(OH)2+ + HOH = Me(OH)+ + H+ Me(OH)+ + HOH = Me(OH)3 + H+
———————————————— Me3+ + HOH = Me(OH)3 + H+. Trong môi trường nước chia ra 2 loại keo:
Hệ keo kị nước phần lớn là các chất vô cơ chứa điện tích bề mặt và có khả năng chuyển động trong điện trường, tốc độ keo tụ rất nhanh khi đưa vào hệ một chất điện li và đạt tốc độ keo tụ tối đa với một nồng độ chất điện li tới hạn nào đó. Độ bền của hệ keo chủ yếu là do điện tích của bề mặt hạt keo quyết định. Hệ keo có tính bền là do hạt keo cùng loại tích điện cùng dấu sinh ra tương tác tĩnh điện. Đồng thời với lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo cũng hút lẫn nhau do lực tương tác phân tử Valder Walls. Chỉ khi lực đẩy tĩnh điện vượt trội so với lực hút phân tử thì các hạt keo không hoặc ít có điều kiện tạo thành tập hợp lớn. Lực đẩy của hệ keo tăng khi khoảng cách của chúng được giảm. Quá trình đẩy do lực tĩnh điện xuất hiện khi lớp khuếch tán của chúng tiếp cận lẫn nhau và xen phủ vào nhau. Khi có mặt chất điện li lạ trong dung
18
dịch, độ dày của lớp khuếch tán bị co lại làm giảm khoảng cách giữa chúng. Sự co lại của lớp khuếch tán phụ thuộc vào cường độ ion của chất điện li, hóa trị lớn, nồng độ cao có tác động làm co mạnh lớp khuếch tán. Song song với quá trình đẩy do lực tĩnh điện, khi hai hạt keo tiến sát gần nhau đến một khoảng cách nhất định chúng sẽ hút nhau do lực hấp phụ phân tử. Lực tương tác Valder Walls phụ thuộc vào bản chất của hạt keo, mật độ của chúng, và không phụ thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch nước.
Đối với hệ có cường độ ion thấp, thế năng tương tác tổng có giá trị dương ở vùng có khoảng cách nằm giữa các hạt keo, tức là lực đẩy chiếm ưu thế. Muốn tiến sát lại gần nhau và có sự xen phủ của lớp khuếch tán, các hạt keo cần phải có năng lượng lớn hơn hàng rào thế năng.
Với hệ có cường độ ion cao, tương tác giữa các hạt keo dễ dàng hơn do độ dày của lớp khuếch tán thấp, giá trị cực đại của thế năng tương tác tổng có giá trị nhỏ, thậm chí bằng không. Để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ, cần giảm giá trị của hàng rào thế năng bằng cách đưa vào hệ những chất điện li có hóa trị cao (cường độ ion lớn) hoặc tăng nhiệt độ (tăng động năng) hoặc khuấy trộn tạo điều kiện cho quá trình tạo tập hợp lớn.
Độ bền của hệ keo ưa nước không chỉ do lực tương tác tĩnh điện mà còn do vỏ hydrat của hạt keo. Lớp vỏ hydrat gồm hai lớp, lớp đầu được tạo thành do tương tác định hướng của phân tử nước với bề mặt của hệ keo có liên kết khá bền, tiếp theo là lớp vỏ có tương tác thấp hơn do chịu chuyển động nhiệt. Hấp phụ các hợp chất tồn tại trong môi trường trên bề mặt hạt keo ưa nước cũng làm tăng tính bền do sự che chắn, ngăn cản chúng tiếp xúc với nhau
1.4.8 Các chất keo tụ tạo bông
Muối nhôm
Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhất do có tính hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5 - 7,5. Quá trình điện ly và thuỷ phân Al2(SO4)3 xảy ra như sau:
19
Al3+ + H2O = AlOH+ + H+
AlOH+ + H2O = Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+
Al(OH)3 + H2O = Al(OH)4– + H+
Ngoài ra, Al2(SO4)3 có thể tác dụng với Ca(HCO3)2 trong nước theo phương trình phản ứng sau:
Al(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = Al(OH)3¯ + 3CaSO4 + 6CO2
Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau:
6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O = 8Al(OH)3¯ + 2Na2SO4
Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông.
Muối sắt
Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do:
Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp
Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn Độ bền lớn
Có thể khử mùi H2
Tuy nhiên, các muối sắt cũng có nhược điểm là tạo thành phức hoà tan có màu do phản ứng của ion với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ tạo bông, sử dụng muối sắt xảy ra do các phản ứng sau:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3¯ + HCl Fe2(SO4)3 + 6H2O = Fe(OH)3¯ + 3H2SO4
20
2FeCl3 + 3Ca(OH)2 = Fe(OH)3¯ 3CaCL2
FeSO4 + 3Ca(OH)2 = 2Fe(OH)3¯ + 3CaSO4
PAC (Poly Aluminium Chloride)
Là một loại phèn nhôm tồn tại ở dạng cao phân tử (polyme). Công thức phân tử [Al2(OH)nCl6-n]m. Hiện nay, PAC được sản xuất lượng lớn và sử dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến để thay thế cho phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và nước thải
Chất trợ lắng PAM (Polyacrylamide)
PAM là một loại polymer có cấu tạo từ acrylamide, hợp chất có công thức phân tử C3H5N tan dễ dàng trong nước, có vai trò hỗ trợ các hạt cặn lơ lửng trong nước thải nhờ quá trình keo tụ, kết bông và sa lắng.
1.5 Tổng quan về khu xử lý nước Bình Dương
Nhà máy A được thành lập vào ngày 27/08/2004 là nhà máy cấp nước được xây dựng đầu tiên trên địa bàn thành phố Thủ Dầu Một. Công suất cấp nước hiện tại là 35.000 m3/ngày đêm có nhiệm vụ cấp nước cho các khu vực thành phố Thủ Dầu Một, một phần thành phố Thuận An, các khu dân cư và khu công nghiệp trên địa bàn thành phố Thủ Dầu Một.
Nhà máy B được thành lập vào ngày 28/02/2006. Công suất cấp nước hiện tại là 120.000 m3/ngày đêm là nhà máy cấp nước thứ 2 trên địa bàn thành phố Thủ Dầu Một có nhiệm vụ cấp nước cho các khu công nghiệp và khu tái định cư trong Khu liên hợp Công nghiệp - Dịch vụ - Đô thị Bình Dương.
21
22
Hình 1.9 Quy trình xử lý nước của hệ thống cấp nước đô thị thành phố Thủ Dầu Một Nước thô Bể trộn Ống thu nước Bể phản ứng Bể lắng Bể lọc Bể chứa Phòng bơm và chuyền tải Hộ tiêu dùng Clo Vôi và PAC Sân phơi bùn Bùn Clo Nước rửa lọc
23 Thuyết minh quy trình công nghệ:
Nước từ sông sẽ chảy vào họng thu nước của nhà máy. Nước từ trạm bơm cấp I sẽ được bơm lên bể trộn. Tại đây nước sẽ được hòa trộn đều với vôi, PAC bằng biện pháp trộn thủy lực. Nhờ có bể trộn mà hóa chất được hòa tan vào nước nhanh hơn tạo điều kiện cho quá trình xử lý đạt hiệu quả cao nhất.
Sau đó nước từ bể trộn sẽ được dẫn sang bể phản ứng có chức năng hoàn thành tốt quá trình keo tụ tạo điều kiện cho các hạt cặn tiếp xúc và kết dính với hạt keo tạo ra các bông cặn có kích thước đủ lớn để lắng xuống theo chiều dài vùng lắng tại bể lắng ngang.
Nước sau khi lắng sẽ được thu qua các máng thu có dạng hình răng cưa bằng inox, bùn lắng dưới đáy bể sẽ được hệ thống cào bùn tự động theo ống dẫn ra sân phơi bùn. Tiếp theo đó, nước từ bể lắng sẽ được phân phối vào bể lọc. Những hạt cặn nhỏ còn