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

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 Cơng nghệ TP.Hồ Chí Minh
GVHD: ThS. Lâm Vĩnh Sơn

TĨM 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 mơi 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 mơi trường.
Thơng 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 khơng cịn 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 cơng 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 khơng
có biện pháp xử lý hiệu quả sẽ gây ra tình trạng ơ nhiễm mơi 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 q 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 hịa tan,
hay kim loại nặng rất khó phân hủy, có thể gây ơ nhiễm mơi 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
267


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 mơi trường mà
khơng qua q trình xử lý trong thời gian dài sẽ gây ô nhiễm môi trường rất nặng. Bên cạnh đó
lượng bùn thải thải bỏ trong q 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 ngồi 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 Phịng Thí nghiệm của
Trường Đại học Cơng 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 tốn, 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

268


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: Mơ 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 khơ ở nhiệt độ 105 oC trong vịng 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

269


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 hố 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 hố 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 hố 4 giờ và khơng thay đổi ở mốc thời gian 5 giờ. Vậy chọn thời gian
hoạt hoá 4 giờ làm thời gian hoạt hoá tối ưu.

270


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 hố có cấu trúc lồi lỏm, có những nếp gấp và khoảng trống, đặc
trưng cho vật liệu có cấu trúc khơng 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 cịn 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.

271


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.

272


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

Mẫu ban đầu
Sau khi đi qua cột bùn
hấp phụ

PH

Độ màu
(Pt  Co)

COD
(mg/l/)

BOD
(mg/l/)

SS
(mg/l/)

Cr6+
(mg/l/)

Zn2+
(mg/l/)

Cu2+
(mg/l/)

8

1200

270

600

90

0.5

0.2

-

7.5

500

253

500

10

-

-

-

58.3%

6.3%

16.6%

88.9%

100%

100%

-

Hiệu suất xử lý

Nhận xét: Sau q trình sấy khơ và hoạt hố bằng axit HCl thì bùn thải khơng cịn 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 hồn 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.

273


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]

/>
[6]

274

/>