Luận văn Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác bằng phương pháp Fenton truyền thống và Fenton cải biên pptx

BCL, với thành phần rất phức tạp nồng độ các chất hữu cơ khó/không có khả năngphân hủy sinh học tăng dần và nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian,không ổn định, việc lựa chọn các

Luận văn Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác bằng phương pháp Fenton truyền thống và

Fenton cải biên

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa Việc phát triểncác khu công nghiệp luôn đi kèm với yêu cầu phát triển bền vững, tức là phát triểnphải song hành với giữ gìn và bảo vệ môi trường Ngày nay, khi chất lượng cuộc sốngđược cải thiện thì vấn đề môi trường cũng được quan tâm, đặc biệt là vấn đề rác thải

và nước thải Rác thải sinh ra từ mọi hoạt động của con người và ngày càng tăng vềkhối lượng Hầu hết rác thải ở nước ta nói chung và Thành phố Hồ Chí Minh nói riêngđều chưa được phân loại tại nguồn, do đó gây rất nhiều khó khăn trong quản lý và xử

lý, đồng thời còn sinh ra một loại nước thải đặc biệt ô nhiễm là nước rỉ rác Những câu

chuyện về rác và những hệ lụy môi trường từ rác đang “nóng lên” trong những nămgần đây

Theo thống kê của Sở Tài nguyên - Môi trường thành phố Hồ Chí Minh thì vớikhối lượng khoảng 7.000 tấn chất thải rắn sinh hoạt phát sinh mỗi ngày, phương pháp

xử lý duy nhất được áp dụng ở Việt Nam nói chung và ở thành phố Hồ Chí Minh nóiriêng là chôn lấp Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có 2 bãi chôn lấp (BCL) đanghoạt động là Đa Phước và Phước Hiệp Tổng khối lượng rác đã được chôn lấp tại 2BCL trên đã lên đến con số 7.900.000 tấn, trong đó Đa Phước là 3.500.000 tấn, vàPhước Hiệp là 4.500.000 tấn Quá trình tiếp nhận rác liên tục và có những thời điểmvượt xa khối lượng dự kiến trong thống kê đã dẫn đến những hậu quả về mặt môitrường, như mùi hôi nồng nặc phát sinh từ các BCL phát tán xa hàng kilomét vào khuvực dân cư xung quanh Ngoài ra, một vấn đề nghiêm trọng khác là sự tồn đọng củahàng trăm ngàn mét khối nước rác tại các BCL cùng với lượng nước rỉ rác phát sinhthêm mỗi ngày khoảng 1.000 - 1.500m3 thì nuớc rỉ rác đang là nguồn hiểm họa ngầmđối với môi trường bởi tính chất phức tạp và có khả năng gây ô nhiễm cao của nó

Mặc dù mỗi BCL đều có hệ thống xử lý nước rỉ rác nhưng những phương pháp

xử lý nước rỉ rác đang được áp dụng vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như chấtlượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải (TCVN 7733-2007, cột B),đặc biệt là các chỉ tiêu COD, BOD, N, P, các kim loại nặng, tiêu tốn nhiều hóa chất,giá thành xử lý rất cao, khó kiểm soát, và công suất xử lý không đạt thiết kế Nguyênnhân do sự thay đổi rất nhanh của thành phần nước rỉ rác theo thời gian vận hành của

BCL, với thành phần rất phức tạp (nồng độ các chất hữu cơ khó/không có khả năngphân hủy sinh học tăng dần và nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian),không ổn định, 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 lượngnước rỉ rác tại các BCL thì tiếp tục tăng lên hàng ngày

Vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hiệu quảlượng nước rỉ rác đang tồn đọng, cải tạo lại các hệ thống xử lý nước rỉ rác hiện hữu.Với đặc trưng của nước rác rò rỉ thường có chứa lượng lớn hợp chất hữu cơkhó/không có khả năng phân huỷ sinh học, việc áp dụng đơn thuần phương pháp sinhhọc để xử lý loại nước này trở nên không tưởng Do vậy, đối với nước rỉ rác việc phốihợp đồng bộ nhiều phương pháp hóa lý – hóa học – sinh học để xử lý là điều dễ hiểu.Trong số các phương pháp hóa học, phương pháp oxy hóa bậc cao đã chứng tỏ đượchiệu quả và ưu điểm của nó bởi nó có khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp chấthữu cơ khó hoặc không thể phân hủy sinh học với chi phí có thể chấp nhận được, lại

dễ dàng thực hiện

Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy

trong nước rỉ rác bằng phương pháp Fenton truyền thống và Fenton cải biên” đã

hình thành với mong muốn đưa ra một phương pháp xử lý đạt hiệu quả cao, dễ dàngthực hiện ở nhiệt độ thường, thời gian xử lý nhanh, hoá chất dễ tìm và chi phí vậnhành không quá lớn

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp oxy hóa bậc cao dùngtác nhân Fenton bằng quá trình Fenton truyền thống và cải biên

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được những mục đích trên, các nội dung nghiên cứu sau đây được thựchiện:

- Thu thập các số liệu về thành phần nước rỉ rác trên thế giới và Việt Nam

- Thu thập và tổng hợp các kết quả nghiên cứu và vận hành thực tế các quátrình xử lý nước rỉ rác trên thế giới và Việt Nam

- Phân tích chất lượng nước rỉ rác sau bể xử lý sinh học hiếu khí của BCLPhước Hiệp hiện nay

- Xác định điều kiện tối ưu xử lý nước rỉ rác theo phương pháp Fenton truyềnthống và Fenton cải biên.

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nước rỉ rác của BCL Phước Hiệp thành phố Hồ Chí Minh, lấy sau bể Aeroten

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Phương pháp điều tra thực địa

Khảo sát khu vực nghiên cứu (BCL Phước Hiệp)

 Phương pháp phân tích tổng hợp

Thu thập các tài liệu như tiêu chuẩn, các phương pháp xử lý nước rỉ rác của cácnước trên thế giới, các phương pháp xử lý nước rỉ rác của những BCL ở Việt Nam

Tìm hiểu về thành phần tính chất của nước rỉ rác

 Phương pháp chuyên gia

Tham vấn ý kiến của giáo viên hướng dẫn và các chuyên gia trong ngành môitrường và xử lý nước thải

 Phương pháp thực nghiệm

+ Phân tích các thông số đầu vào của nước rỉ rác

+ Dùng phương pháp Fenton để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trongnước rỉ rác

6 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

VI.1 Ý nghĩa khoa học

Bổ sung thêm dữ liệu vào các bài giảng đề cập đến ứng dụng của quá trìnhFenton truyền thống và cải biên

VI.2 Ý nghĩa thực tiễn

Giúp xử lý nước rỉ rác đạt hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường nước

Hình thành một phương pháp xử lý phù hợp với nước rỉ rác và đạt hiệu quảkinh tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ CÓ LIÊN QUAN

1.1 THÀNH PHẦN NƯỚC RỈ RÁC

1.1.1 Thành phần nước rỉ rác trên thế giới

Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp có thể được định nghĩa là chất lỏng thấm quacác lớp chất thải rắn mang theo các chất hòa tan hoặc các chất lơ lửng (Tchobanoglous

et al., 1993) Trong hầu hết các bãi chôn lấp nước rỉ rác bao gồm chất lỏng đi vào bãi

chôn lấp từ các nguồn bên ngoài, như nước mặt, nước mưa, nước ngầm và chất lỏngtạo thành trong quá trình phân hủy các chất thải Đặc tính của chất thải phụ thuộc vàonhiều hệ số

Mặc dù mỗi quốc gia có quy trình vận hành bãi chôn lấp khác nhau, nhưngnhìn chung thành phần nước rỉ rác chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau:

- Chất thải được đưa vào chôn lấp: loại chất thải, thành phần chất thải và tỷtrọng chất thải;

- Quy trình vận hành BCL: quá trình xử lý sơ bộ và chiều sâu chôn lấp;

- Thời gian vận hành bãi chôn lấp;

- Điều kiện khí hậu: độ ẩm và nhiệt độ không khí;

- Điều kiện quản lý chất thải

Các yếu tố trên ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính nước rỉ rác, đặc biệt là thời gianvận hành bãi chôn lấp, yếu tố này sẽ quyết định được tính chất nước rỉ rác chẳng hạnnhư nước rỉ rác cũ hay mới, sự tích lũy các chất hữu cơ khó/không có khả năng phânhủy sinh học nhiều hay ít, hợp chất chứa nitơ sẽ thay đổi cấu trúc Thành phần đặctrưng của nước rỉ rác ở một số nước trên thế giới được trình bày cụ thể trong Bảng 1.1

và Bảng 1.2

Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới

Thành Phần Đơn Vị

Colombia(ii) Canada(ii) Đức (iv)

Pereira (5 nămvận hành)

Clover Bar (Vậnhành từ năm 1975)

Nguồn: (i): Lee & Jone, 1993

(ii): Diego Paredes, 2003 (iii): F Wang et al., 2004 (iv): KRUSE, 1994

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á

( Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002)

Tuy đặc điểm và công nghệ vận hành bãi chôn lấp khác nhau ở mỗi khu vựcnhưng nước rỉ rác nhìn chung đều có tính chất giống nhau là có nồng độ COD, BOD5

cao (có thể lên đến hàng chục ngàn mgO2/L) đối với nước rỉ rác mới Từ các số liệuthống kê trên cho thấy, trong khi giá trị pH của nước rỉ rác tăng theo thời gian, thì hầuhết nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác lại giảm dần, ngoại trừ NH3 trung bìnhkhoảng 1800mg/L Nồng độ các kim loại hầu như rất thấp, ngoại trừ sắt

Khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian, dễ phânhủy trong giai đoạn đầu vận hành BCL và khó phân hủy khi BCL đi vào giai đoạnhoạt động ổn định Sự thay đổi này có thể được biểu thị qua tỷ lệ BOD5/COD, trongthời gian đầu tỷ lệ này có thể lên đến 80%, với tỷ lệ BOD5/COD lớn hơn 0.4 chứng tỏcác chất hữu cơ trong nước rỉ rác có khả năng phân hủy sinh học, còn đối với các bãichôn lấp cũ tỷ lệ này thường rất thấp nằm trong khoảng 0.05 – 0.2; tỷ lệ thấp như vậy

do nước rỉ rác cũ chứa các hợp chất lignin, axít humic và axít fulvic là những chất khóphân hủy sinh học

1.1.2 Thành phần nước rỉ rác Việt Nam

Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có 2 BCL chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinhđang hoạt động là BCL Đa Phước và Phước Hiệp Mặc dù các BCL đều có thiết kế hệthống xử lý nước rỉ rác nhưng công suất của các hệ thống này hầu như không xử lý hếtlượng nước rỉ rác phát sinh ra hằng ngày tại BCL, do đó phần lớn các hồ chứa nước rỉrác ở các BCL hiện nay đều trong tình trạng đầy ứ và việc tiếp nhận nước rỉ rác thêmnữa là điều rất khó khăn Thậm chí còn có trường hợp phải sử dụng xe bồn để chở

nước rỉ rác sang nơi khác xử lý hoặc có nơi phải xây dựng thêm hồ chứa để giải quyếtmột cách tạm thời tình trạng ứ đọng nước rỉ rác Ngoài ra, việc vận hành BCL chưađúng với thiết kế, hoạt động quá tải của BCL, và các sự cố xảy ra trong quá trình vậnhành (trượt đất, hệ thống ống thu nước rỉ rác bị nghẹt, …) còn khiến cho thành phầnnước rỉ rác thay đổi rất lớn gây ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả xử lý nước rỉ rác.

Nước rỉ rác phát sinh từ hoạt động của BCL là một trong những nguồn gây ônhiễm lớn nhất đến môi trường Nó bốc mùi hôi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet, nước rỉrác có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ônhiễm nguồn nước mặt vì nồng độ các chất ô nhiễm có trong đó rất cao và lưu lượngđáng kể Cũng như nhiều loại nước thải khác, thành phần (pH, độ kiềm, COD, BOD,

NH3, SO4, ) và tính chất (khả năng phân hủy sinh học hiếu khí, kị khí, ) của nước rỉrác phát sinh từ các bãi chôn lấp là một trong những thông số quan trọng dùng để xácđịnh công nghệ xử lý, tính toán thiết kế các công trình đơn vị, lựa chọn thiết bị, xácđịnh liều lượng hoá chất tối ưu và xây dựng qui trình vận hành thích hợp Thành phầnnước rỉ rác của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh được trình bày trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác của một số BCL tại Thành phố Hồ Chí Minh

NRR cũ 8/2006

NRR mới 1,4/2003

NRR cũ 4/03 – 8/06

NRR mới 2,4/2002

NRR cũ 8,11/2003

pH - 4.8 – 6.2 7.5 – 8.0 5.6 – 6.5 7.3 – 8.3 6.0 – 7.5 8.0 – 8.2

12200

9800 – 16100

18260 – 20700

6500 – 8470

10950 – 15800

9100 – 11100

Độ cứng mgCaCO 3 5833 – 590 5733 – - 1533 – 1520 –

1122 – 11840

100 – 190

4310

90 – 4000

790 – 6700

24000 – 57300

1510 – 4520

38533 – 65333

916 – 1702 BOD mgO 2 /L 30000 –

48000

1010 – 1430

18000 – 48500

240 – 2.120

33570 – 56250

1590 – 2190

1245 – 1765

520 - 785 N-hữu cơ mg/L 336 – 678 - 252 – 400 110 –

tổng

mg/L 55 – 90 14 – 55 5 – 30 7 – 20 14 – 42 11 - 18 Tetrachlor

Kết quả phân tích cũng cho thấy sự khác biệt giữa thành phần nước rỉ rác tạihai BCL Đa Phước và Phước Hiệp, sau hơn 5 năm vận hành BCL Đa Phước nồng độCOD trong nước rỉ rác vẫn còn khá cao, trung bình dao động trong khoảng 20000 –25000mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD dao động trong khoảng 0.45 – 0.50; với nồng độ NH3

cao nhất lên đến > 2000mg/l, giá trị pH lớn hơn 7.3 Trong khi đó BCL Phước Hiệphoàn toàn khác biệt, chỉ sau gần một năm vận hành nồng độ COD giảm còn rất thấptrung bình dao động trong khoảng 2000 – 3000 mgO2/L, cao nhất đạt đến 6000 mgO2/

L, tỉ lệ BOD5/COD thấp dao động trong khoảng 0.15 – 0.30, nồng độ NH3 tăng lêntrên 1000mg/L theo thời gian vận hành và giá trị pH lớn 8.0 Giải thích sự khác biệt sốliệu giữa hai BCL là do qui trình vận hành của mỗi BCL và hệ thống thu gom nước rỉrác ở BCL Phước Hiệp và BCL Đa Phước cũng khác nhau nên dẫn đến thành phần cácchất ô nhiễm trong nước rỉ rác ở 2 BCL cũng khác nhau

Nhìn chung thành phần nước rỉ rác mới của BCL ở Việt Nam cũng tương tựnhư trên thế giới, hàm lượng chất hữu cơ cao trong giai đoạn đầu (COD: 45000 mgO2/

L, BOD: 30000 mgO2/L) và giảm dần theo thời gian vận hành của BCL, các hợp chấthữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tích lũy và tăng dần theo thời gianvận hành Khi thời gian vận hành BCL càng lâu hàm lượng amonium càng cao Giá trị

pH của nước rỉ rác cũ cao hơn hơn nước rỉ rác mới

1.1.3 Tính chất nước rỉ rác của BCL Phước Hiệp

BCL Phước Hiệp bao gồm 4 ô chôn lấp và rác được chôn lấp theo phương phápcuốn chiếu Mỗi ô chôn lấp có một hố thu nước rỉ rác và từ đây nước rỉ rác được bơmvào các hồ chứa nước rỉ rác trước khi được xử lý Để theo dõi sự thay đổi thành phầnnước rỉ rác của BCL Phước Hiệp mẫu nước rỉ rác được lấy tại ô chôn lấp số 2 trongnhững khoảng thời gian xác định trong suốt quá trình vận hành của BCL

Thời điểm bắt đầu vận hành BCL Phước Hiệp từ tháng 1 năm 2003 Sau 4tháng vận hành BCL, nồng độ COD trong nước rỉ rác từ trên 50000mgO2/l bắt đầugiảm xuống còn 10654 mgO2/L, theo số liệu ghi nhận từ nhiều năm thì nồng độ CODcủa nước rỉ rác từ tháng 8 đến tháng 1 của năm 2004 dao động từ 1346 – 2408 mgO2/l.Trong thời gian từ tháng 04 năm 2006 đến tháng 08 năm 2006 có một số điểm cónồng độ COD vượt quá 5000mgO2/L, giá trị này xuất hiện phụ thuộc vào chu kỳ đổrác của BCL, cụ thể như khi rác được đổ trên ô chôn rác số 2 thì nước rỉ rác phát sinhtrong thời gian này của ô số 2 có nồng độ COD tăng lên từ 4000 đến 5000mg O2/L, vàkhi rác được đổ sang các ô chôn rác khác thì nồng độ COD của nước rỉ rác trong ô số

2 lại giảm xuống trung bình khoảng 2000 mgO2/L Bên cạnh đó sự thay đổi thànhphần nước rỉ rác theo mùa cũng được khảo sát, thành phần nước rỉ rác biến thiên theomùa được trình bày trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Thành phần nước rỉ rác của BCL Phước Hiệp biến thiên theo mùa

(mẫu lấy tại hố thu ô số 2, mẫu lấy từ tháng 12/2008 đến tháng 12/2009)

4 BOD5 mgO2/L 3340 – 25120 5150 – 48000

(Nguồn: Công ty Môi trường đô thị TP Hồ Chí Minh)

Kết quả trên cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm vào mùa mưa và mùa nắngkhông khác nhau nhiều vì trong quy trình vận hành BCL thì sau khi qua cầu cân, rác

sẽ được đổ tại sàn trung chuyển, công trường sẽ điều tiết và vận chuyển rác vào ôchôn rác đã được lót đáy bằng tấm nhựa HDPE Tại các ô chôn lấp, rác sẽ được sanphẳng bằng xe ủi và được đầm nén kỹ Khi chiều dày lớp rác đạt đến chiều cao 2.2mthì sẽ phủ lớp đất lên trên bề mặt rác, cuối cùng là phủ một lớp nhựa PE để hạn chếmùi hôi và tránh nước mưa xâm nhập vào Vì vậy mà thành phần nước rỉ rác của BCLPhước Hiệp giữa mùa mưa và mùa nắng tại thời điểm lấy mẫu không khác nhau nhiều

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học

Các công trình xử lý cơ học được áp dụng rộng rãi là: song/ lưới chắn rác, thiết

bị nghiền rác, bể điều hoà, khuấy trộn, bể lắng, bể tuyển nổi Mỗi công trình được ápdụng đối với từng nhiệm vụ cụ thể

- Ưu điểm:

+ Tạo được kết tủa với các chất lơ lửng

+ Loại bỏ được các tạp chất nhẹ hơn nước.

+ Đơn giản, dễ sử dụng

- Nhược điểm:

+ Chí phí hóa chất cao (đối với một số trường hợp)

+ Không hiệu quả với các chất hòa tan

1.2.3Phương pháp xử lý sinh học

Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào hoạt động sống của các loài vi sinhvật sử dụng các chất có trong nước thải như Photpho, nitơ và các nguyên tố vi lượnglàm nguồn dinh dưỡng để phân huỷ các phân tử của các chất hữu cơ có mạch cabondài thành các phân tử đơn giản hơn và sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (hiếu khí);

CH4 và CO2 (kị khí) Qúa trình xử lý sinh học có thể được thực hiện trong 2 điều kiệnhiếu khí hoặc kị khí

- Ưu điểm:

+ Hiệu quả cao, ổn định về tính sinh học

+ Nguồn nguyên liệu dễ kiếm, hầu như là có sẵn trong tự nhiên

+ Thân thiện với môi trường

+ Chi phí xử lý thấp

+ Ít tốn điện năng và hoá chất

+ Thường không gây ra chất ô nhiễm thứ cấp

- Nhược điểm:

+ Thời gian xử lý lâu và phải hoạt động liên tục,chịu ảnh hưởng bởi nhiệt

độ, ánh sáng, pH, DO, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất độc hại khác

+ Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện thời tiết, do đó việc vận hành vàquản lý khó, hầu như chỉ sử dụng ở giai đoạn xử lý bậc 2, 3

+ Hiệu quả xử lý không cao khi trong nước thải chứa nhiều thành phầnkhác nhau

+ Hạn chế khi thành phần nước đầu vào biến động trong một dải rộng + Yêu cầu diện tích khá lớn để xây dựng các công trình

+ Phương pháp này hạn chế đối với nước thải có độc tính với VSV

1.2.4 Phương pháp xử lý hoá học

Phương pháp hoá học sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải Cáccông trình xử lý hoá học thường kết hợp với các công trình xử lý lý học Các côngtrình thường được áp dụng là: trung hòa, khử trùng, oxi hóa bậc cao.

+ Chi phí hoá chất cao

+ Có khả năng tạo ra một số chất ô nhiễm thứ cấp

1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC HIỆN NAY

1.3.1 Công nghệ xử lý nước rỉ rác trên thế giới

 Đức

Một trong những công nghệ xử lý nước rỉ rác của Đức được tham khảo là côngnghệ kết hợp giữa 3 quá trình: sinh học, cơ học và hóa học Bước đầu tiên trong côngnghệ xử lý là áp dụng các quá trình nitrat hóa và khử nitrat để loại bỏ nitơ, bên cạnh

đó bể lắng được áp dụng với mục đích lắng các bông cặn từ quá trình sinh học và đểgiảm ảnh hưởng của chất rắn lơ lửng đến quá trình oxy hóa bằng ozone bể lọc được ápdụng để loại bỏ một phần độ màu của nước rỉ rác và xử lý triệt để cặn lơ lửng Phầnchất hữu cơ khó phân hủy sinh học còn lại sau quá trình khử nitơ được oxy hóa vớiozone nhằm cắt mạch các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành các chất có khảnăng phân hủy sinh học làm tăng hiệu quả xử lý cho quá trình sinh học phía sau vàkhoáng hóa một phần chất hữu cơ tạo thành CO2 và H2O Sau bể oxy hóa bằng ozonecác thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học được tiếp tục loại bỏ trong bểtiếp xúc sinh học quay Bể lọc là bước cuối cùng của dây chuyền xử lý với mục đíchloại bỏ các cặn lơ lửng từ bể tiếp xúc sinh học quay, sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác

ở miền Bắc nước Đức được trình bày trong Hình 1.1 Với quy trình xử lý trên các

thành phần ô nhiễm chính trong nước rỉ rác như COD, NH4+ sau quá trình xử lý đạttiêu chuẩn xả vào nguồn tiếp nhận

Hình 1.1 Công nghệ xử lý nước rỉ rác của Đức

Bảng 1.5 Nồng độ nước rỉ rác trước và sau xử lý và giới hạn cho phép xả vào

nguồn tiếp nhận theo tiêu chuẩn của Đức đối với nước rỉ rác

Thông số Đơn vị Đầu

vào

Sau khửNitrat

Sau oxyhóa

Sau xử lýsinh học

Nồng độ giớihạn

(Nguồn: ATV 7.2.26, Anonymus 1996)

Tuy nhiên, công nghệ được áp dụng có chi phí vận hành cao do sử dụng ozone vàcông đoạn nitrate hóa và khử nitrate đòi hỏi năng lượng cao

 Hàn Quốc

Công nghệ xử lý nước rỉ rác của một số BCL ở Hàn Quốc cũng giống như ởĐức là áp dụng quá trình sinh học (kị khí, nitrate hoá và khử nitrate) và quá trình xử lýhóa lý (keo tụ hai giai đoạn được ứng dụng nhằm loại bỏ các chất hữu cơ khó/không

có khả năng phân hủy sinh học) Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCLSudokwon Hàn Quốc, công suất 3500 – 7500m3/ngày được trình bày trong Hình 1.2

Bể ổn định

Thiết bị phân hủy kỵ khí

Nitrat hóa

Khử nitratNước rỉ rác

(Nguồn: Jong-Choul Won et al., 2004)

Hình 1.2 Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCL Sudokwon, Hàn Quốc

Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Hàn Quốc bao gồm hai công trình chính: quátrình xử lý sinh học (quá trình phân hủy sinh học kị khí và quá trình khử nitơ) và quátrình hóa lý Trong giai đoạn đầu vận hành BCL (1992) quá trình phân hủy kị khí làmột công đoạn cần thiết để xử lý các chất hữu cơ có nồng độ cao như nước rỉ rác phátsinh trong giai đoạn đầu vận hành bãi chôn lấp, đến năm 2004, do sự giảm tải trọngchất hữu cơ sau 12 năm hoạt động (1992-2004) nên hiện tại quá trình phân hủy kị khíđược thay thế bằng quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng

Quá trình hóa lý là bước thứ hai được thực hiện tiếp theo sau quá trình sinh học

để được xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác, quá trình xử lý hóa lýbao gồm hai bậc với sử dụng hóa chất keo tụ là FeSO4 Thành phần chất ô nhiễm trongnước rỉ rác tại BCL Sudokwon Hàn Quốc cho thấy nồng độ COD đầu vào trạm xử lýkhông cao

Bảng 1.6 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý

Với tính chất nước rỉ rác của BCL Hàn Quốc có tỉ lệ BOD/COD khoảng 0.3 –0.4; Hàn Quốc cũng đã áp dụng phương pháp sinh học kết hợp hóa lý để xử lý chấthữu cơ và nitơ có trong nước rỉ rác Kết quả cho thấy bể oxy hóa amonium hoạt độngrất hiệu quả, nồng độ ammonium được xử lý đến 99% (N-NH4+ đầu ra dao độngkhoảng 1 – 20mg/L), tuy nhiên tổng nitơ đầu ra có khi lên đến 240mg/L Kết quảchứng minh rằng với nồng độ ammonium cao (2000mg/L) thì phương pháp khử nitơbằng phương pháp truyền thống không đạt hiệu quả cao là do sự ức chế của các vikhuẩn nitrosomonas và nitrobacter.

Nồng độ COD đầu ra cao có thể được giải thích rằng một số hợp chất hữu cơkhó/không phân hủy sinh học như axít fulvic vẫn không thể khử được bằng quá trìnhkeo tụ

Tóm lại, quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác của các nước trên thế giới đều

kết hợp các quá trình sinh học, hóa học và hóa lý, hầu hết các công nghệ xử lý đều bắtđầu xử lý nitơ bằng phương pháp cổ điển (nitrate hóa và khử nitrate), tuy nhiên vớinồng độ nitơ cao (2000mg/L) thì phương pháp này cũng bị hạn chế Tùy thuộc vàothành phần nước rỉ rác cũng như tiêu chuẩn xả thải mà quy trình xử lý tiếp theo đượcthay đổi với việc áp dụng quá trình cơ học (màng lọc), hóa lý (keo tụ/ tạo bông) vàoxy hóa nâng cao (Fenton, ozone, )

1.3.2 Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam

Bãi chôn lấp là phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt thích hợp nhất đangđược áp dụng ở Việt Nam do chi phí thấp, dễ vận hành và cũng là phương pháp chủyếu để giải quyết vấn đề xử lý chất thải rắn tại nước ta Tuy nhiên, phương pháp này

đã gây ra những ảnh hưởng rất lớn đối với môi trường như hoạt động của các xe vậnchuyển rác gây ra bụi, rung và tiếng ồn, khí rác, mùi, đặc biệt là nước rỉ rác là nguyênnhân chủ yếu gây ô nhiễm môi trường của các bãi chôn lấp hiện nay Công nghệ xử lýnước rỉ rác ở Việt Nam hiện nay bộc lộ rất nhiều nhược điểm nguyên nhân là do:

- Thiết kế hệ thống thu gom nước rỉ rác chưa tối ưu

- Quy trình vận hành BCL

- Thành phần chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn đô thị đưa vào BCL

- Sự thay đổi nhanh của nồng độ chất ô nhiễm có trong nước rỉ rác

- Nhiệt độ cao do Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới

- Giá thành xử lý bị khống chế

- Giới hạn về chi phí đầu tư

Ba quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác được coi là điển hình hiện đang áp dụngtại các BCL Nam Sơn (Hà Nội), Gò Cát, và Phước Hiệp (thành phố Hồ Chí Minh)được liệt kê dưới đây:

Trạm xử lý nước rỉ rác được đưa vào vận hành sau khi BCL đã hoạt động gầnmột năm (1999) với công suất 500 - 700m3/ngày.đêm Sơ đồ dây chuyền công nghệcủa trạm xử lý nước rỉ rác BCL Nam Sơn trong giai đoạn đầu được trình bày trongHình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ ban đầu của trạm xử lý nước rỉ rác Nam Sơn

Trong sơ đồ dây chuyền công nghệ này, bể UASB là công trình quan trọngnhất có khả năng tiếp nhận nước thải với nồng độ và tải trọng rất cao (COD = 50000mg/L và L = 50 – 80 kgCOD/m3.ngđ) Bể thổi khí và hồ sinh vật có nhiệm vụ giảmnồng độ chất hữu cơ và nitơ xuống giới hạn cho phép trước khi xả vào nguồn Tronggiai đoạn khởi động, UASB hoạt động khá tốt, các quan sát cho thấy lượng khí sinh rakhá lớn, hiệu quả xử lý đạt đến 70-80% Tuy nhiên sau một thời gian ngắn, hiệu quả

xử lý của UASB giảm đáng kể và trạm xử lý đã phải ngừng hoạt động sau 8 tháng vậnhành Cho đến nay, để khắc phục tình trạng trên, công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCLNam Sơn đã được cải tạo và xây dựng mới với sơ đồ công nghệ được trình bày trongHình 1.4

Bể lắng 2

Bể đệm 2Nguồn tiếp nhận

cơ Với nồng độ ammonium cao trong nước rỉ rác sẽ ảnh hưởng đến các công đoạnsinh học phía sau nên bước khử nitơ đuợc áp dụng Phương pháp xử lý nitơ được ápdụng là phương pháp đuổi khí (air stripping) với bổ sung vôi nhằm mục đích nâng pHcủa nước rỉ rác lên 10 –12 để tăng cường chuyển hóa NH4 sang NH3 Với nồng độammonium lớn hơn 1.000mg/L thì phương pháp xử lý nitơ bằng phương pháp truyềnthống không cho hiệu quả cao nhưng đối với việc áp dụng quá trình air stripping sẽ cóhiệu quả hơn Sau quá trình air stripping nước rỉ rác được chỉnh pH (6.5 ÷ 7.5) trướckhi vào hệ thống xử lý sinh học bằng quá bùn hoạt tính lơ lửng dạng mẻ, trong quátrình này các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học sẽ được khử và ammoniumcòn lại sau quá trình air stripping cũng được khử triệt để hơn trong giai đoạn này Kếtiếp nước rỉ rác lại được xử lý bằng hệ thống UASB đây là công trình xử lý chất hữu

cơ với tải lượng chất hữu cơ cao, đây chính là điểm không hợp lý của công nghệ xử lý

vì với nồng độ COD đầu vào thấp và phần chủ yếu là các hợp chất hữu cơ khó/không

có khả năng phân hủy sinh học thì áp dụng UASB sẽ không có hiệu quả Các hợp chấthữu cơ khó/không phân hủy sinh học được khử bằng quá trình oxy hóa bậc cao (hệFenton) Sau bước Fenton quá trình keo tụ/tạo bông kết hợp lắng với chất keo tụ là

Bể chứa bùn

PAC và chỉnh pH về ngưỡng tối ưu được thực hiện trong bể Semultech Với quá trìnhFenton và keo tụ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy được loại bỏ một phần mà chủyếu là axít humic Các chất hữu cơ khó phân hữu còn lại trong nước rỉ rác chủ yếu làaxít fulvic được xử lý triệt để bằng quá trình hấp phụ sử dụng than hoạt tính, sau bướcnày nước rỉ rác được khử trùng trước khi thải vào nguồn tiếp nhận, thành phần nước rỉrác sau hệ thống xử lý tại BCL Nam Sơn – Hà Nội được trình bày trong Bảng 1.7.

Bảng 1.7 Thành phần NRR sau hệ thống xử lý tại BCL Nam Sơn – Hà Nội

21 Coliform MPN/100ml 1950 10000

(Nguồn: Công ty cổ phần kỹ thuật SEEN 01/2006)

Bãi chôn lấp Gò Cát có diện tích 25 ha với vốn đầu tư lên đến 22 triệu USDđược xây dựng theo tiêu chuẩn cao hơn (tiêu chuẩn của bãi chôn lấp vệ sinh hiện đại),thời gian họat động của BCL Gò Cát từ năm 2001 đến 2006 Hệ thống xử lý NRR tạiBCL Gò Cát được xây dựng với công suất 400m3/ngày đêm Sơ đồ dây chuyền xử lýnước rỉ rác của bãi chôn lấp Gò Cát theo công nghệ của Hà Lan được trình bày tóm tắttrong Hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ dây chuyền công nghệ ban đầu của trạm xử lý nước rỉ rác Gò Cát

Với dây chuyền công nghệ trên, trong giai đoạn đầu vận hành BCL nước rỉ rác

đã bị pha loãng bởi nước mưa và đã bị phân hủy sinh học (nồng độ COD chỉ còn trên

Nguồn tiếp nhận

dưới 1000 mg/L) cho thấy kết quả rất tốt, nồng độ COD còn lại khoảng 17-32 mg/L,các thành phần khác đều đạt Nhưng khi BCL hoạt động với công suất 2000 tấn/ngày

và lượng nước rỉ rác sinh ra có nồng độ COD lên đến 50000-60000 mg/L, thì hiệu quả

xử lý chỉ còn trên dưới 50%, nồng độ COD của nước rỉ rác sau khi xử lý còn hơn

20000 mg/L, thời gian hoạt động và công suất của thiết bị UF giảm đáng kể, thời gianhoạt động giảm từ 24 – 48h còn 2 – 3h và lưu lượng giảm từ 17.8 m3/h còn 8-9 m3/h.Sau đó toàn bộ hệ thống đã phải ngưng hoạt động và yêu cầu tư vấn Hà Lan hiệuchỉnh lại

Với hiệu quả xử lý thấp, hệ thống xử lý nước rỉ rác được thiết kế và xây dựnglại với sơ đồ công nghệ được trình bày trong Hình 1.6

Bể hiếu khíHậu khử NitơNước rỉ rác

Bể lắng

Bể chứa

Xử lý hoá lý

Bể lọc cátMàng lọc nano

Hình 1.6 Công nghệ xử lý nước rỉ rác cải tiến tại bãi chôn lấp Gò Cát

Công nghệ xử lý được áp dụng bao gồm quá trình sinh học kết hợp hóa lý vàchức năng của mỗi công trình chính như sau:

− Khử Canxi: loại bỏ hàm lượng Canxi có trong nước rỉ rác để tránh hiện tượngbêtông hoá trong bể UASB

− UASB: ứng dụng với mục đích xử lý các hợp chất hữu cơ với tải trọng cao

− Tiền hiếu khí, và khử Nitơ: đây là các quá trình chính để xử lý các hợp chấtnitơ

− Hóa lý (keo tụ): khử các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủysinh học như humic, lignin

− Lọc màng Nano: xử lý các hợp chất hữu cơ còn lại sau quá trình hóa lý

Bảng 1.8 Thành phần nước rỉ rác BCL Gò Cát trước và sau xử lý (mẫu lấy ngày

Rỉ Rác vào

UASB Tiền

khử nitơ

 Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại Bãi Chôn Lấp Phước Hiệp

 Trung tâm CENTEMA

Bãi chôn lấp Phước Hiệp giai đoạn 1 có diện tích 43ha, tổng lượng chất thải rắnđược xử lý là 2600000 tấn, thời gian vận hành từ 2003 đến nay Hệ thống xử lý nước

rỉ rác được xây dựng vào năm 2003 với công suất 400m3/ngày đêm Quá trình xử lýcủa hệ thống được thực hiện qua các bước:

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ BCL Phước Hiệp

Trong giai đoạn đầu vận hành BCL hàm lượng các chất hữu cơ rất cao COD 57325mgO2/L, tỉ lệ BOD/COD rất cao 80 - 90% Công nghệ tổng hợp xử lý nước rỉ rác thíchhợp nhất là kết hợp giữa các quá trình xử lý sinh học (UASB, ASBR, hệ thống hồ sinhhọc) Với công nghệ này nước rỉ rác sau xử lý có thể đạt tiêu chuẩn giới hạn cho phép

xả vào nguồn loại B (TCVN 7733-2007) Nhưng chỉ sau hơn 1 năm vận hành nồng độCOD giảm từ 50574 – 57325mg/L xuống 1375 – 2683mg/l, tỉ lệ BOD/COD thấp, hàmluợng nitơ cao, và hàm lượng các chất khó phân hủy sinh học tăng làm cho hệ thống

xử lý không còn hiệu quả và hiện tại hệ thống xử lý đang được cải tạo

 Công ty TNHH Khoa Học Công Nghệ Môi Trường Quốc Việt

Năm 2004 Công ty Khoa Học Công Nghệ Môi Trường Việt đầu tư xây dựng hệthống xử lý nước rỉ rác với công suất 800m3/ngày Công nghệ xử lý nước rỉ rác củaCông ty Quốc Việt áp dụng là kết hợp phương pháp sinh học và hóa lý, nước rỉ rác từ

hồ chứa của BCL được bơm vào hồ tiếp nhận, tại đây axít H2SO4 được cho vào nhằmlàm giảm pH của nước rỉ rác để tạo môi trường thuận lợi cho quá trình kị khí diễn rađạt hiệu quả cao, để đảm bảo điều kiện kị khí toàn bộ mặt thoáng của hồ được phủbằng một lớp bạt nhựa Tiếp theo nước tự chảy sang hồ phản ứng, ở đây FeCl3 đượcđưa vào và sử dụng hệ thống thổi khí để hòa trộn phèn với nước rỉ rác, nước rỉ rácđược tiếp tục xử lý tại hồ hiếu khí sau đó tự chảy vào hồ lắng, và cuối cùng được dẫnvào hồ sinh học sử dụng thực vật nước, nước sau hồ sinh học nước rỉ rác có màu vàngnhạt Được sự cho phép của Công ty Môi Trường Đô Thị nước rỉ rác sau hồ sinh họcđược pha loãng bằng nước ngầm với tỉ lệ nước rỉ rác và nước sạch là 6:1 trước khi xảvào kênh 15

Bảng 1.9 Nồng độ nước rỉ rác trước và sau hệ thống xử lý của BCL Phước Hiệp

Raphảnứng

Rahiếukhí

HSH2

Đầura

TCVN5945–1995,cộtB

nhưng nồng độ các chất ô nhiễm ở đầu ra COD 77mg/L, N-NH3 22mg/L, như vậy cóthể nói tỉ lệ nước sạch dùng pha loãng với nước rỉ rác trước khi xả thải nhiều hơn sovới tỉ lệ 6:1 đã ghi nhận tại bảng theo dõi của Công ty Môi Trường Đô Thị TP

Cho đến nay, hầu hết các HTXL nước rỉ rác của các BCL ở Tp HCM đềukhông đạt tiêu chuẩn xả thải (đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và ammonia) cũng nhưcông xuất xử lý

Với thành phần phức tạp và thay đổi rất nhanh của nước rỉ rác, công nghệ xử lýnước rỉ rác của các nước trên thế giới đều kết hợp các quá trình sinh học, hóa học vàhóa lý Hầu hết các công nghệ xử lý đều bắt đầu với xử lý nitơ bằng phương pháp cổđiển (nitrate hóa và khử nitrate), với nồng độ ammonia nhỏ hơn 1000mg/L phươngpháp nitrate hóa và khử nitrate cho hiệu quả khử cao nhưng với nồng độ nitơ lớn hơn1000mg/L thì phương pháp này cũng bị hạn chế điều này được chứng minh trongtrường hợp của BCL Sudokwon Hàn Quốc, BCL Nam Sơn, Gò Cát và Phước Hiệpcủa Việt Nam Phụ thuộc vào tiêu chuẩn xả thải của mỗi nước các bước xử lý tiếp theosau quá trình sinh học để xử lý các hợp chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủythường được áp dụng là hóa lý (keo tụ/tạo bông, than hoạt tính), oxy hóa nâng cao(Fenton, ozone, ), màng lọc

1.4 VAI TRÒ CỦA PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA BẬC CAO TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Các qui định về chất lượng nước đang ngày càng trở lên khắt khe hơn trong

nhiều thập kỷ gần đây Cùng với xu hướng gia tăng những vấn đề đáng lo ngại trongmôi trường thì một vấn đề rất đáng chú ý là cần làm gì đối với nước rỉ rác chứa cáchợp chất hữu cơ tan, những chất mà hoặc có độc tính hoặc khó phân hủy sinh học.Trong thời gian gần đây đã có nhiều nỗ lực để giảm thiểu lượng và tính độc của nước

rỉ rác, xử lý sinh học được xem là sự lựa chọn kinh tế nhất so với các phương phápkhác Tuy nhiên đối với nước rỉ rác chứa các chất hữu cơ độc hại và khó phân hủysinh học thì phương pháp này lại tỏ ra không hiệu quả Ôxi hóa nâng cao (AOPs-Advanced Oxidation Processes) trong trường hợp này lại là một sự lựa chọn hợp lý.AOPs là những phương pháp tạo ra một lượng lớn các chất trung gian có hoạt tínhcao, trong đó quan trọng nhất là các gốc hydroxyl có khả năng ôxi hóa hầu hết cácchất ô nhiễm hữu cơ Trong AOPs thì quá trình Fenton và các quá trình kiểu Fenton

(Fenton- like processes) được biết đến là phương pháp hiệu quả và không quá đắt choquá trình làm sạch nước rỉ rác

Vai trò của quá trình oxy hóa này trong các công trình xử lý bao gồm:

- Biến đổi chất khó phân hủy bằng vi sinh thành chất dễ phân hủy do thay đổicấu trúc liên kết của các hợp chất này

- Biến đổi các chất không thể phân hủy hay độc hại thành chất có thể phân hủyđược do thay đổi cấu trúc liên kết, hoặc thành phần của các hợp chất này, biếnchúng thành các hợp chất ít hoặc không còn gây độc hại

- Oxy hóa triệt để, biến các hợp chất cacbon hữu cơ thành CO2

1.5 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH FENTON

1.5.1 Quá trình Fenton đồng thể

Hệ tác nhân Fenton cổ điển là một hỗn hợp gồm các ion sắt hóa trị 2 và hydroperoxit H2O2, chúng tác dụng với nhau sinh ra gốc tự do *OH, còn Fe2+ bị oxi hóathành Fe3+ theo phản ứng:

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + *OH + OH

-Phản ứng Fenton đã tiếp tục được nhiên cứu bởi rất nhiều tác giả sau này Cácnghiên cứu đã cho thấy ngoài phản ứng trên là phản ứng chính thì trong quá trìnhFenton còn có xảy ra các phản ứng khác Tổng hợp lại bao gồm:

Theo các tác giả trên thì gốc tự do *OH sinh ra có khả năng phản ứng với Fe2+

và H2O2 theo các phản ứng (3) và (4) nhưng quan trọng nhất là khả năng phản ứng vớinhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành các gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao, từ đó sẽphát triển tiếp tục theo kiểu dây chuỗi:

*OH + RH H2O + *R oxy hóa tiếp các chất khác (8)

Tuy cơ chế hình thành gốc hydroxyl vẫn còn nhiều tranh cãi, tuyệt đại đa sốđều nhất trí cao với cơ chế quá trình Fenton xảy ra theo các phản ứng (1) – (7) nêutrên và thừa nhận vai trò của gốc hydroxyl tạo trong quá trình này (Neyens vàBaeyens, 2003).

1.5.2 Quá trình Fenton dị thể

Nhược điểm chủ yếu của quá trình Fenton đồng thể là phải thực hiện ở pHthấp, sau đó phải nâng pH của nước thải sau xử lý lên > 7 bằng nước vôi hoặc dungdịch kiềm nhằm chuyển các ion Fe3+ vừa hình thành từ chuỗi phản ứng trên sang dạngkeo Fe(OH)3 kết tủa Lượng kết tủa này được tách khỏi nước nhờ quá trình lắng hoặclọc, kết quả là tạo ra một lượng bùn sắt kết tủa khá lớn Để khắc phục nhược điểmtrên, đã có nhiều công trình nghiên cứu thay thế xúc tác sắt dạng dung dịch (muối sắt)bằng quặng sắt Goethite (α-FeOOH), cát có chứa sắt hoặc sắt trên các loại chất mangkhác nhau như Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolite (Lin và Gurol, 1996;Ravikumar và Gurol, 1994)… Quá trình này xảy ra cũng giống như quá trình Fenton

đã đề cập ở trên nên gọi là quá trình kiểu Feonton dị thể

Cơ chế quá trình dị thể kiểu như Fenton xảy ra với H2O2 trên quặng sắt loạiGoethite (α-FeOOH) có thể xảy ra theo cơ chế đơn giản nhất như sau (Lu, 2000):

- Phản ứng Fenton được khởi đầu bằng việc sinh ra Fe2+ nhờ sự có mặt của H2O2

xảy ra hiện tượng khử - hòa tan Goethite:

α-FeOOH(r) + 2H+ + 1/2H2O2 Fe2+ + ½ O2 + 2H2O (9)

- Sau đó, xảy ra sự tái kết tủa Fe3+ về Goethite:

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + *OH + OH- (1)

Fe3+ + H2O + OH- α-FeOOH(s) + 2H+ (10)Theo cơ chế trên, trên khía cạnh nào đó thì quá trình dị thể cũng tương tự nhưquá trình Fenton đồng thể với khởi đầu là xảy ra sự khử và hòa tan Fe2+ vào dung dịch

1.5.3 Quá trình quang Fenton

Phản ứng Fenton là phản ứng phân hủy H2O2 dưới tác dụng xúc tác của Fe2+:

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + *OH + OH- (1)Gốc *OH tạo ra có thể tác dụng với các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước đểphân hủy, khoáng hóa chúng, hoặc cũng có thể tác dụng lại với ion Fe2+ để tạo Fe3+:

Mặt khác, sự phân hủy H2O2 cũng có thể xảy ra dưới tác dụng xúc tác của Fe3+

theo phản ứng:

Fe3+ + H2O2 Fe2+ + *HO2 + H+ (2)Phản ứng (2) dẫn đến sự tạo thành Fe2+ nên lại tiếp tục xảy ra phản ứng Fenton(1) Tuy nhiên vì hằng số tốc độ phản ứng (2) rất thấp so với tốc độ phản ứng (1), nênquá trình phân hủy H2O2 chủ yếu do phản ứng (1) thực hiện Vì thế trong thực tế, phảnứng (1) xảy ra với tốc độ chậm dần sau khi toàn bộ Fe2+ đã sử dụng hết và chuyểnthành Fe3+

Các nghiên cứu có liên quan được tiến hành trong khoảng 2 thập kỉ trở lại đâyđều cho thấy tốc độ phản ứng (1) và thậm chí cả phản ứng (2), nếu được thực hiện với

sự có mặt của ánh sáng thuộc vùng tử ngoại (UV) và lân cận tử ngoại với khả kiến(UV-VIS) đều được nâng cao rõ rệt và nhờ đó có thể khoáng hóa dễ dàng các chất ônhiễm hữu cơ, thậm chí cả những chất hữu cơ khó phân hủy như các loại thuốc trừ sâuhay các chất diệt cỏ Quá trình này được gọi là quá trình quang Fenton, thực chất làquá trình Fenton được nâng cao nhờ bức xạ của các photon ánh sáng

Bản chất của hiện tượng trên là ở pH thấp (pH < 4), ion Fe3+ phần lớn sẽ nằmdưới dạng phức [Fe3+(OH)]2+ và chính dạng này hấp thu ánh sáng UV trong miền bướcsóng 250 < λ < 400 nm rất mạnh (mạnh hơn hẳn so với ion Fe3+) Sự hấp thu bức xạcủa [Fe3+(OH)]2+ trong dung dịch cho phép tạo ra một số gốc hydroxyl *OH phụ thêm:

Fe3+ + H2O [Fe3+(OH)]2+ + H+ (11)[Fe3+(OH)]2+ + hv Fe2+ + *OH (12)Tiếp theo sau phản ứng (12) sẽ là phản ứng Fenton thông thường đã đề cập ởtrên (1) Như vậy, rõ ràng là nhờ tác dụng của bức xạ UV, ion sắt được chuyển hóa từtrạng thái Fe3+ sang Fe2+ và sau đó ngược lại, từ Fe2+ sang Fe3+ bằng quá trình Fentonthông thường tạo thành một chu kỳ không dừng Đây chính là điểm khác biệt cơ bảngiữa quá trình quang Fenton với quá trình Fenton thông thường là quá trình bị chậmdần do Fe2+ chuyển một chiều thành Fe3+ cho đến khi không còn Fe2+ trong dung dịch(Trần Mạnh Trí và Trần Mạnh Trung, 2006)

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình Fenton và quang Fenton

- Ảnh hưởng của độ pH

- Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và tỉ lệ Fe2+ : H2O2

- Ảnh hưởng của các anion vô cơ

- Ảnh hưởng của bước sóng bức xạ (đối với quá trình quang Fenton)

1.6 ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP FENTON

Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻ và cósẵn, đồng thời không độc hại và dễ vận chuyển, dễ sử dụng trong khi hiệu quả ôxi hóanâng cao cao hơn rất nhiều so với sử dụng H2O2 một mình, đồng thời không gây ra cácchất độc hại hoặc các chất có màu trong quá trình xử lý Áp dụng quá trình Fenton để

xử lý nước rỉ rác có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2,

H2O và các ion vô cơ Nó có thể tiến hành ở nhiệt độ bình thường và không có yêu cầu

nào về ánh sáng Tác nhân này có hiệu quả rõ ràng, dễ dàng lưu kho và an toàn

Ngày nay phản ứng Fenton được dùng để xử lý các loại chất thải công nghiệpkhác nhau, chứa những hợp chất hữu cơ độc hại (phenol, formaldehyde, nước thải dệtnhuộm, thuốc trừ sâu, chất phụ gia, nước rỉ rác,…) Qúa trình này có thể áp dụng chonước thải, bùn thải hay đất ô nhiễm để:

1 Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải dệt nhuộm

2 Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp

3 Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải sản xuất giấy

4 Ứng dụng quá trình Fenton trong xử lý nước thải sản xuất thuốc trừ sâu

CHƯƠNG 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

Địa điểm lấy mẫu: Hồ chứa trung gian và bể lắng 2 (sau bể Aeroten) của khu

xử lý nước rỉ rác BCL Phước Hiệp - Huyện Củ Chi, Tp Hồ Chí Minh

Hình 2.1 Hồ chứa nước rỉ rác, nơi lấy mẫuNước rỉ rác của BCL Phước Hiệp có các thông số môi trường trước và sau xử

lý sinh học được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần nước rỉ rác BCL Phước Hiệp trước và sau xử lý sinh học

Hình 2.2 Mạt sắt sử dụng trong nghiên cứu

- Một số hóa chất khác và các dụng cụ, máy móc sử dụng phục vụ thí nghiệm

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm dựa trên cơ sở khảo sátcác yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy của các chất hữu cơ khó phân hủy trongnước rỉ rác bằng phản ứng oxy hóa bậc cao với tác nhân Fenton truyền thống vàFenton cải biên Các yếu tố tham gia vào phản ứng như: pH, H2O2, xúc tác Fe2+, nồng

độ các chất, thời gian, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến khả năng, hiệu quả phân hủy

Kỹ thuật lấy mẫu, vận chuyển bảo quản mẫu theo tiêu chuẩn TCVN 2007

2.2.2 Mô hình thực nghiệm

Mô hình Jartest: Dựa trên mô hình có sẵn trong phòng thí nghiệm Khoa Môi

Trường - trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Thiết bị gồm 6 cánh khuấy quay cùng tốc

độ Nhờ hộp số tốc độ quay có thể điều chỉnh được ở khoảng 10- 200 vòng/ phút.Cánh khuấy dạng turbine gồm 2 bản nằm cùng mặt phẳng đứng và đặt trong 6 cốc(beaker) với thể tích mỗi cốc là 1000 ml