Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác là một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng phát sinh từ các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt, với nồng độ amoni và COD rất cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Theo ước tính, lượng chất thải rắn phát thải toàn cầu sẽ đạt khoảng 2,2 tỉ tấn vào năm 2025, tạo áp lực lớn lên công tác xử lý và bảo vệ môi trường. Tại Việt Nam, sản lượng xỉ thép phát sinh từ ngành luyện gang thép dự kiến đạt 5 – 7 triệu tấn vào năm 2020 và có thể lên tới 10 triệu tấn vào năm 2025. Xỉ thép hiện đang được xem là chất thải rắn có khối lượng lớn, gây khó khăn trong xử lý và tồn chứa, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường do hàm lượng kim loại nặng và bụi cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp hấp phụ dạng cột sử dụng vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ thép và xỉ lò cao. Mục tiêu chính là khảo sát hiệu quả xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác sau xử lý bậc 2, với lưu lượng nước thải từ 2,5 đến 20 mL/phút, đồng thời xác định các thông số mô hình hấp phụ cột nhằm đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu nước rỉ rác thu thập tại Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn, Hà Nội, trong năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển giải pháp xử lý nước rỉ rác hiệu quả, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy tái sử dụng chất thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình hấp phụ trong xử lý nước thải, đặc biệt là hấp phụ dạng cột. Hai mô hình hấp phụ cột được áp dụng phổ biến trong nghiên cứu này là mô hình Thomas và mô hình Yoon-Nelson. Mô hình Thomas giả định quá trình hấp phụ tuân theo động học Langmuir với phản ứng bậc hai nghịch đảo, không có phân tán dọc trục, giúp tính toán dung lượng hấp phụ tối đa và hằng số động học. Mô hình Yoon-Nelson đơn giản hơn, không phụ thuộc vào tính chất vật liệu hấp phụ, dựa trên xác suất hấp phụ và đột phá của chất ô nhiễm trong cột lọc.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Amoni (NH4+) và COD: hai chỉ tiêu ô nhiễm chính trong nước rỉ rác, ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước và sức khỏe.
  • Xỉ thép và xỉ lò cao biến tính: vật liệu hấp phụ được tổng hợp từ phế thải công nghiệp luyện thép, có thành phần khoáng chứa nhiều oxit kim loại, tiềm năng hấp phụ cao.
  • Thời gian tiếp xúc lớp vật liệu (EBCT): thời gian nước thải tiếp xúc với vật liệu hấp phụ trong cột, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước rỉ rác thu thập tại Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn, được bảo quản và xử lý sơ bộ theo tiêu chuẩn ISO 5667-3:2003. Nước rỉ rác sau tiền xử lý gồm các bước sục khí, keo tụ bằng phèn nhôm (PAC) và xử lý Fenton, có nồng độ amoni khoảng 100 mg/L và COD khoảng 266,6 mg/L.

Vật liệu hấp phụ gồm hai loại:

  • A-BFS3: xỉ lò cao biến tính bằng HNO3 3M và NaOH 0,3M, kích thước hạt 0,25 mm, diện tích bề mặt 2,3057 m²/g.
  • MS20: xỉ thép biến tính bằng NaOH 2M, kích thước hạt 0,25 mm, diện tích bề mặt 2,4150 m²/g.

Thí nghiệm hấp phụ dạng cột được thực hiện trên cột acrylic đường kính 3,3 cm, chiều cao 25 cm, nhồi 160 g vật liệu hấp phụ. Lưu lượng nước thải được điều chỉnh ở các mức 2,5; 5; 10 và 20 mL/phút, tương ứng thời gian tiếp xúc EBCT từ 3,54 đến 28,28 phút. Nồng độ amoni và COD được phân tích bằng phương pháp quang phổ và chuẩn độ theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6179-1:1996 và TCVN 6491:1999. Các thí nghiệm được lặp lại hai lần để đảm bảo độ chính xác.

Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình Thomas và Yoon-Nelson để tính toán các hằng số động học, dung lượng hấp phụ tối đa và thời gian đột phá của cột lọc. Các phương pháp xác định tính chất vật lý của vật liệu gồm phân tích diện tích bề mặt BET, quan sát cấu trúc bề mặt bằng SEM và phổ FT-IR để xác định nhóm chức trên bề mặt vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất ô nhiễm nước rỉ rác sau tiền xử lý: Nồng độ amoni giảm từ 634 ± 30 mg/L xuống còn 100 ± 3 mg/L, COD giảm từ 2.918,7 ± 30 mg/L xuống 266,6 mg/L sau các bước sục khí, keo tụ và xử lý Fenton. Tuy nhiên, nồng độ này vẫn vượt xa tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A (5 mg/L amoni, 50 mg/L COD).

  2. Tính chất vật liệu hấp phụ: Diện tích bề mặt riêng của A-BFS3 và MS20 lần lượt là 2,3057 m²/g và 2,4150 m²/g, thấp hơn nhiều so với than hoạt tính (trên 1.400 m²/g). SEM cho thấy bề mặt vật liệu có cấu trúc lỗ xốp hạn chế, MS20 có bề mặt nhám hơn A-BFS3. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm hydroxyl và silicat, góp phần vào khả năng hấp phụ amoni và COD.

  3. Hiệu quả xử lý amoni bằng cột lọc A-BFS3: Ở lưu lượng 2,5 mL/phút (EBCT = 28,28 phút), cột lọc duy trì hiệu quả xử lý amoni đạt tiêu chuẩn QCVN trong 480 phút, tương đương xử lý 1.200 mL nước rỉ rác. Khi lưu lượng tăng lên 20 mL/phút (EBCT = 3,54 phút), thời gian hiệu quả giảm xuống chỉ còn 5 phút. Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Thomas giảm từ 1,63 mg/g xuống 0,92 mg/g khi lưu lượng tăng, phản ánh sự giảm hiệu quả do thời gian tiếp xúc ngắn.

  4. Mô hình hấp phụ cột: Dữ liệu thí nghiệm phù hợp với mô hình Thomas và Yoon-Nelson với hệ số xác định R² từ 0,90 đến 0,99, cho thấy quá trình hấp phụ amoni trên A-BFS3 tuân theo động học bậc hai và có thể dự đoán được bằng các mô hình này.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý amoni và COD bằng vật liệu biến tính từ xỉ thép và xỉ lò cao cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác. Thời gian tiếp xúc (EBCT) là yếu tố quyết định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng hấp phụ và thời gian đột phá của cột lọc. Lưu lượng nước thải càng cao, thời gian tiếp xúc càng ngắn, dẫn đến giảm hiệu quả xử lý do không đủ thời gian hấp phụ cân bằng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, dung lượng hấp phụ amoni của A-BFS3 (1,63 mg/g) tương đồng với kết quả thí nghiệm mẻ (1,81 mg/g), chứng tỏ tính ổn định của vật liệu trong quy trình tiếp diễn. Mặc dù diện tích bề mặt và độ xốp của vật liệu thấp hơn than hoạt tính, nhưng khả năng hấp phụ amoni và COD vẫn đạt hiệu quả đáng kể nhờ thành phần khoáng và nhóm chức trên bề mặt.

Việc sử dụng xỉ thép và xỉ lò cao biến tính không chỉ giúp xử lý ô nhiễm mà còn góp phần giảm thiểu lượng chất thải công nghiệp tồn đọng, đồng thời giảm chi phí xử lý so với vật liệu hấp phụ truyền thống. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong đột phá, biểu đồ tuyến tính mô hình Thomas và Yoon-Nelson để minh họa sự thay đổi nồng độ ô nhiễm theo thời gian và lưu lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu lưu lượng và thời gian tiếp xúc: Khuyến nghị vận hành cột lọc ở lưu lượng thấp (khoảng 2,5 mL/phút) để đảm bảo thời gian tiếp xúc đủ dài, nâng cao hiệu quả xử lý amoni và COD, giảm thiểu nguy cơ đột phá sớm.

  2. Mở rộng quy mô thí nghiệm pilot: Thực hiện các thí nghiệm quy mô lớn hơn tại các khu xử lý nước rỉ rác thực tế nhằm đánh giá khả năng ứng dụng và độ bền của vật liệu trong điều kiện vận hành liên tục.

  3. Phát triển vật liệu hấp phụ biến tính: Nghiên cứu thêm các phương pháp biến tính vật liệu xỉ thép và xỉ lò cao để tăng diện tích bề mặt và độ xốp, cải thiện dung lượng hấp phụ, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

  4. Kết hợp quy trình xử lý đa bậc: Đề xuất tích hợp phương pháp hấp phụ cột với các quy trình sinh học và hóa lý hiện có để xử lý triệt để amoni và COD, đảm bảo nước thải đạt chuẩn trước khi xả thải.

  5. Chính sách khuyến khích tái sử dụng xỉ thép: Khuyến nghị các cơ quan quản lý môi trường xây dựng chính sách hỗ trợ và thúc đẩy việc tái chế, tái sử dụng xỉ thép trong xử lý nước thải nhằm giảm thiểu tồn đọng chất thải và bảo vệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xử lý nước rỉ rác bằng vật liệu hấp phụ biến tính, hỗ trợ phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu tái chế và công nghệ xử lý nước thải.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Thông tin về tiềm năng ứng dụng xỉ thép trong xử lý ô nhiễm giúp xây dựng các chính sách quản lý chất thải rắn và nước thải hiệu quả, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất gang thép và xử lý chất thải: Cung cấp giải pháp xử lý nước rỉ rác hiệu quả, giảm chi phí vận chuyển và xử lý xỉ thép, đồng thời nâng cao trách nhiệm môi trường trong sản xuất.

  4. Các đơn vị vận hành bãi chôn lấp và nhà máy xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ hấp phụ cột với vật liệu biến tính từ xỉ thép để nâng cao hiệu quả xử lý nước rỉ rác, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu xỉ thép biến tính có ưu điểm gì so với than hoạt tính?
    Xỉ thép biến tính có chi phí thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào từ phế thải công nghiệp, khả năng hấp phụ amoni và COD tốt nhờ thành phần khoáng và nhóm chức trên bề mặt, mặc dù diện tích bề mặt nhỏ hơn than hoạt tính. Đây là giải pháp thân thiện môi trường và kinh tế.

  2. Tại sao thời gian tiếp xúc (EBCT) lại quan trọng trong hấp phụ cột?
    EBCT quyết định thời gian nước thải tiếp xúc với vật liệu hấp phụ, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ và dung lượng hấp phụ. Thời gian tiếp xúc ngắn sẽ làm giảm hiệu quả xử lý do không đủ thời gian hấp phụ cân bằng.

  3. Mô hình Thomas và Yoon-Nelson khác nhau như thế nào?
    Mô hình Thomas dựa trên giả định động học Langmuir và phản ứng bậc hai, tính toán dung lượng hấp phụ tối đa và hằng số động học. Mô hình Yoon-Nelson đơn giản hơn, dựa trên xác suất hấp phụ và đột phá, không phụ thuộc vào tính chất vật liệu, thuận tiện cho dự đoán thời gian đột phá.

  4. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nước thải khác không?
    Có, vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ thép và xỉ lò cao có thể được điều chỉnh để xử lý các loại nước thải chứa amoni và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, như nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt có tải lượng ô nhiễm cao.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả hấp phụ của vật liệu xỉ thép?
    Có thể cải thiện bằng cách biến tính vật liệu với các hóa chất như axit hoặc kiềm để tăng diện tích bề mặt, độ xốp và nhóm chức hoạt tính, đồng thời tối ưu điều kiện vận hành như pH, lưu lượng và thời gian tiếp xúc trong cột lọc.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp hấp phụ dạng cột sử dụng vật liệu biến tính từ xỉ thép và xỉ lò cao.
  • Thời gian tiếp xúc (EBCT) và lưu lượng nước thải là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả và dung lượng hấp phụ của cột lọc.
  • Mô hình Thomas và Yoon-Nelson phù hợp để mô phỏng và dự đoán quá trình hấp phụ trong cột lọc, hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống thực tế.
  • Vật liệu xỉ thép biến tính là giải pháp tiềm năng, thân thiện môi trường và kinh tế cho xử lý nước rỉ rác và các loại nước thải ô nhiễm khác.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô thí nghiệm, phát triển vật liệu và tích hợp quy trình xử lý đa bậc nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thí nghiệm pilot quy mô lớn, đồng thời phát triển công nghệ biến tính vật liệu để thương mại hóa giải pháp xử lý nước rỉ rác hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.