CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.9. Các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước
Trên thế giới đã có khá nhiều nghiên cứu về kết tủa struvite nhằm thu hồi nitơ và photpho từ nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải chăn nuôi, nước thải sinh hoạt, bùn thải,… Theo nghiên cứu của Machdar và các cộng sự, tỷ lệ mol Mg2+: NH4+: PO43- và pH được đánh giá. Hiệu suất loại bỏ amoni lần lượt là 87,1%, 94,7% và 90,6% đối với pH là 8, 9 và 10. Việc tăng tỷ lệ Mg/P từ 1 lên 1,2 làm tăng khoảng 10% hiệu quả xử lý amoni. Bên cạnh đó, việc tăng pH từ 8 lên 9 làm tăng khả năng xử lý cao, trong khi tăng lên 10 thì hiệu quả hầu như không đổi [66].
Kích thước tinh thể cũng là một trong các chỉ tiêu để đánh giá độ hiệu quả của quá trình thu hồi tạo struvite vì tinh thể càng lớn thì nó dễ tách khỏi nước, ít bị rửa trôi hơn. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước tinh thể trung bình là những yếu tố ảnh hưởng đến quá bão hòa: tỷ lệ siêu bão hòa cao, do tốc độ trộn yếu, pH hướng tới độ hòa tan tối thiểu hoặc nhiệt độ thấp. Kích thước hạt struvite trung bình tạo thành > 90 àm ở pH 9 và 20oC [67].
Để tăng hiệu quả xử lý, nghiên cứu kết hợp các mô hình vào quá trình thu hồi nitơ và photpho. Gong và các cộng sự đã nghiên cứu về bùn phân hủy kị khí lấy từ bể phân hủy kị khí sử dụng lò phản ứng kết tinh có sục khí. Quá trình tạo struvite được xác định là tối ưu ở pH = 9 với tỷ lệ mol Mg/P là 1,6 và N/P là 1,2, tương ứng với hiệu suất thu hồi hơn 89% với nitơ và 99% với photpho [68]. Mô hình này được
27
đánh giá cao vì trong quá trình sục khí có thể xử lý nitơ và giúp mô hình ổn định pH, tăng hiệu quả cho quá trình tạo struvite.
Le và các cộng sự của mình sử dụng nguồn magie là nước thải nhà máy công nghiệp ở thành phố Cao Hùng, Đài loan làm nguồn bổ sung magie thay cho hóa chất MgCl2. Đây là một nguồn giàu Mg (~2000 ppm) đồng thời cũng phù hợp với nhu cầu là kinh tế tuần hoàn. Nghiên cứu sử dụng mô hình FBHC đạt hiệu suất xử lý 69,8% và 96,8% lần lượt với nitơ và photpho, tạo được struvite với độ tinh khiết 68,3% và kích thước hạt trung bình 0,88 mm, với điều kiện vận hành tốc độ dòng chảy lên tối ưu phải bằng 1,5–2,4 lần tốc độ tầng sôi tối thiểu (12,75 m/h) [69].
Hình 1.9. Mô hình tầng sôi đồng nhất thu hồi nitơ và photpho [70]
Các nghiên cứu tương tự khi áp dụng phương pháp kết tinh thu hồi chọn lọc Fe(III), Cu(II) dạng hạt nguyên chất với nồng độ 650ppm và 500ppm các điều kiện tối ưu bao gồm giá trị tỉ lệ hồi lưu 17,5 và tốc độ dòng chảy lên 35,9 m/h ứng với thời gian thủy lực là 17,9 phút mang lại hiệu quả xử lí 99,5% Fe(III) và 90% Cu(II).
Kết tinh đồng nhất loại bỏ hiệu quả các cation và anion khỏi dung dịch nước dưới dạng hạt [70].
28
Hình 1.10. Mô hình tầng sôi đồng nhất của FBR thu hồi Fe(III),Cu(II) [71]
Công nghệ cũng được nghiên cứu áp dụng tiền xử lý cho nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng nitơ và photpho cao, với khả năng loại bỏ 37% amoni, 33%-38%
các kim loại tương ứng như Cu, Zn và 95% photpho được loại bỏ. Đối với amoni, hiệu suất thu hồi tăng khi pH tăng từ 8,0 đến 9,0. Nghiên cứu cho biết được rằng pH khác nhau tồn tại các dạng ion khác nhau và kết tủa khác nhau, đánh giá được đồng thời quá trình đồng phân hủy các ion kim loại khác với amoni photphat. Mục đích để áp dụng cho việc phân hủy bùn từ nước thải chăn nuôi [71].
Hình 1.11. Mô hình tầng sôi FBR thu hồi N,P nước thải chăn nuôi [72]
Trong nghiên cứu sau đây quy trình đồng kết tinh thu hồi không những nitơ, photpho mà còn có cả kali từ nước tiểu con người. Các tỉ lệ pH, Mg/K và tốc độ
29
dòng chảy được thực hiện thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm. Tổng khả năng loại bỏ photpho và kali lần lượt 98% và 70,5% tạo ra kích thước trung bình 0,85mm; độ tinh khiết 95%. Vận tốc dòng chảy lên gấp 1,5 đến 2,0 lần vận tốc hóa lỏng. Việc bổ sung magie và vận hành trong điều kiện quá bão hòa nhẹ giúp tạo ra các hạt tương ứng với độ tinh khiết cao, đường kính hạt được ảnh hưởng với vận tốc dòng lên [72].
Hình 1.12. Mô hình tầng sôi FBHC thu hồi K, P nước tiểu con người [72]
Bên cạnh đó, nghiên cứu mô hình kết tinh loại bỏ nhôm thu hồi bằng mô hình tầng sôi với các thông số vận hành tối ưu pH 9,7; tải trọng bề mặt cắt ngang 0,5kg/m2.h; tốc độ dòng chảy lên là 62 m/h. Tổng lượng Al3+ bị loại bỏ là 98,5%, tỷ lệ kết tinh đạt 93%. Ảnh SEM có thể thấy hai phần nhân và phần vỏ bên ngoài dạng viên tròn và tồn tại hai cấu trúc khác nhau, chỉ số siêu bão hòa khác nhau.[73]
Hình 1.13. Mô hình tầng sôi thu hồi Al(OH)3 [73]
30
1.9.2. Các công trình nghiên cứu trong nước
Với sự phát triển đi theo với công nghệ thế giới, cũng như xu thế kinh tế tuần hoàn, các nghiên cứu thu hồi chất dinh dưỡng – như struvie được các nhà khoa học trong nước quan tâm, tìm hiểu. Quá trình loại bỏ photpho trong nước thải cao su thu hồi tinh thể struvite với các thông số tối ưu được xác định là 9,0 đối với pH tỷ lệ 1,25 và 4,35 đối với tỷ lệ Mg/P và N/P, tương ứng. Với lượng kết tủa thu được là 0,3401g/300mL nước thải cao su [74]. Theo luận văn tiến sĩ của Ngô Văn Thanh Huy, ở hầu hết các thí nghiệm, hiệu quả xử lý NH4+ tăng nhiều ở 1 – 60 phút, sau 60 phút có tăng tuy nhiên không đáng kể (3 – 5,6%). Bên cạnh đó, tốc độ khuấy cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo mầm struvite, tốc độ quá cao (100 vòng/phút) có thể làm gãy tinh thể lớn, làm mất tính ổn định. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tốc độ tối ưu cho quá trình khuấy là 50 vòng/phút.
Dũng và các cộng sự đánh giá về sự ảnh hưởng của ion canxi đến sự hình thành struvite. Khi sử dụng ion Ca2+ thay thế Mg2+ thì cho kết quả thu hồi amoni là thấp 39,9%, và khi sử dụng đồng thời hai ion thì kết quả là 65,9 thấp hơn so với chỉ sử dụng Mg2+ là 96,7%. Từ đó đánh giá được ion Ca2+ có ảnh hưởng đến quá trình hình thành struvite ở nồng độ cao, tuy nhiên cũng không đáng kể [75].
Trong một nghiên cứu mới đây, việc loại bỏ nitơ và photpho nồng độ cao đã được nghiên cứu dựa trên sự thay đổi về pH, tỷ lệ mol Mg/P; nhiệt độ kết tủa và thời gian phản ứng. Nghiên cứu đã cho thấy rằng, hiệu suất đạt được Struvite đến 95,2%
ở pH 8,3 và tiỷ lệ mol Mg/P (1/1) ở 30 độ và thời gian phản ứng 90 phút. Khảo sát độ pH khoảng 7,5 đến 8,5 và tỉ lệ Mg/P (1/1 đến 1,2/1) tương ứng với thời gian phản ứng trong 90 phút [76].
31
Hình 1.14. Mô hình khuấy hình thành Struvite [76]
Ngoài nước thải đô thị, nước thải sản xuất mủ latex cũng được áp dụng với công nghệ kết tinh struvite.
Hình 1.15. Sản phẩm Struvite từ nước thải cao su latex [77]
Đề tài nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo kết tủa struvite để thu hồi amoni, photphat từ nước thải chế biến mủ cao su latex như độ pH, tỷ lệ Mg2+/NH4+/PO43- (1,15/1/1 đến 1,6/1/1), thời gian phản ứng, tốc độ khuấy. Mô hình thực nghiệm từ các thí nghiệm khảo sát, hiệu suất thu hồi amomi đạt 73,3% tại giá trị pH = 9,08, tỉ lệ Mg2+/NH4+/PO43- =1,44/1/1 thời gian phản ứng 106,7 phút với tốc độ khuấy 53,73rpm. Hiệu suất thu hồi photpho cao nhất 83,2% tại pH = 9,49 tỉ lệ Mg2+/ NH4+/PO43- =1,41/1/1 với thời gian phản ứng 98,29 phút với tốc độ khuấy 50,52rpm được sản phẩm ở Hình 1.16 [77].
32