Đặt vấn đề Kỹ thuật tái chế chất thải rắn từ các quá trình sản xuất thành những vật liệu hữu ích cho xử lý ô nhiễm môi trường để nâng cao giá trị của chất thải, đưa chất thải vào vòng tuần hoàn vật chất là một trong những xu hướng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học hiện nay. Giải pháp này đáp ứng đồng thời mục tiêu bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên và phát triển kinh tế tuần hoàn, phù hợp với nhu cầu và xu thế phát triển tất yếu của thế giới và định hướng phát triển ở Việt Nam. Trong những năm gần đây, rất nhiều nguồn chất thải đã được tận dụng làm nguyên liệu đốt để thu hồi năng lượng. Chẳng hạn như vỏ trấu, một loại chất thải có khối lượng rất lớn đối với một nước nông nghiệp như Việt Nam, hiện đang được sử dụng một cách hiệu quả để làm nguyên liệu đốt (như cung cấp nhiệt cho lò nung gạch, lò sấy nông sản.
Theo đó, lượng tro trấu thải sau khi đốt phát sinh với khối lượng lớn và trở thành một vấn đề môi trường đáng quan tâm ở Việt Nam nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng. Hiện nay, ở nước ta tro trấu đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số lĩnh vực như cải tạo đất trong nông nghiệp, làm phụ gia trong sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng nhẹ [3, 4] nhưng nhìn chung vẫn chưa có giải pháp nào mang tính hiệu quả để tận dụng nguồn chất thải này. Gần đây, tro trấu và vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ tro trấu đã được nghiên cứu để loại bỏ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học [5-7] và một số ion kim loại nặng [8, 9] trong môi trường nước. Thêm vào đó, các nghiên cứu khác của Nguyễn Trung Thành và các cộng sự [7, 10-12] cũng cho thấy tro trấu sau khi xử lý bề mặt (có thành phần chủ yếu là oxit silic và cacbon) thể hiện với những đặc trưng riêng biệt rất phù hợp để làm chất hấp phụ (CHP) hoặc làm chất mang bởi vật liệu này có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng chịu nhiệt tốt.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy tro trấu là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc chế tạo các vật liệu hấp phụ hữu ích để ứng dụng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải [13]. Tuy nhiên, hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây là hiệu quả hấp phụ thường không cao hoặc vật liệu chỉ có khả năng loại bỏ một thành phần ô nhiễm nhất định. 1 Trong khi đó, nước thải thường chứa rất nhiều thành phần ô nhiễm khác nhau như các chất ô nhiễm hữu cơ và các anion vô cơ của nitơ, phốt pho. Xử lý nước thải không chỉ là vấn đề lớn ở khu vực đô thị mà còn là vấn đề khó khăn ở nhiều vùng nông thôn, nhất là những vùng đang trong quá trình xây dựng nông thôn mới.
Chẳng hạn như, ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi là một trong những vấn đề nan giải ở nhiều vùng nông thôn hiện nay. Ở Việt Nam, chất thải chăn nuôi gia súc (heo, bò) chủ yếu được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (hầm biogas) nhằm tận dụng nguồn biogas làm nhiên liệu [14, 15]. Sau quá trình phân hủy này, các thành phần gây ô nhiễm trong nước thải như các chất hữu cơ và các hợp chất nitơ (tồn tại chủ yếu ở dạng amoni), phốt pho vẫn còn ở mức cao. Đây là các tác nhân làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt như gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm suy thoái chất lượng nước và phá hủy hệ sinh thái ở các thủy vực [16, 17].
Ngoài ra, nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất từ các làng nghề truyền thống (như dệt nhuộm) thường xử lý chưa đạt hiệu quả cũng chứa rất nhiều thành phần ô nhiễm độc hại khác nhau. Do đó, việc tiếp tục xử lý các tác nhân gây ô nhiễm (đặc biệt chú trọng là chất hữu cơ, nitrat, phốt phát còn lại sau các quá trình xử lý bậc 1, bậc 2) có trong các loại nước thải đa thành phần như nước thải dệt nhuộm, nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi (sau quá trình ủ biogas) bằng các công trình xử lý nâng cao như hấp phụ là rất cần thiết. Đối với lĩnh vực sản xuất chất hấp phụ, hiện nay than hoạt tính (AC) vẫn được xem là chất hấp phụ phổ biến nhất và ở Việt Nam thường được sản xuất chủ yếu từ gáo dừa. Tuy nhiên, sử dụng than hoạt tính gáo dừa chất lượng cao thường tốn kém chi phí và nguồn cung hạn chế.
Hơn nữa, vì bản chất của than hoạt tính chỉ dựa trên khả năng hấp phụ vật lý nên ứng dụng của nó trong xử lý nước chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ, một số ion kim loại nặng và thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong nước [18]. Thêm vào đó, đối với kỹ thuật hấp phụ, trong quá trình thiết kế và thi công các thiết bị hấp phụ thường có thể tích khá lớn do sử dụng các vật liệu có khả năng hấp phụ riêng lẻ đối với các chất ô nhiễm. Ngoài ra, tính chịu nhiệt độ của các vật liệu cũng là một hạn chế cần xem xét khi sử dụng (ví dụ như các loại nhựa trao đổi ion). Do đó, điều chắc chắn rằng chế tạo một vật liệu chịu nhiệt tốt và có khả năng hấp phụ đồng thời nhiều chất ô nhiễm trên các tâm hấp phụ khác nhau với thể tích hạt hấp phụ nhỏ nhất là 2 điều cần thiết và là giải pháp hiệu quả để giảm thể tích thiết bị hấp phụ trong công nghiệp.
Tuy nhiên, việc khám phá hướng nghiên cứu này còn nhiều hạn chế. Xuất phát từ các vấn đề đặt ra, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới từ tro trấu hấp phụ đồng thời chất hữu cơ, nitrat, phốt phát trong nước thải” đã được thực hiện. Đây là đề tài có ý nghĩa khoa học cao và mang nhiều ý nghĩa thực tiễn, đưa ra một giải pháp kỹ thuật mới để tái chế nguồn tro trấu thải rất lớn ở nước ta thành các vật liệu hấp phụ tiên tiến có khả năng ứng dụng xử lý các loại nước thải đa thành phần trong thực tế. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Luận án này tập trung vào đối tượng nghiên cứu chính là tro trấu thải từ các lò đốt để làm nguồn nguyên liệu chế tạo vật liệu hấp phụ mới.
Đối tượng xử lý hướng đến là chất ô nhiễm hữu cơ, nitrat và phốt phát trong các loại nước thải đa thành phần.2 Phạm vi nghiên cứu Luận án tiến hành các thí nghiệm chế tạo vật liệu, phân tích đặc trưng và nghiên cứu tính chất hấp phụ của vật liệu đối với 03 thành phần là chất hữu cơ (cụ thể là metyl da cam), nitrat và phốt phát trong dung dịch nước thải giả lập ở điều kiện phòng thí nghiệm và tiến hành thử nghiệm cơ bản đối với các loại nước thải thực tế chứa đa thành phần ô nhiễm từ nhiều nguồn như nước thải chăn nuôi (heo), nước thải dệt nhuộm, nước thải sinh hoạt. 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI Tổng quan về tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu 2.1 Sơ lược về trấu và tro trấu Trấu là phần vỏ ngoài bao quanh hạt lúa và được tách ra dưới dạng phụ phẩm khi xay xát thành gạo. Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10 mm, rộng 2-3 mm và dày 0,2 mm với khối lượng riêng khi nén chỉ khoảng 122 kg/m3 [19]. Vì vậy, cần phải tốn khá nhiều không gian để chứa chúng.
Đối với các cơ sở xay xát gạo tập trung, có công suất lớn thì việc quản lý và xử lý lượng trấu thải ra hàng ngày là một vấn đề khó khăn thường xuyên phải đối mặt. Theo nghiên cứu tổng quan của Chandrasekhar, et al. [20], hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng. Các hợp chất chính ở dạng xenlulose và lignin có cấu trúc xốp.
Những hợp chất này khi cháy chứa chủ yếu là SiO2 và các khí CO2, CO thải vào môi trường. Ngoài ra, trấu có giá trị dinh dưỡng rất thấp và chậm phân hủy nên cũng không thích hợp để sản xuất phân compost. Một trong các phương pháp xử lý phổ biến nhất hiện nay là đốt trấu để giảm khối lượng và thể tích của nó, đồng thời có thể tận dụng được lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt trấu để phục vụ cho các ngành công nghiệp như nung gạch, sấy nông sản,. Theo Mehta and Monteiro [21], hàm lượng trấu chiếm khoảng 20% hạt lúa và khi đốt trấu tạo thành một lượng tro khoảng 20% khối lượng trấu ban đầu.
Như vậy, ước tính khi xay xát mỗi tấn lúa sẽ thải ra 200 kg trấu và khi đốt sẽ còn lại khoảng 40 kg tro (hay than trấu). Tuy nhiên, đây chỉ là số liệu trung bình vì hàm lượng trấu trong lúa và hàm lượng tro trong trấu dao động trong một phạm vi khá lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, chất lượng đất, phân bón, thời vụ, khí hậu,. Những năm gần đây, ngành nông nghiệp trồng lúa trên thế giới đã có những phát triển vượt bậc. Việt Nam là một nước có thế mạnh về chuyên canh, chế biến và xuất khẩu lúa gạo với tổng sản lượng bình quân là 43,22 triệu tấn lúa trong giai đoạn 2016 - 2020 và đạt mức 42,76 triệu tấn lúa trong năm 2020 [22].
Nếu sử dụng các số liệu trung bình về hàm lượng trấu và tro trấu theo Mehta and Monteiro [21] để tính toán thì lượng vỏ trấu (Hình 2.1) và tro trấu (Hình 2.2) ước tính phát sinh trong cả nước năm 2020 sẽ tương ứng là 8,552 và 1,71 triệu tấn.1 Vỏ trấu Hình 2.2 Hiện trạng phát sinh và xử lý tro trấu thải trên địa bàn tỉnh An Giang Theo Tổng cục thống kê [22], An Giang là một trong những tỉnh đứng đầu cả nước về sản xuất lúa gạo với sản lượng lúa hàng năm khoảng 4 triệu tấn, chiếm 9,4% tổng sản lượng lúa cả nước và đã góp phần đáng kể cùng các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đảm bảo an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu. Năm 2020, sản lượng lúa của tỉnh An Giang là 4,014 triệu tấn [22]. Cùng với đó, lượng vỏ trấu phát sinh từ quá trình xay xát lúa đang được tái sử dụng làm nhiên liệu đốt cho các quá trình sản xuất khác ở địa phương.