Tài liệu Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LÊ CAO KHẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP LỌC SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9.52.03.20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên 2. TS. Lê Thanh Sơn Hà Nội, 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện phân kết hợp lọc sinh học” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên và TS. Lê Thanh Sơn. Luận án không trùng lặp và sao chép với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 NGHIÊN CỨU SINH Lê Cao Khải ii LỜI CẢM ƠN Bằng tấm lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên, TS. Lê Thanh Sơn (Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể: Học viện Khoa học và Công nghệ (GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); Khoa Công nghệ môi trường – GUST; Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST; Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm và Phòng Hóa lý môi trường - IET đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phan Đỗ Hùng đã hỗ trợ về mặt khoa học cho tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh tại Viện Công nghệ môi trường. NGHIÊN CỨU SINH Lê Cao Khải Lê Cao Khải iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác .................................................................................. 4 1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác ......................................................... 4 1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người ............................ 11 1.2. Tổng quan quá trình keo tụ điện hóa ............................................................... 12 1.2.1. Cơ chế của quá trình keo tụ điện hóa ........................................................ 12 1.2.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải ........................................................................................................................... 15 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa ................................. 17 1.2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường ........................................................................................................................... 24 1.3. Tổng quan về lọc sinh học ................................................................................. 29 1.3.1. Cơ chế của quá trình lọc sinh học ............................................................. 29 1.3.2. Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải ........ 32 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc sinh học ...................................... 35 1.3.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp lọc sinh học trong xử lý môi trường................................................................................................................. 38 1.3.5. Kết hợp keo tụ điện hóa với các quá trình lọc sinh học trong xử lý môi trường ................................................................................................................ 40 1.4. Tổng quan về phương pháp xử lý nước rỉ rác .................................................. 41 1.4.1. Phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước rỉ rác ......................................... 43 1.4.2. Phương pháp sinh học xử lý nước rỉ rác .................................................... 45 1.4.3. Phương pháp oxi hóa nâng cao xử lý nước rỉ rác ...................................... 46 1.4.4. Kết hợp các phương pháp trong xử lý nước rỉ rác ..................................... 48 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 50 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 50 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 50 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 50 2.2.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước thải ............................................ 51 iv 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 51 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa ............................................... 51 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học .................................................... 58 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 63 3.1. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa ......................................... 63 3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt .................................................... 63 3.1.2. Ảnh hưởng pH đầu vào của nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt ................................................................................... 76 3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu ................................................................................................... 83 3.1.4. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm ........................................................................................................ 89 3.2. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng quá trình lọc sinh học ............................. 108 3.2.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu bằng quá trình BF ..................................................................................... 109 3.2.2. Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu của quá trình lọc sinh học ........................................................ 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................................ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 130 PHỤ LỤC............................................................................................................ 148 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chôn lấp .................................... 5 Hình 1.2. Các phản ứng cơ bản trong hệ EC .......................................................... 13 Hình 1.3. Nồng độ của các sản phẩm thủy phân của Fe (II), Fe (III) và Al (III) .... 14 Hình 1.4. Sơ đồ E-pH của sắt và nhôm ở 25 ° C, 1 bar .......................................... 18 Hình 1.5. Đơn cực nối song song ........................................................................... 21 Hình 1.6. Đơn cực nối tiếp..................................................................................... 21 Hình 1.7. Lưỡng cực nối song song ....................................................................... 22 Hình 1.8. Giản đồ ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến cân bằng amoniac – amoni trong dung dịch ..................................................................................................... 43 Hình 2.1. Sơ đồ xử lý NRR bằng phương pháp EC kết hợp BF.............................. 51 Hình 2.2. Sơ đồ hệ EC trong phòng thí nghiệm...................................................... 52 Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ................ 55 Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR .......................................................... 56 Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ....................................... 58 Hình 2.6. Sơ đồ hệ BF trong phòng thí nghiệm ...................................................... 59 Hình 2.7. Sơ đồ vận hành một chu kỳ trong hệ BF ................................................. 59 Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian sục khí và tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR ......... 61 Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD ...................................................................................................................... 66 Hình 3.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý amoni .................................................................................................................... 67 Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý TSS ....................................................................................................................... 69 Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu ....................................................................................................................... 71 Hình 3.5. Biểu đồ biến đổi pH của NRR trong quá trình EC theo thời gian ............ 72 vi Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ......................................... 76 Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni ........................................ 79 Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS ........................................... 80 Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu ...................................... 81 Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD ........... 84 Hình 3.11. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni ......... 86 Hình 3.12. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS ............ 87 Hình 3.13. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu ....... 88 Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý COD...................................................................................................... 91 Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý amoni .................................................................................................... 92 Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý TSS ....................................................................................................... 93 Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý độ màu .................................................................................................. 94 Hình 3.18. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD với điện cực nhôm và sắt 97 Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhôm và sắt .............................................................................................................................. 98 Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhôm và sắt . 99 Hình 3.21. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu với điện cực nhôm và sắt ............................................................................................................................ 100 Hình 3.22. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD giữa điện cực nhôm và sắt ................................................................................................... 102 Hình 3.23. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhôm và sắt ................................................................................................... 103 Hình 3.24. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhôm và sắt ................................................................................................... 104 Hình 3.25. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu với điện cực nhôm và sắt ........................................................................................... 105 Hình 3.26. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD .................... 111 vii Hình 3.27. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý amoni .................. 112 Hình 3.28. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến nồng độ nitrat đầu ra .................... 115 Hình 3.29. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS ............................ 116 Hình 3.30. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu ....................... 117 Hình 3.31. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý COD ............................ 119 Hình 3.32. Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý amoni .............. 120 Hình 3.33. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý nitrat ............................ 121 Hình 3.34. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý TSS .............................. 122 Hình 3.35. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý độ màu ......................... 123 Hình 3.36. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng phương pháp EC kết hợp với BF ...................................................................................... 125 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp .......................................... 7 Bảng 1.2. Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ ................................ 8 Bảng 1.3. Thành phần NRR ở các nước Châu Á ...................................................... 9 Bảng 1.4. Thành phần NRR Việt Nam................................................................... 10 Bảng 1.5. Nghiên cứu xử lý NRR bằng phương pháp EC với các điện cực khác nhau .............................................................................................................................. 44 Bảng 2.1. Một số đặc tính của NRR dùng cho nghiên cứu ..................................... 50 Bảng 2.2. Mật độ dòng và thời gian điện phân của một số nghiên cứu ................... 54 Bảng 2.3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm ............................. 60 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ............................................................................................ 74 Bảng 3.2. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ............................................................................................................. 75 Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị pH khác nhau ........................................................................................................ 82 Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị khoảng cách giữa các điện cực khác nhau .............................................................. 88 Bảng 3.5. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở thời gian phản ứng khác nhau ............................................................... 95 Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở các pH khác nhau ............................................................................... 101 Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở các khoảng cách điện cực khác nhau .................................................. 106 Bảng 3.8. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của các nghiên cứu khác nhau ở điều kiện lựa chọn ......................................................... 107 Bảng 3.9. Một số đặc tính của NRR sau quá trình EC dùng cho đầu vào của quá trình BF ............................................................................................................... 109 Bảng 3.10. Hiệu suất xử COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ sục khí khác nhau ...................................................................................................... 117 ix Bảng 3.11. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ tải lượng khác nhau ............................................................................................. 123 Bảng 3.12. So sánh quá trình kết hợp EC với BF xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR với các nghiên cứu khác ở điều kiện lựa chọn .................................... 124 Bảng 3.13. Thông số nước đầu ra sau quá trình EC và BF ở điều kiện lựa chọn... 126 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BF Tiếng Anh Tiếng Việt Bio-Filter Lọc sinh học Bãi chôn lấp BCL BOD Biochemical Oxygen Demand CĐ Nhu cầu oxy sinh hóa Chế độ COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DO Dissolved oxygen Oxy hòa tan DON Dissolved Organic Nitrogen Nitơ hữu cơ hòa tan EC Electrocoagulation Keo tụ điện hóa NRR Nước rỉ rác RTSH Rác thải sinh hoạt S/D Sục khí/dừng sục khí TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng nitơ Kendal TN Total Nitrogen Tổng nitơ TP Total Phosphorus Tổng phốt pho TOC Total Organic Carbon Tổng cacbon hữu cơ TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng VSV Vi sinh vật 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH) tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 12% [1]. Lượng RTSH tăng dần theo thời gian dẫn đến lượng nước rỉ rác (NRR) sinh ra ngày càng tăng. NRR sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển có mức độ ô nhiễm cao với chỉ số COD lên đến 70000 mg/l [2], chất rắn hòa tan tới 50000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng đến 2000 mg/l và hàm lượng nitơ cao tới hơn 3000 mg/l, ... NRR bốc mùi hôi nặng lan tỏa nhiều kilomet, có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Do đó, ô nhiễm môi trường bởi NRR từ lâu đã là vấn đề nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo vệ môi trường. Mặc dù theo quy định mỗi bãi chôn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý, ... Nguyên nhân là do NRR có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL. Việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng NRR tại các bãi chôn lấp thì tiếp tục tăng lên. Do đó, vấn đề tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết. Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học (BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR. Khác với quá trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, quá trình EC có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol, hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh,... là những thành phần khó phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong các quá trình sinh học. Ngoài ra, quá trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra. Trong khi đó, quá trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD5 2 cao. Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thông thường do các giá thể hữu cơ rất xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú trên đó, đồng thời các quá trình hóa lý khác cũng tham gia vào quá trình xử lý, dẫn đến quá trình khử nitrat diễn ra rất mạnh. Việc kết hợp 2 công nghệ này cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý NRR, nước sau xử lý có thể đạt QCVN25:2009/BTNMT cột B2. Trước thực trạng trên việc nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng công nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học là hết sức cần thiết cho xử lý NRR. Chính vì lý do trên tôi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học. Mục tiêu nghiên cứu: Luận án đặt ra mục tiêu nắ m bắ t đươc̣ các công nghê ̣ tiên tiế n để xử lý NRR, đă ̣c biê ̣t trong đó là công nghê ̣ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này. Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau: 1/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng EC. 2/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu quá trình EC kết hợp với quá trình BF để tăng hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo quy chuẩn môi trường QCVN25:2009/BTNMT cột B2. Nội dung nghiên cứu: Giai đoạn xử lý NRR bằng EC 1/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng điện cực sắt và bằng điện cực nhôm. Giai đoạn xử lý NRR bằng BF sau quá trình EC 2/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí và tải lượng đầu vào đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. Những đóng góp mới của luận án về khoa học và công nghệ: 1/ Xác định hiệu quả của điện cực sắt so với điện cực nhôm để xử lý chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR tại Việt Nam bằng EC. 3 2/ Kết hợp thành công quá trình EC với BF để xử lý hiệu quả chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR ở quy mô phòng thí nghiệm. Kết quả và ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1/ Xác định được các giá trị thích hợp: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR bằng EC. 2/ Xác định được hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm. Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt. 3/ Xác định được mức tiêu thụ năng lượng xử lý chất ô nhiễm trong NRR bằng EC. 4/ Xác định được chế độ sục khí, tải lượng đầu vào thích hợp để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để hoàn thiện công nghệ xử lý NRR bằng EC kết hợp BF. Kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng xử lý NRR trong thực tế. Những nội dung chính trong luận án được bảo vệ: 1/ Nghiên cứu mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực thích hợp xử lý NRR bằng EC. Xác định được mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 ; thời gian điện phân 60 phút; pH NRR đầu vào = 8; khoảng cách điện cực là 1cm là phù hợp khi điện năng tiêu thụ hợp lý để xử lý là 12,83 KWh/m3 NRR. 2/ Nghiên cứu xác định được hiệu quả xử lý COD, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm lần lượt là 31,96; 11,51 và 4,35%. Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt là 2,82%. 3/ Nghiên cứu xác định được chế độ sục/dừng sục khí và tải lượng thích hợp cho xử lý NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF là 15/105 phút và với tải lượng amoni đầu vào không vượt quá 0,16 kg/m3/ngày thì nước thải hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đầu ra của QCVN 25: 2009/BTNMT cột B2. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu tương ứng là: 73,77 ± 0,65; 98,88 ± 0,01; 83,34 ± 0,53 và 16,70 ± 0,75%. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác 1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngoài bãi rác [3]. Các nguồn chính tạo ra NRR bao gồm nước từ phía trên BCL, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu chôn lấp bùn. Việc mất đi của nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi theo khí và nước thoát ra từ đáy BCL. NRR được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo các cách sau: - Nước sẵn có và sinh ra do quá trình phân hủy các chất hữu cơ; - Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm vào rác; - Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn lấp; - Nước từ khu vực khác chảy qua có thể thấm vào ô chôn lấp; - Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp trước khi được phủ đất và sau khi ô chôn lấp được đóng lại, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn lấp bùn. Lượng NRR phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong ô chôn lấp. Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng NRR được trình bày trong hình 1.1. và lượng NRR được tính theo công thức [4]: LC = R + RI – RO – E - V trong đó: LC - NRR; R - Nước mưa thấm vào ô chôn lấp; RI - Dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp); RO - Dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp; E - Nước bay hơi; V - Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải. lượng nước thất thoát ra từ đáy bãi chôn lấp chất thải rắn. 5 Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chôn lấp Thành phần của NRR thay đổi trong ô chôn lấp theo 5 giai đoạn như sau: Giai đoạn thích nghi Ở giai đoạn này quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra, các chất hữu cơ dễ bị oxi hóa thành dạng đơn giản như tinh bột, chất béo, protein và xenlulozơ… Giai đoạn này kéo dài từ vài ngày đến vài tuần. Giai đoạn chuyển tiếp VSV hiếu khí tiêu thụ dần oxy thì các VSV kỵ khí bắt đầu xuất hiện và phát triển. Trong các phản ứng chuyển hóa sinh học các gốc nitrat và sunfat đóng vai trò là chất nhận electron và bị khử thành N2 và H2S. Ở giai đoạn này, bắt đầu có sự giảm pH do sự có mặt của axit hữu cơ và CO2 gia tăng. Giai đoạn axit Axit hữu cơ và khí hydro được tạo ra do VSV kỵ khí gia tăng. Trong điều kiện yếm khí nghiêm ngặt các VSV dị dưỡng tham gia vào quá trình lên men chuyển hóa các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường… thành các axit béo bay hơi, ancol, CO2 và N2. Trong giai đoạn này, pH giảm xuống ≤ 5. Giai đoạn này kéo dài từ một vài năm đến hàng chục năm. Trong giai đoạn này BOD có giá trị cao thường > 10000 mg/l. Giai đoạn lên men metan Giai đoạn này vi khuẩn metan hình thành dần và chuyển hóa các hợp chất đơn giản, tạo ra CO2 và CH4 và một số khí khác. Giai đoạn này nhạy cảm hơn giai đoạn chuyển tiếp. 6 NRR tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD5 /COD thấp. Quá trình lên men axit tạo NH3 thoát ra. Các ion như Fe3+, Na+, K+, SO42- và Cl- tiếp tục được tạo ra trong nhiều năm. Giai đoạn chín Giai đoạn này tiếp tục phân hủy sinh học các chất hữu cơ thành khí metan và cacbonic. Tốc độ sinh khí giảm do phần lớn các chất dinh dưỡng đã bị khử ở các giai đoạn trước. Giai đoạn này NRR thường chứa axit humic và fulvic rất khó xử lý bằng phương pháp sinh học. Thành phần của NRR bao gồm hai nhóm chính [5] Các chất hữu cơ: các chất hữu hòa tan, axit humic, axit fulvic, các axit béo, các hợp chất của tanin và các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo. Các chất vô cơ: là các hợp chất của nitơ, lưu huỳnh, photpho, các ion kim loại hòa tan. Các hợp chất khác có thể được tìm thấy trong NRR từ các bãi chôn lấp như: borat, sunfua, arsenat, selenat, bari, liti, thủy ngân và coban. Tuy nhiên, các hợp chất này có nồng độ rất thấp. Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp và thời gian chôn lấp [4]. Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp chất thải rắn cao hơn rất nhiều so với BCL chất thải rắn lâu năm. Vì trong BCL lâu năm hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy bị phân hủy gần hết. Nước rác BCL mới, thường có pH thấp nhưng hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng rất cao. Trái ngược với BCL mới nước rác bãi chôn lấp lâu năm thường có pH cao (do quá trình metan hóa tăng lên) và hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng lại giảm vì hầu hết các kim loại chuyển sang trạng thái kết tủa khi pH tăng. Đặc biệt, nước rác BCL lâu năm chứa nhiều hợp chất cao phân tử nhiều hóa chất độc hại vừa gây màu tối vừa có mùi khó chịu rất khó phân hủy bằng phương pháp sinh học [4]. Thành phần của NRR trên thế giới Thành phần NRR trên thế giới được tổng hợp ở bảng 1.1: 7 Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp [6] Tuổi BCL Thông số Đơn vị Mới (0 – 5 năm) Trung bình (5 -10 năm) Cũ (> 10 năm) - < 6,5 6,5 – 7,5 >7,5 mg/l > 10000 4000 – 10000 < 4000 - 0,5 – 1,0 0,1 – 0,5 < 0,1 80% axit béo dễ bay hơi 5 – 30% axit béo dễ bay hơi + axit humic và axit fulvic Axit humic và axit fulvic mg/l < 400 - > 400 - < 0,3 0,3 – 0,5 > 0,5 N (Kjeldahl) mg/l 100 - 200 - - Kim loại nặng mg/l Thấp đến trung bình Thấp Thấp Khả năng phân hủy sinh học - Cao Trung bình Thấp pH COD BOD5/COD Hợp chất hữu cơ Amoni TOC/COD NRR mới có pH, amoni thấp, có hàm lượng các chất hữu cơ cao. Ngược lại NRR cũ lại có pH, amoni cao hơn và có hàm lượng các chất hữu cơ thấp. Đây cũng là cơ sở quan trọng để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cho từng loại NRR. Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ thể hiện ở bảng 1.2. Theo số liệu bảng 1.2 thì Thổ Nhĩ Kỳ là quốc gia mà NRR mới có thành phần COD, TSS và amoni cao. Hy Lạp là quốc gia NRR có hàm lượng COD rất cao tới 70900 mg/l. Trong các nước Châu Á thì Hồng Kông Trung Quốc là nơi NRR mới có COD, nitơ cao. NRR của Đài Loan có BOD5 thấp. Thành phần của NRR Việt Nam Thành phần NRR ở Việt Nam thể hiện ở bảng 1.4. Nước ta chưa có hệ thống phân loại rác tại nguồn nên thành phần rác đến bãi chôn lấp rất đa dạng kéo theo thành phần NRR rất phức tạp. NRR chứa nhiều chất độc hại hữu cơ, vô cơ, kim loại nặng. Thành phần NRR biến động mạnh theo mùa, tuổi bãi chôn lấp, cách thức chôn và thu gom NRR của từng bãi. Cần phải có các quan trắc để có thông tin về thành phần NRR là cơ sở để chọn phương pháp xử lý phù hợp. 8 Bảng 1.2: Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ T T Nước Tuổi BCL pH COD mg/l BOD5 mg/l BOD5/ COD TOC mg/l SS mg/l TSS mg/l NH4+ -N mg/l NO3mg/l TN mg/l PO43mg/l TP mg/ l Nguồn trích dẫn 1 Canada Trung bình 6,9– 9,0 3210 – 9190 - - - - - - - - - - [7] 2 Brazin Cũ 8,2 3460 150 0,04 - - - 800 - - - - [8] 3 Phần Lan Cũ 7,1– 7,6 340 - 920 62 - 84 0,09 – 0,25 - - - 159 560 - 192 - - [9] 4 Ba Lan Trung bình 8,0 1180 331 0,28 - - - 743 - - - - [10] Mới 5,6– 8,2 1075050000 638025000 0,5 0,67 - 26303930 - 19462002 - 2370 - - [11] Trung bình 8,15 9500 - - 3750 21000 1270 7,3 1450 31 33 [8] Cũ 8,6 10000 - - - 1600 - 1590 - 1680 - - [12] Mới 8,0– 8,2 1054019900 4000 0,20,22 - 1666 - 39175210 - - - - [13] Trung bình 7,9-8,38 3840-5050 12001270 0,250,31 - 480 - 9401330 - 11001670 - - [14] Mới 6,2 70900 26800 0,28 - 950 - 3100 - 3400 - - Trung bình 7,9 5350 1050 0,2 - - - 940 - 1100 - - 5 6 7 Thổ Nhĩ Kỳ Italia Hy Lạp - [2] 9 Thành phần NRR ở các nước Châu Á thể hiện ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Thành phần NRR ở các nước Châu Á T T Nước 1 Hàn Quốc 2 3 Hồng Kông (TQ) -N mg/l TN mg/l TP mg/l SO42mg/l Clmg/l Nguồn trích dẫn 2400 1682 1766 31,2 162 3160 [15] 404 - 1522 141 - - - [16] 0,19 784 - - - - - - [17] - - - - - - - - COD BOD5 BOD5/ mg/l mg/l 7,3 24400 Cũ 8,57 Trung bình Tuổi BCL pH Mới NH4+ COD SS mg/l TSS mg/l 10800 0,44 - 1.409 62 0,04 8,22 7439 1436 Trung bình 6,4 – 7,8 2500 – 4000 - Cũ 7,9 – 8,8 100 320 80 350 - - - - - - - - 8,1 6500 500 0,08 - - 5500 - - - - [19] 1533 – 2580 48 105 0,03 – 0,04 159 233 - - - - - - [20] 4820 1300 - - 718 - - - - 360 [21] Nepal 4 Đài Loan Trung bình 5 Malaysia Cũ 6 Ân độ 5,8 [18]