Thu hồi phốt pho trong bùn thải bằng công nghệ vi sóng là một trong những phương pháp đang được quan tâm và dễ dàng thực hiện.Quá trình thu hồi tổng phốt pho (TP)được khảo sát bằng thực nghiệm ở các điều kiện khác nhau: nhiệt độ dao động từ 60, 80, 100 đến120oC;thời gian xử lý từ 0, 10, 20, 30 đến 40 phút; nồng độ bùn ban đầu (TS) là 66,5g/l. Kết quả thực nghiệm cho thấysự giải phóng TP và các chất hữu cơ, được đặc trưng bởi thông số nhu cầu oxy hóa học (COD), tăng tỉ lệ thuận với thời gian và nhiệt độ chiếu xạ. Tuy nhiên, đối với TP thì 100oC được xem là nhiệt độ giải phóng tối ưu và khi nhiệt độ chiếu xạ vượt quá 120oC thì khả năng giải phóng TP giảm dần. Việc áp dụng công nghệ vi sóng để thu hồi phốt pho từ bùn thải là hoàn toàn khả thi. Công nghệ vi sóng không những giúp tiết kiệm năng lượng, thời gian và chi phí, mà còn đảm bảo an toàn và sức khỏe cho người lao động… và là một trong những giải pháp thân thiện với môi trường.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Phốt pho là một nguồn tài nguyên hữu hạn và không có gì có thể thay thế được trong sự phát triển của các sinh vật sống [3]. Theo nghiên cứu của Nedelciu và cộng sự, việc khan hiếm nguồn cung phốt pho đang phát triển nhanh chóng ở một số khu vực trên thế giới. Hơn nữa, đối với tỷ lệ khai thác hiện tại, ước tính sẽ cạn kiệt 17% trữ lượng phốt pho toàn cầu vào năm 2050 so với năm 2020, đây là một con số đáng kể theo mốc thời gian chỉ ba thập kỷ [6]. Nguồn cung cấp phân bón phốt pho là một khía cạnh của an ninh lương thực toàn cầu. Do đó, các khu vực quan trọng trên thế giới khi đối mặt với cuộc khủng hoảng tiềm tàng về sản lượng dự trữ đá phốt phát cần phải xem xét về cách sử dụng phân bón để có thể sử dụng hiệu quả nhất trong nông nghiệp và đưa ra các nguồn thay thế tiềm năng trong quá trình sản xuất [2].
Bên cạnh đó, việc xử lý không hiệu quả lượng bùn thải làm thất thoát các chất ô nhiễm ra môi trường, trong đó có phốt pho.Lượng phốt pho dư thừa xâm nhập và tích tụ trong tự nhiên sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa. Tính riêng tại thành phố Hồ Chí Minh, theo số liệu thống kê của Sở Tài nguyên và Môi trường cũng cho thấy, thành phố phát sinh lượng bùn thải các loại khoảng 3.000 - 4.000m3/ngày, tương đương 5.000 - 6.000 tấn/ngày [4].
Đứng trước áp lực kép vừa giải quyết vấn đề xử lý bùn thải vừa phải tìm ra được nguồn photphat đáp ứng xu thế phát triển bền vững hiện nay, thì việc tận thu phốt pho phân tán trong các loại chất thải khác nhau là cần thiết. Đáng kể đến là bùn thải - một trong những nguồn chứa nhiều phốt pho và hiện nay. Thu hồi phốt pho bằng vi sóng (MW) là một trong những công nghệ đáng được quan tâm và dễ dàng thực hiện so với các công nghệ khác. Vi sóng là một giải pháp giúp tiết kiệm thời gian, chi phí an toàn đối với sức khỏe con người và đảm bảo phát triển môi trường bền vững. Trong nghiên cứu này tác giả tập trung vào khảo sát sự biến thiên trong quá trình giải phóng tổng phốt pho và nhu cầu oxy hóa học từ các điều kiện thí nghiệm (nồng độ tổng chất rắn ban đầu (mg/l), nhiệt độ bức xạ (oC) và thời gian phản ứng (phút).
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu
Bùn thải:Mẫu bùn thải trong nghiên cứu là sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý nước thải sinh học của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt trường Đại học Tôn Đức Thắng. Lượng bùn thu gom là bùn thải tại bể lắng bùn.
Hóa chất: Các hóa chất dùng để xác định các thông số TP và COD trong bùn thải chủ yếu dùng từ các hãng Merk-Đức và Tây Ban Nha để đảm bảo độ chuẩn xác trong kết quả thí nghiệm.
Thiết bị: Thiết bị phá mẫu vi sóng (Multiwave PRO-16HF100, Áo), tần số nguồn phát 2455MHz là thiết bị được sử dụng chính trong mô hình thí nghiệm. Multiwave PRO được trang bị 2 nguồn vi sóng magnetron với công suất 850W mỗi nguồn với tổng công suất thiết kế tối đa cả 2 nguồn 1700W để tạo ra năng lượng vi sóng, điều khiển vi sóng không xung trên toàn dải 1500W. Ngoài ra, còn có các thiết bị chuyên dụng khác dùng trong phân tích các thông số TS (tủ sấy), TP (máy đo quang UV-VIS, Hach; máy ly tâm) và COD (lò nung COD, Hana, Rô-ma-ni).
2.2. Phương pháp
Thu mẫu và bảo quản mẫu:Tiến hành thu mẫu bùn thải tại máng tràn bể lắng của hệ thống xử lý nước thải trường sinh hoạt Đại học Tôn Đức Thắng bằng phương pháp thu mẫu theo TCVN 6663-15:2004 [7] và TCVN 6663-13:2015 [8][8]. Dụng cụ chứa mẫu: sử dụng bình nhựa (polyvinyletylen).
Mô tả thí nghiệm:50ml dung dịch mẫu bùn với hàm lượng tổng chất rắn đầu vào là 66,5 g/l được chuyển vào bình Teflon 70ml. Các bình đựng mẫu được đưa vào lò vi sóng (Hình 1) và tiến hành vi sóng ở các dải nhiệt độ 60℃, 80℃, 100℃ và 120℃ bằng việc thiết lập các chương trình kiểm soát nhiệt độ tự động. Đồng thời, các thí nghiệm được tiến hành ở các khoảng thời gian xử lý là 0, 10, 20, 30 và 40 phút. Mỗi chu trình hoạt động, hệ thống có thể tiến hành 4-24 bình đựng mẫu. Sau mỗi mẻ thí nghiệm, các mẫu bùn được lấy ra và tiến hành phân tích các thông số theo mục đích của nghiên cứu.
Xử lý mẫu và phân tích:
Các mẫu sau vi sóng được tiến hành ly tâm ở 5000 vòng/phút trong 10 phút. Phần nước thu được dùng để phân tích các thông số: tổng phốt pho (TP), tổng chất rắn (TS) và nhu cầu oxy hóa học. Tất cả các mẫu phân tích được tiến hành theo các phương pháp chuẩn trong tài liệu APHA [1].
Mẫu phân tích COD được đưa vào ống phân tích COD và phá mẫu bằng lò nung COD (Hana, Rô-ma-ni) gia nhiệt 150oC trong 2h. Mẫu sau khi phân giải được làm nguội đến nhiệt độ phòng và mang đi chuẩn độ. Điểm kết thúc là sự thay đổi màu sắc từ xanh lá - xanh dương đến đỏ nâu. Mẫu phân tích tổng phốt pho được mang đi vô cơ hóa và tiến hành đo quang bằng thiết bị Hach ở bước sóng 880nm. Chuyển mẫu có dung tích xác định đã được xáo trộn đều vào cốc cân và sấy ở 103-105oC, làm nguội trong bình hút ẩm và mang đi xác định khối lượng TS bằng cân phân tích bốn số lẻ.
Hình 1. Sơ đồ và hình ảnh thiết bị vi sóng Multiwave PRO-16HF100-Áo
2.3. Xử lý số liệu
Phần mềm SigmaPlot 12.5 được sử dụng để xử lý số liệu, vẽ biểu đồ xu thế và đánh giá mức độ tác động của các điều kiện thí nghiệm khác nhau đến khả năng giải phóng tổng phốt pho trong bùn thải.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng giải phóng TP và COD từ bùn thải
Khả năng giải phóng TP và COD trong bùn thải được thể hiện trong Hình 2, khoảng thời gian khảo sát từ 0 đến 40 phút, tại điểm nhiệt độ 80oC. Theo đó, thời gian bức xạ càng lâu thì khả năng giải phóng TP và COD càng nhiều. Mức độ giải phóng TP và COD đạt cực đại tại điểm thời gian 40 phút, với TP tăng từ 25,8mg/l lên 63,19mg/l và COD tăng từ 240 lên 2160mg/l. Điều đáng chú ý là tốc độ giải phóng TP và COD tăng rất nhanh trong khoảng thời gian xử lý ban đầu (10 phút) và tăng chậm trong các khoảng thời gian sau. Kết quả này cũng tương tự với kết quả báo cáo của Uẩn và cộng sự [9].
Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến khả năng giải phóng TP và COD từ bùn thải.
Điều kiện thí nghiệm: [TS] ban đầu = 66,5g/L và nhiệt độ phản ứng = 80oC
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng bùn thải của nước thải từ hệ thống xử lý nước thải sinh học cũng là một trong những nguồn tài nguyên thay thế hữu hiệu cho quá trình thu hồi phốt pho trong sản xuất phân bón. Tuy nhiên, còn phải thực hiện nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa để xác định được điểm thời gian tối ưu nhất cho quá trình giải phóng TP và COD trong bùn thải áp dụng công nghệ vi sóng nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí và nguồn nhiên liệu.
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khả năng giải phóng TP và COD từ bùn thải
Hình 3 mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khả năng giải phóng TP và COD, dải nhiệt độ khảo sát là từ điểm control (nhiệt độ phòng) đến 120oC trong thời gian 20 phút. Kết quả cho thấy rằng nồng độ TP và COD tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng trong khoảng từ 60oC đến 100oC. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nhiệt độ vi sóng lên 120oC thì nồng độ TP có xu hướng giảm và ngược lại COD vẫn tiếp tục tăng. Điều này cho thấy nhiệt độ phản ứng tác động mạnh đến khả năng giải phóng TP và COD trong bùn thải.
Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự giải phóng TP và COD từ bùn thải.
Điều kiện thí nghiệm: [TS] ban đầu = 66,5g/l và thời gian phản ứng = 20 phút
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ bùn ban đầu (TS) đến khả năng giải phóng TP và COD từ bùn thải
Hình 4 biểu diễn sự biến thiên của TP và COD cũng như ảnh hưởng của đặc tính bùn đầu vào đến khả năng giải phóng. Nồng độ bùn đầu vào càng đậm đặc thì khả năng giải phóng TP và COD càng cao. Tại khoảng nhiệt độ 80oC trong 20 phút, nồng độ bùn đầu vào 6,65 thì khả năng giải phóng TP và COD không đáng kể. Tuy nhiên, cũng trong cùng điều kiện nhiệt độ và thời gian, khi tăng nồng độ bùn đầu vào lên 66,5mg/l thì khả năng giải phóng TP tăng khoảng 13 lần tương ứng khả năng giải phóng COD cũng tăng khoảng 7 lần.
Hình 4. Ảnh hưởng của nồng độ TS (đặc tính của bùn) đến việc giải phóng TP và COD từ bùn thải.
Điều kiện thí nghiệm: nhiệt độ phản ứng = 80oC và thời gian phản ứng = 20 phút
Thông qua kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, sử dụng công nghệ vi sóng không những nâng cao khả năng giải phóng TP mà còn thu được hàm lượng lớn chất hữu cơ hòa tan (COD) có giá trị.
4. KẾT LUẬN
Với mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của điều kiện vận hành (nồng độ bùn đầu vào, thời gian bức xạ và nhiệt độ phản ứng) đến khả năng giải phóng tổng phốt pho trong bùn thải, bài báo đã đánh giá được xu thế giải phóng TP tại các điểm điều kiện khác nhau. Bên cạnh giải phóng TP, COD cũng giải phóng đáng kể trong quá trình xử lý vi sóng. Khả năng giải phóng TP và COD tăng tỉ lệ thuận với thời gian bức xạ. Ở nhiệt độ càng cao thì COD giải phóng càng nhiều, đồng thời, TP cũng giải phóng nhanh trong các điểm nhiệt độ dưới 100OC và giảm dần khi nhiệt độ lên đến 120OC. Tuy nhiên, xu thế giải phóng TP và COD trong bùn thải sử dụng vi sóng là có chiều hướng tăng khi tăng nhiệt độ và thời gian bức xạ.
Dựa trên kết quả nghiên cứu có thể nhận định rằng công nghệ vi sóng là công nghệ giải phóng phốt pho trong bùn thải hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Sử dụng công nghệ vi sóng giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và đảm bảo an toàn cho sức khỏe, là một trong những giải pháp thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá xu hướng biến đổi của bùn, khả năng giải phóng TP trong bùn thải dưới ảnh hưởng của các điểm điều kiện vận hành khác nhau mà chưa đưa ra được điểm điều kiện tối ưu cho quá trình giải phóng TP. Bên cạnh đó, còn nhiều yếu tố ảnh hưởng khác tác động đến khả năng giải phóng TP mà nghiên cứu này chưa khảo sát được (như pH, điều kiện xúc tác, công suất đầu vào của MW...). Ngoài khả năng giải phóng TP, COD còn nhiều tài nguyên hữu hiệu khác (như tổng nitơ, kim loại nặng, nhiên liệu sinh học...) có thể được giải phóng bằng công nghệ này mà trong phạm vi nghiên cứu này chưa thực hiện được. Đây là một trong những hướng nghiên cứu tiếp theo trong xu hướng phát triển bền vững hiện nay.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. American Public Health Association (2017). "Standard methods for the examination of water and wastewater". 23rd edition, American Water Works Association, Water Pollution and Control Federation, Washington, DC. USA.
[2]. Blackwell, M., Darch, T., & Haslam, R. (2019). "Phosphorus use efficiency and fertilizers: future opportunities for improvements". Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 6(4), 332-340.
[3]. Cordell, D. (2009). "The Story of Phosphorus: 7 reasons why we need to transform phosphorus use in the global food system". Institute for Sustainable Futures, University of Technology Sydney (UTS) Australia.
[4]. Hải, M. (2017). "Xử lý bùn thải hướng tới thu hồi năng lượng". Truy cập ngày 16/01/2021, từ website: https://www.sggp.org.vn/xu-ly-bun-thai-huong-toi-thu-hoi-nang-luong-483424.html.
[5]. Liao, P. H., Wong, W.T., & Lo, K.V. (2005). "Release of phosphorus from sewage sludge using microwave technology". Journal of Environmental Engineering and Science, 4(1),77-81. DOI: 10.1139/s04-056.
[6]. Nedelciu, C. E., Ragnarsdottir, K. V., Schlyter, P., & Stjernquist, I. (2020). "Global phosphorus supply chain dynamics: Assessing regional impact to 2050". Global Food Security, 26. DOI: 10.1016/j.gfs.2020.100426.
[7]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6663-15:2004 (ISO 5667-15: 1999) của Bộ Khoa học và Công nghệ về chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 15: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu bùn và trầm tích.
[8]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6663-13:2015 (ISO 5667-13:2011) về Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 13: Hướng dẫn lấy mẫu bùn.
[9]. Đỗ Khắc Uẩn và cộng sự (2011). "Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật vi sóng cho quá trình giải phóng photpho từ bùn thải". Tạp chí khoa học & công nghệ, 78(02), 87- 92.
TS. Nguyễn Thúy Lan Chi1*, Đinh Thị Thu Hương2, Trần Thị Phương Quỳnh1
1Khoa Môi trường & Bảo hộ lao động, Trường Đại học Tôn Đức Thắng
2Trung tâm Quan trắc môi trường, Trường Đại học Tôn Đức Thắng
