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

Nước rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ có trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Do rác đem chôn lấp không được phân loại tại nguồn nên nước rá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HƯƠNG QUỲNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM

NĂNG LƯỢNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HƯƠNG QUỲNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM

NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

MS: 62520320

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Thị Sơn

2 PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo

đã được ghi rõ trong luận án

Tác giả

Phạm Hương Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Sơn, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Viện khoa học và Công nghệ Môi trường đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập

Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Triển khai công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Trong thời gian qua tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần vật chất của gia đình và người thân

Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó

Tác giả

Phạm Hương Quỳnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác 4

1.1.1 Sự hình thành nước rác 4

1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh 4

1.1.1 n n ng n ấp 5

1.1.1 ếu tố n ư ng ến ượng ặ ưng nướ 6

1.1.2 Đặc trưng nước rác 7

1.1 .1 Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới 7

1.1 Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp Việt Nam 10

1.2 Phương pháp xử lý nước rác 11

1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ 11

1 .1.1 P ương p p ng ke ụ 11

1 .1 P ương p p ó 12

1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử n ơ 14

1.2.1.4 P ương p p kết tinh Magnesium Ammonium Phosphat (MAP) 15

1.2.2 Xử lý sinh học 19

1.2.2.1 Xử lý yếm khí 19

1.2.2.2 Xử lý thiếu khí 26

1.2.2.3 Xử lý bằng bãi l c trồng cây 28

1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác 34

1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rác trên thế giới 34

1.3.2 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam 38

1.3.2.1 Một số công nghệ xử ý nước ã ược nghiên cứu 38

1.3.2.2 Một số công nghệ xử ý nướ ã ược áp dụng 39

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 46

2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với công nghệ đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thấp 47

2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu 48

2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP 48

2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí 50

2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạ ộng của thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí 50

2.3.2.2 P ương p p và vật liệu nghiên cứu 52

2.3.2.3 Kh ộng thiết bị yếm - thiếu khí 54

2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây 56

2.3.3.1 Kết cấu thiết bị 56

2.3.3.2 Lựa ch n thực vật cho bãi l c trồng cây 57

2.3.3.3 Hoạt hóa bãi l c trồng cây 58

2.3.4 Thiết kế thí nghiệm 60

2.3.5 Một số thông số quan trọng trong vận hành hệ thống xử lý 60

2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm 60

2.4.1 Phương pháp thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm 60

2.4.2 Xác định hệ số hồi quy 61

2.4.3 Kiểm tra độ phù hợp 63

2.4.4 Ngôn ngữ lập trình R 63

2.5 Phương pháp phân tích 64

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 65

3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1) 65

3.1.1 Nghiên cứu quá trình tạo MAP trong môi trường giả định 66

3.1.1.1 Ản ư ng của nồng ộ Am n b n ầu 66

3.1.1.2 Ản ư ng củ ộ pH tới quá trình tạo MAP 67

3.1.1.3 Ản ư ng của thời gian ph n ứng tới quá trình tạo MAP 69

3.1.1.4 Ản ư ng của tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tạo MAP 70

3.1.1.5 Thiết lập p ương n ồi quy mô t mối quan hệ của nồng ộ amoni b n ầu, pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tách Amoni tạo MAP 72

3.1.1.6 Ản ư ng của pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấ ến kí ước tinh thể MAP ng m ường gi ịnh 73

3.1.1.7 Kết qu phân tích MAP trong m ường gi ịnh 76

3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 78

1 .1 Đố ượng nghiên cứu 78

3.1.2.2 Ản ư ng củ m ượng NH 4 + b n ầu 79

3.1.2.3 Ản ư ng của việc bổ xung mầm tinh thể 80

1 .4 T n ơ ng nước rác bằng kết tinh MAP 81

3.1.2.5 Kết qu p ân í MAP ược từ nước rác 81

3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2) 83

3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác 83

3.2.1.1 Ản ư ng của nồng ộ COD dòng vào 84

3.2.1.2 Ản ư ng của thờ g n ư 86

3.2.1.3 Ản ư ng của các nguyên tố ượng 87

3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc sinh học thiếu khí 88

3.2.2.1 Nghiên cứu n ư ng của COD dòng vào 89

3.2.2.2 Nghiên cứu n ư ng của thờ g n ư 91

3.2.2.3 Nghiên cứu n ư ng của thể í ệm 92

3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây 93

3.2.3.1 Ản ư ng của thờ g n ư 93

3.2.3.2 Ản ư ng của COD dòng vào 94

3.2.3.3 Ản ư ng của tổng n ơ dòng 95

3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách MAP- sinh học (yếm khí - lọc sinh học thiếu khí - bãi lọc trồng cây) 98

3.3.1 Đặc trưng nước rác dòng vào 98

3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp 99

3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng 100

3.4.1 Công nghệ xử lý nước rác được đề xuất 100

4.1.1 Sơ ồ quy trình công nghệ (Hình 3.17) 100

3.4.1.2 Thuyết minh công nghệ 100

3.4.2 Tính toán sơ bộ các hạng mục chính trong hệ thống xử lý nước rác 101

3.4.2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng ơ tính toán trong thiết kế 101

3.4.2.2 Tính toán các hạng mục chính 102

3.4.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế và nhu cầu năng lượng của công nghệ đề suất 104

3.4.3.1 Hiệu qu kinh tế m ường của công nghệ 104

3.4.3.2 So sánh với một số công nghệ hiện hành 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 122

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng về sự hình thành nước rác 4

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite 15

Hình 1.3 Cơ chế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan 21

Hình 1.4 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến tốc độ tăng trưởng riêng 23

Hình 1.5 Mô hình khuếch tán của lọc sinh học 27

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bãi lọc trồng cây ngập nước 31

Hình 1.7 Sơ đồ hệ lọc ngang (lọc ngầm) với thảm lau sậy 32

Hình 1.8 Sơ đồ hệ lọc đứng (lọc ngầm) với thảm lau sậy 33

Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rác tại bãi Ammasuo (Phần Lan) 34

Hình 1.10 Công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh 35

Hình 1.11 Công nghệ xử lý sinh học kết hợp oxy hóa bằng Ozon 36

Hình 1.12 Công nghệ xử lý nước ríc rác bãi chốn lấp Sudokwon 37

Hình 1.13 Công nghệ xử lý nước rác của Viện Cơ học tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 40

Hình 1.14 Công nghệ xử lý nước rác của công ty SEEN tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 40

Hình 1.15 Công nghệ của trạm xử lý nước rác bãi chôn lấp Gò Cát 41

Hình 1.16 Công nghệ xử lý nước rác sau hoàn thiện tại bãi chôn lấp Gò Cát 42

Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác bãi chốn lấp Phước Hiệp 43

Hình 1.18 Hệ thống hồ xử lý nước rác của công ty Quốc Việt tại bãi chốn lấp Phước Hiệp 44

Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP 49

Hình 2.1 (b) Mô hình thiết bị tách MAP 49

Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí 51

Hình 2.2(b) Mô hình thiết bị tích hợp xử lý yếm khí - thiếu khí trong phòng thí nghiệm 51

Hình 2.3 Giá thể sinh học trong bể thiếu khí 53

Hình 2.4 Vi sinh vật trong thiết bị phản ứng 54

Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây 56

Hình 2.6 Thiết bị mô phỏng bãi lọc khi chưa trồng cây 57

Hình 2.7 Cây riềng hoa (Canna lily) 58

Hình 2.8 (a) Thiết bị mô phỏng giai đoạn hoạt hóa 59

Hình 2.8 (b) Thiết bị mô phỏng giai đoạn vận hành 59

Hình 2.9 Sơ đồ mô hình thuật toán 61

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni 67

Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại NH4+, PO43- và Mg2+ 68

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả loại bỏ amoni 70

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh MAP 71

Hình 3.5 Sơ đồ nghiên cứu tách nitơ tạo MAP 72

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến kích thước tinh thể MAP 73

Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút 75

Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 (b)50vòng/phút 76

Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4+: PO43- 77

Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- pH 77 Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- =1:1,9:1 82

Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác 82

Hình 3.13 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 85

Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí 90

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 94 Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 95

Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 100

bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng 100

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng của nước rỉ rác ở một số quốc gia trên thế giới 9

Bảng 1.2 Đặc trưng của nước rác tại các bãi chôn lấp khác nhau ở Việt Nam 10

Bảng 1.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hệ thực vật 30

Bảng 1.4 So sánh ưu, nhược điểm bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng

và dòng chảy ngang 33

Bảng 1.5 Hiệu quả xử lý N- NH4+ và COD bằng quá trình yếm khí – hiếu khí

kết hợp tại bãi rác Ammasuo – Phần Lan 35

Bảng 1.6 Kết quả vận hành hệ thống xử lý bằng công nghệ SBR tại

Deepmoor (Anh) và Gairtloch (Scotlen) 35

Bảng 1.7 Hiệu quả xử lý qua các công đoạn 36

Bảng 1.8 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý 37

Bảng 1.9 Thành phần nước rác bãi chốn lấp Gò Cát trước và sau xử lý 43

Bảng 1.10 Đặc trưng nước rác trước và sau hệ thống xử lý của bãi chốn lấp Phước Hiệp 45

Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 46

Bảng 2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọc trồng cây 56

Bảng 2.3 Hiệu quả xử lý trong giai đoạn hoạt hoá của bể lọc trồng cây 58

Bảng 3.1 Kết quả thăm dò khả năng kết tinh của MAP 66

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách MAP

ở các tỷ lệ khác nhau 68

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP 74

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến quá trình kết tinh MAP 75

Bảng 3.5 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 79

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ đến hiệu quả tách N,P 80

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể 80

Bảng 3.8 Hiệu quả tách nitơ tạo MAP trong nước rác 81

Bảng 3.9 Kết quả phân tích thành phần MAP thu được từ nước rác 83

Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP 84

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 85

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý 87

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý 88

Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí 89

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của COD dòng vào tới quá trình lọc thiếu khí 89

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới quá trình lọc thiếu khí 91

Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí 92

Bảng 3.18 Đặc trưng dòng vào bãi lọc trồng cây 93

Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 94

Bảng 3.20 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 95

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 96

Bảng 3.22 Hiệu quả xử lý nitơ của bãi lọc trồng cây 97

Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây 97

Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống 99

Bảng 3.25 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 102

Tân Cương - Thái Nguyên 102

Bảng 3.26 Điện năng tiêu thụ cho hệ thống xử lý đề xuất 105

Bảng 3.27 Chi phí hóa chất cho các công nghệ 107

Bảng 3.28 So sánh chi phí nhân công cho các công nghệ 108

Bảng 3.29 So sánh chi phí năng lượng cho các công nghệ (VNĐ/m3) 108

Bảng 3.30 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3) 108

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu

E: Năng lượng

rt: Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh

1: Tốc độ tăng trưởng riêng

X: Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính

1: Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh

m: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại

S: Nồng độ cơ chất trong nước thải

TkCOD Tải trọng COD

TF Năng lực tải của bãi lọc

2 Chữ viết tắt

BCL Bãi chôn lấp

BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand)

BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường

BL: Bãi lọc

DO: Oxy hòa tan trong nước (Demand Oxygen)

EM: Chế phẩm sinh học chứa các vi sinh vật hưu hiệu (Effective

Microorganism) HQXL: Hiệu quả xử lý

HK: Hiếu khí

MAP: Magnesium Amonium Photphate

PAC: Hóa chất keo tụ PAC (Polyaluminium Chlorite)

QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

SCR: Song chắn rác

SBR: Thiết bị xử lý theo mẻ (Sequencing Batch Reactor )

EDR: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffaction)

SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

TN: Tổng nitơ (Total nitrogen)

TP: Tổng phốt pho (Total phosphorus)

TK: Thiếu khí

UASB: Xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow

Anearobic Sluge Blanket) UF: Thiết bị siêu lọc (Ultrafitration)

VFA: Axít béo bay hơi (Volatile fatty acids)

VSV: Vi sinh vật

YK: Yếm khí

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển mạnh

mẽ Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tốc độ tăng trưởng nhanh, dự kiến đạt 8% trong thập kỷ này Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân cũng được nâng cao, nhu cầu tiêu dùng tăng nhanh là sự thách thức mới về ô nhiễm môi trường đặc biệt là sự gia tăng đột biến chất thải ở các đô thị

7-Chôn lấp rác thải là phương pháp phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Ở nước ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và đô thị đã, đang và sẽ còn được áp dụng ở hầu hết các địa phương trong cả nước

Thực tế cho thấy, nhiều bãi chôn lấp ở nước ta đã gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm và cả môi trường không khí do nước rác (nước rỉ rác) phát sinh trong quá trình chôn lấp Nước rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ có trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Do rác đem chôn lấp không được phân loại tại nguồn nên nước rác phát sinh

có thành phần ô nhiễm khá phức tạp Đặc biệt nước rác tươi có COD, BOD5, TN, TP cao đến rất cao, độ màu cao và các thành phần vô cơ khác Nước rác nếu không được kiểm soát và xử lý sẽ để lại những hậu quả môi trường rất nghiêm trọng

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm do nước rác, nhiều loại công nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng như: công nghệ sinh học (xử lý yếm khí, hiếu khí); xử lý hóa học-sinh học (fenton - yếm khí - hiếu khí, stripping - yếm khí - hiếu khí); xử lý hóa học, sinh học, vật lý (oxy hóa hóa học - sinh học - công nghệ màng)… Theo công nghệ truyền thống để tách nitơ và xử lý BOD5, COD trong nước rác nhu cầu năng lượng cho quá trình oxy hóa hiếu khí rất cao Mặt khác công nghệ hiện hành chỉ phần nào giải quyết được ô nhiễm do BOD5 và COD Để xử lý thành công nước rác cần thực hiện 2 giải pháp cơ bản là xử lý được các hợp chất hữu cơ (BOD5) và các thành phần khác: COD, hợp chất nitơ, phốt pho…

Ở Việt Nam, các chương trình quốc gia về xây dựng bãi chôn lấp rác quy mô nhỏ cho các địa phương kinh phí còn rất hạn hẹp, vì vậy việc tìm kiếm công nghệ

xử lý đơn giản và chi phí xử lý thấp là rất cần thiết

Nitơ và phốt pho là những thành phần ô nhiễm đáng quan tâm trong nước rác, nhất là nước rác tươi Hàm lượng nitơ cao, nhất là amoni đã hạn chế quá trình xử lý sinh học đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí Trong thực tế một số phương pháp đã được áp

dụng trước quá trình xử lý sinh học như: Stripping - loại nitơ bằng đuổi khí NH3 do thổi

khí ở áp lực cao trong môi trường kiềm mạnh (pH>10) hoặc khuấy trộn ở tốc độ cao

Nhìn chung các phương pháp trên đều có giá thành xử lý cao, vận hành phức tạp và đặc biệt là không thu hồi được nguồn tài nguyên có trong nước rác Hơn thế nữa các phương pháp này còn gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường không khí, môi trường nước Struvit, một dạng kết tinh được phát hiện do lắng đọng trong đường ống của

hệ thống xử lý nước thải đã gây khó khăn không nhỏ trong trong vận hành Struvit (MgNH4PO4.6H2O) được hình thành từ magie, amoni và phốt pho có trong nước thải nên được viết tắt là MAP Struvite có tích số tan 7,8.10-15

ở nhiệt độ 250C nên được sử dụng dưới dạng phân bón nhả chậm rất hiệu quả cho cây trồng

Vì vậy việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác không chỉ tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho cây trồng mà còn góp phần loại được yếu tố ức chế quá trình xử lý sinh học và đơn giản hoá, nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý

Ở nước ta việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong môi trường nước cũng được một vài tác giả quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên cho đến nay chưa có

đơn vị, cá nhân nào thu được sản phẩm MAP Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xử lý

nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng” được thực hiện

nhằm thu hồi nitơ, phốt pho và xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải

2 Mục tiêu của luận án

- Thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác bằng phương pháp hóa học tạo tinh thể MAP

- Xử lý nước rỉ rác đạt QCVN 25 - 2009/BTNMT (cột B2) bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rác bằng kết tinh MAP

- Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP bằng công nghệ sinh học đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng theo 2 bước:

+ Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn ít năng lượng

+ Xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây

- Đề xuất công nghệ xử lý nước rác tiêu tốn ít năng lượng, chi phí thấp cho bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ (bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên)

4 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về kết tinh MAP

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm theo các công nghệ khác nhau:

+ Bước 1: Thu hồi nitơ trong nước rác bằng tạo tinh thể MAP

+ Bước 2: Xử lý sinh học nước rác bằng công nghệ liên hợp yếm thiếu khí bãi lọc trồng cây

Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích theo TCVN

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đưa ra một công nghệ xử lý nước rác với nhu cầu năng lượng thấp Năng lượng tiêu tốn để xử lý 1m3 nước rác là 1,541 kWh Năng lượng này chỉ bằng 6,4% năng lượng so với công nghệ oxi hóa nâng cao và 7,2% năng lượng so với phương pháp đuổi khí NH3 bằng công nghệ stripping

- Tách nitơ phốt pho trong nước rác tươi bằng kết tinh MAP (có thể thu được 1,43-2,34gam MAP/lít nước rác)

- Áp dụng công nghệ xử lý đã nghiên cứu cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên và các bãi chôn lấp quy mô nhỏ

7 Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án

- Hoàn thiện công nghệ xử lý nước rác với chi phí năng lượng thấp, vận hành đơn giản

- Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rác, giúp giảm tác nhân

ức chế quá trình xử lý sinh học tiếp theo, đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí thu biogas

Chương 1 TỔNG QUAN

Nước rác là một trong những đối tượng nước thải khó xử lý bởi thành phần phức tạp Nước rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác Thành phần hóa học của nước rác rất khác nhau tùy thuộc vào rác đem chôn và công nghệ chôn lấp

1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác

Nước rích từ các bãi chôn lấp rác có thể định nghĩa là chất lỏng phát sinh từ quá trình chôn lấp thấm qua các lớp chất thải rắn và mang theo các chất hòa tan, các cặn lơ lửng Nước rác được hình thành từ hàm ẩm trong rác đem chôn, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Nước rác chứa các chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, cặn lơ lửng và nhiều chủng loại vi sinh vật khác nhau Dựa vào tuổi của bãi rác, nước rác được chia làm 3 loại: nước rác tươi,

trung bình và nước rác ổn định [27]

1.1.1 Sự hình thành nước rác

1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh

Nước rác được hình thành từ nhiều nguồn khác nhau như: từ độ ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong rác, nước mưa, nước ngầm thấm ngấm và nước từ các vật liệu bổ sung (chế phẩm EM, phun tưới tạo ẩm) [11]

Nguyên lý hình thành nước rác được thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ ồ về sự n n nước rác

Nước rích rác G7

Nước thấm qua lớp phủ G1

Nước bay hơi G5

Nước thoát theo khí bãi rác G6

Trong đó:

Dòng vào: G1: Nước mưa thấm ngấm

G2: Nước từ hàm ẩm của vật liệu phủ

G3: Nước từ EM

G4: Nước từ hàm ẩm của rác và nước hình thành từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ

Dòng ra: G5: Nước bay hơi bề mặt bãi chôn lấp

G6: Nước thoát ra trong khí bãi rác

G7: Nước rác

Nước rác = G7 = (G1+G2+G3+G4) - (G5+G6)

Lượng nước rác được hình thành có thể tính dựa vào cân bằng nước trong bãi

chôn lấp Trong quá trình tính toán, chỉ xét với bãi chôn lấp hợp vệ sinh, bỏ qua

lượng nước thấm qua thành và đáy bãi, hay lượng nước chảy theo bề mặt vào ô

chôn lấp Thành phần tạo nên cân bằng nước của một ô chôn lấp được thể hiện qua

Hình 1.1

1.1.1 á tr nh sinh h c r tr ng ch n p

Lượng nước rác phát sinh và đặc trưng có quan hệ chặt chẽ với các quá trình

sinh học xảy ra trong ô chôn lấp

Ở giai đoạn đầu trong khối rác còn chứa oxy, các quá trình phân giải hiếu khí

xảy ra mạnh Các chất hữu cơ trong rác được phân hủy hiếu khí theo công thức tổng

O d c b

a  

+DD  aCO2+ a b c d H2O

4

32

+dNH3+ SK+ E

Khi lượng oxy trong khối rác được sử dụng hết thì quá trình phân hủy sinh

học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí:

Chất hữu cơ + H2O+ VSV  SK + chất hữu cơ + CO2+ H2S+ NH3+ CH4+ E

Quá trình vô cơ hóa có thể xảy ra theo các dạng sau:

d c

CH d c b

a  

8

324

CO d c b

a  

+dNH3+E

Ở nước ta, rác thu gom hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên lượng chất hữu cơ thường chiếm 45-50% gồm gluxit, protein, lipit có nguồn gốc động, thực vật và vi sinh vật

Về cơ bản quá trình sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp chịu tác động rất lớn của điều kiện tự nhiên như: thời tiết, khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ, chế độ mưa…), các yếu tố chủ quan: thành phần hóa học, hàm ẩm và khu hệ vi sinh vật trong rác thải hoặc được bổ sung trong quá trình vận hành…

Trong quá trình phân hủy, các chất hữu cơ (COD, BOD5, TOC) cũng như các chất vô cơ (SO42-, Ca, e, Mn, n)… được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể được chia thành 5 giai đoạn chính: phân hủy sinh học hiếu khí; phân hủy sinh học yếm khí tạo axit; phân hủy sinh học yếm khí tạo mê tan; giai đoạn tạo humus và giai đoạn ổn định

1.1.1 ác ế t nh hư ng ến ượng c trưng nước rác

Khối lượng và thành phần nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp và các yếu tố khác như: thành phần rác đem chôn, khí hậu, thời gian chôn lấp…

Ản ư ng ủ n p ần n ấp

Quá trình phân hủy sinh học được quyết định bởi hàm lượng chất hữu cơ có trong rác Đặc trưng nước rác phụ thuộc nhiều vào hàm ẩm và lượng chất hữu cơ được phân hủy Sự hiện diện của các chất tẩy rửa, hóa chất khử trùng… sẽ kìm hãm

sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật, tác động xấu tới quá trình phân hủy rác làm ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rác sinh ra

b Ản ư ng ủ ờ ế

Thời tiết, khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm không khí…) ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có trong rác do đó gián tiếp ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rác

Nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến thành phần và lượng nước rác Vào mùa hạ, khi nhiệt độ không khí cao, quá trình phân hủy diễn ra mạnh, nhiệt độ cao k m theo độ

ẩm cao là điều kiện thích hợp cho phân hủy rác

Lượng mư : nước mưa làm tăng độ ẩm trong rác, thúc đẩy quá trình phân hủy

sinh học đồng thời hòa tan các chất vô cơ, hữu cơ, sản phẩm phân hủy có trong rác Tuy nhiên nếu lượng mưa lớn sẽ dẫn đến lượng nước rác tăng, hàm lượng chất ô nhiễm giảm do được pha loãng

Ản ư ng ủ ộ ẩm nơ n ấp: khi độ ẩm không khí cao góp phần làm

cho các vi sinh vật phát triển mạnh trong khối rác thu gom, vận chuyển Độ ẩm cao, hàm lượng oxy trong khối rác cao, thúc đẩy quá trình trình phân hủy của rác Tại bãi chôn lấp đã đóng bãi, quá trình phân hủy hầu như không chịu ảnh hưởng của độ

ẩm nơi chôn lấp

Ản ư ng ủ n ận n ng ng ệ n ấp

Trong quá trình thu gom, vận chuyển một phần chất hữu cơ trong rác bị phân hủy làm độ ẩm của khối rác tăng Các quá trình tiền xử lý như: cắt chặt, phân loại rác cũng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong rác, từ đó tác động đến thành phần và lượng nước rác sinh ra Các hoạt động trong quá trình vận hành chôn lấp thông thường và chôn lấp bán hiếu khí: đầm, nén tác động đến quá trình phân hủy sinh học của rác Công nghệ vận hành bãi chôn lấp cũng ảnh hưởng không nhỏ đến lượng và thành phần nước rác tạo thành

Thu gom và phân loại rác có ảnh hưởng không nhỏ tới nồng độ nước rác Rác

ở Việt Nam hầu hết đều không được phân loại tại nguồn (nhất là rác sinh hoạt và rác đô thị), vì vậy thành phần nước rác rất phức tạp (ngoài chất hữu cơ còn có một

số chất vô cơ và kim loại nặng) Mặt khác, rác được thu gom sau hơn một ngày mới

có thể đến được bãi chôn lấp Với khí hậu nhiệt đới (nóng,ẩm) một phần chất hữu

cơ đã bị phân hủy và đi vào nước rác nên thành phần hữu cơ trong nước rác thường khá cao

d Ản ư ng ủ ờ g n n ấp ổ ủ bã

Theo thời gian quá trình phân hủy sinh hóa trong ô chôn lấp thay đổi dẫn đến thành phần và khối lượng nước rác phát sinh biến đổi theo Thời gian chôn lấp càng dài, lượng nước rác và hàm lượng các chất ô nhiễm cũng giảm theo Đặc biệt là tương tác giữa BOD5, COD và các ion kim loại

1.1.2 Đặc trưng nước rác

1.1 .1 Đ c trưng nước rác củ một s bãi ch n p trên thế giới

Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rác mới (tươi) cao hơn rất nhiều so với nước rác đã chôn lấp lâu năm Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 đối với nước rác tươi; 0,005-0,2 đối với nước rác cũ, ở thời điểm này thành phần hữu cơ

trong nước rác chủ yếu là axit humic và axit fulvic, đây là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học [11, 30]

Ở phần lớn các nước phát triển, rác được phân loại tại nguồn Theo thành phần hóa học, mỗi loại rác được xử lý bằng phương pháp khác nhau Các loại rác có thể tái chế như kim loại, giấy, nhựa, thủy tinh… được thu hồi Rác thải giàu hữu cơ được sử dụng làm phân compost, sản xuất khí sinh học Các loại rác thải có nhiệt trị cao được đốt Các chất thải rắn khác thường được chôn lấp Đối với các nước đang phát triển, rác thải chưa được phân loại tại nguồn và phương pháp xử lý rác thải chủ yếu là chôn lấp hợp vệ sinh Thành phần nước rác được thể hiện trong Bảng 1.1 Bảng 1.1 cho thấy nước rác ở một số quốc gia trên thế giới cũng bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ cao: dao động từ hàng nghìn đến chục nghìn mg/l Đặc biệt là nồng độ amoni đều rất cao

Bảng 1.1 Đặ ưng ủ nước rỉ rác một số quốc gia trên thế giới [26, 29, 51, 52, 76, 79, 81, 91, 102]

da (Thổ Nhĩ Kỳ)

Piedmont (Italia)

Aigeira (Hy Lạp)

Bãi Pereira Columbia -

Bãi Clover Bar Canada

Matuail (Banglade sh)

Ibb (Yemen)

Kuala Sepetang (Malaysia)

Khon- Kaen (Thái lan)

Nyanza (Rwanda)

Ouled Fayet (Algeria)

1.1 Đ c trưng nước rác củ một s bãi ch n p Việt N m

Nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa (nóng ẩm mưa nhiều) khí hậu Việt Nam chia hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Vì vậy nước rác ở các bãi chôn lấp biến động lớn về thành phần và khối lượng theo các thời điểm trong năm Thêm vào đó, do rác chôn lấp hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên thành phần khá phức tạp, hàm lượng ô nhiễm hữu cơ cao đến rất cao, đặc biệt đối với nước rác tươi Thành phần nước rác còn chịu tác động bởi địa điểm chôn lấp, kĩ thuật vận hành bãi chôn lấp cũng như thời gian chôn lấp…

Cho đến nay việc phân loại rác tại nguồn vẫn chưa được áp dụng triệt để nên thành phần nước của nước rác rất phức tạp Nước rác không chỉ chứa các chất hữu cơ

mà còn chứa các chất vô cơ hòa tan, kim loại nặng, một số chất hữu cơ độc hại Vì vậy các công nghệ hiện đang được áp dụng ở hầu hết các bãi chôn lấp chưa hoàn toàn giải quyết được

Về tổng thể có thể thấy: nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp ở nước ta đều có

độ ô nhiễm cao đến rất cao và thành phần phức tạp (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Đặ ưng ủ nước rác tại các bãi chôn lấp khác nhau Việt Nam [11, 18, 19]

Chỉ tiêu Đơn vị

Bãi Gò Cát (Hồ Chí Minh)

Bãi Nam Sơn (Hà Nội)

Bãi Tràng Cát (Hải Phòng)

Bãi Thủy Phương (Huế)

Các số liệu trong Bảng 1.2 cho thấy nước rác có giá trị pH từ 6,5 đến 8,5; COD từ

327 - 22.783 mg/l Đặc biệt tổng nitơ cao và dao động lớn từ 179- 2.427mg/l

Từ bảng 1.2 nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác ở các bãi chôn lấp có sự khác biệt, thậm chí ngay cả trong một bãi khá lớn Sở dĩ có hiện tượng này chủ yếu là

do sự khác nhau về nguồn gốc, quá trình thu gom, công nghệ chôn lấp và khí hậu ở các thời điểm khác nhau của các bài chôn lấp rác Ở một số bãi chôn lấp rác hữu cơ được phân loại tại chỗ để làm phân hữu cơ hoặc làm nguyên liệu sản xuất năng lượng, vì vậy nồng độ các chất ô nhiễm giảm và khác nhau đáng kể Bên cạnh đó thành phần rác ở mỗi nơi một khác, thời điểm lấy mẫu khác nhau (theo mùa) cũng dẫn đến nồng độ các chất ô nhiễm có sự khác biệt

Ở các nước phát triển, phần lớn rác sinh hoạt được phân loại ngay từ hộ gia đình thành rác hữu cơ, rác kim loại, đồ vật vô cơ không có khả năng tái sử dụng (sành, sứ,

đồ gốm… ),việc này giúp cho quá trình tái sử dụng được thuận tiện và có hiệu quả, đồng thời giúp giảm nồng độ và thành phần ô nhiễm trong nước rác

Nhìn chung, nước rác ở nước ta có nồng độ ô nhiễm cao và thành phần phức tạp Hàm lượng các chất ô nhiễm cao và dao động lớn ở các bãi chôn lấp, các mùa khác nhau Vì vậy, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp cho mỗi bãi chôn lấp gặp rất

nhiều khó khăn

1.2 Phương pháp xử lý nước rác

Nước rác có thành phần ô nhiễm rất đa dạng, nồng độ các chất ô nhiễm biến động lớn Ngoài các hợp chất hữu cơ, vô cơ, kim loại nặng nước rác còn có nồng độ nitơ, phốt pho cao Vì vậy, nước rác được liệt kê vào nhóm nước thải giàu nitơ, phốt pho Hai bước cơ bản trong xử lý nước rác ở nước ta hiện nay là xử lý sơ bộ (kết hợp hóa học- hóa lý) và xử lý sinh học [5, 11]

1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ

Xử lý thành công nước rác cần giải quyết được 2 vấn đề cơ bản là xử lý COD và nitơ Xử lý sơ bộ có vai trò quan trọng để loại bỏ các yếu tố gây cản trở quá trình sinh học Phương pháp đông keo tụ giúp loại bỏ SS và một phần COD; cùng với đông keo

tụ có thể kết hợp một số phương pháp hóa học như: Oxi hóa hoá học, loại amoni và

NH3 bằng tháp Stripping hoặc kết tinh MAP

1 .1.1 Phương pháp ng ke tụ

Quá trình đông tụ-keo tụ là quá trình làm mất sự ổn định của các hạt huyền phù trong dung dịch keo dẫn tới sự hình thành các cụm hạt có kích thước lớn Các hạt này được tách ra khỏi nước trong các bể lắng nhờ lực trọng trường

Trong tự nhiên, tùy theo nguồn gốc xuất xứ cũng như bản chất hóa học, các hạt cặn lơ lửng đều mang điện tích (âm hoặc dương) Khi thế cân bằng động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện tử tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do Các tổ hợp trên gọi là các hạt “bông keo” (flocs) Trong thực tế, người ta thường sử dụng các chất đông tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O,

NH4Al(SO4)2.12H2O

Các bước của quá trình đông keo tụ:

1 Định lượng hóa chất đông tụ và chất trợ đông tụ

2 Phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo

3 Tạo ra bông keo tụ kích thước nhỏ nhờ gradient vận tốc lớn

4 Tạo ra bông keo tụ lớn nhờ gradient vận tốc nhỏ

5 Tách các hạt cặn ra khỏi nước nhờ quá trình lắng

Phản ứng tạo ra gốc tự do hyđroxyl diễn ra theo cơ chế sau:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OHo + OH

-Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + HOOo2H2O2 → H2O + OHo + HOOoCác gốc hyđroxyl OH- và perhydroxyl HOOo mới tạo ra là những chất oxy hóa cực mạnh và tồn tại trong thời gian rất ngắn Đặc biệt gốc hyđroxyl (OHo) là một trong những chất oxy hóa mạnh nhất mà người ta từng biết đến và nó chỉ đứng sau flo Gốc

OH có khả năng phá hủy một số axit hữu cơ, các ancol, alđehyt, chất thơm, v.v và tạo

ra các chất không độc hại, như vậy sẽ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường Phản ứng enton diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ khoảng 5 - 25oC (nếu nhiệt độ quá cao

H2O2 dễ phân hủy) và độ pH nhỏ hơn 3 (nếu cao hơn, e3+ sẽ kết tủa)

Phương pháp fenton điện hóa cũng được ứng dụng trong một vài năm gần đây Sự kết hợp của 2 phương pháp fenton và điện hóa nhằm thúc đẩy khả năng tái sinh ion

Fe2+ từ e3+ nhờ tác dụng của dòng điện hay sinh ra hydrogen proxide sắt 2 nhờ các phản ứng trên các điện cực Quá trình đó làm tăng hiệu quả tạo ra gốc OHo

trong phản ứng fenton

Quá trình tạo ra hydrogen peroxit trong quá trình điện hóa như sau:

Anốt tạo oxi phân tử 2H2O  O2 + 4H+ + 4e-

Oxi phân tử này bị khử ở catot để tạo ra hydrogen peroxit H2O2

O2 + 2H+ + 2e  H2O2 Ion Fe2+ có thể bổ sung vào hệ hoặc có thể tự tạo ra khi điện phân, khi nhường điện tử sắt sẽ hòa tan các ion sắt vào dung dịch Điểm quan trọng trong quá trình fenton điện hóa là Fe3+ sẽ tạo ra giữa e2+

và H2O2 theo phương trình sau:

b- O ó bằng z n [ 7]

Ozon có thể hòa tan trong nhiều dung môi khác nhau, ở điều kiện thường khả năng hòa tan của ozon gấp 14 lần oxi Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo 2 quá trình:

- Ôxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozon

R +O3 → Roxit

Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng đặc biệt các chất có liên kết đôi, ba tạo thành ozonua [27]

- Ôxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl (OHo)

OHo được tạo thành do ozon bị phân hủy trong nước Hầu hết các OHo

rất không ổn định, ngay lập tức phản ứng với phân tử khác để nhận điện tử [27] theo cơ chế sau:

O3 + OH- → O2 + HO2o

HO2o ↔ O2o- + H+ Sau đó peroxit (O2o-) phản ứng với ozon để tạo thành anion ozonit và OHo

1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử nitơ

Trong thời gian gần đây, công nghệ stripping rất được quan tâm Nguyên lý của quá trình là đuổi NH3 ở pH cao (pH  10) nhờ thổi khí ở áp lực cao

Amoni tồn tại trong môi trường nước ở thế cân bằng

NH4+↔ NH3 ↑ + H+ với pKa = 9,5 ở nhiệt độ phòng (250C)

Ở pH = 9,5 tỷ lệ [NH3]/[NH4+] = 1, Như vậy khi nâng pH > 9,5 cân bằng dịch chuyển về phía phải: [NH3]/[NH4+] > 1 NH3 sẽ bay hơi theo định luật Henry [65]

Ngoài ra, để tách amoni trong nước rác có thể dùng phương pháp hóa học với tác nhân oxy hóa là : Ca(OCl)2 hoặc NaOCl Tuy nhiên phản ứng giữa clo và NH3, amoni

sẽ tạo NH2Cl,NHCl hay NCl3 là những chất có tính oxy hóa mạnh nên phương pháp này không thể áp dụng trước xử lí sinh học [11]

1.2.1.4 Phương pháp kết tinh M gnesi m Amm ni m Ph sph t (MAP)

a- ơ ủ n

Nitơ, phốt pho là các nguyên tố thiết yếu cho sự tồn tại của sự sống trên trái đất, chúng đóng vai trò tích cực trong chức năng sống của mỗi sinh vật [55]

Đầu những năm 1960, một dạng tinh thể rắn, màu trắng đã được phát hiện trong

hệ thống đường ống nhà máy xử lý nước thải Hyperion, Los Angeles Những tinh thể này thường lắng đọng ở máy bơm, ở các kết cấu phân phối khí, chỗ uốn cong của đường ống… đã ảnh hưởng không nhỏ tới hoạt động của hệ thống Các tinh thể được xác định là một khoáng vô cơ của magiê, amoni và phốt phát có tên viết tắt là MAP (Magnesium Ammonium Phosphat) hay còn gọi là struvit (Hình 1.2) Có hiện tượng này là do: khí CO2 thoát ra, làm gia tăng pH trong môi trường nước, dẫn đến tạo tinh thể không tan trong nước [55] Một số giải pháp đã được áp dụng để phá bỏ những lắng đọng này như: làm sạch cơ học, xử lý nhiệt, rửa bằng axit… trong đó phương pháp rửa bằng axit là hiệu quả nhất [97] Tuy nhiên đây là biện pháp phức tạp và tốn kém nên không phải là lựa chọn hợp lý Một hướng nghiên cứu khác nhằm loại trừ sự hình thành MAP trong đường ống là tạo tinh thể ngay trong bể chứa trước khi đưa nước thải vào thiết bị xử lý [97] Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí xử lý

mà còn thu hồi được nitơ và phốt pho

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite [104]

Tinh thể MAP có cấu trúc hình thoi 3 chiều, cấu trúc gồ ghề nhiều cạnh Kết tinh MAP có tích số tan là 7,8.10-15 [72] nên được sử dụng dưới dạng một loại phân bón hóa học nhả chậm cho cây trồng [6,68] Tiềm năng của MAP là một phân bón tan chậm tương đương như loại phân bón thương mại [6] Điều này cho thấy MAP có thể được thu hồi từ nước thải nhờ loại bỏ các ion NH4+, PO43- và được sử dụng làm phân bón chậm tan góp phần giảm tải các chất ô nhiễm ra môi trường Ngoài ra MAP còn có thể cung cấp phốt phát dưới dạng nguyên liệu thô cho sản xuất tấm chống cháy [5] Hơn thế nữa MAP còn là một nguyên liệu bắt buộc trong sản xuất xi măng [104]

Ở Việt Nam, một số nguồn thải chứa đồng thời phốt pho và amoni với hàm lượng khá cao như nước rác tươi, nước thải chăn nuôi, nước thải chế biến cao su, nước thải giết mổ gia súc, nước thải chế biến thuỷ sản và nước chiết ra từ bể phân hủy bùn vi sinh yếm, hiếu khí

Các phương pháp áp dụng trong xử lý hợp chất nitơ và phốt pho thường phức tạp, chi phí cao và hiệu quả còn hạn chế Vì vậy việc thu hồi đồng thời nitơ và phốt pho bằng cách tạo tinh thể MAP để tái sử dụng đang là hướng nghiên cứu hiệu quả, khả thi Đặc biệt so với phương pháp đuổi khí thì phương pháp tách MAP tiêu tốn ít năng lượng hơn rõ rệt

b- ơ ế p n ứng ạ MAP

MAP (struvite) là sản phẩm của phản ứng kết tinh giữa Mg2+, NH4+, PO43- theo phương trình phản ứng sau [5, 56]:

Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H2O ↔ MgNH4PO4.6H2O Phương trình trên cho thấy, để tạo ra MAP cần ba thành phần là magie, amoni

và photphat Phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm Struvite được tạo thành khi ion

PO43- bị thu hút bởi ion có điện tích trái dấu NH4+, Mg2+

Phần lớn các loại nước thải hầu như không hội tụ đủ các yếu tố trên cho sự tạo thành MAP, vì vậy cần bổ sung các thành phần còn thiếu với tỷ lệ phù hợp, phương pháp này có thể thu hồi hiệu quả nitơ và phốt pho

c- Động ủ n ạ MAP

Để nghiên cứu động học quá trình kết tinh MAP cần phân tích quá trình hình thành tinh thể và quá trình kết tinh Động học của quá trình là sự chênh lệch giữa trạng thái thực và trạng thái cân bằng

Đối với quá trình hình thành hạt nhân sơ cấp, sự tạo thành mầm tinh thể ban đầu tăng theo hàm số mũ Sự hình thành và phát triển mầm tinh thể tuân theo hàm bậc nhất Thông số ảnh hưởng đáng kể đến động học quá trình là tốc độ khuấy trộn để tạo ra độ đồng nhất trong quá trình phản ứng [10,74]

Sự hình thành kết tinh struvite trải qua 3 giai đoạn bao gồm: hình thành mầm tinh thể, phát triển mầm và sự kết tụ tạo tinh thể hoàn chỉnh

Quá trình hình thành mầm tinh thể bắt đầu khi xuất hiện tâm kết tinh Giai đoạn này quyết định số lượng và kích thước tinh thể Vì vậy, kích thước của các mầm tinh thể cũng sẽ được xác định Vật chất tạo ra trong phản ứng sẽ được sử dụng giúp tinh thể phát triển từ mầm thành tinh thể hoàn chỉnh Vận tốc tạo mầm phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của các chất hòa tan, mức độ bão hòa của dung dịch, nhiệt độ cũng như tốc độ khuấy trộn và các tạp chất Để tăng cường quá trình tạo mầm có thể thay đổi nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn [ 10, 43, 65, 74]

Tinh thể phát triển kích thước sẽ đạt tới giá trị tới hạn Quá trình phát triển mầm tinh thể dựa trên quá trình khuếch tán ngoài (vận chuyển vật chất đến bề mặt các hạt tinh thể) Tinh thể có bề mặt lớn nên nó “hút” các chất hòa tan trong dung dịch Khi tiếp xúc với bề mặt, chúng được tích tụ xung quanh cấu trúc tinh thể Sự lớn lên của tinh thể đồng thời theo tất cả các mặt của nó, nhưng vận tốc có khác nhau Theo thuyết khuếch tán: chất hòa tan bắt đầu khuếch tán từ trong lòng dung dịch qua lớp biên, chuyển động dòng nằm sát bề mặt tinh thể và dính vào tinh thể Chiều dày lớp chuyển động dòng gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy trộn Quá trình phản ứng xảy ra với một vận tốc giới hạn Tùy thuộc vào điều kiện môi trường mà quá trình phản ứng xảy ra với tốc độ giới hạn khác nhau [65, 10]

Tiếp theo là quá trình đông tụ Quá trình đông tụ các hạt tinh thể để tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn luôn là một xu hướng của phản ứng nhưng không phải lúc nào quá trình cũng có thể xảy ra, mà cần một số điều kiện cần thiết như [10]:

Nghiên cứu tách MAP trong nước thải đã được nghiên cứu trên nhiều loại nước thải khác nhau nhằm tận thu nguồn nitơ phốt pho Các nghiên cứu khẳng định hiệu quả của phương pháp xử lý sơ bộ tách MAP rất cao

Kurt N O [60] và cộng sự đã nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải đô thị bằng kết tinh MAP, nhờ vậy có thể tránh gây tắc nghẽn đường ống do tinh thể MAP tạo thành Kochany J đã tiến hành nghiên cứu so sánh phương pháp tạo MAP với phương pháp fenton trong xử lý sơ bộ trước khi xử lý yếm khí Kết quả tiền xử lý bằng kết tinh MAP loại bỏ 56% amoni và 30% COD, trong khi phương pháp fenton có khả năng loại

bỏ tới 60% COD nhưng hầu như không loại được amoni, yếu tố kìm hãm và hạn chế đáng kể quá trình xử lý sinh học yếm khí Cũng theo tác giả này chi phí đầu tư cho kết tinh MAP trước xử lý sinh học là lựa chọn cho hiệu quả kinh tế cao hơn rõ rệt [56]

Nghiên cứu của Kaan.Y và cộng sự về khả năng loại bỏ amoni trong nước thải chăn nuôi gia cầm đạt 49,8% [48] Một nghiên cứu khác trên nước thải chăn nuôi của Alex Y ở quy mô pilot, kết quả cho thấy 95% phốt pho được loại bỏ bằng quá trình kết tinh MAP [24]

Nathan O và cộng sự (2003) nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải chăn nuôi lợn cho thấy ở tỷ lệ 1:1,6:1, PO43- giảm 91% - 96%, amoni loại được 46,3% [68] Cũng trên nước thải chăn nuôi Yong Huy Song và cộng sự (2014) đã nghiên cứu trên cho thấy hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt 90-94% ở pH = 9-10,5, tuy nhiên trong nghiên cứ không đề cập đến amoni [100] Nghiên cứu của Ozturk I và cộng sự (2003) cho thầy khả năng loại bỏ NH4+ tăng lên 89,3% khi trong môi trường dư thừa magie (Mg2+:NH4+:PO43- = 1,5:1:1,5) [70] Nghiên cứu của Tak Hyun Kim (2014) trên nước thải chăn nuôi cho thầy sự loại bỏ amoni tăng lên 71,2% khi sử dụng Mg2+

là muối MgCl2.6H2O [83] Cũng trên đối tượng này nghiên cứu của Chia-Chi Su (2014) cho thấy hiệu quả loại bỏ amoni đạt 55%, 66%, 99% ở giá trị pH lần lượt là 10, 11, 12 với vận tốc cánh khuấy 800 vòng/phút [36]

Kỹ thuật tầng sôi được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả kết tinh MAP được Uludag D nghiên cứu, kết quả cho thấy 95% amoni được loại bỏ ở pH =9 [89]

Khả năng tách MAP đã được khẳng định là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu với nước thải chăn nuôi, đây là một đối tượng có hàm lượng nitơ cao và thành phần ô nhiễm không phức tạp Nước rác là một đối tượng giầu nitơ và phốt pho, tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu trên đối tượng này do thành phần ô nhiễm rất phức tạp

SS  300-400mg/l) mà không tiêu tốn năng lượng, mặt khác còn thu được biogas [9] Quá trình chuyển hoá yếm khí bao gồm các phản ứng sinh hoá xảy ra cả bên ngoài và bên trong tế bào Hai dạng phản ứng cơ bản là phản ứng dị hoá và phản ứng đồng hoá

Quá trình dị hoá là quá trình phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các phần tử

có cấu trúc đơn giản hơn k m theo sự giải phóng năng lượng

Quá trình đồng hoá là quá trình hình thành các phần tử phức tạp hơn như tạo sinh khối, tạo sản phẩm sinh học đòi hỏi cấp năng lượng Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá chính là năng lượng được giải phóng từ các phản ứng dị hoá

Enzym là chất xúc tác sinh học quyết định hiệu quả của mọi quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống

Vi sinh vật hấp thụ các chất hữu cơ để tồn tại và đòi hỏi một lượng chất dinh dưỡng để phát triển: Các nguyên tố đa lượng C, N, S, P, K, Mg, Ca; các nguyên tố vi lượng e, Mn, Mo, Ni, Co, n, Cu,…trong đó C, N, P và K là các nguyên tố chủ yếu, cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong chuyển hoá sinh hoá

b- ơ ế n ân n

- Sự hình thành CH4

4 8 2 ( )

4 8 2 ( )

2

b a n CO b a n O

H b a

Quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo biogas gồm 4 giai đoạn:

- G ạn ỷ p ân: Dưới tác dụng của enzym hydrolaza, các hợp chất hữu cơ

có phân tử lượng lớn như gluxit, protein, lipit bị thuỷ phân thành các hợp chất hữu cơ

có phân tử lượng nhỏ hơn như đường, axit béo, axit amin

- G ạn ên men ữ ơ: Các sản phẩm của quá trình thuỷ phân sẽ được

vi sinh vật hấp thụ và chuyển hoá trong điều kiện yếm khí tạo thành các axit khác nhau như axit propionic, axit butylic, axit axetic, axit foocmic hoặc các chất trung tính như: rượu, andehyde, axetone

Các axit amin hình thành do phân huỷ protein sẽ được khử amin, một phần các gốc amin (-NH2) được vi sinh vật sử dụng cho sinh trưởng Phần còn lại trong nước thải được chuyển hoá thành NH3, NH4+ và khử đến N2 Một số axit hữu cơ được chuyển

hoá đến axit axetic nhờ vi khuẩn Acetogen theo các phản ứng sau:

CH3CH2COOH + 2H2O  CH

3COOH + CO2 + 3H2

CH3(CH2)2COOH + 2H2O 2CH

3COOH + 2H23CH3- CHOH-COOH  2CH

3-CH2-COOH + CH3COOH+CO2 + H2O

- G ạn me n : quá trình metan hoá được thực hiện theo 2 cơ chế

Dưới tác dụng của các vi khuẩn metan các axit hữu cơ đơn giản (từ 4 các bon trở xuống sẽ bị decacboxyl hoá) Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong xử lý yếm khí thu biogas Hiệu quả xử lý cao khi các sản phẩm trung gian được khí hoá hoàn toàn

+ Cơ chế decacboxyl hoá các axit hữu cơ dưới tác dụng của các enzym decacboxylaza (tạo thành khoảng 70% CH4)

Decacboxyl hoá các axit hữu cơ và các chất trung tính:

CH3COOH Dec

CH4 + CO24CH3CH2COOH Dec,2H2O

7CH4 +5CO22CH3-(CH2)2COOH 2 H2O

5CH4 + 3CO2 Decacboxyl hoá axetol và etanol:

Axeton: CH3-CO-CH3  H2O

Etanol: 2CH3-CH2OH  3CH

4 + CO2 + Phần còn lại (~30 %) CH4 được hình thành theo quá trình khử

Một số vi khuẩn metan hoá có thể khử CO2 bằng H2 hoặc khử bằng phản ứng ôxi hoá khử

Khử bằng hiđro phân tử: CO2 + 4H2  CH

4 + 2H2O

Khử bằng ôxy hoá khử: CO2 CH4 + 2H2O

Nhờ phản ứng khử CO2 mà áp suất riêng phần của H2 được duy trì ở mức độ cần thiết cho sự chuyển hoá các axit bay hơi và rượu thành axit axetic

Sự tạo thành CH4 còn được mô tả theo sơ đồ Hình 1.3:

Hình 1.3 ơ ế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan [65]

- T n ân n

Trong quá trình phân giải yếm khí, giai đoạn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ được thực hiện nhờ nhiều loài vi khuẩn khác nhau Các vi khuẩn này có sẵn trong nước thải hoặc do nuôi cấy

+ Vi sinh vật trong giai đoạn thuỷ phân và lên men axit hữu cơ [65] phần lớn nhạy cảm với môi trường, có thể sinh trưởng và phát triển ở dải pH rộng từ 4-7 và tối

ưu ở pH = 5-7, nhiệt độ 33-40 0C

Môi trường giàu celluloz thường có các vi khuẩn: Bacteroides fibrisolvens;

Clostridium cellulovarans; C omelianskii; C populeri; C thermocellum; Acerivibrio

Axit béo, Glyxerin…

Lên men axit hữu cơ và các chất trung tính

Axit propionic Axit butyric, rượu

cellulolyticus; B succinogennes; Neocallimastix frontalis; Ruminococus flavefaciens;

C papsyrosolvens

Môi trường giàu tinh bột gồm có các vi khuẩn: Bacterium butylicum; Bacteroides

sp; C acetobutilicum; Lactobaccillus sp

Môi trường giàu protein thường gặp: Bacteroides amylophilus; B Ruminicola;

Clostriddium sp Alcsligenes; Bacillus sp.; Micrococus; Pseudomonas sp; Streptomyces

+ Vi sinh vật trong giai đoạn lên men axit axetic

Clostridium sp; Peptococus naerobus; Bifidobactaerium sp; Desulfovibrio sp; Corynebacterium sp, Lactobacilus, Actinomyces, Staphylococus Escherichia coli, Syntrobacter wolini và Syntrophomonas wolfei Chúng chuyển hoá axit béo, các sản

phẩm trung gian thành axit axetic, H2, CO2 Nhóm vi khuẩn này hoạt động dưới điều kiện áp lực H2 thấp

+ Vi khuẩn metan hoá: được chia làm 2 nhóm: nhóm ưa ấm (nhiệt độ tối ưu ở

35-370C) và nhóm ưa nóng (nhiệt độ tối ưu ở 55-600C) [64, 99]

Các vi khuẩn này yêu cầu yếm khí nghiêm ngặt, pH tối ưu 6,8-7,5 pH dưới 6,4 vi khuẩn metan bị ức chế và làm giảm khả năng sinh khí cũng như giảm hiệu quả xử lý [60]

Một số chủng vi khuẩn metan hoá điển hình: Methanobacterium (M) alcaliphium; M

brianti; M formicium; M thermoautophicum; M thermolithotrophicus; M vanniellii; M voltae; M aggregans; M bourgense; M cariaci; M thermophilicum [65]

c- Động ủ n ử ý ếm k í

Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra có hiệu quả phải tạo được các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian…tốt nhất cho vi sinh vật Khi các điều kiện trên được đảm bảo, quá trình xử lý diễn ra như sau:

Tốc độ tăng trưởng tế bào ở cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ hay nuôi cấy liên tục có thể biểu diễn bằng công thức:

Trường hợp nuôi cấy liên tục nguồn dinh dưỡng được cấp ổn định, tuy nhiên khi nồng độ dinh dưỡng được tiêu thụ nhanh đến giá trị tới hạn S Ks thì tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật chỉ đạt ½ vận tốc cực đại, hiện tượng này được biểu diễn bằng

phương trình Monod

S K

Hình 1.4 Ản ư ng của nồng ộ ơ ấ ến tố ộ ăng ư ng riêng

Thay giá trị  ở phương trình (1-3) vào phương trình (1-1) ta có:

(1-4) trong đó: rt: Tố ộ ăng ư ng ự ạ ủ n ậ , 1/giờ

- Sự ăng ư ng ế b ử dụng ơ ấ

Nếu như toàn bộ lượng dinh dưỡng được chuyển hoá thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ bằng tốc độ tạo sinh khối Tuy nhiên trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục, một phần cơ chất được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ổn định nên tốc độ tiêu thụ cơ chất sẽ lớn hơn tốc độ tạo sinh khối Và do đó có thể thiết lập quan

hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng cơ chất được sử dụng theo phương trình sau:

r t  Y .r d, (1-5)

Trong đó: rt: ố ộ ăng ư ng ủ n k ố , 1/giờ

Y: ệ ố năng ấ ử dụng ơ ấ ự ạ , mg/mg (là tỉ số giữa khối

lượng tế bào và khối lượng cơ chất được tiêu thụ trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit):

là 35-37oC [99, 64]

+ Ản ư ng ủ ộ pH

pH có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt lực xúc tác của các enzym trong tế bào vi sinh vật Các vi sinh vật lên men axit hữu cơ có thể tồn tại trong giải pH rộng từ 4-7 tuy nhiên khi pH ~4,5 thì hoạt lực của enzym giảm rõ rệt Các vi khuẩn metan hoá ưa môi trường trung tính và kiềm nhẹ, dải pH tối ưu dòng vào ở pH=6,8-7,4 Khi pH trong thiết bị <6,4 phải ngừng tiếp liệu và điều chỉnh pH khi cần; pH ngoài phạm vi 6,4-8,5 tốc độ phân huỷ các cơ chất giảm, các sản phẩm trung gian tạo thành cũng thay đổi theo hướng không có lợi [9]

+ Ản ư ng ủ ỷ ệ /N

Các nguyên tố C, N là nguồn dinh dưỡng chủ yếu của các vi khuẩn trong xử lý yếm khí, chúng có tốc độ sinh trưởng rất chậm nên nhu cầu nitơ rất thấp, mặt khác quá

trình khí hoá cần một lượng lớn cacbon vì vậy tỷ lệ C/N = 30/1 là tối ưu Thiếu N dẫn đến hạn chế tăng trưởng sinh khối, cacbon phân huỷ chậm và không hoàn toàn Khi hàm lượng NH4+

cao ức chế mạnh các vi khuẩn metan hoá, hậu quả là quá trình phân huỷ yếm khí bị ngừng trệ [75]

Tải lượng dòng vào là yếu tố quyết định đến hiệu quả xử lý Tải lượng dòng vào quá cao gây mất cân đối giữa 2 quá trình axit hoá và metan hoá Axit hữu cơ tạo thành nhanh làm pH giảm đột ngột, không có lợi cho vi khuẩn metan hoá, thậm chí làm chết

vi khuẩn metan hoá

+ Ản ư ng ủ ế k ử m ượng H 2 ng g ạn ạ axetic

Thế oxy hoá khử ảnh hưởng tới quá trình phân huỷ yếm khí theo nguyên lý Le Chatelier về chuyển dịch cân bằng hoá học: “Mọi sự thay đổi của các yếu tố xác định trạng thái của một hệ cân bằng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía chống lại những thay đổi đó” Khí H2 sinh ra từ quá trình phân huỷ yếm khí nếu không được giải phóng sẽ gây áp lực lớn làm cho cân bằng chuyển dịch về phía không sinh ra hiđro nữa

và hiệu quả lên men tạo axetic giảm

Nhờ quá trình metan hoá nồng độ axetic giảm, đồng thời H2 được các vi khuẩn metan hoá sử dụng để khử CO2 tạo khí CH4 nên nồng độ H2 giảm Cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng tạo ra axit axetic và H2 Nếu quá trình này xảy ra liên tục thì hiệu quả xử lý sẽ rất cao Quá trình metan hoá bằng khử CO2, duy trì và ổn định áp suất riêng phần của H2 thấp để không gây ức chế cho vi khuẩn lên men axit axetic Có thể nói quá trình metan hoá và lên men

có mối quan hệ tương hỗ và ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau trong xử lý yếm khí Nếu chỉ một trong hai quá trình bị suy giảm thì tất yếu hệ thống ngừng trệ, hiệu quả xử lý giảm

+ Ản ư ng ủ m n ấ ộ

Một số chất chỉ cần sự có mặt của chúng đã gây ảnh hưởng tới quá trình phân giải Một số chất khác ở nồng độ vượt quá giới ngưỡng hạn cũng gây ức chế quá trình trao đổi chất của vi sinh vật như: hàm lượng oxy, amoni, hydrocacbua halogen hoá, hydrocacbua vòng thơm và một số kim loại nặng

Amoni là một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của vi sinh vật Tuy nhiên trong chuyển hóa yếm khí ở nồng độ nhất định nó hoạt động như một chất ức chế khi có nồng độ  200 mg/l [14, 57, 103] Đặc biệt NH3 ức chế mạnh sự hình thành khí metan từ CO2 và H2 [77, 96]

1.2 Xử ý thiế khí

a- M n

Lọc sinh học được thực hiện nhờ vi sinh vật tạo màng trên bề mặt của giá thể Quá trình sinh trưởng bám dính (tạo màng) chậm hơn so với sinh trưởng lơ lửng; hiệu quả xử lý BOD5 thấp hơn vì trước khi cơ chất được vi sinh vật sử dụng đã xảy ra một loạt các quá trình chuyển khối: từ môi trường tới bề mặt màng, khuyếch tán qua màng, chuyển khối trong lớp lọc Tốc độ của hầu hết các quá trình chuyển khối khá chậm, đặc biệt là quá trình khuếch tán qua màng nên thường là yếu tố khống chế toàn bộ quá trình động học trong xử lý nước thải

Hiện tượng khuếch tán được ick mô tả qua hai định luật khuếch tán: định luật I

và định luật II [6]

Định luật ick I mô tả lượng cơ chất được vận chuyển bằng khuếch tán mol (n) theo thời gian (t) tỉ lệ thuận với sự chênh lệch nồng độ (C) dọc theo chiều khuếch tán dC/dx và thiết diện bề mặt A Phương trình mô tả định luật ick I có dạng:

dt

dC A D dt

dn

.

Phương trình (1-7) mô tả cho trường hợp quá trình xảy ra ổn định, nghĩa là nồng

độ C luôn ổn định trong thời gian phản ứng Điều đó đồng nghĩa với dC/dx = C/x hoặc C = Co + k.x (k là hằng số)

Trường hợp nồng độ biến động theo thời gian trong quá trình phản ứng do tác động của một số yếu tố hóa học, hay sinh học thì quá trình khuếch tán được mô tả bằng định luật ick II:

C D x

C D t

(1-8) Phương trình vi phân riêng (1-8) mô tả sự biến động nồng độ theo hai biến (riêng)

là thời gian và tọa độ không gian C là toán tử Laplace

b- ơ ế ủ n m ng n

Hình 1.5 Mô hình khuếch tán của l c sinh h c

P n ứng ó ớp m ng ế k í khá hạn chế do lượng không khí được

cấp giới hạn (khuếch tán).Trong thiết bị thiếu khí quá trình khử nitơ sử dụng một lượng

ít oxi (được hòa tan do dòng chảy ziczăc giữa các ngăn với DO<1mg/l) nên chủ yếu tạo HNO2 và hình thành rất ít sinh khối (0,15g/gCOD) theo cơ chế sau [7]:

- Oxy hóa amoni và NH3 tạo HNO2 :

2NH3 + 3O2  2HNO2 + 2H2O +158Kcal

- HNO2 được tạo thành sẽ chuyển hóa các gốc amin của các axit amin và amin thành N2↑ theo 2 phản ứng sau:

R-CHNH2-COOH + O=N-OH  R-CHOH +COOH + N2↑ +H2O

R-CO-NH2 + O=N-OH  pHtrungtin , h axitnhe  

và đều có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý Tuy nhiên giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế toàn bộ quá trình lọc sinh học: quá trình chậm nhất thường được cho là quá trình khuếch tán xảy ra ở trong màng sinh học

Trong trường hợp lọc sinh học có đặc trưng khuấy trộn lý tưởng, quá trình phản ứng trong cột lọc xảy ra như sau:

Vật liệu lọc

Vùng hiếu khí

COD, BOD5

Sản phẩm trao đổi chất (H 2 O, CO2…) Vùng yếm khí

Không khí

O 2