Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm tại Việt Nam đóng góp khoảng 12-16% tổng kim ngạch xuất khẩu, với kim ngạch năm 2018 đạt trên 36 tỷ USD, sử dụng khoảng ba triệu lao động công nghiệp. Song song với sự phát triển kinh tế, ngành này cũng phát sinh lượng lớn nước thải ô nhiễm, ước tính khoảng 90-100 triệu m³ mỗi năm, trong đó 70-80% chưa được xử lý đạt chuẩn trước khi thải ra môi trường. Nước thải dệt nhuộm chứa các hợp chất hữu cơ và vô cơ độc hại, đặc biệt là các hợp chất khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nghiêm trọng về độ màu và nhu cầu oxy hóa học (COD). Các phương pháp xử lý truyền thống như sinh học kỵ khí, hiếu khí, hóa lý và màng thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm này, đồng thời phát sinh mùi, bùn thải và tiêu tốn năng lượng lớn.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát hiệu quả xử lý độ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm bằng các phương pháp oxy hóa bậc cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs), bao gồm Ozone, Peroxone (O3 + H2O2), Ozone kết hợp xúc tác FeOOH, H2O2 kết hợp xúc tác FeOOH và sự kết hợp ba yếu tố O3 + H2O2 + FeOOH. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Viện Môi Trường và Tài Nguyên – Đại học Quốc gia TP.HCM, từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng rộng rãi các quá trình AOPs trong thực tiễn.

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:

  • Quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs): Là quá trình phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bằng gốc hydroxyl (·OH) có thế oxy hóa cao, được tạo ra từ các phản ứng hóa học như ozon hóa, Fenton, quang Fenton, và các quá trình kết hợp khác. AOPs có khả năng xử lý các hợp chất khó phân hủy sinh học trong nước thải dệt nhuộm.

  • Mô hình xúc tác dị thể FeOOH: FeOOH là chất xúc tác dị thể dựa trên sắt, thân thiện với môi trường, ổn định và không độc hại. FeOOH có khả năng xúc tác tạo gốc hydroxyl trong quá trình AOPs, tăng hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp.

  • Khái niệm chính:

    • Độ màu: Chỉ số phản ánh mức độ ô nhiễm màu trong nước thải, ảnh hưởng đến thẩm mỹ và sinh thái.
    • COD (Chemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxy hóa học, đo lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải.
    • Ozone (O3): Chất oxy hóa mạnh, có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ qua cơ chế tạo gốc hydroxyl.
    • Peroxone: Quá trình kết hợp O3 và H2O2 để tăng cường tạo gốc hydroxyl.
    • Xúc tác FeOOH: Chất xúc tác dị thể giúp tăng tốc độ phân hủy ozone và tạo gốc hydroxyl.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước thải dệt nhuộm thu thập từ quy trình nhuộm sợi chỉ tại một nhà máy sản xuất chỉ may ở TP.HCM. Các hóa chất sử dụng gồm Ozone, Hydrogen Peroxide (H2O2) và xúc tác FeOOH được chế tạo trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Hiệu quả xử lý được đánh giá qua các chỉ tiêu độ màu (Pt-Co) và COD (mg/L) trước và sau xử lý. Các kỹ thuật phân tích vật liệu xúc tác gồm SEM-EDX, XRD và FTIR để xác định cấu trúc và thành phần.

  • Thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu khảo sát hiệu quả xử lý bằng 5 phương pháp AOPs: O3, O3 + H2O2 (Peroxone), O3 + FeOOH, H2O2 + FeOOH và O3 + H2O2 + FeOOH. Các điều kiện vận hành như lưu lượng khí O3, tỉ lệ mol O3/H2O2, liều lượng xúc tác FeOOH và pH được tối ưu hóa.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nước thải được lấy định kỳ trong quá trình sản xuất, đảm bảo tính đại diện. Mỗi thí nghiệm được thực hiện lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2024, bao gồm giai đoạn chế tạo xúc tác, thử nghiệm xử lý và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý bằng Ozone đơn lẻ: Lưu lượng khí O3 tối ưu là 1 L/phút. Khi lưu lượng tăng, hiệu suất xử lý độ màu và COD giảm do sự hấp thụ ozone không hiệu quả. Hiệu suất xử lý độ màu đạt khoảng 80%, COD giảm khoảng 65%.

  2. Phương pháp Peroxone (O3 + H2O2): Tỉ lệ mol O3/H2O2 tối ưu là 3:1. Ở thời gian xử lý 60 phút, hiệu suất xử lý độ màu và COD đạt 95%, cao hơn so với O3 đơn lẻ. Tăng lượng H2O2 vượt mức làm giảm hiệu quả do phản ứng cạnh tranh.

  3. O3 kết hợp xúc tác FeOOH: Liều lượng xúc tác tối ưu là 50 mg/L. Hiệu suất xử lý độ màu và COD tăng lên lần lượt khoảng 88% và 75%, cho thấy xúc tác FeOOH giúp tăng cường tạo gốc hydroxyl và phân hủy chất ô nhiễm.

  4. H2O2 kết hợp xúc tác FeOOH: Hiệu quả xử lý cao nhất đạt được ở pH = 2, với hiệu suất xử lý độ màu và COD lần lượt khoảng 70% và 60%. Khi pH tăng, hiệu quả giảm do sự bất hoạt của gốc hydroxyl.

  5. Kết hợp O3 + H2O2 + FeOOH: Phương pháp này cho hiệu suất xử lý cao nhất, với độ màu và COD giảm lần lượt trên 98% và 90%. Sự phối hợp tạo ra lượng lớn gốc hydroxyl, tối ưu hóa quá trình oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý tăng dần theo thứ tự: H2O2 + FeOOH < O3 < O3 + FeOOH < O3 + H2O2 < O3 + H2O2 + FeOOH. Nguyên nhân là do sự kết hợp giữa ozone và hydrogen peroxide cùng xúc tác FeOOH tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tạo gốc hydroxyl mạnh, tăng khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp trong nước thải dệt nhuộm.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với báo cáo cho thấy quá trình Peroxone và ozon hóa xúc tác có hiệu quả xử lý cao hơn so với ozon đơn lẻ hoặc các phương pháp truyền thống. Việc tối ưu các điều kiện vận hành như pH, tỉ lệ mol và liều lượng xúc tác là yếu tố then chốt để đạt hiệu quả xử lý tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý độ màu và COD của từng phương pháp theo thời gian, cũng như bảng tổng hợp điều kiện vận hành tối ưu và hiệu quả tương ứng. Phân tích SEM-EDX, XRD và FTIR xác nhận cấu trúc và thành phần FeOOH phù hợp với đặc tính xúc tác, góp phần giải thích cơ chế tăng cường oxy hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng phương pháp kết hợp O3 + H2O2 + FeOOH: Khuyến nghị các nhà máy dệt nhuộm áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải, nhằm đạt hiệu quả xử lý độ màu và COD trên 90% trong vòng 60 phút. Chủ thể thực hiện là các đơn vị xử lý nước thải công nghiệp, với lộ trình triển khai trong 12-18 tháng.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành: Đề xuất duy trì pH trong khoảng 2-7, tỉ lệ mol O3/H2O2 là 3:1 và liều lượng xúc tác FeOOH khoảng 50 mg/L để đảm bảo hiệu quả xử lý và tiết kiệm chi phí vận hành. Các đơn vị vận hành cần đào tạo kỹ thuật viên về kiểm soát các thông số này.

  3. Nâng cấp hệ thống xử lý hiện hữu: Kết hợp AOPs với các công đoạn xử lý sinh học và hóa lý hiện có để tăng cường khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm khó phân hủy, giảm phát sinh bùn và mùi hôi. Thời gian thực hiện dự kiến 24 tháng, phối hợp giữa nhà máy và các chuyên gia môi trường.

  4. Nghiên cứu mở rộng và đánh giá môi trường: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục nghiên cứu ứng dụng AOPs kết hợp xúc tác FeOOH trên quy mô pilot và công nghiệp, đồng thời đánh giá tác động môi trường và kinh tế để hoàn thiện công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Nhận diện công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ áp dụng AOPs trong ngành dệt nhuộm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

  2. Doanh nghiệp ngành dệt nhuộm: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu chi phí vận hành và tuân thủ quy chuẩn môi trường, nâng cao uy tín và phát triển bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và phân tích khoa học để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về xử lý nước thải công nghiệp.

  4. Đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải: Sử dụng dữ liệu và mô hình nghiên cứu để thiết kế, cải tiến hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế và yêu cầu kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp AOPs có ưu điểm gì so với xử lý truyền thống?
    AOPs tạo ra gốc hydroxyl có thế oxy hóa cao, giúp phân hủy triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, giảm bùn thải và mùi hôi, trong khi các phương pháp truyền thống thường không xử lý triệt để và phát sinh nhiều bùn.

  2. Tại sao cần kết hợp O3, H2O2 và xúc tác FeOOH?
    Sự kết hợp này tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tạo gốc hydroxyl mạnh hơn, tăng hiệu quả oxy hóa và phân hủy các chất ô nhiễm phức tạp trong nước thải dệt nhuộm, vượt trội hơn so với từng phương pháp đơn lẻ.

  3. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Hiệu quả xử lý cao nhất đạt được ở pH khoảng 2-3 do gốc hydroxyl ổn định và hoạt động mạnh. Khi pH tăng, hiệu quả giảm do sự bất hoạt của các gốc oxy hóa và thay đổi trạng thái xúc tác.

  4. Liều lượng xúc tác FeOOH tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu là 50 mg/L, đủ để tăng cường tạo gốc hydroxyl mà không gây lãng phí nguyên liệu hay ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô công nghiệp không?
    Kết quả nghiên cứu là tiền đề để triển khai quy mô pilot và công nghiệp. Tuy nhiên, cần đánh giá thêm về chi phí, thiết kế hệ thống và điều kiện vận hành thực tế để đảm bảo hiệu quả và bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định hiệu quả xử lý độ màu và COD của nước thải dệt nhuộm bằng các phương pháp AOPs kết hợp, trong đó O3 + H2O2 + FeOOH cho hiệu suất cao nhất trên 90%.
  • Các điều kiện vận hành tối ưu gồm lưu lượng khí O3 1 L/phút, tỉ lệ mol O3/H2O2 là 3:1, liều lượng xúc tác FeOOH 50 mg/L và pH khoảng 2-3.
  • Kết quả phân tích vật liệu xúc tác FeOOH qua SEM-EDX, XRD và FTIR xác nhận tính chất phù hợp, góp phần giải thích cơ chế tăng cường oxy hóa.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để ứng dụng rộng rãi công nghệ AOPs trong xử lý nước thải dệt nhuộm tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô và đánh giá tác động môi trường, kinh tế.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các nhà máy dệt nhuộm và đơn vị xử lý nước thải để thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và quản lý công nghệ AOPs hiệu quả.