PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM ION KIM LOẠI NẶNG BẰNG VẬT LIỆU TỪ TÍNH PHỦ AXIT γ-POLY GLUTAMIC (γ-PGM)

PSG.TS. Lê Thị Xuân Thùy

Khoa Môi trường, trường Đại học Bách khoa -  Đại học Đà Nẵng

Lĩnh vực kỹ thuật được đề cập

     Giải pháp hữu ích thuộc lĩnh vực môi trường, cụ thể là đề cập đến phương pháp và hệ thống xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính phủ axit γ-poly glutamic (vật liệu từ tính γ-PGM).

Tình trạng kỹ thuật của giải pháp hữu ích

     Ion kim loại nặng từ các nguồn khác nhau của hoạt động sản xuất công nghiệp đã và đang gây ra nhiều bệnh nan y, mãn tính cho con người. Điển hình như bệnh Itaiitai (ngộ độc cadmium do khai thác mỏ ở Toyama, Nhật Bản), bệnh Minamata (do ngộ độc metyl thuỷ ngân trong nước thải công nghiệp từ các nhà máy hóa chất tại thành phố Minamata tỉnh Kumamoto, Nhật Bản), nhiễm độc asen (tại các lưu vực sông Indus, Bangladesh, Ấn Độ và các tỉnh ở đồng bằng Mekong, Việt Nam).

     Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp tách ion kim loại khỏi môi trường nước như trao đổi ion, kết tủa, tuyển nổi, hấp phụ, v.v.. Trong đó, phương pháp hấp phụ được xem là đại diện cho các kỹ thuật xử lý hiệu quả nhất và được áp dụng rộng rãi nhất. Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, than đá, đất sét, cacbonat, hay các chất hấp phụ chi phí thấp như tro bay, trấu, than bùn, than bùn rêu, bã trà, v.v.. Tuy nhiên, làm thế nào để loại bỏ các hạt hấp phụ sau xử lý ra khỏi môi trường nước là một vấn đề nan giải.

     Thêm vào đó, nước thải nhiễm ion kim loại của các công ty hầu hết được xử lý theo dây chuyền công nghệ như sau: Nước thải được thu gom và dẫn về bể trung hòa. Sau đó nước được dẫn về bể thu gom. Từ bể thu gom dẫn nước về bể phản ứng. Tại bể phản ứng, muối CaCl2 và muối FeCl3 được bơm vào và trộn lẫn. Tiếp theo, ở bể phản ứng thứ hai thì bơm NaOH và điều chỉnh độ pH thích hợp để xử lý kim loại. Nước thải tiếp tục được dẫn vào bể lắng để lắng các thành phần hydroxit kim loại. Phần nước trong sau khi đã lắng kết tủa (ở bể lắng) sẽ được trung hòa bằng axit trong bể điều chỉnh độ pH. Phần bùn cặn sẽ được dẫn đến bể tách bùn. Tiếp theo dẫn dung dịch từ bể điều chỉnh độ pH sang bể trung gian và bể lọc áp lực để loại bỏ triệt để những thành phần cặn lơ lửng có trong nước. Sau khi khử cặn thì nước được trung hòa. Trong bồn 2 xử lý nước cuối cùng thì giám sát chất lượng nước như độ kiềm và nồng độ các chất trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.

     Còn phần bùn cặn phát sinh trong quá trình kết tủa ở bể lắng thì dùng máy tách nước theo dạng ép lọc. Ép bùn dơ và dùng tấm lọc tách nước và cặn. Phần nước được dẫn đến bồn điều chỉnh độ pH, phần cặn được thu hồi và kết hợp với Công ty Môi trường xử lý chất thải nguy hại theo đúng qui định.

     Mặc dù dây chuyền công nghệ này đáp ứng được yêu cầu chất lượng nước thải sau khi xử lý đạt mức cho phép của QCVN 40:2011/ BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, nhưng dây chuyền này vẫn có một số nhược điểm như vận hành phức tạp, số lượng các bể lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng khi sử dụng các bơm có công suất cao.

Bản chất kỹ thuật của giải pháp hữu ích

     Mục đích của giải pháp hữu ích là khắc phục nhược điểm của các phương pháp và hệ thống xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nêu trên. Để đạt được mục đích đó, giải pháp hữu ích đề cập đến phương pháp xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng và hệ thống xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng để dùng trong phương pháp này.

     Theo khía cạnh thứ nhất, giải pháp hữu ích đề cập đến phương pháp xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính phủ axit γ-poly glutamic (γ-PGM), phương pháp này bao gồm các bước:

     a) Thu gom nước thải vào bể chứa, trong đó nước thải từ nguồn phát thải chứa ion kim loại nặng có nồng độ từ 50 đến 300 mg/l được thu gom vào bể chứa;

      b) Điều hòa nồng độ và lưu lượng để giá trị của hai thông số này được ổn định;

     c) Xử lý ion kim loại trong nước thải ở bể phản ứng bằng cách điều chỉnh độ pH bằng Na2CO3 hoặc HNO3 đến pH=10, và bổ sung vật liệu từ tính γ-PGM vào nước thải theo tỉ lệ 1g/lít, sau đó khuấy trộn với tốc độ 600 vòng/phút trong thời gian 20 phút để hấp thụ kim loại nặng lên vật liệu từ tính γ-PGM;

     d) Thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM bằng cách cho nước thải chứa vật liệu từ tính γ-PGM chảy qua máng làm bằng inox có đặt nam châm ở phía dưới và phía trên đặt máng làm bằng nhựa dày 1mm dễ dàng tháo gỡ; và

      e) Tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM bằng cách ngâm vật liệu từ tính γ-PGM thu hồi vào dung dịch axit HCl 0,1M theo tỉ lệ vật liệu từ tính γ-PGM/HCl 0,1M là 1/20 3 (g/ml) để thu hồi kim loại. Sau khi loại bỏ dung dịch axit, thu được vật liệu từ tính γPGM để tái sử dụng.

     Theo khía cạnh thứ hai, giải pháp hữu ích đề cập đến hệ thống xử lý nước thải nhiễm các ion kim loại nặng thực hiện phương pháp theo điểm 1, hệ thống này bao gồm:

     a) Bể chứa nước thải để thu gom nước thải cần xử lý;

     b) Bể điều hòa nước thải để điều hòa nồng độ và lưu lượng nước thải;

     c) Bể phản ứng để điều chỉnh độ pH và cánh khuấy để hòa trộn nước thải với vật liệu từ tính γ-PGM;

    d) Máng dẫn làm bằng inox có gắn nam châm ở phía dưới để thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM và phía trên đặt thêm máng làm bằng nhựa có thể tháo gỡ;

     e) Bể chứa nước thải sau khi hoàn tất xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng; và

     f) Bể giải hấp phụ chứa vật liệu từ tính γ-PGM đã được dính bám ion kim loại nặng;

trong đó nước thải chứa ion kim loại nặng được dẫn vào bể chứa, sau khi chảy qua bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ được chảy sang bể phản ứng, tại đây nước thải được hòa trộn với vật liệu từ tính γ-PGM để hấp phụ ion kim loại nặng. Tiếp theo vật liệu từ tính γ-PGM được thu hồi trên máng dẫn, nước thải sau khi xử lý được chuyển sang bể chứa nước thải. Sau khi xử lý, vật liệu từ tính γ-PGM được giải hấp phụ trong bể giải hấp phụ để tái sử dụng.

Mô tả vắn tắt các hình vẽ

     Hình 1 là sơ đồ khối công nghệ xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung.

     Hình 2 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống xử lý ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM.

     Hình 3 là hình vẽ mặt cắt đứng của hệ thống xử lý ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM theo hình 2.

     Hình 4 là hình vẽ mặt bằng của hệ thống xử lý ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM theo hình 3.

Mô tả chi tiết giải pháp hữu ích

     Sau đây, giải pháp hữu ích được mô tả chi tiết với các phương án thực hiện cụ thể có viện dẫn đến các hình vẽ, tuy nhiên, các phương án thực hiện này chỉ nhằm mục 4 đích bộc lộ bản chất của giải pháp hữu ích chứ không làm hạn chế phạm vi yêu cầu bảo hộ của giải pháp hữu ích.

     Theo khía cạnh thứ nhất, giải pháp hữu ích đề cập đến phương pháp xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính phủ axit γ-poly glutamic (γ-PGM), phương pháp này bao gồm các bước: a) thu gom nước thải vào bể chứa; b) điều hòa nồng độ và lưu lượng; c) xử lý ion kim loại trong nước thải; d) thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM; và e) tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM.

     Trong bước thu gom nước thải vào bể chứa, nước thải từ nguồn phát thải chứa ion kim loại nặng, ví dụ Cu, Zn, Ni, v.v.. từ nguồn phát thải, ví dụ quá trình mạ, được thu gom vào bể chứa. Nồng độ các kim loại cần xử lý đạt khoảng từ 50 đến 300 mg/lít.

     Trong bước điều hòa nồng độ và lưu lượng, giá trị của hai thông số này sẽ không thay đổi. Trong bước xử lý ion kim loại trong nước thải ở bể phản ứng, nước thải được điều chỉnh điều chỉnh độ pH bằng Na2CO3 hoặc HNO3 đến pH=10. Sau đó, bổ sung vật liệu γ-PGM vào nước thải theo tỷ lệ 1g/lít. Sau đó khuấy trộn với tốc độ 600 vòng/phút trong thời gian 20 phút để hấp phụ kim loại nặng lên vật liệu từ tính γ-PGM.

     Trong bước thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM, nước thải chứa vật liệu từ tính γPGM đã được hấp thụ kim loại nặng được cho chảy qua máng làm bằng vật liệu inox có đặt nam châm ở phía dưới, phía trên máng này có bố trí máng làm bằng nhựa dày 1mm dễ dàng tháo gỡ để thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM. Vật liệu từ tính γ-PGM được giữ lại trên bề mặt máng nhờ từ tính. Nước thải sau khi xử lý được chuyển vào bể sau xử lý. Vật liệu từ tính γ-PGM được đưa đi tái sử dụng.

     Trong bước tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM, vật liệu này được ngâm vào vào dung dịch axit HCl 0,1M theo tỉ lệ vật liệu từ tính γ-PGM/HCl 0,1M là 1/20 (g/ml) để giải hấp phụ nhằm thu hồi kim loại. Sau khi loại bỏ dung dịch axit, vật liệu từ tính được thu hồi bởi nam châm, thu được vật liệu từ tính γ-PGM để tái sử dụng.

     Theo khía cạnh thứ hai, giải pháp hữu ích đề cập đến hệ thống xử lý nước thải nhiễm các ion kim loại nặng thực hiện phương pháp theo giải pháp hữu ích, hệ thống này bao gồm:

     - Bể chứa nước thải để thu gom nước thải cần xử lý;

     - Bể điều hòa nước thải để điều hòa nồng độ và lưu lượng nước thải; 

     - Bể phản ứng để điều chỉnh độ pH và cánh khuấy để hòa trộn nước thải và vật liệu từ tính γ-PGM;

     - Máng dẫn làm bằng vật liệu inox có gắn nam châm ở phía dưới để thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM và phía trên đặt thêm máng làm bằng nhựa có thể tháo gỡ;

     - Bể chứa nước thải sau khi hoàn tất xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng; và

     - Bể giải hấp phụ chứa vật liệu từ tính γ-PGM đã được dính bám ion kim loại nặng;

trong đó nước thải chứa ion kim loại nặng được dẫn vào bể chứa, sau khi chảy qua bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ được chảy sang bể phản ứng, tại đây nước thải được trộn với vật liệu từ tính γ-PGM để hấp thụ ion kim loại nặng, tiếp đó vật liệu từ tính γ-PGM được thu hồi trên máng dẫn, nước thải sau khi xử lý được chuyển sang bể chứa nước thải sau khi xử lý còn vật liệu từ tính γ-PGM được giải hấp phụ trong bể giải hấp phụ để tái sử dụng;

     Trên Hình 2 thể hiện mặt cắt hệ thống xử lý nước thải được sử dụng để thực hiện phương pháp xử lý kim loại nặng bằng vật liệu từ tính γ-PGM. Các bước của hệ thống xử lý nước thải và các thiết bị tương ứng của hệ thống được mô tả chi tiết dưới đây.

     Bể chứa nước thải

     Thu gom nước thải ở bể chứa để tiện cho việc xử lý. Bể chứa được thiết kế hình hộp chữ nhật, được xây dựng là gạch thông thường và đặt ở trên mặt đất để lợi dụng sự tự chảy, không cần sử dụng bơm.

     Bể điều hòa

     Nước thải thường có lưu lượng và nồng độ các chất bẩn không ổn định theo thời gian. Sự dao động này nếu không được điều hoà sẽ ảnh hưởng đến chế độ làm việc của các bể xử lý ở phía sau, đồng thời gây tốn kém nhiều về xây dựng và quản lý. Do đó, bể điều hòa giúp lưu lượng nước gần như không đổi, khắc phục những khó khăn cho chế độ công tác và nâng cao hiệu suất xử lý cho toàn bộ dây chuyền. Bể điều hòa được thiết kế hình hộp chữ nhật, nước thải tự chảy từ bể chứa nhờ máng dẫn, đặt nửa chìm nửa nổi trên mặt đất, vật liệu xây dựng là gạch thông thường.

     Bể phản ứng

    Bể phản ứng làm bằng vật liệu inox dày 5mm có hình dạng trụ chóp để dễ dàng vệ sinh. Bể được cố định bởi các khung inox và có van khóa ở phía dưới đáy. Nước thải từ bể điều hòa được bơm phân phối về các bể phản ứng hoạt động theo mẻ, để6 nâng cao hiệu suất xử lý. Sau đó, châm Na2CO3 hoặc dung dịch HNO3 để tối ưu hoá độ pH=10. Tiếp tục cho vật liệu γ-PGM vào nước thải theo tỷ lệ 1g/lít, khuấy trộn với tốc độ 600 vòng/phút (tốc độ khuấy tối ưu) để đảm bảo quá trình hấp phụ được diễn ra hoàn toàn và các hạt γ-PGM không bị lắng đọng dưới đáy bể. Sau 20 phút khuấy trộn (thời gian tối ưu), mở van để hỗn hợp nước thải và hạt γ-PGM chảy qua máng dẫn nước.

     Máng dẫn nước

     Máng dẫn nước có nhiệm vụ dẫn nước từ bể phản ứng đến bể chứa nước sau xử lý. Chọn vật liệu inox, có bề dày 5mm làm máng. Để hút vật liệu từ tính γ-PGM, phía dưới máng sẽ cắt và hàn thêm các hình hộp chữ nhật làm bằng inox để đặt nam châm ở phía dưới và phía trên sẽ đặt thêm máng làm bằng nhựa dày 1mm có thể tháo gỡ. Khi hỗn hợp nước thải và vật liệu γ-PGM chảy qua máng, vật liệu γ-PGM sẽ được giữ lại nhờ lực hút của nam châm, nước đã loại bỏ kim loại nặng sẽ chảy tràn qua máng nhựa và dẫn đến bể chứa. Sau mỗi mẻ xử lý và chờ nước thải bơm từ bể điều hòa về các bể phản ứng, tháo các tấm máng nhựa chứa vật liệu từ tính γ-PGM, vận chuyển về bể giải hấp phụ để tái sử dụng. Nếu nồng độ kim loại vẫn chưa đạt được mức cho phép của QCVN 40:2011 – cột B, nước thải tiếp tục được bơm tuần hoàn về bể phản ứng lần hai để tiếp tục xử lý.

Bể chứa nước thải sau xử lý

     Nước thải sau quá trình xử lý đạt quy chuẩn đưa về bể chứa và được bơm đến nguồn tiếp nhận. Bể chứa được thiết kế hình hộp chữ nhật, đặt nửa chìm nửa nổi và được xây dựng bằng gạch thông thường.

Bể giải hấp phụ

     Là nơi thu hồi kim loại nặng đã được dính bám và hấp phụ trên bề mặt vật liệu từ tính γ-PGM. Cho dung dịch axit HCl (0,1M) khuấy đều với vật liệu γ-PGM theo tỉ lệ 1/20 (g/ml). Các ion kim loại nặng hòa tan trong dung dịch axit, sử dụng nam châm để thu hồi vật liệu γ-PGM, sau đó tiếp tục sử dụng để tách kim loại nặng cho các đợt xử lý tiếp theo.

Ví dụ thực hiện giải pháp hữu ích

     Để xử lý nước thải của nhà máy xi mạ có công suất 120 m3 /ngày đêm có thông số đầu vào như sau: pH = 1, CNi = 60,25 mg/l, CCu = 13,49 mg/l, CZn = 11,16 mg/l. Nước thải từ các phân xưởng xi mạ được thu gom tại bể chứa có dung tích 2,5 m3 . Sau đó, 7 nước thải tự chảy qua bể điều hòa qua máng dẫn với dung tích của bể điều hòa là 30 m3 . Tại đây, nước thải sẽ được điều hòa, ổn định lưu lượng và nồng độ, sau đó được bơm vào các bể phản ứng. Hệ thống này được bố trí bốn modun xử lý các ion kim loại nặng, hoạt động đồng thời với thể tích mỗi bể phản ứng 7,5 m3 . Ở bể này, trước hết châm Na2CO3 để nâng pH của nước thải bằng 10 (đây là pH tối ưu để xảy ra quá trình hấp phụ các kim loại nặng) khuấy trong thời gian 5 phút. Tiếp tục cho vật liệu từ tính γ-PGM vào bể phản ứng theo tỉ lệ 1g/lít, khuấy trộn với tốc độ 600 vòng/phút (tốc độ khuấy tối ưu) để đảm bảo quá trình hấp phụ được diễn ra hoàn toàn và các hạt γ-PGM không bị lắng đọng dưới đáy bể. Sau 20 phút khuấy trộn (thời gian tối ưu), mở van để hỗn hợp nước thải và hạt γ-PGM chảy qua máng dẫn làm bằng vật liệu inox, có bề dày 5mm.

     Để hút vật liệu từ tính γ-PGM phía dưới máng sẽ cắt và hàn thêm các hình hộp chữ nhật làm bằng inox để đặt nam châm ở phía dưới và phía trên sẽ đặt thêm máng làm bằng nhựa dày 1mm có thể tháo gỡ. Khi hỗn hợp nước thải và vật liệu γ-PGM chảy qua máng, vật liệu γ-PGM sẽ được giữ lại nhờ lực hút của nam châm, nước đã loại bỏ kim loại nặng sẽ chảy tràn qua máng và dẫn đến bể chứa có dung tích 30 m3.

     Sau mỗi mẻ xử lý, và chờ nước thải bơm từ bể điều hòa về các bể phản ứng, tháo các tấm máng nhựa chứa vật liệu từ tính γ-PGM vận chuyển về bể giải hấp phụ có dung tích 2,5 m3 , được xây bằng gạch thông thường và đặt nổi trên mặt đất. Cho dung dịch HCl 0,1M để hòa tan các ion kim loại theo tỉ lệ 1/20 (g/ml). Nếu nồng độ kim loại vẫn chưa đạt được mức cho phép của QCVN 40:2011 – cột B, nước thải tiếp tục được bơm tuần hoàn về bể phản ứng lần hai để tiếp tục xử lý.

Hiệu quả đạt được của giải pháp hữu ích

     Phương pháp và hệ thống xử lý nước thải nhiễm ion kim loại bằng vật liệu từ tính γ-PGM có khả năng áp dụng trong công nghiệp, đáp ứng được nhu cầu loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước thải với hiệu suất xử lý cao, vận hành đơn giản, nhanh chóng, tiết kiệm năng lượng điện bằng cách sử dụng nam châm, giảm số lượng các bể xử lý, không tạo ra bùn thải mà còn có thể hoàn nguyên và thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM, tái sử dụng được nhiều lần, tiết kiệm chi phí xử lý. Ngoài ra, có lõi Fe3O4 được phủ lên lớp γ-PGA - một loại polyme có khả năng tự phân huỷ và được chiết xuất từ món ăn truyền thống của Nhật Bản - Natto nên được xem là vật liệu an toàn với con người và thân thiện với môi trường.

YÊU CẦU BẢO HỘ

1. Phương pháp xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính phủ axit γ-poly glutamic (γ-PGM), trong đó phương pháp này bao gồm các bước:

     a) Thu gom nước thải vào bể chứa, trong đó nước thải từ nguồn phát thải chứa ion kim loại nặng có nồng độ từ 50 đến 300 mg/lít, được thu gom vào bể chứa;

     b) Điều chỉnh nồng độ và lưu lượng để giá trị của hai thông số này không thay đổi;

    c) Xử lý ion kim loại trong nước thải ở bể phản ứng bằng cách điều chỉnh độ pH bằng Na2CO3 hoặc HNO3 đến độ pH=10, và bổ sung vật liệu từ tính γ-PGM vào nước thải theo tỉ lệ 1g/lít, sau đó khuấy trộn với tốc độ 600 vòng/phút trong thời gian 20 phút để hấp thụ kim loại nặng lên vật liệu từ tính γ-PGM;

    d) Thu hồi vật liệu từ tính γ-PGM bằng cách cho nước thải chứa vật liệu từ tính γ-PGM chảy qua máng làm bằng inox có đặt nam châm ở phía dưới và phía trên đặt máng làm bằng nhựa dày 1mm dễ dàng tháo gỡ; và

     e) Tái sử dụng vật liệu từ tính γ-PGM bằng cách ngâm vật liệu từ tính γ-PGM thu hồi vào dung dịch axit HCl 0,1M theo tỉ lệ vật liệu từ tính γ-PGM/HCl 0,1M là 1/20 (g/ml) để thu hồi kim loại, sau khi loại bỏ dung dịch axit, thu được vật liệu từ tính γ-PGM để tái sử dụng.

TÓM TẮT

     Giải pháp hữu ích đề cập đến phương pháp xử lý nước thải nhiễm ion kim loại nặng bằng vật liệu từ tính phủ axit γ-poly glutamic (γ-PGM), trong đó ion kim loại nặng được hấp phụ bằng vật liệu từ tính γ-PGM và được giải hấp phụ, thu hồi ion kim loại bằng dung dịch HCl 0,1M. Vật liệu từ tính γ-PGM có thể được tái sử dụng mà không ảnh hưởng đến chất lượng hấp phụ ion kim loại nặng. Ngoài ra, giải pháp hữu ích còn đề cập đến hệ thống xử lý ion kim loại để sử dụng trong phương pháp theo giải pháp hữu ích. 

HÌNH 1

HÌNH 2

HÌNH 3

HÌNH 4