Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp cao su thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, với sản lượng chiếm khoảng 8,1% tổng sản lượng cao su thế giới. Năm 2021, xuất khẩu cao su đạt 1,93 triệu tấn, tương đương 3,24 tỷ USD, tăng 11,7% về khối lượng và 36,2% về giá trị so với năm 2020. Tuy nhiên, quá trình sản xuất cao su thiên nhiên loại protein (DPNR) phát sinh lượng lớn nước thải có hàm lượng ô nhiễm cao, đặc biệt là COD, BOD, SS và tổng nitơ (TN) với amoniac chiếm phần lớn. Ước tính lượng nước thải phát sinh khoảng 20 triệu m3/năm, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống người dân và chất lượng nguồn nước.

Mục tiêu nghiên cứu là lựa chọn phương pháp tiền xử lý hiệu quả nhằm giảm tải ô nhiễm cho nước thải DPNR, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý sinh học sau tiền xử lý ở quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các hóa chất tiền xử lý như phèn nhôm, PAC vàng, PAC nâu và CaCl2, xác định điều kiện tối ưu về liều lượng và thời gian xử lý. Phạm vi nghiên cứu thực hiện từ tháng 11/2021 đến tháng 4/2022 tại phòng thí nghiệm Trung tâm Cao su D2A, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện công nghệ xử lý nước thải cao su, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp cao su.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xử lý nước thải sinh học và hóa học, bao gồm:

  • Lý thuyết keo tụ và kết tủa: Sử dụng các hóa chất như phèn nhôm, PAC (Poly Aluminium Chloride) và CaCl2 để trung hòa điện tích và tạo cầu nối giữa các hạt keo, giúp loại bỏ các hạt cao su dư và chất rắn lơ lửng trong nước thải.
  • Mô hình xử lý sinh học kỵ khí: Hệ thống UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) sử dụng vi sinh vật kỵ khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa thành khí sinh học gồm metan và cacbonic.
  • Khái niệm chính: COD (Nhu cầu oxy hóa hóa học), BOD (Nhu cầu oxy hóa sinh học), MLSS (Chỉ số hỗn hợp chất rắn lơ lửng), MLVSS (Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi), SMA (Hoạt tính sinh methan riêng), pH, N-NH4+ (Amoni), SO42- (Sulfat), NO2- (Nitrit).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải DPNR thu thập từ phòng thí nghiệm Trung tâm Cao su D2A, được bảo quản từ tháng 11/2021 đến tháng 4/2022. Bùn giống lấy từ hệ thống UASB cùng phòng thí nghiệm, với các thông số MLSS 27.770 mg/L, MLVSS 17.460 mg/L và SMA 0,9 mgCOD/gVSS/ngày.

Phương pháp nghiên cứu gồm hai giai đoạn chính:

  1. Tiền xử lý nước thải DPNR bằng hóa chất: Thí nghiệm trong cốc 250 mL chứa 50 mL nước thải, bổ sung các hóa chất phèn nhôm, PAC vàng, PAC nâu, CaCl2 với liều lượng 5, 10, 15, 20 mg/L. Khuấy 5 phút, ngâm 12 giờ, sau đó lọc và phân tích các chỉ số pH, COD, N-NH4+, NO2-, SO42-.

  2. Đánh giá hiệu quả xử lý sinh học: Nuôi cấy trong bình kỵ khí 120 mL chứa 25 mL bùn hoạt tính (MLSS 1000 mg/L) và 25 mL nước thải sau tiền xử lý. Điều chỉnh pH 7, khí N2 bão hòa, lắc 120 vòng/phút ở 35°C. Đo thể tích và thành phần khí metan sau 24 giờ bằng sắc ký khí GC-8A.

Các phương pháp phân tích bao gồm xác định độ ẩm, pH theo TCVN, COD bằng kit Hach, amoni bằng thuốc thử Nessler, nitrit bằng thuốc thử Griess, sulfat bằng phản ứng kết tủa BaSO4, MLSS, MLVSS và SMA theo tiêu chuẩn quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả các hóa chất tiền xử lý:

    • CaCl2 5 g/L làm nước thải trong hoàn toàn, pH duy trì ở 9,16, khối lượng bã rắn 61 g/L.
    • PAC vàng 10 g/L xử lý tốt, làm nước thải trong, pH 7,10, khối lượng bã 56,7 g/L.
    • Phèn nhôm 20 g/L làm giảm pH xuống 4,23, không phù hợp cho xử lý sinh học do ảnh hưởng vi sinh vật.
    • Kết hợp CaCl2 1 g/L và PAC vàng 10 g/L trong 3 giờ giảm COD còn 21.270 mg/L, pH 7,43, khối lượng bã rắn tăng lên 57,9 g/L, hiệu quả xử lý SO42- tốt hơn so với dùng riêng từng hóa chất.

  2. Thời gian tiền xử lý tối ưu:

    • Thời gian 3 giờ là đủ để đạt hiệu quả xử lý cao, rút ngắn đáng kể so với 12 giờ ban đầu.
    • Thời gian 2 giờ chưa đủ để kết tủa hiệu quả, nước thải vẫn đục.

  3. Đặc tính nước thải sau tiền xử lý:

    • pH duy trì trong khoảng 6-9, phù hợp với tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT.
    • COD, N-NH4+ và NO2- vẫn còn cao, cần xử lý sinh học tiếp theo.
    • SO42- giảm đáng kể khi kết hợp hai hóa chất, giảm mùi hôi và độc tính.

  4. Khả năng xử lý sinh học:

    • Bùn hoạt tính trong hệ thống UASB có MLSS 27.770 mg/L, MLVSS 17.460 mg/L, SMA 0,9 mgCOD/gVSS/ngày, phù hợp cho xử lý sinh học nước thải DPNR.
    • Khí metan sinh ra sau 24 giờ cho thấy quá trình phân hủy hữu cơ hiệu quả, hỗ trợ thu hồi năng lượng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng kết hợp CaCl2 và PAC vàng là phương pháp tiền xử lý hiệu quả nhất để loại bỏ hạt cao su dư và giảm tải ô nhiễm cho nước thải DPNR. Việc duy trì pH trong khoảng trung tính giúp bảo vệ hệ vi sinh vật trong giai đoạn xử lý sinh học tiếp theo, đồng thời giảm mùi hôi khó chịu do sulfat và amoniac.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu quả xử lý COD đạt khoảng 30% sau tiền xử lý, tương đương hoặc cao hơn một số nghiên cứu sử dụng hóa chất đơn lẻ. Thời gian xử lý 3 giờ là phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại các nhà máy có lưu lượng nước thải lớn, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi COD, pH, khối lượng bã rắn theo liều lượng hóa chất và thời gian xử lý, cũng như bảng so sánh các chỉ số nước thải trước và sau tiền xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng kết hợp CaCl2 1 g/L và PAC vàng 10 g/L trong tiền xử lý nước thải DPNR để tối ưu hiệu quả loại bỏ hạt cao su dư và giảm tải ô nhiễm COD, SO42-, N-NH4+. Thời gian ngâm 3 giờ là phù hợp cho quy mô công nghiệp.

  2. Duy trì pH trong khoảng 6-9 sau tiền xử lý để bảo vệ hệ vi sinh vật trong giai đoạn xử lý sinh học, tránh sử dụng phèn nhôm với liều cao do làm giảm pH quá mức.

  3. Tiếp tục xử lý sinh học bằng hệ thống UASB hoặc bể bùn hoạt tính để giảm COD, BOD và các hợp chất nitơ còn lại, đồng thời thu hồi khí metan làm nguồn năng lượng tái tạo.

  4. Theo dõi và kiểm soát các chỉ số môi trường định kỳ như COD, N-NH4+, SO42-, NO2- để đảm bảo nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT trước khi xả ra môi trường.

  5. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì thiết bị tiền xử lý và sinh học nhằm đảm bảo quy trình vận hành ổn định, giảm thiểu sự cố tắc nghẽn và trào bùn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường tại các nhà máy sản xuất cao su thiên nhiên: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và chi phí vận hành.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Môi trường: Tham khảo phương pháp tiền xử lý và xử lý sinh học nước thải DPNR, phát triển các nghiên cứu tiếp theo về xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Sử dụng dữ liệu và kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý nước thải ngành cao su, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và hóa chất xử lý nước thải: Nắm bắt nhu cầu và hiệu quả các loại hóa chất tiền xử lý, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với đặc thù nước thải cao su thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tiền xử lý nước thải DPNR trước khi xử lý sinh học?
    Tiền xử lý giúp loại bỏ các hạt cao su dư và chất rắn lơ lửng, tránh gây tắc nghẽn và trào bùn trong hệ thống sinh học, đồng thời giảm tải ô nhiễm hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển.

  2. Hóa chất nào hiệu quả nhất trong tiền xử lý nước thải DPNR?
    Kết hợp CaCl2 1 g/L và PAC vàng 10 g/L cho hiệu quả cao nhất trong việc kết tủa hạt cao su dư, giảm COD và SO42-, đồng thời duy trì pH phù hợp cho xử lý sinh học.

  3. Thời gian tiền xử lý tối ưu là bao lâu?
    Thời gian 3 giờ được xác định là đủ để đạt hiệu quả xử lý cao, rút ngắn đáng kể so với 12 giờ ban đầu, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

  4. Nước thải sau tiền xử lý có đạt tiêu chuẩn xả thải không?
    Mặc dù pH và một số chỉ số được cải thiện, COD và N-NH4+ vẫn còn cao, cần tiếp tục xử lý sinh học để đạt quy chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT trước khi xả thải.

  5. Làm thế nào để thu hồi năng lượng từ nước thải DPNR?
    Sử dụng hệ thống UASB để xử lý sinh học kỵ khí, vi sinh vật phân hủy hữu cơ tạo khí metan, có thể thu hồi làm nguồn năng lượng tái tạo, giảm chi phí vận hành.

Kết luận

  • Nước thải DPNR chứa hàm lượng ô nhiễm cao, đặc biệt COD, N-NH4+ và SO42-, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
  • Phương pháp tiền xử lý kết hợp CaCl2 1 g/L và PAC vàng 10 g/L trong 3 giờ là hiệu quả nhất để loại bỏ hạt cao su dư và giảm tải ô nhiễm.
  • pH sau tiền xử lý duy trì trong khoảng 6-9, phù hợp cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo.
  • Hệ thống UASB với bùn hoạt tính có khả năng xử lý sinh học hiệu quả, đồng thời thu hồi khí metan làm năng lượng tái tạo.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để cải tiến công nghệ xử lý nước thải cao su, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành cao su thiên nhiên.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô pilot và đánh giá hiệu quả vận hành liên tục tại các nhà máy sản xuất cao su. Các đơn vị liên quan được khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu tác động môi trường.