Hiện nay vi nhựa trong môi trường đang là một vấn đề đáng quan tâm ở cả trong và ngoài nước. Vi nhựa đi vào môi trường tự nhiên thông qua nhiều nguồn khác nhau như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp... Phương pháp keo tụ tạo bông, một trong các phương pháp đơn giản và hiệu quả, được áp dụng phổ biến tại các nhà máy xử lý nước thải - sử dụng trong nghiên cứu này nhằm xác định hiệu quả loại bỏ vi nhựa trong nước thải công nghiệp. Các thí nghiệm keo tụ tạo bông bằng phèn sắt được thực hiện trên mô hình Jartest ở các điều kiện khác nhau sử dụng nguồn nước thải tại khu công nghiệp Sóng Thần 1, thể tích nước thải ở mỗi thí nghiệm là 500 mL với nồng độ vi nhựa trong nước thải đầu vào là 78,4 mg/L, vi nhựa gồm 3 dạng chính là dạng hạt (332 hạt/0,5 L), dạng mảnh (131 mảnh/0,5 L) và dạng sợi (125 sợi/0,5 L).
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(SI):SI22-SI31 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Loại bỏ vi nhựa nước thải cơng nghiệp thơng qua q trình keo tụ phèn sắt Hồ Trương Nam Hải1,2,* , Nguyễn Tuyết Vy1,2 , Nguyễn Thảo Ngun1,2 , Tơ Thị Hiền1,2,* TĨM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Bộ môn Công nghệ Môi Trường, Khoa Môi Trường, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Liên hệ Hồ Trương Nam Hải, Bộ môn Công nghệ Môi Trường, Khoa Môi Trường, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Email: htnhai@hcmus.edu.vn Liên hệ Tô Thị Hiền, Bộ môn Công nghệ Môi Trường, Khoa Môi Trường, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Email: tohien@hcmus.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 31/7/2020 • Ngày chấp nhận: 23/10/2020 • Ngày đăng: 19/12/2020 DOI : 10.32508/stdjns.v4i1.988 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Hiện vi nhựa môi trường vấn đề đáng quan tâm nước Vi nhựa vào môi trường tự nhiên thông qua nhiều nguồn khác nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp Phương pháp keo tụ tạo bông, phương pháp đơn giản hiệu quả, áp dụng phổ biến nhà máy xử lý nước thải - sử dụng nghiên cứu nhằm xác định hiệu loại bỏ vi nhựa nước thải cơng nghiệp Các thí nghiệm keo tụ tạo bơng phèn sắt thực mơ hình Jartest điều kiện khác sử dụng nguồn nước thải khu cơng nghiệp Sóng Thần 1, thể tích nước thải thí nghiệm 500 mL với nồng độ vi nhựa nước thải đầu vào 78,4 mg/L, vi nhựa gồm dạng dạng hạt (332 hạt/0,5 L), dạng mảnh (131 mảnh/0,5 L) dạng sợi (125 sợi/0,5 L) Kết cho thấy điều kiện tối ưu nồng độ chất keo tụ phèn sắt 600 mg/L, pH khoảng 8,6 – 8,8, thời gian lắng tĩnh 60 phút, tốc độ khuấy nhanh 300 vòng/phút, tốc độ khuấy chậm 25 vòng/phút, chất trợ lắng cationic polyacrylamide (CPAM) nồng độ 50 mg/L, hiệu loại bỏ vi nhựa lên đến 93,11%, nồng độ vi nhựa nước thải đầu 7,33 mg/L Nghiên cứu phân tích vi nhựa sau xử lý theo hình dạng kích thước Với điều kiện tối ưu mơ hình, vi nhựa nước sau xử lý chủ yếu dạng mảnh (19 mảnh), sợi (17 sợi), kích thước vi nhựa phần lớn khoảng 0,5 tới mm Kết cho thấy phương pháp keo tụ - tạo có hiệu cao để loại bỏ vi nhựa nước thải cơng nghiệp Từ khố: vi nhựa, keo tụ - tạo bông, nước thải công nghiệp, hiệu suất loại bỏ GIỚI THIỆU Hiện có hàng tỷ hạt vi nhựa tồn đại dương Các nước khu vực Biển Đông Trung Quốc, Việt Nam, Indonesia Philippines chiếm tới 50% tổng lượng rác thải nhựa đại dương Một đường mà vi nhựa xâm nhập từ dòng thải sau xử lý nhà máy xử lý nước thải đưa môi trường Phần lớn vi nhựa (> 85%) loại bỏ giai đoạn sơ cấp hệ thống xử lý nước thải , qua trình thứ cấp hiệu xử lý lên đến 99% Ngày có nhiều lo ngại tích tụ vi nhựa gây nguy hại đến chức hệ sinh thái biển đe dọa đa dạng sinh học môi trường biển Tuy nhiên, nhận thức mức độ nguy hiểm mà hạt vi nhựa mang lại loài sinh vật biển người hạn chế Trong nghiên cứu vùng Biển Bắc, tỷ lệ cá ăn phải vi nhựa 5,5% tính hạt có chiều dài 500 mm Nếu tính hạt có chiều dài 100 mm, tỷ lệ 23%, giảm xuống 2,6% loại bỏ dạng sợi đếm Vào cuối 2018 nhà khoa học Áo tìm vi nhựa phân người Quá trình nghiên cứu bao gồm lấy mẫu khảo sát thời gian dài từ liệu nhật ký sinh hoạt, ăn uống chất thải hàng trăm người, kết cho thấy người lại có người tìm thấy vi nhựa chất thải Điều cho thấy qua chuỗi thức ăn, người bị ảnh hưởng đáng kể vi nhựa Các hạt nhựa nhỏ vào máu, hệ bạch huyết chí gan Vi nhựa ảnh hưởng đến đường tiêu hóa, khiến cho hệ miễn dịch người bị ảnh hưởng Bên cạnh nhiễm đó, hệ thống xử lý nước thải hữu có chức lưới chắn ngăn vi nhựa trước xả vào nguồn nước ao hồ, sông, suối… Một số công trình đơn vị chứng minh có hiệu cao loại bỏ vi nhựa màng lọc sinh học MBR (99,9%), lọc cát nhanh (97%), đĩa lọc (40 – 98,5%), tuyển (95%) Trong đó, phương pháp keo tụ q trình hóa lý tạo ổn định hạt mịn (chất keo) cách làm giảm điện tích bề mặt chúng các chất đông tụ muối Al Fe Các muối ban đầu thủy phân thông qua chế hấp phụ tạo trao đổi phối tử, hạt nhỏ với hình thành nên khối có liên kết mạnh dễ dàng lắng xuống 5–8 Do đặc tính dễ sử dụng giá thành rẻ chất keo tụ, hiệu đem lại cao, trình keo tụ sử dụng rộng rãi cho nhiều nhà máy xử lý nước thải 7,9 Keo tụ đánh giá có tiềm loại bỏ vi nhựa Trích dẫn báo này: Hải H T N, Vy N T, Nguyên N T, Hiền T T Loại bỏ vi nhựa nước thải cơng nghiệp thơng qua q trình keo tụ phèn sắt Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 4(SI):SI22-SI31 SI22 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(SI):SI22-SI31 khỏi nguồn nước Nghiên cứu thực nhằm xác định hiệu loại bỏ vi nhựa phương pháp keo tụ - tạo thông qua việc khảo sát yếu tố ảnh hưởng liều lượng chất keo tụ, pH, tốc độ khuấy, thời gian lắng chất trợ keo tụ nhằm tối ưu hóa quy trình xử lý vi nhựa Bên cạnh xác định vi nhựa theo hình dạng kích thước loại bỏ cịn lại từ dịng thải sau q trình xử lý VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Lấy mẫu Nước thải lấy từ hệ thống xử lý nhà máy xử lý nước thải tập trung, khu cơng nghiệp Sóng Thần 1, tỉnh Bình Dương Vị trí lấy mẫu bể thu gom, sau nước thải qua song chắn rác kích thước mm Thiết lập mơ hình Sử dụng máy khuấy Jartest (Hình 1) có thiết lập để điều chỉnh tốc độ khuấy, thời gian khuấy cho thí nghiệm khảo sát Mỗi thí nghiệm với 500 mL nước thải khuấy trộn để cân nồng độ cho vào cốc 1000 mL, sau điều chỉnh pH NaOH 1N, H2 SO4 1N, 10 mL dung dịch đệm NaHCO3 3N dùng để ổn định pH Sử dụng phèn sắt FeCl3 6H2 O chất keo tụ, chất trợ keo tụ gồm anionic polyacrylamide (APAM) cationic polyacrylamide (CPAM) Thiết lập tốc độ khuấy nhanh thời gian phút, đưa cốc vào tiến hành khuấy Khi đủ phút khuấy nhanh, đưa tốc độ khuấy chậm khuấy vòng 15 phút Lấy cốc để lắng tĩnh theo thời gian khảo sát Dùng ống tiêm thể tích 50 mL, kích thước đầu ống mm hút lấy 400 mL mẫu nước cốc 100 mL mẫu bùn lắng đem phân tích vi nhựa Phương pháp phân tích Vi nhựa nước thải phân tích phương pháp khối lượng dựa nghiên cứu Lares cộng 10 Mẫu lấy sau thí nghiệm cô cạn nhiệt độ 75o C khoảng 20 mL, sau đặt cốc chứa mẫu tủ sấy 90◦ C 24 để đảm bảo mẫu khô Mẫu sau làm khô thực q trình oxy hóa ướt (WPO) cách thêm 30 mL dung dịch Fe(II) 0,05 M, thêm tiếp 30 mL dung dịch H2 O2 30% giữ hỗn hợp phút Sau cho cốc lên máy khuấy từ 75◦ C khoảng 30 phút mẫu nước, 60 phút mẫu bùn Nếu chất hữu chưa loại bỏ hết, thêm tiếp 20 mL dung dịch H2 O2 30% tiếp tục khuấy máy khuấy từ Lặp lại trình chất hữu bị oxy SI23 hóa hết Tiếp đó, mẫu thêm dung dịch ZnCl2 để tăng tỷ trọng dung dịch lên khoảng 1.8 g/cm3 nhằm thu vi nhựa Cân khối lượng giấy lọc trước hút chân khơng qua q trình lọc mẫu tuyển nổi, sấy 24 giờ, cân lại để tính tốn xác định khối lượng vi nhựa Các mảnh vi nhựa phân loại theo kích thước hình dạng kính hiển vi quang học Xử lý số liệu Hiệu loại bỏ vi nhựa H% = mMPs (B) × 100 mMPs (B) + mMPs (N) Trong đó: H: Hiệu suất loại bỏ (%) mMPs (B): Khối lượng vi nhựa mẫu bùn (mg) mMPs (N): Khối lượng vi nhựa mẫu nước (mg) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đặc điểm, tính chất vi nhựa nước thải Dựa vào kết phân tích cho thấy nồng độ vi nhựa có nước thải đầu vào nhà máy xử lý nước thải khu cơng nghiệp Sóng Thần 78,4 mg/L, so sánh với dòng vào số nhà máy xử lý nước thải hữu giới Danish nồng độ vi nhựa 5,9 mg/L 11 nồng độ vi nhựa khu cơng nghiệp Sóng Thần lớn gấp 13 lần Điều cho thấy ô nhiễm vi nhựa khu công nghiệp mức báo động Tuy nhiên quy chuẩn Việt Nam chưa có quy định giới hạn nên chưa có sở để quản lý phù hợp Quan sát phân loại theo hình dạng vi nhựa kính hiển vi (Hình 3) thấy dạng hạt chiếm ưu 56,46% (332/588), dạng mảnh dạng sợi chiếm tỉ lệ gần nhau, khoảng 20% (131/588; 125/588) (Hình 2a) Tại khu cơng nghiệp Sóng Thần với 51 nhà máy sản xuất, có nhà máy sản xuất nhựa, nhà máy sản xuất bao bì đóng gói, nhà máy dệt nhuộm ngành nghề khác, dự đốn nguồn gốc vi nhựa nước thải từ hạt nhựa nguyên liệu phát thải trình sản xuất Dạng hạt, dạng mảnh có nguồn gốc từ lốp xe bị mài mòn vận chuyển, thải nước mưa chảy tràn vào hệ thống xử lý nước thải Dạng sợi dự đốn có nguồn gốc từ trình sản xuất, làm loại vải len, vải tổng hợp Đối với phân loại theo kích thước (Hình 2b), vi nhựa chia thành khoảng 0.1 – 0.5 mm; 0.5 – mm; – mm; – mm) Vi nhựa có kích thước từ 0.1 – 0.5 mm chiếm tỉ lệ lớn 75% (441/588) dạng hạt chiếm đa số mẫu, vi nhựa kích thước – mm chiếm phần nhỏ, 1% tổng số vi nhựa mẫu Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(SI):SI22-SI31 Hình 1: Mơ hình thí nghiệm Jartest Hình 2: Số lượng vi nhựa theo (a) hình dạng (b) kích thước Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ phèn sắt đến trình keo tụ - tạo bơng Hình cho thấy hiệu loại bỏ vi nhựa tăng theo nồng độ chất keo tụ Hiệu suất loại bỏ tăng nhanh tăng nồng độ phèn sắt từ 100 mg/L lên 500 mg/L (tăng từ 36,1% lên 59,17%) Từ nồng độ 600 mg/L trở lên, hiệu suất loại bỏ vi nhựa tăng chậm (trung bình tăng 1,2% cho 100 mg/L phèn sắt thêm vào) Việc tăng nhiều chất keo tụ gây giảm hiệu trình làm tái ổn định hạt keo 12 Do đó, chọn lượng phèn tối ưu 600 mg/L (hiệu loại bỏ 61,92%) Bảng cho thấy nồng độ phèn sắt tối ưu, hiệu loại bỏ vi nhựa dựa vào số lượng mẫu quan sát lên tới 92,35% (45/588) Xét hình dạng, hiệu loại bỏ vi nhựa cao với dạng hạt (98%), dạng Bảng 1: Số lượng vi nhựa theo hình dạng, kích thước mẫu tối ưu phèn sắt 600 mg/L Kích thước (mm) Số lượng (mẫu/L) Hạt Sợi Mảnh 0,1 – 0,5 13 0,5 – 1–2 2–5 mảnh dạng sợi xấp xỉ (dạng mảnh 87%, dạng sợi 83%) Xét kích thước, hiệu loại bỏ vi nhựa kích thước nhỏ (0,1 – mm) đạt 93% hiệu SI24 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(SI):SI22-SI31 Hình 3: Các mẩu vi nhựa nước thải đầu vào Hình 4: Ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ phèn sắt FeCl3 tới hiệu loại bỏ vi nhựa (pH 8,76; khuấy nhanh 300 vòng/phút, khuấy chậm 100 vòng/phút, thời gian lắng 30 phút) SI25 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(SI):SI22-SI31 so với loại bỏ vi nhựa kích thước lớn: vi nhựa – mm (86%), vi nhựa – mm (75%) Hiệu suất loại bỏ chênh lệch loại vi nhựa giải thích vi nhựa dạng hạt mảnh với kích thước nhỏ, có tương đồng hình dạng kích thước với hạt keo, nên dễ dàng hấp phụ vào bơng cặn Cịn mảnh lớn sợi dài khó hấp phụ vào bơng cặn chênh lệch kích thước với hạt keo, từ dẫn tới hiệu loại bỏ giảm Bảng 2: Số lượng vi nhựa theo hình dạng, kích thước mẫu tối ưu pH 8,76 Kích thước (mm) Số lượng (mẫu/L) Hạt Sợi Mảnh 0,1 – 0,5 15 12 0,5 – 1 1–2 2–5 Ảnh hưởng pH đến trình keo tụ - tạo bơng Ảnh hưởng thời gian lắng đến q trình keo tụ - tạo pH yếu tố làm hạn chế tới trình keo tụ - tạo thông qua ảnh hưởng đến thủy phân phèn sắt tạo hạt keo dương có nước thải (1) (2) 13 Hiệu suất loại bỏ vi nhựa dựa theo thời gian lắng số lượng vi nhựa theo hình dạng, kích thước cịn lại mẫu tối ưu thể Hình Bảng Kết cho thấy hiệu suất tăng thời gian lắng tăng Nhựa thường nhẹ, khó lắng nên tăng thời gian hạt lơ lửng bùn va chạm nhiều hơn, kéo theo vi nhựa lắng 12 Khi tăng thời gian lắng từ 15 phút lên 120 phút, hiệu suất loại bỏ tăng từ 59,73% lên 72,76% Lựa chọn thời gian lắng tối ưu 60 phút (hiệu loại bỏ 68,91%) tiếp tục tăng thêm thời gian lắng, hiệu suất q trình tăng thêm khơng đáng kể (30 phút tăng khoảng 1%)