GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngành dệt nhuộm tại Việt Nam sở hữu một mạng lưới sản xuất phong phú với đa dạng mặt hàng và chủng loại Gần đây, ngành này đã đạt được tốc độ tăng trưởng kinh tế ấn tượng Trong chiến lược phát triển của ngành dệt nhuộm, mục tiêu được đề ra là hướng tới sự phát triển bền vững và nâng cao giá trị sản phẩm đến năm 2030.
Năm 2010, ngành dệt may Việt Nam đạt sản lượng trên 2 tỷ mét vải và kim ngạch xuất khẩu từ 3,5 đến 4 tỷ USD, tạo ra khoảng 1 triệu việc làm Tuy nhiên, để ngành công nghiệp dệt nhuộm phát triển bền vững, cần phải giải quyết triệt để vấn đề nước thải và khí thải Công nghệ dệt nhuộm tiêu tốn một lượng nước lớn trong sản xuất, đồng thời thải ra từ 12 đến 300 m³ nước thải cho mỗi tấn vải Nguồn ô nhiễm chính xuất phát từ nước thải trong các công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy, với nước thải giặt có pH từ 9 đến 12, hàm lượng chất hữu cơ cao lên đến 3000 mg/l, độ màu khoảng 1000 Pt – Co, và hàm lượng TSS có thể đạt 2000 mg/l.
Kết quả phân tích nước thải tại làng nghề dệt nhuộm Vạn Phúc (Hà Tây) cho thấy chỉ số BOD dao động từ 67 – 159mg/l, COD từ 139 – 423mg/l, và TSS từ 167 – 350mg/l Nước thải cũng chứa kim loại nặng như Fe (7,68 mg/l), Pb (2,5 mg/l) và Cr 6+ (0,08 mg/l) Theo Sở Tài nguyên Môi trường Thái Bình, làng nghề Nam Cao sử dụng khoảng 60 tấn hóa chất hàng năm, bao gồm ôxy già, nhớt thủy tinh, xà phòng, bồ tạt, Javen và thuốc nhuộm Các chỉ số ô nhiễm môi trường tại Nam Cao cho thấy hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp 3,75 lần tiêu chuẩn cho phép, BOD cao gấp 4,24 lần và COD cao gấp 3 lần so với tiêu chuẩn cho phép.
Tiêu chuẩn Greentrade Barrier là một rào cản thương mại xanh áp dụng cho ngành hàng may mặc, yêu cầu sản phẩm phải đáp ứng các tiêu chuẩn sinh thái và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng Điều này đảm bảo rằng quá trình sản xuất không gây ô nhiễm môi trường và bắt buộc các nhà xuất khẩu tuân thủ Trong bối cảnh cạnh tranh gay gắt sau khi hạn ngạch dệt may được gỡ bỏ, việc tuân thủ các tiêu chuẩn này trở nên ngày càng quan trọng.
Các tiêu chuẩn được áp dụng tại các thị trường EU, Mỹ và Nhật Bản tạo ra rào cản thương mại “xanh”, trở thành thách thức lớn cho các quốc gia xuất khẩu hàng dệt may.
Trong bối cảnh nhu cầu cấp thiết về bảo vệ môi trường, nhóm nghiên cứu đề xuất "Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải ngành dệt nhuộm với công suất 10 m³/ngày bằng công nghệ plasma" Giải pháp này không chỉ đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải hiệu quả mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm trong ngành dệt nhuộm.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Dựa trên thành công của đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống xử lý nước thải khu công nghiệp bằng công nghệ Plasma”, chúng tôi sẽ tiếp tục thực hiện các thí nghiệm để xác định các tham số tối ưu cho hệ thống xử lý nước thải trong ngành dệt nhuộm.
Hệ thống xử lý nước thải cho các cơ sở dệt vừa và nhỏ cần được thiết kế để đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 28:2010/BTNMT cột B Mục tiêu chính của hệ thống này là giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước thải gây ra, góp phần bảo vệ nguồn nước và cải thiện chất lượng môi trường sống.
1.2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nước thải của các cơ sở dệt nhuộm vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh có lượng nước thải độc hại, khó phân hủy, chứa đựng mầm lây lan các bệnh truyền nhiễm nguy hại đến môi trường sống của sinh vật, thực vật và đặc biệt ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng
Nghiên cứu công nghệ Plasma
Nước thải nhà máy dệt
Kiểm nghiệm các chỉ tiêu quan trọng đó là COD, BOD, pH, SS, độ màu, thêm tiêu chuẩn nước thải dệt nhuộm.
Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Cơ sở phương pháp luận Đồ án dựa trên cơ sở lý thuyết về vật lý plasma, động lực học plasma
1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu
Phương pháp phân tích đánh giá
Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp được cấu trúc thành sáu chương: Chương một và hai giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu; chương ba trình bày cơ sở lý thuyết; chương bốn nêu phương hướng và giải pháp; chương năm đề xuất công nghệ tính toán thiết kế; và chương sáu thực hiện chế tạo, kiểm nghiệm và đánh giá.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Phân loại, thành phần và tính chất các loại thuốc nhuộm trong ngành dệt nhuộm
Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm này có công thức tổng quát S-F-T-X, trong đó S là nhóm làm cho thuốc nhuộm tan, F là phần mang màu như hợp chất Azo, antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxiamin, T là gốc mang nhóm phản ứng, và X là nhóm phản ứng Khi thải vào môi trường, loại thuốc nhuộm này có khả năng tạo ra các amin thơm, được coi là tác nhân gây ung thư.
2.1.2 Thuốc nhuộm trực tiếp Đây là thuốc nhuộm bắt màu trực tiếp với xơ sợi không qua giai đoạn xử lý trung gian, thường sử dụng để nhuộm sợi 100% cotton, sợi protein (tơ tằm) và sợi poliamid, phần lớn thuốc nhuộm trực tiếp có chứa azo (môn, di and poliazo) và một số là dẫn xuất của dioxazin Ngoài ra, trong thuốc nhuộm còn có chứa các nhóm làm tăng độ bắt màu như triazin và salicylic axit có thể tạo phức với các kim loại để tăng độ bền màu
Thuốc nhuộm hoàn nguyên được chia thành hai nhóm chính: nhóm đa vòng chứa nhân antraquinon và nhóm indigoit chứa nhân indigo Công thức tổng quát của chúng là R=C-O, trong đó R là hợp chất hữu cơ nhân thơm, đa vòng Các nhân thơm đa vòng trong thuốc nhuộm này có khả năng gây ung thư, do đó, nếu không được xử lý và thải ra môi trường, chúng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Nhóm thuốc nhuộm này được cấu tạo từ gốc azo và antraquinon, cùng với các nhóm amin (NH2, NHR, NR2, NR-OH), chủ yếu được sử dụng để nhuộm các loại sợi tổng hợp như sợi axetat và sợi polieste, đặc biệt là những sợi không ưa nước.
Tình hình về các nhà máy dệt nhuộm ở TP.HCM
Là nhóm thuốc nhuộm chứa mạch dị hình như tiazol, tiazin, zin… trong đó có cầu nối –S-S- dùng để nhuộm các loại sợi cotton và viscose
Các muối sunfonat của hợp chất hữu cơ có công thức R-SO3Na khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành nhóm R-SO3 có màu sắc Những loại thuốc nhuộm này bao gồm mono, diazo và các dẫn xuất của antraquinon, triaryl metan.
Có chứa nhóm azo, hoàn nguyên đa vòng, ftaoxianin, dẫn suất của antraquinon…
2.2 Tình hình về các nhà máy dệt nhuộm ở TP.HCM
2.2.1 Xử lý nước thải dệt nhuộm tại Tp Hồ Chí Minh có thể chia làm 3 dạng chính như sau:
2.2.1.1 Trạm xử lý nước thải có quy mô nhỏ từ 50-100 m 3 /ngày
Trạm xử lý nước thải quy mô nhỏ từ 50-100 m3/ngày thường được áp dụng cho các cơ sở dệt nhuộm nhỏ với nguồn vốn đầu tư hạn chế Công nghệ xử lý chủ yếu sử dụng phương pháp keo tụ, tạo bông và lắng, dẫn đến chất lượng nước thải sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn môi trường.
2.2.1.2 Trạm xử lý nước thải có quy mô trung bình từ 100-1000 m 3 /ngày
Trạm xử lý nước thải có quy mô trung bình từ 100-1000 m3/ngày thường được xây dựng bởi các doanh nghiệp có vốn đầu tư lớn và diện tích mặt bằng rộng Hệ thống xử lý nước thải này bao gồm các quá trình như xử lý cơ học, xử lý sinh học và xử lý hóa lý, nhằm đảm bảo chất lượng nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.
2.2.1.3 Trạm xử lý nước thải có quy lớn > 1000 m 3 /ngày
Trạm xử lý nước thải quy mô lớn, với công suất trên 1000m3/ngày, sử dụng công nghệ tiên tiến kết hợp xử lý cơ học, sinh học và hóa lý Những trạm này được trang bị thiết bị hiện đại và hệ thống điều khiển tự động, cùng với kinh phí đầu tư lớn Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả ra nguồn tiếp nhận, đảm bảo an toàn cho môi trường Một ví dụ điển hình là Công ty Dệt May Thành Công với công suất 5000 m3/ngày.
Phương pháp xử lý nước thải tại các nhà máy dệt hiện nay 4 1 Tổng quan về các phưong pháp xử lý nước thải
2.3 Phương pháp xử lý nước thải tại các nhà máy dệt hiện nay
Nước thải chứa nhiều tạp chất khác nhau, do đó, việc xử lý nước thải nhằm loại bỏ các tạp chất này để đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng cho phép thải vào nguồn tiếp nhận Các phương pháp xử lý phổ biến bao gồm cơ học, hóa lý và sinh học Tùy thuộc vào loại nước thải cụ thể, việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả xử lý và giảm chi phí.
2.3.1 Tổng quan về các phưong pháp xử lý nước thải
2.3.1.1 Phương pháp cơ học: nhằm để tách các tạp chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải.Thiết bị chắn rác: có chức năng chắn giữ những rác bẩn thô (giấy,rác, ) nhằm đảm bảo cho máy bơm, các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định Song và lưới chắn rác được cấu tạo bằng các thanh song song, các tấm lưới đan bằng thép hoặc tấm thép có đục lỗ tùy theo kích cỡ các mắt lưới hay khoảng cách giữa các thanh mà ta phân biệt loại chắn rác thô, trung bình hay rác tinh.Thiết bị nghiền rác: có nhiệm vụ cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, các mảnh nhỏ lơ lửng trong nước thải để không làm tắt ống, không gây hại cho bơm.Bể điều hòa: dùng để điều hòa lưu lượng và tải lượng dòng vào, đảm bảo hiệu quả các công trình xử lý sau, đảm bảo đầu ra sau khi xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này Bố trí bể điều hòa có thể là bể điều hòa trên dòng thải hay ngoài dòng thải xử lý, vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom cũng như đặc tính của nước thải Có 2 loại bể điều hòa:
Bể điều hòa lưu lượng và chất lượng
Bể lắng cát là thiết bị quan trọng trong quá trình xử lý nước, giúp loại bỏ các cặn thô và nặng như cát, sỏi, mảnh thủy tinh và mảnh kim loại Việc này không chỉ bảo vệ các thiết bị xử lý khí khỏi sự mài mòn mà còn giảm thiểu lượng cặn nặng trong các công đoạn xử lý tiếp theo.
Bể lắng cát ngang: có dòng nước chuyển động thẳng dọc theo chiều dài của bể
Bể có thiết diện hình chữ nhật, thường có hố thu đặt ở đầu bể
Bể lắng cát đứng hoạt động bằng cách dẫn dòng nước từ dưới lên trên qua thân bể Nước được đưa vào bể qua ống tiếp tuyến với phần dưới hình trụ, tạo ra chuyển động xoắn theo trục và tịnh tiến lên trên Trong quá trình này, các hạt cát sẽ được dồn về trung tâm và rơi xuống đáy bể.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Bể lắng cát tiếp tuyến là một loại bể có thiết diện hình tròn, nơi nước thải được dẫn vào từ tâm và chảy ra theo hướng ra thành bể Nước thải sau đó được thu vào máng tập trung để dẫn ra ngoài.
Bể lắng cát làm thoáng được trang bị dàn thiết bị phun khí nhằm giảm thiểu lượng chất hữu cơ trong cát và nâng cao hiệu quả xử lý.
Bể lắng là phương pháp hiệu quả và đơn giản nhất để tách các chất bẩn không hòa tan khỏi nước thải Dựa vào chức năng và vị trí, bể lắng có thể được phân chia thành nhiều loại khác nhau.
Bể lắng đợt 1: Được đặt trước công trình xử lý sinh học, dùng để tách các chất rắn, chất bẩn lơ lửng không hòa tan (sau hóa lý)
Bể lắng đợt 2 được lắp đặt sau hệ thống xử lý sinh học, có chức năng lắng đọng cặn vi sinh và bùn, giúp làm trong nước trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.
Lọc là quá trình tách các tạp chất nhỏ trong nước thải mà bể lắng không thể xử lý Có nhiều phương pháp lọc như lọc chân không, lọc áp lực, lọc chậm và lọc nhanh Việc lựa chọn vật liệu lọc phù hợp phụ thuộc vào loại nước thải cần xử lý.
Tuyển nổi và vớt dầu mỡ là quá trình quan trọng để tách các tạp chất dạng hạt rắn hoặc lỏng, cũng như các chất hoạt động bề mặt, nhằm khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học Quá trình này được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ, thường là không khí, vào pha lỏng Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt, và khi lực nổi tập hợp đủ lớn, chúng sẽ kéo theo các hạt lên bề mặt, tạo thành các bọt chứa hàm lượng hạt cao hơn so với chất lỏng ban đầu.
Phương pháp keo tụ tạo bông là hai quá trình hóa học giúp kết tụ các chất rắn lơ lửng và hạt keo thành những hạt lớn hơn Nước thải thường chứa các hạt keo mang điện tích âm, gây cản trở sự kết hợp của chúng, giữ dung dịch ổn định Bằng cách thêm các hóa chất như phèn, ferrous, và chloride, dung dịch sẽ mất ổn định và thúc đẩy sự kết hợp giữa các hạt, tạo thành bông cặn đủ lớn để loại bỏ qua lọc hoặc lắng Các chất keo tụ phổ biến bao gồm muối sắt và nhôm hóa trị 3, trong khi các chất tạo bông cặn thường là polyacrilamid, việc kết hợp giữa các chất hữu cơ cao phân tử và muối vô cơ giúp cải thiện đáng kể khả năng tạo bông.
Phương pháp trung hòa là giải pháp hiệu quả nhằm ngăn chặn hiện tượng xâm thực, đồng thời bảo vệ quá trình sinh hóa tại các công trình xử lý nước và nguồn nước khỏi những tác động tiêu cực.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Nước thải có chứa axit hoặc kiềm thường bao gồm 6 nguồn chính, và việc tách các kim loại nặng ra khỏi nước thải là rất quan trọng Để trung hòa, có thể sử dụng các dung dịch axit, muối axit, dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm như CaCO3, H2SO4, Na2CO3, và HNO3.
Trung hòa bằng trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm
Trung hòa nước thải bằng cách thêm hóa chất là phương pháp hiệu quả để xử lý nước thải chứa axit Các loại axit yếu và mạnh như HCl, HNO3, H2SO4, H2CO3, cùng với các muối canxi dễ và khó tan trong nước, cần được cân nhắc khi thực hiện quá trình trung hòa Việc sử dụng hóa chất phù hợp giúp đảm bảo an toàn môi trường và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.
Trung hòa nước thải chứa axit bằng cách sử dụng lớp vật liệu lọc trung hòa, đảm bảo hàm lượng dưới 5mg/l và không chứa kim loại nặng Các vật liệu lọc hiệu quả bao gồm đá vôi và magiezit, giúp cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.
Phương pháp tuyển nổi: để tách các tạp chất rắn tan, không tan hoặc lỏng có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng của chất lỏng làm nền
Tuyển nổi phân tán không khí bằng thiết bị cơ học: cho phép tạo bọt khí nhỏ
Tuyển nổi không khí bằng máy bơm khí nén (qua các vòi phun, qua các tấm xốp)
Tuyển nổi với tách không khí từ nước (tuyển nổi chân không, tuyển nổi không áp, tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước)
Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học và hóa học thường ít dùng vì gây ra hiện tượng đông tụ sinh học
Tuyên nổi sinh học và hóa học làm lượng cặn giảm được 80%
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các định nghĩa cơ bản 10
Ion là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có khả năng mất hoặc thu nhận electron, dẫn đến việc hình thành điện tích Khi một ion thu nhận electron, nó trở thành anion với điện tích âm, trong khi ion mất electron trở thành cation với điện tích dương Quá trình hình thành các ion được gọi là ion hóa.
Năng lượng ion hóa của nguyên tử hoặc phân tử là năng lượng cần thiết để tách một điện tử khỏi trạng thái cơ bản của chúng Cụ thể, năng lượng ion hóa thứ n là năng lượng cần thiết để tách điện tử thứ n sau khi đã tách (n-1) điện tử trước đó Trong trạng thái cơ bản, nguyên tử không bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài, và đối với nguyên tử kim loại, trạng thái này thường ở dạng khí với cấu hình electron tuân theo nguyên lý Pauli, nguyên lý vững bền và quy tắc Hund.
Bậc bậc ion hóa là tỉ số giữa nồng độ các hạt mang điện với nồng độ các hạt khí trong môi trường
β : bậc ion hóa ne,I : nồng độ các hạt mang điện n0 : nồng độ các hạt khí trong môi trường
Để plasma có tính ion hóa mạnh thì:
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Để plasma có tính ion hóa yếu thì:
ei: Tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với ion
eo : Tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với hạt trung hòa
Theo quan điểm nhiệt động học có hai loại là plasma cân bằng và plasma không cân bằng:
Plasma cân bằng, hay còn gọi là plasma đẳng nhiệt, là trạng thái trong đó các hạt có cùng nhiệt độ và trung hòa về điện Điều này xảy ra nhờ quá trình ion hóa, trong đó các hạt mang điện được bù đắp liên tục, cho phép plasma tồn tại mà không cần năng lượng từ bên ngoài.
Plasma không cân bằng, hay còn gọi là plasma bất đẳng nhiệt, là trạng thái không trung hòa về điện Tuy nhiên, mức độ phá vỡ trung hòa này không quá lớn và plasma cần có năng lượng từ bên ngoài để duy trì Nếu không nhận được nguồn năng lượng bổ sung, plasma sẽ tự động mất đi.
Điều kiện gần trung hòa là yếu tố cơ bản trong plasma, có thể được định nghĩa là "plasma là một tập hợp các ion, điện tử và các hạt trung hòa tương tác lẫn nhau và với trường bức xạ."
Nếu bỏ qua lực tương tác phân tử ta có:
r : khoảng cách trung bình giữa các hạt
Khi xem xét một hạt bất kỳ, xung quanh nó sẽ hình thành một lớp điện tích hình cầu Độ dày của lớp này phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của hạt Lớp tiếp xúc cần có độ dày phù hợp để đảm bảo hiệu quả tương tác.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
12 nó chứa đủ số hạt khác dấu, có khả năng làm màn chắn trường cho hạt Bán kính của hình cầu đó được gọi là bán kính Debye
Vậy trường của lớp điện tích bao quanh hạt đã làm màn chắn trường của hạt đó trên khoảng cách xác định
Trong trường hợp tổng quát thì bán kính Debye được tính bằng công thức
ie ie ie ie ie Z n
Die là bán kính Debye của các thành phần cấu tạo plasma
Để tồn tại màn chắn trong plasma, số hạt trái dấu trong hình cầu bán kính Debye cần phải đủ lớn Nếu bán kính Debye quá lớn khiến màn chắn không còn khả thi, thì trạng thái này không còn được gọi là plasma Do đó, plasma phải thỏa mãn điều kiện về số lượng hạt trái dấu trong bán kính Debye.
Thỏa mãn điều kiện gần trung hòa
Bán kính Debye phải nhỏ hơn nhiều lần so với kích thước của miền chứa tập hợp đó D
