Tên đề tài: “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia Fistula L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp”.

 Tác giả: Đào Minh Trung, Khóa: 2013

 Chuyên ngành: Môi trường đất và nước ; Mã số: 9440303. Nhóm ngành: Khoa học tự nhiên.

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Võ Châu Ngân - Trường Đại học Cần Thơ.

 Người hướng dẫn phụ: PGS.TS. Ngô Kim Định - Bộ Giao thông Vận tải

1. Tóm tắt nội dung luận án

Đề tài: “Nghiên cứu sử dụng vật liệu keo tụ sinh học chế tạo từ hạt muồng hoàng yến (Cassia Fistula L.) để cải thiện chất lượng nước thải công nghiệp” được thực hiện nhằm:

• Phát triển vật liệu keo tụ sinh học với nano từ tính - trên nền vật liệu keo tụ sinh học Biogum từ hạt cây muồng hoàng yến - tạo thành vật liệu Biogum cải tiến.
• Đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ màu trong nước thải dệt nhuộm (nước thải giả định – RR và nước thải nhà máy – NMDN) trên thiết bị Jartest ở quy mô phòng thí nghiệm và mô hình Pilot công suất 30L/giờ, quy mô ứng dụng thực tiễn của vật liệu Biogum và Biogum cải tiến.
• Đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ ion kim loại nặng Cu, Zn và Ni trong nước thải xi mạ (nước thải giả định và nhà máy xi mạ - NMXM) trên thiết bị Jartest ở quy mô phòng thí nghiệm và mô hình Pilot công suất 30L/giờ quy mô ứng dụng thực tiễn của vật liệu Biogum và Biogum cải tiến.
• Đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng của vật liệu Biogum cải tiến sau khi sử dụng loại bỏ ion kim loại nặng có trong nước thải xi mạ.

Kết quả nghiên cứu đạt được:

Nghiên cứu cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm và nước thải xi mạ dựa trên hai loại vật liệu keo tụ có nguồn gốc sinh học gồm Biogum (thành phần ly trích từ thực vật), và Biogum cải tiến (vật liệu kết hợp giữa nano từ tính với Biogum) có khả năng thu hồi và tái sử dụng. Các thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị Jartest và thiết bị Pilot để khảo sát khả năng loại bỏ màu nước thải dệt nhuộm và loại bỏ ion kim loại nước thải xi mạ, trong đó bố trí nghiệm thức với vật liệu keo tụ hóa học PAC làm đối chứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại màu của vật liệu Biogum đạt được tương ứng là 91,20% và 72,66% (RR); 82,30% và 78,92% (NMDN) và hiệu suất loại bỏ ion kim loại Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ của Biogum đạt được lần lượt là 79,26%; 83,11%; 82,96% (nước giả định) và 58,91%; 71,78%; 78,06% (NMXM). Mặc dù cho hiệu quả loại bỏ màu và kim loại nặng cao nhưng Biogum khó thu hồi do quá trình hòa tan và phân hủy, kết quả nghiên cứu cho thấy sau 15 ngày Biogum phân hủy khoảng 55,83% trong nước do đó nghiên cứu cải tiến Biogum rất quan trọng cho việc tái sử dụng nguồn vật liệu sinh học này. 

Kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cũng có khả năng cải thiện chất lượng môi trường nước thải công nghiệp dệt nhuộm và xi mạ, hiệu quả loại bỏ màu, COD, tương ứng lần lượt là 99,97% và 96% (RR); 99,03% và 95,13% (NMDN); trong khi hiệu quả cải thiện kim loại nặng Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ tương ứng đạt được là 92,93%; 97,17%; 94,97% (nước giả định) và 89,10%; 94,51%; 94,92% (NMXM). Kết quả cho thấy tính khả thi khi tái sử dụng vật liệu Biogum cải tiến, kết quả nghiên cứu thu được như sau: sau lần thu hồi 2 và 3 hiệu suất loại màu đạt được là 96,60% và 93,27% (đối với mẫu nước thải RR có độ màu 1052 Pt/Co); 96,73% và 92,50% (đối với mẫu nước thải NMDN có độ màu 1378 Pt-Co). Với nước thải xi mạ hiệu quả cải thiện kim loại sau lần thu hồi 2 và 3 đạt được như sau: 82,49% và 76,37% (Ni²⁺); 81,72% và 76,73% (Cu²⁺); 83,79% và 76,69% (Zn²⁺). 

Khi so sánh với chất keo tụ hóa học PAC, với nước thải dệt nhuộm giả định RR, vật liệu Biogum cải tiến cho hiệu suất loại màu tốt hơn PAC. Hiệu suất loại màu của Biogum cải tiến đạt hiệu suất cao hơn PAC và Biogum. Hiệu suất loại màu PAC, Biogum và Biogum cải tiến tương ứng là 99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); và 94,10% (NMDN); 82,30% (NMDN); 99,03% (NMDN). Bên cạnh đó khi vận hành trên thiết bị Pilot, PAC, Biogum cải tiến cũng cho kết quả cao hơn Biogum, kết quả loại màu RR và NMDN tương ứng đạt được như sau: 94,64%; 94,04% (Biogum cải tiến); 92,77%; 93,83% (Biogum); 94,90%; 93,83% (PAC). Đối với nước thải xi mạ Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, kết quả nghiên cứu cho thấy Biogum cải tiến cho hiệu quả cao nhất, Biogum và PAC cho hiệu quả cải thiện thấp hơn, tương ứng là, Biogum cải tiến (92,93% Ni²⁺; 97,17% Cu²⁺; 94,97% Zn²⁺); Biogum (79,26% Ni²⁺; 83,11% Cu²⁺; 82,96% Zn²⁺) và PAC (59,77% Ni²⁺; 68,93% Cu²⁺; 66,13% Zn²⁺). Khi khảo sát trên thiết bị Pilot cũng cho kết quả tương tự, Biogum cải tiến cho hiệu quả cải thiện tốt nhất, kết quả thu được tương ứng với 3 ion kim loại Ni²⁺, Cu²⁺ và Zn²⁺ trong mẫu nước thải giả định như sau: hiệu quả đạt được của Biogum cải tiến (99,15% Ni²⁺; 91,88% Cu²⁺; 86,97% Zn²⁺), Biogum (98,88% Ni²⁺; 89,45% Cu²⁺; 86,37% Zn²⁺).

Qua đó cho thấy vật liệu có sinh học Biogum và vật liệu có nguồn gốc sinh học Biogum cải tiến có đặc tính cải thiện chất lượng nước tương tự như vật liệu hóa học PAC. Bên cạnh đó Biogum có khả năng tự phân hủy sinh học không gây tồn dư hóa chất trong môi trường tự nhiên; trong khi Biogum cải tiến có thể sử dụng, thu hồi và tái sử dụng trong cải thiện chất lượng nước thải. Kết quả nghiên cứu có thể mở ra hướng tiếp cận mới khi sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học để cải thiện chất lượng môi trường nước theo hướng thân thiện môi trường và phát triển biền vững trong tương lai.

2. Những kết quả mới của luận án

So với các công trình nghiên cứu gần đây, nghiên cứu tập trung vào một số điểm mới cơ bản như sau:

• Giới thiệu vật liệu Biogum cải tiến (điều chế từ Biogum sinh học kết hợp với nano từ tính) có khả năng thu hồi sau xử lý trong cải thiện chất lượng nước thải dệt nhuộm và xi mạ. Vật liệu Biogum cải tiến có thể thay thế vật liệu hóa học truyền thống ít thân thiện môi trường và có thể tái sử dụng nhiều lần trong quá trình xử lý.
• Đề xuất ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trường Biogum cải tiến vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ màu và COD của nước thải dệt nhuộm.
• Đề xuất ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học thân thiện môi trường Biogum cải tiến vào quy trình công nghệ nhằm loại bỏ ion kim loại của nước thải xi mạ.

3. Khả năng ứng dụng trong thực tiễn

Luận án cung cấp những thông tin khoa học về việc ứng dụng vật liệu keo tụ sinh học thân thiện với môi trường trong cải thiện chất lượng nước thải một số ngành công nghiệp ô nhiễm màu và kim loại nặng từ đó hướng đến sử dụng vật liệu thân thiện và bền vững cho hệ sinh thái.

Kết quả nghiên cứu bước đầu có thể đề xuất thay thế dần vật liệu hóa học bằng vật liệu sinh học thân thiện môi trường trong các trạm vận hành HTXL nước và nước thải.

Kết quả nghiên cứu này làm cơ sở đề xuất quy trình cải thiện chất lượng nước thải cho các loại hình ô nhiễm có tính chất tương tự nước thải nghiên cứu.          

1. Summary of the dissertation

The study “Evaluation of Cassia Fistula seed gum as auxiliary bio-coagulant to improve industrial wastewater process” is conducted to:

- Produce biogum from Cassia Fistula seed gum, waste products in urban areas. Development of biogum with nanocomposite coagulants to become improved biogum

- Evaluate the effectiveness of removing color in textile dyeing wastewater treatment based on Jartest experiments in lab and in pilot model with a capacity of 30L/h, similar to the applied models of biogum and biogum-improved

- Evaluate the effectiveness of removing heavy ions Cu, Zn, and Ni in plating metal wastewater based on Jartest experiments in lab and in pilot model with a capacity of 30L/h, similar to the applied models of biogum and biogum-improved

- Evaluate the effectiveness of recovering and reusing improved biogum after removing heavy ions in plating metal wastewater.

Results

Studies on improving the quality of textile dyeing and plating wastewater treatments are based on two biocoagulants (i) Biogum (plant extract), and (ii) Improved Biogum (Gum- Polysaccharide-Based on nanocomposites) that can be recovered and reused. The Jartest and Pilot experiments were examined to evaluate the ability to remove color in textile dyeing wastewater and heavy metals in plating wastewater, and PAC was used as a coagulant control.  The results showed that the removal of color in  Biogum was 91,20% and 72,66% (RR); 82,30% and 78,92%, and the removal of heavy metals of Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ in  Biogum was 79,26%; 83,11%; 82,96% (hypothetical wastewater treatment) and 58.91%; 71,78%; 78,06% (NMXM). Although Biogum has a high efficiency of removing color and heavy metals, it is difficult to recover due to the process of dissolution and decomposition. The results showed about 80% of Biogum was decomposed in water after 15 days. Therefore, studies on improved Biogum are very important in reusing of this biological coagulant.

Results showed that improved Biogum could improve the quality of industrial textile dyeing and plating wastewater in color removal, COD, 99,97% and 96% (RR); 99,03% and 95,13% (NMDN); and the removal of heavy metals Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ 92,93%; 97,17%; 94,97% (hypothetical wastewater treatment) and 89.10%; 94,51%; 94,92% (NMXM). The ability to reuse improved biogum after the second and the third recovery to remove color achieved 96,60% and 93,27% (RR wastewater with 1052 Pt) ; 96,73% and 92,50% (NMDN wastewater with 1378 Pt-Co color). In dyeing wastewater, removing of heavy metals after the second and the third recovery  achieved 82,49% and 76,37% (Ni²⁺); 81,72% and 76,73% (Cu²⁺); 83,79% and 76,69% (Zn²⁺).

In hypothetical of textile dyeing wastewater RR, improved biogum coagulant showed a better improvement than the PAC coagulant. The efficiency of removing color by improved Biogum is higher than PAC and Biogum (99,97% (RR); 91,20% (RR); 99,97% (RR); and 99,03% (NMDN); 82,30% (NMDN); 94,10% (NMDN). In Pilot experiments, Biogum and improved biogum also showed a better color removal than PAC (94,64% (PAC); 94,04% (improved biogum); 92,77%; 93,83% (Biogum); 94,90%; 93,83% (PAC). In textile dyeing wastewater, improved Biogum showed better efficiency of removing heavy metals Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺  than Biogum and PAC (improved biogum (92,93% Ni²⁺; 97,17% Cu²⁺; 94,97% Zn²⁺); Biogum (79,26% Ni²⁺, 83,11% Cu²⁺, 82,96% Zn²⁺) and PAC (59,77% Ni²⁺, 68,93% Cu²⁺, 66,13% Zn²⁺).  The results are similar in Pilot experiments, improved Biogum showed a better heavy metal removal in Ni²⁺, Cu²⁺ and Zn²⁺ than Biogum (improved Biogum (99,15% Ni²⁺; 91,88% Cu²⁺; 86,97% Zn²⁺), Biogum (98,88% Ni²⁺, 89,45% Cu²⁺, 86,37% Zn²⁺).

Results from this study indicated that biocoagulants, such as biogum and improved Biogum can improve the quality of wastewater as well as chemical PAC. In addition, biogum is a biodegradable that does not leave chemical residues in the environment, and improved biogum can be recovered and reused in wastewater treatments.

The results may open new approaches in using bio-based materials to improve water quality in an eco-friendly and sustainable manner in the future.

2. The new findings of the thesis

 Comparing to recent studies, this research is concentrated on some new basic results:

• Introduce environmentally friendly biogum materials that can be used to improve textile dyeing and plating wastewater treatments. Discover alternative and environmentally friendly materials that can be used and recovered to replace traditional and less environmentally friendly chemical materials.
• Recommend to apply environmentally friendly improved biogum to remove color and COD in textile dyeing wastewater treatment
• Recommend to apply environmentally friendly improved biogum to remove heavy irons in plating wastewater treatment.

3. Ability to apply in practice

The results of this study provide scientific informations in using environmentally friendly improved biogum in the treatment of industrial wastewater containing heavy metals and color, thus contributing to another approach in using friendly and substantially biocoagulants for the environment.

The results of this study might suggest replacing chemical materials with environmentally friendly bio-materials in waste water treatments

The results of this study might provide scientific basic to apply for other similar models of waste water treatment.

>> Xem chi tiết nội dung luận án

>> Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo.