Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước, đặc biệt là kim loại đồng (Cu), đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo báo cáo của ngành, nồng độ Cu trong nước thải từ các hoạt động công nghiệp như mạ điện, khai khoáng, sản xuất pin và các làng nghề tái chế có thể dao động từ 150 mg/L đến 300 mg/L, vượt xa ngưỡng an toàn. Kim loại đồng không phân hủy sinh học và có khả năng tích lũy trong cơ thể, gây tổn thương hệ thần kinh, hệ tim mạch và các cơ quan nội tạng. Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng quy trình tách polymer sinh học (biopolymer) từ bùn thải sinh học và đánh giá khả năng ứng dụng của polymer này trong xử lý ion Cu2+ trong nước thải xi mạ. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ Môi trường, Hà Nội, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2017. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, đồng thời tận dụng nguồn bùn thải sinh học vốn là chất thải cần xử lý, hướng tới giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về polymer ngoại bào (EPS - Extracellular Polymeric Substances), một hỗn hợp phức tạp các polymer sinh học do vi sinh vật sinh tổng hợp, gồm protein, polysaccharide, acid nucleic và các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, amino. EPS có khả năng hấp phụ kim loại nhờ các nhóm chức mang điện tích âm, tạo phức với ion kim loại nặng như Cu2+. Mô hình hấp phụ tuân theo phương trình Langmuir và Freundlich, trong đó hiệu suất hấp phụ phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc của EPS. Ngoài ra, cơ chế trao đổi ion giữa các cation hóa trị II (Ca2+, Mg2+) liên kết với EPS và ion kim loại Cu2+ cũng được xem xét. Các khái niệm chính bao gồm: polymer sinh học, hấp phụ sinh học, trao đổi ion, và các phương pháp tách EPS (vật lý, hóa học, sinh học).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bùn thải sinh học được nuôi cấy trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt quy mô phòng thí nghiệm, với nồng độ MLSS đạt 1500-2000 mg/L. Mẫu nước thải chứa ion Cu2+ được chuẩn bị giả định với nồng độ 250 mg/L, cùng mẫu nước thải thực tế từ nhà máy mạ đồng Phú Thái có nồng độ Cu2+ 155 mg/L. Các phương pháp tách EPS bao gồm ly tâm, nhiệt, và các tác nhân hóa học như HCl, H2SO4, NaOH, EDTA, formaldehyde kết hợp NaOH. Sau khi tách, EPS được kết tủa bằng ethanol lạnh và phân tích thành phần protein, polysaccharide, acid nucleic bằng các phương pháp Lowry, Phenol – axit sulfuric và Dyphenylamin. Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định nhóm chức trong EPS. Phân tích Cu2+ trong dung dịch sau hấp phụ được thực hiện bằng phổ hấp phụ nguyên tử AAS theo TCVN 6193:1996. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và hồi quy tuyến tính để đánh giá mối quan hệ giữa thành phần EPS và hiệu quả xử lý. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng EPS tách được: Phương pháp hóa học như HCl và H2SO4 tách được lượng EPS cao nhất, đạt khoảng 96-101 mg EPS/g bùn, trong khi phương pháp vật lý như ly tâm chỉ đạt khoảng 3,3 mg EPS/g bùn. Phương pháp NaOH và NaOH kết hợp formaldehyde cũng cho lượng EPS tương đối cao, khoảng 25-39 mg/g bùn.

  2. Thành phần hóa học của EPS: Hàm lượng protein dao động từ 0,063 mg/g bùn (ly tâm) đến 5,6 mg/g bùn (NaOH), polysaccharide từ 0,055 mg/g bùn đến 2,68 mg/g bùn (NaOH), acid nucleic từ 0,063 đến 1,48 µg/g bùn (HCl). EPS tách bằng phương pháp hóa học có tỷ lệ protein và polysaccharide cao hơn đáng kể so với phương pháp vật lý.

  3. Hiệu quả xử lý Cu2+: EPS dạng thô tách bằng NaOH và NaOH kết hợp formaldehyde có hiệu suất hấp phụ Cu2+ cao nhất, đạt 18-23% (tương đương 406-513 mg Cu/g EPS). EPS dạng tinh có hiệu suất thấp hơn, dưới 10%. Hiệu quả xử lý tăng theo hàm lượng polysaccharide (R²=0,959), protein (R²=0,878) và acid nucleic (R²=0,808).

  4. Ảnh hưởng của pH và thời gian: pH tối ưu cho hấp phụ Cu2+ là khoảng 4-4,5, với hiệu suất hấp phụ đạt 50%. Thời gian hấp phụ tối ưu là 60 phút, sau đó hiệu suất gần như bão hòa. Tăng thời gian hấp phụ trên 60 phút không làm tăng đáng kể hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tách EPS bằng tác nhân hóa học hiệu quả hơn về lượng và thành phần polymer có khả năng hấp phụ kim loại. Hàm lượng polysaccharide cao trong EPS tách bằng NaOH góp phần quan trọng vào khả năng hấp phụ Cu2+, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của polysaccharide trong hấp phụ kim loại. Hiệu quả hấp phụ cao ở pH 4-4,5 giải thích bởi sự ion hóa các nhóm chức trong EPS, tăng khả năng liên kết với Cu2+. Thời gian hấp phụ 60 phút phù hợp với cơ chế khuếch tán và trao đổi ion trong cấu trúc polymer. So với các phương pháp truyền thống như kết tủa hóa học, sử dụng EPS từ bùn thải sinh học là giải pháp thân thiện môi trường, tận dụng nguồn chất thải và giảm chi phí vận hành. Biểu đồ phổ IR minh họa sự hiện diện của các nhóm chức NH2, C=O, O-C trong EPS, giải thích cơ chế liên kết ion kim loại. Bảng so sánh hiệu suất hấp phụ theo phương pháp tách EPS cho thấy rõ sự ưu việt của phương pháp NaOH và NaOH kết hợp formaldehyde.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng phương pháp tách EPS bằng NaOH kết hợp formaldehyde trong quy trình xử lý nước thải công nghiệp chứa Cu2+, nhằm tăng hiệu quả hấp phụ kim loại, giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1 giờ.

  2. Phát triển hệ thống pilot xử lý nước thải sử dụng EPS thô trực tiếp, không cần tinh sạch, để tận dụng tối đa hiệu quả hấp phụ và giảm chi phí công nghệ. Chủ thể thực hiện là các nhà máy mạ điện và cơ sở xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Kiểm soát pH trong quá trình xử lý nước thải duy trì ở mức 4-4,5 để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ Cu2+ của EPS, đồng thời tránh hiện tượng kết tủa không mong muốn.

  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng EPS trong xử lý các kim loại nặng khác như Pb, Zn, Cd nhằm đa dạng hóa vật liệu hấp phụ sinh học thân thiện môi trường.

  5. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích tái sử dụng bùn thải sinh học trong xử lý môi trường, giảm thiểu lượng bùn thải nguy hại và thúc đẩy phát triển công nghệ xanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về polymer sinh học EPS và ứng dụng trong xử lý kim loại nặng.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo quy trình tách EPS và ứng dụng trong xử lý nước thải chứa Cu2+, giúp cải tiến công nghệ và giảm chi phí vận hành.

  3. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ tiềm năng vật liệu sinh học trong xử lý ô nhiễm kim loại, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ công nghệ thân thiện môi trường.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải: Áp dụng giải pháp EPS để nâng cao hiệu quả xử lý, tận dụng nguồn bùn thải sinh học, giảm phát sinh chất thải nguy hại.

Câu hỏi thường gặp

  1. EPS là gì và tại sao nó có khả năng hấp phụ kim loại?
    EPS là polymer ngoại bào do vi sinh vật sinh tổng hợp, chứa các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, amino có khả năng tạo phức với ion kim loại, giúp hấp phụ hiệu quả các kim loại nặng trong nước.

  2. Phương pháp tách EPS nào hiệu quả nhất?
    Phương pháp hóa học, đặc biệt là sử dụng NaOH kết hợp formaldehyde, tách được lượng EPS lớn với thành phần protein và polysaccharide cao, mang lại hiệu quả hấp phụ Cu2+ tốt nhất.

  3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cu2+ bằng EPS như thế nào?
    pH tối ưu là khoảng 4-4,5, khi đó các nhóm chức trong EPS mang điện tích âm cao, tăng khả năng liên kết với Cu2+. Ở pH thấp hơn, nhóm chức bị proton hóa làm giảm hiệu quả hấp phụ.

  4. Thời gian hấp phụ tối ưu là bao lâu?
    Thời gian hấp phụ khoảng 60 phút là đủ để EPS đạt trạng thái bão hòa hấp phụ Cu2+, kéo dài hơn không làm tăng đáng kể hiệu quả.

  5. EPS dạng thô có thể sử dụng trực tiếp trong xử lý nước thải không?
    Có, EPS dạng thô tách bằng phương pháp hóa học có hiệu quả hấp phụ cao và có thể sử dụng trực tiếp mà không cần tinh sạch, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tách polymer sinh học EPS từ bùn thải sinh học với hiệu suất cao bằng phương pháp hóa học, đặc biệt là NaOH kết hợp formaldehyde.
  • EPS thu được có thành phần protein và polysaccharide cao, đóng vai trò quan trọng trong khả năng hấp phụ ion Cu2+.
  • Hiệu quả xử lý Cu2+ của EPS đạt tối ưu ở pH 4-4,5 và thời gian hấp phụ 60 phút, với hiệu suất hấp phụ lên đến 50%.
  • EPS dạng thô có thể sử dụng trực tiếp trong xử lý nước thải, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng và ứng dụng công nghệ EPS trong xử lý các kim loại nặng khác, đồng thời phát triển hệ thống pilot quy mô lớn trong các nhà máy công nghiệp.

Hành động tiếp theo là thử nghiệm quy mô pilot và đánh giá hiệu quả trong điều kiện thực tế, đồng thời phối hợp với các đơn vị xử lý nước thải để ứng dụng công nghệ này rộng rãi. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Viện Công nghệ Môi trường.