ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRẦN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ CHỨA TNT, NH4NO3 VÀ ĐỀ
XUẤT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
TẠI NHÀ MÁY Z115

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

THÁI NGUYÊN - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRẦN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ CHỨA TNT, NH4NO3 VÀ ĐỀ
XUẤT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
TẠI NHÀ MÁY Z115
Ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Mã số ngành: 8440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. TRẦN VĂN ĐIỀN


ii
LỜI CẢM ƠN
Qua hơn 2 năm học tập và rèn luyện tại trường Trường Đại học Nông lâm,
được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô, đặc biệt là quý thầy cô
Khoa môi trường đã truyền đạt cho em những kiến thức về lý thuyết và thực
hành trong suốt thời gian học ở trường. Và trong thời gian thực tập tại Công Ty
TNHH MTV Điện cơ hóa chất 15 (Z115) - Bộ Quốc phòng, nơi mà em đã công
tác 13 năm qua, em đã có cơ hội áp dụng những kiến thức học ở trường vào thực
tế ở Công ty, đồng thời học hỏi được nhiều kinh nghiệm thực tế trong quá trình
công tác đặc biệt là vấn đề về không ngừng cải tiến công nghệ, nâng cao chất
lượng môi trường làm việc cho người lao động, xử lý chất thải. Cùng với sự nổ
lực của bản thân, em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cám ơn:
Quý thầy cô Khoa Môi trường - Trường Đại Học Nông lâm - Đại học Thái
Nguyên đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong thời gian qua. Đặc
biệt, là thầy giáo PGS.TS. Trần Văn Điền đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành
tốt báo cáo tốt nghiệp này.
Ban Giám đốc Công Ty TNHH MTV Điện cơ hóa chất 15 (Z115) - Bộ
Quốc phòng, nơi em công tác.
Các đồng nghiệp, bạn bè đang công tác tại Viện hóa học vật liệu Viện
KHCN Quân sự, đồng chí Vũ Duy Nhàn - Trưởng Phòng hóa sinh của Viện.
Do kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong cách
hiểu, lỗi trình bày. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô
và Ban lãnh đạo nhà trường, các anh chị trong Công ty để báo cáo tốt nghiệp đạt
được kết quả tốt hơn./.
Thái Nguyên, ngày

tháng


2.1.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................ 32
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 32
2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ................................................................ 32
2.3 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 32
2.4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu ........................................... 33
2.4.1. Phương pháp luận ...................................................................................... 33
2.4.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 33


iv
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................ 35
3.1. Hiện trạng sử dụng TNT, NH4NO3 ở Nhà máy Z115.................................. 35
3.1.1. Hiện trạng TNT và NH4NO3 tại Nhà máy Z115....................................... 35
3.1.2. Công nghệ sản xuất tại Nhà máy Z115 có phát sinh nước thải chứa
TNT và NH4NO3 ................................................................................................. 35
3.2. Công nghệ xử lý nước thải có chứa TNT và NH4NO3 tại Nhà máy Z115 ............ 38
3.3. Đánh giá hiệu quả của các công nghệ xử lý nước thải có chứa TNT và
NH4NO3 ............................................................................................................... 40
3.3.1. Thải lượng nước thải có chứa TNT và NH4NO3 tại Nhà máy Z115 .............. 40
3.3.2. Nước thải trước và sau khi xử lý tại hệ thống hiện có .............................. 40
3.3.3. Đánh giá thực trạng về xử lý nước thải tại Nhà máy Z115....................... 41
3.3.4. Đánh giá các phương pháp xử lý nước thải chứa TNT ............................. 44
3.3.5. Đánh giá các phương pháp xử lý nước thải chứa NH4NO3 ...................... 45
3.4. Đánh giá ưu nhược của công nghệ xử lý hiện tại, đề xuất các giải pháp
nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có chứa TNT và NH4NO3 tại Nhà máy
Z115..................................................................................................................... 45
3.4.1. Đánh giá ưu nhược của công nghệ đang áp dụng ..................................... 45
3.4.2. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có chứa
TNT và NH4NO3 tại Nhà máy Z115 ................................................................... 46
3.5. Thiết kế hệ thống xử lý hoàn chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế đồng

các chất thải.

Anaerobic
Anamox

Ammnium Quá trình mà trong đó amoni

Oxidation

được oxy hóa trực tiếp thành khí
nito

BOD

Biochemical oxygen Demand

COD

Chemical oxygen Demand

Lượng Oxy cần thiết để vi sinh
vật oxy hóa các chất hứu cơ
Là lượng oxy cần thiết để oxy
hóa tổng chất vô cơ và hữu cơ
Thời gian lưu (HRT của một bể

HRT

Hydraulic retention time


thời gian nhất định

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

QTCN

Quy trình công nghệ
Single Reactor High Activity Quá trình phản ứng độc lập với

SHARON

Ammonia Removal Over
Nitrit

TCQS
TCVN/QS

dòng chảy liên tục loại bỏ
Amoni thành nitrit

Tiêu chuẩn quân sự
Tiêu chuẩn Việt Nam dùng
cho quân sự

TNT

2,4,6 trinitrololuen


Hình 1.2: TNT và các hợp chất trung gian của TNT .......................................... 10
Sơ đồ 1.3: Sơ đồ nguyên lý SHARON................................................................ 22
Sơ đồ 1.4: Sơ đồ nguyên lý ANAMOX .............................................................. 23
Sơ đồ 2.1: Công nghệ sản xuất thuốc nổ công nghiệp có sử dụng đồng thời
TNT và NH4NO3 điển hình tại Nhà máy Z115 ................................. 35
Sơ đồ 2.2: Công nghệ sản xuất thuốc nổ công nghiệp có sử dụng TNT điển
hình tại Nhà máy Z115 ...................................................................... 36
Sơ đồ 2.3: Xử lý nước thải hiện có tại Nhà máy Z115 ....................................... 39
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ công nghệ AAO ....................................................................... 47
Sơ đồ 3.2: Sơ đồ quá trình phân hủy TNT trong điều kiện kỵ khí ..................... 50
Sơ đồ 3.3: Sơ đồ quá trình phân hủy TNT trong điều kiện hiếu khí................... 51
Sơ đồ 3.4: Sơ đồ quá trình phân hủy TNT bởi nấm mục trắng........................... 52
Sơ đồ 3.5: Sơ đồ nguyên lý ANAMOX .............................................................. 54
Sơ đồ 3.6: Sơ đồ xử lý mô hình thực nghiệm ..................................................... 56
Hình 3.7: Mô hình phòng thí nghiệm .................................................................. 56
Biểu đồ 3.8: Biểu đồ Uvis biến đổi chất tại bể kị khí ......................................... 57
Biểu đồ 3.9: Biểu đồ Uvis biến đổi chất tại bể thiếu khí .................................... 57
Biểu đồ 3.10: Biểu đồ Uvis biến đổi chất tại bể hiếu khí ................................... 58
Biểu đồ 3.11: Biểu đồ hiệu quả xử lý COD ........................................................ 58
Biểu đồ 3.12: Biểu đồ hiệu quả xử lý NH4+ ........................................................ 59
Biểu đồ 3.13: Biểu đồ hiệu quả xử lý TNT ......................................................... 59
Bảng 3.10: Chi phí xây dựng hệ thống mới ........................................................ 61
Bảng 3.11: Khái toán chi phí xử lý nước thải bằng công nghệ AAO-MBBR .... 62


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ô nhiễm môi trường do chất thải của nhà máy gia công, sản xuất thuốc


giới (1965), rồi chuyển đổi thành Nhà máy V115 và Nhà máy Z115 - Tổng cục
CNQP ngày nay.
Các phương pháp hóa học thường sử dụng để xử lý nước thải chứa TNT,
NH4NO3 là: phương pháp oxy hóa khử hóa học, điện hóa, oxy hóa bằng O3, O3UV, Fenton, keo tụ, tách chiết…Các phương này có nhược điểm khó áp dụng
đối với các loại nước thải có chất thải nồng độ cao, đòi hỏi thiết bị máy móc
phức tạp, chi phí xây dựng lớn, khó áp dụng quy mô lớn và thường gây ô nhiễm
thứ cấp.
Phương pháp vật lý thường sử dụng than hoạt tính dạng bột hoặc dạng hạt
để hấp phụ. Phương pháp này có ưu điểm hiệu quả xử lý cao, triệt để tuy nhiên
giá thành xử lý khá cao, mặt khác than hoạt tính sau khi xử lý sẽ gây ô nhiễm
thứ cấp. Thứ hai, phương pháp này không xử lý được nước thải có chứa đồng
thời cả TNT và NH4NO3 mà phải nhờ đến ao, đầm lầy sinh thái để dùng thảm
thực vật tự nhiên để xử lý NH4NO3.
Nhà máy Z115 đang sử dụng phương pháp vật lý này, hệ thống xử lý này
được Viện Công nghệ mới - Viện Khoa học Quân sự chuyển giao công nghệ từ
năm 2007. Quá trình xử lý nước thải đạt yêu cầu theo quy định của Quy chuẩn
quốc gia hiện hành, tuy nhiên công nghệ xử lý này đã lạc hậu, biểu hiện qua quá
trình vận hành xử lý thực tế đã và đang gặp nhiều vấn đề khó khăn như: giá
thành xử lý cao, nhiều công đoạn xử lý phải kết hợp cả việc thiêu đốt, quản lý để
xử lý một cách triệt để rất khó khăn. Rõ ràng khi mà lượng nước thải tăng theo
sản lượng thì việc xử lý nhờ vào thảm thực vật sẽ gặp nhiều khó khăn và không
đáp ứng được nhu cầu. Nhà máy Z115 nói riêng và các nhà máy sản xuất hóa nổ
nói chung đang có nhu cầu tìm một công nghệ xử lý nước thải có chứa TNT mới
hơn đồng thời xử lý được cả thành phần Amoni nitrat trong nước thải.
Xuất phát từ thực tế trên tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử
dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải có TNT, NH4NO3 và đề xuất hệ
thống xử lý nước thải tại Nhà máy”.



Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tìm hiểu về TNT, NH4NO3
1.1.1. Tính chất hóa lý, đặc trưng và vai trò quan trọng của TNT, NH4NO3
đối với khoa học quân sự và nhu cầu dân sinh [18]:
1.1.1.1. TNT (trinitrôtôluen)
Công thức cấu tạo:
CH3
NO2

NO2

NO2
Hình 1.1: Công thức cấu tạo phân tử TNT
Danh pháp hoá học là trinitrôtôluen và có tên kỹ thuật là trôtil được kí hiệu
là T hoặc TNT. TNT có nhiều đồng phân nhưng trong thực tế chỉ có dạng đồng
phân α được sử dụng làm thuốc nổ.
TNT được tìm ra từ năm 1863 nhưng mãi đến đầu thế kỉ XIX mới được đưa
vào sử dụng. Hiện nay nó là thuốc nổ được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực
quân sự.
a. Tính chất lý học:
- TNT là chất kết tinh màu vàng, khối lượng riêng bằng 1,66 g/cm3. Mật
độ đong khoảng (0,9 - 1,0) g/cm3. TNT tương đối dễ nén, mật độ nén có thể đạt
(1,61÷ 1,62) g/cm3 còn mật độ đúc chỉ khoảng (1,51 ÷ 1,59) g/cm3 .
Nhiệt độ nóng chảy của TNT nguyên chất là 80,85oC của TNT kỹ thuật
khoảng (79 ÷ 80,2) 0C. Khi nóng chảy không phân huỷ, vì vậy có thể chế tạo các
khối thuốc nổ TNT bằng phương pháp đúc.


5



6

- Đối với các kim loại: TNT là một chất trung tính nên không tác dụng với
kim loại (trừ các kim loại kiềm). Các kim loại kiềm có tác dụng với TNT tạo
thành chất nhạy nổ (thực ra là tác dụng với kiềm, vì kim loại kiềm khi phản ứng
với nước (ẩm) tạo thành kiềm).
TNT bị phân tích dưới ánh sáng mặt trời, trong trường hợp này lớp bề mặt
cuả nó chuyển thành màu xám do phản ứng quang hoá. Lớp bề mặt màu xám
này ngăn không cho ánh sáng tiếp tục tác dụng vào các lớp bên trong. Khi TNT
đã bị biến màu thì độ nhạy tăng lên, rất dễ xảy ra nguy hiểm khi va chạm mạnh
vì vậy trong bảo quản TNT cấm phơi nắng.
- Độ an định hoá học của TNT rất cao, trong điều kiện thường có thể bảo
quản được rất lâu. Đun nóng TNT ở 130OC nhưng tính chất nổ cháy chỉ thay đổi
rất ít (không đáng kể). TNT chỉ bị phân huỷ rõ rệt ở 150oC.
c. Đặc trưng năng lượng nổ của TNT:
- Độ nhạy: TNT là chất nổ có độ nhạy tương đối thấp đối với tất cả các
dạng xung lượng kích thích, cụ thể là:
+ Đối với va đập: Độ nhạy với va đập của TNT thấp nhất trong các loại
thuốc nổ đơn thường dùng hịên nay, khi thử trên búa rơi thẳng đứng, khối lượng
búa 10kg rơi ở độ cao 25 cm thì tỷ lệ nổ chỉ khoảng 4-8 %
+ Đối với đâm chọc: Độ nhạy của TNT rất thấp, dưới tác dụng xuyên của
đạn súng hoặc các mảnh văng của bom đạn đều không gây nổ được TNT.
Cần chú ý rằng độ nhạy với va đập, đâm chọc của TNT tăng lên khi trong
thành phần có lẫn các tạp chất rắn. Ví dụ: Khi cho vào TNT 0,25% bột cát thì
độ nhạy với va đập, đâm chọc tăng lên 4-5 lần.
+ Đối với tia lửa: Độ nhạy của TNT tương đối thấp, rất khó mồi cháy
TNT bằng ngọn lửa thường, nếu đốt TNT bằng ngọn lửa mạnh, nó sẽ cháy tạo ra
nhiều khói màu đen, nếu đốt với lượng ít thì TNT chỉ cháy rất chậm, có thể dập


D: 7000 m/s (ρ =1.61 g/cm3)

2

Nhiệt lượng nổ

QV:1010 kcal/kg

3

Thể tích sản phẩm khí

W0:730 lít/kg

4

Nhiệt độ nổ

T: 35000 K

5

Độ giãn bom chì ∆W

285 ml

6

Độ nén trụ chì ∆H

để chế tạo thuốc nổ hỗn hợp nhồi vào một số loại đạn có sức công phá lớn.
Vì vậy thuốc nổ TNT đến hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong
quân sự tại các nước trên toàn thế giới.
Bảng 1.2: Các loại thuốc nổ sử dụng nguyên liệu TNT
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Loại thuốc nổ
Amatex
Ammonal
Anatols
Baratol
Comosition B
Cyclotol
HTA-3
Minol
Octol
Penolite

theo bảng sau:
Bảng 1.3: Liều gây chết thấp nhất của TNT
Động vật

Liều lượng

thử nghiệm

Đường tiếp nhận
thuốc

TNT

Chuột cống

Uống

LDL0 700mg/kg

TNT

Mèo

Uống

LDL0 1850mg/kg

TNT

Mèo


Tên chất

1

Trinitrobenzene

2

TNT (2, 4, 6 trinitrotoluene)

3

2-aminodinitrotoluene

4

2,6-diaminonitrotoluene

5

4-aminodinitrotolune

6

2,4- diaminonitrotolene
[Nguyễn Văn Chất, 2004]


10

NH2

CH3
NO 2

H2N

NH2

NO 2

CH3

CH3

2,4,6-Triaminotoluene(TAT)

CH3
NO 2

NO 2

NH2

NH2

4,6-Diamino-2-nitrotoluene

2,6-Diamino-4-nitrotoluene


NO 2

NO 2
2,4,6-Trinitrobenzene (TNB)

Hình 1.2: TNT và các hợp chất trung gian của TNT
TNT có độc tính cao với con người. Con người có thể bị nhiễm TNT qua
đường hô hấp, tiêu hóa và hấp thụ qua da. TNT có thể làm thay đổi tổng số tế
bào hồng cầu, hemoglobin giảm, tăng tạm thời khối lượng bạch cầu và
lymphocyte, gây dị ứng da, làm vỡ mao mạch gây chảy máu. Ở liều lượng cao
và tiếp xúc lâu dài sẽ xuất hiện bệnh về máu nghiêm trọng. TNT có thể gây bệnh
vàng da, teo gan suy thận, mật; lâu ngày có thể gây ung thư. Khi làm việc trong
điều kiện nồng độ TNT 0,3-1,3mg/m3 không khí với thời gian 8h/ngày liên tục
có thể dẫn đến thay đổi thành phần máu và gây bệnh cho cơ thể con người. Hàm
lượng TNT tối đa cho phép trong không khí 1mg/m3 (theo tiêu chuẩn của Nga)
hoặc 0,5mg/m3 (theo tiêu chuẩn của Mỹ).
Tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA) quy định giới hạn hàm lượng
TNT, RDX, HMX trong nước uống như sau:


11

Giới hạn hàm lượng TNT, RDX, HMX trong nước uống
Loại thuốc nổ

Giới hạn (mg/l)

TNT

0.049

sử dụng làm chất ôxi hóa trong thuốc nổ, đặc biệt là các thiết bị nổ tự tạo.


12

a. Tính chất hóa lý
NH4NO3 tinh khiết là chất tinh thể màu trắng, NH4NO3 kỹ thuật trong sản
xuất thuốc nổ do có lẫn ion Fe3+ để chống hút ẩm nên thường có màu vàng nhạt.
Mật độ của nó vào khoảng từ 1,5 đến 1,71g/cm3, cân bằng ôxi là +20%. Khi ở
nhiệt độ 900C độ hoà tan của nó là 722g do đó hàm lượng của NH4NO3 trong
thuốc nổ nhũ tương là từ 60 đến 85%.
b. Đặc trưng cháy nổ
Amoni nitrat ở điều kiện nổ lí tưởng, phương trình phân huỷ nổ có dạng:
NH4NO3 = 2H2O + N2 + 0,5 O2 + 384 kcal/kg
Trong trường hợp đó tốc độ nổ lí tưởng đạt tới 3,46 km/s ở mật độ
1g/cm3 , áp suất nổ theo tính toán là khoảng 28,6 kbar. Thực tế qua thí
nghiệm cho thấy nếu được kích nổ đủ mạnh thì trong sản phẩm nổ có tạo
thành một phần ôxit nitơ và ôxi tự do với lượng nhiệt toả ra là 346 - 348
kcal/kg và tốc độ nổ đạt 2,3 - 2,5 km/s.
c. Vai trò quan trọng của NH4NO3 với quân sự và dân sinh
Ứng dụng phổ biến nhất của nitrat amoni là làm thuốc nổ và phân bón.
Thông thường nó được xem là chất ôxi hoá của thuốc nổ công nghiệp như
thuốc nổ quân sự, thuốc nổ nhũ tương và thuốc nổ ANFO.
Nó có chứa nhiều ni tơ (cần thiết cho cây trồng vì cây cần ni tơ để tạo ra
các protein) và được sản xuất công nghiệp với giá không đắt. Nitrat Amoni cũng
được sử dụng trong các túi lạnh nhanh (instant cold pack). Trong ứng dụng này,
nitrat amoni được trộn với nước trong một phản ứng thu nhiệt, với nhiệt
lượng 26,2 kilojoule mỗi mole chất phản ứng. Các sản phẩm của các phản ứng
nitrat amoni được ứng dụng trong các túi khí. Chất azit natri (NaN3) là hóa chất
được sử dụng trong các túi khí và nó phân hủy tạo ra natri Na và nitơN2 (g).

3

Anatols

TNT, NH4NO3

4

HTA-3

HMX, NH4NO3, nhôm

5

Minol

TNT, NH4NO3, nhôm

6

NH4+H2O

Phân bón

7

ANFO

NH4NO3 + Điêzel


thải công nghiệp loại B và A hàm lượng amoni (tính theo nito) tương ứng là nhỏ
hơn 10mg/l và 5mg/l.
1.1.2. Tổng quan phương pháp xử lý nước thải có chứa TNT và NH4NO3
1.1.2.1. Xử lý nước thải có chứa TNT
a. Phương pháp hoá học
Phương pháp này dựa vào phản ứng hoá học để chuyển hoá hợp chất nitro
thơm thành các hợp chất tan hoàn toàn, không nhạy nổ, không độc so với chất
ban đầu.
Một trong những tác nhân hoá học được sử dụng là: NaHSO3, Na2S hoặc
hỗn hợp: HNO3, NaNO2, Na2S,...
Phương pháp hóa học đã được sử dụng để phân hủy TNT. TNT là hợp chất
bền, khả năng phản ứng hóa học thấp. Để xử lý TNT đáng chú ý hơn cả là natri
hydrosunfit (NaHSO3 15%) và natri metadisunfit (Na2S2O5), vì chúng có thể
phân hủy TNT thành sản phẩm không nhạy nổ và tan trong nước. Tuy nhiên,
nước thải sau khi xử lý vẫn còn màu và tác nhân gây độc hại là DNT. Hạn chế
0

của phương pháp này là phải thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao 87 C, do đó khó
triển khai áp dụng trong thực tế [Tô Văn Thiệp - 2004].
Phản ứng của TNT với clo (Cl2) trong các tháp chuyên dụng cũng được sử
dụng để làm mất màu nước thải có chứa TNT. Một số cơ sở sản xuất thuốc nổ
công nghiệp cũng đã thử nghiệm dùng hợp chất clo (Ca(OCl)2, NaOCl) để làm
mất màu nước thải chứa TNT. Tuy nhiên, trong điều kiện công nghiệp thì việc
xử lý nước thải chứa hợp chất nitro chỉ dựa vào một công đoạn là dùng OCl- để
phân hủy thì còn gặp một số trở ngại, như phải dùng lượng dư đáng kể OCl- mới
phân hủy hết các hợp chất nitro thơm, có nghĩa là bằng giải pháp này sẽ dễ tạo
ra lượng clo dư trong dung dịch sau xử lý [Tô Văn Thiệp - 2004].


15