Ứng dụng KH&CN trong lĩnh vực môi trường: Chế tạo hộp khối xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp điện hóa
Đây là giải pháp của nhóm tác giả Trần Lê Hoàng, Trần Lê Lựu - Trường Đại học Việt Đức đạt giải khuyến khích Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ IX (2019-2021)
Hiện nay, phương pháp điện hóa đã được nghiên cứu để xử lý các loại nước thải khác nhau (hóa chất, dệt nhuộm, thuộc da…) với nhiều loại vật liệu, với mục tiêu là giảm nồng độ một chất gây ô nhiễm cụ thể, giảm độc tố của nước thải, và/hoặc giảm mức độ ô nhiễm nói chung. Dòng điện gây ra phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt các điện cực dẫn đến sự phân hủy các hợp chất hữu cơ. Phương pháp này thân thiện với môi trường vì các điện tử - tác nhân chính của quá trình - là một tác nhân sạch.
Trong những năm gần đây, ứng dụng công nghệ điện hóa như một bước xử lý cấp 3 để giảm độ màu nước thải dệt nhuộm đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Những ưu điểm nổi trội của phương pháp: phạm vi áp dụng rộng, thiết bị đơn giản và gọn nhẹ, dễ hoạt động, nhiệt độ xử lý thấp hơn so với các phương pháp khác, tạo ít bùn thải và ít sản phẩm phụ sau quá trình xử lý, có thể xử lý triệt để các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.
Trong giải pháp này, nhóm tác giả thực hiện với mục đích nghiên cứu tính khả thi của phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm bằng điện hóa, với dự kiến là hỗ trợ và/hoặc thay thế phương pháp xử lý hiện hành với hóa - sinh.
Với nguyên lý: Hai điện cực (âm và dương) được thả vào trong nước thải dệt nhuộm, dòng điện sẽ chạy từ điện cực dương, vào trong nước thải, và vào điện cực âm. Việc dòng điện chạy qua nước thải sẽ giúp phân hủy và phá giải các chất gây ô nhiễm có trong nước, hỗ trợ quá trình xử lý mà gần như không yêu cầu bất kì một loại hóa chất phụ trợ nào.
Nội dung triển khai
Đề tài sử dụng phương pháp điện hóa để xử lý nước thải dệt nhuộm ở mức độ thực nghiệm quy mô nhỏ. Đây có thể coi là một hướng đi mới vì tài liệu ở chủ đề và quy mô này là gần như không có. So sánh với phương thức xử lý hóa - sinh hiện tại, điện hóa không có yêu cầu cao về chuyên môn, quy tắc vận hành hay không có nhu cầu sử dụng hóa chất cao.
Khả năng áp dụng đại trà trên quy mô công nghiệp tại Việt Nam vẫn đang được nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, đã có một số thông tin về áp dụng điện hóa để xử lý nước thải dệt nhuộm tại Bangladesh hay Ấn Độ. Điện hóa cũng được cho là có chi phí thiết kế, lắp đặt, thi công và vận hành rẻ hơn so với con đường hóa – sinh truyền thống. Tuy nhiên, thông tin này vẫn chưa được hoàn toàn kiểm chứng hay bác bỏ.
Hệ thống được thiết kế theo hình dạng hộp khối và được làm từ nhựa (xem bản Phụ lục thiết kế đính kèm) nhằm giảm khối lượng, và hỗ trợ quá trình vận chuyển, lắp đặp, vận hành và bảo quản. Do kích cỡ nhỏ, phần vỏ hộp của hệ thống và giá đỡ điện cực được tách làm hai phần riêng biệt. Trong bối cảnh quy mô công nghiệp, hai phần này sẽ được gắn liền với nhau.
Phương thức điện hóa dựa trên sự tương tác giữa dòng điện và nước thải. Theo đó, dòng điện một chiều chạy qua dung môi nước thải sẽ phân giải các chất gây ô nhiễm, và qua đó giảm các chỉ tiêu như COD, độ màu, lượng chất rắn lơ lửng… về mức độ cho phép. Trong đề tài này, ba loại vật liệu khác nhau được sử dụng để làm điện cực và so sánh mức độ hiệu quả, bao gồm nhôm 1050, thép không gỉ 304, và điện cực titan phủ hỗn hợp oxit của Iridium (Ir) và Ruthenium (Ru). Loại điện cực thứ ba còn được gọi là điện cực bền (DSA - Dimensionally stable anode).
Theo thiết kế, hệ thống có khả năng xử lý được 100 lít nước thải thô trong vòng 24 giờ về chuẩn B của xả thải dệt nhuộm. Do hạn chế về thời gian và bối cảnh, mục tiêu cụ thể của đề tài sẽ được chuyển thành xử lý 20 lít nước thải trong vòng 5 giờ đồng hồ.
Kết quả xử lý được đánh giá qua:
· Độ pH
· Nhiệt độ
· Độ màu
· Chất rắn lơ lửng (TSS)
· Chỉ số COD
|
Đại lượng
|
Ban đầu
|
Sau 5h xử lý
|
Giá trị cho phép
|
|
Điện cực nhôm
|
Điện cực DSA
|
Điện cực thép
|
|
pH
|
10.831
|
8.30
|
6.81
|
5.19
|
5.5-9
|
|
Nhiệt độ
|
25
|
25
|
25
|
25
|
<40
|
|
Thời gian (giờ)
|
Điện cực nhôm
|
Điện cực DSA
|
Điện cực thép
|
Chuẩn xả thải A
(Pt-Co)
|
Chuẩn xả thải B
(Pt-Co)
|
|
Độ màu
(Pt-Co)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
Độ màu
(Pt-Co)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
Độ màu
(Pt-Co)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
|
0
|
1040
|
0
|
1050
|
0
|
1060
|
0
|
63.75
|
170
|
|
1
|
100
|
90.4
|
1020
|
2.86
|
960
|
9.43
|
|
2
|
30
|
97.1
|
580
|
44.8
|
400
|
62.3
|
|
3
|
20
|
98.1
|
310
|
70.5
|
480
|
54.7
|
|
4
|
10
|
99.0
|
150
|
85.7
|
680
|
35.8
|
|
5
|
10
|
99.0
|
140
|
86.7
|
720
|
32.0
|
|
6
|
10
|
99.0
|
130
|
87.6
|
720
|
32.0
|
|
Thời gian
(giờ)
|
Điện cực nhôm
|
Điện cực DSA
|
Điện cực thép
|
Chuẩn xả thải A
(mg/l)
|
Chuẩn xả thải B
(mg/l)
|
|
TSS (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
TSS (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
TSS (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ
(%)
|
|
0
|
1037
|
0.0
|
1113
|
0.0
|
1045
|
0.0
|
42.5
|
85
|
|
1
|
617
|
40.5
|
512
|
54.0
|
770
|
26.3
|
|
2
|
480
|
53.7
|
426
|
61.8
|
730
|
30.1
|
|
3
|
375
|
63.8
|
333
|
70.1
|
770
|
26.3
|
|
4
|
190
|
81.7
|
310
|
72.2
|
795
|
23.9
|
|
5
|
115
|
88.9
|
261
|
76.6
|
765
|
26.8
|
|
6
|
70
|
93.2
|
210
|
81.2
|
505
|
51.7
|
|
Thời gian (giờ)
|
Điện cực nhôm
|
Điện cực DSA
|
Điện cực thép
|
Chuẩn xả thải A
(mg/l)
|
Chuẩn xả thải B
(mg/l)
|
|
COD (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ (%)
|
COD (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ (%)
|
COD (mg/l)
|
Mức độ loại bỏ (%)
|
|
0
|
1290
|
0.0
|
1300
|
0.0
|
1280
|
0.0
|
85
|
170
|
|
1
|
700
|
45.7
|
1160
|
10.8
|
1160
|
9.4
|
|
2
|
320
|
75.2
|
790
|
39.2
|
790
|
38.3
|
|
3
|
260
|
79.8
|
760
|
41.5
|
1200
|
6.3
|
|
4
|
210
|
83.7
|
670
|
48.5
|
1300
|
-1.6
|
|
5
|
165
|
87.2
|
640
|
50.8
|
1370
|
-7.0
|
|
6
|
155
|
88.0
|
540
|
58.5
|
1700
|
-32.8
|
Kết quả thực hiện
Hệ thống có thể xử lý được 100 lít nước thải dệt nhuộm nguyên chất trong vòng 24h. Ba loại vật liệu được so sánh: nhôm, thép, và DSA. Giữa ba loại vật liệu, nhôm cho kết quả tốt nhất, với việc loại bỏ toàn bộ sắc màu và giảm được các thông số COD, chất rắn lơ lửng, nhiệt độ và pH về trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn của Việt Nam.
Ngoài ra, giá tiền vận hành của thiết bị ở quy mô nhỏ chỉ hơi nhỉnh hơn giá vận hành của thiết bị xử lý nước thải hiện hành theo phương pháp hóa sinh ở quy mô lớn.
Theo nhóm tác giả, do không có những giải pháp tương đương đã thực hiện từ trước nên không thể so sánh tuyệt đối. Với hạn chế là không đủ thông tin và xử lý chưa triệt để, sử dụng nhôm là điện cực để xử lý nước thải dệt nhuộm có khả năng đạt quy chuẩn Việt Nam với công suất cần thiết (100 lít/ngày đêm). Tuy nhiên, ở cấu hình quy mô nhỏ hiện tại, hệ thống hộp khối dễ dàng mang vác, vận chuyển, lắp đặt và vận hành.
Chi phí vận hành của hệ thống hộp khối với phương pháp điện hóa ở quy mô nhỏ cao hơn so với chi phí của phương pháp hóa - sinh đang được trực tiếp áp dụng ở quy mô công nghiệp.
Tuyết Mai