Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam là một trong ba quốc gia dẫn đầu thế giới về xuất khẩu cao su thiên nhiên. Năm 2016, sản lượng cao su thiên nhiên của Việt Nam đạt trên 1,032 triệu tấn (đứng thứ 3 thế giới sau Thái Lan và Indonesia) và đạt năng suất vườn cây cao su cao nhất thế giới (1,688 tấn/ha). Hàng năm, ngành công nghiệp chế biến cao su thiên nhiên phát sinh trên 25 triệu m³ nước thải chứa hàm lượng rất cao các hợp chất hữu cơ (COD, BOD), chất rắn lơ lửng (TSS) và các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho).

Các công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên đang được áp dụng phổ biến tại Việt Nam chủ yếu kết hợp tách gạn mủ, tuyển nổi, đệm bùn kỵ khí dòng hướng lên (UASB), mương oxy hóa, bể sục khí, hồ tảo và hồ sinh học. Các hệ thống này bộc lộ nhiều hạn chế: hiệu quả xử lý chưa cao, các thông số BOD, COD, N-amoni, tổng nitơ (TN) và TSS trong nước thải sau xử lý thường vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần, tiêu tốn diện tích mặt bằng lớn và chưa ổn định.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: Các công trình trước đây tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào bể kỵ khí có giá thể xơ dừa, hồ sinh học, hoặc tạo bùn hạt trong UASB để nâng cao hiệu suất xử lý COD đơn thuần. Chưa có công trình nào nghiên cứu theo định hướng kết hợp phương pháp hóa lý và sinh học nhằm xử lý đồng thời các chất ô nhiễm (COD, N, P), gắn liền với việc thu hồi tài nguyên là năng lượng (khí sinh học chứa CH₄) và dưỡng chất (phân bón Magie Amoni Photphat - MAP) nhằm giảm chi phí vận hành. Luận án "Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su bằng phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp" của nghiên cứu sinh Dương Văn Nam được thực hiện để giải quyết các vấn đề này.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu xây dựng công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên theo hướng thu hồi các chất dinh dưỡng và năng lượng bằng các phương pháp hóa lý – sinh học kết hợp.

Mục tiêu cụ thể được triển khai nhằm giải quyết ba vấn đề:

  1. Thu hồi năng lượng (khí biogas chứa CH₄) làm nhiên liệu phục vụ sản xuất.
  2. Thu hồi đồng thời nitơ và photpho trong nước thải chế biến cao su thiên nhiên dưới dạng kết tủa MAP làm phân bón nông nghiệp.
  3. Cải tiến thiết bị và kết hợp các phương pháp hóa lý – sinh học nhằm nâng cao tải trọng và hiệu quả xử lý đồng thời các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng N, P.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chế biến cao su thiên nhiên lấy tại bể thu gom chung của Nhà máy chế biến cao su Hà Tĩnh (xã Hà Linh, huyện Hương Khê, tỉnh Hà Tĩnh).
  • Phạm vi và địa điểm nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
  • Thời gian khảo sát dữ liệu nước thải: Mẫu nước thải được khảo sát và phân tích qua 5 đợt (Tháng 3/2012, Tháng 10/2013, Tháng 8/2016, Tháng 11/2016 và Tháng 4/2017).
Thông số Đơn vị Tháng 3/2012 Tháng 10/2013 Tháng 8/2016 Tháng 11/2016 Tháng 4/2017 QCVN 01-MT:2015/BTNMT (Cột A)
pH - 4,8 – 5,2 4,8 – 5,0 5,5 – 5,8 4,4 – 4,5 5,2 – 5,4 6 – 9
BOD₅ mg/L - - 4.126 - - 100
PO₄³⁻-P mg/L 106 – 120 86 – 100 125 – 140 95 – 107 165 – 189 -
TP mg/L 185 – 192 205 – 215 175 – 182 130 – 136 208 – 240 6 (QCVN 40:2011)
NH₄⁺-N mg/L 145 – 160 128 – 135 195 – 220 152 – 163 215 – 249 60
TN mg/L 240 – 250 235 – 242 316 – 365 208 – 238 355 – 398 80
Mg mg/L 35 – 42 45 – 56 42 – 50 34 – 38 52 – 65 -
Ca mg/L 10 – 15 12 – 20 15 – 18 10 – 16 18 – 22 -

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu xử lý nước thải cao su thiên nhiên và các công nghệ thành phần:

  1. Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên quốc tế:

    • Puetpaiboon (2004) nghiên cứu hệ thống đất ngập nước nhân tạo dùng thực vật tại Thái Lan, cho thấy thảm cỏ nhiệt đới đạt hiệu suất xử lý TN (92%), NH₃-N (97%), Org-N (61%), BOD (88%) vượt trội so với bìm bìm và hệ đối chứng.
    • Anotai và cộng sự (2007) kết hợp kết tủa sunphua để tách Zn (< 2 mg/L), sau đó qua lọc kỵ khí (hiệu suất COD 92% ở tải trọng hữu cơ OLR 11,8 kg COD/m³·ngày, hệ số sinh khí 0,32 L/g COD chuyển hóa) và bùn hoạt tính (COD đạt 71 mg/L, BOD đạt 11 mg/L).
    • Akporhono (2007) dùng keo tụ hóa học xử lý BOD (98 – 98,9%), COD (97 – 99%), photpho (90 – 93%), nhưng TN và nitrat giảm không đáng kể.
    • Mohammadi và cộng sự (2010) tổng kết tại Malaysia với hơn 500 nhà máy ứng dụng hệ thống hồ sinh học kết hợp bẫy mủ và trung hòa; mô hình kỵ khí - hiếu khí tại Batang Kali sản sinh 8.000 m³ biogas/ngày.
    • Anwar và cộng sự (2013) khảo sát thiết bị kỵ khí theo mẻ ASBR, xác định tỷ lệ vi sinh vật/nước thải tối ưu là 1:1000, đạt hiệu suất BOD (62%), COD (60%), TSS (84%).

  2. Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên tại Việt Nam:

    • Nguyễn Trung Việt (1999) thử nghiệm thiết bị UASB với tải trọng lên đến 15 – 20 kg COD/m³·ngày, thời gian lưu nước HRT 2 – 6 giờ, tốc độ dâng nước ULV 0,4 m/h, hiệu suất COD đạt 79,8 – 87,9%.
    • Nguyễn Ngọc Bích (2003, 2011) nghiên cứu mô hình kết hợp Bể kỵ khí xơ dừa – Bể tảo cao tải – Bể lục bình và hệ thống hồ tảo tại 5 nhà máy cao su (Thuận Phú, Ngọc Hồi, Krông Buk, Lộc Hiệp, Lai Khê) với tổng HRT lên tới 21 ngày và diện tích mặt nước hơn 39.000 m², đòi hỏi diện tích xây dựng rất lớn.
    • Nguyễn Thị Thanh (2016) nghiên cứu tạo bùn hạt kỵ khí trong UASB bổ sung 1 g/L rỉ đường trong 38 ngày, nâng OLR lên 15,3 kg COD/m³·ngày, hiệu suất COD đạt 95,8%, sinh khí 0,324 m³ CH₄/kg COD chuyển hóa.
    • Dự án ESCANBER (2011 – 2016 do JICA tài trợ, thực hiện bởi HUST, RRIV, NUT) và Takahiro Watari và cộng sự (2016, 2018) phát triển hệ thống BR – UASB – DHS ở quy mô phòng thí nghiệm và pilot tại Bình Dương. Hệ thống xử lý tốt COD (92,7 – 98,6%) nhưng hiệu suất xử lý TN thấp (chỉ đạt 35,9 – 55,3%), amoni đầu ra không ổn định và vượt QCVN 01-MT:2015/BTNMT.
    • Nguyễn Như Hiển (2018) nghiên cứu mô hình OLAND kết hợp nitrit hóa bán phần - anammox xử lý nitơ nước thải cao su sau tiền xử lý COD, đạt hiệu suất TN 87% và N-NH₄⁺ 93% ở chế độ thổi khí gián đoạn (20 phút nghỉ, 40 phút thổi).

  3. Nghiên cứu công nghệ EGSB và kết tủa MAP:

    • EGSB trên thế giới (Zh. Yejian 2008, S. Phajee 2009, Colussi 2009, Su 2013, Basitere 2015) và tại Việt Nam (Tôn Thất Lãng 2006, Vũ Đình Khang và Nguyễn Tấn Phong 2012) chứng minh khả năng vận hành ở tải trọng cao vượt trội so với UASB nhờ bơm tuần hoàn tăng ULV (4 – 8 m/h).
    • Kết tủa MAP (Struvite - MgNH₄PO₄·6H₂O) thu hồi đồng thời N và P đã được nghiên cứu trên nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi (Zhang 2012, Uysal 2010), nước thải biogas (Lê Văn Dũng 2016) và nước rỉ rác (Phạm Hương Quỳnh 2016).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Nước thải cao su thiên nhiên chứa đồng thời hàm lượng COD, amoni, photphat và magie cao. Chưa có công trình nào nghiên cứu tích hợp: (1) Khâu kỵ khí tải trọng cao bằng EGSB nhằm chuyển hóa hợp chất hữu cơ và thu hồi biogas; (2) Tận dụng nồng độ photphat và amoni sau phân hủy kỵ khí để thu hồi phân bón MAP bằng phương pháp hóa lý; (3) Triển khai thiết bị SBR cải tiến để xử lý triệt để nitơ và COD dư thừa còn lại mà không cần bổ sung nguồn cacbon ngoại lai đắt tiền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế phân hủy kỵ khí: Phân hủy kỵ khí hợp chất hữu cơ diễn ra qua 4 giai đoạn nối tiếp: (1) Thủy phân (Hydrolysis) bởi vi sinh vật tiết enzym ngoại bào (Eubacterium, Clostridium); (2) Axit hóa/Lên men (Acidogenesis) tạo axit béo bay hơi (VFA), rượu bởi Bacillus, Pseudomonas; (3) Axetat hóa (Acetogenesis) tạo axetat và H₂ bởi Syntrophomonas, Syntrophobacter; (4) Metan hóa (Methanogenesis) theo 3 con đường: vi sinh vật sử dụng H₂ khử CO₂ (Hydrogenotrophic, chiếm ~30% CH₄), vi sinh vật chuyển hóa axetat (Acetotrophic gồm Methanosaeta, Methanosarcina, chiếm ~70% CH₄) và vi sinh vật phân giải gốc metyl (Methylotrophic).
  • Nguyên lý thiết bị EGSB: Là biến thể nâng cao của UASB, áp dụng dòng tuần hoàn đầu ra nhằm nâng vận tốc dâng nước (ULV = 4 – 8 m/h), mở rộng tầng đệm bùn hạt, tăng cường tiếp xúc cơ chất - vi sinh vật và cho phép vận hành ở OLR cao (lên đến 20 – 38 kg COD/m³·ngày).
  • Cơ sở kết tủa Magie Amoni Photphat (MAP): Tinh thể Struvite được tạo thành theo phản ứng cân bằng trong môi trường kiềm (pH 8,5 – 11,0): $$\text{Mg}^{2+} + \text{NH}_4^+ + \text{HPO}_4^{2-} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{MgNH}_4\text{PO}_4\cdot 6\text{H}2\text{O}\downarrow + \text{H}^+$$ Tích số tan thấp ($pK{sp} = 12,6$) cho phép tách loại đồng thời amoni và photphat tạo sản phẩm phân bón nhả chậm chứa 9,91% Mg, 5,70% N và 12,64% P theo khối lượng.
  • Cơ chế phân hủy hiếu khí - thiếu khí trong SBR cải tiến: Xử lý kết hợp quá trình oxy hóa hữu cơ, nitrit/nitrat hóa (bởi Nitrosomonas, Nitrobacter) và khử nitrat hóa thành khí N₂ bởi các vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện kiểm soát nồng độ oxy hòa tan (DO) gián đoạn.

Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

  • Hệ thống EGSB quy mô phòng thí nghiệm: Nghiên cứu quá trình khởi động tạo bùn hạt kỵ khí và giai đoạn vận hành ổn định qua các dải tải trọng OLR (7 – 20 kg COD/m³·ngày), theo dõi sự biến thiên pH, nồng độ bùn, hiệu suất COD, nồng độ N-amoni và tốc độ sinh khí biogas.
  • Thực nghiệm kết tủa MAP trên thiết bị Jar-Test: Khảo sát các thông số công nghệ: ảnh hưởng của pH (khảo sát từ 8,0 đến 11,0), thời gian phản ứng khuấy trộn, điều kiện không bổ sung hóa chất, bổ sung đơn lẻ nguồn Mg²⁺ ($MgCl_2\cdot 6H_2O$) và bổ sung đồng thời Mg²⁺ kết hợp photphat ($H_3PO_4$) theo các tỷ lệ mol $Mg^{2+} : NH_4^+ : PO_4^{3-}$ khác nhau.
  • Hệ thống SBR cải tiến: Thiết lập chu trình hoạt động cải tiến (luân phiên pha sục khí và không sục khí), đánh giá ảnh hưởng của nồng độ DO, tải trọng COD, tải trọng N-amoni, tải trọng TN và tỷ lệ COD/TN đến hiệu suất chuyển hóa nitơ.
  • Phương pháp phân tích hóa lý và cấu trúc:
    • Các chỉ tiêu nước thải: pH (máy đo pH), COD (phương pháp trắc quang/chuẩn độ dicromat), BOD₅, N-amoni, TN, TP, $PO_4^{3-}-P$, TSS, MLSS, MLVSS, SVI theo Phương pháp chuẩn phân tích nước và nước thải (SMEWW) và Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
    • Phân tích cấu trúc sản phẩm kết tủa: Sử dụng Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái tinh thể và Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) xác định tỷ lệ thành phần nguyên tố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên

Chương 1 trình bày tổng quan ngành chế biến mủ cao su thiên nhiên tại Việt Nam và thế giới; phân tích cấu tạo hạt mủ cao su, cơ chế đông tụ bằng axit ($CH_3COOH, HCOOH$) và bảo quản chống đông bằng $NH_3$. Chương này nêu rõ bản chất nguồn phát sinh nước thải (25 m³/tấn sản phẩm), nồng độ ô nhiễm của nước thải Nhà máy cao su Hà Tĩnh, tổng kết các công trình khoa học trong và ngoài nước về xử lý sinh học kỵ khí (UASB, EGSB), kết tủa MAP thu hồi dưỡng chất, các mô hình thiếu khí - hiếu khí (SBR, OLAND, DHS). Tác giả đã đúc kết các tồn tại kỹ thuật tại các nhà máy chế biến cao su ở Việt Nam để xác lập định hướng nghiên cứu tích hợp của luận án.

Chương 2: Xử lý chất hữu cơ và thu hồi năng lượng bằng thiết bị EGSB

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm thiết bị EGSB:

  • Giai đoạn khởi động và tạo bùn hạt: Thiết bị EGSB được vận hành khởi động và thích nghi thành công bùn hạt kỵ khí, kiểm soát ổn định giá trị pH nội tại mà không cần bổ sung nhiều hóa chất điều chỉnh độ kiềm.
  • Giai đoạn vận hành ổn định: Thiết bị được khảo sát ở các dải tải trọng hữu cơ OLR tăng dần từ 7 đến 20 kg COD/m³·ngày. Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý COD trung bình luôn duy trì ổn định trên 80%. Tốc độ dâng nước ULV và dòng tuần hoàn giúp bùn tiếp xúc tốt với nước thải, chống hiện tượng rửa trôi sinh khối.
  • Thu hồi năng lượng: Quá trình phân hủy kỵ khí chuyển hóa phần lớn COD thành khí biogas giàu mêtan ($CH_4$). Nồng độ N-amoni trong dòng ra có xu hướng tăng nhẹ do sự thủy phân các hợp chất protein trong mủ cao su, tạo điều kiện thuận lợi cho khâu thu hồi dưỡng chất tiếp theo.

Chương 3: Xử lý thu hồi chất dinh dưỡng bằng phương pháp kết tủa MAP

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu hồi nitơ và photpho bằng phản ứng kết tủa MAP:

  • Trường hợp không bổ sung hóa chất: Khảo sát tại các thang pH khác nhau; kết tủa hình thành kém do tỷ lệ nồng độ $Mg^{2+}$, $NH_4^+$ và $PO_4^{3-}$ trong nước thải ban đầu không cân bằng.
  • Trường hợp bổ sung nguồn magie đơn lẻ: Hiệu suất tách photphat tăng lên nhưng hiệu quả loại bỏ amoni bị giới hạn do thiếu hụt gốc $PO_4^{3-}$.
  • Trường hợp bổ sung đồng thời nguồn magie và photphat: Xác định tỷ lệ mol tối ưu $Mg^{2+} : NH_4^+ : PO_4^{3-} = 1,4 : 1,0 : 1,0$ tại vùng pH thích hợp (pH 9,5). Ở điều kiện này, hiệu suất loại bỏ $N-NH_4^+$ đạt 80,9%, hiệu suất xử lý COD đạt 34,8% và lượng kết tủa MAP thu gom đạt 4,85 g/L nước thải.
  • Đánh giá đặc tính kết tủa: Ảnh SEM cho thấy các tinh thể dạng que/lăng trụ đặc trưng của struvite; phổ EDX khẳng định sự có mặt đồng thời của các nguyên tố Mg, P, N và O với tỷ lệ phù hợp với công thức phân tử $MgNH_4PO_4\cdot 6H_2O$.

Chương 4: Xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ bằng thiết bị SBR cải tiến

Chương 4 nghiên cứu quá trình xử lý bậc cao đối với dòng nước thải sau xử lý kỵ khí và kết tủa MAP:

  • Cải tiến chu trình hoạt động: Thiết bị SBR cải tiến được thiết lập chế độ luân phiên sục khí - không sục khí nhằm tạo các vùng vi môi trường hiếu khí và thiếu khí xen kẽ, kiểm soát chặt chẽ động học nồng độ DO.
  • Hiệu quả xử lý theo tải trọng:
    • Tải trọng COD từ 0,9 – 1,6 kg COD/m³·ngày: Hiệu suất xử lý COD đạt trung bình 97%.
    • Tải trọng $N-NH_4^+$ từ 0,11 – 0,21 kg $N-NH_4^+$/m³·ngày: Hiệu suất oxy hóa $N-NH_4^+$ đạt xấp xỉ 100%.
    • Tải trọng TN từ 0,16 – 0,31 kg TN/m³·ngày: Hiệu suất khử tổng nitơ đạt từ 94% đến 97%.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/TN: Khảo sát sự tương quan giữa tỷ lệ COD/TN trong nước thải nạp vào đối với hiệu quả nitrat hóa và khử nitrat đồng thời, xác định dải tỷ lệ vận hành giúp dòng ra đạt quy chuẩn mà không cần châm thêm nguồn cơ chất hữu cơ bên ngoài.

Chương 5: Đề xuất công nghệ xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên

Chương 5 tổng hợp và hoàn thiện quy trình công nghệ tích hợp hóa lý – sinh học:

  • Dây chuyền công nghệ đề xuất: Nước thải chế biến cao su $\rightarrow$ Bể gom/Tách mủ $\rightarrow$ Thiết bị EGSB (thu hồi khí biogas) $\rightarrow$ Thiết bị phản ứng kết tủa MAP (thu hồi phân bón) $\rightarrow$ Thiết bị SBR cải tiến $\rightarrow$ Bể lắng/Khử trùng $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.
  • Tính toán cân bằng vật chất: Thực hiện tính toán cân bằng dòng vật chất (lưu lượng, tải lượng COD, TN, $N-NH_4^+$, TP) qua từng đơn vị công đoạn cho trạm xử lý, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm chủ công nghệ bùn hạt mở rộng (EGSB) cho nước thải cao su: Tạo bùn hạt kỵ khí thành công và làm sáng tỏ các quy luật biến thiên pH, tải trọng OLR và tốc độ dâng nước ULV, chứng minh thiết bị EGSB hoạt động ổn định ở dải tải trọng cao 7 – 20 kg COD/m³·ngày với hiệu suất loại bỏ COD trung bình trên 80%, đồng thời thu hồi năng lượng khí sinh học.
  2. Xác lập cơ sở công nghệ thu hồi dinh dưỡng MAP: Xác định được các điều kiện công nghệ tối ưu cho phản ứng kết tủa struvite trên nền nước thải chế biến cao su thiên nhiên; chứng minh khả năng thu hồi đồng thời nitơ và photpho với hiệu suất loại bỏ $N-NH_4^+$ đạt 80,9%, COD đạt 34,8% và lượng kết tủa thu được 4,85 g/L khi bổ sung đồng thời Mg và P theo tỷ lệ mol $Mg^{2+} : NH_4^+ : PO_4^{3-} = 1,4 : 1,0 : 1,0$.
  3. Phát triển thiết bị SBR cải tiến xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ: Thiết lập thành công chế độ vận hành chu trình cải tiến tiết kiệm năng lượng sục khí, cho phép đạt hiệu suất xử lý COD trung bình 97%, $N-NH_4^+$ xấp xỉ 100% và TN đạt 94 – 97% trong các dải tải trọng hữu cơ và nitơ xác định ($0,9 - 1,6\text{ kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$, $0,11 - 0,21\text{ kg }N-NH_4^+/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, $0,16 - 0,31\text{ kg TN/m}^3\cdot\text{ngày}$).
Nước thải chế biến cao su thiên nhiên

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất hoàn chỉnh sơ đồ dây chuyền công nghệ kết hợp hóa lý – sinh học (EGSB – Kết tủa MAP – SBR cải tiến) kèm theo bảng tính toán cân bằng vật chất chi tiết.
  • Nước thải sau xử lý qua dây chuyền công nghệ đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sơ chế cao su thiên nhiên (QCVN 01-MT:2015/BTNMT).
  • Giải pháp công nghệ giúp các cơ sở chế biến mủ cao su thu hồi được khí biogas làm chất đốt và sản phẩm MAP làm phân bón nông nghiệp, góp phần giảm chi phí xử lý và giảm thiểu diện tích đất xây dựng hồ sinh học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các nội dung thực nghiệm của luận án chủ yếu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường trên đối tượng mẫu nước thải lấy từ Nhà máy chế biến cao su Hà Tĩnh.
  • Chưa khảo sát biến động liên tục ở quy mô pilot ngoài hiện trường theo các mùa sản xuất cao điểm và chu kỳ khai thác mủ khác nhau của các vùng miền khác.
  • Chi phí hóa chất bổ sung nguồn magie và photphat cho quá trình kết tủa MAP ở quy mô công nghiệp chưa được đánh giá chi tiết với các nguồn phế phẩm kinh tế thay thế (như nước ót hay photphat kỹ thuật).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai thử nghiệm hệ thống công nghệ tích hợp EGSB – Kết tủa MAP – SBR cải tiến ở quy mô pilot và quy mô công nghiệp tại các nhà máy chế biến cao su thiên nhiên.
  • Nghiên cứu tận dụng các nguồn phụ phẩm công nghiệp giàu magie (nước ót sau sản xuất muối biển) và photpho nồng độ cao để giảm thiểu chi phí hóa chất trong phản ứng kết tủa MAP.
  • Đánh giá hiệu quả nông hóa học thực tế của sản phẩm phân bón MAP thu hồi trên các đối tượng cây trồng khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường, Quản lý tài nguyên và Hóa kỹ thuật tham khảo về phương pháp luận kết hợp hóa lý - sinh học, kỹ thuật vận hành thiết bị EGSB, động học kết tủa struvite và cơ chế nitrat hóa/khử nitrat trong SBR.
  • Kỹ sư thiết kế công nghệ môi trường: Sử dụng số liệu tải trọng, thời gian lưu nước, tỷ lệ bổ sung hóa chất và bảng tính cân bằng vật chất để thiết kế, cải tạo trạm xử lý nước thải cho các nhà máy chế biến cao su.
  • Cơ quan quản lý và doanh nghiệp cao su: Tham khảo để xây dựng định mức xả thải, lựa chọn giải pháp chuyển đổi xanh hướng tới thu hồi năng lượng và kinh tế tuần hoàn trong ngành cao su thiên nhiên.

Nội dung đáng tham khảo

  • Bộ số liệu thực nghiệm chi tiết về sự thay đổi pH, tải trọng OLR và tốc độ dâng nước ULV trong thiết bị EGSB.
  • Quy trình tối ưu hóa các điều kiện kết tủa MAP ($Mg^{2+} : NH_4^+ : PO_4^{3-} = 1,4 : 1,0 : 1,0$ tại pH 9,5) và bộ ảnh chụp SEM, phổ EDX kiểm chứng sản phẩm struvite.
  • Phương pháp điều khiển chu trình cấp khí gián đoạn trong SBR cải tiến giúp xử lý triệt để nitơ mà không cần bổ sung nguồn cacbon ngoại sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị EGSB trong luận án vận hành ổn định ở dải tải trọng hữu cơ (OLR) nào và đạt hiệu suất xử lý COD bao nhiêu?

Thiết bị EGSB sau quá trình tạo bùn hạt thành công đã vận hành ổn định trong khoảng tải trọng hữu cơ OLR từ 7 đến 20 kg COD/m³·ngày, với hiệu suất xử lý COD trung bình luôn duy trì trên 80%.

2. Các điều kiện công nghệ tối ưu để thu hồi MAP khi bổ sung đồng thời nguồn magie và photphat là gì, và hiệu quả đạt được ra sao?

Điều kiện công nghệ tối ưu được xác định là tỷ lệ mol $Mg^{2+} : NH_4^+ : PO_4^{3-} = 1,4 : 1,0 : 1,0$ tại giá trị pH = 9,5. Ở điều kiện này, hiệu suất loại bỏ $N-NH_4^+$ đạt 80,9%, hiệu suất xử lý COD đạt 34,8% và khối lượng kết tủa MAP thu hồi đạt 4,85 g/L nước thải.

3. Thiết bị SBR cải tiến đạt hiệu suất xử lý COD, N-amoni và tổng nitơ (TN) ở các mức tải trọng nào?

Thiết bị SBR cải tiến đạt hiệu suất xử lý COD trung bình 97% (ở tải trọng 0,9 – 1,6 kg COD/m³·ngày), hiệu suất xử lý $N-NH_4^+$ đạt xấp xỉ 100% (ở tải trọng 0,11 – 0,21 kg $N-NH_4^+$/m³·ngày) và hiệu suất xử lý TN đạt 94 – 97% (ở tải trọng 0,16 – 0,31 kg TN/m³·ngày).

4. Đặc tính ô nhiễm của nước thải Nhà máy chế biến cao su Hà Tĩnh có những điểm gì đáng chú ý?

Nước thải trước xử lý của nhà máy có tính axit (pH dao động 4,4 – 5,8), hàm lượng COD và BOD₅ rất cao ($BOD_5$ đạt tới 4.126 mg/L), giàu photpho (TP từ 130 – 240 mg/L; $PO_4^{3-}-P$ từ 86 – 189 mg/L), giàu nitơ (TN từ 208 – 398 mg/L; $NH_4^+-N$ từ 128 – 249 mg/L với tỷ lệ $NH_4^+-N/TN$ ổn định khoảng 0,56 – 0,68), cùng hàm lượng magie (34 – 65 mg/L) và canxi (10 – 22 mg/L).

5. Quá trình metan hóa trong giai đoạn xử lý kỵ khí diễn ra theo những con đường vi sinh vật nào và tỷ lệ đóng góp của chúng ra sao?

Quá trình hình thành khí $CH_4$ diễn ra theo 3 nhóm vi sinh vật:

  • Nhóm vi sinh vật metan hóa sử dụng hydro (Hydrogenotrophic như Methanobacterium, Methanococcus) khử $CO_2$ tạo ra $CH_4$, đóng góp khoảng 30% lượng khí sinh ra.
  • Nhóm vi sinh vật metan hóa sử dụng axetat (Acetotrophic như Methanosarcina, Methanosaeta) chuyển hóa axetat thành $CH_4$ và $CO_2$, đóng góp chính khoảng 70% lượng khí sinh ra.
  • Nhóm vi sinh vật metan hóa sử dụng metanol (Methylotrophic) phân giải các cơ chất chứa nhóm metyl, đóng góp tỷ lệ không đáng kể.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Dương Văn Nam đã phát triển thành công quy trình công nghệ kết hợp hóa lý và sinh học (EGSB – Kết tủa MAP – SBR cải tiến) để xử lý nước thải chế biến cao su thiên nhiên. Nghiên cứu đã giải quyết đồng thời việc nâng cao hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng, thu hồi năng lượng khí biogas và thu hồi phân bón MAP có giá trị kinh tế. Toàn bộ các thông số công nghệ được xác lập trên cơ sở thực nghiệm chặt chẽ, mở ra giải pháp kỹ thuật khả thi đáp ứng tiêu chuẩn xả thải môi trường và định hướng phát triển bền vững cho ngành công nghiệp cao su.