Nghiên cứu hiệu quả xử lý vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị thành phố thủ dầu một phần 1 luận văn thạc sĩ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HỒ THIỆN PHƯỚC NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ VI NHỰA TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ THỦ DẦU MỘT Chuyên ngành KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Mã chuyên ngành 60 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Công trình được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học Hướng dẫn 1 PGS TS Lê Hùng Anh Hướng dẫn 2 TS Nguyễn Thị Thanh Trúc Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hôị.

Công trình được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp thành phố

Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: PGS.TS Lê Hùng Anh

Hướng dẫn 2: TS Nguyễn Thị Thanh Trúc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vê ̣ Luâ ̣n văn tha ̣c sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 23 tháng 10 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Lương Văn Việt - Chủ tịch Hội đồng

2 TS Đinh Thanh Sang - Phản biện 1

3 TS Nguyễn Thị Lan Bình - Phản biện 2

4 TS Nguyễn Thanh Phong - Ủy viên

5 TS Lê Hồng Thía - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG

NGHỆ VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hồ Thiện Phước MSHV: 17112071

Ngày, tháng, năm sinh: 13/04/1993 Nơi sinh: Bình Dương

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã chuyên ngành: 60.52.03.20

I TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu hiệu quả xử lý vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị thành phố Thủ Dầu Một

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Xác định, đánh giá hiệu quả xử lý vi nhựa qua các bậc xử lý của hệ thống xử lý nước cấp tại thành phố Thủ Dầu Một

Đề xuất biện pháp nâng cao hiệu quả xử lý vi nhựa trong nước cấp bằng phương pháp keo tụ tạo bông với chất keo tụ Al2(SO4)3

Xác định được hàm lượng chất keo tụ tối ưu để xử lý vi nhựa trong nước cấp

+ Ảnh hưởng của pH đến quá trình keo tụ

+ Ảnh hưởng của chất keo tụ đến quá trình keo tụ

+ Ảnh hưởng của chất trợ lắng PAM (Polyacrylamide) đến quá trình keo tụ

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Thực hiện quyết định số 842/QĐ-ĐHCN ngày

10/07/2020 của Trường Đại học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh về việc giao

đề tài và cử người hướng dẫn luận văn Thạc sĩ

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / /2021

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hướng dẫn 1: PGS.TS Lê Hùng Anh

Hướng dẫn 2: TS Nguyễn Thị Thanh Trúc

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

Em xin gửi lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các giảng viên trong Viện, đặc biệt

là PGS.TS Lê Hùng Anh và TS Nguyễn Thị Thanh Trúc đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài

Em cũng xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và ủng hộ tinh thần giúp

em hoàn thành đề tài

Cuối cùng, em xin gửi lời chúc đến toàn thể thầy cô trong Viện và các bạn lời chúc sức khỏe, luôn hạnh phúc, thành công trong cuộc sống và trong công việc

Trân trọng cảm ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay nguồn nước đang bị ô nhiễm vi nhựa, đặc biệt hơn vi nhựa khó có khả năng phân hủy sẽ thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu không được xử lý tốt tại các nhà máy cấp nước đô thị

Bằng cách sử dụng phương pháp nhuộm Nile Red với nồng độ 5 µg/ml đã nhuộm thành công các hạt vi nhựa có trong hệ thống cấp nước Thủ Dầu Một và kết hợp phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi FTIR cho hiệu quả xác định vi nhựa cao Tại thời điểm lấy mẫu, cho thấy polypropylene (PP) và polyethylen terephthalate (PET) có trong hệ thống cấp nước đô thị Thủ Dầu Một Thí nghiệm cũng xác định ở điều kiện pH 7 với liều lượng phèn nhôm 0,5 g hiệu quả xử lý vi nhựa đạt hiệu quả tối ưu 64,2% từ số lượng vi nhựa ban đầu 1941 ± 53 hạt, sau xử lý còn 693 ± 34 hạt Việc bổ sung chất trợ keo tụ có nguồn gốc polyme là poly acrylamide với liều lượng 0,04 g cho thấy hiệu quả xử lý vi nhựa trong hệ thống nước cấp tăng 20% (từ 64,2% không có PAM và lên 84,2% lúc bổ sung PAM) tương ứng với số lượng vi nhựa sau

xử lý còn lại 305 ± 103 hạt, hiệu quả cao hơn phương pháp xử lý keo tụ bằng PAC tại hệ thống cấp nước thành phố Thủ Dầu Một góp phần cải thiện chất lượng nước cấp về khía cạnh vi nhựa Để áp dụng cần có những nghiên cứu mở rộng đối với mẫu nước tại các thời điểm khác nhau

iii

ABSTRACT

Currently, water sources are contaminated with microplastics, especially microplastics that are difficult to decompose, which can affect human health if not treated well at urban water supply plants

By using the Nile Red staining method with a concentration of 5 µg/ml, it has successfully stained the microplastics present in the Thu Dau Mot water supply system and combined with the FTIR modified infrared spectroscopy method to effectively high identify the microplastics At the time of sampling, it was found that polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET) were present in the Thu Dau Mot urban water supply system The experiment also determined that at pH 7 with a dose of 0,5 g aluminum alum, the microplastic treatment efficiency was optimal 64,2% from the initial number of microplastics 1941 ± 53 particles, after treatment to 693 ± 34 particles However, the addition of a polymer-based flocculation aid, poly acrylamide with a dosage of 0,04 g, showed that the micro plastic treatment efficiency in the feed system increased by 20% (from 64,2% without PAM and to 84,2% with addition PAM), higher efficiency than PAC flocculation treatment in Thu Dau Mot water supply system, contributing to improving water quality in terms of microplastics For application, extensive studies are required for water samples at different time

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Hồ Thiện Phước

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.2 Mục tiêu cụ thể 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 4

1.1 Nhựa và ô nhiễm nhựa 4

1.2 Vi nhựa và tác động của vi nhựa 6

1.2.1 Khái niệm về vi nhựa 6

1.2.2 Tác động của vi nhựa 7

1.3 Các phương pháp xác định vi nhựa 10

1.3.1 Phương pháp kính hiển vi 10

vi

1.3.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 10

1.3.3 Phương pháp quang phổ Raman 11

1.3.4 Phương pháp nhiệt 11

1.3.5 Phương pháp nhuộm Nile red 13

1.4 Các phương pháp loại bỏ vi nhựa trong nước 14

1.4.1 Loại bỏ vi nhựa bằng vi sinh vật 14

1.4.2 Loại bỏ vi nhựa bằng cách chiết xuất từ tính 14

1.4.3 Loại bỏ vi nhựa bằng cách lọc sinh học 15

1.4.4 Loại bỏ vi nhựa bằng hấp phụ 15

1.4.5 Loại bỏ vi nhựa bằng màng lọc 15

1.4.6 Cố định vi nhựa bằng Organosilanes 16

1.4.7 Loại bỏ vi nhựa bằng chất keo tụ 16

1.4.8 Các chất keo tụ tạo bông 19

1.5 Tổng quan về khu xử lý nước Bình Dương 20

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Vật liệu nghiên cứu 25

2.1.1 Mẫu nước và vị trí lấy mẫu 25

2.1.2 Các vật liệu, hóa chất và thiết bị 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.1 Phương pháp nhộm Nile Red để xác định vi nhựa 26

2.2.2 Phương pháp nhuộm Nile Red trên các mẫu nhựa chuẩn để so sánh và đối chiếu 28

2.2.3 Định danh vi nhựa bằng phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 28 2.2.4 Loại bỏ vi nhựa trong nước sử dụng Al2(SO4)3 làm chất keo tụ 28

vii

2.2.4.1 Xác định lượng pH tối ưu 28

2.2.4.2 Xác định liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3 tối ưu 29

2.2.5 Hỗ trợ keo tụ bằng chất trợ lắng PAM (polyacrylamide) 30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Nhuộm các mẫu môi trường 31

3.1.1 Định lượng vi nhựa của mẫu nước tại nhà máy B 31

3.1.2 Định lượng vi nhựa của mẫu nước tại nhà máy A 32

3.2 Định danh các mẫu nhựa bằng nhuộm huỳnh quang Nile Red 33

3.3 Định danh vi nhựa dựa trên phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR 37

3.4 Loại bỏ vi nhựa bằng keo tụ sử dụng Al2(SO4)3 48

3.4.1 Xác định lượng pH tối ưu 48

3.4.2 Xác định lượng phèn tối ưu 49

3.5 Bổ sung chất trợ lắng PAM cho quá trình loại bỏ vi nhựa trong nước 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

1 Kết luận 55

2 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 59

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 64

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ hành chính thành phố Thủ Dầu Một 2

Hình 1.2 Tình hình sản xuất nhựa trên thế giới 5

Hình 1.3 Hình ảnh vi nhựa 6

Hình 1.4 Vi nhựa sơ cấp, vi nhựa thứ cấp 7

Hình 1.5 Vi nhựa tác động đến sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn 10

Hình 1.6 Công thức hóa học Nile Red 13

Hình 1.7 Phản ứng cố định loại bỏ vi nhựa khỏi nước bằng organosilanes 16

Hình 1.8 Nhà máy A và nhà máy B ……… 21

Hình 1.9 Quy trình xử lý nước của hệ thống cấp nước đô thị thành phố Thủ Dầu Một 22

Hình 2.1 Sơ đồ lấy mẫu nước cấp 25

Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp nhuôm quỳnh quang Nile Red 26

Hình 2.3 Sơ đồ khảo sát hiệu quả loại bỏ vi nhựa bằng keo tụ phèn nhôm 30

Hình 3.1 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa ABS 34

Hình 3.2 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa HDPE 34

Hình 3.3 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PC 34

Hình 3.4 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PET 34

Hình 3.5 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PS 34

Hình 3.6 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PVC 35

Hình 3.7 Kết quả nhuộm Nile Red nhựa PP 35

Hình 3.8 Kết quả nhuộm vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy B 36

Hình 3.9 Kết quả nhuộm vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy A 37

ix

Hình 3.10 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của ABS 39

Hình 3.11 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của PVC 40

Hình 3.12 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của PC 40

Hình 3.13 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của PET 41

Hình 3.14 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của PP 41

Hình 3.15 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của PS 42

Hình 3.16 Ảnh màu nhuộm NR kết hợp kết quả phân tích FTIR của HDPE 42

Hình 3.17 Kết quả phân tích mẫu nước thô tại nhà máy A 45

Hình 3.18 Hình chồng phổ kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô và PP 46

Hình 3.19 Kết quả phân tích mẫu nước thô tại nhà máy A 47

Hình 3.20 Hình chồng phổ kết quả phân tích FTIR của mẫu nước thô và PET 47

Hình 3.21 Mẫu cốc xác định pH tối ưu sau khi lắng 48

Hình 3.22 Biều đồ kết quả thí nghiệm Jatest xác định pH tối ưu 49

Hình 3.23 Mẫu cốc xác định liều lượng phèn nhôm tối ưu sau khi lắng 50

Hình 3.24 Biều đồ kết quả thí nghiệm Jatest xác định phèn tối ưu 50

Hình 3.25 Mẫu nước trước keo tụ 51

Hình 3.26 Mẫu nước sau keo tụ 51

Hình 3.27 Biểu đồ kết quả thí nghiệm bổ sung PAM 53

Hình 3.28 Mẫu cốc bổ sung PAM sau keo tụ 53

Hình 3.29 Mẫu nước thô tại nhà máy A 54

Hình 3.30 Mẫu nước tại nhà máy A sau keo tụ có bổ sung poly acrylamide 54

x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ưu điểm và hạn chế của các phương pháp mô tả đặc tính hóa học của vi

nhựa 11

Bảng 3.1 Số lượng hạt vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy B 31

Bảng 3.2 Số lượng hạt vi nhựa tại các bậc xử lý của nhà máy A 32

Bảng 3.3 Số lượng vi nhựa ứng với từng hình dạng 33

Bảng 3.4 Hiệu quả xử lý các loại vi nhựa 33

Bảng 3.5 Bước sóng đặc trưng cho từng loại nhựa 38

Bảng 3.6 So sánh kết quả phân tích bước sóng đặc trưng của các loại nhựa chuẩn bị và nhựa chuẩn ……… 43

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm trước và sau khi keo tụ tạo bông ……… …… 51

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm sau khi bổ sung PAM ……… 53

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASB : acrylonitrin butadien styren

HDPE : high-density polyethylene

PAM : poly acrylamide

phát hiện ở các sông, hồ và đại dương [1]

Thành phố Thủ Dầu Một là đô thị loại I trực thuộc tỉnh Bình Dương với dân số 325.551 người có 14 phường trực thuộc (theo báo cáo kinh tế - xã hội năm 2019) Hiện trên địa bàn thành phố hiện có 2 Chi nhánh cấp nước là Chi nhánh cấp nước Thủ Dầu Một (nhà máy A) và Chi nhánh Cấp nước khu liên hợp tại Khu liên hợp (nhà máy B)

Tuy nhiên, hiện nay chỉ có những nghiên cứu vi nhựa trong môi trường nước sông, nước biển điển hình năm 2017, Lisa Lahens đã có bài đánh giá ô nhiễm vi nhựa tại khu vực sông Sài Gòn, Việt Nam [2]và đến nay chưa có nghiên cứu nào đánh giá vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị tại thành phố Thủ Dầu Một Đây là lý do tôi

chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả xử lý vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị

thành phố Thủ Dầu Một” Bài báo cáo này sẽ đánh giá thành phần vi nhựa và khả

năng xử lý vi nhựa qua các bậc xử lý của hệ thống xử lý nước và đề xuất các biện pháp nâng cao hiệu quả xử lý vi nhựa trong nước cấp góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người

Đánh giá vi nhựa trong nước cấp

Hiệu quả xử lý vi nhựa qua các bậc xử lý tại nhà máy A và nhà máy B

3

Đề xuất biện pháp xử lý vi nhựa trong nước cấp bằng phương pháp keo tụ tạo bông với chất keo tụ Al2(SO4)3 kết hợp chất trợ lắng PAM góp phần cải thiện chất lượng nước cấp của thành phố Thủ Dầu Một về khía cạnh ô nhiễm vi nhựa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Vi nhựa trong nước cấp

Nước cấp tại nhà máy A và nhà máy B

- Phạm vi nghiên cứu:

Tại nhà máy A và nhà máy B

Viện Khoa học Công nghệ và Quản lý môi trường - Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: từ tháng 07/2020 đến tháng 01/2021

4 Nội dung nghiên cứu

Đánh giá vi nhựa trong nước cấp

Đánh giá hiệu quả xử lý vi nhựa qua các bậc xử lý của hệ thống cấp nước Thủ Dầu Một

Đề xuất biện pháp nâng cao hiệu quả xử lý vi nhựa trong nước cấp bằng chất keo tụ

Al2(SO4)3 kết hợp chất trợ lắng PAM

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Luận văn tốt nghiệp cung cấp những thông tin khoa học góp phần cải thiện hiệu quả

xử lý vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị Kết quả nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp là cơ sở đề xuất biện pháp xử lý nước góp phần giảm thiểu lượng vi nhựa trong hệ thống cấp nước đô thị thành phố Thủ Dầu Một

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Nhựa và ô nhiễm nhựa

Vật liệu dẻo là các hợp chất hữu cơ có khả năng biến đổi hình dạng dưới sự tác dụng của nhiệt hoặc áp suất và vẫn giữ nguyên được sự biến dạng đó khi kết thúc quá trình Vật liệu dẻo có đặc tính bền, nhẹ, khó vỡ và màu sắc đa dạng Vật liệu dẻo được chia làm 2 nhóm lớn là nhựa (plastic) và vật liệu đàn hồi (elastomers - cao su, silicon, ) Vật liệu nhựa không chỉ là một loại nguyên liệu đồng nhất mà bao gồm rất nhiều loại với các tính chất khác nhau và tính ứng dụng riêng Vật liệu nhựa là các hợp chất hữu

cơ nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá hoặc có nguồn gốc từ nguyên liệu sinh học mà điển hình là tinh bột ngô, khoai, sắn Vật liệu nhựa có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch hay từ nguyên liệu sinh học thì đều có khả năng tái chế để hoàn thành một vòng tuần hoàn của sản phẩm nhựa Hiện nay chủ yếu nguyên liệu nhựa được sử dụng trên thế giới có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch So với các loại nguyên liệu truyền thống như kim loại, gỗ, thủy tinh,

da, …vật liệu nhựa có một số tính chất ưu việt hơn như sau: khả năng chống ăn mòn, chống thấm dễ tạo hình và sản xuất, khả năng tái sinh và tính đa dạng lớn Vật liệu nhựa bao gồm:

Nhựa nhiệt dẻo: là loại vật liệu nhựa khi nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy sẽ bị biến

đổi về hình dạng vật lý và giữ lại hình dạng đó khi giảm nhiệt độ

Nhựa nhiệt rắn: là loại vật liệu nhựa khi nung nóng đến nhiệt độ nhất định sẽ biến đổi

cả về hình dạng vật lý lẫn tính chất hóa học tạo ra cấu trúc không gian ba chiều và

không thể nóng chảy lại được nữa

Do có nhiều lợi thế dẫn đến sự gia tăng đáng kể nhựa trong đời sống hàng ngày Trong khoảng hơn 60 năm vừa qua, tính từ 1950 - 2017 khối lượng nhựa sản xuất trên thế giới tăng từ 1,7 triệu tấn lên 335 triệu tấn Cuộc cánh mạng khoa học - kỹ thuật những năm giữa của thế kỷ 20 đã mang tới cho nhân loại nhiều sản phẩm mới có giá trị, trong đó có nhựa Nhựa đã nhanh chóng đi vào đời sống con người ở mọi lĩnh vực Tuy nhiên, việc lạm dụng quá mức cộng với khả năng thu gom, tái chế, tái sử dụng