Tình hình nghiên cứu, ứng dụng bức xạ ion hoá trong xử lý nước thải

Phương pháp oxi hóa tiên tiến (Advanced Oxidation Processes, AOP) ứng dụng bức xạ ion hóa là một trong những công nghệ xử lý nước thải tiên tiến đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng. Một số nghiên cứu sử dụng bức xạ ion hóa, dưới dạng tia gamma (γ) hoặc điện tử (e−) đã được triển khai để loại bỏ các chất ô nhiễm tồn lưu, khử trùng nước và bùn đã qua xử lý. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp xử lý sử dụng bức xạ ion hóa có triển vọng về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Hiệu quả làm giảm các kim loại nặng tồn lưu của phương pháp này cũng đã được chứng minh trong các điều kiện xử lý khác nhau. Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã có báo cáo và khuyến nghị các nước thành viên tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả phương pháp này vào quy trình quản lý nước thải. Sau đây là tóm tắt một số tiến bộ trong việc sử dụng bức xạ ion hóa để xử lý các loại nước thải khác nhau.

1. Xử lý nước thải nông nghiệp:

Cùng với quá trình canh tác, dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, diệt nấm và các sản phẩm phụ của nó tồn tại trong nước thải nông nghiệp và có thể di chuyển đến các vùng nước mặt, nước ngầm, gây hệ lụy cho môi trường, sức khỏe cộng đồng và đe dọa sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp. Công nghệ xử lý bức xạ ion hóa ở giai đoạn 3 của quy trình xử lý đã chứng minh hiệu quả trong việc phân hủy lượng lớn các chất ô nhiễm nói trên trong nước thải nông nghiệp. Hầu hết các nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bức xạ tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện chiếu xạ, khảo sát ảnh hưởng của các thành phần chất thải khác đến quá trình phân hủy và khả năng kết hợp công nghệ bức xạ với các công nghệ khác để nâng cao hiệu quả chung của quá trình xử lý. Các kết quả nghiên cứu cho thấy với liều chiếu 5 kGy (kilo gray), hiệu quả phân hủy các thuốc trừ sâu như procloraz, dimethoat, imidacloprid và carbofuran đạt hiệu quả cao nhất 99%; có thể phân hủy hoàn toàn các thuốc trừ sâu chứa Clo hữu cơ với liều chiếu 1 kGy; với liều chiếu 16,2 kGy có thể loại bỏ các sản phẩm phụ và tái sử dụng nước thải đã qua xử lý phục vụ nuôi cá, gà,...
 

 (Khi ứng dụng Phương pháp chiếu xạ trong xử lý nước thải, các chùm tia điện tử phá vỡ các phân tử nước (hình màu xanh lam) thành các phân tử tích điện nhỏ hơn gọi là ion. Các phân tử ion này sẽ phá vỡ cấu trúc các chất gây ô nhiễm (hình tròn màu đỏ và xanh lá cây).

2. Xử lý thuốc nhuộm hữu cơ:

Xử lý bức xạ ion hóa đã được đề xuất để loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ trong nước thải công nghiệp. Các nỗ lực nhằm hướng đến việc nghiên cứu các hợp chất hữu cơ điển hình như Aniline, Phenol, Atrazine…, giải pháp kỹ thuật cho từng chất ô nhiễm riêng lẻ và tiến hành xử lý chiếu xạ trên các mẫu nước thải thực tế. Một số nghiên cứu mới nhất giai đoạn 2016-2019 cho thấy việc ứng dụng công nghệ chiếu xạ chùm tia điện tử đã loại bỏ các chất độc hại, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo và có tác dụng khử màu đạt tới 96%, góp phần nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý.
 

Xử lý nước thải dệt nhuộm sử dụng công nghệ bức xạ ion hoá ở Daegu, Hàn Quốc.
 

Thiết bị xử lý tại Nhà máy dệt kim Guanhua ở Trung Quốc sử dụng công nghệ chùm tia điện tử để xử lý nước bị ô nhiễm bởi dư lượng thuốc nhuộm công nghiệp.

3. Khử trùng nước thải và bùn

Ứng dụng bức xạ ion hóa trong khử trùng đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong khử trùng bùn và các loại nước thải như: nước thải công nghiệp, nước thải đã qua xử lý, nước thải đô thị,... Công nghệ sử dụng bức xạ ion hóa có tác dụng khử trùng vi sinh vật; làm giảm các chỉ số BOD (Biochemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hóa), COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học) và TOC (Total organic carbon - tổng cacbon hữu cơ) đến giới hạn cho phép. Nghiên cứu so sánh các phương pháp oxy hóa tiên tiến khác nhau trong việc khử trùng nước thải đô thị, kiểm soát sự tái sinh trưởng của vi khuẩn cũng như chi phí vận hành cho thấy bức xạ ion hóa có hiệu quả khử trùng lên tới 95% đối với tổng số khuẩn lạc (là một “tập đoàn” vi khuẩn, một sinh khối của vi khuẩn phát triển trên bề mặt của một giá thể cứng) và tổng số vi khuẩn coliform, có khả năng ức chế sự phát triển trở lại ở liều chiếu xạ > 0,25 kGy; hiệu suất khử trùng không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thành phần nước thải theo mùa; mức tiêu thụ điện năng chỉ bằng 1/3 các phương pháp khác như clo hóa, sử dụng tia UV, khử trùng bằng ozon,...

4. Xử lý nước thải từ ngành dược và hóa dầu

Để đánh giá mức độ xử lý nước thải ngành dược, người ta đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến khả năng phân hủy sinh học và loại bỏ độc tính của từng loại dược phẩm. Kết quả nghiên cứu ứng dụng bức xạ ion hóa kết hợp với với phương pháp đông tụ, xử lý sinh học của Changotra, R và cộng sự năm 2020 đăng trên tạp chí The Journal of Cleaner Production cho thấy chỉ số COD giảm 94% đối với mẫu nước thải có hàm lượng hữu cơ thấp và giảm đến 89% đối với mẫu có  hàm lượng hữu cơ cao. Liều chiếu xạ nằm trong khoảng 25-100 kGy  tùy thuộc vào độ pH của dung dịch nước thải. Chi phí xử lý nước thải sử dụng nguồn phóng xạ chùm tia điện tử (20 MeV, 100 kW) ước tính khoảng 0,6 USD/m3. Đối với nước thải ngành hóa dầu có chứa Naphthalene (băng phiến), chiếu xạ γ với liều chiếu 3 kGy cho phép loại bỏ Naphthalene đạt hiệu suất hơn 98% và giảm 28–31% TOC.

Như vậy, các kết quả nghiên cứu thời gian qua đối với quá trình xử lý nước thải cho thấy công nghệ bức xạ ion hóa có độ tin cậy cao, an toàn, không bị ảnh hưởng bởi thành phần nước theo mùa, giảm quá trình hình thành các chất ô nhiễm thứ cấp và đạt hiệu quả kinh tế cao hơn so với các phương pháp khác. Quy trình xử lý nước thải ứng dụng bức xạ kết hợp với các công nghệ hiện đại khác cần tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu hoàn thiện trên cơ sở làm rõ quá trình động học diễn ra trong hệ thống xử lý nước thải. Bên cạnh đó, cần cải thiện và đảm bảo quy trình vận hành hệ thống chiếu xạ công nghiệp trong quá trình xử lý nước thải phù hợp với các quy định nghiêm ngặt về an toàn bức xạ.

Ứng dụng bức xạ ion hoá trong xử lý nước thải tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhu cầu về nguồn nước sạch ngày càng tăng do dân số phát triển và quá trình công nghiệp - nông nghiệp hoá, đặc biệt sự phát triển công nghiệp và canh tác nông nghiệp ngày càng sử dụng nhiều hóa chất như thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng làm cho nguồn nước sạch bị ô nhiễm trầm trọng.

Một số đơn vị của Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam và Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành những nghiên cứu bước đầu về xử lý chiếu xạ phân hủy phenol, hợp chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải; chiếu xạ chùm tia điện tử; khử màu nước thải dệt nhuộm; ứng dụng phương pháp ôxy hóa nâng cao để xử lý COD trong nước thải dệt nhuộm. Nghiên cứu xử lý chất màu trong nước thải nhà máy dệt nhuộm bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử ở quy mô phòng thí nghiệm của Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cho thấy tại liều 3 kGy kết hợp với 10 mM H₂O₂, độ màu đã giảm đến 98%.

Nghiên cứu xử lý phân hủy chất nhuộm gốc azo từ nước thải phân xưởng nhuộm bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử kết hợp với xử lý sinh học cũng được triển khai nhằm tối ưu được một phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm mới vừa hiệu quả, vừa thân thiện môi trường với mức phí xử lý cạnh tranh để có thể chuyển giao cho các nhà máy dệt nhuộm tại Việt Nam.

Việc ứng dụng và phát triển công nghệ bức xạ ion hoá trong xử lý nước thải tại Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều khó khăn và thách thức lớn. Do chi phí đầu tư cao, nhiều công nghệ phụ trợ liên quan chưa phát triển và khó khăn trong việc đào tạo nguồn nhân lực vận hành cũng hạn chế khả năng ứng dụng kỹ thuật này. Ngoài ra, những lo ngại về vấn đề an toàn, an ninh liên quan đến vận chuyển, quản lý và sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ hoạt độ cao cũng đang làm gia tăng chi phí, giảm khả năng cạnh tranh của công nghệ bức xạ so với các biện pháp truyền thống như xử lý bằng hóa chất,…Bên cạnh đó, theo các khuyến cáo của của chuyên gia quốc tế, để có hiệu quả về mặt kinh tế khi áp dụng phương pháp chiếu xạ trong lĩnh vực xử lý nước thải, cụ thể là nước thải dệt nhuộm thì dung lượng nước thải phải từ 10.000 m³/ngày và nên có hệ thống xử lý nước thải tập trung thay vì phân tán như hiện nay.

Tài liệu tham khảo:

1. Changotra, R.; Rajput, H.; Guin, J.P.; Khader, S.A.; Dhir, A. Techno-Economical Evaluation of Coupling Ionizing Radiation and Biological Treatment Process for the Remediation of Real Pharmaceutical Wastewater. J. Clean. Prod. 2020, 242, 118544. [CrossRef].
2. Charlie Cooper; Particle beam technologies for clean water on World Water Day; https://news.fnal.gov/2019/03/particle-beam-technologies-for-clean-water-on-world-water-day/ .
3. Deogaonkar, S.C.; Wakode, P.; Rawat, K.P. Electron beam irradiation post treatment for degradation of non biodegradable contaminants in textile wastewater. Radiat. Phys. Chem. 2019, 165, 108377.
4. Rehab O. Abdel Rahman and Yung-Tse Hung, Application of Ionizing Radiation in Wastewater Treatment: An Overview. Water 2020, 12, 19; doi:10.3390/w12010019.
5. TS. Nguyễn Ngọc Duy. Ứng dụng công nghệ máy gia tốc trong xử lý chất thải. Tuyển tập Hội thảo công nghệ bức xạ tiên tiến, tháng 10/2019.