CÔNG NGHỆ NANO TRONG xử lý nước THẢI có CHỨA KLN

Theo Bộ Xây dựng, tính đến thời điểm tháng 22011, Việt Nam hiện có 256 khu công nghiệp và 20 khu kinh tế đã được thành lập. Bên cạnh việc phát triển kinh tế, con người đã quan tâm hơn tới vấn đề bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, hoạt động này chỉ dừng lại ở một mức độ nhất định, đặc biệt vấn đề xử lý chất thải ở các khu công nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu là do lượng khu công nghiệp lớn và thường xuyên xả chất thải không qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để ra môi trường. Lượng chất thải này bao gồm nhiều thành phần như vô cơ, hữu cơ và đặc biệt là kim loại nặng. Một phần kim loại nặng này nằm trong nước thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trường nước. Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và sinh vật sống.

CÔNG NGHỆ NANO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ CHỨA KLN

I MỞ ĐẦU.

1 Lý do chọn đề tài

Theo Bộ Xây dựng, tính đến thời điểm tháng 2/2011, Việt Nam hiện có 256 khu công nghiệp và 20 khu kinh tế đã được thành lập Bên cạnh việc phát triển kinh tế, con người đã quan tâm hơn tới vấn đề bảo vệ môi trường Tuy nhiên, hoạt động này chỉ dừng lại ở một mức độ nhất định, đặc biệt vấn đề

xử lý chất thải ở các khu công nghiệp Nguyên nhân chủ yếu là do lượng khu công nghiệp lớn và thường xuyên xả chất thải không qua xử lý hoặc

xử lý chưa triệt để ra môi trường Lượng chất thải này bao gồm nhiều thành phần như vô cơ, hữu cơ và đặc biệt là kim loại nặng

Một phần kim loại nặng này nằm trong nước thải, chúng xâm nhập và gây ô nhiễm môi trường nước Phần còn lại tích lũy trong đất, đi vào chuỗi thức

ăn và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và sinh vật sống

Việt Nam là một trong 5 nước sẽ chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng Theo tính toán của các chuyên gia nghiên cứu biến đối khí hậu, đến năm 2100, nhiệt độ trung bình ở Việt Nam có thể tăng lên 30ºC và mực nước biển có thể dâng cao 1m Theo đó, khoảng 40 nghìn km2 đồng bằng ven biển Việt Nam sẽ bị ngập Nước biển dâng cao hơn sẽ làm cho nhiều vùng đồng bằng nước ngọt hiện nay trở thành vùng nước lợ, hàng triệu người sẽ có nguy cơ bị mất chỗ ở, từ đó làm gia tăng sức ép lên

sự phát triển của các vùng lân cận, làm thay đổi chế độ thủy văn dòng chảy

và gây áp lực đến 90% diện tích ngập nước Vì vậy, tiết kiệm nguồn nước ngọt đang là vấn đề cần thiết được đặt ra vào thời điểm này

Được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại Với rất nhiều triển vọng ứng dụng, những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ 1nm=10-9m đã mở đường cho một xu hướng phát triển mới của tương lai

Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bước tiến vượt bậc Đó là

sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi sâu vào trong cơ thể, đến từng

tế bào để hàn gắn, chữa bệnh cho các mô xương bị gãy và thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh đang ở trong cơ thể Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong điều trị ung thư và trong các xét nghiệm chuẩn đoán bệnh Các nhà khoa học Mỹ đã đưa ra ý tưởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng Cách làm này giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lượng lớn gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay

Ngoài ra công nghệ nano còn được ứng dụng trong làm sạch môi trường Một trong những ứng dụng của công nghệ nano đó là dùng để chế tạo các thiết

bị, chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử nước đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm Đặc biệt, công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn trong các công nghệ hiện tại Trên cơ sở đó, nhóm chúng em đã tiến nghiên cứu đề tài “công nghệ nano trong xử lý nước thải

có chứa kim loại nặng”

2 Các khái niệm

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (1 nm = 10−9 m) Đối tượng của Công nghệ Nano là vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet, chia thành 3 trạng thái là rắn, lỏng

và khí

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3 So với

môi trường đất và không khí thì nước là môi trường có khả năng phát tán KLN đi xa và rộng nhất Nguồn nước có chứa KLN nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng bị nhiễm KLN, và đất trồng cây cũng bị ô nhiễm KLN Do đó, KLN trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể người thong qua con đường ăn uống

II ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC THẢI CÓ CHỨA KLN & HIỆN TRẠNG

HIỆN NAY.

1 Ảnh hưởng của nước thải chứa kim loại nặng

Kim loại nặng trong nước thường ít tham gia vào quá trình sinh hóa mà thường tích lũy trong cơ thể của sinh vật Chúng là những nguyên tố vi lượng cần thiết nhưng nếu vượt quá giới hạn cho phép thì sẽ là các nguyên

tố độc hại đối với các động vật thủy sinh và con người

- Gây mất cân bằng sinh thái làm suy giảm nhiều quẩn thể sinh vật

- Kim loại nặng tương tác làm biến đổi nội bào hình thành nên những enzim phân hủy protein, tăng khả năng tổng hợp protein dị thường

- Khả năng tích tụ các kim loại nặng của sinh vật sống trong nước cao, gây nguy cơ cho sức khỏe của người tiêu thụ chúng thông qua chuỗi thức ăn

2 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam

QCVN40:2011 BTNMT: quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp

KLN Cột A(dành cho mục

đích sinh hoạt) mg/l

Cột B(không dùng cho mục đính sinh hoạt)mg/l

Mn 0.5 1

- Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng dòng xả nước thải xả ra môi trường 73% số doanh nghiệp xả nước thải không đạt tiêu chuẩn, do không

có các công trình và thiết bị xử lý nước thải Có 60% số công trình xử lý nước thải hoạt động vận hành không đạt yêu cầu Nước thải hiện thời chưa được phân loại

- Tình trạng ô nhiễm nước rõ ràng nhất là ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dương và các thành phố, thị xã lớn tại Hà Nội, hầu như các chất thải sinh hoạt và công nghiệp đều không được xử lý Trong số 82 khu công nghiệp mới, chỉ khoảng 20 khu công nghiệp có trạm xử lý nước thải tập trung Đó là các trạm xử lý nước thải tại Khu Công nghiệp Bắc Thăng Long, Khu Công nghiệp Nội Bài ở Hà Nội; Khu Công nghiệp Nomura ở HảiPhòng, Khu Công nghiệpViệt Nam - Singapo ở Bình Dương,

- Tại TP Đà Nẵng (theo đánh giá hiện trạng môi trường năm 2005) tại khu vực cửa sông Cu Đê, cửa sông Phú Lộc hàm lượng Hg vượt tiêu chuẩn cho phép 0.08-0.56 lần

III QUY TRÌNH XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ NANO.

- Bước 1: Lọc thô

Nước thải trước khi được xử lí sẽ được lọc thô loại bỏ rác thải Nước thải được tách rác nhừ các thiết bị lược rác thô đặt trong hệ thống dẫn nước

- Bước 2: Bể điều hòa

Nước sau khi lọc rác được chuyển qua bể điều hòa Tại đây, nước thải được hòa trộn với vật liệu tổ hợp nano kim loại hóa trị 0 bằng hệ thống bơm định lượng Bể điều hòa được cung cấp khí oxy cho quá trình phản ứng bằng máy thổi khí chuyên dụng, tạo sự xáo trộn nước thải, tránh hiện tượng lắng cặn trong bể, giảm phát sinh mùi hôi

Tại đây, các phân từ hữu cơ, vô cơ độc hại sẽ được phân hủy, điều chỉnh lại độ pH

- Bước 3: Bể hòa trộn

Giai đoạn xử lý tiếp theo, nước được chuyển từ bể điều hòa sang bể hòa trộn Tại đây diễn ra các giai đoạn: Keo tụ, lắng

- Bước 4: Bể sục.

Tại đây nước được hòa trộn với chlorine để tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật gây bệnh còn sót lại trong nước

- Bước 5: Bể lắng thứ cấp

Nước sau khi qua bể sục sẽ được đưa sang bể lắng giúp loại bỏ những cặn bẩn còn sót lại Bùn tại đáy bể sẽ được ép khô và loại bỏ theo quy định

Xử lý nước thải bẳng công nghệ Nano là một trong những hình thức xử lý nước thải hiện đại, hiệu quả nhất hiện nay

 1 ví dụ về công nghệ nano trong xử lý nước thải chứa KLN: Hệ thống xử lý

nước tại Nhà máy xử lý nước thải khu công nghiệp Thạch Thất - Quốc Oai áp dụng công nghệ sử dụng vật liệu tổ hợp nano kim loại hóa trị 0 trên nền vật liệu nano sắt 0 (NZVI)

Nước thải từ các nhà máy trong khu công nghiệp được tách riêng biệt với nước mưa theo hệ thống thoát nước của khu công nghiệp, tập trung về khu xử lý nước thải Trước khi vào bể thu gom, nước thải được tách rác thô nhờ thiết bị lược rác thô đặt trong hệ thống dẫn nước

Từ bể thu gom, nước thải được bơm lên bể điều hòa, nước thải được luân chuyển qua thiết bị lược rác tinh tự động nhằm loại bỏ toàn bộ cặn rắn có kích thước >2.5mm, đồng thời tại đây nước thải được hòa trộn với vật liệu NZVI bằng

hệ thống bơm định lượng Bể điều hòa được cung cấp khí oxy cho quá trình phản ứng bằng máy thổi khí chuyên dụng, tạo sự xáo trộn nước thải tránh hiện tượng

lắng cặn trong bể này và giảm phát sinh mùi hôi Tại bể điều hòa, vật liệu NZVI sẽ phản ứng với các phân tử hữu cơ, vô cơ độc hại và các phân tử này sẽ bị phân hủy

Đồng thời tại bể điều hòa sẽ thực hiện công đoạn điều chỉnh độ pH dựa trên thông số từ thiết bị đầu dò pH online được lắp đặt trực tiếp tại bể Trường hợp độ

pH nằm ngoài ngưỡng thông số cho phép (pH = 7,0 - 7,5), trường hợp chỉ số pH lớn hơn 7,5 hệ thống sẽ tự động bơm axit (H2SO4) hoặc chỉ số pH nhỏ hơn 7,0 hệ thống sẽ tự động bơm xút (NaOH) vào để trung hòa

Sau thời gian xử lý tại bể điều hòa, nước thải sẽ được bơm sang bể hòa trộn Tại đây, các hoá chất lần lượt được bơm trực tiếp theo định lượng vào bể để tạo phản ứng với 02 giai đoạn khác nhau:

 Thực hiện phản ứng keo tụ nhằm liên kết các chất lơ lửng trong nước Để tách các hạt rắn một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng Hóa chất sử dụng trong quá trình keo tụ là PAC (Poly Aluminium Chloride), là một loại phèn nhôm thế hệ mới tồn tại ở dạng cao phân tử (polyme)

 Cuối cùng là thực hiện phản ứng với hoá chất trợ keo tụ, để tăng cường quá trình tạo bông keo to hơn dễ lắng hơn, tăng tốc độ lắng Quá trình này tiến hành cho thêm polyacrylamit (PAA)

Sau giai đoạn phản ứng, nước tự chảy sang bể lắng sơ cấp, tại bể lắng sơ cấp, các chất rắn lơ lửng trong nước được loại bỏ bằng phương pháp phối hợp giữa công nghệ lắng đứng hoặc lắng ngang Mục đích của quá trình lắng sơ cấp là loại

bỏ các hợp chất lơ lửng, các chất có thể lắng được trong nước sau quá trình xử lý tại bể điều hòa Nhờ có các hoá chất trợ lắng được cung cấp tại bể hòa trộn với một lượng thích hợp thông qua hệ thống bơm định lượng, quá trình lắng xảy ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình lắng không có các hóa chất trợ lắng

Phần nước trong trên mặt tại bể lắng sơ cấp sẽ được thu gom thông qua hệ thống máng răng cưa sang bể sục hoàn thiện Bùn lắng ở đáy sẽ được tự động bơm

về bể chứa bùn

Bể sục hoàn thiện được cung cấp oxy cho quá trình phản ứng bằng máy thổi khí chuyên dụng, đồng thời tạo sự xáo trộn nước tránh hiện tượng lắng cặn trong

bể này, tạo điều kiện tiếp tục cho các quá trình oxy hóa xảy ra triệt để hơn Tại đây nước được hòa trộn với chlorine để tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật gây bệnh còn sót lại trong nước

Nước trong từ bể lắng thứ cấp được thu gom qua hệ thống máng răng cưa chảy tràn xuống bể quan trắc, sau đó nước được xả ra môi trường qua hệ thống thoát nước Bùn ở đáy bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp được dẫn sang bể chứa

bùn qua hệ thống bơm chuyên dụng Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT

Về công tác xử lý bùn và cặn rác: Với thời gian lưu thích hợp, bùn được đưa đến máy ép bùn băng tải để ép khô Bùn khô sau khi ép được đem đi chôn lấp theo quy định Nước dư của bể chứa bùn và máy ép bùn được dẫn quay về bể gom để tiếp tục quá trình xử lý

IV LỢI ÍCH MÔI TRƯỜNG VÀ TIỀM NĂNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO.

 Vật liệu nano thể hiện đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt khiến chúng trở nên thú vị với các sản phẩm thân thiện với môi trường

 Các lớp phủ chống ăn mòn và chống thấm nước dựa trên công nghệ nano; vật liệu cách nhiệt mới để nâng cao hiệu suất năng lượng của các tòa nhà; thêm các hạt nano vào vật liệu để giảm trọng lượng và tiết kiệm năng lượng trong quá trình vận chuyển

 Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, vật liệu nano được ứng dụng dựa trên các đặc tính xúc tác đặc biệt của chúng để tăng năng lượng và hiệu quả nguồn tài nguyên, và các vật liệu nano có thể thay thế các hóa chất có hại cho môi trường trong các lĩnh vực ứng dụng nhất định Các tiềm năng đang được đặt trong các sản phẩm tối ưu hóa công nghệ nano và các quy trình sản xuất và lưu trữ năng lượng; hiện đang trong giai đoạn phát triển và dự kiến

sẽ đóng góp đáng kể vào việc bảo vệ khí hậu và giải quyết các vấn đề năng lượng của chúng ta trong tương lai

 Vật liệu nano để làm sạch chất thải phóng xạ trong nước: Các nhà khoa học đang nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải phóng xạ cho công nghệ nano, đặc biệt là việc sử dụng các sợi nano titanate làm chất hấp phụ để loại bỏ các ion phóng xạ khỏi nước Các nhà nghiên cứu cũng đã khẳng định rằng các đặc tính cấu trúc độc đáo của các ống nano cực tím và các sợi nano tạo thành nguyên liệu cao cấp để loại bỏ các ion phóng xạ cisium và iodine phóng xạ trong nước

 Ứng dụng xử lý nước: Các lĩnh vực tác động tiềm tàng đối với công nghệ nano trong các ứng dụng xử lý nước được chia thành ba loại: xử lý và khắc phục hậu quả, phát hiện và phát hiện, và ngăn ngừa ô nhiễm và cải tiến kỹ thuật khử muối là một lĩnh vực chính Các thiết bị lọc nước có công nghệ nano có khả năng biến đổi lĩnh vực khử muối, ví dụ bằng cách sử dụng hiện tượng phân cực nồng độ ion

 Thu giữ carbon dioxide: Trước khi CO2 có thể được lưu giữ, nó phải được tách ra khỏi các khí thải khác phát sinh từ quá trình đốt hoặc quá trình công nghiệp Hầu hết các phương pháp hiện tại được sử dụng cho loại lọc này là

tốn kém và đòi hỏi sử dụng hóa chất Các kỹ thuật nano để chế tạo màng mỏng cỡ nano có thể dẫn đến công nghệ màng mới có thể thay đổi điều đó

 Nghiên cứu trên quy mô nano, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một màng tinh thể nano thu được chất vô cơ không tốn kém và thân thiện với môi trường có thể được kết hợp với một bộ phận điện phân giá rẻ có chứa các nguyên tố dồi dào để tạo ra một hệ thống sản xuất hydrogen quang điện quang rẻ tiền và ổn định

V ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ NANO.

 Hoạt động ổn định trong điều kiện lưu lượng và chất lượng nước thải đầu vào không giống trong thiết kế hoặc có thay đổi đột ngột Có thể hoạt động với 100% công suất thiết kế ngay khi bắt đầu sử dụng, không phải chờ đợi như công nghệ khác

 Chi phí đầu tư hợp lý, chi phí xây dựng thấp, diện tích chiếm đất xây dựng nhỏ

 Vận hành đơn giản, linh hoạt, có thể dừng hẳn hệ thống khi không có nước, khi không cần xử lý hoặc chỉ chạy vào giờ thấp điểm để giảm chi phí điện năng khi có ít nước thải

 Không đòi hỏi nhân viên có chuyên môn cao trong công tác vận hành khai thác Bình thường chỉ cần 1 nhân công vận hành/1 ca

 Tích hợp các thiết bị điều khiển tự động hóa trong vận hành Có thể theo dõi vận hành ở bất kì đâu

 Công nghệ được nghiên cứu và ứng dụng bởi các chuyên gia khoa học trong nước, nguồn cung cấp nguyên vật liệu không phụ thuộc bên ngoài

 Nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn quốc gia về nước thải công nghiệp

QCVN40:2011/BTNMT cột A và đảm bảo tính ổn định trong suốt quá trình

xử lý

 Hạn chế tối đa mùi hôi ngay bên trong vè xung quanh khu vực xử lí: Công nghệ sử dụng vật liệu NZVI có khả năng khử mùi cao

 Thời gian lưu động nước nhanh: Không mất thời gian nuôi cấy vi sinh vật

Mà phản ứng trực tiếp với các chất độc hại tạo thành chất không độc

 Dễ dàng nâng cấp, sửa chữa, bảo trì các thiết bị trong hệ thống: Các thiết bị hoạt động (bơm, máy thổi khí…) đều được thiết kế với thiết bị dự phòng, bảo đảm cho hệ thống hoạt động liên tục Ngoài ra, các máy bơm nước thải

là loại bơm chìm, có gắn khớp nối nhanh và thanh trượt, xích neo nên dễ dàng tháo lắp và đưa bơm ra khỏi bể, thuận tiện cho công tác bảo trì và sửa chữa thiết bị

VI ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO.

Ứng dụng y tế:

+ Điều trị bệnh ung thư

+ Hạn chế các khối u

+ Tiêu diệt các khối u ở cấp độ tế bào

+ Trị nám da tận gốc bằng công nghệ nano

+ Đưa các thuốc điều trị qua các bộ phận cơ thể cần thiết với

dự án nanorobot

Ứng dụng đồ điện tử:

+ Bộ vi xử lý

+ Lớp nano kháng khuẩn

+ Tăng diện tích bề mặt của các cực pin,giảm kích thước của pin

Ứng dụng may mặc:

+ Tăng khả năng diệt khuẩn cho nhiều loại vải

+ Diệt các tế bào vi khuẩn

Thực phẩm từ công nghệ nano:

+ Các món ăn được thay đổi cách thức, tăng độ dinh dưỡng của thức ăn

+ Tạo ra các vật liệu đựng thức ăn có khả năng diệt khuẩn

Ứng dụng nông nghiệp:

+ Với nano bạc có khả nắng diệt khuẩn vào việc phòng và trị các bệnh do vi khuẩn,vi rút nấm gây ra trên cây trồng và vật nuôi

VII KẾT LUẬN.

Các nhà khoa học môi trường trên thế giới rất quan tâm đến các tổ hợp nano kim loại hóa trị không (NZVI) bởi vì nó loại bỏ chất gây ô nhiễm môi trường và có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực Trong xử lý các chất ô nhiễm môi trường, ứng dụng công nghệ nano được xem là công nghệ mới Trong những năm vừa qua, việc ứng dụng công nghệ nano đã cho thấy tiềm năng rất lớn để cung cấp các giải pháp hiệu quả và khả năng hấp dẫn của nó để giải quyết một số vấn đề môi trường Những kết quả đạt được:

- Xây dựng được lý thuyết hoàn chỉnh về công nghệ nano

- Các ứng dụng cụ thể của công nghệ nano trong việc xử lý nước thải bị nhiễm KLN

- Khả năng áp dụng rộng rãi công nghệ này xử lý nước thải chứ KLN ở nước ta

Khuyến nghị:

- Nhà nước ta cần đầu tư mạnh mẽ hơn vào công nghệ sản xuất mới này

- Nhà nước ta cần chú trọng việc nâng cao trình độ cho tất cả mọi người nói chung

và các cán bộ kỹ thuật nói riêng nhắm đáp ứng được các nhu cầu khi chuyển giao công nghệ mới này để áp dụng vào sản xuất công nghiệp tại nước ta