nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng mô hình công nghệ sinh học kết hợp lọc ngược bùn sinh học (upflow sludge blanket filtration - usbf)

Trong quá trình hoạt động của bãi rác, các thành phần trong nước rỉ rác biến đổi qua các giai đoạn như sau:Trương Thanh Cảnh, 2009  Giai đoạn 1 – giai đoạn thích nghi ban đầu Sau một t

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG

MÔ HÌNH CÔN G NGHỆ SINH HỌC KẾT HỢP LỌC NGƯỢC BÙN SINH HỌC (UPFLOW SLUDGE BLANKET

FILTRATION - USBF)

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS TRƯƠNG THANH CẢNH Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CHÍNH THỐNG

MSSV: 0851110232 Lớp: 08DSH5

( Phiếu này được dán ở trang đầu tiên của quyển báo cáo ĐATN)

1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài:

Nguyễn Chính Thống - MSSV: 0851110232 - Lớp: 08DSH5

Ngành : Công Nghệ Sinh Học

Chuyên ngành : Công Nghệ Sinh Học

2 Tên đề tài : Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng mô hình công nghệ sinh học

kết hợp lọc ngược bùn sinh học (Upflow Sludge Blanket Filtration – USBF)

3 Các dữ liệu ban đầu :

Nghiên cứu hiệu quả xử lý COD, N – NH3, N – NO2-, N – NO3- trong nước rỉ rác bằng mô hình công nghệ sinh học kết hợp lọc ngược bùn sinh học USBF

4 Các yêu cầu chủ yếu :

- Thu thập tổng hợp tài liệu nước rỉ rác trên thế giới và Việt Nam

- Nghiên cứu và vận hành mô hình bể USBF trong phòng thí nghiệm

- Phân tích các chỉ tiêu COD và nitrat hóa, khử nitrat của mẫu nước rỉ rác trước và sau thí nghiệm

5 Kết quả tối thiểu phải có:

1) Hiệu quả xử lý COD và nitrat hóa, khử nitrat của mẫu nước rỉ rác

2) Đánh giá sự thích hợp của mô hình USBF khi áp dụng xử lý nước rỉ rác

Ngày giao đề tài: 02/05/2012 Ngày nộp báo cáo: 21/07/2012

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước ta đang trong thời kỳ phát triển kinh tế - xã hội, quá trình công nghiệp hóa đòi hỏi yêu cầu phát triển bền vững, trong đó bao hàm với bảo vệ môi trường.Cùng với chất lượng cuộc sống của người dân ngày càng được cải thiện thì

vấn đề môi trường lại càng được quan tâm, đặc biệt là rác thải và nước thải Với dân

số đạt 87.84 triệu người đứng ở vị trí thứ 13 thế giới (Tổng Cục Thống Kê, 2011) thì rác thải sinh ra từ mọi hoạt động của con người ngày càng tăng về khối lượng Hầu hết rác thải ở nước ta nói chung và Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng đều 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

Theo thống kê của Sở Tài nguyên - Môi trường thành phố Hồ Chí Minh (2011) thì có 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 nói riêng là chôn lấp Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có 4 bãi chôn lấp (BCL) trong đó có 2 BCL đã ngừng tiếp nhận rác là Đông Thạnh và Gò Cát và 2 BCL đang hoạt động là Đa Phước và Phước Hiệp Tổng khối lượng rác đã được chôn lấp tại 2 BCL trên đã lên đến con số 7.900.000 tấn, trong đó Đa Phước là 3.500.000 tấn, và Phước Hiệp là 4.500.000 tấn Sự quá tải đó đã dẫn đến những hậu

quả về mặt môi trường, như mùi phát sinh từ các BCL phát tán hàng vào các khu vực dân cư xung quanh Ngoài ra một vấn đề nghiêm trọng nữa là sự tồn đọng của hàng trăm ngàn mét khối nước rỉ rác tại các BCL Lượng nước rỉ rác phát sinh thêm

mỗi ngày khoảng 1.000 - 1.500m3

tại các BCL đang là vấn đề cần được giải quyết

Do thành phần phức tạp và khả năng gây ô nhiễm cao mà việc xử lý nước rỉ rác đòi hỏi một dây chuyền công nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý như

xử lý cơ học, xử lý hóa - lý, xử lý sinh học để đạt tiêu chuẩn thải Mặc dù mỗi BCL đều có hệ thống xử lý nước rỉ rác nhưng các phương pháp xử lý nước rỉ rác đang được áp dụng vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, các chỉ tiêu ô nhiễm COD, BOD, N, P, các

kim loại nặng rất caovà công nghệ xử lý tiêu tốn nhiều hóa chất, giá thành xử lý rất cao, khó kiểm soát, hay công suất xử lý không đạt thiết kế Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp mới xử lý nước rỉ rác, thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và điều kiện khí hậu tại nước ta là một bài toán đang được đặt ra trong thời gian gần đây

Mô hình công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược bùn sinh học (Upflow Sludge Blanket Filter - USBF)xử lý nước thải là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đó có sự kết hợp 3 quá trình Anoxic, Aeration và lọc dòng ngược bùn sinh học trong một đơn vị xử lý nước thải Công nghệ này được giới thiệu đầu tiên ở Mỹ những năm 1990, sau đó được áp dụng ở châu Âu từ năm 1998 trở lại đây, công nghệ này vẫn chưa được sử dụng nhiều ở Việt Nam Hy vọng với những tính năng vượt trội của mô hình USBF sẽ được sử dụng rộng rãi, có thể tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng, vận hành hệ thống đơn giản

Dựa trên những cơ sở đó, đề tài “ Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác

bằng mô hình công nghệ sinh học kết hợp lọc ngược bùn sinh học (Upflow Sludge Blanket Filtration – USBF)” được hình thành, với mong muốn nghiên cứu tìm ra phương pháp xử lý nước rỉ rác mới đạt hiệu quả cao, thời gian xử lý nhanh, hoá chất dễ tìm và chi phí vận hành không quá lớn, góp phần đa dạng hóa công nghệ xử lý nước rỉ rác

2 M ục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng mô hình công nghệ sinh

học kết hợp lọc ngược bùn sinh hoc (USBF) thông qua các chỉ tiêu ô nhiễm : COD, N-NH3, N-NO3-, N-NO2-

3 Ph ạm vi nghiên cứu

 Địa điểm nghiên cứu: phòng thí nghiệm phân tích môi trường thuộc viện Khoa Học Công Nghệ Và Quản Lý Môi Trường, trường Đại Học Công Nghiệp TP

Hồ Chí Minh

4 Kết cấu của đề tài

Kết cấu đồ án tốt nghiệp bao gồm 5 chương:

Chương : MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO NƯỚC RỈ RÁC

Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍNH

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ Ô NHIỄM MÔI

TRƯỜNG DO NƯỚC RỈ RÁC

1.1 T ổng quan về các bãi chôn lấp rác

Hiện nay ở Việt Nam, xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) đô thị vẫn chủ

yếu vẫn là chôn lấp Thực tế trên địa bàn các thành phố lớn của Việt Nam như: Hà Nội và TP Hồ Chí Minh thì tỷ lệ CTRSH đô thị đem chôn lấp chiếm tới 80- 90%

Ví dụ trên địa bàn TP Hà Nội, tỷ lệ CTRSH đô thị đem chôn lấp 73-81%, sản xuất phân Compost <7% và tái chế 12 – 20% (URENCO Hà Nội 2006) Riêng TP.Hồ Chí Minh, ngoài 2 bãi chôn lấp (BCL) là BCL Đông Thạnh và Gò Cát đã ngừng tiếp nhận rác từ năm 2008, hiện chỉ có BCL Phước Hiệp và BCL Đa Phước vẫn còn

tiếp nhận rác nhưng ngày càng quá tải Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của các BCL là

vấn đề nước rỉ rác phát sinh từ các BCL đang là vấn đề gây bức xúc

Trên địa bàn cả nước có rất ít BCL có trạm xử lý nước rỉ rác.Riêng TP.Hồ Chí Minh thì cả bốn BCL trên đều được nhà nước quan tâm đầu tư xây dựng hiện đại và có hiệu quả xử lý cao đạt TCVN

Hiện nay, lượng rác của thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 7.000 tấn (2011)

chất thải rắn sinh hoạt phát sinh mỗi ngày đổ dồn về các bãi rác lớn là Đa Phước và Phước Hiệp và một số bãi rác nhỏ tại huyện Củ Chi, Cần Giờ, Nhà Bè

Bãi chôn l ấp rác Đông Thạnh

BCL Đông Thạnh thuộc xã Đông Thạnh, phía Bắc huyện Hóc Môn, giáp xã Bình Mỹ- Củ Chi Bãi rác Đông Thạnh bắt đầu hoạt động đổ rác một cách tự phát từ năm 1979 Đến năm 1991, nó chính thức trở thành công trường xử lý rác Đông

Thạnh trực thuộc Sở Giao Thông Công Chánh quản lý Diện tích ban đầu là 10 ha,

cho đến nay, tổng diện tích công trường xử lý rác Đông Thạnh đã lên đến 43,5 ha với công suất xử lý khoảng 4000 tấn rác/ngày

Do BCL Đông Thạnh ban đầu hình thành tự phát, không có lớp chống thấm, không có hệ thống thu gom khí và nước rò rỉ… Do đó vấn đề ô nhiễm môi trường ở bãi rác Đông Thạnh khá nghiêm trọng, ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ cộng đồng dân

cư và môi trường sống xung quanh

Theo ước tính, đến nay công trình rác Đông Thạnh còn tồn đọng 600000 mnước rò rỉ chưa được xửlý và một lượng nước rò rỉ phát sinh hàng ngày được bơm

và lưu trữ tại hồ Do đặc trưng của nước rò rỉ lưu trữ lâu năm nên việc xử lý rất khó khăn và phức tạp Hiện nay, BCL Đông Thạnh đã có trạm xử lý nước rỉ rác áp dụng công nghệ sinh học để xử lý

BCL Đông Thạnh đã chính thức đóng cửa vào cuối năm 2002, toàn bộ rác

thải Thành Phố chuyển qua BCL Gò Cát.Đến tháng 08/2007, BCL Gò Cát không có khả năng tiếp nhận sau 05 năm hoạt động nên BCL Đông Thạnh lại tái mở cửa.Hiện nay, BCL Đông Thạnh chỉ nhận xà bần với lượng 900 tấn/ngày

BCL Gò Cát

Sau nhiều năm thi công, công trường xử lý rác Gò Cát chính thức đi vào hoạt động từ ngày 19/01/2002 Dự án công trường xử lý rác Gò Cát có vốn đấu tư 261 tỷ đồng, trong đó Chính Phủ Hà Lan tài trợ không hoàn lại 60% BCL Gò Cát đặt tại

xã Bình Hưng Hòa – Bình Chánh có diện tích 25 ha được xây dựng theo công nghệ hiện đại nhất tại Việt Nam Đáy của BCL có tấm lót HDPE- Hight Density Polyethylen dày 2 mm, có hệ thống thu gom khí và tái sử dụng khí để phát điện, có

hệ thống thu gom và xử lý nước rỉ rác Công suất thiết kế bãi rác 2000 tấn/ngày

BCL Gò Cát có nhà máy xử lý nước rỉ rác được xây dựng từ năm 2001, do Công ty Gibros chế tạo và Công ty Vemeer – Hà Lan lắp đặt có công suất 17,5

m3/h, bước đầu vận hành chạy thử và đã xử lý xong 6000 m3 Nhưng sau khi BCL

Gò Cát chính thức tiếp nhận lượng rác theo thiết kế là 2000 tấn/ngày, đến ngày 27/01/2002 thì bị trục trặc ở hệ thống siêu lọc, công suất giảm còn khoảng 10 m3

/h, nước rỉ rác qua xử lý chưa ổn định Từ 2007 đến nay, nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò

Cát đã nghiên cứu và nâng cấp thay thế công nghệ mới do công ty kỹ thuật Seen đề xuất và xây dựng đã cải thiện chất lượng nước thải sau xử lý với công suất 200

m3/ngày đêm đạt tiêu chuẩn xả thải

Sau 05 năm hoạt động, ngày 01/08/2007, bãi rác Gò Cát chính thức đóng cửa sau hai năm lùi hẹn.Hiện nay, chỉ còn nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát hoạt động

BCL Phước Hiệp

BCL Phước Hiệp đặt tại xã Tam Tân – huyện Củ Chi khởi công xây dựng từ đầu năm 2003 theo công nghệ BCL vệ sinh như BCL Gò Cát Trạm xử lý nước rỉ rác, tạm thời giải quyết trong giai đoạn đầu, do Centenma lắp đặt cũng đã bắt đầu hoạt động, hệ thống này có công nghệ xử lý nước rỉ rác tương tự như hệ thống xử lý tại BCL Gò Cát Hiện nay, BCL Phước Hiệp cũng đang trong tình trạng quá tải vì BCL Gò Cát vừa đóng cửa, BCL mới Đa Phước mới bắt đầu hoạt động, gánh nặng của rác thải toàn Thành phố đổ dồn về đây

BCL Đa Phước

Trong thời gian BCL Đông Thạnh và Gò Cát đang ngày càng quá tải và có nguy cơ cả TP.Hồ Chí Minh ngập trong rác thì BCL Đa Phước ra đời nhằm giảm bớt áp lực cho các BCL còn lại BCL Đa Phước bắt đầu đi vào hoạt động vào năm

2008, được xây dựng nằm phía Nam Thành phố thuộc ấp 1 và ấp 2 xã Đa Phước, huyện Bình Chánh, với diện tích 73,64 ha, xung quanh là những con sông, kênh

rạch như: sông Rạch Chiếu, sông rạch Bà Lào, rạch Ngã Cạy… Cũng như BCL Gò Cát và Phước Hiệp thì BCL Đa Phước sử dụng công nghệ xử lý nền bằng lớp vật

liệu chống thấm HDPE (có tác dụng ngăn không cho nước rỉ rác thấm xuống đất)

Nhà máy xử lý nước rỉ rác tại BCL Đa Phước do công ty TNHH xử lý chất

thải rắn Việt Nam (VWS) nghiên cứu và xây dựng được chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: xây dựng nhà máy xử lý nước rỉ rác đậm đặc với công suất 280

m3/ngày đêm sử dụng công nghệ lọc thẩm thấu ngược kép

Giai đoạn 2: xây dựng nhà máy xử lý nước rỉ rác hòa trộn với nước mưa với công suất 3000m3/ngày đêm sử dụng công nghệ lọc bơm hóa chất

Giai đoạn 3: xây dựng nhà máy xử lý nước rỉ rác có công suất 1000 m3

/ngày đêm sử dụng quy trình màng lọc sinh học

1.2 T ổng quan về nước rỉ rác

1.2.1 S ự hình thành nước rỉ rác

Nước rỉ từ bãi rác (nước rỉ rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất dưới bãi chôn lấp Trong giai đoạn hoạt động

của bãi chôn lấp, nước rỉ rác hình thành chủ yếu do nước mưa chảy tràn thấm vào BCL và nước ép ra từ các lỗ rỗng của chất thải do các thiết bị dầm nén

Nước rỉ rác được hình thành khi độ ẩm của rác vượt quá độ giữ nước.Độ giữ nước của chất thải rắn là lượng nước lớn nhất được giữ lại trong các lỗ rỗng mà không phát sinh ra dòng thấm hướng xuống, dưới tác dụng của trọng lực.Khả năng giữ nước (FC – Field Capacity) của chất thải rắn là tổng lượng nước có thể lưu lại trong bãi rác dưới tác dụng của trọng lực.FC của chất thải rắn là yếu tố rất quan trọng trong việc xác định sự hình thành nước rỉ rác.FC thay đổi tùy thuộc vào trạng thái bị nén của rác và việc phân hủy chất thải trong bãi chôn lấp.Cả rác và lớp phủ đều có khả năng giữ nước trước sức hút của trọng lực FC có thể tính theo công thức sau :

W 10000

W 55 , 0 6 , 0 FC

+

−

=Trong đó :

• FC : khả năng giữ nước (tỷ lệ giữ nước và trọng lượng khô của chất thải rắn)

• W : khối lượng vượt tải (overburden weight) được tính tại chính giữa chiều cao bãi chôn lấp, pound

Các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác bao gồm nước từ phía trên bãi chôn lấp,

độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép

Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu, lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến lượng nước rỉ rác sinh ra Tốc độ phát sinh nước

rỉ rác dao động lớn theo các giai đoạn hoạt động khác nhau của bãi rác Trong suốt những năm đầu tiên, phần lớn lượng nước mưa thâm nhập vào được hấp thụ và tích trữ trong các khe hở và lỗ rỗng của chất thải chôn lấp Lưu lượng nước rỉ rác sẽ tăng lên dần trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần sau khi đóng cửa bãi chôn lấp do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên trên mặt giữ nước làm giảm độ ẩm thấm vào

1.2.2 Thành ph ần và tính chất nước rỉ rác

Thành phần nước rỉ rác thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp, loại rác, khí hậu.Mặt khác, độ dày, độ nén và lớp nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần nước rỉ rác

Thành phần và tính chất nước rỉ rác còn phụ thuộc vào các quá trình lý, hóa, sinh xảy ra trong bãi chôn lấp Các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi chôn lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ từ chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được chia thành các nhóm chủ yếu sau:

- Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0-200

Trong quá trình hoạt động của bãi rác, các thành phần trong nước rỉ rác biến

đổi qua các giai đoạn như sau:(Trương Thanh Cảnh, 2009)

 Giai đoạn 1 – giai đoạn thích nghi ban đầu

Sau một thời gian ngắn từ khi chất thải rắn được chôn lấp thì các quá trình phân hủy hiếu khí sẽ diễn ra, bởi vì trong bãi rác còn có một lượng không khí nhất định nào đó được giữ lại Giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa sinh hoá thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo và một lượng nhất định chất cellulose Giai đoạn 1 có thể kéo dài một vài ngày cho đến vài tháng, phụ thuộc vào tốc độ phân hủy và các vi sinh vật

 Giai đoạn 2 - giai đoạn chuyển tiếp

Khi oxy bị cạn kiệt dần và sự phân hủy chuyển sang giai đoạn kỵ khí Khi

đó, nitrat và sulphat là chất nhận điện tử cho các phản ứng chuyển hóa sinh học và chuyển thành khí nitơ và hydro sulfit Khi thế oxy hóa giảm, cộng đồng vi khuẩn chịu trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong rác thải thành CH4, CO2 ưu thế theo 3 bước (thủy phân, lên men axit và lên men metan) chuyển hóa chất hữu cơ thành axit

Thời gian

Hình 1.1 Sự biến thiên các thành phần trong nước rỉrác

COD

pH VAF

Fe, Zn

hữu cơ và các sản phẩm trung gian khác (giai đoạn 3) Trong giai đoạn 2, pH của nước rỉ rác sẽ giảm xuống do sự hình thành của các loại axit hữu cơ và ảnh hưởng của nồng độ CO2 tăng lên trong bãi rác

 Giai đoạn 3 - giai đoạn lên men axit

Các vi sinh vật kỵ khí trong giai đoạn 2 gia tăng tạo ra một lượng lớn các axit hữu cơ và một lượng ít khí hydro Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện cả yếm khí lẫn kỵ khí nghiêm ngặt Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino acid, đường… được chuyển hoá thành các axit béo bay hơi (VFA), alcohols, CO2 và N2 Trong giai đoạn này, pH nước rỉ rác thường sẽ giảm xuống 5 hoặc thấp hơn do sự hiện diện các axit hữu cơ

và sự gia tăng nồng độ CO2 trong bãi rác

Giai đoạn3 có thể kéo dài sau một vài năm, thậm chí cả thập niên Nước rỉ rác tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD5 cao (>10000 mg/l), BOD5/COD > 0,5, tỷ số này cho thấy thành phần chất hữu cơ hoà tan chiếm tỷ lệ cao và dễ bị phân huỷ sinh học

 Giai đoạn 4 – giai đoạn lên men metan

Trong giai đoạn này nhóm vi sinh vật thứ hai chịu trách nhiệm chuyển hóa axit acetic và khí hydro hình thành từ giai đoạn trước thành hỗn hợp CH4 và CO2 sẽ chiếm ưu thế tạo thành khí của bãi rác Đây là nhóm vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt, được gọi là vi khuẩn metan Do các axit hữu cơ và H2 bị chuyển hóa thành metan và carbonic nên pH của nước rỉ rác tăng lên đáng kể trong khoảng từ 6,8 – 8,0 Giá trị BOD5, COD, nồng độ kim loại nặng và độ dẫn điện của nước rỉ rác giảm xuống trong giai đoạn này Trong khi đó, NH3 vẫn tiếp tục thoát ra bởi quá trình lên men axittheo bậc 1 và có nồng độ rất cao trong nước rỉ rác Các chất vô cơ như: Fe, Na,

K, SO42- và Cl-tiếp tục tan và rỉ ra trong nhiều năm.

 Giai đoạn 5 - giai đoạn ổn định

Giai đoạn ổn định xảy ra khi các vật liệu hữu cơ dễ phân hủy sinh học đã được chuyển hóa thành CH4, CO2 trong giai đoạn 4.Nước sẽ tiếp tục di chuyển trong bãi chôn lấp làm các chất có khả năng phân hủy sinh học trước đó chưa được phân hủy sẽ tiếp tục đựơc chuyển hóa.Tốc độ phát sinh khí trong giai đoạn này giảm đáng kể, khí sinh ra chủ yếu là CH4 và CO2.Trong giai đoạn ổn định, nước rỉ rác chủ yếu là axit humic và axit fulvic rất khó cho quá trình phân hủy sinh học diễn

ra tiếp nữa.Tuy nhiên, khi bãi chôn lấp càng lâu năm thì hàm lượng axit humic và fulvic cũng giảm xuống

Bên cạnh các chất ô nhiễm bị phân hủy và hòa tan vào nước rỉ rác, các chất khí từ bãi chôn lấp cũng được hình thành và phát triển vào không khí gây ra hiện tượng nóng lên của trái đất (hiệu ứng nhà kính)

Khi nước thấm qua chất thải rắn đang phân hủy được chôn trong bãi rác, thì các thành phần hóa học và sinh học đã được phân hủy sẽ hòa vào nước làm tăng nồng độ ô nhiễm của nước và tạo thành nước rỉ rác

Việc tổng hợp và đặc trưng thành phần nước rỉ rác là rất khó vì có nhiều yếu

tố khác nhau tác động lên sự hình thành nước rỉ rác Nên tính chất của nước chỉ có thể xác định trong một khoảng giá trị nhất định và được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1.Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn

lấp mới và lâu năm

Thà nh phần

Gi á trị, mg/l

Bã i mới (dưới 2 năm) Bãi lâ u năm

( Trên 10 năm) Khoảng Trung bình

Bảng thống kê các chỉ tiêu của nước rỉ rác trong nhiều năm.Một điều có thể thấy rõ là các thành phần ô nhiễm trong nước rò rỉ bãi rác mới chôn lấp đều cao, đặc biệt ô nhiễm hữu cơ rất cao (COD, BOD5 cao)

Nồng độ chất ô nhiễm trong nước rò rỉ của bãi rác mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi rác chôn lấp lâu năm Bởi vì trong bãi chôn lấp lâu năm, chất thải rắn đã được ổn định do các quá trình sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã được phân hủy hầu như hoàn toàn, các chất vô cơ đã bị cuốn trôi đi Trong bãi chôn lấp mới, thông thường pH thấp, các thành phần khác như BOD5, COD, chất dinh dưỡng, kim loại nặng, TDS có hàm lượng rất cao Khi các quá trình sinh học trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan hóa thì pH sẽ cao hơn (6,8 - 8,0), đồng thời BOD5, COD, TDS và nồng độ các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) thấp đi Hàm lượng kim loại nặng giảm xuống bởi vì khi pH tăng thì hầu hết các kim loại ở trạng thái kiềm hòa tan

Khả năng phân hủy của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian Khả năng phân hủy sinh học có thể xác định thông qua tỷ lệ BOD5/COD Khi mới chôn lấp tỷ lệ này thường khoảng 0,5 hoặc lớn hơn Khi tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nước rỉ rác dễ phân hủy sinh học Trong các bãi rác lâu năm, tỷ lệ BOD5/COD rất thấp, khoảng 0,005 - 0,2 Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều axit humic và fulvic có khả năng phân hủy sinh học thấp

Khi thành phần và tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian thì việc thiết

kế hệ thống xử lý cũng rất phức tạp Chẳng hạn như, hệ thống xử lý nước rỉ rác cho bãi chôn lấp mới sẽ khác so với hệ thống xử lý của bãi rác lâu năm.Đồng thời, việc

phân tích tính chất nước rỉ rác cũng rất phức tạp bởi nước rỉ rác có thể là hỗn hợp của nước ở các thời điểm khác nhau.Từ đó, việc tìm ra công nghệ xử lý thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải nghiên cứu thực tế mới có thể tìm ra công nghệ xử lý hiệu quả

Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần tính chất nước rỉ rác

Rác được chôn trong bãi chôn lấp chịu hàng loạt các biến đổi lý, hóa, sinh cùng lúc xảy ra Khi nước chảy qua sẽ mang theo các chất hóa học đã được phân hủy từ rác Thành phần chất ô nhiễm trong nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chôn lấp, khí hậu, các mùa trong năm, chiều sâu bãi chôn lấp, độ nén, loại và độ dày của nguyên liệu phủ trên cùng, tốc độ di chuyển của nước trong bãi rác, độ pha loãng với nước mặt và nước ngầm,

sự có mặt của các chất ức chế, các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, việc thiết

kế và hoạt động của bãi rác, việc chôn lấp chất thải rắn, chất thải độc hại… Sau đây

sẽ lần lược xét qua các yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rỉrác :

a Thời gian chôn lấp

Tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian chôn lấp Theo thời gian nồng

độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác giảm dần.Thành phần của nước rỉ rác thay đổi

tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học đang diễn ra.Sau giai đoạn hiếu khí ngắn (một vài tuần hoặc kéo dài đến vài tháng), thì giai đoạn phân hủy yếm khí tạo ra axit xảy ra và cuối cùng là quá trình tạo ra khí metan.Trong giai đoạn axit, các hợp chất đơn giản được hình thành như các axit dễ bay hơi, amino axit và một phần fulvic với nồng độ nhỏ Trong giai đọan này, khi

rác mới được chôn hoặc có thể kéo dài vài năm, nước rỉ rác có những đặc điểm sau :

- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) cao

- pH nghiêng về tính axit

Khi rác được chôn càng lâu, quá trình metan hóa xảy ra Khi đó chất thải rắn trong bãi chôn lấp được ổn định dần, nồng độ ô nhiễm cũng giảm dần theo thời gian Giai đoạn tạo thành khí metan có thể kéo dài đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa Đặc điểm nước thải ở giai đoạn này :

- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp

- pH trung tính hoặc kiềm

- Nồng độ các chất vô cơ hòa tan vàkim loại nặng thấp

Theo thời gian chôn lấp đất thì các chất hữu cơ trong nước rỉ rác cũng có sự thay đổi Ban đầu, khi mới chôn lấp, nước rỉ rác chủ yếu axit béo bay hơi Các axit thường là acetic, propionic, butyric Tiếp theo đó là axit fulvic với nhiều cacboxyl

và nhiều vòng thơm Cả axit béo bay hơi và axit fulvic làm cho pH của nước rỉ rác nghiêng về tính axit Rác chôn lấp lâu thì thành phần chất hữu cơ trong nước rỉ rác

có sự biến đổi thể hiện ở sự giảm xuống của các axit béo bay hơi và sự tăng lên của axit fulvic và humic Khi bãi rác đã đóng cửa trong thời gian dài thì hầu như nước rỉ rác chỉ chứa một phần rất nhỏ các chất hữu cơ, mà thường là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

Như vậy, các quá trình phân hủy sinh hóa trong bãi chôn lấp có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và tính chất nước rỉ rác Theo thời gian, các quá trình phân hủy trong bãi chôn lấp sẽ có những biến đổi giai đoạn này sang giai đoạn khác làm

thay đổi tính chất nước rỉ rác

b Thành phần và các biện pháp xử lý sơ bộ chất thải rắn

Thành phần chất thải rắn trong bãi chôn lấp rác là yếu tố quan trọng nhất tác động đến tính chất nước rỉ rác.Khi các quá trình trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải rắn sẽ bị phân hủy Do đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rỉ rác

cũng có các đặc tính tương tự Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất độc hại thì nước rỉ rác cũng chứa nhiều thành phần độc hại…

Các biện pháp xử lý hoặc chế biến chất thải rắn cũng có những tác động đến tính chất nước rỉ rác.Chẳng hạn như, các bãi rác có rác không được nghiền nhỏ thì tốc độ phân hủy tăng lên đáng kể so với khi không nghiền nhỏ rác.Tuy nhiên, sau một thời gian dài thì tổng lượng chất ô nhiễm bị trôi ra từ chất thải rắn là như nhau bất kể là rác có được xử lý sơ bộ hay không

c Chiều sâu bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng bãi chôn lấp có chiều sâu chôn lấp càng lớn thì nồng độ chất ô nhiễm càng cao so với các bãi chôn lấp khác trong cùng điều kiện

về lượng mưa và quá trình thấm.Bãi rác càng sâu thì cần nhiều nước để đạt trạng thái bão hòa, cần nhiều thời gian để phân hủy Do vậy, bãi chôn lấp càng sâu thì thời gian tiếp xúc giữa nước và rác sẽ lớn hơn và khoảng cách di chuyển của nước

sẽ tăng Do đó quá trình phân hủy sẽ xảy ra hoàn toàn hơn nếu nướcrỉ rácchứa một hàm lượng lớn các chất ô nhiễm

d Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi

Độ dày và khả năng chống thấm của vật liệu phủ có vai trò rất quan trọng trong ngăn ngừa nước thấm vào bãi chôn lấp làm tăng nhanh thời gian tạo nước rỉ rác cũng như tăng lưu lượng và pha loãng các chất ô nhiễm từ rác vào trong nước Khi quá trình thấm xảy ra nhanh thì nước rỉ rác sẽ có lưu lượng lớn vànồng độ các chất ô nhiễm nhỏ Quá trình bay hơi làm cô đặc nước rỉ rác và tăng nồng độ ô nhiễm Nhìn chung các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, địa hình, vật liệu phủ, thực vật phủ …

e Độ ẩm rác và nhiệt độ

Độ ẩm thích hợp các quá trình sinh học xảy ra tốt.Khi bãi chôn lấp đạt trạng thái bão hòa, đạt tới khả năng giữ nước FC, thì độ ẩm trong rác là không thay đổi nhiều Độ ẩm là một trong những yếu tố quyết định thời gian nước rỉ rác được hình

thành là nhanh hay chậm sau khi rác được chôn lấp Độ ẩm trong rác cao thì nước rỉ rác sẽ hình thành nhanh hơn

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất nước rỉ rác Khi nhiệt độ môi

trường cao thì quá trình bay hơi sẽ xảy ra tốt hơn làm giảm lưu lượng nước rỉ rác Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì các phản ứng phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp càng diễn ra nhanh hơn làm cho nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao hơn

f Ảnh hưởng từ bùn cống rãnh và chất thải độc hại

Việc chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với bùn cống rãnh và bùn của trạm xử

lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rỉ rác Bùn sẽ làm tăng

độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rỉ rác Đồng thời chất dinh

dưỡng vàvi sinh vật từ bùn được chôn lấp sẽ làm tăng khả năng phân hủy và ổn định chất thải rắn Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, việc chôn lấp chất thải rắn cùng với bùn làm hoạt tính metan tăng lên, nước rỉ rác có pH thấp và BOD5 cao hơn

Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất ức chế

nhưkim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật… Đồng thời, theo thời gian các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rỉ rác và khí thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rỉ rác

Sau đây là đặc trưng nước rỉ rác của một số quốc gia phát triển trên thế giới

và một số BCL ở TP Hồ Chí Minh

Bảng 1.2 Đặc trưng nước rỉ rác của một số quốc gia phát triển

Thông số Đơn vị Số mẫu kiểm tra Giá trị TB Sai số

CHỈ TIÊU

ĐƠN VỊ

K ẾT QUẢ

Thời gian lấy mẫu

NRR mới 2,3,4/2002

NRR cũ 8/2006

NRR mới 1,4/2003

NRR cũ 8/06 NRR 2,4/ 2002 NRR 8,11/2003

Số liệu phân tích thành phần nước rỉ rác cho thấy nước rỉ rác mới tại 3 BCL đều có tính chất giống nhau là có nồng độ COD cao có thể lên đến trên 50.000 mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD cao trong khoảng 0,5 – 0,9; nồng độ NH3 không cao và giá trị pH thấp đối với nước rỉ rác mới nhưng chỉ sau một thời gian ngắn vận hành

nồng độ COD, BOD giảm rất đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD thấp, nồng độ NH4

+ tăng lên đáng kể và giá trị pH tăng

Kết quả phân tích cũng cho thấy sự khác biệt giữa thành phần nước rỉ rác tại hai BCL Gò Cát và Phước Hiệp, sau hơn 5 năm vận hành BCL Gò Cát nồng độ COD trong nước rỉ rác vẫn còn khá cao trung bình dao động trong khoảng 20.000 – 25.000 mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD dao động trong khoảng 0,45 – 0,50; với nồng độ

NH3 cao nhất lên đến > 2.000mg/l, giá trị pH lớn hơn 7,3 Trong khi đó BCL Phước Hiệp hoàn toàn khác biệt, chỉ sau gần một năm vận hành nồng độ COD giảm còn rất

thấp trung bình dao động trong khoảng 2.000 – 3.000 mgO2/L cao nhất đạt đến 5.000 mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD thấp dao động trong khoảng 0,15 - 0,30, nồng độ

NH3 tăng lên trên 1.000mg/L theo thời gian vận hành và giá trị pH lớn 8,0 Giải thích sự khác biệt số liệu giữa giữa hai BCL là do qui trình vận hành của mỗi BCL

và hệ thống thu gom nước rỉ rác ở BCL Phước Hiệp và BCL Gò Cát cũng khác nhau nên dẫn đến thành phần các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác ở 2 BCL cũng khác nhau

1.3 Tác động môi trường của nước rỉ rác

Do thành phần và tính chất đặc trưng của nước rỉ rác chứa một hàm lượng

lớn các yếu tố gây bệnh sinh học và hóa học Các yếu tố đó phát tán gây ô nhiễm đến môi trường không khí, đất, nước và gây hại cho con người

Vi sinh v ật (vsv) gây bệnh trong nước rỉ rác

Các nhóm vsv dễ lây lan và gây bệnh nhất là các vsv gây bệnh hô hấp và đường ruột, sau đây là một số loài và bệnh phổ biến trong nước rỉ rác

 Tr ực khuẩn Escherichia coli (E coli), loài này tồn tại nhiều trong môi

trường, xâm nhập qua đường ăn uống Bình thường E coli sống trong ruột người

không gây bệnh, khi cơ thể suy yếu chúng gây ra các bệnh như ỉa chảy, kiết lỵ, nguy hiểm hơn là viêm đường tiết niệu, viêm gan, viêm phế quản, viêm màng

phổi…

 Tr ực khuẩn lỵ Shigella, gây ra bệnh lỵ và thường gây thành dịch vào mùa hè

do ăn uống mất vệ sinh Shigella từ phân người vào môi trường gặp điều kiện thích

hợp như ở vùng nhiệt đới, chúng tồn tại rất lâu rồi xâm nhập vào cơ thể người khỏe qua đường tiêu hóa Nó có thể gây viêm dạ dày, ruột ở trẻ em, bệnh dễ tái phát và

có thể trở thành mãn tính…

 Tr ực khuẩn lao Mycobacterium tuberculosis, loài này khi xâm nhập vào cơ

thể có thể khu trú và gây bệnh ở rất nhiều cơ quan như như phổi, ruột, bàng quang, màng não, xương, khớp…nhưng phổ biến là gây bệnh phổi Độc tố của chúng gây

bệnh lao phổi, lao hạch, lao xương, lao thận… Mycobacterium tuberculosis lây lan

qua đường hô hấp và tiêu hóa

viêm phế quản, viêm họng và bệnh ở nhiều cơ quan khác Chúng xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, khu trú tại yết hầu làm loét thành hầu và thanh quản, tạo thành màng bao phủ khắp niêm mạc, che kín khí quản gây khó thở Đồng thời tiết độc tố làm liệt các dây thần kinh sọ não và làm xung huyết tuyến thượng thận

Ngoài các loài phổ biến trên còn các loài khác như trực khuẩn thương hàn

Pasteurella pestis…

Các kim lo ại nặng trong nước rỉ rác

Các kim loại sinh ra từ nước rỉ rác rất nhiều như sắt, đồng, chì, thủy ngân, cadimium, kẽm, niken, thạch tín… xin được đưa ra vài kim loại điển hình, phổ biến,

có tính gây hại cao

 Cadimium ( Cd ):Sự tiêu hủy những vật bằng nhựa và pin dẫn đến sự xuất

hiện của cadimium dưới dạng các hơi độc Tác hại của cadimium với con người rất nghiêm trọng, nó có khả năng tích lũy trong thận, trong đó phải kể đến là bệnh huyết áp, làm suy thận, phá hủy mô tinh hoàn và các tế bào hồng cầu

 Chì (Pb)Chì vô cơ được dùng làm sơn công nghiệp, trong các nhà máy pin,

chất dẻo tổng hợp, ắc quy chì trong xe hơi, nguyên liệu trong luyện kim chì, làm

chất xúc tác trong sản xuất polimer Một đặc tính nổi bật của chì là tích lũy trong cơ

thể với nồng độ cao lên theo thời gian Theo nước rỉ rác chì có thể xâm nhập vào cơ

thể người qua nước ngầm hay nước mặt

Tác hại nghiêm trọng của chì đối với cơ thể con người là làm giảm chức năng thận, giảm chức năng hệ thống sinh sản, gan, não và hệ thống thần kinh, gây

ốm yếu và tử vong

 Th ủy ngân (Hg)Thủy ngân có nguồn gốc nhân tạo đi vào môi trường có liên

quan đến việc sản xuất và sử dụng các nguyên tố này gồm các hóa chất thí nghiệm

bị thải bỏ, pin, nhiệt kế bị vỡ, thuốc diệt nấm, hỗn hợp thuốc trám răng và các dược

phẩm khác Vì vậy khi thiêu hủy rác y tế sẽ phát tán thủy ngân vào không khí, dạng

tự do thủy ngân có thể bay hơi ở nhiệt độ thường Thủy ngân là kim loại rất độc, đặc biệt khi ở dưới dạng methyl thủy ngân được tạo ra từ quá trình methyl hóa thủy ngân

Ngoài ra, hàm lượng hợp chất photpho và nitơ cao trong nước rỉ rác cũng gây ảnh hưởng xấu đến môi trường

1.3.1 Ô nhi ễm môi trường không khí

Môi trường không khí trong và xung quanh khu vực BCL có mùi hôi và gây cảm giác khó chịu do các khí sinh ra từ nước rỉ rác chủ yếu là NH3 (Ammonia),

CH4 (Methane), H2S (Hydrogen Sulfide) Chúng phán tán đi xa nhờ gió, gây ảnh hưởng tới đời sống cộng đồng dân cư, đến chất lượng môi trường sống và sự phát triển của kinh tế xã hội

1.3.2 Ô nhi ễm môi trường đất

Các kim loại nặng theo nước rỉ rác thấm vào đất bãi chôn lấp, từ đó chúng tích lũy vào trong đất, sau một thời gian khi các BCL đóng cửa, các kim loại nặng này sẽ dần tích tụ vào các loài thực vật phát triển ở vùng đất đó làm cho các loài thực vật đó tích lũy hàm lượng kim loại nặng cao

1.3.3 Ô nhi ễm môi trường nước

Các tác nhân gây bệnh sinh học và hóa học của nước rỉ rác có thể xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm xung quanh bãi chôn lấp, gây ảnh hưởng xấu đến hệ động thực vật thủy sinh, từ đó có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người Các tác nhân này làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước mặt; cùng với phospho,

nồng độ nitơ trong nước thải cao gây phú dưỡng hóa nguồn nước mặt xung quanh; hàm lượng kim loại nặng có thể xâm nhập và tích lũy vào trong nguồn nước ngầm

1.4 Gi ới thiệu công nghệ xử lý nước thải bằng mô hình công nghệ sinh học kết hợp lọc ngược bùn sinh học (USBF)

1.4.1 Sơ lược lịch sử mô hình USBF

Quá trình bùn hoạt tính lần đầu tiên được phát triển bởi Fowler và đồng nghiệp ở Manchester (Anh) đầu những năm 1900.Sau đó, một vài hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính đã đươc xây dựng ở Mỹ vào những năm 1920.Nhưng mãi đến những năm 1940, công nghệ bùn hoạt tính mới thực sự được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Kể từ đó, nó không ngừng được phát triển theo hướng tăng cường hiệu quả xử lý, đơn giản trong thiết kế và vận hành, chi phí thấp

và nhất là giải quyết được các vấn đề như vón bùn, nổi bọt,…Công nghệ xử lý bằng

mô hình USBF cũng ra đời trong dòng phát triển đó

Mô hình USBF là kết quả nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm trong 40 năm của nhiều nhà khoa học trên thế giới và được xem là một trong những thành tựu nổi bật nhất trong công nghệ bùn hoạt tính cải tiến hơn 20 năm qua

Mô hình hoạt động dựa trên động lực học phát triển của Lawrence và McCarty và ứng dụng nhiều khái niệm liên quan như “Vùng chọn lọc thiếu khí” (“Anoxic Selector zones”), “Lọc ngược bùn sinh học” (“Upflow Blanket Clarifier”) Những khái niệm kết hợp chặt chẽ vào quá trình USBF được phát triển cả ở châu

Âu và châu Mỹ vào những năm 1970.Sau đó 25 năm, những hình thể khác nhau của các khái niệm này được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.Ngày nay đây là một thành tựu nổi bật trong sự phát triển của công nghệ bùn hoạt tính cải tiến

1.4.2 Mô tả mô hình USBF

Mô hình này được PGS.TS Trương Thanh Cảnh và các cộng tác viên thiết

kế tại Phòng thí nghiệm phân tích môi trường.Vật liệu làm mô hình chủ yếu bằng kính trong suốt Ưu điểm của kính là dễ thiết kế, trong suốt nên dễ quan sát chế độ thủy động bên trong cũng như màu sắc của bùn hoạt tính và lại rẻ tiền

Mô hình USBF) gồm 3 ngăn chính (3 module) được kết hợp trong một bể duy nhất, gồm: ngăn thiếu khí (Anoxic Compartment), ngăn hiếu khí (Aerobic Compartment) và ngăn lọc ngược bùn sinh học (Upflow Blanket Clarifier).Hình dạng và kích thước của mô hình được thể hiện ở bảng 2.1 và hình 2.1

Trên cơ sở lý thuyết về thời gian lưu nước đã được nghiên cứu (thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí là từ 6-30 giờ (h), ngăn thiếu khí từ 1-2 h cho quá trình khử carbon và 2-8 cho quá trình khử P, chọn tỷ lệ thời gian lưu nước giữa các ngăn thiếu khí : hiếu khí : ngăn lọc ngược bùn sinh học là 1:3:1 Từ đó, suy ra tỷ lệ thể tích của ngăn thiếu khí: hiếu khí: ngăn lọc ngược bùn sinh học tương đương là 1:3:1

Ngoài ra, mô hình còn có mương chảy tràn thu nước phía trên cùng ngăn lọc ngược bùn sinh học và mương thu nước đầu vào Nếu không có mương thu nước đầu vào, chế độ thủy động bên trong ngăn thiếu khí sẽ bị tác động, ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình Hơn nữa, bộ phận này còn có tác dụng điều hòa lưu lượng, phân

bố đều nước thải, pha trộn nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn Phía trên cùng của

mương thu nước vào và mương chảy tràn đầu ra là các tấm kính được thiết kế dạng

răng cưa

Đối với ngăn lọc ngược bùn sinh học, ngăn này có hình nón, hình chiếu bên

là các tam giác, góc giữa cạnh bên với chiều dài của bể gần bằng 600 Đây là góc

thích hợp để tạo độ dốc đủ lớn cho việc thu hồi bùn (bùn sẽ tập trung lại dưới đáy)

Hơn nữa, góc này là thích hợp với kích thước và hình dạng của bể và cũng tạo diện

tích chảy bề mặt trên cùng của ngăn là 42x22 = 924 cm2 nhằm đạt được tốc độ chảy

tràn trong khoảng 6 – 10 m3

/m2/ngày

1.4.3 Các quá trình xảy ra trong mô hình USBF

Các quá trình chính xảy ra trong mô hình được trình bày trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Tóm tắt các quá trình chính xảy ra trong mô hình

1.4.3.1 Quá trình kh ử C

Đây là một trong các quá trình chính được thiết kế cho mô hình USBF.Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải vì nó ảnh hưởng đến các quá trình khác Các vi sinh vật sử dụng nguồn C từ các chất hữu cơ của nước thải để tổng hợp các chất cần thiết cung cấp cho sinh trưởng và phát triển, sinh sản tế bào mới…Trong mô hình USBF, quá trình khử C được diễn ra ở cả 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn lọc ngược bùn sinh học

1.4.3.2 Quá trình nitrat hóa (Nitrification) và khử nitrat hóa (Detrinification)

Trong tất cả các phương pháp được sử dụng để loại bỏ nitơ, kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat là phương pháp có hiệu suất cao, ổn định và giảm giá thành xử lý do đơn giản được hệ thống, tiết kiệm diện tích cho việc thiết lập hệ

thống Trong mô hình nghiên cứu này, hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat được

kết hợp trong một hệ thống nhưng diễn ra trong hai ngăn khác nhau là ngăn thiếu khí và ngăn hiếu khí

Quá trình nitrat hóa diễn ra chủ yếu trong ngăn hiếu khí của hệ thống Đây là quá trình tự dưỡng, vi khuẩn oxy hóa các hợp chất chứa nitơ trong nước (trước hết

là Amonia, NH4+) để lấy năng lượng cung cấp cho sự phát triển và sinh sản của chúng

NH4+ + 2 O2  NO3- + 2 H+ + H2O Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn nối tiếp nhau: giai đoạn nitrit hóa và giai đoạn nitrat hóa

+ Giai đoạn nitrit hóa: NH4

+ sẽ được oxy hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrit

hóa (Nitrosomonas và Nitrosospira) theo phương trình phản ứng sau:

NH4+ + 1,5 O2  NO2- + 2 H+ + H2O + Giai đoạn nitrat hóa: NO2

-Quá trình khử nitrat diễn ra chủ yếu trong ngăn thiếu khí, là quá trình khử nitrat tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử

NO3-  N2Trong quá trình này dòng tuần hoàn bùn từ ngăn hiếu khí đến ngăn thiếu khí đóng một vai trò rất lớn về mặt cung cấp nguyên liệu cho vi sinh vật hoạt động kể

cả NO3

(sản phẩm của quá trình nitrat hóa diễn ra trong ngăn hiếu khí) Đồng thời dòng tuần hoàn bùn sẽ mang theo các vi sinh vật, nguồn C tham gia vào quá trình Đây cũng là một trong những ưu điểm của mô hình này là do sự liên kết giữa các module thực hiện các chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống đơn giản

Phospho có trong nước thải cả dưới dạng các hợp chất vô cơ và hữu cơ Các

vi sinh vật sử dụng P dưới dạng orthophosphate, polyphosphate để duy trì hoạt động, dự trữ và vận chuyển năng lượng và phát triển tế bào mới…

Trong mô hình USBF, việc kết hợp 3 module thiếu khí, hiếu khí và lọc ngược bùn sinh học cùng với dòng tuần hoàn bùn hoạt tính tạo nên dòng liên tục Quá trình khửP được kết hợp với quá trình khử C, quá trình nitrat hóa và khử nitrat

Việc kết hợp các module cũng như các quá trình hỗ trợ của các vi sinh vật được luân phiên trong các điều kiện thiếu khí và yếm khí, từ đó thúc đẩy các quá trình xử

lý diễn ra vượt trội hơn mức bình thường

Nước thải vào ngăn thiếu khí đầu tiên, ở đây trong môi trường thiếu khí, các

vi khuẩn sẽ tác động phân giải các hợp chất chứa P trong nước thải để giải phóng P Dòng P hòa tan (Soluble phosphorus) từ ngăn thiếu khí theo dòng nước qua ngăn hiếu khí được các vi khuẩn ưa P hấp phụ và tích lũy Các vi khuẩn này hấp phụ P cao hơn mức bình thường vì ngoài việc phục vụ cho việc tổng hợp và duy trì tế bào,

vận chuyển năng lượng, chúng còn tích lũy một lượng dư vào trong tế bào để sử

dụng cho giai đoạn hoạt động sau Trong ngăn lọc ngược bùn sinh học, nhờ quá trình lắng của bùn hoạt tính nên P sẽ được loại bỏ Ngoài ra, nhờ dòng bùn hoạt tính

tuần hoàn trở lại nên một số vi khuẩn ưa P sẽ được tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí

sẽ tiếp tục phát triển và hấp phụcác P hòa tan có trong ngăn hiếu khí

Ngăn lọc ngược bùn sinh học là một module đóng vai trò cực kỳ quan trọng,

ưu điểm chính của mô hình được thể hiện ở module này.Quá trình lọc dòng ngược

với quá trình lắng diễn ra ở đây Ngăn lọc ngược bùn sinh học có dạng hình trụ chóp ngũ diện úp ngược, đáy là hình chữ nhật hướng lên, đỉnh hướng xuống, mặt bên là các hình tam giác Vì vậy việc thu hồi bùn lắng và tuần hoàn bùn rất thuận lợi

và dễ dàng Từ trên xuống dưới, ngăn lọc ngược bùn sinh học có thể chia thành 3 vùng: vùng nước trong trên cùng, vùng tiếp theo là vùng có lớp bùn lơ lững chưa

lắng đóng vai trò như một lớp lọc sinh học và cuối cùng ở đáy là vùng nén của bùn

lắng Dòng hỗn hợp nước thải và bùn đi vào ngăn lọc ngược bùn sinh học từ dưới di chuyển lên trên nên dòng hỗn hợp nước thải chứa bùn hoạt tính sẽ có vận tốc giảm

dần, nghĩa là bùn hoạt tính sẽ di chuyển chậm dần và lơ lững trong vùng bùn lơ

lững lâu hơn do các lý do sau:

+ Do hình dạng của ngăn lọc ngược bùn sinh học có thể tích tăng dần từ dưới lên tạo nên gradient vận tốc di chuyển của dòng nước và bùn hoạt tính giảm dần từ dưới đáy lên trên theo phương thẳng đứng

+ Do các hạt bùn gắn kết lại với nhau tạo ra các bông bùn, chúng tạo ra

một lớp cản làm giảm vận tốc dòng vào và đóng vai trò như một lớp lọc Khi các bông bùn đủ nặng chúng sẽ lắng xuống đáy tạo nên gradient vận tốc di chuyển của

của dòng bùn lắng từ trên xuống ngược với dòng dịch chuyển của nước

+ Sự tuần hoàn bùn hoạt tính ở đáy ngăn lọc ngược bùn sinh học tạo ra

một gradient vận tốc hướng xuống Điều này thật có ý nghĩa vì hiệu suất lọc và tiếp

tục xử lý sinh học sẽ nâng cao hơn so với bể lọc truyền thống

1.4.4 Ưu điểm của mô hình USBF so với mô hình bùn hoạt tính truyền thống và

- Chi phí rất thấp vì không tốn nhiều thiết bị và không cần tiêu tốn năng lượng nhiều để vận hành và duy trì hệ thống, không tốn tiền hoá chất để bổ sung cho hệ thống

- Các module có thể tháo lặp được thuận lợi cho việc thiết kế, bảo trì, sửa chữa

CHƯƠNG 2 : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mô hình USBF

2.1.1 C ấu tạo mô hình thực nghiệm

Hình 2.1.Cấu tạo mô hình USBF thực nghiệm

(B)

(D)

(G) IIIIIIII

(A) : Mương thu nước đầu vào (C) :Ngăn hiếu khí

(E) : Các thanh sục khí (G) : Ống thu bùn

(F) : Mương chảy tràn và thu nước đầu ra

I : Điểm lấy mẫu đầu ra ngăn thiếu khí (vào ngăn hiếu khí)

II : Điểm lấy mẫu đầu ra ngăn hiếu khí (vào ngăn lọc ngược bùn sinh học)

III : Điểm lấy mẫu đầu ra của bể phản ứng

IV: Điểm tuần hoàn bùn và nước thải về lại ngăn thiếu khí

Hình 2.2: Mô hình bể USBF (hình ảnh)

a Vật liệu

- Mô hình USBF : 1 cái

- Máy bơm nước thải đầu vào: 1 cái

- Máy bơm bùn: 1 cái

- Máy thổi khí: 1 cái

- Van điều chỉnh, thanh phân phối khí…

Nước thải trong thùng chứa được máy bơm định lượng bơm vào ngăn thiếu khí, bơm được trang bị van điều chỉnh lưu lượng Nước thải từ ngăn thiếu khí tự chảy đến ngăn hiếu khí theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở ở phần dưới mô hình Không khí được cấp vào ngăn hiếu khí bằng hệ thống sục khí bao gồm các ống phân phối khí (diffuser) phân bố dưới đáy ngăn hiếu khí và được nối với máy thổi khí, lưu lượng khí được theo dõi và điều chỉnh bằng van điều chỉnh Nước thải tiếp tục đi qua ngăn lắng theo nguyên lý bình thông nhau qua khe hở giữa vách ngăn của ngăn lọc ngược bùn sinh học và chảy ngược lên máng thu nước đặt phía trên ngăn lọc ngược bùn sinh học và dẫn nước sau xử lý ra ngoài Bùn lắng đọng

được thải bỏ qua van xả.Lưu lượng bùn tuần hoàn được kiểm soát và điều chỉnh bằng van

B ảng 2.1 Kích thước mô hình USBF thực nghiệm

Y ếu tố Kích thước Đơn vị

Độ rộng khe hở giữa ngăn thiếu khí và hiếu khí 1 cm

Khe hở giữa ngăn hiếu khí và lọc ngược bùn sinh

học:

− Độ rộng

− Chiều dài

− Chiều cao tính từ đáy dưới

− Độ rộng

− Chiều cao

− Chiều dài

− Độ rộng

− Chiều cao

− Chiều dài

Sau một khoảng thời gian lưu nước nhất định, hỗn hợp nước thải từ ngăn thiếu khí sẽ chảy qua ngăn hiếu khí qua khe hở phía dưới ngăn lọc ngược bùn sinh học.Ở đây, nhờ những thanh đá sủi bọt cung cấp nguồn oxy cho các quá trình xử lý hiếu khí và quá trình nitrat hoá.Đồng thời nhờ sục khí, bùn hoạt tính sẽ được hoà lẫn với nước thải đã qua xử lý ở ngăn thiếu khí.Nhờ vậy quá trình xử lý sẽ triệt để hơn

Cuối cùng, sau một khoảng thời gian lưu nước trong ngăn hiếu khí, nước sẽ qua khe hở ở ngăn lọc ngược bùn sinh học và vào ngăn lọc ngược bùn sinh học Do khe hở được thiết kế thấp và ở đáy có dòng tuần hoàn bùn nên hỗn hợp nước thải và bùn sẽ chuyển động lên phía trên và gặp lớp giá thể được gắn ở khoảng giữa của

ngăn lọc ngược bùn sinh học, giá thể ở đây thường là xơ dừa hay cước nhựa Tại đây, bùn sẽ được giữ lại 1 phần trong giá thể làm tăng khả năng lọc nước và có tác dụng cản trở sự di chuyển hướng lên của dòng hỗn hợp nước thải và bùn, ổn định lớp bùn và thực hiện quá trình lắng- lọc ngược từ dưới lên Hỗn hợp bùn và nước thải sẽ được thu hồi trở lại ngăn thiếu khí nhờ máy bơm bùn được đặt ở dưới mô hình

Phần nước trong đã đươc xử lý phía trên ngăn lọc ngược bùn sinh học chảy tràn vào mương thu nước đầu ra và tự động chảy ra ngoài

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của mô hình, dưới đây là một số điều kiện cơ bản ảnh hưởng tới sự phát triển của vi sinh vật và đến khả năng

xử lý của hệ thống:

- Chế độ thủy động: Chế độ thủy động là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lý vì nó ảnh hưởng tới sự tiếp xúc của bùn hoạt tính với

nước thải, trạng thái lơ lững và sự phân bố bùn lơ lững đồng đều…Yêu cầu phải đảm bảo dòng thủy động như yêu cầu thiết kế, nếu không thì mô hình sẽ không vận hành được hay hiệu quả xử lý không cao

- Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Đây là một trong các thông số quan trọng nhất trong xử lý nước thải Nhu cầu DO tùy thuộc vào yêu cầu của các module thiếu khí, hiếu khí:

+ Ngăn thiếu khí DO trong khoảng 0,2mg/l, bùn tuần hoàn từ ngăn lọc ngược bùn sinh học sang ngăn thiếu khí phải được duy trì liên tục và ổn định (để cung cấp VSV, NO3- và nguồn carbon hữu cơ); bùn tuần hoàn và nước thải phải được khuấy trộn tốt vì nếu không thì bùn sẽ lắng xuống đáy của ngăn thiếu khí và quá trình kỵ khí xảy ra cục bộ

+ Ngăn hiếu khí trong khoảng 2 – 4 mg/l, và được cung cấp bằng cách sục khí Các bóng khí phải thật mịn để có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước thải theo phương nằm ngang và không nên cung cấp oxy quá mức vì như thế sẽ làm cho bông bùn dễ bị vỡ

+ Bên cạnh đó yêu cầu đối với ngăn lọc ngược bùn sinh học: phải có độ dốc

đủ lớn để bùn tập trung xuống đáy tạo ra một lớp bùn lọc bám dính với giá thể (xơ dừa hay cước nhựa) tạo nên quá trình lọc ngược, lớp bùn không quá dày và cao để không làm ảnh hưởng tới dòng ra và cũng không được quá mỏng và thấp để thực hiện được quá trình lọc Đồng thời, dòng vào từ ngăn hiếu khí không được quá mạnh và phải trải đều theo chiều ngang của bể sử dụng hết bề mặt lọc của lớp bùn Ngoài ra, bùn phải được tuần hoàn và thải đi sau một khoảng thời gian nhất định

- Nhiệt độ: Nhiệt độ trong hệ thống ảnh hưởng tới hoạt động của vi sinh vật và khả năng hòa tan của oxy hòa tan trong nước Nếu nhiệt độ quá cao thì vi sinh vật

có thể bị chết Ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp, quá trình thích nghi, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị chậm lại, quá trinh nitrat hóa, lắng,… bị giảm hiệu suất rõ rệt Nhiệt độ tối ưu là khoảng từ 20 – 350C phù hợp với nhiệt độ phòng thí

- pH: Ảnh hưởng tới sự tồn tại và các quá trình hoạt động của hệ thống enzyme vi sinh vật, các quá trình lắng, tạo bông bùn… ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý

vi sinh vật Khoảng pH tối ưu là từ 6,5 – 8,5

− Yếu tố dinh dưỡng (cơ chất hay chất nền): Các chất dinh dưỡng như C, N, P

… Đây là các yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Do

đó, quá trình vận hành phải theo dõi yếu tố này Ở một số hệ thống xử lý nước thải người ta thường bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật Tuy nhiên trong mô hình USBF thì không cần thiết phải thêm vào do thiết kế quá trình đặc biệt

đã đảm bảo các điều kiện dinh dưỡng hỗ trợ lẫn nhau của các công đoạn của vi sinh vật, mặt khác trong nước thải hầu như đã chứa đủ những chất dinh dưỡng cần thiết

Để đảm bảo được các điều kiện trên, hệ thống đòi hỏi phải cung cấp đủ các thiết bị cần thiết.Các thiết bị ở đây chỉ là bơm nước thải, hệ thống sục khí, bơm bùn tuần hoàn

2.1.3 Chế độ vận hành

2.1.3.1 Vị trí đặt mô hình

Mô hình được vận hành tại phòng thí nghiệm công nghệ môi trường trường

ĐH Công Nghiệp TP.HCM nhằm thuận tiện cho việc khảo sát và phân tích

2.1.3.2 Mẫu nước rỉ rác

Mẫu nước rỉ rác nghiên cứu là nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn Gò Cát, nước rỉ rác này có đặc tính ô nhiễm chất hữu cơ và dinh dưỡng cao được lấy ở

hồ thu của trạm xử lý nước rỉ rác

Mẫu nước rỉ rác được lấy định kỳ hằng ngày để chạy mô hình, mẫu nước rỉ rác được thay mới liên tục hàng ngàynhằm duy trì ổn đinh nồng độ COD trong khoảng 500 mg/L và được chứa, vận chuyển bằng các can nhựa có dung tích 30 lít

 Trong lúc v ận hành mô hình

o Sau khi nước rỉ rác được mang về phòng thí nghiệm, tiến hành xác định COD

o Pha loãng mẫu (COD trong khoảng 500 mg/l)

o Vị trí lấy mẫu trong mô hình được mô tả trong Hình 2.1, các mẫu gồm: mẫu nước thải đầu vào, mẫu ra ngăn thiếu khí (không thường xuyên), mẫu ra ngăn hiếu khí (không thường xuyên) và mẫu ra hệ thống

o Thời gian lấy mẫu được suy ra theo thời gian lưu nước Ví dụ: Thời gian lưu nước là 8 h, thời gian chạy ổn định là 2 giờ thì sau 10 có thể lấy mẫu được

Khi mẫu phân tích không kịp cần bảo quản trong tủ lạnh để phân tích sau

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nuôi bùn và kiểm tra đặc tính của bùn

Bùn hoạt tính được lấy từ hệ thống xử lý nước rỉ rác của khu liên hiệp xử lý

chất thải rắn Nam Bình Dương

Sau khi được mang về, bùn được cho vào mô hình và được sục khí, dinh dưỡng để nuôi bùn chính là mẫu nước rỉ rác lấy về.Kiểm soát nồng độ bùn trong khoảng 2500 – 3000 mg/lít

2.2.2 Phương pháp vận hành mô hình

 Sửa chữa mô hình

-2.2.2.2 Giai đoạn chạy thích nghi