Tổng quan nghiên cứu

Nước thải công nghiệp từ các ngành như dệt nhuộm, sản xuất dược phẩm, sản xuất cồn sinh học và nước rỉ rác bãi chôn lấp chứa hàm lượng lớn các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường. Theo ước tính, nồng độ COD trong nước rỉ rác có thể vượt quá 10.000 mg/L ở các bãi rác trẻ, trong khi nước thải dệt nhuộm và dược phẩm cũng có COD dao động từ 500 đến trên 3.000 mg/L. Các phương pháp xử lý truyền thống như sinh học và keo tụ thường không đạt hiệu quả cao đối với các chất hữu cơ khó phân hủy và màu trong nước thải này. Do đó, nghiên cứu ứng dụng các hợp chất clo như FeCl3, NaClO3, HCl để tạo ra các tác nhân oxy hóa mạnh (Cl2, ClO2) kết hợp xử lý nước thải là hướng đi mới, hứa hẹn nâng cao hiệu quả xử lý COD và màu trong nước thải công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát hiệu suất xử lý COD và màu của các hợp chất clo trong các loại nước thải đặc trưng tại Việt Nam, gồm nước rỉ rác bãi rác Kiêu Kỵ (Hà Nội), nước thải dược phẩm nhà máy IMC (Mê Linh, Hà Nội), nước thải dệt nhuộm Hà Đông (Hà Nam) và nước thải cồn sinh học Dung Quất (Quảng Ngãi). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu quả xử lý trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp jartest, với thời gian thực hiện trong tháng 4 năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp xử lý nước thải công nghiệp hiệu quả, thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao chất lượng nước thải trước khi xả thải ra môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba nhóm hợp chất clo chính: clo phân tử (Cl2), chlorine dioxide (ClO2) và phèn sắt (FeCl3). Cl2 khi hòa tan trong nước tạo thành axit hypoclorơ (HOCl) và ion hypoclorit (ClO⁻), có khả năng oxy hóa mạnh các hợp chất hữu cơ qua cơ chế nhận electron, làm suy giảm electron chao đổi trong các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOM). ClO2 là chất oxy hóa mạnh, không tạo ra các sản phẩm phụ halogen hóa không mong muốn như Cl2, có khả năng oxy hóa các hợp chất dược phẩm hoạt tính (APIs) và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học với hiệu quả cao. FeCl3 là chất keo tụ, xúc tác các phản ứng oxy hóa của Cl2 và ClO2, đồng thời tạo các hạt keo dương tương tác với các hạt keo âm trong nước thải, giúp loại bỏ COD và màu hiệu quả.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • COD (Chemical Oxygen Demand): chỉ số nhu cầu oxy hóa học, phản ánh lượng chất hữu cơ trong nước thải.
  • Màu nước (Pt-Co): chỉ số đo độ màu, liên quan đến các hợp chất hữu cơ hòa tan và keo tụ.
  • Quá trình keo tụ và oxy hóa nâng cao: kết hợp tác nhân keo tụ FeCl3 và các tác nhân oxy hóa Cl2, ClO2 để xử lý nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm mẫu nước thải thực tế lấy từ bãi rác Kiêu Kỵ, nhà máy dược IMC, nhà máy dệt nhuộm Hà Đông và nhà máy cồn sinh học Dung Quất. Mẫu nước thải được thu thập trực tiếp, không sử dụng chất bảo quản, vận chuyển về phòng thí nghiệm để phân tích.

Phương pháp phân tích gồm xác định COD theo TCVN 6491:1999, độ màu theo TCVN 6185:2008 và pH theo TCVN 6492:2011. Thí nghiệm xử lý nước thải được thực hiện bằng thiết bị jartest với các bước: bổ sung dung dịch FeCl3, dung dịch phản ứng tạo Cl2 và ClO2 (dd1), chất trợ keo polyacrylamide (PAA), khuấy nhanh và khuấy chậm theo quy trình chuẩn, sau đó lắng và lấy mẫu nước trong để phân tích.

Cỡ mẫu thí nghiệm mỗi lần là 500 ml nước thải, với các liều lượng FeCl3 từ 0,1 đến 0,6 g/L, dd1 từ 0,5 đến 5 ml/L, PAA cố định 1 ml/L. Thời gian khuấy nhanh 5-10 phút, khuấy chậm 3 phút, thời gian lắng 5 phút. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Microsoft Excel để tính hiệu suất xử lý COD và màu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của liều lượng FeCl3 đến hiệu suất xử lý nước rỉ rác:
    Khi tăng liều lượng FeCl3 từ 0,1 đến 0,6 g/L, hiệu suất loại bỏ màu tăng từ 34% lên 93%, hiệu suất loại bỏ COD tăng từ 27% lên 72,8%. pH giảm từ 8 xuống 6,3 do tính axit của FeCl3. Hiệu suất tăng mạnh ở liều lượng 0,1-0,4 g/L, sau đó tăng chậm lại.

  2. Ảnh hưởng của liều lượng dd1 (hỗn hợp Cl2 và ClO2) kết hợp FeCl3 đến xử lý nước rỉ rác:
    Khi tăng liều lượng dd1 từ 1 đến 5 ml/L và FeCl3 từ 0,2 đến 0,5 g/L, hiệu suất loại bỏ COD tăng từ 23,5% lên 90,2%, loại bỏ màu đạt 98,6% tại dd1 = 1 ml/L và FeCl3 = 0,5 g/L. pH giảm theo liều lượng dd1 và FeCl3, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.

  3. Hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm và dược phẩm:
    Ở liều lượng FeCl3 và dd1 tương tự, hiệu suất xử lý COD và màu đạt trên 80%, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp trong các loại nước thải công nghiệp có thành phần hữu cơ phức tạp.

  4. Ứng dụng trong xử lý nước thải cồn sinh học:
    Nước thải có COD ban đầu 350-700 mg/L, màu 1500-2500 Pt-Co sau xử lý bằng hỗn hợp FeCl3, dd1 và PAA đạt COD 70-140 mg/L, màu 70-150 Pt-Co, tương đương giảm trên 80% COD và màu, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao nhờ sự kết hợp giữa tác nhân oxy hóa mạnh Cl2, ClO2 và chất keo tụ FeCl3. Cl2 và ClO2 oxy hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, làm suy giảm electron bề mặt, chuyển các hợp chất sang trạng thái dễ keo tụ. FeCl3 xúc tác phản ứng oxy hóa và tạo hạt keo dương tương tác với các hạt keo âm chứa chất hữu cơ và màu, giúp loại bỏ hiệu quả. pH giảm do FeCl3 có tính axit, ảnh hưởng đến sự hòa tan và hiệu suất keo tụ, cần kiểm soát trong quá trình xử lý.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất xử lý COD và màu của phương pháp kết hợp này vượt trội hơn nhiều so với xử lý riêng lẻ bằng FeCl3 hoặc Cl2. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý COD và màu theo liều lượng FeCl3 và dd1, giúp minh họa rõ ràng xu hướng tăng hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ kết hợp FeCl3, Cl2 và ClO2 trong xử lý nước thải công nghiệp:
    Triển khai tại các nhà máy dệt nhuộm, dược phẩm và xử lý nước rỉ rác với liều lượng FeCl3 khoảng 0,4-0,6 g/L và dd1 1-3 ml/L để đạt hiệu suất xử lý COD và màu trên 85%. Thời gian xử lý 15-20 phút, phù hợp cho quy mô công nghiệp.

  2. Kiểm soát pH trong quá trình xử lý:
    Do FeCl3 làm giảm pH, cần bổ sung điều chỉnh pH phù hợp (khoảng 6-7) để duy trì hiệu quả keo tụ và oxy hóa, tránh ảnh hưởng đến thiết bị và môi trường.

  3. Sử dụng chất trợ keo polyacrylamide (PAA) để tăng hiệu quả keo tụ:
    Liều lượng PAA khoảng 1 ml/L giúp tăng tốc độ lắng và giảm độ đục nước sau xử lý, rút ngắn thời gian xử lý và giảm chi phí vận hành.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng và tối ưu hóa quy trình:
    Thực hiện thí nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy để đánh giá hiệu quả thực tế, đồng thời nghiên cứu kết hợp với các công nghệ xử lý sinh học để xử lý triệt để các chất hữu cơ khó phân hủy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp:
    Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường:
    Tham khảo phương pháp kết hợp tác nhân oxy hóa và keo tụ mới, mở rộng kiến thức về xử lý nước thải công nghiệp phức tạp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất dệt nhuộm, dược phẩm và cồn sinh học:
    Áp dụng giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải nghiêm ngặt.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần kết hợp FeCl3 với Cl2 và ClO2 trong xử lý nước thải?
    FeCl3 vừa là chất keo tụ, vừa xúc tác phản ứng oxy hóa của Cl2 và ClO2, giúp tăng hiệu quả loại bỏ COD và màu so với sử dụng riêng lẻ từng chất.

  2. Liều lượng FeCl3 và dd1 tối ưu là bao nhiêu?
    Liều lượng FeCl3 từ 0,4 đến 0,6 g/L và dd1 từ 1 đến 3 ml/L được xác định là tối ưu trong nghiên cứu, đạt hiệu suất xử lý COD và màu trên 85%.

  3. Phương pháp jartest có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp không?
    Jartest là phương pháp thí nghiệm phòng thí nghiệm, kết quả cần được kiểm chứng và tối ưu hóa trong quy mô pilot trước khi áp dụng công nghiệp.

  4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý như thế nào?
    pH giảm do FeCl3 có tính axit, nếu pH quá thấp (<4) sẽ làm giảm hiệu quả keo tụ và tăng độ màu nước, cần điều chỉnh pH phù hợp để duy trì hiệu quả xử lý.

  5. Phương pháp này có thể xử lý các hợp chất dược phẩm hoạt tính (APIs) không?
    ClO2 có khả năng oxy hóa các APIs trong nước thải dược phẩm, giúp loại bỏ các chất khó phân hủy sinh học, nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả cao của phương pháp kết hợp FeCl3, Cl2 và ClO2 trong xử lý COD và màu nước thải công nghiệp đặc trưng tại Việt Nam.
  • Liều lượng FeCl3 từ 0,4-0,6 g/L và dd1 từ 1-3 ml/L là tối ưu, đạt hiệu suất xử lý COD và màu trên 85%.
  • pH cần được kiểm soát trong khoảng 6-7 để duy trì hiệu quả keo tụ và oxy hóa.
  • Phương pháp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành dệt nhuộm, dược phẩm, cồn sinh học và xử lý nước rỉ rác.
  • Đề xuất triển khai thí điểm quy mô công nghiệp và nghiên cứu kết hợp với xử lý sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải bằng hợp chất clo kết hợp keo tụ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp tại Việt Nam.