NGHIÊN cứu HIỆU QUẢ xử lý nước THẢI THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA VỚI TÁC NHÂN FENTON KẾT HỢP VỚI LỒNG QUAY SINH HỌC HIẾU KHÍ

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nước thải sản xuất thuốc BVTV có nồng độ SS, COD và BOD5 cao nên biện pháp xử lý có hiệu quả là xử lý sinh học, do đó công đoạn xử lý sơ bộ phải loại bỏ chất rắn lơ lửng đ

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

VỚI TÁC NHÂN FENTON KẾT HỢP VỚI LỒNG QUAY

SINH HỌC HIẾU KHÍ

Cán bộ hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Cần Thơ, tháng 12 năm 2015

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cần Thơ, Ngày tháng năm 2015

Cán bộ hướng dẫn

Phạm Văn Toàn Lê Hoàng Việt

LỜI CẢM TẠ

Sau thời gian học tập tại trường chính nhờ được thầy cô chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức hữu ích Cuối cùng chúng em cũng đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình Chính trong quá trình làm luận văn đã giúp cho chúng em mở mang được rất nhiều điều, thấy được mức độ vận dụng lý thuyết vào thực tế, mong muốn được học hỏi hơn nữa Với luận văn tốt nghiệp này chính là bước khởi đầu để chúng em có thể tự tin bắt tay vào công việc chuyên môn của mình sau này

Cảm ơn cả gia đình đã luôn quan tâm đóng góp ý kiến, cho chúng con những lời khuyên và tạo mọi điều kiện để con hoàn thành tốt luận văn của mình

Chúng em xin được tỏ lòng biết ơn của mình đến Thầy Phạm Văn Toàn và Thầy Lê Hoàng Việt là người trực tiếp hướng dẫn chúng em làm luận văn này Người đã tận tình hướng dẫn, cho chúng em rất nhiều lời khuyên và góp ý để chúng em hoàn thành luận văn này Cảm ơn thầy đã tạo điều kiện cho chúng em tiếp thu kiến thức mới

Quý thầy cô trong khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên nói chung, thầy cô

bộ môn Kỹ thuật Môi trường nói riêng đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua

Chúng em xin chân thành cảm ơn các cô chú và anh chị của Cổ phần thuốc sát trùng Cần Thơ (CPC) đã tận tình hỗ trợ nước thải để chúng em thực hiện đề tài này

Cuối cùng mình xin cảm ơn các bạn đồng khóa đã giúp đỡ mình rất nhiều trong học tập cũng như thực hiện luận văn này

Mặc dù được sự giúp đỡ của nhiều người, nhưng với lượng kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn đề tài không tránh khỏi những sai sót Chúng em mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của thầy cô, anh chị và các bạn để chúng em có thể sửa chữa những sai sót cũng như để nâng cao được kiến thức của mình

Sinh viên thực hiện

Đinh Quang Dự Danh Thị Hồng Nhi

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Nước thải sản xuất thuốc BVTV có nồng độ SS, COD và BOD5 cao nên biện pháp

xử lý có hiệu quả là xử lý sinh học, do đó công đoạn xử lý sơ bộ phải loại bỏ chất

rắn lơ lửng đạt yêu cầu để vào công đoạn xử lý sinh học, đề tài: “Nghiên cứu hiệu

quả xử lý nước thải thuốc bảo vệ thực vật bằng phương pháp keo tụ điện hóa với tác nhân Fenton kết hợp với lồng quay sinh học hiếu khí” được tiến hành nhằm xử

lý nước thải, bảo vệ môi trường khỏi tác động từ quá trình sản xuất thuốc BVTV Đồng thời góp phần tìm ra phương pháp xử lý sơ bộ thích hợp, khả thi về mặt kỹ thuật – kinh tế

Đề tài được tiến hành với 4 thí nghiệm với 3 thí nghiệm trên mô hình tuyển nổi điện phân và 1 thí nghiệm trên lồng quay sinh học hiếu khí, nhằm xác định được thời gian lưu cho hai mô hình trên Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân và lồng quay sinh học hiếu khí được lựa chọn dựa trên 2 tiêu chí là hiệu suất loại bỏ chất ô nhiểm cao và lợi ích về kinh tế Vận hành chính thức mô hình tuyển nổi điện phân với các thông số góc nghiêng điện cực là 45o, diện tích bản điên cực S=486cm2, khoảng cách điện cực d=1cm, thời gian lưu θ=30 phút và hiệu điện thế U=12V, liều lượng oxy già (H2O2) = 80mg/L và phèn sắt (FeSO4.7H2O) = 30mg/L, cho kết quả loại bỏ SS, COD, BOD5, TKN, TP lần lượt là 83,46%; 76,19%; 57,26%; 53,31% và 82,05% Sau quá trình tuyển nổi DO trong nước tăng lên, sau đó là biện pháp xử lý sinh học hiếu khí giúp giảm chi phí vận hành Đối với lồng quay sinh học hiếu khí, trong điều kiện vận hành ổn định (số vòng quay là 2 vòng/phút, thời gian lưu là 12 giờ và mức độ ngập nước của lồng quay là 40%) hiệu suất loại bỏ SS, COD, BOD5, TKN và TP lần lượt là: 59,99%, 88,29%, 90,96%, 58,09% và 63,35%

Từ kết quả thí nghiệm trên, nhận thấy rằng xử lý sơ bộ bằng phương pháp tuyển nổi điện phân có hiệu quả cao, nước thải đầu ra đạt yêu cầu để vào hệ thống xử lý sinh học

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan luận văn được hoàn thành dựa trên kết quả nghiên cứu của chúng em và các số liệu, kết quả nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn nào trước đây

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đinh Quang Dự Danh Thị Hồng Nhi

MỤC LỤC

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

Chương 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 TỔNG QUAN VỀ THUỐC BVTV 3

2.1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất thuốc BVTV 3

2.1.2 Sơ lược về nước thải thuốc BVTV 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ HÓA HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 6

2.2.1 Phương pháp tuyển nổi 6

2.2.2 Các loa ̣i tuyển nổi và ưu nhược điểm của chúng 6

2.3 TUYỂN NỔI ĐIỆN PHÂN 9

2.3.1 Khái niệm về tuyển nổi điện 9

2.3.2 Cơ chế quá trình tuyển nổi điện 9

2.3.3 Các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân 10

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân 10

2.3.5 Quá trình tuyển nổi điện phân kết hợp keo tụ điện hóa 10

2.4 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG FENTON 13

2.4.1 Sơ lược về Hydroperoxit 13

2.4.2 Định nghĩa tác nhân Fenton 14

2.4.3 Những tác dụng của tác nhân Fenton trong xử lý ô nhiễm môi trường 14

2.4.4 Cơ chế ta ̣o thành gốc hydroyl HO* và đô ̣ng ho ̣c các phản ứng Fenton 15

2.4.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton 17

2.5 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 18

2.5.1 Bản chất của quá trình xử lý sinh học 18

2.5.2 Điều kiện của nước thải cần đưa vào xử lý sinh học 19

2.5.3 Các quá trình sinh trưởng trong xử lý sinh học 19

2.6 ĐĨA QUAY SINH HỌC HIẾU KHÍ 19

2.6.1 Sơ lược về đĩa quay sinh học hiếu khí 19

2.6.2 Cấu tạo của đĩa quay sinh học 20

2.6.3 Cách đă ̣t đĩa quay sinh ho ̣c bào bể 21

2.6.4 Cơ chế hoa ̣t đô ̣ng của đĩa quay sinh học hiếu khí 21

2.6.5 Các da ̣ng bố trí đĩa quay sinh ho ̣c trong hê ̣ thống xử lý 22

2.6.6 Các yếu tố cần lưu ý khi thiết kế đĩa quay sinh ho ̣c hiếu khí 23

2.6.7 Ưu điểm và nhược điểm của đĩa quay sinh ho ̣c hiếu khí 25

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIÊ ̣N NGHIÊN CỨU 27

3.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM THỰC HIÊ ̣N 27

3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 27

3.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 28

3.4 CÁCH BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 28

3.5 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 29

3.5.1 Chuẩn bị thí nghiê ̣m 29

3.5.2 Phương pháp thực hiện thí nghiệm 34

3.6 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU 35

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ CỦA NƯỚC THẢI CÔNG TY CỔ PHẦN THUỐC SÁT TRÙNG CẦN THƠ (CPC) 36

4.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LƯU THÍCH HỢP CHO MÔ HÌNH TUYỀN NỔI ĐIỆN PHÂN 37

4.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LƯU THÍCH HỢP CHO MÔ HÌNH LỒNG QUAY SINH HỌC HIẾU KHÍ 43

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

5.1 KẾT LUẬN 49

5.2 KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

PHỤ LỤC 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần chỉ tiêu ô nhiễm trong nước thải sản xuất thuốc BVTV 5

Bảng 2.2 Các ưu và nhược điểm của RBC 25

Bảng 3.1 Các đặc điểm của giá thể 31

Bảng 3.2 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 35

Bảng 4.1 Kết quả phân tích mô ̣t số chỉ tiêu của nước thải đầu vào 36

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiê ̣m thời gian lưu 25 phút, 30 phút và 35 phút 37

Bảng 4.3 Nồng độ nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau tuyển nổi bằng phương pháp tuyển nổi điện phân ở thời gian lưu 30 phút 40

Bảng 4.4 Kết quả phân tích mô ̣t số chỉ tiêu của nước thải đầu vào mô hình lồng quay sinh học hiếu khí 43

Bảng 4.5 Kết quả phân tích COD trong 3 ngày từ 26 – 28/10/2015 để theo dõi sự ổn định của lớp màng sinh học hiếu khí điều chỉnh ở thời gian lưu 12 giờ 44

Bảng 4.6 Kết quả phân tích mô ̣t số chỉ tiêu của nước thải đầu vào và đầu ra mô hình lồng quay sinh học hiếu khí ở thời gian lưu 12 giờ 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Quá trình sản xuất thuốc BVTV 3

Hình 2.3 Bể tuyển nổi điện phân (Trần Hiếu Nhuệ, 2001) 9

Hình 2.4 Công thức phân tử là H2O2 13

Hình 2.5 Ảnh hưởng của pH đến sự phân huỷ benzen trong hệ thống Fenton ∆ pH = 3, □ pH = 5, × pH = 6, ▲ pH = 7 17

Hình 2.6 Cấu tạo chính của đĩa quay sinh học 20

Hình 2.7 Đặt đĩa quay sinh học theo 2 kiểu truyền động 21

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống đĩa lọc sinh học (Trần Đức Hạ, 2002) 22

Hình 2.9 Sơ đồ một hệ thống xử lý nước thải bằng đĩa quay sinh học (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014) 23

Hình 3.1 Bể thu gom nước thải của Công ty Cổ phần thuốc sát trùng Cần Thơ (CPC) 27

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm tuyển nổi điện phân 29

Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm lồng quay sinh học hiếu khí 30

Hình 3.4 Các kích thước mô hình lồng quay sinh học hiếu khí 30

Hình 3.5 Ống luồn điện bằng nhựa polyvinyl chloride sau khi cắt ra thành nhiều đoạn nhỏ 31

Hình 3.6 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 33

Hình 4.1 Độ đục nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau tuyển nổi bằng phương pháp tuyển nổi điện phân ở các thời gian lưu khác nhau 38

Hình 4.2 Nồng độ COD nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau tuyển nổi bằng phương pháp tuyển nổi điện phân ở các thời gian lưu khác nhau 39

Hình 4.3 Nồng độ SS, COD, BOD5, TKN và TP nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau tuyển nổi bằng phương pháp tuyển nổi điện phân 41

Hình 4.4 Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất thuốc BVTV của mô hình tuyển nổi điện phân với thời gian lưu 30 phút 41

Hình 4.5 Nồng độ SS, COD, BOD5, TKN, TP nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau lồng quay sinh học hiếu khí ở các thời gian lưu 12 giờ 45

Hình 4.6 Nồng độ pH nước thải sản xuất thuốc BVTV trước và sau lồng quay sinh học hiếu khí ở các thời gian lưu 12 giờ 46

Hình 4.7 Hiệu quả xử lý của mô hình lồng quay sinh học hiếu khí ở thời gian lưu 12 giờ đối với nước thải sản xuất thuốc BVTV khi qua mô hình tuyển nổi điện phân ở thời gian lưu 30 phút 46

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

NTU Nepholometric turbidity units Đơn vị đo độ đục

SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng

TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl

Chương 1 GIỚI THIỆU

Dân số nước ta đứng thứ 3 trong các nước khu vực Đông Nam Á, thứ 14 trên thế giới, là một trong những nước có mật độ dân số cao trên thế giới Dân số cao, kết hợp với sự gia tăng dân số đã gây ra các áp lực về lương thực, nhu cầu giáo dục, chăm sóc sức khỏe… Để đáp ứng nhu cầu về lương thực, nước ta đã đầu tư nhiều cho sản xuất nông nghiệp và từ một nước thiếu ăn Việt Nam đã trở thành nước xuất khẩu lương thực Tuy nhiên sản lượng lương thực tăng kéo theo nhu cầu sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật tăng, trong khi ở các nước phát triển nhu cầu này

có xu hướng giảm (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2015)

Theo điều tra năm 2014 của Cục BVTV (Bộ NN & PTNT), cả nước có khoảng trên

600 tổ dịch vụ BVTV, nhưng chủ yếu chỉ thực hiện việc phun thuốc (chiếm trên 60%), còn dịch vụ trọn gói từ điều tra sâu bệnh, cung ứng, phun thuốc thuê còn rất thấp (chỉ đạt 2,6%)

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2000) tuyển nổi điện phân là phương pháp dựa trên cơ

sở sự điện ly của nước tạo thành những dòng khí rất nhỏ, các điện cực sử dụng được đặt ở đáy bể Trịnh Lê Hùng (2006) cho rằng quá trình điện phân sinh ra các bọt khí, đó là do quá trình điện phân nước đi kèm tạo ra khí oxy và hyđro ở các điện cực anode và cathode Khi các bóng khí này nổi lên, gặp và kéo theo các hạt lơ lửng cùng nổi lên bề mặt nước Khi sử dụng các điện cực hòa tan thì xảy ra đồng thời việc tạo bông keo tụ và các bọt khí, các bông sẽ nổi lên trên và có thể tuyển nổi được

Keo tụ điện hóa là phương pháp điện hoá trong xử lý nước thải, trong đó dưới tác dụng của dòng điện các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+)vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold et al., 2004 trích dẫn lại theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu

Ngân, 2014) Nghiên cứu của Holt et al, (2004) cho rằng keo tụ điện hóa là phương

pháp giao thoa của ba quá trình: điện hoá học, tuyển nổi điện phân và keo tụ

Phương pháp Fenton sử dụng tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ là tác nhân oxi hóa rất hiệu quả cho việc phân hủy các chất hữu cơ Quá trình Fenton có tính ưu việt ở chỗ tác nhân H2O2 và muối sắt (II) tương đối rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại dễ

sử dụng (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Theo Lương Đức Phẩm (2007) khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với ô-xy khi ra khỏi nước thải Đĩa quay được nhờ mô-tơ hoặc sục khí Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh

Theo Steven & Williams (2011) trong suốt quá trình xử lý, các vi sinh vật loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải (bằng cách dùng chất hữu cơ như nguồn thức ăn) bám vào bề mặt đĩa, chúng sinh trưởng trên một lớp màng sinh học mỏng, bề dày lớp màng được điều chỉnh bởi lực xé khi đĩa quay sinh học quay trong nước Khi quay, phần đĩa quay không ngập trong nước tiếp xúc với không khí, tạo điều kiện cho các

vi sinh vật trên đĩa được cung cấp ô-xy Các vi sinh vật còn thừa bị xé ra khỏi đĩa cùng với nước thải đi đến bể lắng để tách phần nước thải đã xử lý Các chất rắn lắng xuống dưới đáy bể lắng thông thường được sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo đất

Với lượng thuốc BVTV sử dụng rất lớn, ô nhiễm môi trường do hóa chất BVTV tồn lưu gây ra tại Việt Nam đang trở nên ngày một nghiêm trọng hơn Để giảm thiểu tác hại của các chất thải độc hại trên, đặc biệt là nước thải sinh từ quá trình sản xuất, gia công thuốc BVTV, các nhà khoa học đang tích cực tìm kiếm những hướng nghiên cứu, công nghệ xử lý mới phù hợp và hiệu quả về kinh tế lẫn kỹ thuật Chính những

lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải thuốc bảo vệ thực vật bằng

phương pháp keo tụ điện hóa với tác nhân Fenton kết hợp với lồng quay sinh học hiếu khí” được tiến hành nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của quá trình này với mong

muốn tìm ra giải pháp thích hợp cho việc xử lý loại nước thải trên

Chương 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU2.1 TỔNG QUAN VỀ THUỐC BVTV

2.1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất thuốc BVTV

a Sản xuất thuốc BVTV

Hi ̀nh 2.1 Quá trình sản xuất thuốc BVTV

(Tài liệu đào tạo giảng viên VietGAP) Quá trình Halogen hóa các hợp chất chứa Oxi và Nitơ nhằm sản xuất các loại thuốc

trừ sâu từ việc Halogen hóa các Rượu và Clo hóa các Rượu – Andelhyt và Xeton,

sản xuất ra các loại thuốc BVTV từ muối của Axit Cacboxylic được tổng hợp từ quá

trình Clo hóa dẫn xuất Axit Cacboxylic Sau cùng là quá trình Clo hóa nguyên tử

Nitơ -> quá trình này tiến hành Clo hóa các Axitamin, Cacbamat và Melanin tạo các

sản phẩm là thành phần sử dụng làm các loại thuốc sát trùng mạnh và chất tẩy trắng

Thứ hai, quá trình tổng hợp thuốc BVTV Cacbamat (muối của Axit Cacbamic)

nhằm sản xuất các loại thuốc trừ sâu nhóm Cacbamat Trước hết phải điều chế ra

Các quá trình sản xuất thuốc

BVTV

Monocloamin B&T Dicloamin B&T Carbamic melamin

Cloral CCl 3 CHO

a ClCH 2 COOH

a CCl 3 COOH

a CH 3 CCl 2 COOH Cloxian ClCN Xianua clorua

Clometan

CH 3 Cl

Chất trung gian MIC

Clo hóa nguyên tử Nitơ

Clo hóa dẫn xuất acid cacboxylic

Clo hóa các rượu – andehyt

và xeton

Halogen hóa

các Rượu

Tổng hợp thuốc trừ sâu Cacbamat

Halogen hóa các hợp chất chứa Oxi và

Nitơ

Thuốc Cacbofuran

BPMC (butyl phenol metyl crylat)

chất trung gian Metyl Iso – Cyanat (MIC), sau đó từ MIC và Orto – Sec – Butyl Phenol (OSBP) ta tổng hợp được thuốc trừ sâu Butyl Phenol MetylCyanat (BPMC), với 7-OH (2,3-Dihydro-2,2-Dimetyl-7-Hydroxyl Benzofuran) ta tổng hợp được thuốc trừ sâu Cacbofuran

Quy trình sản xuất các thành phần hoạt tính bao gồm các quá trình tổng hợp hóa chất, phân loại, thu hồi, tinh chế và thành phẩm Sản phẩm cuối cùng có thể được pha trộn, pha loãng, tạo viên, đóng gói hoặc đóng chai (Lawrence K Wang et al., 2006)

b Gia công đóng gói thuốc BVTV

Các hoạt chất thuốc BVTV thường có độ bám dính kém, ít tan trong nước và không thích hợp sử dụng ngay Vì vậy, chúng tiếp tục được gia công bằng cách nghiện và phối trộn hoạt chất với các phụ gia với liều lượng đã được tính trước thành các phế phẩm khác nhau nhằm cải thiện lý tính của thuốc, tăng độ bám dính và trải đều của thuốc, thuận lợi và an toàn trong quá trình lưu trữ, vận chuyển và sử dụng cũng như tăng hiệu quả xử lý, giảm ô nhiễm môi trường ít gây độc cho thực vật và vi sinh có ích

Thuốc sau khi gia công sẽ được đóng gói, dán nhãn, đóng thùng, đóng bao… Sau

đó thuốc thành phẩm được nhập kho và chờ xuất ra thị trường

Hi ̀nh 2.2 Quy trình gia công, đóng gói thuốc BVTV da ̣ng bô ̣t

(Nguồn: Công ty Cổ phần thuốc sát trùng Cần Thơ)

Nguyên liệu

Hệ thống phối trộn Thùng chứa

Đóng gói

Đóng thùng

Nhập kho thành phẩm

2.1.2 Sơ lược về nước thải thuốc BVTV

a Nguồn phát sinh

- Ở các nhà máy và các phân xưởng sản xuất thuốc BVTV, nước thải có thể phát sinh từ các nguồn sau:

+ Nước rò rỉ từ buồng trộn

+ Công đoạn tinh chế sản phẩm

+ Quá trình rửa hệ thống sản xuất định kỳ

+ Quá trình vệ sinh thiết bị và nhà xưởng sản xuất

- Ở các nhà máy, xưởng gia công/đóng gói, nước thải có thể sinh ra từ các quá trình sau:

+ Quá trình rửa máy móc thiết bị gia công thuốc BVTV, vệ sinh nhà xưởng

+ Nước rửa buồng trộn, chai lọ, bao bì, thùng phuy, thùng chứa nguyên liệu

+ Nước rò rỉ

+ Nước thải từ hệ thống xử lý bụi và khí

+ Nước chảy tràn trong khu vực nhà máy

+ Nước từ phòng thí nghiệm

b Thành phần và đặc tính

Nước thải sản xuất thuốc BVTV có thành phần chủ yếu là các nguyên liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất va gia công Ngoài ra, nó còn chứa các chất lơ lửng, đất, cát,… từ quá trình rửa sàn, vệ sinh phân xưởng Lưu lượng nước thải phát sinh không lớn và thường nhiều vào các thời điểm rửa hệ thống khi kết thúc quá trình sản xuất một loại sản phẩm và chuyển sang loại sản phẩm khác

Bảng 2.1 Thành phần chỉ tiêu ô nhiễm trong nước thải sản xuất thuốc BVTV

(Nguồn: Nguyễn Văn Phước, 2010)

c Tác động của nước thải thuốc BVTV

Nước thải thuốc BVTV là những tác nhân gây nên mất ổn đi ̣nh trong hê ̣ sinh thái nông nghiệp Tác đô ̣ng đến hầu hết các sinh vâ ̣t sống trong vùng tiếp nhâ ̣n và các khu vực lân câ ̣n Từ đó chúng gây ra hàng loa ̣t những hâ ̣u quả xấu đến quần thể sinh

vật và con người

Vớ i những khu vực bi ̣ ô nhiễm bởi nước thải sản xuất thuốc BVTV, điều kiê ̣n môi trường sẽ thay đổi gây tác đô ̣ng đến điều kiê ̣n sống của các loài di ̣ch ha ̣i Gây nên

các biến đổi sâu sắc trong quần thể di ̣ch ha ̣i, làm thay đổi khả năng sinh sản, đă ̣c điểm sinh lý của các cá thể cũng như khả năng sinh tồn của chúng Các biến đổi này

có thể gây ra cho con người không ít khó khăn trong viê ̣c phòng trừ chúng

Việc xả thải trực tiếp các chất thải từ quá trình sản xuất thuốc BVTV vào môi trường sẽ gây ô nhiễm đô ̣c môi trường đất, nước và không khí cũng như tác đô ̣ng đến các quần thể sinh vâ ̣t sống trong môi trường đó gây nhiễm đô ̣c, đe do ̣a đời sống

củ a thủy sinh và sức khỏe của con người

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ HÓA HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.2.1 Phương pha ́ p tuyển nổi

a Khái niệm tuyển nổi

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2000) tuyển nổi là quá trình tách các hạt rắn trong pha lỏng khi khối lượng riêng của các hạt này nhỏ hơn khối lương riêng của nước, quá trình này được tăng cường bằng cách thổi khí vào nước, các hạt lơ lửng sẽ lớn dần lên nhờ bám vào các bọt khí và nổi lên phía trên do tỷ trọng của bọt khí và cặn bám lên đó nhỏ hơn tỷ trọng của nước

b Cơ sở lý thuyết của quá trình tuyển nổi

Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) thực chất của quá trình này là loại bỏ các tạp chất trong nước thải bằng cách làm cho chúng có thể nổi lên mặt nước Trong quá trình tuyển nổi người ta cho những bọt khí li ti, phân tán và bão hòa trong nước, những chất bẩn sẽ bị các hạt khí bám vào và nổi lên mặt nước, rồi được loại khỏi nước Theo Hoàng Văn Huệ & Trần Đức Hạ (2002) quá trình tuyển nổi là sự kết dính giữa bọt khí và các hạt, khi lực nổi của tập hợp bọt khí và hạt đủ lớn sẽ cùng nhau nổi lên trên mặt nước, sau đó tập hợp lại thành lớp bọt chứa hàm lượng các hạt tạp chất cao hơn ban đầu

2.2.2 Ca ́ c loa ̣i tuyển nổi và ưu nhươ ̣c điểm của chúng

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) bể tuyển nổi được chia thành

2 nhóm chính: (1) bể tuyển nổi theo trong lượng riêng, (2) bể tuyển nổi bằng khí

a Tuyển nổi theo trọng lượng riêng (hay “bẫy dầu mỡ”)

Nước thải chứa dầu mỡ được cho qua một loại bể, trong bể này dầu mỡ sẽ nổi lên

trên do nhẹ hơn nước, sau đó được loại bỏ bằng các thanh gạt (Lê Hoàng Việt &

Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

- Bọt khí kết dính vào hạt chất rắn lơ lửng

- Chất lơ lửng kết dính với bọt khí va vào nhau kết thành bông cặn

- Bọt khí bám thêm vào bông cặn

- Bông cặn bị đẩy nổi lên bề mặt và được thanh gạt váng đưa ra khỏi nước thải

- Tuyển nổi bằng khí có nhiều loại như: tuyển nổi với sự tách không khí từ dung dịch, tuyển nổi với việc thổi khí qua lớp vật liệu xốp, tuyển nổi hóa học, tuyển nổi điện, tuyển nổi với việc phân tách không khí bằng cơ giới Sơ lược về mỗi loại bể

và ưu nhược điểm riêng

Tuyển nổi với sự tách không khí từ dung dịch

Biện pháp này được sử dụng rộng rãi với nước thải có chất bẩn nhỏ do nó tạo ra bọt khí nhỏ Bản chất của biện pháp này là tạo ra một dung dịch bảo hòa không khí, sau

đó không khí được tách ra từ dung dịch ở dạng bọt khí nhỏ và kéo theo chất bẩn lên

trên mặt nước (Hoàng Văn Huệ & Trần Đức Hạ, 2002)

Tuyển nổi chân không

Nước thải được bão hòa không khí ở áp suất khí quyển trong buồng thông khí sau

đó cho qua buồng tuyển nổi với áp suất giữ khoảng 225 – 300 mmHg bằng bơm chân không

Ưu điểm: tạo bọt khí và kết dính với các hạt chất bẩn xảy ra trong môi trường yên tĩnh, năng lượng tiêu hao ít

Nhược điểm: không thích hợp đối với nước thải có nồng độ chất rắn lơ lửng cao, phải có thiết bị tuyển nổi kín và bố trí cào cơ giới bên trong Cấu tạo phức tạp, quản

lý bảo dưỡng khó khăn

Tuyển nổi không áp lực

Không khí được dẫn vào ống hút máy bơm từ máy nén khí Hỗn hợp khí - nước được tạo thành trong máy bơm và được đẩy vào bể hở - kiểu bể lắng ngang Tại đây, không khí nổi lên và kéo theo chất bẩn lên mặt nước

Nhược điểm: khó điều chỉnh không khí và kích thước bọt khí lớn

Tuyển nổi áp lực

Nước thải được bơm lên thùng áp lực rồi vào ngăn tuyển nổi hở Không khí được dẫn vào ống hút của máy nén khí, qua bồn tạo áp do áp suất tăng lên không khí hòa tan nhiều vào nước

Ưu điểm: có thể điều chỉnh độ bão hòa trong một khoảng rộng với hiệu suất mong muốn Cho phép xử lý nước thải với nồng độ tạp chất lơ lửng tới 4 – 5 g/L và hơn nữa

Nhược điểm: phải bơm toàn bộ khối lượng nước thải, áp lực bơm bằng với áp suất khi thực hiện bão hòa Vì vậy biện pháp này chỉ sử dụng khi lưu lượng nước thải ít

Tuyển nổi với trạm bơm bằng khí nén

Nước được bão hòa không khí dưới áp lực cao rồi lại bị tách không khí ra hạ áp lực xuống như tuyển nổi áp lực

Ưu điểm: tiêu hao năng lượng ít hơn tuyển nổi áp lực và tuyển nổi phân tán cơ giới 2-4 lần

Nhược điểm: ngăn tuyển nổi phải đặt cao

Tuyển nổi điện phân

Tuyển nổi loại này có hệ điện cực đặt dưới đáy bể Dòng điện một chiều sẽ điện phân dung dịch nước thải tạo ra các bọt khí, những bọt khí này bám vào chất rắn lơ lửng tạo một lực đẩy hạt chất rắn nổi lên mặt nước tạo thành lớp váng và được loại

bỏ nhờ hệ thống thanh gạt váng (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Ưu điểm: không gây xáo trộn khi phóng thích các bọt khí, hiệu suất tuyển nổi cao

Có thể điều chỉnh lượng khí và thời gian lưu dễ dàng Lượng ô-xy sinh ra góp phần ô-xy hóa các chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải

Nhược điểm: đối với nước thải có độ nhớt cao các bọt khí (ô-xy, hy-đro, Clo) bị giữ lại dưới lớp váng gây sự cố trong vận hành Trong quá trình vận hành tiêu tốn năng lượng và phải thay điện cực

Tuyển nổi nhờ phân tán khí qua tấm xốp

Theo Hoàng Văn Huệ & Trần Đức Hạ (2002) không khí đi qua tấm xốp bọt khí nhỏ lại bám vào chất bẩn và đẩy nổi lên mặt nước

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, ít tốn điện năng và diện tích

Nhược điểm: lỗ xốp dễ bị nghẹt, khó chọn vật liệu cho lỗ rỗng giống nhau

Các phương pháp tuyển nổi khác

Ngoài những phương pháp trên, còn có một vài phương pháp tuyển nổi khác: tuyển nổi hóa học, sinh học và ion (Trần Hiếu Nhuệ, 2001)

Tuyển nổi hóa học: diễn ra các quá trình hóa học tạo ra các khí khác nhau O2, CO2,

Cl2,…Bọt của khí này có thể kết dính với các chất rắn lơ lửng không tan và nổi lên Tuyển nổi sinh học: dùng để nén bùn từ bể lắng đợt 1 khi xử lý nước thải sinh hoạt Nhờ vào hoạt động của vi sinh vật, các bọt khí tạo ra và lôi các hạt cặn nổi lên trên (Hoàng Văn Huệ & Trần Đức Hạ, 2002)

Tuyển nổi ion: cho không khí và chất hoạt động bề mặt vào nước thải, chất hoạt động trong nước sẽ tạo thành những ion có điện tích trái dấu với điện tích ion cần loại bỏ Không khí ở dạng bọt sẽ đưa chất hoạt động bề mặt cùng chất bẩn lên lớp bọt

Nghiên cứu này chỉ áp dụng trên bể tuyển nổi điện phân Do đó, chỉ có bể tuyển nổi điện phân là được trình bày chi tiết

2.3 TUYỂN NỔI ĐIỆN PHÂN

2.3.1 Khái niệm về tuyển nổi điện

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2000) tuyển nổi điện là phương pháp dựa trên cơ sở

sự điện ly của nước tạo thành những dòng khí rất nhỏ, các điện cực sử dụng được đặt ở đáy bể

Trịnh Lê Hùng (2006) cho rằng quá trình điện phân sinh ra các bọt khí, đó là do quá trình điện phân nước đi kèm tạo ra khí oxy và hyđro ở các điện cực anode và cathode Khi các bóng khí này nổi lên, gặp và kéo theo các hạt lơ lửng cùng nổi lên

bề mặt nước Khi sử dụng các điện cực hòa tan thì xảy ra đồng thời việc tạo bông keo tụ và các bọt khí, các bông sẽ nổi lên trên và có thể tuyển nổi được

Hình 2.3 Bể tuyển nổi điện phân (Trần Hiếu Nhuệ, 2001)

Các phản ứng xảy ra ở hai điện cực trong bể tuyển nổi điện phân:

2.3.2 Cơ chế quá trình tuyển nổi điện

Trong bể này có đặt một hệ thống các điện cực ở đáy bể Dòng điện một chiều sẽ điện phân dung dịch nước thải tạo nên các bọt khí Các bọt khí tạo thành trong quá trình điện phân nước sẽ nổi lên và bám vào các hạt chất rắn lơ lửng, tạo lực nâng chúng lên bề mặt tạo thành lớp váng để sau đó loại bỏ chúng bằng thanh gạt (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Ngoài ra, nếu trong nước thải chứa nhiều chất bẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ làm thay đổi thành phần và tính chất của nước Trạng thái các tạp chất không tan do các quá trình điện ly, phân cực, ô-xy hóa khử,…diễn ra Trong nhiều trường hợp quá trình đó có lợi cho xử lý nước thải và một số thì không

Cặn

Nước vào

Nước ra

Điện cực Ống thu bùn

nên cần điều khiển các quá trình đó để đạt hiệu suất xử lý một chất bẩn nào đó (Trần Hiếu Nhuệ, 2001)

2.3.3 Các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân

Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) các thông số ảnh hưởng đến thiết kế bể tuyển nổi điện phân là:

- Thời gian tuyển nổi xác định bằng thực nghiệm: 0,3 – 0,75 h

- Khoảng cách giữa hai tấm điện cực: 15 – 20 mm

- Chiều dày mỗi tấm điện cực: 6 – 10 mm

- Khoảng cách từ hai tấm điện cực ngoài cùng tới tường: 100 mm

Ngoài ra chiều cao của lớp nước công tác, chiều cao các điện cực cũng ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi

2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng hiệu suất quá trình tuyển nổi điện phân:

Kích thước và số lượng các bọt khí từ các bể tuyển nổi điện phân khoảng 100µm và

số lượng khoảng 106 bọt khí cho 1 cm3 Hiệu điện thế ở 10 V và cường độ dòng điện là 100 A/m2 đủ để tuyển nổi nước thải có nồng độ SS khoảng 10.000 mg/L

(Wang et al., 2010)

Hiệu quả xử lý của bể tuyển nổi điện phân cũng ảnh hưởng bởi thành phần hóa học của nước thải đầu vào, các loại nước thải chứa nhiều kim loại nặng, nhiều dầu mỡ thì hiệu suất xử lý sẽ cao

Theo Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) các yếu tố như: pH, loại chất điện phân, cường độ dòng điện, thời gian lưu cũng ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi điện phân

2.3.5 Quá trình tuyển nổi điện phân kết hợp keo tụ điện hóa

Phương pháp này có thể coi như là phương pháp kết hợp giữa keo tụ điện hóa và tuyển nổi, vì khi sử dụng các điện cực tan (sắt hoặc nhôm) thì ở anode sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại Kết quả sẽ có các cation kim loại (sắt hoặc nhôm) chuyển vào nước Những cation đó sẽ cùng nhóm hydroxyl tạo thành hydroxide là những chất keo tụ phổ biến trong thực tế xử lý nước thải (Trần Hiếu Nhuệ, 2001)

a Keo tụ - tạo bông

Keo tụ và tạo bông là quy trình xử lý có tầm quan trọng trong các hệ thống xử lý nước và nước thải, trong đó các chất rắn lơ lửng sẽ được tạo điều kiện kết lại với nhau tạo thành các bông cặn, đến khi đủ lớn sẽ lắng xuống và sau đó được loại bỏ ra ngoài bằng công đoạn lắng Sử dụng quá trình keo tụ - tạo bông có thể loại bỏ được các chất hữu cơ, kim loại nặng và có thể cải thiện được độ màu của nước thải (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2000) keo tụ tạo bông là phương pháp xử lý nước có

sử dụng hóa chất, trong đó các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn hơn và người

ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng hay tuyển nổi Bằng cách sử dụng quá trình keo tụ người ta có thể tách được hoặc giảm đi các thành phần có trong nước như: kim loại nặng, chất bẩn lơ lững, các ion PO43-, và

có thể cải thiện độ đục, độ màu của nước

b Keo tụ điện hóa

Keo tụ điện hóa là phương pháp điện hoá trong xử lý nước thải, trong đó dưới tác dụng của dòng điện các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+)vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold et al., 2004 trích dẫn lại theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Nghiên cứu của Holt et al, (2004) cho rằng keo tụ điện hóa là phương pháp giao

thoa của ba quá trình: điện hoá học, tuyển nổi điện phân và keo tụ

c Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Theo Babu et al,.(2006) phương pháp keo tụ điện hóa có những đặc điểm sau:

- Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện một chiều

- Các điện cực thường được sử dụng là nhôm hoặc sắt (có khả năng hòa tan tạo chất keo tụ) Tùy vào pH và tính chất nước thải ở từng điều kiện cụ thể để quyết định kim loại cho cực dương và cực âm

- Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành có liên hệ chặt chẽ với nhau

- Hệ điện cực đặt ngập trong nước để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa bọt khí và chất bẩn là tốt nhất

- Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước thải đầu vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần (theo mẻ)

- Phản ứng tạo chất keo tụ cần alkalinity, oxy thích hợp

d Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa

Mật độ dòng điện

Rincón (2011) cho rằng: mật độ dòng điện trực tiếp ảnh hưởng khả năng keo tụ và tốc độ sinh khí Ngoài ra, mật độ dòng điện cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình hòa tan kim loại làm thay đổi khối lượng các điện cực Hàm lượng kim loại hòa tan phụ thuộc vào số lượng điện đi qua trong bể

Mật độ dòng điện được tính bởi công thức:

Trong đó: i: mật độ dòng điện

I: cường độ dòng điện

S: diện tích bản điện cực

Một mối quan hệ đơn giản giữa mật độ dòng điện (A.cm-2) và số lượng các chất (M) hòa tan (g.Mcm-2) có thể được bắt nguồn từ định luật Faraday:

M =

F

It n

A

M: lượng chất được hình thành (g)

t: thời gian điện phân (s)

I: cường độ dòng điện (A)

n: hệ số tỷ trọng trao đổi của electron trong phương trình ô-xy hóa hoặc khử ở điện cực

F: điện tích của một mol electron, F=95600 (C/mol)

A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được (g)

Theo Babu et al,.(2006) điện năng tiêu thụ có thể được tính theo công thức:

Trong đó: E là điện năng tiêu thụ (Wh)

U là hiệu điện thế của dòng điện (V)

I là cường độ dòng điện (A)

Q là lưu lượng nước thải (m3/h)

Ảnh hưởng của độ dẫn điện

Theo Rincón (2011) khi độ dẫn điện thấp hiệu quả xử lý sẽ giảm Điều này sẽ gia tăng chi phí xử lý trong khi hiệu quả của điện cực bị hạn chế

Wang et al,.(2010) cho rằng trong quá trình xử lý để tăng tính dẫn điện của nước thì

nên thêm muối NaCl vào Vì bổ sung ion Cl- vào các phản ứng điện phân và làm giảm tác động bất lợi của một số ion khác CO32-, SO42- Sự hiện diện của 2 ion này

sẽ dẫn đến việc hình thành của các ion Mg2+ và Ca2+ và một số oxide làm giảm hiệu quả xử lý Ngoài ra, ion này còn có tác dụng khử trùng nước (Rincón, 2011)

Ảnh hưởng của vật liệu làm điện cực

Vật liệu làm điện cực trong quá trình này là kim loại có khả năng hòa tan như: Al,

Fe, Cu,… hoặc hỗn hợp của chúng Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu làm điện cực

Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản khi dùng nhôm (Al) làm anode cao hơn so với sử dụng sắt làm anode (Nguyễn Ngọc Anh và Nguyễn Minh Tùng, 2010)

Hiệu quả xử lý nước thải với việc sử dụng điện cực nhôm (Al) làm anode hiệu quả hơn so với sử dụng đồng (Cu) (Tumsri & Chavalparit, 2011)

e Ưu nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Rincón (2011) trích dẫn tài liệu của Rajeshwar và Ibanez (1997), đưa ra một số ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm

- Trong quá trình điện phân, các hạt keo có kích thước nhỏ và đồng nhất được tạo

ra, chúng dễ dàng di chuyển trong chất thải tạo điều kiện cho đông tụ Chuyển động như vậy tránh được rung động cơ học, nếu không kiểm soát được chuyển động này

sẽ phá hủy các chất đã được kết lại sau khi chúng hình thành

- Không bắt buộc dùng hóa chất khi vận hành Tuy nhiên cần theo dõi để thay điện cực do quá trình điện phân điện cực bị ăn mòn

- Hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ cao, hiệu suất lên đến 90% nếu hệ thống được thiết

kế tốt, tạo điều kiện cho quá trình xử lý sinh học sau

- Lượng điện tiêu thụ dễ dàng tính toán và kiểm soát

- Trong quá trình vận hành, không cần thường xuyên kiểm tra pH

- Thời gian phản ứng ngắn Tạo bùn ít hơn so với biện pháp thông thường

- Hiệu quả cao hơn các công nghệ khác

Nhược điểm

- Khí H2 tạo ra ở cực âm có thể ngăn chặn quá trình kết tủa của chất ô nhiễm

- Nồng độ các ion Al, Fe, có thể tăng lên trong nước thải

- Cần kiểm soát pH nếu sử dụng Al, Fe làm điện cực

- Các hydroxide không hòa tan được có thể bám lên các điện cực làm giảm hiệu quả

xử lý

- Chi phí đầu tư khá cao, mặc dù chi phí vận hành ít hơn so với những phương pháp khác

2.4 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG FENTON

2.4.1 Sơ lược về Hydroperoxit

Hydroperoxit có công thức phân tử là H2O2 có cấu tạo gấp khúc như hình 2.4

Ở điều kiện bình thường H2O2 tinh kiết là một chất lỏng không màu, sánh như nước đường, sôi ở 152,10C và hóa rắn ở -0,890C, tan trong nước theo bất cứ tỷ lệ nào nhờ liên kết hydro trong H2O2 và H2O Từ dung dịch nó tách ra dưới dạng hdrat tinh thể

H2O2.2H2O không bền với nhiệt (t0

nc = -520C) Trong phòng thí nghiệm người ta thường dùng H2O2 ở30%

Chất oxy hóa H2O2 là một chất oxy hóa mạnh hơn Clo và Kali permanganat (KMnO4) tuy nhiên khả năng oxy hóa của H2O2 không đủ mạnh để khoáng hóa hoàn toàn các chất ô nhiễm hữu cơ như đòi hỏi

2.4.2 Định nghĩa tác nhân Fenton

Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học công bố công trình nghiên cứu của tác giả J.H.Fenton, trong đó ông quan sát thấy khả năng phân hủy của H2O2 được gia tăng mạnh khi có mặt của các ion sắt Sau đó tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ được sử dụng làm tác nhân oxy hóa rất có hiệu quả cho nhiều chất hữu cơ khác nhau và được mang tên là “tác nhân Fenton” (Fenton Reagent)

Trong những năm về sau hệ xúc tác của Fenton được nghiên cứu rất mạnh và phát triển rộng hơn không những ở những dạng tác nhân cổ điển (H2O2/Fe2+) mà còn sử dụng những kim loại chuyển tiếp và các phức chất của chúng như: Fe (II), Fe (III),

Cu (I), Cr (II) và Ti (III) tác dụng với H2O2 để tạo gốc *OH được gọi là các tác nhân kiểu Fenton (Fenton – like Reagents)

Các quá trình Fenton

Hiện nay, phản ứng Fenton được chia làm các quá trình sau:

+ Quá trình Fenton đồng thể

+ Quá trình Fenton dị thể

+ Quá trình Fenton điện hóa

2.4.3 Những tác dụng của tác nhân Fenton trong xử lý ô nhiễm môi trường

Khi xử lý các sản phẩm dầu mỏ bị ô nhiễm, mức độ loại bỏ các chất như sau: Benzen (C6H6) là 82%, Clorofooc là trên 92%, Toluen là 78% trong điều kiện pH =

4 Ngoài ra khi nghiên cứu xử lý nước ngầm bị nhiễm các chất hữu cơ và vô cơ thì Fenton cũng tỏ ra có hiệu quả (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Để phân hủy chất ô nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm thì việc nghiên cứu áp dụng quá trình Fenton ở cấp độ phòng thí nghiệm đã cho thấy có hiệu quả cao, đặc biệt là các thuốc nhuộm hoạt tính (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005) Đối với xử lý nước bị ô nhiễm thuốc BVTV thì quá trình Fenton có thể khoáng hóa hoàn toàn 2,4-D và 2,4,5-T trong vòng 2 giờ bằng các tác nhân muối sắt II và H2O2

trong môi trường axit, với độ pH tối ưu trong khoảng 2,7 - 2,8 Năm 1999, Oturan

đã nghiên cứu áp dụng quá trình Fenton điện hóa để phá hủy các vòng thơm của thuốc diệt cỏ và hydroxyl hóa tạo thành các sản phẩm dây thẳng không độc hoặc ít độc hơn Các nghiên cứu này chứng tỏ quá trình Fenton cho phép loại dư lượng thuốc trừ cỏ trong nước bằng một công nghệ ít tốn kém, không gây ô nhiễm và cho hiệu quả cao (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Stefan et al (1996) đã nghiên cứu sự phân hủy axeton trong nước bằng tác nhân UV/

H2O2 với nồng độ axton từ 30 – 300 mg/L và liều lượng H2O2 thay đổi từ 100 – 300 mg/L Thí nghiệm cho thấy ở pH cao các sản phẩm phụ của quá trình phân hủy axeton như axit axetic, axit foocmic… đã cạnh tranh với gốc *OH và làm giảm mức

độ loại bỏ axeton (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Sử dụng đèn thủy ngân trung áp để tiến hành quang phân trực tiếp cũng như quang phân gián tiếp với sự có mặt của H2O2 Kết quả cho thấy khi quang phân trực tiếp hay gián tiếp thì các loại thuốc trừ sâu đều bị phân hủy Tuy nhiên nếu quang phân gián tiếp với H2O2 thì hiệu suất đạt cao hơn hiệu suất loại bỏ thuốc trừ sâu khỏi nước trên 80% (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

2.4.4 Cơ chế ta ̣o thành gốc hydroyl HO* và đô ̣ng ho ̣c các phản ứng Fenton

a Phản ứng giữa H 2 O 2 và chất xúc tác Fe 2+

Mặc dù tác nhân Fenton đã được biết hàng thế kỷ nay nhưng cơ chế của phản ứng Fenton cho đến nay vẫn còn đang tranh cãi, thâ ̣m chí có ý kiến trái ngược nhau Hê ̣

tác nhân Fenton cổ điển là mô ̣t hỗn hợp gồm các ion sắt hóa tri ̣ 2 (thông thường

dù ng muối FeSO4) và hydropeoxit H2O2, chú ng tác du ̣ng với nhau sinh ra gốc tự do

OH*, cò n Fe2+ bị oxi hóa thành Fe3+ theo phản ứng:

Fe2+ + H2O2 → Fe3 + OH* + HO- (1.1) Phản ứng trên được gọi là phản ứng Fenton do J.H Fenton là người đầu tiên đã

mô tả quá trình này Phản ứng Fenton đã tiếp tục được nghiên cứu bởi nhiều tác giả sau này, các nghiên cứu này cho thấy ngoài phản ứng trên là phản ứng chính thì trong quá trình Fenton còn có xảy ra các phản ứng khác Tổng hợp lại bao gồm:

số tốc độ k rất nhỏ so với phản ứng (1.2) vì vậy sắt tồn tại sau phản ứng chủ yếu ở

dạng Fe3+ Gốc tự do OH* sinh ra có khả năng phản ứng với Fe2+ và H2O2 nhưng quan trọng nhất là khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành các gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao, từ đó sẽ phát triển tiếp tục theo kiểu dây chuỗi:

OH* + Fe2+ → OH- + Fe3+ (1.8)

OH* + H2O2 → H2O + HO2* (1.9)

Các gốc R* có thể oxi hóa Fe2+, khử Fe3+ hoặc dimer hóa

Tuy nhiên đã nói ở trên cơ chế phản ứng Fenton, đă ̣c biê ̣t là sự ta ̣o thành các hợp chất trung gian cũng như sự hình thành gốc hydroxyl vẫn còn nhiều tranh cãi Các

sản phẩm trung gian có thể là phức chất Fe2+ H2O2 hydrat hóa và ion FeO2+ vì thuận lợi hơn về mă ̣t nhiê ̣t đô ̣ng và tác nhân oxi hóa khử là FeO2+ chứ không phải

gốc hydroxyl, mă ̣t khác Fe2+, H2O2 có thể tham gia trực tiếp vào quá trình oxi hóa Tuy nhiên tuyệt đa ̣i đa số đều nhất trí cao với cơ chế phản ứng Fenton xảy ra theo

các phản ứng (1.2) - (1.7) đã nêu trên và thừa nhâ ̣n vai trò của gốc hydroxyl ta ̣o ra trong phản ứng Fenton

b Phản ứng giữa H 2 O 2 và chất xúc tác Fe 3+

Phản ứng (1.3) xảy ra xem như phản ứng phân hủy H2O2 bằng chất xúc tác Fe3+ và tạo ra Fe2+ để sau đó tiếp tục xảy ra theo phản ứng (1.2) hình thành gốc hydroxyl theo phản ứng Fenton Tuy nhiên, tốc độ ban đầu của phản ứng oxy hóa bằng tác nhân H2O2/Fe3+ chậm hơn rất nhiều so với tác nhân Fenton H2O2/Fe3+ Nguyên nhân

vì trong trường hợp này Fe3+ phải được khử thành Fe2+ trước khi hình thành gốc hydroxyl Như vậy về tổng thể quá trình Fenton được xem như không phụ thuộc gì vào trạng thái hóa trị hai hay ba của các ion sắt

Các gốc hydroxyl OH* và perhydroxyl HO2 mớ i ta ̣o ra là những chất oxy hóa cực

mạnh và tồn ta ̣i trong mô ̣t thời gian rất ngắn Đă ̣c biê ̣t gốc hydroxylOH* là mô ̣t trong những chất oxy hóa mạnh nhất mà người ta từng biết đến và nó chỉ đứng sau flo mà thôi Gốc OH* có khả năng phá hủy mô ̣t số axit hữu cơ, các ancol, aldehyt, chất thơm, thuốc nhuộm v.v và tạo ra các chất không độc hại như phản ứng (1.6), như vậy sẽ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường

Phản ứng Fenton diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ khoảng 5 – 200C (nếu nhiệt độ quá cao H2O2 dễ phân hủy) và độ pH nhỏ hơn 3 (nếu cao hơn, Fe(III) sẽ kết tủa) Nói chung khi áp dụng quy trình phản ứng Fenton, nước thải cần có pH thấp để duy trì xúc tác sắt ở trong dung dịch, tạo điều kiện cho nó tham gia phản ứng Trong trường hợp nước thải có độ pH trung hòa, người ta phải dùng một số loại tạo chelat như EDTA, DTPA để duy trì xúc tác sắt ở trong dung dịch áp dụng nguyên lý phản ứng Fenton người ta có thể dùng nguồn ánh sáng cực tím hay dùng điện phân cùng kết hợp với H2O2.Trong thực tế để xử lý nước thải ô nhiễm người ta có thể dùng các bình phản ứng hay xử lý tại chỗ Trong trường hợp xử lý tại chỗ mà nước thải ngấm vào đất thì sau đó phải xúc bỏ phần đất nhiễm bẩn đi để tránh tình trạng các chất bẩn ngấm vào các mạch nước ngầm

Phương pháp xử lý sử dụng phản ứng Fenton đạt hiệu quả phá hủy chất ô nhiễm rất cao, đạt khoảng 94%, trong trường hợp kết hợp với việc điện phân mức phá hủy có thể đạt mức 68 - 97% đối với các chất polyclo-biphenyl và 94 - 99% đối với các chất hữu cơ dễ bay hơi

2.4.5 Như ̃ng nhân tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton

a Ảnh hươ ̉ ng của độ pH

Trong các phản ứng Fenton, độ pH ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và nồng độ

Fe2+ từ đó ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ Trong dung dịch có pH từ 2 - 7 các phần tử Fe(II) sẽ nằm dưới dạng Fe2+

(có hoạt tính phóng xạ)(aq); đối với các phần tử Fe(III), ở pH < 3 chúng sẽ nằm dưới dạng Fe3+ (aq) và khi pH gần đến sát 3 là dạng Fe(OH)2+ (aq) và khi 3 < pH <

7 chúng ở dạng Fe(OH)2+ (aq) Do đó trong môi trường axit sẽ rất thuận lợi cho quá trình tạo gốc hydroxyl tự do OH* theo phản ứng sau:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH* + OH-

Trong môi trờng pH cao quá trình kết tủa Fe3+ nhanh hơn quá trình khử của phản ứng: Fe2+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + H2O* làm giảm nguồn ta ̣o ra Fe2+và thành yếu tố hạn chế tốc độ của phản ứng Qua nhiều nghiên cứu cho thấy phản ứng Fenton xảy

ra thuận lợi khi pH từ 3 - 5, đạt tốc độ cao nhất khi pH nằm trong khoảng hẹp trên dưới 3, và hiệu quả càng giảm dần khi pH tăng Như đối với benzen hiệu suất xử lý sau 5 giờ ở pH = 3 là khoảng 95%, ở pH = 5 là khoảng 35% và ở pH = 6 khoảng 20%

Hình 2.5 Ảnh hưởng của pH đến sự phân huỷ benzen trong hệ thống Fenton ∆ pH =

3, □ pH = 5, × pH = 6, ▲ pH = 7 (Nguồn: Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

b Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe 2+ /H 2 O 2 và loại ion Fe (Fe 2+ hay Fe 3+ )

Tốc độ phản ứng phân huỷ các chất ô nhiễm trong hệ thống Fenton tăng khi tăng nồng độ H2O2, tuy nhiên nồng độ H2O2 lại phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm

cần xử lý và được đặc trưng bằng chỉ số COD Mặt khác theo phương trình (1.2) cho thấy tỉ thức phân tử của ion Fe2+ và H2O2 bằng 1, nhưng trong thực tế thì không theo đúng tỉ lê ̣ này Ion Fe2+ và H2O2 không chỉ tham gia phản ứng 1 ta ̣o ra

hốc OH* mà còn tham gia các phản ứng (1.4), (1.5) kết quả là làm tiêu hao gốc OH* vừ a ta ̣o ra, do đó tỉ lê ̣ Fe2+/H2O2 có ảnh hưởng lớn đến viê ̣c hình thành và phân hủ y các gốc OH* chính vì vậy tồn tại một tỉ lệ tối ưu khi sử dụng Tỉ lệ tối ưu này nằm trong một khoảng rộng từ (0.3 - 1)/10 mol/mol tuỳ thuộc vào chất ô nhiễm cần xử lý và được xác định bằng thực nghiệm Việc sử dụng ion Fe2+ hay

Fe3+ không ảnh hưởng gì đến tác dụng xúc tác cho phản ứng Fenton Tuy nhiên theo kinh nghiệm thực tế khi sử dụng H2O2 với liều lượng thấp (<10-15 mg/l) nên

sử dụng Fe2+ sẽ tốt hơn

c Ảnh hưởng của các anion vô cơ

Một số anion vô cơ thường có trong nước ngầm và nước thải cũng có thể làm giảm hiệu quả của quá trình Fenton, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm do trong quá trình nhuộm sử dụng nhiều chất trợ có nguồn gốc vô cơ Những anion vô cơ thường gặp nhất là các ion cacbonat (CO32-), bicacbonat (HCO3- ), ion (Cl-) Những ion này go ̣i chung là các gốc ăn hydroxyl vì chúng tham gia phản ứng với gốc hydroxyl OH*

làm giảm khả năng tiến hành phản ứng oxy hóa hoặc cũng có thể tạo thành những phức chất không hoạt động với Fe(III) như: các gốc sunfat (SO42-), nitrat (NO3- ), photphat (H2PO4-) cũng làm hiệu quả của quá trình Fenton giảm đi Phản ứng của một số gốc thường gặp trong hệ thống Fenton:

OH* + CO32- = CO3* + OH- (k = 4.2×108 M-1s-1) OH* + HCO3- = HCO3* + OH- (k = 1.5×107 M-1s-1) OH* + Cl- = ClOH- (k = 4.3×109 M-1s-1)

Ta thấy rằng hằng số tốc đô ̣ phản ứng giữa OH* và ion cacbonat lớn hơn nhiều so

vớ i ion bicacbonat, vì vậy khi tăng pH cân bằng của cacbonat - bicacbonat sẽ chuyển dịch theo hướng tạo thành cacbonat, gây bất lợi cho phản ứng oxi hoá nâng cao Trong khi đó, axit H2CO3 không phải là chất ăn hidroxyl, vì vậy trong trường hợp nếu độ kiềm cao, bằng cách chỉnh pH sang môi trường axit để chuyển cân bằng cacbonat - bicacbonat từ cacbonat (ăn hidroxyl) sang axit H2CO3 (không ăn hidroxyl) sẽ có thể loại bỏ tác dụng kìm hãm tốc độ phản ứng của các ion cacbonat

và bicacbonat Nói chung, các ion clorua, cacbonat và bicacbonat thường có ảnh hưởng kìm hãm tốc độ phản ứng nhiều nhất, trong khi đó các ion sunfat, phosphat hay nitrat có ảnh hưởng ở mức độ thấp hơn

2.5 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

2.5.1 Bản chất của quá trình xử lý sinh học

Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước Tất cả các chất hữu cơ có trong tự nhiên và nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo là nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật Vi sinh vật có thể phân hủy chúng hoàn toàn hoặc không hoàn toàn Quá trình xử

lý sinh học nước thải nhằm khử các chất bẩn hữu cơ (BOD hoặc COD hoặc TOC), trát hóa, khử ni-trát, khử phốt-pho và ổn định chất thải nhờ quá trình chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành pha khí và thành vỏ của tế bào vi sinh vật tạo ra các bông bùn cặn sinh học và loại các bông bùn cặn sinh học này ra khỏi nước thải (Nguyễn Văn Phướ c, 2007)

ni-Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: Quá trình xử lý nước thải dựa trên sự ô-xy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ ô-xy tự do hòa tan Nếu ô-

xy được cấp bằng thiết bị hoặc nhờ cấu tạo công trình, thì đó là quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo Ngược lại nếu ô-xy được vận chuyển và hòa tan trong nước nhờ các yếu tố tự nhiên thì đó là quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên Các công trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo thường được dựa trên nguyên tắc hoạt động của bùn hoạt tính hoặc màng sinh vật

Xử lý hiếu khí trong điều kiện tự nhiên thường được tiến hành trong hồ hoặc trong đất ngập nước (Trần Đức Hạ, 2002)

Quá trình xử lý sinh học thực chất là tách các chất ô nhiễm ra khỏi môi trường nước hoặc chuyển hóa chúng thành các chất không độc hay ít độc hơn Quá trình sinh hóa cung cấp năng lượng để xây dựng tế bào và duy trì hoạt động, tức là để chúng phát triển và tồn tại (Lê Văn Cát, 2007)

2.5.2 Điều kiện của nước thải cần đưa vào xử lý sinh học

Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải một số ngành công nghiệp (thực phẩm, thủy sản, chế biến nông sản, lò mổ, chăn nuôi,… và có thể cả công nghiệp giấy) có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan gồm carbohydrate, protein và các hợp chất chứa N phân hủy từ protein, các dạng chất béo,… cùng một số chất vô cơ như H2S, các sulfide, ammonia và các hợp chất chứa N khác… có thể đưa vào xử lý theo phương pháp sinh học (Nguyễn Văn Phướ c, 2007)

2.5.3 Các quá trình sinh trưởng trong xử lý sinh học

Các quá trình sinh trưởng trong xử lý sinh học bao gồm quá trình sinh trưởng lơ lửng

và quá trình sinh trưởng dính bám Quá trình sinh trưởng lơ lửng như bể bùn hoạt tính

ở điều kiện hiếu khí (làm thoáng khí, sục hay thổi khí và khuấy đảo) và các loại bể yếm khí theo kiểu tăng trưởng lơ lửng Quá trình sinh trưởng dính bám bao gồm màng sinh học ở điều kiện hiếu khí và điều kiện kỵ khí (Nguyễn Văn Phướ c, 2007)

2.6 ĐĨA QUAY SINH HỌC HIẾU KHÍ

2.6.1 Sơ lược về đĩa quay sinh học hiếu khí

Đĩa tiếp xúc sinh học (Rotating Biological Contactor - RBC) hiếu khí đầu tiên được lắp đặt ở Tây Đức vào năm 1960, sau đó du nhập sang Mỹ (Lê Hoàng Việt & Nguyễn

Võ Châu Ngân, 2014)

Theo Kadu & Rao (2012) ví dụ đầu tiên của việc sử dụng đĩa quay sinh học để xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí được dẫn chứng bằng tài liệu năm 1928 Tính khả dụng của polystyrene đánh dấu bước khởi đầu sự thương mại hóa đĩa quay sinh học Hiện nay, có vài mẫu thiết kế khác nhau sẵn có trên toàn thế giới tùy thuộc vào yêu

cầu cụ thể Hơn 16% các hệ thống xử lý nước thải ở Thụy Sỹ và gần 31% các đơn vị

xử lý nhỏ cho cộng đồng 5.000 người cũng là các đĩa quay sinh học

Một hệ thống xử lý nước thải lớn ở Mỹ sử dụng đĩa quay sinh học là Asheville, phía Bắc Carolina đã dùng 152 đĩa quay sinh học, mỗi đĩa dài 8m và có đường kính 3m xử lý lên đến 150.000m3/ngày của nước thải sinh hoạt Một ví dụ khác

là tại Peoria, Illinois dùng 84 đĩa quay sinh học, mỗi đĩa dài 8m và có đường kính 3m để loại bỏ ammonia có công suất là 140.000m3/ngày (Theo Steven & Williams, 2011)

Cortez et al (2008) trích dẫn của Ware et al (1990) cho thấy các hệ thống đĩa

quay sinh học đã có các cải tiến so với các dạng thiết kế ban đầu Hiện nay đã có nhiều sự biến đổi từ các đĩa dạng phẳng đơn giản cho đến dạng lồng để gia tăng diện tích tiếp xúc trên một đơn vị thể tích Tuy nhiên môi trường hỗ trợ có nhiều phức tạp và giá thành gia tăng Giá thể sử dụng cho đĩa quay sinh học sản xuất từ Styrofoam, các tấm polycarbonate hay polyethylene mật độ cao (HDPE) và những vật liệu khác

2.6.2 Cấu tạo của đĩa quay sinh học

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) đĩa quay sinh học gồm có các

bộ phận sau:

Trục quay: trục quay dùng để gắn kết các đĩa sinh học bằng plastic và quay chúng quanh trục Trục có thể hình tròn, hình vuông hay bát giác Chiều dài tối đa của trục quay là 8,23 m trong đó 7,62m dùng để gắn các đĩa sinh học Các trục quay ngắn hơn biến thiên từ 1,52 - 7,62m Cấu trúc, đặc điểm của trục quay và cách gắn các đĩa sinh học vào trục phụ thuộc vào cơ sở sản xuất

Hình 2.6 Cấu tạo chính của đĩa quay sinh học

(Nguồn: http://www.metal.ntua.gr/~pkousi/elearning/bioreactors/page_16.htm )Đĩa sinh học: được sản xuất từ PE, HDPE (có thêm chất chống tia UV), polystyrene, PVC hay tấm polycarbonate, có nhiều nếp gấp để tăng diện tích bề mặt Tùy theo diện tích bề mặt người ta chia làm 3 loại: loại có diện tích bề mặt thấp (9.290m2/8,23m trục), loại có diện tích bề mặt trung bình và loại có diện tích bề mặt

cao (11.149 – 16.723m2/8,23m trục)

Thiết bị truyền động: để quay các đĩa sinh học người ta có thể dùng mô-tơ truyền động gắn trực tiếp với trục hoặc dùng bơm nén khí Trong trường hợp dùng bơm nén khí, các đầu phân phối khí đặt ngầm trong bể, thổi khí vào các chiếc tách hứng khí tạo thành lực đẩy làm quay đĩa sinh học Bơm nén khí vừa quay đĩa vừa cung cấp thêm ô-

xy cho quá trình Cả hai loại này đều có độ tin cậy cao

Bể chứa đĩa sinh học: có thể tích 45,42m3 cho 9.290m2 đĩa sinh học, lưu lượng nạp 0,08m3/m2*ngày, thông thường độ sâu của nước là 1,52m và 40% diện tích đĩa sinh học ngập trong nước thải

Mái che: mái che có thể làm bằng tấm sợi thủy tinh, có nhiệm vụ bảo vệ đĩa sinh học khỏi bị hư hại bởi tia UV và các tác nhân vật lý khác, giữ nhiệt cần thiết cho quá trình, khống chế sự phát triển của tảo Nếu mái che đậy kín bể cần phải có ống thông khí và thiết bị xử lý khí thải

2.6.3 Ca ́ ch đă ̣t đi ̃a quay sinh ho ̣c bào bể

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) đĩa quay sinh học hiếu khí được đặt ngập một phần trong nước thải, độ sâu ngập nước của các đĩa là 35 – 40% (đối với loại truyền động bằng mô-tơ), hay từ 70 – 90% (đối với loại truyền động bằng sục khí)

Hình 2.7 Đặt đĩa quay sinh học theo 2 kiểu truyền động

(Nguồn: Metcalf & Eddy, 2003; trích lại từ Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Theo Kadu & Rao (2012), mức độ ngập nước của đĩa quay sinh học từ 40 – 42% là tối ưu cho tất cả các giai đoạn và cho kết quả xử lý nước thải tốt nhất

2.6.4 Cơ chế hoa ̣t đô ̣ng của đĩa quay sinh ho ̣c hiếu khí

Theo Lương Đức Phẩm (2007) khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với ô-xy khi ra khỏi nước thải Đĩa quay được nhờ mô-tơ hoặc sục khí Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với

phân hủy nhanh

Theo Steven & Williams (2011) trong suốt quá trình xử lý, các vi sinh vật loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải (bằng cách dùng chất hữu cơ như nguồn thức ăn) bám vào

bề mặt đĩa, chúng sinh trưởng trên một lớp màng sinh học mỏng, bề dày lớp màng được điều chỉnh bởi lực xé khi đĩa quay sinh học quay trong nước Khi quay, phần đĩa quay không ngập trong nước tiếp xúc với không khí, tạo điều kiện cho các vi sinh vật trên đĩa được cung cấp ô-xy Các vi sinh vật còn thừa bị xé ra khỏi đĩa cùng với nước thải đi đến bể lắng để tách phần nước thải đã xử lý Các chất rắn lắng xuống dưới đáy bể lắng thông thường được sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo đất Theo Lương Đức Phẩm (2007) yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hoạt động của đĩa quay sinh học là lớp màng sinh học Khi bắt đầu vận hành các vi sinh vật trong nước bám vào vật liệu và phát triển ở đó cho đến khi tất cả các vật liệu được bao bởi lớp màng nhày dày chừng 0,16 – 0,32cm Sinh khối bám chắc vào đĩa quay sinh học tương tự như ở màng lọc sinh học

Vi sinh vật trong màng bám trên đĩa gồm các vi khuẩn kị khí tùy nghi như:

Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, các vi sinh vật hiếu khí

như: Bacillus thì thường có ở lớp trên của màng Khi thiếu khí hoặc yếm khí thì tạo thành lớp màng vi sinh vật mỏng và gồm các chủng vi sinh vật yếm khí như:

Desulfovibrio và một số vi khuẩn sun-fua Trong điều kiện yếm khí vi sinh vật

thường tạo mùi khó chịu Nấm và các vi sinh vật hiếu khí phát triển ở lớp màng trên,

và cùng tham gia vào việc phân hủy các chất hữu cơ Sự đóng góp của nấm chỉ quan trọng trong trường hợp pH nước thải thấp, hoặc các loại nước thải công nghiệp đặc biệt, vì nấm không thể cạnh tranh với các loại vi khuẩn về thức ăn trong điều kiện bình thường Tảo mọc trên bề mặt lớp màng vi sinh vật làm tăng cường sức chịu đựng

CO2 của lớp màng sinh học

2.6.5 Ca ́ c da ̣ng bố trí đĩa quay sinh ho ̣c trong hê ̣ thống xử lý

Trần Đức Hạ gọi đĩa quay sinh học là đĩa lọc sinh học Theo Trần Đức Hạ (2002) đĩa lọc sinh học được bố trí thành dãy nối tiếp quay đều trong bể chứa nước thải

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống đĩa lọc sinh học (Trần Đức Hạ, 2002)

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) một quy trình xử lý nước thải

có khâu xử lý thứ cấp là đĩa quay sinh học được trình bày qua Hình 2.7

Hình 2.9 Sơ đồ một hệ thống xử lý nước thải bằng đĩa quay sinh học

(Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014) Nước thải sau quá trình xử lý sơ cấp để loại chất rắn được đưa vào bể chứa đĩa quay sinh học, các đĩa quay sẽ quay tròn quanh trục của nó, bề mặt đĩa sẽ tiếp xúc nước thải khi nằm trong nước và tiếp xúc với ô-xy trong không khí khi nó xoay lên trên, các đĩa này được truyền động bằng mô-tơ hay bằng khí nén Vi khuẩn sẽ lấy ô-xy phân hủy chất hữu cơ, ni-trát hóa nước thải chủ yếu theo con đường hiếu khí bằng các phản ứng giống như ở bể bùn hoạt tính Nước thải sau khi qua đĩa quay sinh học được đưa qua bể lắng thứ cấp

2.6.6 Ca ́ c yếu tố cần lưu ý khi thiết kế đĩa quay sinh ho ̣c hiếu khí

Diện tích bề mă ̣t của đĩa

Tính toán và lựa chọn đủ diện tích bề mặt của đĩa để đạt hiệu quả xử lý mong muốn hết sức quan trọng Tuy nhiên thông số này còn liên quan đến tải nạp nước, tải nạp chất hữu cơ, hiệu quả chuyển hóa ô-xy trong hệ thống và việc bố trí các giai đoạn của

bể Bố trí hệ thống với nhiều giai đoạn sẽ giảm được diện tích đĩa cần thiết so với hệ thống chỉ có một giai đoạn (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

pH và dưỡng chất

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) đĩa quay sinh học hoạt động tốt trong khoảng pH tương đối hẹp Đối với những hệ thống dùng để ni-trát hóa, tốc

độ ni-trát hóa giảm nhanh khi pH giảm từ 7 xuống 6 Theo Lương Đức Phẩm (2007)

pH tối ưu cho đĩa quay sinh học là 6,5 – 7,8, khi để ô-xy hóa các chất carbohydrate

Bể điều

Đĩa quay sinh học

Bể lắng

Hoàn lưu

Đường đi của nước Đường đi của bùn

Xử lý bùn

Bể khử trùng Nước thải

đầu ra

thì pH thích hợp là 8,2 – 8,6 Để ni-trát hóa, pH tối ưu khoảng 7,2 – 7,8

Tỉ lệ dưỡng chất phù hợp cho đĩa quay sinh học vẫn là 100:5:1 như các loại hình xử lý hiếu khí khác (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Tố c đô ̣ quay

Theo Cortez et al (2008) tốc độ quay là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến

các dưỡng chất, việc trao đổi ô-xy trên lớp màng sinh học và việc loại bỏ cơ chất

Cortez et al (2008) trích dẫn tài liệu của Israni et al (2002) cho thấy thông

thường, việc tăng tốc độ vòng quay làm tăng hàm lượng ô-xy hòa tan sẵn có đối với

vi sinh vật và do đó, chúng có khả năng phân hủy cơ chất tại tải nạp cao hơn Ngoài ra

Cortez et al (2008) còn trích dẫn các tài liệu của Ramsay et al (2006) để thấy rằng

việc tăng tốc độ quay còn làm tăng điện năng tiêu thụ, điều này không khả thi kinh tế cho việc ứng dụng vào xử lý nước thải

Bên cạnh đó, nếu tốc độ quay tăng quá cao vi sinh vật sẽ bị bong tróc ra khỏi giá thể, làm giảm chất lượng nước thải đầu ra và làm giảm tốc độ phân hủy sinh học trong bể Theo Trần Đức Hạ (2002) tốc độ quay của đĩa từ 1 – 2 vòng/phút và đảm bảo dòng chảy rối, không cho bùn cặn lắng lại trong bể nước thải

Tải na ̣p nước

Theo Cortez et al (2008) hiệu suất xử lý của đĩa quay sinh học có liên quan đến tải

nạp nước Việc gia tăng lưu lượng dòng chảy làm giảm thời gian lưu nước trong hệ thống và kết quả là làm giảm hiệu suất xử lý

Cortez et al (2008) trích dẫn tài liệu của Hoccheimer & Wheaton (1998) cho thấy

tải nạp nước biến thiên tùy thuộc theo thiết kế, loại cơ chất bị loại bỏ và hàm lượng nước thải đầu ra mong muốn đạt được

Tải nạp nước điển hình đề nghị cho đĩa quay sinh học là 1.292–6.833 dm3/m2*giờ

(Tchobanoglous & Burton, 1991 trích dẫn lại, trong Cortez et al., 2008)

Tải na ̣p chất hữu cơ

Cortez et al (2008) trích dẫn tài liệu của Najafpour et al (2005) cho thấy tải nạp

chất hữu cơ bị thay đổi khi thay đổi lưu lượng nước chảy vào hay thay đổi thời gian lưu nước (HRT), kết quả là làm thay đổi tải nạp nước

Các vấn đề mùi thường xảy ra do tải nạp chất hữu cơ quá mức, đặc biệt ở giai đoạn đầu vì BOD hòa tan thường được sử dụng nhanh nhất ở giai đoạn đầu của hệ thống đĩa quay sinh học Hầu hết những nhà sản xuất thiết bị của đĩa quay sinh học đều định rõ tải nạp BOD hòa tan cụ thể từ 12 – 20 gSBOD/m2*ngày cho giai đoạn đầu (Metcalf & Eddy, 1991)

Thờ i gian lưu nước

Cortez et al (2008) trích dẫn tài liệu của Costley & Wallis (2000) cho thấy thời

gian lưu nước quá thấp làm tốc độ loại bỏ chất hữu cơ thấp, mặt khác nếu thời gian lưu nước quá dài không khả thi về kinh tế Để một hệ thống sinh học có thể cạnh tranh với các phương pháp xử lý cơ học và hóa học truyền thống, cần phải xác định

thời gian lưu nước thích hợp ngắn nhất kết hợp với tốc độ loại bỏ hiệu quả nhất

Tốc đô ̣ chuyển ô-xy

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) tốc độ chuyển hóa ô-xy trong

hệ thống phải được duy trì đủ tạo điều kiện hiếu khí cho bể Nếu tải nạp chất hữu cơ cao hơn tốc độ chuyển hóa ô-xy sẽ gây ra một số vấn đề về vận hành như mùi hôi, sự phát triển của một số sinh vật không mong đợi

Để giải quyết vấn đề về tốc độ chuyển hóa ô-xy, người ta tăng vận tốc quay của đĩa hay cung cấp thêm ô-xy bằng khí nén, nồng độ DO ở giai đoạn một phải được duy trì

ở mức lớn hơn hoặc bằng 2 mg/L (Nowak, 2000 trích dẫn lại, trong Cortez et al.,

2006)

2.6.7 Ưu điểm va ̀ nhươ ̣c điểm của đi ̃a quay sinh ho ̣c hiếu khí

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) ưu điểm và nhược điểm của đĩa quay sinh học hiếu khí được trình bày trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Các ưu và nhược điểm của RBC

Diện tích đất cần tương đối thấp;

Dễ xây dựng và mở rộng;

Vận hành và kiểm soát quy trình dễ dàng;

Chi phí vận hành và năng lượng thấp (chỉ

tiêu thụ khoảng 50% năng lượng so với bể

bùn hoạt tính);

Thời gian tồn lưu nước ngắn;

Thời gian tồn lưu tế bào cao;

Hiệu quả trao đổi ô-xy cao;

SVI thấp; không cần hoàn lưu bùn;

Không xảy ra vấn đề về mùi và ruồi;

Có khả năng chịu sốc tải nạp và độc tố;

Cấu trúc thành từng module nên

thuận lợi cho việc nâng cấp hệ