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 thành phần ô nhiễm chủ yếu là amoni và COD (Chemical Oxygen Demand). 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 áp lực về chi phí xử lý, vận chuyển và diện tích lưu chứa, đồng thời ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường do hàm lượng bụi, kim loại nặng 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 công đoạn xử lý bậc hai, sử dụng cột lọc với lưu lượng 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.

Việc ứng dụng xỉ thép biến tính làm vật liệu hấp phụ không chỉ góp phần giảm thiểu lượng chất thải tồn đọng mà còn mang lại giải pháp xử lý nước rỉ rác hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững, đồng thời mở rộng ứng dụng tái chế phế thải công nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường.

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, bao gồm:

  • Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Quá trình hấp phụ diễn ra trên bề mặt vật liệu hấp phụ, bao gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, phụ thuộc vào diện tích bề mặt, cấu trúc lỗ xốp và nhóm chức trên vật liệu.

  • Mô hình hấp phụ Langmuir: Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ mô tả sự hấp phụ trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ hữu hạn, được sử dụng để tính dung lượng hấp phụ tối đa của vật liệu.

  • Mô hình hấp phụ cột Thomas và Yoon-Nelson: Hai mô hình động học hấp phụ cột phổ biến, giúp mô phỏng quá trình hấp phụ tiếp diễn trong cột lọc, xác định các thông số như hằng số động học, dung lượng hấp phụ cực đại và thời gian đột phá.

Các khái niệm chính bao gồm: amoni (NH4+), COD, vật liệu hấp phụ biến tính (A-BFS3 từ xỉ lò cao, MS20 từ xỉ thép), thời gian tiếp xúc lớp vật liệu (EBCT), và hiệu suất xử lý theo tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nước rỉ rác được thu thập tại Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn, Hà Nội. Vật liệu hấp phụ gồm xỉ lò cao và xỉ thép thu gom từ Công ty Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh, được biến tính bằng dung dịch HNO3 3M (cho A-BFS3) và NaOH 2M (cho MS20).

  • Phương pháp phân tích: Nồng độ amoni được xác định theo TCVN 6179-1:1996 bằng phương pháp trắc quang tại bước sóng 659 nm. COD được xác định theo TCVN 6491:1999 bằng phương pháp nhu cầu oxy hóa học. Diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp của vật liệu được đo bằng phương pháp BET và BJH, hình thái bề mặt quan sát qua SEM, nhóm chức trên bề mặt xác định bằng phổ FT-IR.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm hấp phụ cột sử dụng cột lọc acrylic đường kính 3,3 cm, chiều cao 25-30 cm, nhồi 160 g vật liệu hấp phụ. Nước rỉ rác sau tiền xử lý (keo tụ, stripping, Fenton) được bơm qua cột với lưu lượng 2,5; 5; 10; 20 mL/phút. Mẫu nước đầu ra được lấy định kỳ để phân tích amoni và COD. Các thí nghiệm được lặp lại 2 lần để đảm bảo độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, bao gồm giai đoạn tổng hợp vật liệu, tiền xử lý mẫu nước rỉ rác, thí nghiệm hấp phụ cột, phân tích dữ liệu và mô hình hóa.

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 102 ± 8 mg/L, COD giảm từ 2.918,7 ± 30 mg/L xuống 266,6 ± 6 mg/L sau các bước stripping, keo tụ và Fenton. Tuy nhiên, nồng độ này vẫn vượt xa tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A (amoni ≤ 5 mg/L, COD ≤ 50 mg/L).

  2. Đặc tính 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 (khoảng 1.417 m²/g). Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt vật liệu có độ nhám và lỗ xốp hạn chế, phù hợp với khả năng hấp phụ amoni và COD. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức như O-Si-O, hydroxyl, và các liên kết silicat, góp phần vào khả năng hấp phụ.

  3. Hiệu quả xử lý amoni bằng cột lọc A-BFS3: Ở lưu lượng 2,5 mL/phút (EBCT = 28,28 phút), cột lọc đạt hiệu suất xử lý amoni trên 95% trong 480 phút liên tục, tương đương xử lý 1.200 mL nước rỉ rác. Khi tăng lưu lượng lên 20 mL/phút (EBCT = 3,54 phút), thời gian hiệu quả giảm mạnh xuống còn 5 phút do thời gian tiếp xúc ngắn và tải lượng amoni cao.

  4. Mô hình hấp phụ cột: Dữ liệu thí nghiệm phù hợp với mô hình Thomas (R² từ 0,90 đến 0,99), hằng số động học kTH tăng từ 4,60×10⁻⁵ đến 4,02×10⁻⁴ L/mg.phút khi lưu lượng tăng, trong khi dung lượng hấp phụ cực đại qo giảm từ 1,63 mg/g xuống 0,92 mg/g. Mô hình Yoon-Nelson cũng cho kết quả tương tự, thể hiện tính chất hấp phụ đồng nhất và khả năng dự đoán hiệu quả xử lý.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý amoni và COD bằng vật liệu xỉ biến tính trong cột lọc cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước rỉ rác. Thời gian tiếp xúc (EBCT) là yếu tố quyết định quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ mẻ. Việc giảm hiệu suất ở lưu lượng cao phản ánh sự hạn chế trong quá trình truyền khối và cân bằng hấp phụ.

So sánh với các vật liệu hấp phụ truyền thống như than hoạt tính, xỉ thép và xỉ lò cao biến tính có diện tích bề mặt nhỏ hơn nhưng vẫn đạt hiệu quả xử lý đáng kể nhờ các nhóm chức và cấu trúc bề mặt đặc thù. Điều này đồng thuận với các nghiên cứu về khả năng hấp phụ kim loại nặng và hợp chất hữu cơ của xỉ thép.

Việc áp dụng mô hình Thomas và Yoon-Nelson giúp dự đoán chính xác quá trình hấp phụ trong cột, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống xử lý. Kết quả này cũng khẳng định tính khả thi của việc sử dụng vật liệu tái chế từ xỉ thép trong xử lý nước thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu lưu lượng vận hành cột lọc: 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 rủi ro vượt ngưỡng tiêu chuẩn. Thời gian vận hành hiệu quả có thể kéo dài đến 8 giờ liên tục.

  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 công nghệ trong điều kiện vận hành liên tục và biến động tải lượng ô nhiễm.

  3. Phát triển quy trình tái sinh vật liệu hấp phụ: Nghiên cứu các phương pháp tái sinh vật liệu A-BFS3 và MS20 để nâng cao vòng đời sử dụng, giảm chi phí vận hành và lượng chất thải phát sinh.

  4. Khuyến khích ứng dụng vật liệu tái chế trong xử lý nước thải: Đề xuất các chính sách hỗ trợ và hướng dẫn kỹ thuật cho các nhà máy xử lý nước thải áp dụng vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ thép, góp phần giảm thiểu tồn đọng xỉ và ô nhiễm môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về xử lý nước rỉ rác bằng vật liệu hấp phụ tái chế, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành hệ thống xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng công nghệ hấp phụ cột với vật liệu biến tính từ xỉ thép, tối ưu hóa quy trình xử lý nước rỉ rác tại các khu xử lý chất thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và hoạch định chính sách: Cung cấp thông tin khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định và chính sách khuyến khích tái sử dụng phế thải công nghiệp trong xử lý môi trường.

  4. Doanh nghiệp sản xuất gang thép và xử lý chất thải: Hướng dẫn tận dụng xỉ thép làm vật liệu hấp phụ, giảm chi phí xử lý chất thải và tăng giá trị kinh tế từ phế liệu.

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 hiệu quả nhờ các nhóm chức trên bề mặt, dù diện tích bề mặt nhỏ hơn than hoạt tính. Điều này giúp giảm chi phí xử lý và tận dụng tài nguyên tái chế.

  2. Tại sao cần tiền xử lý nước rỉ rác trước khi hấp phụ?
    Tiền xử lý như stripping, keo tụ và Fenton giúp giảm nồng độ amoni và COD ban đầu rất cao, làm ổn định pH và loại bỏ các chất gây cản trở quá trình hấp phụ, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý trong cột lọc.

  3. Lưu lượng nước thải ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả hấp phụ?
    Lưu lượng cao làm giảm thời gian tiếp xúc giữa nước thải và vật liệu hấp phụ, dẫn đến giảm hiệu suất xử lý và dung lượng hấp phụ cực đại. Lưu lượng thấp giúp tăng thời gian tiếp xúc, cải thiện hiệu quả hấp phụ.

  4. Mô hình Thomas và Yoon-Nelson có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Hai mô hình này giúp mô phỏng và dự đoán quá trình hấp phụ trong cột lọc, xác định các thông số động học và dung lượng hấp phụ, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa vận hành hệ thống xử lý.

  5. Có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi bão hòa không?
    Có thể tái sinh vật liệu bằng các phương pháp hóa học hoặc nhiệt để phục hồi khả năng hấp phụ, giúp kéo dài tuổi thọ vật liệu và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung phát triển quy trình tái sinh hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu hấp phụ biến tính từ xỉ lò cao (A-BFS3) và xỉ thép (MS20) để xử lý amoni và COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp hấp phụ cột.
  • Hiệu quả xử lý amoni đạt trên 95% ở lưu lượng thấp với thời gian tiếp xúc dài, phù hợp với tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A.
  • Mô hình hấp phụ Thomas và Yoon-Nelson phù hợp để mô phỏng quá trình hấp phụ, hỗ trợ dự đoán và tối ưu hóa vận hành cột lọc.
  • Vật liệu xỉ biến tính có tiềm năng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng phế thải công nghiệp.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô pilot, phát triển quy trình tái sinh vật liệu và khuyến khích ứng dụng công nghệ trong các hệ thống xử lý nước rỉ rác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thí nghiệm quy mô lớn, đồng thời xây dựng hướng dẫn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ hấp phụ cột sử dụng vật liệu xỉ biến tính trong xử lý nước thải.