Nghiên cứu phương án công nghệ xử lý nước thải dược phẩm tại Công ty Cổ phần Dược phẩm 3 tháng 2

419 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI DƯỢC PHẨM TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN DƯỢC PHẨM 3 THÁNG 2 Tạ Trung Kiên, Huỳnh Thị Ngọc Duyên, Võ Nhật Anh Thư, Hoàng Mỹ Linh, Nguyễn Thanh Long Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Lâm Vĩnh Sơn TÓM TẮT Nghiên cứu phương án xử lý nước thải dược phẩm điển hình tại Công ty Dược phẩm 3 Tháng 2. Nước thải dược phẩm được biết là một trong những loại nước thải khó xử lý bởi tính chất chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, bền và độc hại đối với hệ sinh thái (nước thải dược phẩm được xử lý trong đề tài có tỷ lệ BOD5/COD =0,096) [3]. Tuy nhiên, nước thải dược phẩm ở nước ta hiện không được xử lý triệt để do hạn chế về mặt công nghệ, chi phí và kinh nghiệm xử lý [5]. Nước thải này nếu thải ra ngoài sẽ có những ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Với thực tiễn trên, việc nghiên cứu các phương án khác nhau để tìm ra phương án tối ưu để xử lý hiệu quả và chi phí thấp là rất cần thiết. Phương án được đưa ra nghiên cứu gồm các bậc xử lý: keo tụ tạo bông, oxy hóa bằng hệ xúc tác Fenton và xử lý sinh học [7]. Mỗi bậc xử lý có tác dụng quan trọng khác nhau đối với việc xử lý nước thải dược phẩm. Điểm đặc biệt của nghiên cứu này là dùng hệ xúc tác Fenton đồng thể để tạo ra gốc OH* có tính oxy hóa cao, phá vỡ mạch các chất hữu cơ bền khó phân hủy sinh học [6]. Điều quan trọng là sắp xếp bố trí thích hợp để hiệu quả xử lý cao nhất nhưng chi phí thấp nhất. Trong mỗi bố trí đều phải xác định các điều kiện tối ưu của quá trình xử lý. Kết quả nghiên cứu cho thấy bố trí theo thứ tự Keo tụ tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học đạt tối ưu với hiệu suất là 98,22 %. Nước thải đầu ra đạt quy chuẩn loại B của QCVN 40:2011/BTNMT. Phương án bố trí theo thứ tự Keo tụ tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học rất thích hợp để xử lý nước thải dược phẩm và các loại nước thải có tính chất tương tự khác. Từ khóa: fenton, nước thải dược phẩm, sinh học hữu cơ, tối ưu, xử lý sinh học. 1 GIỚI THIỆU Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống và sức khỏe con người ngày càng cao hơn. Đi đôi với đó là sự phát triển của ngành dược phẩm, một nhu cầu cấp thiết trong xã hội hiện nay. Việc sản xuất dược phẩm hầu như đều thải ra môi trường các tác nhân ô nhiễm, đặc biệt thuốc kháng sinh chiếm một vị trí quan trọng do tỷ lệ ứng dụng chúng rất cao trong y học [3]. Thuốc kháng sinh tồn tại ở ngoài môi trường với nồng độ thấp cũng làm xuất hiện những loại vi khuẩn có khả năng kháng lại thuốc kháng sinh đó. Đồng thời, lượng nước thải sinh ra từ sản xuất thuốc kháng sinh liên tục tăng lên, yêu cầu về chất lượng môi trường ở mỗi quốc gia ngày càng trở thành đề tài cấp thiết [5]. Phương pháp oxy hóa bậc cao là một phương pháp xử lý hiệu quả đối với hầu hết các chất ô nhiễm khó phân hủy trong nước thải. Trong 420 nước thải dược phẩm, tỷ lệ các hợp chất hữu cơ bền khó phân hủy cao [9]. Do đó, quá trình xử lý nước thải dược phẩm bằng phương pháp này là hiệu quả và cần thiết. 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp luận Các phương pháp được lựa chọn để nghiên cứu xử lý nước thải dược phẩm là: phương pháp keo tụ tạo bông, phương pháp oxy hóa bậc cao bằng hệ xúc tác Fenton, và phương pháp xử lý sinh học hiếu khí. Phương pháp keo tụ tạo bông làm lắng các cặn lơ lửng trong nước, làm nước trong hơn, đồng thời giảm lượng chất ô nhiễm. Phương pháp oxy hóa bậc cao bằng hệ xúc tác Fenton làm bẻ gãy các mạch hữu cơ phức tạp khó phân hủy. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí biến chất ô nhiễm trong nước thải thành sinh khối cho vi sinh vật, nhờ đó làm giảm lượng chất ô nhiễm hữu cơ. Ba phương pháp trên thích hợp để xử lý nước thải dược phẩm, tuy nhiên bố trí của 3 phương pháp trên như thế nào để hiệu quả xử lý tối ưu với chi phí thấp nhất. - Với bố trí: Keo tụ tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học, quá trình Fenton ngay trước sinh học, nếu hóa chất của phản ứng Fenton gồm Fe (II) và H2O2 dư sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật trong bể aerotank, làm giảm hiệu quả xử lý sinh học. - Với bố trí: Fenton – Keo tụ tạo bông – Xử lý sinh học, quá trình keo tụ tạo bông ngay sau quá trình Fenton, trong khi đó sau phản ứng Fenton có quá trình lắng kết tủa sắt kéo theo các chất lơ lửng xuống, quá trình keo tụ tạo bông ngay sau đó có thể trở nên không hiệu quả. Đồng thời lượng hóa chất dùng cho phản ứng Fenton tốn khá nhiều. - Với bố trí Keo tụ - Xử lý sinh học – Fenton, trước xử lý sinh học - sau quá trình keo tụ lượng chất ô nhiễm còn lại tương đối nhiều (nhiều hơn so với 2 bố trí trên) nếu vào xử lý sinh học vi sinh vật sẽ bị quá tải, làm giảm hiệu suất xử lý. Như vậy dựa vào lý thuyết không thể đánh giá được phương án tốt nhất để xử lý nước thải dược phẩm, cần nghiên cứu với những kết quả thực nghiệm để đưa ra những công nghệ xử lý tối ưu nhất. 2.2 Phương pháp cụ thể Phương pháp điều tra khảo sát. Tham khảo những tài liệu, nghiên cứu có liên quan trước đây đến việc xử lý nước thải dược phẩm và những mô hình hoàn thiện đã được ứng dụng. Phương pháp tổng hợp tài liệu. Tổng hợp các tài liệu, nghiên cứu có liên quan đến đề tài, phân loại và tổng hợp các nội dung cần thiết cho vấn đề cần nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu các kiến thức về ngành, tham khảo các tài liệu liên quan, những nghiên cứu trước đây về xử lí nước thải dược phẩm, các phương pháp xử lý có hiệu quả bằng các biện pháp hoá – lý, hoá học, sinh học. Từ đó kế thừa những kiến thức ấy. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước thải. 421 Tiến hành lấy mẫu tại các đường ống xả thải nước thải dược phẩm của Công Ty Dược Phẩm 3 Tháng 2 và các nguồn tiếp nhận nước thải. Phân tích các chỉ tiêu COD, BOD5, DO, pH, tổng P, tổng N, TSS, lượng phèn đối với các mẫu đã lấy. Phương pháp thực nghiệm. Tiến hành thí nghiệm, thực nghiệm đối với các nghiệm thức. Đối với mỗi phương thức xử lý sử dụng cùng một loại nguồn nước thải giống nhau để mang tính đầy đủ và chính xác. Phương pháp so sánh với QCVN. Từ kết quả nghiên cứu các chỉ tiêu sau xử lý của các phương án, so sánh với QCVN từ đó đánh giá chất lượng, hiệu quả xử lý. Phương pháp so sánh các qui trình công nghệ đã có liên quan đến ngành dược phẩm. Từ kết quả nghiên cứu, so sánh với các sơ đồ, quy trình nghiên cứu bằng các nghiệm thức đã tiến hành. Lựa chọn quy trình xử lý đạt hiệu suất cao nhất, đánh giá quy trình và đưa ra lượng sử dụng xử lý tối ưu. 2.3 Sơ đồ nghiên cứu Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu xử lý nước thải dược phẩm 2.4 Nội dung thực nghiệm Tổng quan và xác định thành phần tính chất nước thải Công ty Cổ phần Dược phẩm 3 Tháng 2. Thiết kế, xây dựng mô hình xử lý. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải dược phẩm với 3 phương án như sau: - Keo tụ tạo bông – Fenton –Xử lý sinh học. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ Bố trí 1 Bố trí 2 Bố trí 3 Keo tụ - tạo bông Fenton Sinh học Fenton Keo tụ - tạo bông Sinh học Keo tụ - tạo bông Sinh học Fenton 422 - Fenton – Keo tụ tạo bông – Xử lý sinh học. - Keo tụ tạo bông – Xử lý sinh học – Fenton. Hình 2. Sơ đồ nội dung thực nghiệm (a) (b) Hình 3. Mô hình keo tụ tạo bông - Fenton (a), Mô hình Aerotank (b) Hình 4. Phương pháp khảo sát quá trình keo tụ tạo bông Hình 5. Phương pháp khảo sát quá trình Fenton 423 3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 Kết quả phân tích một số thông số cơ bản Bảng 1. Các thông số cơ bản của nước thải dược phẩm chạy mô hình Thứ tự mẫu pH TSS (mg/l) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) TKN (mg/l) TP (mg/l) Độ đục (NTU) 1 4,3 362 540 5.627 2,8 2,78 35,7 2 4 405 570 5.703 2,9 2,86 37,2 3 5 386 530 5.513 2,6 2,97 40,1 Trung bình 4,43 384,33 546,67 5.614,33 2,77 2,87 37,67 Nhận xét: nước thải dược phẩm nhìn chung có tính acid, chỉ tiêu COD cao trong khi đó BOD5 lại thấp, tỷ lệ BOD5/COD =0,096. Điều này có nghĩa là lượng chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải cao hơn rất nhiều so với các chất hữu cơ dễ phân hủy. Các chỉ tiêu khác như P, N tương đối thấp qua các bậc xử lý sẽ được xử lý hiệu quả. Điều cần chú ý với nước thải dược phẩm này là lượng lớn chất hữu cơ bền tồn tại, đó là mục tiêu lớn nhất trong việc xử lý nước thải dược phẩm. 3.2 Kết quả thích nghi của bể aerotank Bảng 2. Kết quả các giai đoạn thích nghi bùn Ngày COD vào(mg/l) COD ra(mg/l) H (%) Ngày COD vào(mg/l) COD ra(mg/l) H (%) 1 100 30 70,00 16 1.600 97 93,94 2 200 34 83,00 17 1.700 97 94,29 3 300 35 88,33 18 1.800 102 94,33 4 400 39 90,25 19 1.900 108 94,32 5 500 46 90,80 20 2.000 116 94,20 6 600 48 92,00 21 2.100 125 94,04 7 700 52 92,57 22 2.200 135 93,68 8 800 51 93,63 23 2.300 155 93,26 9 900 58 93,56 24 2.400 185 92,29 10 1.000 61 93,90 25 2.500 225 91,00 11 1.100 62 94,36 26 2.600 275 89,42 424 Ngày COD vào(mg/l) COD ra(mg/l) H (%) Ngày COD vào(mg/l) COD ra(mg/l) H (%) 12 1.200 65 94,58 27 2.700 345 87,22 13 1.300 73 94,38 28 2.800 435 84,46 14 1.400 86 93,86 29 2.900 505 82,59 15 1.500 93 93,80 Thảo luận: từ số liệu Bảng 2 cho thấy hiệu suất xử lý COD trong quá trình thích nghi bùn có xu hướng giảm mạnh kể từ khi COD có giá trị 2400 mg/l. Điều này được lý giải là do hiện tượng sốc tải của vi sinh vật vì COD có giá trị cao. Hình 6. Quá trình thích nghi bùn Nhận xét: từ CODvào= 2.100 mg/l trở đi có hiện tượng sốc tải → Hiệu suất giảm. 3.3 Khảo sát hiệu suất và điều kiện tối ưu của các phương án 3.3.1 Nghiệm thức 1 (Keo tụ - tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học) Quá trình keo tụ - tạo bông Lượng phèn tối ưu: 1,667 g/l. pH tối ưu: 7,5. 425 Quá trình Fenton H2O2 tối ưu: 0,125 mol/l. Fe (II) tối ưu: 0,0125 mol/l. pH tối ưu: 3. Thời gian lưu tối ưu: 75 phút. Xử lý sinh học Bảng 3. Thời gian lưu ở mỗi nồng độ CODvào (mg/l) Thời gian lưu (giờ) CODra (mg/l) Hiệu suất (%) 505 4 46 90,89 1004 4 65 93,53 1496 6 95 93,65 1720 6 96 94,42 Tải trọng tối ưu = 0,287 Kg/m3.ngày. 426 3.3.2 Nghiệm thức 2 (Fenton – Keo tụ - tạo bông – Xử lý sinh học) Quá trình Fenton H2O2 tối ưu: 0,3125 mol/l. Fe (II) tối ưu: 0,0125 mol/l. pH tối ưu: 3. Thời gian lưu tối ưu: 75 phút. Quá trình keo tụ - tạo bông Lượng phèn tối ưu: 2,083 g/l. pH tối ưu: 7. Quá trình xử lý sinh học 427 Bảng 4. Thời gian lưu ở mỗi nồng độ CODvào (mg/l) Thời gian lưu (giờ) CODra (mg/l) Hiệu suất (%) 508 4 44 91,34 1018 4 79 92,24 1313 4 76 94,21 Tải trọng tối ưu = 0,328 Kg/m3.ngày. 3.3.3 Nghiệm thức 3 (Keo tụ - tạo bông – Xử lý sinh học – Fenton) Quá trình keo tụ - tạo bông Lượng phèn tối ưu: 1,667 g/l. pH tối ưu: 7,5. Quá trình xử lý sinh học Bảng 4. Thời gian lưu ở mỗi nồng độ CODvào(mg/l) Thời gian lưu (giờ) CODra(mg/l) Hiệu suất (%) 512 2 225 56,05 1.014 2 382 62,33 1.508 2 540 64,19 2.108 4 477 77,37 2.493 10 550 77,94 2.913 10 565 80,60 Tải trọng tối ưu = 0,291 Kg/m3.ngày. 428 Quá trình Fenton H2O2 tối ưu: 0,0625 mol/l. Fe (II) tối ưu: 0,000546875 mol/l. pH tối ưu: 3. Thời gian lưu tối ưu: 75 phút. 3.4 Đánh giá phương án tối ưu Hiệu suất Hình 7: Biểu diễn hiệu suất của từng quá trình và của cả hệ thống ở 3 nghiệm thức Nhận xét: hiệu suất xử lý ở nghiệm thức 1 và 2 đạt hiệu quả cao nhất. Các điều kiện tối ưu 98.22 98.68 97 0 20 40 60 80 100 1 2 3 H iệ u s u ấ t (% ) Keo tụ Fenton 429 Bảng 5. So sánh các điều kiện tối ưu của 3 nghiệm thức Công trình xử lý Yếu tố khảo sát Nghiệm thức 1 Nghiệm thức 2 Nghiệm thức 3 Keo tụ tạo bông Lượng phèn PAC tối ưu: 1,667 g/l 2,083 g/l 1,667 g/l Ph tối ưu 7,5 7 7, 5 Fenton Lượng H2O2 tối ưu 0,125 mol/l 0,3125 mol/l 0,0625 mol/l Lượng Fe (II) tối ưu: 0,0125 mol/l 0, 0125 mol/l 0,000546875 mol/l pH tối ưu: 3 3 3 Thời gian lưu tối ưu: 75 phút 75 phút 60 phút Xử lý sinh học Thời gian lưu tối ưu 6h 4h 10h Nhận xét chung: Ở nghiệm thức 1, hiệu suất xử lý của cả 3 quá trình là 98,22 %, với đầu ra COD là 99,93 mg/l, đạt quy chuẩn loại B của QCVN 40:2011/BTNMT. Hiệu suất của quá trình xử lý sinh học là lớn nhất, quá trình Fenton phá vỡ tính bền của các chất hữu cơ khó phân hủy tạo điều kiện cho xử lý sinh học tốt hơn. Ở nghiệm thức 2, hiệu suất xử lý của cả 3 quá trình là 98,68 %, với đầu ra COD là 74,109 mg/l, đạt quy chuẩn loại A của QCVN 40:2011/BTNMT. So với nghiệm thức 1, hiệu suất của trường hợp này cao hơn, đầu ra thấp hơn. Tuy nhiên, trong quá trình khảo sát, ở nghiệm thức 2 lượng hóa chất tối ưu để thực hiện phản ứng Fenton cao hơn ở nghiệm thức 1, đồng thời quá trình keo tụ sau Fenton tỏ ra không hiệu quả vì làm tăng độ đục của nước thải và lượng COD giảm thấp. Trong thực tế, nghiệm thức này cũng không khả thi vì tốn nhiều chi phí hóa chất và có quá trình keo tụ tạo bông thì không hiệu quả. Ở nghiệm thức 3, hiệu suất xử lý của cả 3 quá trình là 97,00 %, với đầu ra COD là 168,43 mg/l, không đạt quy chuẩn loại B của QCVN 40:2011/BTNMT. So với 2 nghiệm thức trên, hiệu suất xử lý của nghiệm thức này thấp hơn và đầu ra cũng không đạt quy chuẩn xả thải. Ngoài ra, quá trình xử lý sinh học của trường hợp này không đạt hiệu quả cao, bùn sốc tải và chết nhiều vì COD đầu vào quá cao, nghiệm thức này nếu áp dụng ngoài thực tế thì hoàn toàn không thể thực hiện vì không thể vận hành hệ thống sinh học ở tải trọng cao như vậy. Kết luận: như vậy, dựa vào các yếu tố là hiệu suất xử lý, chi phí hóa chất, đầu ra đạt quy chuẩn và an toàn xử lý trong quá trình vận hành thì nghiệm thức 1 được chọn là phương án tối ưu nhất. 430 4 KẾT LUẬN Sau khi nghiên cứu các quá trình xử lý nước thải dược phẩm bằng 3 phương pháp: keo tụ tạo bông, oxy hóa bằng hệ xúc tác Fenton và sinh học hiếu khí, rút ra được kết luận như sau: - Nồng độ các chất ô nhiễm của nước thải dược phẩm tương đối ổn định, thích hợp với dây chuyền xử lý được đề ra để nghiên cứu. - Trong quá trình khảo sát, bố trí Keo tụ tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học cho hiệu quả xử lý tốt nhất với hiệu suất 98,22 %, đầu ra đạt quy chuẩn loại B của QCVN 40:2011/BTNMT. Bố trí Fenton – Keo tụ tạo bông – Xử lý sinh học có hiệu suất cao hơn không đáng kể (98,68%) nhưng lại tốn nhiều hóa chất và chi phí hơn. Bố trí keo tụ tạo bông – Fenton – xử lý sinh học hiệu suất xử lý thấp hơn nhưng vận hành không an toàn vì xử lý sinh học với nồng độ COD đầu vào quá cao, làm vi sinh vật chết. Do vậy, xét trên tất cả các phương diện, bố trí Keo tụ tạo bông – Fenton – Xử lý sinh học được chọn là tối ưu nhất. Bố trí trên thích hợp để xử lý nước thải dược phẩm chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Quá trình keo tụ tạo bông đặt ở đầu tiên nhằm xử lý phần cặn khó lắng và giảm một phần COD trong nước thải. Quá trình Fenton sau keo tụ giúp lượng hóa chất cho phản ứng Fenton ít, giúp tiết kiệm chi phí vì phèn rẻ hơn nhiều so với hóa chất H2O2 và Fe (II). Quá trình Fenton trước xử lý sinh học giúp phân hủy các chất hữu cơ bền, độc đối với vi sinh vật thành những chất không độc mà vi sinh vật có thể tiêu thụ làm thức ăn để giảm COD. Như vậy phương án tối ưu được chọn ở trên là thích hợp để xử lý nước thải dược phẩm và các nước thải khác có tính chất tương tự. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Sỹ Đức và Trịnh Thị Phương, (2009). Xử lý dịch đen bằng phản ứng Fenton kết hợp với bùn hoạt tính, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, 13-18, 6 trang. [2] Nguyễn Đình Mãi, (2009). Xử lý hiếu khí nước thải bằng bể Aerotank, Luận văn kĩ sư chuyên ngành Công nghệ môi trường, Đại học Quy Nhơn,1-5 [3] Nguyễn Huỳnh Tấn Long, (2006). Cải tiến hệ thống xử lý nước thải Xí nghiệp dược phẩm trung ương 25 công suất 12m3/ngày đê, Luận văn kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Đại học Nông Lâm, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam, 53 trang. [4] Nguyễn Văn Phước và Võ Chí Cường, (2007). Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý COD khó phân hủy sinh học trong nước rác bằng phản ứng Fenton, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 10, số 01, 8 trang. [5] Phùng Chí Vỹ. Hiện trạng áp dụng công nghệ môi trường và một số định hướng phát triển công nghệ môi trường tại Việt Nam, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường, 36 trang. 431 [6] Tạp chí hóa học “Hệ xúc tác Fenton xử lý nước thải dệt nhuôm – Kì I”, Việt Nam. [7] Trần Thị Ngọc Diệu, Nguyễn Duy Truyền và Đinh Triều Vương, (2011). Ngiên cứu xử lý nước thải phát sinh từ sản xuất dược phẩm bằng quá trình Fenton, Trường ĐH. Công nghiệp TP.HCM, 9 trang. [8] Trương Quý Tùng, Lê Văn Tuấn, (2009). Xử lý nước rỉ rác bằng tác nhận UV-Fenton trong thiết bị gián đoạn, Tạp chí khoa học Đại học Huế, số 53,11 trang. [9] Võ Hồng Thi, (2011). Một số ứng dụng của quá trình oxy hoá nâng cao (AOPs) bằng phương pháp Fenton trong xử lý nước thải ở Việt Nam, Khoa Môi trường và Công nghệ Sinh học, Đại học Kỹ thuật Công nghê TP.HCM, 10 trang.