Nghiên Cứu Sử Dụng Ozone Với Xúc Tác Xỉ Thải Kim Loại Để Xử Lý Chất Hữu Cơ Trong Nước Thải Của Nhà Máy Giấy

• Tác giả: Hoàng Thị Kim Dung
• Người hướng dẫn: TS. Văn Hữu Tập
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Ozone Trong Xử Lý Chất Hữu Cơ Nước Thải Nhà Máy Giấy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu
• 0.5. Những đóng góp mới của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan chung về nước thải ngành giấy Việt Nam
• 1.2. Các phương pháp xử lý nước thải ngành giấy
• 1.2.1. Phương pháp vật lý
• 1.2.2. Phương pháp hoá học
• 1.2.3. Phương pháp sinh học
• 1.2.4. Phương pháp oxy hoá nâng cao
• 1.3. Phương pháp oxy hoá nâng cao bằng tác nhân ozone
• 1.3.1. Ozone và cơ chế oxy hoá của ozone
• 1.3.2. Sản xuất ozone
• 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ozone hoá
• 1.3.4. Ưu và nhược điểm của các quá trình ozone hoá trong xử lý nước và nước thải
• 1.3.5. Ứng dụng của ozone trong xử lý nước và nước thải
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải ngành giấy
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.5. Giới thiệu về nước thải Công ty cổ phần giấy An Hoà – Tuyên Quang
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Hoá chất và thiết bị sử dụng
• 2.2.2. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
• 2.2.3. Mô hình nghiên cứu
• 2.2.3.1. Mô hình tạo ozone trong phòng thí nghiệm
• 2.2.3.2. Mô hình nghiên cứu quá trình ozone và chất xúc tác
• 2.2.4. Quy trình thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng nước thải sản xuất công ty cổ phần giấy An Hoà - Tuyên Quang
• 3.2. Đặc trưng các loại xỉ thải sử dụng làm xúc tác ozone
• 3.3. Ảnh hưởng của một số loại xỉ kim loại đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải giấy bằng ozone xúc tác
• 3.3.1. Hiệu quả xử lý màu và COD nước thải giấy bằng hệ ozone (O3/xỉ thải) xúc tác xỉ thải kim loại
• 3.3.2. Hiệu quả xử lý màu và COD của nước thải bằng hệ kết hợp ozone với hydroperoxyt và chất xúc tác xỉ thải kim loại (Hệ O3/H2O2/xỉ thải)
• 3.4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước thải bằng quá trình ozone hoá
• 3.4.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD và màu của nước thải bằng hệ O3
• 3.4.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD và màu của nước thải giấy bằng hệ O3/xỉ Fe
• 3.4.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ O3/H2O2
• 3.4.4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ O3/H2O2/xỉ Fe
• 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến hiệu quả xử lý nước thải bằng quá trình ozone hoá
• 3.5.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến hiệu suất xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ O3
• 3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến hiệu suất xử lý COD và màu của nước thải bằng hệ O3/H2O2
• 3.6. Tính toán hằng số tốc độ phản ứng xử lý COD nước thải giấy
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải Giấy Bằng Ozone

Ngành công nghiệp giấy đang phát triển mạnh mẽ, nhưng đồng thời gây ra ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Các nhà máy giấy ở Việt Nam tiêu thụ lượng nước lớn, tạo ra nước thải chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy. Việc tìm kiếm công nghệ xử lý hiệu quả, tiết kiệm nước và đáp ứng tiêu chuẩn nước thải là cấp thiết. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng ozone trong xử lý nước thải nhà máy giấy, một hướng đi tiềm năng cho sự phát triển bền vững. Theo thống kê, Việt Nam có hơn 300 doanh nghiệp sản xuất giấy, với tốc độ tăng trưởng cao, kéo theo những tác động không nhỏ đến môi trường, đặc biệt là vấn đề về ô nhiễm nước.

1.1. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các nhà máy giấy

Nước thải từ các nhà máy giấy chứa nhiều chất hữu cơ, lignin, xơ sợi, hóa chất và các chất ô nhiễm khác. Hàm lượng BOD, COD, độ màu và pH cao gây ảnh hưởng lớn đến môi trường. Các công đoạn sản xuất như rửa nguyên liệu, nấu, tẩy trắng, xeo giấy đều thải ra nước thải ô nhiễm. Dòng thải từ công đoạn tẩy đặc biệt nguy hiểm do chứa các hợp chất clo hữu cơ (AOX) độc hại và khó phân hủy sinh học. Cần có các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2. Tầm quan trọng của việc xử lý nước thải ngành giấy

Việc xử lý nước thải ngành giấy không chỉ là yêu cầu pháp lý mà còn là trách nhiệm của doanh nghiệp đối với cộng đồng và môi trường. Xử lý nước thải hiệu quả giúp bảo vệ nguồn nước, giảm thiểu ô nhiễm, và đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành giấy. Các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước do ngành giấy gây ra. Việc áp dụng các giải pháp bảo vệ môi trường là yếu tố then chốt để ngành giấy phát triển bền vững.

II. Thách Thức Xử Lý Chất Hữu Cơ Trong Nước Thải Nhà Máy Giấy

Xử lý chất hữu cơ trong nước thải nhà máy giấy là một thách thức lớn do tính chất phức tạp và khó phân hủy của các hợp chất này. Các phương pháp xử lý sinh học truyền thống thường không đạt hiệu quả cao đối với các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Do đó, cần có các phương pháp xử lý tiên tiến hơn để loại bỏ triệt để chất hữu cơ và đáp ứng tiêu chuẩn nước thải. Các phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs) đang được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi.

2.1. Các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải giấy

Nước thải từ nhà máy giấy chứa nhiều loại chất hữu cơ khác nhau, bao gồm lignin, cellulose, hemicellulose, axit béo, nhựa cây và các sản phẩm phân hủy khác. Lignin là một trong những chất hữu cơ khó phân hủy nhất, gây ra màu và độ độc cho nước thải. Các hợp chất clo hữu cơ (AOX) cũng là một vấn đề đáng lo ngại do tính độc hại và khả năng tích tụ sinh học của chúng. Việc loại bỏ các chất hữu cơ này đòi hỏi các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như lắng, lọc, và xử lý sinh học thường không đủ hiệu quả để loại bỏ các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải nhà máy giấy. Xử lý sinh học có thể bị ức chế bởi các chất độc hại và không thể phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ phức tạp. Do đó, cần có các phương pháp xử lý tiên tiến hơn để đạt được hiệu quả xử lý nước thải cao hơn và đáp ứng tiêu chuẩn nước thải.

2.3. Yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn nước thải

Các quy định về tiêu chuẩn nước thải ngày càng nghiêm ngặt, đòi hỏi các nhà máy giấy phải áp dụng các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả hơn. Việc tuân thủ tiêu chuẩn nước thải không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn giúp doanh nghiệp tránh bị phạt và duy trì uy tín. Các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến như công nghệ ozone đang được quan tâm và ứng dụng rộng rãi để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn nước thải.

III. Phương Pháp Oxy Hóa Ozone Trong Xử Lý Nước Thải Giấy

Phương pháp oxy hóa ozone là một giải pháp tiềm năng để xử lý chất hữu cơ trong nước thải nhà máy giấy. Ozone là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thành các chất đơn giản hơn. Quá trình oxy hóa ozone có thể được tăng cường bằng cách sử dụng chất xúc tác, tạo ra các gốc hydroxyl (OH*) có khả năng oxy hóa mạnh hơn. Phương pháp này hứa hẹn mang lại hiệu quả xử lý nước thải cao và đáp ứng tiêu chuẩn nước thải.

3.1. Cơ chế oxy hóa của ozone trong nước thải

Ozone (O3) là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng phản ứng trực tiếp với các chất hữu cơ trong nước thải. Ngoài ra, ozone cũng có thể phân hủy thành các gốc hydroxyl (OH*), là những tác nhân oxy hóa mạnh hơn nhiều. Các gốc hydroxyl có thể oxy hóa hầu hết các chất hữu cơ trong nước thải, bao gồm cả các hợp chất khó phân hủy. Quá trình oxy hóa ozone có thể được tăng cường bằng cách sử dụng chất xúc tác, tạo ra nhiều gốc hydroxyl hơn và tăng hiệu quả xử lý nước thải.

3.2. Ưu điểm của công nghệ ozone so với các phương pháp khác

Công nghệ ozone có nhiều ưu điểm so với các phương pháp xử lý nước thải khác. Ozone là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy. Quá trình oxy hóa ozone không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Công nghệ ozone có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải hiện có. Công nghệ ozone có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm nước và bảo vệ môi trường.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý ozone

Hiệu quả xử lý nước thải bằng ozone phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ ozone, thời gian tiếp xúc, pH, nhiệt độ, và sự có mặt của các chất xúc tác. Nồng độ ozone cao hơn và thời gian tiếp xúc dài hơn thường dẫn đến hiệu quả xử lý tốt hơn. pH ảnh hưởng đến khả năng phân hủy ozone thành các gốc hydroxyl. Chất xúc tác có thể tăng cường quá trình oxy hóa ozone và cải thiện hiệu quả xử lý nước thải.

IV. Nghiên Cứu Sử Dụng Xúc Tác Xỉ Thải Kim Loại Với Ozone

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác để tăng cường hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải nhà máy giấy bằng ozone. Xỉ thải kim loại là một nguồn tài nguyên tái chế tiềm năng, có thể giúp giảm chi phí xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác có thể tăng cường quá trình oxy hóa ozone, tạo ra nhiều gốc hydroxyl hơn và cải thiện hiệu quả xử lý nước thải.

4.1. Tiềm năng của xỉ thải kim loại làm chất xúc tác

Xỉ thải kim loại là một nguồn tài nguyên tái chế tiềm năng, có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình xử lý nước thải. Xỉ thải kim loại chứa nhiều kim loại có khả năng xúc tác quá trình oxy hóa ozone, tạo ra các gốc hydroxyl và tăng hiệu quả xử lý chất hữu cơ. Việc sử dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác có thể giúp giảm chi phí xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

4.2. Ảnh hưởng của các loại xỉ thải kim loại khác nhau

Hiệu quả xúc tác của xỉ thải kim loại phụ thuộc vào thành phần và tính chất của từng loại xỉ. Các loại xỉ thải kim loại khác nhau có thể có khả năng xúc tác khác nhau đối với quá trình oxy hóa ozone. Nghiên cứu này sẽ đánh giá ảnh hưởng của một số loại xỉ thải kim loại đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải nhà máy giấy bằng ozone.

4.3. Tối ưu hóa điều kiện xử lý với xúc tác xỉ thải

Để đạt được hiệu quả xử lý nước thải cao nhất, cần tối ưu hóa các điều kiện xử lý như nồng độ ozone, thời gian tiếp xúc, pH, nhiệt độ, và hàm lượng chất xúc tác. Nghiên cứu này sẽ tìm kiếm các điều kiện thí nghiệm thích hợp để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bằng ozone với xúc tác xỉ thải kim loại.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Và Thảo Luận Về Xử Lý Ozone Xúc Tác

Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giấy bằng ozone đơn (O3) và Peroxone (O3/H2O2) với xúc tác xỉ thải kim loại. Kết quả cho thấy việc sử dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác có thể tăng cường hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải. Loại xỉ thải kim loại thích hợp nhất và các điều kiện thí nghiệm tối ưu đã được xác định. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ ozone trong xử lý nước thải nhà máy giấy.

5.1. Hiệu quả xử lý COD và màu nước thải bằng hệ ozone xúc tác

Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ ozone (O3/xỉ thải) xúc tác xỉ thải kim loại. Kết quả cho thấy việc sử dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác có thể tăng cường hiệu quả xử lý COD và màu nước thải. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào loại xỉ thải kim loại và các điều kiện thí nghiệm.

5.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước thải bằng ozone

pH là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng ozone. Nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ O3, O3/xỉ Fe, O3/H2O2, và O3/H2O2/xỉ Fe. Kết quả cho thấy pH tối ưu cho quá trình xử lý phụ thuộc vào hệ xử lý được sử dụng.

5.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác đến hiệu quả xử lý

Hàm lượng chất xúc tác cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng ozone. Nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng xỉ Fe đến hiệu suất xử lý COD và màu nước thải giấy bằng hệ O3 và O3/H2O2. Kết quả cho thấy có một hàm lượng chất xúc tác tối ưu để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất.

VI. Kết Luận Và Triển Vọng Ứng Dụng Ozone Xử Lý Nước Thải

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của việc sử dụng ozone và xỉ thải kim loại trong xử lý nước thải nhà máy giấy. Công nghệ ozone có thể là một giải pháp hiệu quả để loại bỏ chất hữu cơ khó phân hủy và đáp ứng tiêu chuẩn nước thải. Việc tận dụng xỉ thải kim loại làm chất xúc tác không chỉ giúp giảm chi phí xử lý nước thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Cần có thêm các nghiên cứu và ứng dụng thực tế để triển khai rộng rãi công nghệ ozone trong ngành giấy.

6.1. Ưu điểm và hạn chế của công nghệ ozone trong thực tế

Công nghệ ozone có nhiều ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, không tạo ra sản phẩm phụ độc hại, và có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải hiện có. Tuy nhiên, công nghệ ozone cũng có một số hạn chế như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật vận hành phức tạp, và có thể tạo ra các sản phẩm phụ như bromat nếu nước thải chứa bromua. Cần cân nhắc kỹ lưỡng các ưu điểm và hạn chế này trước khi quyết định áp dụng công nghệ ozone trong thực tế.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng thực tiễn

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện xử lý ozone, phát triển các loại chất xúc tác hiệu quả hơn, và đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ ozone đối với các loại nước thải khác nhau. Cần có thêm các dự án thí điểm và ứng dụng thực tế để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của công nghệ ozone trong xử lý nước thải nhà máy giấy.

6.3. Đề xuất chính sách và giải pháp hỗ trợ ứng dụng ozone

Để khuyến khích việc ứng dụng công nghệ ozone trong xử lý nước thải, cần có các chính sách và giải pháp hỗ trợ từ phía nhà nước, như cung cấp các khoản vay ưu đãi, hỗ trợ kỹ thuật, và xây dựng các tiêu chuẩn và quy định rõ ràng về việc sử dụng ozone trong xử lý nước thải. Cần tăng cường hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp, và cơ quan quản lý để thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của công nghệ ozone trong ngành giấy.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp giấy tại Việt Nam đang phát triển nhanh chóng với hơn 300 nhà máy sản xuất, tổng sản lượng đạt khoảng 332.000 tấn bột giấy và 1.000 tấn giấy mỗi năm, tốc độ tăng trưởng bình quân khoảng 6% mỗi năm. Tuy nhiên, ngành này cũng là một trong những nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do lượng nước thải lớn và chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Để sản xuất một tấn giấy, các nhà máy truyền thống sử dụng từ 100 đến 350 m³ nước, cao hơn nhiều so với các nhà máy hiện đại trên thế giới chỉ dùng từ 10 đến 60 m³/tấn giấy. Nước thải ngành giấy chứa hàm lượng BOD, COD, độ màu và pH cao, nếu không được xử lý triệt để sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải ngành giấy bằng phương pháp oxy hóa nâng cao sử dụng ozone kết hợp với xúc tác xỉ thải kim loại nhằm giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ trong nước thải của Công ty cổ phần giấy An Hòa – Tuyên Quang. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định loại xỉ thải kim loại phù hợp, điều kiện pH tối ưu và hàm lượng xúc tác thích hợp để nâng cao hiệu quả xử lý. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2018 đến tháng 4/2019, quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng mẫu nước thải thực tế từ nhà máy giấy An Hòa.

Việc ứng dụng công nghệ ozone xúc tác xỉ thải kim loại không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mà còn tận dụng được nguồn chất thải rắn công nghiệp, hướng tới phát triển bền vững ngành giấy tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước thải, giảm thiểu tác động môi trường và tiết kiệm nguồn nước ngọt.

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 nâng cao (AOPs): Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như ozone (O₃), hydrogen peroxide (H₂O₂) để tạo ra gốc hydroxyl (OH*) có thế oxy hóa cao (2,8 V), giúp phân hủy triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải.
• Cơ chế oxy hóa của ozone: Ozone có thể oxy hóa trực tiếp các hợp chất hữu cơ hoặc gián tiếp qua gốc OH* sinh ra trong quá trình phân hủy ozone trong môi trường nước, đặc biệt hiệu quả ở pH kiềm.
• Phản ứng Peroxone (O₃/H₂O₂): Kết hợp ozone với hydrogen peroxide để tăng sinh gốc OH*, nâng cao hiệu quả oxy hóa các chất ô nhiễm.
• Xúc tác xỉ thải kim loại: Sử dụng các loại xỉ thải kim loại (Fe, Cu, Cd, Zn, Pb) làm xúc tác dị thể trong quá trình ozone hóa, giúp tăng tốc độ phản ứng và hiệu suất xử lý COD, màu trong nước thải.

Các khái niệm chính bao gồm: COD (Chemical Oxygen Demand), BOD (Biological Oxygen Demand), độ màu Pt-Co, pH, gốc hydroxyl (OH*), xúc tác dị thể, hằng số tốc độ phản ứng (k*).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu nước thải được lấy từ Công ty cổ phần giấy An Hòa – Tuyên Quang, đặc trưng bởi hàm lượng COD và độ màu cao, đại diện cho nước thải ngành giấy truyền thống.
• Thiết bị và hóa chất: Máy tạo ozone Next 20P (công suất 5 g/h), các hóa chất chuẩn như H₂SO₄, K₂Cr₂O₇, FeSO₄, H₂O₂, dung dịch chuẩn độ iod, Na₂S₂O₃, cùng các dụng cụ phân tích COD, đo màu UV-Vis, đo pH.
• Phương pháp phân tích: COD được xác định theo phương pháp bicromat (TCVN 6491:1999), độ màu theo phương pháp so màu UV-Vis (TCVN 6185:1996), nồng độ ozone đo bằng chuẩn độ iod, pH đo bằng máy đo pH để bàn.
• Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm xử lý nước thải bằng ozone đơn (O₃), ozone kết hợp hydrogen peroxide (O₃/H₂O₂), và các hệ xúc tác xỉ thải kim loại (O₃/xỉ thải, O₃/H₂O₂/xỉ thải). Các biến số gồm loại xỉ thải, pH (thay đổi từ 3 đến 11), hàm lượng xúc tác, thời gian phản ứng.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nước thải được lấy theo tiêu chuẩn TCVN 6663-1:2002, bảo quản theo TCVN 6663-3:2016. Các mẫu được lấy trong 3 đợt, đảm bảo tính đồng nhất và đại diện.
• Phân tích số liệu: Sử dụng thống kê mô tả để biểu diễn kết quả, phân tích động học phản ứng giả bậc 1 để xác định hằng số tốc độ phản ứng k* thông qua đồ thị ln(1 - X_A) theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của loại xỉ thải kim loại đến hiệu quả xử lý:

   • Xỉ Fe cho hiệu quả xử lý COD và màu cao nhất, với hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 65% và giảm màu tới 70% trong hệ O₃/xỉ Fe.
   • Các loại xỉ Cu, Zn, Pb, Cd có hiệu quả thấp hơn đáng kể, chỉ đạt khoảng 30-45% xử lý COD và màu.
   • Hệ O₃/H₂O₂/xỉ Fe nâng cao hiệu quả xử lý COD lên tới 80% và giảm màu trên 85%, vượt trội so với ozone đơn thuần.

2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý:

   • pH trung tính đến kiềm (7-9) là điều kiện tối ưu cho quá trình ozone xúc tác xỉ Fe, với hiệu suất xử lý COD và màu cao nhất.
   • Ở pH thấp (3-5), hiệu quả xử lý giảm khoảng 20-30% do cơ chế oxy hóa trực tiếp của ozone kém hiệu quả hơn.
   • Hệ O₃/H₂O₂/xỉ Fe duy trì hiệu quả cao hơn ở dải pH rộng, cho thấy khả năng ứng dụng linh hoạt trong thực tế.

3. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác xỉ Fe:

   • Tăng hàm lượng xỉ Fe từ 0,1 đến 0,5 g/L làm tăng hiệu suất xử lý COD từ 50% lên 75% trong hệ O₃/xỉ Fe.
   • Ở hàm lượng xúc tác trên 0,5 g/L, hiệu quả không tăng đáng kể, cho thấy điểm bão hòa xúc tác.
   • Hệ O₃/H₂O₂/xỉ Fe cũng có xu hướng tương tự, với hiệu suất xử lý COD đạt đỉnh ở khoảng 0,4-0,5 g/L xỉ Fe.

4. Tính toán hằng số tốc độ phản ứng (k)*:

   • Hằng số k* của hệ O₃/H₂O₂/xỉ Fe cao gấp 1,5 lần so với hệ O₃/xỉ Fe đơn thuần, chứng tỏ tốc độ phân hủy chất hữu cơ nhanh hơn đáng kể.
   • Đồ thị ln(1 - X_A) theo thời gian cho thấy phản ứng tuân theo động học giả bậc 1, phù hợp với mô hình lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của hệ O₃/H₂O₂/xỉ Fe được giải thích bởi sự kết hợp giữa cơ chế oxy hóa trực tiếp của ozone và sự sinh ra gốc hydroxyl mạnh mẽ từ phản ứng Peroxone, đồng thời xúc tác xỉ Fe thúc đẩy quá trình phân hủy ozone tạo gốc OH*. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy xúc tác sắt và hydrogen peroxide làm tăng đáng kể hiệu quả xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

Ảnh hưởng của pH phản ánh rõ cơ chế oxy hóa: môi trường kiềm thuận lợi cho sự phân hủy ozone sinh gốc OH*, trong khi môi trường axit chủ yếu là oxy hóa trực tiếp bằng ozone, kém hiệu quả hơn. Việc xác định pH tối ưu giúp thiết kế quy trình xử lý phù hợp với đặc tính nước thải thực tế.

Hàm lượng xúc tác xỉ Fe có giới hạn tối ưu, vượt quá mức này không cải thiện hiệu quả do hiện tượng bão hòa bề mặt xúc tác và khả năng hấp phụ các gốc oxy hóa bị giảm. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa quá trình vận hành.

Phân tích động học cho thấy quá trình phân hủy COD tuân theo phản ứng giả bậc 1, thuận lợi cho việc mô phỏng và thiết kế hệ thống xử lý quy mô lớn. Biểu đồ và bảng số liệu minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả giữa các hệ xử lý, hỗ trợ đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng hệ thống xử lý ozone kết hợp xúc tác xỉ Fe và hydrogen peroxide tại các nhà máy giấy truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải, giảm COD và độ màu đạt tiêu chuẩn môi trường trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý nhà máy và đơn vị tư vấn công nghệ.

2. Điều chỉnh pH nước thải về khoảng 7-9 trước khi xử lý ozone xúc tác để tối ưu hóa hiệu suất oxy hóa, giảm chi phí hóa chất và thời gian xử lý. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: Bộ phận vận hành và kỹ thuật môi trường.

3. Tận dụng xỉ thải kim loại từ các nhà máy luyện kim làm xúc tác trong xử lý nước thải nhằm giảm chi phí đầu tư và xử lý chất thải rắn công nghiệp, đồng thời tăng hiệu quả xử lý. Thời gian triển khai: 6 tháng. Chủ thể: Phòng kỹ thuật và quản lý chất thải.

4. Xây dựng hệ thống quan trắc tự động nồng độ COD, màu và pH nước thải để kiểm soát liên tục chất lượng nước thải sau xử lý, đảm bảo tuân thủ quy chuẩn môi trường. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: Ban quản lý môi trường nhà máy.

5. Nghiên cứu mở rộng quy mô và kết hợp công nghệ sinh học với quá trình oxy hóa nâng cao để xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, giảm chi phí vận hành dài hạn. Thời gian nghiên cứu: 1-2 năm. Chủ thể: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường tại các nhà máy giấy: Nắm bắt công nghệ xử lý nước thải hiện đại, áp dụng hiệu quả phương pháp ozone xúc tác xỉ thải kim loại để cải thiện chất lượng nước thải, giảm chi phí vận hành.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Quản lý tài nguyên và Môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm và phân tích động học trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là ứng dụng AOPs.

3. Các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Hiểu rõ đặc điểm ô nhiễm và công nghệ xử lý nước thải ngành giấy, từ đó xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật phù hợp và thúc đẩy áp dụng công nghệ xanh.

4. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý chất thải công nghiệp: Tận dụng nguồn xỉ thải kim loại làm xúc tác trong xử lý nước thải, góp phần giảm thiểu chất thải rắn và nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn ozone làm tác nhân oxy hóa chính trong xử lý nước thải ngành giấy?
   Ozone có thế oxy hóa cao (2,07 V), khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, khử màu và khử mùi hiệu quả, không để lại phụ phẩm độc hại, và được tạo ra tại chỗ, phù hợp với xử lý nước thải công nghiệp.

2. Xỉ thải kim loại có vai trò gì trong quá trình xử lý ozone?
   Xỉ thải kim loại như Fe giúp xúc tác phân hủy ozone tạo gốc hydroxyl (OH*), tăng tốc độ phản ứng oxy hóa, nâng cao hiệu quả xử lý COD và màu trong nước thải.

3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý như thế nào?
   pH trung tính đến kiềm (7-9) tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân hủy ozone sinh gốc OH*, tăng hiệu quả oxy hóa. Ở pH thấp, quá trình oxy hóa trực tiếp bằng ozone kém hiệu quả hơn.

4. Có thể áp dụng công nghệ này cho các nhà máy giấy sử dụng nguyên liệu tái chế không?
   Có thể, tuy nhiên hiệu quả xử lý phụ thuộc vào đặc tính nước thải. Nước thải từ nguyên liệu tái chế thường có tải lượng ô nhiễm thấp hơn, nên công nghệ có thể được điều chỉnh phù hợp.

5. Chi phí vận hành công nghệ ozone xúc tác xỉ thải có cao không?
   Chi phí vận hành cao hơn so với phương pháp truyền thống do tiêu thụ năng lượng và hóa chất, nhưng hiệu quả xử lý cao giúp giảm chi phí xử lý sau và bảo vệ môi trường, mang lại lợi ích lâu dài.

Kết luận

• Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả vượt trội của hệ thống ozone kết hợp hydrogen peroxide và xúc tác xỉ thải Fe trong xử lý chất hữu cơ và màu nước thải ngành giấy.
• pH tối ưu cho quá trình xử lý nằm trong khoảng 7-9, phù hợp với điều kiện thực tế của nước thải nhà máy giấy.
• Hàm lượng xúc tác xỉ Fe khoảng 0,4-0,5 g/L là mức tối ưu để đạt hiệu quả xử lý cao mà không gây lãng phí.
• Phản ứng phân hủy COD tuân theo động học giả bậc 1, thuận lợi cho việc thiết kế và vận hành hệ thống xử lý quy mô lớn.
• Đề xuất áp dụng công nghệ này tại các nhà máy giấy truyền thống nhằm nâng cao chất lượng nước thải, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành giấy Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các nhà máy giấy và đơn vị quản lý môi trường nên phối hợp triển khai thí điểm công nghệ ozone xúc tác xỉ thải kim loại, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và tối ưu hóa quy trình xử lý.