Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu từ các loại phế thải ứng dụng trong quá trình xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm dầu và các chất hữu cơ độc hại khác

Tên đề tài N ghiên cứu chế tạo một số vật liệu từ các loại phế thải ứng dụng trong quá trình xử lý các nguồn nươc bị ô nhiễm dầu và các chất hữu cơ độc hại khác 2.. Muc tiêu đề tài: N gh

Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA H A N Ộ I TRƯỜNG Đ Ạ I HỌC KHOA HỌC T ự N H IÊN

CÁC CÁN B ộ THAM GIA ĐỂ TÀI:

PGS.TS Trịnh Lê H ùng K hoa H oá học

PGS.TS Trần Hồng Kôn Khoa Hoá học

Ths N guyễn Thị Hạnh Khoa Hoá học

HÀ NỘI - 2003

BÁO CÁO TÓM TẮT

1 Tên đề tài

N ghiên cứu chế tạo một số vật liệu từ các loại phế thải ứng dụng trong quá trình xử lý các nguồn nươc bị ô nhiễm dầu và các chất hữu cơ độc hại khác

2 Chủ trì đề tài: N guyễn Văn Nội

3 Các cán bộ tham gia đề tài

4 Muc tiêu đề tài:

N ghiên cứu khả nãng sử dụng một số vật liệu từ các loại phế thải để chế tạo vật liệu hấp phụ ứng dụng trong quá trình xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm dầu và các chất hữu cơ độc hại khác Bước đầu nghiên cứu tìm các điều kiện thích hợp để tách loại dầu trong các nguồn nước bị ô nhiễm

5 Nội dung nghiên cứư:

+ Tổng quan tài liệu

+ C hế tạo vật liệu

+Đ ánh giá mức độ ô nhiễm tại một số địa điểm thuộc Hà Nội

+K hảo sát khả năng xử lý của vật liệu chế tạo được

6 Các kết quả đạt được:

- Sản phẩm khoa học: 1 bài báo

Trần H ồng Côn, Đ ồng Kim Loan, Phạm Thanh Xuân, Nguyễn Văn Nội

N ghiên cứu sử dụng mùn cưa biến tính đ ể x ử lý nước nhiễm dâu. Tuyển tập các công trình K hoa học kỷ niệm 45 năm ngày thành lập K hoa H oá học, tr 130-133, 2001

- Kết quả đào tạo: 3 Cử nhân Công nghệ Hoá học tốt nghiệp theo hướng đề

7 Tình hình sử dụng kinh phí

- Kinh phí hỗ trợ cho đề tài: 10 triệu đồng

- K inh phí đã quyết toán

Ban chủ nhiệm Khoa Hoá học

Ị Vu-' ị j t : 1^1-u< -ỉbu

Cơ quan chủ trì Đề tài

Chủ trì Đề tài

Nguyễn Văn Nội

SUMMARY OF THE PROJECT

Ass.Prof Tran H ong Con

M Sc.N guyen Thi Hanh

4 Targets o f the Project:

+D evelopm ent o f adsorbents from natural m aterials and their use for the treatment o f oil contam inated wastewaters

+ Investigation o f proper conditions for the treatm ent o f oil contaminated wastewaters

5 Research activities o f the Project:

+ Colleting the literature, materials relating to the resaerch topic o f the project

+ Investigation o f proper conditions for m aking adsorbents from natural materials

+ R esearch into suitable p aram eters, such as pH, additives, temperature, and treatm ent time that are appropritae for the treatm ent processes

+ Treatm ent o f oil contam inated w astew aters in laboratory scale

6 Results o f the Project

+ R esult o f Science and Technology: som e adsorbents f o r the treatment o f oil contam inated wastewaters

+ R esult o f training: 3 bachelors finished according to the research

activities o f the Project

+ Publication: Ỉ

Hanoi U niversity o f Science Hanoi U niversity o f Science Hanoi U niversity o f Science Hanoi U niversity o f Science

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm dầu đã và đang là vấn đề môi trường được quan tâm trên phạm vi toàn thế giới cũng như tại nước ta N guyên nhân gây ô nhiễm là từ cả hai lĩnh vực

khai thác và sử dụng dầu khí Công nghiệp khai thác dầu kh£ càng phát triển thì

sự ô nhiễm dầu của nước biển ở những vùng ven bờ càng nặng nề Điều này ảnh hưởng rất m ạnh đến sự cân bằng của hệ sinh thái ven biển Ở đây chúng tôi muốn quan tâm nhiều đến nguồn nước thải và nước mặt nhiễm dầu do nhu cầu xử dụng các sản phẩm dầu mỏ của con người và của cả nền kinh tế xã hội; nơi có thể khoanh vùng, thu gom và xử lý được

Ở Việt Nam, ngành công nghiệp khai thác và chế biến dầu khí đang ngày càng phát triển, do đó vấn đề bảo vệ môi trường khỏi bị ô nhiễm bởi các sản phẩm dầu mỏ ngày càng được quan tâm, nhất là sau hàng loạt các sự cố liên quan đến vận chuyển dầu như các vụ tai nạn chở dầu trên sông Sài Gòn (1994), sông Đồng Nai (1994), sông Lòng Tàu (1999) Việc khắc phục các sự cố liên quan đến

ô nhiễm dầu bao giờ cũng là một công việc khó khăn và tốn kém Chính vì vậy có rất nhiều nghiên cứu khác nhau được triển khai nhằm đề xuất các qui trình xử lý

ô nhiễm dầu một cách hiệu quả Việc xử lý nước nhiễm dầu đã có nhiều cồng trình nghiên cứu, đặc biệt là dầu nổi Song nước nhiễm dầu dưới dạng huyền phù hay nhũ tương thì hiện nay vẫn còn là vấn đề nan giải khổng những về mặt công nghệ mà còn về mặt kinh tế Nhằm đóng góp vào việc giải quyết những vấn đề nêu trên, trong khuôn khổ đề tài NCKH nàychúng tôi đề cập tới việc nghiên cứu

xử dụng các nguyên liệu rẻ tiền và sẩn có, đó là mùn cưa, phôi bào, bèo tây, bã mía để xử lý nước nhiễm dầu

Ô NHIỄM DẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP x ử LÝ

1 Tình trạng ô nhiễm

Tại Việt Nam , ngành công nghiệp khai thác và chế biến dầu khí đang ngày càng phát triển, chính vì th ế vấn đề bảo vệ mồi trường khỏi ô nhiễm bởi các sản phẩm dầu mỏ ngày càng được quan tâm Việc khắc phục các sự cố liên quan đến

ô nhiễm dầu bao giờ cũng khó khăn và tốn kém: Đã có rất nhiều nghiên cứu khác nhau nhằm đề xuất quá trình xử lý dầu có hiệu quả N ghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm dầu bằng phương pháp dùng phế thải nông nghiệp và phương pháp

vi sinh hiếu khí đang rất được chú ý do tính hiệu quả cao và vận hành đơn giản của nó Sản phẩm của quá trình xử lý không gây phản ứng phụ, không tạo ra vấn

đề môi trường như phương pháp xử lý hoá học

Hiện nay, dầu mỏ chiếm 60% nhu cầu tiêu thụ năng lượng của thế giới Lượng dầu tiêu thụ càng nhiều thì càng gây rò ri, thất thoát lớn Hàm lượng dầu trong nước tãng nhanh theo thời gian và đang ở mức báo động Một số nghiên cứu gần đây ở Việt Nam cho thấy:

• Biển miền Trung: 1996 - 1997 Hàm lượng dầu: 0,343 -ỉ- 0,431mg/l

• Quần đảo Trường Sa: 1997 Hàm lượng dầu : 0,400 -ỉ- 0,770mg/l

• Biển Đông Nam Bộ: 1997 Hàm lượng dầu : 0,412 -f 0,617mg/l

2 Nguồn gây ô nhiễm.

2.7 T ừ hoạt động thăm dò khai thác ngoài khơi.

Theo số liệu của Tổng Công Ty dầu khí Việt Nam, sản lượng dầu khai thác ngày càng tăng, năm 1986 sản lượng dầu khai thác là 40.000 tấn, năm 1996 sản lượng dầu khai thác tăng lên tới 8.800.000 tấn Trong quá trình thăm dò và khai thác dầu khí, lượng dầu tràn đã góp phần không nhỏ vào gây ô nhiễm biển Trên thực tế, giai đoạn 1992- 2001 có hơn 20 sự cố tràn dầu xảy ra mà gần đây nhất là

sự cố tràn dầu xảy ra vào ngày 7/9/2001 tại vịnh Gành R ái tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu

2.2 Tàu chở dầu

Theo tuyến hàng hải quốc tế, hàng năm có khoảng 200 triệu tấn dầu được chuyển từ Trung Đông qua vùng biển nước ta đến N hật và Hàn Quốc Lượng dầu xuất khẩu, nhập khẩu ở Việt N am tăng nhanh Tàu chở dầu khi bị nạn gây tràn một lượng dầu lớn và để lại hậu quả về m ặt môi trường rất nghiêm trọng Điển hình là vụ tràn dầu (Khoảng 1700 tấn dầu diezen) do tàu chở dầu đâm vào cảng Cát Lái vào ngày 03/10/1994 Hàng năm có khoảng 10 triệu tấn dầu thải ra biển

do quá trình bơm tháo, rót dầu và làm vệ sinh tàu tại các cảng, thậm chí có nhiền trường hợp các tàu không xử lý lượng đầu cặn này mà trực tiếp thải ra đại dương đặc biệt là tại khu vực hải phận quốc tế, nơi không thuộc chủ quyền quản lý của quốc gia nào

2.3 Sự c ố hàng hải.

Theo số liệu thống kê, nước ta có khoảng hơn 400 tàu có trọng tải từ 1.000

- 10.000 tấn Theo số liệu của cục Hàng hải Việt Nam về sự cố hàng hải thì từ năm 1992 đến 1996 có tới 465 vụ tràn dầu trong đó có 55 vụ nghiêm trọng

2.4 H oạt động của các bến cảng.

Hệ thống cảng biển nước ta có 60 cảng lớn nhỏ, trong quá trình hoạt động các cảng này và các tàu thuyền tại cảng đã làm dầu tràn với một lượng không nhỏ Theo số liệu của cảng vụ Hải Phòng thì từ năm 1994 đến 1997 đã xử phạt 17 tàu hoạt động ở cảng làm tràn dầu

2.5 Nguồn từ đất liền.

Hệ thống sông ở Việt N am có khoảng 250 con sổng lớn nhỏ, cứ 15 - 20

km bờ biển lại có một cửa sông đổ ra biển Có thể nói hầu hết các ô nhiễm dầu và sản phẩm dầu từ đất liền chảy vào các vùng ven biển ở Việt N am theo các dòng sông là chủ yếu

Bên cạnh đó, việc sử đụng các sản phẩm liên quan đến dầu của các ngành công nghiệp (các nhà máy ô tô, công nghiệp hoá chất, các cửa hàng máy móc v.v ) cũng góp phần không nhỏ vào sự gia tăng chất gây ô nhiễm dầu đối với môi trường sống

Lượng dầu gây ô nhiễm từ các nguồn khác nhau được trình bày ở bảng 1

(số liệu của Cục M ôi Trường- Bộ Tài nguyên và M ôi trường)

Bảng 1 Các nguồn gây ô nhiêm dầu ở V iệt N am

3 Tác động của ô nhiễm dầu đến môi trường [2,10,14].

3.1 Tác động sinh học của ô nhiễm dầu đến thủy quyên.

3.1.1 Tác động sinh học của ô nhiễm dầu

Ánh hưởng của ô nhiễm dầu đến cuộc sống sinh vật cả trực tiếp lẫn gián tiếp Các độc tố trong dầu gây rối loạn chức năng sinh lý, chức năng trao đổi chất làm sinh vật chết dần M ôi trường nước bị dầu che phủ làm thay đổi lượng oxy hoà tan và cản trở ánh sáng chiếu xuống các vùng sâu hơn Đặc biệt các hydrocacbon thơm có số lượng nguyên tử Cacbon nhỏ hơn 10, các hợp chất thơm này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật biển Nếu nồng độ chất thơm hoà tan bằng 0,1 ppm thi các ấu trùng không tồn tại, nồng độ chất thơm 1 0 -1 0 0 ppm sẽ phá hoại hệ thống thần kinh và sự nhạy cảm của vi sinh vật

Sự thấm dầu gây nguy hiểm cho các loài chim Chim biển khi ướt dầu thì chúng không bay được, bị chết vì đói và rét do hệ thống lông không còn khả năng sưởi ấm N ếu dầu ngấm vào cơ thể chim dẫn đến nhiều bệnh khác nhau do hydrocacbon xâm nhập vào cơ thể hoặc khi chim ria lông cũng bị ngộ độc Trứng chim biển bị ướt dầu cũng rất khó nở thành chim non

3.1.2 Tác động ô nhiêm đến đánh bắt thuỷ hải sản.

Ô nhiễm dầu mỏ và sản phẩm của chúng làm thay đổi tính chất hoá lý của nước ( thay đổi màu, mùi, v ị ), tạo lớp m àng m ỏng phủ đều m ặt biển, ngăn cách biển với khí quyển trao đổi ôxy, nhiệt, làm lượng sinh vật phù du giảm, dẫn đến trữ lượng đánh bắt hải sản giảm

3.1.3 Tác động ô nhiễm đến công nghiệp.

Các trạm năng lượng hoạt động nhờ nước biển, nếu nguồn nước bị ô nhiễm dầu sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của nhà máy Các xưởng đóng tàu, vận chuyển hàng hoá cũng bị trì hoãn vì hàm lượng dầu tràn

3.1.4 Ảnh hưởng đến ngành du lịch.

Nhiều vụ tràn dầu gây ra ô nhiễm ở vùng ven biển, khu giải trí ở bãi biển

sẽ ảnh hưởng đến hoạt động vui chơi, giải trí Nếu lượng dầu quá lớn, các hoạt động du lịch có thể phải ngừng

3.2 Ảnh hưởng đến địa quyển.

Sự cố tràn dầu tạo vết dầu loang bao phủ hàng ngàn hecta đất bồi cửa sông, làm chết rừng ngập mặn, hoa màu, ruộng lúa, gây ảnh hưởng đến cư dân trong vùng, khu vực dự án, có tác động lâu dài đến môi trường sống

Khi trên mặt đất có một lớp đầu mỏng sẽ cản trở trao đổi chất của sinh vật trong đất, làm đất thiếu ôxy, các sinh vật trong đất sẽ chết

Sự sa lắng các thành phần rắn trong mùn khoan có lẫn dầu sẽ gây nên những biến đổi về thành phần của trầm tích đáy xung quanh khu vực giàn khoan

Dầu thấm trong đất và trong lòng đất sẽ chiếm chỗ các mao quản, đẩy nước và không khí ra ngoài làm môi trường đất bị thiếu không khí và nước, ảnh hưởng đến tính chất của đất và hệ sinh thái đất

Dầu xâm nhập vào đất còn làm thay đổi cấu trúc của đất Chúng biến hạt keo thành trơ, không có khả năng hấp thụ và trao đổi Vai trò đệm, tính ôxy hoá, dẫn điện, dẫn nhiệt của đất thay đổi, giảm tính dẻo và tính dính

Dầu thấm qua đất đến m ạch nước ngầm làm ô nhiễm nước ngầm Ngoài ra,

dầu là hợp chất có thể tiêu diệt trực tiếp hầu hết các thực vật, động vật, sinh vật

trong đất.

3.3 Ảnh hưởng đến nhiệt độ.

Tại những vùng biển ô nhiễm dầu nặng, nhiệt độ ở đó thấp hơn nhiệt độ thường khoảng 2 ° c sau khoảng mười năm Điều này liên quan đến màng dầu loang ngăn cản sự bay hơi của nước, do đó ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt giữa nước biển và khí quyển Quá trình đốt khí thải tại các mỏ ngoài khơi tạo ra khí

C 0 2, N O x, S 0 2 góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính

4 Phương pháp xử lý nước ô nhiễm dầu [10,12,13].

Dầu tràn trên mặt nước tham gia hàng loạt các quá trình biến đổi: Lan truyền, bay hơi, trôi dạt, hoà tan trong nước Dầu có tỷ trọng nhỏ hơn nước nên

dễ khuếch tán vào trong nước tạo nhũ tương dầu - nước Để tách loại dầu trong nước ta có các phương pháp như: phương pháp cơ học, phương pháp hoá lý, phương pháp sinh học, phương pháp hấp phụ và phương pháp hoá học

4.1 Phương pháp cơ học

Phương pháp cơ học áp đụng cho các vụ tràn dầu, chủ yếu tách các tiểu phân rắn kích thước lớn ra khỏi nguồn nước thải để loại bỏ các tạp chất tan trong nước, có ba phương pháp chính:

+ Phương pháp dùng m áy hút

+ Phương pháp dùng phao ngăn dầu

+ Phương pháp cơ học dùng thiết bị tuyển nổi

4.2 Phương pháp hoá lý

M ột trong phương pháp hoá lý dùng để tách loại dầu trong nước tồn tại dưới dạng nhũ tương là phương pháp dùng chất đông tụ Các chất đông tụ thường dùng A12(S 0 4)3, N aA 102, A l2(O H )5Cl, KA1(S04)2, F e S 0 4v.v chất đông tụ được dùng nhiều nhất là A12(S 0 4)3 và F e S 0 4.Al2(S 0 4)3 tạo kết tủa gel A l(O H )3 khi hoà tan vào nước

A12(S 0 4)3 + 3Ca(HC03)2 = 2A1(0H )3 + 3C aS04 + 6 C 0 2T (1)

Phản ứng (1) xảy ra tốt nhất với pH trong khoảng 5 - 7,5 Nếu dùng F eS 0 4 thì pH trong khoảng 8 - 9 Các chất đông tụ này phá huỷ chất gây nhũ tương khi

:rung hoà hoặc thay đổi điện tích hạt keo làm cho A l(O H )3 hấp phụ các hạt huyền

phù hay dầu mỏ rồi lắng xuống

Khi keo tụ các tạp chất trong nước thải, màu sắc, mùi vị, độ đục, các chất luyền phù trong đó giảm xuống

4.3 Phương pháp hoá học.

Phương pháp này áp dụng cho xử lý dầu ngoài khơi, đặc biệt khi việc thu ịom không thực hiện được nữa, sự phân huỷ tự nhiên xảy ra không triệt để Đối với dầu tồn tại dưới dạng nhũ tương hay dầu loang sẽ có những hoá chất khác nhau

4.3.1 Xi'( ỉỷ dầu dưới dạng nhũ tương

Một số hoá chất được sử dụng:

+ Hoá chất hấp phụ Sanol adsorbents, Float adsoab

+ Hoá chất khuếch tán : AB 2000 của hãng NEOS

+ Hoá chất tạo kết tủa hay hoá chất nhấn chìm

+ Hoá chất phá nhũ tương

Các loại hoá chất này đều chung mục đích giảm thiểu sự ô nhiễm môi rường, bảo vệ sự sống cho sinh vật biển, hạn chế sự mất cân bằng sinh thái

i.3.2 Xử ỉý dầu loang.

M ục đích xử lý dầu loang: Gia tăng tốc độ phân huỷ dầu, đề phòng thiệt lại cho các loài chim, ngãn ngừa sự cấu thành khối hắc ín, đề phòng dính dầu và

ịẫy bẩn cho tài nguyên cũng như sự sống dưới biển khi nước thuỷ triều lên.

Thành phần then chốt của chất xử lý dầu loang là các chất hoạt động bề nặt Cấu trúc phân tử của chất này chứa một đầu ưa dầu, một đầu ưa nước Ngay

ứìi chất xử lý được trộn với váng dầu, các phân tử của nó sẽ được sắp xếp trên

)ề mặt phân cách dầu - nước, làm giảm sức căng bề mạt dầu - nước, tạo điều kiện

hình thành giọt dầu nhỏ tan lẫn trong nước biển với diện tích bề mạt tổng cộng lớn hơn nhiều so với bề m ặt dầu loang, sau đó vết dầu loang được phân tán Hiện nay có hai loại hoá chất chính được sử dụng, đó là:

+ H ydrocacbon hoặc chất xử lý gốc hydrocacbon hoà tan có chứa từ 15 - 25% chất hoạt động bề mặt

+ Các chất xử lý cô đặc trong hỗn hợp tự nhiên với dung môi alcol hoặc glycol có nồng độ chất hoạt động bề mật cao Các chất này có thể hoà tan với nước biển Sử dụng các hoá chất này còn có tác dụng làm sạch dầu trên đá, vách biển và các kiến tạo khác

Một số chất xử lý đang được sử dụng phổ biến và có hiệu quả cao, đó là :

+ Shell Dispersant Concentrate : Hoá chất xử lý đặc của Shell ở dạng lỏng có thể bị phân huỷ do các quá trinh sinh học, ít độc hại Hoá chất này làm tan dầu khi pha loãng với nước Khi sử dụng hoá chất này tránh để dính vào mắt hoặc tiếp xúc lâu dài với da hay bị nuốt phải

+ C oưoxit 9527 : Chất làm tan dầu đậm đặc, sản phẩm của công ty Exxon đã góp phần không nhỏ vào xử lý nhiều vụ tràn dầu Sản phẩm này hoà tan được cả trong nước sạch, dung môi hydrocacbon nhưng hoà tan không hoàn toàn trong nước muối Chú ý phải sử dụng hoá chất Corroxit 9527 với dầu đang nổi trên mặt nước, không có nước bao trên bề mặt dầu

M ột số nhà khoa học cho rằng tại những bãi biển trước đây bị ảnh hưởng của dầu loang sẽ phục hồi nhanh hom những khu vực chưa từng bị ảnh hưởng Lý

do chủ yếu là dầu trên các bãi biển được phân huỷ chủ yếu nhờ các vi khuẩn, chứ

diông phải là nhờ các quá trình phi sinh học Những vụ dầu loang như vậy cũng

;húc đẩy sự thay đổi tập tính của các loài vi sinh vật, khiến chúng thích nghi với việc phá huỷ những chuỗi hydrocacbon còn lại sau khi những phân tử nhỏ trong iầu thô đã bay hơi

Qua nghiên cứu, người ta thấy hai nhóm vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng

:ùng tham gia quá trình phân giải các chất gây ô nhiễm N hóm vi sinh vật dị ỉưỡng gồm vi sinh vật hiếu khí, yếm khí và vi sinh vật tuỳ nghi Các vi sinh vật liếu khí và vi sinh vật yếm khí được sử dụng phổ biến hơn

- Quá trình phân huỷ hiếu khí bằng vi sinh vật: Quá trình này sử dụng các vi sinh vật cần ôxy để thực hiện quá trình trao đổi chất Các vi sinh vật này có thể thực hiện quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ đến sản phẩm là C 0 2 và

h2o

- Quá trình phân huỷ kị khí : Quá trình này sử dụng các vi sinh vật thực hiện quá trình phân giải các chất bẩn hữu cơ trong điều kiện thiếu hoặc không có oxy

4 4 Ỉ Các giai đoạn của quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học.

Quá trình xử lý nước ồ nhiễm này gồm 3 giai đoạn:

+ G iai đ o ạn 1: K huếch tán chuyển chất từ nước thải tới bề mặt các tế bào

vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử

+ G iai đ o ạn 2: Chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào được khuếch tán và hấp thụ trong tế bào vi sinh vật do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế

+ G iai đ o ạ n 3: Quá trình chuyển hoá các chất được khuếch tán và hấp thụ trong tế bào vi sinh vật thành năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào

Các giai đoạn nói trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình

;huyển hoá các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải

Các hợp chất hoá học trải qua nhiều phản ứng chuyển hoá khác nhau trong Iguyên sinh chất của tế bào Phương trình tổng quát của quá trình oxy hoá sinh loá ở điều kiện hiếu khí có dạng như sau :

QHyOjN + (x + y/4 - z/2 - 3/4)02 - Men vi sinh ► xC 02 + (y - 3)/2 H20 + NH3 +AH (2)

C xH y0 2N + NH3+ 0 2 -M en — sinh » C5H7N 0 2 + C 0 2 + a h (3)

Trong phản ứng trên CxH yOzN là tất cả các chất hữu cơ của nước thải còn

Z!5H7N 0 2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi

;inh vật, AH là năng lượng

Phản ứng (2) là phản ứng ôxy hoá các chất hữu cơ đáp ứng nhu cầu năng ượng của tế bào, còn phản ứng (3) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào

^ượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải

Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá, khi không đủ chất dinh dưỡng,

\uả trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hoá các vật liệu

ế bào (tự oxy hoá)

M en vi sinhC5H7N 02 + 0 2 - — ► 5C02 + NH3 + 2H20 + a H (4)

Men vi sinh

í.4.2 Dinh dưỡng của vi sinh vật.

ỊỊhất dinh dưỡng chứa cacbon

Prôtêin, axit nuclêic, hợp chất hữu cơ khác là hợp chất xây dựng lên cơ thể

ỉi sinh vật đều là hợp chất cacbon Tuỳ thuộc nồng độ trong m ôi trường mà một

ìợp chất cacbon vừa là chất dinh dưỡng vừa là chất ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh

J iấ t dinh dưỡng chứa nitơ

Các chất dinh dưỡng chứa nitơ cung cấp cho vi sinh vật để tạo thành nhóm imin (NH-2), nhóm imin (-NH-), phân tử axit amin, các nucleotit, pirimidin, ìhiều vitamin trong một số hợp chất của nguyên sinh chất

N guồn nitơ để hấp thụ đối với vi sinh vật: N H 3, N H 4+ M ột số anion dễ làm :hua môi trường sinh lý, urê là nguồn thức ăn nitơ trung tính

Chất dinh dưỡng khoáng.

Chất khoáng làm vi sinh vật phát triển, sinh trưởng, sinh sản Nồng độ chất khoáng là khác nhau đối với các loại vi sinh vật: p, K, Mg : 0,2 - 0,5 mg/1; nguyên tố vi lượng Mo, Cu, Co: 0,1 - 0,001 mg/1 Các nguyên tố khoáng trong tế

bào có chức năng chủ yếu là tăng cường hoạt hoá các loại men khác nhau.

Chất sinh trưởng

Các chất sinh trưởng : Vitamin, axit amin, purin, pirim idin và các dẫn xuất của chúng rất cần cho tất cả các loại vi sinh vật Các chất sinh trưởng trong thành phần của men thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Mỗi loại vi sinh vật cần một loại chất sinh trưởng khác nhau

4.4.3 M ô hình b ể lọc sinh học.

Bể loc sinh hoc

Quá trình xử lý diễn ra khi cho nước ô nhiễm tưới lên bề mặt của bể và thấm qua lớp vật liệu lọc ở lớp bề mặt của vật liệu lọc và khe hở giữa chúng, các cận bẩn được giữ lại, tạo thành màng gọi là màng vi sinh Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các chất bẩn hữu cơ thâm nhập vào bể cùng nước ô nhiễm khi đưa vào, hoặc qua khe hở thành bể, hoặc qua hệ thống tiêu nước từ đáy đi lên

Vật liệu lọc: Có thể là than hoạt tính, đá dăm, cuội Trong đó than hoạt tính được sử dụng khá phổ biến Than hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt và khả năng xúc tác làm tăng sinh khối Vai trò xúc tác dựa vào các lỗ, rãnh, lỗ hổng, cấu trúc ba chiều của cacbon Khả năng xúc tác thể hiện ở khả nãng chuyển hoá hợp chất Peoxit hữu cơ, các loại chất độc hại đối với vi sinh vật Các chất gây ô nhiễm keo tụ do hấp phụ trên than hoạt tính tạo màng bám tốt cho các vi sinh vật Các vi sinh vật này sẽ ôxy hoá các chất gây ô nhiễm hấp phụ trên than hoạt tính,

io đó chúng sẽ tái tạo lại bề m ặt cacbon (than hoạt tính)

Bể lọc sinh học có hai loại:

Loại 1: Bể lọc sinh học nhỏ giọt: Dùng để xử lý sinh hoá nước thải hoàn

oàn với hàm lượng BOD của nước sau xử lý đạt 15mg/l, hiệu suất có thể đạt 90% theo BOD)

L oại 2: Bể lọc sinh học cao tải: Bể này có chiều cao công tác và tải trọng

tưới nước cao hơn bể nhỏ giọt Kích thước hạt vật liệu từ 40 - 60m m nên giữa các hạt có khe hở lớn Điều kiện bể lọc sinh học cao tải là nước thải phải xử lý sơ bộ

trước khi lên bể, nồng độ nước nhiễm bẩn không vượt quá 200m g/l (theo BOD)

Ưu điểm bể lọc sinh học: Cấu tạo đơn giản, quản lý thuận tiện, thích hợp với nơi có nhiệt độ không khí cao, trình độ công nghiệp chưa phát triển, ở Việt Nam, khí hậu nhiệt đới, nền công nghiệp phát triển chưa cao thì áp dụng bể lọc sinh học để xử lý nước ô nhiễm có điều kiện phát triển thuận lợi

Khi tiến hành xử lý bậc ba nước nhiễm dầu bằng cacbon hoạt tính có lófp màng vi sinh, người ta nhận thấy rằng cacbon có lớp màng vi sinh có khả năng loại bỏ chất hữu cơ gấp 2,6 lần khả năng loại bỏ chất hữu cơ của chính cacbon

Bể Aeroten

Nguyên lý làm việc của bể A eroten 2 bậc:

Quá trình ôxy hoá các chất bẩn hữu cơ trong bể được thực hiện qua từng giai đoạn ở mỗi bậc riêng biệt

Bậc 1: Quá trình bùn hoạt tính hấp phụ chất hữu cơ, ôxy hoá một phần chất dễ bị ôxy hoá (chủ yếu là chất chứa cacbon) Hiệu quả xử lý 50% - 70%.Sau đó quá trình xảy ra ở bề mặt bể Aeroten

Bậc 2: Nước thải được làm sạch hoàn toàn Trước khi nước thải được xả ra ngoài, chúng được dẫn qua bể lắng

Đặc điểm của phương pháp này là ở mỗi bể sẽ có các loại vi sinh vật đặc biệt thích ứng với điều kiện nhất định và làm cho hiệu suất cao hơn

Phương pháp xử lý này áp dụng cho nước thải có nồng độ cao, đặc biệt là nước thải công nghiệp

O xyten:

Công trình xử lý O xyten có hiệu quả cao, dùng để xử lý nước ô nhiễm bằng phương pháp sinh học tăng cường với việc sử dụng oxy kỹ thuật và bùn hoạt tính đậm đặc Thiết bị luôn có vùng làm thoáng nên luôn giữ nồng độ oxy hoà tan ở lớp nước trên cùng N hờ đó tốc độ oxy hoá chất hữu cơ tăng lên Do lượng

oxy hoà tan tới mức bão hoà trong nước, bùn ở vùng lắng tiếp tục oxy hoá các chất nhiễm bẩn hữu cơ còn lại.

- Tuỳ thuộc lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ta có hấp phụvật lý hay hấp phụ hoá học

4.5.1 C h ế tạo chất hấp phụ.

Để chế tạo các chất hấp phụ có độ khuếch tán cao, diện tích bề mặt lớn, người ta có thể đùng các phương pháp sau: loại trừ, kết tụ, kết tinh thuỷ nhiệt, phân huỷ nhiệt

Phương pháp loại trừ: Sử dụng các biện pháp hoá học hay vật lý để loại

bớt một phần khối chất rắn Phần chất bị loại khỏi vị trí ban đầu sẽ để lại chỗ trống, tạo độ xốp cho vật liệu hấp phụ

Phương pháp kết tụ: Tạo ra một cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước nhỏ

Bằng các tác nhân vật lý, hoá học làm cho chúng co cụm, liên kết với nhau Khi sấy khô khoảng cách giữa chúng giảm đi tãng độ bền liên kết giữa các hạt Diện tích bề mật của vật liệu chính là tổng diện tích của các hạt nhỏ

Kết tinh thuỷ nhiệt: Từ một khối phản ứng vô định hình ban dầu dùng

nhiệt để ủ và các tinh thể hình thành trong chất lỏng Cấu trúc vật liệu tinh thể có

độ xốp và diện tích do bản chất của nó quyết định

Phân huỷ n h iệt: Tác nhân chính là dùng nhiệt Nó được phân làm hai

trường hợp là có và không dùng thêm tác nhân phân huỷ Sản phẩm của quá trình

là các chất bay hơi Nếu trong nguyên liệu có sinh ra các chất bay hơi thì không cần bổ sung các chất phân huỷ, ví dụ dehyđrat nhôm hydroxit thành nhôm oxit,

' 'Vị 7h ;

Các vật liệu hấp phụ tổng hợp thường được sử dụng: khoáng bentonit, khoáng diatomit, than hoạt tính, silicagel, zeolit, chất hấp phụ dạng polyme v.v các chất hấp phụ này tương đối có hiệu quả, có thể sử dụng một hoặc một số lần Bên cạnh đó các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên cũng được sử dụng rộng rãi như xơ dừa, mùn cưa, vỏ trấu và bã mía v.v

Mía là cây trồng theo rãnh, thường từ tháng 10 đến tháng 12 hàng năm Là cây rễ chùm, thân mía gồm nhiều lóng và đốt hợp thành, sắp xếp lại thành đường thẳng hoặc hơi gấp khúc Thân mía màu vàng, đỏ sẫm, màu tím tuỳ loài Thành phần của cây mía gồm axit có chứa nitơ và không chứa nitơ, hợp chất hữu cơ cao phân tử (chất xơ, bán xơ, chất keo, chất nhựa, tinh bột, chất béo, chất sáp mía) Khi cắt ngang cây mía dùng kính phóng to mật ngoài có lớp biểu bì, bên trong là chùm ống xơ lớn nhỏ và tế bào mềm Lớp vỏ tổ chức đặc, chất gổ nhiều Chùm

xơ ống lớn nhỏ đều dạng sợi, dùng để vận chuyển chất dinh dưỡng cho cây sinh trưởng Lớp gần vỏ bố trí dày đặc Bộ phận tế bào mềm bọc bên ngoài chùm ống

xơ, nơi chứa đựng thành phần đường Màng của chùm xơ và tế bào mềm có tính đàn h ồ i

Bước 1: Tách dầu và các sản phẩm dầu ra khỏi nước

Bước 2: Xác định dầu và sản phẩm dầu

2 Nghiên cứu khả năng xử lý nước nhiễm dầu bằng vật liệu hấp phụ (VLHP) chê tạo từ bèo tây

3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước nhiễm dầu bằng VLHP chê tạo từ bã mía

4 Nghiên cứu khả năng xử lý nước nhiễm dầu bằng VLHP chê tạo từ mùn

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG x ử LÝ NƯỚC NHIÊM DẦư BẰNG VLHP CHẾ TẠO

T ừ BÈO TÂY

1.1 Chế tạo VLHP từ bèo tây

l ỉ ỉ C h ế tạo vật liệu từ nguyên liệu ban đầu là bèo tây, VLHP-BTỈ

Nguồn nguyên liệu chính của VLHP1 là bèo tây Thân bèo tây sau khi được rửa sạch, đem cắt nhỏ, sấy khô ở 80°c trong vòng 1 giờ Nâng nhiệt độ lên 110°c sấy tiếp trong 3 giờ Sau đó đùng dung dịch HC1 có nồng độ 0,1 M để ngâm bèo trong khoảng 30 phút Rửa sạch bèo bằng nước tới môi trường trung tính sau đó được sấy trở lại ở 110°c cho đến khối lượng không đổi được VLHP1

1.1.2 Chê tạo vật liệu từ nguyên liệu ban đầu là bèo tây và khoáng diatomit VLHP-BT2 với tỷ ỉệ 1:3 về khối lượng

VLHP-BT2 được chế tạo từ 2 nguồn nguyên liệu chính là bèo tây và khoáng diatomit Khoáng diatomit được sấy khô, nghiền mịn, hoà tan trong nước, lọc cơ học qua rây có kích thước 0,1 mm Dung dịch huyền phù để lắng trong 10 giờ, lọc gạn kết tủa, đem sấy khô được bột diatomit Xử lý bột diatomit với dung dịch H2S 0 4 24% trong 48 giờ, sau đó lọc gạn, rửa bột khoáng bằng nước cất đến

pH không đổi, được bột diatomit đã biến tính Sấy khô bột diatomit ở 110-120°c trong 2 giờ và bảo quản trong bình hút ẩm cho đến khi đưa ra nghiên cứu Bèo tây cũng được xử lý như VLHP-BT1 Sau đó được nghiền mịn bằng máy xay chuyên dụng

Trộn bột bột diatomit đã biến tính trên và bèo tây với tỷ lệ 3:1 về khối lượng cùng với chất kết dính là mật mía có tỷ lệ 10% về khối lượng, sau đó tạo dạng viên có đường kính khoảng 2 mm rồi nung khoảng lgiờ ở 200°c, sau đó nung tiếp ở 600°c trong vòng 4 giờ

1.2 Chuẩn bị hệ nhũ tương dầu-nước

Cân 562,3 (mg) dầu FO trên cân phân tích, sau đó cho vào cốc cùng với llít nước cất Dung dịch này được khuấy mạnh trong 2 giờ Thu được hệ nhũ tương dầu-nước dùng làm đối tượng khảo sát

1.3 Tiến hành xử lý bằng VLHP-BT1

VLHP-BT1 được trương nở trong nước cất 12 giờ trước khi nhồi vào cột hấp phụ hình trụ có đường kính 2 cm, chiều cao 40 cm Cột được nhồi 140 cm3

vật liệu hấp phụ và được giữ đầy nước trước khi sử dụng để tránh sự hấp phụ

không khí Thể tích vật liệu nhồi vào cột là một đơn vị thể tích cơ sở (bed

volume), tốc độ -dòng thể tích qua cột là 1/6 bed volume trong 1 phút Qua tham khảo tài liệu thấy rằng tốc độ này là phù hợp và được duy trì cho các quá trình tách loại về sau

Tiến hành dội 7 lít nhũ tương dầu- nước có hàm lượng dầu 562,3 (mg/1) qua cột chứa VLHP-BT1 Kết quả phân tích hàm lượng dầu còn lại trong nước sau khi đã xử lý được trình bày ở bảng 2

Bảng 2 Hàm lượng dầu còn lại sau khi dội qua cột chứa VLHP -BT1

Từ các kết quả thu được có thể thấy rằng VLHP-BT1 tỏ ra có hiệu quả tốt

Từ hàm lượng dầu ban đầu là 562,3 mg/lít sau khi đã xử lý đã giảm xuống còn dưới 90 mgAít, đạt hiệu quả tách loại cao hơn 84% Như vậy lg VLHP-BT1 có thể hấp phụ hơn 300 mg dầu

1.4 Tiến hành xử lý bằng VLHP-BT2

Tiến hành dội qua cột nhồi VLHP-BT2 nhũ tương dầu- nước với nồng độ562,3 (mg/1) Sau đó thực hiện phân tích hàm lượng dầu còn lại đối với mỗi lít nước đã được xử lý Kết qủa phân tích được trình bày ở bảng 3 và hình 2

Bảng 3 Hàm lượng dầu còn lại sau khi dội qua cột chứa VLHP-BT2

Thể tích (lít) Hàm lượng dầu còn lại (mg/1) Phần tram dầu đa xử lý được (%)

Thể tích (lít) Hàm lượng dầu còn lại (mg/1) Phần trăm dầu đã xử lý được (%)

lượng lớn các tâm hoạt động bao gồm các vi tinh thể cacbon, song khả năng hấp

phụ dầu của VLHP-BT2 này chỉ đạt cỡ 50 %- Đồng thời xét về khả năng hấp phụ

thì lg VLHP-BT2 chỉ hấp phụ được hơn 200 mg dầu Như vậy so với VLHP-BT1 thì VLHP-BT2 có hiệu quả xử lý thấp hơn Tuy nhiên do độ bền cơ học cao của loại vật liệu này mà nó có thể được sử dụng rất tốt cho qui trình xử lý bằng phương pháp hấp phụ động (Continuous Flow Sorption)

1.5 Quá trình xử lý dầu với sự kết hợp của VLHP-BT1 và chất tạo bông sa lắng FeCl3

Thêm 5 mg F e ơ 3 vào nhũ tương dầu-nước có hàm lượng dầu là 562,3 mg/lít, khuấy đều trong vài phút Nhũ tương dầu-nước cùng với chất tạo bông sa lắng FeCl3 sẽ được đội qua cột chứa VLHP-BTl.Tiến hành xác định hàm lượng dầu đối với mỗi lít nước đã qua xử lý Kết quả phân tích trình bày ở bảng 4 và hình 3

Bảng 4 Hàm lượng dầu còn lại sau khi dội qua cột chứa VLHP-BT1 kết hợp với

sử dụng chất tạo bông sa lắng FeCl3

Thể tích (1) Hàm lượng dầu còn lại (mg/1) Phần trăm dầu đã xử lý được (%)

Hàm lượng dầu còn lại sau khi xử lý bằng VLHP 1 kết hợp với chất tạo bông sa lắng FeC13

7

V f l )

Hình 3 Đồ thị biểu diễn hàm lượng dầu còn lại sau khi dội qua cột chứa

VLHP-BT1 kết hợp với sử dụng chất tạo bông sa lắng FeCl3

Khả nãng hấp phụ của VLHP-BT1 khi kết hợp sử dụng chất tạo bông sa lắng FeCl3 tăng lên rất nhiều Điều này được giải thích do chất keo tụ FeCl3 trong nước bị thuỷ phân tạo dung dịch keo hydroxit sắt Những hạt nhũ tương dầu lơ lửng trong nước khi va chạm với bông kết tủa Fe(OH)3 sẽ bị hấp phụ vào cấu trúc không gian mạng lưới của kết tủa Hiệu quả xử lý dầu đạt tới 99%

1.6 Sử dụng VLHP-BT1 trong việc tách loại dầu ra khỏi nước thải của nhà máy đóng tàu Bạch Đằng - Hải Phòng.

Mẫu nước thải được lấy từ cống thải của nhà máy theo phương pháp lấy mẫu đơn lẻ Bằng phương pháp phân tích khối lượng chúng tôi đã tiến hành xác định mức độ ô nhiễm dầu trong nguồn nước ở nhà máy đóng tàu Bạch Đằng- Hải Phòng với hàm lượng là 540,5 mg/lít

Tiến hành xử lý bằng cách dội qua cột chứa VLHP-BT1 nước thải của nhà máy đóng tàu Bạch Đằng- Hải Phòng Kết quả phân tích hàm lượng dầu còn lại sau mỗi lít dung dịch đã xử lý được trình bày ở bảng 5 và hĩnh 4

Bảng 5 Hàm lượng dầu còn lại sau khi dội qua cột chứa VLHP - BT1

Thể tích (1) Hàm lượng dầu còn lại (mg/1) Phần trăm dầu đã xử lý được (%)

Từ các kết quả thí nghiệm ở trên có thể rút ra một số kết luận sau:

Các VLHP chế tạo từ các nguồn nguyên liệu ban đầu là bèo tây, khoáng sét diatomit và đất sét trắng có khả năng xử lý cao, hiệu quả tách loại dầu đạt đến 85% Đặc biệt đối với các VLHP được chế tạo trên cơ sở bèo tây và các khoáng sét có độ bền cơ lý cao, phù hợp với mô hình hấp phụ động trên cột, khả năng xử lý tương đối tốt nên dễ dàng được ứng dụng trong thực tế xử lý theo phương pháp liên tục

2 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG x ử LÝ NƯỚC NHIEM d âu b a n g v ậ t l iệ u h ấ pPHỤ CHẾ TẠO T ừ BÃ MÍA

2.1 Chê tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía

Bã mía sau khi được rửa sạch, cắt nhỏ và cho vào nước đun sôi trong 30 phút, tiếp đó rửa sạch và đem nghiền nhỏ bằng máy xay chuyên dụng, đem sấy khô ở nhiệt độ 110°c trong 3 giờ, sau đó đem rây thu được nguyên liệu đầu gồm các hạt có kích thước lm m Cân 15 g nguyên liệu đầu cho vào cốc có chứa dung dịch axit clohydric nồng độ 0.1M và khuấy nhẹ trong 40 phút Rửa sạch axit đến môi trường trung tính sau đó đem sấy khô ở nhệt độ 110°c đến khối lượng không đổi thu được vật liệu hấp phụ 1 (VLHP-BM1)

Làm theo quy trình hoàn toàn tương tự nhưng xử lý bằng dung dịch axit clohidric có nồng độ khác nhau 0.25M, 0.5M, 0.75M thu được VLHP-BM2, VLHP-BM3 và VLHP-BM4

2.2 Chuẩn bị hệ nhũ tương dầu nước

Cân 510 mg dầu thô Bạch Hổ đã loại cặn, cho vào 1 lít nước cất và khuấy mạnh trong 2 giờ tại nhiệt độ phòng thu được nhũ tương dầu nước có hàm lượng

510 mg/1 và được sử đụng trong quá trình khảo sát

2.3 Xử lý nhũ tương dầu-nước bằng phương pháp khuấy.

Cho một lg polyacrylamit vào nhũ tương dầu-nước hàm lượng dầu 510mg/l, khuấy đều trong vài phút Cân lg mỗi loại VLHP vào 4 cốc chứa 100ml nhũ tương dầu nước trên, khuấy trong 30 phút, sau đó lọc lấy phần dịch lọc và xác định hàm lượng dầu còn lại Hàm lượng dầu sau khi được xử lý bằng các VLHP trong điều kiện tĩnh đã giảm từ 510mg/l xuống còn 70,2mgA đối với