Quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng ozone

Tài nguyên nước ở nhiều quốc gia đang bị suy giảm nhanh chóng, chẳng hạn như do sự gia tăng dân số và liên tục giảm nguồn cung cấp nước ngọt. Nước thải, nước thải công nghiệp và nước thải đô thị được xả trực tiếp và bừa bãi vào sông hồ và do đó chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Điều này đã làm gia tăng cuộc khủng hoảng nước và cũng gây ra sự suy thoái môi trường. Vì vậy, nhu cầu phát triển một quy trình xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường thủy sinh đã xuất hiện. Xử lý bằng ozon được tạo ra từ sự phóng điện hàng rào điện môi là một trong những công nghệ mới nổi để đáp ứng nhu cầu đó. Quá trình ozon hóa hiệu quả hơn để khử trùng và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ từ nước. Bài viết dưới đây ghi lại nghiên cứu về xử lý nước thải của một địa điểm được chọn trong Kathmandu. Kết quả về các thông số hóa lý và vi sinh khác nhau của các mẫu đầu vào và đầu ra được thảo luận. Kết quả cho thấy độ pH tăng nhẹ, nhu cầu oxy hóa học giảm và lượng oxy hòa tan tăng đáng kể sau quá trình ozon hóa. Quan trọng là, quá trình ozon hóa làm giảm tổng số coliform.

Giới thiệu

Ô nhiễm nước và cạn kiệt nguồn nước ngọt do xả nước thải ô nhiễm từ các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và nước thải sinh hoạt là một số trong những yếu tố chính gây ra các vấn đề môi trường ở Nepal và nhiều quốc gia trên thế giới. Tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng và các hoạt động của con người, đặc biệt là ở các nước đang phát triển tiếp tục ảnh hưởng bất lợi đến chất lượng và số lượng nước ngọt. Do đó, nhu cầu cấp thiết phải có các phương pháp xử lý nước thải phù hợp. Nước thải, nước thải công nghiệp và nước thải đô thị được xả trực tiếp và bừa bãi vào sông và hồ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước ở Nepal. Điều này đã làm gia tăng cuộc khủng hoảng nước và cũng làm xấu đi môi trường [3 , 4 ]. Bên cạnh khủng hoảng nước, ô nhiễm nước cũng có thể là một nguồn ô nhiễm không khí và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau đối với sức khỏe con người và động vật. Ô nhiễm nước, đặc biệt là nước mặt, ở các nước đang phát triển ngày càng trở nên trầm trọng và nghiêm trọng với tốc độ đô thị hóa nhanh và thiếu hệ thống vệ sinh đầy đủ. Nước sử dụng phải có các thông số nhất định (hóa lý và sinh học) trong phạm vi chấp nhận được. Để đáp ứng nhu cầu này, trong một số trường hợp, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Một trong những công nghệ mới nổi là sử dụng ozon được tạo ra từ sự phóng điện hàng rào điện môi. Các báo cáo về xử lý ozone cho nước và / hoặc nước thải đã được xuất bản. Quy trình ozon hóa đang thay thế quy trình khử trùng bằng clo thông thường vì tính chất oxy hóa mạnh hơn và đặc tính khử trùng hiệu quả mà không có bất kỳ tác dụng phụ nào. Sự phân tán ozon trong nước đi kèm với hai quá trình cơ bản là oxy hóa và khử trùng.

Ozone có thể được tạo ra bằng nhiều cách khác nhau và trong nghiên cứu hiện tại, kỹ thuật phóng điện hàng rào điện môi (DBD) đã được sử dụng. DBD có nhiều ứng dụng như sản xuất ozon, sửa đổi bề mặt, xử lý vật liệu, khử nhiễm sinh học, kiểm soát ô nhiễm bằng quá trình oxy hóa hợp chất hữu cơ dễ bay hơi hoặc nitơ monoxit, tạo tia cực tím hoặc tia cực tím chân không (VUV), sạc aerosol, và một trong những ứng dụng quan trọng của nó là xử lý nước uống và nước thải.

Trong lò phản ứng DBD, sự phóng điện xảy ra giữa các điện cực mà ít nhất một trong các điện cực được bao phủ bởi một lớp vật liệu điện môi mỏng. Vật liệu điện môi được sử dụng là một loại chất cách điện được làm bằng gốm, thủy tinh, PVC, v.v. Khi một điện áp xoay chiều được đặt trên điện cực, sự phóng điện được tạo ra cùng với việc tạo ra tia UV. Sự phóng điện thường được tổ chức thông qua một số lượng lớn các kênh hình sợi của các bộ phát, đường kính 100-200  μ m.

Khi không khí đi qua DBD dưới tác động của các điện tử năng lượng cao trong không gian điện cực, sự phân ly của các phân tử oxy xảy ra. Oxi nguyên tử kết hợp với một phân tử oxi khác để tạo thành chất oxi hóa mạnh là ozon. Ngoài ozone, phóng điện trong không khí tạo ra nhiều loài động hóa học, chẳng hạn như NO. Những loại này tồn tại trong thời gian ngắn và phân hủy trước khi không khí được làm giàu ozone xâm nhập vào nước. Ozone thực hiện oxy hóa các hóa chất vô cơ và hữu cơ khác nhau có trong nước và chuyển chúng thành dạng đơn giản hơn dễ bị phân hủy trong tự nhiên.

Mục tiêu chính của nghiên cứu hiện tại là thực hiện xử lý nước thải bằng ozon được tạo ra trong quá trình xả hàng rào điện môi và đánh giá các thông số khác nhau. Nghiên cứu này được thực hiện tại Đại học Kathmandu từ năm 2013 đến năm 2014.

Vật liệu và phương pháp

Các mẫu nước thải được lấy từ nhà máy xử lý nước thải Guheshwori (WWTP) đặt tại Guheshwori, Kathmandu, thủ đô của Nepal. Việc lấy mẫu được thực hiện trong hai mùa, đó là ngày 10 tháng 5 năm 2013 và ngày 27 tháng 10 năm 2013. Việc bảo quản mẫu được thực hiện theo hướng dẫn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA). Các mẫu được thu thập trong các chai nhựa khác nhau sử dụng các chất bảo quản khác nhau tùy thuộc vào thông số dự định thử nghiệm. Mẫu nước được thu thập từ đầu vào (B) và đầu ra (A) của Nhà máy xử lý nước thải. Sau khi thu thập, các mẫu được đưa vào Phòng thí nghiệm Plasma của Đại học Kathmandu, nơi chúng được xử lý bằng ozone tạo ra trong phóng điện rào cản điện môi (DBD). Như mô tả trong hình 1, năm lần lặp lại đầu vào của nhà máy xử lý đã được đặt tên và lấy mẫu đầu ra . Các bản sao của cả hai mẫu B và A đều được xử lý bằng ozone. Hệ thống S 1 đề cập đến Nhà máy xử lý nước thải Guheshwori trong khi S 2 đề cập đến xử lý ozone.

Hình 1: Sơ đồ lấy mẫu và xử lý nước thải.

Các thông số hóa lý khác nhau được phân tích trong phòng thí nghiệm hóa học và thông số vi sinh vật trong phòng thí nghiệm vi sinh của Đại học Kathmandu. Các kim loại nặng như chì, cadmium và crom đã được phân tích trong phòng thí nghiệm của Tổ chức Y tế Công cộng và Môi trường (ENPHO), Kathmandu. Các thông số hóa lý và vi sinh khác nhau của các mẫu đầu vào (B), đầu ra (A) và các mẫu được xử lý bằng ozon được so sánh sau khi phân tích.

Phóng điện từ rào cản điện môi được tạo ra bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều điện áp cao hoạt động ở tần số 50 Hz. Hệ thống điện cực kiểu hình trụ đồng trục. Cực dương được nối với thanh trung tâm bằng đồng thau đặt bên trong ống và cực âm được nối bằng tấm nhôm chắn bên ngoài ống. Độ dày của kính là 1 mm. Khí đi trong ống qua khe giữa anot và ống thuỷ tinh. Nó được cung cấp bởi máy bơm không khí (ATEC Aquarium, AR-8500). Tốc độ dòng khí là 4 L / phút. Nồng độ ozo tạo ra được đo bằng máy phân tích ozon (Máy phân tích ozon BMT 964, Messtechnik GmbH, Đức). Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống DBD được đưa ra dưới đây.

Đường kính của thanh đồng là 8 mm, chiều dài của điện cực ngoài và điện cực trung tâm lần lượt là 15 cm và 23 cm, độ dày của chất điện môi (thủy tinh) là 1 mm, đường kính trong của thủy tinh là 10 mm và độ dày của tấm nhôm là 0,5 mm. Thiết lập thí nghiệm được sử dụng để tạo ozone trong nghiên cứu này được trình bày trong Hình 2.

Hình 2: Thiết lập thử nghiệm hệ thống DBD để tạo ozone

Các mẫu nước thải (100 mL) được xử lý trong 20 phút ở điện áp 19,5 kV. Nồng độ của ozone là gần 800 ppm ở điện áp này. Ozone được sủi bọt đồng nhất vào mẫu với sự trợ giúp của đá không khí xốp hình cầu.

Các thông số được phân tích với đơn vị và phương pháp thử của chúng được đề cập trong Bảng 1. Các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn được tuân theo để phân tích. Sắt và các kim loại nặng khác đã được thử nghiệm như được báo cáo ở những nơi khác.

Bảng 1: Các thông số thử nghiệm và phương pháp thử nghiệm của chúng.

Thống kê mô tả được sử dụng để phân tích dữ liệu. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn được sử dụng để tính toán. Paired -test được thực hiện để kiểm tra xem các giá trị trung bình có khác nhau đáng kể hay không.

Xem thêm tại: Xử lý nước thải bằng Ozone được tạo ra trong quá trình xả hàng rào điện môi (Phần 2)