Quy trình phân tách và thu hồi amoni (NH4+) trong nước thải nhờ sử dụng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm

Ngày: 28/08/2024 | 4389

Bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 3400 “Quy trình phân tách và thu hồi amoni (NH₄⁺) trong nước thải nhờ sử dụng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm” đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp cho nhóm tác giả Đỗ Văn Mạnh và Nguyễn Viết Thoàn thuộc Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường, Viện Hàn lâm KHCNVN ngày 25/12/2023. Quy trình phân tách và thu hồi amoni (NH₄⁺) trong nước thải ở điều kiện pH cao nhờ sử dụng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm kết hợp với thổi không khí. Điều chỉnh độ pH nước thải lên cao và sử dụng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm, cùng với tỷ lệ giữa lưu lượng không khí và nước thải phù hợp sẽ giúp loại bỏ được amoni ra khỏi nước thải, hướng đến giảm tổng nitơ Kendal (TNK) trong nước thải và thu hồi lượng nitơ của amoni trong nước thải để làm phục vụ cho nông nghiệp, mang lại giá trị kinh tế cao.

Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước. Nước thải có chứa amoni thải vào môi trường khi chưa qua xử lý đã được chứng minh là gây ra tác động tiêu cực đến chất lượng nguồn nước, sức khỏe con người và hệ sinh thái. Chính vì vậy, việc phân tách và thu hồi amoni trong nước là rất quan trọng và cần thiết. Trên thế giới, phương pháp làm thoáng (stripping) đã được nghiên cứu, ứng dụng phổ biến trên thực tế để phân tách và thu hồi amoni trong nước thải. Phương pháp làm thoáng dựa trên nguyên tắc: chuyển hóa toàn bộ amoni trong nước thải từ dạng NH₄⁺ thành NH₃; và sau đó thực hiện chuyển pha lỏng - khí của khí NH₃ trong pha lỏng (nước thải) khi tiếp xúc với pha khí (không khí).

Trong nước thải, độ pH sẽ ảnh hưởng đến dạng tồn tại của amoni: dạng ion amoni (NH₄⁺) và khí amoniac (NH₃) hòa tan. Hai dạng này tồn tại ở trạng thái cân bằng động theo phương trình (1). Theo đó, khi pH < 7 chỉ có các ion NH₄⁺ tồn tại trong nước thải; và khi pH>7 thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều hướng hình thành khí NH₃ hòa tan trong nước thải.

NH₄⁺ + OH^-  ↔  NH₃ + H₂O

Như vậy để loại NH₄⁺ trong nước thải cần phải chuyển NH₄⁺ thành NH₃ ở dạng khí hòa tan, đồng thời phải tạo điều kiện chuyển nhanh khí hòa tan từ pha lỏng sang không khí. Để thực hiện điều đó, nước thải cần nâng pH > 7 và cho nước thải tiếp xúc với dòng không khí lớn và di chuyển liên tục. Quá trình chuyển pha của khí NH₃ trong pha nước sang pha khí diễn ra trên bề mặt tiếp xúc giữa dòng nước và dòng khí.

Tại Việt Nam, trong 15 năm trở lại đây, mới chỉ có nghiên cứu và ứng dụng thực tế về tháp làm thoáng (stripping) để loại amoni ra khỏi nước rỉ rác. Trong tháp làm thoáng này, vật liệu đệm thường bằng nhựa polyvinyl clorua (PVC) được sử dụng để tăng tiếp xúc giữa nước thải và không khí, nước thải đi từ trên xuống dưới qua lớp vật liệu đệm trong khi không khí đi từ dưới lên. Vật liệu đệm được đóng gói thành cột, giữ cố định ở tầng giữa của tháp, có chiều cao nên tháp có diện tích, chiều cao lớn, yêu cầu quạt cấp khí có áp lực phải cao nên gây tốn kém năng lượng, đồng thời kỹ thuật phân phối khí không đều trên bề mặt cắt ngang của tháp. Vì vậy, nhược điểm là hiệu suất xử lý thấp trong khi thời gian xử lý kéo dài.

Do đó, việc tìm ra giải pháp phân tách và thu hồi amoni trong nước thải với hiệu suất cao, thời gian xử lý ngắn, tiết kiệm năng lượng và diện tích xây dựng là hết sức cần thiết.

Mục đích của giải pháp hữu ích là đề xuất giải pháp phân tách và thu hồi amoni (NH₄⁺) trong nước thải với hiệu quả cao mà thời gian xử lý ngắn hơn so với các giải pháp đã biết hiện nay tại Việt Nam.

Mục đích khác nữa của giải pháp hữu ích là định hướng trong việc thu hồi lượng nitơ amoni trong nước thải đã được phân tách ở dạng NH₃ trong dòng khí, để ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp.

Để đạt được các mục đích nêu trên, giải pháp hữu ích đề xuất các giải pháp như sau:

[1] Quy trình phân tách và thu hồi amoni (NH₄) trong nước thải nhờ sử dụng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm, quy trình này bao gồm các công đoạn sau:

(i) điều chỉnh nâng độ pH của nước thải bằng cách dẫn nước thải cần xử lý vào bể điều chỉnh pH có gắn cánh khuấy và hòa trộn với dung dịch kiềm để nâng độ pH của nước thải lên 10,5;

(ii) loại bỏ amoniac (NH₃) ra khỏi nước thải bằng thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm, bằng cách bơm nước thải có độ pH=10,5 vào thiết bị vật liệu đệm quay ly tâm thông qua ống trung tâm dẫn nước vào thiết bị, và thực hiện quá trình chuyển pha để chuyển NH₃ từ pha lỏng sang pha khí giữa các hạt nước nhỏ li ti được tạo ra khi dòng nước thải đi qua khối vật liệu đệm và dòng không khí đi vào theo hướng ngược chiều, dòng không khí cuốn theo NH₃ đi vào khoảng không gian trung tâm và đi ra ngoài qua ống trung tâm dẫn khí ra, nước thải đã loại bỏ amoniac được xả ra ngoài theo ống dẫn nước ra, trong đó khối vật liệu đệm dạng bánh có độ rỗng 80%, được tạo ra từ các sợi hợp kim thép không gỉ với đường kính 0,5mm, được đan thành các mắt lưới, xếp lớp chồng và so le nhau, và trong đó:

• • tỉ lệ giữa lưu lượng không khí và lưu lượng nước thải được cấp vào thiết bị tại cùng thời điểm (QG/QL) là 3.000,
  • tốc độ vòng quay (ω) của khối vật liệu đệm là 1.500 vòng/phút,
  • thời gian lưu nước trong thiết bị quay ly tâm (T) là 0,014 giờ, hiệu suất phân tách và thu hồi NH₄⁺ trong nước thải là 76,7%; và
    (iii) điều chỉnh giảm độ pH của nước thải sau xử lý tách amoniac: dẫn nước thải đã loại bỏ amoni về bể trung hòa, trong đó nước thải được hòa trộn với axit nhờ cánh khuấy để điều chỉnh độ pH của nước thải về 7,5.

[2] Quy trình theo điểm 1, trong đó dòng không khí cuốn theo NH₃ thoát ra còn được xử lý bằng dòng dung dịch hấp thụ H₂SO₄, để thu hồi NH₃ dưới dạng sản phẩm là (NH₄)₂SO₄, còn dòng khí sạch được xả ra ngoài môi trường.

Hiệu quả đạt được của giải pháp hữu ích

Quy trình theo giải pháp hữu ích cho phép phân tách được phần lớn lượng amoni (NH4+) trong nước thải với hiệu suất cao trong thời gian cực ngắn, giúp tiết kiệm chi phí vận hành, giảm kích thước thiết bị, diện tích và không gian lắp đặt xây dựng, cũng như thu hồi lượng nitơ có trong nước thải để ứng dụng trong nông nghiệp bằng cách hấp thụ khí NH3 trong dòng nước thải đã được cuốn theo dòng khí. Quy trình phân tách và thu hồi amoni trong nước thải cung cấp một giải pháp mới để xử lý lượng nitơ gây ô nhiễm trong nước thải, không chỉ mang ý nghĩa kinh tế - môi trường - xã hội mà còn là cải tiến quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường mà trọng tâm chính là công nghệ xử lý nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm đồng thời hướng đến nền kinh tế tuần hoàn, phát triển bền vững.

Tư vấn, hỗ trợ đăng ký bảo hộ độc quyền các loại hình quyền Sở hữu trí tuệ tại Viện Hàn lâm KHCNVN: Phòng Thông tin, Truyền thông Khoa học và Sở hữu công nghiệp, phòng I 3.1, nhà A11, số 18 Hoàng Quốc Việt. TEL: 024.37562551 - 0904.252.152. Email: pqduong@isi.vast.vn.

Tin: Trần Thị Kim Ngân