Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học từ hạt muồng hoàng yến cải thiện nước thải

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG & TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Cần Thơ, Năm 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TNTN -oOo- LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Môi trƣờng đất và nƣớc Mã ngành: 62440303 ĐÀO MINH TRUNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU KEO TỤ SINH HỌC CHẾ TẠO TỪ HẠT MUỒNG HOÀNG YẾN (CASSIA FISTULA L.) ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGs. NGUYỄN VÕ CHÂU NGÂN PGs. NGÔ KIM ĐỊNH Cần Thơ, Năm 2018 TÓM TẮT Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng nƣớc thải dệt nhuộm và nƣớc thải xi mạ dựa trên hai loại vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học gồm Biogum (vật liệu ly trích từ thực vật) và Biogum cải tiến (vật liệu kết hợp giữa nano oxit sắt từ với Biogum) có khả năng thu hồi bằng nam châm và tái sử dụng. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành trên mô hình Jartest và mô hình Pilot để khảo sát khả năng loại bỏ màu của nƣớc thải dệt nhuộm và loại bỏ ion kim loại trong nƣớc thải xi mạ, trong đó bố trí nghiệm thức với vật liệu keo tụ hóa học PAC làm đối chứng.

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại màu và COD trong nƣớc thải nhuộm của vật liệu Biogum đạt đƣợc tƣơng ứng là 91,20% và 72,66% (RR); 82,30% và 78,92% (NMDN) và hiệu suất loại bỏ các ion kim loại Ni2+, Cu2+, Zn2+ trên nƣớc thải giả định của Biogum đạt đƣợc lần lƣợt là 79,26%; 83,11%; 82,96%, trên nƣớc thải nhà máy xi mạ lần lƣợt là 58,91%; 71,78%; 78,06%. Mặc dù có hiệu quả loại bỏ màu và kim loại nặng cao nhƣng Biogum khó thu hồi do quá trình hòa tan và phân hủy, kết quả nghiên cứu cho thấy sau 15 ngày Biogum phân hủy khoảng 55,83% trong nƣớc, do đó nghiên cứu cải tiến Biogum rất quan trọng cho việc tái sử dụng nguồn vật liệu sinh học này. Kết quả thí nghiệm với Biogum cải tiến cũng cho thấy khả năng cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ. Hiệu quả loại bỏ màu, COD tƣơng ứng lần lƣợt là 99,97% và 96% (RR); 99,03% và 95,13% (NMDN); trong khi hiệu quả cải thiện kim loại nặng Ni2+, Cu2+, Zn2+ tƣơng ứng đạt đƣợc là 92,93%; 97,17%; 94,97% (nƣớc giả định) và 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM).

Tính khả thi khi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến cho thấy qua kết quả sau: sau lần thu hồi 2 và 3 hiệu suất loại màu đạt đƣợc là 96,60% và 93,27% (đối với mẫu nƣớc thải RR có độ màu 1052 Pt/Co); 96,73% và 92,50% (đối với mẫu nƣớc thải NMDN có độ màu 1378 Pt- Co). Với nƣớc thải xi mạ hiệu quả cải thiện kim loại sau lần thu hồi 2 và 3 đạt lần lƣợt 82,49% và 76,37% (Ni2+); 81,72% và 76,73% (Cu2+); 83,79% và 76,69% (Zn2+). Khi so sánh với chất keo tụ hóa học PAC, với nƣớc thải dệt nhuộm giả định RR, vật liệu Biogum cải tiến cho hiệu suất loại màu tốt hơn PAC. Hiệu suất loại màu PAC, Biogum và Biogum cải tiến tƣơng ứng là 99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); và 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 99,03% (NMDN) cho thấy Biogum cải tiến đạt hiệu suất loại màu cao hơn PAC và Biogum.

Bên cạnh đó khi vận hành trên mô hình Pilot, PAC, Biogum cải tiến cho kết quả cao hơn Biogum, kết quả loại màu RR và NMDN tƣơng ứng đạt đƣợc nhƣ sau: 94,64% và 94,04% (Biogum cải tiến); 92,77% và 93,83% i (Biogum); 94,90% và 93,83% (PAC). Đối với nƣớc thải xi mạ Ni2+, Cu2+, Zn2+, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả cao nhất, Biogum và PAC cho hiệu quả cải thiện thấp hơn, tƣơng ứng là Biogum cải tiến (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+; 83,11% Cu2+; 82,96% Zn2+) và PAC (59,77% Ni2+; 68,93% Cu2+; 66,13% Zn2+). Khi khảo sát trên mô hình Pilot cũng cho kết quả tƣơng tự, Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện tốt nhất, kết quả thu đƣợc tƣơng ứng với 3 ion kim loại Ni2+, Cu2+ và Zn2+ trong mẫu nƣớc thải giả định nhƣ sau: Biogum cải tiến (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+; 89,45% Cu2+; 86,37% Zn2+). Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có nguồn gốc sinh học Biogum và Biogum cải tiến có đặc tính cải thiện chất lƣợng nƣớc tƣơng tự nhƣ vật liệu hóa học PAC.

Bên cạnh Biogum có khả năng tự phân hủy sinh học không gây tồn dƣ hóa chất trong môi trƣờng tự nhiên; Biogum cải tiến có thể thu hồi và tái sử dụng khi sử dụng cải thiện chất lƣợng nƣớc thải. Kết quả nghiên cứu mở ra hƣớng tiếp cận mới khi sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học để cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc theo hƣớng thân thiện môi trƣờng và phát triển bền vững trong tƣơng lai. ii ABSTRACT Studies on improving the quality of textile and dyeing wastewater is based on two biocoagulants: Biogum (plant extract), and improved Biogum (Gum- Polysaccharide-Based nanocomposites) that can be recovered and reused. The Jartest and Pilot experiments were examined to evaluate the ability to remove color in textile wastewater and heavy metals in dyeing wastewater, and PAC was used as a coagulant control.

The results showed that the removal of color and COD in Biogum was 91,20% and 72,66% respectively (RR); 82,30% and 78,92% respectively, and the removal of heavy metals of Ni2+, Cu2+, Zn2+ in Biogum was 79,26%; 83,11%; 82,96% (hypothetical wastewater treatment) and 58,91%; 71,78%; 78,06% in plating wastewater. Although Biogum has a high efficiency to remove color and metals, it is difficult to recover due to the process of dissolution and decomposition. The results showed about 55,83% of Biogum was decomposed in water after 15 days. Therefore, studies on improving Biogum are very important in reusing this biological coagulant.

Research results showed that improved Biogum is also capable of improving the quality of industrial textile and dyeing wastewater. The efficiency to remove color and COD is 99,97% and 96%, respectively (RR); 99,03% and 95,13% (NMDN); and the removal of heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ 92,93%; 97,17%; 94,97% (hypothetical wastewater treatment) and 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM). The ability to reuse improved Biogum after the second and the third recovery to remove color achieves 96,60% and 93,27% (RR wastewater with 1052 Pt-Co color); 96,73% and 92,50% (NMDN wastewater with 1378 Pt-Co color). In dyeing wastewater, removing of heavy metals after the second and the third recovery achieves 82,49% and 76,37% (Ni2+); 81,72% and 76,73% (Cu2+); 83,79% and 76,69% (Zn2+).

In hypothetical wastewater RR, improved Biogum coagulant showed a better improvement than the PAC coagulant. The efficiency to remove color in improved biogum is higher than PAC and Biogum (99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); And 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 93,03% (NMDN). In Pilot experiments, PAC and improved Biogum also showed a better color removal than Biogum (94,64% and 94,04% (improved Biogum); 92,77% and 93,83% (Biogum); 94,90% and 93,83% (PAC). In dyeing wastewater, improved Biogum showed better efficiency to remove heavy metals Ni2+, Cu2+, Zn2+ than Biogum and PAC (improved Biogum (92,93% Ni2+; 97,17% Cu2+; 94,97% Zn2+); Biogum (79,26% Ni2+, 83,11% Cu2+, 82,96% Zn2+) and PAC (50,95% Ni2+, 67,73% Cu2+, 60,13% Zn2+).

The results iii are similar in Pilot experiments in which improved Biogum showed a better heavy metal removal in Ni2+, Cu2+ and Zn2+ than Biogum (Improved biogum (99,15% Ni2+; 91,88% Cu2+; 86,97% Zn2+), Biogum (98,88% Ni2+, 89,45% Cu2+, 86,37% Zn2+). Results from this study indicate that materials containing Biogum and improved Biogum materials have the same water quality improvement properties as chemical PACs. In addition, Biogum is also capable of biodegradation without causing chemical residues in the natural environment; while improved Biogum can be used, recovered, and reused in improving wastewater quality. The results may open new approaches in using bio-based materials to improve water quality in an eco-friendly and sustainable manner in the future.

iv MỤC LỤC TÓM TẮT. iii MỤC LỤC. viii LỜI CAM ĐOAN. ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.

x DANH MỤC BẢNG. xi DANH MỤC HÌNH. xiii CHƢƠNG 1. Mục tiêu nghiên cứu.

Mục tiêu tổng quát. Mục tiêu cụ thể. Nội dung nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học.

Ý nghĩa thực tiễn. TỔNG QUAN TÀI LIỆU. Tổng quan về keo tụ. Bản chất của các hạt keo trong nước.

Cơ chế của quá trình keo tụ. Các phương pháp keo tụ. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn. Vật liệu PAC trong cải thiện chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp.

Một số kết quả nghiên cứu. Tổng quan về vật liệu keo tụ có nguồn gốc từ sinh học. Phương pháp chế tạo vật liệu sinh học Biogum. Phương pháp chế tạo vật liệu nguồn gốc sinh học (Biogum cải tiến).

Tổng quan về nƣớc thải dệt nhuộm và các phƣơng pháp xử lý. Thành phần ô nhiễm. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm. Một số nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm.

Tổng quan về nƣớc thải xi mạ và các phƣơng pháp xử lý. Thành phần ô nhiễm trong nước thải xi mạ. Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ. Một số nghiên cứu xử lý nước thải xi mạ.

VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Đối tƣợng nghiên cứu và hóa chất keo tụ. Đối tượng nghiên cứu. Vật liệu nghiên cứu.

Thiết bị nghiên cứu. Thiết bị Jartest. Thiết bị Pilot. Phƣơng pháp phân tích.

Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. Phương pháp chung. Các thí nghiệm nghiên cứu. Phƣơng pháp xử lý số liệu.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Xác định hiệu suất loại bỏ màu của các vật liệu trên nƣớc thải dệt nhuộm. Xác định pH tối ưu của vật liệu. Kết quả xác định lượng tối ưu của PAC.

Kết quả xác định lượng tối ưu của Biogum. Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến ở các lần thu hồi. Xác định hiệu suất cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm khi vận hành trên thiết bị Pilot sử dụng vật liệu keo tụ.

Xác định hiệu quả xử lý của các vật liệu trên nƣớc thải xi mạ. Xác định pH tối ưu. Kết quả xác định lượng PAC tối ưu. Kết quả xác định lượng Biogum tối ưu.

Kết quả xác định lượng Biogum cải tiến tối ưu. Xác định hiệu quả xử lý của Biogum cải tiến thu hồi. Xác định hiệu quả cải thiện chất lượng nước xi mạ khi ứng dụng vật liệu nghiên cứu vận hành trên thiết bị Pilot. Kết quả nghiên cứu vật liệu.

Thành phần cấu trúc vật liệu Biogum. Đánh giá khả năng phân hủy của Biogum.