Xử lý nước thải, bùn thải và loại bỏ các chất có hại ra khỏi môi trường bằng công nghệ bức xạ đến nay vẫn chưa thực sự phổ biến và được quan tâm đúng mực. Trong những năm trở lại đây, ứng dụng công nghệ chùm tia điện tử (EB) đã thu hút được sự chú ý trong việc quản lý chất thải. Chiếu xạ EB có thể làm thay đổi các đặc tính hóa lý của vật liệu được chiếu xạ, làm biến đổi nhiều hóa chất có trong nước thải nhờ sự kích thích hoặc ion hóa của các phân tử. Các phản ứng hóa học đó có thể có khả năng tạo ra các hợp chất mới.
Xử lý nước thải đã trở thành một vấn đề nhức nhối hiện nay, đặc biệt là ở các khu vực có sự gia tăng nhanh chóng dân số và đô thị hóa. Mức độ phổ biến của các vấn đề liên quan đến nước thải ở khắp các khu vực ven biển trên thế giới rất đáng kể vì những khu vực này là nơi sinh sống của hơn 60% dân số hiện nay. Do đó, việc xả nước thải vào môi trường nước được coi là mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường ven biển trên toàn thế giới. Các tác động môi trường liên quan đến nước thải nói chung là các tác động xuyên biên giới, đã gây ra các tác hại xấu đến sức khỏe cộng đồng, môi trường, kinh tế xã hội, chất lượng và an ninh thực phẩm.
Các nguồn gây ô nhiễm nước và hậu quả
Các quá trình tự nhiên như phong hóa đá và thay đổi khí hậu có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước và là những nguồn chính gây ô nhiễm nước. Các nguồn gây ô nhiễm nước được phân thành hai loại: nguồn tại chỗ và nguồn phát tán. Các nguồn tại chỗ thường là nước thải từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị, cơ sở công nghiệp, nhà máy xử lý đóng gói, hệ thống nước mưa đô thị, khu công nghiệp lớn và đường ống dẫn từ các khu dân cư. Các nguồn phát tán bao gồm dòng chảy của nước mưa từ các điểm khai thác gỗ, đất nông nghiệp, khu phát triển dân cư nông thôn, hệ thống tự hoại và mỏ khai thác khoáng sản. Việc làm giàu chất dinh dưỡng của nước mặt, do kết quả của dòng chảy từ đất nông nghiệp nói riêng, là vấn đề thách thức nhất trong quản lý môi trường.
Phú dưỡng
Phú dưỡng hay phì dưỡng là một phản ứng của hệ sinh thái khi quá nhiều chất dinh dưỡng như nitrat và phosphat từ các loại phân bón hoặc nước cống rãnh bị thải vào môi trường nước. Thông thường, khi hàm lượng nitơ (N) lớn hơn 500 µg/l và phosphor (P) lớn hơn 20 µg/l trong nước thì được xem là phú dưỡng. Phú dưỡng làm gia tăng đột biến các thực vật phù du trong nước.
Mặc dù đó là một quá trình tự nhiên, nhưng sự phú dưỡng hoàn toàn có thể bị thúc đẩy bởi các hoạt động của con người và do đó, đôi khi được gọi là hiện tượng “phú dưỡng văn hóa”. Sự tăng tốc quá trình phú dưỡng do con người gây ra là từ việc xả trực tiếp chất thải hữu cơ hoặc nước thải giàu dinh dưỡng vào hệ sinh thái nước. Việc làm giàu chất dinh dưỡng của các con sông (đặc biệt là ở những con sông có dòng chảy chậm) mang đến một số tác động xấu. Quá trình này làm tảo nở hoa quá mức, dẫn tới sự ảnh hưởng lớn đến lượng oxy hòa tan trong nước. Trong một số trường hợp nghiêm trọng, nồng độ oxy giảm nhanh chóng có thể giết chết cá và các loại thủy sản trong khu vực.
Ô nhiễm bởi các chất xenobiotic
Ô nhiễm nước do các hợp chất xenobiotic là một vấn đề môi trường không thể tránh khỏi. Nồng độ của các hợp chất hữu cơ xenobiotic trong môi trường tương đối thấp so với nồng độ chất hữu cơ hoặc chất dinh dưỡng thông thường. Mặc dù ở nồng độ thấp này, nhưng xenobiotic có thể gây độc đến thủy sinh thông qua quá trình tích tụ/phóng đại sinh học trong chuỗi thức ăn khi nồng độ đạt đến mức độc hại. Các nhà nghiên cứu đã công bố tính chất phóng đại sinh học của các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt đối với các chất hữu cơ dạng halo khó phân hủy như metyl thủy ngân, DDT và PCB. Các chất này gây nguy hiểm và là tác nhân gây ung thư đối với con người.
Các bệnh truyền nhiễm qua nước
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng tình trạng mất nước sinh ra từ việc uống phải nước bị ô nhiễm hữu cơ hiện đã trở nên phổ biến. Các bệnh lây truyền qua đường nước như Dịch tả, Kiết lỵ, Thương hàn và Shigellosis là những căn bệnh giết chết hàng triệu người hàng năm trên toàn thế giới. Ở các nước đang phát triển, vấn đề này càng trở nên trầm trọng hơn do dân số tăng nhanh vượt quá khả năng đáp ứng của các cơ sở xử lý nước và chất thải có sẵn. Hơn nữa, ngân sách y tế công cộng của các nước đang phát triển bị hạn chế đến mức không phải lúc nào cũng có thể cải thiện khả năng xử lý nước thải với nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
Xử lý nước thải bằng công nghệ chiếu xạ EB
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng ứng dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ thân thiện với môi trường hơn so với các quy trình sử dụng hóa chất hiện nay. Một số lĩnh vực hiện đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển trong tương lai của các ứng dụng xử lý bức xạ như là loại bỏ chất ô nhiễm từ các chất thải khí và lỏng, các loại sản phẩm mới và quy trình mới. Công nghệ bức xạ đang dần được cái tiến và trở lên thân thiện hơn với môi trường, con người. Thiết kế và sản xuất máy gia tốc điện tử cũng từ đó mà phát triển tốt về độ tin cậy, công suất lớn hơn, phạm vi năng lượng rộng hơn và giảm chi phí, nâng cao tính ứng dụng.
Sơ đồ thiết kế nhà máy xử lý nước thải bằng EB
Trong vài thập kỷ qua, công nghệ EB trong việc giảm thiểu ô nhiễm đã có tầm quan trọng đáng kể trên toàn thế giới. Sự phát triển này là kết quả từ những nghiên cứu mới nhằm khắc phục hạn chế về môi trường và các quy trình tự động hóa năng suất cao. Công nghệ EB từ dạng phát công suất thấp, trung bình và cao đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như bay hơi, hàn, nung chảy và gia công. Chùm tia điện tử cũng đã được sử dụng trong các kỹ thuật bức xạ như tạo liên kết chéo của các polyme, lưu hóa và tổng hợp cao su tự nhiên; đóng rắn sơn; khử phân hủy; khử trùng thực phẩm, sản phẩm y tế và nước thải đô thị.
Bức xạ chùm tia điện tử thích hợp cho các công nghệ oxy hóa tiên tiến đối với cả khí lọc và khí thải trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các ứng dụng phổ biến của EB là tạo liên kết chéo, xử lý nhựa và khử trùng các sản phẩm y tế, thực phẩm. Việc xử lý bằng EB đối với bùn thải, nước và khí thải vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Trong tất cả các trường hợp nêu trên, xử lý ở tốc độ cao, nhiệt độ xử lý thấp và tiêu tốn năng lượng thấp có thể coi là lợi thế của công nghệ xử lý bằng bức xạ chùm điện tử. Vì quá trình phản ứng trong công nghệ bức xạ chùm tia điện tử không cần chất xúc tác nên có thể thu được chất hoạt hóa, các chất phụ gia khác và sản phẩm cuối cùng tương đối tinh khiết. Các ưu điểm của ứng dụng chùm tia điện tử trong xử lý bức xạ là khả năng hướng bức xạ đến điểm tác động, lựa chọn linh hoạt năng lượng điện tử phù hợp với yêu cầu xử lý, áp dụng tỷ lệ liều cao, kiểm soát và ngắt kết nối nguồn bức xạ tại mọi thời điểm và khả năng tăng công suất cao (1 kW công suất tương ứng với hoạt độ 70 kCi đối với nguồn bức xạ gamma Cobalt-60) so với các nguồn bức xạ thông thường.
Nhà máy xử lý nước thải tại Nhà máy Dệt kim Quan Thoại ở miền nam Trung Quốc sử dụng công nghệ EB
Các lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng chính đối với nước và nước thải sử dụng chiếu xạ EB cho đến nay là xử lý nước uống tự nhiên và nước ô nhiễm, lọc chất thải lỏng công nghiệp và xử lý bùn thải. Các sản phẩm phân hủy của hydrocacbon “thơm và béo” đã được sử dụng để xử lý chất thải công nghiệp bằng EB. Chiếu xạ EB có thể khử hoạt tính của các vi sinh vật và tăng tốc quá trình lắng và lọc, khử nước. EB cũng có thể được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật khác, chẳng hạn như ozon hóa và công nghệ sinh học.
Trong xử lý nước thải và nước uống, năng lượng của các điện tử được sử dụng để chiếu xạ nằm trong khoảng 1,0–10,0 MeV. Việc điều chỉnh phù hợp độ dày lớp nước và vận tốc dòng chảy nước cung cấp cơ sở xác định liều bức xạ theo thực nghiệm phù hợp phân hủy hóa chất. Độ sâu thâm nhập hoặc quãng chạy (Re) của các điện tử vào vật chất bị chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào động năng (điện áp gia tốc VA) của các điện tử và mật độ khối lượng của vật liệu bị chiếu xạ. Sự phụ thuộc của độ sâu thâm nhập vào điện áp gia tốc là không tuyến tính do quá trình thứ cấp, như tán xạ ngược và phát xạ của các điện tử thứ cấp. Đánh giá cho thấy rằng công nghệ chùm tia điện tử có hiệu suất cao trong việc phá hủy các hợp chất hữu cơ ngay cả trong điều kiện nước thải có độ mặn cao và nhiều tạp chất.
Chi phí đầu tư đối với từng lại Công nghệ trong việc xử lý nước thải (USD/m3)
Việc thiết kế nhà máy xử lý nước thải thường dựa trên yêu cầu giảm tải hữu cơ để hạn chế ô nhiễm môi trường. Việc loại bỏ mầm bệnh hiếm khi được xem xét và quan sát nhưng để tái sử dụng các chất thải, điều này phải được quan tâm hàng đầu. Tái sử dụng nước thải đã qua xử lý thông thường cho mục đích tưới tiêu là khả thi về mặt kinh tế nhưng về mặt y tế thì không an toàn. Mặc dù việc triển khai công nghệ EB để xử lý nước thải ban đầu cần nhiều vốn đầu tư hơn nhưng nước thải được xử lý bằng EB lại có thể được sử dụng hiệu quả cho tưới tiêu cũng như trong các ngành công nghiệp vì nước thải sau xử lý không mang mầm bệnh.
Từ khóa: Chùm tia điện tử; EB; nước thải; chiếu xạ xử lý;
– CMD&DND –
