ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

T

N N

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ
TỪ XƠ DỪA ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG
NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN

LUẬN VĂN T ẠC SĨ K O

Hà Nội –2016

ỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

T

N N

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ
TỪ XƠ DỪ ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG
NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN
Chuyên ngành: Khoa học môi trường

PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên - Viện Công nghệ môi trường - Viện hàn lâm khoa học
và công nghệ Việt Nam; TS. Phạm Thị Thúy – Khoa môi trường – Trường đại học
khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành rất nhiều thời gian và tâm
huyết hướng dẫn em nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin cảm ơn các thầy cô Bộ môn Công nghệ - Khoa môi trường – Trường
đại học Khoa học tự nhiên đã giúp đỡ, tạo điều kiện, tận tình dạy bảo và truyền đạt
những kiến thức quý báu cho em suốt quá trình học tập và giúp em hoàn thiện luận
văn này.
Em xin cảm ơn các anh chị trong Viện Công nghệ môi trường – Viện hàn lâm
khoa học và công nghệ Việt Nam đã tận tình dạy bảo, trang bị kiến thức giúp em
hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình bạn bè, người thân đã động viên tạo điều kiện
cho em hoàn thành tốt luận văn này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 02 tháng 01

năm 2016

Người thực hiện luận văn

Bùi Thị Lan Anh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................vi

2.2 Dụng cụ thí nghiệm ...........................................................................................36
2.3 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................37
2.3.1 Phương pháp tài liệu ..................................................................................37
2.3.2.Phương pháp thực nghiệm .........................................................................37
2.3.2.1 Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa xơ dừa....................................37
2.3.2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ than cacbon hóa xơ dừa
dạng viên .........................................................................................................43
2.3.2.3 Thực nghiệm hấp phụ dạng tĩnh ........................................................43
2.3.2.4 Thực nghiệm hấp phụ dạng cột ...........................................................46
2.3.3 Phương pháp phân tích ..............................................................................47
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 50
3.1 Đánh giá quá trình thực nghiệm cacbon hóa ....................................................50
3.1.1 Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ của buồng cacbon hóa................................50
3.1.2 Khảo sát tỷ lệ hơi nước trong vật liệu thí nghiệm .....................................51
3.1.3 Khảo sát tỷ trọng đổ đống của vật liệu xơ dừa ..........................................52
3.1.4 Khảo sát độ tro hóa của xơ dừa .................................................................52
3.1.5 Khảo sát hiệu suất thu hồi sản phẩm của vật liệu khi tiến hành cacbon hóa
...............................................................................................................................53
3.2 Khảo sát lựa chọn loại than tối ưu cho quá trình hấp phụ amoni trong nước thải
bệnh viện ................................................................................................................55
3.3 Đánh giá hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ qua quá trình hấp phụ
tĩnh .........................................................................................................................57
3.3.1 Đánh giá hiệu quả hấp phụ amoni của than cacbon hóa qua sự thay đổi của
các dải pH .............................................................................................................57
3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của dung lượng hấp phụ đến quá trình xử lý amoni
trong nước thải bệnh viện .....................................................................................59

iv



NH4+

Amoni

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TOC

Tổng cacbon

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần và nguồn phát sinh nước thải bệnh viện .................................. 4
Bảng 1.2 Chất lượng nước thải một số bệnh viện khu vực phía Bắc.......................... 5
Bảng 1.3 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu ô nhiễm tại bệnh viện E ......................... 9
Bảng 1.4 Hiệu suất thu hồi sản phẩm cacbon từ chất thải rắn nông nghiệp ……....30
Bảng 1.5 TOC của than carbon hóa từ các vật liệu khác nhau ................................. 33
Bảng 1.6 Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa ....................... 35
trên các vật liệu khác nhau ........................................................................................ 35
Bảng 2.1 Danh mục các thiết bị cần thiết cho quá trình nghiên cứu ........................ 36
Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu ..................................... 36
Bảng 2.3 Hóa chất lập đường chuẩn xác định N-NH4+ theo phương pháp Nessler.. 49

Hình 3.6 Xơ dừa sau khi nung ở nhiệt độ T = 5000C ............................................... 55
Hình 3.7 Đồ thị dung lượng hấp phụ amoni của các loại than cacbon hóa đã chế tạo
ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau ....................................................................... 56
Hình 3.8 Kích thước mao quản của than cacbon hóa xơ dừa ................................... 57
ở T= 500oC, t= 30 phút ............................................................................................. 57
Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NH4+ ............................................ 58
Hình 3.10 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ ban amoni đến hiệu suất xử lý................ 59
Hình 3.11Đường đẳng nhiệt Langmuir ..................................................................... 61

viii


Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt Freundlich .................................................................. 62
Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý amoni ..................... 63
Hình 3.14 Ảnh hưởng của khối lượng than đến hiệu suất xử lý NH4+ ..................... 64
Hình 3.15 So sánh khả năng hấp phụ của than hoạt tính thị trường ......................... 65
và than cacbon chế tạo .............................................................................................. 65
Hình 3.16 Khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ ở mô hình dạng cột ................... 66
Hình 3.17 Khả năng hấp phụ của vật liệu dạng viên ................................................ 67

ix


MỞ ĐẦU
Nước thải bệnh viện là một trong những mối quan tâm, lo ngại sâu sắc của các
nhà quản lý môi trường vì chúng có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng và nguy hiểm
đến đời sống con người.
Hiện nay, nước thải từ một số bệnh viện, phòng khám đa khoa có chứa nhiều
thành phần ô nhiễm vượt tiêu chuẩn cho phép, gây ô nhiễm môi trường [4]. Trong
nước thải bệnh viện có một số thành phần giống như nước thải sinh hoạt, chứa

vật liệu hấp phụ từ xơ ừ để xử lý m

tr

c thải bệnh việ ”.

 Mụ t êu đề tài:
Luận văn được thực hiện nhằm chế tạo ra vật liệu hấp phụ từ xơ dừa bằng
phương pháp cacbon hóa. Sau đó sử dụng vật liệu hấp phụ đã chế tạo để xử lý
amoni trong nước thải bệnh viện đã qua xử lý sinh học.
 Nội dung nghiên cứu
Luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau:
1. Tổng quan về nước thải bệnh viện và các phương pháp xử lý amoni trong nước
thải, giới thiệu về phương pháp hấp phụ sử dụng than cacbon hóa.
2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa bằng phương pháp cacbon hóa.
Tiến hành nghiên cứu chế tạo ở các nhiệt độ các khác nhau 300oC, 400oC, 500oC và
các khoảng thời gian khác nhau từ 10 phút đến 60 phút, xác định các tính chất của
vật liệu, khảo sát dung lượng hấp phụ amoni, độ tro, chụp ảnh SEM, cấu trúc kích
thước mao quản.
3. Thực nghiệm hấp phụ để xử lý amoni trong nước thải bệnh viện sau khi đã qua hệ
thống xử lý sinh học bằng phương pháp hấp phụ và nghiên cứu ảnh hưởng của pH,
tỷ lệ Rắn: Lỏng, thời gian đến hiệu suất xử lý amoni trong nước thải và lựa chọn
loại than cacbon hóa cho quá trình xử lý.
- Tiến hành thực nghiệm trên quy mô dạng cột lọc liên tục với các dải lưu lượng
khác nhau từ 0,5 l/h đến 1,5 l/h để khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nước
thải của vật liệu.
 Ý
-

ĩ


ơ

1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm m

tr

c thải bệnh viện

Nước thải bệnh viện là dung dịch thải từ các cơ sở khám, chữa bệnh. Nguồn tiếp
nhận nước thải là: nước mặt, vùng nước biển ven bờ, hệ thống thoát nước, nơi mà
nước thải y tế thải vào. Nước thải y tế chứa vô số loại vi trùng, virus và các mầm
bệnh sinh học khác trong máu, mủ, dịch, đờm, phân của người bệnh, các loại hóa
chất độc hại từ cơ thể, chế phẩm điều trị, chất phóng xạ [16]. Ngoài ra còn có các
chất bẩn khoáng, hữu cơ đặc thù như chế phẩm thuốc, chất khử trùng, các dung môi
hóa học, dư lượng thuốc kháng sinh, các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong quá
trình chuẩn đoán và điều trị bệnh. Thành phần và nguồn gốc phát sinh nước thải
bệnh viện được thể hiện ở bảng 1.1:
Bảng 1.1 Thành phần và nguồn phát sinh nước thải bệnh viện
Nhóm

Thành phần

Nguồn phát sinh

Các chất ô nhiễm Cacbonhydrat, protein, chất béo, Nước thải sinh hoạt của
hữu cơ, các chất nguồn gốc động vật và thực vật, bệnh nhân, người nhà
vô cơ


halogen

như mẫu xét nghiệm ở một số

Cloroform, các thuốc mê khoa.
sốc hơi như halothan, các Có trong dung dịch dùng
hợp chất khác như xylem, cố định và tráng phim
axeton
-

Sử dụng trong quá trình

Các chất hóa học hỗn hợp điều trị và chuẩn đoán

4


gồm các dịch làm sạch và bệnh.
khử khuẩn
-

Thuốc sử dụng cho bệnh
nhân

Các loại vi khuẩn Vi khuẩn Salmonalla, Shigella, Có trong máu, dịch đơm,
virut,

kí



tuyến

tỉnh

trung ương

1

pHc

mg/l

±7,16

±7,02

±6,81

2

CODc

mg/l

±148,79

±134,81

±142,42


±0,32

±0,53

6

PO43- (tính theo P)c

mg/l

±6,57

±6,7

±8,37

5


7

Dầu mỡ động thực Mg/l

±2,62

±2084

±2,35


học. Thiết bị CN-2000 có công suất 120 - 150m3/ngày đêm, được ứng dụng để xử lý
các nguồn nước thải có ô nhiễm hữu cơ và Nitơ. Các thông số nước thải đầu vào:
COD từ 250-300mg/l, BOD từ 100-250 mg/l, nồng độ các độc tố có hại cho các quá
trình xử lý bằng vi sinh đạt mức cho phép [6].
Nguyên lý hoạt động:

6


Thu gom nước
thải

Song chắn rác

Bể khử trùng

Bể lắng đợt 2

Bể điều hòa

Bể lắng
đợt 1

Bể hiếu khí

Bể nén bùn

Ra cống thành
phố, ao hồ


Lọc vi sinh dòng xuôi có lớp đệm vi sinh ngập nước
Thời gian lưu của nước thải trong thiết bị hợp khối là 2-2,5 giờ. Khi nước thải

tưới qua lớp vật liệu lọc bằng các phần tử rắn xốp, các vi khuẩn sẽ được hấp phụ,
sinh sống và phát triển trên bề mặt đó. Vi khuẩn dính bám vào vật rắn nhờ chất
galatin do chúng tiết ra và có thể di chuyển dễ dàng trong lớp chất nhày này. Đầu
tiên vi khuẩn phát triển tập trung ở một khu vực sau đó chúng phát triển lan dần và
phủ kín bề mặt vật liệu lọc. Các chất dinh dưỡng như muối khoáng, hợp chất hữu cơ
và oxy có trong nước thải khuếch tán qua màng sinh vật và có thể vào tận lớp
Xenlulose đã tích lũy phía trong cùng. Sau một thời gian, màng sinh vật được hình
thành và chia thành 2 lớp: Lớp ngoài cùng là lớp hiếu khí, được oxy hóa khuếch tán
xâm nhập vào, lớp trong là lớp thiếu oxy. Thành phần sinh vật chủ yếu của màng vi
sinh vật là vi khuản, ngoài ra còn có các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn. Sau
một thời gian hoạt động màng sinh vạt dày lên, các chất khí tích tụ phía trong tăng
lên và màng bị tách ra khỏi vật liệu lọc. Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước tăng lên.
Sự hình thành các lớp màng sinh vật mới lại tiếp diễn [6].
Sau đó nước thải cùng bùn hoạt hóa chuyển qua bể lắng đợt 2 (lắng lamen) để
tách khỏi bùn hoạt hóa và cặn hữu cơ khác. Tại bể lắng lamen có xếp đệm làm tăng
bề mặt tiếp xúc, tăng khả năng va chạm. Bể này có đường cấp hóa chất keo tụ nhằm
tạo bông keo tụ nâng cao hiệu suất lắng.
Phần nước trong được qua bộ phận khử trùng bằng dung dịch NaOCl hoặc
Ca(OCl)2 nồng độ 3-5 mg (tính theo lượng Clo hoạt tính)/m3 nước thải. Cuối cùng
nước thải được xả ra ngoài cống. Phần bùn, cặn lắng ở ngăn lắng và từng ngăn xử lý
sinh học được máy bơm hồi lưu một phần bùn hoạt hóa trở lại thiết bị sinh học để
đảm bảo được nồng độ xử lý còn phần bùn dư được bơm về máy nén bùn [6].
Nguyên lý hợp khối cho phép thực hiện kết hợp nhiều quá trình cơ bản xử lý
nước thải đã biết trong không gian thiết bị của mỗi mô-đun để tăng hiệu quả và
giảm chi phí vận hành xử lý nước thải. Thiết bị xử lý hợp khối cùng một lúc thực

8

Nồ

độ

QCVN
(mức B)

1

pH

-

7-8

6,5-8,5

2

COD

mg/l

85

100

3

SS

p áp xử lý m

tr

c thải

Trong nước thải Amoni là thành phần khá phổ biến. Các dòng thải chứa Nito
có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độ oxi trong
nước, hiện tượng phú dưỡng, ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ Clo. Vì vậy cần phải
loại bỏ Nito trong nước thải là cần thiết. Quá trình loại bỏ các hợp chất nito chủ yếu
là sinh học hay các quá trình kết hợp giữa hóa lý và vật lý [36].
Có rất nhiều phương pháp xử lý amoni trong nước cấp và nước thải đã được
các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng: làm thoáng để khử NH3, ở
môi trường pH cao (pH= 10-11); clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến trên
đường cong hấp thụ clo trong nước, tạo cloramin trao đổi ion NH4+ và NO3- bằng
các vật liệu trao đổi cation/anion như Klynoptilolyle hay Sepiolite; Nitrat hóa bằng
các phương pháp sinh học; nitrat hóa kết hợp khử nitrat; công nghệ anammox;
phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều [1].
1.3.1 Phương pháp Clo hóa
Clo là chất oxi hóa mạng có khả năng oxi hóa amoni/ammoniac ở nhiệt độ
phòng thành N2. Khi hòa tan Clo trong nước tùy theo pH của nước mà có thể nằm
dạng HClO hay ion ClO- do có phản ứng theo phương trình:
Cl2 + H2O → HCl + HClO (pH H+ + ClO- (pH > 8)
Khi trong nước có NH4+sẽ xảy ra các phản ứng sau:
HClO + NH3 = H2O + NH2Cl (monocloramin)
HClO + NH2Cl = H2O + NHCl2 (Dicloramin)
HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin)
Nếu Clo dư sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các Cloramin



11


1.3.3 Phương pháp Ozon hóa với xúc tác Brommua
Xử lý NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống như
phương pháp xử lý dùng Clo [1]. Dưới tác dụng của O3thì Br- bị oxi hóa thành BrOtheo phản ứng:
Br- + O3 + H+ = HBrO + O2
Phản ứng oxy hóa NH4+ được thực hiện bởi ion BrO- giống như của ion ClONH3 + HBrO = NH2Br + H2O
NH2Br + HBrO = NHBr2 + H2O
NH2Br + NHBr2 = N2 + 3Br- + H+
1.3.4 Phương pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là một quá trình hóa lý thuận nghịch trong đó xảy ra phản ứng
trao đổi giữa các ion trong dung dịch điện ly với các ion trên bờ mặt hoặc bên trong
của pha răn tiếp xúc với nó. Quá trình trao đổi ion tuân theo định luật bảo toàn điện
tích, phương trình trao đổi ion được mô tả như sau [1]:
AX + B- ↔ AB + XCY + D+ ↔ CD +Y+
Trong đó AX là chất trao đổi anion, CY là chất trao đổi cation
Phản ứng trao đổi là phản ứng thuận nghịch, chiều thuận là chiều trao đổi,
chiều nghịch được gọi là chiều phản ứng tái sinh. Mức độ trao đổi ion phụ thuộc
vào:
- Kích thước hóa trị của ion.
- Nồng độ ion có trong dung dịch.
- Bản chất của chất trao đổi ion.
- Nhiệt độ.
Nhựa trao đổi ion dạng rắn được dùng để thu những ion nhất định trong dung
dịch và giải phóng vào dung dịch một lượng tương đương các ion khác có cùng dấu
điện tích. Nhựa trao đổi cation là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có chứa các
nhóm chức có khả năng trao đổi với công thức chung là RX. Trong đó, R là gốc hữu



13


Quá trình khử nitrat hóa là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp nhau:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất chúng có thể là chất hữu cơ phổ biến là
axit axetic, H2 và S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho điện tử, chất cho
điện tử bị oxi hóa, đồng thời NO3- nhận điện tử và khử về N2
Vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat bao gồm: Bacilus, Pseudoomnas,
Methanomanas, Paracocas, Spiritum, Thiobacilus....[35]
Đây là phương pháp xử lý amoni được nhiều nhà khoa học trong và ngoài
nước quan tâm và cũng có kết quả khả quan.
1.3.6 Phương pháp hấp phụ.
Hấp phụ là phương pháp tách các chất, trong đó các cấu tử hỗn hợp lỏng, hoặc
khí hấp phụ trên bề mặt xốp, rắn. Chất hấp phụ là những vật rắn có chứa các mao
quản. Chất bị hấp phụ là chất nằm trong pha lỏng hoặc pha khí. Khi quá trình hấp
phụ xảy ra tức là có dòng pha lỏng hoặc dòng pha khí chuyển động và tiếp xúc với
chất hấp phụ. Hấp phụ là quá trình chuyển động của các chất bị hấp phụ vào các
ống mao quản và trên bề mặt của chất rắn xốp. Quá trình ngược lại được gọi là quá
trình nhả hấp [9].
 Hấp phụ vật lý
Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân(nguyên tử, phân tử,
các ion, …) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van der waals yếu. Nói một
cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học(không hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị
ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân
tử yếu (lực Van der waals) và liên kết hydro. Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận
nghịch. Nhiệt hấp phụ không lớn [13].
 Hấp phụ hóa học