Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có nền nông nghiệp phát triển với diện tích trồng lúa chiếm khoảng 80% tổng diện tích canh tác, dẫn đến nhu cầu sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) ngày càng tăng để phòng trừ sâu bệnh, bảo vệ mùa màng. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc BVTV, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ bền vững như Tricyclazole, đã gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường, đặc biệt là nguồn nước thải sản xuất thuốc BVTV. Nước thải này chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, có nồng độ TOC (Tổng carbon hữu cơ) từ 1236 đến 1358 mg/l và hàm lượng Tricyclazole khoảng 24 mg/l, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sản xuất thuốc BVTV chứa Tricyclazole bằng phương pháp Fenton điện hóa, đồng thời tối ưu hóa các thông số vận hành như pH, nồng độ Fe2+, mật độ dòng điện, nồng độ muối sulfate và thời gian xử lý nhằm đạt hiệu suất xử lý cao nhất. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu nước thải lấy từ Công ty Cổ Phần Hóa Chất Nông Nghiệp Hà Long, tỉnh Long An, trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cung cấp giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng nước thải đạt chuẩn theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 40:2011/BTNMT. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiễn tại các nhà máy sản xuất thuốc BVTV, góp phần phát triển bền vững ngành nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quá trình Fenton điện hóa và phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi.

  • Quá trình Fenton điện hóa là một dạng của quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs), trong đó gốc hydroxyl (●OH) được sinh ra từ phản ứng giữa Fe2+ và H2O2, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững thành các sản phẩm vô hại. Quá trình này được điều khiển bởi các yếu tố như pH, nồng độ Fe2+, mật độ dòng điện, nồng độ muối sulfate và thời gian xử lý. Ưu điểm của phương pháp là lượng bùn tạo ra thấp, khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm khó phân hủy cao và có thể kết hợp với các công nghệ khác như UV, siêu âm.

  • Phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Phương pháp này giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thực hiện, tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời cung cấp kết quả tin cậy thông qua phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) và phân tích phương sai (ANOVA).

Các khái niệm chính bao gồm:

  • TOC (Total Organic Carbon): chỉ số tổng lượng carbon hữu cơ trong nước thải.
  • Tricyclazole: hoạt chất thuốc BVTV có cấu trúc dị vòng, độc tính cao và khó phân hủy sinh học.
  • Mật độ dòng điện (mA/cm²): đại lượng ảnh hưởng đến tốc độ tạo gốc hydroxyl trong quá trình điện hóa.
  • pH: ảnh hưởng đến sự tồn tại của Fe2+ và hiệu quả phản ứng Fenton.
  • Nồng độ Fe2+: chất xúc tác trong phản ứng Fenton.
  • Muối sulfate: ảnh hưởng đến dẫn điện và quá trình oxy hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu nước thải được lấy từ bể điều hòa của Công ty Cổ Phần Hóa Chất Nông Nghiệp Hà Long, tỉnh Long An, với các thông số đầu vào như pH 6,6 – 7,2; TOC 1236 – 1358 mg/l; Tricyclazole 23,7 – 25,1 mg/l.

  • Phương pháp phân tích: Các thông số pH, TOC, hàm lượng Tricyclazole, tổng Nitơ và các ion được phân tích bằng các thiết bị chuyên dụng theo tiêu chuẩn TCVN và SMEWW.

  • Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phương pháp Taguchi với 5 yếu tố độc lập (pH, mật độ dòng điện, nồng độ Fe2+, lượng muối sulfate, thời gian phản ứng), mỗi yếu tố có 3 mức độ, tổng cộng 27 thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thí nghiệm quy mô phòng lab với thể tích 3 lít.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Minitab để tính toán tỷ số S/N, phân tích phương sai ANOVA và xây dựng mô hình hồi quy nhằm xác định điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu và đánh giá chi phí vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện tối ưu xử lý:
    Qua phân tích Taguchi, điều kiện tối ưu đạt được là pH = 3, nồng độ Fe2+ = 0,2 mM, mật độ dòng điện = 3,33 mA/cm², lượng muối sulfate = 990 mg/l và thời gian xử lý = 180 phút. Ở điều kiện này, hiệu suất loại bỏ TOC đạt 74,23% và hàm lượng Tricyclazole giảm 91,4%.

  2. Ảnh hưởng của pH:
    pH là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả xử lý, với sự giảm hiệu suất rõ rệt khi pH tăng từ 3 lên 4 (giảm tỷ số S/N từ 33,57 xuống 27,04). Điều này do pH thấp giúp duy trì Fe2+ ở dạng hòa tan, tăng sinh gốc hydroxyl, trong khi pH cao gây kết tủa sắt hydroxit làm giảm hiệu quả phản ứng.

  3. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ Fe2+:
    Thời gian xử lý và nồng độ Fe2+ đứng thứ hai và ba về mức độ ảnh hưởng, với hiệu suất xử lý tăng khi tăng thời gian từ 60 lên 180 phút và Fe2+ từ 0,05 lên 0,2 mM. Tuy nhiên, nồng độ Fe2+ quá cao có thể gây phản ứng cạnh tranh làm giảm gốc hydroxyl.

  4. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và muối sulfate:
    Hai yếu tố này có ảnh hưởng thấp hơn, mật độ dòng điện gần như không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ TOC trong phạm vi nghiên cứu, trong khi muối sulfate có ảnh hưởng vừa phải.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp Fenton điện hóa là công nghệ hiệu quả trong xử lý nước thải chứa Tricyclazole, phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải thuốc BVTV bằng AOPs. Việc tối ưu pH ở mức 3 phù hợp với đặc tính hóa học của Fe2+ và H2O2, giúp tăng sinh gốc hydroxyl mạnh mẽ, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững.

So sánh với các nghiên cứu trước, hiệu suất loại bỏ TOC và Tricyclazole trong nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn, đồng thời sử dụng phương pháp Taguchi giúp giảm số lượng thí nghiệm và chi phí nghiên cứu. Biểu đồ đường bao và phân tích phương sai ANOVA minh họa rõ ràng mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố, hỗ trợ việc lựa chọn điều kiện tối ưu.

Ngoài ra, chi phí vận hành được tính toán chi tiết, cho thấy phương pháp có tính khả thi về mặt kinh tế khi áp dụng quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là không oxy hóa triệt để toàn bộ các hợp chất hữu cơ mà chuyển hóa thành các sản phẩm mạch ngắn hơn, cần kết hợp với các công nghệ xử lý tiếp theo để đạt hiệu quả cao hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng điều kiện tối ưu trong vận hành thực tế:
    Khuyến nghị các nhà máy sản xuất thuốc BVTV áp dụng pH = 3, nồng độ Fe2+ = 0,2 mM, mật độ dòng điện = 3,33 mA/cm², muối sulfate = 990 mg/l và thời gian xử lý 180 phút để đạt hiệu quả xử lý tối ưu. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng để đánh giá hiệu quả liên tục.

  2. Kết hợp công nghệ xử lý tiếp theo:
    Đề xuất kết hợp Fenton điện hóa với các phương pháp sinh học hoặc lọc màng để xử lý triệt để các sản phẩm trung gian hữu cơ mạch ngắn, nâng cao chất lượng nước thải đầu ra.

  3. Tối ưu hóa chi phí vận hành:
    Khuyến khích nghiên cứu thêm về giảm chi phí điện năng và hóa chất bằng cách điều chỉnh mật độ dòng điện và thời gian xử lý phù hợp với từng loại nước thải cụ thể, nhằm cân bằng hiệu quả và chi phí.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức:
    Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và quản lý nhà máy về công nghệ Fenton điện hóa, cách vận hành và bảo trì thiết bị để đảm bảo hiệu quả xử lý và an toàn môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường tại các nhà máy sản xuất thuốc BVTV:
    Giúp hiểu rõ về công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, từ đó áp dụng và giám sát quy trình xử lý nước thải đạt chuẩn.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường:
    Cung cấp kiến thức chuyên sâu về quá trình Fenton điện hóa và phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi trong tối ưu hóa xử lý nước thải.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường:
    Hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về xử lý nước thải thuốc BVTV, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

  4. Các công ty tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải:
    Là tài liệu tham khảo để thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Fenton điện hóa là gì và tại sao hiệu quả trong xử lý nước thải thuốc BVTV?
    Fenton điện hóa là quá trình tạo gốc hydroxyl mạnh từ phản ứng giữa Fe2+ và H2O2 được sinh ra điện hóa, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững như Tricyclazole. Hiệu quả nhờ khả năng oxy hóa mạnh và lượng bùn tạo ra thấp.

  2. Tại sao pH = 3 lại là điều kiện tối ưu cho quá trình này?
    Ở pH = 3, Fe2+ tồn tại ở dạng hòa tan, không bị kết tủa, giúp phản ứng Fenton diễn ra hiệu quả, sinh ra nhiều gốc hydroxyl hơn so với pH cao hoặc thấp hơn.

  3. Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
    Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm tối ưu với số lượng thí nghiệm ít hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời xác định được mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu quả xử lý.

  4. Chi phí vận hành của công nghệ Fenton điện hóa có cao không?
    Chi phí vận hành bao gồm điện năng, hóa chất, điện cực và xử lý bùn. Nghiên cứu đã tính toán chi tiết và cho thấy chi phí có thể kiểm soát được, phù hợp với quy mô công nghiệp khi tối ưu các thông số vận hành.

  5. Có nhược điểm nào của phương pháp này không?
    Nhược điểm là không oxy hóa triệt để toàn bộ các hợp chất hữu cơ mà chuyển hóa thành các sản phẩm mạch ngắn hơn, cần kết hợp với các công nghệ xử lý tiếp theo để đạt hiệu quả cao hơn.

Kết luận

  • Phương pháp Fenton điện hóa đã được chứng minh hiệu quả trong việc loại bỏ 74,23% TOC và 91,4% Tricyclazole trong nước thải sản xuất thuốc BVTV.
  • pH là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, với giá trị tối ưu là 3, tiếp theo là thời gian xử lý và nồng độ Fe2+.
  • Phương pháp Taguchi giúp tối ưu hóa các thông số vận hành với số lượng thí nghiệm giảm đáng kể, tiết kiệm chi phí và thời gian.
  • Chi phí vận hành được tính toán chi tiết, cho thấy tính khả thi của công nghệ trong thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ Fenton điện hóa trong xử lý nước thải công nghiệp chứa hợp chất hữu cơ bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy sản xuất thuốc BVTV để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh quy trình vận hành. Các đơn vị liên quan nên phối hợp đào tạo, chuyển giao công nghệ nhằm ứng dụng rộng rãi phương pháp này.