Đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính g- PGM

1. Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nước ta đã đạt được nhiều thành tựu trong lĩnh vực phát triển kinh tế – xã hội. Đặc biệt, ngành công nghiệp – xây dựng có tốc độ tăng trưởng cao hơn nhiều so với các năm trước, đóng góp chủ yếu là các ngành công nghiệp như chế biến, chế tạo tăng 10.6 % so với 2014. Tuy nhiên, việc phát triển của các ngành công nghiệp này đã phát sinh ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, trong đó vấn đề ô nhiễm kim loại nặng từ nước thải sản xuất của các nhà máy phải được kiểm soát chặt chẽ.

Kim loại nặng (KLN) là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm³ thường tồn tại trong nước ở dạng ion. Một số kim loại nặng được xem là nguyên tố vi lượng cần thiết đối với cơ thể sống, tham gia vào quá trình sinh trưởng và phát triển như sắt, kẽm,… . Nhưng khi hàm lượng vượt quá mức cho phép các kim loại nặng sẽ trở thành độc chất, gây tác động không nhỏ đến sinh vật và môi trường, như: Chì (Pb), Crom (Cr), Cadimi (Cd), Đồng (Cu), Kẽm (Zn), Sắt (Fe)…

Đà Nẵng hiện nay có 6 khu công nghiệp (KCN) với đa dạng các ngành nghề. Trong đó khu công nghiệp Hòa Khánh có 175 doanh nghiệp, tập trung nhiều ngành công nghiệp có thành phần nước thải chứa hàm lượng KLN cao như: Chì (Pb), Cadimi (Cd), Asen (As), Niken (Ni), Kẽm (Zn), Thủy ngân (Hg),… Nước thải sau quy trình sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ bằng các phương pháp hóa lý như keo tụ, điện hóa, trao đổi ion,… nồng độ các chất vẫn chưa đạt tiêu chuẩn cho phép và được đưa về trạm xử lý nước thải tập trung của KCN Hòa Khánh để tiếp tục xử lý trước khi xả thải ra nguồn tiếp nhận.

Nhà máy Cơ khí –mạ Đà Nẵng hiện nay đang áp dụng dây chuyền xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ. Đây là phương pháp đơn giản, dễ sử dụng, xử lý cùng lúc nhiều kim loại, thời gian xử lý ngắn và hiệu quả cao, nhưng với nồng độ kim loại nặng trong nước thải xi mạ quá cao thì phương pháp này sẽ xử lý không triệt để và tạo ra một lượng lớn bùn thải nguy hại. Như vậy, giải pháp mới để xử lý nước thải sản xuất của nhà máy được đặt ra cần phải đảm bảo các yêu cầu xả thải theo quy định của nhà nước, đồng thời phải đạt hiệu suất xử lý cao, đơn giản, tiết kiệm được chi phí vận hành và phương pháp xử lý các kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM là một giải pháp đáng được cân nhắc xem xét và lựa chọn. Bởi lẽ, vật liệu từ tính γ-PGM đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và chứng minh là có hiệu quả xử lý kim loại nặng cao, dễ thu hồi và tái sử dụng, giúp giảm chi phí xử lý và thân thiện môi trường.

Xuất phát từ những yêu cầu khoa học và thực tiễn, tôi đề xuất lựa chọn đề tài : “Đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính γ- PGM” làm luận văn tốt nghiệp của mình.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính γ- PGM. Từ đó đánh giá hiệu quả xử lý so với phương pháp xử lý của nhà máy hiện nay.

Khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng Fe, Zn và Cr trong nước thải của vật liệu từ tính γ-PGM.

Đề xuất mô hình xử lý bằng vật liệu từ tính γ- PGM, áp dụng ngay tại nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

– Các ion kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy

– Vật liệu từ tính γ-PGM.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

– Thực nghiệm tại nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng.

– Nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – mạ Đà Nẵng

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ trở thành cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp bằng phương pháp hóa lý. Góp phần cung cấp số liệu, thông tin tin cậy về vật liệu từ tính γ-PGM trong xử lý nước thải công nghiệp nhiễm kim loại nặng.

4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học đáng tin cậy đối với các doanh nghiệp và nhà quản lý khi thiết lập hệ thống xử lý kim loại nặng bằng phương pháp mới đạt hiệu quả cao, chi phí thấp và thân thiện môi trường.

5. Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục trong luận văn gồm có các chương như sau:

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về kim loại nặng

1.1.1. Kim loại nặng

1.1.2. Sắt (Fe)

1.1.3. Kẽm (Zn)

1.1.4. Crôm (Cr)

1.2. Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước

1.2.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ

1.2.2. Phương pháp tuyển nổi

1.2.3. Phương pháp hấp phụ

1.2.4. Phương pháp kết tủa hóa học

1.2.5. Phương pháp trao đổi ion

1.2.6. Phương pháp điện hóa

1.2.7. Phương pháp oxy hóa – khử

1.2.8. Phương pháp đồng kết tủa

1.2.9. Phương pháp sinh học

1.3. Tổng quan về vật liệu từ tính γ-PGM

1.3.1. Gamma poly glutamic axit (γ-PGA)

1.3.2. Hạt từ tính (Fe₃O₄)

1.3.3. Vật liệu từ tính phủ gamma poly glutamic axit (γ-PGM)

Hạt vật liệu được cấu tạo từ hai bộ phận chính là hạt sắt từ tính Fe3O4 và gamma poly glutamic acid (γ-PGA)

Sự kết hợp hạt từ tính và hạt γ-PGA thành vật liệu mới γ-PGM không những có những ưu điểm của các hạt thành phần mà còn khắc phục hạn chế của chúng là: khả năng trao đổi gốc cation trong nhóm cacboxylic trên hạt PGA; khả năng hấp phụ vật lý các hạt dạng keo và mạng polymer ba chiều; mang từ tính nên dễ dàng thu hồi γ-PGM sau khi sử dụng. Đặc biệt, thời gian xử lý và thu hồi vật liệu nhanh là ưu điểm nổi bật nhất của γ-PGM bằng cách sau khi xử lý, nam châm được sử dụng để thu hồi vật liệu mang từ tính trong nước.

Vì vậy, vật liệu γ-PGM đã được các nhà khoa học tại Việt Nam nghiên cứu, tổng hợp và ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Đây là phương pháp có thể ứng dụng khi thu hồi kim loại quý trong nước.

γ-PGM được áp dụng nhiều trong xử lý kim loại nặng như Pb, Cd, Cr, Cu, Zn, Ni… trong nước thải công nghiệp và nước thải dệt nhuộm. Các bài báo, luận văn liên quan [8, 14, 17, 18, 29, 30]

1.4. Tổng quan về nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

1.4.1. Quy mô hoạt động của cơ sở

1.4.2. Công nghệ sản xuất/ vận hành

1.4.3. Quy trình xử lý nước thải

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

2.1.1. Nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

1. Vị trí địa lý của nhà máy
2. Các đối tượng xung quanh nhà máy
3. Thành phần kim loại nặng trong nước thải sản xuất
4. Khảo sát nước thải sản xuất của nhà máy

Các kim loại được chọn để xác định nồng độ trong mẫu nước thải là Fe, Zn, Cr, Cd và Pb. Đây là các kim loại có khả năng phát sinh trong dây chuyền sản xuất của nhà máy. Ngoài ra còn có kim loại Al và Ni nhưng chúng chỉ chiếm thành phần rất nhỏ trong dung dịch kẽm nóng chảy, khó phát sinh trong nước thải sản xuất.

Bảng 2.1. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

Nhận xét: từ kết quả phân tích cho thấy các kim loại nặng như Cr và Zn trong nước thải sản xuất phân xưởng mạ vượt gấp hàng ngàn lần so với quy chuẩn.Trong khi đó Fe và Pb cũng vượt 796 và 291 lần đều vượt quá giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp. Chứng tỏ đây là loại nước thải có đặc tính nguy hại cao, nếu không được xử lý triệt để nó sẽ tích tụ ở môi trường xung quanh. Điều này chắc chắn gây ra những ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người dân quanh vùng tiếp nhận nếu như họ sử dụng chúng để ăn, uống và làm nước tưới tiêu trong nông nghiệp và nuôi thủy hải sản trên vùng nước này hàng ngày vì các kim loại này có khả năng tích lũy cao. Vì vậy, lượng nước thải này cần được xử lý trước khi thải ra môi trường, đặc biệt là các kim loại có nồng độ lớn là Fe, Zn, Pb và Cr.

2.1.2. Vật liệu từ tính γ-PGM

Vật liệu từ tính γ-PGM do Công ty TNHH Nippon Poly – Glu – Nhật Bản sản xuất, có thành phần chính là các hạt γ-PGA được phủ lên bề mặt hạt từ tính. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu nhằm sản xuất loại vật liệu này tại Việt Nam, từ đó vật liệu sẽ được phổ biến và giá thành giảm.

Vật liệu từ tính γ-PGM là loại vật liệu có khả năng trao đổi cation của nhóm cacboxylic trên PGA và hấp phụ vật lý các hạt dạng keo vào mạng polymer ba chiều của nó. Ngoài ra nó còn có các ưu điểm của chất thành phần cấu tạo là sắt từ và γ-PGA. Đó là vật liệu mang từ tính nên dễ thu hồi vật liệu sau xử lý và có khả năng phân hủy sinh học.

2.2. Hóa chất và thiết bị nghiên cứu

2.2.1. Hóa chất

2.2.2. Dụng cụ – thiết bị

2.3. Nội dung nghiên cứu

2.4. Phương pháp nghiên cứu

2.4.1. Phương pháp lấy mẫu hiện trường

2.4.2. Phương pháp phân tích hóa học

a. Phương pháp định lượng

b. Đo pH

c. Xác định nồng độ kim loại bằng máy quang phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa (AAS)

d. Xác định hàm lượng kim loại sắt (Fe) bằng máy quang phổ UV-Scanning

e. Các phương pháp sử dụng trong quá trình phân tích mẫu

2.4.3. Phương pháp thực nghiệm

2.4.4. Phương pháp tổng hợp xử lý số liệu

2.4.5. Mô hình tách từ tính

a. Thiết lập mô hình xử lý kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM

b. Nguyên lý hoạt động của mô hình từ tính

Nước thải sản xuất của nhà máy được xả theo đợt sản xuất từ 14 – 15 ngày đối vơi nước thải chứa Fe, Zn và 3 – 4 tháng đối với nước thải chứa Cr tương đương khoảng 300 tấn sản phẩm nên mô hình sẽ áp dụng theo phương pháp xử lý theo mẻ.

Nước thải sau khi lấy từ bể chứa nước thải của nhà máy được đổ vào bể phản ứng. Định lượng γ-PGM cần thiết đưa vào bể và vận hành mô tơ khuấy nhằm tạo sự phân tán đều γ-PGM trong bể và tăng khả năng tiếp xúc của γ-PGM với nước thải. Nước thải sau khi khuấy với thời gian tính toán sẵn được xả thẳng xuống bể tách γ-PGM bằng nam châm. Sau khi nước thải sau xử lý và cặn chứa γ-PGM đã phân lớp mở vòi xả nước sau xử lý ra bể đựng nước. Cặn chứa γ-PGM được xả theo đường ống dưới đáy bể và thu hồi vào thùng nhựa 5 lít.

c. Vận hành mô hình

Mô hình được vận hành theo mẻ sản xuất của nhà máy, nước thải đã biết trước nồng độ được đưa vào mô hình, lấy mẫu sau xử lý và tiến hành phân tích để xác định hiệu quả xử lý của γ-PGM.

Thời gian vận hành và theo dõi mô hình: 2 đợt.

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy bằng vật liệu từ tính γ-PGM

3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý của γ-PGM

a. Sắt (Fe)

Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Fe của γ-PGM

* Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi thay đổi giá trị pH của các mẫu nước thải thì hiệu suất xử lý kim loại Fe của γ-PGM cũng có sự khác biệt.

Hiệu suất tăng dần từ 78,18% đến 95,89% khi giá trị pH tăng từ 1 đến 4, nồng độ Fe lúc này chỉ còn 172,25 mg/L. Khi pH của mẫu nước thải tăng từ 4 đến 6, hiệu suất giảm xuống còn 91,60% nhưng giảm không đáng kể, tương ứng với nồng độ Fe còn 351,67 mg/L. Điều này chứng tỏ Fe được hấp phụ tốt nhất trong khoảng pH từ 3 – 6.

b. Kẽm (Zn)

Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Zn của γ-PGM

* Nhận xét:

Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng khi giá trị pH thay đổi thì hiệu suất xử lý Zn của γ-PGM có sự khác nhau. Cụ thể khi pH = 1 thì lượng Zn trong nước thải còn lại cao nhất, tương ứng với hiệu suất thấp nhất là 30,47 %. Khi pH tăng thì khả năng xử lý Zn trong nước của γ-PGM tăng theo. Tại pH = 6 nồng độ Zn là thấp nhất và hiệu suất xử lý đạt cao nhất với 59,40 %. Nồng độ ion Zn²⁺ giảm nhiều nhất trong khoảng pH > 6 do kẽm có khả năng thủy phân mạnh tại pH 6 – 8, kết tủa Zn(OH)₂ tạo thành nhanh hơn, đủ lớn để vật liệu từ tính γ-PGM hút vào. Điều này chứng tỏ ion Zn không được xử lý tốt ở môi trường axit mà chỉ đạt hiệu quả cao trong môi trường pH = 6.

c. Crom (Cr)

Hình 3.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Cr của γ-PGM

* Nhận xét:

Hiệu suất xử lý Cr lại giảm khi tăng dần các giá trị pH. Với pH bằng 3, hiệu suất đạt cao nhất với 84,67% và giảm dần khi tăng pH. Hiệu suất giảm xuống thấp nhất ở pH 6, hiệu suất xử lý chỉ đạt 63,04 %. Do đó, môi trường pH thích hợp để xử lý Cr được xác định trong khoảng từ 2 – 3. Trong môi trường có pH thấp từ 2 – 3, Cr (VI) tồn tại dưới dạng CrO₄^2- mang điện tích âm mà bề mặt vật liệu γ-PGM lại tích điện dương nên dễ bị vật liệu này hấp thụ. Khi tăng dần pH, khả năng hấp thụ Cr giảm do các ion OH^– sẽ cạnh tranh với hấp thụ với CrO₄^2- lên bề mặt vật liệu γ-PGM. Ngoài ra crom trong dung dịch có tích số tan bé, có khả thủy phân tạo kết tủa tại các pH thấp nên ở pH = 3 đã bắt đầu xảy ra quá trình thủy phân. Vì thế để xử lý Cr trong nước thải nên chọn pH bằng 3 là hợp lý về hiệu suất và kinh tế.

Tóm lại, ion kim loại Fe có khả năng được xử lý tốt trong môi trường pH từ 4 trở lên. Ion Zn có hiệu suất xử lý tốt trong môi trường có pH từ 6 trở lên. Vì vậy, các thí nghiệm khảo sát tiếp theo sẽ chỉ đề cập đến khả năng xử lý các ion kim loại Fe và Zn ở môi trường có pH bằng 6 và xử lý ion kim loại Cr ở môi trường có pH bằng 3.

3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng xử lý của γ-PGM

a. Sắt (Fe)

Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Fe của γ-PGM

* Nhận xét:

Nồng độ Fe trong nước thải giảm mạnh ngay trong 15 phút đầu tiên, hiệu suất đạt 95,89 %. Khi tăng thời gian từ 15 đến 30 phút thì hàm lượng Fe được xử lý giảm không đáng kể, hiệu suất dao động từ 95,89 % xuống còn 95,60 %.

Càng tăng thời gian khuấy trộn, hiệu suất xử lý Fe càng giảm mạnh và dần ổn định ở khoảng thời gian 60 đến 90 phút. Có hiện tượng này là do các ion kim loại khi di chuyển sẽ gặp bề mặt vật liệu từ tính và bị hút vào. Nhưng theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt, các ion vẫn có khả năng di chuyển ngược trở lại môi trường nước thải và nếu khuấy quá lâu các bông cặn sẽ dễ bị phá vỡ cấu trúc do tác động của cánh khuấy làm giảm hiệu suất xử lý.

Vì vậy, hiệu suất xử lý cao nhất nằm trong khoảng thời gian 15 đến 30 phút. Tuy nhiên để tăng mức độ ổn định trong quá trình xử lý thì thời gian xử lý nên là 30 phút để các quá trình diễn ra được đồng nhất.

b. Kẽm (Zn)

Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Zn của γ-PGM

* Nhận xét:

Thời gian khuấy trộn là không có ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý kim loại Zn. Tại thời gian 15 phút hàm lượng Zn là 4.090 mg/L đạt hiệu suất 53,38 %, tương ứng với thời gian 90 phút là 3.969 mg/L đạt 54,76 %. Như vậy chênh lệch hiệu suất là không cao ở các điểm khảo sát thời gian, gần như đạt trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, thời gian quá ngắn sẽ không kịp cho quá trình xử lý ổn định và thời gian quá dài sẽ làm tốn thời gian xử lý mà hiệu quả kinh tế cũng không cao. Do đó, có thể chọn thời gian để xử lý ion Zn tương tự với ion Fe là 30 phút.

1. Crom (Cr)

Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý Cr của γ-PGM

* Nhận xét:

Trong 15 phút đầu tiên, nồng độ Cr giảm từ 362 mg/L xuống còn 168 mg/L, đạt hiệu suất 53,59 %. Trong 15 phút tiếp theo, nồng độ Cr giảm mạnh chỉ còn 64,2 mg/L đạt hiệu suất 82,27 %. Càng tăng thời gian, hiệu suất không có sự khác biệt lớn, tại 60 phút là 87,46 % và 90 phút là 88,23 %. Do vậy, chọn thời gian tối ưu để xử lý ion Cr là 30 phút.

Như vậy, thời gian cần thiết để xử lý được ion kim loại nặng Fe và Zn trong cùng một mẫu nước thải và ion Cr trong mẫu nước thải riêng của nhà máy là 30 phút.

3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của lượng γ-PGM đến khả năng xử lý

1. Sắt (Fe)

Hình 3.9. Ảnh hưởng của lượng γ-PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Fe

* Nhận xét:

Khi lượng γ-PGM tăng từ 0,25 g đến 1,0 g thì hàm lượng Fe giảm từ 507,18 còn 76,56 mg/L, hiệu suất xử lý tăng từ 87,89 % lên 98,17 %. Tuy nhiên, khi tăng dần lượng γ-PGM từ 1,0 g đến 2,0 g thì hiệu suất xử lý giảm mạnh và thấp nhất đạt 83,81 % tương ứng với nồng độ Fe cao nhất là 686,60 mg/L. Điều này có thể được giải thích như sau: với hàm lượng γ-PGM lớn, tương ứng với nồng độ PGA trong γ-PGM phân tán nhiều. Trong cấu tạo PGA chứa các gốc -COOH có khả năng kết tụ lại với nhau làm giảm khả năng hấp phụ kim loại nặng lên mạng lưới 3D của γ-PGM dẫn đến làm giảm hiệu suất xử lý. Mặt khác, sử dụng lượng γ-PGM quá lớn sẽ làm giảm hiệu quả kinh tế.

1. Kẽm (Zn)

Hình 3.10. Ảnh hưởng của lượng γ-PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Zn

* Nhận xét:

Lượng γ-PGM cũng là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến khả năng xử lý kim loại Zn. Lượng γ-PGM bằng 0,25 g nồng độ Zn sau xử lý chỉ giảm 1,75 lần. Khi càng tăng lượng γ-PGM thì hiệu suất xử lý cũng tăng và đạt ở trang thái cân bằng, dao động từ 58,97 % đến 65,80 % tương ứng với lượng γ-PGM từ 0,5 g đến 2,0g. Tuy nhiên để đảm bảo hiệu suất cũng như tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí xử lý, lượng γ-PGM cần thiết để xử lý ion kim loại Zn là 0,5 g.

1. Crom (Cr)

Hình 3.11. Ảnh hưởng của lượng γ-PGM đến hiệu suất xử lý kim loại Cr

* Nhận xét:

Đối với kim loại Cr, hiệu suất xử lý thay đổi rõ rệt khi tăng dần lượng γ-PGM. Với 0,25 g γ-PGM, hiệu suất xử lý chỉ đạt 49,06 % nhưng khi tăng lên 0,5 g γ-PGM thì hiệu suất cũng tăng lên đến 85,03 %, nồng độ giảm chỉ còn 54,2 mg/L. Khi tăng lượng từ 0,5 g đến 2,0 g γ-PGM, hiệu suất thay đổi không đáng kể nằm trong khoảng 85,03 % đến 91,99 %. Về mặt kinh tế lẫn hiệu suất, chọn lượng γ-PGM cần thiết để xử lý ion Cr là 0,5 g.

Nhìn chung, lượng γ-PGM trung bình cần dùng để hấp phụ các ion kim loại nặng Fe, Zn và Cr trong 50 mL nước thải sản xuất của nhà máy là 0,5 g.

3.2. Đề xuất mô hình xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM tại nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

3.2.1. Vận hành mô hình tách từ tính

1. Nước thải chứa Fe và Zn – nước thải bể rửa axit

Bảng 3.6. Thông số vận hành mô hình đối với nước thải bể rửa axit chứa kim loại Fe và Zn

* Thuyết minh công nghệ:

Nhằm tăng hiệu suất xử lý Fe, nước thải trước khi xử lý có thể được sục khí trong 180 phút. Sau đó cho 3 L nước thải vào bình phản ứng, dùng NaOH 16 M để tăng pH của mẫu nước thải lên bằng 6. Sau khi chỉnh pH thêm 30 g hạt từ tính γ-PGM rồi cho vào bể phản ứng. Sử dụng bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ của cánh khuấy với mục đích hòa trộn đều nước thải với các hạt γ-PGM, đảm bảo quá trình xử lý được diễn ra hoàn toàn và các hạt γ-PGM không bị lắng đọng dưới đáy bình. Thời gian xử lý là 30 phút, sau đó nước thải được xả thẳng xuống bể lắng có hệ thống nam châm từ bên dưới bể. Hạt γ-PGM sẽ được nam châm hút nằm dưới đáy bể. Nước thải sau khi xử lý sẽ được mở van xả ra ngoài. Do nồng độ Fe và Zn vẫn chưa đạt được mức cho phép của QCVN 40:2011 – cột B, nước thải tiếp tục được bơm tuần hoàn vào bể phản ứng để xử lý lần hai và lần ba. Sau mỗi lần xử lý, tiến hành lấy mẫu và phân tích nồng độ các ion kim loại nặng còn lại trong dung dịch để xác định hiệu suất xử lý của mô hình.

1. Nước thải chứa Cr – nước thải bể thụ động

Bảng 3.7. Thông số vận hành mô hình đối với nước thải bể thụ động chứa kim loại Cr

* Thuyết minh công nghệ:

Cho 3 L nước thải vào bình phản ứng, dùng HCl 1,12 g/cm3 để giảm pH của mẫu nước thải xuống bằng 3. Sau khi chỉnh pH, cân 30 g hạt từ tính γ-PGM rồi cho vào bể phản ứng. Thiết lập cánh khuấy bể quay trong 30 phút. Quá trình xử lý và vận hành mô hình tương tự với nước thải chứa Fe và Zn. Sau 3 lần xử lý, lấy mẫu và phân tích để thấy hiệu suất xử lý của mô hình.

3.4.2. Kết quả vận hành mô hình tách từ tính

Hình 3.14. Hiệu suất xử lý kim loại nặng Fe và Zn sau từng giai đoạn bằng mô hình tách từ tính

* Nhận xét:

Ở giai đoạn xử lý trung hòa kết hợp sục khí, kết cho thấy hiệu suất hấp phụ Fe đạt 72,6 %, hiệu suất hấp phụ Zn đạt 2,37 % với nồng độ Fe và Zn còn lại trong mẫu nước thải giảm xuống lần lượt là 2993 mg/L và 1892 mg/L. Như vậy quá trình sục khí đã xử lý kim loại Fe với hiệu suất cao, còn Zn không bị ảnh hưởng nhiều. Tiếp tục qua giai đoạn hấp phụ của vật liệu từ tính γ-PGM hiệu suất xử lý tăng mạnh, nồng độ Fe và Zn giảm còn 287 mg/L và 610 mg/L. Hiệu suất xử lý gần bằng với thực nghiệm. Nước sau xử lý của mô hình vẫn còn đục và nồng độ kim loại còn cao nên nước tiếp tục được đưa qua hệ thống lọc hấp phụ. Hiệu suất xử lý tăng lên không nhiều, nồng độ các kim loại trong nước còn lại lần lượt là 261 mg/L và 398 mg/L.

Như vậy, kết quả xử lý bằng mô hình này tuy thấp hơn với kết quả của các thí nghiệm khảo sát đã thực hiện trong đề tài nhưng trong phạm vi chấp nhận được. Điều này chứng tỏ hiệu suất xử lý kim loại nặng của hạt γ-PGM trong mô hình tách từ tính là đảm bảo.

Hình 3.15. Hiệu suất xử lý kim loại nặng Cr trong nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng mô hình tách từ tính

* Nhận xét:

Kết quả xử lý bậc 1 đạt hiệu suất 53,31 % thấp hơn so với kết quả thí nghiệm, điều này có thể là do thao tác vận hành mô hình và tính toán chưa hợp lý nhưng hiệu suất vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được. Từ biểu đồ cho ta thấy nồng độ kim loại Cr giảm dần sau các bậc xử lý, hiệu suất xử lý Cr đạt 83,01% tại bậc xử lý thứ 6, nồng độ chỉ còn 61,5 mg/L giảm 5,89 lần so với nồng độ ban đầu. Kết quả xử lý này là quá trình tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM trong xử lý. Vì vậy, khi thực hiện xử lý nhiều bậc thì nồng độ kim loại nặng vẫn giảm qua các bậc xử lý.

3.4.3. Thiết kế, tính toán dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng

* Thuyết minh công nghệ:

Nước thải từ các bể của xưởng mạ theo đường ống thu gom chảy vào bể chứa điều hòa và trung hòa. Bể điều hòa có nhiệm vụ chứa nước đồng thời làm đồng đều nước thải cả về lưu lượng và thành phần ô nhiễm, tạo điều kiện thuận lợi cho các công đoạn xử lý làm việc ổn định và hiệu quả. Lúc này NaOH được thêm vào để điều chỉnh pH. Trong bể điều hòa có lắp đặt hệ thống bơm sục khí có tác dụng tăng cường mức độ điều hòa của nước thải đồng thời làm tránh hiện tượng lắng cặn lơ lửng ở trong bể và tăng cường quá trình trung hòa của nước thải.

Sau đó nước thải được bơm lên các bể phản ứng có khuấy trộn với lượng vật liệu từ tính γ-PGM được thêm vào. Lúc này, các hạt vật liệu hấp phụ các kim loại nặng và các cặn kết tủa tạo thành các bông cặn. Kết thúc quá trình khuấy trộn nước thải từ các bể này được xả thẳng xuống hệ thống các bể lắng. Dưới các bể lắng là hệ thống nam châm điện, dưới tác dụng của lực từ lớn các bông cặn sẽ bị lắng xuống đáy bể.

Nước trong phía trên lớp cặn được xả vào bồn trung gian, còn lượng bùn cặn lắng xuống đáy bể sau khi thu hồi vật liệu γ-PGM được hút về sân phơi bùn. Lượng nước lọc bùn được tuần hoàn về lại bể điều hòa để xử lý tiếp. Khi sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM thì lượng bùn sau xử lý sẽ giảm hơn so với khi xử lý nước bằng hóa chất keo tụ, ngoài ra vật liệu này có khả năng tái sử dụng nhiều lần rất có lợi về mặt kinh tế.

Nước thải từ bồn chứa trung gian được bơm cấp lọc bơm vào hệ thiết bị lọc – hấp phụ gồm 04 thiết bị lọc áp lực – hấp phụ làm việc đồng thười. Tiếp đó nước sau khi lọc và hấp phụ theo đường ống chảy vào bồn chứa nước sau xử lý nếu đạt tiêu chuẩn sẽ được xả ra nguồn tiếp nhận. Nếu nước sau xử lý chưa đạt sẽ được bơm tuần hoàn về lại bể phản ứng để tiếp tục xử lý bậc 2.

Sân phơi bùn có chức năng làm giảm độ ẩm của cặn bùn sinh ra trong quá trình xử lý nước thải từ 90 – 92% xuống 70 – 80% với mục đích: giảm khối lượng bùn cặn; dễ dàng khi vận chuyển; giảm lượng nước bẩn có thể thấm vào nước ngầm ở bãi chôn lấp… Sân phơi bùn có 02 ngăn làm việc luân phiên. Trong sân phơi bùn có lớp sỏi đỡ và lớp vật liệu lọc bùn là cát lọc.

3.4.4. So sánh dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng hiện tại và dây chuyền sử dụng phương pháp mới

Để so sánh việc sử dụng hai loại vật liệu trong quá trình xử lý nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng tiến hành thí nghiệm xử lý với cùng thể tích nước thải và lượng các loại hóa chất để xác định lượng bùn thải phát sinh và hiệu suất xử lý của các loại vật liệu. Kết quả được thể hiện trong bảng 3.10.

Bảng 3.10. So sánh khả năng xử lý của hai loại vật liệu γ-PGM và PAC

* Nhận xét:

Từ bảng so sánh cho thấy lượng bùn thải sau xử lý bằng vật liệu từ tính thấp hơn so với khi sử dụng PAC, tương ứng là 3,91 g và 6,22 g trong 100 mL nước thải. Do đó, việc sử dụng vật liệu γ-PGM sẽ giảm lượng bùn phát sinh sau quá trình xử lý. Giá vật liệu từ tính γ-PGM cao hơn hóa chấy xử lý nước thải PAC là 190.000 VNĐ/m³. Tuy nhiên, ưu điểm lớn nhất của γ-PGM là khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần. Một số nghiên cứu đã chứng minh vật liệu từ tính có thể tái sử dụng trên 10 lần mà hiệu suất thay đổi không đáng kể. Vì vậy, tính về mặt giá thành thì việc sử dụng vật liệu từ tính sẽ kinh tế hơn PAC rất nhiều.

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

Kết luận

Qua quá trình nghiên cứu đề tài “Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải sản xuất của nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính γ- PGM”, tiến hành thực nghiệm và vận hành mô hình tách từ tính, tác giả đã rút ra được một số kết luận như sau:

1. Thực trạng xử lý nước thải tại nhà máy hiện nay đang là vấn đề cấp thiết. Bởi vì, hệ thống xử lý nước thải của nhà máy không được vận hành đúng quy trình hiện có, nước sau xử lý có giá trị pH <1, nồng độ kim loại nặng và bùn cặn quá lớn. Với các văn bản pháp luật hiện nay vẫn chưa có thiết chế đối với nồng độ kim loại nặng trước khi đưa ra trạm xử lý tập trung nên vấn đề xử lý thường bị nhà máy bỏ qua và thực hiện đối phó.

2. Khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý kim loại nặng Fe, Zn và Cr của hạt từ tính γ-PGM, cụ thể là các yếu tố như pH, thời gian xử lý, lượng γ-PGM. Điều kiện tối ưu về mặt hiệu suất, kinh tế và thời gian để xử lý tốt nhất Fe, Zn và Cr trong hai loại nước thải cụ thể như sau:

a. Đối với nước thải chứa Fe và Zn từ bể rửa axit

pH = 6

Thời gian 30 phút

Lượng γ-PGM là 0,5 g/50 mL nước thải

b. Đối với nước thải chứa Cr từ bể thụ động

pH = 3

Thời gian 30 phút

Lượng γ-PGM là 0,5 g/50 mL nước thải

3. Nghiên cứu xây dựng thành công mô hình tách từ tính sử dụng hạt γ-PGM làm vật liệu để xử lý kim loại nặng trong nước thải của Nhà máy Cơ khí – Mạ tại khu công nghiệp Thanh Vinh mở rộng, Đà Nẵng đạt được hiệu suất cao với kết quả xử lý ở hai loại nước thải sản xuất như sau:

– Hiệu suất xử lý Fe và Zn đạt lần lượt là 97,61 % và 79,46 %, tương ứng nồng độ kim loại Fe và Zn còn lại sau mô hình là 261 mg/L và 398 mg/L.

– Nồng độ kim loại Cr giảm dần sau các bậc xử lý bằng vật liệu từ tính γ-PGM, hiệu suất xử lý Cr đạt được 83,01 % tại bậc xử lý thứ 6.

4. Hoàn thành thiết kế, tính toán xây dựng dây chuyền công nghệ xử lý nước thải nhà máy Cơ khí – Mạ Đà Nẵng bằng vật liệu từ tính γ-PGM. Ưu điểm khi áp dụng dây chuyền công nghệ vào nhà máy là hiệu suất xử lý kim loại nặng cao, giảm đáng kể lượng bùn thải so với dây chuyền hiện nay của nhà máy và hiệu quả kinh tế với loại vật liệu có khả năng tái sử dụng nhiều lần. Tổng diện tích áp dụng dây chuyền công nghệ mới vào nhà máy là 60 m² hoàn toàn phù hợp với diện tích khu xử lý nước thải hiện nay của công ty.

Kiến nghị

Để đề tài có thể đi đến những kết quả tốt hơn và có thể triển khai rộng rãi, tác giả có những kiến nghị sau:

– Với đặc tính là nước thải chứa kim loại nặng có độc tính nguy hiểm nên nghiên cứu áp dụng phương pháp xử lý sơ bộ trước khi sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM để nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải, không gây hại cho môi trường.

– Nghiên cứu quá trình giải hấp phụ và thu hồi kim loại nặng từ vật liệu sau quá trình xử lý.

– Sử dụng nam châm điện để có cường độ từ tính lớn hơn từ đó tăng hiệu suất tách vật liệu γ-PGM ra khỏi nước.

– Khảo sát số lần tái sử dụng mà vật liệu từ tính γ-PGM có thể đạt được.

– Nghiên cứu sản xuất vật liệu γ-PGM với chi phí thấp.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KY THUAT MOI TRUONG\NGUYEN THU PHUONG\SAU BAO VE\TOM TAT