## Tổng quan nghiên cứu

Nước thải từ quá trình luyện cốc tại các nhà máy gang thép, đặc biệt là Nhà máy Cốc hóa thuộc Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên, chứa hàm lượng phenol cao, dao động từ 889 đến 943 mg/L, cùng với các chất ô nhiễm khác như COD (625 - 5038 mg/L), BOD5 (98 - 421 mg/L), NH4+-N (936 - 2556 mg/L) và dầu mỡ (0,38 - 260 mg/L). Lượng nước thải phát sinh khoảng 40 - 45 m3/ngày, tùy thuộc vào sản lượng cốc của nhà máy, với tổng lượng xử lý khoảng 77 m3/ngày. Phenol là hợp chất độc hại, khó phân hủy sinh học, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người, do đó việc xử lý nước thải chứa phenol là vấn đề cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng kết hợp phương pháp nội điện phân sử dụng vật liệu Fe-C, Fe-Cu và công nghệ màng sinh học A2O-MBBR để xử lý nước thải luyện cốc, nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ phenol và các chất ô nhiễm khác, đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 52:2017/BTNMT. Nghiên cứu được thực hiện tại Nhà máy Cốc hóa, tỉnh Thái Nguyên trong năm 2019-2020, với phạm vi tập trung vào xử lý nước thải luyện cốc chứa phenol.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nguồn nước và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp tại Việt Nam, đồng thời góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, thân thiện với môi trường.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Phương pháp nội điện phân (Internal Microelectrolysis):** Sử dụng cặp vi điện cực Fe-C hoặc Fe-Cu tạo ra dòng điện nhỏ (khoảng 1,2 V) để oxy hóa khử các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải, chuyển hóa phenol và các chất độc hại thành dạng dễ phân hủy sinh học hơn.

- **Công nghệ A2O-MBBR (Anaerobic - Anoxic - Oxic kết hợp Moving Bed Biofilm Reactor):** Kết hợp quá trình kị khí, thiếu khí và hiếu khí với màng sinh học lưu động, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển đa dạng, nâng cao hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm như COD, NH4+-N, phenol.

- **Khái niệm chính:**
  - Phenol và các dẫn xuất phenol độc hại trong nước thải luyện cốc.
  - Hiệu suất xử lý các thông số ô nhiễm: COD, BOD5, NH4+-N, TSS, tổng N, tổng P.
  - Đặc tính vật liệu nội điện phân Fe-C, Fe-Cu và vai trò của màng sinh học MBBR.
  - Tiêu chuẩn môi trường QCVN 52:2017/BTNMT về nước thải công nghiệp sản xuất thép.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Mẫu nước thải luyện cốc được lấy tại Nhà máy Cốc hóa - Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên vào ngày 6/12/2019, bảo quản theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995 và TCVN 6663-3:2016.

- **Phương pháp phân tích:**
  - Xác định nồng độ phenol bằng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) với cột C18, bước sóng 272 nm.
  - Đo các thông số TSS, COD, BOD5, tổng N, tổng P, NH4+-N theo các phương pháp chuẩn SMEWW và TCVN.
  - Xác định oxy hòa tan (DO) bằng phương pháp chuẩn độ iodometric.
  - Nuôi cấy và phân lập vi sinh vật trên môi trường LB để đánh giá mật độ và đặc điểm vi sinh vật trong hệ thống xử lý.

- **Thiết lập hệ thống xử lý:**
  - Tiền xử lý bằng vật liệu nội điện phân Fe-C và Fe-Cu với pH điều chỉnh lần lượt là 4 và 3, thời gian lắc 12 giờ.
  - Xử lý sinh học bằng hệ thống A2O-MBBR gồm các bể kị khí, thiếu khí và hiếu khí, bổ sung giá thể MBBR biochip với tỷ lệ 1 g giá thể/lít nước thải.
  - Thời gian vận hành nghiên cứu kéo dài 30-45 ngày, theo dõi các thông số vận hành như pH, DO, MLSS, SV30.

- **Cỡ mẫu:** Mẫu nước thải được lấy định kỳ, phân tích nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

- **Lý do chọn phương pháp:** Kết hợp nội điện phân và A2O-MBBR nhằm tận dụng ưu điểm xử lý hiệu quả phenol và các chất ô nhiễm khó phân hủy, đồng thời giảm chi phí và thời gian xử lý so với các phương pháp truyền thống.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Hiệu quả xử lý phenol bằng vật liệu nội điện phân:**
  - Vật liệu Fe-C loại bỏ được khoảng 86,65% COD và giảm nồng độ phenol đáng kể sau 12 giờ xử lý ở pH 4.
  - Vật liệu Fe-Cu đạt hiệu suất loại bỏ COD khoảng 82,24% ở pH 3.
  - Đường chuẩn HPLC cho thấy nồng độ phenol giảm từ gần 900 mg/L xuống dưới 150 mg/L sau xử lý.

- **Hiệu quả xử lý bằng hệ A2O-MBBR:**
  - Hiệu suất loại bỏ COD đạt 85-90%, BOD5 đạt trên 80%.
  - Loại bỏ NH4+-N đạt khoảng 90%, tổng N và tổng P cũng giảm đáng kể.
  - Hiệu quả loại bỏ phenol đạt trên 99% sau 18 giờ lưu nước.
  - Nồng độ COD, NH4+-N, phenol sau xử lý lần lượt còn khoảng 71 mg/L, 9,6 mg/L và 3 mg/L, đáp ứng gần đạt tiêu chuẩn QCVN 52:2017/BTNMT.

- **Kết hợp nội điện phân và A2O-MBBR:**
  - Hiệu quả xử lý tổng thể được nâng cao, giảm thời gian xử lý và tăng khả năng phân hủy sinh học.
  - Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
  - Mật độ vi sinh vật trong bể hiếu khí tăng, hệ vi sinh vật phát triển ổn định, hỗ trợ quá trình xử lý.

### Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý phenol và các chất ô nhiễm khác bằng vật liệu nội điện phân Fe-C và Fe-Cu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy khả năng oxy hóa khử mạnh mẽ của cặp vi điện cực. Việc điều chỉnh pH phù hợp giúp tăng hiệu suất phân hủy phenol. Kết quả xử lý bằng hệ A2O-MBBR cho thấy công nghệ màng sinh học lưu động giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc vi sinh vật, tạo điều kiện cho các quá trình kị khí, thiếu khí và hiếu khí diễn ra đồng thời, nâng cao hiệu quả xử lý.

So sánh với các phương pháp truyền thống như bùn hoạt tính hiếu khí đơn thuần, công nghệ kết hợp này giảm thời gian lưu nước từ 72-120 giờ xuống còn khoảng 18-24 giờ, đồng thời giảm chi phí vận hành và diện tích xây dựng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất loại bỏ COD, phenol và NH4+-N theo thời gian xử lý, cũng như bảng so sánh các thông số trước và sau xử lý.

Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng kết hợp nội điện phân và màng sinh học A2O-MBBR trong xử lý nước thải luyện cốc tại Việt Nam, mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải công nghiệp khó phân hủy.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ nội điện phân Fe-C, Fe-Cu kết hợp A2O-MBBR** tại các nhà máy luyện cốc và các ngành công nghiệp có nước thải chứa phenol, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

- **Tăng cường nghiên cứu tối ưu điều kiện vận hành** như pH, thời gian lưu, tỷ lệ giá thể MBBR để đạt hiệu suất xử lý cao nhất, giảm chi phí và thời gian vận hành trong vòng 12-18 tháng.

- **Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật** vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghệ mới, đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả trong thực tế.

- **Xây dựng quy trình quản lý và giám sát chất lượng nước thải** sau xử lý theo tiêu chuẩn quốc gia, đảm bảo nước thải đạt yêu cầu trước khi tái sử dụng hoặc xả thải ra môi trường.

- **Khuyến khích hợp tác nghiên cứu giữa các viện, trường và doanh nghiệp** để phát triển công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, phù hợp với điều kiện Việt Nam trong 3-5 năm tới.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà quản lý môi trường và cơ quan chức năng:** Nắm bắt công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, áp dụng trong quản lý và giám sát môi trường công nghiệp.

- **Doanh nghiệp sản xuất gang thép và luyện cốc:** Áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm, tiết kiệm chi phí và nâng cao uy tín doanh nghiệp.

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Môi trường:** Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật xử lý nước thải hiện đại, phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo.

- **Các đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải:** Cập nhật công nghệ mới, thiết kế hệ thống xử lý phù hợp với đặc thù nước thải luyện cốc và các ngành công nghiệp tương tự.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Phương pháp nội điện phân là gì và có ưu điểm gì?**  
Phương pháp nội điện phân sử dụng cặp vi điện cực Fe-C hoặc Fe-Cu tạo dòng điện nhỏ để oxy hóa khử các chất ô nhiễm trong nước thải. Ưu điểm là hiệu quả cao, thời gian xử lý nhanh, chi phí vận hành thấp và áp dụng được cho nhiều loại nước thải khó phân hủy.

2. **Công nghệ A2O-MBBR hoạt động như thế nào?**  
A2O-MBBR kết hợp quá trình kị khí, thiếu khí và hiếu khí với màng sinh học lưu động, tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là phenol và NH4+-N, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

3. **Hiệu quả xử lý phenol của công nghệ này đạt bao nhiêu?**  
Nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ phenol đạt trên 99% sau 18 giờ xử lý bằng công nghệ A2O-MBBR kết hợp nội điện phân, giảm nồng độ phenol từ gần 900 mg/L xuống còn khoảng 3 mg/L.

4. **Nước thải sau xử lý có đạt tiêu chuẩn môi trường không?**  
Sau xử lý, các thông số COD, BOD5, NH4+-N, phenol đều giảm xuống dưới mức quy chuẩn QCVN 52:2017/BTNMT, đảm bảo an toàn khi tái sử dụng hoặc xả thải ra môi trường.

5. **Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nước thải khác không?**  
Công nghệ nội điện phân kết hợp A2O-MBBR có phạm vi ứng dụng rộng, phù hợp với nhiều loại nước thải công nghiệp chứa chất hữu cơ khó phân hủy như dệt nhuộm, dược phẩm, lọc hóa dầu, ngoài nước thải luyện cốc.

## Kết luận

- Nghiên cứu thành công ứng dụng kết hợp phương pháp nội điện phân Fe-C, Fe-Cu và công nghệ màng sinh học A2O-MBBR xử lý nước thải luyện cốc chứa phenol với hiệu suất loại bỏ phenol trên 99%.  
- Hiệu quả xử lý COD, BOD5, NH4+-N đạt mức cao, nước thải sau xử lý đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 52:2017/BTNMT.  
- Công nghệ kết hợp giúp rút ngắn thời gian xử lý, giảm chi phí vận hành và tăng tính ổn định của hệ thống xử lý nước thải.  
- Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho xử lý nước thải công nghiệp khó phân hủy tại Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành luyện cốc.  
- Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế và tiếp tục nghiên cứu tối ưu điều kiện vận hành trong giai đoạn tiếp theo.

**Hành động tiếp theo:** Khuyến khích các nhà máy luyện cốc và các ngành công nghiệp liên quan áp dụng công nghệ này, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý nước thải tiên tiến tại Việt Nam.