Luận văn thạc sĩ thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nước thải y tế công suất 5m3 mỗi ngày bằng công nghệ PLASMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐỨC LONG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƢỚC THẢI Y TẾ CÔNG SUẤT 05 M3/NGÀY
BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hƣớng dẫn khoa học:
TS. TRẦN NGỌC ĐẢM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN ĐỨC LONG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/6/1985

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Hà Nội

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 8A, tổ 29, kp5, Phƣờng Trảng Dài, Biên Hòa, Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: 061.382.4684

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ …

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2004 đến 05/2009

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM
Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế phần mềm dạy học môn
động cơ đốt trong
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Ngƣời hƣớng dẫn: Ths. Nguyễn Văn Long Giang
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:
Thời gian
9/2009 đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Đại Học Đồng Nai

Quản lý kỹ thuật

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

Nguyễn Đức Long

ii


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Trần Ngọc Đảm, ngƣời đã
hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt luận
văn tốt nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS Nguyễn Ngọc Phƣơng, trƣởng
Khoa Cơ Khí máy và thầy Nguyễn Văn Sức, trƣởng Khoa Công nghệ Thực phẩm
và Môi trƣờng, trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã hỗ trợ em trong suốt
thời gian hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trong Ban Giám hiệu, phòng Đào
tạo sau Đại học, khoa Cơ khí chế tạo máy, khoa Môi trƣờng – trƣờng Đại học Sƣ
phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trong Ban Giám hiệu, phòng Quản trị
Thiết bị – trƣờng Đại học Đồng Nai đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa
học thạc sĩ này.
Xin chân thành cảm ơn tất cả các thành viên trong phòng nghiên cứu năng
lƣợng và môi trƣờng – trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tận tình giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những ngƣời luôn ủng hộ,
động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong học tập cũng nhƣ trong cuộc sống.
TP. Hồ Chí Minh tháng 10/2013

Nguyễn Đức Long

iii


TÓM TẮT
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI Y TẾ
CÔNG SUẤT 05 M3/NGÀY BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA
Hiện nay, nƣớc thải y tế là một mối nguy hại lớn cho xã hội. Tuy nhiên việc
xử lý nƣớc thải y tế có một số nhƣợc điểm là hệ thống phức tạp, chiếm nhiều diện
tích, hiệu suất thấp do dùng phƣơng pháp vi sinh, kết hợp hóa lý, hóa sinh, hay oxy
hóa bậc cao... Trong luận văn này, hệ thống xử lý nƣớc thải y tế bằng công nghệ

plasma ở nhiệt độ thấp, áp suất khí quyển đƣợc thiết kế và chế tạo nhằm giải quyết
những nhƣợc điểm trên. Nƣớc thải y tế từ các phòng khám đa khoa Long Bình, Y
Đức, Sài Gòn Lab... đƣợc lấy mẫu thí nghiệm và các chỉ tiêu BOD5, COD, nitrat,
phosphat, coliforms đƣợc đo đạt tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi
trƣờng – Trƣờng Đại học Nông Lâm TPHCM và Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ
Môi trƣờng – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TPHCM. Độ ảnh hƣởng của điện
áp, dòng điện và thời gian xử lý đến hiệu suất xử lý đƣợc khảo sát và đáng giá. Kết
quả chỉ ra rằng hiệu suất xử lý BOD5 là 54%, COD là 51%, nitrat là 50%, phosphat
là 60%, coliforms là 99,9%. Mức độ ô nhiễm của các chất có trong nƣớc thải giảm
hơn 35% ngay khi xử lý chỉ 0.12 giây với điện áp 30 KV, dòng 4 A với lƣu lƣợng
500 ml/phút. Các chỉ tiêu có trong nƣớc thải sau xử lý bằng hệ thống đạt tiêu chuẩn
loại B QCVN 28:2010 ở thời gian 0.7s.
Quá trình thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nƣớc thải y tế công suất 05
m3/ngày bằng công nghệ plasma đƣợc thực hiện gồm bốn giai đoạn: (1) nghiên cứu
lý thuyết về công nghệ plasma, động lực học plasma, quá trình ion hóa, oxy hóa và
phân hủy các tạp chất vô cơ, hữu cơ có trong nƣớc thải; (2) đƣa ra nhiều phƣơng án
thiết kế chế tạo hệ thống xử lý nƣớc thải y tế bằng công nghệ plasma, phân tích ƣu
nhƣợc điểm của từng phƣơng án, và cuối cùng chọn phƣơng án tối ƣu dựa trên tiêu
chí hiệu suất xử lý, tiết kiệm năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng; (3) tiến hành thí
nghiệm với các điều kiện khác nhau: công suất tiêu hao (điện áp, tần số, dòng), thời

iv


gian xử lý; (4) phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm và kết luận.

v


ABSTRACT

DESIGNING AND MANUFACTURING MEDICAL WASTE WATER
TREATMENT SYSTEM 05 M3/DAY BY PLASMA TECHNOLOGY
The waste water from clinic center has been strongly negative affected to
human life in large area. The disadvantages of the currently treatment system are
low treatment efficiency, costly and unstable due to using microbiological,
biochemistrial, combining physical chemistry method, or advanced oxidation
process. In this study, the novel hospital waste water treatment system using plasma
at low temperature and at atmostpheric pressure was designed and developed to
solve the above disadvantages. Waste water from the three clinic centers Long
Binh, Y Đuc, and Sai Gon Lab were used and the density of BOD5, COD, Nitrat,
Phosphat, Coliforms... were tested in Research Institute of Biotechnology and
Environment and Center of Environmental Engineering and Teachnology. Input
voltage, current and treatment time were used for analytic the treatment efficiency.
The results show that treatment efficiency of COD5, COD, phosphat, nitrat and
coliforms are 54%, 51%, 50%, 60%, and 99,9%, respectivity. When input voltage,
current and treatment time are 30KV, 4A, and 0.12s, respectivity, the treatment
efficiency is about 35% and reaches to B - QCVN 28:2010 standard at 0.7s.
The process of designing and manufacturing the system is made of four
stages: (1) studies theoretical of plasma technology, plasma dynamics, ionization
process, oxidation and decomposition of inorganic and organic contaminants in
wastewater, (2) offer many design options built system, analyzes the advantages and
disadvantages of each alternative, and finally choose the best option that based on
processor efficient, energy saving and environmental protection, (3) conduct
experiments with different conditions: power consumption (voltage, frequency,
current), time treatment, (4) analysis and evaluation of test results and conclusions.

vi


MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và .......1
ngoài nƣớc đã công bố: ...............................................................................................1
1.1.1 Tổng quan: .....................................................................................................1
1.1.2 Các kết quả trong nƣớc và ngoài nƣớc đã công bố: ......................................4
1.1.2.1 Các ứng dụng của công nghệ Plasma trên thế giới: ................................4
1.1.2.2 Một số khái niệm về chất thải y tế và các thông số có trong nƣớc thải: .5
1.1.2.3 Nghiên cứu công nghệ xử lý nƣớc thải y tế Biofast-M: ........................12
1.1.2.4 Nghiên cứu công nghệ plasma của đại học Zhejiang: ...........................15
1.1.2.5 Nghiên cứu công nghệ plasma: .............................................................20
1.1.2.6 Nghiên cứu công nghệ plasma của ĐHSPKT TPHCM: .......................21
1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu:...................................................23
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu: ...................................................................................23
1.2.2 Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu: ............................................................23
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu: .....................................................24
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu:...................................................................................24
1.4.1 Cơ sở phƣơng pháp luận: .............................................................................24
1.4.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể: ..........................................................25
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................26
2.1 Ion hoá: ...........................................................................................................26
2.1.1 Định nghĩa: ...............................................................................................26

vii

2.1.2 Năng lƣợng ion hoá: .................................................................................26
2.1.3 Bậc Ion hóa: ..............................................................................................26
2.2 Sự tƣơng tác giữa các hạt trong plasma: ............................................................29
2.2.1 Tiết diện hiệu dụng: .....................................................................................29
2.2.2 Khoảng đƣờng tự do trung bình: .................................................................29
2.2.3 Tần số va chạm: ...........................................................................................29
2.2.4 Va chạm đàn hồi: .........................................................................................29
2.2.5 Va chạm không đàn hồi: ..............................................................................30
2.2.5.1 Va chạm không đàn hồi loại 1: ..............................................................30
2.2.5.2 Va chạm không đàn hồi loại 2: ..............................................................30
2.3 Quá trình tạo chất oxi hoá: .................................................................................30
2.3.1 Tạo ozone:....................................................................................................30
2.3.2 Tạo H2O2 (Hiđrô perôxít): ...........................................................................31
2.3.3 Tạo gốc *OH có mức oxi hoá mạnh: ...........................................................31
2.4 Quá trình Oxy hóa: .............................................................................................32
2.4.1 Oxy hóa vòng benzene bằng OH*:...............................................................32
2.4.2 Oxy hóa vòng benzene bằng Ozon: .............................................................33
CHƢƠNG 3. PHƢƠNG HƢỚNG VÀ GIẢI PHÁP ................................................34
3.1 Yêu cầu đề tài, phƣơng pháp xác định và thông số thiết kế: .............................34
3.1.1 Yêu cầu đề tài và phƣơng pháp xác định:....................................................34
3.1.1.1 Yêu cầu đề tài: .......................................................................................34
3.1.1.2 Phƣơng pháp xác định: ..........................................................................35
3.1.2 Thông số thiết kế: ........................................................................................37
3.1.2.1 Quy trình xử lý: .....................................................................................37
3.1.2.2 Thông số thiết kế của buồng plasma: ....................................................38
3.1.2.3 Nguyên lý làm việc của buồng plasma: ................................................39
3.2 Phƣơng hƣớng và giải pháp thực hiện: ..............................................................40
3.2.1 Phƣơng án 1: ................................................................................................40
3.2.2 Phƣơng án 2: ................................................................................................42

viii


3.2.3 Phƣơng án 3: ................................................................................................44
3.3 Phân tích và lựa chọn phƣơng án: ......................................................................46
3.4 Trình tự công việc tiên hành: .............................................................................46
CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................47
4.1 Chọn vật liệu cho hệ thống: ...............................................................................47
4.2 Tính toán cho hệ thống:......................................................................................48
4.2.1 Tổng quan hệ thống: ....................................................................................48
4.2.2 Phần khung của hệ thống: ............................................................................48
4.2.2.1 Yêu cầu của khung: ...............................................................................48
4.2.2.2 Kích thƣớc: ............................................................................................49
4.2.2.3 Tính toán độ bền khung: ........................................................................50
4.2.3 Lƣu lƣợng nƣớc qua hệ thống: ....................................................................60
4.2.4 Tính công suất bơm nƣớc: ...........................................................................60
4.2.5 Khoảng cách giữa hai điện cực: ...................................................................60
4.2.6 Nhiệt độ tại buồng Plasma: ..........................................................................62
4.2.7 Bộ nguồn Plasma: ........................................................................................62
4.2.7.1 Mạch điều chế độ rộng xung: ................................................................62
4.2.7.2 Mạch điều chỉnh tần số và điện áp: .......................................................63
4.2.7.3 Bộ biến áp:.............................................................................................64
4.2.8 Lập trình PLC cho hệ thống: .......................................................................65
4.3 Thí nghiệm: ........................................................................................................65
4.3.1 Nguyên liệu:.................................................................................................65
4.3.2 Thiết bị thí nghiệm: .....................................................................................66
4.3.3 Tiến hành thí nghiệm: ..................................................................................67
4.3.3.2 Ảnh hƣởng của điện áp nguồn plasma đến kết quả xử lý nồng độ các
chất BOD5, COD, Nitrat, Phosphat và Coliforms: .............................................72

4.3.3.3 Ảnh hƣởng của dòng điện nguồn plasma đến kết quả xử lý nồng độ các
chất BOD5, COD, Nitrat, Phosphat và Coliforms: .............................................73

ix


4.3.3.4 Ảnh hƣởng của thời gian xử lý đến kết quả xử lý nồng độ các chất
BOD5, COD, Nitrat, Phosphat và Coliforms:.....................................................74
CHƢƠNG 5. CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ....................................76
5.1 Chế tạo, thử nghiệm: ..........................................................................................76
5.1.1 Phần khung: .................................................................................................76
5.1.2 Bộ nguồn hệ thống: ......................................................................................76
5.1.2.1 Bộ nguồn phát Plasma: ..........................................................................76
5.1.2.2 Bộ PLC S7 300 và biến áp vô cấp đầu vào: ..........................................77
5.1.3 Buồng plasma: .............................................................................................78
5.1.5 Chạy thử nghiệm:.........................................................................................79
5.2 Đánh giá: ............................................................................................................79
5.2.1 Chủ quan: .....................................................................................................79
5.2.2 Khách quan: .................................................................................................81
5.2.3 Một số kết quả đạt đƣợc sau thử nghiệm: ....................................................82
6.1 Kết luận: .............................................................................................................86
6.2 Kiến nghị: ...........................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
PHỤ LỤC ..................................................................................................................90

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BOD5

Biochemical oxygen demand 5 (nhu cầu oxy sinh học đo ở điều kiện
200C trong thời gian 5 ngày)

COD

Chemical Oxygen Demand (nhu cầu ôxy hóa hóa học)

DO

Dissolved oxygen (nồng độ oxi hòa tan)

PVC

Polyvinylchloride (nhựa tổng hợp)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

RmS

Remote Mutual SCADA

SS

suspended solid (chất rắn lơ lửng)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TS

Total solid (tổng chất rắn lơ lửng)

UV

Ultraviolet radiation (tia cực tím)

xi


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1.1: Nƣớc thải y tế chƣa qua xử lý [nguồn internet] .........................................2
Sơ đồ 1.1: Sơ đồ hỗn hợp nƣớc thải y tế xả ra cống chung thành phố [8] ..................8
Sơ đồ 1.2: Sơ đồ xử lý nƣớc thải y tế theo Biofast-M [9]........................................12
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động RmS [9] .....................................................14
Hình 1.3: Mô hình thực nghiệm [16] .......................................................................14
Sơ đồ 1.3: Ảnh hƣởng của vật liệu làm điện cực dƣơng tới tốc độ tạo ra ozone [17]
...................................................................................................................................16
Hình 1.4: (a) Điện cực bằng dung dịch điện phân, (b) Điện cực bằng đồng [17]....17
Sơ đồ 1.4: Ảnh hƣởng của nƣớc oxi già khi thêm vào trong nƣớc thải [18] ............17
Sơ đồ 1.5: Trƣờng hợp chỉ có UV và UV + H2O2 [18] .............................................18
Sơ đồ 1.6: Ảnh hƣởng của công suất phóng điện tới sự phân hủy các chất ô nhiễm
[18] ............................................................................................................................18
Sơ đồ 1.7: Ảnh hƣởng của ph tới sự phân hủy các chất ô nhiễm [18] ......................19
Sơ đồ 1.8: Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch điện phân tới tốc độ sản sinh ozone
và công suất phóng điện [18] ....................................................................................19
Hình 1.5: Quá trình ion hóa [21] ..............................................................................20

Hình 1.6: Kết cấu mô hình thực nghiệm [8] ............................................................20
Hình 2.1: oxy hóa vòng benzene bằng OH* [10] ....................................................20
Hình 2.2: oxy hóa vòng benzene bằng Ozon [10]....................................................20
Hình 3.1: Quy trình xử lý nƣớc thải bằng công nghệ plasma ..................................37
Hình 3.2: Nguyên lý làm việc của buồng plasma ....................................................37
Hình 3.3a,b: Phƣơng án 1.........................................................................................40
Hình 3.4a,b: Phƣơng án 2.........................................................................................42
Hình 3.5a,b: Phƣơng án 3.........................................................................................43
Hình 4.1: Tổng quan toàn bộ hệ thống ......................................................................48
Hình 4.2: Thiết kế phần khung của hệ thống ............................................................49
Hình 4.3: Biểu đồ lực cắt và moment .......................................................................54

xii


Hình 4.4: Biểu đồ lực cắt trên dầm ...........................................................................57
Hình 4.5: Biểu đồ moment trên dầm .........................................................................58
Hình 4.6: Chuyển vị trên dầm ...................................................................................58
Hình 4.7: Moment trên dầm ......................................................................................57
Hình 4.8: Ứng suất pháp lớn nhất .............................................................................58
Hình 4.9: Tính toán mạch điều chỉnh độ rộng xung .................................................61
Hình 4.10: Chu kỳ một xung .....................................................................................63
Hình 4.11: Tính toán mạch hiệu chỉnh tần số và điện áp ..........................................62
Hình 4.12: Tính toán giá trị tần số [10] .....................................................................63
Hình 4.13: Bộ biến áp vô cấp 0-220VAC .................................................................63
Hình 4.14: Bộ biến đổi điện áp cao ...........................................................................64
Hình 4.15: Thiết bị đo độ pH MP120 .......................................................................65
Hình 4.16: Thiết bị thí nghiệm ..................................................................................66
Hình 4.17: Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian với lƣu lƣợng 0,6 ÷ 1 l/ph để pH
= 7..............................................................................................................................67

Hình 4.18: Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian với lƣu lƣợng 1,1 ÷ 1,5 l/ph để
pH = 7 ........................................................................................................................68
Hình 4.19: Tổng kết giá trị lƣu lƣợng và điện áp tối ƣu ...........................................70
Hình 4.20: Ảnh hƣởng của điện áp nguồn plasma đến kết quả xử lý .......................72
Hình 4.21: Ảnh hƣởng của dòng điện nguồn plasma đến quá trình xử lý ................73
Hình 4.22: Ảnh hƣởng của thời gian đến kết quả xử lý ............................................74
Hình 5.1: Khung của hệ thống thực tế ......................................................................75
Hình 5.2: Bộ nguồn phát tia plasma thực tế ..............................................................76
Hình 5.3: Bộ PLC S7 300 và biến áp vô cấp đầu vào thực tế ...................................76
Hình 5.4: Buồng plasma thực tế ................................................................................77
Hình 5.5: Toàn bộ hệ thống thực tế...........................................................................77
Hình 5.6: Chạy thử nghiệm .......................................................................................78
Hình 5.7: Giấy chứng nhận sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của Phòng Y tế
Tp. Biên Hòa .............................................................................................................80

xiii


Hình 5.8: Kết quả kiểm tra nƣớc thải phòng khám Y Đức sau khi xử lý .................81
Hình 5.9: Kết quả kiểm tra nƣớc thải phòng khám Long Bình sau khi xử lý ...........82
Hình 5.10: Kết quả kiểm tra nƣớc thải phòng khám Saigon Lab lúc ô nhiễm nhất..83
Hình 5.11: Kết quả kiểm tra nƣớc thải phòng khám Saigon Lab trƣớc và sau khi xử
lý ................................................................................................................................84

xiv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số đặc trƣng nƣớc thải bệnh viện trƣớc khi xử lý [32] .....................8
Bảng 3.1 Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải

y tế theo QCVN 28:2010/BTNMT [7] ......................................................................34
Bảng 3.2 Thông số của hệ thống xử lý nƣớc thải y tế...............................................38
Bảng 4.1 Kết quả tính toán trên phần mềm Autodesk Inventor ................................52
Bảng 4.2 So sánh kết quả tính toán và mô phỏng .....................................................59
Bảng 4.3 Điều kiện để tạo ra tia lửa điện [33] ..........................................................60
Bảng 4.4 Bảng nhiệt độ một số loại plasma [16] ......................................................62
Bảng 4.5 Một số chỉ tiêu có trong nƣớc thải y tế của các phòng khám đa khoa ......65
Bảng 4.6 Tổng kết giá trị lƣu lƣợng và điện áp ........................................................70
Bảng 5.1 Thông số bộ nguồn ....................................................................................76
Bảng 1 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 0.6 l/ph ..............90
Bảng 2 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 0.7 l/ph ..............90
Bảng 3 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 0.8 l/ph ..............91
Bảng 4 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 0.9 l/ph ..............92
Bảng 5 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1 l/ph .................93
Bảng 6 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1.1 l/ph ..............94
Bảng 7 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1.2 l/ph ..............95
Bảng 8 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1.3 l/ph ..............96
Bảng 9 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1.4 l/ph ..............96
Bảng 10 Mối quan hệ giữa điện áp và thời gian ứng với lƣu lƣợng 1.5 l/ph ............97

xv


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc đã công bố:

1.1.1 Tổng quan:
Trong thời đại ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp
kinh tế thị trƣờng một mặt đem lại lợi ích kinh tế to lớn cho đất nƣớc, góp phần giải
quyết công ăn việc làm cho ngƣời dân nhƣng mặt khác lại phát thải ra các chất ô
nhiễm làm ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng sống của con ngƣời và môi trƣờng tự
nhiên, đặc biệt là môi trƣờng nƣớc. Vấn đề xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do các
khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp, các cơ sở y tế, các cụm dân cƣ… thải ra hiện
nay đã không còn là vấn đề nhỏ và trƣớc mắt nữa mà đã trở thành một bài toán khó
cho chính phủ nói riêng và cho toàn xã hội nói chung.
Cùng với sự gia tăng dân số, sự phát triển của khoa học kỹ thuật và chất
lƣợng cuộc sống đƣợc nâng cao thì đòi hỏi việc quan tâm chăm sóc sức khoẻ con
ngƣời ngày càng cao, mạng lƣới y tế và bệnh viện ngày càng phát triển. Hơn một
thế kỷ qua, khoa học y học đã đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn và bệnh viện đã bƣớc
vào kỷ nguyên hiện đại hoá, đƣa những tiến bộ khoa học kỹ thuật và y học vào thực
tiễn nhằm mục đích chữa trị, chăm sóc sức khoẻ cộng đồng một cách có hiệu quả
hơn. Tuy nhiên, các hoạt động chăm sóc sức khoẻ không tránh khỏi việc phát sinh
chất thải, trong đó có những chất thải nguy hiểm đối với sức khoẻ cộng đồng và môi
trƣờng. Nƣớc thải y tế có thể chứa vi sinh vật, kim loại nặng, hóa chất độc, đồng vị
phóng xạ… Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế năm 2012, tổng lƣợng nƣớc thải y tế
phát sinh tại các cơ sở khám, chữa bệnh cần xử lý khoảng 150.000 m3/ngày chƣa kể
lƣợng nƣớc thải của các cơ sở y tế thuộc hệ dự phòng, các cơ sở đào tạo y dƣợc, sản
xuất thuốc và cơ sở y tế Bộ, ngành… và con số này sẽ là 300.000 m3/ngày vào năm
2015 [33].

1


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) đã nhấn mạnh cần phải xây dựng các chính
sách quốc gia, các khung pháp lý, đào tạo nhân viên, đồng thời kêu gọi nâng cao

nhận thức cộng đồng.

H nh 1.1: N

thải y tế h qu

nguồn int rn t

Việc phát triển đất nƣớc theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa phải đi
đôi với phát triển bền vững. Trên tinh thần đó ngày 25/6/1998 bộ chính trị Đảng
cộng sản Việt Nam đã ra chỉ thị số 36/CT-TW về công tác bảo vệ và giữ gìn môi
trƣờng sống của chúng ta. Năm 2010, Bộ Y tế đã thành lập Cục quản lý môi trƣờng
y tế chuyên trách về vấn đề này. Thủ tƣớng Chính phủ Nguyễn Tấn Dũng cũng đã
phê duyệt đề án xử lý chất thải y tế giai đoạn 2010 - 2015 và định hƣớng tới 2020
với phƣơng châm dùng công nghệ mới, hiện đại và thân thiện với môi trƣờng.
Riêng tại địa bàn 2 tỉnh thành phố Hồ Chí Minh và Đồng Nai, để tăng cƣờng bảo vệ
môi trƣờng nƣớc, Ủy ban nhân dân Tp. Hồ Chí Minh và Sở Y tế tỉnh Đồng Nai đã
ra Chỉ thị số 21/2010/CT-UBND, Công văn số 1882/UBND-VX , Công văn số
3000/SYT-KHTC, và Công văn số 3005/KH-SYT về việc tăng cƣờng bảo vệ môi
trƣờng nƣớc lƣu vực hệ thống sông Đồng Nai trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh
giai đoạn 2011 – 2015 và khắc phục những tồn tại, hạn chế trong việc xây dựng và
vận hành các hệ thống xử lý chất thải y tế vào môi trƣờng nƣớc, khảo sát lập dự án

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
đầu tƣ xây dựng hệ thống xử lý chất thải y tế cho các trung tâm y tế, phòng khám đa
khoa khu vực và các trạm y tế xã, phƣờng, thị trấn trên địa bàn tỉnh giai đoạn 2012 2015, kiên quyết xử lý cả các cơ sở y tế, các bệnh viện, phòng khám không có hệ
thống xử lý nƣớc thải y tế đạt chuẩn theo quy định. Do đó đòi hỏi các cơ sở y tế, các

bệnh viện, phòng khám… phải có hệ thống xử lý nƣớc thải nhằm bảo vệ sức khỏe
cộng đồng và môi trƣờng sống.
Để giảm thiểu sự ô nhiễm này trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng hiện có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nhƣ phƣơng pháp hóa lý,
phƣơng pháp oxy hóa bậc cao, phƣơng pháp sinh học, hóa sinh, vi sinh… Tuy nhiên
các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải này thƣờng có chi phí đầu tƣ lớn, hệ thống phức
tạp chiếm nhiều diện tích xây dựng, tốn nhiều hóa chất, chi phí duy trì cao… do đó
việc nghiên cứu và áp dụng phƣơng pháp xử lý xanh sạch và hiệu quả nhƣ công
nghệ plasma là hết sức cần thiết. Đây là phƣơng pháp xử lý nƣớc thải mới, khi đi
vào hoạt động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao vì có chi phí xây dựng hệ thống
thấp, đặc biệt là chi phí vận hành rất thấp. Xử lý nƣớc thải y tế bằng công nghệ
Plasma dựa trên nguyên lý oxy hóa bậc cao đƣợc sinh ra bởi các gốc oxy hoá rất
mạnh nhƣ HO*, O* , H*, O3, H2O2 và tia UV làm phá vỡ các liên kết ion, liên kết
cộng hóa trị của chất hữu cơ, vô cơ và tiêu diệt các vi khuẩn, nấm mốc có trong
nƣớc thải [24]. Các gốc oxy hóa và tia UV này đƣợc sinh ra khi nƣớc thải qua vùng
plasma (hiệu điện thế U = 0 ÷ 40 KV, f = 20 ÷ 75 KHz, cƣờng độ dòng điện I = 02
÷ 04 A), các electron chuyển động với vận tốc rất lớn sẽ va đập vào các phân tử
cung cấp cho các phân tử một năng lƣợng làm phá vỡ các liên kết.
Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý với chi phí thấp mà vẫn đảm bảo nƣớc thải
sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép ra nguồn tiếp nhận. Ý nghĩa của luận văn không
nằm ngoài mục tiêu nhằm góp một phần vào việc hạn chế và giảm thiểu mức độ ô
nhiễm môi trƣờng sống của chúng ta.
Tóm lại: Công nghệ plasma đã có lâu đời nhƣng hầu hết đƣợc dùng trong
phòng thí nghiệm với hiệu suất thấp. Về việc ứng dụng công nghệ plasma để xử lý
nƣớc thải thì chƣa có tổ chức, trung tâm nào trong nƣớc nghiên cứu thiết kế và chế

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

tạo. “Thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nƣớc thải y tế bằng công nghệ plasma”
trong giai đoạn môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm trầm trọng nhƣ hiện nay có một ý nghĩa
hết sức to lớn. Đây là phƣơng pháp xử lý nƣớc thải mới, xanh sạch. Nó khắc phục
đƣợc những hạn chế của các phƣơng pháp truyền thống.
Thiết kế hệ thống xử lý với chi phí thấp mà vẫn đảm bảo nƣớc thải sau xử lý
đạt tiêu chuẩn cho phép ra nguồn tiếp nhận. Với mong muốn đóng góp vào việc bảo
vệ môi trƣờng sống của con ngƣời, hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng nƣớc,
nâng cao chất lƣợng cuộc sống và bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng, ngƣời hƣớng dẫn
và học viên đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý nƣớc
thải y tế công suất 05 m3/ngày bằng công nghệ plasma”.
1.1.2 Các kết quả trong nƣớc và ngoài nƣớc đã công bố:
1.1.2.1 Các ứng dụng của công nghệ Plasma trên thế giới:
Thuật ngữ Plasma lần đầu tiên đƣợc sử dụng để mô tả khí ion hóa bởi nhà
hóa học ngƣời Mỹ Irving Langmuir khi ông giành giải thƣởng Nobel hóa học vào
năm 1927. Nhƣng công nghệ plasma thật sự bắt đầu phát triển từ giữa những năm
cuối của thế kỉ XX và bùng nổ vào những năm đầu của thế kỉ XXI khi công nghệ
Plasma đã và đang có mặt trong hầu hết các ứng dụng công nghệ cao (hightechnology). Một ví dụ điển hình là nhiệt phân rác thải thành điện năng bằng công
nghệ plasma nhiệt độ cao (high-temperature plasma) của NASA, đƣợc các công ty
công nghệ cao nổi tiếng của Mỹ nhƣ General Electric, Westinghouse, Alter NRG…
ứng dụng, chế tạo thiết bị. Ứng dụng công nghệ plasma là thực hiện một quá trình
sử dụng điện để tạo ra cung hồ quang ở nhiệt độ cực cao (7.0000 C - 9.0000 C) nhằm
biến các loại chất thải thành khí phân tử, nguyên tố (gọi là khí tổng hợp), hơi nƣớc
và chất xỉ bằng các thiết bị đặc biệt, gọi là thiết bị chuyển đổi plasma. Còn plasma
nhiệt độ thấp (low-temperature plasma) đƣợc sử dụng trong quá trình chế tạo vật
liệu bao gồm cả việc cấy (etching) các mô hình phức tạp dùng cho các các linh kiện
vi điện tử và vi quang, dùng trong các công nghệ lắng đọng trong các lĩnh vực tạo
ma sát, từ, quang, chất dẫn điện, chất cách điện, chất polyme, các màng mỏng xúc
tác [24].

4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
Một trong những ứng dụng của plasma nguội hiện nay mà hai nƣớc Nga và
Mỹ đã và đang nghiên cứu đó là ứng dụng của plasma trong công nghệ hàng không.
Đƣợc phát ra chung quanh thân máy bay đang bay, plasma tách hẳn máy bay ra
khỏi không khí khiến cho lực cản khí động học bị triệt tiêu giúp cho máy bay bay
nhanh hơn, ít tiêu hao nhiên liệu hơn và có thể làm mất dấu máy bay trên màn hình
radar. Theo các chuyên viên hàng không thì ứng dụng này có thể áp dụng đối với
các loại vật thể bay nhƣ máy bay, tên lửa chiến lƣợc, máy bay không ngƣời lái, vệ
tinh ở các chế độ bay khác nhau nhƣ bay ở tốc độ bình thƣờng hay siêu thanh...[30].
Ngoài ra, plasma cũng rất quan trọng trong chiếu sáng, tạo sóng vi ba, hủy
các chất thải độc hại, các chất hóa học, lazer và các bộ gia tốc tân tiến phục vụ cho
việc nghiên cứu các hạt cơ bản.
Việc ứng dụng công nghệ plasma nguội trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải cũng
đã đƣợc một số tổ chức nƣớc ngoài nghiên cứu nhƣ những nghiên cứu của đại học
Zhejiang Trung Quốc, hay nghiên cứu của tiến sĩ ngƣời Nhật – Anto Tri Sugiarto đã
bƣớc đầu thành công ở Indonesia vào năm 2004 với hiệu suất xử lý lên đến 90 %.
1.1.2.2 Một số khái niệm về chất thải y tế và các thông số có trong nƣớc thải:
 Chất thải y tế:
Chất thải y tế là chất thải phát sinh trong các cơ sở y tế, từ các hoạt động
khám chữa bệnh, chăm sóc, xét nghiệm, phòng bệnh, nghiên cứu đào tạo. Chất thải
y tế có thể ở dạng chất lỏng, rắn, khí [8].
 Chất thải y tế nguy hại:
Chất thải y tế nguy hại là chất thải có một trong các thành phần nhƣ: máu,
dịch cơ thể, chất bài tiết; các bộ phận hoặc cơ quan của ngƣời, động vật; bơm kim
tiêm và các vật sắc nhọn; dƣợc phẩm, hoá chất và các chất phóng xạ dùng trong y
tế. Nếu những chất thải này không đƣợc tiêu huỷ sẽ gây nguy hại cho môi trƣờng và
đặc biệt là đối với sức khỏe con ngƣời.
 Chất thải phóng xạ lỏng:

Chất thải phóng xạ lỏng là dung dịch có chứa tác nhân phóng xạ phát sinh
trong quá trình chẩn đoán, điều trị nhƣ nƣớc tiểu của ngƣời bệnh, các chất bài tiết,

5


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
nƣớc súc rửa các dụng cụ có chứa phóng xạ (Nƣớc súc rửa dụng cụ trong chẩn đoán
hình ảnh có chứa hạt nhân phóng xạ tia, hạt nhân nguyên tử).
 Các thông số có trong nƣớc thải:
 Độ pH: Độ pH là một trong những chỉ tiêu xác định nƣớc cấp và nƣớc thải.
Chỉ số này cho thấy sự cần thiết phải trung hòa hay không và tính lƣợng hóa
chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ keo và khử khuẩn…
 TS (Total solid): Chỉ số cho biết tổng số chất rắn có trong nƣớc thải (bao
gồm cả chất rắn vô cơ và hữu cơ…). TS đƣợc xác định bằng trọng lƣợng khô
sau khi cho bay hơi 01 lít nƣớc mẫu trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030 C
cho đến khi trọng lƣợng không đổi (mg/l hoặc g/l).
 SS (suspended solid): hàm lƣợng các chất huyền phù, là trọng lƣợng khô của
chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1lít mẫu nƣớc qua phễu lọc
Gooch rồi sấy khô ở 1030 C - 1050 C tới khi trọng lƣợng không đổi (mg/l
hoặc g/l).
 Màu: Có nhiều cách xác định màu của nƣớc thải, nhƣng thƣờng dùng ở đây
là phƣơng pháp so màu với các dung dịch chuẩn là clorophantinat coban.
 DO (dissolved oxygen): nồng độ oxi hòa tan. Có 2 phƣơng pháp để xác định
chỉ số DO là: phƣơng pháp Iod và phƣơng pháp đo trực tiếp bằng điện cực
oxi với màng nhạy trên các máy đo.
 BOD (biochemical oxygen demand): nhu cầu oxi hóa sinh học: là lƣợng oxi
cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ bằng vi sinh vật ( chủ yếu là vi khuẩn).
Trong thực tế ngƣời ta thƣờng xác định chỉ số BOD5, là lƣợng oxi cần thiết
trong 5 ngày đầu để vi sinh vật oxi hóa các hợp chất hữu cơ.

 COD (Chemical Oxygen Demand): nhu cầu oxi hóa hóa học: là lƣợng oxi
cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong mẫu nƣớc
thải thành CO2 và nƣớc. Chất oxi hóa ở đây thƣờng dùng: K2Cr2O7, hoặc
KMnO4.

6


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.2.3 Đặc điểm nguồn nƣớc thải y tế ở Việt Nam và các phƣơng pháp xử lý cổ
điển:
 Đặc điểm nguồn nƣớc thải y tế:
 Nguồn phát sinh:
Nƣớc thải của bệnh viện chứa nhiều các chất bẩn hữu cơ, vi sinh vật gây
bệnh (trực khuẩn Shigella gây bệnh lị, Salmonella gây bệnh đƣờng ruột,
S.typhimurium gây bệnh thƣơng hàn…), ngoài ra trong nƣớc thải bệnh viện còn
chứa chất phóng xạ. Nƣớc thải bệnh viện phát sinh từ những nguồn chính sau [8]:
-

Nƣớc thải là nƣớc mƣa chảy tràn trên toàn bộ diện tích của bệnh viện.

-

Nƣớc thải sinh hoạt của cán bộ công nhân viên y tế trong bệnh viện, của
bệnh nhân và của ngƣời nhà bệnh nhân đến thăm và chăm sóc bệnh nhân.

-

Nƣớc thải từ các hoạt động khám và điều trị nhƣ:

 Nƣớc thải từ các phòng xét nghiệm nhƣ: Huyết học và xét nghiệm sinh hoá
chứa chất dịch sinh học (nƣớc tiểu, máu và dịch sinh học, hoá chất).
 Khoa xét nghiệm vi sinh: Chứa chất dịch sinh học, vi khuẩn, virus, nấm, ký
sinh trùng, hoá chất.
 Khoa giải phẫu bệnh: Gồm nƣớc rửa sản phẩm các mô, tạng tế bào.
 Khoa X-Quang: Nƣớc rửa phim.
 Điều trị khối u: Nƣớc thải chứa hoá chất và chất phóng xạ.
 Khoa sản: Nƣớc thải chứa máu và các tạp chất khác.
 Nha khoa: Nƣớc thải chứa máu và các chất kim loại (vàng, bạc, đồng…)
dùng để chám răng.
-

Nƣớc giặt giũ quần áo, drap, chăn màn…cho bệnh nhân.

-

Nƣớc từ các công trình phụ trợ khác…

7


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

Sơ đồ 1.1: Sơ đồ hỗn hợp n

thải y tế ả r

ống hung thành phố [8]

Sơ đồ 1.1 cho thấy hỗn hợp nƣớc thải xả ra cống chung của thành phố:

1. Nƣớc thải sinh hoạt.
2. Nƣớc thải chứa các vi trùng gây bệnh.
3. Nƣớc thải chứa các hóa chất, dƣợc phẩm.
4. Nƣớc thải độc hại.
Bảng 1.1 Thông số đặc trƣng nƣớc thải bệnh viện trƣớc khi xử lý [32]
STT CHỈ TIÊU

ĐƠN VỊ

THÔNG SỐ

QCVN 28:2010

1

pH

-

4 – 10

6,5 – 8,5

2

COD

Mg/l

512

50

3

BOD5

Mg/l

362

30

4

SS

Mg/l

150

50

5

NO3-

Mg/l

51

30

6

Phosphate

Mg/l

14

6

7

Clo dƣ

Mg/l

2

-

8

Coliform

MPN/100ml

106

3.000

8


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
 Đặc trƣng của nƣớc thải y tế:
 Nƣớc thải là nƣớc mƣa:
Lƣợng nƣớc thải này sinh ra do nƣớc mƣa rơi trên mặt bằng khuôn viên bệnh
viện, đƣợc thu gom vào hệ thống thoát nƣớc. Chất lƣợng của nƣớc thải này phụ
thuộc vào độ sạch của khí quyển và mặt bằng rửa trôi của khu vực bệnh viện. Nếu
khu vực mặt bằng của bệnh viện nhƣ: sân bãi, đƣờng xá không sạch chứa nhiều rác
tích tụ lâu ngày, đƣờng xá lầy lội thì nƣớc thải loại này sẽ bị nhiễm bẩn nặng, nhất
là nƣớc mƣa đợt đầu. Ngƣợc lại, khâu vệ sinh sân bãi, đƣờng xá tốt… thì lƣợng
nƣớc mƣa chảy tràn qua khu vực đó sẽ có mức độ ô nhiễm thấp.
 Nƣớc thải sinh hoạt:
Là loại nƣớc thải ra sau khi sử dụng cho các nhu cầu sinh hoạt trong bệnh
viện của cán bộ công nhân viên, bệnh nhân, ngƣời nhà bệnh nhân nhƣ: nƣớc thải ở
nhà ăn, nhà vệ sinh, nhà tắm, từ các khu làm việc… Lƣợng nƣớc thải này phụ thuộc
vào số cán bộ công nhân viên bệnh viện, số giƣờng bệnh và số ngƣời nhà bệnh nhân
thăm nuôi bệnh nhân, số lƣợng ngƣời khám bệnh.
Nƣớc thải sinh hoạt chiếm gần 80 % lƣợng nƣớc đƣợc cấp cho sinh hoạt.
Nƣớc thải sinh hoạt thƣờng chứa những tạp chất khác nhau. Các thành phần này bao
gồm: 52 % chất hữu cơ, 48 % chất vô cơ, ngoài ra còn chứa nhiều loại vi sinh vật
gây bệnh, phần lớn các vi sinh vật có trong nƣớc thải là các virus, vi khuẩn gây
bệnh tả, lị, thƣơng hàn…
 Nƣớc thải từ khâu khám và điều trị bệnh:
Trong các dòng nƣớc thải của bệnh viện thì dòng thải này có thể coi là loại
nƣớc thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao và chứa nhiều vi trùng gây bệnh nhất.

Nƣớc thải loại này phát sinh từ nhiều quá trình khác nhau trong hoạt động
của bệnh viện (chẳng hạn từ khâu xét nghiệm, giải phẫu, sản nhi, súc rửa các dụng
cụ y khoa, các ống nghiệm, các lọ hoá chất hoặc giặt tẩy quần áo bệnh nhân, chăn
màn, ga giƣờng cho các phòng bệnh và vệ sinh lau nhà, cọ rửa tẩy uế các phòng
bệnh và phòng làm việc…) Nhìn chung nƣớc thải loại này bao gồm: Cặn lơ lửng,
các chất hữu cơ hoà tan, vi trùng gây bệnh, có thể cả chất phóng xạ… Đây là loại

9