Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)

Thành công của nghiên cứu mở ra một hướng mới trong việc sử dụng vật liệu địa phương, thân thiện với môi trường để xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt xám góp phần giảm áp lực cho các nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHƯƠNG THỊ HẢI YẾN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS Phạm Thị Minh Thư

2 PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc

HÀ NỘI, NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận án

Chữ ký

Khương Thị Hải Yến

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin trân trọng cám ơn PGS.TS Phạm Thị Minh Thư, PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc và các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho Luận án tiến sĩ này Tác giả cũng xin cám ơn TS Nguyễn Thị Hằng Nga đã nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận án Cảm ơn trường Đại Học Thủy Lợi là nơi NCS theo học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập và nghiên cứu; cảm

ơn trường Cao đẳng Xây dựng Công trình Đô thị là nơi NCS công tác đã giúp đỡ rất nhiều trong việc xây dựng và vận hành các mô hình thí nghiệm, thực nghiệm và xét nghiệm mẫu nước Đặc biệt, luận án là công trình của tác giả dành tặng cha – cũng là người thầy đã đồng hành cùng tác giả trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu nhưng

đã đột ngột ra đi mà không thể chứng kiến thành quả mà tác giả đã nỗ lực đạt được

Do thời gian nghiên cứu có hạn nên luận án không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp Xin trân trọng cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu chung 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Những đóng góp mới 4

1.5.1 Tính mới của luận án 4

1.5.2 Giá trị khoa học 4

1.5.3 Giá trị thực tiễn 4

1.6 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Nước thải xám 6

1.1.1 Khái niệm chung 6

1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải xám 7

1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải xám 10 1.2 Đá ong và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải 13

1.2.1 Sơ lược về đá ong (laterit) 13

1.2.2 Khoáng vật trong đá ong có ích cho quá trình xử lý một số chất ô nhiễm có trong nước thải 15

1.2.3 Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải 21

1.3 Kỹ thuật xếp lớp đa tầng 27

1.3.1 Khái niệm chung 27

iv

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng được thực hiện

trong phòng thí nghiệm 28

1.3.3 Các công trình thực tiễn ứng dụng kỹ thuật xếp lớp đa tầng trong lĩnh vực xử lý nước thải 33

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG 38

2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu xử lý nước thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng 38

2.1.1 Quá trình hấp phụ 38

2.1.2 Quá trình phân hủy sinh học 45

2.2 Vật liệu nghiên cứu 53

2.2.1 Đá ong tự nhiên (VL1) 53

2.2.2 Đá ong biến tính nhiệt (VL2) 55

2.3 Phương pháp nghiên cứu 58

2.3.1 Lấy và bảo quản mẫu nước thải 58

2.3.2 Bố trí thí nghiệm 59

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG 71

3.1 Tính chất nước thải xám nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội 71

3.2 Kết quả nghiên cứu mô hình xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm 75

3.2.1 Sự di chuyển của dòng nước qua các lớp đá ong 75

3.2.2 Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (qua thông số BOD5, COD) và chuyển hóa nitơ (qua thông số NH4+-N) theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng 94

3.3 Kết quả nghiên cứu mô hình thử nghiệm (pilot) xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt xám của nhà B5 – Yên Thường 103

3.3.1 Xác định số lượng lớp vật liệu cần thiết để xử lý nước thải sinh hoạt xám nhà B5 - Yên Thường 103

3.3.2 Xác định kích thước mô hình thực nghiệm (pilot) theo lưu lượng nước thải sinh hoạt xám cần xử lý 104

3.3.3 Quá trình khởi động mô hình thử nghiệm (pilot) 105

3.3.4 Kết quả nghiên cứu mô hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nước thải xám cho nhà B5 – Yên Thường 106

v

3.4 Giải pháp công nghệ xử lý nước thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp

đa tầng 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116

1 Kết luận 116

2 Kiến nghị 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ thoát nước trong các nhà cao tầng 6

Hình 1.2: Công trình xử lý nước thải xám tại Jordan 11

Hình 1.3: Xây dựng bể lọc để xử lý nước thải xám tại Ấn Độ [18] 11

Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nước thải xám nhà B23-ĐH Cần Thơ 13

Hình 1.5: Đá ong tự nhiên 14

Hình 1.6: Cấu trúc không gian tinh thể Bruxit 16

Hình 1.7: Cấu trúc không gian tinh thể Gibbsit 17

Hình 1.8: Cấu trúc không gian tinh thể Boehmit 17

Hình 1.9: Cấu trúc không gian tinh thể lepidocrokit và goethite 18

Hình 1.10: Cấu trúc không gian tinh thể montmorillonit 20

Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo hệ thống xếp lớp đa tầng 27

Hình 1.12: Sự chuyển động của dòng nước qua các đơn vị đất [42] 29

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa tải trọng thủy lực và thời gian lưu nước [39] 32

Hình 1.14: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nước thải xám tại Nhật [45] 34

Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống xếp lớp đa tầng tại Nhật Bản [46] 34

Hình 1.16: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nước thải sinh hoạt tại Thái Lan [45] 35

Hình 1.17: Xử lý nước thải sinh hoạt và nước sông tại Philipin và Indonesia [46] 35

Hình 2.1: Quá trình hấp phụ của đá ong [48] 39

Hình 2.2: Điểm tích điện không của một khoáng vật là 6,6 39

Hình 2.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lớp kép có thể đánh dấu sự khác nhau giữa thể bề mặt và thế Zeta 40

Hình 2.4: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir; tg=1/qmax 44

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của C f /q và C f 44

Hình 2.6: Các trạng thái tồn tại của amoni theo pH 47

Hình 2.7: Ảnh hưởng của pH đến các dạng tồn tại của sắt 48

Hình 2.8: Ảnh hưởng của nồng độ oxi đến quá trình phân hủy nitơ 50

Hình 2.9: Kết quả đo XRD của mẫu đá ong khu vực Thạch Thất, Hà Nội 54

Hình 2.10: Sắt tập trung cao chiếm hầu hết hạt sét trong đá ong 55

Hình 2.11: Vi cấu trúc của đá ong 55

Hình 2.12: Vật liệu đá ong tự nhiên (VL1) 55

Hình 2.13: Đường cong DSC khi nung nóng laterit (đá ong) đến 13000C [62] 56

Hình 2.14: Cấu trúc bề mặt của đá ong trước và sau khi nung (Ảnh chụp SEM – độ phóng đại 25.000 lần) 58

Hình 2.15: Vật liệu đá ong nung biến tính nhiệt (VL2) 58

Hình 2.16: Mô hình xếp lớp đất đa tầng quy mô phòng thí nghiệm 60

Hình 2.17: Mô hình MSL6 60

Hình 2.18: Mô hình MSL3 60

Hình 2.19: Hệ thống phân phối 60

vii

Hình 2.20: Mô hình thử nghiệmMSL6-PL 61

Hình 2.21: Mặt cắt mô hình thử nghiệm MSL6-PL 62

Hình 3.1: Mô phỏng dòng nước di chuyển trong các lớp đá ong 75

Hình 3.2: Dòng nước di chuyển trong mô hình thí nghiệm 75

Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trước và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 78

Hình 3.4: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trước và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 78

Hình 3.5: Sự thay đổi nồng độ COD trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 81

Hình 3.6: Sự thay đổi nồng độ COD trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 81

Hình 3.7: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 82

Hình 3.8: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 83

Hình 3.9: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 84

Hình 3.10: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 84

Hình 3.11: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 86

Hình 3.12: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 86

Hình 3.13: Sự thay đổi nồng độ T-N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 87

Hình 3.14: Sự thay đổi nồng độ T-N trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 87

Hình 3.15: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ các ion trên bề mặt đá ong 89

Hình 3.16: Cơ chế cân bằng điện tích trong việc keo tụ chất rắn lơ lửng 89

Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ PO4 3 P trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 90

Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ PO43--P trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 90

Hình 3.19: Sự chuyển hóa và hấp thụ PO43--P của vi sinh vật [15] 92

Hình 3.20: Sự thay đổi nồng độ T-P trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB 92

Hình 3.21: Sự thay đổi nồng độ T-P trước và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL 93

Hình 3.22: Đẳng hấp phụ P bằng đá ong ở 25o C và pH = 6 93

viii

Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 và số lớp đá ong có trong mô hình 96

Hình 3.24: Mối quan hệ giữa nồng độ COD và số lớp đá ong có trong mô hình 97

Hình 3.25: Mối quan hệ giữa lnC0C và số lớp đá ong có trong mô hình 100

Hình 3.26: Cơ chế làm việc của hệ thống MSL với đá ong làm vật liệu chính 102

Hình 3.27: Sự biến đổi nồng độ của NH4+-N, NO2-, NO3- trong giai đoạn khởi động mô hình pilot 106

Hình 3.28: Độ pH của nước thải xám trước và sau xử lý qua mô hình thử nghiệm 107

Hình 3.29: Nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 của nước thải xám qua mô hình thử nghiệm 107

Hình 3.30: Nồng độ và hiệu suất xử lý COD của nước thải xám qua mô hình thử nghiệm 108

Hình 3.31: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N của nước thải xám qua mô hình thử nghiệm 109

Hình 3.32: Nồng độ và hiệu suất xử lý T-N của nước thải xám qua mô hình thử nghiệm 109

Hình 3.33: Nồng độ và hiệu suất xử lý PO43--P của nước thải xám qua mô hình thử nghiệm 111

Hình 3.34: Nồng độ T-P trong nước thải xám trước và sau khi xử lý 111

Hình 3.35: Nồng độ TSS trong nước thải xám trước và sau khi xử lý 112

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc điểm của nước thải xám theo nguồn thải [11], [2] 6

Bảng 1.2: Tính chất nước thải xám tại một số nước trên thế giới 7

Bảng 1.3: Chất lượng nước thải xám trước và sau khi xử lý [8] 10

Bảng 1.4: Chất lượng nước thải xám sau xử lý qua cát lọc và hỗn hợp đất [14] 12

Bảng 1.5: Thay đổi tính chất của nước thải xám theo thời gian tại Hà Lan [19] 12

Bảng 1.6: Thành phần các nguyên tố chính trong laterit [7] 14

Bảng 1.7: Hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm chính trong nước thải [43] 30

Bảng 1.8: Hiệu suất xử lý (%) chất ô nhiễm theo tải trọng thủy lực [43] 31

Bảng 2.1: PZC của một số oxit và khoáng vật [47] 40

Bảng 2.2: Công thức và tỷ lệ thành phần các chất hữu cơ có trong nước thải [54] 46

Bảng 2.3: Các bước phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 49

Bảng 2.4: Thành phần khoáng vật học của đá ong [35], [7] 53

Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá ong dùng trong nghiên cứu [33] 54

Bảng 2.6: Phương pháp và tiêu chuẩn phân tích thông số nhiễm 66

Bảng 3.1: Tính chất nước thải xám nhà cao tầng trên địa bàn TP Hà Nội [3] 71

Bảng 3.2: So sánh mức độ đậm đặc của nước thải xám 72

Bảng 3.3: So sánh chất lượng nước thải xám với QCVN 14:2008/BTNMT và chất lượng nước thải đô thị 72

Bảng 3-4: Tỷ lệ (C/N) tối ưu với nhiều loại chất hữu cơ khác nhau được sử dụng cho quá trình khử nitơ [15] 73

Bảng 3.5: Tính chất nước thải xám nguyên bản và pha loãng đầu vào 76

Bảng 3.6: Độ pH của nước thải xám trước và sau khi xử lý qua các mô hình MSL 77

Bảng 3.7: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý BOD5 qua các mô hình MSL 78

Bảng 3.8: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý COD qua các mô hình MSL 80

Bảng 3.9: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N qua các mô hình MSL 82

Bảng 3.10: Nồng độ NO2--N trước và sau khi xử lý qua các mô hình MSL 84

Bảng 3.11: Nồng độ NO3--N trước và sau khi xử lý qua các mô hình MSL 85

Bảng 3.12: Nồng độ T-N trước và sau khi xử lý qua các mô hình MSL 86

Bảng 3.13: Nồng độ PO43--P trước và sau khi đi qua các lớp đá ong 90

Bảng 3.14: Nồng độ T-P trước và sau khi đi qua các lớp đá ong 92

Bảng 3.15: Đẳng hấp phụ P trên bề mặt đá ong 93

Bảng 3.16: Khả năng hấp phụ P của một số loại vật liệu 94

Bảng 3.17: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (ks) qua các lớp đá ong 98

Bảng 3.18: Hệ số tốc độ chuyển hóa amoni (NH4+-N) qua các lớp đá ong 99

Bảng 3.19: Nồng độ và hiệu suất xử lý nước thải xám nhà B5-Yên Thường 106

Bảng 3.20: Hiệu suất xử lý T-N của MSL6-PL với một số công nghệ xử lý nước thải tại Việt Nam hiện nay [1], [5], [80] 110

Bảng 3.21: So sánh tính chất nước thải xám trước và sau khi xử lý bằng MSL6-PL với các QCVN 14:2008 (BTNMT) và QCVN 08:2008/BTNMT 113

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A2O Công nghệ mương oxi hóa tuần hoàn

BGBL Môi trường tăng sinh (Brilliant Green Bile Lactose Broth) BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học sau 5 ngày (Biological Oxygen

Demand) (mg/L)

C0 Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (mg/L)

COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand) (mg/L)

Cra Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải xám đầu ra (mg/L)

Ct Nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm t (mg/L)

Cvào Nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải xám đầu vào (mg/L) DSC Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry)

HRT Thời gian lưu nước (giờ)

JICA Văn phòng hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International

MBR Công nghệ màng lọc sinh học (Membrane Bio Reactor)

MPN Mật độ tế bào vi khuẩn lớn nhất (most probable number)

MSL Xếp lớp đa tầng (Multi Soil Layering) (mg/L)

MSLn Hệ thống có n lớp đá ong

NH4+-N Nồng độ Amoni quy về nồng độ nitơ (mg/L)

NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải

NO2--N Tổng nồng độ nitrit quy về nồng độ nitơ (mg/L)

NO3--N Tổng nồng độ nitrat quy về nồng độ nitơ (mg/L)

NTNB Nước thải xám nguyên bản

NTPL Nước thải xám pha loãng

PO43--P Tổng hàm lượng Phốt phát trong nước thải quy về nồng độ phốt

pho (mg/L) POP Các chất hữu cơ khó phân hủy

PZC Điểm điện tích không (point of zero charge)

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt

SBR Công nghệ bùn hoạt tính dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron

Microscopy) SRT Thời gian lưu bùn (giờ)

T-N Tổng nồng độ các chất nitơ quy về nồng độ nitơ (mg/L)

T-P Tổng nồng độ các chất Phốt pho quy về nồng độ phốt pho

(mg/L) TSS Tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L)

UV Tia cực tím (Ultraviolet Visble)

VACNE Hội bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam

WHO Tổ chức y tế thế giới

XRD Nhiễu xạ tia (X-ray diffraction)

1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam đang diễn ra nhanh, nhiều khu đô thị mới với các tòa nhà cao tầng mọc lên và có xu hướng ngày càng xa trung tâm Cơ sở hạ tầng chưa được đầu tư mở rộng tương xứng nên một số khu đô thị mới việc thu gom nước thải sinh hoạt vào hệ thống thoát nước chung để đưa đi xử lý gặp nhiều khó khăn và là một trong những nguyên gây ô nhiễm môi trường [1] Trong nước thải sinh hoạt, nước thải xám chiếm đến 69% tổng lưu lượng [2]; có nồng độ các chất ô nhiễm, mầm bệnh thấp hơn nước thải đen và hầu hết đang được xả thẳng ra ngoài môi trường không qua xử

lý Tại Việt Nam, nước thải sinh hoạt xám có tỷ lệ COD:BOD5 là 1,97 < 2 [3] - phù hợp cho việc xử lý bằng phương pháp sinh học [4]; chủ yếu bị ô nhiễm bởi chất hữu

cơ, chất dinh dưỡng và chất rắn lơ lửng với mức độ thấp nên xử lý đơn giản hơn so với nước thải đen Các công nghệ sinh học đang áp dụng tại Việt Nam hiện nay như SBR,

A2O chỉ hiệu quả với các nhà máy xử lý nước thải tập trung công suất lớn, hiệu quả

xử lý nitơ thấp, vận hành phức tạp và có diện tích chiếm đất lớn [5] Cần nghiên cứu một giải pháp xử lý phù hợp với quy mô và tính chất nước thải sinh hoạt xám theo tiêu chí đơn giản trong vận hành, hiệu suất xử lý nitơ cao, tiết kiệm được diện tích chiếm đất và hướng tới công nghệ bền vững [6]

Đá ong (laterit) là vật liệu địa phương, có sẵn tại nhiều nhiều vùng trên đất nước Việt Nam Đá ong có cấu trúc dạng khung xương, chứa nhiều khoáng chất như các loại sét (kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, zeolite, bruxit, gibbsit, goethite [7]…là những chất có tính phân cực trong môi trường nước, có khả năng trao đổi ion trong cấu trúc tinh thể, có độ lỗ rỗng và diện tính bề mặt riêng lớn nên dễ dàng hấp phụ, trao đổi ion, liên kết tĩnh điện một số các chất ô nhiễm có trong nước Từ lâu đá ong được biết đến như một loại vật liệu lọc tiềm năng, có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, flo trong nước Tuy nhiên khả năng hấp phụ này giảm nhanh theo thời gian kèm theo

đó là quá trình tắc nghẽn do sự tích tụ cặn và hình thành lớp màng vi sinh bao quanh

Kỹ thuật xếp lớp đa tầng có thể hạn chế vấn đề tắc nghẽn và tăng hiệu quả xử lý bằng phương pháp sinh học

2

Đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu

laterit (đá ong)” được thực hiện nhằm xác định khả năng xử lý nước thải sinh hoạt

xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng Thành công của nghiên cứu mở ra một hướng mới trong việc sử dụng vật liệu địa phương, thân thiện với môi trường để xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt xám góp phần giảm áp lực cho các nhà máy xử lý nước thải tập trung, số lượng đường ống vận chuyển cho mạng lưới thoát nước đô thị và hạn chế

ô nhiễm môi trường Nước thải sinh hoạt xám sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép và có thể sử dụng vào mục đích tưới (hoặc các mục đích tương đương) góp phần chủ động trong việc cấp nước tưới, tiết kiệm nguồn tài nguyên nước cho tương lai và hướng đến phát triển bền vững

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Xác định khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm chính trong nước thải sinh hoạt xám của

đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính để xử lý nước thải sinh hoạt xám của nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi như sau:

3

- Nước thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội;

- Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng vật liệu chính là đá ong tự nhiên và đá ong biến tính nhiệt;

- Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các mô hình thí nghiệm và

mô hình thử nghiệm (pilot)

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính sau:

- Điều tra và thu thập mẫu nước thải: Tìm hiểu và thu thập các số liệu liên quan đến thoát nước của các nhà cao tầng Mẫu nước thải tổng hợp được lấy trên đường ống dẫn nước thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội;

- Kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu lý thuyết về khả năng hấp phụ của đá ong

và bố trí vật liệu trong kỹ thuật xếp lớp đa tầng;

- Phân tích trong phòng thí nghiệm: Các thông số BOD5, COD, T-N, T-P, NH4+-N,

PO43--P, TSS, E.coli, Coliform được phân tích theo Standard Methods và các TCVN

tương đương; mẫu nước thải xám được thu và bảo quản theo TCVN 5998:1995;

- Mô hình thí nghiệm: Xây dựng các mô hình thí nghiệm có từ 3 đến 7 lớp đá ong tự nhiên; hiệu suất xử lý, hệ số phân hủy sinh học chất hữu cơ nền (ks), hệ số chuyển hóa amoni (K) được xác định dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được từ việc phân tích các mẫu nước thải sinh hoạt xám;

- Mô hình thử nghiệm (pilot): Thiết kế pilot 6 lớp đá ong (MSL6-PL) để xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt xám cho một số căn hộ nhà B5-Yên Thường;

- Thống kê: Xử lý các số liệu bằng thuật toán xác xuất thống kê, các kết quả phân tích mẫu được nhập vào exel 2007 Thiết lập xu hướng dự đoán qua phương pháp hồi quy tuyến tính, hồi quy phi tuyến tính và hệ số xác định R2

;

- Chuyên gia: Lấy ý kiến chuyên gia về cách bố trí mô hình thí nghiệm và đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng

4

1.5 Những đóng góp mới

1.5.1 Tính mới của luận án

- Xác định được tính chất và đặc thù nước thải sinh hoạt xám một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội;

- Xác định được vai trò nhóm liên kết hydro dạng -O-H-O-H-O trong cấu trúc phân tử của khoáng vật có trong đá ong đến quá trình loại bỏ chất hữu cơ và nitơ có trong nước thải xám nhà cao tầng;

- Xác định hệ số tốc độ phân huỷ BOD5, COD và chuyển hóa NH4+-N có trong nước thải sinh hoạt xám theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng;

- Xử lý tại chỗ thành công nước thải sinh hoạt xám nhà cao tầng bằng hệ thống xếp lớp

đa tầng với đá ong là vật liệu chính

1.6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị thì luận án gồm 3 chương

5

Gồm 32 trang (từ trang 6 đến trang 37) trình bày các vấn đề liên quan kỹ thuật xếp lớp

đa tầng, nước thải xám và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG

Gồm 43 trang (từ trang 38 đến trang 70) trình bày cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu

đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng; lựa chọn, gia công vật liệu đá ong và các phương pháp cụ thể để thực hiện việc nghiên cứu

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Gồm 43 trang (từ trang 71 đến trang 115) trình bày các kết quả thu được từ quá trình nghiên cứu

Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Gồm 3 trang (từ trang 116 đến trang 118) trình bày những kết luận rút ra trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo

hiện nay bao gồm: nước

thải đen, nước thải xám và

Hình 1.1: Sơ đồ thoát nước trong các nhà cao tầng

Nước thải sinh hoạt xám là một phần của nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý và được thu từ vòi hoa sen, chậu rửa tay, bồn tắm, chậu rửa bát (trừ bệ xí và âu tiểu) [8] Nước thải xám chiếm chiếm 50-75% (trung bình 69%) lưu lượng nước nước thải sinh hoạt trong hộ gia đình [2] Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải xám phụ thuộc vào thói quen, mức sống, phong tục tập quán, điều kiện kinh tế, quản lý, phương thức thu gom và nguồn thải; so với nước thải đen thì nước thải xám có nồng độ các chất ô nhiễm,vi khuẩn ít hơn [9], [10] và được mô tả tại Bảng 1.1, Bảng 1.2

Bảng 1.1: Đặc điểm của nước thải xám theo nguồn thải [11], [2]

Từ máy giặt Vi khuẩn, virut, chất tẩy trắng, pH cao, nitrate, COD, dầu

mỡ, phosphate, độ mặn, xà phòng, nitrat, natri, xơ vải, chất rắn lơ lửng và độ đục

Chậu rửa bát Vi khuẩn, bọt, pH cao, thức ăn thừa, chất tạo bọt, nước

nóng, phốt phát, dầu, mỡ, COD, độ mặn, nước tẩy rửa, chất rắn lơ lửng và độ đục

xơ, chất lơ lửng, độ màu

Chậu rửa nhà bếp Vi khuẩn, thức ăn thừa, nước nóng, dầu và mỡ, chất hữu cơ,

chất thải rắn, xà phòng, chất tẩy rửa, độ màu

(Ghi chú: Các loại nước thải xám tại Việt Nam không được tách riêng thành các nguồn riêng biệt như trên mà trộn lẫn tạo thành nước thải xám tổng hợp nên bảng trên chỉ mang tính chất tham khảo)

Bảng 1.2: Tính chất nước thải xám tại một số nước trên thế giới

[12]

Trung Đông [13]

Jordan [6]

Mỹ

[14]

Đức [15]

Trong luận án từ đây nước thải sinh hoạt xám được gọi tắt là nước thải xám

1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải xám

Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải xám thích hợp dựa trên:

- Chất lượng nước thải xám cần xử lý;

- Yêu cầu chất lượng nước sau xử lý;

- Hiệu quả xử lý của công nghệ;

- Dễ vận hành và bảo trì;

- Kinh tế;

8

- Hạn chế việc sử dụng năng lượng bên ngoài;

- Sử dụng vật liệu địa phương sẵn…

 Hấp phụ: Dùng để tách chất hữu cơ và khí hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách

tập trung những chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn (hấp phụ hóa học) [16]

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ, bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn Nhiệt độ thấp, tốc độ hấp phụ hoá học chậm Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ vật lý

Vật liệu hấp phụ thường là có độ rỗng, xốp được đặc trưng bởi kích thước và hình dạng bên trong của khoảng trống và lỗ xốp, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay

tự nhiên

Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, các điều kiện khác (nhiệt độ, áp suất )

 Trao đổi ion: Là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng chất trao đổi ion

(ionit) [16] Tùy thuộc từng loại vật liệu trao đổi ion mà có sự thế chỗ ion âm hay dương Vật liệu trao đổi ion có thể là tự nhiên hay nhân tạo có nguồn gốc hữu cơ hay

vô cơ, chúng được coi là nguồn tích trữ ion và có khả năng trao đổi được với bên ngoài và thường là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit và ở pH

9

thấp đối với anionit, nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân

li, điện tích tổng của nhóm chức bằng không Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở trạng thái trung hòa tại điểm đẳng điện (IEP)

1.1.2.2 Sinh học

Thực chất của phương pháp này là dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh

để phân hủy - oxi hóa chất bẩn hữu cơ ở dạng keo và dạng hòa tan trong nước thải Công trình xử lý sinh học chia làm hai nhóm chính: Xử lý trong điều kiện tự nhiên (cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học) và xử lý trong điều kiện nhân tạo (biofin, aeroten, mương oxi hóa tuần hoàn…) Các công trình xử lý trong điều kiện nhân tạo thường có quá trình xử lý diễn ra nhanh, cường độ mạnh, khả năng xử lý chất hữu cơ

dễ bị phân hủy BOD5 có thể đạt đến 90-95%, phụ thuộc vào từng loại công trình và yêu cầu xử lý [16]

Nhóm các vi sinh vật mà trong đó chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng Quá trình phát triển làm chúng sinh sản, tăng sinh khối đồng thời làm sạch các chất hữu cơ ở dạng hòa tan và dạng keo Sản phẩm phân hủy của quá trình này là khí CO2, H2O, N2,… [4]

1.1.2.3 Cơ học

Phương pháp xử lý cơ học được sử dụng để tách các chất không hòa tan và một phần chất keo ra khỏi nước thải Phương pháp này có thể loại bỏ đến 60% các tạp chất không hòa tan trong nước thải sinh hoạt và làm giảm 20% BOD5 Các công trình cơ học thường là lưới chắn rác, bể lắng cát, bể lắng tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải, bể lọc… [16]

Trong một công trình thường kết hợp nhiều phương pháp xử lý và khó tách bạch rõ ràng Hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm có trong nước thải của một công trình là tổng hợp của tất cả các quá trình diễn ra trong nó

10

1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải xám

Với nồng độ các chất ô nhiễm thấp (trình bày cụ thể tại mục 1.1) nhưng lại chiếm đến

69 % tổng lưu lượng nước thải sinh hoạt nên từ lâu nước thải xám được coi là nguồn thay thế, xử lý và tái sử dụng cho nhiều công trình tại các quốc gia khan hiếm nguồn tài nguyên nước như Ấn Độ, Jordan, Isarel Tại các quốc gia này, xử lý và tận dụng nước thải sinh hoạt xám nhằm tăng cường khả năng chủ động cấp nước cho bản thân công trình, tiết kiệm nguồn nước cho tương lai là tiêu chí chủ yếu; trong khi tại Nhật Bản, Hà Lan, Mỹ thì đơn giản là giảm thiểu ô nhiễm môi trường Một số nghiên cứu điển hình như: Tại Jordan nguồn cung cấp nước ngọt khan hiếm nhưng nhu cầu dùng nước luôn vượt quá nguồn cung nên chính phủ hạn chế tối đa nước thải xả ra môi trường bên ngoài từ những năm 1930 Hầu hết nước thải xám tại Jordan được xử lý và tái cung cấp cho khoảng 70% nhu cầu dùng nước trong các công trình [11] Điển hình như H Al-Hamaiedeh và M Bino [17] đã nghiên cứu tính chất và xử lý nước thải xám tại vùng ngoại ô Jordan Nước thải xám được thu gom, sục khí và đưa đến các bể xử lý gồm sỏi lọc Nước thải xám sau xử lý cung cấp cho hệ thống tưới nhỏ giọt hoặc tưới cây Chất lượng nước thải xám trước và sau xử lý tại Jordan được trình bày tại Bảng 1.3

Bảng 1.3: Chất lượng nước thải xám trước và sau khi xử lý [8]

Chú ý: Giá trị trong bảng là là giá trị trung bình

Sam Godfrey và Pawan Labhasetwar [18] nghiên cứu xử lý và tái sử dụng nước thải xám cho trường học tại Madhya - Ấn Độ Nước thải xám của trường học được xử lý qua các bể lọc cát có đường kính hạt lọc khác nhau (Hình 1.3) Các cặn có kích thước lớn được giữ lại giữa các khe hở của các hạt vật liệu lọc có đường kính lớn (20-40mm

và 2-4mm), phần lớn BOD5, nitơ, phốt pho được loại bỏ trong bể có đường kính hạt

11

lọc nhỏ (0,5-0,8mm) nhờ lớp màng vi sinh được hình thành trong quá trình nước chảy qua lớp vật liệu lọc Nước sau xử lý được khử trùng và dùng tưới cây Tuy nhiên, việc dùng vật liệu lọc là cát truyền thống này cho hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng thấp, chiếm nhiều diện tích đất, bể lọc có đường kính vật liệu lọc càng nhỏ thì càng nhanh tắc

Hình 1.2: Công trình xử lý nước thải xám

tại Jordan

Hình 1.3: Xây dựng bể lọc để xử lý nước

thải xám tại Ấn Độ [18]

Tại Mỹ, Peter L.M Veneman và Bonnie Stewart cũng nghiên cứu các đặc tính và xử

lý nước thải xám qua các cột lọc đổ đầy các loại vật liệu khác nhau [14] Tính chất nước thải xám được xác định qua các mẫu được lấy tại năm địa điểm khác nhau trong tiểu bang Massachusetts Kết quả cho thấy: nồng độ BOD5 =22,1-358,8 mg/L (trung bình 128,9mg/L), TSS = 8-200 mg/L (trung bình 53,0 mg/L), T-N= 3,1-32,7 mg/L (trung bình 11,9 mg/L), NO3--N = 0,8-17,5 mg/L (trung bình 1,5 mg/L), PO43--P = 0,5-3,6 mg/L, pH = 5,3-10,8 Nước thải xám trong nghiên cứu này có nồng độ nitơrát và ortho-phốt phát trung bình nằm trong giới hạn cho phép trong khi các thông số vượt quá các qui định cho phép là BOD5, TSS, T-N Để nghiên cứu khả năng xử của các loại vật liệu lọc khác nhau, nước thải xám được dẫn qua các cột lọc đổ đầy cát có đường kính 0,5mm hay hỗn hợp đất pha cát (được lấy tại Montauk), sét, cát theo tỷ lệ 38:4:58 (%) Cột lọc cát được nghiên cứu với tốc độ di chuyển của nước là 3 cm/ngày

và 12 cm/ngày; cột lọc hỗn hợp được nghiên cứu với tốc độ 1,2 cm/ngày và 5,2 cm/ngày với chiều dày lớp vật liệu là 30 cm, 60 cm và 90 cm Kết quả cho thấy: BOD5,TSS là những thông số bị ảnh hưởng nhiều bởi chiều sâu cột lọc Với tốc độ lọc

là 12 cm/ngày thì quá trình nitrat hóa hoàn thiện sau 60cm cát phía trên với vật liệu lọc

là cát; với tốc độ là 5,2 cm/ngày, vật liệu lọc là hỗn hợp với tỷ lệ như trên thì quá trình

Chiều dày (cm)

BOD 5 (mg/L)

TSS (mg/L)

TKN (mg/L)

NO 3 - -N (mg/L)

PO 4 3- -P (mg/L)

Hà Lan xử lý nước thải xám nhằm nâng cao chất lượng môi trường và chủ được xử lý bằng đất ngập nước (wetland), lọc qua cát (sỏi), lọc sinh học Nghiên cứu của Elmitwalli và cộng sự [19] trên 32 ngôi nhà tại vùng Sneekcho thấy chất hữu cơ (COD) trong nước thải xám chiếm 50% trong nước thải sinh hoạt vàđược loại bỏ khá hiệu quả qua quá trình xử lý thiếu khí (đến 76%), nồng độ COD được loại bỏ dần trong trong tất cả quá trình và phụ thuộc vào thời gian lưu nước Quan sát sự biến đổi tính chất của nước thải xám qua các hệ thống đất ngập nước theo thời gian được trình bày tại Bảng 1.5

Bảng 1.5: Thay đổi tính chất của nước thải xám theo thời gian tại Hà Lan [19]

Thông số ĐVT Giá trị trung bình từ

Chú ý: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ±độ lệch chuẩn

Tại Việt Nam có rất ít các công trình nghiên cứu về tính chất nước thải xám Nghiên cứu của Stefania Paris và Celine Schlapp [20], xử lý nước thải xám khu ký túc xá Đại học Cần Thơ (nhà B23) bằng công nghệ màng lọc MBR Với nồng độ trung bình các

13

chất ô nhiễm trong nước thải xám đầu vào là: COD = 208 mg/L (223 mg/L trong mùa khô và giảm xuống còn 137 mg/L khi được hòa lẫn nước mưa), T-N = 24,2 mg/L, BOD5 = 151 mg/L, T-P = 4,9 mg/L và pH = 7,1; nước sau xử lý qua màng lọc MBR (của hãng HUBER) được khử trùng và tái sử dụng cho chính ký túc xá Tuy nhiên, công nghệ MBR có chi phí đầu tư cao, hay bị tắc, giá thành thay thế màng lọc đắt, vận hành phức tạp là những nhược điểm lớn của công nghệ MBR này (Hình 1.4)

Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nước thải xám nhà B23-ĐH Cần Thơ Nghiên cứu của Sybille Biisser và cộng sự [21] về nước thải xám cho một số nhà dân phân tán khu nội thành và ngoại thành (làng Lai Xá), kết quả cho thấy: hàm lượng trung bình COD là 18-37 g/người.ngày, T-P là 0,4-0,6 g/người.ngày, TSS là 16,7-29,9 g/người.ngày, amoni < 0,01-0,22 g/người.ngày, T-N là 0,6-1 g/người.ngày (trị số nhỏ cho Lai Xá và lớn cho khu vực nội thành) Tuy nhiên, hàm lượng này được xác định dựa trên tiêu chuẩn thoát nước lý thuyết và chủ yếu phục vụ việc xác định tải lượng các chất ô nhiễm thải ra từ nhà dân Tính đến nay, chưa có công trình nào nghiên cứu

về tính chất nước thải xám nhà cao tầng tại Việt Nam

1.2 Đá ong và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải

1.2.1 Sơ lược về đá ong (laterit)

Đá ong là sản phẩm của quá trình phong hóa đất rất phổ biến ở nước ta, đặc biệt là ở vùng giáp ranh giữa đồi núi và đồng bằng - những nơi có sự phong hoá quặng chứa sắt

và các dòng nước ngầm có oxi hòa tan

vào

Rửa khí

MBR

Bơm

14

Việt Nam có trữ lượng đá ong rất lớn do nằm trong vùng nhiệt đới và quá trình phong hóa liên tục xảy ra Bằng phương pháp khối địa chất các nhà khoa học đã xác định được trữ lượng đá ong tại một số địa điểm tại Hà Nội như sau: Bình Yên – Thạch Thất

là 178.667 tấn, Hòa Lạc - Xuân Mai là 72.694 tấn, Miếu Môn – Thượng Lâm là trên 95.000 tấn và còn có trữ lượng rất lớn tại Quảng Ngãi, Bình Phước, Lai Châu [22]

Có nhiều ý kiến khác nhau về nguồn gốc hình thành đá ong nhưng đa số các tác giả đồng tình với quan điểm cho rằng đá ong hình thành là do các oxit sắt theo các mạch nước ngầm di chuyển từ những nơi khác đến và cũng do sự ngấm dần các oxit sắt từ tầng đất trên xuống phía dưới, sự thay đổi mực nước ngầm trong đất kết hợp với quá trình oxi hoá làm cho đất bị khô lại và tạo thành đá ong [7] Đá ong có thể cứng như đá tảng, nhưng khi ở trạng thái phân bố tự nhiên chúng lại rất mềm có thể cắt được bằng dao, kéo (Hình 1.5)

Hình 1.5: Đá ong tự nhiên

Đá ong có cấu tạo gồm 2 phần chính là khung xương và sét loang lổ nằm trong khung Khung có kết cấu vững chắc, dạng định hướng hoặc tổ ong, thường có màu nâu đỏ, nâu đen, đen hoặc màu rỉ sắt và sét thường nằm trọn trong khung; tỷ lệ giữa phần khung và phần sét dao động từ 1 đến 1,5 và tăng từ dưới lên trên Theo chiều thẳng đứng, màu sắc của đá ong thay đổi từ nâu vàng, nâu đỏ ở phần dưới chuyển lên nâu đen ở phần trên, độ cứng của khung cũng tăng dần theo hướng đó Đá ong có nguồn gốc hình thành trên các đá mẹ khác nhau thì thành phần hóa học và khoáng vật cũng khác nhau (Bảng 1.6)

Bảng 1.6: Thành phần các nguyên tố chính trong laterit [7]

1.2.2 Khoáng vật trong đá ong có ích cho quá trình xử lý một số chất ô nhiễm có

trong nước thải

Một số khoáng vật có trong đá ong tính chất đặc trưng như: tính phân cực trong môi trường nước, khả năng trao đổi cation trong cấu trúc tinh thể, có lỗ rỗng lớn hoặc diện tính bề mặt riêng lớn nên tạo ra các phản ứng trao đổi, hấp phụ hoặc liên kết tĩnh điện

để loại bỏ một số chất ô nhiễm có trong nước thải Các khoáng vật đó là khoáng sét (kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, một số khoáng vật có cấu trúc tinh thể đặc biệt như zeolit, điatomit , [7], [23] và được trình bày chi tiết dưới đây:

1.2.2.1 Bruxit: Mg(OH) 2

Cấu trúc: Trong cấu trúc tinh thể của bruxit các nhóm (OH) được sắp xếp theo quy luật chặt sít tối đa tạo thành các lớp hình lục giác (hecsagone), một đơn vị cấu trúc của bruxit gồm hai lớp (OH) nêu trên và nối kết hai lớp này là nguyên tử Mg và như vậy: Mỗi một nguyên tử Mg được bao bọc bởi sáu 6 nhóm (OH) Các đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng lực liên kết bậc 2 (Van der van) lỏng lẻo giữa các lớp (OH) Mỗi một nhóm (OH) một mặt liên kết với 3 nguyên tử Mg mặt khác liên kết với 3 nhóm (OH) của đơn vị cấu trúc kế tiếp

Tính chất: Chính vì có cấu trúc này nên trong môi trường nước bruxit dễ bị phân li, và khi bị phân li các lớp (OH) vẫn có xu thế hướng ra ngoài và tạo nên các thành phần có

16

tính phân cực, với điện tích âm (-)

Hình 1.6: Cấu trúc không gian tinh thể Bruxit Khi bị nung nóng, cấu tinh thể của bruxit sẽ bị phá vỡ và bruxit từ dạng hyđroxit sẽ chuyển dần sang dạng oxit có cấu trúc tinh thể bền vững một cách chậm chạp và khả năng hấp phụ của nguyên liệu sẽ bị giảm Quá trình chuyển đổi cấu trúc từ hyđroxit sang oxit bắt đầu từ khoảng 350°C và mạnh mẽ nhất ở 500°C, kết thúc ở khoảng 550-600°C Vì vậy nếu nung quá 550°C hoạt tính của khoáng sẽ giảm Ở dưới 500°C -550°C tuy cấu trúc tinh thể bị phá huỷ nhưng khoáng mới chưa được thành tạo, nguyên liệu tồn tại dưới dạng vô định hình (có hoạt tính) nên vẫn có khả năng hấp phụ

1.2.2.2 Gibbsit Al(OH) 3

Cấu trúc: kết tinh ở tinh hệ đơn tà Cũng tương tự cấu trúc của bruxit, hai lớp (OH) cũng chồng khít lên nhau nhưng chỉ khác ở chỗ chỉ có 2/3 lỗ hỗng được tạo thành từ các nhóm (OH) đó được lấp đầy bằng nguyên tử Al và mặc dù mỗi một nguyên tử Al vẫn được 6 nhóm (OH) vây quanh Hơn nữa, trong cấu trúc của bruxit mỗi nhóm (OH) tiếp xúc với 3 nhóm (OH) khác trong cùng lớp còn trong cấu trúc của gibbsit các nhóm

OH của lớp này lại trực tiếp tiếp xúc với các nhóm OH của lớp trên

Tính chất: Cũng tương tự bruxit, gibbsit cũng có khả năng phân li trong nước có điện tích âm hướng ra mặt ngoài nhưng gibbsit lại có tính phân cực mạnh hơn (lệch) vì chỉ

có 2/3 số lỗ rỗng được lấp đầy nên khả năng hấp phụ thể hiện rõ ràng hơn.Khi bị nung nóng ở nhiệt độ từ 240°C-450°C các nhóm OH bắt đầu bị thoát ra khỏi cấu trúc và một biến thể trung gian được hình thành (boehmit) AlO(OH) với hoạt tính thấp hơn và từ 450°C- 600°C một lần nữa xảy ra quá trình mất nước cấu trúc của boehmit mới được

Hình 1.8: Cấu trúc không gian tinh thể Boehmit Tính chất: Cũng tương tự các hyđroxit khác boehmit dễ dàng phân li trong nước và cũng có khả năng hấp phụ tuy nhiên do kết tinh ở tinh hệ khác nên độ bền nhiệt của boehmit có sự khác biệt hơn so với các hyđroxit nhôm khác Khi bị nung nóng cấu trúc tinh thể bị phá huỷ, mất nước cấu trúc xảy ra ở nhiệt độ từ 450°C- 600°C

1.2.2.4 Diaspor: ά AlO(OH)

Cấu trúc: Là một biến thể của hyđroxit Al, kết tinh ở tinh hệ thoi Nguyên tử O cũng tạo nên sự sắp xếp chồng khít tuyệt đối hình lục giác, nguyên tử Al cũng được bao bọc bởi 6 nguyên tử O, mỗi một nguyên tử O lại được bao quanh bởi 3 nguyên tử Al (3

1.2.2.5 Goethite và lepidocrokit FeO(OH)

Cấu trúc: Là hai biến thể chủ yếu của hyđroxit sắt hay limonnit biến thể chứa 12-14% nước FeO(OH).nH2O Goethite có cấu trúc tinh thể tương tự cấu trúc của diaspor và cũng có những tính chất tương tự

Hình 1.9: Cấu trúc không gian tinh thể lepidocrokit và goethite

Tính chất: Trong quá trình bị nung đốt cấu trúc của goethite bị phá huỷ bắt đầu từ nhiệt độ từ 300-420°C và goethite chuyển dần sang dạng oxit άFe2O3 hematit Nhưng nếu nung đến 680°C sẽ xảy ra quá trình ngược lại chuyển đổi từ cấu trúc άFe2O3hematit sang Fe2O3

vô định hình và có độ hoạt tính nhất định đối với từng thành phần hoá học riêng biệt, trong trường hợp sét kaolin sau khi nung, kaolin có thể kết hợp với CaO tạo thành một chất kết dính như xi măng Khi nung kaolinit tới 450-570-6000C diễn ra sự khử hydroxyl thu nhiệt (hay nói cách khác là khử nước) để sinh ra metakaolin (Al2Si2O7) theo phản ứng:

2Al2Si2O5(OH)4 —> 2Al2Si2O7 + 4H2O Chất này không có trật tự và làm kaolinit chuyển sang trạn thái vô định hình [24]

2 Montmorillonit: Đất đá cấu tạo chủ yếu từ các khoáng vật nhóm smectit (có khả

năng trương nở) được gọi là bentonit Nhóm khoáng vật smectit bao gồm: monmorilonit, beidelit, nontronit và vài khoáng vật ít phổ biến khác Khoáng vật nhóm smectit có cấu trúc mạng tinh thể nhiều lớp đặc trưng ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp Hai lớp ngoài (lớp dưới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si)O4 và được gọi là lớp tứ diện Giữa chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện (SiO4)- và nhóm hydroxit (OH)- Bình thường các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị III hoặc ba cation hoá trị II Do sự thay thế các nguyên tố hoá trị III (Al, Fe) trong lớp giữa octahedral bằng các nguyên tố hoá trị II (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị IV bằng Al hoá trị III trong lớp tứ diện tạo nên sự dư thừa điện tích âm trên bề mặt giữa các lớp cấu trúc, hơn nữa mặt đáy của các lớp cấu trúc được tạo nên bởi các mối liên kết O-2

hoặc (OH)- cũng tạo cho bề mặt cấu trúc tinh thể của khoáng vật một điện tích âm.Để trung

Hình 1.10: Cấu trúc không gian tinh thể montmorillonit Khả năng trương nở, tăng thể tích, cũng như hấp thụ hoặc trao đổi các cation trên bề mặt giữa các lớp cấu trúc của smectit (từ 2- 20 lần) đã tạo nên tính năng công nghiệp quý giá của chúng Theo thành phần cation trao đổi, bentonit được chia làm loại: kiềm

và kiềm thổ Đối với bentonit kiềm, cation Na+ chiếm ưu thế trong tổ hợp cation trao đổi Do Na+

có khả năng thu hút một lượng lớn các nhóm hydrat mà monmorillonit có hàm lượng Na+ cao có khả năng trương nở lớn nhất Bentonit với Ca chiếm ưu thế được gọi là bentonit canxi Ngoài Ca2+, trong monmorillonit có thể có Mg2+ với số lượng đôi khi vượt cả Ca2+ Song thường gặp hơn cả là biến thể của bentonit canxi-magie.Trong môi trường nước, sét thuộc nhóm bentonit hay thường gọi là smectit (7 khoáng vật chính), rất dễ phân li và tạo nên một dung dịch dạng huyền phù Kích thước của khoáng sét nhìn chung rất nhỏ (sét thường tập trung trong hợp phần dưới 2 micromet) Do cấu trúc đặc biệt, sét bentonit có bề mặt riêng lớn (có thể đạt trên 200-300m2/g), độ lỗ rỗng lơn nên khả năng hấp phụ lớn, mặt khác bentonit cũng như zeolit lại còn là một khoáng chất có khả năng hấp thụ theo cơ chế trao đổi cation trong cấu trúc tinh thể Khi bị nung nóng, các tính chất này bị suy giảm do cấu trúc tinh thể bị

21

thay đổi, sét sẽ mất nước hấp thụ trong khoảng 80-120°C, tiếp đó sẽ bị mất nước cấu trúc trong khoảng 450-570°C và cấu trúc tinh thể bị phá huỷ nhưngcũng tương tự các khoáng khác nêu trên trong giai đoạn này tinh thể mới chưa được hình thành, các oxit mới Al2O3, SiO2 đang ở dạng vô định hình nên vẫn còn hoạt tính

Nhìn chung đá ong thường được chọn là vật liệu hấp phụ ở trạng thái tự nhiên hoặc qua nâng cấp chất lượng bằng biến tính hóa học hay nhiệt học Trong trường hợp cần nung nóng cần chú ý lựa chọn khoảng nhiệt độ thích hợp để phát huy khả năng của khoáng chất chủ đạo

1.2.3 Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng đá ong trong

lĩnh vực xử lý nước thải

1.2.3.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước ứng dụng đá ong trong lĩnh lực xử lý

nước thải

1 Các công trình nghiên cứu ứng dụng đá ong tự nhiên để xử lý nước thải

Đá ong tự nhiên là loại vật liệu được nghiên cứu sử dụng như một loại vật liệu lọc phổ biến và hiệu quả cao trong lĩnh vực môi trường Rất nhiều các công trình trong phòng thí nghiệm và ngoài thực tế nghiên cứu khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải bằng đá ong tự nhiên Một số công trình nghiên cứu điển hình như: R B Wood và

C F McAtamne [25] đã thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với đá ong có nguồn gốc từ đá bazan; thành phần hỗn hợp của nhôm, sắt và titan lần lượt chiếm 26,7%, 39,8% và 3,6 % Khả năng hấp phụ phốt pho và các kim loại nặng có trong nước của đá ong được xác định thông qua hai thí nghiệm lắc Thí nghiệm 1: Lấy 10 g

đá ong nghiền mịn cho vào trong 100 ml dung dịch photpho có nồng độ từ 5-50mg/l

và lắc đều Kết quả cho thấy đá onghấp phụ tới 80-96% lượng phốt pho có trong dung dịch Thí nghiệm 2: Lấy 10 g đá ong nghiền mịn cho vào trong 100 ml dung dịch hỗn hợp gồm crom, cadimi, niken, chì nồng độ 0,1 mg/L Sau một thời gian lắc, hàm lượng này đã mất hẳn trong dung dịch Dựa trên các kết quả thu được, triển khai ứng dụng ra ngoài thực tế bằng cách xây các bể chứa nước thải có nền đáy là đá ong dày 0,8m Kết quả hấp thụ phốt pho và kim loại nặng sau 7 ngày ngâm nước cũng tương tự với kết quả nghiên cứu thực hiện trong phòng thí nghiệm

22

Saynor MJ & Harford A [26] đã tiến hành thí nghiệm dạng cột dùng đá ong làm vật liệu chính để xử lý asen trong nước thải Trong thí nghiệm này, các hạt laterit được nghiền nhỏ với kích thước nhỏ hơn 1-3 mm, rửa sạch các tạp chất và phơi khô ở nhiệt

độ phòng Sau đó đổ vào cột thí nghiệm với chiều dày 0,5m, tiến hành cho nước thải sinh hoạt pha loãng với nồng độ các chất gây ô nhiễm cố định chảy qua Kết quả cho thấy ngoài asen thì chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, chất lơ lửng, mùi có trong nước thải cũng giảm đáng kể nhờ khả năng hấp phụ của đá ong và cơ chế lọc để giữ lại các hạt cặn.Thí nghiệm này đề xuất được đường kính hợp lý của hạt đá ong và chỉ ra mối quan

hệ giữa hiệu suất và chiều sâu lớp vật liệu lọc nhưng chưa đề xuất được chiều dày lớp vật liệu, vận tốc lọc và khả năng ứng dụng cột lọc này trong thực tế Với mỗi loại đá ong có thành phần hóa học và khoáng vật khác nhau thì hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải cũng khác nhau Vì thế cần có nghiên cứu độc lập từng loại đá ong của từng vùng cụ thể

Yu Xiaohong và cộng sự [27] đã nghiên cứu sự hấp thụ của Cr (VI) lên đá ong ở tỉnh Guizhou - Trung Quốc Đây là vùng địa chất karsto, đá ong có màu vàng đậm và sản phẩm đã phong hóa hoàn toàn Thí nghiệm được thực hiện trong phòng bằng cách lắc

1 g đá ong của nhiều mẫu khác nhau được thu thập từ vùng này trong dung dịch 25 ml

Cr (VI) nồng độ 0,15mg/L trong thời gian 2 giờ, sau đó ngâm dung dịch trong 22 giờ Kết quả cho thấy nồng độ đã giảm cao nhất là 0,1 mg/L, mẫu thấp nhất cũng loại được

Cr với nồng độ 0,06mg/L Hiệu quả xử lý Cr phụ thuộc vào ảnh hưởng của thành phần khoáng vật silicate Kaolinite đã giảm hiệu ứng hấp phụ trong khi oxit sắt, khoáng không có cấu trúc tinh thể và gipsite lại làm tăng hiệu ứng hấp phụ Cr(VI) Hiệu ứng hấp phụ Cr(VI) tốt nhất ở pH dung dịch thấp 2-5, khả năng hấp phụ giảm dần trong môi trường pH trung tính đến kiềm, hiệu quả xử lý chỉ đạt 50% Nghiên cứu cũng chỉ

ra rằng phản ứng hấp phụ Cr(VI) lên đá ong diễn ra rất nhanh, 80% hàm lượng Cr (VI)

đã hấp phụ chỉ sau 2 giờ

Felix Udoeyo và cộng sự [28] thử nghiệm khả năng hấp phụ kim loại nặng từ nước thải sinh hoạt và chế biến dầu tại khu vực đồng bằng Niger, Mỹ nơi có diện tích đất ngập nước lớn thứ 3 thế giới bằng đá ong Kết quả: Đá ong không những hấp phụ tốt kim loại nặng trong nước, trầm tích và bùn cát Khả năng làm sạch chì đạt 46-78%,

23

cadimium đạt 26,6-37,6%, asen đạt 13,8-30,2% Hiệu quả xử lý tăng khi nồng độ kim loại nặng giảm Kết quả từ thí nghiệm tuyến tính với phương trình được mô phỏng bởi Langmuir, các hệ số xác định R2 = 0,9-0,98

Ấn Độ cũng là quốc gia có trữ lượng đá ong rất lớn và thường được sử dụng phổ biến làm vật liệu lọc nước, khử kim loại nặng và asen Tại Ấn Độ, nhiều nghiên cứu ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải như: Avinash M và cộng sự [29] đã nghiên cứu khả năng lọc các chất ô nhiễm của đá ong bằng cách xây các công trình xử lý nước thải sinh hoạt trên nền khu vực đá ong (CFC) gồm các bể chứa được xây dựng có chiều cao 1,1m trong đó 0,4 m ngập sâu trong nền đá ong, lớp dưới cùng nền đáy được rải lớp vật liệu chống thấm Nước thải được dẫn trực tiếp vào hồ chứa, sau thời gian tương tác sinh học khoảng vài ngày, tiến hành tháo nước sang bể chứa khác So sánh chất lượng nước giữa các hồ thấy nồng độ chất ô nhiễm giảm đi đáng kể Độ pH của nước thải đầu ra là 7,4 – gần đạt đến giá trị trung tính, nồng độ oxi hòa tan tăng lên tới 4,8 mg/L, BOD5 giảm từ 91,7 mg/L xuống dưới 10 mg/L; nồng độ COD trong nước thải đầu ra giảm 78,7 % so với đầu vào; tổng chất rắn lơ lửng TSS giảm 95,2 % (từ 145,3 -187,8 mg/L xuống còn 7,8-9,1mg/L) Công trình cũng loại bỏ được 55-67% chất hữu cơ, photpho và 80-85% amoni (NH4+-N) có trong nước thải; Kết quả cũng cho thấy nồng độ NO3-N trong nước thải đầu ra lại tăng do sự ô xi hóa chưa hoàn toàn

NH4+-N, tuy nhiên do amoni giảm từ 1,6 mg/L xuống còn 0,94 mg/L nên T-N vẫn giảm 34,8% so với nước thải đầu vào Ngoài ra, dưới tác dụng của màng lọc vi sinh

tổng Coliform đã giảm từ 3,5x108 xuống còn 2,4x105 CFU/100ml, Fecal coliform đã

giảm từ 2x107 xuống còn 3x104 CFU/100ml Hay Mitali Sarkar và cộng sự [30] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ flo của laterite được lấy từ huyện Bankura ở phía tây Bengal, Ấn Độ Thành phần chủ yếu là SiO2 chiếm 72,9%, Fe2O3 chiếm 3,7%, Al2O3chiếm 14,51 %, ngoài ra là oxit của titan và canxi Kết quả cho thấy đá ong tự nhiên

xử lý được 74,4-83,3% flo trong nước tự nhiên, đồng thời vật liệu này cũng xử lý hiệu quả nhiều thành phần anion khác như Cl-, SO42- và NO3- Sanjoy Kumar và cộng sự [31] cũng đã đưa ra kết luận rằng đá ong ở vùng này còn có khả năng khử As (V) trong nước ngầm nồng độ rất cao một phần do ảnh hưởng từ chất thải một phần ảnh hưởng

từ địa chất tự nhiên Thí nghiệm dạng cột được thiết lập để xác định khả năng hấp phụ của đá ong Kết quả cho thấy 43% As (V) được loại bỏ và áp dụng cho nước thải có

24

nồng độ As không vượt quá 0,05mg/L; Flo là nguyên tố cần thiết cho cơ thể sống, song khi dư thừa hoặc thiếu hụt Flo đều ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người, biểu hiện rõ rệt nhất là các bệnh Fluorosis về xương và răng Mitali Sarkar và cộng sự (2006) [30] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ flo của đá ong được lấy từ huyện Bankura ở phía tây Bengal, Ấn Độ với thành phần hóa học chủ yếu là SiO2 (72,9%),

Fe2O3 chiếm 3,7%, Al2O3 chiếm 14,51 %, ngoài ra là oxit của titan và canxi Kết quả cho thấy đá ong tự nhiên xử lý được 74,4-83,3% flo trong nước tự nhiên, đồng thời vật liệu này cũng xử lý hiệu quả nhiều thành phần anion khác như Cl-, SO42- và NO3-

2 Các công trình nghiên cứu ứng dụng đá ong biến tính để xử lý nước thải

Độ bền và khả năng xử lý các chất ô nhiễm của đá ong được cải thiện bằng cách tạo ra các vật liệu biến tính nhiệt hoặc hóa học từ đá ong Điển hình cho các nghiên cứu về

đá ong biến tính nhiệt là công trình nghiên cứu của Liang Zhang và cộng sự [32] nghiên cứu về khả năng hấp phụ phốt pho lên vật liệu đá ong biến tính nhiệt ở 170o

C Vật liệu được tạo ra từ đá ong thu thập ở thành phố Vũ Hán - Trung Quốc với hàm lượng SiO2 chiếm 53,2%, Al2O3 chiếm 24,4%, và Fe2O3 chiếm 14,2% Thí nghiệm được thực hiện bằng cách cho 10g vật liệu đá ong biến tính nhiệt đã được nghiền mịn vào trong mẫu nước có nồng độ phốt pho từ 0-30mg/L và lắc trong 24 tiếng ở nhiệt độ phòng Kết quả phân tích dung dịch sau lắc cho thấy nồng độ phốt pho đã giảm khoảng 70%, tại điểm cân bằng khả năng hấp phụ phốt pho đạt 0,8 -1mg/g

Alunite là một loại đá ong tự nhiên giàu nhôm thuộc nhóm Jarosite ở Thổ Nhĩ Kỳ; Thành phần khoáng chủ yếu gồm SiO2 (43,6%), Al2O3 (22,6%), K2O (5,1%) và các loại khoáng khác Vì alunite tự nhiên là 1 loại khoáng không hòa tan trong nước, vì vậy để tăng hiệu suất hấp phụ, nghiên cứu đã tiến hành canxit hóa vật liệu tự nhiên ở nhiệt độ cao 950o

C, sau đó được dùng làm chất hấp phụ phốt pho Hàm lượng phốt pho được hấp thụ tăng lên từ 10 mg/g đến 100 mg/g khi nồng độ P trong nước tăng tương ứng từ 5mg/L đến 200mg/L Khi pH = 4-5 thì hiệu suất xử lý phốt pho đạt cao nhất [33];

I.M.M Ranhman và cộng sự [34] qua các mẫu đá ong ở Ogasawara - Nhật Bản, với thành phần hóa học là 55% SiO2, 43% Al2O3 và 2% Fe2O3, kích thước hạt được làm mịn tới 1mm, sau đó nung ở nhiệt độ 500oC, sau quá trình hấp phụ thì As còn lại trong

25

dung dịch thấp hơn tiên chuẩn WHO (0,01mg/L) Tác giả đề cao tính khả quan của kết quả, tuy nhiên thí nghiệm này được thực hiện trong phòng với các mẫu nước nhiễm As giả định nên chưa đánh giá hết độ nhiễu và ảnh hưởng của ion và kim loại khác trong nước, vì thế cần được tiến hành các nghiên cứu thêm

Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm lại phụ thuộc vào thành phần hóa học, nhiệt độ nung

đá ong, cách tạo tâm hấp phụ bằng hóa học, nồng độ các chất ô nhiễm, sự ảnh hưởng lẫn nhau của các chất có mặt trong nước Vì thế các nghiên cứu trên được dùng như tài liệu tham khảo, định hướng cho việc nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám bằng vật liệu đá ong tại Việt Nam

1.2.3.2 Những công trình nghiên cứu trong nước ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử

lý nước thải

1 Công trình nghiên cứu thực hiện với đá ong tự nhiên

Tại Việt Nam, một số nghiên cứuvề khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước đã được thực hiện nhưng chủ yếu là giải quyết một số vấn đề ở góc độ lý thuyết và tập trung vào khả năng hấp phụ kim loại nặng của đá ong, như:

Nguyễn Thị Hằng Nga [35] nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước như Cu, Pb và Cd bằng các hạt đá ong tự nhiên lấy tại Thạch Thất - Hà Nội Sau

đó được rửa sạch, phơi khô ở nhiệt độ phòng tiến hành nghiền nhỏ và rây qua màng lọc

cỡ 2 mm để tạo thành vật liệu hấp phụ dạng hạt có kích thước nhỏ hơn 2 mm Phân tích khả năng hấp phụ kim loại nặng được thực hiện trong phòng thí nghiệm với nước thải giả định và thay đổi độ pH Kết quả cho thấy đá ong có khả năng hấp phụ 1-1,2 mgPb/g, 0,5-0,8 mgCu/g, lên đến 0,4 mgCd/g và quá trình hấp phụ các kim loại nặng chỉ xảy ra khi pH ≥ 4 và gần như không xảy ra khi pH < 4

Để xác định được khả năng hấp phụ Flo trong nước bằng đá ong nguyên khai, Trần Thị Thu Thủy đã tiến hành 2 thí nghiệm gồm: thí nghiệm lắc (xác định khả năng hấp phụ tĩnh của đá ong) và thí nghiệm qua cột (hấp phụ động) với đá ong nguyên khai vùng Yên Bình -Thạch Thất, Hà Nội Sau hơn 3 tháng liên tục thực hiện thí nghiệm, tác giả đã xác định được đá ong nguyên khai có khả năng xử lý trên 90% Flo có trong nước Tuy nhiên thí nghiệm được thực hiện trên mẫu nhiễm Flo giả định, do vậy chỉ mang tính chất

26

thăm dò, kết quả chưa thể khẳng định là phù hợp ngoài thực tế hay không vì trong nước còn chứa nhiều các thành phần tạp chất khác như cáccation kim loại, anion và hợp chất hữu cơ mà trong thí nghiệm này chưa đề cập đến [36]

2 Công trình nghiên cứu thực hiện với đá ong biến tính

Khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm có trong nước thải của đá ong biến tính nhiệt, hóa học, nhiệt – hóa học cao hơn so với đá ong tự nhiên và được thể hiện qua các công trình nghiên cứu sau:

Trần Hồng Côn và cộng sự [37] dùng đá ong biến tính nhiệt (nung ở 900oC) để làm vật liệu xử lý asen trong nước thải đô thị Kết quả nồng độ As (V) trong nước thải giảm từ 0,5mg/L xuống dưới 0,05mg/L (hiệu suất xử lý đạt đến 99%), cao hơn nhiều so với hiệu suất hấp phụ asen của đá ong tự nhiên là 13,8-30,2% - theo Felix [28] hay 43% - theo Mitali Sarkar [30]

Đặng Đức Truyền nghiên cứu và phát triển vật liệu dùng để lọc nước từ đá ong tự nhiên khai thác tại Hòa Bình [38] Vật liệu lọc này được chế tạo từ đá ong biến tính nhiệt – hóa học (phủ MnO2) và cho kết quả loại bỏ các kim loại nặng trong nước tốt mà vẫn không làm mất chất khoáng có trong nước Hạn chế của vật liệu này là giá thành đắt, khả năng hấp phụ của vật liệu giảm nhanh do cặn bẩn bám vào bề mặt vật liệu tạo thành lớp cách ly giữa nước thải và các nhân hấp phụ nằm trên bề mặt hay trong khe rỗng của vật liệu

Ngô Thị Mai Việt và cộng sự [23] thực hiện nghiên cứu với đá ong nung ở nhiệt độ cao (900-9500C), gắn thêm tâm phốt phát Kết quả cho thấy: đá ong biến tính nhiệt – hóa học này có khả năng hấp phụ 105 mg/g đối với Pb2+ và từ 20-40mg/g cho Co, Cu, Cd,

Ni là các ion kim loại nặng có trong nước thải Tuy nhiên kết quả được công bố dựa trên nghiên cứu nước thải giả định với nồng độ các kim loại nặng được tạo ra từ dung dịch chuẩn pha loãng với nước cất, môi trường nước thải giả định rất khác so với môi trường nước thải thực tế, để áp dụng cho nước thải thực thì cần nghiên cứu thêm

Nhìn chung, đá ong biến tính có hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải cao nhưng thường có giá thành đắt,dễ bị tắctrong quá trình xử lý nước thải nhất là nước thải

27

sinh hoạt (chứa nhiều chất hữu cơ) do được chế tạo với kích thước rất nhỏ để tăng diện tích hấp phụ bề mặt nên ít được dùng trong thực tế.Ngoài ra, phần lớn các nghiên cứu trên được thực hiện trong phòng thí nghiệm với các chất ô nhiễm giả định nên khi áp dụng ra ngoài thực tiễn có sự sai khác Bản thân nước thải là môi trường phức hợp, ngoài các ion hòa tan trong nước còn chứa rất nhiều các chất lơ lửng khác như khoáng silicat, hợp chất hữu cơ, tảo Khả năng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào lực liên kết ion của các nguyên tố và lực tương tác điện tích của bề mặt hạt lơ lửng Để xác định tương đối chính xác hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của đá ong cần nghiên cứu và triển khai trong điều kiện thực tế

1.3 Kỹ thuật xếp lớp đa tầng

1.3.1 Khái niệm chung

Từ lâu đất được coi là một trong các loại vật liệu hữu hiệu để xử lý nước thải với chi phí thấp Dựa trên các tính chất vật lý , hóa học, sinh học của từng loại đất mà hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khác nhau Tuy nhiên, xử lý nước thải bằng hệ thống đất tự nhiên thường xảy ra tắc nghẽn và chỉ xử lý được với tải lượng thấp [39] Sơ đồ cấu tạo

hệ thống xếp lớp đa tầng được thể hiện tại Hình 1.11

Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo hệ thống xếp lớp đa tầng Xếp lớp đất đa tầng (Multi Soil Layering) là sử dụng nhiều lớp vật liệu có nguồn gốc

từ đất, sắp xếp theo một trình tự nhất định để xử lý các chất gây ô nhiễm trong nước thải [40] Kỹ thuật xếp lớp đa tầng (Multi Soil Layering Engineering) được S

Nước thải vào

Nước sau xử

lý

Các đơn vị đất: cấu tạo từ các sản phẩm

có nguồn gốc từ đất có tác dụng hoàn thành quá trình phân hủy chất hữu cơ , chất dinh dưỡng…nhờ hoạt động của các

vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùy tiện

Vật liệu chèn: Dùng than hoạt tính,

zeolite, sỏi,…để phân hủy và hấp phụ các chất gây ô nhiễm trong nước thải nhờ khả năng hấp phụ của vật liệu và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí