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 TRƯỜ
Trang 1BỘ 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
Trang 2BỘ 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
Trang 3LỜI 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
Trang 4LỜI 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
Trang 5MỤC 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
Trang 62.3.2.2 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 NH 4 + 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
Trang 73.2.1.2 Ản ư ng của thờ g n ư 86
3.2.1.3 Ản 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
Trang 8DANH 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
Trang 9Hình 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
Trang 10DANH 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
Trang 11Bảng 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
Trang 12DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1 Các ký hiệu
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
Trang 132 Chữ viết tắt
BCL Bãi chôn lấp
BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand)
BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường
DO: Oxy hòa tan trong nước (Demand Oxygen)
EM: Chế phẩm sinh học chứa các vi sinh vật hưu hiệu (Effective
Microorganism) HQXL: Hiệu quả xử lý
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: Xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow
Anearobic Sluge Blanket) UF: Thiết bị siêu lọc (Ultrafitration)
VFA: Axít béo bay hơi (Volatile fatty acids)
VSV: Vi sinh vật