Luận án Nghiên cứu cải tiến quy trình điều chế dung dịch siêu oxy hóa và ứng dụng trong khử trùng nước thải bệnh viện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------------- NGUYỄN THỊ THANH HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƢỚC THẢI BỆNH VIỆN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------------- NGUYỄN THỊ THANH HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SIÊU OXY HÓA VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHỬ TRÙNG NƢỚC THẢI BỆNH VIỆN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 62 52 03 20 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu 2. PGS.TSKH. Ngô Quốc Bƣu Hà Nội 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án “ Nghiên cứu cải tiến quy trình điều chế dung dịch siêu oxy hóa và ứng dụng trong khử trùng nước thải bệnh viện” là do tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu và PGS.TSKH. Ngô Quốc Bƣu. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chính xác và chƣa đƣợc tác giả khác công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Hải LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo, các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Công nghệ Môi trƣờng, Học Viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện công trình này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hoài Châu, PGS.TSKH Ngô Quốc Bƣu - Viện Công nghệ môi trƣờng đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trƣờng, phòng Công nghệ Hóa lý môi trƣờng (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Trong thời gian qua, tôi cũng đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần, vật chất của gia đình và ngƣời thân. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Hải DANH MỤC СÁС TỪ VIẾT TẮT ANK (Activated Neutral Anolyte): Dung dịch anolit trung tính BCC: buồng chia catolit BOD (Biochemical oxygen Demand): Nhu cầu oxy sinh hoá COD (chemical oxygen demand): Nhu cầu oxy hóa học Cs: cộng sự Dd: dung dịch DNA (deoxyribonucleic acid): axit nucleic EPA (Environmental Protection Agency): Cơ quan Bảo vệ Môi trƣờng FDA (Food and Drug Administration): Cục quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm FEM (flow-through electrolytic module): Buồng điện hóa dòng chảy HAAs (Haloacetic acids): Axit Haloacetic HHĐH: hoạt hóa điện hóa KPH: không phát hiện MB-11: Buồng điện hóa kiểu MB-11 MDL (method detection limit): Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp MQL: Giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp Nguồn DC (Direct Current): Nguồn một chiều ORP (Oxidation reduction potential): Thế oxy hóa khử OSHA (the Occupational Safety and Health Administration): Cơ quan quản lý an toàn và sức khỏe nghề nghiệp (Hoa Kỳ) PAC (Poly Aluminum Chloride): phèn nhôm cao phân tử QCVN: Quy chuẩn Việt Nam SMEWW (Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water): Các phƣơng pháp chuẩn xét nghiệm nƣớc và nƣớc thải. STEL: Các thiết bị hoạt hóa điện hóa chuyên sản xuất các dung dịch khử trùng, sát trùng và tẩy rửa (đƣợc ghép bằng hai từ sterility và electrochemistry) Supowa (Super-Oxidized Water): Dung dịch siêu oxy hóa TDS (Total Dissolved Solids): Tổng hàm lƣợng khoáng chất TOC (Total Organic Carbon): Carbon hữu cơ tổng số THM: trihalogen methan Viện CNMT: Viện Công nghệ môi trƣờng VK: Vi khuẩn PA: Áp suất xuyên màng khoang anốt PC: Áp suất xuyên màng khoang catốt MỤC LỤC CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ........................................................................................... 6 1.1. Dung dịch siêu oxy hóa và đặc tính của nó ................................................ 6 1.1.1. Giới thiệu về dung dịch siêu oxy hóa ...................................................... 6 1.1.2. Một số phương pháp điều chế dung dịch HHĐH .................................. 19 1.1.3. Tình hình nghiên cứu nước siêu oxy hóa trong nước ............................ 25 1.2. Nƣớc thải bệnh viện và đặc trƣng ô nhiễm ............................................... 32 1.2.1. Đặc điểm ô nhiễm nước thải bệnh viện ................................................. 32 1.2.2. Tiêu chuẩn vi sinh đối với nước thải y tế .............................................. 36 1.3. Các phƣơng pháp khử trùng nƣớc thải bệnh viện ..................................... 37 1.3.1. Công nghệ khử trùng bằng các hợp chất chứa clo ............................... 37 1.3.2. Công nghệ khử trùng bằng ozon ........................................................... 38 1.3.3. Công nghệ khử trùng bằng tia cực tím (UV) ......................................... 40 1.3.4. Khử trùng nước thải bệnh viện bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa ...... 41 CHƢƠNG II. ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................... 46 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 46 2.2. Phƣơng pháp hoàn thiện công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa ..... 46 2.2.1. Phương pháp khảo sát các tính năng chủ yếu của công nghệ hấp thụ hỗn hợp khí ướt để điều chế dung dịch siêu oxy hóa ............................................ 46 2.2.2. Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự ổn định trong quá trình lưu trữ của dung dịch siêu oxy hóa ................................................................................... 51 2.2.3. Chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa .................................. 52 2.2.4. Các phương pháp xác định thông số của dung dịch siêu oxy hóa ........ 54 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nƣớc thải bệnh viện ..................................................................................... 54 2.3.1. Phương pháp đánh giá hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa 55 2.3.2. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của giá trị pH, amoni, COD và BOD5 trong nước thải đến hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa ......... 56 2.3.3. So sánh sự tạo thành THMs khi dùng supowa với các chất khử trùng khác ............................................................................................................... 59 2.3.4. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nước thải bệnh viện ............................................................................................................... 59 2.4. Vật liệu sử dụng ........................................................................................ 60 2.5. Kỹ thuật sử dụng ....................................................................................... 61 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 65 3.1. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa .............................................................. 65 3.1.1. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa có độ khoáng hóa thấp sử dụng phương pháp quay vòng catolit ............................................................................. 65 3.1.2. Điều chế dung dịch siêu oxy hóa theo phương pháp không quay vòng catolit ............................................................................................................... 75 3.1.3. Nghiên cứu khả năng lưu trữ và sự thay đổi chất lượng dung dịch siêu oxy hóa trong quá trình lưu trữ ..................................................................... 83 3.1.4. Nhận xét chung ...................................................................................... 91 3.2. Nghiên cứu cải tiến thiết bị điều chế dung dịch siêu oxy hóa supowa ..... 92 3.2.1. Thiết kế công nghệ ................................................................................. 92 3.2.2. Chế tạo thiết bị ...................................................................................... 96 3.2.3. Thử nghiệm thiết bị ................................................................................ 97 3.2.4. Nhận xét chung ...................................................................................... 98 3.3. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa khử trùng nƣớc thải bệnh viện ................................................................................................................... 99 3.3.1. Hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa trên một số chủng vi sinh gây bệnh thường có trong nước thải bệnh viện ............................................. 99 3.3.2. Ứng dụng supowa để khử trùng nước thải bệnh viện ......................... 113 3.3.3. Nhận xét chung .................................................................................... 129 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 130 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 134 DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1. Đặc trƣng của dung dịch HHĐH thông thƣờng (dung dịch oxy hóa) và dung dịch siêu oxy hóa .............................................................................................................................. 12 Bảng 1. 2. Đặc trƣng lý-hóa của các dung dịch anolit ANK sản xuất trên các thiết bị STEL cải tiến so sánh với dung dịch hypoclorit natri .............................................................................. 28 Bảng 1. 3. Tiêu chuẩn nƣớc cấp và lƣợng nƣớc thải bệnh viện ................................................ 32 Bảng 1.4. Giá trị của các chỉ số ô nhiễm ................................................................................. 36 Bảng 2. 1. Các thông số cơ bản của anolit perox ...................................................................... 64 Bảng 3. 1. Chế độ vận hành tối ƣu của sơ đồ quay vòng catolit ............................................... 71 Bảng 3. 2. Mức độ ổn định của các thông số khi vận hành theo sơ đồ quay vòng catolit ........ 72 Bảng 3.3. Chế độ vận hành tối ƣu của sơ đồ không quay vòng catolit ..................................... 81 Bảng 3.4. Mức độ ổn định của các thông số khi vận hành theo sơ đồ không quay vòng catolit .................................................................................................................................................. 81 Bảng 3.5. Sự thay đổi các thông số của dung dịch supowa theo thời gian và cách lƣu trữ ...... 84 Bảng 3. 6. So sánh ƣu nhƣợc điểm 2 phƣơng pháp .................................................................. 91 Bảng 3.7. Thông số cơ bản của mô đun điện hóa MB-11 ........................................................ 95 Bảng 3.8. Kết quả chạy thử nghiệm .......................................................................................... 98 Bảng 3.9. Kết quả xác định lƣợng coliform còn sống sau khử trùng bằng supowa ở các nồng độ khác nhau ........................................................................................................................... 111 Bảng 3.10. Kết quả xác định lƣợng vi khuẩn còn sống sau khử trùng bằng supowa ở các nồng độ khác nhau ........................................................................................................................... 112 Bảng 3.11. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng dung dịch supowa nồng độ 1,5 mg/L trong 15 phút ...................................................................................................... 120 Bảng 3.12. Kết quả sau khử trùng nƣớc thải bệnh viện Hữu Nghị (có bổ sung thêm vi khuẩn) bằng supowa 1,5 mg/L và 2,0 mg/L trong thời gian 15 phút.................................................. 121 Bảng 3.13. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng supowa nồng độ 2g/m3 ................................................................................................................................................ 123 Bảng 3.14. Kết quả phân tích nƣớc thải bệnh viện Hữu Nghị trƣớc và sau khử trùng bằng cloramine B và supowa nồng độ 2g/m3 .................................................................................. 123 Bảng 3.15. Kết quả phân tích nƣớc thải trƣớc và sau khử trùng bằng supowa ...................... 124 Bảng 3.16. Kết quả phân tích nƣớc thải bệnh viện Quân y 354 trƣớc và sau khử trùng bằng cloramine B và supowa nồng độ 2g/m3 .................................................................................. 124 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một thiết bị sản xuất nƣớc oxy hóa ANK từ dung dịch muối ăn ............................................................................................................................... 7 Hình 1.2. Đƣờng cong thế năng của một chất trong quá trình điện hóa...........22 Hình 1.3. Mô đun buồng điện hóa dòng chảy FEM-3 và mặt cắt dọc, mặt cắt ngang của mô đun ............................................................................................................................................ 12 Hình 1.4. Mô đun buồng điện hóa MB-11 ................................................................................ 13 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của FEM-3 điều chế dung dịch HHĐH anolit ANK ..................... 19 Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của MB-11 điều chế dung dịch supowa theo công nghệ hấp thụ hỗn hợp khí ƣớt ............................................................................................................ 21 Hình 1.7. Tƣơng quan giữa độ khoáng hóa và nồng độ hỗn hợp các chất oxy hóa. ................. 22 Hình 1.8. Sơ đồ quy trình công nghệ cải tiến cho phép điều chế anolit ANK có hàm lƣợng các chất oxy hóa cao trên thiết bị cải tiến STEL-30-ECO-C .......................................................... 23 Hình 1.9. Một số sơ đồ điều chế anolit của Nga...35 Hình 1.10. Hệ thiết bị ECAWA-60 và ECAWA-D-500 do Viện CNMT thiết kế chế tạo ....... 26 Hình 1.11. Sơ đồ thủy lực của các thiết bị kiểu STEL ............................................................. 27 Hình 1.12. Phổ hấp thụ UV-Vis của các dung dịch anolit ANK so sánh với phổ nƣớc Javen 29 Hình 2.1. Sơ đồ thủy lực STEL-ANK-PRO-01 ........................................................................ 47 Hình 2.2. Cấu tạo buồng điện hóa MB-11 ................................................................................ 49 Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa phụ thuộc vào nồng độ chất khử trùng ........................................................................................................................... 56 Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ NH4 + đến hiệu lực khử trùng của nƣớc siêu oxy hóa ............................................................................................................... 56 Hình 2.5. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của giá trị BOD5 đến hiệu lực khử trùng của nƣớc siêu oxy hóa ............................................................................................................... 57 Hình 2.6. Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đến hiệu lực khử trùng của nƣớc siêu oxy hóa .............................................................................................................................. 57 Hình 3.1. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu oxy hóa với dòng catolit quay vòng......................... 65 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dòng catolit quay vòng đối với nồng độ các chất oxy hóa và độ khoáng hóa trong dung dịch siêu oxy hóa ....................................................................... 67 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dòng catolit quay vòng đối với nhiệt độ buồng điện hóa hoạt hóa ..................................................................................................................................... 68 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của nồng độ chất oxy hóa (OXH) và năng suất sản xuất chất oxy hóa vào điện thế điện phân .............................................................................................................. 68 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của chế độ cấp muối lên chất lƣợng dung dịch siêu oxy hóa ................ 70 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của chế độ cấp muối lên năng suất sản xuất chất oxy hóa ..................... 71 Hình 3.7. Hình ảnh màng gốm ban đầu và sau khi bị bám cặn ................................................ 73 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của số vòng quay catolit đến độ dẫn điện của dung dịch catolit...74 Hình 3.9. Sơ đồ điều chế dung dịch siêu oxy hóa với dòng catolit không quay vòng.............. 75 Hình 3.10.Sự phụ thuộc của thông số supowa vào lƣu lƣợng dòng catolit không quay vòng.. 77 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của nhiệt độ buồng phản ứng vào lƣu lƣợng catolit không quay vòng .................................................................................................................................................. 77 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào điện thế điện phân.................................... 78 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của thông số supowa vào liều lƣợng cấp NaCl ................................. 79 Hình 3.14. Sự thay đổi pH của supowa theo tỷ lệ trộn hỗn hợp oxy hóa với catolit ................ 80 Hình 3.15. Sự thay đổi pH của dung dịch supowa trong thời gian lƣu trữ ............................... 85 Hình 3.16. Sự thay đổi TDS của dung dịch supowa trong thời gian lƣu trữ ............................ 86 Hình 3.17. Sự thay đổi ORP của dung dịch supowa theo thời gian và cách lƣu trữ ................ 88 Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ các chất oxy hóa của dung dịch supowa trong thời gian lƣu trữ..96 Hình 3.19. Sơ đồ ghép nối dòng chảy 4 buồng điện hóa .......................................................... 94 Hình 3.20. Sơ đồ cấp điện cho 4 buồng điện hóa ..................................................................... 94 Hình 3.21. Sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa dùng 4 mô đun MB-11 ........... 95 Hình 3.22. Thiết bị Supowa ...................................................................................................... 96 Hình 3.23. Cụm buồng điện hóa bao gồm 4 mô đun MB – 11 ................................................. 96 Hình 3.24. Sự phụ thuộc hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào nồng độ các chất oxy hóa ............................................................................................................................................. 99 Hình 3.25. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa và natri hypochlorit có cùng nồng độ vào thời gian tiếp xúc ............................................................... 102 Hình 3.26. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào pH dung dịch .. 105 Hình 3.27. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa vào nồng độ NH4 + có trong dung dịch ......................................................................................................... 106 Hình 3.28. Sự phụ thuộc của hiệu lực khử trùng của dung dịch supowa vào hàm lƣợng BOD5 trong dung dịch, so sánh với natri hypochlorite ..................................................................... 109 Hình 3.29. Hình ảnh thí nghiệm xác định lƣợng coliform còn sống sau khử trùng bằng supowa ở các nồng độ khác nhau ..........................................................................................