Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải sinh hoạt - Phạm Hương Quỳnh

Hóa học & Kỹ thuật môi trường Phạm Hương Quỳnh, “Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải sinh hoạt.” 158 NGHIÊN CỨU TÁCH NITƠ, PHỐT PHO TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT Phạm Hương Quỳnh* Tóm tắt: Trong thực tế, nhiều loại nước thải công nghiệp và cả nước thải sinh hoạt khi không được xử lí hiệu quả qua bể phôt có chứa một lượng không nhỏ nitơ và phốt pho. Xử lí loại nitơ và phốt pho (N,P) trong nước thải cần có những công nghệ khá phức tạp, chi phí xử lí cao. Nghiên cứu được tiến hành nhằm khẳng định khả năng cũng như xác định một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách N,P dưới dạng kết tinh thành tinh thể Magie Amoni Photphat (MAP) hay còn gọi là Struvite - công thức hóa học: MgNH4PO4. 6H2O. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Hiệu quả tách N,P bằng kết tinh tạo MAP chịu ảnh hưởng khá lớn của pH môi trường và xảy ra tốt ở giải pH > 8,5. Khi nồng độ NH4 + tăng hiệu quả tạo MAP tăng. Thời gian phản ứng và tốc độ khuấy trộn không ảnh hưởng lớn đến quá trình kết tinh nhưng ảnh hưởng rõ rệt tới kích thước tinh thể. Kích thước tinh thể MAP thu được sau 180 phút ở vận tốc khuấy 50 vòng/phút là 4.000 – 4600 μm. Từ khóa: Xử lý nước thải; MAP; Struvite; Nước thải. 1. GIỚI THIỆU Nước thải sinh hoạt có hàm lượng nitơ từ 15-50 mg/l, phốt pho từ 10-23mg/l đây là một lượng chất dinh dưỡng quan trọng cho cây trồng nếu được thu hồi. Nhiều công trình nghiên cứu nhằm loại bỏ chất ô nhiệm này ra khỏi nước thải tuy nhiên để tận thu nguồn N, P này chưa được nghiên cứu. Đầu những năm 1960, một dạng tinh thể rắn màu trắng đã được phát hiện trong đường ống hệ thống xử lý nước thải tại Hyperion, Los Angeles. Những tinh thể này thường lắng đọng ở máy bơm, ở các kết cấu phân phối khí, chỗ uốn cong của đường ống [1, 2] đã ảnh hưởng không nhỏ tới hoạt động của hệ thống. Các tinh thể được xác định là một khoáng vô cơ của Magiê, Amoni và Phosphat được gọi là MAP. Kết tinh MAP có tích số tan là 7,8.10-15 [4] nên được sử dụng dưới dạng một loại phân bón hóa học nhả chậm cho cây trồng. Ngoài ra MAP còn có thể cung cấp phốt phát dạng nguyên liệu thô cho sản xuất tấm chống cháy. Hơn thế nữa MAP còn là một nguyên liệu bắt buộc trong sản xuất xi măng [5,6]. Sự hình thành MAP trong quá trình xử lý nước thải không chỉ loại bỏ chất ô nhiễm trong nguồn thải mà còn tận dụng được nguồn N, P cung cấp cho cây trồng hơn thế nữa nó có thể giảm thiểu sự lắng đọng, tắc đường ống do kết tinh. Nghiên cứu này được tiến hành nhằm tận thu nguồn N, P trong nước thải sinh hoạt và giảm thiểu chi phí xử lý nước thải. 2. THỰC NGHIỆM Đối tượng nghiên cứu: Nước thải sinh hoạt lấy tại cống thải KTX trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên Phương pháp phân tích: NH4 + được phân tích bằng phương pháp trắc quang với thuốc thử Nessler, và PO4 3- bằng phương pháp trắc quang với chỉ thị Amonimolipdat trên UV/vis Lambda 35-Perkin Elmer-Mỹ, 2008. Mg2+ được phân tích bằng phương pháp hấp phụ nguyên tử trên máy AAS-AA800 Perkin Elmer-USA, 2010. Hình dạng, kích thước tinh thể MAP được quan sát bằng kính hiển vi quang học có chụp ảnh SEM-VEGA3-TESCAN -USA, 2011 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 159 Các thí nghiệm được tiến hành ở quy mô 1 lít với thiết bị Jatest tại phòng thí nghiệm thuộc Viện khoa học và công nghệ môi trường, Trường đại học Bách khoa Hà Nội. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu quá trình tạo kết tinh MAP 3.1.1. Tỷ lệ Mg2+, NH4+, PO4 3- Tỷ lệ nghiên cứu đầu tiên được coi là tối thiểu để tạo thành kết tinh MAP 27mg/l Mg2+, 20mg/l NH4 + và 106mg/l PO4 3- tỷ lệ này là tỷ lệ mol Mg2+:NH4 +:PO4 3- là 1:1:1. Kết quả cho thấy tại nồng độ này lượng MAP tạo thành rất nhỏ ở tất cả các giá trị pH được khảo sát (pH= 7÷10,5). Khi tăng nồng độ các ion trên lên dần 3, 4, ..., 7 lần, lượng kết tinh MAP tạo thành tăng theo và đạt cao nhất ở nồng độ 187 mg/l Mg2+, 140 mg/l NH4 + và 742 mg/l PO4 3-. Tại đây lượng kết tinh MAP đạt 58,63% ở pH bằng 9. Phần lớn các loại nước thải có hàm lượng NH4 + lớn hơn rất nhiều so với PO4 3- vì vậy một loạt thí nghiệm nghiên cứu được thực hiện cố định hàm lượng PO4 3- và Mg2+ ở tỷ lệ mol P:Mg = 1:1 thay đổi N từ 0,6;1;1,6;1,9 và 2; pH từ 7÷10,5. Kết quả nghiên cứu cho thấy: tại tỷ lệ Mg2+:NH4 +:PO4 3- là 1:1,9:1 cho kết quả tạo MAP đạt cao nhất, tuy nhiên ở pH < 8,5 lượng MAP chỉ đạt 58%. Ở pH 9,0 và 9,5 lượng MAP hình thành lớn nhất, đạt: 68,44% ÷ 70,29% (hình 1). Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ Amoni đến quá trình hình thành MAP. 3.1.2. Ảnh hưởng của pH pH cũng ảnh hưởng rõ rệt tới quá trình tạo MAP, các thí nghiệm được tiến hành với tương tác Mg2+:NH4 +:PO4 3- là 1:1,9:1, pH ở vùng tối ưu: 8,0÷10,5. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Hiệu quả loại NH4 + tăng khi pH tăng, cao nhất ở pH 9,5 (70,29%); Kết quả nghiên cứu cho thấy pH ≥ 8,5 là yếu tố quan trọng để hình thành MAP. 3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng Kích thước tinh thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thu hồi MAP. Khi kích thước các hạt quá nhỏ (< 1mm) rất dễ bị cuốn theo dòng nước và khó thu hồi [7]. Chính vì vậy, việc khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể là rất cần thiết. Nghiên cứu được tiến hành ở Mg2+:NH4 +:PO4 3- là 1:1,9:1, pH = 9,5. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Kích thước tinh thể tăng lên rõ rệt theo thời gian phản ứng. Hóa học & Kỹ thuật môi trường Phạm Hương Quỳnh, “Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải sinh hoạt.” 160 Bảng 1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP. Thời gian, phút % loại bỏ Chiều dài tinh thể, m NH4 + PO4 3- Mg2+ 1 39,24 62,80 76,43 87÷120 30 50,22 72,50 85,19 300÷350 60 60,47 82,47 91,34 1.600÷2.200 120 64,88 88,39 93,28 2.500÷3.200 180 70,29 92,12 97,12 4.000÷4.600 3.1.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy tới kích thước tinh thể, thí nghiệm được tiến hành như phần 3. Tốc độ khuấy được điều chỉnh ở 0, 50, 100, 150 vòng/phút, thời gian phản ứng 3 giờ. Hình 2. Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy 100 vòng/phút (D  320m). Hình 3. Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy 50 vòng/phút (D  4600m). Kết quả cho thấy: ở bình phản ứng tĩnh, kết tủa Magiephotphat hình thành nhiều hơn kết tinh MAP. Ở 100 và 150 vòng/phút sau 3 giờ có hiện tượng tinh thể bị gẫy vụn do va đập, kích thước tinh thể < 320m (Hình 2). Vận tốc 50 vòng/phút là tối ưu cho quá trình tạo kết tinh. Kích thước tinh thể có thể lớn hơn 4600m (Hình 3). 3.2. Nghiên cứu tách N, P trong nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt được lấy từ cống thải Ký túc xá Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp có hàm lượng NH4 + = 37,3- 48,5mg/l, PO4 3- 14,8- 22,8mg/l. Nước thải này sẽ được tiến hành tách N,P bằng kết tinh MAP trong phòng thí nghiệm bằng bổ sung Mg2+, PO4 3-, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 161 đến tỷ lệ mol 1:1:1 ở pH = 8,5 - 10. Nhiệt độ tiến hành thí nghiệm 28-300C, sử dụng tốc độ cánh khuấy 50 vòng/phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy: sau 180 phút hiệu quả loại PO4 3- và Mg2+ đạt khá cao (91,11 % và 95,26%). Hiệu quả loại NH4 + cũng tăng khi pH tăng, cao nhất ở pH 9,5 nhưng chỉ đạt 64,43% (Hình 2), lượng MAP đạt 56,71%÷ 64,43%, kết tinh có kích thước (61,62µm÷347,08µm) tỷ trọng lớn, lắng nhanh. Trong bể phản ứng ngoài kết tinh MAP còn có một loại kết tủa magiephotphat có tỷ trọng nhỏ, mầu trắng. Khi pH ≥ 10 magie tạo thành Mg(OH)2 làm giảm lượng magie trong dung dịch nên lượng cũng MAP giảm. Nghiên cứu này tương thích với kết quả khảo sát của Jiansen Wang, 2006 [7]. Lượng MAP tách ra được sử dụng như một lượng phân bón tan chậm phục vụ cho nông nghiệp. Hình 4. MAP kết tinh từ nước thải sinh hoạt. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu cho thấy, phương pháp tách nitơ và phốt pho bằng kết tinh MAP trong nước thải giầu nitơ và phốt pho là rất khả thi. Trong môi trường nước thải sinh hoạt tách MAP hiệu quả ở pH 8,5. Kích thước tinh thể MAP từ 61,62m÷347,80m dễ dáng tách ra khỏi môi trường nước, vận tốc khuấy 50 vòng/phút. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. S, and Koch. F.A, (2004), “Preliminary investigation into factors affecting controlled struvite crystallization at the bench scale”, J. Environ. Eng. Sci, 3, pp195-202. [2]. Battistoni P, Fava G, Pavan P, (1997), “Phosphate removal in anaerobic liquors by struvite crystallization without addition of chemicals: preliminary results”, Water Res. 31, pp2925–2929. [3]. M. Yoshino, M. Yao. “Removal and recovery of phosphate and ammonium as struvite from supernatant in anaerobic digestion”, Wat. Sci. Technol. Vol. 48, No. 1, 171 - 178 (2003). [4]. S, and Koch. F.A, (2004), “Preliminary investigation into factors affecting controlled struvite crystallization at the bench scale”, J. Environ. Eng. Sci, 3, pp195-202. [5]. Battistoni P, Fava G, Pavan P, (1997), “Phosphate removal in anaerobic liquors by struvite crystallization without addition of chemicals: preliminary results”, Water Res. 31, pp2925–2929. Hóa học & Kỹ thuật môi trường Phạm Hương Quỳnh, “Nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải sinh hoạt.” 162 [6]. Jiansen Wang. “Modeling the crystallization of magnesium ammonium phosphate for phosphorus recovery”, Chemosphere 65 1182–1187 (2006) [7]. Ezquerro A, (2010), “Struvite precipitation and biological dissolution”, TRITA LWR Degree Project, KTH Land and Water Resources Engineering. ABSTRACT RESEARCH OF NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL FROM ADOMESTIC WATER Treatment technologies of wastewater rich in nitrogen and phosphorus are very complicated and require high cost. Therefore, reduce the treatment cost, especially to recovery the valuable source of nutrients from wastewater for plantation. The study was conducted to determine the factors affecting to the crystallization of magnesium ammonium phosphate hexahydrates (MAP), which has commonly known as Struvite with chemical formula is MgNH4PO4. 6H2O. The preliminary results show that, the performance of nitrogen and phosphorus removal by crystallizing the MAP was highly affected by pH of water, the crystallization of MAP was well achieved at the range of pH >8,5. The concentration of NH4 + also affected to the formation of MAP in direct proportion. The reaction time and stirring rate not highly affected to the crystallization process, however, it obviously influenced on the size of crystal. The crystallization of MAP achieved after 180 minutes at the steering speed of 50 rpm/min varied in the ranges of 4000-4600 μm. Keyword:Treatment technologies; Struvite; MAP; Wastewater. Nhận bài ngày 09 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 24 tháng 4 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019 Địa chỉ: Đại học Công nghiệp Hà Nội. *Email: quynhktmt@haui.edu.vn.