Nghiên cứu giảm ô nhiễm trong nước thải nhuộm hoạt tính bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử - Nguyễn Ngọc Duy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 65 (5/2019) No. 65 (5/2019) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn 20 NGHIÊN CỨU GIẢM Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI NHUỘM HOẠT TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ Treatment of reactive dyeing wastewater by electron beam irradiation TS. Nguyễn Ngọc Duy(1), ThS. Nguyễn Thị Kim Lan(2), ThS. Đặng Văn Phú(3), ThS. Nguyễn Thành Được(4), PGS.TS. Nguyễn Quốc Hiến(5) (1),(2),(3),(4),(5)Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam TÓM TẮT Nước thải dệt nhuộm đã và đang là vấn nạn cho môi trường sinh thái tại Việt Nam. Trong nước thải dệt nhuộm có nhiều tác nhân gây hại cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường. Trong nghiên cứu này, nước thải dệt nhuộm được xử lý bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử (EB). Kết quả cho thấy pH, độ màu, nhu cầu oxy hóa học (COD) và sinh học (BOD5) của nước thải giảm khi tăng liều xạ từ 0 đến 20 kGy. Cụ thể, độ giảm pH, COD, BOD5 và độ màu đạt lần lượt 14,3; 77; 66 và 98% tại liều xạ 20 kGy. Ngoài ra, sự kết hợp chiếu xạ EB với H2O2 ở nồng độ thích hợp 5 mM làm giảm liều xạ và gia tăng hiệu quả xử lý. Phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử cho thấy tiềm năng ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô công nghiệp. Từ khóa: nước thải dệt nhuộm, chiếu xạ chùm tia điện tử, COD, độ màu ABSTRACT Textile wastewater are now facing major problems in environment pollution, especially in Vietnam. Textile dyeing wastewater contains lot of toxic substances which must be treated before discharging to environment. In this study, textile wastewater was treated by electron beam irradiation method. The results showed that the pH, color, chemical oxygen demand (COD), and biological oxygen demand (BOD5) of the wastewater decreased as the dose increased from 0 to 20 kGy. In detail, pH, COD, BOD and decoloration efficiencies are 14.3, 77, 66 and 98%, respectively. Furthermore, the combination of EB and 5 mM H2O2 increased the removal efficiencies. Electron beam radiation could be an effective method for treatment of real textile wastewater in industrial scale. Keyword: textile dyeing wastewater, electron beam radiation, COD, decoloration 1. Giới thiệu Trong công nghiệp chế tạo, ngành dệt nhuộm là phân khúc quan trọng giải quyết việc làm cho một lượng lớn người lao động. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính mà ngành công nghiệp dệt nhuộm phải đối mặt là xử lý nước thải [1]-[5]. Quá trình dệt nhuộm có nhiều khâu được thực hiện thông qua môi trường nước và tạo ra một lượng lớn nước thải. Cần khoảng 70- 150 lít nước để xử lý 1 kg vải sợi [3], [6], [7]. Tính chất của nước thải dệt nhuộm phụ thuộc vào loại sợi, hóa chất và quy trình công nghệ sử dụng. Trong nước thải dệt Email: ngocduy158@gmail.com NGUYỄN NGỌC DUY và Cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 21 nhuộm có nhiều tác nhân gây hại cho môi trường và sức khỏe con người bao gồm chất rắn phân tán, hóa chất tạo màu, mùi. Thuốc nhuộm trong nước thải có thể tạo màu và gây ra một số bệnh như xuất huyết, viêm loét da, buồn nôn,... Các chất màu trong nước thải ngăn ánh sáng mặt trời từ bề mặt nước và cản trở quá trình quang hợp. Chất màu làm tăng nhu cầu oxy sinh học (BOD) của nước và làm giảm quá trình tái tạo oxy do đó cản trở sự phát triển của sinh vật quang dưỡng. Chất rắn phân tán trong nước thải tác động đến môi trường khi kết hợp với cặn dầu và thay đổi cơ chế chuyển oxy ở mặt nước [1], [3], [6]-[8]. Vì vậy, nước thải dệt nhuộm cần được xử lý loại bỏ các chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường [9]. Các phương pháp hóa lý như hấp thụ, keo tụ, lọc, oxi hóa đã được ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm cho thấy hiệu quả nhất định nhưng lại tạo ra bùn thải thứ cấp cần tiếp tục xử lý [2], [3], [10]. Phương pháp sinh học sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải dệt nhuộm có thể làm giảm COD hiệu quả nhưng không thể khử màu hoàn toàn và cần không gian xử lý lớn [8]. Vì vậy, nghiên cứu sử dụng công nghệ bức xạ năng lượng cao để xử lý chất ô nhiễm như nước thải, khí thải, bùn thải đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Ưu điểm chính của công nghệ bức xạ là gốc tự do hoạt tính được tạo ra trong quá trình xạ ly nước mà không cần sử dụng hóa chất độc hại, tốc độ xử lý cao và quá trình xử lý ở nhiệt độ thường. Trong quá trình chiếu xạ, các gốc tự do hydroxy (OH), được tạo ra là tác nhân oxy hóa mạnh có thể phản ứng với phân tử chất màu trong nước thải tạo các phân đoạn nhỏ hơn không màu dẫn đến loại màu nước thải [5], [10]-[13]. Có nhiều nghiên cứu sử dụng chiếu xạ nguồn gamma Co-60 [6, 8] và chiếu xạ chùm tia điện tử (EB) [5], [8], [10], [12], [14], [15] để xử lý màu nước thải dệt nhuộm, trong đó phương pháp chiếu xạ EB cho thấy hiệu quả hơn chiếu xạ gamma về thời gian chiếu xạ, công suất xử lý, có thể kiểm soát quá trình xử lý, ngắt và kết nối với nguồn dễ dàng, phù hợp để ứng dụng trong công nghiệp [12], [8]. Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp chiếu xạ EB có thể được tăng cường khi sử dụng kết hợp hydrogen peroxit (H2O2). Sử dụng H2O2 có thể làm gia tăng hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm do tăng nồng độ gốc OH tạo thành trong quá trình chiếu xạ [4], [6]. Trong nghiên cứu này, khảo sát hiệu quả xử lý màu nước thải dệt nhuộm thực tế bằng phương pháp chiếu xạ EB cũng như hiệu quả kết hợp chiếu xạ EB và H2O2 đã được thực hiện. 2. Vật liệu và phương pháp 2.1. Lấy mẫu nước thải và chiếu xạ Nước thải dệt nhuộm được lấy trực tiếp từ bể nước sau nhuộm của Công ty Cổ Phần May Việt Thắng, Tp.HCM là màu nhuộm hỗn hợp của 2 loại màu: Reactive Red 10 và Yellow GR. Nước thải được cho vào hộp nhựa có nắp đậy sao cho bề dày của dung dịch là 2,5 cm. Khảo sát hiệu quả xử lý màu, COD, BOD và pH của nước thải theo liều xạ 5-20 kGy khi không có H2O2 và khi kết hợp chiếu xạ ở liều 5kGy và nồng độ H2O2 là 5-20mM. Chiếu xạ mẫu được thực hiện trên máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2 tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ. H2O2 (30%) của Merk, Đức. Các hóa chất sử dụng khác là dạng phân tích của Aldrich, Sigma. 2.2. Đánh giá nước thải sau chiếu xạ pH của nước thải dệt nhuộm trước và SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019) 22 sau khi chiếu xạ được khảo sát theo tiêu chuẩn TCVN 6492:2011. Độ giảm pH (%) = trong đó pHo và pHi lần lượt là pH của nước thải trước và sau chiếu xạ khi không có H2O2 hay pH của nước thải theo nồng độ H2O2 là 0 và 5-20mM khi chiếu xạ 5 kGy. Độ loại màu (%) = với Ao và Ai lần lượt là độ màu của nước thải trước và sau chiếu xạ khi không có H2O2 hay độ màu của mẫu theo nồng độ H2O2 là 0 và 5-20mM khi chiếu xạ 5 kGy. (Phương pháp đo độ màu Pt-Co: Theo tiêu chuẩn SMEWW 2120B-2012). Nhu cầu oxy hóa học (COD) được thực hiện bằng phương pháp dicromat theo tiêu chuẩn SMEWW5220C:2012, nước thải được cho vào dung dịch có tính oxy hóa mạnh potasium dicromat (K2Cr2O7) trong môi trường acid mạnh (H2SO4) có xúc tác bạc sulfat. Mẫu được hồi lưu ở 150 oC trong 2-3h. Nhu cầu oxy hóa học là một trong những thông số được sử dụng phổ biến nhất để chỉ đặc tính của nước thải. COD là hàm lượng oxy tính từ lượng K2Cr2O7 cần thiết để oxy hóa các hợp chất hữu cơ chứa trong một thể tích nước thải đã biết. Độ giảm COD (%) = , với Co và Ci là giá trị COD của nước thải trước và sau chiếu xạ khi không có H2O2 hay COD của mẫu theo nồng độ H2O2 là 0 và 5-20 mM khi chiếu xạ 5 kGy. Các mẫu nước thải sau chiếu xạ được xác định nhu cầu oxy sinh hoá 5 ngày (BOD5) theo TCVN 6001–2:2008 (ISO 5815–2:2003). 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng của liều xạ Hình 1. Ảnh hưởng của liều xạ đến độ màu của mẫu nước thải Hình 1 cho thấy, mẫu nước thải ban đầu có màu đỏ, khi chiếu xạ 5 kGy màu chuyển sang cam nhạt và mất màu hoàn toàn khi liều xạ tăng đến 20 kGy. Kết quả chi tiết về sự giảm độ màu khi tăng liều xạ trong Bảng 1 cho thấy, độ màu ban đầu của mẫu nước thải 1 là 330 (Pt–Co) giảm dần xuống 61, 16, 10 và 8 (Pt-Co) khi liều xạ tăng từ 5 đến 20 kGy, hiệu suất xử lý màu đạt 81% ở liều xạ 5 kGy và tăng lên đến 98% ở liều xạ 20 kGy. NGUYỄN NGỌC DUY và Cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 23 Bảng 1. Ảnh hưởng của liều xạ đối với pH, COD, BOD5 và độ màu của mẫu nước thải Liều xạ (kGy) pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) Độ màu (Pt-Co) 0 5 10 15 20 9,46±0,25 8,75±0,30 8,46±0,25 8,30±0,15 8,10±0,20 150±2,0 84±1,5 61±0,5 49±1,5 35±0,5 77±1,5 46±1,0 40±0,5 35±0,5 26±1,0 330±2,0 61±1,5 16±1,0 10±1,0 8±0,5 Tiêu chuẩn cột B theo QCVN 13– MT:2015/BTNMT 5,5 – 9 200 50 200 Các thông số pH, COD, BOD của nước thải dệt nhuộm trước và sau chiếu xạ được chỉ ra trong Bảng 1. Kết quả cho thấy các thông số pH, COD, BOD của nước thải đều giảm khi liều xạ tăng. Trong đó, pH của nước thải trước khi chiếu xạ là 8,9, sau chiếu xạ 5 kGy, 20 kGy đạt giá trị lần lượt là 8,75 và 8,10, tương ứng với độ giảm pH 7,5% và 14,4%. Sự thay đổi pH phụ thuộc vào thay đổi cấu trúc của phân tử chất màu trong nước thải. Các phân tử chất màu có khối lượng phân tử lớn có thể bị phân đoạn thành những phân tử nhỏ hơn và dẫn đến hình thành các acid hữu cơ như acid dicarboxylic, acid acetic, hợp chất benzoic hoặc acid cacbonic tạo thành do sự khoáng hóa hoàn toàn của một số phân tử chất màu [10], [15]. Giá trị COD của nước thải trước khi chiếu xạ là 150 mg/l. Độ giảm COD của nước thải tăng từ 36,7% đến 59,3%, 67,3% và 76,7% khi liều chiếu xạ tăng tương ứng từ 5 lên 10, 15 và 20 kGy. Kết quả cho thấy hiệu quả giảm COD phụ thuộc vào liều xạ. Giá trị COD chỉ ra hàm lượng oxy cần để oxy hóa hoàn toàn hợp chất hữu cơ trong nước thải. Vì vậy, COD có thể tương ứng với hàm lượng của tất cả hợp chất hữu cơ trong nước thải và mức độ giảm COD phụ thuộc vào sự khoáng hóa hoàn toàn của hợp chất hữu cơ. Gốc OH là tác nhân oxy hóa mạnh có vai trò chủ yếu trong quá trình oxy hóa phân hủy chất hữu cơ. Khi liều xạ càng tăng, gốc OH tạo ra càng nhiều làm phân hủy nhiều chất hữu cơ trong nước [4]. Xu hướng tương tự cũng được nhận thấy ở giá trị BOD khi tăng liều xạ. BOD5 trước khi chiếu xạ là 77 mg/l, giảm xuống lần lượt là 46; 40; 35; 26 mg/l khi chiếu xạ 5; 10; 15; 20 kGy (hiệu quả xử lý đạt ~66,2% tại liều xạ 20 kGy). Sự giảm giá trị BOD5 (mg/l) khi chiếu xạ chùm tia điện tử cho thấy các chất hữu cơ trong nước thải dệt nhuộm sau khi được chiếu xạ dễ dàng bị phân hủy sinh học. Kết quả độ giảm màu cũng phù hợp với kết quả giảm COD theo liều xạ như trên. Tuy nhiên, có thể thấy khi liều chiếu xạ tăng đến 20 kGy, độ giảm màu của nước thải đạt được là 98% trong khi độ giảm COD chỉ là 77%. Điều này có thể là do độ màu được xác định từ sự cắt mạch của các phân tử chất màu thành những phân đoạn nhỏ hơn trong khi độ giảm COD được xác định phụ thuộc vào sự khoáng hóa hoàn toàn của phân tử chất màu tạo thành CO2 và H2O [13]. Vì vậy, tốc độ giảm COD là thấp hơn so với tốc độ giảm màu. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019) 24 Chất màu + OH  sản phẩm cắt mạch  CO2 + H2O (1) 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại liều xạ 5 kGy Với mục đích giảm liều chiếu xạ để tăng hiệu quả kinh tế khi áp dụng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm, hydro peroxit đã được thêm vào để gia tăng hiệu quả khử màu. Liều xạ 5 kGy đã được lựa chọn sau khi tham khảo một số công trình đã công bố trong lĩnh vực này [2], [4], [8], [10]. Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đối với độ màu của nước thải được chiếu xạ tại liều xạ 5 KGy Kết quả ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại liều xạ 5 kGy của mẫu nước thải được thể hiện trong Hình 2 cho thấy các mẫu nước thải được chiếu cùng liều xạ 5 kGy mất màu hoàn toàn khi có sự hiện diện của 5 mM H2O2. Vì vậy, đối với mẫu nước thải dệt nhuộm khảo sát, nồng độ H2O2 5 mM là phù hợp làm tăng hiệu quả xử lý nước thải. Điều này được thể hiện rõ hơn trong kết quả ở Bảng 2. Cụ thể với độ màu giảm từ 330 xuống 15 (95%) tại liều xạ 5 kGy + 5 mM H2O2 và độ màu thay đổi hầu như không đáng kể khi tăng nồng độ H2O2 tương ứng là 10, 15 và 20 mM. Bảng 2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đối với pH, COD và độ màu nước thải được chiếu xạ tại 5 KGy Nồng độ H2O2 (mM) pH COD (mg/l) BOD5 (mg/l) Độ màu (mgPt/l) 0 5 10 15 20 8,75±0,20 8,20±0,30 8,00±0,15 7,90±0,30 7,60±0,20 84±1,5 55±1,0 61±1,0 76±1,5 114±2,0 46±0,6 40±1,0 37±1,5 30±1,0 25±1,5 95±1,0 15±1,0 18±0,5 20±0,6 19±0,5 NGUYỄN NGỌC DUY và Cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 25 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đối với pH, COD và BOD của mẫu nước thải dệt nhuộm chiếu xạ 5 kGy được chỉ ra trong bảng 2. Kết quả cho thấy, pH của mẫu nước thải không có H2O2 là 8,75. Khi thêm 5 mM H2O2, pH giảm đến giá trị 8,20 và giảm đến 7,60 khi nồng độ H2O2 là 20 mM. Trong khi đó, COD của mẫu nước thải không có H2O2 là 84 mg/l. Khi thêm 5mM H2O2, giá trị COD giảm xuống 55 mg/l (63%). Tuy nhiên khi nồng độ H2O2 tiếp tục tăng đến 10, 15 và 20 mM thì giá trị COD tăng lần lượt đến giá trị 61, 76 và 114 mg/l. Kết quả này cho thấy, ở cùng liều chiếu xạ 5 kGy, hiệu quả xử lý nước thải tăng lên khi nồng độ H2O2 được sử dụng phù hợp là 5 mM. Điều này có thể là do khi có sự hiện diện của H2O2 trong quá trình chiếu xạ làm tăng nồng độ gốc hoạt tính OH. Tuy nhiên, khi nồng độ H2O2 lớn hơn 5mM, gốc OH bị bẫy bởi các phân tử H2O2 dư tạo ra gốc HO2 có hoạt tính oxy hóa thấp hơn gốc OH như theo phương trình 2 và 3 [16]. H2O2 + OH  HO2 + H2O (2) H2O2 + HO2  OH + H2O + O2 (3) Ngoài ra, theo nghiên cứu của Bhuiyan và cộng sự [6], lượng H2O2 dư có thể phản ứng với K2Cr2O7 trong thí nghiệm xác định COD. Mặc dù, H2O2 là chất oxy hóa mạnh nhưng khi gặp chất có hoạt tính oxy hóa mạnh hơn như ion dicromat (Cr2O72-), H2O2 có thể bị oxy hóa (phương trình 4) và làm tăng chỉ số COD. K2Cr2O7 + 3H2O2 + 4H2SO4  K2SO4 + Cr2 (SO4)3 + 7H2O + 3O2 (4) Giá trị BOD giảm khi tăng liều xạ, BOD ban đầu của mẫu nước thải là 77 mg/l, sau khi tăng nồng độ H2O2 lên 5 mM thì BOD giảm còn 40 mg/l (~48%) và lần lượt giảm tại nồng độ H2O2 10, 15, 20 mM là 37 mg/l (~52%), 30 mg/l (~ 61%) và 25 mg/l (~68%). Kết quả này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Bumsoo Han và cộng sự khi nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử qui mô công nghiệp [10]. 4. Kết luận Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế bằng phương pháp chiếu xạ EB đã được thực hiện. Liều chiếu xạ EB có ảnh hưởng đến pH, COD, BOD và độ màu của nước thải nghiên cứu. Khi liều chiếu xạ tăng, các giá trị pH, COD, BOD và độ màu của nước thải giảm. Sự kết hợp phương pháp chiếu xạ EB và H2O2 ở nồng độ thích hợp 5mM cho thấy làm tăng hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm. Vì vậy, chiếu xạ EB được xem là phương pháp hiệu quả và thân thiện để xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô công nghiệp trước khi thải ra môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Al-Kdasi A, Idris A, Saed K, Guan CT (2004) Treatment of textile wastewater by advanced oxidation processes-A review. J Global Nest: the Int 6:222-230. [2] Anvari F, Kheirkhah M, Amraei R (2014) Treatment of synthetic textile wastewater by combination of coagulation/flocculation process and electron beam irradiation. J Community Health Res 3:31-38. [3] Ghaly AE, Ananthashankar R, Alhattab M, Ramakrishnan VV (2014) Production, characterization and treatment of textile effluents: A critical review. J Chem Eng Process Technol 5:doi: 10.4172/2157-7048.1000182. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 65 (5/2019) 26 [4] Ha MB, Duy NN, Hien NQ (2016) Effects of gamma irradiation on color removal from reactive red 24 aqueous solutions. Sci Technol Dev 19: 38-45. [5] Kim TH, Lee JK, Lee MJ (2007) Biodegradability enhancement of textile wastewater by electron beam irradiation. Radiat Phys Chem 76:1037-1041. [6] Bhuiyan MAR, Shaid A, Hossain MA, Khan MA (2016) Decolorization and degradation of textile wastewater by gamma irradiation in presence of H2O2. Life Sci J 13:56-62. [7] Holkar CR, Jadhav AJ, Pinjari DV, Mahamuni NM, Pandit AB (2016) A critical review on textile wastewater treatments: Possible approaches. J Environ Manage 182:351- 366. [8] Selambakkannu S, Bakar KA, Ming TT, Sharif J (2011) Effect of gamma and electron beam irradiation on textile waste water. J Sains Nuklear Malaysia, 23:67-73. [9] QCVN 13-MT:2015/BTNMT, National technical regulation on the effluent of textile industry. [10] Han B, Kim J, Kang W, Choi JS, Jeong KY (2016) Development of mobile electron beam plant for environmental applications. Radiat Phys Chem 124:174-178. [11] Han B, Kim JK, Kim Y, Choi JS, Jeong KY (2012) Operation of industrial-scale electron beam wastewater treatment plant. Radiat Phys Chem 81:1475-1478. [12] Hossain K, Maruthi YA, Das NL, Rawat KP, Sarma KSS (2018) Irradiation of wastewater with electron beam is a key to sustainable smart/green cities: a review. Appl water sci 8:6. [13] Paul J, Rawat KP, Sarma KSS, Sabharwal S (2011) Decoloration and degradation of Reactive Red-120 dye by electron beam irradiation in aqueous solution. Appl Radiat Isotopes 69:982-987. [14] Rawat KP, Sarma KSS (2013) Enhanced biodegradation of wastewater with electron beam pretreatment. Appl Radiat Isotopes 74:6-8. [15] Sampa MHO, Takács E, Gehringer P, Rela PR, Ramirez T, Amro H, Trojanowicz M, Botelho ML, Han B, Solpan D, Cooper WJ, Emmi SS, Wojnárovits L (2007) Remediation of polluted waters and wastewater by radiation processing. Nukleonika 52:137-144. [16] Abdou LAW, Hakeim OA, Mahmoud MS, El-Naggar AM (2011) Comparative study between the efficiency of electron beam and gamma irradiation for treatment of dye solutions. Chem Eng J 168:752-758. Ngày nhận bài: 29/4/2019 Biên tập xong: 15/5/2019 Duyệt đăng: 20/5/2019