Luận án TS Vũ Ngọc Thủy: Xử lý amoni bằng than từ phụ phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải bằng quá trình sinh học kết hợp than từ phụ phẩm nông nghiệp, mang lại hiệu quả cao và bền vững.

• Tác giả: Vũ Ngọc Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Khắc Uẩn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý Amoni Trong Nước Thải Bằng Quá Trình Sinh Học Bổ Sung Than Chế Tạo Từ Phụ Phẩm Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải

Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật môi trường. Amoni, một hợp chất chứa nitơ, thường xuất hiện trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Việc xử lý amoni không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý hiện nay bao gồm hóa lý và sinh học, trong đó phương pháp sinh học đang được ưa chuộng nhờ tính hiệu quả và thân thiện với môi trường.

1.1. Tầm quan trọng của việc xử lý amoni trong nước thải

Xử lý amoni là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước. Amoni có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm giảm chất lượng nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Việc áp dụng các công nghệ xử lý hiệu quả sẽ giúp cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.

1.2. Các phương pháp xử lý amoni hiện nay

Các phương pháp xử lý amoni bao gồm hấp phụ, xử lý sinh học và hóa lý. Trong đó, phương pháp sinh học được xem là giải pháp bền vững, sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa amoni thành các hợp chất vô hại. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ C/N trong nước thải.

II. Thách thức trong xử lý amoni bằng phương pháp sinh học

Mặc dù phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn gặp phải một số thách thức lớn. Nước thải sinh hoạt thường có tỷ lệ C/N thấp, điều này làm giảm hiệu quả xử lý amoni. Việc bổ sung chất hữu cơ như rỉ đường hay methanol có thể tốn kém và không phải lúc nào cũng khả thi.

2.1. Tỷ lệ C N và ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý

Tỷ lệ C/N thấp trong nước thải sinh hoạt gây khó khăn cho quá trình xử lý sinh học. Vi sinh vật cần một nguồn carbon đủ để phát triển và xử lý amoni hiệu quả. Nếu không có đủ carbon, quá trình xử lý sẽ không đạt yêu cầu.

2.2. Chi phí và hiệu quả của các biện pháp bổ sung

Việc bổ sung các chất hữu cơ để cải thiện hiệu quả xử lý amoni có thể làm tăng chi phí vận hành. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả hơn, như sử dụng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp.

III. Phương pháp chế tạo than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

Than sinh học (TSH) được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như vỏ cà phê, rơm rạ, và các loại phế thải khác. Quá trình chế tạo TSH không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị trong xử lý nước thải. TSH có khả năng hấp phụ tốt, giúp loại bỏ amoni hiệu quả.

3.1. Quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê

Quy trình chế tạo TSH từ vỏ cà phê bao gồm các bước như thu gom, xử lý và nhiệt phân. Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của TSH. TSH từ vỏ cà phê có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ.

3.2. Đặc tính của than sinh học chế tạo từ phụ phẩm

Than sinh học chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp có nhiều đặc tính ưu việt như độ xốp cao, khả năng hấp phụ tốt và tính bền vững. Những đặc tính này giúp TSH trở thành một giải pháp hiệu quả trong xử lý amoni trong nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của than sinh học trong xử lý amoni

Việc sử dụng TSH trong xử lý amoni đã được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều hệ thống xử lý nước thải. TSH không chỉ giúp cải thiện hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Nghiên cứu cho thấy TSH có thể được sử dụng như một chất mang trong hệ bùn hoạt tính, giúp tăng cường khả năng xử lý amoni.

4.1. Hiệu quả xử lý amoni của hệ bùn hoạt tính có bổ sung TSH

Hệ bùn hoạt tính khi bổ sung TSH từ vỏ cà phê cho thấy hiệu quả xử lý amoni cao hơn so với hệ không có TSH. Việc bổ sung này giúp tăng cường sự phát triển của vi sinh vật và cải thiện khả năng hấp phụ.

4.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về xử lý nước thải

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy việc sử dụng TSH trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có tỷ lệ C/N thấp mang lại kết quả khả quan. TSH không chỉ giúp giảm nồng độ amoni mà còn cải thiện các chỉ tiêu chất lượng nước khác.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về xử lý amoni trong nước thải bằng TSH từ phụ phẩm nông nghiệp mở ra nhiều triển vọng mới. Việc áp dụng TSH không chỉ giúp xử lý hiệu quả mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và ứng dụng TSH trong các hệ thống xử lý nước thải.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo TSH và đánh giá hiệu quả trong các điều kiện thực tế. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của TSH trong xử lý nước thải.

5.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu xử lý nước thải

Hướng nghiên cứu mới có thể bao gồm việc kết hợp TSH với các công nghệ xử lý khác để nâng cao hiệu quả. Việc phát triển các phương pháp mới sẽ giúp giải quyết các vấn đề ô nhiễm nước một cách bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Xử lý amoni trong nước và nước thải có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý hoặc sinh học dựa trên nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại ra khỏi môi trường nước. Trong đó phương pháp sinh học và phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu như zeolite, than hoạt tính, than sinh học được xem là các phương pháp phổ biến hiện nay. Tuy nhiên với loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp như nước thải sinh hoạt sau khi qua bệ tự hoại, xử lý sinh học thường khó đạt tiêu chuẩn đầu ra với các chỉ tiêu về dinh dưỡng, trong đó có chỉ tiêu về amoni.

Để có thể xử lý đạt hiệu quả, các hệ thống xử lý sinh học cần phải bổ sung thêm chất hữu cơ (rỉ đường hoặc methanol) gây tốn kém cho quá trình vận hành. Theo Lehmann và cộng sự, than sinh học (TSH) là vật rắn giàu cacbon (C) thu được từ việc nhiệt phân sinh khối trong môi trường yếm khí. TSH 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 [1]. Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm nông nghiệp và sinh khối thải rất lớn.

Lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam rất đa dạng (rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ dừa, vỏ cà phê, mùn cưa, phế thải gỗ…), thải ra môi trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng hàng năm rất lớn. Đây là một trong những nguồn sinh khối tiềm năng để phục vụ cho sản xuất TSH [2]. Năm 2020, tổng lượng chất thải nông nghiệp khoảng 118,2 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 15,6 triệu tấn bã mía, 9,2 triệu tấn lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phẩm nông nghiệp khác, phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tấn và 1,7 triệu tấn vỏ cà phê [3]. Đã có một số nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo TSH từ các phụ phẩm nông, lâm nghiệp như vỏ trấu, thân cây lạc, đậu, lõi ngô, xơ dừa, mùn cưa.

ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng TSH chế tạo từ vỏ cà phê (VCP) để xử lý để xử lý amoni trong nước thải hiện vẫn chưa được đề cập đến. VCP cũng là một dạng phụ phẩm nông nghiệp được thải ra với lượng lớn đặc biệt là ở khu vực miền trung, Tây Nguyên. Sau khi chế biến, vỏ cà phê thường được chất đống đem đốt hoặc thải bỏ trực tiếp vào các gốc cà phê.

Do hàm lượng lignin, caffein, xenlulo và tanin trong vỏ cà phê rất cao, khó phân hủy trong điều kiện thông thường, vì vậy đem bón trực tiếp vào cây làm cây bị nóng, không đem lại hiệu quả về kinh tế. Hiện nay, xu hướng nghiên cứu với vỏ cà phê là đem ủ làm phân vi sinh tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi trình độ kỹ thuật nhất định và thời gian tương đối dài do vỏ 1 cà phê khó phân hủy hơn một số loại phụ phẩm nông nghiệp khác. Việc sử dụng vỏ cà phê làm nguồn nguyên liệu để sản xuất TSH ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường nói chung và xử lý amoni trong nước thải hiện chưa có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt nam. Ngoài ra hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay ứng dụng TSH trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nói chung và amoni nói riêng đều tập trung vào đánh giá hiệu quả hấp phụ theo cơ chế hấp phụ vật lý, hóa học và đi sâu vào phương pháp chế tạo, phương pháp biến tính vật liệu để tăng cường hiệu quả của quá trình hấp phụ [4,5] do TSH chế tạo trong điều kiện thông thường thường có diện tích bề mặt riêng nhỏ, số lượng nhóm chức bề mặt thấp nên hiệu quả hấp phụ không cao [6-8].

Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả hấp phụ trên đối tượng nước thải tự tạo hoặc một số loại hình như nước cấp sinh hoạt, nước thải bệnh viện sau xử lý sinh học. Hiện chưa có nhiều thông tin đề cập đến cơ chế xử lý khi bổ sung TSH vào hệ bùn hoạt tính và áp dụng trên đối tượng nước thải có tỷ lệ C/N thấp. Hiện nay, nghiên cứu công nghệ bùn hạt hiếu khí trong xử lý nước thải đang là một hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Ưu điểm của công nghệ này là mật độ sinh khối trong hệ thống cao, tải trọng hữu cơ cao cũng như thời gian phân tách hệ bùn - nước ngắn hơn rất nhiều so với công nghệ bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống [9-11].

Bên cạnh đó, một số nghiên cứu gần đây nhất cho thấy việc sử dụng công nghệ bùn hạt trong điều kiện DO thấp có hiệu quả trong xử lý nước thải có hàm lượng amoni cao (tỷ lệ C/N thấp) mà loại hình xử lý hiếu khí truyền thống thường không có hiệu quả. Không những vậy, bùn hạt có khả năng chống chịu được nhiều điều kiện bất lợi như hạn chế nguồn cơ chất, sự có mặt của một số chất gây ức chế và có thời gian lưu trong hệ thống lâu hơn so với bùn hiếu khí lơ lửng. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là cần thời gian tạo bùn hạt khá dài (90 - 180 ngày) và phụ thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống. Nhiều nghiên cứu trong vòng vài năm trở lại đây đã tập trung vào đánh giá các yếu tố giúp đẩy nhanh quá trình tạo bùn hạt trong giai đoạn khởi động hệ thống như tối ưu hóa các điều kiện vận hành, các quá trình sinh hóa và đưa tác nhân tạo bùn hạt vào hệ thống.

Tối ưu hóa điều kiện vận hành bao gồm việc thiết kế hệ thống với thời gian lưu thủy lực và tải trọng hữu cơ phù hợp, tối ưu hóa thời gian lưu bùn, tuổi của bùn, tốc độ khuấy trộn, tốc độ sục khí… cho thấy hiệu quả của quá trình tạo bùn hạt cũng như hiệu quả xử lý của hệ thống tăng rõ rệt [12]. Đối với việc đưa thêm tác nhân thì một vài nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC) và than sinh học làm từ vỏ trấu cũng đem lại hiệu quả rõ rệt, rút ngắn thời gian tạo bùn hạt. 2 Than hoạt tính được đưa vào trong hệ thống trong giai đoạn đầu khởi động trở thành chất mang và hạt nhân giúp vi sinh vật hấp phụ trên bề mặt than và dễ dàng tạo bùn hạt, đồng thời giúp hạt bùn ổn định hơn trong quá trình vận hành hệ thống. Tuy nhiên những nghiên cứu này lại chỉ tập trung vào đánh giá vai trò của than như chất mang thông thường trong quá trình tạo bùn hạt, chưa đánh giá được đặc tính của than cũng như xét đến khía cạnh hấp phụ của vi sinh vật trên bề mặt than trong quá trình xử lý.

Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, trong nghiên cứu này, TSH chế tạo từ vỏ cà phê được nghiên cứu để xử lý amoni trong một loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp (nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại), trên cơ sở đánh giá quá trình hấp phụ và quá trình màng sinh học bám dính trên TSH. TSH từ vỏ cà phê được tập trung nghiên cứu với vai trò vừa là chất hấp phụ vừa là chất mang được bổ sung vào hệ bùn hoạt tính trong bể SBR để giảm thời gian hình thành bùn hạt và giúp tăng hiệu quả của quá trình xử lý amoni trong nước thải. Mục tiêu nghiên cứu - Đưa ra quy trình chế tạo TSH từ vỏ cà phê với công nghệ chế tạo đơn giản để tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp và tạo ra sản phẩm có khả năng ứng dụng trong xử lý amoni trong nước và nước thải. TSH từ vỏ cà phê khi nhiệt phân ở nhiệt độ thấp, thời gian nhiệt phân ngắn có hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, có thể giữ lại tối đa lượng C và nhóm chức trên bề mặt TSH nên có thể được sử dụng cho nhiều mục đích như làm chất hấp phụ hay chất mang vi sinh.

- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiệu quả hấp phụ amoni trong nước thải. Xác định cơ chế hấp phụ và động học quá trình hấp phụ amoni trong nước thải của TSH chế tạo từ vỏ cà phê. - Sử dụng TSH từ VCP làm chất mang bổ sung vào hệ bùn hoạt tính để thúc đẩy quá trình tạo bùn hạt. Đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni của hệ TSH kết hợp bùn hoạt tính.

Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu trên thì nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm: - Xây dựng quy trình chuẩn bị TSH từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ cà phê), xác định các đặc trưng của TSH chế tạo từ vỏ cà phê (diện tích bề mặt, pH điểm đẳng điện, độ ẩm, độ tro, hàm lượng C, FTIR, SEM) và đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ vật lý, hóa học của TSH từ vỏ cà phê như đánh giá ảnh hưởng 3 của thời gian tiếp xúc, pH của nước thải đầu vào, tỷ lệ rắn/lỏng, kích thước than sinh học và ảnh hưởng cả nồng độ amoni ban đầu. Ngoài ra đẳng nhiệt hấp phụ và động học của quá trình hấp phụ cũng được xác định để làm rõ cơ chế hấp phụ amoni của TSH từ vỏ cà phê sử dụng trong nghiên cứu. - Nghiên cứu quy trình bổ sung TSH từ vỏ cà phê vào hệ bùn hoạt tính để TSH đóng vai trò là chất mang. Đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung TSH chế tạo từ vỏ cà phê đến khả năng sinh trưởng của bùn hoạt tính trong bể SBR.

Đánh giá khả năng hấp phụ của bùn hoạt tính trên than sinh học khi sử dụng than sinh học làm chất mang vi sinh. - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý của hệ TSH kết hợp bùn hoạt tính: thời gian sục khí, tỷ lệ chất hữu cơ/vi sinh vật (F/M), tỷ lệ C/N, chu kỳ hoạt động của hệ thống, tỷ lệ trao đổi thể tích … tới hiệu quả xử lý amoni của hệ bùn hạt hoạt tính. Xác định tốc độ sinh trưởng và tốc độ phân giải amoni của hệ bùn hạt, quan sát đánh giá quá trình hình thành bùn hạt theo thời gian vận hành của hệ thống.