BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

TRẦN HOÀI SƠN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ LỌC CẢI TIẾN
ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TÁI CHẾ TỪ
CHẤT THẢI RẮN XÂY DỰNG
STUDY ON WASTEWATER TREATMENT BY ADVANCED
FILTRATION SYSTEM USING RECYCLED MATERIAL FROM
CONSTRUCTION SOLID WASTE
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường – Công nghệ Môi trường
Nước và nước thải
Mã ngành: 62520320-2

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội, năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Trần Thị Việt Nga
Người hướng dẫn khoa học 2: GS. Ken Kawamoto
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Dung

Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải
Phản biện 3: PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại
Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
Vào hồi ......... giờ ......... ngày ...........tháng .......... năm 2023
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và tại Thư viện trường Đại

học Xây dựng Hà Nội.


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện trạng xử lý nước thải (XLNT) của Việt Nam đã có những cải
thiện, tuy nhiên tỷ lệ nước thải được xử lý vẫn ở mức thấp, tại các đô
thị chỉ đạt 14%, tại các làng nghề đạt 16,1% và ở khu vực nông thôn
chỉ đạt <10%. Nước thải không được xử lý, xả thải trực tiếp gây ô
nhiễm môi trường, tác động xấu tới cảnh quan, sức khỏe người dân.
Quản lý nước thải phân tán sử dụng cơng nghệ XLNT chi phí thấp
như cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây,... cho thấy hiệu quả xử lý khá
tốt và cơ bản đáp ứng các u cầu bảo vệ mơi trường (BVMT). Các
cơng trình này hoạt động thường cần sử dụng lượng vật liệu lọc rất
lớn. Để nhân rộng các mơ hình này cần phải nghiên cứu các loại vật
liệu lọc phù hợp với nguồn cung lớn, chi phí thấp và đáp ứng yêu cầu
XLNT.
Chất thải rắn xây dựng (CTRXD) đang phát sinh ngày càng nhiều, tại
Hà Nội đã vượt quá 3.000 tấn/ngày. Tỷ lệ tái sử dụng, tái chế thấp,
phần lớn CTRXD được chôn lấp và gây ra các hệ lụy về môi trường.
Vì thế, cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu tái sử dụng CTRXD
trong XLNT. Bê tơng khí chưng áp (AAC) hiện đang dần được sử
dụng để thay thế bê tông và vật liệu nung truyền thống bởi nhiều ưu
điểm kỹ thuật vượt trội như khối lượng nhẹ, cách âm, cách nhiệt tốt,...
Công suất các nhà máy sản xuất AAC đã lên tới 1,95 triệu m 3/năm và
ngày càng tăng lên dẫn tới gia tăng phát sinh CTRXD là bê tơng AAC.
Với thành phần hóa học có hàm lượng cao các kim loại (Ca, Fe, Al,
Mg, K,…), độ rỗng xốp cao, diện tích tiếp xúc lớn, AAC vừa có tiềm

năng làm vật liệu hấp phụ vừa có tiềm năng làm giá thể mang vi sinh,
vật liệu lọc trong các công trình XLNT như cánh đồng lọc, hào lọc
sinh học, bãi lọc trồng cây.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về tái sử dụng CTRXD, đặc biệt là bê
tông AAC trong XLNT cịn rất ít, chưa có nghiên cứu ứng dụng bài
bản trong XLNT. Vì thế, nghiên cứu XLNT sử dụng bê tơng thải AAC
là hết sức cần thiết, góp phần xử lý triệt để các vấn đề môi trường, tận
dụng được nguồn CTRXD giúp giảm chi phí, giảm khai thác tài
nguyên và BVMT, góp phần thúc đẩy phát triển nền kinh tế tuần hồn.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của luận án là chứng minh khả năng ứng dụng bê tông thải


2

AAC trong XLNT, bao gồm:
[1] Đánh giá khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm như kim loại nặng (Pb,
Cd, As), chất dinh dưỡng (phốt phát) trong nước thải của AAC
bằng phương pháp hấp phụ, bao gồm đánh giá khả năng hấp phụ,
cơ chế hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.
[2] Đánh giá hiệu quả XLNT bằng hệ lọc sinh học cải tiến sử dụng
chất thải rắn AAC làm vật liệu mang vi sinh, vật liệu hấp phụ và
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý.
[3] Đánh giá khả năng tái sử dụng AAC trong XLNT, đề xuất các mơ
hình XLNT sử dụng CTRXD.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu là vật liệu bê tơng khí chưng áp AAC, khả
năng XLNT sử dụng AAC, nước thải sinh hoạt, nước thải chứa kim
loại nặng (KLN), nước thải có hàm lượng phốt pho cao.
- Phạm vi nghiên cứu là xử lý các KLN (Pb, Cd, As), các chất hữu cơ,

chất dinh dưỡng trong nước thải sử dụng bê tơng khí chưng áp AAC.
4. Cơ sở khoa học của luận án
Cơ sở khoa học của luận án dựa trên hai phương pháp chính là:
Phương pháp hấp phụ để xử lý các KLN và phốt pho trong nước thải
dựa trên các đặc tính kỹ thuật của AAC là vật liệu có tính kiềm, thành
phần giàu kim loại, vật liệu rỗng xốp, diện tích bề mặt lớn; Phương
pháp xử lý sinh học sử dụng màng vi sinh vật dính bám để XLNT dựa
trên đặc tính của AAC là vật liệu rỗng xốp, diện tích bề mặt lớn nên
thuận lợi cho việc phát triển các màng vi sinh vật dính bám lên vật
liệu và dựa trên khả năng hấp phụ phốt phát của vật liệu AAC.
5. Nội dung nghiên cứu của luận án
[1] Tổng quan thành phần, tính chất, đặc tính kỹ thuật CTRXD, bê
tơng khí chưng áp AAC. Các nghiên cứu về XLNT sử dụng AAC.
Tổng quan về các chất ơ nhiễm trong nước thải có thể xử lý bằng
AAC, các cơng trình XLNT có thể sử dụng vật liệu AAC.
[2] Nghiên cứu đánh giá khả năng, dung lượng, cơ chế hấp phụ KLN
(Pb, Cd, As) và phốt pho của bê tông thải AAC.
[3] Nghiên cứu đánh giá khả năng mang vi sinh của bê tông thải AAC.
[4] Nghiên cứu đánh giá hiệu quả XLNT của hệ lọc sử dụng AAC.
[5] Nghiên cứu đánh giá tiềm năng thu hồi phốt pho từ nước thải bằng
việc sử dụng bê tông thải AAC để XLNT.


3

[6] Nghiên cứu đề xuất dây chuyền XLNT sử dụng bê tông thải AAC.
6. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Phương pháp thu thập tài liệu và kế thừa; Phương pháp khảo sát thực
địa; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; Phương pháp phân tích
thống kê; Phương pháp đối chiếu so sánh; Phương pháp chuyên gia.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
a. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Xác định được đặc tính kỹ thuật của một số loại CTRXD (AAC)
thích hợp để xử lý và loại bỏ một số chất ô nhiễm trong nước thải.
- Xác định được dung lượng hấp phụ, cơ chế hấp phụ một số KLN
(Pb, Cd, ...) và phốt phát của bê tông AAC.
- Đánh giá được hiệu quả XLNT của mơ hình hệ lọc sinh học cải tiến
sử dụng vật liệu AAC theo các thông số: COD, N-NH4, TN, TP, ....
- Đánh giá tiềm năng thu hồi phốt pho từ nước thải nhờ sử dụng AAC.
b. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Đề xuất các dây chuyền xử lý KLN, phốt pho trong nước thải, dây
chuyền xử lý NTSH bằng hệ lọc sinh học cải tiến sử dụng AAC.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa quan trọng trong việc
nâng cao khả năng tái sử dụng của CTRXD trong XLNT, mở ra
hướng tiếp cận mới trong việc XLNT bền vững sử dụng các vật liệu
tái chế và có chi phí thấp từ CTRXD.
- Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tài liệu tham khảo cho đào
tạo và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực mơi trường.
8. Những đóng góp mới của luận án
a. Xác định được đặc tính và tiềm năng tái sử dụng của bê tông thải
AAC trong XLNT.
b. Đánh giá được khả năng hấp phụ KLN (Pb, Cd, As) và phốt phát
của AAC thông qua việc xác định các thông số động học hấp phụ, mơ
hình đẳng nhiệt, cơ chế q trình hấp phụ, các yếu tố ảnh hưởng.
c. Đánh giá được khả năng XLNT của hệ lọc sử dụng bê tông thải
AAC bao gồm: hiệu quả xử lý, chế độ vận hành tối ưu, phân tích cơ
chế q trình xử lý, các hướng ứng dụng thực tế trong XLNT.
9. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 130 trang đánh máy A4, được đánh số cụ thể như sau:
Mở đầu (9 trang); Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu (27

trang); Chương 2: Cơ sở khoa học quá trình xử lý nước thải bằng bê


4

tông thải AAC (18 trang); Chương 3: Phương pháp nghiên cứu (13
trang); Chương 4: Kết quả và thảo luận (47 trang); Kết luận và kiến
nghị (3 trang); Danh mục các cơng trình đã cơng bố (1 trang); Tài liệu
tham khảo (9 trang); Ngồi ra luận án cịn có một số phần khơng đánh
số gồm có: Bìa luận án (2 trang); Lời cam đoan (1 trang); Mục lục (3
trang); Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt (2 trang); Danh mục bảng (2
trang); Danh mục hình vẽ (2 trang) và Phụ lục (25 trang). Luận án có
40 bảng và 55 hình vẽ.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về chất thải rắn xây dựng và bê tơng khí chưng áp
1.1.1. Tổng quan về chất thải rắn xây dựng tại Việt Nam
CTRXD phát sinh ngày càng tăng, chiếm 10-15% CTR đô thị. Ở Hà
Nội, CTRXD phát sinh đã vượt 3000 tấn/ngày. Phương pháp xử lý
CTRXD phổ biến nhất hiện nay là đổ thải tại các bãi chôn lấp, rất tốn
diện tích và lãng phí tài nguyên. Tỷ lệ bê tông trong CTRXD là
khoảng 23% đến 32%. CTRXD có giá trị lớn trong việc tái sử dụng và
tái chế thành vật liệu, tuy nhiên, các nhà máy tái chế CTRXD vẫn chưa
phát triển đầy đủ ở Việt Nam dẫn tới tỷ lệ tái chế, tái sử dụng thấp.
Chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp CTR đặt mục tiêu đến năm
2025, 90% tổng lượng CTRXD phát sinh tại các đơ thị được thu gom,
xử lý, trong đó 60% được tái sử dụng hoặc tái chế.
1.1.2. Tổng quan về bê tơng khí chưng áp Việt Nam có 12 nhà máy
sản xuất AAC với tổng công suất thiết kế 1,95 triệu m³/năm. AAC
được sản xuất từ xi măng, vôi, thạch cao, cát nghiền mịn, nước và chất
tạo khí. Theo ước tính, lượng AAC phế thải phát sinh có thể lên đến

0,04 – 0,1 triệu m³/năm và trong tương lai, khi nhu cầu sử dụng AAC
tăng lên thì lượng chất thải AAC phát sinh cũng sẽ ngày càng gia tăng.
1.1.3. Đặc tính hóa lý của bê tơng AAC Thành phần của AAC gồm:
SiO2=44,8-57,0%; CaO=24,9-27,6%; Al2O3=1,95-16,06%; Fe2O3=1,04,2%; MgO=0,5-0,65%; K2O=0-0,7%. AAC có diện tích bề mặt lớn >
20 m2/g. AAC độ rỗng tổng số từ 77-80%, trong đó độ rỗng xốp vĩ mơ
lên tới 37-46%, tỷ lệ lỗ rỗng có r ≥10 μm chiếm đến 70-80%.
1.2. Tổng quan về xử lý nước thải sử dụng chất thải rắn xây dựng
1.2.1. Xử lý kim loại nặng trong nước thải bằng CTRXD
CTRXD, đặc biệt là các loại bê tơng thải có đặc tính giống với các vật
liệu silicat canxi, có thành phần hóa học giàu kim loại, diện tích bề


5

mặt lớn, có tiềm năng lớn trong việc sử dụng làm chất hấp phụ KLN.
Các vật liệu chính được nghiên cứu gồm: Bột đá cẩm thạch, đá ong,
bột bê tông, bê tơng khí, bê tơng chưng áp,... Phần lớn các nghiên cứu
sử dụng nước thải tổng hợp với các KLN phổ biến là: Pb, Cd, Cr, Cu,
Ni,... Dung lượng hấp phụ KLN của các loại bê tông thải, AAC dao
động trong khoảng rộng tùy thuộc vào từng kim loại, trong đó Pb, Cd
là những KLN phù hợp với vật liệu AAC khi dung lượng hấp phụ lên
tới 20-300 mg/g, hiệu suất xử lý đạt > 90%.
1.2.2. Xử lý nước thải sử dụng CTRXD
a. Xử lý nước thải sử dụng CTRXD
Nghiên cứu của Dong và CS (2016) đã sử dụng AAC để thay thế cho
các vật liệu mang vi sinh trong bể lọc sinh học để XLNTcho hiệu quả
xử lý COD đạt từ 60,2- 84,6%, hiệu quả xử lý TP đạt từ 75,8-91,3%.
Màng vi sinh vật phát triển tốt trên bề mặt giá thể AAC. Li và CS
(2021) đã báo cáo, cột lọc sử dụng bê tơng thải có hiệu quả loại bỏ TP
cao nhất lên đến 87,1%, nguyên nhân được giải thích bởi thành phần

hóa học chứa các ion Ca, Fe, Al tham gia vào các phản ứng trao đổi
ion và tạo kết tủa với phốt phát. Nghiên cứu của Bao và CS (2019)
cho thấy mơ hình lọc sinh học sử dụng AAC có hiệu quả tốt hơn mơ
hình sử dụng các hạt giá thể Caramite thương mại (tỷ lệ loại bỏ TN
tương ứng là 45,96% và 15,64%, tỷ lệ loại bỏ PO43- lần lượt là 72,45%
và 33,97%). Nhờ độ rỗng xốp lớn, mạng lưới lỗ rỗng liên thơng, diện
tích bề mặt lớn và bề mặt thô ráp của AAC được cho là thích hợp cho
sự phát triển của màng sinh học vi sinh vật. Sự phát triển của các lỗ
rỗng bên trong AAC thúc đẩy việc loại bỏ phốt pho và nitơ.
b. Xử lý phốt pho trong nước thải sử dụng CTRXD Các nghiên cứu
đánh giá khả năng hấp phụ P của CTRXD và AAC được thực hiện
thông qua các nghiên cứu hấp phụ tĩnh và hấp phụ động. Q trình
hấp phụ hóa học là chủ đạo, bao gồm các phản ứng trao đổi ion tạo kết
tủa phốt phát như Ca3(PO4)2, AlPO4.2H20, MgHPO4.3H20) và phức
chất HAP(Ca5(OH)(PO4)3) kết tủa trên bề mặt vật liệu hấp phụ.
1.2.3. Hệ lọc cải tiến xử lý nước thải sinh hoạt
Các hệ lọc cải tiến trong xử lý NTSH phân tán kết hợp bể lọc sinh
học, hào lọc, các dạng bãi lọc ngầm sử dụng vật liệu rỗng xốp và hấp
phụ P (Filtralite P) để tăng hiệu quả XLNT, đã được áp dụng rộng rãi
tại các nước phát triển. Các hệ lọc này cho hiệu quả loại bỏ BOD >


6

80%, TP > 94%, TN là 32-64%, nước thải sau xử lý đáp ứng các yêu
cầu bảo vệ môi trường. AAC là vật liệu rỗng xốp và thành phần giàu
Ca, vì thế vật liệu này rất có tiềm năng làm vật liệu hấp phụ P cũng
như vật liệu mang vi sinh trong các hệ lọc cải tiến để XLNT.
1.3. Tiềm năng ứng dụng của AAC trong các cơng trình XLNT
1.3.1. Các đối tượng ơ nhiễm trong nước thải có thể xử lý bằng AAC

a. Kim loại nặng: được phát hiện trong nhiều loại nước thải từ các lĩnh
vực khác nhau như nước thải khai thác mỏ, nước thải công nghiệp xi
mạ, nước thải từ các làng nghề tái chế kim loại, nước rỉ rác,... Các
KLN phổ biến trong nước thải như Pb, Cd, As,...
b. Nước thải sinh hoạt (NTSH): được xếp vào loại có tải lượng thấp
với đặc trưng là hàm lượng chất hữu cơ thấp. Hàm lượng các chất ô
nhiễm trong NTSH tại Hà Nội tương đối thấp: COD < 300 mg/L,
NH4-N từ 5-25 mg/L, TN từ 5-55 mg/L, TP từ 1,3-21,5 mg/L.
c. Nước thải giàu phốt pho: Phốt pho trong nước thải tồn tại ở dạng P
hữu cơ, phốt phát đơn tan trong nước, poly phốt phát trùng ngưng, các
loại muối phốt phát và phốt pho trong tế bào sinh khối. Hàm lượng TP
trong NTSH từ 1,3-21,5 mg/L, trong nước rỉ rác từ 4,3-25 mg/L, trong
nước thải nhà máy chế biến thực phẩm (bơ sữa) từ 6-500 mg/L.
1.3.2. Các cơng trình XLNT phân tán có tiềm năng sử dụng AAC
Các cơng trình XLNT phân tán phổ biến: Bể tự hoại cải tiến có ngăn
lọc kỵ khí; Bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn; Bể lọc kỵ khí; Bãi lọc
trồng cây; Bể lọc sinh học; Cánh đồng tưới; Cánh đồng lọc; Hào lọc
ngầm. Các cơng trình này có thể kết hợp tạo thành các hệ lọc XLNT
trong điều kiện tự nhiên. CTRXD như bê tơng AAC có thể được sử
dụng làm vật liệu lọc, giá thể mang vi sinh trong các cơng trình này.
1.4. Định hướng nghiên cứu
Định hướng nghiên cứu của luận án là chứng minh khả năng xử lý các
đối tượng ô nhiễm trong nước thải khi sử dụng vật liệu AAC, bao gồm
khả năng làm vật liệu hấp phụ, xử lý một số KLN (Pb, Cd, As), phốt
phát; khả năng làm vật liệu mang vi sinh trong các hệ lọc sinh học để
xử lý NTSH của AAC. Từ đó, nghiên cứu mở ra các hướng áp dụng
chất thải AAC trong các hệ, dây chuyền XLNT chi phí thấp.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC Q TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC
THẢI BẰNG BÊ TÔNG THẢI AAC
2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ



7

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha. Trong XLNT,
khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói về hấp phụ chất ơ nhiễm
hịa tan ở bề mặt phân cắt giữa pha lỏng và rắn. Chất ô nhiễm trong
nước chịu tác dụng của 2 lực: Lực tác dụng tương hỗ của các phân tử
chất tan với các phân tử dung môi; Lực tác dụng tương hỗ của các
phân tử chất tan với các phân tử của vật liệu hấp phụ.
2.1.1. Một số khái niệm về quá trình hấp phụ
a. Dung lượng hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ được giữ lại trên 1
(𝐶 − 𝐶 ).𝑉
đơn vị khối lượng vật liệu:q= 𝑜 𝑐𝑏
(2.1)
𝑚
b. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng
(𝐶 − 𝐶 )
độ dung dịch ban đầu: 𝐸 = 0 𝐶 𝑐𝑏 × 100
(2.2)
0

c. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Phương trình Langmuir có thể biểu diễn theo phương pháp đồ thị:
𝐶𝑐𝑏
1
1
= 𝑏𝑞 + 𝑞 𝐶𝑐𝑏
(2.3)

𝑞
𝑚
𝑚
d. Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Phương trình phi tuyến tính của mơ hình đẳng nhiệt Freundlich được
1/𝑛
biểu diễn theo công thức: qe = Kf.𝐶𝑒 , (n>1)
(2.4)
1
Và dạng đồ thị: Logqe = logK f + logCe
(2.5)
𝑛
2.1.2. Động học hấp phụ
a. Phương trình động học biểu kiến bậc 1
(2.6)
b. Phương trình động học biểu kiến bậc 2
(2.7)
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ trong môi
trường nước
Tỷ lệ giữa nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ và chất hấp phụ; Nhiệt
độ; Bản chất chất hấp phụ và bị hấp phụ; pH dung dịch.
2.2. Cơ sở khoa học hấp phụ/loại bỏ KLN, phốt phát bằng AAC
2.2.1. Đặc điểm của vật liệu AAC
AAC có độ rỗng tổng số từ 77-80%, nhiều mạng lưới lỗ rỗng liên
thông, độ rỗng xốp vĩ mô từ 37-46%, diện tích bề mặt > 20 m2/g,


8

AAC mang đặc tính của vật liệu slicat canxi, thể hiện tính kiềm, có thể

giải phóng các gốc OH-, từ đó tham gia phản ứng tạo kết tủa với các
ion KLN. Thành phần các kim loại như Ca, Al, Fe tạo điều kiện cho
các phản ứng trao đổi ion, tạo phức với các ion KLN, phốt phát trong
nước thải để hình thành nên các kết tủa hoặc phức chất trên bề mặt.
2.2.2. Các cơ chế chính của q trình hấp phụ KLN bằng AAC
Cơ chế của việc loại bỏ KLN bằng vật liệu silicat canxi chủ yếu được
điều chỉnh bởi cơ chế ba bước hoặc năm bước, chẳng hạn như thủy
phân, hydrat hóa, trao đổi ion, tạo phức trên bề mặt, và kết tủa bề mặt.
2.2.3. Các cơ chế chính của quá trình hấp phụ phốt phát bằng AAC
Việc loại bỏ P bằng AAC là một quá trình đồng thời của q trình hịa
tan Ca/kiềm, các ion kim loại, hấp phụ bề mặt và kết tủa hóa học, các
sản phẩm chính là: Ca3(PO4)2, Ca5(OH)(PO4)3, MgHPO4, AlPO4.
2.3. Cơ sở khoa học XLNT bằng màng lọc sinh học sử dụng vật
liệu AAC
2.3.1. Cơ chế quá trình XLNT bằng màng vi sinh vật dính bám
Vi khuẩn có thể phát triển bám chặt vào hầu hết mọi bề mặt, tạo thành
các cộng đồng phức tạp về mặt kiến trúc được gọi là màng sinh học.
Màng sinh học bao gồm vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và
các sinh vật khác. Cơ chế xử lý là quá trình lọc – hấp thụ nhờ màng
sinh học trên vật liệu, giá thể lọc.
2.3.2. Cơ chế XLNT trong các bể lọc, hào lọc tiếp xúc sinh học
a. Cơ chế xử lý các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học Phân
hủy sinh học (hiếu khí và thiếu khí) đóng vai trị lớn nhất trong việc
loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan, dạng keo có khả năng phân hủy
sinh học trong nước thải; Quá trình lắng và lọc.
b. Cơ chế xử lý các hợp chất của nitơ Sự bay hơi của amoniac; nitrat
hóa/khử nitrat và một số cơ chế khác.
c. Cơ chế xử lý các hợp chất của phốt pho Hấp phụ và kết tủa lên bề
mặt vật liệu lọc, dự trữ trong sinh khối và tích tụ vào trầm tích.
d. Cơ chế xử lý vi khuẩn và vi rút Các quá trình vật lý như dính kết và

lắng, lọc, hấp phụ; điều kiện môi trường không thuận lợi (pH, nhiệt
độ, bức xạ mặt trời, thiếu dinh dưỡng).
e. Cơ chế loại bỏ các chất rắn Quá trình lọc, lắng và phân hủy sinh
học, hút bám, hấp phụ lên vật liệu lọc, vật liệu đỡ nhờ lực hấp dẫn
Van der Waals, chuyển động Brown.


9

2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế XLNT trong các cơng trình
lọc tiếp xúc sinh học
a. Đặc tính vật liệu lọc Các thông số ảnh hưởng của vật liệu gồm:
Kích thước vật liệu, diện tích bề mặt của vật liệu, thành phần hóa học,
độ rỗng xốp của vật liệu.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng tới tốc độ các phản
ứng hóa học, q trình hấp phụ, quá trình trao đổi chất, sự phát triển
của các màng vi sinh vật.
c. Ảnh hưởng của pH pH nước thải là ảnh hưởng tới các q trình
chuyển hóa hóa học, hấp phụ và sinh hóa diễn ra trong cơng trình.
d. Tải trọng thủy lực và thời gian lưu nước Tải trọng thủy lực (HLR)
nhỏ, thời gian lưu nước (HRT) sẽ lớn sẽ tạo thuận lợi cho quá trình
hấp phụ, q trình lắng và từ đó tăng hiệu quả xử lý.
e. Dịng tuần hồn Sự tuần hồn dịng diễn ra làm tăng q trình
nitrat hóa và có thể cải thiện quá trình khử nitrat do tăng thời gian tiếp
xúc cùng và cung cấp thêm chất hữu cơ.
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng và nội dung nghiên cứu

Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu



10

3.2. Hoạch định thực nghiệm
3.2.1. Chuẩn bị vật liệu và đánh giá đặc tính hóa lý
a. Nguồn gốc vật liệu
Bê tơng khí chưng áp (AAC) phế thải được thu gom từ nhà máy
Viglacera Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh, Việt Nam.
b. Chuẩn bị vật liệu cho các thí nghiệm
Các khối AAC lớn được đập và sàng để thu được các kích cỡ từ 30-50
mm, 5-10 mm và 3-5 mm. Thí nghiệm hấp phụ sử dụng các hạt AAC
3-5 mm, 5-10 mm. Thí nghiệm XLNT bằng hệ lọc sinh học cải tiến:
AAC 30-50 mm sử dụng làm giá thể vi sinh, các hạt 3-5mm được
dùng làm vật liệu hấp phụ.
c. Khảo sát điểm điện tích khơng của vật liệu
Điểm điện tích khơng của bề mặt một chất là giá trị pH tại đó bề mặt
vật liệu trung hịa về điện (pHpzc). Kỹ thuật chuẩn độ khối lượng riêng
điện thế được dùng để xác định điểm điện tích khơng của vật liệu.
3.2.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ tĩnh:
Các thí nghiệm hấp phụ tính theo mẻ (theo phương pháp chuẩn của
OECD) được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ, dung lượng hấp
phụ, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của vật liệu. Thí
nghiệm sử dụng nước thải tổng hợp. Các hóa chất H3AsO4, PbCl2,,
Pb(NO3)2, CdCl2, KH2PO4 được sử dụng để tạo các dung dịch nước
thải tổng hợp chứa các đối tượng cần hấp phụ.
a. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ/phản ứng
Điều kiện thí nghiệm hấp phụ tĩnh, khảo sát ảnh hưởng của thời gian
hấp phụ được thể hiện tại Bảng 3.1. Mỗi thí nghiệm lặp lại 2 lần.
Bảng 3.1. Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến
hiệu suất hấp phụ các ion KLN, phốt phát của vật liệu AAC

Chất bị
Kích cỡ
Co
m (g)
V (ml)
T (phút)
hấp phụ
(mm)
(mg/L)
Cd
10
100
30, 60, 120,
500
240,
480,
960,
Pb
10
100
500
1440 (thêm
3-5
As
10
100
500
thời điểm 10 ph
5 - 10
và 20 ph với

TN hấp phụ
P
2
50
18
Pb)


11

b. Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ
Điều kiện thí nghiệm hấp phụ khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất bị
hấp phụ được thể hiện tại Bảng 3.2. Mỗi thí nghiệm lặp lại 2 lần.
Bảng 3.2. Các số liệu đầu vào nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ
KLN, TP đến hiệu suất hấp phụ các ion KLN, PO43- của AAC
Chất bị
Kích cỡ
Co
m (g)
V (ml)
T (giờ)
hấp phụ
(mm)
(mg/L)
Cd
10
100
24
0-5000
0-5000

Pb
10 (1)
100
24
3-5
(25000)
5 - 10
As
10
100
24
0-5000
P
2
50
24
0-70
3.2.3. Thí nghiệm XLNT bằng hệ lọc cải tiến sử dụng vật liệu AAC
Mơ hình XLNT gồm bể lọc dòng chảy thẳng đứng nhỏ giọt → bể lọc
dòng chảy ngầm → bể lọc tiếp xúc dòng chảy ngầm trong phịng thí
nghiệm được mơ tả tại Hình 3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm xử lý NTSH bằng hệ lọc sinh học
Q trình vận hành mơ hình mơ tả tại Bảng 3.3. Mẫu nước thải đầu
vào, đầu ra của các bể được lấy định kỳ hàng tuần và đo các thông số
COD, TP, NH4-N, các thông số DO, pH, nhiệt độ được đo hàng ngày.


12


Bảng 3.3. Thơng số thí nghiệm XLNT liên tục
Q
HRT
Q tuần hoàn
Thời gian (ngày)
(L/ngày)
(giờ)
(L/ngày)
GĐ 1
0-65
15
26-27
0
GĐ 2
65-110
10
39-40
13 (130% Q)
110-155
15
26-27
13 (86% Q)
GĐ 3
155-200
20
19-20
13 (64% Q)
3.3. Phương pháp phân tích, đánh giá trong luận án
3.3.1. Đánh giá thành phần, hình thái học bề mặt của vật liệu
Thành phần hóa học của AAC được phân tích bằng phương pháp

nhiễu xạ tia X (XRD) và phân tích phổ tán xạ tia X (EDX/EDS) thực
hiện tại phịng thí nghiệm của trường Đại học Saitama Nhật Bản và
Trường Đại học Khoa học tự nhiên. Phương pháp hiển vi điện tử quét
(SEM) giúp quan sát ảnh chụp bề mặt, cấu trúc vật liệu.
3.3.2. Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng nước
Phương pháp phân tích các kim loại nặng: Các chỉ tiêu KLN gồm
As, Cd, Pb được phân tích theo tiêu chuẩn phân tích nước thải
SMEWW 3125 (2012) bằng Phương pháp AAS được viết tắt
từ phương pháp phổ hấp thu nguyên tử.
Phương pháp phân tích các chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa học (COD),
Tổng phốt pho (TP), Tổng ni tơ (TN), Amoni trong nước (NH4-N):
Các chỉ tiêu này được phân tích theo các tiêu chuẩn hiện hành của
Việt Nam và quốc tế tương đương, bao gồm SMEWW 5220C: (2012),
TCVN 6179–1 (1996), TCVN 6638 (2000), TCVN 6202 (2008). Việc
lấy mẫu nước để phân tích các chỉ tiêu này được thực hiện 1 lần/tuần,
được đo bởi máy đo so màu HACH DR/890.
Phương pháp đo các chỉ tiêu pH, DO: Theo tiêu chuẩn TCVN 6492
(2011), TCVN 7325 (2004), sử dụng máy đo cầm tay của hãng Horiba
PC110, Japan.
Tính tốn: Hiệu suất xử lý (E%), Dung lượng hấp phụ tại thời điểm t
(Qt, mg/g) và Dung lượng hấp phụ ở trạng thái cân bằng (Qe, mg/g),
𝐶 −𝐶
được tính từ các phương trình sau: 𝐸 = 𝑜𝐶 𝑒 × 100 (3.1); 𝑄𝑡 =
𝐶𝑜 −𝐶𝑡
𝑚𝑠

× 𝑉 (3.2); 𝑄𝑒 =

𝐶𝑜 −𝐶𝑒
𝑚𝑠


𝑜

(3.3). Với Co và Ce (mg/L) là nồng độ

ban đầu và nồng độ cuối cùng của các ion trong dung dịch, thì Ct
(mg/L) là nồng độ tại thời điểm t. V là thể tích dung dịch (L) và ms là


13

khối lượng bột hấp phụ được sử dụng (g). Qt (mg/g) là dung lượng hấp
phụ tại thời điểm t (phút). Qe (mg/g) là dung lượng hấp phụ ở trạng
thái cân bằng ứng với nồng độ Ce (mg/L).
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Đặc tính hóa lý của vật liệu hấp phụ
4.1.1. Thành phần hóa học của vật liệu
AAC có hàm lượng SiO2: 55,18%, CaO: 28,89% Al2O3: 2,76%,
Fe2O3: 1,72%, K2O: 0,87%, MgO: 0,63% thể hiện là vật liệu có tính
kiềm, AAC có thể trung hịa nước thải có tính axit trong quá trình hấp
phụ. Hàm lượng cao các kim loại trong AAC cho thấy khả năng phản
ứng trao đổi ion với KLN, hấp phụ bề mặt với các chất ô nhiễm.
4.1.2. Điểm tích điện khơng (pHpzc) của vật liệu
Điểm điện tích khơng của vật liệu AAC ở khoảng pH 5. Khi pH của
dung dịch < pHpzc (pH<5) thì AAC mang điện tích dương (+) và sẽ
hấp phụ anion (-) tốt hơn. Nếu pH dung dịch > pHpzc (pH>5), bề mặt
vật liệu mang điện tích âm (-) và sẽ hấp phụ cation (+) tốt hơn.
4.1.3. Các thông số kỹ thuật khác của vật liệu
AAC có khối lượng thể tích từ 550-750 kg/m3, cường độ nén trung
bình 2,5-5 Mpa, độ rỗng tổng số từ 77-80%, độ rỗng xốp vĩ mô lên tới

37-46%, diện tích bề mặt BET của AAC là 21 -24 (m2/g).
4.2. Đánh giá hiệu quả hấp phụ KLN và các yếu tố ảnh hưởng
4.2.1. Dung lượng hấp phụ một số kim loại của AAC
a. Dung lượng hấp phụ theo thời gian (Qt)
Dung lượng hấp phụ của AAC tỉ lệ thuận với thời gian tiếp xúc hấp
phụ. Trong cùng điều kiện thí nghiệm, thời gian cân bằng hấp phụ với
Cd(II) và As(V) là 16-24 giờ, Pb(II) là sau 0,5 giờ. Hiệu suất loại bỏ
Pb sau 30 phút đạt > 90%. Hiệu suất xử lý Cd đạt từ 21-99%, hiệu
suất xử lý As tăng từ 6-17% khi tăng thời gian phản ứng từ 0,5-24 giờ.
b. Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả xử lý theo thời gian
pH của dung dịch tăng lên theo thời gian phản ứng, pH của các dung
dịch sau hấp phụ đều >7, căn cứ trên điểm pHpzc của AAC là khoảng
pH 5, AAC có điện thế ζ mang giá trị âm (-) còn các cation kim loại
nặng Pb2+, Cd2+… mang diện tích (+) nên nó có thể bị hấp phụ bởi bề
mặt mang điện tích (-) là các hạt AAC. Chính vì vậy, hiệu quả hấp
phụ Pb và Cd được nâng lên khi pH tăng lên. Asen tồn tại chủ yếu
dưới dạng anion (AsO43-) nên khó cố định trên AAC, vì thế hiệu quả


14

hấp phụ thấp hơn so với hấp phụ Pb, Cd.
c. Dung lượng hấp phụ cực đại của AAC theo nồng độ thí nghiệm
Ở cùng điều kiện thí nghiệm với dải nồng độ từ 0-5000 mg/L, dung
lượng hấp phụ Cd cực đại là khoảng 9,0-9,2 mg/g và đạt điểm cân
bằng ở khoảng Ci là 2000 mg/L, dung lượng hấp phụ cực đại As đạt
2,0-2,2 mg/g, đạt điểm cân bằng ở khoảng Ci là 2000 mg/L. Dung
lượng hấp phụ Pb của AAC đạt khoảng 50 mg/g và chưa đạt tới giá trị
cân bằng khi khảo sát tới nồng độ Ci là 5000 mg/l. Khi thay đổi tỷ lệ
khảo sát chất hấp phụ (gam)/dung dịch (ml) là 1/100, kết quả thu được

cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại Pb(II) lên đến 250 mg/g.
Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả thí nghiệm hấp phụ theo mẻ của AAC
Kim
Tỷ lệ chất hấp phụ/
Thời gian hấp
Dung lượng
loại
Dung dịch (g/mL)
phụ cân bằng hấp phụ cực đại
As
1/10
16-24 giờ
2,0-2,2 mg/g
Cd
1/10
16-24 giờ
9-9,2 mg/g
Pb
1/100
0,5 giờ
230 -250 mg/g
4.2.2. Đánh giá quá trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Các kết quả cho thấy cả mơ hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich
đều phù hợp để mơ tả q trình hấp phụ Cd và Pb, As (R2> 0,89).
Bảng 4.2. Thông số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ KLN của AAC
Langmuir
Fruendlich
Vật
Kim
liệu Tỷ lệ

b
Qm
R²
Kf
1/n
R²
loại
AAC
L/mg mg/g
mg/g
3-5
0,2700 9,26 0,999 1,507 0,282 0,887
1:10 Cd
5-10
0,0641 8,96 0,999 1,222 0,296 0,892
3-5
0,0018 2,35 0,972 0,022 0,591 0,964
1:10 As
5-10
0,0016 2,13 0,963 0,013 0,653 0,945
3-5
0,0034 256,41 0,998 16,99 0,305 0,951
1:100 Pb
5-10
0,0022 232,56 0,997 11,96 0,327 0,941
Ảnh hưởng của kích thước hạt
Kết quả tính tốn cho thấy vật liệu AAC có kích cỡ nhỏ hơn sẽ có
dung lượng hấp phụ lớn hơn do có diện tích bề mặt lớn hơn.
4.2.3. Kết quả nghiên cứu động học hấp phụ ion kim loại của AAC
Kết quả nghiên cứu động học hấp phụ bậc nhất và bậc hai của quá

trình hấp phụ KLN trên vật liệu AAC thể hiện ở Bảng 4.3.


15

Bảng 4.3. Động học quá trình hấp phụ KLN trên AAC
qe thực
Động học bậc 1
Động học bậc 2
Vật
Kim
nghiệm
qe
qe
liệu
K1
R²
K2
R²
loại
-1
AAC
mg/g mg/g (g/mg.ph)
mg/g
ph
4,20
4,90
5,18
3-5
0,956

0,998
0,0076
0,0028
Cd
5-10
0,0035 0,953 3,39 4,52 0,0016 0,997 4,99
3-5
0,00253 0,833 0,38 0,93 0,0254 0,998 0,95
As
5-10
0,00207 0,832 0,13 0,75 0,0922 0,997 0,76
3-5
0,991 0,999 4,68
0,1716 0,902 2,21 4,69
Pb
5-10
0,802 0,999 4,68
0,1769 0,901 1,94 4,69
2
Với hệ số tương quan R cao (>0,99) và giá trị qe (mg/g) gần với giá
trị qe thực nghiệm nên có thể kết luận rằng mơ hình biểu kiến bậc hai
mơ tả tốt nhất cho quá trình hấp phụ các ion KLN lên vật liệu AAC.
4.2.4. Sự loại bỏ đồng thời kim loại nặng
Khi xử lý đồng thời Pb và Cd thì dung lượng hấp phụ và hiệu suất loại
bỏ Pb(II) cao hơn so với Cd(II), bán kính ngậm nước của Pb(II) là
4,01 Å nhỏ hơn so với Cd(II) là 4,26 Å, vì thế Pb(II) tạo ra ái lực lớn
hơn đối với các chất hấp phụ. Bên cạnh đó, Pb có thể tạo kết tủa ở
điều kiện pH thấp hơn (pH > 7) so với Cd (pH > 9).
Bảng 4.4. Kết quả hấp phụ đồng thời Pb và Cd của AAC.
m

V
Ci
Ce
Qe
E
AAC KLN
(g)
(ml)
(mg/l) (mg/l) (mg/g) (%)
Cd 10,06 100,00 508,14 108,00 3,98 78,75
3-5
Pb 10,06 100,00 504,08 5,03
4,96 99,00
Cd 10,01 100,00 508,14 171,00 3,37 66,35
5-10
Pb 10,01 100,00 504,08 5,93
4,98 98,82
4.2.5. Cơ chế hấp phụ và loại bỏ kim loại nặng của AAC
a. Cơ chế của quá trình hấp phụ và loại bỏ Pb và Cd
AAC mang đặc trưng của vật liệu silicat canxi, vì thế việc loại bỏ
KLN chủ yếu được điều chỉnh bởi cơ chế năm bước là thủy phân,
hydrat hóa, trao đổi ion, tạo phức trên bề mặt, và kết tủa bề mặt. Trao
đổi ion Ca2+, sự tạo phức bề mặt và kết tủa là cơ chế hấp phụ KLN
chính đối với AAC; có nghĩa là phản ứng của vật liệu canxi silicat với
nước tạo ra hyđrat canxi silicat (C-S-H) và canxi hiđroxit (CH) do quá


16

trình hydrat hóa, và những chất đó hoạt động như các vị trí hấp phụ

của KLN. Các phản ứng hydrat hóa [phương trình (4.1)] có thể đã
hình thành các nhóm chức Ca-OH trên các cạnh của tobermorite. Sau
đó, các ion KLN bị thủy phân [phương trình (4.2)] phản ứng với các
nhóm chức đó có thể góp phần vào q trình hấp phụ KLN. Điều này
được hỗ trợ bởi AAC mang điện thế âm, pHpzc của AAC ở khoảng pH
5, nên có khả năng thu hút các cation trong nước.
[1] Hydrat hóa trên bề mặt chất hấp phụ:
(X, Si – O)2−Ca2+ + 2H2O → 2(X, Si − O) −H+ + Ca2+ + 2OH(4.1)
[2] Sự tạo kết tủa trên bề mặt của ion kim loại:
M2+ + 2(OH)− → M(OH)2
(4.2)
2+
Phân tích hàm lượng Ca của dung dịch sau hấp phụ cho thấy sự tăng
lên và tỉ lệ với nồng độ dung dịch KLN sử dụng, theo đó lượng Ca2+
được giải phóng tuyến tính cùng với sự hấp phụ kim loại (R2> 0,97).
Điều này cho thấy rằng hấp phụ hóa học bằng trao đổi ion (giữa Ca2+
và Cd2+, Pb2+) trên bề mặt chất hấp phụ ngậm nước là cơ chế hấp phụ
chủ đạo của hấp phụ KLN đối với AAC (Phương trình (4.3) và (4.4)).
[3] Phản ứng trao đổi trên bề mặt chất hấp phụ:
(X, Si – O) 2− Ca2+ + M2+ → (X, Si – O) 2− M2+ + Ca2+
(4.3)
(X, Si – O) 2− Ca2+ + 2M(OH)+ → 2(X, Si – O)− M(OH)+ + Ca2+ (4.4)
Ngoài ra, sự kết tủa bề mặt của KLN có thể do pH dung dịch [phương
trình (4.5)]. Cd(II) và Pb(II) có khả năng kết tủa dưới dạng hydroxit
kim loại khi pH dung dịch đạt 9 đối với Cd(II) và 7 đối với Pb(II).
Dung dịch sau hấp phụ có pH > 8 đối với Cd(II) và pH > 7 đối với
Pb(II), ở Ci < 2000 mg/L. Điều này ngụ ý rằng sự kết tủa bề mặt của
KLN đã góp phần vào việc loại bỏ KLN trong nước cùng với sự trao
đổi ion.
[4] Sự tạo kết tủa trên bề mặt của ion kim loại:

M2+ + 2(OH)− → M(OH)2
(4.5)
Mặt khác, ở nồng độ KLN ban đầu rất cao (Ci ≥ 2.000 mg/L), phản
ứng trước đó sẽ khơng thể thực hiện được do pH trong dung dịch thấp.
Sự hấp phụ chuyển sang dạng hấp phụ đa lớp ở Ci> 2.000 mg/L. Với
sự gia tăng nồng độ Ci và sự hấp phụ kim loại, pH sau khi hấp phụ
giảm liên tục và thấp hơn 5. Điều này có thể được gây ra bởi sự
deprotonation từ bề mặt silicat canxi, là kết quả của sự hình thành
phức chất trên bề mặt AAC (phương trình (4.6)), sự phân tán OH− do


17

kết tủa bề mặt có thể góp phần làm tăng độ hấp phụ và giảm pH sau
khi hấp phụ.
[5] Sự hình thành phức chất trên bề mặt AAC:
2(X, Si – O) − H+ + M2+ → (X, Si – O) 2−M2+ + 2H+
(4.6)
(Trong các phương trình M = Cd, Pb)
b. Cơ chế hấp phụ, loại bỏ Asen
Trong nước thải tổng hợp (H3AsO4), As tồn tại chủ yếu dưới dạng
anion AsO43-. Trong mơi trường kiềm, AAC cũng mang điện tích (-),
vì vậy AsO43- khó cố định trên AAC. Cơ chế hấp phụ As diễn ra chủ
yếu trong giai đoạn đầu, khi q trình thủy phân bê tơng chưa kịp diễn
ra, lúc này dung dịch H3AsO4 có pH< 3, tức là pH dung dịch < pHpzc
(<5) của AAC. Khi đó, AAC mang điện tích dương (+) và thu hút các
anion AsO43-, các vị trí cation của Fe và Al là vị trí phù hợp để hấp
phụ asen trên bề mặt AAC. Khi thời gian tiếp xúc gia tăng, pH của
dung dịch tăng, tạo mơi trường kiềm do q trình thủy phân của bê
tơng, AAC chuyển sang mang điện tích âm (-), khơng cịn thu hút

anion AsO43-, bên cạnh đó, các nhân hấp phụ Fe, Al cũng có giới hạn
do thành phần oxit sắt (Fe2O3: 1,72%) và oxit nhôm(Al2O3: 2,76%)
trong AAC thấp nên hiệu quả hấp phụ As của AAC không cao.
c. Kết quả phân tích SEM and EDX
Các kết quả phân tích cho thấy sự xuất hiện các KLN trong thành
phần của AAC, tỷ lệ % của Pb lớn hơn tỷ lệ % của Cd và lớn hơn tỷ lệ
% của As. Điều này chứng minh đã có q trình hấp phụ các KLN này
lên vật liệu AAC.
d. Đánh giá khả năng rửa trôi và xử lý vật liệu sau hấp phụ KLN
Các KLN bị loại bỏ hầu hết ở dạng kết tủa hydroxit trên bề mặt vật
liệu, chính vì thế trong môi trường kiềm do AAC tạo ra, các kết tủa
bền vững, và rất khó hịa tan vào nước. Cần thiết phải có thêm các
nghiên cứu đánh giá về tái sử dụng và các điều kiện có thể xảy ra rị rỉ
KLN để khuyến cáo cho các hoạt động tái sử dụng.
4.3. Đánh giá khả năng hấp phụ phốt phát bằng AAC
4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Dung lượng hấp phụ P của AAC tăng nhanh trong khoảng thời gian từ
0 tới 480 phút, và tăng chậm đạt tới bão hòa từ sau 480 phút tới 1440
phút. Hiệu quả loại bỏ TP lần lượt đạt tới 91%-100% sau 1440 phút.
4.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ photpho trong dung dịch


18

Hiệu quả loại bỏ P tốt nhất khi dung dịch thí nghiệm trong khoảng từ
3-30 mg/L với hiệu quả xử lý đạt 96-100%. Tại nồng độ cân bằng 70
mg/L, dung lượng hấp phụ đạt được ở mức 1,0-1,1 mg P/g, và tại
điểm nồng độ thí nghiệm này, hiệu quả xử lý P chỉ đạt 60-62%.
4.3.3. Đánh giá quá trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir và Fruendlich và cơ chế hấp phụ.

a. Đánh giá quá trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Mơ hình Langmuir phù hợp hơn mơ hình Freundlich với hệ số tương
quan R2 = 0,9996 và 0,9991 so với 0,6166 và 0,6096 tương ứng, nghĩa
là hấp phụ đơn lớp chiếm ưu thế. Dung lượng hấp phụ tối đa (Qm,
mg/g): 1,06- 1,1 mg P/g, hằng số hấp phụ Langmuir (b, L/mg): 2,814,88 L/mg. Hằng số hấp phụ Freundlich (Kf, L/mg): 0,612- 0,702
L/mg; 1/n nằm trong khoảng 0,220 đến 0,225 (0,1 <1/n <0,5) thuận lợi
cho sự hấp phụ, xác nhận sự phù hợp của AAC để loại bỏ P.
b. Kết quả phân tích SEM và EDX. Kết quả phân tích cho thấy đã có
P trong thành phần hóa học của vật liệu AAC sau hấp phụ, điều này
chứng minh cho khả năng hấp phụ phốt phát của AAC.
c. Động học hấp phụ phốt phát của vật liệu AAC. Mơ hình hấp phụ
biểu kiến bậc hai mơ tả tốt nhất cho q trình hấp phụ phốt phát lên
vật liệu AAC do có hệ số tương quan R2 cao hơn và giá trị qe gần với
giá trị qe thực nghiệm.
Bảng 4.5. Các tham số động học quá trình hấp phụ phốt phát
Động học bậc 1
qe thực
Động học bậc 2
nghiệm
AAC
K1
R²
qe
K2
R²
qe
ph-1
mg/g mg/g (g/mg.ph)
mg/g
3-5 0,0051 0,954 0,22

0,45
0,0863
0,999 0,457
5-10 0,0042 0,965 0,26
0,44
0,0548
0,999 0,453
d. Cơ chế hấp phụ, loại bỏ Phốt phát của vật liệu AAC
Các cơ chế loại bỏ P bằng AAC là một quá trình đồng thời của quá
trình hòa tan Ca/kiềm, hấp phụ bề mặt và kết tủa hóa học, Phốt pho
hấp phụ yếu và kết tủa Ca-P là các sản phẩm chính. Q trình hấp phụ
được mơ tả bởi các phương trình sau:
Ca2+ + PO43- → Ca3(PO4)2 
(4.7)
Ca2+ + 4OH- + 3HPO42- → Ca5(OH)(PO4)3  +3H2O
(4.8)
Al3+ + PO43- + 2H20 → AlPO4. 2H20 
(4.9)
Vật liệu AAC duy trì pH mơi trường từ 8-10 giúp giải phóng nhiều


19

Ca2+ và OH-, các ion này phản ứng với PO43- trong nước tạo ra sản
phẩm cuối cùng là Ca5(OH)(PO4)3 và điều này duy trì hiệu quả loại bỏ
P ln ở mức cao.
4.4. Kết quả thí nghiệm xử lý nước thải bằng hệ lọc sinh học cải
tiến sử dụng vật liệu AAC
4.4.1. Đánh giá hiệu quả loại bỏ COD
Hiệu quả loại bỏ COD đạt từ 60-95%. Khi hệ thống ổn định, COD đầu

ra < 30 mg/L. Hiệu quả loại bỏ tăng khi tăng thời gian lưu nước và tỷ
lệ tuần hoàn (Hình 4.1)

a)

b)
Hình 4.1. Chỉ số COD trước, sau xử lý (a) và hiệu quả xử lý (b)
4.4.2. Đánh giá hiệu quả loại bỏ Nitơ Ammonium (N-NH4) Hiệu quả
xử lý N-NH4 là từ khoảng 50%-90%. Hiệu quả xử lý tăng khi tăng
thời gian lưu (20h→40h) và tỷ lệ tuần hoàn (0%→130%). AAC đã cải
thiện điều kiện pH của hệ thống xử lý luôn ổn định trong khoảng 8-8,5
giúp tăng hiệu quả q trình nitơrat hóa.

a)
b)
Hình 4.2. Nồng độ N-NH4 trước, sau xử lý (a) và hiệu quả xử lý (b)
4.4.3. Đánh giá hiệu quả loại bỏ tổng Nitơ (TN) Hiệu quả loại bỏ TN
khoảng 30-80%. Hiệu quả xử lý tăng khi tăng HRT (20h→40h) và tỷ
lệ tuần hoàn (0%→130%). AAC đã cải thiện điều kiện pH và bổ sung
nguồn kiềm cho quá trình xử lý, pH của hệ thống (ổn định trong
khoảng 8-8,5), giúp tăng hiệu quả quá trình loại bỏ nitơ.


20

a)

b)
Hình 4.3. Nồng độ TN trước, sau xử lý (a) và hiệu quả xử lý (b)
4.4.4. Đánh giá hiệu quả loại bỏ tổng phốt pho Hiệu quả loại bỏ TP

ổn định từ 73-100%. Nồng độ TP trong nước thải đầu ra dưới 2 mg/L.

a)

b)
Hình 4.4. Nồng độ TP trước, sau xử lý (a) và hiệu quả xử lý (b)
Cơ chế loại bỏ P khỏi nước thải có thể được giải thích là do sự hấp
phụ của P trên các hạt AAC và sự hình thành màng sinh học chứa các
chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (N và P) trên bề mặt vật liệu AAC.
Sau 195 ngày hoạt động, hệ thống hoạt động ổn định, khơng có tắc
nghẽn và hàm lượng P được giữ lại trong hệ thống là 0,7 g/kg AAC.
4.4.5. Đánh giá các thông số khác
a. Thông số pH Nước thải đầu vào có pH trong khoảng 6,5-7,9, nước
thải sau các cơng đoạn xử lý có pH đều cao hơn 8, pH của nước thải
đầu ra trong khoảng 8-8,5. AAC có tính kiềm, có khả năng ứng dụng
vật liệu này để trung hịa, xử lý nước thải có pH thấp, đồng thời tạo
điều kiện pH ổn định hỗ trợ q trình nitơrat hóa và khử nitơrat hóa.
b. Thơng số hàm lượng cặn, độ đục Nước thải sau xử lý không màu,
không mùi, độ đục rất thấp. Hàm lượng cặn đầu ra trung bình 5-10
mg/L, độ đục < 5NTU, điều này cho thấy nước sau xử lý có tiềm năng
tái sử dụng cho các mục đích khác nhau.
4.4.6. Vật liệu AAC thích hợp làm vật liệu mang vi sinh.
AAC tạo điều kiện cho lớp màng sinh học hình thành, phát triển bền


21

vững trên bề mặt, khơng có dấu hiệu tắc nghẽn hoặc tan rã. AAC tạo
ra môi trường kiềm với pH ổn định (8-8,5) giúp q trình xử lý
(nitơrat hóa và khử nitơrat) diễn ra thuận lợi, giảm thiểu việc sử dụng

các hóa chất để nâng pH, từ đó tiết kiệm chi phí.
4.5. Tiềm năng thu hồi P cho mục đích cải tạo đất nông nghiệp
Phốt pho rất cần thiết cho cây trồng, trữ lượng P khống là hạn chế và
khơng có chất thay thế. Ứng dụng AAC có thể giúp cải thiện độ pH và
cung cấp các chất dinh dưỡng như các hợp chất Ca, Mg, Si và P hấp
phụ trong đất, dẫn đến tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố này, thuận
lợi cho sự sinh trưởng và năng suất của cây trồng. AAC có thể làm
tăng độ xốp và cải thiện pH đất. Tính tốn với quy mơ TXL 1000
m3/ngđ, lượng P giữ lại trong vật liệu có thể lên tới 2,2 tấn/năm, đây là
nguồn lưu trữ P quan trọng để có thể tái sử dụng P cho nông nghiệp.
4.6. Đề xuất các hướng ứng dụng trong xử lý nước thải
4.6.1. Đề xuất mơ hình dây chuyền xử lý nước thải ô nhiễm KLN
Sơ đồ xử lý nước thải sản xuất chứa KLN được đề xuất như sau:

Hình 4.5. Dây chuyền XLNT nhiễm KLN bằng bể lọc sử dụng AAC
Nước thải sản xuất ngồi chứa KLN, cịn chứa các cặn bẩn dễ lắng, vì
thế cần lắng sơ bộ để loại bỏ chúng, sau đó sẽ được lọc qua bể lọc hấp
phụ dạng bể lọc chậm để tiếp tục xử lý, loại bỏ KLN.
Bảng 4.6. Tính tốn bể hấp phụ Pb(II) sử dụng vật liệu AAC
QTXL
Ci (Pb2+)
Qe
mAAC
HRT
Vbể
3
(m /ngđ)
(g/m3)
(g/kg)
(kg/năm)

(giờ)
(m3)
10
365
2
20
50
1825
2
100
1
10
100
3650
2
200
Bảng 4.7. Tính tốn bể hấp phụ Cd(II) sử dụng vật liệu AAC
QTXL
Ci (Cd2+)
Qe
mAAC
HRT
Vbể
3
(m /ngđ)
(g/m3)
(g/kg)
(kg/năm)
(giờ)
(m3)

10
1825
2
20
1
2
50
9125
2
100
100
18250
2
200


22

4.6.2. Đề xuất mơ hình dây chuyền xử lý nước thải sinh hoạt
Sơ đồ dây chuyền đề xuất như sau:

Hình 4. 6. Dây chuyền xử lýNTSH sử dụng bê tông thải AAC
Bảng 4.8. Tính tốn các cơng trình trong dây chuyền
QTXL
Bể lọc tưới Bể lọc/ hào lọc dòng
Bể lọc/ hào lọc hấp
(m3/ngđ)
nhỏ giọt
chảy ngầm
phụ phốt phát

HRT: 24 h; Độ rỗng
HRT: 10 h; Độ rỗng
Diện tích:
lớp VLL: 50% → Vbể ≥ lớp VLL: 50% → Vbể
10
20 m2
20 m3; HVLL: 1,0 m
≥ 8,2 m3; HVLL: 1,0m
HVLL: 0,5 m
B×L×H=2×10×1 m
B×L×H=2×4,1×1 m
Diện tích: HRT: 24 h; Vbể ≥ 100 HRT: 10 h; Vbể ≥ 41
50
100 m2
m3; HVLL: 1,0 m
m3; HVLL: 1,0 m
HVLL: 0,5 m B×L×H=4×25×1 m B×L×H=4×10,5×1 m
Diện tích: HRT: 24h; Vbể ≥ 200 HRT: 10h; Vbể ≥ 82
100
200 m2
m3; HVLL: 1,0 m; 2 bể: m3; HVLL: 1,0 m; 2 bể:
HVLL: 0,5 m B×L×H=4×25×1 m B×L×H=4×10,5×1 m
4.6.3. Các lưu ý khi sử dụng bê tông AAC trong xử lý nước thải
- Bê tông AAC có độ rỗng xốp cao (>70%), ở các kích thước nhỏ
tương đối giịn, dễ vỡ, vì thế, khi làm giá thể vi sinh, khơng nên sử
dụng các kích thước q nhỏ (<10mm).
- Để có thể tái sử dụng AAC, khâu phân loại CTRXD cũng rất quan
trọng và cần được thực hiện để có nguồn vật liệu sạch.
- Sau q trình hấp phụ KLN, hàm lượng Ca2+ trong nước sau xử lý
tăng lên, điều này làm tăng độ cứng của nước sau xử lý.

KẾT LUẬN
Kết luận
1. Bê tơng khí chưng áp AAC thải có khả năng hấp phụ các KLN
(Pb, Cd, As) và phốt phát với dung lượng hấp phụ lớn, q trình
hấp phụ tn theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và
Fruendlich, động học quá trình hấp phụ phù hợp với mơ hình động
học hấp phụ biểu kiến bậc 2.
- Bê tơng AAC mang đặc tính của vật liệu silicat canxi, AAC có thành
phần giàu kim loại (Ca, Fe, Al, Mg, K; hàm lượng CaO > 28%), độ


23

rỗng xốp cao (77-80%), diện tích bề mặt lớn (>20 m2/g). Bê tơng
AAC có điểm trung hịa điện tích pHpzc ở khoảng pH 5, vì thế trong
mơi trường kiềm, AAC mang điện tích âm nên có khả năng thu hút
các ion dương trong nước.
- Quá trình hấp phụ Pb, Cd, As, phốt phát của vật liệu AAC tn theo
mơ hình đẳng nhiệt Langmuir và Fruendlich với hệ số R2 >0,9. Hằng
số hấp phụ theo mơ hình Langmuir b (L/mg) khi hấp phụ Cd(II) là:
0,0641-0,270; As(V): 0,0016-0,0018; Pb(II): 0,0022-0,0034; phốt
phát: 2,8092-4,8836. Hằng số hấp phụ theo mơ hình Fruendlich Kf
(mg/g) khi hấp phụ Cd(II) là: 1,222-1,507; As(V): 0,0130-0,0215;
Pb(II): 11,965-16,990; phốt phát: 0,612-0,702.
- Mơ hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai mơ tả tốt nhất cho q
trình hấp phụ Pb(II), Cd(II), As(V), phốt phát của vật liệu AAC, cho
mối quan hệ tuyến tính với hệ số tương quan cao (R2 > 0,99), giá trị qe
gần với giá trị qe thực nghiệm hơn so với giá trị qe tính theo mơ hình
hấp phụ biểu kiến bậc 1. Hệ số động học hấp phụ bậc 1 K1 (phút-1) khi
hấp phụ Cd(II) là: 0,0035-0,0076; As(V): 0,00207-0,00253; Pb(II):

0,1716-0,1769; phốt phát: 0,0042-0,0051. Hệ số động học hấp phụ bậc
2 K2 (g/mg.phút) khi hấp phụ Cd(II) là: 0,0016-0,0028; As(V):
0,02543-0,0922; Pb(II): 0,802-0,991; phốt phát: 0,0548-0,0863.
- Thời gian hấp phụ cân bằng của Pb chỉ khoảng 0,5 giờ, Cd và As là
16-24 giờ, phốt phát là khoảng 6 giờ. Ở điều kiện thí nghiệm R:L =
1:100, dung lượng hấp phụ cực đại của AAC với Pb(II) cao nhất đến
250 mg/g, còn ở tỷ lệ R:L = 1:10, dung lượng hấp phụ cực đại Cd(II)
là 9,2 mg/g và As(V) là 2,2 mg/g, của phốt phát là 1,1 mg P/g (tại điều
kiện thí nghiệm R:L = 1:25). Khi xử lý đồng thời các Pb và Cd thứ tự
ưu tiên, hiệu quả xử lý Pb(II) > Cd(II).
2. Hệ lọc cải tiến sử dụng vật liệu AAC có hiệu quả cao trong việc
xử lý nước thải sinh hoạt, thời gian lưu nước tối ưu của hệ lọc là ≥
26 giờ, tỷ lệ dịng tuần hồn tối ưu 80-130%, khi đó hiệu quả loại bỏ
COD, tổng phốt pho đạt, nitơ amoni > 90% và hiệu quả loại bỏ tổng
nitơ đạt > 60%.
- Hệ thống lọc sinh học tiếp xúc sử dụng vật liệu AAC (gồm bể lọc
dòng chảy thẳng đứng nhỏ giọt → bể lọc dòng chảy ngầm → bể lọc
tiếp xúc dòng chảy ngầm) khi xử lýNTSH có phạm vi hiệu quả loại bỏ
COD là 60-94%, TN = 22-71%, NH4-N = 31-99%, và TP = 73-100%.