Nghiên cứu hoạt hóa bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng Cr6+, Zn2+, Cu2+ nước thải dệt nhuộm

267 NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN THẢI TỪ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG CR6+, ZN2+, CU2+ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Lê Thiên Trang, Phạm Anh Khoa Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Lâm Vĩnh Sơn TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu hoạt hóa bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng trong nước thải dệt nhuộm, được xây dựng trên nhu cầu tìm kiếm vật liệu hấp phụ từ chất thải có bản chất thân thiện với môi trường và có khả năng thay thế các chất hấp phụ khác đang được sử dụng hiện nay, nhằm tái sử dụng chất thải và bảo vệ môi trường. Thông qua việc nghiên cứu hoạt hóa đã xác định được khả năng hấp phụ kim loại nặng của bùn thải sau khi hoạt hóa là rất cao. Tuy nhiên sau khi hoạt hóa thì không còn khả năng xử lý chất hữu cơ (COD và BOD), hiệu suất xử lý rất thấp. Nghiên cứu còn cho thấy tải trọng và thời gian hấp phụ của bùn thải đối với mỗi kim loại nặng là khác nhau. Thời gian hấp phụ Zn2+ của bùn thải là lớn nhất (120 phút) so với Cu2+ và Cr6+ (90 phút) nhưng Zn2+ lại có tải lượng thu được là nhỏ nhất (0.059 mg/g), Cu2+ và Cr6+ có tải lượng lần lượt là 0.064 mg/g và 0.069 mg/g. Từ khóa: Bùn thải, hoạt hóa, kim loại nặng, nước thải dệt nhuộm, vật liệu hấp phụ. 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay có rất nhiều công trình để xử lý nước thải sinh hoạt và SBR là một trong những công trình được sử dụng khá phổ biến. Sau khi kết thúc quá trình xử lý, chất hữu cơ trong nước thải được vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa thành ùn thải [4]. Như vậy hàng ngày lượng bùn thải được thải ra từ nhà máy là rất lớn. Theo số liệu của nhà máy xử lý nước thải Thủ Dầu Một thống kê được thì lượng bùn thải thải ra một ngày dao động từ 4 đến 5 tấn. Với lượng bùn thải lớn như vậy nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả sẽ gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường thứ cấp. Và với sự phát triển của công nghiệp, đặc biệt là nghành công nghiệp dệt may đã kéo theo vấn đề ô nhiễm nguồn nước từ việc xả ỏ nước thải của các nhà máy dệt nhuộm. Nước thải dệt nhuộm là một trong những loại nước thải ô nhiễm nặng, trong quá trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại được sử dụng để sản xuất tạo màu [6]. Các chất này thường có chứa các ion kim loại hòa tan, hay kim loại nặng rất khó phân hủy, có thể gây ô nhiễm môi trường trong thời gian dài [3] [5]. Nếu chưa được xử lý và xử lý chưa đạt QCVN sẽ làm ảnh hưởng tới môi trường và con người. Nếu có thể tận dụng nguồn bùn thải, vốn là chất thải công nghiệp, gây hại cho môi trường trở thành một vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nước thải nhà máy dệt nhuộm thì sẽ tạo ra được 268 rất nhiều lợi ích về sau. Vì lý do trên nghiên cứu hoạt hóa bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng Cr6+, Zn2+, Cu2+ nước thải dệt nhuộm sẽ rất cần thiết. 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp luận Trong nước thải dệt nhuộm có chứa các ion kim loại nặng rất khó xử lý. Nếu thải ra môi trường mà không qua quá trình xử lý trong thời gian dài sẽ gây ô nhiễm môi trường rất nặng. Bên cạnh đó lượng bùn thải thải bỏ trong quá trình xử lý nước cũng khá lớn. Do vậy việc tái sử dụng bùn thải này làm vật liệu hấp phụ là một phương án tối ưu giúp giải quyết bài toán kinh tế cũng như bảo vệ môi trường. 2.2 Phương pháp cụ thể Phương pháp kế thừa: Biên hội, tổng hợp, phân tích các tài liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nước thải dệt nhuộm, liên quan đến bùn thải từ các nhà máy xử lý, các cơ chế hấp phụ kim loại nặng, làm cơ sở luận cho nghiên cứu. Phương pháp thực nghiệm: Xác định các điều kiện tối ưu nhằm hoạt hóa bùn thải thành vật liệu hấp phụ và xác định các thông số tối ưu ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ kim loại nặng của vật liệu tạo từ bùn thải trên. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh. Trong đó: – Xác định khả năng hấp phụ: Dùng ảnh chụp SEM để phân tích bề mặt vật liệu hấp phụ. – Phân tích hàm lượng Zn2+: Dùng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS. – Phân tích Cr6+ và Cu2+: Dùng máy đo quang Hach DR/2010. – Phương pháp tính toán, thống kê, xử lý số liệu: Các số liệu phân tích, kết quả tổng hợp được xử lý bằng phần mềm thống kê để nhận định đánh giá kết quả nghiên cứu. 2.3 Nguyên vật liệu 2.3.1 Nguyên liệu Bùn thải được lấy ở bể SBR của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ở Bình Dương có độ ẩm dao động từ 80%, hàm lượng hữu cơ 4000 mg/l và hàm lượng vô cơ 2000 mg/l. Hình 1: Bùn thải được lấy ra tại bể SBR 269 2.3.2 Vật liệu Cột bùn hoạt tính: Phía dưới có khóa đóng mở. Dùng kẹp lắp lên giá cho cột thẳng đứng, khóa ở phía dưới đóng lại. Hình 2: Mô hình cột bùn hấp phụ 2.4 Quy trình nghiên cứu Bùn thải sau khi lấy ra khỏi bể sẽ được loại nước và đem sấy khô ở nhiệt độ 105 oC trong vòng hai tiếng đồng hồ. Sau đó đem rây qua rây 0.5 mm để loại bùn thải có kích thước lớn. Sau khi rây mẫu bùn khô, ta tiến hành nghiên cứu theo sơ đồ sau: Hình 3: Quy trình thực hiện nghiên cứu 270 3 KẾT QUẢ 3.1 Thí nghiệm xác định đi u kiện tối ưu hoạt hóa bùn thải hoạt tính bằng axit Hình 4: Đồ thị thể hiện hiệu suất và nồng độ HCl (a), tải trọng và nồng độ HCl (b) Nhận xét: Sau khi tiến hành thí nghiệm kiểm tra 1, cho thấy kết quả hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng của từng mẫu bùn thải được hoạt hoá với những nồng độ axít khác nhau. Hiệu suất hấp phụ ion Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ cao nhất ở mẫu bùn hoạt hoá 4.0 M lần lượt là 70%, 65%, 69%. Tải trọng lớn nhất của Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ lần lượt là là 0.104 mg/g, 0.096 mg/g và 0.103 mg/g. Hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng cao nhất ở mẫu bùn thải được hoạt hoá bằng axit HCl nồng độ 4.0 M và không thay đổi ở nồng độ 5.0 M. Vậy chọn axit HCl có nồng độ 4.0 M để hoạt hoá cho bùn thải. Hình 5: Đồ thị thể hiện hiệu suất và thời gian (a), tải trọng và thời gian (b) Nhận xét: Sau khi tiến hành hoạt hoá bùn thải với axit HCl có nồng độ 4.0 M với những mốc thời gian hoạt hoá khác nhau. Tiến hành thí nghiệm kiểm tra 2, ta có hiệu suất hấp phụ ion của Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ cao nhất ở mẫu bùn hoạt hoá 4 giờ lần lượt là 70%, 65% và 69%. Tải trọng lớn nhất của Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ lần lượt là là 0.104 mg/g, 0.096 mg/g và 0.103 mg/g. Hiệu suất hấp phụ cao nhất nằm ở mẫu bùn thải hoạt hoá 4 giờ và không thay đổi ở mốc thời gian 5 giờ. Vậy chọn thời gian hoạt hoá 4 giờ làm thời gian hoạt hoá tối ưu. 271 Qua kết quả ảnh chụp SEM của mẫu bùn thải trước và sau khi hoạt hóa: Hình 6: Mẫu bùn thải trước khi hoạt hóa (a) và mẫu bùn thải sau hoạt hóa (b) Ta thấy, bùn thải trước khi hoạt hoá có cấu trúc lồi lỏm, có những nếp gấp và khoảng trống, đặc trưng cho vật liệu có cấu trúc không đồng nhất. Bùn thải sau khi hoạt hoá bằng axit HCl nồng độ 4.0 M trong thời gian 4 giờ đã biến đổi so với mẫu bùn thải trước khi hoạt hoá, từ kết quả ảnh SEM cho ta thấy bùn thải sau hoạt hóa là một liệu tơi xốp, trên bề mặt có những nếp gấp và xoắn nhất định, thích hợp là vật liệu hấp phụ. 3.2 Thí nghiệm xác định đi u kiện tối ưu quá trình hấp phụ kim loại nặng trong nước thải 3.2.1 Thí nghiệm xác định đi u kiện tối ưu quá trình hấp phụ kim loại nặng của bùn trước hoạt hóa Hình 7: Đồ thị thể hiện hiệu suất và thời gian hấp phụ (a), tải trọng và thời gian hấp phụ (b) Nhận xét: Sau khi đo nồng độ kim loại còn lại trong dung dịch, tính được hiệu suất hấp phụ của từng mốc thời gian khác nhau. Hiệu suất hấp phụ của Cr6+, Zn2+, Cu2+ cao nhất ở mốc thời gian lần lượt là 90 phút, 120 phút, 90 phút. Tải trọng lớn nhất của Cr6+, Zn2+, Cu2+ lần lượt là 0.069 mg/g, 0.059 mg/g và 0.064 mg/g. Vậy thời gian hấp phụ tối ưu của Ion Cr6+ là 90 phút, Ion Zn2+ là 120 phút, Ion Cu2+: 90 phút. 272 3.2.2 Thí nghiệm xác định đi u kiện tối ưu quá trình hấp phụ kim loại nặng của bùn sau hoạt hóa (a) (b) (c) Hình 8: Nồng độ kim loại nặng và hiệu suất hấp phụ của từng kim loại( a,b,c) Nhận xét: Sau khi tiến hành thí nghiệm, kết quả như sau: Hiệu suất hấp phụ cả 3 ion Cr6+, Zn2+, Cu2+ cao nhất ở nồng độ ion kim loại <150 mg/l và hiệu suất giảm dần khi nồng độ ion kim loại >150 mg/l. Vậy khi tăng nồng độ Ion kim loại thì hiệu suất hấp phụ giảm. Do vậy bùn thải chỉ hấp phụ được một nồng độ ion kim loại thích hợp, khi tăng nồng độ ion kim loại lên thì cần tăng lượng bùn thải. 3.2.3 So sánh hiệu quả hấp phụ kim loại nặng của bùn thải trước và sau khi hoạt hóa Hình 9: Hiệu suất hấp phụ kim loại nặng trước và sau khi hoạt hóa của bùn thải Nhận xét: Trước khi hoạt hóa hiệu suất hấp phụ của bùn thải khá thấp và thời gian hấp phụ tối ưu của mỗi kim loại là khác nhau. Tuy nhiên, sau khi hoạt hóa bằng axit HCl hiệu suất hấp phụ tăng cao và có cùng một thời gian hấp phụ tối ưu. Vì vậy lựa chọn bùn thải sau khi hoạt hóa làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng. 273 3.3 Thí nghiệm khả năng hấp phụ kim loại nặng của bùn thải trên mẫu thật Bảng 1: Kết quả xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế PH Độ màu (Pt  Co) COD (mg/l/) BOD (mg/l/) SS (mg/l/) Cr6+ (mg/l/) Zn2+ (mg/l/) Cu2+ (mg/l/) Mẫu ban đầu 8 1200 270 600 90 0.5 0.2 - Sau khi đi qua cột bùn hấp phụ 7.5 500 253 500 10 - - - Hiệu suất xử lý 58.3% 6.3% 16.6% 88.9% 100% 100% - Nhận xét: Sau quá trình sấy khô và hoạt hoá bằng axit HCl thì bùn thải không còn khả năng xử lý chất hữu cơ (COD và BOD và với hiệu suất xử lý rất thấp. Sau khi hấp phụ kim loại nặng của nước thải dệt nhuộm thực tế, hàm lượng ion Cr6+ của bùn thải vẫn nằm dưới ngưỡng nguy hại theo QCVN 50:2013/BTNMT. 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Hiệu suất hấp phụ ion Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ cao nhất ở mẫu bùn hoạt hoá 4.0 M lần lượt là 70%, 65%, 69%. Hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng cao nhất ở mẫu bùn thải được hoạt hoá bằng axit HCl nồng độ 4.0 M và không thay đổi ở nồng độ 5.0M. Chọn nồng độ hoạt hóa là 4.0 M. Hiệu suất hấp phụ ion của Cr6+ , Zn2+ , Cu2+ cao nhất ở mẫu bùn hoạt hoá 4 giờ lần lượt là 70%, 65% và 69%. Hiệu suất hấp phụ cao nhất nằm ở mẫu bùn thải hoạt hoá 4 giờ và không thay đổi ở mốc thời gian 5 giờ. Chọn thời gian hoạt hóa là 4 giờ. Hiệu suất hấp phụ của Cr6+, Zn2+, Cu2+ cao nhất ở mốc thời gian lần lượt là 90 phút, 120 phút, 90 phút. Vậy thời gian hấp phụ tối ưu của Ion Cr6+ là 90 phút, Ion Zn2+ là 120 phút, Ion Cu2+: 90 phút. Hiệu suất hấp phụ cả 3 ion Cr6+ Zn2+, Cu2+ cao nhất ở nồng độ ion kim loại <150 mg/l và hiệu suất giảm dần khi nồng độ ion kim loại >150 mg/l. Vậy khi tăng nồng độ Ion kim loại thì hiệu suất hấp phụ giảm. 4.2 Kiến nghị Nghiên cứu hoạt hóa bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng Cr6+, Zn 2+,Cu2+ nước thải dệt nhuộm ước đầu cho thấy bùn thải có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trong nước thải. Tuy nhiên vẫn còn rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nên cần có nhữngnghiên cứu về sự ảnh hưởng khác như pH, tốc độ dòng chảy, nhiệt độ để đề tài được hoàn thiện hơn. Cần có những biện pháp xử lý và tận dụng bùn thải một cách hiệu quả hơn, để vừa có lợi về kinh tế vừa bảo vệ được môi trường. 274 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] QCVN 40:2011/BTNMT: Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp. [2] QCVN 50:2013/BTNMT: Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý. [3] Vũ Hải Yến (2016). Độc chất môi trường, Nhà xuất bản Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh. [4] [5] nang-as-cd-cu-hg-doi-voi-con-nguoi-dong-vat-va-thuc-vat.htm [6]