Tài liệu PHÁT TRIỂN BỂ LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ CÓ LỚP ĐỆM NGẬP NƯỚC VỚI SỢI LEN LÀM VẬT LIỆU BÁM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC pptx

Bể lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước SAFB sử dụng vật liệu bám dạng sợi có khả năng ứng dụng tốt cho xử lý loại COD, nitơ trong nước thải nhờ vào khả năng bám giữ sinh khối ca

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012

PHÁT TRIỂN BỂ LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ CÓ LỚP ĐỆM NGẬP NƯỚC VỚI SỢI LEN LÀM VẬT LIỆU BÁM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Phạm Khắc Liệu, Hoàng Thị Mỹ Hằng, Trịnh Thị Giao Chi

Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

Tóm tắt Bể lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước (SAFB) sử dụng vật liệu

bám dạng sợi có khả năng ứng dụng tốt cho xử lý loại COD, nitơ trong nước thải nhờ vào khả năng bám giữ sinh khối cao Trong nghiên cứu này, bể SAFB với vật liệu sợi len thương phẩm đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào xử lý nước rỉ rác Giai đoạn khởi động bể SAFB sợi len diễn ra khá nhanh, với kết quả bùn bám dính và sinh trưởng tốt chỉ trong vòng 20 ngày và hiệu suất loại COD đạt

ổn định gần 97% ở tải trọng 0,3 kg COD/m3/ngày Khi khảo sát hiệu quả xử lý của

bể ở các tải trọng hữu cơ tăng dần với đầu vào là môi trường tổng hợp, hệ thống đạt khả năng xử lý COD khoảng 82% ở tải trọng 1,8 kg COD/m3/ngày Khi sử dụng bể SAFB xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Thủy Phương, thu được hiệu suất loại COD khoảng 65% ở cùng tải trọng Tuy nhiên, với kỹ thuật châm hỗ trợ H 2 O 2 ở nồng độ

200 mg/L trước khi vào bể, đã nâng được hiệu suất xử lý COD lên gần 80% ở tải trọng khoảng 4,0 kg COD/m3/ngày Nước thải sau xử lý có COD đạt loại B1 theo QCVN 25:2009/BTNMT

Từ khóa: nước rỉ rác, SAFB, vật liệu bám sợi len, xử lý sinh học hỗ trợ bởi H2 O 2

1 Mở đầu

Chôn lấp là phương pháp phổ biến để xử lý sau cùng chất thải rắn (CTR) đô thị

ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Quá trình vận hành các bãi chôn lấp (BCL) thường phát sinh nhiều vấn đề môi trường, trong đó đáng quan tâm nhất là tạo ra nước rỉ rác (NRR) Với nồng độ rất cao các hợp chất hữu cơ, nitơ, nhất là sự có mặt các chất hữu cơ độc hại, kim loại nặng, NRR tiềm ẩn nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường và tác động xấu đến sức khỏe con người Xử lý nước rỉ rác trên thực tế vẫn là bài toán khó, nhất

là ở các nước có trình độ công nghệ chưa cao và hạn chế về khả năng tài chính Để

xử lý hiệu quả NRR trong dây chuyền công nghệ xử lý nhiều công đoạn, thường người ta phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau như hóa học, hóa lý, sinh học,…[1], [2]

Thành phần hữu cơ của NRR, đặc biệt là NRR “già”, thường gồm các chất hữu

cơ khó phân hủy sinh học như các axit humic và fulvic Đặc điểm này làm cho quá trình

xử lý sinh học giảm COD bị hạn chế, chỉ đạt hiệu quả thấp khi áp dụng trực tiếp với

NRR Để nâng cao hiệu quả xử lý sinh học NRR, cần có quá trình oxy hóa hóa học nhằm chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành dễ phân hủy sinh học Một trong các kỹ thuật oxy hóa đã được sử dụng là quá trình oxy hóa nâng cao với tác nhân Fenton (H2O2/Fe(II)) trong một giai đoạn tách biệt và đứng trước xử lý sinh học [3] Có thể nhận thấy nước rỉ rác thường chứa Fe(II) với nồng độ khá lớn, có thể lợi dụng để thực hiện phản ứng Fenton khi chỉ thêm H2O2 Ngoài ra, H2O2 còn dư dễ bị phân hủy và khi phân hủy sẽ tạo thành O2, có thể sử dụng cho vi sinh vật hiếu khí Do

đó, có thể nghĩ đến việc kết hợp bổ sung H2O2 vào quá trình oxy hóa sinh học hiếu khí

để hỗ trợ, tăng cường cho xử lý sinh học theo kiểu không tiến hành giai đoạn oxy hóa trong thiết bị phản ứng riêng

Trong một số nghiên cứu trước đây, bể lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước (SAFB) đã được phát triển và áp dụng vào xử lý loại chất hữu cơ trong nước thải

lò mổ gia súc [4], [5], nước thải nuôi trồng thủy sản [6], hay xử lý nitơ trong nước NRR [7] Tuy nhiên, vật liệu sợi acrylic (tên thương mại BX hay BIOFIX) sử dụng trong các nghiên cứu này là sản phẩm chuyên dụng của Nhật Bản, khó kiếm và đắt tiền Sợi len thương phẩm, bề ngoài có các tính chất tương tự sợi BX, nhưng lại dễ kiếm và rẻ tiền hơn

Xuất phát từ cơ sở trên, trong nghiên cứu này, hệ thống SAFB với sợi len được phát triển và ứng dụng để xử lý chất hữu cơ trong nước rỉ rác có sự hỗ trợ của H2O2

nhằm đưa ra một hướng mới trong xử lý NRR, góp phần bảo vệ môi trường

2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Nước rỉ rác

Nước rỉ rác sử dụng trong thí nghiệm xử lý

được lấy trực tiếp từ đầu ra của khu chôn lấp CTR

Thủy Phương, tỉnh Thừa Thiên Huế NRR từ 2

BCL gồm bãi số 1 ( đ ã đóng cửa vào năm 2007)

và bãi số 2 ( đ a ng hoạt động) được thu gom về hố

thu chung trước khi chảy vào hệ thống hồ xử lý Mẫu

NRR được lấy từ hố thu gom chung, tức là hỗn

hợp của NRR cũ và mới Nghiên cứu gần đây cho

thấy NRR này có mức độ ô nhiễm hữu cơ và nitơ

khá cao: pH = 7,7  0,1, COD = 2422  962 mg/L,

BOD5 = 398  200 mg/L, NH4-N = 543  222

mg/L và Fe tổng = 26,3  6,8 mg/L [8] Mẫu được

lấy hai đợt: đợt 1 vào ngày 01/3/2011 và đợt 2 vào

ngày 09/05/2011 Mẫu được bảo quản lạnh ở 0 -

40C để chuẩn bị đầu vào cho các lần thí nghiệm

Bể SAFB Bơm khí

Bơm nhu động

Bình chứa dung dịch

H2O2

Ống đưa H2O2 trộn với NRR vào

NRR đầu vào

Hình 1 Ảnh hệ thống thí nghiệm

2.2 Hệ thống thí nghiệm

Sử dụng hệ thống lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập trong nước (SAFB) cho thí nghiệm Bể phản ứng làm bằng nhựa mica có thể tích làm việc là 4,8 L Vật liệu bám làm bằng sợi len thông thường (Jinpai, Trung Quốc), khối lượng 39 g, được đan kết thành dạng tấm lưới Nguyên tắc hoạt động và quy trình khởi động của hệ thống như được mô tả trong các công bố trước đây [4], [5] Ở giai đoạn xử lý NRR, một hệ thống gồm ống nhựa và kim truyền dịch y tế có thể điều chỉnh được lưu lượng đã được lắp thêm để đưa dung dịch H2O2 0,43% trộn với NRR ngay trong ống dẫn trước khi vào bể xử lý (Hình 1)

Ở giai đoạn nghiên cứu phát triển hệ thống SAFB, môi trường tổng hợp pha chế

từ dịch chiết thịt bò-pepton được sử dụng làm nước thải đầu vào Thời gian lưu thủy lực

và lưu lượng cấp khí được duy trì tương ứng ở mức 24 giờ và 1,0 L/phút trong suốt các pha Tải trọng hữu cơ nạp vào được tăng dần bằng cách tăng nồng độ COD, như trình bày ở Bảng 1

Bảng 1 Nồng độ và tải trọng COD ở các pha thí nghiệm giai đoạn phát triển hệ thống SAFB

nghiệm

Nồng độ COD vào (mg/L)

Tải trọng COD trung bình (kg/m 3 /ngày)

71 - 80 1225 - 1260 1,25

82 - 92 1488 - 1527 1,51

Thay đổi tải

trọng

94 - 107 1775 - 1810 1,79

Ở giai đoạn áp dụng xử lý NRR, thời gian lưu thủy lực được giảm xuống 10 giờ nhằm tăng lưu lượng bơm NRR đủ lớn để có thể chỉnh được lưu lượng dung dịch H2O2

bổ sung Trong 10 ngày đầu, bể được nạp NRR pha loãng đến COD khoảng 693 - 830 mg/L (ứng với tải trọng COD trung bình 1,8 kg/m3/ngày) Sau đó, bắt đầu mở van truyền

H2O2 và lần lượt khảo sát hiệu quả xử lý NRR ở các tải trọng hữu cơ tăng dần bằng cách giảm mức pha loãng NRR Bảng 2 trình bày các điều kiện vận hành của hệ thống ở các pha của giai đoạn này

Bảng 2 Điều kiện vận hành của hệ thống trong giai đoạn xử lý NRR

Nồng độ H2O2 (mg/L) 0 200 200 200 200

Qkhí (L/phút) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 COD vào (mg/L) 693-830 693-830 1080-1173 1633-1800 2730-3290 Tải trọng hữu cơ vào

(kg COD/ m3/ngày) 1,7 - 2,0 1,7 - 2,0 2,6 - 2,8 3,9 - 4,3 6,6 - 7,9

2.3 Lấy mẫu và phân tích mẫu

Trong quá trình thí nghiệm, mẫu đầu vào và đầu ra hệ thống xử lý được lấy với tần suất 2 ngày/lần Tiến hành phân tích COD bằng phương pháp hồi lưu kín-trắc quang [9] Với các mẫu đầu ra trong nghiên cứu xử lý có thêm H2O2,lượng dư H2O2 được xác định bằng phương pháp Na2S2O3 - chuẩn độ iôt rồi hiệu chỉnh vào kết quả phân tích COD [10]

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Khởi động hệ thống SAFB

Kết quả vận hành của hệ thống SAFB với vật liệu sợi len trong pha khởi động được trình bày ở hình 2 Hiệu suất loại COD tăng nhanh từ khoảng 86% ban đầu đến khoảng 97% sau 10 ngày vận hành So sánh các ảnh chụp bể phản ứng ban đầu và 20 ngày sau khởi động ở hình 3 cho thấy khả năng bám giữ sinh khối của sợi len là rất tốt Theo thành phần trên nhãn, sợi len Jinpai có thành phần gồm 70% sợi len tự nhiên và 30% sợi nhân tạo Với bản chất polypeptid, sợi len có các nhóm chức phân cực tạo khả năng bám dính các vi sinh vật tốt Với ưu điểm của sợi len, cùng với nguồn bùn hoạt tính đã khá ổn định, thời gian đạt đến hiệu quả xử lý cao và ổn định khá ngắn, chỉ mất khoảng 20 ngày

85 90 95 100

Thời gian thí nghiệm (ngày)

Hình 2 Hiệu quả loại COD trong pha khởi động

Hình 3 Bể SAFB sợi len lúc ban đầu và 20 ngày sau khởi động

3.2 Khả năng xử lý COD trong môi trường tổng hợp ở các tải trọng hữu cơ khác nhau

Sự thay đổi hiệu suất xử lý COD của hệ thống ở các tải trọng hữu cơ tăng dần khi chạy với môi trường pha chế được trình bày ở hình 4 Theo quy luật chung, ở tải trọng hữu cơ cao, hiệu quả xử lý giảm dần Từ giá trị cao đến 92% ở tải trọng 0,5 kg/m3/ngày, hiệu suất loại COD giảm dần và còn 82% ở tải trọng 1,8 kg/m3/ngày Từ ngày 58, hiệu suất xử lý giảm bất thường xuống còn 76%, đồng thời sinh khối được quan sát thấy phát triển dày đặc Do đó, một lượng bùn không bám dính tốt đã được hút

ra khỏi bể, nhằm tạo sự thông khí và lưu thông dòng chảy bình thường trở lại Lượng bùn hút ra là 4,3 g-SS Do điều kiện thời gian và xét thấy có sự ổn định tương đối, tải trọng được dừng ở mức 1,8 kg/m3/ngày và cho chạy ổn định để chuyển hệ thống sang giai đoạn nghiên cứu khả năng xử lý NRR

60

65

70

75

80

85

90

95

100

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110

Thời gian thí nghiệm (ngày)

0,5 kg/m 3 /ngày

0,75 kg/m 3

/ngày 1,0 kg/m 3 /ngày

1,25 kg/m 3 /ngày

1,5 kg/m 3 /ngày

1,8 kg/m 3 /ngày

Hình 4 Khả năng xử lý COD của bề SAFB ở các tải trọng hữu cơ khác nhau

So với bể SAFB sử dụng vật liệu sợi acrylic chuyên dụng [4], hiệu quả loại COD ở cùng tải trọng 1,0 - 1,2 kg COD/m3/ngày có thấp hơn khoảng 10% (85% so với

95%), tuy nhiên bể sợi len lại có thể vận hành ở nồng độ cao hơn (1000 – 1200 mg/L)

và đến tải trọng cao hơn (1,8 kg COD/m3/ngày) Có thể, các điều kiện để cải thiện hiệu quả xử lý với bể sợi len còn phụ thuộc vào các yếu tố: tốc độ thông khí, việc hút bùn dư định kỳ, do hạn chế về thời gian nên chưa được khảo sát

3.3 Khả năng xử lý COD trong nước rỉ rác

Dữ liệu về hiệu quả xử lý COD trong NRR của hệ thống ở các pha không và có

bổ sung H2O2 và ở các tải trọng COD khác nhau được trình bày trong hình 5 Hiệu quả

xử lý màu NRR ở một số pha thí nghiệm được minh họa trong hình 6

Ở cùng một mức tải trọng COD đầu vào, sự hỗ trợ của H2O2 ở pha 2 đã làm tăng hiệu quả xử lý COD so với pha 1 (không có H2O2) lên khoảng 10% Nhìn chung, hiệu quả xử lý trong các pha 2 đến pha 4 (tức tải trọng từ 1,7 đến 4,2 kg COD/m3/ngày) vẫn duy trì ở mức xấp xỉ 80% NRR đầu ra ở pha 3 có COD trung bình 250 mg/L, đạt loại B2 và ở pha 4 là 340 mg/L, đạt loại B1 theo QCVN 25:2009/BTNMT

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Thời gian thí nghiệm (ngày)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

COD ra Hiệu suất loại COD Tải trọng COD

1,8 kg/m 3 /ngày

2,7 kg/m 3 /ngày

4,2 kg/m 3 /ngày

7,1 kg/m 3 /ngày

Hình 5 Khả năng xử lý COD trong NRR ở các pha thí nghiệm khác nhau

Hình 6 Hiệu quả xử lý màu NRR ở các pha thí nghiệm 2 và 4

(cốc bên trái: trước xử lý, cốc bên phải: sau xử lý)

Ở pha 5, hiệu suất xử lý giảm khi tăng tải trọng lên cao trên 7,0 kg COD/m3/ngày Mặc dù ở các ngày tiếp theo của pha 5, tốc độ sục khí có tăng lên (từ 1,0 đến 1,5 L/phút) để khắc phục hiện tượng sinh khối phát triển cản trở thông khí nhưng hiệu suất xử lý vẫn giảm mạnh về dưới 50% Như vậy, có thể nhận định bể phản ứng SAFB với sự hỗ trợ của H2O2, có khả năng xử lý khá hiệu quả COD trong nước rỉ rác đến tải trọng cỡ 4 kg COD/m3/ngày (với COD khoảng 1600 – 1800 mg/L) Hơn nữa, với sự tiếp xúc ngắn của NRR với H2O2 trước khi vào bể xử lý, khả năng giảm màu của NRR được cải thiện nhờ đóng góp của phản ứng oxy hóa Fenton

4 Kết luận

Mặc dù hiệu quả xử lý thấp hơn một ít so với bể SAFB dùng vật liệu sợi acrylic (sản phẩm đắt tiền chuyên dụng cho xử lý nước thải), bể SAFB với vật liệu sợi len có thể là một thay thế khả thi do sợi len rẻ tiền và dễ kiếm hơn Ở tải trọng đến 1,8 kg COD/m3/ngày, bể SAFB có thể cho hiệu quả xử lý đến 82% COD Sử dụng

bể SAFB sợi len với sự hỗ trợ của H2O2 bước đầu đã đem lại những kết quả khả quan trong xử lý NRR Với tải trọng đầu vào cao 4 kg COD/m3/ngày, hiệu suất xử lý COD đạt trung bình khoảng 80% và nước thải sau xử lý đạt loại B1, xấp xỉ loại B2 theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cho NRR Vai trò hỗ trợ của H2O2 bước đầu cho thấy ở sự gia tăng hiệu suất xử lý COD và làm giảm màu của NRR Tuy nhiên, những nghiên cứu chi tiết hơn cần được thực hiện tiếp tục về các điều kiện vận hành tốt nhất, về ngưỡng ảnh hưởng của H2O2 với bể lọc sinh học,

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Tchobanoglous, G., Theisen H., and Vigil, S., Integrated Solid Waste Management: Engineering Principles and Management Issues, McGraw-Hill, Inc New York, New

York, 1993

2 Trần Hiếu Nhuệ, Kinh nghiệm xử lý nước rác tại một số đô thị Việt Nam, Kỷ yếu Hội

nghị Quản lý Chất thải rắn Đô thị, Bộ Xây dựng, Hà Nội, 2005

3 Wang, F., Smith, D.W and El-Din, M.G., Application of advanced oxidation methods for landfill leachate treatment – A review, J Environ Eng Sci., 2(6), (2003), 413-427

4 Pham Khac Lieu, Trinh Thi Giao Chi and Kenji Fukukawa, Treatment of coagulated slaughterhouse wastewater using a novel submerged aerated fix bed (SAFB) reactor,

Proceedings of the 8th General Seminar of Core University Program, organized by Osaka University and Hanoi National University, Osaka, Japan, (2008), 295-302

5 Ngô Thị Phương Nam, Phạm Khắc Liệu, Trịnh Thị Giao Chi, Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng quá trình sinh học hiếu khí thể bám trên vật liệu polymer tổng hợp, Tạp chí Khoa học Đại học Huế, số14(48), (2008), 125-134

6 Pham Khac Lieu and Duong Thanh Chung, Lab-scale application of combined partial

nitritation - anammox process for nitrogen removal from landfill leachate, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 4(45), (2011), 99-106

7 Trương Quý Tùng, Lê Văn Tuấn, Nguyễn Thị Khánh Tuyền, Phạm Khắc Liệu, Xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân UV-Fenton trong điều kiện gián đoạn, Tạp chí Khoa học Đại

học Huế, số 19(53), (2009), 165-174

8 APHA, AWWA, WBEF, Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th Edition Washington DC, USA, 1999

9 Talinli I and Anderson G.K Interference of hydrogen peroxide on the standard COD test, War Res., 1(26), (1992), 107-110

DEVELOPMENT OF A SUBMERGED AERATED FIXED BED REACTOR USING WOOL AS BIOMASS CARRIER AND APPLICATION FOR THE

TREATMENT OF LANDFILL LEACHATE

Pham Khac Lieu, Hoang Thi My Hang, Trinh Thi Giao Chi

College of Sciences, Hue University

Abstract Submerged aerated fixed bed bioreactor (SAFB) using fibrous biomass

carrier possesses high capability of COD and nitrogen removal from wastewater due to its highly biomass-retaining property In this study, an SAFB with commercial wool as the carrier material was developed and applied in the treatment

of landfill leachate Start-up phase of the reactor was successful after 20 days with

a good attachment and growth of seeding sludge and a rapid increase in COD removal to nearly 97% at OLR of 0,3 kg COD/m3/d Treatment performance at gradually increasing OLRs was investigated using a synthetic medium as influent and a COD removal of about 82% was achieved at the highest OLR of 1,8 kg COD/m3/d Using the developed reactor for treating leachate from Thuy Phuong Landfill, 65% COD removal could be obtained at the same OLR of 1,8 kg COD/m3/d However, with the in-flow injection of H 2 O 2 at the concentration of 200 mg/L, COD removal was improved significantly to 80% at much higher OLR of about 4,0 kg COD/m3/d Effluent COD concentrations were lower than the limit value in National Technical Regulation for Leachate (QCVN 25:2009/BTNMT, class B1)

Keywords: H2 O 2 -assisted biological treatment, landfill leachate, SAFB, wool biomass carrier.