Hiện tượng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) được nhóm các nhà khoa học
Nga đứng đầu là Bakhir V.M. phát hiện năm 1975, sau đó liên tục được
nghiên cứu phát triển tại Nga và nhiều nước khác, nay đã trở thành một ngành
công nghệ nổi bật trong lĩnh vực điện hóa được ứng dụng rất rộng rãi trong
các ngành sản xuất và đời sống trên thế giới.
Quá trình hoạt hóa điện hóa được thực hiện khi dung dịch nước có độ
khoáng hóa thấp tương đương với nước uống bình thường dưới tác động của
một điện trường đơn cực trong buồng điện hóa có màng ngăn được đưa lên
trạng thái kích thích giả bền với các thông số hóa-lý khác thường, thay đổi
theo thời gian và dần phục hồi về trạng thái bền nhiệt động học. Các chất lỏng
sau khi được xử lý điện hóa trong một điện trường đơn cực ở trạng thái giả
bền được gọi là dung dịch HHĐH, công nghệ điều chế và ứng dụng chúng
được gọi là công nghệ HHĐH.
Để thực hiện các quá trình HHĐH dung dịch có độ khoáng hóa thấp,
nhiều hệ thống điện hóa đặc biệt đã được nghiên cứu chế tạo ở nước Nga và
nhiều nước trên thế giới. Bộ phận chủ yếu để tạo thành dung dịch HHĐH là
các buồng điện hóa có màng ngăn tạo thành hai khoang anốt và catốt rất hẹp
cho dung dịch nước chảy qua, với tên gọi là FEM (chữ viết tắt trong tiếng
Anh của cụm từ flow-through electrolitic module). Các tính chất hóa-lý của
dung dịch HHĐH được tạo thành phụ thuộc vào cấu tạo của các FEM, vì vậy
các công ty độc lập chế tạo thiết bị HHĐH đều cần chế tạo FEM của riêng
mình trước tiên. Đến năm 2011, trên thế giới đã có một số nước chế tạo được
những FEM loại này, đi đầu là nước Nga với FEM 3 [1-9]. Cho đến nay, cơ
sở duy nhất tại Nga chế tạo được các loại FEM được sử dụng với số lượng
hàng trăm nghìn chiếc là Viện nghiên cứu hệ thống và công nghệ điện hóa
mang tên Vitold Bakhir – người đã tìm ra hiện tượng HHĐH. Viện Vitold
Bakhir đã đưa ra loại modun điện hóa mới được hoàn thiện và có các đặc tính
kỹ thuật cao hơn nhiều so với FEM-3 ký hiệu là MB-11. Loại môđun MB-11
có kích thước và hình dáng bề ngoài giống như FEM-3 nhưng tạo ra sản phẩm
dung dịch HHĐH có tính năng hơn hẳn FEM-3 về hàm lượng chất oxy hóa,2
giảm tiêu thụ muối trong dung dịch đầu vào. Sơ đồ thủy lực của thiết bị sản
xuất HHĐH sử dụng MB-11 cũng khác sơ đồ sử dụng FEM-3. Dung dịch
HHĐH được sản xuất từ modul điện hóa MB-11 có tên gọi là dung dịch siêu
oxy hóa do có thành phần hoạt hóa cao nhưng nồng độ khoáng rất thấp (tiếng
Anh là super- oxidated water, viết tắt là supowa).
161 trang |
Chia sẻ: thientruc20 | Lượt xem: 436 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 ..........................................................................................