Hấp phụ kẽm trong nước thải xi mạ bằng bùn thải từ quá trình xử lý nước cấp

Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến quá trình hấp phụ bằng vật liệu hấp phụ biến tính nhiệt từ bùn thải từ nhà máy xử lý nước cấp để loại bỏ Kẽm trong nước thải xi mạ. Vật liệu hấp phụ được xử lý bằng cách sấy ở 1000C đến khối lượng không đổi, nghiền mịn bằng máy nghiền bi ở tốc độ 20 vòng/phút, sau cùng nung ở các mức nhiệt độ khác nhau. Phân tích XRF đã cho thấy thành phần kim loại chính của bùn là nhôm, sắt, silic và calci, các thành phần khác chiếm tỷ lệ nhỏ. pH, hàm lượng xúc tác (Cxt), thời gian hấp phụ (ta), nhiệt độ nung (Tb) đều có ảnh hưởng lớn đến quá trình hấp phụ. Ở điều kiện: pH 8.0, hàm lượng chất hấp phụ 0.4 g/L, thời gian hấp phụ 60 phút, nồng độ Zn2+ = 0.0 mg/l, đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A.

Đặt vấn đề

Nước thải từ quá trình xi mạ thường làm ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng vì một lượng lớn hóa chất độc hại theo nguồn nước thải ra môi trường. Trong đó, xi mạ kẽm chiếm tỷ lệ lớn nhằm phục vụ cho nhu cầu xây dựng dân dụng và công nghiệp. Nước thải xi mạ Kẽm có pH dao động rất lớn từ 2.0 đến 12.0, hàm lượng muối vô cơ và kim loại nặng rất cao [1]. Các chất ô nhiễm này nếu không được loại bỏ sẽ gây độc các sinh vật nước, tạo ra sự tích tụ sinh học đáng lo ngại theo chiều dài chuỗi thức ăn [1]. Ngoài ra các chất ô nhiễm này còn ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng, vật nuôi, canh tác nông nghiệp, làm thoái hoá đất [2]. Nước thải từ các quá trình xi mạ kẽm, nếu không được xử lý, qua thời gian tích tụ và bằng con đường trực tiếp hay gián tiếp sẽ tồn đọng trong cơ thể con người và gây các bệnh nghiêm trọng như viêm loét da, viêm đường hô hấp, ung thư,... [1].

Hiện nay nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ các tạp chất này như kết tủa, trao đổi ion, keo tụ …[2], nhưng lại rất tốn kém và không hiệu quả về kinh tế, sử dụng nhiều hóa chất để xử lý, diện tích xây dựng lớn. Bên cạnh đó, một lượng bùn thải lớn phát sinh hàng ngày tại các nhà máy xử lý nước cấp cần được xử lý. Thành phần chính của loại bùn này thường là Fe2O3, Al2O3, SiO2, các oxit này đã được nhiều nghiên cứu khẳng định là có khả năng hấp phụ kim loại rất tốt [1]. Vì vậy, để giải quyết các vấn đề trên, ý tưởng tận dụng lại lượng bùn thải này làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nước thải xi mạ đã được thử nghiệm. Giải pháp này có thể giảm lượng bùn thải xi mạ, giảm lượng hóa chất xử lý, giảm giá thành xử lý nước thải xi mạ.

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu

Nước thải dệt nhuộm được lấy từ bể mạ kẽm kiềm tại nhà máy xi mạ tại Tân Uyên, Bình Dương, sau đó để lắng trong 1 giờ, sử dụng phần nước trong làm nguồn nước phục vụ thí nghiệm với các thông số đầu vào được thể hiện ở bảng 1.

Bảng 1: Đặc tính nước thải trước xử lý

Bùn xử lý nước cấp: Bùn thải lấy từ hố thu bùn của nhà máy xử lý nước mặt tại Hóc Môn (SWTS) và nhà máy xử lý nước ngầm tại Tân Phú (GWTS), phơi khô đến khối lượng không đổi, sau đó nghiền bằng máy nghiền bi trong 30 phút với tốc độ 20 vòng/phút. Tiếp theo, bùn được nung ở các nhiệt độ khác nhau 4000C, 5000C, 6000C, 7000C trong 2 giờ, sau đó để nguội rồi lưu trữ trong các bình kín.

Phương pháp thực hiện

Thử nghiệm hấp phụ được thực hiện bằng cách châm 200 ml nước thải vào bình tam giác, chỉnh pH, lượng SWTSA và GWTSA theo từng nghiệm thức, khuấy đều với tốc độ 100 vòng/phút. Dung dịch sau xử lý lắng 15 phút, rút phần nước trong đo hàm lượng Zn2+.

Phương pháp đánh giá

Thành phần kim loại trong bùn được xác định bằng phương pháp XRF (S2 PUMA – Bruker – Đức), pH được xác định trực tiếp bằng máy đo pH cầm tay Milwaukee MW 101 Meter, Zn2+ được phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (SensAA Dual – GBC Scientific – Úc).

Kết quả và thảo luận

Kiểm tra đặc tính vật liệu hấp phụ

Kết quả phân tích XRF của 2 mẫu vật liệu SWTSA và GWTSA được biến tính từ 2 bùn thải SWTS và GWTS được trình bày tại bảng 2.

Bảng 2: Bảng kết quả phân tích XRF

Kết quả cho thấy thành phần bùn thải trong nhà máy xử lý nước mặt và nước ngầm khá khác biệt. Trong nhà máy xử lý nước mặt, phèn PAC được dùng để keo tụ nên hàm lượng Al2O3 cao, hàm lượng Fe2O3 trong bùn là do phù sa trong nước chứa một lượng sắt nhất định. Ngoài ra, do nhà máy sử dụng vôi ít hơn nên hàm lượng CaO thấp hơn nhiều. Trong bùn thải nhà máy xử lý nước ngầm, thành phần chính là CaO, SiO2 và Fe2O3, còn những thành phần khác ít ảnh hưởng đến môi trường cũng như sức khoẻ con người.

Thí nghiệm so sánh khả năng hấp phụ của 2 loại vật liệu hấp phụ

Thí nghiệm so sánh khả năng hấp phụ của 2 loại DWTSA (hình 1) cho thấy, bùn nước mặt có hiệu quả hấp phụ tốt nhất với nhiệt độ nung 5000C. Do hàm lượng Al2O3 lớn và có độ phân tán cao, cấu trúc khuyết, thể tích mao quản, diện tích bề mặt lớn thích hợp làm vật liệu hấp phụ [3].

Ảnh hưởng của pH

Theo hình 2, ST100 – ST700 tương ứng là nhiệt độ nung của mẫu bùn, một mẫu trắng cũng được thực hiện trong điều kiện thay đổi pH, không sử dụng vật liệu hấp phụ (trong điều kiện pH cao, một lượng ion Kẽm có thể kết tủa). Kết quả thí nghiệm từ cho thấy, hiệu quả hấp phụ không tốt ở các giá trị pH thấp và tăng dần khi pH tăng và đạt giá trị khá ổn định ở pH 8.0. Điều này có thể được giải thích như sau: Ở điều kiện pH thấp, nồng độ của ion H+ tăng, vì vậy lực tương tác là lực đẩy tĩnh điện, dẫn đến làm giảm hiệu quả hấp phụ. Ngược lại, khi pH tăng, nồng độ ion H+ giảm và quá trình hấp phụ giống như sự trao đổi giữa H+ và Zn2+ [4]. Bên cạnh đó, hiệu quả hấp phụ tăng dần theo nhiệt độ nung và ổn định ở mức 5000C – 7000C. Nguyên nhân có thể do nhiệt độ cao hơn 5000C các chất hữu cơ ở trong bùn phân hủy triệt để tạo ra kết cấu xốp làm tăng diện tích tiếp xúc của vật liệu hấp phụ [1].

Hình 2: Ảnh hưởng của pH

Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ

Để lựa chọn khối lượng SWTSA tốt nhất cho việc loại bỏ Zn2+, khảo sát đã được tiến hành với lượng SWTSA thay đổi từ 0.1 đến 0.5 g/L với nồng độ ban đầu của Zn2+ là 76.2 mg/L trong 60 phút, pH = 8.0 và tốc độ khuấy 100 vòng/phút. Theo kết quả khảo sát, ở 5000C với nồng độ SWTSA tăng dần từ 0.1 đến 0.4 g/L thì nồng độ Zn2+ giảm đều và hầu như không thay đổi ở 0.5 g/L. Nhìn chung thì hiệu suất hấp phụ tăng rõ rệt khi tăng nồng độ SWTSA từ 0.1 đến 0.4 g/L và đã đạt QCVN 40:2011/ BTNMT, cột A. Tiếp tục tăng khối lượng SWTSA (lớn hơn 0.4 g/L) thì hiệu suất hấp phụ đạt bão hòa 100.0 %, không nên sử dụng quá nhiều SWTSA vì điều này sẽ làm tăng lượng bùn thải. Kết quả này tương tự Mousavi và cộng sự [5] sử dụng tro cây tầm ma với liều lượng chất hấp phụ 0.5 mg/L, hiệu quả xử lý Ni2+ đạt 90 %, Cd2+ đạt 80.0%.

Hình 3: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ

Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Hình 4: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Kết quả thực nghiệm cho thấy ở điều kiện pH 8.0, lượng chất hấp phụ 0.4 g/L nung ở 5000C thì sau 60 phút nồng độ kẽm trong nước thải = 0.0 mg/l, tương đương với kết quả hấp phụ của các mẫu vật liệu biến tính ở nhiệt độ 6000C và 7000C hơn. Kết quả này cao hơn nhiều so với các nghiên cứu trước: El Haouti và cộng sự (81.0 % lượng Cr6+ trong 2h) [6], Minh và cộng sự (100.0 % lượng Pb2+ trong 3h pH từ 5.0 đến 6.0 và liều lượng hấp phụ 1.0 g với bùn đỏ) [7]. Như vậy, SWDSA có thể được coi là một chất hấp phụ kim loại nặng tiềm năng và việc tận dụng lại nguồn bùn thải này là rất khả thi.

Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy: Tại điều kiện xử lý pH 8.0, lượng chất xúc tác 0.4 g/L, thời gian phản ứng 60 phút, hiệu suất hấp phụ kim loại Zn2+ là 100%, đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A. Từ đó có thể kết luận bùn thải từ quá trình xử lý nước cấp là vật liệu hấp phụ rất tiềm năng để hấp phụ Kẽm trong nước thải xi mạ, đây là hướng đi phù hợp để giảm chi phí xử lý, đơn giản hóa công nghệ xử lý.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được thực hiện với sự tài trợ của trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP.HCM trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường theo hợp đồng số 85/HĐ-DCT.

Tài liệu tham khảo

1. Trung, L.Đ & Phước, N.V. (2014). Xử lý kim loại nặng trong nước thải xi mạ bằng phương pháp hấp phụ sử dụng bùn giấy. Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh.

2. Méndez, A., Barriga, S., Fidalgo, J. M., & Gascó, G. (2009), Adsorbent materials from paper industry waste materials and their use in Cu (II) removal from water, Journal of hazardous materials, 165(1-3), 736-743.

3. Ying, J. Y., Mehnert, C. P., & Wong, M. S. (1999). Synthesis and applications of supramolecular#templated mesoporous materials. Angewandte Chemie International Edition, 38 (1-2), 56-77.

4. Calace N., Nardi E., Petronio, B. M., Pietroletti, M., & Tosti, G. (2003). Metal ion removal from water by sorption on paper mill sludge. Chemosphere, 51(8), 797-803.

5. Mousavi H. Z., Seyedi S. R. (2011), Nettle ash as a low cost adsorbent for the removal of nickel and cadmium from wastewater, International Journal of Environmental Science & Technology, 8(1), 195-202.

6. El Haouti R., Anfar Z., Chennah A., Amaterz E., Zbair M., El Alem N., Ezahri M. (2019), Synthesis of sustainable mesoporous treated fish waste as adsorbent for copper removal, Groundwater for Sustainable Development, 8, 1-9.

7. Minh, N.T. (2011), Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải, Vietnam journal of earth sciences, 33(2), 231-237.n

NGUYỄN MAI PHƯƠNG, NGUYỄN LÊ THANH XUÂN

ĐẶNG THỊ PHƯƠNG YẾN, LÊ VĂN PHÚC, NGUYỄN ĐỨC ĐẠT ĐỨC

Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh

ĐÀO MINH TRUNG

Trường Đại học Thủ Dầu Một