MỞ ĐẦU Quá trình phát triển kinh tế-xã hội trong thời gian qua đã góp phần nâng cao đáng kể chất lƣợng sống của ngƣời dân. Tuy nhiên, đi kèm với đó là những áp lực không nhỏ tác động lên môi trƣờng, đặc biệt là đối với môi trƣờng nƣớc. Sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc nói chung và nƣớc sinh hoạt nói riêng đang là một vấn đề toàn xã hội quan tâm khi mà tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc bởi nitơ (N) và photpho (P) ngày càng nghiêm trọng. N và P là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp.
N và P là thành phần dinh dƣỡng quan trọng trong sự sinh trƣởng và phát triển của các loài sinh vật nhƣng khi sự xuất hiện với một hàm lƣợng lớn trong nƣớc thải thì chúng lại là đối tƣợng gây ô nhiễm khá nghiêm trọng cho môi trƣờng. Khi thải 1 kg N và P vào môi trƣờng nƣớc thì tƣơng ứng sẽ tạo ra 20 và 138 kg COD dƣới dạng tảo chết [3]. Nguyên nhân chủ yếu làm tăng hàm lƣợng các chất ô nhiễm chứa N và P trong nƣớc mặt là các nguồn chất thải sinh hoạt của con ngƣời, động vật và các trang trại chăn nuôi gia súc, chất thải công nghiệp hoặc từ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và sản xuất bia [11, 29]. Nitrat và photphat là hai dạng tồn tại chính của chu trình N và P trong tự nhiên.
Tình hình ô nhiễm nitrat và photphat trong hệ thống nƣớc mặt và nƣớc ngầm hiện đang ngày càng nghiêm trọng. Nƣớc bị ô nhiễm nitrat và photphat có thể gây hại cho sức khỏe của con ngƣời khi sử dụng cho mục đích ăn uống hay sinh hoạt. Ngoài ra, hàm lƣợng nitrat và photphat quá cao trong nƣớc còn gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng nguồn nƣớc, tác động xấu tới hệ thủy sinh vật cũng nhƣ cảnh quan, gây mùi hôi thối ảnh hƣởng đến mục đích sử dụng của các thủy vực. Việc loại bỏ nitrat và photphat trong nƣớc thải của các khu đô thị, nhà máy hay xí nghiệp là vô cùng cần thiết và cấp bách vì chúng đƣợc coi là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm N và P trong nƣớc.
Để xử lý nitrat và photphat trong nƣớc đã có nhiều nghiên cứu với các giải pháp công nghệ khác nhau đƣợc tiến hành. Phƣơng pháp ứng dụng công nghệ nano đã và đang đƣợc các nhà nghiên cứu đƣa vào xử lý môi trƣờng bởi những tiện ích đáng kể của nó. Công nghệ nano thƣờng đƣợc nói đến nhƣ một cuộc cách mạng 7 z trong lĩnh cực công nghệ mới. Đặc biệt là lĩnh vực y học và môi trƣờng, các nano có thể là chất dẫn truyền thuốc, là chất xử lý ô nhiễm môi trƣờng [100].
Trong công nghệ nano thì sắt có hóa trị 0 và kích thƣớc nano (Fe0 nano) đƣợc các nhà khoa học quan tâm lựa chọn nhiều trong ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhƣ: xử lý nƣớc thải có chứa các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật trong đất và nƣớc [8, 14, 17, 28, 50, 64, 73, 83, 84]. Theo các tài liệu này Fe0 nano hoàn toàn không độc và an toàn với môi trƣờng, việc sử dụng Fe0 nano trong xử lý ô nhiễm môi trƣờng đạt hiệu suất rất cao [19, 51, 56, 95, 105]. Fe0 nano trong điều kiện môi trƣờng bình thƣờng có thể đóng vai trò là một chất cho electron (chất khử) để khử nitrat và sau đó biến đổi thành vật liệu có cấu trúc lõi vỏ để hấp phụ photphat. Hơn nữa, Fe0 nano còn là vật liệu có thể điều chế bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau với giá thành hợp lý, dễ chế tạo, dễ dàng biến tính để nâng cao hiệu suất xử lý.
Sản xuất bia là một trong những ngành công nghiệp chế biến thực phẩm sử dụng lƣợng nƣớc lớn và tạo ra một lƣợng lớn nƣớc thải. Nƣớc thải của nhà máy bia có hàm lƣợng chất hữu cơ dễ phân huỷ cao có thể gây ảnh hƣởng nghiêm trọng cho con ngƣời, môi trƣờng và sinh vật thủy sinh nếu không đƣợc xử lý đúng cách [70]. Do đó, việc xử lý và xử lý an toàn nƣớc thải là rất quan trọng trong việc vận hành các nhà máy bia [81]. Phƣơng pháp xử lý truyền thống tại các nhà máy bia nhƣ đông tụ/keo tụ, ly tâm và tách lắng trọng lực có những hạn chế nhất định trong việc xử lý COD và các hợp chất chứa N, P.
Theo Guida và cộng sự (2007), các phƣơng pháp này có hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao, hệ thống xử lý lớn và tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp [36, 41]. Nhà máy bia Hà Nội tại Hƣng Yên có công suất 50 triệu lít/năm, với lƣu lƣợng xả nƣớc thải khoảng 750 m3/ngày đêm. Hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại của nhà máy mới chỉ đáp ứng theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT, cột B đối với N và P-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải công nghiệp. Theo Quyết định số 28/2017/ QĐ-UBND ngày 05/12/2017 của UBND tỉnh Hƣng Yên về công tác bảo vệ môi trƣờng trên địa bàn tỉnh thì các khu sản xuất, kinh doanh, dịch vụ phải có hệ thống thu gom và xử lý nƣớc thải đạt giá trị giới hạn 8 z quy định tại Cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT trƣớc khi thải ra môi trƣờng.
Để đạt đƣợc điều này, cần phải có biện pháp phù hợp cho việc tăng cƣờng hiệu quả xử lý nƣớc thải của nhà máy bia. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu Fe0 nano trong việc xử lý kết hợp nitrat và photphat cho thấy có nhiều ƣu điểm, đặc biệt trong việc xử lý nƣớc nhằm đạt những tiêu chuẩn cao (Cột A) theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT. Trên cơ sở những vấn đề đặt ra ở trên, đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc” đã đƣợc lựa chọn nhằm tìm các giải pháp xử lý các nguồn nƣớc thải chứa nitrat và photphat. Đây là công trình nghiên cứu có triển vọng thực tiễn cao, tiếp nhận đƣợc công nghệ tiên tiến, đóng góp một phần cơ sở khoa học cho việc nâng cao hiệu quả xử lý nitrat và photphat trong nƣớc thải nói chung và nƣớc thải nhà máy bia nói riêng góp phần vào sự nghiệp bảo vệ môi trƣờng.
Mục tiêu của nghiên cứu: 1. Chế tạo đƣợc vật liệu Fe0 nano có đặc điểm, tính chất phù hợp, dễ bảo quản và ứng dụng trong xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc. Đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano so với xử lý riêng nitrat và photphat. Xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc từ đó tìm ra điều kiện phù hợp cho việc ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc.
Khảo sát đƣợc tính chất nƣớc thải của nhà máy bia Hà Nội tại Hƣng Yên và hiệu quả của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện có từ đó thử nghiệm ứng dụng vật liệu Fe0 nano để nâng cao hiệu quả xử lý N và P. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu của luận án, đối tƣợng nghiên cứu trƣớc tiên là các mẫu nƣớc đƣợc gây nhiễm nitrat và photphat nhân tạo từ các hóa chất 9 z tinh khiết hóa học là KNO3 và KH2PO4 để có thể dễ dàng điều chỉnh các nồng độ khác nhau và chứng minh đƣợc cơ chế của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng Fe0 nano mà không chịu tác động từ các yếu tố khác. Từ các mẫu nƣớc đã đƣợc gây nhiễm nhân tạo, nghiên cứu đã bổ sung, thay đổi từng các yếu tố có thể gây ảnh hƣởng đến hiệu quả của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng Fe0 nano để tìm ra điều kiện phù hợp cho việc kết hợp xử lý. Sau đó đối tƣợng nghiên cứu tiếp theo đƣợc lựa chọn là nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội để thử nghiệm nâng cao hiệu quả xử lý N và P của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại của nhà máy.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án ở quy mô trong phòng thí nghiệm cho cả nghiên cứu cơ bản trên nền mẫu gây nhiễm nhân tạo và thử nghiệm ứng dụng với nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội. Nội dung nghiên cứu của luận án: 1. Nghiên cứu điều chế vật liệu Fe0 nano có thể bảo quản ở điều kiện tự nhiên và xác định đặc điểm, tính chất của vật liệu; 2. Nghiên cứu hiệu quả xử lý riêng nitrat và riêng photphat bằng vật liệu Fe0 nano; 3.
Nghiên cứu hiệu quả xử lý kết hợp nitrat và photphat bằng Fe0 nano và ảnh hƣởng của các yếu tố (thời gian, pH, nồng độ Fe0 nano sử dụng, nồng độ nitrat và photphat ban đầu, nồng độ của Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, DO và cách thức điều chỉnh pH) đến hiệu quả xử lý; 4. Khảo sát đƣợc tính chất các nguồn nƣớc thải tại nhà máy bia Hà Nội và hiệu quả của hệ thống xử lý nƣớc thải hiện tại; 5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nitrat và photphat trong nƣớc thải nhà máy bia Hà Nội bằng Fe0 nano. 10 z Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: 1.
Đề tài đã làm rõ hơn cơ sở khoa học về cơ chế kết hợp xử lý nitrat và photphat bằng vật liệu Fe0 nano, đồng thời góp phần tiếp cận hƣớng nghiên cứu mới trong việc xử lý nitrat và photphat trong môi trƣờng; 2. Các số liệu thu đƣợc có thể mở ra một hƣớng mới cho việc nâng cao hiệu quả xử lý N và P có trong nƣớc thải của các nhà máy nhằm đáp ứng yêu cầu nƣớc thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại A về tổng N và tổng P theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/ BTNMT. Các kết quả đạt đƣợc của đề tài, góp một phần nhỏ vào phục vụ nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Những đóng góp mới của luận án: 1.
Đã xác định đƣợc hiệu quả của việc xử lý kết hợp nitrat và photphat trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano không giảm nhiều so với xử lý riêng nitrat và photphat. Đã tìm đƣợc điều kiện phù hợp để xử lý N và P trong nƣớc bằng vật liệu Fe0 nano.