Nước thải của các ngành công nghiệp đặc thù thường chứa hàm lượng lớn ion NH4+ và PO43- gây tác động đáng kể đến hệ sinh thái, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Để đảm bảo chỉ tiêu xả thải đối với N, phương pháp tripping thường được sử dụng để làm giảm nồng độ (hoặc amoni) trong nước thải. Theo đó, dòng nước thải phân tán thành các hạt chất lỏng rất nhỏ để thuận tiện cho quá trình truyền vận, amoni thoát ra từ các hạt chất lỏng nhỏ và giải phóng vào không khí. Tuy nhiên, phương pháp này còn nhiều hạn chế bởi amoniac không được xử lý triệt để. Bên cạnh đó, phương pháp này chỉ hiệu quả khi nước thải có hàm lượng NH3 từ 10 đến 100 mg/L. Đối với hàm lượng amoniac cao hơn (cao hơn 100 mg/L), việc áp dụng các kỹ thuật thay thế khác có hiệu quả kinh tế hơn là cần thiết. Một số phương pháp đã được áp dụng để loại bỏ nitơ (ở dạng amoni) khỏi nước thải công nghiệp bao gồm zeolit tự nhiên, kỹ thuật màng và kỹ thuật điện cực hóa. Trong đó, công nghệ thu hồi các dinh dưỡng có giá trị trong nước thải luôn được nghiên cứu và phát triển. Hơn nữa, amoni là hợp chất chứa N, là nguồn nguyên liệu rất quan trọng để sản xuất phân bón, là một trong 3 nguồn dinh dưỡng chính cần thiết cho cây trồng cùng với photpho và kali. Trong khi đó, NH3 được sản xuất từ công nghệ Haber-Bosch có chi phí cao, nên việc thu hồi amoni từ nguồn nước thải thành sản phẩm có giá trị thay vì loại bỏ luôn là ý tưởng đột phá trong nền kinh tế tuần hoàn. Về xử lý phốt pho trong nước, phương pháp sinh học là phương pháp phổ biến. Phương pháp sinh học có ưu điểm là ít sử dụng hóa chất bổ sung nhưng yêu cầu cao về các thông số DO, pH và thể tích bể xử lý vì thời gian phản ứng kéo dài. Các nghiên cứu gần đây cho thấy công nghệ kết tủa magie-amonia-photphat từ nước thải nhằm thu hồi amoni không những hiệu quả về chi phí mà còn có ý nghĩa lớn về môi trường.

Struvite (NH4MgPO4.6H2O) được biết đến là một dạng phân bón chậm tan cung cấp đồng thời nguyên tố đa lượng (N: 6% và P2O5: 28,9%) và nguyên tố trung lượng (Mg: 10%) phù hợp cho nhiều loại cây trồng nên struvite được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các loại phân bón hỗn hợp hoặc phức hợp khác. Các công trình nghiên cứu công bố cho thấy struvite có thể được thu hồi từ các nguồn nước thải công nghiệp như nước rỉ rác, nước thải phân gia cầm gia súc, hoặc nước tiểu, nước thải sinh hoạt, nước thải nhà máy sản xuất phân bón. Ở khía cạnh kỹ thuật, struvite có tích số tan nhỏ (2,5 x 10-13), dễ dàng kết tủa trong khoảng pH tương đối rộng từ 7,0 – 11,5. Bên cạnh pH, tỷ lệ mol Mg/P (khoảng 1:1 hoặc 1,2:1) cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất kết tinh struvite. Thành phần của kết tủa và hiệu suất thu hồi struvite phụ thuộc vào nhiều thông số công nghệ như pH dung dịch, tỷ lệ mol Mg/P, tỷ lệ mol N/P. Mặc dù tỷ lệ mol của NH4+: PO43-:Mg2+ của struvite là 1:1:1, nhưng một trong các tỷ lệ trên thay đổi, pH dung dịch thay đổi thì hiệu suất và thành phần của kết tủa cũng thay đổi theo, và tinh thể hydrat thu được cũng thay đổi theo công thức phân tử sau MgNH4PO4⋅nH2O (n = 1, 3, 6, 7). Từ các nghiên cứu đã công bố, hầu hết các nguồn nước thải chứa rất ít ion Mg2+, để thu được kết tủa struvite, cần bổ sung ion Mg2+ vào hệ phản ứng với tỷ lệ phù hợp, trong đó MgCl2.6H2O được xem là nguồn cung cấp Mg hiệu quả nhất bởi chi phí nguyên liệu của MgCl2.6H2O là tương đối thấp hơn so với các hợp chất chứa Mg khác. Ngoài ra, hiệu suất thu hồi đồng thời cả N và P thông qua kết tủa struvite phụ thuộc vào nồng độ của các chất dinh dưỡng chứa N, P trong dung dịch nước thải và pH của dung dịch.

Như vậy, việc kết tủa struvite và các dẫn xuất của nó từ nước thải có chứa nitơ, phốt pho được xem là phương pháp xử lý thân thiện với môi trường, loại bỏ đồng thời cả N và P từ nước thải và thu được sản phẩm có giá trị để phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Có rất nhiều nghiên cứu kết tủa struvite nhằm thu hồi các nguyên tố dinh dưỡng N, P từ các nước thải và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất, đến kích thước hạt của struvite cũng như nghiên cứu động học kết tinh… Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào hệ nước thải giả lập được pha chế từ hóa chất tinh khiết. Nhằm hướng tới ứng dụng công nghệ kết tủa để thu hồi N, P từ hệ thống nước thải nhà máy phân bón có nồng độ N và P cao, nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ (pH, Mg/P, thời gian kết tủa, nhiệt độ kết tủa) đến hiêu suất thu hồi struvite từ nguồn nước thải thực. Ngoài ra, thành phần pha của kết tủa struvite được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và khảo sát độ chậm tan của sản phẩm trong môi trường nước và môi trường acid.

Mô hình hệ thống kết tủa struvite

Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của pH, tỷ lệ mol Mg/P, nhiệt độ kết tủa và thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi struvite từ nguồn nước thải thực có chứa nồng độ N và P cao. Các thông số công nghệ như pH của dung dịch và tỷ lệ mol Mg/P ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thu hồi struvite. Ở điều kiện tỷ lệ mol Mg/P là 1:1, pH 8,3, nhiệt độ kết tủa là 30 C, thời gian phản ứng là 90 phút và thời gian làm già là 60 phút, hiệu suất thu hồi struvite đạt 95,2 3,1%. Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy kết tủa thu được là struvite có chứa lượng nhỏ tạp chất. Struvite có hàm lượng dinh dưỡng (Mg, N và P) cao cùng với tính chất tan chậm, struvite phù hợp để làm phân bón tan chậm phục vụ sản xuất nông nghiệp.