I. Tổng Quan Về Ứng Dụng SHARON Xử Lý Nước Thải Cao Su
Nước thải từ các nhà máy chế biến cao su, đặc biệt là từ sản xuất găng tay cao su, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý triệt để. Do đó, việc đánh giá và đưa ra phương án xử lý hiệu quả là vô cùng cần thiết. Găng tay cao su được sản xuất từ nguyên liệu chính là cao su thiên nhiên – mủ Latex. Latex là một chất lỏng phức hợp, với thành phần và tính chất khác nhau tùy theo loại. Về cơ bản, nó là một trạng thái nhũ tương của các hạt phân tử cao su trong môi trường phân tán lỏng. Latex cao su được chia thành hai loại: Latex cao su thiên nhiên (NR) và latex cao su tổng hợp (Synthetic rubber). Nước thải sản xuất găng tay cao su thường chứa nhiều chất ô nhiễm, đòi hỏi các phương pháp xử lý hiệu quả.
1.1. Đặc Tính và Thành Phần Ô Nhiễm Nước Thải Cao Su
Đặc tính ô nhiễm của nước thải sản xuất găng tay cao su rất đa dạng. Theo số liệu từ Công ty cổ phần Khải Hoàn (2015), độ pH của nước thải thường dao động từ 6.5 đến 8.0. Nồng độ COD có thể từ 150 đến 1500 mg/L, SS từ 150 đến 300 mg/L, N-NH4+ từ 30 đến 200 mg/L, Tổng N từ 50 đến 300 mg/L và Tổng P từ 5 đến 15 mg/L. Hơn 90% chất rắn trong nước thải là chất hữu cơ, bao gồm protein, lipid, carbohydrate và các hợp chất khác từ mủ cao su và quá trình chế biến. Tỷ lệ C/N thấp và nồng độ nitơ cao là những thách thức lớn trong xử lý nước thải này. Nước thải sau keo tụ, hóa lý có nhiệt độ khoảng 35°C, thích hợp cho quá trình SHARON.
1.2. Các Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Sản Xuất Cao Su
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải sản xuất cao su, bao gồm các quá trình hóa lý như keo tụ, lắng, lọc, và các quá trình sinh học như bùn hoạt tính, aerotank, và các công nghệ tiên tiến hơn như quá trình SHARON. Các phương pháp hóa lý thường được sử dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và một phần COD. Tuy nhiên, để xử lý triệt để các chất ô nhiễm, đặc biệt là nitơ, các quá trình sinh học thường được ưu tiên. Quá trình SHARON, với khả năng loại bỏ ammonia hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao và C/N thấp, đang ngày càng được quan tâm và ứng dụng rộng rãi.
II. Thách Thức Xử Lý Nitơ Trong Nước Thải Găng Tay Cao Su
Việc xử lý nitơ trong nước thải sản xuất găng tay cao su đặt ra nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống như nitrate hóa và khử nitrate đòi hỏi lượng oxy lớn và nguồn carbon bổ sung, làm tăng chi phí vận hành và năng lượng. Ngoài ra, sự hiện diện của các chất ức chế sinh học trong nước thải cao su có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các quá trình sinh học. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý nitơ hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường là vô cùng quan trọng. Quá trình SHARON nổi lên như một giải pháp tiềm năng, đặc biệt trong điều kiện nước thải có nhiệt độ cao và tỷ lệ C/N thấp.
2.1. Vấn Đề Ô Nhiễm Nitơ và Tác Động Đến Môi Trường
Nitơ trong nước thải, đặc biệt là ammonia, gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nồng độ ammonia cao có thể gây độc cho các loài thủy sinh, dẫn đến suy giảm đa dạng sinh học. Ngoài ra, ammonia có thể chuyển hóa thành nitrite và nitrate, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Sự phú dưỡng do nitơ gây ra cũng dẫn đến sự phát triển quá mức của tảo, làm suy giảm oxy hòa tan và ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước.
2.2. Ưu và Nhược Điểm của Phương Pháp Xử Lý Nitơ Truyền Thống
Phương pháp xử lý nitơ truyền thống, bao gồm nitrate hóa và khử nitrate, đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều năm. Nitrate hóa là quá trình oxy hóa ammonia thành nitrate, đòi hỏi lượng oxy lớn và sự hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa. Khử nitrate là quá trình chuyển đổi nitrate thành khí nitơ, đòi hỏi nguồn carbon hữu cơ và điều kiện thiếu oxy. Mặc dù hiệu quả, phương pháp này có nhiều nhược điểm như chi phí vận hành cao, tiêu thụ năng lượng lớn, và tạo ra lượng bùn thải đáng kể. Do đó, việc tìm kiếm các công nghệ thay thế hiệu quả hơn là cần thiết.
III. Quá Trình SHARON Giải Pháp Xử Lý Nước Thải Cao Su Hiệu Quả
Quá trình SHARON (Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over Nitrite) là một công nghệ sinh học tiên tiến để xử lý nitơ trong nước thải. Điểm đặc biệt của SHARON là nó loại bỏ ammonia thông qua quá trình nitrite hóa bán phần, tức là chuyển đổi ammonia thành nitrite thay vì nitrate. Điều này giúp giảm lượng oxy cần thiết và loại bỏ nhu cầu bổ sung carbon, làm cho quá trình tiết kiệm chi phí và năng lượng hơn. SHARON đặc biệt phù hợp với nước thải có nhiệt độ cao và tỷ lệ C/N thấp, như nước thải sản xuất găng tay cao su.
3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Quá Trình SHARON
Quá trình SHARON dựa trên hoạt động của vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB) và vi khuẩn khử nitrite. AOB chuyển đổi ammonia thành nitrite trong điều kiện hiếu khí. Sau đó, vi khuẩn khử nitrite chuyển đổi nitrite thành khí nitơ trong điều kiện thiếu oxy. Việc duy trì nhiệt độ cao (≥ 25°C) và thời gian lưu bùn ngắn giúp ức chế sự phát triển của vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB), đảm bảo quá trình nitrite hóa bán phần diễn ra hiệu quả.
3.2. Ưu Điểm Vượt Trội của SHARON So Với Công Nghệ Cũ
So với quá trình nitrate hóa/khử nitrate thông thường, SHARON tiết kiệm đến 25% năng lượng tiêu thụ cho thổi khí. Chi phí hóa chất cũng giảm đáng kể do nhu cầu COD giảm 40% cho khử nitrite. Lượng bùn sinh ra ít hơn 30% và lượng phát thải CO2 giảm 20% (Mulder và cộng sự, 2001). Đặc biệt, SHARON không yêu cầu bổ sung nguồn carbon, làm giảm chi phí vận hành và đơn giản hóa quá trình xử lý.
3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả SHARON
Hiệu quả của quá trình SHARON phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, pH, oxy hòa tan (DO), thời gian lưu bùn (SRT), và nồng độ ammonia đầu vào. Nhiệt độ cao (≥ 25°C) thúc đẩy hoạt động của AOB và ức chế NOB. pH cần được duy trì trong khoảng 7.0-8.0 để đảm bảo hoạt động tối ưu của vi khuẩn. DO cần được kiểm soát để duy trì điều kiện hiếu khí cho AOB và điều kiện thiếu oxy cho khử nitrite. SRT cần được điều chỉnh để ngăn chặn sự phát triển của NOB. Nồng độ ammonia đầu vào cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và hiệu quả xử lý.
IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng SHARON Trong Xử Lý Nước Thải Cao Su Thực Tế
Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng mô hình SHARON để xử lý nước thải sản xuất găng tay cao su, với mục tiêu đánh giá hiệu quả loại bỏ ammonia và các chất ô nhiễm khác. Các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm, sử dụng nước thải thực tế từ một nhà máy sản xuất găng tay cao su. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc áp dụng SHARON trong xử lý nước thải loại này, góp phần bảo vệ môi trường và tài nguyên nước.
4.1. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Lập Mô Hình SHARON
Nghiên cứu sử dụng mô hình SHARON quy mô phòng thí nghiệm với thể tích 30L. Nước thải được thu thập từ bể điều hòa (sau xử lý keo tụ) của trạm xử lý nước thải sản xuất găng tay cao su. Quá trình thí nghiệm bao gồm làm giàu sinh khối AOB, thích nghi vi khuẩn khử nitrite, và vận hành mô hình SHARON ở nhiệt độ ≥ 31°C. Các thông số như nồng độ ammonia, nitrite, nitrate, COD, SS, và pH được theo dõi và phân tích thường xuyên.
4.2. Kết Quả Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nitơ Bằng SHARON
Trong 53 ngày đầu, nghiên cứu đã làm giàu và thích nghi bùn vi khuẩn oxy hóa ammonia (AOB), ức chế vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB) thành công dưới các điều kiện thí nghiệm là thổi khí gián đoạn kết hợp với thiếu khí: hiếu khí = 20’: 60’, DO 1,5 - 2 mg/L, pH đầu vào 7,5 – 8,0; nhiệt độ ≥ 31oC, HRT = SRT = 1 ngày. Từ ngày 55 đến ngày 85, vi khuẩn khử nitrite được thích nghi trong điều kiện giống như giai đoạn trước và methanol 1% được châm vào quá trình khử nitrite. Cuối cùng là quá trình vận hành mô hình SHARON tương tự như quá trình thích nghi vi khuẩn khử nitrite. Sự thay đổi độ kiềm trong nghiên cứu nằm trong khoảng 3,95 đến 7,3 mgCaCO3/mgN- NH4+ và pH 7,5 – 8,0 không gây ảnh hưởng đến độ kiềm. Hiệu quả chuyển hóa ammonia trung bình 80 ± 8% nhưng nồng độ ammonia còn cao (30 mg/L) chưa đạt yêu cầu. Hiệu suất tiêu thụ COD đạt 83% và lượng COD tiêu thụ để khử nitrite là 2,36 gCOD/gN-NO2 đối với nước giả thải và tương tự với nước thải sản xuất găng tay cao su là 2,64 gCOD/gN-NO2.
4.3. Đánh Giá Hoạt Tính Sinh Học và Nồng Độ Sinh Khối
Nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá hoạt tính của AOB, NOB, và vi khuẩn khử nitrite. Kết quả cho thấy hoạt tính AOB có khả năng chuyển hóa là 1,3 gN-NH4+/gVSS/ngày, hoạt tính NOB là 0,0025 gN-NO3-/gVSS/ngày và hoạt tính vi khuẩn khử nitrite là 1,89 gN-NO2- /gVSS/ngày với nước giả thải. Tương tự với nước thải sản xuất găng tay cao su là 1,02 gN-NH4+/gVSS/ngày, 0,014 gN-NO3-/gVSS/ngày và 1,92 gN-NO2-/gVSS/ngày. Nồng độ sinh khối trong bể SHARON cũng được theo dõi và đánh giá để tối ưu hóa quá trình vận hành.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Ứng Dụng Quá Trình SHARON
Nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của quá trình SHARON trong xử lý nước thải sản xuất găng tay cao su. Kết quả cho thấy SHARON có thể loại bỏ ammonia hiệu quả, giảm chi phí vận hành và năng lượng so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình và đánh giá hiệu quả của SHARON trong điều kiện thực tế. Việc áp dụng SHARON trong xử lý nước thải sản xuất găng tay cao su có thể góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá
Nghiên cứu đã thành công trong việc làm giàu sinh khối AOB và thích nghi vi khuẩn khử nitrite trong điều kiện nhiệt độ cao. Quá trình SHARON đã cho thấy hiệu quả loại bỏ ammonia đáng kể, với hiệu suất chuyển hóa ammonia trung bình là 80 ± 8%. Hoạt tính của AOB và vi khuẩn khử nitrite cũng được đánh giá, cung cấp thông tin quan trọng cho việc tối ưu hóa quá trình vận hành. Tuy nhiên, nồng độ ammonia đầu ra vẫn còn cao (30 mg/L) và chưa đạt yêu cầu, cho thấy cần có thêm các nghiên cứu để cải thiện hiệu quả xử lý.
5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tiếp Theo
Để nâng cao hiệu quả của quá trình SHARON, cần có thêm các nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ C/N, nồng độ oxy hòa tan, và sự hiện diện của các chất ức chế sinh học trong nước thải cao su. Nghiên cứu cũng nên tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành mô hình SHARON, bao gồm việc sử dụng các vật liệu mang sinh học và các hệ thống điều khiển tự động. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu đánh giá chi phí kinh tế và hiệu quả môi trường của việc áp dụng SHARON trong thực tế.
