ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề rất được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới, nhất là những nước đang phát triển như Việt Nam. Với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa thì việc thải các chất độc hại vào môi trường ngày càng gia tăng và gây ảnh hưởng đến chất lượng môi trường sống. Bài toán giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường luôn được đặt ra trong mọi khía cạnh cuộc sống, từ các việc nhỏ, diễn ra hàng ngày tại mỗi gia đình cho đến các quy trình sản xuất tại nhà máy, xí nghiệp, các điểm dịch vụ, giải trí… tất cả đều quan tâm chú trọng đến việc làm thế nào để giảm thiểu việc phát sinh ra các chất gây ô nhiễm môi trường. Trong đó đặc biệt là sự ô nhiễm của các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ có trong nước thải của một số ngành công nghiệp.
Các chất độc này nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Phenol là một loại chất ô nhiễm độc hại và được liệt kê vào 129 chất ô nhiễm cần được ưu tiên xử lý theo hướng dẫn của Cục bảo vệ Môi trường Mỹ. Phenol thường phát sinh ra trong các dòng thải của các ngành công nghiệp như lọc, hoá dầu, sản xuất nhựa, ngành công nghiệp thép, dệt nhuộm, giấy và bột giấy, thuốc trừ sâu, dược phẩm, tổng hợp nhựa, nước thải của quá trình luyện cốc. Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đã đưa ra giới hạn cho phép của Tổng phenol trong nước mặt dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt là nhỏ hơn 0,005 mg/L [4-tr.5] do mức độ độc hại của nó với con người và môi trường.
Phenol có thể gây ung thư, đột biến gen, quái thai và là một hoá chất ít bị phân huỷ sinh học tự nhiên. Phenol làm nhiễm độc nguồn nước, gây nguy hại cho con người và sinh vật sống khác. Nguồn phát sinh phenol chủ yếu trong nguồn thải của nhiều loại hình công 2 nghiệp do đó giải quyết phenol trong nước thải đang rất được quan tâm nghiên cứu ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Hiện nay, trên thế giới đã có các biện pháp xử lý nước thải có chứa phenol như: hấp phụ, xử lý bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, tác nhân quang hóa… nhưng vẫn còn hạn chế nhất định về mặt kinh tế.
Với sự phát triển không ngừng của ngành công nghệ sinh học, các phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải ngày càng được áp dụng rộng rãi và tỏ rõ những ưu điểm vượt trội. Trong đó, công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ (SBR), đã và đang được ứng dụng cho nhiều loại hình nước thải khác nhau có biến động lớn. Công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ (SBR) thực chất là vận hành dựa vào các hệ vi sinh vật khác nhau ở dưới dạng bông bùn bao gồm các vi sinh vật sống và chất rắn. Ở Việt Nam và trên thế giới đã có nhiều đề tài nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ (SBR) đối với nhiều loại nước thải khác nhau.
Hầu hết, các kết quả nghiên cứu đều cho thấy khả năng xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ là hiệu quả cao, hiệu suất lớn và có giá trị kinh tế cho nhà sản xuất. Vì vậy, để thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học, tác gải đã cùng một số em sinh viên của trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chứa phenol bằng công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ - SBR trong quy mô phòng thí nghiệm” dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Ngọc Thuấn. Kết quả nghiên cứu đề tài sẽ cho thấy khả năng xử lý nước thải có chứa phenol bằng công nghệ bùn hoạt tính theo mẻ - SBR và qua đó bổ sung luận cứ khoa học cho các đề tài nghiên cứu xoay quanh nội dung xử lý phenol bằng biện pháp sinh học bùn hoạt tính.
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về phenol Phenol là một loại hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm hidroxyl (−OH) liên kết trực tiếp vào nhân benzene (nhân thơm). Phenol đơn chức, chứa một nhân thơm, gốc hydrocacbon liên kết vào nhân thơm không có hay nếu có là gốc no mạch hở CnH2n–7 OH (n ≥ 6). Công thức phân tử: C6H5OH.
Công thức cấu tạo: 1. Tính chất vật lý, hóa học Phenol đơn giản nhất là C6H5-OH, còn có các tên: Hiđroxi benzen; Axit phenic; Axit cacbolic. Chất này là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 430C, sôi ở 1820C. Để lâu trong không khí phenol tự chảy rữa (vì nó hút ẩm tạo thành hiđrat, nóng chảy ở 18 0C) và nhuốm màu hồng (vì bị oxi hóa một phần bởi oxi).
Mặc dù có khả năng tạo liên kết hiđro với nước, nhưng phenol tan ít trong nước lạnh (9,5 gam/100 gam nước ở 250C), do gốc hiđrocacbon phenyl (C6H5−) khá lớn nên kỵ nước. Tuy nhiên phenol tan vô hạn trong nước nóng có nhiệt độ ≥ 700C. Phenol bay hơi chậm hơn nước, hòa tan trong nước không nhiều và có thể bắt cháy. Các dung môi hòa tan được phenol: etanol, ete, chloroform,… Phenol có tỉ khối 1,072 (khối lượng riêng 1,072g/ml).
Phenol có tính axit yếu Ka = 1. Phenol làm bỏng da và các niêm 4 mạc với dung dịch nồng độ 2-3%. Nồng độ cho phép của Phenol trong không khí là ≤ 0,005mg/lit không khí. Ngưỡng mùi phát hiện là 0,04 ppm (mùi hơi cay, ngọt).
Phenol tác dụng với dung dịch kiềm tạo phenolat. Ngoài ra, phenol còn tác dụng với kim loại kiềm như Na để tạo muối phenolat. Nhưng khác với rượu, các phenolat không bị nước thủy phân: C6H5OH + Na → C6H5ONa + 1/2H2 C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu Ka=10-9,75 nên không làm đổi màu quỳ tím. Vì vậy, muối phenolat bị axit cacbonic tác dụng tạo lại phenol: C6H5ONa + CO2 + H2O → C6H5OH + NaHCO3 Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp.
Phenol tác dụng với axit (clorua axit hoặc anhidric axit) tạo thành este gọi là phản ứng este hóa. Tốc độ phản ứng tăng nhanh khi có mặt axit vô cơ. C6H5OH + CH3COCl → CH3COOC6H5 + HCl Phenol phản ứng với dung dịch brom tạo kết tủa trắng và khi Brom dư cũng tạo kết tủa: C6H5OH + 3 Br2 → C6H2Br3OH + 3HBr Phenol phản ứng với HNO3 tạo kết tủa vàng: C6H5OH + 3HNO3 → C6H2OH(NO2)3 + 3H2O 1. Nguồn gốc phát sinh Phenol được sinh ra qua 2 con đường: tự nhiên và nhân tạo.
Trong tự nhiên, phenol có trong một số loại thực phẩm, chất thải của động vật, con người và trong sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ hoặc phenol còn được tạo ra bên trong cơ thể sinh vật do quá trình trao đổi chất chuyển hóa 5 từ axit amin. Phenol có thể phát sinh ra trong quá trình đốt cháy gỗ, khí thải nhiên liệu và thuốc lá. Trong tự nhiên Phenol được hình thành từ quá trình phân hủy benzen. Phenol được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1834, khi thực hiện chưng cất than đá và đó là nguồn chính sản xuất phenol cho đến khi ngành công nghiệp hóa dầu phát triển.214-215] Ngày nay, phenol được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại hình sản xuất công nghiệp như: sản xuất nhựa phenolic, gỗ dán, chất kết dính, xây dựng, ô tô và thiết bị vật tư cho các ngành công nghiệp, phenol cũng được tạo ra từ các quá trình sản xuất sợi tổng hợp như nilon, nhựa epoxy… Phương pháp chủ yếu tạo ra phenol tổng hợp là từ quá trình oxy hóa cumene, chiếm tới hơn 95% lượng phenol tổng hợp nhân tạo, phần còn lại phenol được sản xuất bằng phương pháp oxy hóa toluene thông qua axit benzoic.
Các quá trình khác được sử dụng để sản xuất phenol bao gồm sử dụng các nguyên liệu đầu vào như benzen thông qua cyclohexane, benzene sulfonation…. Độc tính và ảnh hưởng của phenol Phenol là một chất rắn không màu, hoặc màu trắng, hoặc có thể ở dạng dung dịch (dùng trong thương mại) được tổng hợp hoặc tạo thành trong tự nhiên. Phenol có trong nước, không khí, chất thải công nghiệp, nguồn nước ngầm. Ngay trong môi trường làm việc, nhất là môi trường sản xuất nhựa, nilon.
Đối với thực phẩm, phenol tìm thấy trong xúc xích, thịt hun khói, ba chỉ rán, thịt gà rán, chè đen lên men. Trong tự nhiên, phenol và hợp chất phenol có trong các loại thực phẩm như táo, củ lạc, chuối, cam, cacao, nho đỏ, dâu, sữa… là phenol tự nhiên. Một số loại như cà chua, táo, lạc, chuối có hàm lượng phenol khá cao. Các con đường xâm nhập vào cơ thể con người: Thâm nhập vào cơ thể con người qua hô hấp, tiếp xúc với da, mắt, màng nhầy.
Hàm lượng 6 phenol cao sẽ dẫn đến hiện tượng chết người với những triệu chứng như: co giật, không có khả năng kiểm soát, hôn mê dẫn tới rối loạn hô hấp, máu trong cơ thể thay đổi dẫn đến tụt huyết áp, ảnh hưởng tới tim, gan và thận. Tiếp xúc với phenol lâu ngày gây các triệu chứng: Đau bắp thịt, sưng gan. Phenol còn làm bỏng da. Liều lượng tham khảo của phenol là 0,6mg/kg trọng lượng cơ thể (theo cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ - U.Environmental Protection Agency – USEPA).
Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải công nghiệp. Sự xuất hiện của các hợp chất phenol trong nước là một trong các nguyên nhân làm cho nước có mùi, đồng thời gây tác hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Theo quy định của tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hàm lượng 2.4-triclophenol và pentaclophenol trong nước uống không quá 1. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào về sự ảnh hưởng của phenol ở nồng độ thấp đối với sự phát triển của cơ thể, tuy nhiên nhiều nhà khoa học cho rằng tiếp xúc thường xuyên với phenol có thể dẫn đến sự phát triển chậm trễ, gây ra sự biến đổi di thường ở thế hê sau, tăng tỉ lê đẻ non ở người mang thai.
Khả năng gây ung thư của phenol: hiên nay, chưa có môt nghiên cứu cu thể nào chỉ ra răng phenol có khả năng gây ra ung thư ở người. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu khi cho đông vật ăn thường xuyên thức ăn có chứa phenol ở hàm lượng cho phép chỉ ra rằng: Ở động vật đó xuất hiện các khối u hoặc các chất gây bệnh ung thư da. EPA đã xếp phenol vào nhóm D, nhóm có khả năng gây bệnh ung thư ở người[6, tr.