Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải dệt nhuộm, đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và môi trường sinh thái. Theo báo cáo của Bộ Xây dựng, hơn 70% dân số nông thôn Việt Nam vẫn sử dụng nguồn nước không đảm bảo vệ sinh, trong khi ngành dệt nhuộm thải ra khoảng 30-40 triệu m³ nước thải mỗi năm, chỉ khoảng 10% được xử lý đạt chuẩn. Nước thải dệt nhuộm chứa nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp, độ màu cao, BOD và COD vượt ngưỡng cho phép, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Mục tiêu nghiên cứu là điều chế và ứng dụng một số chất trợ keo có nguồn gốc thực vật nhằm thay thế một phần chất keo tụ hóa học trong xử lý nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu tập trung vào chiết tách chất nhầy từ rau đay, mồng tơi và vỏ thanh long, đánh giá đặc tính và khả năng trợ keo tụ trên mẫu nước đục nhân tạo và nước thải thực tế từ công ty dệt nhuộm Huy Phát tại Hà Nội. Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong năm 2019, với phạm vi ứng dụng tại các cơ sở xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô vừa và nhỏ. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp xử lý nước thải thân thiện môi trường, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý, đồng thời mở rộng ứng dụng các vật liệu sinh học trong công nghiệp xử lý nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về keo tụ - tạo bông trong xử lý nước, trong đó keo tụ là quá trình trung hòa điện tích âm của các hạt keo lơ lửng để tạo thành các bông cặn lớn dễ lắng. Các chất keo tụ vô cơ phổ biến gồm phèn nhôm (Al₂(SO₄)₃) và muối sắt (Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃), hoạt động hiệu quả trong khoảng pH 5-9. Chất keo tụ hữu cơ gồm polymer tích điện dương (cation polymer), tích điện âm (anion polymer) và không mang điện tích (non-ionic polymer), trong đó polymer tự nhiên như chitosan, polysaccharide có khả năng keo tụ cao. Chất nhầy thực vật là polymer tự nhiên, chủ yếu polysaccharide, có trọng lượng phân tử cao, chứa các nhóm chức -COOH, -OH giúp hấp phụ và kết nối các hạt keo. Cơ chế keo tụ của chất nhầy dựa trên mô hình cầu nối và liên kết tĩnh điện, làm giảm thế zeta của hạt keo, phá vỡ lớp điện kép, tạo bông cặn lớn. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ gồm pH, nồng độ chất nhầy, độ đục ban đầu của nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm mẫu nước đục nhân tạo pha từ cao lanh (độ đục khoảng 200 NTU) và mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế lấy từ công ty Huy Phát (Hà Nội) ngày 10/11/2019. Chất nhầy được chiết tách từ rau đay, mồng tơi và vỏ thanh long bằng phương pháp đun cách thủy kết hợp kết tủa bằng axeton, sau đó sấy chân không ở 40°C. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách chiết như tỷ lệ axeton/dịch chiết, tỷ lệ nước cất/nguyên liệu, nhiệt độ chiết được khảo sát. Đặc điểm chất nhầy được phân tích qua pH, thế zeta, điện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt bằng phổ hồng ngoại và cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét. Khả năng trợ keo tụ được đánh giá qua các thí nghiệm keo tụ trên mẫu nước đục nhân tạo và nước thải dệt nhuộm, khảo sát điều kiện tối ưu của PAC (Poly Aluminium Chloride) về pH, nồng độ, thời gian lắng. Hiệu quả làm giảm độ đục khi kết hợp chất nhầy với PAC cũng được nghiên cứu. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 500 mL mỗi mẫu nước, thực hiện khuấy nhanh 200 vòng/phút trong 1 phút, khuấy chậm 30-40 vòng/phút trong 10-15 phút, thời gian lắng thay đổi 15-45 phút. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của mẫu nước đục và nước thải thực tế, phương pháp phân tích sử dụng máy đo độ đục HACH 2100Q, thiết bị đo thế zeta PCD-05 Muetek, máy phổ hồng ngoại Nicolet Is50, kính hiển vi điện tử HITACHI TM4000Plus.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tách chiết chất nhầy: Tỷ lệ axeton/dịch chiết 3:1 cho hiệu suất tách chiết cao nhất, đạt khoảng 17,7% đối với cây dâm bụt, cao hơn so với tỷ lệ 4:1 (15,8%). Tỷ lệ nước cất/nguyên liệu tối ưu là 7:1, nhiệt độ chiết 70°C cho lượng chất nhầy thu được lớn nhất, khoảng 20-25% khối lượng nguyên liệu khô.

  2. Đặc điểm chất nhầy: pH dung dịch chất nhầy ở nồng độ 20 mg/L dao động từ 6,5 đến 7,5, thế zeta giảm khi pH tăng, đạt giá trị gần 0 ở pH 7, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ. Điện tích bề mặt của chất nhầy đo được khoảng 15-20 µeq/g, nhóm chức bề mặt chủ yếu là -OH và -COOH, cấu trúc bề mặt có dạng xốp, tăng diện tích tiếp xúc.

  3. Khả năng trợ keo tụ trên mẫu nước đục: PAC có điều kiện tối ưu ở pH 6, nồng độ 30 mg/L, thời gian lắng 30 phút, làm giảm độ đục từ 200 NTU xuống dưới 10 NTU (giảm >95%). Khi kết hợp chất nhầy với PAC, nồng độ PAC có thể giảm 30% mà vẫn duy trì hiệu quả làm giảm độ đục trên 90%.

  4. Ứng dụng trên nước thải dệt nhuộm: Nước thải từ công ty Huy Phát có pH 8,6-9,8, COD 360-2448 mgO₂/L, BOD5 200-1450 mgO₂/L, độ màu 350-3710 Pt-Co. PAC tối ưu ở nồng độ 500 mg/L, pH 7, thời gian lắng 30 phút. Kết hợp chất nhầy với PAC làm giảm độ đục từ 380 NTU xuống dưới 20 NTU, giảm COD khoảng 55%, BOD5 giảm 50%, hiệu quả tương đương hoặc cao hơn so với chỉ sử dụng PAC.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tách chiết chất nhầy phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ dung môi và nhiệt độ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy axeton là dung môi hiệu quả hơn etanol trong việc kết tủa polysaccharide. Đặc điểm pH và thế zeta của chất nhầy cho thấy khả năng trung hòa điện tích âm của hạt keo, phù hợp với cơ chế keo tụ. Việc kết hợp chất nhầy với PAC giúp giảm lượng hóa chất vô cơ cần thiết, giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp do bùn thải. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu quả làm giảm độ đục và COD của chất nhầy chiết từ rau đay, mồng tơi và vỏ thanh long tương đương với chất nhầy từ cây xương rồng và đậu bắp. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng chất nhầy thực vật trong xử lý nước thải dệt nhuộm, góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thân thiện môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tách chiết theo tỷ lệ axeton, biểu đồ giảm độ đục theo nồng độ PAC và chất nhầy, bảng so sánh các chỉ tiêu COD, BOD trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi chất nhầy thực vật trong xử lý nước thải dệt nhuộm: Khuyến khích các cơ sở xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô vừa và nhỏ áp dụng công nghệ kết hợp chất nhầy với PAC để giảm chi phí và ô nhiễm bùn thải. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, chủ thể là các nhà máy dệt nhuộm và đơn vị xử lý nước thải.

  2. Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình chiết tách chất nhầy: Đẩy mạnh nghiên cứu nâng cao hiệu suất tách chiết, giảm chi phí sản xuất chất nhầy, mở rộng nguồn nguyên liệu thực vật tại các vùng trồng rau đay, mồng tơi, thanh long. Thời gian 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng chất trợ keo tự nhiên: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật, hướng dẫn sử dụng chất nhầy trong xử lý nước thải, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Thời gian 1 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và người lao động: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ xử lý nước thải sử dụng chất nhầy, nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì hệ thống xử lý. Thời gian liên tục, chủ thể là các trung tâm đào tạo nghề và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Nhận diện giải pháp xử lý nước thải thân thiện môi trường, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh trong ngành dệt nhuộm.

  2. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm: Áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, giảm chi phí vận hành và tuân thủ quy định môi trường, nâng cao uy tín và trách nhiệm xã hội.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường: Tham khảo phương pháp chiết tách, phân tích đặc tính chất nhầy và ứng dụng trong xử lý nước thải, phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  4. Đơn vị xử lý nước thải và tư vấn kỹ thuật: Cập nhật công nghệ mới, tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm, tư vấn giải pháp phù hợp cho khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chất nhầy thực vật có an toàn cho môi trường không?
    Chất nhầy là polymer tự nhiên, phân hủy sinh học nhanh, không gây ô nhiễm thứ cấp như các chất keo tụ hóa học, an toàn cho hệ sinh thái và sức khỏe con người.

  2. Hiệu quả xử lý nước thải khi dùng chất nhầy so với hóa chất truyền thống thế nào?
    Kết hợp chất nhầy với PAC giúp giảm lượng hóa chất vô cơ cần dùng khoảng 30%, hiệu quả làm giảm độ đục và COD tương đương hoặc cao hơn, đồng thời giảm bùn thải.

  3. Nguồn nguyên liệu để chiết tách chất nhầy có dễ dàng và bền vững không?
    Rau đay, mồng tơi và vỏ thanh long là các nguyên liệu phổ biến, dễ trồng và có sẵn tại nhiều vùng, đảm bảo nguồn cung bền vững cho sản xuất chất nhầy.

  4. Phương pháp chiết tách chất nhầy có phức tạp và tốn kém không?
    Phương pháp đun cách thủy kết hợp kết tủa bằng axeton đơn giản, thiết bị dễ tìm, chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp hiện đại như siêu âm hay vi sóng.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nước thải khác ngoài dệt nhuộm không?
    Chất nhầy có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, nước thải rỉ rác nhờ khả năng keo tụ và tạo bông hiệu quả.

Kết luận

  • Đã điều chế thành công chất nhầy từ rau đay, mồng tơi và vỏ thanh long với hiệu suất tách chiết đạt khoảng 17-25% tùy điều kiện.
  • Chất nhầy có đặc tính pH trung tính, thế zeta gần 0 ở pH 7, chứa nhóm chức -OH, -COOH phù hợp cho quá trình keo tụ.
  • Kết hợp chất nhầy với PAC giảm lượng hóa chất vô cơ cần thiết, làm giảm độ đục và COD nước thải dệt nhuộm hiệu quả trên 90%.
  • Giải pháp thân thiện môi trường, giảm chi phí vận hành và ô nhiễm thứ cấp, phù hợp áp dụng tại các cơ sở xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô vừa và nhỏ.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chiết tách, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực để triển khai rộng rãi trong thực tế.

Hãy hành động ngay hôm nay để áp dụng công nghệ xử lý nước thải xanh, bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng!