Nghiên cứu ứng dụng trấu và bùn nhôm để sản xuất vật liệu hỗn hợp để thu hồi amoni và phốt phát từ nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VÂN ANH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRẤU VÀ BÙN NHÔM ĐỂ SẢN
XUẤT VẬT LIỆU HỖN HỢP ĐỂ THU HỒI AMONI VÀ PHỐT
PHÁT TỪ NƯỚC THẢI
UTILIZATION OF RICE HUSK AND ALUM SLUDGE TO
PRODUCE AN ADSORBENT COMPOSITE FOR RECOVERY
OF AMMONIUM AND PHOSPHATE FROM WASTEWATER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
Mã số: 8520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Thủy
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Thị Tường Vân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 23 tháng 01 năm 2021.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Bùi Xuân Thành

2. Thư ký: PGS.TS Nguyễn Nhật Huy
3. Phản biện 1: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm
4. Phản biện 2: TS. Trần Thị Tường Vân
5. Ủy Viên: TS. Đào Minh Trung

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thị Vân Anh

MSHV: 1870273

Ngày, tháng, năm sinh: 29/05/1994

Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8520320

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu ứng dụng trấu và bùn nhôm để sản xuất vật liệu hỗn hợp để thu hồi
amoni và phốt phát trong nước thải.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu khả năng xử lý NH4+ và PO43- bằng vật liệu được chế tạo từ than
sinh học vỏ trấu kết hợp với bùn thải từ nhà máy xử lý nước cấp, gồm những nội dung
chính sau:
• Nội dung 1: Khảo sát những điều kiện để biến tính than sinh học vỏ trấu và
bùn thải (hàm lượng muối tẩm, nhiệt độ nung trấu, thời gian nung trấu, axit hoạt hóa
bùn, tỉ lệ phối trộn than sinh học và bùn).
• Nội dung 2: Khảo sát những thông số vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả hấp
phụ của vật liệu (thời gian tiếp xúc, nồng độ NH4+ và PO43- đầu vào, khối lượng vật
liệu, điểm đẳng điện của vật liệu, mơ hình Freundlich, Langmuir, mơ hình động học
hấp phụ).
• Nội dung 3: Phân tích vật liệu (XRD, SEM-EDX-Mapping, BET, FT-IR).
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/09/2020
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/01/2021
V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thị Thủy
Tp.HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2021
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ
MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn, tơi đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ, động viên của các Thầy, Cô giáo và bạn bè đồng nghiệp cùng với gia
đình, tạo điều kiện tốt nhất giúp tơi có thể hồn thành luận văn.
Tơi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cơ giáo, phịng Sau đại học trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là các Thầy Cô giáo Khoa Môi
trường và Tài nguyên trực tiếp giảng dạy các chuyên đề, cung cấp một lượng lớn kiến
thức hữu ích để tơi có thể làm cơ sở cho những nghiên cứu của mình.
Đặc biệt, tơi thực sự biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Thủy, người đã rất tâm
huyết và trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi tiến hành các hoạt động
nghiên cứu khoa học để tơi có thể hồn thành luận văn Thạc sĩ. Bên cạnh đó, xin chân
thành cảm ơn đến Trung tâm Công nghệ Việt Đức – Trường ĐH Cơng nghiệp Thực
phẩm TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất cho tơi thực hiện các thí nghiệm trong
nghiên cứu của mình trong đơn vị của Trường.
Trong bài luận văn này, chắc hẳn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu
sót. Tơi mong muốn sẽ nhận được nhiều đóng góp q báu đến từ các Thầy Cơ, bạn
đọc để đề tài được hoàn thiện hơn nữa và có ý nghĩa thiết thực áp dụng trong thực tiễn
cuộc sống.
Chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
Tác giả

Nguyễn Thị Vân Anh

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Một phương pháp tổng hợp mới đã được phát triển để chế tạo ra vật liệu tổ hợp
80% than sinh học và 20% bùn (80T/20B) gồm than sinh học có nguồn gốc từ vỏ trấu
biến tính với dung dịch MgCl2 4%, nung ở 500℃ và bùn thải từ nhà máy xử lý nước
cấp được nung ở 500℃, hoạt hóa với axit sulfuric. Các tính chất vật lý và hóa học của
vật liệu tổng hợp được nghiên cứu một cách có hệ thống bằng các phương pháp hiện
đại như nhiễu xạ tia X (XRD), huỳnh quang tia X (XRF), kính hiển vi điện tử quét
(SEM), phổ tán sắc năng lượng (EDX), phân tích cấu trúc xốp (BET) và quang phổ
hồng ngoại biểu đồ Fourier (FT-IR). Kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ đạt
cân bằng của vật liệu 80T/20B là 8 giờ đối với đồng thời amoni và phốt phát. Dung
lượng hấp phụ tối đa của vật liệu 80T/20B tính theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir lần
lượt là 185,53 mgNH4+/g và 63,78 mgPO43/g, hiệu suất xử lý amoni và phốt phát trên
90%. Bên cạnh đó, nồng độ amoni và phốt phát ban đầu tỉ lệ thuận với dung lượng hấp
phụ của vật liệu 80T/20B. Kết quả phân tích BET cũng cho thấy cấu trúc vật liệu than
sinh học kết hợp bùn có diện tích bề mặt riêng khá tiềm năng là 142 m2/g. Tóm lại, vật
liệu than sinh học kết hợp bùn nước cấp có khả năng hấp phụ amoni và phốt phát trong
nước giả thải và nước thải rất tốt, có nhiều tiềm năng trong ứng dụng xử lý ô nhiễm môi
trường.

ii


ABSTRACT
A new synthesis method has been developed to produce 80T/20B composite
material consisting of biochar derived from rice husk modified with 4% MgCl2 solution,
heated at 500 ℃ and alum sludge is heated at 500 ℃, activated with sulfuric acid. The
physical and chemical properties of composites are systematically studied by surface
analyses such as X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), scanning electron
microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), porous structure
analysis (BET) and Fourier transformation infrared spectroscopy (FT-IR). The results

show that the equilibrium adsorption time of 80T/20B material is 8 hours for both
ammonium and phosphate. The maximum adsorption capacity of 80T/20B material
calculated according to the Langmuir isotherms model were 185,53 mgNH4+/g and
63,78 mgPO43-/g, respectively, removal efficiency over 90%. Besides, the initial
ammonium and phosphate concentrations are proportional to the adsorption capacity of
the material 80T/20B. BET analysis also shows that biochar material combined with
sludge has a potential specific surface area of 142 m2/g. In summary, biochar material
combined with alum sludge has the ability to adsorb ammonium and phosphates in
wastewater very well, with a lot of potential in the application of treating environmental
pollution.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả, số liệu
của luận văn này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác. Tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Vân Anh

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN -------------------------------------------------------------------------------------i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ------------------------------------------------------------------------ ii
ABSTRACT ------------------------------------------------------------------------------------- iii

LỜI CAM ĐOAN ------------------------------------------------------------------------------- iv
MỤC LỤC ---------------------------------------------------------------------------------------- v
DANH MỤC BẢNG ------------------------------------------------------------------------- viii
DANH MỤC HÌNH ---------------------------------------------------------------------------- ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ----------------------------------------------------------------- xi
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------- 1
1.1

Đặt vấn đề ----------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu ----------------------------------------------------------------------- 3

1.3

Nội dung nghiên cứu ---------------------------------------------------------------------- 3

1.4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ------------------------------------------------------- 4

1.5

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

1.6

Tính mới của đề tài ------------------------------------------------------------------------ 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ------------------------------------------------------------------- 6
2.1 Nước thải sinh hoạt --------------------------------------------------------------------------- 6
2.1.1 Thành phần và tác hại đối với môi trường ------------------------------------------- 6
2.1.2 Nitơ và phốt pho trong nước thải sinh hoạt ------------------------------------------ 8
2.1.3 Các phương pháp xử lý nitơ và phốt pho trong nước thải sinh hoạt ------------- 9
2.2 Than sinh học ------------------------------------------------------------------------------- 14
2.2.1 Giới thiệu về than sinh học ---------------------------------------------------------- 14
2.2.2 Than sinh học đóng vai trị như một chất hấp phụ nitơ và phốt pho ----------- 15
2.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của than sinh học ------------ 16
2.3

Bùn thải ----------------------------------------------------------------------------------- 23
v


2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước --------------------------------------------- 25
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ------------------------------------------ 26
3.1 Sơ đồ nghiên cứu -------------------------------------------------------------------------- 26
3.2 Vật liệu nghiên cứu------------------------------------------------------------------------- 27
3.2.1 Nước giả thải nhiễm amoni và phốt phát ------------------------------------------ 27
3.2.2 Các hóa chất, thiết bị, dụng cụ sử dụng trong phân tích ------------------------- 27
3.2.3 Mơ hình thí nghiệm ------------------------------------------------------------------- 29
3.3 Phương pháp nghiên cứu ------------------------------------------------------------------ 29
3.3.1 Thu thập sinh khối và bùn thải ------------------------------------------------------ 29
3.3.2 Phuơng pháp chế tạo vật liệu hấp phụ ---------------------------------------------- 29
3.3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu than/bùn đối với amoni và phốt phát
thông qua các yếu tố ảnh hưởng ----------------------------------------------------------- 33
3.4 Phương pháp phân tích và tính tốn ----------------------------------------------------- 35
3.5 Xác định các đặc trưng của vật liệu ------------------------------------------------------ 37
3.6 Phương pháp xử lý số liệu ----------------------------------------------------------------- 38

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ---------------------------------------------- 39
4.1 Các khảo sát tối ưu quy trình biến tính vật liệu than sinh học trấu và bùn --------- 39
4.1.1 Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng MgCl2 đến khả năng loại bỏ amoni và phốt
phát của vật liệu than sinh học vỏ trấu ---------------------------------------------------- 39
4.1.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung trấu đến hiệu quả loại bỏ amoni và phốt
phát --------------------------------------------------------------------------------------------- 40
4.1.3 Đánh giá ảnh hưởng của thời gian nung sinh khối đến hiệu quả xử lý amoni và
phốt phát--------------------------------------------------------------------------------------- 41
4.1.4 Đánh giá khả năng hoạt hóa bùn của các loại axit -------------------------------- 42
4.2 Khả năng hấp phụ ion amoni và phốt phát của vật liệu than kết hợp bùn ---------- 43
4.2.1 Khảo sát tỉ lệ trộn than/bùn khả thi nhất ------------------------------------------- 43
4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả hấp phụ amoni và phốt phát ----------- 44
vi


4.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ amoni, phốt phát đầu vào đến hiệu quả hấp phụ của vật
liệu --------------------------------------------------------------------------------------------- 45
4.2.4 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu quả loại bỏ amoni và phốt phát 47
4.2.5 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ ion amoni, phốt phát của vật liệu than kết hợp
bùn --------------------------------------------------------------------------------------------- 49
4.2.6 Động học hấp phụ amoni, phốt phát của vật liệu --------------------------------- 51
4.3 Phân tích cấu trúc vật liệu ----------------------------------------------------------------- 53
4.3.1 Phân tích nhiễu xạ tia X – XRD ----------------------------------------------------- 53
4.3.2 Phân tích SEM-EDX-Mapping ------------------------------------------------------ 56
4.3.3 Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR ---------------------------------------------------- 61
4.3.4 Phân tích bề mặt riêng của vật liệu - BET ----------------------------------------- 62
4.3.5 Xác định điểm đẳng điện pHpzc của vật liệu hấp phụ ---------------------------- 65
4.4 Ứng dụng vật liệu 80T/20B để xử lý nước thải thực tế ------------------------------- 65
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ----------------------------------------------- 68
5.1 Kết luận -------------------------------------------------------------------------------------- 68

5.2 Kiến nghị ------------------------------------------------------------------------------------ 68
PHỤ LỤC --------------------------------------------------------------------------------------- 74
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ------------------------------------------------------------------ 84

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa được xử lý [16]-- 7
Bảng 2.2 Một số nghiên cứu sử dụng biochar để loại bỏ N vô cơ trong nước -------- 21
Bảng 2.3 Một số nghiên cứu sử dụng biochar để loại bỏ P vô cơ trong nước --------- 22
Bảng 2.4 Những thành phần hóa học trong bùn nhơm [54] ------------------------------ 24
Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát hàm lượng MgCl2 ---------------------------------- 30
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung --------------------------------------- 31
Bảng 3.3 Bố trí thí nghiệm khảo sát thời gian nung -------------------------------------- 32
Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm khảo sát các axit ----------------------------------------------- 32
Bảng 3.5 Bố trí thí nghiệm tỉ lệ than bùn --------------------------------------------------- 33
Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm thời gian tiếp xúc ---------------------------------------------- 33
Bảng 3.7 Bố trí thí nghiệm khối lượng vật liệu -------------------------------------------- 34
Bảng 3.8 Bố trí thí nghiệm nồng độ ban đầu ----------------------------------------------- 34
Bảng 4.1 Thông số hấp phụ đẳng nhiệt ion amoni, phốt phát theo mơ hình Langmuir và
Freundlich --------------------------------------------------------------------------------------- 50
Bảng 4.2 So sánh Qmax của amoni và phốt phát với các nghiên cứu trước ------------- 51
Bảng 4.3 Dạng tuyến tính và giá trị R2 của các mơ hình biểu kiến của q trình hấp phụ
amoni, phốt phát ------------------------------------------------------------------------------- 52
Bảng 4.4 Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong bùn thô và bùn biến tính -- 57
Bảng 4.5 Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong trấu thô và trấu đã biến tính
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
Bảng 4.6 Thành phần và hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu 80T/20B trước và sau
hấp phụ ------------------------------------------------------------------------------------------ 59

Bảng 4.7 Hiệu suất xử lý amoni và phốt phát trong nước thải thực tế------------------ 67

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Hiện trạng xả thải nước thải sinh hoạt tại TPHCM ----------------------------- 6
Hình 2.2 Hình dạng sau khi nhiệt phân các sinh khối tạo thành than sinh học ------- 15
Hình 3.1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu -------------------------------------------------------- 26
Hình 3.2 Mơ hình thực hiện thí nghiệm ---------------------------------------------------- 29
Hình 4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng MgCl2 đến hiệu quả hấp phụ --------------------- 39
Hình 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu quả hấp phụ -------------------------- 41
Hình 4.3 Ảnh hưởng của thời gian nung sinh khối đến hiệu quả hấp phụ ------------- 42
Hình 4.4 Một số axit hoạt hóa bùn ---------------------------------------------------------- 43
Hình 4.5 Khảo sát tỉ lệ trộn giữa than và bùn ---------------------------------------------- 44
Hình 4.6 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả hấp phụ --------------------- 45
Hình 4.7 Ảnh hưởng của nồng độ amoni và phốt phát đầu vào đến hiệu quả hấp phụ46
Hình 4.8 Dung lượng hấp phụ amoni, phốt phát của vật liệu than/bùn ở các khối lượng
vật liệu khác nhau ------------------------------------------------------------------------------ 47
Hình 4.9 Nồng độ PO43—P (a) , NH4+-N (b) sau hấp phụ và hiệu quả xử lý ở các khối
lượng vật liệu khác nhau ---------------------------------------------------------------------- 48
Hình 4.10 Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich (b) của Amoni ------------- 49
Hình 4.11 Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich (b) của Phốt phát ---------- 49
Hình 4.12 Động học hấp phụ amoni, phốt phát của vật liệu 80T/20B theo dạng tuyến
tính của phương trình động học biểu kiến bậc 2 ------------------------------------------- 52
Hình 4.13 Phổ XRD của vật liệu bùn trước, sau khi nung và sau khi hoạt hóa với H2SO4
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 53
Hình 4.14 Phổ XRD của vật liệu trấu trước, sau khi nung và tẩm với MgCl2 --------- 54
Hình 4.15 Phổ XRD của vật liệu trấu tẩm MgCl2 biến tính ở các nhiệt độ khác nhau 55
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 56

Hình 4.16 Phổ XRD của vật liệu 80T/2B trước, sau hấp phụ amoni và phốt phát ---- 56
Hình 4.17 Ảnh SEM của vật liệu bùn thô (a) và bùn nung hoạt hóa với axit (b) ----- 57
ix


Hình 4.18 Ảnh SEM của vật liệu trấu thơ (a) và trấu tẩm MgCl2 4 % 500℃ (b) ----- 58
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
Hình 4.19 Ảnh SEM của vật liệu 80T/20B trước và sau hấp phụ ----------------------- 60
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 61
Hình 4.20 Ảnh Mapping của vật liệu 80T/20B sau hấp phụ amoni và phốt phát ----- 61
Hình 4.21 Phổ FT-IR của vật liệu 80T/20B trước và sau khi hấp phụ ----------------- 62
Hình 4.22 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 của vật liệu 80T/20B ------------- 63
Hình 4.23 Sự phân bố đường kính lỗ rỗng trong vật liệu -------------------------------- 64
Hình 4.24 Điểm đẳng điện pHpzc của vật liệu 80T/20B ---------------------------------- 65
Hình 4.25 Vị trí lấy nước thải và mẫu nước thải được xử lý sơ bộ --------------------- 66

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
80T/20B

BET

EDX

FT-IR

Tiếng Việt

Tiếng Anh

Vật liệu kết hợp 80%
than sinh học và 20% bùn
Đo diện tích bề mặt riêng
Phổ tán sắc năng lượng
tia X
Quang phổ hồng ngoại
biểu đồ Fourier

Brunauer, Emmet và
Teller
Energy Dispersive X-Ray
Spectrometry
Fourier Transformation
Infrared Spectrometer

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Scanning Electron
Microscopy

UV-Vis

Quang phổ tử ngoại khả
kiến

Ultraviolet Visible
Spectrophotometer

XRD

Nhiễu xạ tia X

X – Ray Diffraction

XRF

Huỳnh quang tia X

X – Ray Fluorescence

xi


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, phú dưỡng hóa đang là một trong những vấn đề mơi trường nghiêm
trọng và được quan tâm hàng đầu trên toàn thế giới. Việc giảm thiểu xả thải các chất
dinh dưỡng từ các hoạt động của con người vào mơi trường nói chung và hệ sinh thái
dưới nước nói riêng nhằm bảo vệ nguồn nước, giảm hiện tượng phú dưỡng và tránh gây
ảnh hưởng đến các hoạt động sống của sinh vật là một hành động thực sự cần thiết [1].
Carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), magnesium (Mg), and potassium (K) trong
nước là những thành phần gây ra hiện tượng phú dưỡng, trong đó nitrogen (N;
ammonium; nitrate) và phosphorus (P; phosphate) đóng vai trò quan trọng nhất [2].
Với sự tăng trưởng nhanh chóng của dân số và đơ thị hóa, việc xả một lượng lớn
nước thải giàu N và P gây ra sự ô nhiễm chất dinh dưỡng trong nước cũng không ngừng

gia tăng. Trong nông nghiệp, việc sử dụng thuốc trừ sâu hoặc phân bón hóa học quá
mức làm tăng nghiêm trọng việc giải phóng N và P từ nơng nghiệp sang các hệ thống
nuôi thủy sản. Hơn nữa phân gia súc và thức ăn thủy sản cũng là một nguồn lớn gây ô
nhiễm chất dinh dưỡng trong nước. Phú dưỡng hóa làm suy giảm hệ sinh thái nước, gây
ra tổn thất đa dạng sinh học, hiện tượng tảo nở hoa, cá chết hàng loạt, thiệt hại nặng nề
về mặt kinh tế [3]. Do đó, một phương pháp mới hiệu quả về kinh tế, thân thiện với môi
trường, đặc biệt là để loại bỏ N và P là vô cùng quan trọng để kiểm sốt các chất dinh
dưỡng trong mơi trường nước.
Tại Việt Nam, ơ nhiễm chất hữu cơ mang tính cục bộ nhưng tập trung khá cao ở
một số điểm ven biển. Hàm lượng các chất dinh dưỡng như phosphate (PO43),
ammonium (NH4+), nitrite (NO2-), nitrate (NO3-) đã vượt quá giới hạn cho phép ở gần
các khu đông dân cư, dịch vụ du lịch như Sầm Sơn, Nha Trang và Vũng Tàu. Phú dưỡng
là một vấn đề môi trường nổi bật ở Việt Nam do chất dinh dưỡng và vật chất hữu cơ
phát thải từ nguồn sinh hoạt, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản [4]. Đã xuất hiện các
rủi ro môi trường liên quan đến hiện tượng phú dưỡng và thủy triều đỏ trong quá khứ.
Năm 1996, nghề nuôi tôm nước lợ ở ven biển châu thổ sông Mê Kông thiệt hại đến
1


hàng ngàn tỉ đồng do sự bùng phát dịch bệnh và sự xuất hiện của thủy triều đỏ. Gần đây
vào năm 2018, gần 100 tấn nghêu của các hộ nuôi trồng ở Thanh Hóa chết trắng do sự
phát triển của loại tảo Phaeocystis globosa.
Than sinh học là một loại vật liệu rắn được hình thành trong quá trình nhiệt phân
sinh khối hay nói theo cách khác nó là vật liệu rắn thu được từ q trình carbon hóa
sinh khối. Vì than sinh học có chi phí thấp, thân thiện với mơi trường và có thể được sử
dụng cho nhiều mục đích khác nhau như xử lý đất, quản lý chất thải, giảm khí thải nhà
kính và cung cấp năng lượng nên ngày càng nhiều các nghiên cứu thực hiện để phát
triển các ứng dụng của nhiều loại sinh khối mới [5]. Mặc dù thành phần chính của than
sinh học là carbon (C), nó cũng có chứa một lượng hydro (H), oxy (O), tro và một lượng
nhỏ nitơ (N), lưu huỳnh (S) [6]. Thành phần nguyên tố của than sinh học thay đổi tùy

theo loại nguyên liệu sinh khối và những điều kiện trong q trình carbon hóa. Do có
diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, sự hiện diện của các nhóm chức bề mặt và hàm
lượng khống chất cao, than sinh học đã được sử dụng làm vật liệu hấp phụ các chất ô
nhiễm trong nước và không khí, thậm chí làm chất xúc tác hoặc làm phân bón để ổn
định đất [7].
Than sinh học thường được áp dụng trong lĩnh vực cải tạo đất để cải thiện khả
năng giữ nước và độ xốp trong một thời gian dài [8]. Trong những năm gần đây, việc
sử dụng than sinh học làm chất hấp phụ đã thu hút sự chú ý rộng rãi nhờ tính năng thân
thiện với mơi trường, chi phí thấp, đặc biệt là khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ
hoặc vô cơ ra khỏi nước [9, 10]. Với sự phát triển không ngừng của các nghiên cứu
trong lĩnh vực này, than sinh học được đánh giá rằng có khả năng hấp phụ nitrat và phốt
phát nhưng còn hạn chế, trong khi khả năng này được cải thiện đáng kể sau khi vật liệu
được biến tính [11],[12],[13].
Bùn thải là sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải, nước cấp hoặc các ngành
cơng nghiệp đặc thù. Sử dụng bùn thải như một loại vật liệu hấp phụ các chất ô nhiễm
được đánh giá là một giải pháp thay thế có tiềm năng [14]. Đặc tính của bùn thải phụ
thuộc vào nguồn nước xử lý và công nghệ xử lý. Thông thường bùn thải bao gồm các
2


hợp chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng đa lượng, vi lượng, kim loại, các chất ô nhiễm vi
sinh hữu cơ và vi sinh vật [15].
Việc tận dụng các chất thải công nghiệp và nông nghiệp để tạo ra một loại vật
liệu thân thiện mơi trường, chi phí sản xuất thấp lại có khả năng xử lý các chất ơ nhiễm
hữu cơ trong nước là một hướng đi đáng được xem xét. Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc
từ than sinh học biến tính kết hợp với bùn thải từ nhà máy xử lý nước cấp có thể có
tiềm năng to lớn trong xử lý ô nhiễm chất dinh dưỡng trong nước thải.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo thành công vật liệu hấp phụ kết hợp than sinh học vỏ tr và bùn thải để
xử lý nitơ và phốt pho trong nước giả thải và nước thải sinh hoạt.

1.3 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu gồm những nội dung sau:
-

Chuẩn bị sinh khối trấu và bùn thải

-

Điều chế và biến tính than sinh học từ vỏ trấu với muối MgCl2, khảo sát
điều kiện biến tính than sinh học vỏ trấu
• Khảo sát hàm lượng muối kim loại MgCl2 tẩm với trấu
• Khảo sát thời gian nung sinh khối phù hợp
• Khảo sát nhiệt độ nung tối ưu

-

Hoạt hóa bùn thải với một số loại acid

-

Khảo sát tỉ lệ kết hợp giữa than sinh học và bùn để chọn ra tỉ lệ tối ưu

-

Khảo sát các thơng số vận hành thí nghiệm:
• Khảo sát thời gian tiếp xúc
• Khảo sát nồng độ đầu vào
• Đường đẳng nhiệt hấp phụ
• Động học hấp phụ
3

• Khối lượng vật liệu
-

Xác định đặc trưng vật liệu hấp phụ than sinh học kết hợp bùn thải bằng
các phương pháp:
• Xác định diện tích bề mặt riêng (BET)
• Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• Phổ hồng ngoại (FT-IR)
• Kính hiển vi điện từ quét (SEM – EDX – MAPPING)

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: ion amoni và phốt phát trong dung dịch giả thải và nước
thải khu dân cư, vật liệu hấp phụ có nguồn gốc than sinh học vỏ trấu và bùn thải từ nhà
máy xử lý nước cấp.
Phạm vi nghiên cứu: đánh giá khả năng và đặc tính hấp phụ của vật liệu
than/bùn đối với ion amoni và phốt phát trong nước giả thải và nước thải sinh hoạt.
Địa điểm nghiên cứu:
• Phịng thí nghiệm phân tích và cơng nghệ mơi trường, phòng 805 nhà H2,
Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM cơ sở 2, Dĩ An, Bình
Dương.
• Trung tâm Cơng nghệ Việt Đức, Tịa nhà Trung tâm Thí nghiệm – Thực
hành, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, Tân Phú.
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Đưa ra phương pháp thay thế xử lý các vấn đề liên quan đến ô nhiễm chất dinh
dưỡng. Làm nền tảng cho các nghiên cứu liên quan đến vật liệu thân thiện với môi
trường và phát triển bền vững.
Ý nghĩa thực tiễn:

4


Chế tạo được vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ phế phẩm nơng nghiệp và chất
thải cơng nghiệp có chi phí thấp, hiệu quả xử lý cao. Tìm ra một phương pháp thay thế
có thể xử lý đồng thời các chất dinh dưỡng trong nước thải, áp dụng được trên diện
rộng, phù hợp với điều kiện địa hình và kinh tế Việt Nam. Tận dụng được bùn thải sẽ
làm giảm lượng chất thải vào mơi trường, giảm chi phí xử lý và vận chuyển, chơn lấp.
1.6 Tính mới của đề tài
Cùng lúc tận dụng nhiều loại chất thải tạo ra một vật liệu hấp phụ thân thiện với
môi trường có thể đồng thời xử lý được N và P trong nước thải.

5


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Nước thải sinh hoạt
2.1.1 Thành phần và tác hại đối với môi trường
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh
hoạt của cộng đồng như tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,…Chúng thường được
thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các cơng trình cơng cộng
khác. Các vùng đơ thị lớn thường có nhu cầu sử dụng nước rất cao, do đó lượng nước
thải sinh hoạt tính trên đầu người cũng có sự khác biệt lớn với các vùng ngoại ô và nông
thôn. Thành phần chủ yếu trong nước thải sinh hoạt bao gồm các chất hữu cơ, cặn lơ
lửng và vi sinh vật. Nếu không được xử lý mà xả thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ra
tình trạng phú dưỡng ở các thủy vực nước tĩnh, gây ô nhiễm mùi rất lớn đối với các khu
vực đông dân cư. Nước thải sinh hoạt bị ô nhiễm được đặc trưng bởi hàm lượng chất
hữu cơ lớn, bên cạnh đó là các chất dinh dưỡng khác như nitơ, phốt pho và vi sinh vật.

Hình 2.1 Hiện trạng xả thải nước thải sinh hoạt tại TPHCM
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngồi ra
cịn có các thành phần vơ cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu
cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein, carbon hydrate và các chất
6


hữu cơ khó phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém,
nước thải khơng được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng. Bảng 2.1 thể hiện các thành phần có trong nước thải sinh hoạt, cụ
thể như sau:
Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa được xử lý [16]
Các chỉ tiêu

Đơn vị

Nồng độ
Nhẹ

Tổng chất rắn

mg/L

Trung bình

Nặng

350

720

1200

250

500

850

145

300

525

105

200

325

100

220

350

20

55

75

80

165

275

mg/L

5

10

20

mg/L

110

220

400

Tổng cacbon hữu cơ

mg/L

80

160

210

COD

mg/L

250

500

1000

mg/L

20

40

85

8

15

35

12

25

50

0

0

0

0

0

0

Tổng chất rắn hòa tan
-

Cố định
Bay hơi

Chất rắn lơ lửng
-

Cố định
Bay hơi

Chất rắn lắng được

BOD5

mg/L

mg/L

Tổng nitơ (theo N)
-

Hữu cơ
Amoni tự do
Nitrit
Nitrate

mg/L

7


4

8

15

1

3

5

3

5

10

Tổng phốt pho (theo P)
-

Hữu cơ
Vô cơ

mg/L

Clorua

mg/L

30

50

100

Sunfat

mg/L

20

30

50

Độ kiềm (theo CaCO3)

mg/L

50

100

200

Dầu m

mg/L

50

100

150

Coliforms

No/10mL

Cht hu c bay hi

àg/L

106 ữ 107
<100

107 ữ 108
100 ữ 400

108 ÷ 109
>400

Hiện nay, hậu quả chung của tình trạng ô nhiễm nước thải là tỉ lệ người mắc các
bệnh như viêm màng kết, giun sán, tiêu chảy, ung thư,…ngày càng tăng. Khơng những
thế, ơ nhiễm nước thải cịn gây tổn thất lớn cho các ngành sản xuất kinh doanh, các hộ
nuôi trồng thủy sản. Phần lớn nước thải sau khi con người thải ra sẽ ngấm vào lòng đất,
nếu như không được xử lý kịp thời hoặc hệ thống lọc nước máy của những công ty cấp
nước không tốt, thì lượng nước đưa vào cơ thể chúng ta chứa rất nhiều thành phần độc
hại như kim loại nặng, chất tẩy rửa,.. nguy cơ lâu dài sẽ gây mầm bệnh cho con người.
Hơn nữa, hầu hết lượng nước thải từ các chợ hay khu vực đô thị chưa qua xử lý
đều được thải trực tiếp ra ngồi mơi trường như sơng, suối, đất,.. Những tác hại mà nó
để lại rất nghiêm trọng, nếu như lượng nước thải này đổ ra sơng, suối thì sẽ làm cho hệ
sinh vật ở sơng suối có nguy cơ bị tiêu diệt. Những hệ lụy mà nó mang lại là phá hủy
hệ sinh thái và mạng lưới thức ăn, làm cho động vật phù du cũng cạn kiệt nguồn tài
nguyên và giảm khả năng sinh trưởng, phát triển. Đối với đất đai thì làm cho nguồn đất
bị ô nhiễm trầm trọng, những mảnh đất bị ô nhiễm sẽ mất giá trị sử dụng, gây tổn thất
về kinh tế.
2.1.2 Nitơ và phốt pho trong nước thải sinh hoạt
8

Trong môi trường nước tự nhiên, các hợp chất của nitơ như amoniac, khí nitơ,
nitrate và nitrit có nồng độ không đáng kể, tuy vậy chúng là nguồn dinh dưỡng cho
phần lớn sinh vật trong đất và nước. Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ trong quá trình tổng
hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng. Trong các q trình đó, hợp
chất nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác nhau. Nguồn
phát thải các hợp chất chứa nitơ vào môi trường rất phong phú: từ các chất thải rắn, khí
thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là hệ quả của việc sử dụng phân bón hóa học quá
mức và chất bài tiết trong nước thải sinh hoạt.
Trong nước thải, phốt pho thường chỉ tồn tại ở một dạng hóa trị là +5, do vậy
hợp chất photpho tồn tại trong tự nhiên không nhiều: hợp chất muối và este của axit
photphoric. Axit photphoric mà một axit yếu với ba bậc phân li. Khi phân li, gốc
photphat hình thành là thành phần tham gia vào các q trình sinh hóa của tế bào động,
thực vật. Vi sinh vật và nhiều cơ thể sống sử dụng ortho-photphat để tạo ra các hợp chất
hữu cơ chứa photphat trong tế bào. Ngoài dạng photphat đơn và photphat hữu cơ, polyphotphat là dạng tồn tại khác hay gặp trong nước thải. Photpho trong nước thải chủ yếu
có nguồn gốc từ phân, nước tiểu, đồ thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất thải từ sản
xuất cơng nghiệp, chất chống ăn mịn trong các đường ống dẫn nước.
2.1.3 Các phương pháp xử lý nitơ và phốt pho trong nước thải sinh hoạt
2.1.3.1 Phương pháp loại bỏ nitơ
❖ Phương pháp trao đổi ion và hấp phụ
Nitơ trong nước thải tồn tại khá phổ biến ở dạng NH4+, nó cũng là một chất gây
ơ nhiễm đáng kể trong nước thải có nguồn gốc từ nước tiểu. Với bản chất là một cation
nên quá trình trao đổi ion và hấp phụ rất phù hợp cũng như có tính chọn lọc và loại bỏ
cao đối với NH4+. Hơn nữa, quá trình này ít u cầu về khơng gian, thân thiện với mơi
trường vì có thể sử dụng các chất trao đổi hoặc hấp phụ tự nhiên và dễ biến tính như là
zeolite và giải phóng các cation khơng độc hại (Na+, K+, Ca2+, Mg2+,..). Chất trao đổi/
hấp phụ phổ biến nhất để thu hồi nitơ là zeolite. Các zeolite tự nhiên có khung tứ diện
trong đó gồm các nguyên tử nhơm và silic liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử oxy
9

tạo thành các cấu trúc đặc thù [17, 18]. Việc thay thế mỗi Si4+ bằng Al3+ tạo ra các điện
tích âm trên khung, các ngun tử có kích thước nhỏ sẽ bị chiếm giữ vị trí bởi các
ngun tử có kích thước lớn hơn, sự thay thế càng lớn điện tích âm trên zeolite càng
cao. Các điện tích âm trong lỗ rỗng được cân bằng bởi các cation tích điện như Na+,
K+, Ca2+, Mg2+ trên bề mặt zeolite. Các cation này được giữ bởi các lực tĩnh điện yếu
và sẽ dễ dàng trao đổi với NH4+ trong dung dịch. Các loại zeolite khác nhau sẽ có đặc
điểm khác nhau, do đó mỗi loại zeolite phải được nghiên cứu và biến tính theo từng
phương pháp khác nhau để đạt được hiệu suất xử lý tối ưu [19, 20].
Khi các vật liệu hấp phụ/trao đổi ion đã đạt cân bằng, việc sử dụng và khai thác
nguồn nitơ cũng được chú trọng. Các zeolite sau khi nạp nitơ có thể áp dụng trực tiếp
lên các cánh đồng nơng nghiệp dưới dạng phân bón nhả chậm. Phổ biến nhất là kỹ thuật
tái sinh bằng dung dịch NaCl trong đó NH4+ được giải hấp và trao đổi với Na+ trong
dung dịch, đồng thời giải phóng một lượng NH4+ có ích cho cây trồng [19]. Liberti và
cộng sự đã đề xuất một sơ đồ trao đổi anion và cation kết hợp trong đó cả ion amoni và
photphat được cơ đặc và sau đó kết tủa dưới dạng magie ammonium phosphate còn
được gọi là struvite, một loại phân bón nhả chậm tiềm năng [21]. Huang và cộng sự đã
sử dụng zeolite biến tính với MgCl2 để đồng thời kết tủa các ion amoni và photphat
dưới dạng struvite [22]. Wahab cùng cộng sự đã sử dụng mùn cưa để thu hồi amoni từ
nước thải và đề nghị sử dụng mùn cưa chứa amoni làm phân hữu cơ và phân bón [23].
❖ Phương pháp tách amoni
Q trình tách khí amoni đã được sử dụng để xử lý nitơ, quá trình này phụ thuộc
nhiều vào pH trong đó ở khoảng pH 9,3 nitơ amoni từ dung dịch chuyển thành khí
amoniac. Do đó, vơi hoặc xút thường được sử dụng để điều chỉnh pH của dung dịch,
việc cung cấp khơng khí đồng thời chuyển hóa nitơ amoni thành khí amoniac theo phản
ứng sau [24]:
NH4+ + OH- + air

→ H2O + NH3 (g)

10


Quá trình này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau như nồng độ amoni của
dòng vào, lưu lượng dịng vào, tốc độ dịng khí, …, nhưng quan trọng nhất là pH và
nhiệt độ [25]. Một mối quan tâm khác trong phương pháp này là nhu cầu về hóa chất,
bao gồm kiềm để tăng độ pH sau đó dùng axit để giảm độ pH. Việc hấp phụ CO2 cũng
là một biện pháp làm tăng độ pH của amoniac sau khi bị loại bỏ, đặc biệt là loại bỏ
amoni từ nước thải giàu amoni cuối cùng tạo ra NH4HCO3 là một loại phân bón có lợi
nhuận thương mại [26].
❖ Phương pháp lọc màng
Các quá trình phân tách dựa trên màng đã được sử dụng trong nhiều hoạt động
xử lý nước thải bao gồm vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược
(RO) là những công nghệ chiếm ưu thế. Các quá trình dựa trên màng mang lại những
lợi thế khác biệt vì thu hồi amoniac mà khơng phụ thuộc vào tốc độ dịng khí hoặc chất
lỏng, không phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp và nồng độ amoniac không ảnh hưởng
đến hiệu quả loại bỏ amoniac [27].
2.1.3.2 Phương pháp loại bỏ phốt pho
❖ Phương pháp lọc vật lý và quá trình màng
Ở những khu vực có nồng độ phốt pho gần với mức quy định trong nước thải,
lọc cát nhanh có thể là một giải pháp đơn giản và thiết thực để giảm hàm lượng phốt
pho. Phốt pho trong nước thải có thể tồn tại dưới dạng cả chất hữu cơ rắn và dạng phốt
phát hịa tan. Phốt phát hữu cơ có liên quan đến nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5),
tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và chẩt rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) của nước thải [28].
Mặc dù lọc cát nhanh có thể cung cấp một lựa chọn khả thi để loại bỏ phốt phát hữu cơ
rắn trong nước thải, nhưng nó sẽ khơng giảm phốt pho hịa tan, cũng khơng cung cấp
một nguồn phốt pho để thu hồi.
Một thay thế cho lọc cát nhanh là lọc màng, đã đạt được những thành tựu trong
những năm gần đây do những cải tiến về hiệu suất và chi phí. Khơng giống như lọc cát
nhanh, lọc màng có thêm lợi ích của việc thu thập cả phốt pho hòa tan và phốt pho hữu

11