Đề tài Nghiên cứu khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt của bùn hoạt tính trong bể Aerotank

ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -1- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn Đề Tài: Nghiên cứu khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt của bùn hoạt tính trong bể Aerotank Giáo viên hƣớng dẫn: Phạm Phú Song Toàn Sinh viên thực hiện: Vƣơng Ngọc Tuấn Lớp: 08MT ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -2- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.7 Mục tiêu đề tài ................................................................................................. 8 Nhiệm vụ ......................................................................................................... 8 Ý nghĩa thực tế và các vấn đề liên quan ........................................................... 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.1 Giới thiệu chất hoạt động bề mặt9 1.1.1 Định nghĩa ............................................................................................... 9 1.1.2 Đặc điểm ................................................................................................. 9 1.2 Sơ lƣợc về lịch sử chất hoạt động bề mặt .................................................... 10 1.3 Phân loại chất hoạt động bề mặt.................................................................. 10 1.3.1 CHĐBM Anionic ..................................................................................... 10 1.3.2 CHĐBM Cationic .................................................................................... 11 1.3.3 CHĐBM Non-ionic ................................................................................. 12 1.3.4 CHĐBM Amphoteric ............................................................................... 12 1.3.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của chất hoạt động bề mặt ................ 15 1.3.6 Ứng dụng ................................................................................................. 16 1.4 Tính chất cơ bản của chất hoạt động bề mặt ................................................ 16 1.4.1 Tính thầm ƣớt .......................................................................................... 16 1.4.2 Khả năng tạo bọt ...................................................................................... 17 1.4.3 Khả năng hòa tan ..................................................................................... 17 1.4.4 Khả năng hoạt động bề mặt ...................................................................... 17 1.4.5 Khả năng nhũ hóa .................................................................................... 18 1.4.6 Điểm Kraft – điểm đục ............................................................................ 18 1.4.7 HLB (tính ƣa nƣớc – tính ƣa dầu – cân bằng) .......................................... 18 1.5 Ảnh hƣởng của chất hoạt động bề mặt tới sức khoẻ và môi trƣờng ............. 18 ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -3- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn 1.5.1 SLES ....................................................................................................... 19 1.5.2 LAS ......................................................................................................... 19 1.5.3 ALS ......................................................................................................... 20 1.5.4 Xà Phòng ................................................................................................. 20 1.6 Các phƣơng pháp xử lý chất hoạt động bề mặt........................................................................................................................21 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BÙN HOẠT TÍNH 2.1 Bùn hoạt tính...................................................................................................22 2.2 Các sinh vật trong bùn hoạt tính.................................................................. 22 2.3 Cách hình thành bùn hoạt tính .................................................................... 22 2.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý nƣớc thải bằng bùn hoạt tính ..... 23 2.5 Hoạt động của vi sinh vật trong nƣớc thải ................................................... 23 2.6 Động học sinh trƣởng của vi sinh vật .......................................................... 24 2.7 Các thông số cần quan tâm trong quá trình xử lý nƣớc thải bằng bùn hoạt tính ........................................................................................................... 25 CHƢƠNG 3: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 26 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 26 3.2.1 Phƣơng pháp thu thập tài liệu................................................................... 26 3.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm ....................................................................... 26 3.2.3 Mô hình thí nghiệm ................................................................................. 27 3.2.4 Tiến trình thí nghiệm ............................................................................... 27 3.2.4.1 Xây dựng đƣờng chuẩn ......................................................................... 27 3.2.4.2 Cách tiến hành .................................................................................... 28 3.2.5 Các thí nghiệm ......................................................................................... 29 3.3 Phƣơng pháp phân tích ............................................................................... 29 ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -4- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Xác định hàm lƣợng chất hoạt động bề mặt trong các sản phẩm Omo, Surf ,Nƣớc rửa chén Mỹ Hảo .............................................................................................. 30 4.2 Thí nghiệm ................................................................................................. 31 4.2.1 Thí nghiệm với mẫu nƣớc thải sinh hoạt .................................................. 31 4.2.2 Thí nghiệm với mẫu nƣớc thải công nghiệp ............................................. 32 4.3 Kết quả sau xử lý bằng bùn hoạt tính .......................................................... 33 4.3.1 Nƣớc thải sinh hoạt .................................................................................. 33 4.3.2 Nƣớc thải công nghiệp ............................................................................. 33 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận ........................................................................................................... 35 Kiến nghị .......................................................................................................... 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 36 PHỤ LỤC Phụ lục 1 .......................................................................................................... 37 Phụ lục 2 .......................................................................................................... 38 Phụ lục 3 .......................................................................................................... 39 Phụ lục 4 .......................................................................................................... 40 Phụ lục 5 .......................................................................................................... 41 Phụ lục 6 .......................................................................................................... 42 ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -5- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn DANH MỤC ĐỒ THỊ Bảng 4.1: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS có trong Omo, Surf, Nƣớc rửa chén Mỹ Hảo Bảng 4.2: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS trƣớc xử lý của nguồn nƣớc thải sinh hoạt so với tiêu chuẩn. Bảng 4.3: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS trƣớc xử lý của các nguồn nƣớc thải công nghiệp so với tiêu chuẩn. Bảng 4.4: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS sau xử lý của các nguồn nƣớc thải sinh hoạt so với tiêu chuẩn. Bảng 4.5: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS sau xử lý của các nguồn nƣớc thải công nghiệp so với tiêu chuẩn. Bảng 4.6: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS trƣớc và sau xử lý của các nguồn nƣớc thải sinh hoạt Bảng 4.7: Biểu đồ thể hiện hàm lƣợng LAS trƣớc và sau xử lý của các nguồn nƣớc thải công nghiệp ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -6- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Động học sinh trƣởng của vi sinh vật Hình 2: Biểu đồ đƣờng chuẩn của LAS Hình 3: Mô hình xử lý trong phòng thí nghiệm ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -7- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHĐBM : Chất hoạt động bề mặt VSV : Vi sinh vật LAS : Lauryl Alkyl Sulfonate SLES : Sodium lauryl ether sulfate hay Sodium Lauryl Sulfate. ABS : Ankyl Benzen Sulfonate. SLS : Sodium lauryl sufate ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -8- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn LỜI MỞ ĐẦU Ở cuộc sống hiện đại, nhu cầu về các chất tẩy rửa ngày càng đƣợc quan tâm và trở thành một nhu cầu không thể thiếu đƣợc đối với con ngƣời. Ở bất kì đâu ,bất kì ai cũng đều sử dụng những sản phẩm nhƣ kem đánh răng, sữa tắm, xà phòng tắm ,xà phòng giặtTất cả đã hình thành nên ngành công nghiệp sản xuất các chất tẩy rửa. Nghành công nghiệp này đặt trên việc sử dụng và phát triển các chất hoạt động bề mặt và phụ gia cho các chất hoạt động bề mặt. Chất hoạt động bề mặt không những đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực tẩy rửa mà còn nhiều ứng dụng khác: - Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm - Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp - Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt - Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in - Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật - Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đƣờng, tăng cƣờng độ đóng rắn của bê tông - Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan - Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản . Vấn đề đặt ra ở đây là với việc sử dụng chất hoạt động bề mặt rất nhiều nhƣng liệu quá trình xử lý chất hoạt động bề mặt tại các trạm xử lý nƣớc thải là có hoàn toàn và triệt để hay không. Vì vậy tôi thực hiện đề tài “nghiên cứu khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt của bùn hoạt tính” với mục đích nghiên cứu khả năng xử lý chất họat động bề mặt Anion của hệ bùn hoạt tính trong bể Aerotank và các thông số tối ƣu vận hành bể aerotank để xử lý chất hoạt động bề mặt đạt hiệu quả nhất. ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -9- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn Mục tiêu đề tài - Sử dụng bùn hoạt tính để xử lý chất hoạt động bề mặt. Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập số liệu và tài liệu liên quan đến đề tài. - Xây dựng mô hình thực nghiệm để xử lý chất hoạt động bề mặt bằng bùn hoạt tính. - Vận hành các mô hình thực nghiệm, đƣa ra đƣa mô hình xử lí đạt yêu cầu. - Thành phần ,đặc điểm của bùn hoạt tính. - Một số chất hoạt động bề mặt thƣờng xuất hiện trong nƣớc thải. - Ảnh hƣởng của các các chất hoạt động bề mặt trong nƣớc thải đến môi trƣờng và cuộc sống con ngƣời. - Khả năng xử lý chất hoạt động bề mặt bằng bùn hoạt tính trong bể Aerotank. - Tính khả thi của đề tài. Ý nghĩa đề tài và các vấn đề liên quan. - Có thể ứng dụng trong các trạm xử lý nƣớc thải của các khu công nghiệp ,các xí nghiệp sản xuất. ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -10- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.1 Giới thiệu sơ lƣợc về chất hoạt động bề mặt 1.1.1 Định nghĩa: - Chất hoạt động bề mặt - CHĐBM (Surfactant, Surface active agent) là chất khi cho vào dung môi có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. CHĐBM có cấu tạo gồm đầu ƣa nƣớc và một đầu kỵ nƣớc và tính chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào 2 phần này: + Đầu kỵ nƣớc phải đủ dài, mạch Cacbon từ 8-21, ankyl thuộc mạch ankal, ankle mạch thẳng hay có gắn vòng clo hay benzene + Đầu ƣa nƣớc phải là nhóm phân cực mạnh nhƣ Cacboxyl (COO-), Hydroxyl(-OH), Amin (-NH2), Sulfat (-OSO3) VD : cơ chế tẩy rửa vết bẩn có chất béo: 1.1.2 Đặc điểm: CHĐBM đƣợc dùng để làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng .Nếu cho nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt động bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hòa chất hoạt động bề mặt vào trong một chất lỏng thì các Dầu mỡ Dầu mỡ Dung dịch chất tẩy rửa Sợi Sợi Nƣớc Hình 2: CƠ CHẾ TẨY RỬA CÁC VẾT DẦU MỠ ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -11- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn phân tử của chất hoạt động bề mặt có xu hƣớng tạo đám (micelle). Nồng độ mà tạo đó các phân tử bắt đầu tạo đám gọi là nồng độ micelle tới hạn. Nếu chất lỏng là nƣớc thì các phân tử sẽ chụm đuôi kỵ nƣớc lại với nhau và quay đầu ƣa nƣớc ra tạo nên những hình dạng khác nhau nhƣ hình cầu, hình trụ, màng. Tính ƣa nƣớc, kỵ nƣớc của một chất hoạt động bề mặt đƣợc đặc trƣng bởi một thông số là độ cân bằng ƣa nƣớc, kỵ nƣớc (Hydrophilic Lipophilic Balance - HLB), HLB có giá trị từ 0 đến 40. Giá trị HLP càng cao thì hóa chất càng dễ hoà tan trong nƣớc, ngƣợc lại, giá trị HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực nhƣ dầu. 1.2 Sơ lƣợc về lịch sử chất hoạt động bề mặt Khi nói về lịch sử của chất tẩy rửa, không có một ngày rõ ràng để chỉ nguồn gốc của nó, bởi vì sự thật là việc vệ sinh cá nhân đã bắt đầu cùng với sự khởi đầu của nền văn minh con ngƣời. Thực ra, nƣớc đƣợc xem nhƣ là chất tẩy rửa lâu đời nhất đƣợc sử dụng để làm sạch thân thể và quần áo. Loại xà phòng này đƣợc đựng trong những lọ hình trụ, chúng đƣợc tìm thấy trong những cuộc khai quật về ngƣời Babylon cổ đại. Vì vậy những nhà sử học cho là chất tẩy rửa đã bắt nguồn vào thời kỳ này hay nói khác hơn lịch sử ra đời của chất tẩy rửa bắt nguồn từ “xà phòng”. Đến thế kỷ 18, xà phòng đƣợc sản xuất trên quy mô lớn. Lúc này ngƣời ta đã phát minh ra xút ăn da và biết chế tạo ra chất kiềm từ muối ăn để thay thế cho tro từ gỗ. Đồng thời cũng biết ép dầu từ các loại hạt và quả. Nhiều nhà máy ép dầu ra đời, thay thế mỡ động vật. Nguyên liệu phong phú và sẵn. Bí mật công nghệ cũng bị khám phá. Chẳng còn trở ngại nào ngăn đƣợc ngành sản xuất xà phòng đi lên. 1.3 Phân loại: 1.3.1 CHĐBM Anionic: ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -12- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn CHĐBM anionic khi cho vào trong nƣớc sẽ phân ly thành ion âm, chúng có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất, khả năng lấy dầu cao, tạo bọt to nhƣng kém bền. Các CHĐBM này bị thụ động hoá trong môi trƣờng nƣớc cứng (Ca2+, Mg2+) và các ion kim loại nặng (Al, Fe). Đây là loại CHĐBM đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong giặt giũ, nƣớc rửa chén, các chất tẩy rửa gia dụng... + SDS : Sodium dodecyl sulfate + SLS : Sodium lauryl sufate + SLES : Sodium lauryl ether sulfate hay Sodium Lauryl Sulfate. + LABS: Linear alkyl benzene sulfonate + ALS: Amoni Lauryl Sulfat + LES : Lauryl Ether Sulfonate. + ABS: Ankyl Benzen Sulfonate. + LAS: Lauryl Alkyl Sulfonate + Xà phòng và các muối của axit béo; các muối ankyl sulfate khác. 1.3.2 CHĐBM Cationic: CHĐBM Cationic có nhóm phân cực bị phân ly thành ion dƣơng trong dung dịch, chúng thƣờng là các dẫn xuất của muối amoni bậc 4, có khả năng làm bền bọt, tạo nhũ tốt, lấy dầu ít nên êm dịu với da, chủ yếu dùng làm mềm, xốp xơ sợi và triệt tiêu tĩnh điện. - CTAB: Cetyl trimethylamonium bromide - CPC : Cetyl pyridinium chloride - POEA : Polyethoxylated tallow amine - BAC : Benzalkonium chloride - BZT : Benzethoium chloride ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -13- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn 1.3.3 CHĐBM Non-ionic: CHĐBM Non-ionic có nhóm phân cực không bị ion hoá trong dung dịch nƣớc. Phần ƣa nƣớc chứa những nguyên tử oxy, nitơ hoặc lƣu huỳnh không ion hoá, sự hoà tan là do cấu tạo những liên kết hydro giữa các phân tử nƣớc và một số chức năng của phần phân cực bao gồm nhóm alcohol và ester. Phần kỵ nƣớc là mạch hydrocacbon dài. CHĐBM non- ionic không bị ion hoá nên không tích điện, do đó ít bị ảnh hƣởng bởi nƣớc cứng và pH của môi trƣờng tuy nhiên vẫn có khả năng tạo phức với các ion của kim loại nặng, êm dịu với da, lấy dầu ít, tạo bọt kém, thƣờng đƣợc dùng trong những chất tẩy rửa cho máy rửa chén và giặt giũ. - Decyl maltoside - Alkyl poly(ethylen oxit) và Copolymer của poly(ethylen oxit) và poly(ethylen oxit) (trong thƣơng mại gọi là Poloxamer hay Poloxamin). - Alkyl polyglucoside bao gồm: + Octyl glucoside + Các rƣợu béo của cetyl và oleyl. + Cocamide MEA, cocamide DEA, cocamide TEA 1.3.4 CHĐBM Amphoteric: CHĐBM Amphoteric có tính lƣỡng cực, có khả năng tạo thành anionic, cationic hoặc non-ionic trong dung dịch phụ thuộc vào pH (acid hay kiềm) của nƣớc. Chúng rất thích hợp cho da nhờ đặc tính lấy dầu nhẹ, ổn định, thƣờng đƣợc dùng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân và một số sản phẩm làm sạch gia dụng. Imidazoline và betain là những chất hoạt động bề mặt chiếm đa số. - Akyl amido propyl betain - Akyl amido propyl sulfobetain - Sulfonat betain - Betain etoxy hoá ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -14- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn - Dodecyl betaine - Dodecyl dimethylamide oxide - Coamidopropyl betain - Coco ampho glycinat. Một số chất hoạt động bề mặt thƣờng gặp: Tên Tên tắt Công thức phân tử Công thức cấu tạo CHĐBM Anionic Sodium Lauryl Eter Sulfat hay Sodium Laureth Sulfat SLES C11+ nH23 + 4nNaO4+ nS Amoni Lauryl sulfat ALS C12H29NO4S CH3(CH2)10CH2OSO3NH4 Linear Alkyl Sulfonate LAS Disodium laureth sulfosuccinate MESD RO (CH2CH2O) XCOCHCH (SO3Na) COONa Alkyl Benzen Sulfonat ABS Sodium Lauryl Sulfat hay Sodium Dodecyl Sulfate SLS SDS SDS C12H25NaO4S SLS: C n H 2n +1 SO 4 Na (n ≈ 12) Hoặc ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -15- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn Xà phòng và các muối của axit béo CHĐBM Cationic Benzalkonium Clorua BAC Benzethonium Clorua BZT Distearyl Dimethyl Amoni Clorua DSDMAC Với: n=10 -14 Cetyl Trimetylammoni um Bromua CTAB Polyethoxylated Tallow Amin POEA Cetyl Pyridinium Clorua CPC CHĐBM Ampho -teric Dodecyl Betain Dodecyl dimetylamin oxit Cocamidopropyl Betain Coca Ampho Glycinat ĐỒ ÁN TỔNG HỢP -16- SVTH: Vƣơng Ngọc Tuấn-Lớp:08MT GVHD: Phạm Phú Song Toàn CHĐBM Non- ionic α-olefin sulfonate AOS R _CH=CH(CH2)nSO3Na diethanol amin DEA Octyl Glucozit Các rƣợu béo 1.3.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của chất hoạt động bề mặt 1.3.5.1 Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao, độ hòa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ nhớt của các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hòa tan của chất bẩn càng lớn, phản ứng trung hòa chất bẩn có tính axit và phản ứng xà phòng hóa chất béo xảy ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy. Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhũ. Một số loại vải không thể chịu đƣợc nhiệt độ dung dịch cao. Đối với các chất hoạt động bề mặt NI, sự hấp phụ tăng theo nhiệt độ và sau điểm đục, sức căng bề mặt và giao diện của các chất NI có thay đổi. 1.3.5.2 Loại phân tử: Sức căng bề mặt hay giao diện phụ thuộc vào loại phân tử cấu thành nên chất hoạt động bề mặt. Đối với chất hoạt động bề mặt Anion, khi thêm gốc –CH2 vào trong dãy chất béo, sức căng bề mặt giảm đi (giảm nồng độ). Có thể làm giảm độ hình thành Micell bằng cách làm mất tính đối xứng trong phân tử bằng cách phân nhánh hoặc thay thế hai nhánh ngắn hơn thành một nhánh dài duy nhất