BÁO CÁO KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN ĐÃ QUA HẦM KHÍ SINH HỌC BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA

lOMoARcPSD| 49922156
TRƯỜNG ĐẠI GIAO THÔNG VẬN TẢI
TP.HCM VIỆN XÂY DỰNG BÁO CÁO
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHĂN NUÔI LỢN ĐÃ QUA HẦM KHÍ SINH HỌC
BẰNG KEO TỤ ĐIỆN HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
Sinh viên thực hiện: Lê Tấn Tài Tô Khánh Tân
Giáo viên hướng dẫn: ThS: Nguyễn Văn Trung
Lớp: MG18 (2018 – 2022) lOMoARcPSD| 49922156 MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU.................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................1
1.2. Các nội dung nghiên cứu.................................................................................2
1.3. Phạm vi nghiên cứu.........................................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................................3
2.1. Nước thải chăn nuôi lợn và phương pháp xử lí................................................3
2.1.1. Khái niệm và đặc tính nước thải chăn nuôi lợn
2.1.2. Một số công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam 6
2.2. Xử lí nước thải bằng keo tụ điện hóa...............................................................8
2.2.1.Giới thiệu chung về keo tụ điện hóa...........................................................8
2.2.2.Đặc điểm của keo tụ điên hóa....................................................................9
2.2.3. Cơ chế keo tụ điện hóa............................................................................10
2.2.4. Ưu vaf nhược điểm của keo tụ điện hóa..................................................13
CHƯƠNG 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................15
3.1. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................15
3.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................15
3.2.1. Hệ thống keo tụ điện hóa........................................................................15
3.2.2. Phương pháp phân tích mẫu....................................................................17
3.2.3. Phương pháp xử lý số liệu......................................................................18 CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO
LUẬN..................................................................18
4.1. Đặc điểm nước nuôi lợn thải ra sau hầm khí sinh học....................................19
4.2. Kết quả khảo sát keo tụ điện hóa nước thải với cặp điện cực (+)Al|Al(-)
4.2.1. Ảnh hưởng của pH
4.2.2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian xử lý
4.2.4. Ảnh hưởng khoảng cách giữa hai điện cực CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN
NGHỊ..................................................................35 5.1. Kết luận lOMoARcPSD| 49922156 5.2 Kiến nghị DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thành phần nước thải ở một số trang trại lợn
Bảng 3.1. Phương pháp phân tích thông số COD, NH 4-N, pH
Bảng 4.1. Đặc điểm nước thải nuôi lợn sau hầm KSH
Bảng 4.2. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH với cặp điện cực (+)Al|Al(-)
Bảng 4.3. Hiệu quả keo tụ điện hóa với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các pH khác nhau
Bảng 4.4. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của cường độ dòng điện với cặp điện cực (+)Al|Al(-)
Bảng 4.5. Hiệu quả keo tụ điện hóa với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các cường độ dòng khác nhau
Bảng 4.6. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý với cặp điện cực (+)Al|Al(-)
Bảng 4.7. Hiệu quả keo tụ điện hóa với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các thời gian xử lý khác nhau
Bảng 4.8. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng khoảng cách giữa hai điện cực với cặp điện cực (+)Al|Al(-)
Bảng 4.9. Hiệu quả keo tụ điện hóa với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các khoảng cách giữa hai bản cực lOMoARcPSD| 49922156 DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Mô hình điện hóa cơ bản
Hình 2.2. Sơ đồ các phản ứng chính quá trình điện hóa
Hình 3.1. Hệ thống điện hóa
Hình 3.2. Vị trí lấy mẫu
Hình 4.1. Màu sắc của mẫu nước thải nuôi lợn sau KSH
Hình 4.2. Hiệu quả xử lý với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các pH khác nhau.
Hình 4.3. Hiệu quả xử lý với cặp điện cực (+)Al|Al(-) với cường độ dòng điện khác nhau.
Hình 4.4. Hiệu quả xử lý với cặp điện cực (+)Al|Al(-) với thời gian xử lý khác nhau
Hình 4.5. Hiệu quả xử lý nước thải với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các khoảng cách giữa hai điện cực
Hình 4.6. Nước thải sau xử lý
Hình 4.7. Bông cặn tạo ra sau xử lý với điện cực.
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTNMT Bộ Tài Nguyên và Môi Trường
COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxi hóa học) KSH Khí sinh học
NTCNL Nước thải chăn nuôi lợn
PCU Platinum Cobalt Unit (đơn vị đo màu theo Pt-Co)
PTN Phòng thí nghiệm lOMoARcPSD| 49922156
QCVN Quy Chuẩn Việt Nam
SS Suspended Solids (Chất rắn lơ
lửng) TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam ThN Thí nghiệm TP Tổng Photpho lOMoARcPSD| 49922156
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi đã và đang có sự tăng trưởng nhanh
cả về quy mô và giá trị, đóng góp quan trọng vào việc phát triển kinh tế nông nghiệp và
nông thôn ở nước ta. Trong đó, đặc biệt ngành chăn nuôi lợn đang có những dịch chuyển
nhanh chóng từ chăn nuôi nông hộ sang chăn nuôi trang trại, công nghiệp; từ chăn nuôi
nhỏ lẻ lên chăn nuôi quy mô lớn. Từ đó đáp ứng cơ bản nhu cầu thực phẩm ngày càng cao của cả nước.
Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, thì ngành chăn nuôi cũng đang nảy
sinh rất nhiều vấn đề về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe của cộng đồng dân cư
địa phương và ảnh hưởng đến cả hệ sinh thái tự nhiên.
Hiện nay, ở Việt Nam nước thải chăn nuôi lợn (NTCNL) chủ yếu được xử lý
bằng hầm khí sinh học (KSH). Tuy nhiên, do tính chất đặc trưng của nước thải chăn
nuôi, sau giai đoạn này các thành phần gây ô nhiễm có thể vẫn còn ở mức khá cao. Do
đó việc xử lý tiếp nước thải sau hầm KSH trước khi thải ra môi trường là hết sức cần
thiết. Có nhiều phương pháp kỹ thuật có thể được triển khai nghiên cứu và ứng dụng,
tùy thuộc quy mô. Một trong số đó là giải pháp xử lý NTCNL bằng phương pháp keo tụ điện hóa.
Phương pháp này được đặc trưng bởi thiết bị đơn giản, dễ dàng hoạt động, giảm
hoặc không sử dụng hóa chất, cũng như giảm lượng chất kết tủa. Keo tụ điện hóa đã
được chứng minh là một phương pháp hiệu quả cho xử lý nhiều loại nước thải. Nó đã
được thử nghiệm thành công trong xử lý nước thải đô thị, nước thải dệt nhuộm, nước
thải gia cầm, nước rỉ rác, nước thải chế biến , nước thải nhà hàng, nước thải dệt nhuộm,
nước thải nhà máy dầu ô liu, và nước thải giấy tái chế [1]. Mặc dù có một con số nghiên
cứu khoa học ấn tượng về xử lý nước thải công nghiệp bằng keo tụ điện hóa. Tuy nhiên,
lại khá ít nghiên cứu được thực hiện trên đối tượng xử lý là nước thải chăn nuôi, cụ thể
là NTCNL sau hầm KSH sử dụng quá trình keo tụ điện hóa, đặc biệt là các nghiên cứu
về xác định các điều kiện tốt nhất cho quá trình xử lý này.
Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu khả năng xử lý
nước thải chăn nuôi lợn đã qua hầm khí sinh học bằng keo tụ điện hóa” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp. 1
1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Lắp đặt, vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ điện hóa dạng mẻ quy mô PTN. lOMoARcPSD| 49922156
Đánh giá hiệu quả xử lý NTCNL với cặp điện cực (+)Al|Al(-) ở các điều kiện thí nghiệm
khác nhau gồm: pH, cường độ dòng điện , khoảng cách giữa bản cực, thời gian xử lý.
Xác định điều kiện hiệu quả nhất để xử lý nước thải bằng cặp điện cực (+)Al|Al(-) 2
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Quy mô nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện ở quy mô PTN.
Phạm vi thời gian thực nghiệm: từ ngày 20/05/2022 đến 10/06/2022. lOMoARcPSD| 49922156
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1
2.1. Nước thải chăn nuôi lợn và các phương pháp xử lí
1.1.1 2.1.1. Khái niệm và đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn 1.1.2 a. Khái niệm
Nước thải chăn nuôi bao gồm nước rửa chuồng, nước tắm, nước tiểu vật
nuôi. Với chăn nuôi lợn, nói riêng, nếu trung bình lượng thải ra 25 lít/con lợn/ngày
thì tổng lượng nước thải hàng năm lên đến 85 triệu m3, một lượng nước thải đáng kể [2]. 1.1.3
b. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn
Với chăn nuôi tập trung, và mật độ chăn nuôi cao có thể dẫn đến tải lượng
và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao. Bao gồm: - Chất hữu cơ:
Trong chất rắn của nước thải thì hợp phần chất hữu cơ cở 70 - 80%, bao
gồm các hợp chất hydrocacbon, chất béo, proxit, axit amin và môt số dẫn xuất của
chúng có trong thức ăn thừa và phân. Thành phần vô cơ khoảng 20 - 30% gồm
muối clorua, SO42-, cát, đất,..
- Phốt pho và Nitơ:
Hàm lượng phốt pho, nitơ có trong nước thải thường khá cao do khả năng
của vật nuôi hấp thụ kém. Với thức ăn có chứa N và P, khi ăn thì chúng sẽ thải ra
ngoài theo nước tiểu và phân. Theo thời gian với sự tác động của oxy, lượng nitơ
trong nước chuyển hóa ở các dạng khác nhau NH4-N, NO - -. 2 , NO3
Phốt pho phát sinh ra trong quá trình tiêu thụ thức ăn, lượng phốt pho
khoảng 0,26 – 1,55%, và tồn tại một ít trong nước tiểu, cũng như xác của vật nuôi.
Trong nước thải do chăn nuôi thải ra thì phốt pho chiếm tỉ lệ khá cao, tồn tại ở các
dạng metaphotphat (hay polyphotphat PO 3- - 2- 3-
4 ), orthophotphat (H2PO4 , HPO4 , PO4 ), và phốt phat hữu cơ. - Vi sinh vật:
Các vi khuẩn điển hình như: E.coli, Shigenla sp, Proteus, Streptococcus sp,
Salmonella sp, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh lỵ, tả, thương hàn.
“Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus,
aphtovirus…và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh
trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng hòa nhập vào nguồn nước” [2]. lOMoARcPSD| 49922156
Theo kết quả phân tích chất lượng nước thải chăn nuôi của Viện Công nghệ
Môi trường Hà Nội [3] cho thấy nồng độ chất ô nhiễm ở một số trại lợn là rất cao.
Bảng 2.1. Thành phần nước thải ở một số trang trại lợn (Viện Cô
Số liệu bảng 2.1 cho ta thấy rằng, nước thải chăn nuôi có chứa thành phần
các chất gây ô nhiễm rất cao, các thành phần ô nhiễm có giá trị vượt so với Quy
chuẩn về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT, cột B) nhiều lần. 1.1.4
c. Tác động nước thải chăn nuôi đối với môi trường
Trong giai đoạn gần đây, ngành chăn nuôi với phát triển tốc độ khá nhanh,
nhất là đối với nuôi lợn, do nhu cầu của người tiêu dùng về thịt lợn tăng mạnh.
Từ đó, việc gây ra các vấn nạn về ô nhiễm môi trường ngày thêm nghiêm trọng. Địa điểm Nhiệt độ COD pH ( 0 C) ( mg/L ) ( m Hưng Yên 7 , 8 30 3580 Thái Bình 7 , 5 30 2570 Hà Nội 7 , 5 33 7220 QCVN 40: 2011 /BTNMT ( cột B ) 5 ,5 - 9 40 150
Hàm lượng chất hữu cơ cao trong NTCNL khi quá trình phân hủy xảy ra,
sẽ làm nồng độ ôxy hòa tan trong nước giảm xuống, gây ra sự thiếu ôxy cho hệ
thủy sinh vật đối với quá trình hô hấp của chúng. “Quá trình chất hữu cơ phân
hủy sẽ tạo môi trường yếm khí, sinh ra một số chất độc hại và một số loài tảo độc
gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Một khi các hệ thủy sinh vật bị suy giảm, lOMoARcPSD| 49922156
chúng sẽ gây mất cân bằng sinh thái, có thể làm cản trở quá trình tự làm sạch của
ao, hồ sông, kênh rạch.... Động thực vật, con người trực hoặc gián tiếp sử dụng
nguồn nước này cũng sẽ bị tác động xấu. Tại nhiều khu vực chăn nuôi, nước thải
vẫn thải trực tiếp ra môi trường bên ngoài(sông, ao hồ, kênh rạch hay hệ thống
thoát nước chung của khu vực) không qua hệ thống xử lý hoặc xử lý một cách
không triệt để. Gây ô nhiễm môi trường nước, không khí và đất trầm trọng” [4].
Ngoài ra, trong nước thải còn có lẫn phân gia cầm, gia súc có chứa nhiều
loại trứng giun sán, vi trùng, vi khuẩn,... Chúng có thể sẽ là nguồn bệnh cho con
người cũng như những động vật khác.
Bên cạnh đó, nước thải chăn nuôi có thể thấm xuống đất vào mạch nước ngầm gây
ô nhiễm nguồn nước ngầm, đặc biệt là những giếng mạch nông gần chuồng nuôi.
Quá trình urê trong nước tiểu chuyển hóa cũng góp phần khá nhiều trong
việc làm ô nhiễm môi trường nước. Enzyme ureaza CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O Nitrosomonas 2NH3 + 3O2 2NO2 + 2H+ + 2H2O Nitrobacter 2NO - 2 + O2 2NO3 NO - 3 N2O N 2
Nồng độ NO -3 cao trong nước, sẽ gây độc hại cho con người: Do ở điều kiện
thích hợp thì trong hệ tiêu hóa NO - -
3 sẽ chuyển thành NO2 , nó có thể được hấp thu
vào máu và kết hợp hồng cầu, gây ức chế chức năng hồng cầu vận chuyển ôxy [4]. 1.2
2.1.2. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam 1.2.1
a. Một số công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới
Việc xử lý NTCNL đã được nghiên cứu triển khai ở nhiều nước có điều kiện
phát triển từ khoảng vài chục năm. Các phương pháp trên thế giới sử dụng cho xử
lý nước thải chăn nuôi với nồng độ ô nhiễm cao chủ yếu là các phương pháp sinh
học, do các phương pháp này có tính thích nghi với nhiều điều kiện tự nhiên và
bền vững. Tại các nước phát triển, với quy mô trang trại rộng lớn (có thể hơn lOMoARcPSD| 49922156
10.000 con lợn), chất thải phân lợn chủ yếu làm phân vi sinh và sản xuất biogas
cho máy việc phát điện, nước thải chăn nuôi có thể được sử dụng tiếp cho các mục đích nông nghiệp [2].
Công nghệ đất ngập nước là phương pháp xử lý nước thải sử dụng các yếu
tố tự nhiên, thân thiện môi trường. Công nghệ đất ngập nước có được những kết
quả rất đáng kể trong xử lý các thông số TSS, COD, BOD , đạt được hiệu suất khá 5
cao (lên đến trên 90%) . Tuy nhiên, với các thành phần dinh dưỡng: P, N, nó vẫn
chưa xử lý được tốt và cần có thời gian lưu nước kéo dài. Ngoài ra, phương pháp
này còn có điểm yếu là cần diện tích đất lớn, mà vấn đề này lại là điều các chủ
trang trại không mong muốn, đôi khi là bất khả thi do diều kiện hạn chế về mặt bằng hiện nay [5].
Phương pháp kết tủa struvite trong môi trường kiềm với nồng độ MgSO4
1000 – 1500 mg/L ta có thể loại bỏ đồng thời cả amoni và phosphat. “Hiệu suất
loại bỏ tại giá trị pH khoảng 9 đạt được với phosphat là cao nhất. Trong khi đó,
tại giá trị pH khoảng 11 việc loại bỏ amoni đạt được hiệu suất cao nhất. Ưu điểm
của phương pháp này là khi áp dụng có thể tạo ra phân bón như là sản phẩm phụ.
Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là lượng MgSO sử dụng khá lớn, làm tăng 4 giá thành xử lý” [5].
Ngoài ra, với NTCNL xử lý P bằng phương pháp keo tụ đã được áp dụng
phổ biến, nguyên tắc là dựa trên sự kết tủa phôtphat với các ion sắt, nhôm, canxi
ình thành các muối tương ứng có độ tan thấp dẽ dàng được tách ở dạng chất rắn. 10Ca2+ + 6PO43- + 2OH- Ca10(PO4)6(OH)2 Al3+ + HnPO43-n AlPO4 + nH+ Fe3+ + HnPO43-n FePO4 + nH+ Các chất muối nhôm Al , muối sắt FeSO 2(SO4)3, vôi Ca(OH)2 4, FeCl2 và ZrCl4 là
các chất keo tụ phổ biến. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là chi phí tăng
do hóa chất sử dụng và phải xử lý bùn kết tủa phát sinh[5].
Kỹ thuật phân hủy yếm khí đã được áp dụng từ lâu để xử lý NTCNL. Phương
pháp này có hiệu quả xử lý và kết quả kinh tế tốt hơn các phương pháp truyền thống
như chôn lấp, hóa lý, sử dụng vùng đất ngập nước, hệ thống hiếu khí. Nhìn chung,
phương pháp sinh học yếm khí được sử dụng đã làm giảm thiểu đáng kể COD,
BOD và SS trong nước thải ra. Tuy nhiên, các hợp phần gây ô nhiễm như P, N vẫn 5 lOMoARcPSD| 49922156
có thể ở mức cao và phải được xử lý với các phương pháp khác trước khi thải ra môi trường [5].
“Một số mô hình xử lý thiếu khí kết hợp và hiếu khí đã được nghiên cứu áp
dụng trong với nước thải chăn nuôi như hệ aeroten, hệ aeroten hoạt động gián đoạn
SBR, hệ thiếu khí kết hợp hiếu khí, yếm khí kết hợp hiếu khí (AO) và hệ yếm khí,
thiếu khí kết hợp hiếu khí (A2O). Với các kết quả nghiên cứu cho thấy nhược điểm
của các phương pháp là khi hàm lượng chất ô nhiễm vào cao thì nước thải sau xử
lý không thể giảm được đến mức phù hợp chất ô nhiễm. Ben cạnh đó, việc tách
bùn thường khá khó thực hiện, nhất là khi nồng độ bùn hoạt tính trong hệ lớn, và
bùn có thể dễ bị rửa trôi gây xáo trộn mật độ vi sinh trong bể, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý” [5]. 1.2.2
b. Các nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi tại Việt Nam
Cho đến nay ở nước ta, có thể nói chưa có quy trình xử lý nước thải chăn
nuôi hoàn thiện nào được công bố có thể đạt tiêu chuẩn xả thải. NTCNL từ trang
trại phần lớn mới chỉ được xử lý qua hầm KSH và bằng hồ sinh học. Các phương
pháp này chủ yếu xử lý được chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ, tuy nhiên thời gian
lưu yêu cầu khá dài (20 – 30 ngày) và diện tích đất sử dụng khá lớn [5].
“Một nghiên cứu về hiệu quả xử lý NTCNL bằng hầm KSH quy mô hộ gia
đình cho thấy việc sử dụng hầm KSH để xử lý NTCNL đã làm giảm đáng kể nồng
độ các chất ô nhiễm. Trung bình, COD giảm 85%, BOD5 giảm 76,5%, SS giảm
86,4%, VSS giảm 85,5%, TKN giảm 119%, TP giảm 7,1% và Fecal coliform giảm
51,2% Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra vẫn còn khá
cao, vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 24:2009/BTNMT, cột B, TCN 678 - 2006).
Đặc biệt đáng quan tâm là nồng độ các chất dinh dưỡng ở các mẫu này rất cao,
tiềm ẩn nguy cơ gây phú dưỡng khi xả thải vào các vực nước mặt. Do dó việc tiếp
tục xử lý nước thải sau hầm KSH là hết sức cần thiết” [6].
Ngoài ra, các phương pháp xử lý khác có thể được sử dụng như phương
pháp dùng thực vật thủy sinh, lọc sinh học, xử lý hiếu khí bằng aeroten, yếm khí
UASB, yếm khí tiếp xúc... đã được nghiên cứu và chúng chứng tỏ có hiệu quả khá;
nhưng hầu hết các nghiên cứu mới chỉ ở giai đoạn thực nghiệm, đề xuất quy trình về lý thuyết.
Do đó, có thể thấy rằng, một thực trạng ở nước ta là vấn đề xử lý nước thải
ô nhiễm này thường chỉ bằng các biện pháp chưa hiệu quả, đơn lẻ, và không bền
vững hoặc bị bỏqua. Phần lớn các hệ xử lýhiện nay được áp dụng một cách đối phó, lOMoARcPSD| 49922156
chưa đạt tiêu chuẩn xả thải. Khi sử dụng những phương pháp đơn giản: chỉ phù hợp
cho xử lý nguồn thải có tải lượng ô nhiễm thấp. Có thể nói các mô hình xử lý nước
thải chăn nuôi tại nước ta hiện nay chỉ mới đạt mức làm giảm tải lượng ô nhiễm chứ
chưa đạt được cácquy chuẩn, tiêu chuẩn thải theo quy định đối với ngành chăn nuôi.
Nhìn chung, việc quản lý NTCNL đang gặp nhiều khó khăn. Vì vậy cần có
nhiều biện pháp tích cực kết hợp để quản lý và khắc phục vấn đề do chất thải chăn
nuôi gây ra đối với môi trường. 2
2.2. Xử lí nước thải bằng keo tụ điện hóa 2.1
2.2.1 Giới thiệu chung về keo tụ điện hóa
Trong những năm gần đây, keo tụ điện hóa (Electrocoagulation) đã được
nghiên cứu như là một kỹ thuật thay thế cho các quy trình xử lý nước thải truyền
thống. Kỹ thuật này là một phương pháp dựa trên sự keo tụ, tạo bông của các chất
ô nhiễm ở dạng nhũ tương hoặc hoà tan trong môi trường nước, ở đó dòng điện tác
động làm các điện cực dương (anot hòa tan, thường là nhôm hoặc sắt) sẽ bị hòa tan
và tạo ra các chất có khả năng gây keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe 3+) vào trong dung
dịch nước thải, các phản ứng điện phân cũng sẽ tạo ra các bọt khí xuất hiện ở cực âm catot [7].
Kỹ thuật keo tụ điện hóa đã được áp dụng cho một số loại nước thải: dệt
nhuộm, nước rỉ bãi rác, huyền phù sét và nước rỉ axit của đất bị nhiễm kim loại
nặng. Các kết quả xử lý nước thải đã cho thấy rằng quá trình keo tụ điện hóa hiệu
quả để loại bỏ một loạt các chất gây ô nhiễm: tải trọng hữu cơ và kim loại độc hại
như đồng, crôm, thủy ngân, chì, cadmium và một số trường hợp để loại bỏ tảo và
vi sinh vật, làm giảm độ đục và màu của nước thải [7].
Một mô hình điện hóa cơ bản thường bao gồm nguồn điện, các điện cực và
bình phản ứng như hình 2.1 lOMoARcPSD| 49922156
Hình 2.1. Mô hình điện hóa cơ bản. 2.2
2.2.2 Đặc điểm của phương pháp keo tụ điên hóa
Phương pháp keo tụ điện hóa có một số các đặc điểm quan trọng sau đây:
- Dòng điện một chiều được sử dụng trong phương pháp này.
- Các điện cực anot thường được làm bằng nhôm hoặc sắt.
- Cường độ dòng điện, thời gian điện phân,và hiệu suất xử lý có mối quan
hệ với nhau rất chặt chẽ.
- Hệ thống điện cực được đặt trong nước thải, đảm bảo khả năng tiếp xúc
giữa các ion hòa tan và các dung dịch là tốt nhất.
- Hệ keo tụ điện hoá có thể hoạt động theo cách: nạp nước thải vào liên tục
hoặc hoạt động theo dạng mẻ (thải chỉ được nạp một lần).
- Keo tụ điện hóa là phương pháp kết hợp giữa ba quá trình: điện hóa hòa
tan, keo tụ, điện phân tuyển nổi. 2.3
2.2.3. Cơ chế keo tụ điện hóa 2.3.1
a.Cơ chế quá trình chung
Như ta đã biết, cơ chế chung của quá trình điện hóa: áp dụng dòng điện một
chiều, ở catot và anot quá trình oxi hóa và khử sẽ xảy ra. Các quá trình xảy ra ở hai
cực anot và catot như sau [9]:
Ở anot: Tại anot quá trình oxi hóa anion hoặc OH- hoặc kim loại xảy ra lOMoARcPSD| 49922156
- Khi thế phóng điện của ion OH- (trong cặp OH-/O ), anion cao hơn thế 2
phóng điện kim loại anot, thì anot sẽ hòa tan ra (quá trình này được ứng dụng trong keo tụ điện hóa). M– ne = Mn+
- Với trường hợp ngược lại, thì khi đó ở anot sẽ xảy ra quá trình oxi hóa của
OH-, anion và anot không tan.
- Trật tự phóng điện của các anion như sau: anion Br-, Cl- , S2-, I-,... sau đó
mới đến OH- và các anion có oxi ở vị trí cuối cùng.
- Anot có thể làm bằng các vật liệu không hòa tan, và có tính chất dẫn điện như: chì, graphit... Ở catot:
Khi có dòng điện qua dung dịch: thì cation và H+ sẽ điện di về catot. Khi thế
phóng điện cation cao hơn của H+ thì cation sẽ nhận electron của catot tạo thành
tạo thành kim loại kết tủa ở điện cực. Mm+ + ne = Mm-n ( m>n) Mn+ + ne = M Và 2H3O+ + 2e = H2 + 2H2O
Catot có thể bằng sắt, nhôm hay niken, từ than chì (graphit), molipden, hợp
kim của vonfram, thép không rỉ, và một số các kim loại khác.
Có thể tóm lược quá trình chính loại bỏ chất ô nhiễm bằng điện hóa qua hình 2.2
(1). Oxy hóa anot và giải phóng các ion kim loại vào dung dịch.
(2). Electron dịch chuyển và tạo ra dòng điện, các ion điện tích và chất keo
bẩn theo hướng ngược lại trong dung dịch.
(3). Sự thủy phân, va chạm và tương tác giữa các phần tử dichj chuyển tạo ra sự keo tụ.
(4). Sự thu hút các chất keo và các chất bẩn khác hình thành keo tụ, tạo thành các cặn lớn hơn.
(5). Sự tách ra của các bông cặn do quá trình lắng hoặc nổi do các bọt khí hydro thoát ra từ catot. lOMoARcPSD| 49922156
Hình 2.2. Các phản ứng chính trong bình phản ứng điện hóa. 2.3.2
b. Cơ chế với điện cực sử dụng Fe hoặc Al làm anot
Theo Holt [10]: “khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực
dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Do đó, các điện cực dương được làm
bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ tạo ra các cation (Fe3+ hoặc Al3+). Các
cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường dung dịch thải”.
Các cation (như Fe3+ hoặc Al3+) thủy phân và sẽ cùng với nhóm OH- kết hợp
và tạo ra các hidroxit (Al(OH)
), chúng là những tác nhân keo tụ phổ biến 3, Fe(OH)3
trong quá trình xử lý nước thải. Các chất keo tụ này sẽ tạo bông kết hợp thu hút
vào các bông keo nhỏ trong nước và liên kết với nhau tạo ra các bông cặn lớn hơn về kích thước [11].
Thêm vào đó, các phản ứng điện phân cũng tạo ra các bọt khí tại cực âm.
Chúng này thường là bọt khí H2 và có xu hướng nổi lên bè mặt thoáng của dung
dịch. Trên đường đi, chúng sẽ bám vào các bông keo đã được tạo ra ở trên và
chuyển chúng lên mặt dung dịch.
Trong khi đó, các bông cặn với kích thước lớn hơn và nặng thì sẽ sa lắng
xuống ở dưới đáy bình. Trên đường đi của các bông sa lắng này chúng sẽ va chạm
và kết dính với các bông cặn khác tạo bông to hơn, và như thế quá trình tạo bông,
sa lắng sẽ diễn ra hiệu quả hơn [12]. Nước thải sau xử lý sẽ được thu hồi sau các
quá trình này (lắng và tuyển nổi). ❖ Một số phản ứng điện phân diễn ra ở điện cực lOMoARcPSD| 49922156
• Các phản ứng chính:
Các điện cực làm bằng sắt hoặc nhôm sinh ra các chất keo tụ vào trong
nước. Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm, dưới tác dụng
của dòng điện thì anot sắt và nhôm sinh ra các cation hòa tan theo công thức (1) và (2):
Xảy ra quá trình hòa tan Al, Fe tạo thành ion Fe2+ (hoặc Fe3+) và Al3+ Fe (rắn) → Fen+ (dung dịch) + ne- (1) Al (rắn) → Al3+ (dung dịch) + 3e- (2)
Khi phản ứng điện hóa xảy ra ở môi trường lỏng, điện cực sắt có thể hòa tan
thành Fe2+ hoặc Fe3+, riêng điện cực nhôm chỉ tạo thành Al3+. Fe2+ có thể bị oxy hóa
tiếp thành Fe3+ theo công thức (3) nếu thế oxy hóa khử và pH phù hợp. Để đạt tốc
độ phản ứng thích hợp, cần có oxy và pH trung tính hoặc kiềm.
4F (dung e 2+ d ịch) + 10H 2O + O2 → 4Fe(OH)3 (rắn) + 8H+ (3)
• Các phản ứng phụ:
Bên cạnh các sản phẩm sắt và nhôm hòa tan, các phản ứng điện hóa khác
cũng xuất hiện ở trong hệ thống điện hóa. Chúng bao gồm:
- Sự hình thành hydro ở catot theo công thức (4) – (6). 2H ↑ 2O + 2e- → 2OH- + H2 (4) 2H+ + 2e- → H ↑ 2 (5)
Ở pH cao, nhôm tan thành aluminat
2Al + 6H2O + 2OH- 2[Al(OH)4]- + 3 H2
- pH trên bề mặt catot tăng do sự hình thành OH- theo công thức (4)
hoặc bởi quá trình tiêu thụ ion/ proton H+ theo công thức (5).
- Quá trình khử kim loại xảy ra ở catot.
❖ Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động keo tụ điện hóa
Theo Trần Hiếu Nhuệ [11], một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hoá: lOMoARcPSD| 49922156
- “pH: với điện cực tan là nhôm: với pH < 4,5 sẽ không xảy ra quá trình
thủy phân. Với pH > 7,5: muối kiềm sẽ kém tan ít đi và làm cho hiệu quả keo tụ có
thể bị hạn chế. Lúc này, hiệu quả keo tụ với dung dịch có pH = 5,5 -7,5 là đạt cao
nhất. Đối với điện cực tan là Fe: khi pH > 3,5 phản ứng xảy ra và khi pH = 5,5 -
6,5 quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng.
- Vật liệu làm điện cực (cả tan và cả không tan): điện cực dương bằng nhôm
hay sắt là tốt nhất, còn điện cực âm thì là kim loại nhôm hoặc sắt hoặc kim loại
đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa”.
- Mật độ dòng tỷ lệ với số lượng phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt điện
cực. Mật độ dòng được xác định theo công thức: J= I / S (mA/cm2) Trong đó:
I: cường độ dòng diện qua điện cực (mA) S:
diện tích diện cực (cm2).
J: đại lượng đặc trưng cho tốc độ phản ứng điện hóa, mật độ dòng.
- Thời gian phản ứng hoặc điện tích thêm vào trên một đơn vị thể tích tỷ lệ
với lượng bông cặn sinh ra trong hệ điện hóa và các phản ứng khác xảy ra trong hệ thống.
- Thế điện hóa quyết định loại phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực.
- Nồng độ ô nhiễm ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.
- Nồng độ anion: như sulphate hoặc flouride, ảnh hưởng đến hydroxit bởi
vì chúng có thể thay thế các ion hydroxit trong quá trình kết tủa.
- Nhiệt độ: “đối với cực anot nhôm nếu nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo
tụ có thể được tăng lên, hiệu quả keo tụ có thể sẽ càng cao. Độ đục của dung dịch
càng cao, thì ảnh hưởng sẽ càng rõ nét. Nhiệt độ dung dịch thích hợp khi dùng cực
nhôm là cở 20 - 400C, tốt nhất khoảng 35 - 400C . Đối với anot sắt thì quá trình
thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, do đó, ở môi trường lạnh: nhiệt độ gần
bằng 00C vẫn có thể dùng anot sắt làm điện cực keo tụ”[11].
- Các thông số khác: như điều kiện thủy động và khoảng cách các điện cực,
có thể ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và lượng điện tiêu thụ. lOMoARcPSD| 49922156 2.4
2.2.4. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp keo tụ bằng điện hóa 2.4.1 Ưu điểm:
Phương pháp điện hoá keo tụ có một số ưu điểm sau:
- Thiết bị sử dụng keo tụ điện hóa khá đơn giản, tương đối dễ vận hành.
- Bông keo tụ được tạo thành dễ dàng, có tính năng cô đặc tạo bùn tốt.
- Có thể tách loại ra nhiều thành phần trong nước thải như: độ màu,
chất rắn lơ lửng, kim loại nặng, độ đục, ….
- Có thể làm loại đi khoảng 94-99% nồng độ kim loại nặng có trong thành phần nước thải.
- Bọt khí tạo ra trong quá trình nổi lên kéo theo các chất rắn lơ lửng,
có thể loại đi bằng thiết bị gạt, hớt váng.
- Không thêm hóa chất vào nên tiết kiệm hóa chất, thân thiện môi trường.
- Ít chất thải, dễ tự động hóa... 2.4.2 Nhược điểm:
- Hiện tại có ít nghiên cứu về lĩnh vực này.
- Thiết bị điện hóa chưa có, đa số là thiết bị ngoại nhập; qui mô điện
hóa thường áp dụng ở mô hình nhỏ.
- Thiết bị điện cực của điện hóa hay bị thụ động sau thời gian phản ứng.
- Điện hóa Keo tụ là quá trình dị thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc
nhiều vào thành phần dung dịch và mật độ dòng điện. Dung dịch dẫn điện
kém có thể gây tiêu tốn năng lượng và chất dẫn điện.
- Cần nhiều năng lượng, tay nghề công nhân.