Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải bằng quá trình sinh học bổ sung than chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Ngọc Thủy

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH
SINH HỌC BỔ SUNG THAN CHẾ TẠO TỪ PHỤ PHẨM NÔNG
NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Ngọc Thủy

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH
SINH HỌC BỔ SUNG THAN CHẾ TẠO TỪ PHỤ PHẨM NƠNG
NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật mơi trường
Mã số: 9520320

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. ĐỖ KHẮC UẨN

Hà Nội – 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào khác công
bố.

Hà Nội, tháng

năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn

Vũ Ngọc Thủy

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực
hiện luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, đã luôn hỗ trợ
và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt q trình tơi thực hiện luận án.
Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn người Thầy đã tận tâm
hướng dẫn khoa học, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Lãnh
đạo Bộ môn Công nghệ Mơi trường cùng tồn thể đồng nghiệp, cán bộ của Viện đã ủng hộ,
quan tâm giúp đỡ và đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn GS. Shigeo Fujii và PGS. Shuhei Tanaka cũng như
toàn bộ các bạn nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và thực tập sinh tại Phịng thí
nghiệm về công nghệ thân thiện môi trường phục vụ cho phát triển công nghiệp bền vững” –
Viện Đào tạo và nghiên cứu mơi trường tồn cầu (GSGES)- ĐH Kyoto- Nhật Bản đã tận tình
giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi tiến hành một số các nghiên cứu trong thời gian từ tháng
4/2019 đến tháng 10/2019.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ về mặt tài chính và hóa chất, trang thiết bị thí
nghiệm của Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup – chương trình học bổng Đào tạo TS trong nước
VINIF-2019, Quỹ nghiên cứu về nước và môi trường của Kurita – Nhật Bản.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận
án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn chỉnh luận án này và
định hướng nghiên cứu trong lai.
Cuối cùng và trên hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới gia đình và bạn
bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tơi tham gia chương trình đào tạo
này.

Nghiên cứu sinh

Vũ Ngọc Thủy

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH MỤC BẢNG

ix

DANH MỤC HÌNH

x

MỞ ĐẦU

1

1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

4

5. Đóng góp mới của luận án

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

6

1.1.

6

Tổng quan về quá trình chế tạo than sinh học từ phụ phẩm

nông nghiệp ở Việt nam
1.1.1. Tiềm năng sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp

6

1.1.2. Các phương pháp sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp

7

1.1.3. Ứng dụng của TSH chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý

9

môi trường
1.2.

Tổng quan về ô nhiễm amoni và các nghiên cứu về xử lý

12

amoni bằng quá trình hấp phụ và sinh học
1.2.1. Tổng quan về ô nhiễm amoni và các phương pháp xử lý amoni

12

1.2.2. Các nghiên cứu về xử lý amoni bằng phương pháp hấp phụ

13

1.2.3. Các nghiên cứu về xử lý amoni bằng phương pháp sinh học sử

18

dụng hệ bùn hạt
1.3. Tổng quan về nước thải sinh hoạt và công nghệ xử lý nước

24

thải sinh hoạt
1.4. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ sử dụng than sinh học

27

1.4.1. Đẳng nhiệt hấp phụ

28

1.4.2. Động học quá trình hấp phụ

30
iii


1.5. Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý amoni trong nước bằng hệ

31

bùn hạt
1.6. Cơ sở lý thuyết của q trình kết hợp TSH và hệ bùn hoạt

36

tính để tạo bùn hạt
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH

41

THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp chế tạo TSH từ vỏ cà phê và xác định đặc tính của

41

than sinh học từ VCP
2.1.1. Phương pháp chế tạo TSH từ vỏ cà phê

41

2.1.2. Phương pháp xác định đặc tính của TSH

42

2.2. Quy trình thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá

43

trình hấp phụ của TSH từ vỏ cà phê
2.2.1. Quy trình thực nghiệm theo mẻ xác định ảnh hưởng của một số

44

yếu tố đến hiệu quả hấp phụ của than sinh học
2.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ

46

2.2.3. Đánh giá khả năng hấp phụ của TSH từ vỏ cà phê với nước thải

47

sinh hoạt sau bể tự hoại
2.3. Đánh giá khả năng xử lý amoni của hệ bùn hoạt tính có bổ sung

47

than sinh học từ vỏ cà phê
2.3.1. Chuẩn bị bùn hoạt tính và thành phần của nước thải tự tạo để nuôi

47

bùn
2.3.2. Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hấp phụ

48

lên TSH của bùn hoạt tính khi bổ sung TSH
2.3.3.Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và

51

amoni khi bổ sung TSH vào hệ bùn hoạt tính
2.4. Dụng cụ, hóa chất, thiết bị và phương pháp phân tích

53

2.4.1. Hóa chất, thiết bị nghiên cứu

53

2.4.2. Phương pháp phân tích

56

2.5. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu

56

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

58

3.1. Đặc tính TSH từ vỏ cà phê và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến

58

hiệu quả hấp phụ amoni của TSH từ VCP
iv


3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến hiệu quả hấp phụ amoni

58

3.1.2. Đặc tính của than sinh học CFH 350

59

3.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc

62

3.1.4. Đánh giá ảnh hưởng của pH

64

3.1.5. Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và tỉ lệ rắn/lỏng

67

3.1.6. Đánh giá ảnh hưởng của kích thước TSH

68

3.1.7. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

69

3.1.8. Động học quá trình hấp phụ amoni trong dung dịch

70

3.1.9. Thí nghiệm hấp phụ theo mẻ với một số nguồn nước thải

72

3.2. Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng TSH đến sự sinh trưởng của

74

VSV
3.2.1. Đặc tính của hệ bùn hoạt tính khi bổ sung TSH từ VCP

74

3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của than sinh học đến sự sinh trưởng của vi

78

sinh vật trong bùn hoạt tính
3.3. Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý của hệ

85

bùn hoạt tính có bổ sung TSH
3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian sục khí

85

3.3.2. Ảnh hưởng của chu kỳ xử lý

87

3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ trao đổi thể tích

88

3.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ F/M

89

3.3.5. Hiệu quả xử lý COD và amoni theo thời gian vận hành hệ thống

91

3.3.6. Biến thiên chỉ số thể tích lắng của bùn trong q trình vận hành hệ

94

thống
3.3.7. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt của hệ

95

bùn hạt
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

100

DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

102
103

TÀI LIỆU THAM KHẢO
118

PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AAO

Anaerobic – Anoxic - Aerobic - Bể yếm khí – Thiếu khí –
Hiếu khí

AO

Anoxic- Aerobic - Bể thiếu khí - Hiếu khí

ANN

Artificial neural Networks - Mạng neural nhân tạo

AIST

Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ

BET

Brunauer Emmett Teller- Phương pháp xác định bề mặt
riêng

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

Bộ NN&PTNT

Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thơn

Bể Aerotank

Bể bùn hoạt tính dạng lơ lửng

COD

Chemical Oxygen Demand- Nhu cầu oxy hóa hóa học

C/N

Tỷ lệ Chất hữu cơ (COD)/ Nitơ

CFH

Ký hiệu của TSH sử dụng trong nghiên cứu

DO

Dissolved Oxygen- Oxy hòa tan

EPS

Extracellular Polymeric Substances – Hợp chất polymer
ngoại bào

F/M

Food/ Microorganism - Tỷ lệ thức ăn/Vi sinh vật

FTIR

Fourier-Transform Infrared- Phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier

GAC

Granular Activated Carbon -Than hoạt tính dạng hạt

HRT

Hydraulic Retention Time - Thời gian lưu thủy lực

HP

Hấp phụ

MBBR

Moving Bed Biofilm Reactor - Thiết bị màng sinh học
chuyển động

MBR

Membrane Bioreactor – Bể lọc sinh học bằng màng

NTSH

Nước thải sinh hoạt

NH4+_N

Hàm lượng amoni tính theo lượng N (mg/L)

pHpzc

pH at point of zero charge (pH tại điểm trung hịa điện
tích)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SEM

Scanning Electronic Microscope - Hiển vi điện tử quét


SBR

Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng tuần tự theo mẻ

SVI

Sludge Volume Index – Chỉ số thể tích lắng của bùn

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TSH

Than sinh học

TN

Tổng Nitơ

R/L

Rắn/ lỏng

µm

Micro mét

VSV

Vi sinh vật

VCP

Vỏ cà phê

VER

Volume Exchange Rate - Tỷ lệ thể tích nước trao đổi

v/p

vòng/ phút


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Phân loại các phương pháp nhiệt phân dựa và điều kiện vận hành

8

[17]
Bảng 1.2. Thành phần nước thải sinh hoạt

25

Bảng 2.1. Các thông số vận hành bể SBR trong các giai đoạn nghiên cứu

54

Bảng 2.2.
Bảng 3.1. Hằng số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich khi sử dụng CFH

70

350
Bảng 3. 2. Hằng số tốc độ hấp phụ bậc 1 và bậc 2 đối với NH4+ trên CFH

71

350
Bảng 3.3. Hiệu quả xử lý Amoni, TN và tốc độ Nitrat hóa ở các tỷ lệ C/N

94

khác nhau
Bảng 3.4. Kết quả quan trắc chất lượng NT sinh hoạt sau bể tự hoại trong 7

96

ngày

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Một số cơ chế hấp phụ chất hữu cơ và vô cơ của than sinh học

10

Hình 1.2. Quá trình tạo bùn hạt khi bổ sung TSH vào hệ thống

39

Hình 2.1. Quy trình chế tạo than sinh học từ vỏ cà phê

42

Hình 2.2. Sơ đồ quy trình thực nghiệm xác định một số yếu tố ảnh hưởng

44

đến quá trình hấp phụ của TSH từ vỏ cà phê
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình thực nghiệm xác định một số yếu tố ảnh hưởng

49

đến sự sinh trưởng và hấp phụ lên TSH của bùn hoạt tính khi bổ sung
TSH
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình thực nghiệm xác định một số yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu quả xử lý COD và Amoni của hệ bùn hoạt tính khi bổ sung TSH

42


từ VCP
Hình 2.5. Mơ hình hệ thống thí nghiệm SBR

54

Hình 2.6. Hệ thí nghiệm bổ sung TSH từ VCP vào bùn hoạt tính trên bể

55

SBR
Hình 3.1. Dung lượng hấp phụ amoni của TSH từ VCP tại các dải nhiệt

58

phân
Hình 3.2. Ảnh SEM của vật liệu CFH 350

60

Hình 3. 3. Phổ hồng ngoại của vật liệu CFH 350 trước khi hấp phụ

60

Hình 3. 4. Kết quả xác định pH đẳng điện của than CFH350

61

Hình 3. 5. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu quả xử lý amoni

63

Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý amoni

64

Hình 3.7. Biến động pH trước và sau quá trình hấp phụ

65

Hình 3.8. FTIR của than CFH 350 trước và sau quá trình hấp phụ

65

Hình 3.9. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến hiệu quả xử lý amoni

66

Hình 3.10. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến hiệu quả xử lý amoni

67

Hình 3.11. Đường đẳng nhiệt Langmuir (trái) và đẳng nhiệt Freundlich

68

(phải)
Hình 3.12. Giả động học bậc 1 và bậc 2 với hấp phụ NH4+ trên CFH 350

71

Hình 3.13. Hiệu quả xử lý amoni của CFH 350 trên các đối tượng NT

72

khác nhau
Hình 3.14. Hệ bùn và than sinh học sau 1 tuần (a) và 3 tuần (b)

74

Hình 3.15. Bùn hạt sau 40 ngày vận hành hệ thống

75

Hình 3.16. SEM của bùn hạt sau 90 ngày vận hành hệ thống

76

Hình 3.17. Cấu trúc lõi bùn của bùn hạt và cơ chế hình thành bùn hạt

77

Hình 3.18. Ảnh hưởng của hàm lượng TSH đến sinh trưởng của VSV

78

Hình 3.19. Ảnh hưởng của kích thước than sinh học đến khả năng hấp

79

phụ VSV
Hình 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng than sinh học đến hiệu quả hấp

80

phụ
Hình 3.21. Khả năng hấp phụ vi khuẩn trên TSH theo thời gian

81

Hình 3.22. Đánh giá hiệu suất xử lý COD, amoni trong nước thải tự tạo

82


Hình 3.23. Hiệu suất xử lý COD và amoni khi áp dụng trên nước thải thật

84

Hình 3.24. Hiệu suất xử lý COD theo thời gian xử lý

86

Hình 3.25. Hiệu suất xử lý amoni theo thời gian

86

Hình 3.26. Ảnh hưởng của chu kỳ xử lý đến hiệu suất xử lý

87

Hình 3.27. Ảnh hưởng của tỷ lệ trao đổi thể tích đến hiệu suất xử lý

89

Hình 3.28. Ảnh hưởng của tỷ lệ F/M đến hiệu suất xử lý

90

Hình 3.29. Hiệu suất xử lý COD theo thời gian vận hành của hệ thống

92

Hình 3.30. Hiệu suất xử lý amoni theo thời gian vận hành của hệ thống

92

Hình 3.31. Biến thiên SVI theo thời gian vận hành hệ thống

95

Hình 3.32. Hiệu suất xử lý COD, amoni và TN của hệ khi vận hành với

96

NTSH


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Xử lý amoni trong nước và nước thải có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý
hoặc sinh học dựa trên nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách loại ra
khỏi mơi trường nước. Trong đó phương pháp sinh học và phương pháp hấp phụ sử
dụng các vật liệu như zeolite, than hoạt tính, than sinh học được xem là các phương
pháp phổ biến hiện nay. Tuy nhiên với loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp như nước
thải sinh hoạt sau khi qua bệ tự hoại, xử lý sinh học thường khó đạt tiêu chuẩn đầu ra
với các chỉ tiêu về dinh dưỡng, trong đó có chỉ tiêu về amoni. Để có thể xử lý đạt hiệu
quả, các hệ thống xử lý sinh học cần phải bổ sung thêm chất hữu cơ (rỉ đường hoặc
methanol) gây tốn kém cho quá trình vận hành.
Theo Lehmann và cộng sự, than sinh học (TSH) là vật rắn giàu cacbon (C) thu
được từ việc nhiệt phân sinh khối trong môi trường yếm khí. TSH được chế tạo từ
nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó tận dụng các vật liệu thải từ phụ phẩm
nông nghiệp đang là một xu hướng nghiên cứu và ứng dụng được nhiều nhà khoa học
quan tâm [1]. Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với nguồn phụ phẩm nông
nghiệp và sinh khối thải rất lớn. Lượng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam rất đa
dạng (rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ dừa, vỏ cà phê, mùn cưa, phế thải gỗ…), thải ra môi
trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng hàng năm rất lớn. Đây là một trong những nguồn

sinh khối tiềm năng để phục vụ cho sản xuất TSH [2]. Năm 2020, tổng lượng chất thải
nông nghiệp khoảng 118,2 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8
triệu tấn trấu, 15,6 triệu tấn bã mía, 9,2 triệu tấn lõi ngơ, 8,1 triệu tấn các loại phụ
phẩm nông nghiệp khác, phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tấn và 1,7 triệu tấn vỏ cà phê
[3]. Đã có một số nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo TSH từ các phụ phẩm
nông, lâm nghiệp như vỏ trấu, thân cây lạc, đậu, lõi ngô, xơ dừa, mùn cưa... ứng dụng
trong xử lý các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng TSH chế tạo từ vỏ cà phê
(VCP) để xử lý để xử lý amoni trong nước thải hiện vẫn chưa được đề cập đến. VCP
cũng là một dạng phụ phẩm nông nghiệp được thải ra với lượng lớn đặc biệt là ở khu
vực miền trung, Tây Nguyên. Sau khi chế biến, vỏ cà phê thường được chất đống đem
đốt hoặc thải bỏ trực tiếp vào các gốc cà phê. Do hàm lượng lignin, caffein, xenlulo và
tanin trong vỏ cà phê rất cao, khó phân hủy trong điều kiện thơng thường, vì vậy đem
bón trực tiếp vào cây làm cây bị nóng, khơng đem lại hiệu quả về kinh tế. Hiện nay,
xu hướng nghiên cứu với vỏ cà phê là đem ủ làm phân vi sinh tuy nhiên phương pháp
này địi hỏi trình độ kỹ thuật nhất định và thời gian tương đối dài do vỏ

1


cà phê khó phân hủy hơn một số loại phụ phẩm nông nghiệp khác. Việc sử dụng vỏ cà
phê làm nguồn nguyên liệu để sản xuất TSH ứng dụng trong lĩnh vực xử lý mơi
trường nói chung và xử lý amoni trong nước thải hiện chưa có nhiều nghiên cứu trên
thế giới cũng như ở Việt nam. Ngoài ra hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước
hiện nay ứng dụng TSH trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải nói chung và
amoni nói riêng đều tập trung vào đánh giá hiệu quả hấp phụ theo cơ chế hấp phụ vật
lý, hóa học và đi sâu vào phương pháp chế tạo, phương pháp biến tính vật liệu để tăng
cường hiệu quả của quá trình hấp phụ [4,5] do TSH chế tạo trong điều kiện thơng
thường thường có diện tích bề mặt riêng nhỏ, số lượng nhóm chức bề mặt thấp nên
hiệu quả hấp phụ không cao [6-8]. Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu mới chỉ dừng
lại ở việc đánh giá hiệu quả hấp phụ trên đối tượng nước thải tự tạo hoặc một số loại

hình như nước cấp sinh hoạt, nước thải bệnh viện sau xử lý sinh học. Hiện chưa có
nhiều thơng tin đề cập đến cơ chế xử lý khi bổ sung TSH vào hệ bùn hoạt tính và áp
dụng trên đối tượng nước thải có tỷ lệ C/N thấp.
Hiện nay, nghiên cứu cơng nghệ bùn hạt hiếu khí trong xử lý nước thải đang là
một hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và
ngoài nước. Ưu điểm của công nghệ này là mật độ sinh khối trong hệ thống cao, tải
trọng hữu cơ cao cũng như thời gian phân tách hệ bùn - nước ngắn hơn rất nhiều so
với cơng nghệ bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống [9-11]. Bên cạnh đó, một số nghiên
cứu gần đây nhất cho thấy việc sử dụng công nghệ bùn hạt trong điều kiện DO thấp có
hiệu quả trong xử lý nước thải có hàm lượng amoni cao (tỷ lệ C/N thấp) mà loại hình
xử lý hiếu khí truyền thống thường khơng có hiệu quả. Khơng những vậy, bùn hạt có
khả năng chống chịu được nhiều điều kiện bất lợi như hạn chế nguồn cơ chất, sự có
mặt của một số chất gây ức chế và có thời gian lưu trong hệ thống lâu hơn so với bùn
hiếu khí lơ lửng. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là cần thời gian tạo bùn
hạt khá dài (90 - 180 ngày) và phụ thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống. Nhiều
nghiên cứu trong vòng vài năm trở lại đây đã tập trung vào đánh giá các yếu tố giúp
đẩy nhanh quá trình tạo bùn hạt trong giai đoạn khởi động hệ thống như tối ưu hóa các
điều kiện vận hành, các q trình sinh hóa và đưa tác nhân tạo bùn hạt vào hệ thống.
Tối ưu hóa điều kiện vận hành bao gồm việc thiết kế hệ thống với thời gian lưu thủy
lực và tải trọng hữu cơ phù hợp, tối ưu hóa thời gian lưu bùn, tuổi của bùn, tốc độ
khuấy trộn, tốc độ sục khí… cho thấy hiệu quả của quá trình tạo bùn hạt cũng như
hiệu quả xử lý của hệ thống tăng rõ rệt [12]. Đối với việc đưa thêm tác nhân thì một
vài nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC) và than
sinh học làm từ vỏ trấu cũng đem lại hiệu quả rõ rệt, rút ngắn thời gian tạo bùn hạt.


Than hoạt tính được đưa vào trong hệ thống trong giai đoạn đầu khởi động trở thành
chất mang và hạt nhân giúp vi sinh vật hấp phụ trên bề mặt than và dễ dàng tạo bùn
hạt, đồng thời giúp hạt bùn ổn định hơn trong quá trình vận hành hệ thống. Tuy nhiên
những nghiên cứu này lại chỉ tập trung vào đánh giá vai trị của than như chất mang

thơng thường trong quá trình tạo bùn hạt, chưa đánh giá được đặc tính của than cũng
như xét đến khía cạnh hấp phụ của vi sinh vật trên bề mặt than trong quá trình xử lý.
Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, trong nghiên cứu này, TSH chế tạo từ vỏ cà phê
được nghiên cứu để xử lý amoni trong một loại hình nước thải có tỷ lệ C/N thấp (nước
thải sinh hoạt sau bể tự hoại), trên cơ sở đánh giá quá trình hấp phụ và quá trình màng
sinh học bám dính trên TSH. TSH từ vỏ cà phê được tập trung nghiên cứu với vai trò
vừa là chất hấp phụ vừa là chất mang được bổ sung vào hệ bùn hoạt tính trong bể SBR
để giảm thời gian hình thành bùn hạt và giúp tăng hiệu quả của quá trình xử lý amoni
trong nước thải.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đưa ra quy trình chế tạo TSH từ vỏ cà phê với công nghệ chế tạo đơn giản để tận
dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp và tạo ra sản phẩm có khả năng ứng dụng trong xử
lý amoni trong nước và nước thải. TSH từ vỏ cà phê khi nhiệt phân ở nhiệt độ thấp,
thời gian nhiệt phân ngắn có hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, có thể giữ lại tối đa
lượng C và nhóm chức trên bề mặt TSH nên có thể được sử dụng cho nhiều mục đích
như làm chất hấp phụ hay chất mang vi sinh.
- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiệu quả hấp phụ amoni trong nước
thải. Xác định cơ chế hấp phụ và động học quá trình hấp phụ amoni trong nước thải
của TSH chế tạo từ vỏ cà phê.
- Sử dụng TSH từ VCP làm chất mang bổ sung vào hệ bùn hoạt tính để thúc đẩy quá
trình tạo bùn hạt. Đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoni
của hệ TSH kết hợp bùn hoạt tính.
Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu trên thì nội dung nghiên cứu cụ thể của đề
tài bao gồm:
-

Xây dựng quy trình chuẩn bị TSH từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ cà phê), xác
định các đặc trưng của TSH chế tạo từ vỏ cà phê (diện tích bề mặt, pH điểm
đẳng điện, độ ẩm, độ tro, hàm lượng C, FTIR, SEM) và đánh giá sơ bộ khả

năng hấp phụ vật lý, hóa học của TSH từ vỏ cà phê như đánh giá ảnh hưởng


của thời gian tiếp xúc, pH của nước thải đầu vào, tỷ lệ rắn/lỏng, kích thước
than sinh học và ảnh hưởng cả nồng độ amoni ban đầu. Ngoài ra đẳng nhiệt hấp
phụ và động học của quá trình hấp phụ cũng được xác định để làm rõ cơ chế
hấp phụ amoni của TSH từ vỏ cà phê sử dụng trong nghiên cứu.
-

Nghiên cứu quy trình bổ sung TSH từ vỏ cà phê vào hệ bùn hoạt tính để TSH
đóng vai trò là chất mang. Đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung TSH chế tạo
từ vỏ cà phê đến khả năng sinh trưởng của bùn hoạt tính trong bể SBR. Đánh
giá khả năng hấp phụ của bùn hoạt tính trên than sinh học khi sử dụng than
sinh học làm chất mang vi sinh.

-

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hiệu quả xử lý của hệ
TSH kết hợp bùn hoạt tính: thời gian sục khí, tỷ lệ chất hữu cơ/vi sinh vật
(F/M), tỷ lệ C/N, chu kỳ hoạt động của hệ thống, tỷ lệ trao đổi thể tích … tới
hiệu quả xử lý amoni của hệ bùn hạt hoạt tính. Xác định tốc độ sinh trưởng và
tốc độ phân giải amoni của hệ bùn hạt, quan sát đánh giá quá trình hình thành
bùn hạt theo thời gian vận hành của hệ thống.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu của luận án là TSH chế tạo từ vỏ cà phê Robusta, sử
dụng với vai trò là chất hấp phụ và chất mang vi sinh để xử lý amoni trong hệ
xử lý sinh học nước thải có tỷ lệ C/N thấp (nước thải sinh hoạt).

-

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được triển khai ở quy mơ pilot trong phịng
thí nghiệm với một số điều kiện ban đầu được khống chế và tiến hành các thí
nghiệm theo mẻ trên bể SBR.

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học:
Với công nghệ chế tạo đơn giản, TSH chế tạo từ vỏ cà phê trong điều kiện
nhiệt phân ở nhiệt độ thấp (350oC), thời gian nhiệt phân ngắn (60 phút), khơng
qua các cơng đoạn hoạt hóa có khả năng sử dụng làm chất hấp phụ amoni trong
nước và nước thải. Nghiên cứu đã xác định được một số yếu tố ảnh hưởng, thông
số đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ amoni của TSH từ vỏ cà phê.
- Khi bổ sung TSH từ vỏ cà phê vào hệ bùn hoạt tính trong thiết bị SBR, TSH
đóng vai trị chất mang, kích thích sự sinh trưởng và hấp phụ của bùn hoạt tính
trên TSH từ đó giúp đẩy nhanh tốc độ hình thành bùn hạt. Kết quả nghiên cứu
cho thấy việc đưa TSH từ vỏ cà phê vào làm chất mang đã giúp giảm thời gian


hình thành bùn hạt xuống dưới 30 ngày trong khi nhiều nghiên cứu trước đó cho
thấy với hệ khơng bổ sung chất mang trong cùng điều kiện thí nghiệm, bùn hạt
hình thành sau ít nhất 2- 3 tháng hoặc có thể lâu hơn tới 6 tháng. Hệ bùn hạt giúp
cho q trình xử lý chất ơ nhiễm đặc biệt là amoni đạt hiệu quả cao hơn hệ bùn
hiếu khí thơng thường. Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của một số yếu
tố vận hành (thời gian thiếu khí/yếm khí, tỷ lệ F/M. tỷ lệ C/N, tỷ lệ trao đổi thể
tích…) đến hiệu quả xử lý amoni của hệ TSH và bùn hoạt tính theo thời gian vận
hành của hệ.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu chế tạo TSH từ vỏ cà phê, với công nghệ chế tạo đơn giản,

chi phí thấp, tận dụng nguồn phụ phẩm nơng nghiệp dồi dào sẵn có ở Việt nam để xử
lý amoni trong nước với vai trò vừa là chất hấp phụ vừa là chất mang thúc đẩy quá
trình tạo bùn hạt trong hệ SBR có ý nghĩa thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu của đề tài
là cơ sở tiền đề cho việc đề xuất hệ thống xử lý hiệu quả amoni trong nước thải đặc
biệt là nước thải có tỷ lệ C/N thấp như nước thải sinh hoạt mà các phương pháp xử lý
sinh học truyền thống chưa thực sự hiệu quả. Ngoài ra, khả năng lắng tốt của bùn hạt
còn giúp cải thiện được việc tách sinh khối từ nước thải, tăng chất lượng nước sau xử
lý.

5. Đóng góp mới của luận án
 Trong nghiên cứu này, TSH từ vỏ cà phê với quy trình chế tạo đơn giản
(thời gian nhiệt phân ngắn, nhiệt độ nhiệt phân thấp, không sử dụng khí trơ) đã được
chế tạo và ứng dụng thành công để xử lý amoni trong nước.
 TSH từ vỏ cà phê được đánh giá tính hiệu quả khi xử lý amoni trên cả 2
phương diện là chất hấp phụ và là chất mang vi sinh giúp đẩy nhanh quá trình tạo bùn
hạt trong hệ thống xử lý sinh học (bể SBR) trên đối tượng nước thải có tỷ lệ C/N thấp
(nước thải sinh hoạt). Kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy hướng nghiên cứu mới
trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng TSH nói chung và TSH từ vỏ cà phê nói riêng
trong lĩnh vực xử lý nước thải.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về quá trình chế tạo TSH từ phụ phẩm nông nghiệp ở Việt nam
1.1.1. Tiềm năng sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp
Theo đánh giá của Cục Trồng trọt (Bộ NN&PTNT), với diện tích trồng trọt hiện
tại, ước tính lượng phụ phẩm nơng nghiệp trên cả nước chiếm khoảng 118 triệu
tấn/năm. Tuy nhiên, hiện nay chỉ 11% phụ phẩm nông nghiệp được sử dụng làm chất
đốt tại chỗ, 5% làm nhiên liệu cho các ngành sản xuất công nghiệp, 3% làm thức ăn
gia súc,…còn lại hơn 80% đang được thải trực tiếp ra môi trường hoặc đốt gây ô
nhiễm môi trường nghiêm trọng [13]. Việc tận dụng các phụ phẩm nơng nghiệp để sản

xuất TSH có ý nghĩa rất quan trọng trong việc quản lý tài nguyên và bảo vệ môi
trường. Đây là giải pháp bền vững chi phí thấp, tận dụng nguồn sinh khối sẵn có từ
nơng nghiệp để tạo ra sản phẩm giúp cải tạo đất và lưu giữ cacbon trong đất. Do đó
việc nhân rộng mơ hình sản xuất TSH tại địa phương có tính khả thi cao, góp phần tạo
thêm nguồn thu nhập cho nơng dân thay vì đốt bỏ phụ phẩm nơng nghiệp ngồi đồng
gây lãng phí và ảnh hưởng đến mơi trường.
Cà phê là một trong những mặt hàng nông sản xuất khẩu quan trọng của Việt
nam. Sản lượng cà phê niên vụ 2020-2021 ước đạt gần 2 triệu tấn và hiện Việt nam
vẫn là nước sản xuất và xuất khẩu cà phê lớn thứ 2 thế giới. Phần lớn diện tích trồng
cà phê tập trung ở khu vực Tây Nguyên (chiếm 90%) với diện tích khoảng gần
600.000 ha. Với tỷ lệ vỏ cà phê chiếm khoảng 40% thì hàng năm, lượng vỏ cà phê thải
ra lên tới gần1,2 triệu tấn. So với các loại hình chất thải nơng nghiệp khác, vỏ cà phê
có hàm lượng đường rất cao (14,4%), trong đó đường khử chiếm 12,4% cùng với hàm
lượng protein (10,1%) với 18 loại axit amin và hàm lượng hữu cơ trong đó cũng rất
cao. Hàm lượng cellulose trong vỏ cà phê là 63,2%, lignin 17,7% thường khó phân
hủy sinh học hơn các loại chất thải nơng nghiệp khác do đó vỏ cà phê từ quá trình chế
biến cà phê thường được thải bỏ ngồi mơi trường hoặc đem đốt [14]. Gần đây, vỏ cà
phê được hướng tới sản xuất phân compost tuy nhiên thời gian chế biến lâu (do thời
gian phân hủy lâu), quy trình phức tạp, sản phẩm có chất lượng không cao nên không
mang lại hiệu quả kinh tế. Ngồi ra vỏ cà phê cịn được nghiên cứu để sản xuất thức
ăn gia súc, làm giá thể trồng nấm, sản xuất hương liệu…Do vậy hướng tiếp cận vỏ cà
phê là nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất TSH làm vật liệu hấp phụ cũng là một
hướng nghiên cứu và tiếp cận đem lại hiệu quả về nhiều mặt. Việc tận dụng vỏ cà phê
sản xuất TSH tạo ra vật liệu để xử lý các chất ơ nhiễm nói chung và amoni nói riêng


vừa góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất do nguồn nguyên liệu đầu vào rẻ tiền vừa giải
quyết được vấn đề ơ nhiễm mơi trường do q trình thải bỏ không đúng cách.
1.1.2. Các phương pháp sản xuất TSH từ phụ phẩm nông nghiệp
Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt nam có nhiều cơng nghệ được sử dụng

để chế tạo TSH từ phụ phẩm nông nghiệp. Gần đây, công nghệ nhiệt phân đã trở thành
một trong những hướng công nghệ triển vọng để tận thu năng lượng từ sinh khối thải
và sản xuất các sản phẩm có lợi cho mơi trường [15]. Trong q trình nhiệt phân, 50%
đến 80% sinh khối được chuyển thành chất lỏng và hơi dễ cháy, có thể được sử dụng
để sản xuất năng lượng, phần còn lại được chuyển thành TSH. Trong quá trình nhiệt
phân, lignin, cellulose, hemicellulose, chất béo và tinh bột trong nguyên liệu thô được
phân hủy bằng nhiệt tạo thành ba sản phẩm chính: than sinh học (phần rắn), dầu sinh
học (một phần chất bay hơi ngưng tụ) và khí khơng ngưng tụ (CO, CO 2, CH4 và H2)
[16].
Nhiệt phân là một kỹ thuật đang phát triển nhanh chóng và có khả năng thích
ứng rộng rãi, là cơng cụ có hiệu quả để giảm thiểu và chuyển đổi chất thải rắn thành
các sản phẩm giá trị gia tăng như dầu sinh học, khí sinh học và TSH. Nhiệt phân có
thể xử lý hầu hết sinh khối (khơ, ướt, cứng mềm) và chất thải (bùn thải hoặc bùn công
nghiệp) trực tiếp mà khơng gặp nhiều khó khăn. Cơng đoạn tiền xử lý trong một số
trường hợp có thể làm cho quá trình nhiệt phân đạt hiệu quả hơn. Một trong những ưu
điểm chính của q trình nhiệt phân là tính linh hoạt với nhiều loại nguyên liệu đầu
vào và cho sản phẩm đầu ra có chất lượng ổn định. Ngồi ra khi quy mô sản xuất
lớn, nguồn nguyên liệu đầu vào rẻ tiền, sẵn có (phụ phẩm nơng nghiệp) sẽ khiến cho
sản phẩm của q trình nhiệt phân có chi phí sản xuất hợp lý và giá thành cạnh tranh
hơn các loại than hoạt tính truyền thống. Trong q trình sản xuất TSH, TSH từ phụ
phẩm nông nghiệp thường chứa hàm lượng lưu huỳnh và NOx thấp nên thân thiện với
môi trường. Sản xuất TSH chịu ảnh hưởng bởi đặc trưng, thành phần của nguồn
nguyên liệu sinh khối đầu vào. Hàm lượng cellulose, lignin trong sinh khối có ảnh
hưởng đến thành phần, đặc tính và chất lượng TSH. Hàm lượng lignin cao thuận lợi
cho quá trình hình thành than sinh học. Độ ẩm trong sinh khối cao sẽ làm tăng năng
lượng cần thiết để đạt đến nhiệt độ nhiệt phân tối ưu đồng thời cịn có khả năng gây ức
chế sự hình thành TSH [17].


Bảng 1.1. Phân loại các phương pháp nhiệt phân dựa và điều kiện vận hành [17]

Nhiệt
phân
chậm

Nhiệt độ
nhiệt phân
(oC)
Tốc độ gia
nhiệt
(oC/s)
Thời gian
nhiệt phân
(phút)
Áp suất
(MPa)
Kích thước

550-950

Nhiệt
phân
nhanh

850-

Nhiệt
phân
trung
bình

Nhiệt
phân siêu
nhanh

Nhiệt
phân sử
dụng khí

500-650

Nhiệt
phân
trong
điều kiện
chân
khơng
300-600

900-1200

H2

350-600

1250
0,1-1,0

10-200

>1000

1,0-10

0,1-1,0

10-300

300 - 550

5 - 10

< 10

0,5-10

1-10

>15

0,1

0,1

0,1

0,1

0,01-0,02

5-20

5-50

<1

< 0,5

1,0-5,0

-

-

vật liệu
(mm)
Nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng đến một số đặc tính của TSH như diện tích bề
mặt, nhóm chức bề mặt, kích thước lỗ rỗng và thành phần của TSH. Trong quá trình
sản xuất TSH, việc tìm ra điều kiện nhiệt độ nhiệt phân tối ưu để có hiệu quả cao
trong hấp phụ chất ơ nhiễm đang là một trong những hướng được tập trung nghiên
cứu. Nhiều nghiên cứu cho thấy dải nhiệt độ từ 300°C - 600°C phù hợp với việc sản
xuất nhiều loại TSH. Nhiệt độ nhiệt phân càng cao thì năng suất thu hồi TSH càng
giảm do nguyên liệu bị tro hóa nhiều. Nhiệt độ nhiệt phân thấp, thời gian nhiệt phân
dài và tốc độ gia nhiệt thấp tạo điều kiện tốt nhất cho sự hình thành của TSH. Nhiệt độ
nhiệt phân từ 450°C - 600°C phù hợp cho quá trình nhiệt phân đa số sinh khối để tạo
TSH có chất lượng ổn định. Khi tăng nhiệt độ nhiệt phân (≥ 550ºC), kết quả nhiều
nghiên cứu cho thấy có sự gia tăng diện tích bề mặt của TSH cũng như diện tích các lỗ
mao quản. Diện tích bề mặt riêng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân, tuy nhiên nếu
nhiệt độ nhiệt phân cao > 800oC thì có thể làm giảm năng suất thu hồi của TSH từ 10 -

30% và phá hủy nhóm chức trên bề mặt như (-COOH, -OH) [18]. Do đó, TSH ở nhiệt
độ thấp thường áp dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ hay hữu cơ phân cực do các
cơ chế hấp phụ bởi các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt như trao đổi ion, lực hấp dẫn
điện từ và cơ chế kết tủa. Nhiệt độ nhiệt phân cao thường được áp dụng để chế tạo
TSH để hấp phụ các các chất hữu cơ do TSH được tạo ra khi nhiệt phân ở nhiệt độ cao
có diện tích bề mặt riêng lớn, nhiều lỗ mao quản nhỏ. Tăng nhiệt độ nhiệt phân cũng
làm giảm độ phân cực của TSH, do đó bề mặt TSH trở nên ít ưa nước hơn. Hàm lượng
O và H thấp hơn đã được báo cáo khi tăng nhiệt độ nhiệt phân do mất các nhóm chức
bề mặt. Sự suy giảm các nhóm chức chứa oxy có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
kim loại của TSH [19].
TSH từ phụ phẩm nơng nghiệp có nhiều ưu điểm vượt trội như chi phí thấp,
TSH có nhiệt trị cao làm nhiên liệu trong công nghiệp hoặc làm vật liệu hấp phụ dùng
xử lý ô nhiễm môi trường. Nhiệt phân cũng có thể dùng để xử lý rác thải hữu cơ, sản
phẩm thu được dùng làm phân bón, giá thể cho cây trồng [20]. Tuy nhiên TSH được
chế tạo từ phụ phẩm nơng nghiệp khơng qua q trình hoạt hóa thường có dung lượng
hấp phụ các chất ơ nhiễm khơng cao vì vậy để tăng cường khả năng hấp phụ của TSH
thì hầu hết các nghiên cứu hiện nay tập trung vào q trình biến tính bề mặt TSH bằng
các phương pháp như biến tính hóa học, biến tính vật lý và biến tính sinh học. Việc
lựa chọn phương pháp biến tính phụ thuộc vào đặc tính của TSH sau nhiệt phân cũng
như đặc tính của chất cần hấp phụ. Biến tính bằng phương pháp hóa học (sử dụng axit
hoặc bazơ mạnh) sẽ giúp tăng các nhóm chức lên bề mặt TSH. Biến tính bằng phương
pháp vật lý như phương pháp nhiệt hay sử dụng hơi nước thường giúp tăng diện tích
bề mặt nhưng lại làm giảm các nhóm chức chứa oxy do các nhóm chức này dễ bị phá
hủy ở nhiệt độ cao. Ngoài ra gần đây biến tính TSH bằng ngâm tẩm một số hoạt chất
trên bề mặt than cũng đang được nghiên cứu. Trong phương pháp ngâm tẩm, các muối
hoặc oxit kim loại được trộn với TSH để tạo điều kiện cho sự gắn kết vật lý hoặc hóa
học của các ion kim loại trong các cấu trúc của TSH. Ngâm tẩm vật liệu giúp tăng
cường hình thành khả năng oxy hóa xúc tác nhưng lại làm giảm diện tích bề mặt riêng
cũng như thể tích lỗ mao quản của TSH [18].
1.1.3. Ứng dụng của TSH chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý môi trường

Trong vài năm qua, lượng chất ô nhiễm ngày càng tăng và sự đa dạng đòi hỏi
phát triển các hệ thống hấp phụ đa năng chi phí thấp. Việc sử dụng nguyên liệu sinh
khối như phụ phẩm nông nghiệp, gỗ vụn, phân hoặc chất thải rắn đô thị là nguồn để


sản xuất chất hấp thụ sinh học chi phí thấp là một trong những hướng nghiên cứu đang
được quan tâm rộng rãi trong vài năm trở lại đây.
Các nghiên cứu về ứng dụng của TSH khởi đầu từ tập trung đánh giá khả năng
hấp phụ các chất dinh dưỡng trong nước thải của TSH để sử dụng làm chất cải tạo đất.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, TSH đặc biệt là TSH sau khi được hoạt hóa
được ứng dụng để xử lý rất nhiều chất ô nhiễm trong môi trường. Than sinh học được
đánh giá là một chất hấp phụ bền vững với môi trường và hiệu quả về chi phí sản xuất
cho khả năng hấp phụ tương đối cao các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ, các chất khí và
cả một số chất khó phân hủy sinh học [1].

Hình 1.1. Một số cơ chế hấp phụ chất hữu cơ và vơ cơ của than sinh học [21]
Hình 1.1 đề xuất một số cơ chế hấp phụ các chất ô nhiễm dạng hữu cơ và vô cơ
của TSH dựa trên kết quả của rất nhiều nghiên cứu. Trong đó một số cơ chế phổ biến
hay được đề xuất để mơ tả q trình hấp phụ của nhiều loại TSH với nhiều dạng chất
ô nhiễm là cơ chế hút tĩnh điện giữa các nhóm chức trên bề mặt than than sinh học với
các chất ô nhiễm, cơ chế trao đổi ion, cơ chế tạo phức, cơ chế tạo kết tủa hoặc đồng
kết tủa, cơ chế điền đầy các lỗ mao quản trên bề mặt than, cơ chế tạo liên kết giữa các
nhóm chức…Cơ chế hấp phụ của mỗi loại TSH với mỗi loại chất ơ nhiễm phụ thuộc
vào tính chất của TSH (diện tích bề mặt, độ xốp, pH, điện tích bề mặt, các nhóm chức
và các thành phần khống trong TSH) cũng như đặc tính của chất bị hấp phụ [21,22].
Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng TSH có thể hấp phụ các chất ơ nhiễm hữu cơ


tương đương với than hoạt tính thương mại và do đó có thể là giải pháp thay thế hiệu
quả than hoạt tính thương mại. Ngồi ra, việc tái sinh TSH có thể được thực hiện dễ

dàng bằng cách xử lý nhiệt, chiếu xạ, vi sóng hay sử dụng chất hữu cơ dạng dung mơi.
Hơn nữa, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy trực tiếp trên bề mặt TSH bởi các gốc tự
do. Yang et al. (2016) quan sát thấy sự phân hủy pnitrophenol khi sử dụng TSH [21].
Bề mặt TSH thường tích điện âm, điều này có thể tạo điều kiện cho quá trình tương
tác tĩnh điện với các hợp chất tích điện dương. Lực hút tĩnh điện là cơ chế chủ đạo khi
sử dụng TSH để hấp phụ methylene, mặc dù có kèm theo q trình khuếch tán chậm
[22]. Sự hấp phụ của cùng một loại thuốc nhuộm trên vật liệu tổng hợp từ đất sét-than
sinh học được kiểm soát bởi cơ chế trao đổi ion (với đất sét) và cơ chế hút tĩnh điện
(với TSH) [23]. Liên kết hydro (liên kết H) là một cơ chế khác giải thích cho q trình
hấp phụ các chất ơ nhiễm hữu cơ phân cực trên bề mặt TSH [24-26]. Sự hấp phụ
Dibutyl phthalate bằng TSH từ quá trình nhiệt phân rơm rạ và phân lợn được cho là do
liên kết H giữa các nhóm cho H hoặc phân tử nước trên TSH và nguyên tử O trên
nhóm Dibutyl phthalate [27].
Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng lực đẩy tĩnh điện giữa các
hợp chất hữu cơ tích điện âm và TSH có thể thúc đẩy liên kết H và tạo ra sự hấp phụ
[28]. Tương tác của chất nhận điện tử p-p (p-p EDA) đã được được đề xuất như một
trong những cơ chế quan trọng liên quan đến q trình hấp phụ vịng benzen. Sự hấp
phụ của sulfonamide bởi TSH nhiệt phân từ gỗ thông liên quan đến tương tác p-p
EDA giữa các phân tử sulfonamide và bề mặt graphit của TSH [25]. Trong những
năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của TSH để loại bỏ
các chất ô nhiễm trong môi trường nước và đất. Rất nhiều các chất ơ nhiễm có thể
được hấp phụ nhờ TSH như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, thuốc diệt
cơn trùng, thuốc kháng sinh, hóa chất cơng nghiệp (naphthalene, phenanthrene,
pyrene, anthracene, polychlorinated biphenyl, m-dinitrobenzene, catechol, pnitrotoluene…), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), thuốc nhuộm... Hơn nữa,
TSH còn ứng dụng trong xử lý các hợp chất estrogen trong nước thải sinh hoạt, các
chất ức chế sự phân hủy sinh khối như furfural, hydroxymethyl furfural (HMF),
phenolic, các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước rỉ rác…[24,26].
TSH cũng chứng tỏ khả năng hấp phụ một số chất vô cơ như các kim loại (Pb 2+,
Cu2+, Cd2+, Zn2+, Hg2+ và Ni2+) hay các chất ô nhiễm vô cơ khác như H 2S, NH3,
NH4+, NO3− thường có trong nước thải công nghiệp và nước thải đô thị. TSH sản xuất

ở nhiệt độ nhiệt phân thấp (< 500°C) thường có các thuộc tính phù hợp để hấp phụ các
chất ơ nhiễm vô cơ thông qua cơ chế chủ đạo là trao đổi ion ngồi ra cịn có thể thực
hiện


thông qua cơ chế tương tác tĩnh điện với các nhóm chức trên bề mặt TSH (-OH, COOH, ReOH) hoặc hình thành kết tủa kim loại với các thành phần vơ cơ và sự phối
trí của các ion kim loại với các electron π (C=C) của TSH [26]. Tương tác kim loại
nặng với TSH phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân, loại nguyên liệu, pH và tỷ lệ rắn
lỏng…TSH cũng lý tưởng để loại bỏ các chất độc hại từ nước thải của các quy trình
cơng nghiệp khác nhau ví dụ nước thải từ mạ điện, gia công kim loại, cơng nghiệp
điện tử, dược phẩm, hóa chất nơng nghiệp, dầu mỏ và nước rỉ bãi rác [26]. TSH cũng
có hiệu quả để cải thiện sự ổn định và hiệu suất của quá trình sinh học bằng cách loại
bỏ các chất độc hại tiềm ẩn có trong nước thải. TSH chế tạo từ vỏ trấu khi bổ sung vào
quá trình phân hủy kỵ khí trong xử lý chất thải chứa hàm lượng lignocellulo cao giúp
kích thích sự sinh trưởng của các vi sinh vật kỵ khí và các vi khuẩn khí hóa do đó tăng
cường hiệu quả thu CH4 và hiệu quả xử lý chất hữu cơ [27 - 28].
TSH chứng tỏ hiệu quả trong việc loại bỏ các các chất khí độc hại trong dịng
khí thải. TSH có nguồn gốc từ tre, vỏ trấu, vụn gỗ cứng cho khả năng loại bỏ H 2S một
cách dễ dàng khỏi dòng biogas với khả năng hấp phụ khác nhau 100-380 mg H 2S/g.
Sự hấp phụ của H2S chủ yếu bị ảnh hưởng bởi pH của TSH trong đó hiệu quả hấp phụ
tối ưu với pH > 7.0, độ ẩm > 80%, diện tích bề mặt lớn và chứa nhóm chức bề mặt
như -COOH và -OH. Tương tác H 2S với bề mặt TSH thơng qua trao đổi ion với các
nhóm chức -COOH và -OH khi có O2 và hơi ẩm dẫn đến sự hình thành (K, Na) 2SO4
[30]. Trichloroethylene (TCE), thường được phát hiện trong đất và nước ngầm. TSH
có nguồn gốc từ rơm đậu nành (S-BC) và vỏ đậu phộng (P-BC) tại nhiệt độ nhiệt phân
300 và 700°C được thử nghiệm loại bỏ TCE trong nước ngầm. TSH được chế tạo ở
nhiệt độ nhiệt phân cao (SBC700 và P-BC700) hiệu quả hơn so với loại có chế tạo ở
nhiệt độ nhiệt phân thấp hơn (S-BC 300 và P-BC 300) để loại bỏ TCE, và có hiệu quả
tương đương với than hoạt tính thương mại. Hiệu quả loại bỏ tốt hơn của than sinh
học S-BC 700 và P-BC700 được cho là do tăng tính kỵ nước (loại bỏ ∼ 10% O) và

tăng diện tích bề mặt cũng như giảm độ phân cực so với S-BC300 và P-BC300 [2930].

1.2. Tổng quan về ô nhiễm amoni và các nghiên cứu về xử lý amoni bằng
quá trình hấp phụ và sinh học
1.2.1. Tổng quan về ô nhiễm amoni và các phương pháp xử lý amoni
Amoni có mặt trong mơi trường từ nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo do các
q trình chuyển hóa từ cơng nghiệp, nông nghiệp. Lượng amoni trong nước bề mặt


và nước ngầm thường < 0,2 mg/L nhưng hàm lượng amoni trong các nguồn nước bị ơ
nhiễm có thể lên đến vài chục hoặc vài trăm mg/L[31]. Hiện nay ở nước ta, phần lớn
nước thải sinh hoạt tại các hộ gia đình được xử lý bằng bể tự hoại và thải ra cống rãnh,
sông, hồ đã và đang gây ô nhiễm nguồn nước. Kết quả giám sát chất lượng nước của
các kênh, hồ, sông lớn ở Việt Nam cho thấy nồng độ chất ô nhiễm amoni cao gấp 1,5
đến 3 lần, thậm chí cao hơn 10 - 20 lần so với tiêu chuẩn cho phép ở một số khu vực.
Ngoài ra, việc chăn nuôi trên quy mô lớn, sử dụng phân bón hóa học thiếu kiểm sốt
làm tăng lượng amoni trong nước bề mặt chúng tích tụ lâu ngày và ngấm vào trong
nguồn nước ngầm làm hàm lượng amoni trong nước ngầm cũng tăng lên. Nước rỉ rác
từ các bãi chơn lấp cũng có hàm lượng amoni rất cao. Các dịng thải chứa hàm lượng
amoni cao có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độ
oxi trong nước, hiện tượng phú dưỡng, ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ clo. Vì vậy
loại bỏ amoni trong nước thải là cần thiết. Quá trình loại bỏ các amoni trong nước
hiện nay chủ yếu là sử dụng các quá trình sinh học hay các quá trình kết hợp hóa lý
[32].
Có rất nhiều phương pháp xử lý amoni trong nước đã được thử nghiệm và đưa
vào áp dụng như :
+ Phương pháp hóa học: làm thống; clo hóa đến điểm đột biến; oxy hóa bằng
ozone với xúc tác bromua; đông keo tụ…
+ Phương pháp sinh học: lọc sinh học, lọc màng, bùn hoạt tính, đưa amoni vào
sinh khối nuôi tảo…

+ Phương pháp vật lý: hấp phụ, trao đổi ion…
1.2.2. Các nghiên cứu xử lý amoni bằng phương pháp hấp phụ
1.2.2.1. Các nghiên cứu xử lý amoni bằng phương pháp hấp phụ trên thế giới
Xu hướng nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu hấp phụ tự nhiên, sẵn có, rẻ tiền
mà hiệu quả trong hấp phụ, xử lý các chất dinh dưỡng nói chung và amoni nói riêng
ngày càng tăng song song với công nghệ xử lý truyền thống như trao đổi ion hay xử lý
sinh học. Rất nhiều loại vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo đã được sử dụng để xử lý
amoni như nano palygorskitenano composite cho dung lượng hấp phụ cực đại rất cao
237 mg/g [33] hay vật liệu polymer hydrogel đạt dung lượng hấp phụ cực đại 43 mg/g
[34], manganese oxides đạt 22,6 mg/g [35] hoặc zeolite tự nhiên của Trung quốc cũng
đạt dung lượng hấp phụ 12.6 mg/g [36]. Zoelite tự nhiên của Iran cho dung lượng hấp
phụ từ 8-10 mg/g [37]. Có thể thấy hiệu quả của phương pháp hấp phụ trong xử lý