luận văn thạc sĩ chế tạo vật liệu mang vi sinh sử dụng vật liệu tổ hợp nhựa với phụ phẩm nông nghiệp​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TUẤN

CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANG VI SINH SỬ DỤNG VẬT LIỆU
TỔ HỢP NHỰA VỚI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TUẤN

CHẾ TẠO VẬT LIỆU MANG VI SINH SỬ DỤNG VẬT LIỆU
TỔ HỢP NHỰA VỚI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 8440112.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Bùi Thái Thanh Thư
TS. Vũ Ngọc Duy

Hà Nội – 2020

LỜI CẢM ƠN
Là một học viên cao học của Khoa Hóa Học, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, ĐHQG Hà Nội, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cơ,
những người đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và động viên em trên con đường học tập
và nghiên cứu trong giai đoạn vừa qua. Những thông tin kiến thức mà em nhận được
qua quá trình học tập sẽ giúp em vững bước trên con đường nghiên cứu của riêng
mình trong giai đoạn tiếp theo. Em xin chân thành cảm ơn nhà trường và khoa Hóa
học đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành chương trình đào tạo.
Em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Bùi Thái Thanh Thư và TS. Vũ Ngọc Duy.
Thầy, cô đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, các anh chị em làm việc trong phịng
nghiên cứu Cơng nghệ Mơi trường, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường
và Phát triển bền vững đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm
việc tại phịng thí nghiệm.
Em xin cảm ơn đề tài QG.19.07 của Đại học Quốc gia Hà Nội đã hỗ trợ các
nội dung nghiên cứu của em trong quá trình thực hiện luận văn.
Sau cùng, em muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè và gia đình, những người
ln động viên và tạo điều kiện giúp em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống
để hồn thành khóa học.
Học viên

Nguyễn Văn Tuấn


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 13
1.1 Nƣớc thải và các cơng nghệ xử lý nƣớc thải.......................................... 3

1.1.1 Ơ nhiễm mơi trường bởi nước thải...................................................... 3
1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải................................................................... 6
1.2 Công nghệ MBBR và vật liệu mang...................................................... 13
1.2.1 Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải............................................ 13
1.2.2 Vật liệu mang và đặc tính của vật liệu mang..................................... 21
1.2.3 Vật liệu mang vi sinh compozit gỗ nhựa............................................ 24
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM...................................................................... 30
2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.......................................................... 30
2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................... 30
2.1.2 Nội dung nghiên cứu.......................................................................... 30
2.2 Nguyên vật liệu, thiết bị và dụng cụ...................................................... 30
2.2.1 Thiết bị sử dụng................................................................................. 30
2.2.2 Nguyên liệu và hoá chất.................................................................... 31
2.3 Quy trình thực hiện................................................................................ 31
2.3.1 Quy trình tạo mẫu compozit gỗ nhựa và các phương pháp đo..........32
2.3.2 Chế tạo vật liệu mang vi sinh và các phương pháp khảo sát.............35
2.4 Cấu tạo mơ hình khảo sát VLM vi sinh................................................ 38
2.4.1 Cấu tạo hệ thống............................................................................... 38
2.4.2 Vận hành hệ thống và lấy mẫu, phân tích mẫu.................................. 39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 41
3.1 Khảo sát tính chất cơ lý của vật liệu compozit gỗ nhựa......................41
3.2 Khảo sát tính chất của vật liệu mang vi sinh........................................ 42
3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt (TGA )của vật liệu gỗ nhựa.........................42
3.2.2 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) của vật liệu................................... 47
3.2.3 Khả năng hút nước của vật liệu......................................................... 51
3.2.4 Tỷ trọng............................................................................................. 52
3.3 Hiệu quả xử lý COD của hệ thống......................................................... 54
KẾT LUẬN....................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 66

i


TT

Ký hiệu
1

BET

2

BHT

3

BOD

4

COD

5

DO

6

F/M

7

HRT

8

MBBR

9

MLSS

10

SALR

11

SS

12

SVI

13

TN

14

TOC

15

TP

16

VLM

17

XLNT

18
19

WPC
PE

20

HDPE

21

PP

22

PVAC

23

LDPE

24

SEM

25

TGA

26

DSC

i


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Phân loại chất rắn trong nước thải............................................................................ 16
Hình 1.2 Chuyển động của VLM trong bồn MBBR hiếu khí và thiếu khí..................26
Hình 1.3 Chu trình Nitơ – Cơ sở quá trình sinh học loại nitơ.......................................... 31
Hình 1.4 Cơng thức cấu tạo cellulose........................................................................................ 40
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu......................................................................................... 43
Hình 2.2 Thiết bị trộn nội Polylab System, Haake (Đức).................................................. 43
Hình 2.3 Thiết bị đo tính chất cơ lý đa năng Zwick Z2.5 (Đức)..................................... 44
Hình 2.4 Dạng mẫu đo tính chất cơ lý....................................................................................... 44

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình nghiên cứu......................................................................................... 48
Hình 2.6 Mơ hình hệ thống ni vi sinh thực tế.................................................................... 49
Hình 3.1 Mẫu đo tính chất cơ học của vật liệu....................................................................... 50
Hình 3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ bền uốn và kéo của vật liệu......................................... 51
Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 30% gỗ............................................ 53
Hình 3.4 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 40% gỗ............................................ 54
Hình 3.5 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 50% gỗ............................................ 54
Hình 3.6 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 60% gỗ............................................ 55
Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu 70% gỗ............................................ 55
Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu bột gỗ............................................... 56
Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của vật mẫu nhựa PE.......................................... 56
Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 30% gỗ......................................... 57
Hình 3.11 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 40% gỗ......................................... 57
Hình 3.12 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 50% gỗ......................................... 58
Hình 3.13 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 60% gỗ......................................... 58
Hình 3.14 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu 70% gỗ......................................... 59
Hình 3.15 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu nhựa PE....................................... 59
Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của vật mẫu bột gỗ............................................ 60
Hình 3.17 Độ hấp thụ nước các mẫu qua thời gian ở nhiệt độ phịng........................... 61
Hình 3.18 Vật liệu mang vi sinh.................................................................................................. 63
Hình 3.19 Kết quả chụp SEM của vật liệu.............................................................................. 64

ii


Hình 3.20 Biến thiên của độ pH trong quá trình thí nghiệm............................................. 65
Hình 3.21 Biến thiên thể tích bùn lắng SVI 30...................................................................... 66
Hình 3.22 Khảo sát COD của các mẫu ni vi sinh đợt 1.................................................. 67
Hình 3.23 Khảo sát COD của các mẫu ni vi sinh đợt 2.................................................. 68
Hình 3.24 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 3.................................................. 69

Hình 3.25 Khảo sát COD của các mẫu ni vi sinh đợt 4.................................................. 70
Hình 3.26 Khảo sát COD của các mẫu ni vi sinh đợt 5.................................................. 71
Hình 3.27 Khảo sát COD của các mẫu nuôi vi sinh đợt 6.................................................. 72
Hình 3.28 Khảo sát COD của các mẫu ni vi sinh đợt 7................................................. 73

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại công nghệ xử lý nước ................................................................
Bảng 1.2 Thế oxi hóa khử của một số tác nhân oxi hóa mạnh trong mơi trường nước
[11] ............................................................................................................................
Bảng 1.3

Phản ứng tạo gốc ∙OH củ

Bảng 1.4

Phân loại các quá trình o

Bảng 1.5

Một số cơng trình nghiên

Bảng 1.6 Tổng hợp ưu điểm, nhược điểm của hệ thống xử lý có cải tiến bằng công
nghệ MBBR ..............................................................................................................
Bảng 1.7 Đặc điểm của một số VLM [4] ..................................................................
Bảng 1.8 Các nghiên cứu sử dụng VLM ...................................................................
Bảng 1.9 Một số tính chất vật lý đặc trưng của PE ...................................................
Bảng 2.1 Tỷ lệ khối lượng các mẫu khảo sát tính chất cơ lý ....................................

Bảng 2.2 Các thơng số hệ thống bình hiếu khí .........................................................
Bảng 2.3 Tần suất và vị trí lấy mẫu phân tích ...........................................................
Bảng 2.4 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích ............................................................
Bảng 3.1 Kết quả đo tính chất cơ lý của vật liệu ......................................................
Bảng 3.2 Nhiệt độ đề polymer hóa của vật liệu ........................................................
Bảng 3.3 Kết quả phân tích quét vi sai (DSC) của các mẫu vật liệu ........................
Bảng 3.4 Độ hấp thụ nước các mẫu qua thời gian ở nhiệt độ phòng ........................
Bảng 3.5 Tỷ trọng của mỗi mẫu vật liệu ...................................................................
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát COD và hàm lượng vi sinh trong bồn ............................
Bảng 3.7 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 1 .......................................................
Bảng 3.8 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 2 .......................................................
Bảng 3.9 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 3 .......................................................
Bảng 3.10 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 4 .....................................................
Bảng 3.11 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 5 .....................................................
Bảng 3.12 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 6 .....................................................
Bảng 3.13 Kết quả khảo sát COD của mẫu đợt 7 .....................................................
Bảng 3.14 Hiệu suất xử lý COD của các bồn thí nghiệm .........................................

iv


MỞ ĐẦU
Ơ

nhiễm mơi trường đã và đang là vấn đề “nóng” trên phạm vi tồn cầu. Hàng

ngày, chúng ta thường xun bắt gặp thơng tin trên truyền hình, báo chí liên quan
đến biến đổi khí hậu, trái đất ấm lên, băng tan, mưa axit, lũ lụt, hạn hán… Những
hiện tượng này đều bắt nguồn từ sự phát thải chất ô nhiễm và phá hoại thiên nhiên
của con người. Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường cũng ngày càng trở nên trầm trọng,

chất lượng khơng khí, chất lượng nước mặt đang bị nhiễm bẩn. Nguyên nhân
của vấn đề này là sự xả thải không qua xử lý hay xử lý chưa đạt ra môi trường từ
các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt của con người. Trong
số các chất ơ nhiễm thì các chất hữu cơ là thành phần phổ biến nhất, có mặt trong
hầu hết các loại nước thải như nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp.
Trong số các công nghệ xử lý ô nhiễm hữu cơ thì cơng nghệ bùn hoạt tính được ứng
dụng rộng rãi nhất nhờ các ưu điểm như công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận
hành thấp, thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là
tốc độ chuyển hóa chậm nên thời gian lưu nước tương đối lâu dẫn đến thể tích hệ
phản ứng lớn. Đây là hạn chế lớn khi áp dụng ở những nơi thiếu diện tích xây dựng.
Nhằm tăng cường tiếp xúc để nâng cao tốc độ chuyển hóa, trên thế giới đã nghiên
cứu và ứng dụng công nghệ xử lý sinh học với vật liệu mang vi sinh chuyển động
(MBBR). Công nghệ này đã được ứng dụng tại Việt Nam. Điểm nổi bật nhất của
công nghệ MBBR là vật liệu mang làm giá thể cho vi sinh bám chuyển động tự do
trong mơi trường nước thải nhờ dịng khí cấp cho vi sinh hiếu khí hoạt động. Vi sinh
vật trong bồn hiếu khí sẽ tồn tại ở hai trạng thái: huyền phù trong nước và ở màng vi
sinh trên giá thể. Chính q trình chuyển động của giá thể giúp tăng cường tiếp xúc
giữa vi sinh với chất hữu cơ và ôxy, phân bố bùn trong không gian được đồng đều
hơn, nhờ vậy nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng về phương diện kinh tế cơng nghệ MBBR có
hạn chế là vật liệu mang cần phải nhập khẩu, giá thành cao dẫn đến hạn chế việc áp
dụng tại Việt Nam.
Để khắc phục vấn đề chi phí nói trên của cơng nghệ MBBR, nghiên cứu này
lựa chọn đề tài “Chế tạo vật liệu mang vi sinh sử dụng vật liệu tổ hợp nhựa với
1


phụ phẩm nông nghiệp”.



Mục tiêu của đề tài

Chế tạo vật liệu mang trên cơ sở tổ hợp mùn cưa và nhựa HDPE, đánh giá tính
chất cơ lý và khả năng nuôi cấy vi sinh trong hệ thống MBBR của vật liệu.



Nội dung nghiên cứu

Chế tạo vật liệu compozit gỗ nhựa: đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ gỗ
nhựa đến

các tính chất cơ lý: độ bền kéo đứt, độ bền uốn và chụp SEM.
Trên cơ sở các tính chất cơ lý lựa chọn thành phần tối ưu để chế tạo
vật liệu
mang vi sinh, đánh giá tính chất của vật liệu: hấp thụ nước, tỷ trọng, TGA, DSC.
-

Đánh giá hiệu quả xử lý vi sinh của cơng nghệ bùn hoạt tính khi áp dụng vật

liệu mang thu được.


2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Nƣớc thải và các công nghệ xử lý nƣớc thải
1.1.1 Ơ nhiễm mơi trường bởi nước thải

Sự phát triển của nền kinh tế và đời sống xã hội cũng đồng nghĩa với nhu cầu
tiêu thụ và sử dụng nguyên vật liệu gia tăng, trong đó có nguồn nước. Sau quá trình
sử dụng, nước bị nhiễm bẩn bởi nhiều loại tạp chất khác nhau. Theo quy định, các
loại nước thải cần phải được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra môi trường. Tuy
nhiên đến nay, hiện tượng xả các loại nước thải chưa xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu
chuẩn vẫn xảy ra thường xuyên. Hậu quả là ô nhiễm môi trường gia tăng, ảnh hưởng
đến hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người. Theo thông tin từ bộ Tài nguyên
và Môi trường, trong 6 tháng đầu năm 2020 đường dây nóng của tổng cục môi
trường đã nhận được hơn 1.520 thông tin phản ánh về ô nhiễm môi trường. Trong
những năm qua, nhiều sự cố môi trường đã xảy ra trên diện rộng như: vụ cháy nhà
máy của Công ty cổ phần bóng đèn phích nước Rạng Đơng, ơ nhiễm nguồn nước
của nhà máy xử lý nước sạch Sông Đà năm 2019, sự cố xả thải ra biển của công ty
gang thép Fomosa, Hà Tĩnh năm 2016, vụ công ty Vedan xả thải trực tiếp ra sơng
Thị Vải năm 2006.
Ơ

nhiễm mơi trường nói chung, ơ nhiễm mơi trường nước nói riêng đã và đang

là một vấn nạn toàn cầu. Nguồn gốc ô nhiễm môi trường nước chủ yếu là do các
nguồn nước thải khơng được xử lý hoặc xử lí khơng tốt từ các hoạt động sinh hoạt
của con người, từ sản xuất cơng, nơng nghiệp, dịch vụ,... Trong đó, nước thải công
nghiệp là cần quan tâm nhất do thường chứa các chất hữu cơ có thành phần rất đa
dạng, nhiều trong số đó độc hại và rất khó xử lý. Những chất hữu cơ này thường rất
khó bị phân hủy bởi vi sinh khi xử lí cũng như khi đi vào mơi trường. Vì vậy chúng
tồn tại lâu trong mơi trường, trong đó có nhiều chất độc, sẽ là mối nguy hại lâu dài
tới sức khỏe con người nói riêng và và mơi trường nói chung.
Thơng thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng.
Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau [3].
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho mục

đích sinh
3


hoạt của con người: tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh,... Một số hoạt động công cộng hoặc
dịch vụ như bệnh viện, trường học, khách sạn, nhà hàng cũng tạo ra loại nước thải
có thành phần, tính chất giống nước thải sinh hoạt;
Nước thải công nghiệp: phát sinh từ các hoạt động sản xuất công
nghiệp
-

Nước thải nông nghiệp: phát sinh từ các hoạt động nông nghiệp.

Các loại nước thải này thường có những đặc trưng ơ nhiễm riêng, phụ thuộc
vào loại hình sản xuất. Một số thơng số ơ nhiễm phổ biến của nước thải bao gồm:
a)

Hàm lượng chất rắn

Tổng chất rắn là thành phần đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Theo
kích thước của hạt rắn, tổng chất rắn được phân thành các loại: chất rắn lơ lửng,
chất rắn keo và chất hịa tan (được trình bày trong hình 1.1)

10-5
-8

10

Tách bằng keo tụ

Hình 1.1 Phân loại các chất trong nƣớc thải

4


Chất rắn lắng thường được xác định là những hạt rắn sẽ lắng xuống đáy bình
hình cơn (phễu imhop) trong 60 phút, tính bằng mL/L. Chỉ tiêu này là một phép đo
gần đúng lượng bùn sẽ được loại bỏ trong lắng sơ cấp [3]. Các chất rắn dạng keo sẽ
được loại bỏ nhờ q trình keo tụ tạo bơng. Phần chất tan sẽ được loại bỏ bằng các
phương pháp khác như hấp phụ, lọc màng,…
b)

Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu thơng dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm
hữu cơ của nước thải. BOD được định nghĩa là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng
trong q trình oxy hóa các chất hữu cơ.
Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy
hoàn toàn chất hữu cơ do tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần
o

thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20 C, ký hiệu BOD5. Chỉ tiêu này đã được chuẩn
hóa và sử dụng trên tồn thế giới [3].
c)

Nhu cầu oxy hóa học COD

Chỉ số này cũng được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất ô nhiễm hữu
cơ trong nước thải và nước tự nhiên. Nhu cầu oxi hoá học (COD) được định nghĩa
là nồng độ khối lượng của oxy tương đương với lượng dicromat tiêu tốn bởi các

chất lơ lửng và hoà tan trong mẫu nước khi mẫu nước được xử lý bằng chất oxi hố
đó ở điều kiện xác định [1]. Như vậy, COD là lượng oxy tương đương với các tác
nhân cần để oxi hoá các chất hữu cơ trong nước.. Như vậy, các giá trị BOD, COD
càng cao thì nước càng ơ nhiễm [1,3].
d)

Các hợp chất của Nitơ và Phốt pho

Nitơ trong nước thải có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau: nitơ hữu cơ (N+

HC), nitơ dạng amoni (N-NH4 ), nitơ dạng nitrit (N-NO2), nitơ dạng nitrat (NNO3). Vì nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào tổng hợp protein nên số liệu về
nitơ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng
các q trình sinh học [2, 5].

5


Giống như Nitơ, photpho cũng là chất dinh dưỡng rất cần thiết cho vi sinh vật.
Tuy nhiên, khi hàm lượng quá cao sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng gây ô nhiễm môi
trường nước. Việc kiểm soát nitơ và photpho sẽ giúp kiểm sốt q trình xử lý nước
thải bằng các biện pháp sinh học [2, 5].
1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải

Do nguồn nước thải thường chứa nhiều chất ô nhiễm nên dây chuyền xử lý
thường là tổ hợp của các kĩ thuật công nghệ khác nhau phụ thuộc vào đặc tính ơ
nhiễm. Xét về khả năng xử lý thì các cơng nghệ có thể được phân chia thành 4 bậc
như sau [2, 5].
Bảng 1.1 Phân loại công nghệ xử lý nƣớc [2, 5]
Xử lý bậc 1
Song chắn rác

Bồn điều hòa
Bồn lắng cát
Bồn tách dầu mỡ

Xử lý bậc 1 (bậc sơ cấp): bậc xử lý này chỉ có khả năng tách loại được các tạp
chất có kích thước lớn có thể nhận biết bằng cảm quan. Các phương pháp xử lý bậc 1
thường là các biện pháp cơ học thường thấy là: song chắn rác, lưới chắn rác, bồn điều
hòa, bồn lắng, lọc cơ học, tách dầu mỡ,… Phương pháp xử lý cơ học hoạt động dựa
trên các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm… Đây là phương pháp xử lý sơ bộ
nước thải trước khi xử lý bằng phương pháp hóa lý, hóa học và sinh học để tách các tạp
chất khơng hồ tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏi nước thải.

Xử lý bậc 2: Các phương pháp xử lý bậc 2 tập trung vào loại bỏ các tạp chất lơ
lửng, chất hữu cơ (COD, BOD) để tránh sự phân hủy của chúng trong nước, sẽ tạo
ra mùi hôi và giảm nồng độ oxy hòa tan. Các phương pháp xử lý bậc 2 thường là
6


các phương pháp hóa lý như: keo tụ tạo bơng, tuyển nổi,… kết hợp với các quá trình
sinh học như yếm khí, hiếu khí và thiếu khí… Hiệu suất xử lý có thể lên tới tới 80%
tại cấp xử lý này. Xử lý bậc 2 lại không xử lý được các thành phần sinh dưỡng như
Nitơ và photpho.
- Phương pháp keo tụ tạo bông
Trong môi trường nước, các chất không tan tồn tại ở dạng các hạt keo. Do có
cấu tạo lớp điện kép, các hạt này có điện tích cùng dấu nên đẩy nhau. Vì vậy, các hạt
tồn tại ở dạng tách rời. Khi mơi trường có thêm các ion có thể trung hịa điện tích lớp
kép (giảm thế zeta), lực đẩy giữa các hạt keo giảm và chúng có khả năng tương tác với
nhau để tạo tập hợp hạt to hơn. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng keo tụ. Khi kích
thước đủ lớn, các hạt bơng tạo thành có thể lắng xuống đáy. Phương pháp keo tụ tạo
bông là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc xử lí nước thải nhằm loại

bỏ các hợp chất không tan cũng như một phần các chất tan.

Các chất keo tụ thường dùng là muối của các cation đa hóa trị như muối nhơm:
Al2(SO4)3.nH2O (n=14÷18) hoặc muối sắt FeCl 3.nH2O. Sau khi hòa tan trong nước
các ion này trung hịa bớt điện tích bề mặt hạt keo, đồng thời thủy phân tạo hydroxit
giúp hấp phụ thêm các tạp chất trong nước. Trong quá trình keo tụ, người ta còn sử
dụng các chất trợ keo tụ như sét, polymer, silicat hoạt tính để tăng khả năng lắng,
giúp quá trình xử lý thực hiện nhanh hơn.
- Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi được sử dụng với chức năng tương tự như q trình
keo tụ - tạo bơng trong xử lý nước để tách các chất không tan và một phần chất tan
(khi sử dụng thêm chất keo tụ). Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý
phân tán bọt khí nhỏ trong nước, các bọt khí này sẽ tương tác với các tạp chất không
tan và kéo lên bề mặt. Khí đưa vào hệ có thể thơng qua phương pháp hịa tan khí ở
áp suất cao vào nước hoặc thổi khí ở áp suất thường. Phương pháp hịa tan khí ở áp
suất cao cho hiệu quả cao hơn do tạo các bọt khí mịn và đồng nhất, tuy nhiên
phương pháp cần có thêm máy nén khí, bình nén khí. Nếu chỉ tạo bọt khí thì
7


phương pháp tuyển nổi không thể xử lý được các chất hòa tan. Để nâng cao xử lý,
các chất keo tụ thường được thêm vào nước thải trước khi nén/thổi khí. Khi đó các
chất ơ nhiễm hịa tan sẽ hấp phụ lên bông keo và được tách khỏi nước.
-

Phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (hay còn gọi là xử lý nước thải
bằng vi sinh) là phương pháp xử lý dựa trên hoạt động của vi sinh vật, chủ yếu là
sinh vật hoại sinh có trong nước thải. Phương pháp sinh học được sử dụng để xử lý

các chất hữu cơ, các hợp chất chưa nitơ. Tùy theo điều kiện tiến hành mà công nghệ
sinh học có thể được phân loại thành cơng nghệ vi sinh hiếu khí (xử lý nước chứa
hàm lượng hữu cơ thấp, dưới 1000 mg/L), cơng nghệ vi sinh yếm khí (xử lý hàm
lượng hữu cơ cao), cơng nghệ thiếu khí (xử lý hữu cơ, nitrate). Phương pháp xử lý
sinh học có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn giản nên vẫn là công nghệ
phổ biến nhất để xử lý nước thải. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ là thời gian
lưu nước lớn nên hệ thống cần khơng gian rộng, hơn nữa vi sinh (hiếu khí) nhạy với
pH và điều kiện sục khí nên cần theo dõi liên tục hệ thống.
Xử lý bậc 3: Xử lý bậc 2 bằng cơng nghệ sinh học tuy có nhiều ưu điểm, tuy
nhiên vẫn còn 1 nhược điểm khác là xử lý các hợp chất nitơ không triệt để và khơng
xử lý được phốt pho. Do đó, sau xử lý nước, chất lượng không đảm bảo tiêu chuẩn
xả thải. Để khắc phục điều này, các công nghệ xử lý bậc 3 được nghiên cứu và ứng
dụng. Công nghệ bậc 3 gồm phản ứng oxy hóa khử nâng cao, hấp phụ bằng than
hoạt tính, ozon hóa…[3].
-

Phương pháp oxi hóa tiên tiến

Q trình oxi hóa tiên tiến là những q trình xử lý phân hủy các chất ơ nhiễm dựa
•

trên cơ sở các gốc tự do hoạt động (điển hình là gốc hydroxyl OH), được tạo ra ngay trong
quá trình xử lý. Các gốc hydroxyl rất hoạt động và là tác nhân oxi hóa gần như mạnh nhất
từ trước đến nay với thế oxi hóa khử Eo= +2,8 V, và chỉ đứng sau Flo (như trong bảng 1.2)

8


Bảng 1.2 Thế oxi hóa khử của một số tác nhân oxi hóa mạnh
trong mơi trƣờng nƣớc [11]

Đặc điểm nổi bật của phương pháp oxi hóa tiên tiến là gốc hydroxyl tạo ra có
khả năng phản ứng nhanh và khơng chọn lọc với hầu hết các hợp chất hữu cơ (hằng
7

số tốc độ phản ứng trong khoảng 10 và 10

10

-1

-1

mol .l.s ). Đặc tính oxi hóa khơng

chọn lọc này vơ cùng quan trọng, cho phép mở rộng phạm vi áp dụng của phương
pháp với các nước thải không đồng nhất, chứa các hợp chất ơ nhiễm khác nhau. Do
đó các gốc hydroxyl này cho phép khống hóa các chất hữu cơ ơ nhiễm, khó phân
hủy sinh học trong thời gian từ vài phút đến vài chục phút.
•

a. Các q trình tạo gốc OH
•

Do gốc OH có khả năng oxi hóa rất mạnh, tốc độ phản ứng oxi hóa rất nhanh
và không chọn lọc khi phản ứng với các hợp chất khác nhau nên các q trình oxi
•

hóa nâng cao trên cơ sở gốc OH đã được nghiên cứu và áp dụng trong việc xử lý
•

trong nước và nước thải. Các quá trình tạo ra gốc OH của từng quá trình oxi hóa
nâng cao cụ thể được trình bày trong bảng 1.3


9


∙

Bảng 1.3 Phản ứng tạo gốc OH của các quá trình oxi hóa tiên tiến
TT

1
H2O2/Fe
2

3

4

5

6

7

8

b. Phân loại các q trình oxi hóa tiên tiến

Các q trình oxi hố tiên tiến được phân thành 2 nhóm chính là nhóm các q
trình oxi hóa khơng nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Non – Photochemical
Oxidation Protection – ANOPs) và nhóm các q trình oxi hóa nhờ tác nhân ánh
sáng (Advanced Photochemical Oxidation Protection – AOPs) như trong bảng 1.4

10


Bảng 1.4. Phân loại các q trình oxi hóa tiên tiến
Nhóm q trình
Nhóm các q trình oxi hóa khơng nhờ
tác nhân ánh sáng (Advanced Non
Photochemical Oxidation
ANOPs)

Nhóm các q trình oxi hóa nhờ tác nhân
ánh sáng (Advanced
Oxidation Protection - AOPs)

Hiệu quả của q trình xử lý các chất ơ nhiễm phụ thuộc vào rất nhiều thông
số như nồng độ tác nhân oxi hóa, cường độ ánh sáng UV, pH, nhiệt độ… cũng như
thành phần của mơi trường cần xử lý. Ngồi ra, hiệu quả của q trình oxi hóa có
thể bị ảnh hưởng do sự tiêu thụ gốc hydroxyl của các hợp chất vơ cơ hoặc hữu cơ có
mặt trong mơi trường. Nhìn chung các phản ứng của các quá trình oxi hóa tiên tiến
tương tự nhau, tuy nhiên hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh tế của quá trình phụ thuộc
•

vào phương pháp hình thành gốc OH và các điều kiện vận hành của hệ thống.

-

Xử lý nước thải bằng công nghệ hấp phụ

Hấp phụ là phương pháp xử lý rất phổ biến được áp dụng trong xử lý nước để
loại các chất tan trong nước cũng như trong xử lý khí để loại mùi và hợp chất dễ bay
hơi. Trong phương pháp này, các chất cần xử lý (chất bị hấp phụ) tích luỹ trên

11


bề mặt chất rắn khi nước thải được tiếp xúc với chất rắn. Về bản chất hóa học thì
phương pháp này không làm biến đổi chất cần xử lý mà chỉ tách chất ra khỏi nước
thải. Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ
khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể giải hấp trở lại dung dịch. Theo
thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc giải
hấp càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ giải hấp bằng tốc độ hấp phụ thì
quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Nói chung, hấp phụ là phương pháp đơn giản nhưng có hiệu quả cao. Tuy
nhiên phương pháp này có nhược điểm là sau một thời gian chất hấp phụ sẽ bão hòa
và cần thay thế mới.
Tùy theo bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, q trình hấp phụ có
thể là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý có năng lượng tương tác
nhỏ, khơng chọn lọc cịn tương tác hóa học có năng lượng lớn hơn và có độ chọn
lọc. Đến nay nhiều mơ hình hấp phụ được đưa ra, hai mơ hình phổ biến được sử
dụng để mô tả đẳng nhiệt hấp phụ (mối quan hệ giữa dung lượng và nồng độ chất bị
hấp phụ khi cân bằng) là mơ hình Langmuir và Freudlich. Một trong những đặc
trưng quan trọng của chất hấp phụ là dung lượng hấp phụ cực đại. Thơng số này
được tính tốn từ mơ hình Langmuir.
Phương pháp hấp phụ tuy là phương pháp lâu đời nhưng có nhiều ưu điểm:

- Có khả năng làm sạch nước, đáp ứng nhiều cấp độ về chất lượng.
- Qui trình xử lý đơn giản, cơng nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm là:
- Khơng thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao.
-

Chuyển chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, tạo ra một lượng thải sau khi

hấp phụ, không xử lý triệt để được ô nhiễm.
Xử lý bậc 4: tập trung vào các đối tượng chất hữu cơ có hàm lượng rất nhỏ
trong nước thải có tính độc cao, là những chất có khả năng gây ung thư và đột biến

12


gien, bệnh thần kinh, gây quái thai (hooc môn, kháng sinh…). Các phương pháp xử
lý bậc 4 thường gồm quá trình siêu lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm
tách,… Nước sau bậc xử lý này có độ tinh khiết cao tuy nhiên chi phí cho xử lý lại
quá cao nên bậc xử lý này chỉ áp dụng cho nước có u cầu vơ cùng khắt khe về
chất lượng ví dụ như nước sử dụng cho y tế, nước sản xuất dược phẩm, …
-

Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải để
tách ion của các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn… cũng như các hợp chất
của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các
chất và đạt được mức độ làm sạch cao. Vì vậy trao đổi ion là một phương pháp được
ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước và nước thải. Bản chất của quá trình
trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion

có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này được gọi là các
ionit (chất trao đổi ion), chúng hồn tồn khơng tan trong nước. Các chất trao đổi các
ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit. Các chất có khả năng trao đổi với
các ion âm gọi là các anionit. Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation và anion thì
người ta gọi chúng là ionit lưỡng tính. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vơ cơ
hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo.

1.2. Công nghệ MBBR và vật liệu mang
1.2.1. Công nghệ MBBR trong xử lý nước thải
a)

Ngun lý hoạt động

Như đã trình bày ở trên, cơng nghệ vi sinh đang được sử dụng rộng rãi nhờ có
nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, nhược điểm là tốc độ xử lý chậm. Do đó, nhằm nâng cao
hiệu quả hoạt động của công nghệ này, nhiều kĩ thuật cải tiến đã được đề xuất và
nghiên cứu, trong đó có cơng nghệ bồn sinh học với vật liệu mang vi sinh chuyển
động (MBBR). Công nghệ MBBR đã được phát triển ở Na Uy vào đầu những năm
1990, [19]. Công nghệ này sử dụng các vật liệu có tỷ trọng nhẹ hơn hoặc tương
đương với nước làm vật liệu cho vi sinh vật bám dính vào tạo màng sinh học. Vật

13


liệu chứa màng vi sinh này sẽ chuyển động liên tục trong bồn phản ứng tạo điều
kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với các chất hữu cơ.
Giống như màng sinh học trong lọc sinh học, vi sinh vật có khả năng phân giải
các hợp chất hữu cơ sẽ dính bám và phát triển trên bề mặt các vật liệu. Các vi sinh
vật hiếu khí sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để phát triển thành sinh
khối. Quần xã vi sinh sẽ phát triển và dày lên rất nhanh chóng cùng với sự suy giảm

các chất hữu cơ trong nước thải. Khi đạt đến một độ dày nhất định, khối lượng vi
sinh vật sẽ tăng lên, lớp vi sinh vật phía trong do khơng tiếp xúc được nguồn thức
ăn nên chúng sẽ bị chết, sẽ bị bong ra rơi vào trong nước thải. Một lượng nhỏ vi
sinh vật còn bám trên các vật liệu sẽ tiếp tục sử dụng các hợp chất hữu cơ có trong
nước thải để hình thành một quần xã sinh vật mới theo một vịng tuần hồn [24].
Nếu nhược điểm của lọc sinh học là diện tích tiếp xúc và khả năng phân phối
màng vi sinh trong nước thải bị hạn chế thì cơng nghệ MBBR lại khắc phục được
hồn tồn hai nhược điểm trên. Nhờ có tính lơ lửng nên VLM sẽ chuyển động liên
tục trong bồn phản ứng theo dịng khí (đối với bồn hiếu khí – hình 1.2) hoặc theo sự
khuấy trộn của dịng nước (đối với bồn thiếu khí – hình 1.2) và phân phối đều trong
nước thải. Bên cạnh đó các vật liệu mang được thiết kế với các hình dạng và kích
thước khác nhau nhằm tăng cường tối đa diện tích bề mặt cho vi sinh bám dính (chi
tiết sẽ được trình bày trong phần “ Vật liệu mang”).

Hình 1.2 Chuyển động của VLM trong bồn MBBR hiếu khí và thiếu khí
MBBR là một q trình xử lý sinh học dựa trên sự kết hợp của công nghệ bùn

14