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

BÙI THỊLAN ANH

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội -2016


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

BÙI THỊLAN ANH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ
TỪ XƠ DỪA ĐỂ XỬ LÝ AMONI TRONG
NƢỚC THẢI BỆNH VIỆN
Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng
Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa hoc :c PGS.TS TRỊNH VĂN TUYÊN
TS. PHẠM THỊ THÚY


Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 02 tháng 01

năm 2016

Ngƣời 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
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii MỞ
ĐẦU.....................................................................................................................1 Chƣơng
1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................4
1.1 Tổng quan về tình hình ô nhiễm amoni trong nƣớc thải bệnh viện....................4 1.2
Giới thiệu về công nghệ xử lý nƣớc thải bệnh viện E - Hà Nội.........................6 1.3 Một
số phƣơng pháp xử lý amoni trong nƣớc thải ...........................................10
1.3.1 Phƣơng pháp Clo hóa ................................................................................10
1.3.2 Phƣơng pháp kiềm hóa và làm thoáng ......................................................11
1.3.3 Phƣơng pháp Ozon hóa với xúc tác Brommua..........................................12
1.3.4 Phƣơng pháp trao đổi ion ..........................................................................12
1.3.5 Phƣơng pháp sinh học ..............................................................................13
1.3.6 Phƣơng pháp hấp phụ ................................................................................14

Khảo sát tỷ lệ hơi nƣớc 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 ƣu cho quá trình hấp phụ amoni trong nƣớc 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 hƣởng của dung lƣợng hấp phụ đến quá trình xử lý amoni
trong nƣớc thải bệnh viện .....................................................................................59

iv


3.3.3 Ảnh hƣởng thời gian hấp phụ ....................................................................62
3.3.4 Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn: lỏng ...................................................................63
3.3.5 So sánh hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính gáo dừa ở thị trƣờng với than
cacbon hóa xơ dừa đã chế tạo ...............................................................................64
3.4 Đánh giá hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ chế tạo từ quá trình
cacbon hóa theo cột................................................................................................65
3.4.1 Hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ là 100% than cacbon hóa từ
xơ dừa ...................................................................................................................66
3.4.2 Hiệu quả hấp phụ amoni của vật liệu hấp phụ dạng viên..........................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................69 TÀI
LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................70 PHỤ
LỤC..................................................................................................................74



Tổng cacbon

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần và nguồn phát sinh nƣớc thải bệnh viện ..................................4
Bảng 1.2 Chất lƣợng nƣớc 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
thƣớc 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 đƣờng chuẩn xác định N-NH4+ theo phƣơng pháp Nessler..49
Bảng 3.1 Tỉ trọng của xơ dừa....................................................................................52
Bảng 3.2 Độ tro hóa của xơ dừa ...............................................................................52
Bảng 3.3 Hiệu suất thu hồi sản phẩm từ xơ dừa ở T=3000C, T= 400oC, T= 500oC.53
Bảng 3.4 Nồng độ NH4+ sau khi điều chỉnh pH........................................................57
Bảng 3.5 Các thông số xác định phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir .........60
Bảng 3.6 Các thông số xác định phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich........62

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ xử lý nƣớc thải bệnh viện E..............................................................7
Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ .....................................................................18

Hình 3.13 Đồ thị ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất xử lý amoni .....................63
Hình 3.14 Ảnh hƣởng của khối lƣợng than đến hiệu suất xử lý NH4+ .....................64
Hình 3.15 So sánh khả năng hấp phụ của than hoạt tính thị trƣờng .........................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


M Ở ĐẦU
Nƣớc thải bệnh viện là một trong những mối quan tâm, lo ngại sâu sắc của các
nhà quản lý môi trƣờng vì chúng có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng và nguy hiểm đến
đời sống con ngƣời.
Hiện nay, nƣớc thải từ một số bệnh viện, phòng khám đa khoa có chứa nhiều thành
phần ô nhiễm vƣợt tiêu chuẩn cho phép, gây ô nhiễm môi trƣờng [4]. Trong nƣớc thải
bệnh viện có một số thành phần giống nhƣ nƣớc thải sinh hoạt, chứa
lƣợng lớn các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ đặc trƣng bằng chỉ tiêu BOD5, các chất
dinh dƣỡng nito phốt pho, amoni (NH4+). Hàm lƣợng amoni sau khi xử lý sinh học
có nồng độ đặc thù từ 20-60 mg/l [16].Tuy nhiên ở một số bệnh viện hoặc phòng
khám đa khoa, cơ sở y tế do quá tải trong việc sử dụng khu vệ sinh nên hàm lƣợng
amoni trong nƣớc sẽ rất cao vƣợt quá quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quy chuẩn nƣớc
thải bệnh viện (QCVN 28: 2010/BTNMT) [4]. Vì là yếu tố gây độc nên việc xử lý
amoni trong nƣớc thải là đối tƣợng rất đáng quan tâm.
Hiện nay trên thế giới và Việt Nam đã và đang áp dụng nhiều biện pháp xử lý
amoni nhƣ: Clo hóa, màng lọc, làm thoáng, trao đổi ion, phƣơng pháp sinh học. Các
phƣơng pháp trên đều có ƣu, nhƣợc điểm và khả năng xử lý amoni khác nhau.
Một trong các phƣơng pháp xử lý amoni là hấp phụ và thƣờng đƣợc sử dụng ở
giai đoạn cuối cùng nhằm xử lý triệt để và đảm bảo tiêu chuẩn môi trƣờng. Phƣơng pháp
này có nhƣợc điểm là chi phí cao, vật liệu hấp phụ phải tái sử dụng để giảm chi phí.Vì

3. Thực nghiệm hấp phụ để xử lý amoni trong nƣớc thải bệnh viện sau khi đã qua hệ thống
xử lý sinh học bằng phƣơng pháp hấp phụ và nghiên cứu ảnh hƣởng của pH, tỷ lệ Rắn:
Lỏng, thời gian đến hiệu suất xử lý amoni trong nƣớc 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 lƣu lƣợng khác
nhau từ 0,5 l/h đến 1,5 l/h để khảo sát khả năng hấp phụ amoni trong nƣớc thải của vật
liệu.
 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
-

Nghiên cứu chế tạo than cacbon hóa từ phế liệu nông nghiệp (xơ dừa) tuy là
vật liệu không mới nhƣng chƣa đƣợc chú ý đến nhiều.

2


-

Sản phẩm than thành phẩm thu đƣợc có những đặc trƣng nhƣ xốp, có cấu
trúc mao quản và chất lƣợng phù hợp để xử lý nƣớc thải bệnh viện sau xử lý sinh
học hiếu khí.

-

Về mặt kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ở Việt
Nam, là một dạng vật liệu hấp phụ đặc biệt và giá thành hợp lý, phù hợp với
điều kiện kinh tế ở Việt Nam

 Phạm vi của đề tài:
Các thực nghiệm đƣợc tiến hành trong phòng thí nghiệm.

lai, cán bộ công nhân viên
trong bệnh viện

Các chất tẩy rửa
Các loại hóa chất

Muối của các axit béo bậc cao

Xƣởng giặt của bệnh viện

-

Formaldehyde

Sử dụng trong khoa giải

-

Các chất quang hóa học

phẫu bệnh, triệt khuẩn,

-

Các dung môi gồm các hợp ƣớp xác và dùng bảo quản
chất

halogen

nhƣ mẫu xét nghiệm ở một số

liên cầu, Virus đƣờng tiêu hóa, bệnh
virus bại liệt, nhiễm các loại ký
sinh trùng, amip và các loại nấm
(Nguồn: Bộ y tế và DTM Dự án xây dựng 2007) [16]

Các hợp chất chứa nito có thể tồn tại dƣới dạng hợp chất hữu cơ, nitrit, nitrat và
amoni. Amoni thực ra không quá độc với cơ thể con ngƣời. Nhƣng khi ra môi trƣờng
nếu hàm lƣợng amoni vẫn còn cao thì các vi sinh vật trong nƣớc nhờ oxi
không khí chuyển amoni thành cách nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), tích tụ trong nƣớc
mặt. Các hợp chất chứa nito trong nƣớc có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho
cơ thể ngƣời sử dụng nƣớc.Hàm lƣợng một số chỉ tiêu ô nhiễm trong nƣớc thải bệnh viện
các tỉnh phía Bắc đƣợc đƣa ra ở bảng dƣới đây cho thấy mức độ nguy hại của
nƣớc thải bệnh viện:
Bảng 1.2 Chất lượng nước thải một số bệnh viện khu vực phía Bắc
STT

Chỉ tiêu ô nhiễm

Đơn vị tính

Hàm lƣợng trung bình
Tổng

BV

tuyến BV

tuyến

tỉnh


mg/l

48,35

35,70

66,43

4

NH4+ (tính theo N)c mg/l

±22,44

±27,99

±29,44

5

NO3- (tính theo P)c

mg/l

±0,15

±0,32

±0,53


±81x104

±93 x104

±75 x104

-

a. Số liệu năm 2011
b.Số liệu năm 2012-2013, nƣớc thải sau xử lý
c. Số liệu năm 2010 -2013
(Nguồn: Viện Y học lao động và Vệ sinh môi trường, Kết quả quan trắc
môi trường bệnh viện 2010-2013) [5]
Theo Đào Ngọc Phong và các cộng sự 1998 [18] nghiên cứu về ô nhiễm môi
tƣờng và khả năng lây truyền do nƣớc thải bệnh viện gây ra ở Hà Nội cho thấy hiện tƣợng
tăng vƣợt trội ở các khu dân dƣ tiếp xúc với nƣớc thải bệnh viện nhất là bệnh đƣờng tiêu
hóa.
Với các đặc tính nguy hại của nƣớc thải bệnh viện cần có những hệ thống công
nghệ xử lý để loại bỏ hết các thành phần chất ô nhiễm đạt tiêu chuẩn QCVN
28:2010/BTNMT [4].

1.2 Giới thiệu về công nghệ xử lý nƣớc thải bệnh viện E - Hà Nội
Thiết bị xử lý nƣớc thải CN-2000 đƣợc thiết kế chế tạo theo dạng tháp sinh
học. Thiết bị CN-2000 có công suất 120 - 150m3/ngày đêm, đƣợc ứng dụng để xử lý các
nguồn nƣớc thải có ô nhiễm hữu cơ và Nitơ. Các thông số nƣớc 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:


xử
lý
nư
ớc
th
ải
bệ
nh
việ
n
E
[6
]
Theo sơ đồ hình vẽ
nƣớc thải đƣợc thu gom
từ các khoa, buồng bệnh,
các bể phốt trong bệnh
viện đến bể hợp khối gồm
các công đoạn ngăn thu
nƣớc thải có lắp đặt song
chắn rác để loại bỏ các
thành phần rác, ngăn điều
hòa, ngăn làm lắng sơ bộ,
bể hiếu khí và ngăn thu bùn.
Bể điều hòa làm
nhiệm vụ điều hòa lƣu


lƣợng và nồng


ổn định tạo

dạng

phẩm vi sinh

thành bông

thám thiết

nhằm tăng

cặn dễ lắng.

bị xử lý

nhanh quá trình

Tại bể này

có đệm vi

phân hủy sơ bộ

thực hiện

sinh đƣợc

các chất hữu cơ,


khí trong bể

90%., bề

sơ bộ nhờ hệ

đạt đƣợc

mặt riêng

thống sục khí.

do sử dụng

250-300

Phần nƣớc thải

hệ thống

m2/m3

sau khi đi qua

sục khí

[6]. Tại

hệ điều hòa


khuấy trộn

i

hiếu khí gồm 2

hoàn toàn

n

ngăn, tại đây

[6].

h

hàm lƣợng bùn

Sau

hoạt tính đƣợc

khi qua xử

duy trì lơ lửng

lý tại bể

để oxy hóa các


Sau đó nƣớc 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 đƣờng cấp hóa chất keo tụ nhằm tạo bông keo
tụ nâng cao hiệu suất lắng.
Phần nƣớc trong đƣợc qua bộ phận khử trùng bằng dung dịch NaOCl hoặc
Ca(OCl)2 nồng độ 3-5 mg (tính theo lƣợng Clo hoạt tính)/m3 nƣớc thải. Cuối cùng
nƣớc thải đƣợc xả ra ngoài cống. Phần bùn, cặn lắng ở ngăn lắng và từng ngăn xử lý
sinh học đƣợc máy bơm hồi lƣu một phần bùn hoạt hóa trở lại thiết bị sinh học để đảm
bảo đƣợc nồng độ xử lý còn phần bùn dƣ đƣợc bơm về máy nén bùn [6].
Nguyên lý hợp khối cho phép thực hiện kết hợp nhiều quá trình cơ bản xử lý
nƣớc thải đã biết trong không gian thiết bị của mỗi mô-đun để tăng hiệu quả và giảm
chi phí vận hành xử lý nƣớc thải. Thiết bị xử lý hợp khối cùng một lúc thực

8


hiện đồng thời quá trình xử lý bùn hoạt tính và bể lọc nhỏ giọt. Việc kết hợp đa
dạng này sẽ tạo mật độ màng vi sinh tối đa mà không gây tắc các lớp đệm, đồng thời
thực hiện oxy hóa mạnh và triệt để các chất hữu cơ trong nƣớc thải. Thiết bị hợp khối
còn áp dụng phƣơng pháp lắng có lớp bản mỏng (lamen) cho phép tăng bề mặt lắng và
rút ngắn thời gian lƣu.
Đi kèm với giải pháp công nghệ hợp khối này có các hóa chất phụ trợ gồm: chất
keo tụ PACN-95 và chế phẩm vi sinh DW-97-H giúp nâng cao hiệu suất xử lý, tăng công
suất thiết bị. Chế phẩm DW-97-H là tổ hợp của các vi sinh vật hữu hiệu (nấm sợi, nấm
men, xạ khuẩn và vi khuẩn), các enzym thủy phân ngoại bào (amilaz, cellulaz, proteaz)
các thành phần dinh dƣỡng và một số hoạt chất sinh học sẽ làm phân giải (thủy phân)
các chất hữu cơ từ trong bể phốt của bệnh viện nhanh hơn (tốc độ phân hủy tăng 7 - 9
lần và thủy phân nhanh các cao phân tử khó tan, khó tiêu thành các phân tử dễ tan, dễ
tiêu), giảm đƣợc sự quá tải của bể phốt, giảm kích thƣớc thiết bị, tiết kiệm chi phí chế
tạo và chi phí vận hành, cũng nhƣ diện tích mặt bằng cho hệ thống xử lý. Chất keo tụ

COD

mg/l

85

100

3

SS

mg/l

35

100

4

NH4+

mg/l

20-25

10

9


HClO + NHCl2 = H2O + NCl3 (Tricloramin)
Nếu Clo dƣ sẽ xảy ra phản ứng phân hủy các Cloramin

10


HClO + 2 NH2Cl = N2 + 3Cl- + H2O
Khử Clo dƣ trong nƣớc sau khi lọc bằng Natrisunfit (Na2SO3)
Na2SO3 + Cl2 + H2O -> 2HCl + Na2SO4
Khử Clo dƣ trong nƣớc sau khi lọc bằng Trionatrisunfit (Na2S2O3)
4Cl2 + Na2S2O3 +5H2O -> 2NaCl + 6HCl + 2H2SO4
Khi đó lƣợng Clo dƣ trong nƣớc sẽ giảm tới số lƣợng nhỏ nhất vì xảy ra phản
ứng phân hủy Cloramin. Khi amoni phản ứng gần hết, Clo dƣ sẽ phản ứng với các hợp
chất hữu cơ có trong nƣớc để hình thành nhiều hợp chất Clo có mùi đặc trƣng khó chịu.
Trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM- Trihalometan và HAA- Axit axetic
halogen đều là các chất có khả năng gây ung thƣ và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt.
Ngoài ra với lƣợng Clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở lên khó giải quyết đối với
các nhà máy lớn. Nhƣ vậy phƣơng pháp này tuy đơn giản về thiết bị và rẻ về kinh tế và
xây dựng nhƣng lại khó áp dụng [1].
1.3.2 Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng
Amoni tồn tại trong nƣớc dạng cân bằng:
NH4+ ↔ NH3 + H+ ; pKa = 9,5
Ở pH gần 7 chỉ có một lƣợng nhỏ khí NH3 so với ion amoni. Nếu ta nâng pH
tới 9.5 tỷ lệ NH3/NH4+= 1, càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành
NH3. Khi đó nếu áp dụng các kĩ thuật sục khí hoặc thổi khí thì NH3 sẽ bay hơi theo
định luật Henry là chuyển cân bằng về phía phải [1]:
NH4+ + OH- ↔H3 + H2O
Trong thực tế pH phải nâng lên xấp xỉ 10,5- 11 để biến 99% NH4+ thành khí NH3
hòa tan trong nƣớc.
Nâng pH của nƣớc thô: Năng lên bằng cách dùng vôi hoặc xút. Sau bề lọc pha

và giải phóng vào dung dịch một lƣợng tƣơng đƣơng 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

12


cơ phức tạp có thể là COOH-, Cl-… Phản ứng trao đổi cation giữa chất trao đổi và
cation có trong dung dịch [1].
R-H(Na) + NH4+ = R-NH4 + H+(Na)
2R-H + Ca2+ = R2Ca + 2H+
Chất trao đổi ion có thể có sẵn trong tự nhiên nhƣ các loại khoáng sét trong đó
quan trọng nhất là Zeolit, các loại sợi…cũng có thể là chất vô cơ tổng hợp hoặc hữu cơ. Trong
thực tế nhựa trao đổi ion đƣợc sản xuất và ứng dụng rộng rãi nhất [1].

1.3.5 Phương pháp sinh học
Phƣơng pháp sinh học gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat
a. Quá trình nitrat hóa:
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học:
NH4+ + 1,3O2 → NO2- + 2H+ + H2O
NO2- + 0,5O2 → NO3Phƣơng trình tổng NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O(1)
Nhƣ vậy 1 mol NH4+ tiêu thụ 2 mol O2 hay 1gN_NH4+ tiêu thụ 4,57g O2, 1
mol NH4+tạo thành 1 mol NO3- , 1 mol NH4+ tạo thành 2 mol H+. Lƣợng tạo ra phản
ứng với độ kiềm HCO3- nhƣ vậy 1gN_NH4+ tiêu thụ 7,14g độ kiềm. Các
phƣơng trình trên không tính đến quá trình sinh tổng hợp sinh khối (vi khuẩn). Ta
có:
1,02NH4+ + 1,82O2 + 2,02HCO3-→ 0,021C5H7O2N + NO3- + 1,92 H2CO3 + 1,06
H2O
Nhƣ vậy 1g N-NH4+ tiêu thụ 4,3g O2, 1g N-NH4+ tiêu thụ 7,2g độ kiềm (quy về
CaCO3). Để thiết kế ngƣời ta hay dùng các con số suy ra từ phƣơng trình.