Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nông nghiệp tại Việt Nam, việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) ngày càng phổ biến nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo thống kê, trong giai đoạn 2009-2019, tốc độ tăng trưởng GDP ngành nông nghiệp đạt khoảng 2,61%/năm, đóng góp quan trọng vào nền kinh tế quốc gia. Tuy nhiên, việc sử dụng các hóa chất BVTV gốc lân – hữu cơ, đặc biệt là Glufosinate ammonium, đã gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, nhất là ô nhiễm nguồn nước do tồn dư khó phân hủy sinh học. Các hợp chất này có tính độc cao, bền vững trong môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và đa dạng sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý chất BVTV gốc lân – hữu cơ bằng công nghệ Peroxone, một trong những công nghệ oxy hóa nâng cao (AOPs) tiên tiến, kết hợp giữa ozone (O3) và hydrogen peroxide (H2O2) để tạo ra gốc hydroxyl (OH•) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất khó phân hủy thành các sản phẩm vô cơ hoặc dễ phân hủy sinh học hơn. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với các mẫu dung dịch chứa Glufosinate ammonium và sản phẩm thương mại Fasfix 150SL, tập trung khảo sát ảnh hưởng của pH, nồng độ H2O2 và thời gian xử lý đến hiệu quả loại bỏ COD, TOC và nitrat.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp giải pháp xử lý nước thải nông nghiệp ô nhiễm BVTV hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng, đồng thời hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes - AOPs): Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như gốc hydroxyl (OH•) để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Gốc OH• có thế oxy hóa cao (2,8 V) vượt trội so với ozone (2,08 V) và hydrogen peroxide (1,8 V), giúp phá vỡ cấu trúc hóa học phức tạp của các chất ô nhiễm.

  • Quá trình Peroxone (O3 + H2O2): Là sự kết hợp giữa ozone và hydrogen peroxide tạo ra gốc OH• thông qua phản ứng:
    $$ \mathrm{H_2O_2 + 2O_3 \rightarrow 2OH^\bullet + 3O_2} $$
    Quá trình này tăng cường hiệu quả oxy hóa so với sử dụng ozone đơn lẻ, giúp xử lý triệt để các hợp chất BVTV gốc lân – hữu cơ.

  • Khái niệm COD (Chemical Oxygen Demand) và TOC (Total Organic Carbon): Là các chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, phản ánh lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ.

  • Ảnh hưởng của pH và các anion vô cơ: pH ảnh hưởng đến sự tạo thành gốc OH• và hiệu quả oxy hóa. Các anion như Cl⁻, CO₃²⁻, HCO₃⁻ có thể phản ứng với gốc OH• làm giảm hiệu suất xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng hợp chất chuẩn Glufosinate ammonium và sản phẩm thương mại Fasfix 150SL chứa hoạt chất này. Các mẫu được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm với nước cất siêu sạch.

  • Thiết bị và hóa chất: Máy tạo ozone công suất 10 g/L, máy khuấy từ gia nhiệt, máy quang phổ UV-Vis, máy đo pH, các hóa chất chuẩn và dung dịch điều chỉnh pH.

  • Phương pháp thực nghiệm:

    • Chuẩn bị dung dịch mẫu với các nồng độ Glufosinate ammonium từ 105 đến 450 ppm.
    • Điều chỉnh pH trong khoảng 3, 5, 9, 11 bằng H2SO4 và NaOH.
    • Sục khí ozone với lưu lượng 0,5 L/phút trong 15 phút để tạo nồng độ ozone bão hòa khoảng 7 mg/L trong bình phản ứng 1L.
    • Tiêm H2O2 với nồng độ 100 mg/L vào bình phản ứng để kích hoạt quá trình Peroxone.
    • Lấy mẫu theo các mốc thời gian 10, 20, 30, 45, 59 phút, dừng phản ứng bằng Na2S2O3.
    • Phân tích COD, TOC, nitrat (NO3⁻) và lượng H2O2 còn dư bằng các phương pháp quang phổ và oxy hóa nhiệt.

  • Phương pháp phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Excel để xử lý và thống kê dữ liệu, đánh giá hiệu quả xử lý dựa trên tỷ lệ giảm COD, TOC và sự hình thành nitrat.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành trong năm 2021 tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Môi trường, Hà Nội, với các giai đoạn khảo sát điều kiện tối ưu và so sánh hiệu quả giữa quá trình Peroxone và ozone đơn lẻ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD:

    • Ở hợp chất chuẩn Glufosinate ammonium (4 mg/L), hiệu suất xử lý COD cao nhất đạt 89% tại pH 9 sau 60 phút, trong khi tại pH 3 và 11 chỉ đạt khoảng 45-49%.
    • Ở hợp chất thương mại Fasfix 150SL (105 mg/L), hiệu suất xử lý COD tại pH 9 đạt 40%, cao hơn đáng kể so với pH 3 (20%) và pH 11 (24%).
    • Nồng độ COD giảm nhanh trong 30 phút đầu, sau đó giảm chậm lại, phản ánh sự tiêu thụ gốc OH• và ozone theo thời gian.

  2. Tiêu thụ H2O2 và Ozone trong quá trình phản ứng:

    • Nồng độ ozone ban đầu khoảng 7,0 mg/L, giảm nhanh trong 1-2 phút đầu do phản ứng tạo gốc OH•.
    • H2O2 ban đầu 100 mg/L, sau 60 phút giảm còn khoảng 45,56 mg/L (pH 3) và 31,62 mg/L (pH 9), cho thấy H2O2 được tiêu thụ hiệu quả trong quá trình oxy hóa.

  3. So sánh hiệu quả giữa Peroxone và ozone đơn lẻ:

    • Quá trình Peroxone cho hiệu suất xử lý COD và TOC cao hơn đáng kể so với ozone đơn lẻ ở cùng điều kiện nồng độ và pH.
    • Sự tạo thành nitrat (NO3⁻) sau xử lý được kiểm soát tốt, không vượt quá giới hạn cho phép, chứng tỏ quá trình oxy hóa diễn ra hiệu quả và an toàn.

  4. Ảnh hưởng của các anion vô cơ:

    • Sự có mặt của Cl⁻, CO₃²⁻ và HCO₃⁻ làm giảm lượng gốc OH• do phản ứng cạnh tranh, làm giảm hiệu quả xử lý.
    • Do đó, cần xử lý hoặc loại bỏ các anion này trước khi áp dụng công nghệ Peroxone để đạt hiệu quả tối ưu.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao nhất tại pH 9 được lý giải do môi trường kiềm nhẹ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành và tồn tại của gốc OH•, đồng thời hạn chế sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy pH trung tính đến kiềm nhẹ là điều kiện tối ưu cho quá trình Peroxone.

Sự tiêu thụ nhanh ozone và H2O2 trong giai đoạn đầu phản ánh cơ chế tạo gốc OH• mạnh mẽ, giúp phân hủy nhanh các hợp chất BVTV khó phân hủy. So sánh với ozone đơn lẻ, Peroxone thể hiện ưu thế vượt trội nhờ khả năng tạo gốc OH• nhiều hơn, tăng tốc độ oxy hóa và giảm thời gian xử lý.

Việc ảnh hưởng của các anion vô cơ làm giảm hiệu quả xử lý là thách thức trong ứng dụng thực tế, đòi hỏi thiết kế hệ thống xử lý phù hợp hoặc kết hợp các bước xử lý tiền xử lý để loại bỏ các ion này.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ COD theo thời gian ở các pH khác nhau, biểu đồ tiêu thụ H2O2 và ozone, cũng như bảng so sánh hiệu suất xử lý giữa Peroxone và ozone đơn lẻ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh pH môi trường xử lý:

    • Thực hiện điều chỉnh pH về khoảng 8-9 trước khi xử lý để tối ưu hóa hiệu quả tạo gốc OH• và tăng hiệu suất xử lý COD, TOC.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà quản lý hệ thống xử lý nước thải nông nghiệp.
    • Thời gian: Ngay trong giai đoạn chuẩn bị xử lý.

  2. Kiểm soát và loại bỏ anion vô cơ:

    • Áp dụng các bước tiền xử lý để loại bỏ hoặc giảm nồng độ Cl⁻, CO₃²⁻, HCO₃⁻ nhằm hạn chế sự tiêu hao gốc OH• không mong muốn.
    • Chủ thể thực hiện: Nhà thiết kế và vận hành hệ thống xử lý.
    • Thời gian: Trước khi đưa nước thải vào quá trình Peroxone.

  3. Tối ưu hóa liều lượng H2O2 và ozone:

    • Cân đối tỷ lệ O3/H2O2 để đảm bảo tạo ra lượng gốc OH• tối ưu, tránh lãng phí hóa chất và giảm chi phí vận hành.
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư môi trường và nhà nghiên cứu.
    • Thời gian: Trong quá trình vận hành và điều chỉnh hệ thống.

  4. Ứng dụng công nghệ Peroxone kết hợp với xử lý sinh học:

    • Sử dụng Peroxone để phân hủy các hợp chất khó phân hủy thành dạng dễ phân hủy sinh học, sau đó áp dụng xử lý sinh học để hoàn thiện xử lý nước thải.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.
    • Thời gian: Triển khai trong các dự án xử lý nước thải nông nghiệp quy mô lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý môi trường và chính sách:

    • Lợi ích: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý và xử lý ô nhiễm nước thải nông nghiệp hiệu quả.
    • Use case: Thiết kế quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn xử lý nước thải BVTV.

  2. Kỹ sư và chuyên gia xử lý nước thải:

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ Peroxone trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải nông nghiệp.
    • Use case: Tối ưu hóa quy trình xử lý, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về công nghệ oxy hóa nâng cao.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc ứng dụng công nghệ mới.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh hóa chất BVTV:

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động môi trường của sản phẩm và các giải pháp xử lý tồn dư hóa chất.
    • Use case: Phát triển sản phẩm thân thiện môi trường và hỗ trợ xử lý sau sử dụng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ Peroxone là gì và ưu điểm so với các công nghệ khác?
    Peroxone là quá trình oxy hóa nâng cao kết hợp ozone và hydrogen peroxide tạo ra gốc hydroxyl có khả năng oxy hóa mạnh. Ưu điểm là hiệu quả xử lý cao với các hợp chất khó phân hủy, tốc độ phản ứng nhanh và tạo ra sản phẩm phụ ít độc hại.

  2. Tại sao pH ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý?
    pH ảnh hưởng đến sự hình thành và tồn tại của gốc OH•. Môi trường kiềm nhẹ (pH ~9) tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo gốc OH•, tăng hiệu quả oxy hóa, trong khi pH quá thấp hoặc quá cao làm giảm hiệu suất.

  3. Làm thế nào để kiểm soát lượng ozone và H2O2 trong quá trình xử lý?
    Cần điều chỉnh lưu lượng khí ozone và liều lượng H2O2 phù hợp với nồng độ chất ô nhiễm, tránh dư thừa gây lãng phí hoặc thiếu hụt làm giảm hiệu quả. Việc này được thực hiện thông qua thiết bị điều khiển và theo dõi liên tục.

  4. Có thể áp dụng công nghệ Peroxone cho quy mô lớn không?
    Có thể, công nghệ đã được thử nghiệm thành công trên mô hình pilot và có tiềm năng mở rộng quy mô xử lý nước thải nông nghiệp và công nghiệp với thiết kế hệ thống phù hợp.

  5. Các anion vô cơ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình xử lý?
    Các anion như Cl⁻, CO₃²⁻, HCO₃⁻ phản ứng với gốc OH• làm giảm lượng gốc tự do có thể oxy hóa chất ô nhiễm, từ đó giảm hiệu quả xử lý. Do đó, cần xử lý hoặc loại bỏ các anion này trước khi áp dụng Peroxone.

Kết luận

  • Công nghệ Peroxone thể hiện hiệu quả cao trong xử lý chất bảo vệ thực vật gốc lân – hữu cơ, với hiệu suất xử lý COD đạt tới 89% ở điều kiện pH tối ưu.
  • pH môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, trong đó pH ~9 là điều kiện tối ưu.
  • Sự kết hợp ozone và hydrogen peroxide tạo ra gốc hydroxyl mạnh giúp phân hủy nhanh các hợp chất khó phân hủy sinh học.
  • Các anion vô cơ có thể làm giảm hiệu quả xử lý, cần được kiểm soát trong quá trình ứng dụng thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ Peroxone trong xử lý nước thải nông nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot ngoài thực tế, tối ưu hóa thiết kế hệ thống và đánh giá chi phí vận hành.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp xử lý môi trường nên cân nhắc áp dụng công nghệ Peroxone để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải nông nghiệp.