CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1)
3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài
Kết quả nghiên cứu trên môi trường giả định cho thấy quá trình kết tinh MAP phụ thuộc vào một số yếu tố như: pH, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy trộn... Tuy nhiên trong môi trường nước rác còn có nhiều thành phần ô nhiễm khác. Trong khuân khổ luận án này sẽ nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình kết tinh MAP trong nước rác.
.1. .1 Đ i tượng nghiên cứu
Đặc trưng nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài được khảo sát từ ngày 23/5/2011 đến 17/10/2014 được thể hiện trong bảng 3.5.
Nồng độ nitơ, phốt pho trong nước rác (Bảng 3.5) có giá trị tương đối ổn định trong các đợt lấy mẫu khác nhau. Với kết quả quan trắc này nồng độ NH4+
có giá trị tương đối cao. Theo kết quả nghiên cứu của [14, 99] nồng độ amoni tối thiểu gây ức chế quá trình chuyển hóa yếm khí là 200mg/l. Vậy việc tận thu nitơ bằng kết tinh MAP là rất cần thiết để loại bỏ tác nhân gây ức chế quá trình xử lý sinh học tiếp theo.
Bảng 3.5 Đặ ưng nước rác bãi chôn lấp Đ M
TT Tên chỉ
tiêu Đơn vị (I) (II) (III)
QCVN 25- 2009/BTNMT
(cột B2)
1 pH - 6,2÷7,3 7,8÷8,2 8,1-8,6 5,5÷9
2 BOD5 mg/l 1.275÷5.190 270÷905 1.027-1.200 100 3 COD mg/l 2.811÷9.758 1.050 ÷2.686 2.316-3.450 400 4 Tổng N mg/l 242,1÷577,5 121,8÷425 322-892 60 5 NH4
+-N mg/l 214,4÷402,1 - 25
6 Tổng P mg/l 40,7÷52,3 13,2÷30 25,4-38,5 6
7 PO4
3--P mg/l 35,7÷41,5 - - -
8 SS mg/l 832÷1.135 - - 100
9 Mg2+ mg/l 13,4-28,7 - - -
10 Độ mầu Pt-Co 4.895÷8.550 2.400÷6.921 2.650÷8.860 150 (I) Nước rác tươi (quan trắc từ 23/5/2011 đến 17/10/2014)
(III) Nước rác tươi (quan trắc từ 20/5/2007 đến 28/7/2007) [3]
(IV) Nước rác tươi (quan trắc từ 7/3/2007 đến 10/5/2007) [16]
3.1.2.2 Ảnh hư ng củ h m ượng NH4 + b n ầu
Nước rác có thành phần thay đổi theo mùa, theo đặc trưng của rác đem chôn lấp… chính vì vậy hàm lượng NH4+
cũng có biến động nhất định. Kết quả khảo sát nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ở các thời điểm khác nhau cho thấy: hàm lượng NH4+ dao động trong khoảng 214,4÷402,1mg/l. Vì vậy nghiên cứu được tiên hành với hàm lượng NH4+ trong vùng khảo sát. Tỷ lệ tối ưu cho quá trình kết tinh MAP là 1:1,9:1.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng NH4+ tăng hiệu quả xử lý tăng. Ở pH
=7 một lượng MAP rất nhỏ được hình thành hiệu quả loại amoni chỉ đạt 8,22- 20,8%;
kớch thước tinh thể rất nhỏ (35,1-70,4àm). Khi tăng pH hiệu quả xử lý cũng tăng theo, đạt tối đa ở pH = 9,0 là 29,25% đến 54,67%. Ở giá trị pH này kích thước tinh thể cũng đạt tối ưu, 318,6-413,6àm. Tiếp tục tăng pH =11 hiệu quả xử lý giảm, kớch thước tinh thể MAP cũng giảm theo chỉ cũn 49,3-105,4àm (Bảng 3.6).
Bảng 3.6 Ản ư ng của nồng ộ NH4
+ ến hiệu qu tách N,P
NH4+ (mg/l)
Hiệu suất xử lý (%)
pH=7 pH=8 pH=8,5 pH=9 pH=11
214,00 16,83 46,15 50,96 53,37 29,81
288,00 18,40 48,96 52,60 54,86 32,64
375,00 20,80 49,07 52,80 54,67 33,87
402,00 21.33 49,55 53,10 54,88 35,45
Kích thước tinh
thể (àm) 35,1-70,4 138,4-284,3 305,7-355,2 318,6-413,6 49,3-105,4 .1. . Ảnh hư ng củ iệc bổ ng mầm tinh thể.
Nghiên cứu được thực hiện với quá trình kêt tinh MAP trong nước rác có NH4+ dòng vào 314 mg/l, bổ sung Mg2+ và PO43- đạt tỷ lệ mol 1:1,9:1 vận tốc khuấy trộn 50 vòng/phút thời gian phản ứng 60 phút với bình phản ứng có bổ sung mầm tinh thể MAP (100mg tinh thể cú kớch thước 30-50àm). Kết quả nghiờn cứu (Bảng 3.7).
Bảng 3.7 Ản ư ng của mầm tinh thể
Thông số
Hiệu quả loại bỏ (%) Bình phản ứng
không có mầm Bình phản ứng có mầm NH4+ (mg/l) 52,34 - 52,71 52,47 - 53,13 Kớch thước tinh thể (àm) 322-418 411-575
Quá trình kết tinh xảy ra nhờ khuấy trộn và sự hình thành mầm tinh thể. Mầm tinh thể là các tinh thể có kích thước nhỏ được đưa vào thiết bị phản ứng nhằm tăng diện tích bề mặt phản ứng, đẩy nhanh quá trình kêt tinh MAP nhưng không ảnh hưởng đến quá trình động học nội tại của sự kết tinh.
Việc bổ sung mầm tinh thể hầu như không ảnh hưởng tới hiệu quả loại bỏ amoni nhưng lại tác động đáng kể tới kích thước tinh thể (Bảng 3.7). Adnan (2004) cũng có quan sát tương tự trong nghiên cứu của của mình [22]. Hiện tượng này có thể là do:
nhờ sự hiện diện của mầm tinh thể, diện tích bề măt tiếp xúc giữa mầm tinh thể với dung dịch tăng đáng kể, trạng thái cân bằng phản ứng mau chóng được thiết lập, phản ứng xảy ra giúp kích thước tinh thể tăng lên nhanh chóng.
.1. .4 Tách nitơ tr ng nước rác bằng kết tinh MAP
Các điều kiện tối ưu đã được nghiên cứu ở mục trên. Nghiên cứu tách MAP trong nước rác được thực hiện ở pH =9,0; thời gian phản ứng 60 phút; vận tốc khuấy 50 vòng/phút, bổ sung Mg2+; PO43- đạt tỷ lệ Mg2+: NH4+:PO43- là 1:1,9:1 và 100mg mầm tinh thể trên 1 lít nước rác.
Kết quả nghiên cứu (Bảng 3.8) cho thấy khả năng loại bỏ NH4+ tạo tinh thể MAP đạt 52,24% - 53,05%. Lượng MAP thô thu được cao nhất là 2,34 g/l nước rác.
Bảng 3.8 Hiệu qu t n ơ ạ MAP ng nước rác
pH
Thông số
pH=9,0
NH4+ loại bỏ (%) 52,24 ÷ 53,05 PO43- loại bỏ (%) 95,21÷ 96,01 Mg2+ được loại bỏ (%) 95,46 ÷97,19 COD được loại bỏ (%) 25,70 ÷ 26,21 Kớch thước tinh thể (àm) 322ữ455,8
Kết quả loại amoni trong nước rác thấp hơn trong môi trường giả định, có hiện tượng này là do trong nước rác có nhiều tạp chất như Ca2+, COD, SS và một số kim loại. Các thành phần ô nhiễm này ít nhiều có ảnh hưởng tới quá trình kết tinh MAP, nhưng trong khuôn khổ luận án này chưa có điều kiện để đề cập tới.
.1. .5 Kết q phân tích MAP th ược từ nước rác
Để xác định kết tinh MAP có thể thu hồi và sử dụng làm phân bón cho cây trồng.
Mẫu kết tinh MAP được xác định chất lượng bằng 3 phương thức: Đo kích thước tinh thể MAP bằng trắc vi thị kính và SEM; chụp phổ XRD và hòa tách phân tích các thành phần của MAP.
- Đ kí ướ bằng ắ ị kín , SEM ụp p ổ XRD
Kết quả phân tích xác định đây là MAP hay còn gọi là Struvite (Hình 3.11; Hình 3.12). MAP có kích thước từ 455-502 m và có thể thu hồi được bằng lắng đơn giản nhờ lực trọng trường.
Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43-=1:1,9:1; thời gian ph n ứng 60 phút vận tốc 50 vòng/phút
Kết tinh MAP trong nước rác khi đem chụp SEM và quan sát qua trắc vi thị kính cho thấy các tinh thể không đồng đều. Khi chụp phổ XRD ngoài tinh thể MAP còn có một số thành phần khác như magie phốt phát (cường độ hay pig) đo được mầu xanh, Hình 3.12). Điều này có thể giải thích: do magie phốt phát được hình thành, một số tạp chất trong rác có thể gây hạn chế quá trình kêt tinh MAP dẫn đến hiệu quả loại bỏ amoni thấp hơn so với ở môi trường giả định. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận án này chưa có điều kiện để giải thích.
VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau MgNH4PO4.6H2O - M4
35-0780 (*) - Newberyite, syn - MgHPO4ã3H2O - Y: 0.66 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
36-1491 (*) - Ammonium Magnesium Phosphate Hydrate - NH4MgPO4ãH2O - Y: 2.40 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Quynh-DHKTCNTN-MgNH4PO46H2O-M4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 3.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 02/02/15 11:14:16
Lin (Cps)
0 100 200 300 400 500
2-Theta - Scale
5 10 20 30 40 50 60 70
d=8.765 d=5.961 d=5.329 d=4.725 d=4.497 d=4.203 d=3.640 d=3.457 d=3.084d=3.035 d=2.9164 d=2.8003 d=2.7174 d=2.5774 d=2.4927 d=2.3928 d=2.3302 d=2.2724 d=2.1911 d=2.1163 d=2.0378 d=1.9290 d=1.8727 d=1.8517 d=1.8196 d=1.7826 d=1.7537 d=1.7236 d=1.6706d=1.6547 d=1.6165 d=1.5807 d=1.4859 d=1.4011 d=1.3687
Hình 3.12 Phổ XRD củ MAP ược từ nước rác
- Hò ịn n p ần MAP
Thành phần hóa học của nước rác rất phức tạp.Trong nước rác có một số thành phần có thể mang tính độc cao, đặc biệt là các kim loại nặng. MAP thu được từ nước rác sẽ kéo theo một số thành phần khác. Để xác định khả năng sử dụng kết tinh MAP thu được từ nước rác làm phân bón, kết tinh MAP được phân tích bằng phương pháp hòa tách. Kết quả phân tích thành phần hóa học của MAP thu được từ nước rác được trình bày trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Kết qu phân tích thành phần MAP ược từ nước rác
TT Thông số Đơn vị Kết quả TCVN (*)
1 NH4+
- N % 10,75 -
2 PO43-
- P % 46,00 -
3 Mg % 26,7 -
4 SS % 8,3 -
5 Fe mg/kg 207,3 10.000
6 Ca mg/kg 62,38 -
7 Zn mg/kg 28,06 15.000
8 Cd mg/kg 0,11 < 25
9 Pb mg/kg 2,58 300
10 Mn mg/kg 119,47 15.000
11 Ni mg/kg 1,94 -
12 Cu mg/kg 12,80 15.000
13 As mg/kg 0,044 <3
(*) Thông tư 36/2010/TT-BNNVPTNT về việc xản xuất và kinh doanh phân bón.
Kết quả phân tích MAP bằng phương pháp hòa tách tại Viện Khoa học và Công Nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội cho thấy thành phần trong MAP ngoài Mg2+ NH4+ và PO43- còn có một số kim loại khác. Tuy nhiên các thành phần kim loại này đều không vượt quá tiêu chuẩn cho phép để sử dụng làm phân bón.