Tài liệu Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2016 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường MS: 62520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Hà Nội - 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án. Tác giả Phạm Hương Quỳnh i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Sơn, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Viện khoa học và Công nghệ Môi trường đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Triển khai công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Trong thời gian qua tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần vật chất của gia đình và người thân. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giả Phạm Hương Quỳnh ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác ....................................................... 4 1.1.1 Sự hình thành nước rác ................................................................................. 4 1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh ...................................................................... 4 1.1.1. n n ng n ấp ........................................... 5 1.1.1. ếu tố n ư ng ến ượng ặ ưng nướ ...................... 6 1.1.2 Đặc trưng nước rác ....................................................................................... 7 1.1. .1 Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới.................... 7 1.1. . Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp Việt Nam ................... 10 1.2 Phương pháp xử lý nước rác .......................................................................... 11 1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ ............................................................................ 11 1. .1.1 P ương p p ng ke ụ ..................................................................... 11 1. .1. P ương p p ó ........................................................................... 12 1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử n ơ ............................................................... 14 1.2.1.4 P ương p p kết tinh Magnesium Ammonium Phosphat (MAP) ......... 15 1.2.2 Xử lý sinh học ............................................................................................. 19 1.2.2.1 Xử lý yếm khí ........................................................................................ 19 1.2.2.2 Xử lý thiếu khí ...................................................................................... 26 1.2.2.3 Xử lý bằng bãi l c trồng cây ................................................................ 28 1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác ............................................................ 34 1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rác trên thế giới ........................................... 34 1.3.2 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam ....................................................... 38 1.3.2.1 Một số công nghệ xử ý nước ã ược nghiên cứu ........................ 38 1.3.2.2 Một số công nghệ xử ý nướ ã ược áp dụng ............................. 39 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 46 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 46 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với công nghệ đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thấp ................................................................... 47 2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu ....................................................................... 48 2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP .................................................................... 48 2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí............................................................ 50 2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạ ộng của thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí ........................................................................................................................... 50 iii 2.3.2.2 P ương p p và vật liệu nghiên cứu .................................................... 52 2.3.2.3 Kh ộng thiết bị yếm - thiếu khí ........................................................ 54 2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây ........................................................... 56 2.3.3.1 Kết cấu thiết bị ..................................................................................... 56 2.3.3.2 Lựa ch n thực vật cho bãi l c trồng cây ........................................... 57 2.3.3.3 Hoạt hóa bãi l c trồng cây ................................................................. 58 2.3.4 Thiết kế thí nghiệm ...................................................................................... 60 2.3.5 Một số thông số quan trọng trong vận hành hệ thống xử lý ........................ 60 2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm ......................................... 60 2.4.1 Phương pháp thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm ......................... 60 2.4.2 Xác định hệ số hồi quy ................................................................................ 61 2.4.3 Kiểm tra độ phù hợp .................................................................................... 63 2.4.4 Ngôn ngữ lập trình R .................................................................................. 63 2.5 Phương pháp phân tích ................................................................................... 64 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 65 3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1).............................................................. 65 3.1.1 Nghiên cứu quá trình tạo MAP trong môi trường giả định ........................ 66 3.1.1.1 Ản ư ng của nồng ộ Am n b n ầu............................................. 66 3.1.1.2 Ản ư ng củ ộ pH tới quá trình tạo MAP ...................................... 67 3.1.1.3 Ản ư ng của thời gian ph n ứng tới quá trình tạo MAP ................ 69 3.1.1.4 Ản ư ng của tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tạo MAP .................... 70 3.1.1.5 Thiết lập p ương n ồi quy mô t mối quan hệ của nồng ộ amoni b n ầu, pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tách Amoni tạo MAP ............................................................................................................ 72 3.1.1.6 Ản ư ng của pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấ ến kí ước tinh thể MAP ng m ường gi ịnh .......................................................... 73 3.1.1.7 Kết qu phân tích MAP trong m ường gi ịnh ............................. 76 3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ....................... 78 .1. .1 Đố ượng nghiên cứu ........................................................................... 78 3.1.2.2 Ản ư ng củ m ượng NH4 + b n ầu ........................................... 79 3.1.2.3 Ản ư ng của việc bổ xung mầm tinh thể. .......................................... 80 .1. .4 T n ơ ng nước rác bằng kết tinh MAP ...................................... 81 3.1.2.5 Kết qu p ân í MAP ược từ nước rác ..................................... 81 3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2)......................... 83 3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác ........................................................... 83 3.2.1.1 Ản ư ng của nồng ộ COD dòng vào .............................................. 84 iv 3.2.1.2 Ản 3.2.1.3 Ản ư ng của thờ g n ư ............................................................... 86 ư ng của các nguyên tố ượng................................................ 87 3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc sinh học thiếu khí ............................. 88 3.2.2.1 Nghiên cứu n ư ng của COD dòng vào .......................................... 89 3.2.2.2 Nghiên cứu n ư ng của thờ g n ư ............................................ 91 3.2.2.3 Nghiên cứu n ư ng của thể í ệm ............................................. 92 3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây .................................................... 93 3.2.3.1 Ản ư ng của thờ g n ư ............................................................... 93 3.2.3.2 Ản ư ng của COD dòng vào ............................................................ 94 3.2.3.3 Ản ư ng của tổng n ơ dòng ..................................................... 95 3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách MAP- sinh học (yếm khí - lọc sinh học thiếu khí - bãi lọc trồng cây) ..................................... 98 3.3.1 Đặc trưng nước rác dòng vào .................................................................. 98 3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp....... 99 3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng ................................................................................................................................ 100 3.4.1 Công nghệ xử lý nước rác được đề xuất .................................................... 100 .4.1.1 Sơ ồ quy trình công nghệ (Hình 3.17) .............................................. 100 3.4.1.2 Thuyết minh công nghệ ....................................................................... 100 3.4.2 Tính toán sơ bộ các hạng mục chính trong hệ thống xử lý nước rác .. 101 3.4.2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng ơ tính toán trong thiết kế.................. 101 3.4.2.2 Tính toán các hạng mục chính ............................................................ 102 3.4.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế và nhu cầu năng lượng của công nghệ đề suất ..................................................................................................................... 104 3.4.3.1 Hiệu qu kinh tế m ường của công nghệ .................................. 104 3.4.3.2 So sánh với một số công nghệ hiện hành ............................................ 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 114 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 122 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng về sự hình thành nước rác ................................................. 4 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite ........................................................................ 15 Hình 1.3 Cơ chế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan ............................ 21 Hình 1.4 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến tốc độ tăng trưởng riêng ............... 23 Hình 1.5 Mô hình khuếch tán của lọc sinh học ....................................................... 27 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bãi lọc trồng cây ngập nước ........................................... 31 Hình 1.7 Sơ đồ hệ lọc ngang (lọc ngầm) với thảm lau sậy .................................... 32 Hình 1.8 Sơ đồ hệ lọc đứng (lọc ngầm) với thảm lau sậy ..................................... 33 Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rác tại bãi Ammasuo (Phần Lan) ......................... 34 Hình 1.10 Công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh ........................ 35 Hình 1.11 Công nghệ xử lý sinh học kết hợp oxy hóa bằng Ozon ......................... 36 Hình 1.12 Công nghệ xử lý nước ríc rác bãi chốn lấp Sudokwon ......................... 37 Hình 1.13 Công nghệ xử lý nước rác của Viện Cơ học tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội ............................................................................................................... 40 Hình 1.14 Công nghệ xử lý nước rác của công ty SEEN tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội ............................................................................................................... 40 Hình 1.15 Công nghệ của trạm xử lý nước rác bãi chôn lấp Gò Cát ..................... 41 Hình 1.16 Công nghệ xử lý nước rác sau hoàn thiện tại bãi chôn lấp Gò Cát ....... 42 Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác bãi chốn lấp Phước Hiệp.................... 43 Hình 1.18 Hệ thống hồ xử lý nước rác của công ty Quốc Việt tại bãi chốn lấp Phước Hiệp ....................................................................................................... 44 Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP .................................................................... 49 Hình 2.1 (b) Mô hình thiết bị tách MAP ................................................................ 49 Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí ............................... 51 Hình 2.2(b) Mô hình thiết bị tích hợp xử lý yếm khí - thiếu khí trong phòng thí nghiệm ............................................................................................................... 51 Hình 2.3 Giá thể sinh học trong bể thiếu khí .......................................................... 53 Hình 2.4 Vi sinh vật trong thiết bị phản ứng ........................................................... 54 Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây ............................................................................ 56 Hình 2.6 Thiết bị mô phỏng bãi lọc khi chưa trồng cây ......................................... 57 Hình 2.7 Cây riềng hoa (Canna lily) ....................................................................... 58 Hình 2.8 (a) Thiết bị mô phỏng giai đoạn hoạt hóa................................................. 59 Hình 2.8 (b) Thiết bị mô phỏng giai đoạn vận hành ............................................... 59 Hình 2.9 Sơ đồ mô hình thuật toán .......................................................................... 61 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni ........... 67 vi Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại NH4+, PO43- và Mg2+ ................... 68 Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả loại bỏ amoni....................... 70 Hình 3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh MAP ..................... 71 Hình 3.5 Sơ đồ nghiên cứu tách nitơ tạo MAP ........................................................ 72 Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến kích thước tinh thể MAP .................................... 73 Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút ....... 75 Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 (b)50vòng/phút ................ 76 Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4+: PO43- ........ 77 Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- pH . 77 Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- =1:1,9:1 ........................................................................................................................... 82 Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác .............................................. 82 Hình 3.13 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý ................................ 85 Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí .. 90 Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây . 94 Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây .... 95 Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài .......... 100 bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng ................................................................... 100 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng của nước rỉ rác ở một số quốc gia trên thế giới. ...................... 9 Bảng 1.2 Đặc trưng của nước rác tại các bãi chôn lấp khác nhau ở Việt Nam ..... 10 Bảng 1.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hệ thực vật ............. 30 Bảng 1.4 So sánh ưu, nhược điểm bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng và dòng chảy ngang ......................................................................................... 33 Bảng 1.5 Hiệu quả xử lý N- NH4+ và COD bằng quá trình yếm khí – hiếu khí kết hợp tại bãi rác Ammasuo – Phần Lan ........................................................ 35 Bảng 1.6 Kết quả vận hành hệ thống xử lý bằng công nghệ SBR tại Deepmoor (Anh) và Gairtloch (Scotlen) .......................................................... 35 Bảng 1.7 Hiệu quả xử lý qua các công đoạn ............................................................ 36 Bảng 1.8 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý ......................................... 37 Bảng 1.9 Thành phần nước rác bãi chốn lấp Gò Cát trước và sau xử lý ............... 43 Bảng 1.10 Đặc trưng nước rác trước và sau hệ thống xử lý của bãi chốn lấp Phước Hiệp .................................................................................................................. 45 Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ................................................ 46 Bảng 2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọc trồng cây ........................................... 56 Bảng 2.3 Hiệu quả xử lý trong giai đoạn hoạt hoá của bể lọc trồng cây ................ 58 Bảng 3.1 Kết quả thăm dò khả năng kết tinh của MAP .......................................... 66 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách MAP ở các tỷ lệ khác nhau ......................................................................................... 68 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP ........... 74 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến quá trình kết tinh MAP .................... 75 Bảng 3.5 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ................................................ 79 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ đến hiệu quả tách N,P............................ 80 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể .................................................................. 80 Bảng 3.8 Hiệu quả tách nitơ tạo MAP trong nước rác............................................ 81 Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được từ nước rác ...................... 83 Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP ...................... 84 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý .............................. 85 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý.................................... 87 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý .................. 88 Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí .......................................................... 89 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của COD dòng vào tới quá trình lọc thiếu khí ................... 89 Bảng 3.16 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới quá trình lọc thiếu khí ....................... 91 Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí .... 92 viii Bảng 3.18 Đặc trưng dòng vào bãi lọc trồng cây.................................................... 93 Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây ...... 94 Bảng 3.20 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây... 95 Bảng 3.21 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây ..................................................................................................................... 96 Bảng 3.22 Hiệu quả xử lý nitơ của bãi lọc trồng cây.............................................. 97 Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây ........................................................ 97 Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống ..................................................... 99 Bảng 3.25 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ........ 102 Tân Cương - Thái Nguyên ...................................................................................... 102 Bảng 3.26 Điện năng tiêu thụ cho hệ thống xử lý đề xuất ................................... 105 Bảng 3.27 Chi phí hóa chất cho các công nghệ .................................................... 107 Bảng 3.28 So sánh chi phí nhân công cho các công nghệ .................................... 108 Bảng 3.29 So sánh chi phí năng lượng cho các công nghệ (VNĐ/m3) ................. 108 Bảng 3.30 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3) .................................... 108 ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu E: Năng lượng rt : Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh 1: Tốc độ tăng trưởng riêng X: Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính 1: Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh m: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại S: Nồng độ cơ chất trong nước thải Ks : Hằng số bán bão hòa Y: Hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại rd: Tốc độ sử dụng cơ chất k: Hằng số tốc độ R: Hằng số khí lý tưởng D: Hệ số khuyếch tán C: Toán tử Laplace vs: Tốc độ của phản ứng TkCOD Tải trọng COD Ybiogas Hệ số tạo biogas TF Năng lực tải của bãi lọc x 2. Chữ viết tắt BCL Bãi chôn lấp BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường BL: Bãi lọc DO: Oxy hòa tan trong nước (Demand Oxygen) EM: HQXL: Chế phẩm sinh học chứa các vi sinh vật hưu hiệu (Effective Microorganism) Hiệu quả xử lý HK: Hiếu khí MAP: Magnesium Amonium Photphate PAC: Hóa chất keo tụ PAC (Polyaluminium Chlorite) QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia SCR: Song chắn rác SBR: Thiết bị xử lý theo mẻ (Sequencing Batch Reactor ) EDR: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffaction) SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SK: Sinh khối SS : Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) TDS: Tổng các chất rắn hoà tan TOC: Tổng các bon hữu cơ (Total Organic Carbon) TS: Tổng chất rắn (Total Solid) TN: Tổng nitơ (Total nitrogen) TP: Tổng phốt pho (Total phosphorus) TK: Thiếu khí UASB: UF: Xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow Anearobic Sluge Blanket) Thiết bị siêu lọc (Ultrafitration) VFA: Axít béo bay hơi (Volatile fatty acids) VSV: Vi sinh vật YK: Yếm khí xi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tốc độ tăng trưởng nhanh, dự kiến đạt 78% trong thập kỷ này. Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân cũng được nâng cao, nhu cầu tiêu dùng tăng nhanh là sự thách thức mới về ô nhiễm môi trường đặc biệt là sự gia tăng đột biến chất thải ở các đô thị. Chôn lấp rác thải là phương pháp phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở nước ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và đô thị đã, đang và sẽ còn được áp dụng ở hầu hết các địa phương trong cả nước. Thực tế cho thấy, nhiều bãi chôn lấp ở nước ta đã gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm và cả môi trường không khí do nước rác (nước rỉ rác) phát sinh trong quá trình chôn lấp. Nước rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ có trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Do rác đem chôn lấp không được phân loại tại nguồn nên nước rác phát sinh có thành phần ô nhiễm khá phức tạp. Đặc biệt nước rác tươi có COD, BOD5, TN, TP cao đến rất cao, độ màu cao và các thành phần vô cơ khác. Nước rác nếu không được kiểm soát và xử lý sẽ để lại những hậu quả môi trường rất nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề ô nhiễm do nước rác, nhiều loại công nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng như: công nghệ sinh học (xử lý yếm khí, hiếu khí); xử lý hóa học-sinh học (fenton - yếm khí - hiếu khí, stripping - yếm khí - hiếu khí); xử lý hóa học, sinh học, vật lý (oxy hóa hóa học - sinh học - công nghệ màng)… Theo công nghệ truyền thống để tách nitơ và xử lý BOD5, COD trong nước rác nhu cầu năng lượng cho quá trình oxy hóa hiếu khí rất cao. Mặt khác công nghệ hiện hành chỉ phần nào giải quyết được ô nhiễm do BOD5 và COD. Để xử lý thành công nước rác cần thực hiện 2 giải pháp cơ bản là xử lý được các hợp chất hữu cơ (BOD5) và các thành phần khác: COD, hợp chất nitơ, phốt pho… Ở Việt Nam, các chương trình quốc gia về xây dựng bãi chôn lấp rác quy mô nhỏ cho các địa phương kinh phí còn rất hạn hẹp, vì vậy việc tìm kiếm công nghệ xử lý đơn giản và chi phí xử lý thấp là rất cần thiết. Nitơ và phốt pho là những thành phần ô nhiễm đáng quan tâm trong nước rác, nhất là nước rác tươi. Hàm lượng nitơ cao, nhất là amoni đã hạn chế quá trình xử lý sinh học đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí. Trong thực tế một số phương pháp đã được áp 1 dụng trước quá trình xử lý sinh học như: Stripping - loại nitơ bằng đuổi khí NH3 do thổi khí ở áp lực cao trong môi trường kiềm mạnh (pH>10) hoặc khuấy trộn ở tốc độ cao. Nhìn chung các phương pháp trên đều có giá thành xử lý cao, vận hành phức tạp và đặc biệt là không thu hồi được nguồn tài nguyên có trong nước rác. Hơn thế nữa các phương pháp này còn gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường không khí, môi trường nước. Struvit, một dạng kết tinh được phát hiện do lắng đọng trong đường ống của hệ thống xử lý nước thải đã gây khó khăn không nhỏ trong trong vận hành. Struvit (MgNH4PO4.6H2O) được hình thành từ magie, amoni và phốt pho có trong nước thải nên được viết tắt là MAP. Struvite có tích số tan 7,8.10-15 ở nhiệt độ 250C nên được sử dụng dưới dạng phân bón nhả chậm rất hiệu quả cho cây trồng. Vì vậy việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác không chỉ tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho cây trồng mà còn góp phần loại được yếu tố ức chế quá trình xử lý sinh học và đơn giản hoá, nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý. Ở nước ta việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong môi trường nước cũng được một vài tác giả quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên cho đến nay chưa có đơn vị, cá nhân nào thu được sản phẩm MAP. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng” được thực hiện nhằm thu hồi nitơ, phốt pho và xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải. 2. Mục tiêu của luận án - Thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác bằng phương pháp hóa học tạo tinh thể MAP. - Xử lý nước rỉ rác đạt QCVN 25 - 2009/BTNMT (cột B2) bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rác bằng kết tinh MAP. - Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ sinh học đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng theo 2 bước: + Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn ít năng lượng + Xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây. - Đề xuất công nghệ xử lý nước rác tiêu tốn ít năng lượng, chi phí thấp cho bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ (bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên) 4. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên. 2 - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về kết tinh MAP. - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm theo các công nghệ khác nhau: + Bước 1: Thu hồi nitơ trong nước rác bằng tạo tinh thể MAP. + Bước 2: Xử lý sinh học nước rác bằng công nghệ liên hợp yếm - thiếu khí bãi lọc trồng cây. - Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm. - Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích theo TCVN. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đưa ra một công nghệ xử lý nước rác với nhu cầu năng lượng thấp. Năng lượng tiêu tốn để xử lý 1m3 nước rác là 1,541 kWh. Năng lượng này chỉ bằng 6,4% năng lượng so với công nghệ oxi hóa nâng cao và 7,2% năng lượng so với phương pháp đuổi khí NH3 bằng công nghệ stripping. - Tách nitơ phốt pho trong nước rác tươi bằng kết tinh MAP (có thể thu được 1,43-2,34gam MAP/lít nước rác). - Áp dụng công nghệ xử lý đã nghiên cứu cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên và các bãi chôn lấp quy mô nhỏ. 7. Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án - Hoàn thiện công nghệ xử lý nước rác với chi phí năng lượng thấp, vận hành đơn giản. - Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác, giúp giảm tác nhân ức chế quá trình xử lý sinh học tiếp theo, đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí thu biogas. 3 Chương 1. TỔNG QUAN Nước rác là một trong những đối tượng nước thải khó xử lý bởi thành phần phức tạp. Nước rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác. Thành phần hóa học của nước rác rất khác nhau tùy thuộc vào rác đem chôn và công nghệ chôn lấp. 1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác Nước rích từ các bãi chôn lấp rác có thể định nghĩa là chất lỏng phát sinh từ quá trình chôn lấp thấm qua các lớp chất thải rắn và mang theo các chất hòa tan, các cặn lơ lửng... Nước rác được hình thành từ hàm ẩm trong rác đem chôn, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Nước rác chứa các chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, cặn lơ lửng và nhiều chủng loại vi sinh vật khác nhau. Dựa vào tuổi của bãi rác, nước rác được chia làm 3 loại: nước rác tươi, trung bình và nước rác ổn định [27]. 1.1.1 Sự hình thành nước rác 1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh Nước rác được hình thành từ nhiều nguồn khác nhau như: từ độ ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong rác, nước mưa, nước ngầm thấm ngấm và nước từ các vật liệu bổ sung (chế phẩm EM, phun tưới tạo ẩm) [11]. Nguyên lý hình thành nước rác được thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1. Nước thấm qua lớp phủ G1 Nước bay hơi G5 Nước từ vật liệu phủ G2 Nước trong EM G3 Nước thoát theo khí bãi rác G6 G4 Nước rích rác G7 Hình 1.1 Sơ ồ về sự n n nước rác 4 Trong đó: Dòng vào: G1: Nước mưa thấm ngấm G2: Nước từ hàm ẩm của vật liệu phủ G3: Nước từ EM G4: Nước từ hàm ẩm của rác và nước hình thành từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ Dòng ra: G5: Nước bay hơi bề mặt bãi chôn lấp G6: Nước thoát ra trong khí bãi rác G7: Nước rác Nước rác = G7 = (G1+G2+G3+G4) - (G5+G6) Lượng nước rác được hình thành có thể tính dựa vào cân bằng nước trong bãi chôn lấp. Trong quá trình tính toán, chỉ xét với bãi chôn lấp hợp vệ sinh, bỏ qua lượng nước thấm qua thành và đáy bãi, hay lượng nước chảy theo bề mặt vào ô chôn lấp. Thành phần tạo nên cân bằng nước của một ô chôn lấp được thể hiện qua Hình 1.1. 1.1.1. á tr nh sinh h c r tr ng ch n p Lượng nước rác phát sinh và đặc trưng có quan hệ chặt chẽ với các quá trình sinh học xảy ra trong ô chôn lấp. Ở giai đoạn đầu trong khối rác còn chứa oxy, các quá trình phân giải hiếu khí xảy ra mạnh. Các chất hữu cơ trong rác được phân hủy hiếu khí theo công thức tổng quát sau. - Oxy hóa không hoàn toàn: CaHbOcNd + mO2 + DD  nCwHxOyNz + sCO2+ rH2O+ (d-nz) SK +E - Oxy hóa hoàn toàn: Ca H bOc N d + 4a  b  2c  3d 4a  b  2c  3d O2 +DD  aCO2+ H 2O +dNH3+ SK+ E 4 4 Khi lượng oxy trong khối rác được sử dụng hết thì quá trình phân hủy sinh học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí: Chất hữu cơ + H2O+ VSV  SK + chất hữu cơ + CO2+ H2S+ NH3+ CH4+ E Quá trình vô cơ hóa có thể xảy ra theo các dạng sau: - Vô cơ hóa không hoàn toàn 5 Ca H bOc N d + rH2O+ DD  n CwHxOyNz + mCH4+ sCO2+ (d-nx)NH3+ E - Vô cơ hóa hoàn toàn: Ca H bOc N d + 4a  b  2c  3d 4a  b  c  3d 4a  b  2c  3d H 2O  CH 4 + CO2 +dNH3+E 8 4 8 Ở nước ta, rác thu gom hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên lượng chất hữu cơ thường chiếm 45-50% gồm gluxit, protein, lipit... có nguồn gốc động, thực vật và vi sinh vật. Về cơ bản quá trình sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp chịu tác động rất lớn của điều kiện tự nhiên như: thời tiết, khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ, chế độ mưa…), các yếu tố chủ quan: thành phần hóa học, hàm ẩm và khu hệ vi sinh vật trong rác thải hoặc được bổ sung trong quá trình vận hành… Trong quá trình phân hủy, các chất hữu cơ (COD, BOD 5, TOC) cũng như các chất vô cơ (SO42-, Ca, e, Mn, n)… được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn. Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể được chia thành 5 giai đoạn chính: phân hủy sinh học hiếu khí; phân hủy sinh học yếm khí tạo axit; phân hủy sinh học yếm khí tạo mê tan; giai đoạn tạo humus và giai đoạn ổn định. 1.1.1. ác ế t nh hư ng ến ượng c trưng nước rác Khối lượng và thành phần nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp và các yếu tố khác như: thành phần rác đem chôn, khí hậu, thời gian chôn lấp… . Ản ư ng ủ n p ần n ấp Quá trình phân hủy sinh học được quyết định bởi hàm lượng chất hữu cơ có trong rác. Đặc trưng nước rác phụ thuộc nhiều vào hàm ẩm và lượng chất hữu cơ được phân hủy. Sự hiện diện của các chất tẩy rửa, hóa chất khử trùng… sẽ kìm hãm sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật, tác động xấu tới quá trình phân hủy rác làm ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rác sinh ra. b. Ản ư ng ủ ờ ế Thời tiết, khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm không khí…) ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có trong rác do đó gián tiếp ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rác. Nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến thành phần và lượng nước rác. Vào mùa hạ, khi nhiệt độ không khí cao, quá trình phân hủy diễn ra mạnh, nhiệt độ cao k m theo độ ẩm cao là điều kiện thích hợp cho phân hủy rác. 6 Lượng mư : nước mưa làm tăng độ ẩm trong rác, thúc đẩy quá trình phân hủy sinh học đồng thời hòa tan các chất vô cơ, hữu cơ, sản phẩm phân hủy có trong rác. Tuy nhiên nếu lượng mưa lớn sẽ dẫn đến lượng nước rác tăng, hàm lượng chất ô nhiễm giảm do được pha loãng. Ản ư ng ủ ộ ẩm nơ n ấp: khi độ ẩm không khí cao góp phần làm cho các vi sinh vật phát triển mạnh trong khối rác thu gom, vận chuyển. Độ ẩm cao, hàm lượng oxy trong khối rác cao, thúc đẩy quá trình trình phân hủy của rác. Tại bãi chôn lấp đã đóng bãi, quá trình phân hủy hầu như không chịu ảnh hưởng của độ ẩm nơi chôn lấp. . Ản ư ng ủ n ận n ng ng ệ n ấp Trong quá trình thu gom, vận chuyển một phần chất hữu cơ trong rác bị phân hủy làm độ ẩm của khối rác tăng. Các quá trình tiền xử lý như: cắt chặt, phân loại rác cũng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong rác, từ đó tác động đến thành phần và lượng nước rác sinh ra. Các hoạt động trong quá trình vận hành chôn lấp thông thường và chôn lấp bán hiếu khí: đầm, nén tác động đến quá trình phân hủy sinh học của rác. Công nghệ vận hành bãi chôn lấp cũng ảnh hưởng không nhỏ đến lượng và thành phần nước rác tạo thành. Thu gom và phân loại rác có ảnh hưởng không nhỏ tới nồng độ nước rác. Rác ở Việt Nam hầu hết đều không được phân loại tại nguồn (nhất là rác sinh hoạt và rác đô thị), vì vậy thành phần nước rác rất phức tạp (ngoài chất hữu cơ còn có một số chất vô cơ và kim loại nặng). Mặt khác, rác được thu gom sau hơn một ngày mới có thể đến được bãi chôn lấp. Với khí hậu nhiệt đới (nóng,ẩm) một phần chất hữu cơ đã bị phân hủy và đi vào nước rác nên thành phần hữu cơ trong nước rác thường khá cao. d. Ản ư ng ủ ờ g n n ấp ổ ủ bã Theo thời gian quá trình phân hủy sinh hóa trong ô chôn lấp thay đổi dẫn đến thành phần và khối lượng nước rác phát sinh biến đổi theo. Thời gian chôn lấp càng dài, lượng nước rác và hàm lượng các chất ô nhiễm cũng giảm theo. Đặc biệt là tương tác giữa BOD5, COD và các ion kim loại. 1.1.2 Đặc trưng nước rác 1.1. .1 Đ c trưng nước rác củ một s bãi ch n p trên thế giới Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rác mới (tươi) cao hơn rất nhiều so với nước rác đã chôn lấp lâu năm. Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 đối với nước rác tươi; 0,005-0,2 đối với nước rác cũ, ở thời điểm này thành phần hữu cơ 7