Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu phương pháp oxy hóa bậc cao hệ Fenton trong xử lý độ màu và COD trong nước thải mía đường

Chia sẻ: Diệp Nhất Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu hiệu quả xử lý độ màu và COD trong nước thải đường mía bằng phương pháp oxi hóa bậc cao hệ Fenton. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu phương pháp oxy hóa bậc cao hệ Fenton trong xử lý độ màu và COD trong nước thải mía đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP OXI HÓA BẬC CAO HỆ FENTON TRONG XỬ LÝ ĐỘ MÀU VÀ COD TRONG NƯỚC THẢI MÍA ĐƯỜNG Ngành: MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Giảng viên hướng dẫn : ThS. Lâm Vĩnh Sơn Sinh viên thực hiện : Lê Sĩ Quí MSSV: 1311090496 Lớp: 13DMT05 TP. Hồ Chí Minh, 2017
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đề tài này là công trình nghiên cứu khoa học của tác giả. Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và có nguồn gốc. Tác giả xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng phản biện và pháp luật về các kết quả nghiên cứu của đề tài này. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện Lê Sĩ Quí i
LỜI CẢM ƠN Qua bốn năm học tập, nghiên cứu , rèn luyện ở trường nhờ sự chỉ dạy tận tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệ Tp. HCM đặc biệt là quý thầy cô Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường đã giúp em có được ngày càng nhiều kiến thức và những hiểu biết sâu sắc trong học tập cũng như trong thực tiễn hằng ngày. Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, trước hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường, trường Đại học Công nghệ Tp.HCM đã trang bị cho em vốn kiến thức quý báu trong suốt những năm học. Em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn, người thầy đã luôn hướng dẫn, theo dõi, nhắc nhở, động viên em trong những giai đoan khó khăn của đề tài để luận văn có thể hoàn thành đúng tiến độ và đảm bảo những yêu cầu đặt ra. Xin cảm ơn các thầy cô làm việc trong Phòng thí nghiệm khoa Công Nghệ Sinh học – Thực phẩm – Môi trường, Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy và giúp đỡ trong thời gian em tiến hành phân tích mẫu. Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thiện Đồ án tốt nghiệp này nhưng có thể đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót, vì vậy em mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô, Hội đồng phản biện để đề tài này hoàn thiện hơn. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện Lê Sĩ Quí ii
TÓM TẮT Độ màu là thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước. Không chỉ ảnh hưởng về mặt cảm quan mà nước thải có độ màu cao còn gây ô nhiễm môi trường như cản trở hoạt động sống của sinh vật thủy sinh, giảm khả năng tự làm sạch của nước. Theo các tài liệu nghiên cứu, độ màu của nước thải mía đường chưa xử lý thường có màu màu nâu, đen, đỏ vàng, vàng. Các phương pháp khử màu hiện nay như keo tụ, sinh học đa số chỉ xử lý được các chất màu ở dạng chất rắn lơ lửng hoặc cấu trúc phân tử đơn giản. Tuy nhiên đối với nước thải mía đường, chất màu là các phân tử khối lượng lớn khó bị phân hủy. Vì vậy đề tài này nghiên cứu khả năng khử màu của các phương pháp oxy hóa bậc cao, cụ thể trong bài nghiên cứu này là công nghệ Fenton để đưa ra phương pháp khử màu hiệu quả cho nước thải mía đường. Sắc tố từ cây mía, melanoidins, HADPs, caramels là các chất màu chính của nước thải sản xuất mía đường. Phương pháp khử màu bằng hệ tác nhân Fenton đã được nghiên cứu để đưa ra đánh giá về khả năng khử các chất màu cao phân tử bằng phương pháp oxy hóa bậc cao. Tỉ lệ H2O2/COD, Fe(II)/H2O2, pH, thời gian lưu là các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khử màu của hệ tác nhân Fenton. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả độ màu và COD được xử lý đến 89.96% và 68.71%, với nước thải được pha loãng 2 lần, 0.133 mol H2O2/L, 0.0150 mol Fe(II)/L, pH = 3, thời gian phản ứng 80 phút. Độ màu sau xử lý đạt cột A QCVN 40:2011/BTNMT cho thấy khả năng ứng dụng các phương pháp oxy hóa bậc cao vào mục đích khử độ màu của nước thải công nghiệp. Từ khóa: độ màu, nước thải mía đường, sắc tố mía, melanoidins, HADPs, caramels, khử màu, phương pháp oxy hóa bậc cao, Fenton iii
ABSTRACT Colour is an important parameter that be used to assess the quality of water. It's not only influence to water’s unacceptable sensory, but also a pollutant for the environment due to inhibiting the living activity of aquatic microorganisms, reducing self-purification ability of water. According to the references, colour in sugar cane’s untreated wastewater like brown, reddish yellow, yellow. The conventional decolourizing methods, such as coagulation, biology mostly degrade colourants which are in form of suspended solid or have simple molecular structures. However, colourants in sugar cane’s wastewater are polymeric recalcitrant compounds. For that problem decolourization by Advanced Operation Processes (AOPs), especially in this study is Fenton technology, is studied to find the effective decolourization method for sugar cane’s wastewater. Plant pigments, melanoidins, HADPs are mainly colourants found in sugar cane’s wastewater. The Fenton processes has been studied to evaluate the decolourized ability of high molecular weight coloured compounds of all Advanced Oxidation Processes. H2O2/COD ratio, Fe(II)/H2O2 ratio, pH, retention time are parameters affected to Fenton’s reagent’s decolourization efficience. From the exprimental results showed that both colour and COD were degraded to 89.96% and 68.71%, respectively, with wastewater dilluted 2 times, 0.133 mol H2O2/L, 0.0150 mol Fe(II)/L, pH = 3, 80 minutes of treatment time. Colour after treatment achieved to column A, QCVN 40:2011/BTNMT lead to AOPs’ potential in term of decolourization of industrial wastewater. Keywords: colour, sugar cane’s wastewater, cane pigments, melanoidins, HADPs, caramels, decolourization, Advanced Oxidation Processes, Fenton. iv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................................ii TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii ABSTRACT .......................................................................................................................iv MỤC LỤC ........................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT......................................................... viii DANH MỤC BẢNG ..........................................................................................................ix DANH MỤC HÌNH ...........................................................................................................xi PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ....................................................................................................... 2 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................................... 2 4. ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 2 5.1 Phương pháp luận ........................................................................................................... 2 5.2 Phương pháp thực nghiệm .............................................................................................. 4 PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ .............................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ......................................... 5 1.1 Tổng quan ngành đường ................................................................................................. 5 1.1.1 Ngành mía đường thế giới ........................................................................................... 5 1.1.2 Ngành mía đường Việt Nam ....................................................................................... 6 1.1.3 Tình hình sản xuất mía đường trên cả nước ................................................................ 9 1.1.4 Quy trình sản xuất đường .......................................................................................... 15 1.1.5 Nguồn gốc nước thải sản xuất đường ........................................................................ 18 1.1.6 Thành phần và tính chất nước thải sản xuất đường ................................................... 19 1.1.6.1 Độ màu trong nước thải mía đường ....................................................................... 21 1.1.6.2 Phương pháp khử màu nước thải mía đường ......................................................... 27 v
1.2 Tổng quan quá trình oxy hóa bậc cao........................................................................... 29 1.2.1 Tổng quan các quá trính oxy hóa bậc cao ................................................................. 30 1.2.2 Phương pháp oxy hóa bậc cao bằng hệ Fenton ......................................................... 33 1.2.3 Cơ chế khử màu và COD của quá trình xử lý Fenton ............................................... 35 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình Fenton .................................................................... 37 1.2.4.1 Ảnh hưởng của độ pH .......................................................................................... 37 1.2.4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe2+/H2O2............................................................................. 38 1.2.4.3 Thời gian phản ứng và nồng độ chất ô nhiễm ....................................................... 38 1.3 Ứng dụng phương pháp fenton ..................................................................................... 39 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 41 2.1 Vật liệu nghiên cứu...................................................................................................... 41 2.1.1 Nước thải mía đường ................................................................................................ 41 2.1.2 Dụng cụ và hóa chất .................................................................................................. 41 2.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 41 2.2.1 Phương pháp phân tích mẫu ...................................................................................... 41 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm ........................................................................................ 42 2.2.2.1 Mô hình thực nghiệm ............................................................................................. 42 2.2.3 Phương pháp khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa bậc cao bằng hệ tác nhân Fenton ........................................................................................................................ 43 2.2.3.1 Thí nghiệm Xác định lượng H2O2 tối ưu với tải trọng nước thải ban đầu ............. 47 2.2.3.2 Thí nghiệm xác định tải trọng nước thải tối ưu ...................................................... 48 2.2.3.4 Thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu ứng với tải trọng nước thải tối ưu .......... 49 2.2.3.5 Thí nghiệm xác định lượng Fe2+ tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu ................... 50 2.2.3.6 Thí nghiệm xác định lượng pH tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu ..................... 50 2.2.3.7 Thí nghiệm xác định lượng thời gian xử lý tối ưu với tải trọng nước thải tối ưu .. 51 2.2.4 Phương pháp khảo sát điều kiện tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông...................... 52 2.2.4.1 Thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu ................................................................. 52 2.2.4.2 Thí nghiệm xác định pH tối ưu............................................................................... 52 1.2.4 Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................................... 53 vi
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 54 3.1 Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải mía đường bằng quá trình Fenton ....................... 54 3.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với nước thải đầu vào................................................................................................................ 54 3.1.2 Kết quả nghiên cứu tải trọng COD tối ưu nước thải ................................................. 55 3.1.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu ......................................................................................................... 57 3.1.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng Fe2+ ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu ......................................................................................................... 58 3.1.5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng pH ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu ......................................................................................................... 60 3.1.6 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phản ứng ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu .............................................................................................. 62 3.1.7 Nhận xét khả năng xử lý nước thải mía đường bằng công nghệ Fenton ................... 63 3.2 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm đối chứng keo tụ, keo tụ - Fenton .............................. 64 3.2.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng phèn nhôm đến quá trình keo tụ đối với tải trọng tối ưu ......................................................................................................................... 64 3.2.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng pH đến quá trình keo tụ đối với tải trọng tối ưu ..... 66 3.2.3 Kết quả nghiên cứu đối chứng công nghệ Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton đối với hiệu quả xử lý COD ............................................................................................................ 67 3.2.4 Kết quả nghiên cứu đối chứng công nghệ Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton đối với hiệu quả xử lý độ màu ........................................................................................................ 69 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 71 Kết luận............................................................................................................................... 71 Kiến nghị ............................................................................................................................ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 73 PHỤ LỤC vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AOPs: Advanced Operation Processes – Các quá trình oxy hóa nâng cao BOD: Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa sinh học COD: Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa hóa học DO: Dissolved Oxygen – Oxy hòa tan HADPs: Alkaline Degradation Products of Hexoses – Sản phẩm phân hủy kiềm của hexoses PAC: Poly Aluminium Chloride TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TDS: Total Dissolved Solids – Tổng chất rắn hòa tan viii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Kế hoạch sản xuất xuất vụ 2013/14 của các nhà máy đường cả nước .............. 13 Bảng 1.2: Các thông số hóa lý của nước thải mía đường (Poddar and Sahu, 2015) .......... 20 Bảng 1.3: Nguồn gốc, khối lượng phân tử các chất màu của nước thải sản xuất mía đường (1 kDa = 1000 MW) ........................................................................................................... 22 Bảng 1.4: Một số chất flavonoids ....................................................................................... 25 Bảng 1.5: Một số phương pháp khử màu nước thải của ngành sản xuất đường trên thế giới. (Y. Anjaneyulu et al., 2005) ....................................................................................... 27 Bảng 1.6: Khả năng oxy hóa của một số tác chất............................................................... 29 Bảng 1.7: So sánh hằng số tốc độ của ozone và gốc tự do hydroxy .................................. 30 Bảng 1.8: Các quá trình oxy hóa bậc cao không nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Non – Photochemical Oxidation Process – ANPO) ...................................................................... 31 Bảng 1.9: Các quá trình oxy hóa bậc cao nhờ tác nhân ánh sáng (Advanced Photochemical Oxidation Process – APO) ......................................................................... 32 Bảng 1.10: Phân loại các quá trính AOPs thường dùng ..................................................... 33 Bảng 1.11: Các phản ứng chính trong quá trình Fenton (Deng and Zhao, 2015) .............. 34 Bảng 1.12: Ưu điểm và nhược điểm của quá trình Fenton ................................................ 35 Bảng 1.13: Một số nghiên cứu về oxy hóa bằng Fenton ................................................... 40 Bảng 2.1: Các thông số quan trắc hiệu quả xử lý trong quá trình thực nghiệm ................. 41 Bảng 2.2: Các thông số thực hiện thí nghiệm khảo sát sơ bộ ............................................ 47 Bảng 2.3: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu ...................... 48 Bảng 2.4: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định tải trọng COD tối ưu ................... 49 Bảng 2.5: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng H2O2 tối ưu ....................... 49 Bảng 2.6: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng Fe(II) tối ưu ...................... 50 Bảng 2.7: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định lượng pH tối ưu ........................... 51 Bảng 2.8: Các thông số thực hiện thí nghiệm xác định thời gian xử lý tối ưu ................... 51 Bảng 2.9: Quy trình thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu.............................................. 52 Bảng 2.10: Quy trình thí nghiệm xác định pH tối ưu ......................................................... 53 Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với ix
nước thải đầu vào................................................................................................................ 54 Bảng 3.2: Kết quả nghiên cứu tải trọng COD tối ưu nước thải .......................................... 56 Bảng 3.3: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng H2O2 ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu .................................................................................................... 57 Bảng 3.4: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng Fe2+ ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu .................................................................................................... 59 Bảng 3.5: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng pH ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu ......................................................................................................... 61 Bảng 3.6: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phản ứng ban đầu đến hiệu quả xử lý đối với tải trọng nước thải tối ưu ........................................................................................ 62 Bảng 3.7: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng lượng phèn nhôm đến quá trình keo tụ đối với tải trọng tối ưu .................................................................................................................... 65 Bảng 3.8: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng pH đến quá trình keo tụ đối với tải trọng tối ưu ............................................................................................................................................ 66 Bảng 3.9: Kết quả nghiên cứu đối chứng công nghệ Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton đối với hiệu quả xử lý COD...................................................................................................... 68 Bảng 3.10: Kết quả nghiên cứu đối chứng công nghệ Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton đối với hiệu quả xử lý độ màu .................................................................................................. 69 x
DANH MỤC HÌNH Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu ..................................................................................................... 3 Hình 1.1: Sản lượng đường toàn cầu thế giới qua các năm.................................................. 6 Hình 1. 2: Diện tích gieo trồng và sản lượng mía các năm .................................................. 9 Hình 1.3: Sản lượng đường qua các năm ........................................................................... 10 Hình 1.4: Biểu đồ phân bố các công ty mía đường tại Việt Nam ...................................... 13 Hình 1.5: Sơ đồ công nghệ sản xuất đường........................................................................ 15 Hình 1.6: Các công đoạn xả thải và chất thải từ quy trình sản xuất ................................... 18 Hình 1.7: Cấu trúc hóa học các chất flavonoids ................................................................. 26 Hình 2.1: Mô hình Jatest tại phòng thí nghiệm .................................................................. 42 Hình 2.2: Tiến hành điều chỉnh mẫu nước thải về pH 3 .................................................... 43 Hình 2.3: Lần lượt cho Fe2+, H2O2 vào mẫu và đem đi khuấy 130 rpm ............................ 44 Hình 2.4: Điều chỉnh mẫu về pH 7 bằng dung dịch NaOH, H2SO4 ................................... 44 Hình 2.5: Để mẫu lắng 10’, sau đó hút nước phần trên đem đi phân tích .......................... 45 Hình 2.6: Quy trình thí nghiệm khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa bậc cao bằng hệ tác nhân Fenton ..................................................................................................... 46 Hình 3.1: Ảnh hưởng của lượng H2O2 đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (đối với nước thải ban đầu) .................................................................................... 55 Hình 3.2: Ảnh hưởng tải trọng nước thải đầu vào đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton .................................................................................................................. 56 Hình 3.3: Ảnh hưởng của lượng H2O2 đến khả năng khử màu và khử CODcủa quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)...................................................................................................... 57 Hình 3.4: Ảnh hưởng của lượng Fe2+ đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu)...................................................................................................... 59 Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu) .................................................................................................................. 61 Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng khử màu và khử COD của quá trình Fenton (tải trọng tối ưu) ............................................................................................. 63 Hình 3.7: Ảnh hưởng lượng phèn nhôm đến quá trình keo tụ (tải trọng tối ưu) ................ 65 xi
Hình 3.8: Ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình keo tụ (tải trọng tối ưu) ...................... 66 Hình 3.9: Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý COD của các công nghệ: Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton (tải trọng tối ưu, số lần lặp lại thí nghiệm: 9 lần) ................................................... 68 Hình 3.10: Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý độ màu của các công nghệ: Fenton, Keo tụ, Keo tụ - Fenton (tải trọng tối ưu, số lần lặp lại thí nghiệm: 9 lần) ............................................ 69 xii
Đồ Án Tốt Nghiệp PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nước ta có điều kiện tự nhiên vô cùng thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp, diện tích trồng mía làm nguyên liệu phục vụ cho ngành sản xuất đường mía vì vậy cũng rất rộng lớn. Ngành công nghiệp mía đường là một trong những ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Ngành công nghiệp mía đường Việt Nam thực sự bắt đầu hình thành tại miền Nam Việt Nam từ đầu thế kỷ thứ XX, tập trung nhiều ở miền Trung và miền Tây Nam Bộ. Tính đến năm 2012, Việt Nam có khoảng 50 nhà máy đường với tổng công suất thiết kế 127.600 tấn mía/ngày, sản xuất được hơn 1,45 triệu tấn đường/năm. Trước năm 1990 hầu hết các trang thiết bị máy móc, dây chuyền công nghệ trong các nhà máy đường đều củ kỹ, lạc hậu trình độ chất lượng sản phẩm còn thấp. Trong những năm gần đây, do sự đầu tư công nghệ và thiết bị hiện đại, các nhà máy đường đã không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm đáp ứng nhu cầu tiêu dụng và giải quyết được cho rất nhiều người lao động có việc làm. Bên cạnh sự phát triển của kinh tế thì vấn đề môi trường rất quan trọng.Trong các cơ sở sản xuất mía đường, nước thải thường có độ pH trung bình 7,5 - 8, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD) rất cao, có thể lên đến 2000mg/l và 7000mg/l. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép. Phần lớn các chất rắn lơ lửng có trong nước thải nghành công nghiệp mía đường ở dạng vô cơ. Khi thải ra môi trường thì các chất này có khả năng lắng và tạo thành một lớp dày ở đáy nguồn nước, phá hủy hệ sinh vật. Gây nên qua trình phân hủy kị khí tạo ra các khí độc như: H2S, CO2, CH4. Gây thiếu hụt oxy trong nguồn nước, làm mất cân bằng sinh thái trong môi trường nước. Hiện nay, ở các khu vực có cơ sở sản xuất mía đường đang phải chịu sức ép nặng nề về ô nhiễm môi trường. Đứng trước hiện trạng đó, phải tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hiệu quả, cải tạo lại các hệ thống và công nghệ xử lý hiện hữu. Với đặc trưng của nước thải mía đường thường có chứa lượng lớn hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân huỷ sinh học, việc áp dụng đơn thuần phương pháp sinh học để xử lý loại nước này không thể loại 1
Đồ Án Tốt Nghiệp bỏ hết được. Vì lý do trên em xin tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương pháp oxy hóa bậc cao hệ Fenton trong xử lý độ màu và COD trong nước thải mía đường ” Qua đó muốn đưa ra một phương pháp xử lý đạt hiệu quả cao, dễ dàng thực hiện ở nhiệt độ thường, thời gian xử lý nhanh, hoá chất dễ tìm và chi phí vận hành không quá lớn 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu hiệu quả xử lý độ màu và COD trong nước thải đường mía bằng phương pháp oxi hóa bậc cao hệ Fenton 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan các quá trình oxi hóa bậc cao và nước thải mía đường. - Phân tích độ màu và COD trong nước thải nhà máy đường. - Xử lý nước thải nhà máy đường bằng phương pháp oxy hóa bậc cao, khảo sát các điều kiện tối ưu gồm: pH, tỉ lệ Fe2+/H2O2, thời gian phản ứng. - Xác định tỉ lệ pha loãng nước thải phù hợp cho quá trình xử lý được tối ưu. - Sử dụng các điều kiện tối ưu để khảo sát khả năng khử độ màu và COD của nước thải nhà máy đường. - So sánh khả năng đối chứng khử màu và COD của phương pháp Fenton với công nghệ khử màu và COD thường dùng (keo tụ). 4. ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nước thải mía đường từ nhà máy đường La Ngà lấy từ bể thu gom Dựa trên mẫu nước thải thực tế để khảo sát khả năng khử màu và COD trong các điều kiện tối ưu ở quy mô phòng thí nghiệm. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1 Phương pháp luận Đề tài dựa trên phương pháp thu thập thông tin khoa học trên cơ sở nghiên cứu các thông tin. Trên cơ sở đó, đề tài lập ra khung nghiên cứu cho phương pháp luận cụ thể như sau: 2
Đồ Án Tốt Nghiệp Độ màu trong nước thải Thu thập dữ liệu Các biện pháp xử lý Xử lý chất tạo màu: melanoidins, HADPs, caramels Phân tích số liệu, lựa chọn phương pháp xử lý Xử lý bằng phương pháp AOPs Thành phần, tính chất nước thải Mẫu nước thải Độ hấp thu, COD, pH Phương pháp quang học Phương pháp Khảo sát thông số tối ưu bicromat Phân tích mẫu Lượng H2O2 Tỉ lệ Fe2+/H2O2 Đánh giá khả năng khử màu bằng phương pháp AOPs pH. Thời gian phản ứng Thí nghiệm đối chứng công nghệ “Keo tụ , Keo tụ - Fenton” Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu 3
Đồ Án Tốt Nghiệp 5.2 Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp thu thập tài liệu: dữ liệu được thu thập từ kết quả nghiên cứu, các tài liệu và các trang web liên quan. - Phương pháp khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát vể tính chất và thành phần nước thải. - Phương pháp xây dựng mô hình: vận hành mô hình mô phỏng ở quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước thải. 4
Đồ Án Tốt Nghiệp PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan ngành đường 1.1.1 Ngành mía đường thế giới Đường đã từng là một mặt hàng xa xỉ vào giai đoạn cuối thế kỷ XV đầu thế kỷ XVI, khi người Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha mở rộng trồng trọt mía ở Puerto Rico, Cuba và Brazil và vận chuyển ngược về Châu Âu để tinh luyện. Đến thế kỷ XVII, đế quốc Anh thiết lập vùng canh tác mía và sản xuất đường quy mô lớn tại quần đảo Tây Ấn, biến đường trở thành một sản phẩm phổ dụng cho mọi tầng lớp. Sang đến đầu thế kỷ XIX, củ cải đường bắt đầu được sử dụng để sản xuất đường ở Đức và gần một thế kỷ sau đó, nông sản này đã gần như thay thế cây mía và trở thành nguồn nguyên liệu chính cho ngành sản xuất đường trên khắp Châu Âu. Tính đến nay, ngành sản xuất đường là một trong những ngành công nghiệp chế biến nông sản lâu đời nhất trên thế giới, với hơn 100 quốc gia và vùng lãnh thổ tham gia vào chuỗi giá trị. Quy mô sản lượng đường toàn cầu khoảng 174.8 triệu tấn trong mùa vụ 2013/14 (USDA) và đạt mức tăng trưởng trung bình khoảng 2%/năm (Credit Suise). Đường có thể được sản xuất từ hai loại nguyên liệu chính: Mía (75-80% lượng cung toàn cầu, trồng chủ yếu tại các nước nhiệt đới) và Củ cải đường (25-30%, tại các nước ôn đới) (Credit Suise). Một số quốc gia như Mỹ hoặc Trung Quốc có thể trồng được cả hai loại nông sản này do diện tích rộng lớn. Củ cải đường là cây ngắn ngày nên diện tích gieo trồng phụ thuộc lớn vào xu hướng giá của các loại nông sản khác, đặc biệt là ngũ cốc. Trong khi đó cây mía thông thường mất khoảng 12 tháng đến 16 tháng từ lúc gieo trồng đến lúc thu hoạch và một gốc mía có thể được sử dụng trong 5 năm, sau khoảng thời gian này chữ đường trong mía sẽ bị giảm sút. Ngành sản xuất đường là một ngành thâm dụng lao động nên rất nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang thực hiện cơ chế bảo hộ thông qua các phương thức khác nhau. Tại Mỹ, chính phủ vẫn tiếp tục duy trì chương trình trợ cấp ngành sản xuất đường nội địa bằng cách hạn chế nhập khẩu, hạn chế diện tích trồng mía và trợ giá cho nông dân (US Farm Bill). Tại khối Liên Minh EU, chính sách quản lý sản xuất bằng quota cấp cho từng thành viên, quy định giá thu mua nguyên liệu tối thiểu và giá giao dịch tham chiếu cho đường trắng và đường thô (EU Sugar Regime) đã biến EU từ một khu vực xuất khẩu ròng đường thành một trong những khu vực nhập khẩu đường lớn trên thế giới. Trung 5
Đồ Án Tốt Nghiệp Quốc, nước nhập khẩu đường lớn thứ hai thế giới năm 2013 (3.8 triệu tấn theo USDA) cũng đang duy trì một mức quota nhập khẩu khoảng 1.9 triệu tấn đường/năm theo thoả thuận với WTO, theo đó lượng đường nhập trong quota sẽ chỉ phải chịu thuế suất nhập khẩu 5% trong khi số lượng vượt quá quota bị áp thuế lên đến 50%. Quy mô giao dịch đường trên thị trường thế giới vào khoảng 55-60 triệu tấn, trong đó những nước sản xuất lớn nhất là Brazil (22% tổng sản lượng), Ấn Độ (15%), Trung Quốc (8%) và Thái Lan (6%). Do tại Ấn Độ và Trung Quốc, nhu cầu tiêu thụ nội địa lớn hơn sản lượng sản xuất, cho nên nguồn cung đường trên thị trường quốc tế phụ thuộc lớn vào hai quốc gia còn lại là Brazil và Thái Lan. Hình 1.1 Sản lượng đường toàn cầu thế giới qua các năm (USDA) 1.1.2 Ngành mía đường Việt Nam Cây mía và nghề làm mật, đường ở Việt Nam đã có từ thời xa xưa nhưng công nghiệp mía đường mới chỉ được phát triển từ những năm 1990. Cho đến năm 1994 cả nước chỉ mới có 9 nhà máy đường mía với tổng công suất dưới 11.000 tấn mía/ngày và 2 nhà máy tinh luyện công suất nhỏ, thiết bị lạc hậu dẫn đến việc mỗi năm phải nhập khẩu trung bình từ 300 ngàn đến 500 ngàn tấn đường. Nhận thấy được những lãng phí rất lớn trong chế biến và sản xuất đường nội địa, chương trình mía đường đã được khởi động kể từ năm 1995. Chương trình này được chọn là chương trình khởi đầu để tiến hành công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn, xoá đói, giảm nghèo, giải 6
Đồ Án Tốt Nghiệp quyết việc làm cho lao động nông nghiệp. Ngành mía đường được giao “không phải là ngành kinh tế vì mục đích lợi nhuận tối đa mà là ngành kinh tế xã hội”. Đứng về mặt chính sách, có thể nói chương trình này đã giải quyết được hai trục trặc lớn nhất của ngành mía đường Việt Nam lúc bấy giờ là chính sách tài chính, giải quyết nguồn vốn hỗ trợ, không phải vay lãi suất cao, thứ hai là cổ phần hóa các doanh nghiệp mía đường. Nhờ hai chính sách đó mà ngành mía đường đã có những bước phát triển nhất định, thay thế nhập khẩu hàng tỷ đô la, đáp ứng cơ bản được nhu cầu tiêu dùng trong nước và quan trọng nhất là tạo ra hàng triệu việc làm. Sản lượng đường Việt Nam sản xuất được trong niên vụ 2013/14 ước đạt 1.6 triệu tấn đường, chỉ chiếm khoảng 0.9% tổng sản lượng đường của cả thế giới. Niên vụ này, năng suất mía bình quân cả nước đạt khoảng 63.9 tấn mía/ha, tăng khoảng 19.5% so với mười năm trước đây. Nếu so với năng suất bình quân thế giới (70.2 tấn/ha) thì còn thấp hơn 8,8% tuy nhiên khoảng cách đang dần được thu hẹp sau thời gian. Quy mô thương mại đường của Việt Nam với các nước còn lại trên thế giới là không đáng kể, kim ngạch xuất khẩu đường năm 2013 đạt 202.2 triệu USD, chủ yếu là hoạt động xuất đường tinh đi Trung Quốc (~95%) trong khi nhập khẩu năm 2013 vào khoảng 126.8 triệu USD chủ yếu từ Thái Lan (đường tinh), Mỹ (đường thô và đường khác) và Trung Quốc (đường khác). Tính trong khu vực Asean, Việt Nam gần nước xuất khẩu đường lớn thứ 2 thế giới là Thái Lan (~14.8% kim ngạch xuất khẩu toàn cầu vụ 2013/14) và chịu đến 300-500 ngàn tấn đường nhập lậu và thẩm lậu qua hoạt động tạm nhập tái xuất từ biên giới phía Tây Nam vốn là đường có nguồn gốc từ Thái Lan có giá thành sản xuất rẻ hơn và trốn thuế. Việt Nam còn nằm gần các nước nhập khẩu đường lớn nhất thế giới như Indonesia (~7% kim ngạch nhập khẩu toàn cầu vụ 2013/14) và Trung Quốc (~5.3%). Tuy nhiên, việc ồ ạt phát triển những dự án nhà máy mía đường nhưng thiếu quy hoạch dài hạn đã để lại rất nhiều di chứng khó lường về sau. Khi hình thành nên các nhà máy đường, các địa phương đã không tính đến việc xây dựng nên các vùng mía nguyên liệu tập trung như các nông trại mà chỉ trồng xen kẽ với nhiều loại cây trồng khác. Đến khi đất nước bước vào nền kinh tế thị trường, người nông dân bám theo thị trường để trồng các loại cây trồng có thu nhập cao nên dần dần diện tích cây mía bị thu hẹp và bị đẩy vào những vùng đất đồi, bạc màu, cằn cỗi, đất nhiễm phèn, nhiễm mặn. Vùng 7