MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Xỉ thép là phế thải của ngành công nghiệp luyện gang thép, thải phẩm ở dạng hạt có đường kính 10 ÷ 200 mm. Đây là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxit sắt thành gang. Trong năm 2018 ngành công nghiệp luyện thép thế giới đạt sản lượng 1808 triệu tấn, tương đương với lượng xỉ thép đi kèm vào khoảng 181-271 triệu tấn [1]. Tại Việt Nam, xỉ thép đang phát thải với khối lượng tăng nhanh chóng trong những năm gần đây và những năm sắp tới [2].
Năm 2016, các cơ sở sản xuất gang, thép trong nước đạt sản lượng 2,6 triệu tấn gang và 7,0 triệu tấn phôi thép. Để sản xuất một tấn thép thải ra từ 0,15 ÷ 0,2 tấn xỉ luyện thép. Theo tính toán, năm 2020 khi các dự án sản xuất gang, thép lớn đi vào hoạt động, lượng xỉ tạo ra có thể đạt 5 – 7 triệu tấn, đến năm 2025 có thể đạt 10 triệu tấn. Xỉ thép tại Việt Nam được xếp vào loại chất thải rắn với khối lượng phát thải tương đối lớn do sự phát triển gia tăng trong hoạt động sản xuất gang thép.
Do đó, chi phí xử lý, vận chuyển cũng như diện tích xử lý cũng sẽ trở thành gánh nặng cho công tác bảo vệ môi trường. Các bãi chất thải rắn này chiếm diện tích rất lớn và có tác động lớn đến chất lượng môi trường do hàm lượng bụi, rỉ sét và kim loại nặng lớn. Vì vậy, đòi hỏi phải có các giải pháp để thúc đẩy việc xử lý, tái chế và sử dụng nhằm hạn chế việc tồn chứa gây tốn diện tích bãi chứa và ảnh hưởng đến môi trường. Hiện nay, việc tái chế, tái sử dụng xỉ thép đã được ứng dụng làm chất độn xi măng hoặc cốt liệu san lấp nền hay cốt liệu cho bê tông nhựa đường [3].
Tuy nhiên tình hình ứng dụng thực tế lại không tận dụng được hết tính chất do các quy chuẩn và khoa học vật liệu. Hơn 90% lượng xỉ vẫn đang tồn đọng trong bãi thải hoặc chôn lấp tại chỗ trong các nhà máy. Trong kỹ thuật xử lý nước thải bằng hấp phụ, việc lựa chọn vật liệu hấp phụ sẽ ưu tiên xét những tiêu chí về đặc tính kỹ thuật như độ xốp, diện tích bề mặt như than hoạt tính, hoặc có thành phần khoáng như đá ong và zeolite, etc. Bên cạnh đó, những tiêu chí như giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với môi trường cũng được xem xét để giảm chi phí xử lý và giảm lượng phát thải ra môi trường.
Xỉ thép với tính chất của các thành phần khoáng từ nhiều oxit kim loại rất có tiềm năng để tái sử dụng trở thành 2 vật liệu hấp phụ. Trong nghiên cứu của Trần Thị Thu Trang và cộng sự (2015), xỉ thép đã được sử dụng thử nghiệp trong quá trình hấp phụ asen trong nước [4]. Kết quả cho thấy xỉ thép có khả năng hấp phụ As (III) với dung lượng 3,58 * 104 mg/kg và có hiệu quả hơn hẳn các vật liệu khác như sỏi đá, zeolite, đá phiến sét. Để cải thiện hiệu suất xử lý cũng như mở rộng đối tượng ô nhiễm có thể xử lý bằng xỉ thép, Viện Công nghệ môi trường đã tiến hành biến tính xỉ thép và xỉ lò cao để khảo sát hiệu quả xử lý đối với amoni và COD trong nước thải [5, 6].
Các thí nghiệm hấp phụ mẻ đối với amoni và COD cho dung lượng hấp phụ tối đa lần lượt là 1,81 mg/g và 6,87 mg/g theo tính toán từ mô hình Langmuir. Kết quả trên thể hiện tiềm năng ứng dụng trong thực tế rất hứa hẹn của xỉ thép và xỉ lò cao biến tính đối với xử lý các thành phần ô nhiễm trong nước. Tuy nhiên, các thí nghiệm trên mới chỉ dừng lại ở quy mô thí nghiệm mẻ ứng dụng trên nước ô nhiễm mô phỏng, do đó thí nghiệm cột mô phỏng ở quy mô pilot đối với nước thải là rất cần thiết để đánh giá chính xác và khách quan hơn khả năng ứng dụng trong thực tế. Trên cơ sở các phân tích trên, đề tài được lựa chọn có tên: “Nghiên cứu xử lý amoni và COD trong nƣớc rỉ rác bằng phƣơng pháp hấp phụ dạng cột sử dụng xỉ thép biến tính”.
Nghiên cứu này nhằm mục đích kế thừa các vật liệu xỉ lò cao và xỉ thép biến tính từ các nghiên cứu trước, tổng hợp vật liệu ở khối lượng lớn dùng cho cột lọc nhằm thử nghiệm khả năng hấp phụ tiếp diễn đối với amoni và COD trong quy trình xử lý bậc 3 đối với nước rỉ rác. Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu hấp phụ amoni và COD trong nước rỉ rác sau công đoạn xử lý bậc 2 bằng hệ lọc sử dụng xỉ lò cao và xỉ thép biến tính ở dải công suất từ 2,5 đến 20 mL/phút (0,15 – 1,2 L/h). - Nghiên cứu, tính toán, xác định các chỉ số trong mô hình hấp phụ cột ở dải công suất từ 2,5 đến 20 mL/phút đối với xử lý amoni và COD sử dụng xỉ lò cao và xỉ thép biến tính Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về amoni và COD trong nước rỉ rác; - Tổng quan về các phương pháp xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác; 3 - Tổng quan về xỉ thép và khả năng tái chế xỉ thép thành vật liệu hấp phụ xử lý nước thải; - Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ tiếp diễn amoni và COD trong nước rỉ rác sử dụng cột lọc xỉ lò cao và xỉ thép biến tính. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài: Nghiên cứu này đã tiếp nối được các kết quả thu được từ khảo sát xử lý amoni và COD sử dụng xỉ thép và xỉ lò cao trước đó và đánh giá được hiệu quả xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác dùng trong cột lọc sử dụng xỉ lò cao và xỉ thép biến tính.
Những đóng góp của luận văn: Từ các kết quả của luận văn, có thể xác định được khả năng và định hướng ứng dụng của cột lọc sử dụng xỉ thép và xỉ lò cao biến tính trong xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác nói riêng và nước thải nói chung. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. TỔNG QUAN VỀ NƢỚC RỈ RÁC 1. Sự hình thành của nước rỉ rác Với tốc độ đô thị hóa và gia tăng dân số ở các khu vực đô thị lớn hiện nay trên toàn thế giới, lượng phát thải rác sinh hoạt đang là một áp lực lớn hiện nay đối với nhiều quốc gia phát triển và đang phát triển.
Theo ước tính trước đó trong nghiên cứu của Hoornweg và Bhada-Tata năm 2012, tới năm 2025 lượng chất thải rắn phát thải hàng năm sẽ đạt ngưỡng 2,2 tỉ tấn [7]. Điều này tạo áp lực lớn lên các công tác xử lý và bảo vệ môi trường, đòi hỏi phải có các phương pháp xử hiện này phải được áp dụng hiệu quả và triệt để hơn như chôn lấp, tái chế, ủ phân compost, và thiêu đốt. Ở hầu hết các quốc gia đang phát triển, phần lớn lượng chất thải rắn được xử lý bằng phương pháp chôn lấp do chi phí xử lý thấp bất chấp các nguy cơ ô nhiễm thứ cấp và các rủi ro môi trường đi kèm. Việc sử dụng các công nghệ tối ưu hơn thường bị hạn chế bởi các lý do về hạn hẹp về nguồn vốn, chưa chặt chẽ trong luật, và sự hạn chế trong ý thức đối với bảo vệ môi trường [8].
Bên cạnh các nhược điểm về tiêu tốn quỹ đất, tiêu cực tới mỹ quan môi trường và chất lượng không khí, rủi ro và nhược điểm lớn nhất của chôn lấp là sự hình thành của nước rỉ rác. Nước rỉ rác được hình thành từ quá trình thấm đẫm của các thành phần ẩm trong rác và nước mưa thẩm thấu từ phía trên bãi chôn lấp qua lớp rác đã trải qua các quá trình phân hủy thiếu khí và hiếu khí. Nước rỉ rác có thành phần ô nhiễm rất cao, có nguy cơ gây ô nhiễm đất và nước ngầm nếu không được bọc lót chính xác [9]. Lưu trình hình thành nước rỉ rác tại bãi chôn lấp [10] 1.
Tính chất ô nhiễm của nước rỉ rác Nước rỉ rác được phân loại bởi hai tính chất chính gồm có lượng phát thải và thành phần [11]. Lượng phát thải phụ thuộc vào rất nhiêu yếu tố, ví dụ như lượng mưa, mực nước ngầm, dòng chảy tràn bề mặt, cách thức bao bọc của bãi chôn lấp, và thành phần rác của bãi chôn lấp. Bên cạnh đó, tuổi đời của bãi chôn lấp cũng là yếu tố ảnh hưởng đến lượng phát thải của nước rỉ rác. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của nước rỉ rác có thể kể đến như tính chất của rác sau phân hủy, tuổi đời bãi chôn lấp, khí hậu, phân hủy của chất thải lỏng, các phản ứng sinh hóa giữa bãi chôn lấp và môi trường bên ngoài, độ nén của rác, thiết kế của bãi chôn lấp, và độ ẩm của rác [12].
Trong đó, tuổi đời của bãi chôn lấp được coi là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất và được xem xét nhiều nhất trong việc xác định tính chất của nước rỉ rác do các yếu tố còn lại rất khó để xác định đồng thời [11]. Rác thải trong bãi chôn lấp thông thường sẽ trải qua các quá trình gồm có phân hủy thiếu khí, kị khí, axit hoát, methan hóa và ổn định hóa. Do đó, đối với các bãi chôn lấp có tuổi đời cao sẽ có thành phần BOD5 thấp hơn, nước rỉ rác cũng sẽ ổn định hơn nhờ sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ bền (như axit fulvic và axit humic) và tỉ lệ BOD5/COD thấp hơn [13]. Theo nghiên cứu của Mukherjee và cộng sự năm 2015, thành phần của nước rỉ rác được ước lượng thông qua tuổi đời ở bốn ngưỡng gồm có: dưới 5 năm, từ 5 – 10 năm, 10 – 20 năm và trên 20 năm [11].
Bảng 1 dưới đây thể 6 hiện các tính chất khác nhau của nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp có tuổi đời khác nhau. Tính chất của nước rỉ rác qua từng thời điểm chôn lấp [12] Chỉ tiêu ô Nƣớc rỉ rác nhiễm < 5 năm 5 – 10 năm 10 – 20 năm >20 năm pH 3-7 6-8 >7.500 Quá trình lên men kị khí của các thành phần hữu cơ trong rác tạo nên sự hình thành của các axit béo dẫn đến giảm độ pH và tăng thành phần BOD5 trong nước rỉ rác ở các bãi chôn dưới 5 năm [14].