MỞ ĐẦU Hiện tượng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) được nhóm các nhà khoa học Nga đứng đầu là Bakhir V. phát hiện năm 1975, sau đó liên tục được nghiên cứu phát triển tại Nga và nhiều nước khác, nay đã trở thành một ngành công nghệ nổi bật trong lĩnh vực điện hóa được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành san xuất và đời sống trên thế giới. Quá trình hoạt hóa điện hóa được thực hiện khi dung dịch nước có độ khoáng hóa thấp tương đương với nước uống bình thường dưới tác động của một điện trường đơn cực trong buồng điện hóa có màng ngăn được đưa lên trạng thái kích thích giả bền với các thông số hóa-lý khác thường, thay đổi theo thời gian và dần phục hồi về trạng thái bền nhiệt động học. Các chất lỏng sau khi được xử lý điện hóa trong một điện trường đơn cực ở trạng thái giả bền được gọi là dung dịch HHĐH, công nghệ điều chế và ứng dụng chúng được gọi là công nghệ HHĐH.
Đề thực hiện các quá trình HHĐH dung dịch có độ khoáng hóa thấp, nhiều hệ thống điện hóa đặc biệt đã được nghiên cứu chế tạo ở nước Nga và nhiều nước trên thế giới. Bộ phận chủ yếu đề tạo thành dung dịch HHĐH là các buồng điện hóa có màng ngăn tạo thành hai khoang anốt và catốt rất hẹp cho dung dịch nước chảy qua, với tên gọi là FEM (chữ viết tắt trong tiếng Anh của cụm từ flow-through electrolitic module). Các tính chất hóa-lý của dung dịch HHĐH được tạo thành phụ thuộc vào cấu tạo của các FEM, vì vậy các công ty độc lập chế tạo thiết bị HHĐH đều cần chế tạo FEM của riêng mình trước tiên. Đến năm 2011, trên thế giới đã có một số nước chế tạo được những FEM loại này, đi đầu là nước Nga với FEM 3 [1-9].
Cho đến nay, co so duy nhat tai Nga chế tạo được các loại FEM được sử dụng với số lượng hàng trăm nghìn chiếc là Viện nghiên cứu hệ thống và công nghệ điện hóa mang tên Vitold Bakhir — người đã tìm ra hiện tượng HHĐH. Viện Vitold Bakhrr đã đưa ra loại modun điện hóa mới được hoản thiện và có các đặc tính kỹ thuật cao hơn nhiều so với FEM-3 ký hiệu là MB-11. Loại môđun MB-11 có kích thước và hình dáng bề ngoài giống như FEM-3 nhưng tạo ra sản phẩm dung dịch HHĐH có tính năng hơn hắn FEM-3 về hàm lượng chất oxy hóa, giảm tiêu thụ muối trong dung dịch đầu vào. Sơ đồ thủy lực của thiết bị sản xuất HHĐH sử dụng MB-I1 cũng khác sơ đồ sử dụng FEM-3.
Dung dịch HHĐH được sản xuất từ modul điện hóa MB-I1 có tên gọi là dung dịch siêu oxy hóa do có thành phần hoạt hóa cao nhưng nồng độ khoáng rất thấp (tiếng Anh là super- oxidated water, viết tắt là supowa). Ở Việt Nam, các nhà khoa học của viện CNMT cũng đã tiếp cận được với thiết bị sản xuất dung dịch HHĐH sử dụng MB-1I từ năm 2011. Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm vận hành trong điều kiện thực tế Việt Nam, thiết bị này đã bộc lộ một số nhược điểm không phù hợp: nhiệt độ buồng điện hóa tăng cao, nhanh đóng cặn buồng điện hóa,.dẫn đến thiết bị làm việc không ồn định, gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị. Nhu cầu hoàn thiện công nghệ sản xuất dung dịch HHĐH dùng MB-I1 trở thành cấp bách từ năm 2011 và nhóm nhà khoa học của Viện CNMT trong đó tác giả của Luận án này đóng vai trò chính đã tìm ra hướng giải quyết là thay đổi sơ đồ thủy lực của thiết bị được nhập từ Nga.
Việc thiết kế và chế tạo thiết bị thử nghiệm sử dụng môđun MB-I 1 thành công sẽ mở ra khả năng mới giải quyết được các khó khăn trong khử trùng nước thải bệnh viện là đối tượng nghiên cứu của Viện CNMT từ 15 năm nay. Để khử trùng nước thải bệnh viện, thông thường người ta sử dụng các chất oxy hoá mạnh như các hợp chất của clo, ozôn hay khử trùng bằng tia cực tím. Trong các phương pháp này, các hợp chất của clo mà phổ biến là clo khí, natri hypoclorit (NaOCl), hay canxi hypoclorit (Ca(OCD;) [10] được sử dụng nhiều nhất từ hơn một trăm năm nay nhờ hoạt lực khử trùng mạnh, kỹ thuật dễ thực hiện, có hiệu quả trong việc oxy hóa một số hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải, chi phí thấp hơn so với sử dụng tia cực tím và ozone. Ngoài ra, dư lượng clo còn lại trong nước thải có thể duy trì hiệu lực khử trùng, dễ kiểm soát liều lượng và thay đổi một cách linh hoạt,.Tuy nhiên, các nhược điểm của việc sử dụng clo như: có tính ăn mòn cao và độc hại; việc lưu trữ, vận chuyên thường có nguy cơ gây ra rủi ro cao; có khả năng tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như halogenmethanes và một số chất khác [11-14]; một số loài ký sinh đã cho thấy sức đề kháng với liều thấp clo, trong đó có kén hợp tử của Cryptosporidium parvum và trứng của giun ký sinh,.) [10] là lý do để các nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm chất khử trùng mới có đầy đủ các tính năng ưu việt của clo nhưng có hiệu quả cao hơn và an toàn hơn.
Dung dịch siêu oxy hóa ngoài các chất oxy hóa chứa clo còn chứa nhiều các chất oxy hóa mạnh như oxy nguyên tử, oxy phân tử đơn 'O;, O, các gốc tự do,. nhờ vậy hạn chế đáng kể sự hình thành các hợp chất halogen hữu cơ. Dung dịch siêu oxy hóa luôn tồn tại ở trạng thái kích thích giả bền, do đó thành phần các chất oxy hóa luôn thay đổi, vì vậy các loài vi sinh vật thực tế không có khả năng thích nghỉ dé chống lại [15]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng hệ thống khử trùng nước bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa (HHĐH) điều chế tại chỗ, đặc biệt là dung dịch siêu oxy hóa với độ khoáng hóa thấp, phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam, sẽ hạn chế được những ảnh hưởng tiêu cực của việc khử trùng nước bằng clo hiện đang được sử dụng tại các trạm xử lý nước thải không chỉ của các bệnh viện mà còn tại nhiều các trạm cấp nước và xử lý nước thải trong cả nước.
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện quy trình công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa, từ đó chế tạo thiết bị cho phù hợp với điều kiện Việt Nam và ứng dụng dung dịch này khử trùng nước thải bệnh viện. Đối tượng nghiên cứu ở đây là: dung dịch siêu oxy hóa có nồng độ khoáng thấp (bao gồm cải tiến quy trình công nghệ điều chế dung dịch, chế tạo và hoàn thiện thiết bị điều chế dung dịch) và nước thải bệnh viện. Nội dung nghiên cứu chủ yếu (tính mới của luận án): -_ Cải tiến, hoàn thiện công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa: + Nghiên cứu các ưu, nhược điểm của công nghệ hấp thụ khí ướt để điều chế dung dịch anolit ANK-M của nước ngoài (Nga); + Thử nghiệm sơ đồ công nghệ mới ứng dụng công nghệ hấp thụ khí ướt có các cai tiến về mặt kỹ thuật để khắc phục các nhược điểm thiết bi của nước ngoài nhằm điều chế được dung dịch siêu oxy hóa có các thông số tương đương với anolit ANK-M; + Tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị hoạt hóa điện hóa điều chế dung địch siêu oxy hóa có công suất phù hợp cho việc khử trùng nước thải bệnh viện quy mô 150 giường bệnh. -_ Ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa đề khử trùng nước thải bệnh viện: + Nghiên cứu hiệu quả khử trùng nước thải bệnh viện của dung dịch siêu oxy hóa: hiệu quả khử trùng của dung dịch siêu o xy hóa trên một số loại vi khuẩn gây bệnh thường có trong nước thải bệnh viện; ảnh hưởng của một số yếu tố của nước thải bệnh viện đến hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu o xy hóa: hàm lượng amonI, hàm lượng hữu cơ, pH.; mức độ tạo sản phẩm phụ sau khử trùng,.
+ Xây dựng quy trình khử trùng nước thải bệnh viện bằng dung dịch siêu oxy hóa. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về HHĐH. - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: điều chế dung dịch siêu oxy hóa, cách lưu trữ; nghiên cứu hiệu lực khử trùng của dung dịch điều chế được và các yếu tố ảnh hưởng; chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa; - Nghiên cứu ngoài thực địa: đánh giá khử trùng nước thải bệnh viện Hữu Nghị và bệnh viện Quân y 354 bằng dung địch siêu oxy hóa; - Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm; - Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích theo TCVN va SMEWW. Y nghia khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: -_ Đưa ra được quy trình công nghệ điều chế dung dịch siêu oxy hóa phù hợp hơn với điều kiện sản xuất ở Việt Nam (giảm nhiệt độ làm việc và tránh đóng cặn trong buồng điện hóa, kéo dài thời gian làm việc ôn định của buồng điện hóa), từ đó chế tạo được thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa sử dụng buồng điện hóa MB-I I; - Ứng dụng dung dịch siêu oxy hóa để khử trùng nước thải bệnh viện, mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ cao để khử trùng nước ăn uống và nước thải theo hướng an toàn cho con người, thân thiện với môi trường.
Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã nghiên cứu và thiết lập thành công sơ đồ thủy lực mới của hệ thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa Supowa công suất 500 + 5 g chất oxy hóa/ngày tại Việt Nam trên cơ sở áp dụng chế độ không quay vòng catolit thông qua việc xác lập mối liên hệ giữa số vòng quay catolit và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dung dịch và tuổi thọ thiết bị. Nhờ vậy đã giảm được nhiệt độ của catot trong quá trình vận hành xuống dưới 39°C, góp phần làm tăng tuổi thọ và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, đáp ứng được yêu cầu của các trạm xử lý nước thải bệnh viện quy mô nhỏ (hoặc Trung tâm y tế) công suất 150 giường bệnh. Ngoài ra, kết quả của luận án đã chứng minh cho khả năng có thể nội địa hóa thiết bị sản xuất dung dịch siêu oxy hóa ngoại trừ việc nhập khẩu mô đun hoạt hóa điện hóa.