MỞ ĐẦU Những năm gần đây, nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam đang có xu hướng suy giảm về số lượng và chất lượng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và các hoạt động sản xuất, khai thác. Theo báo cáo kết quả thực hiện chương trình Mục tiêu quốc gia về nước sạch vệ sinh môi trường của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2014)[1], chỉ có 32% hộ dân trong số 84,5% dân số được sử dụng nước hợp vệ sinh từ các công trình cấp nước tập trung, còn lại từ các công trình nhỏ lẻ như giếng đào, giếng khoan, bể chứa nước mưa. Đối với các hộ gia đình sử dụng nguồn cấp nước sinh hoạt trực tiếp từ nước ngầm có thể chịu các rủi ro đối với sức khỏe do chất lượng nước không được kiểm soát. Nước dưới đất ở nước ta thường bị ô nhiễm bởi các chỉ tiêu sắt, mangan, asen, amoni.
Nhiều báo cáo của các cơ quan quản lý cho thấy, hàm lượng amoni trong nước ngầm đã vượt giới hạn cho phép nhiều lần, đặc biệt ở các tỉnh miền bắc của Việt Nam như Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nội. Ở khu vực phía nam, điển hình là nhiều quận, huyện của thành phố Hồ Chí Minh cũng đã ghi nhận được sự ô nhiễm amoni với hàm lượng rất cao [4]. Một số phương pháp thường sử dụng trong thực tế để xử lý amoni trong nước là: làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao; Clo hóa đến điểm đột biến; trao đổi ion; hấp phụ và sinh học. Trong đó phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu như zeolite, than sinh học được xem là các kỹ thuật đơn giản, hiệu quả, tiềm năng để loại bỏ amoni trong nước [5, 6].
Than hoạt tính, than sinh học là vật liệu được sử dụng rộng rãi để xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường như kim loại nặng, chất hữu cơ. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu này để xử lý amoni còn hạn chế do các vật liệu đã nghiên cứu có dung lượng hấp phụ thấp. Điều này là do than sinh học và than hoạt tính có lượng nhóm chức axit bề mặt khá thấp trong khi đó cơ chế chủ yếu để hấp phụ amoni liên quan đến số lượng các nhóm chức axit bề mặt vật liệu hấp phụ. Điển hình như than hoạt tính được tạo ra từ tro núi lửa đạt dung lượng hấp phụ amoni khoảng 5,4 mg/g [7]; từ vỏ trấu là 3,2 mg/g [8]; từ gáo dừa là 2,3 mg/g [9] và từ than hoạt tính thương mại là 0,5 mg/g [10].
Đối với than sinh học, dung lượng hấp phụ amoni chỉ 1 đạt từ 1,7 đến 5,29 mg/g [11, 12]. Để tăng khả năng hấp phụ amoni của than thì các phương pháp biến tính thường được sử dụng. Than hoạt tính được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó tận dụng các vật liệu thải từ phụ phẩm nông nghiệp đang là một xu hướng nghiên cứu và ứng dụng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đối với lõi ngô dạng phụ phẩm nông nghiệp đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu, chế tạo thành than sinh học và than hoạt tính ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ và một vài tác nhân khác trong nước [13,14,15, 16].
Đã có một số nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo than sinh học từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp như vỏ trấu, thân cây lạc, đậu,. và ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm nguồn nước [17,18]. Tuy nhiên, hiên nay chưa có công bố nào về nghiên cứu chế tạo than sinh học từ lõi ngô ứng dụng để xử lý loại bỏ amoni trong nước. Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm và sinh khối thải rất lớn trong đó có lõi ngô.
Theo số liệu thông kê quốc gia năm 2015, diện tích trồng ngô và sản lượng ngô tại Việt Nam đạt 1. Do đó, lõi ngô có thể được xem là nguồn phụ phẩm dồi dào, sẵn có và rẻ tiền nếu tận dụng để chế tạo than sinh học. Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt”. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng được quy trình chế tạo than sinh học, than sinh học biến tính, than hoạt tính biến tính từ phụ phẩm nông nghiệp là lõi ngô thải.
Đánh giá được đặc trưng vật lý và hóa học của than sinh học biến tính và than hoạt tính Áp dụng than sinh học biến tính, than hoạt tính để loại bỏ amoni trong nước giả định và nước thải thực tế trong nước thải theo kỹ thuật hấp phụ tĩnh và kỹ thuật hấp phụ cột Nội dung nghiên cứu: Khảo sát, xác định các thông số công nghệ của quy trình chế tạo than sinh học, than biến tính từ lõi ngô. Xác định các đặc trưng cấu trúc, tính chất vật liệu của than biến tính. 2 Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ tĩnh. Khảo sát khả năng xử lý amoni của than biến tính bằng kỹ thuật hấp phụ cột (qui mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Đã xác định được các thông số công nghệ cho quy trình chế tạo than sinh học từ lõi ngô, quy trình chế tạo than biến tính bằng 02 phương pháp khác nhau. Xác định được dung lượng hấp phụ của than sinh học biến tính, than hoạt tính biến tính đạt từ 16,6 đến 22,6 mg/g cao gấp 3-5 lần so với than sinh học (3,92 mg/g). Xác định được các thông số động học hấp phụ và cân bằng hấp phụ của quá trình hấp phụ amoni lên than biến tính. Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả của luận án, có thể chế tạo than biến tính từ lõi ngô định hướng ứng dụng xử lý amoni trong nước sinh hoạt từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào và chi phí thấp ở Việt Nam.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm và các phương pháp xử lý 1. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn tài nguyên nước ngầm rất lớn, đây cũng là nguồn nước chính để cung cấp nước sinh hoạt và sản xuất cho người dân. Theo số liệu thống kê năm 2015 của Cục quản lý tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng nước sử dụng cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm [3].
Theo báo cáo của các cơ quan quản lý nhà nước và các nghiên cứu khoa học gần đây, chất lượng nước ngầm ở Việt Nam đang xuất hiện tình trạng ô nhiễm cục bộ trên cả nước, trong đó amoni là một trong số các chỉ tiêu được phát hiện với hàm lượng cao hơn giới hạn cho phép so với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm, nước sinh hoạt [3]. Cũng theo các báo cáo này, hiện chỉ có khu vực Tây Nguyên, nguồn nước ngầm chưa có dấu hiệu ô nhiễm còn lại hầu như các địa phương khác trên cả nước đều phát hiện thấy sự ô nhiễm nguồn nước ngầm ở các mức độ khác nhau. Hàm lượng amoni trong nước ngầm ở cả tầng nông và tầng sâu khảo sát được tại các tỉnh trung du và đồng bằng Bắc Bộ; một số tỉnh đồng bằng Nam Bộ vượt ngưỡng cho phép nhiều lần. Các điểm quan trắc phát hiện hàm lượng amoni cao nhất ở miền Bắc thuộc các tỉnh Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Thái Bình, Nam Định, Hà Nội.
Xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn quy chuẩn của Bộ y tế về chất lượng nước sinh học (3 mg/l, QCVN 02:2009/BYT) khoảng 70-80% [2]. Ở hai khu vực đô thị lớn Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, hàm lượng amoni quan trắc được cao hơn giới hạn cho phép nhiều lần. Ví dụ, tại điểm quan trắc tại phường Phú Lãm, quận Hà Đông, Hà Nội, hàm lượng amoni ghi nhận được là 70 mg/l cao hơn giá trị cho phép trong QCVN 02:2009/BYT là 23 lần hay mẫu nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni cao hơn mức cho phép 22 lần [4]. Như vậy, có thể cho rằng phần lớn các nguồn nước ngầm tại Việt Nam không đạt tiêu chuẩn về amoni, nên việc giảm thiểu, loại bỏ chúng ra khỏi thành phần nước sinh hoạt là rất cần thiết.
4 Nguyên nhân ô nhiễm amoni trong nước ngầm Trong nghiên cứu nguồn gốc ô nhiễm amoni tại Hà Nội, tác giả Phạm Quý Nhân giải thích, hàm lượng amoni cao trong nước ngầm vùng nghiên cứu có nguồn gốc là sự pha trộn bởi nguồn gốc tự nhiên (từ sự phân hủy vật liệu hữu cơ trong đất) và nguồn phân hữu cơ của các hệ thống vệ sinh, từ các hệ thống nước thải và có thể từ nguồn phân bón của các hoạt động nông nghiệp Sự có mặt với hàm lượng cao của amoni trong đất tầng Pleistocene là nguyên nhân chính dẫn đến hàm lượng cao của amoni trong nước ngầm tầng Pleistocene. Ngoài ra quá trình amôn hóa các hợp chất nitơ trong nước thành amoni và sự xâm nhập của nước thải của thành phố cũng như các nguồn phân bón hữu cơ, phân gia súc gia cầm trong canh tác nông nghiệp vào các tầng chứa nước [20]. Tác hại của amoni Ảnh hưởng đối với sức khỏe Tác hại của ô nhiễm amoni đến sức khỏe con người đó là trong quá trình khai thác, sử dụng, khi nước tiếp xúc với các nguồn chứa oxy và sự tham gia của các vi khuẩn, amoni sẽ chuyển hóa thành các hợp chất nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con người, trong trường hợp các hợp chất này chuyển hóa thành các hợp chất dạng nitrosamin sẽ có khả năng gây ung thư cho con người. Ngoài ra, NO2- có thể gây ra hội chứng xanh xao ở trẻ em do NO2- phản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxy hóa sắt để tạo thành methaemoglobin, do đó làm giảm khả năng mang oxi trong máu và có khả năng gây tử vong[20].
Ảnh hưởng đối với các hệ thống xử lý nước sinh hoạt Amoni còn là yếu tố gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp thể hiện ở hai khía cạnh: + Sự có mặt của amoni trong nước sẽ làm giảm tác dụng khử trùng của Clo do amoni phản ứng với Clo tạo thành monocloamin là chất sát trùng thứ cấp hiệu quả kém hơn so với clo hàng 100 lần.