Chế tạo vật liệu PVA gel làm giá thể xử lý nước thải trong chế biến thủy sản

Kinh tế tuần hoàn

17/09/2021

Kết quả nghiên cứu khoa học của nhóm giảng viên Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng mở ra hướng tiếp cận mới cho việc tạo ra vật liệu PVA gel với công nghệ đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất xử lý chất hữu cơ tương đương vật liệu PVA gel thương mại của Nhật Bản góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn

Cả nước hiện có hơn 600 cơ sở chế biến thủy sản (CBTS) quy mô công nghiệp và hơn 3.000 cơ sở chế biến quy mô nhỏ tại các làng nghề truyền thống như nước mắm, sản phẩm đông lạnh, đồ hộp. Sự phát triển nhanh chóng của ngành CBTS cũng kéo theo những bất cập trong một số lĩnh vực, trong đó có quản lý và xử lý chất thải sau chế biến.

Các thành phần chính gây ô nhiễm môi trường từ CBTS gồm: phế liệu, chất thải rắn, lỏng, khí thải (mùi trong chế biến), dung môi chất lạnh và các chất thải nguy hại khác. Đặc biệt, nước thải trong CBTS (nguồn nước từ các quá trình sơ chế nguyên liệu, chế biến sản phẩm, vệ sinh nhà xưởng, máy móc, thiết bị…) chứa phần lớn các chất hữu cơ (thể hiện qua tỷ lệ BOD5/COD, dao động từ 0,6 đến 0,9) có khả năng phân hủy sinh học cao, chất rắn lơ lửng, tổng nitơ và photpho cao tác động xấu đến nguồn nước mặt.

Hoạt động CBTS cho thấy hàm lượng chất hữu cơ tính theo nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) thải ra môi trường từ 1-72,5 kg BOD5/tấn sản phẩm. Nồng độ các thông số ô nhiễm: BOD5 khoảng 800-2.000 mg/l, có lúc đạt đến 4.500mg/l, COD khoảng 1.000-2.500 mg/l, có lúc đạt đến 5.000 mg/l, chất rắn lơ lửng (TSS) khoảng 300-600 mg/l, nitơ tổng (T-N) khoảng 100-150 mg/l, photpho tổng (T-P) khoảng 20-50 mg/l, đặc biệt vi sinh Coliforms thường lớn hơn 1.105 MPN/100 ml [1]. Như vậy, nếu không có biện pháp kiểm soát thỏa đáng sẽ gây ô nhiễm đến nguồn tiếp nhận là nước biển ven bờ và sự ô nhiễm mùi do quá trình thối rữa các chất hữu cơ.

Thiết bị sản xuất vật liệu PVA gel

Gần đây, sử dụng vật liệu giá thể để chống sốc tải cho bể sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (hay còn gọi là bể Aerotank) đã và đang được quan tâm. Trong số các loại vật liệu làm giá thể, Polyvinyl alcohol (PVA gel) được đánh giá là có nhiều ưu điểm vượt trội. Việc sử dụng vật liệu này trong các bể Aerotank cho phép giảm 38% chi phí xây dựng mở rộng bể, 20% chi phí vận hành và 30% chi phí xử lý bùn dư. Tuy nhiên, hiện nay giá thành của loại vật liệu này còn cao và đang phải nhập khẩu nên rất ít doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư.

Để góp phần giải quyết vấn đề trên, các nhà khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu mao quản cố định vi sinh vật nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao”. Đề tài do TS. Phan Thế Anh - Giảng viên Khoa hóa làm chủ nhiệm và là một trong những công trình giải pháp tiêu biểu được vinh danh trong Sách vàng Sáng tạo Việt Nam năm 2021.

Góp phần bảo vệ môi trường

Theo TS. Phan Thế Anh, để xử lý nước thải CBTS các hệ thống thường được thiết kế trên nguyên tắc kết hợp các phương pháp cơ học - hóa lý - vi sinh, với 5 công đoạn quan trọng là tuyển nổi, bể điều hòa, bể sinh học kỵ khí, bể sinh học bùn hoạt tính và bể khử trùng. Vì là hệ nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy nên phương pháp sinh học được chú ý hơn cả. Phương pháp này sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật, kết hợp với giá thể để tăng hiệu quả phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong nước.

Thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã tiến hành tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp vật liệu mao quản PVA gel và đánh giá các tính chất đặc trưng vật liệu mao quản phục vụ quá trình thử nghiệm hiệu quả xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm. Sau đó, nhóm nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ sản xuất vật liệu mao quản PVA gel và tiến hành sản xuất thử nghiệm tối thiểu 2,2 m³ sản phẩm vật liệu mao quản trên dây chuyền sản xuất thử nghiệm năng suất 50 lít/mẻ đặt tại Công ty Cổ phần Hóa chất & Dịch vụ Ngân Hải.

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của vật liệu PVA gel ở mô hình pilot 1m³

Để đánh giá được hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao của vật liệu PVA gel tổng hợp, nhóm nghiên cứu đã lắp đặt, vận hành thử nghiệm mô hình pilot 1m³ xử lý nước thải thủy sản đặt tại Công ty TNHH MTV Đồ hộp Hạ Long. Kết quả, hiệu quả xử lý nước thải của vật liệu PVA gel tổng hợp và được đánh giá đem lại hiệu quả xử lý cao. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tính toán giá thành vật liệu, phân tích chi phí xử lý, so sánh với vật liệu thương mại hiện có trên thị trường để có thể đánh giá hiệu quả kinh tế và khả năng thương mại hóa sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu đề tài đã chế tạo được vật liệu mao quản PVA gel cố định vi sinh vật để xử lý nước thải ngành thủy sản có tải trọng hữu cơ cao; sản phẩm đề tài có giá thành thấp và có khả năng thay thế được sản phẩm nhập ngoại tương đương.

Việc sử dụng vật liêu PVA gel thử nghiệm trong hệ thống xử lý nước thải đã chứng minh được tăng hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao tại nhà máy chế biến thủy sản. Vật liệu PVA gel tạo ra trong điều kiện tối ưu được đánh giá có các tính chất tương tự như sản phẩm PVA gel thương mại của Nhật Bản và đặc biệt là có giá thành sản xuất được tính toán là thấp hơn nhiều so với sản phẩm PVA gel thương mại của Nhật Bản.

Mô hình trình diễn xử lý nước thải của vật liệu PVA gel công suất 120 lít/ngày

Cho đến nay, vật liệu làm giá thể có hiệu quả cao như PVA gel vẫn chưa được nghiên cứu và sản xuất ở trong nước. Việc phối hợp với doanh nghiệp sẽ tạo điều kiện thuận lợi để sản phẩm của công trình nghiên cứu đi vào thực tế, nâng cao sức cạnh tranh với các sản phẩm ngoại nhập và làm chủ được công nghệ.

"Thành công của công trình nghiên cứu sẽ là cơ hội để doanh nghiệp hợp tác nghiên cứu phát triển sản phẩm mới có tiềm năng ứng dụng lớn, có thị trường tiêu thụ rộng rãi. Với các doanh nghiệp chế biến thủy sản, việc sử dụng vật liệu PVA gel có thể giúp cho doanh nghiệp nâng cao năng suất mà không sợ bị quá tải hệ thống xử lý nước thải. Vật liệu PVA gel cũng có thể sử dụng tại các trạm xử lý nước thải tập trung của thành phố, góp phần giải quyết vấn đề quá tải và cải thiện chất lượng bầu khí quyển." - TS. Phan Thế Anh nhấn mạnh.

Thông qua thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã giải quyết bài toán quan trọng là tạo ra vật liệu PVA gel với công nghệ đơn giản, giá thành thấp góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải có tải trọng hữu cơ cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dây chuyền sản xuất vật liệu PVA gel đã khẳng định năng lực của các nhà khoa học trong nước trong việc làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo vật liệu, góp phần nâng cao sức khỏe người lao động và bảo vệ môi trường.

Mai Anh