nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa ca(oh)2 để xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản

... tài Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa Ca(OH)2 để xử lý nƣớc thải nhà máy chế biến thủy sản thực Mục tiêu đề tài: Loại bỏ lân khỏi nước vật liệu có chứa canxi hidroxit (Ca(OH)2) để ứng dụng. .. phosphate vật liệu 22 Bảng 4.3 Các dạng lân trước sau xử lý vật liệu 34 vii TÓM LƢỢC Đề tài Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa Ca(OH)2 để xử lý lân nước thải nhà máy chế thủy sản thực... (QCVN 40:2011/BTNMT loại A)) để áp dụng cho hệ thống xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản Vật liệu thí nghiệm với nước thải nhà máy chế biến thủy sản cho kết xử lý cao khả hấp phụ tốt (đạt

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NGUYỄN VĂN HÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CÓ CHỨA

i

PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG

Luận văn tốt nghiệp kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa Ca(OH) 2 để xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản”, do Nguyễn

Văn Hài thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013

Thành viên của hội đồng:

ii

LỜI CẢM TẠ

Tôi xin chân thành cảm ơn:

Quý thầy cô bộ môn Khoa học Môi trường đã tạo điều kiện, truyền đạt những kiến thức quý báu để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Quý thầy cô trong hội đồng phản biện đã đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thành quyển luận văn này

Thầy Lê Anh Kha đã quan tâm, hướng dẫn tận tình trong suốt khóa luận văn để tôi thực hiện tốt đề tài của mình

Các bạn Nguyễn Thị Thu An, Hồ Ngọc Hiền và Lê Thị Mỹ Trinh đã giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Gia đình, các bạn lớp Khoa học Môi trường 36 đã động viên, giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Con xin dâng thành quả này đến ba mẹ kính yêu!

Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013

Người thực hiện

Nguyễn Văn Hài

iii

MỤC LỤC

PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG i

LỜI CẢM TẠ ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH vi

DANH SÁCH BẢNG vii

TÓM LƯỢC viii

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 Hiện tượng phú dưỡng hóa 3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Nguyên nhân 3

2.1.3 Hiện tượng và tác hại của phú dưỡng hóa 4

2.2 Sơ lược về đất sét 4

2.3 Sơ lược về canxi hidroxit (Ca(OH)2) 5

2.2.1 Tính chất vật lý 5

2.2.2 Tính chất hóa học 5

2.2.3 Ứng dụng của canxi hidroxit 5

2.4 Hợp chất của lân trong nước 6

2.5 Chu trình phosphorus trong tự nhiên 7

2.6 Sơ lược về biện pháp xử lý nước 7

2.5.1 Trao đổi ion 7

2.5.2 Lọc 8

2.5.3 Hấp phụ 8

iv

2.7 Một số vật liệu được sử dụng để loại bỏ lân 9

2.8 Một số nghiên cứu về vật liệu tự chế có khả năng hấp phụ lân 10

2.9 Một số thông số lý, hóa trong nước và nước thải 11

2.8.1 Nhiệt độ 11

2.8.2 pH 11

CHƯƠNG III VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 13

3.2 Vật liệu và phương tiện thí nghiệm 13

3.2.1 Vật liệu 13

3.2.2 Phương tiện thí nghiệm 13

3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 13

3.3.1 Tạo vật liệu chứa Ca(OH)2 có khả năng hấp phụ lân trong nước 13

3.3.2 Thí nghiệm khảo sát định tính khả năng hấp phụ lân của vật liệu trong nước 14

3.3.3 Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu trong nước 16

3.3.4 Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu bằng nước thải nhà máy chế biến thủy sản 18

3.4 Phương pháp thu và bảo quản mẫu 18

3.5 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 19

3.4.1 Phương pháp phân tích 19

3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu 19

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

4.1 Thí nghiệm khảo sát định tính khả năng hấp phụ lân của vật liệu trong nước 20

v

4.2 Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu trong

nước 24

4.3 Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu bằng nước thải nhà máy chế biến thủy sản 31

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

5.1 Kết luận 34

5.2 Kiến nghị 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

vi

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ chu trình phosphate 8

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm bằng hệ thống cột lọc 18

Hình 4.1 Nồng độ P_PO43- còn lại sau 30 phút 20

Hình 4.2 Khả năng phóng thích P_ PO43- của vật liệu 23

Hình 4.3 Khả năng hấp phụ photphate của 5 gam vật liệu sau 180 phút 24

Hình 4.4 Thời gian hấp phụ tối ưu của 10 gam vật liệu hạt 26

Hình 4.5 Biến động nồng độ P-PO43- và pH sau 7,5 giờ khi xử lý qua hệ thống cột lọc (V = 4,03 lít/giờ) 27

Hình 4.6 Biến động nhiệt độ theo thời gian ở lưu tốc V = 4.03 lít/giờ 28

Hình 4.7 Biến động nồng độ P-PO43- và pH sau 7,5 giờ khi xử lý qua hệ thống cột lọc (V = 2,89 lít/giờ) 29

Hình 4.8 Biến động nhiệt độ theo thời gian ở lưu tốc V = 2.89 lít/giờ 30

Hình 4.9 Biến động nồng độ P-PO43- và pH sau 7,5 giờ khi xử lý qua hệ thống cột lọc (V = 2,31 lít/giờ) 31

Hình 4.10 Biến động nhiệt độ theo thời gian ở lưu tốc V = 2.31 lít/giờ 33

Hình 4.11 Kết quả xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản ở lưu tốc V = 2,89 lít/giờ 33

Hình 4.13 Các dạng photphat sau khi xử lý 34

vii

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 1 15

Bảng 3.2 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 2 15

Bảng 3.3 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 3 16

Bảng 3.4 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 4 16

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích trong thí nghiệm 19

Bảng 4.1 Sự phóng thích phosphate của vật liệu 22

Bảng 4.3 Các dạng lân trước và sau khi xử lý bằng vật liệu 34

viii

TÓM LƢỢC

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa Ca(OH)2 để xử lý lân trong nước thải nhà máy chế thủy sản” được thực hiện tại Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên từ 9/2012 đến tháng 12/2013 nhằm nghiên cứu khả năng hấp phụ lân trong nước của vật liệu chứa Ca(OH)2

Kết quả thí nghiệm chọn được vật liệu phối trộn giữa đất sét và Ca(OH)2 theo tỷ

lệ 1:1 cho khả năng hấp phụ tốt đạt hiệu suất xử lý 91,40%, đảm bảo yêu cầu đặt ra và vật liệu phóng thích photphate rất thấp và không đáng kể (0,11 ± 0,005mgP/L, sau 24 giờ)

Định lượng khả năng hấp phụ photphate tối đa của 1 gam vật liệu nghiền được 5,22 mgP/L trong 40 phút Thời gian xử lý tối ưu của 10 gam vật liệu hạt trong 1 phút

là 14,03 mgP/L tương ứng 1 gam vật liệu hạt xử lý được 1,40 mgP/L

Kết quả thí nghiệm với nước thải nhà máy chế biến thủy sản cho hiệu suất

xử lý cao và khả năng hấp phụ tốt hơn (đạt 85,60% hiệu suất xử lý, ở thời gian 330 phút so với quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT ở cột A)

Từ khóa: phú dưỡng hóa, xử lý nước thải, hấp phụ, vật liệu hấp phụ

1

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

Ngành chế biến thủy sản ở Việt Nam không ngừng phát triển với giá trị kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 4,5 tỷ USD năm 2008 tăng 20% so với năm 2007 (Báo cáo ngành thủy sản Việt Nam, 2009) Hiện nay, lượng nước thải sinh ra từ lĩnh vực chế biến thủy sản khá lớn, cụ thể như tổng lượng nước thải từ các Khu công nghiệp (KCN)

ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là 13.700 m3/ngày, trong đó Cần Thơ chiếm 11.300 m3/ngày (Bộ Tài nguyên và Môi Trường, 2009) Nhiều doanh nghiệp đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải, tuy nhiên việc vận hành hệ thống không hiệu quả đã dẫn đến tình trạng nước thải ra môi trường có một số chỉ tiêu vượt QCVN, đặc biệt là COD,

tổng đạm và tổng lân Theo nghiên cứu của Bùi Thị Nga và ctv (2008) cho thấy nước

thải tại KCN Trà Nóc có hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt QCVN từ 2-53 lần,chất hữu

cơ vượt từ 5 - 6 lần, coliform vượt từ 2 - 48 lần (QCVN 08:2008/BTNMT); điều này đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm nguồn nước trên các sông, rạch và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình nuôi trồng thủy sản, sinh hoạt của cộng đồng dân cư tại chỗ và lân cận

Tuy nhiên, hàm lượng đạm và lân là những dưỡng chất trong nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến sinh vật trong môi trường nước Hàm lượng đạm và lân cao trong môi trường nước làm điều kiện thuận lợi để phát triển các loại thực vật nước (như rong, lục bình, bèo v.v ) nhất là sự phát triển của tảo gây hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, làm suy giảm chất lượng nước, làm tăng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng ôxy trong nước, phóng thích ra những độc tố làm ảnh hưởng đến đời sống thuỷ sinh vật, tạo ra những khó khăn tốn kém cho các ngành kinh tế quốc dân, cần được nghiên cứu nhằm tìm biện pháp để khắc phục

Hiện nay, một số biện pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản chủ yếu chỉ loại bỏ được hàm lượng chất hữu cơ bằng cách oxi hóa sinh hóa nhưng hàm lượng nitơ và

photpho thì giảm chưa đáng kể ((Green and Shelef, 1994), Mitsuhori et al (2009) được

trích bởi Lê Anh Kha (2012)) Nên việc nghiên cứu loại bỏ lân trong nước thải nhà máy chế biến thủy sản trước khi thải ra môi trường bên ngoài là rất cần thiết

Để hạn chế phú dưỡng hóa nguồn nước, cải thiện chất lượng nguồn nước thải

trước khi đưa ra nguồn tiếp nhận, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có chứa Ca(OH) 2 để xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản” được thực hiện

Mục tiêu của đề tài: Loại bỏ lân ra khỏi nước bằng vật liệu có chứa canxi hidroxit (Ca(OH)2) để ứng dụng vào xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản ở quy

mô phòng thí nghiệm

2

Để đạt được mục tiêu trên cần tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Tạo vật liệu chứa Ca(OH)2 có khả năng hấp phụ lân trong nước

- Thí nghiệm khảo sát định tính khả năng hấp phụ lân của vật liệu

- Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu

- Thí nghiệm khảo sát định lượng khả năng hấp phụ lân của vật liệu bằng nước thải nhà máy chế biến thủy sản

3

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Hiện tượng phú dưỡng hóa

2.1.1 Khái niệm

Phú dưỡng với nghĩa tổng quát là "giàu dinh dưỡng" được Nauman đưa ra năm

1919 khi trình bày khái niệm về sạch và giàu dinh dưỡng Ông phân biệt: hồ sạch là hồ chứa ít tảo, thực vật lơ lửng; còn hồ phú dưỡng là hồ giàu thực vật trôi nổi

Phú dưỡng hoá được định nghĩa như là sự làm giàu nước quá mức bởi những chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn gốc thực vật Thông thường là các muối nitrat và phosphate Đây là dạng suy giảm chất lượng nước với hiện tượng nồng độ của chất dinh dưỡng tăng cao làm bùng phát các loại thực vật nước (rong, tảo…), tăng các chất lơ lửng chất hữu cơ, suy giảm oxy trong nước, gây khó khăn tốn kém cho sinh hoạt và sản xuất của người dân (Bùi Đức Tuấn, 2004)

2.1.2 Nguyên nhân

Nguyên nhân gây phú dưỡng là sự thâm nhập một lượng lớn N, P từ nước thải sinh hoạt của các khu dân cư, sự đóng kín và thiếu đầu ra của môi trường hồ Sự phú dưỡng nước hồ và các sông, kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành hiện tượng

phổ biến ở hầu hết các nước trên thế giới

Nguyên nhân của sự phú dưỡng được giải thích như sau: Nước không bị ô nhiễm thường có tỉ lệ N/P<10 Cống dẫn nước thải vào hồ sẽ làm giảm tỷ lệ trên vì N/P trong nước thải là 3 (nước thải đô thị 30mg/l.N; 10 mg/l.P) Do vậy nếu trồng tảo để hạn chế phú dưỡng sẽ càng làm cho tỷ lệ N/P giảm đi Khi viết cân bằng vật chất cho N và P sẽ thấy phương thức tốt nhất để chống phú dưỡng là loại bỏ P từ nước thải chứ không phải trồng tảo để loại bỏ N

Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2005) được trích dẫn bởi Lê Anh Kha (2012) đã phân biệt rõ nguồn gốc của hiện tượng phú dưỡng hoá như sau:

Phú dưỡng tự nhiên có thể xảy ra trong môi trường nước được gọi là khá sạch Phần lớn các trầm tích hữu cơ được tạo ra do quá trình tích luỹ chất dinh dưỡng trong nước ở trạng thái nghèo dinh dưỡng chuyển sang trạng thái giàu dinh dưỡng và thời gian để xuất hiện hiện tượng này là rất lâu

Phú dưỡng do nhân tạo là hiện tượng phát triển quá mạnh bởi tảo, rong và thực vật thuỷ sinh do hoạt động sống của con người gây ra Trong quá trình sinh hoạt và sản xuất con người đã đưa vào môi trường quá nhiều chất hữu cơ gây hiện tượng bùng phát tảo và thực vật thuỷ sinh

4

2.1.3 Hiện tƣợng và tác hại của phú dƣỡng hóa

Biểu hiện phú dưỡng thường được nhận biết qua màu sắc nước ao do mật độ của tảo Nồng độ diệp lục trong nước thường được lấy làm chỉ số sinh khối của tảo Đối với

hồ nghèo dinh dưỡng thì nồng độ diệp lục trong nước thường được lấy trung bình vào mùa hè ở lớp nước bề mặt khoảng 0,3-2,5 mg/cm3 trong khi đối với hồ phú dưỡng hoá chỉ số đó là 5-140 mg/cm3 Sự phú dưỡng hoá cũng ảnh hưởng đến tốc độ sinh sản cao cấp Tốc độ sinh sản trung bình là 30-100 mg C/m2 ngày và 300-3000 mg C/m2 ngày ở

hồ phú dưỡng hoá (Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết , 2005 được trích dẫn bởi Lê Anh Kha, 2012).

Khi nồng độ dinh dưỡng cao trong các ao hồ thì tốc độ sinh sản, sinh trưởng và mật độ tảo cao tạo thành những thảm thực vật bao phủ trên mặt nước sẽ làm hạn chế sự trao đổi oxy, quang hợp trong môi trường nước với không khí, cạn kiệt nguồn oxy có trong thuỷ vực, ảnh hưởng đến các loài thuỷ sinh trong thủy vực Đến giai đoạn phát triển cực đại, tảo sẽ chết đi, tích tụ dưới đáy thủy vực và nó là cơ chất cho vi sinh vật phân huỷ Phân hủy thiếu khí hay phân hủy hiếm khí, khi có oxy thì vi sinh vật sẽ lấy oxy để phân huỷ xác thực vật, làm giảm nguồn oxy trong thủy vực, đồng thời khi thiếu oxy chúng sẽ chuyển sang phân huỷ yếm khí và sinh ra khí độc (H2S) gây độc trong thủy vực ảnh hưởng đến các loài thủy sinh khác Trong quá trình phân huỷ xác bã của tảo tạo ra các chất dinh dưỡng mới, đây là điều kiện để cho tảo phát triển trở lại và chu trình được lập lại tuần hoàn

2.2 Sơ lƣợc về đất sét

Thành phần chính của đất sét là các khoáng alumosilicat ngậm nước (nAl2O3.mSiO2.pH2O) chúng được tạo thành do fenspat bị phong hóa Tùy theo điều kiện của từng môi trường mà các khoáng tạo ra có thành phần khác nhau, khoáng caolinit 2SiO2.Al2O3.2H2O và khoáng montmorilonit 4SiO2.Al2O3.nH2O là hai khoáng quyết định những tính chất quan trọng của đất sét như độ dẻo, độ co, độ phân tán, khả năng chịu lửa v.v

Ngoài ra trong đất sét còn chứa các tạp chất vô cơ và hữu cơ như thạch anh (SiO2), cacbonat (CaCO3, MgCO3), các hợp chất sắt Fe(OH)3, FeS2, tạp chất hữu cơ ở dạng than bùn, bi tum v.v các tạp chất đều ảnh hưởng đến tính chất của đất sét

Màu sắc của đất sét là do tạp chất vô cơ và hữu cơ quyết định Màu của đất sét chứa ít tạp chất thường là trắng, chứa nhiều tạp chất thì đất sét có màu xám xanh, nâu, xám đen

Tên gọi của khoáng chất tự nhiên chứa canxi hiđroxit là portlandit

Nếu bị nung nóng tới 520°C, thì canxi hiđroxit bị phân hủy thành ôxít canxi và hơi nước Hạt hiđroxit canxi rất mịn trong nước gọi là vôi sữa

Dung dịch canxi hiđoxit làm đổi màu quỳ tím sang màu xanh và làm cho phenolphtaline chuyển sang màu hồng

Tác dụng với axit:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O Tác dụng với oxit axit:

2HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + 2H2O 3H3PO4 + 5Ca(OH)2 = Ca5(PO4)3(OH) + 9H2O Tác dụng với dung dịch muối:

Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO2 + 2NaOH

2.2.3 Ứng dụng của canxi hidroxit

Do tính bazơ mạnh nên canxi hidroxit có một số ứng dụng như:

Chất kết bông trong xử lý nước, nước thải và cải tạo độ chua của đất

Chất nhồi: sản xuất ebonite, sản xuất các hỗn hợp khô cho nghề sơn và trang trí, sản xuất các hỗn hợp cho một số loại thuốc trừ dịch hại và có tác dụng kháng vi trùng

để điều trị sâu răng…

Ngoài những ứng dụng trong cuộc sống, khi dùng hiđroxit canxi quá liều có thể gây ra các triệu chứng nguy hiểm, bao gồm: có thể gây mù khi tiếp xúc kết mạc; kích ứng và phồng rộp khi tiếp xúc với da và niêm mạc, khó thở, hạ huyết áp, liệt cơ xương, gây nhiễu hệ thống actin-myosin, tăng pH trong máu và gây tổn thương các nội tạng

2.4 Hợp chất của lân trong nước

Lân tồn tại trong nước dưới các dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-, các polyphosphate như Na3(PO4)6 và phosphor hữu cơ Đây là một nguồn dinh dưỡng cho các thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phì dưỡng ở ao, hồ (Nhân và Nga, 1999)

Phosphorus được hoà trộn chủ yếu trong các axit nucleic, các phosphor lipit và các polyme của màng vi khuẩn Trong một số trường hợp chúng tập trung trong tế bào dưới dạng polymeta phosphate (sự loại phosphor sinh học…) và có một tỉ lệ rất nhỏ phosphor khuếch tán được như ATP (Adenosin Triphosphat) Phosphorus chiếm tỷ lệ khoảng 1,5 - 2,0% trọng lượng khô của khối vi sinh, nhưng tỷ lệ phần trăm này sẽ tăng theo tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật và biến đổi ngược chiều với nhiệt độ

Phosphorus trong nước là đại lượng phản ánh mức độ dinh dưỡng của thủy vực, cũng như khả năng có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng cho thủy vực Nồng độ phosphate trong nước ô nhiễm thường <0,01mg/L Ở những sông ngòi và kênh rạch bị ô nhiễm bởi nguồn nước sinh hoạt và nước thải nông nghiệp thì nồng độ thường lớn hơn 0,5 mg/L và mức phosphate vô cơ tổng số trong nước được chấp nhận từ 0,03-0,04 mg/L

Phosphate không thuộc loại hóa chất độc hại đối với người nhưng nếu quá nhiều

sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm cho rong tảo phát triển nhanh gây tắt nghẽn các đường ống dẫn, các kênh rạch, Rong tảo phát triển nhiều sẽ làm cạn kiệt nguồn oxy hòa tan DO giảm BOD tăng, rong tảo phát triển không kiểm soát được rồi chết đi dẫn đến hôi thối, cá chết

7

2.5 Chu trình phosphorus trong tự nhiên

Phosphorus đi vào cơ thể ở dạng vô cơ H2PO4-, HPO42-, PO43-, sau đó được xây dựng thành các phân tử hữu cơ như axit nucleic, phosphorus lipit và ATP (xem Hình 2.1) Khi động thực vật chết đi hay bài tiết chất thải các vi khuẩn photphate hóa khép lại vòng photphorus đơn bằng cách trả phosphate vô cơ trở lại đất Một vùng giàu phosphor không bình thường tích lũy phân chim biển ở các đảo ven biển Tây Peru Chất này có tên gọi Guano và được dùng làm phân bón

Hoàn tất chu kỳ sinh địa hóa của phosphor rất chậm bởi lẽ các kho chứa phosphorus vô sinh ở dạng đá chỉ phân hủy khi bị đưa ra ngoài để chuyển động địa chấn

và bị bào mòn Nguồn cung cấp tự nhiên phosphor vào đồng ruộng và hệ sinh thái nước nhận nước chứa nhiều phosphor dẫn đến hệ thực vật được kích thích phát triển mạnh và đôi khi dẫn đến bùng phát tảo xanh, ảnh hưởng đến phần còn lại của hệ sinh thái

Hình 2.1 Sơ đồ chu trình phosphorus

2.6 Sơ lược về biện pháp xử lý nước

2.5.1 Trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước

Trao đổi ion là một quá trình thuận nghịch, tương đương về điện tích để trao đổi được một ion hóa trị II cần phải có hai ion hóa trị I ra khỏi mạng trao đổi

8

Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit Những chất này mang tính axit Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm Ionit trao đổi cả cation và anion thì người ta gọi chúng là các ionit lưỡng tính

Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo:

Nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có zeolit, đất sét, chất mica,… Nhóm các chất trao đổi ion có nguồn gốc vô cơ tổng hợp gồm: silicagen, pecmutit (chất làm mềm nước), các oxit khó tan và hidroxit của một số kim loại như nhôm, crom, zirconi…

Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp là các loại nhựa cao phân tử, ví dụ các chất trao đổi cation sunfua RSO3H, cation cacboxylic R-COOH, anion R-COOH

2.5.2 Lọc

Lọc là quá trình làm sạch nước thông qua lớp vật liệu lọc nhằm tách các hạt cặn

lơ lửng, các thể keo tụ và ngay cả vi sinh vật trong nước

Vật liệu lọc có thể sử dụng ở dạng hạt như cát, sỏi, than, xỉ, thủy tinh,…

Cơ chế của quá trình lọc gồm:

Cơ chế sàng: quá trình tách các hạt rắn lơ lửng có kích thước lớn hơn kích thước mao quản của vật liệu lọc

Cơ chế lắng: tách các phần tử lơ lửng có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ mao

quản Các phần tử lơ lửng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc

Cơ chế hấp phụ: đây là cơ chế quan trọng nhất để tách các hạt keo, các phần tử lơ lửng và các tạp chất hoà tan Lực hấp phụ chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa các hạt

lơ lửng trong nước và bề mặt hấp phụ rất nhỏ, do đó cơ chế hấp phụ chỉ có tác dụng khi các cơ chế khác đã đưa các hạt bẩn cần tách trong nước đến tiếp cận với bề mặt vật liệu lọc

9

Theo Lê Văn Khoa (1995), trong đất có chứa một lượng keo dương đáng kể nhất

là trong môi trường pH thấp Do sức hút tĩnh điện, những hạt keo đất mang điện tích dương này có khả năng hấp phụ anion từ dung dịch bên ngoài, là nguyên nhân của phản ứng hấp phụ lý hóa học trong đất Hấp phụ anion phụ thuôc rất lớn vào phản ứng của môi trường Ảnh hưởng này do lượng keo dương có dấu và lượng điện tích thay đổi theo pH, pH càng cao, keo dương càng ít làm giảm cường độ hấp phụ Ngược lại nếu

pH giảm lượng điện tích keo dương tăng lên rõ rệt do sự phân ly các nhóm OH- trong phức hệ hấp phụ được tăng lên, làm cường độ hấp phụ anion cũng tăng lên

Trong hợp tổng quát, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Sự dịch chuyển vật chất bẩn đến bề mặt phân giới giữa hai pha rắn

và lỏ ng Giai đoạn này phụ thuộc và tính chất vật lý và thủy động lực của chất lỏng

Giai đoạn 2: Sự khuếch tán của chất bẩn vào các lỗ rỗng có kích thước hiển vi và siêu hiển vi của chất hấp phụ

Giai đoạn 3: Sự kết dính của chất bẩn vào chất hấp phụ

Trong 3 giai đoạn trên, giai đoạn 2 và 3 phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc của chất hấp phụ (Lê Hoàng Việt, 2000)

2.7 Một số vật liệu đƣợc sử dụng để loại bỏ lân

Trên thế giới có nhiều vật liệu tự nhiên được các nhà khoa học nghiên cứu để loại bỏ lân trong nước thải bao gồm các loại khoáng sản, đá, đất và vật liệu trầm tích

Đá vôi là loại đá trầm tích có hàm lượng CaCO3 cao, loại đá này đã được nhiều nhà nghiên cứu thử nghiệm và ứng dụng trong các hệ thống xử lý để loại lân trong nước thải Cơ chế xử lý lân của vật liệu này là thông qua tạo phức kết tủa với Ca2+có tổng thành phần vật liệu Tuy nhiên, nhiều nhà nghiên cứu cho rằng hiệu xuất xử lý không cao (Johansson, 1991 được trích dẫn bởi Lê Anh Kha, 2012)

Đá dolomite và các cát dominit đã được thử nghiệm để loại bỏ lân trong một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Các nhà khoa học cho rằng cơ chế loại bỏ chủ yếu của loại vật liệu này là hấp phụ bề mặt Do đó, vật liệu này đã được ứng dụng khá phổ biến làm vật liệu nền tròn các hệ thống xử lý nước thải bằng đất ngập nước

Một số loại đất đá ong được hình thành từ vùng khí hậu nhiệt đới Khi sử dụng

đá ong để xử lý nước thải có hàm lượng không quá cao (6-20 mg/L), đá ong có hiệu suất xử lý khá tốt (Kadlec và Knight, 1996 được trích dẫn bởi Lê Anh Kha, 2012)

Đất macnơ là một đất có cấu trúc bền vững, thành phần bao gồm đất sét và các hạt vôi Vật liệu này cũng được sử dụng trong nông nghiệp để điều hòa pH đất và bổ sung vôi Một số nghiên cứu cho thấy đây là vật liệu có khả năng xử lý nước thải có

lại trung bình trong nước đầu ra chỉ khoảng 0,31 mg/L (Lê Anh Kha và ctv, 2012)

2.8 Một số nghiên cứu về vật liệu tự chế có khả năng hấp phụ lân

Hiên nay, có nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng vật liệu, thiết bị để loại bỏ lân trong nước thải trong loại bỏ lân trong nước thải cũng được công bố rộng:

Theo Lê Anh Kha (2003) vật liệu hạt đất nung hiệu quả rất cao trong việc loại bỏ lân dù có hay không bổ sung nguồn cacbon và qua xử lý này đạt 77%

Theo Nguyễn Hồng Xuyến (2007), đất phèn nung ở Bến Lức – Long An khi nung ở 5500C và nghiền nhỏ xử lý được 74% PO43-, đất phèn Hoà An trộn bột mì nung

10000C xử lý 98% PO43-, đất phèn Đức Huệ nung 5500C xử lý được 87% PO43- đối với

hệ thống lọc lân liên tục cho thấy khả năng loại lân của đất phèn Hội An có trộn bột mì nung ở 10000C là rất hiệu quả

Trần Đức Hạ (2002), dùng các hóa chất keo tụ gốc sắt (Fe) hoặc nhôm (Al) để khử các muối phosphor trong nước thải Tuy nhiên phương án này có chi phí đầu tư cao, khó định lượng được hóa chất theo thời gian, tạo nên lớp bùn hoạt tính Khả năng lấy

phosphor của vi khuẩn kị khí tùy tiện Acinebacter sp tăng lên rất nhiều khi cho nước

thải luân chuyển qua các điều kiện kị khí và hiếu khí

Các công trình cung cấp nước sạch cho cộng đồng dân cư nhỏ như nghiên cứu của Hiếu (2003), sử dụng các vật liệu: sét nung, than đước, than gáo dừa có tác dụng làm giảm hàm lượng sulfate, nitrate và phosphate trong nước mưa

Ngô Thị Hồng Chi (2005), tìm ra cách loại bỏ phosphor, sắt trong nước bằng các vật liệu tự chế Thành phần chủ yếu là sử dụng đất phèn nung và không nung có bổ sung các hóa chất: CaCO3, AlCl3, FeCl3, Al2(SO4)3 Qua kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng loại bỏ phosphor của đất phèn nung có bổ sung hóa chất Al2(SO4)3 là hiệu quả nhất trong thời gian 60 phút so với các hóa chất: CaCO3, AlCl3, FeCl3

“Nghiên cứu khả năng hấp phụ lân trong nước thải thuỷ sản của đất đỏ Bazan”

do Hồ Thị Mỹ Lan thưc hiện đã khẳng định với lưu tốc 1L/giờ tương ứng với thời gian

2.9 Một số thông số lý, hóa trong nước và nước thải

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến các quá trình sinh học, hóa học Nhiệt độ có thể đẩy nhanh hoặc làm chậm các quá trình phản ứng, phân hủy các chất, trao đổi chất,… ảnh hưởng lớn đến độ hòa tan các chất trong môi trường nước, nhiệt độ tăng hàm lượng các ion trong nước tăng và ngược lại

pH có ý nghĩa quan trọng về mặt môi sinh trong thiên nhiên có ảnh hưởng đến các hoạt động sinh học trong nước, liên quan đến một số đặc tính như: ăn mòn, hòa

Nước có pH thấp càng có khả năng chứa hàm lượng cao các cation kim loại và ngược lại Khi nước ở khoảng trung tính và kiềm thì các kim loại chỉ có thể tồn tại ở dạng ion hòa tan với hàm lượng rất nhỏ (trừ kim loại kiềm và kiềm thổ) Ngược lại, pH càng cao càng có khả năng chứa hàm lượng lớn các anion của các axit yếu

pH nước là yếu tố liên quan chặt chẽ tới dạng tồn tại và hàm lượng của hàng loạt các thành phần hóa học hòa tan trong nước, cho phép giải thích sự kết tủa, lắng đọng hoặc hòa tan chuyển sang trạng thái linh động của rất nhiều nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên Các quá trình tương tác, trao đổi vật chất với pha khí, pha rắn và các quá trình sinh học trong môi trường nước diễn ra đồng thời với sự biến đổi không ngừng của pH nước (Trần Ngọc Lan, 2008)

13

CHƯƠNG III VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

3.2.2 Phương tiện thí nghiệm

- Ca(OH)2 - Cân phân tích 5 số lẻ - Cốc thủy tinh

- K(SbO)C4 H4O4 - Máy khuấy từ - Giấy lọc

- (NH4)6Mo2O24 - Burette chuẩn độ - Ống nghiệm

- KH2PO4 - Hệ thống bể lọc tự chế - Can nhựa

- NaHPO4.12H2O - Máy so màu Spectro Flex 610

- Máy đo pH

3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm

3.3.1 Tạo vật liệu chứa Ca(OH) 2 có khả năng hấp phụ lân trong nước

- Tìm vật liệu không có chứa Ca(OH)2: vật liệu có hình cầu, có tính trơn và không

có khả năng hấp phụ Vật liệu là những viên bi thủy tinh được làm bằng silicat

- Tạo vật liệu hấp phụ lân bằng đất sét nung: Đất sét được thu tại xã Hòa Thạnh, huyện Châu Thành tỉnh Hậu Giang có pH nằm trong khoảng từ 5 đến 6 và được chuyển về phòng thí nghiệm chất lượng môi trường, Khoa Môi trường & TNTN Tiến hành phơi khô đất, nghiền phối trộn đất với nước và tạo hình bằng cối xay thịt Dùng dao cắt thành từng đoạn dài khoảng 1 - 1,5 cm, sau đó nung ở 550oC trong 2 giờ để loại bỏ chất hữu cơ lẫn trong mẫu đất và làm cứng vật liệu

14

- Tạo vật liệu hấp phụ lân bằng Ca(OH)2: Ca(OH)2 được mua ngoài thị trường, có khả năng tự đóng rắn nhanh khi tiếp xúc với CO2 trong không khí Ca(OH)2 được trộn với nước sau đó tạo hình bằng cối xay thịt có kích thước dài khoảng 1 - 1,5

cm, đem phơi

- Tạo vật liệu (có chứa Ca(OH)2) hấp phụ lân trong nước cần thực hiện các bước: + Bước 1: Chọn vật liệu nền (đất sét) có khả năng kết dính và không tan trong nước (sau khi đun ở 550oC), có thể tích nhỏ và diện tích tiếp xúc lớn được trộn với Ca(OH)2 và tạo hình

+ Bước 2: Đất sét sau khi thu được phơi khô trong phòng thí nghiệm, nghiền nhỏ và sàng qua rây có kích thước khoảng 0,5mm và được trộn với Ca(OH)2

theo các tỷ lệ khác nhau Tỷ lệ giữa đất sét và canxi hidroxit là: 1:1; 1:2; 2:1 + Bước 3: Sau khi vật liệu được trộn, thêm vừa nước để tạo sự kết dính của vật liệu và tăng độ dẻo Tạo hình vật liệu bằng cối xay thịt và cắt thành từng đoạn dài khoảng 1 - 1,5 cm, sau đó nung ở 550oC trong 2 giờ để vật liệu được cứng

và không tan trong nước

+ Bước 4: Kiểm tra khả năng hấp phụ của vật liệu theo các tỉ lệ được định hình

3.3.2 Thí nghiệm khảo sát định tính khả năng hấp phụ lân của vật liệu trong nước

Thí nghiệm 1: Xác định khả năng hấp phụ của vật liệu

Thí nghiệm được tiến hành với các vật liệu đã định hình theo các tỉ lệ khác nhau

Cân 1 g vật liệu cho vào bình tam giác 100 ml, sau đó thêm 50 ml dung dịch

PO43- có nồng độ 78,66 mg/L và tạo sự khuấy trộn vật liệu trong dung dịch Mỗi tỷ

lệ là một nghiệm thức, ta có 7 nghiệm thức (trong đó có một nghiệm thức vật liệu

là silicat và một nghiệm thức không có vật liệu) như bảng 3.2 được mô tả Sau khoảng thời gian 30 phút tiến hành thu mẫu để xác định nồng độ PO43- còn lại Thí nghiệm được lặp lại 3 lần, tổng số mẫu là 21

Xác định được vật liệu có tỷ lệ phối trộn cho hiệu quả xử lý lân tốt nhất trong các tỷ lệ được thí nghiệm

15

Bảng 3.1 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 1

Nghiệm

Thí nghiệm 2: Kiểm tra sự phóng thích phosphate của vật liệu

Sau khi chọn được vật liệu có khả năng hấp phụ lân tốt nhất, tiến hành bố trí thí nghiệm kiểm tra sự phóng thích phosphate của vật liệu vào môi trường nước

Cân một lượng vật liệu xác định (1g) cho vào bình tam giác, thêm 50 ml nước cất và lắc đều Tiến hành thu mẫu sau 24 giờ để xác định nồng độ phosphate trong môi trường nước của các nghiệm thức Qua đó đánh giá khả năng phóng thích phosphate của vật liệu, so sánh với nghiệm thức đối chứng Thí nghiệm được lặp lại 3 lần với 2 nghiệm thức, tổng số mẫu là 6

Bảng 3.2 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 2