HVTH: Nguyễn Đức ToànTrần Thị Thanh Thư LOẠI BỎ NITO AMONIAC TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG MÔ HÌNH THẢM THỰC VẬT Removal of ammoniacal nitrogen from landfill leachate by irrigation onto vegetat
Trang 1HVTH: Nguyễn Đức Toàn
Trần Thị Thanh Thư
LOẠI BỎ NITO AMONIAC TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG MÔ HÌNH THẢM
THỰC VẬT (Removal of ammoniacal nitrogen from landfill leachate by irrigation onto vegetated
treatment planes) Tóm tắt
Nước rỉ rác là một loại chất lỏng bị ô nhiễm do việc xử lý chất thải rắn và chất lỏng ở các bãi chôn lấp mà phải được xử lý trước khi xả ra Xử lý nước rỉ rác bằng mô hình thảm thực vật đã được sử dụng tại các bãi chôn lấp ở Anh nhưng ít được chú ý khoa học Bài viết này mô tả các nghiên cứu về mô hình xử lý nước rỉ rác trong đó tập trung vào việc loại bỏ nitơ amoniac (NH3-N) Thử nghiệm mô hình xử lý quy mô nhỏ
và quy mô lớn đã được xây dựng, thực hiện bằng đất thịt pha đất sét và thảm thực vật với cỏ Agrostis stolonifera Nước rỉ rác đã được áp dụng ở mức nạp thủy lực khác nhau, từ 17-217 l/m2/d Một mối quan hệ hàm mũ đã được sử dụng để mô tả quá trình loại bỏ NH3-N Không có mối quan hệ được quan sát giữa tốc độ nạp thủy lực và hằng
số tỉ lệ loại bỏ NH3-N (R2 = 0,0039) Tốc độ loại bỏ khối lượng NH3-N cụ thể hàng ngày có quan hệ tuyến tính với nồng độ NH3-N vào lúc bắt đầu xử lý trong ngày hôm
đó (R2 = 0,35) Nguyên nhân của sự thay đổi tốc độ loại bỏ NH3-N giữa các thí nghiệm
sẽ được thảo luận
1 Giới thiệu
Chôn lấp là việc xử lý chất thải trong không gian trống sử dụng sỏi hoặc đất sét Các hoạt động chôn lấp có thể ảnh hưởng đến môi trường Ngoài hàm lượng độ ẩm ban đầu của chất thải rắn và bất kỳ chất thải lỏng đầu vào, nước có thể nhập các bãi chôn lấp do hậu quả của sự xâm nhập của lượng mưa, nước mặt hoặc nước ngầm Liên
hệ giữa loại nước này và các chất thải tạo ra một nước rỉ rác ô nhiễm với một loạt các chất hữu cơ và vô cơ hòa tan Nói chung, nước rỉ rác được tạo ra từ thời gian gần đây chứa đầy nước thải sinh hoạt có nhu cầu cao oxi sinh hóa 5 ngày (BOD5) là cao, khoảng 10000 mg/l, và tổng nitơ amoniac (NH3-N) nồng độ vượt quá 1000mg/l Đây
là một hậu quả của sự xuống cấp vi sinh đối với các chất hữu cơ trong điều kiện yếm
Trang 2khí Trong bãi rác cũ, các hợp chất dễ phân hủy sinh học đóng góp cho BOD5 được chuyển đổi bởi một loạt phản ứng vi sinh phức tạp tạo thành khí metan và cacbon đioxit và có thể được khai thác từ các khí bãi rác Vì không có cơ chế cụ thể cho quá trình chuyển đổi NH3-N ở bãi rác, nồng độ NH3-N vẫn ở mức cao trong chất thải cũ Chất thải chôn lấp sẽ tiếp tục tạo ra nước rỉ rác bị ô nhiễm với NH3-N trong nhiều năm sau khi ngừng hoạt động làm đầy hố rác
Nước rỉ rác ở dạng chưa qua xử lý không thích hợp để xả trực tiếp vào nguồn nước trên bề mặt vì BOD và nồng độ NH3-N cao sẽ có tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái của nước nhận được Mặc dù hiệu quả của hệ thống tiên tiến để xử lý nước rỉ rác là có, nhưng một số nhà điều hành bãi rác tìm kiếm giải pháp thay thế do giá vốn cao và yêu cầu quản lý chuyên ngành Hệ thống xử lý trên đất liền là một thay thế hấp dẫn cho nhà điều hành bãi rác cũng như họ sử dụng một nguồn tài nguyên đất hiện có, chúng được coi là rẻ để xây dựng và vận hành, và không cần quản lý chặt chẽ Một hệ thống trên đất liền được xem là một biện pháp 'stop-gap', cho phép đầu tư một hệ thống tiên tiến xử lý nước rỉ rác giá cao được tạm dừng, có lẽ cho đến thời gian khi chấm dứt hoạt động Ngoài ra, hệ thống trên đất liền có thể được sử dụng kết hợp với một hệ thống bể thường dựa trên vai trò đánh bóng
Một ví dụ về một hệ thống trên đất liền rộng rãi được thông qua tại các bãi chôn lấp ở Anh là mô hình xử lí nước rỉ rác Mô hình xử lý trong khu vực có thảm thực vật, đất dốc, thường được thi công bằng cách sử dụng các loại có đất độ thẩm thấu thấp mà nước rỉ rác được áp dụng từ một đầm phá tuần hoàn Dòng chảy của nước rỉ rác trên mặt đất được hỗ trợ bởi độ dốc, việc thiếu thẩm thấu thẳng đứng và tốc độ cao của các ứng dụng xử lý nước thải Hậu quả là, nước rỉ rác tương tác với các tầng trên của đất
và các thảm thực vật rồi nó sẽ tuần hoàn về vùng đầm phá, do đó nghiên cứu sử dụng các thuật ngữ chung là hệ thống xử lý ''dòng chảy trên mặt đất'' Quá trình tuần hoàn tiếp tục (có lẽ trong vài tuần) cho đến khi toàn bộ lô nước rỉ rác trong đầm đạt tiêu chuẩn chất lượng cần thiết
Một số lượng hạn chế các nghiên cứu đã được thực hiện trong các cơ chế loại
bỏ NH3-N trên hệ thống xử lý dòng chảy trên mặt đất Các công trình chính được báo cáo bởi Kruzic và Schroeder nghiên cứu về hệ thống dùng để xử lý nước thải ổn định
Trang 3sau Trong một loạt các thí nghiệm sử dụng hệ thống một chiều, xử lý phòng thí nghiệm, họ kết luận rằng:
• một quá trình lưu trữ (có thể trao đổi cation) đạt hiệu quả cho loại bỏ NH3-N một ngày và sau đó được giải phóng ở dạng nitrat vào những ngày tiếp theo;
• nitrat hóa là một quá trình trọng yếu (nồng độ nitrat cao trong nước thải
xử lý)
• khử nitơ là quá trình loại bỏ một số các sản phẩm NO3-N là kết quả trong quá trình nitrat hóa
Mặc dù các hệ thống xử lý nước rỉ rác nhà máy đã được sử dụng ở Anh trong nhiều năm, ít ai biết về các cơ chế xử lý liên quan đến hoặc các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả xử lý Bài báo này báo cáo kết quả của các nghiên cứu về mô hình xử lý thí nghiệm được thiết kế để nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về cơ năng nitơ amoniac trong các hệ thống xử lý vùng đồng cỏ nhân tạo
2 Phương pháp
2.1 Giới thiệu
Mô hình xử lý tác nghiệp có thể có một diện tích bề mặt của một vài hecta, do
đó, nó được xem là hấp dẫn để xây dựng một hệ thống thí nghiệm lớn như thực tế cho phép Theo đó, 10 ô riêng lẻ 25m dài x 1m rộng quy mô cánh đồng được xây dựng tại Silsoe, Bedfordshire, Anh Ngoài các ô quy mô cách đồng, thêm dữ liệu thu được từ các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng quy mô máng nhỏ 2m dài x 0.4m rộng
2.2 Ruộng quy mô: thiết kế, xây dựng và hoạt động
Giai đoạn đầu tiên của xây dựng là đào một hố (khoảng 16m dài x 2.5m rộng x 2m sâu) để giữ bể chứa tiếp nhận 1,2 m3 nơi sẽ thu nhận nước rỉ rác chảy tràn từ các ô Một cơ sở bê tông cốt thép được đặt ở dưới đáy của hố và gắn liền với cốt thép, tường chắn khối rỗng Chuẩn bị mô hình xử lý bắt đầu vào hoàn thiện các hố 0.4m của lớp đất mặt đã được gỡ bỏ bằng cách sử dụng một máy xúc, diện tích từ 25m x 16m tiếp giáp với các hố và dự trữ để sử dụng sau Các máy xúc sau đó được sử dụng để loại vị trí để cung cấp cho 2% đường dốc xuống và 0% đường dốc ngang với đầu dưới giao nhau bờ dốc của bức tường chắn hố
Trang 4Mười ô này sau đó được đánh dấu ra thành năm cặp, mỗi cặp cách nhau bởi một con đường rộng 1m để tiếp cận (Hình 1) Một khung gỗ được dựng lên trên từng ô
và để ngăn chặn sự rò rỉ ở các ô đất, một tấm polyethylene được định vị phía trên khung gỗ, bao gồm mỗi cặp ô như thể hiện trong hình 2 Các khối lớp đất bề mặt dự trữ được chia để tạo thành nhỏ hơn, quản lý tổng hợp hơn với máy bừa điện và cẩn thận thay thế bên trong ô polythene phủ mặt Mảnh đất sau đó được tưới bằng nước ngọt trong 8h và được cho phép hợp nhất trong một tuần Diện tích cao và thấp trên bề mặt mảnh đất được san bằng bằng cách làm nghiêng và mức độ kiểm tra tại chu kỳ 1m dốc xuống để đảm bảo rằng một cách thống nhất đạt được độ dốc 2%
Hình 1 Bố trí của mô hình xử lý thử nghiệm quy mô cánh đồng
Hình 2 Sơ đồ của một mặt cắt ngang của một cặp ô
Trang 5Hạt giống bãi cỏ Agrostis stolonifera được gieo trên mảnh đất đã hoàn thành, ở mức khuyến cáo của nhà cung cấp (50g/m2) A stolonifera đã được lựa chọn bởi vì nó
là một đại diện nổi trội về các bãi cỏ trên hai mô hình xử lý tại chỗ Ở cả hai nơi, cỏ xuất hiện để chịu được ngập lụt định kỳ với nước rỉ rác mà không có tác động xấu rõ ràng Trong các thử nghiệm bình, A stolonifera đã vượt trội so với loài cỏ chịu mặn và ngập úng chịu khác (ví dụ như Spartina townsendii và Pucinellia maritima) khi được tưới bằng nước thải thô và có thể tồn tại trong nhiều tuần ngập trong nước có chứa nồng độ clorua cao
Một bể cung cấp 1.2 m3 được đặt trên bờ đập ở cuối phía trên của mỗi ô Bãi rác cho các thí nghiệm xuất phát từ bãi chôn lấp Calvert của Shanks Ltd ở Buckinghamshire, Anh Calvert mở cửa vào năm 1980 và được phân loại theo Robinson như một bãi rác lớn, tương đối khô với một tỷ lệ đầu vào chất thải cao Các nước rỉ rác được sử dụng trong các thí nghiệm này xuất phát từ một phần của bãi rác
có đặc điểm như men vi sinh methanogenic với BOD thấp (thường <200mg/l) Một bản tóm tắt chất lượng nước của nước rỉ rác Calvert thô trong suốt thời gian thí nghiệm được trình bày trong Bảng 1 Nước rỉ rác từ các bể chứa cung cấp đã được áp dụng ở phía trên của các ô bằng cách sử dụng một sắp xếp bờ kè đơn giản Dòng chảy tràn từ các ô đất được thu thập ở hai bể tiếp nhận 1.2 m3 nối liền tại các cơ sở của dốc
Bảng 1 Chất lượng nước rỉ rác thô từ bãi chôn lấp Calvert trong thời gian nghiên cứu
Các ô đất đã được vận hành theo chu kỳ 24h Quá trình xử lý nước rỉ rác bắt đầu lúc 10 giờ sáng và liên tục trong 5h Đất sau đó được cho phép để thoát và khô trong 19h cho đến khi giai đoạn ứng dụng tiếp theo bắt đầu vào ngày hôm sau Trong công trình của họ với hệ thống dòng chảy tràn mặt cho việc xử lý nước thải sinh hoạt,
Trang 6Smith và Schroeder chứng minh rằng tiến hành liên tục (24h/ngày) là có hại cho quá trình xử lý Một khoảng thời gian sấy cho phép oxy trong khí quyển để khuếch tán vào đất, cho phép các quá trình oxy hóa hợp chất hữu cơ và NH3-N để tiến hành Nước rỉ rác được bơm trở lại vào bể cung cấp vào mỗi buổi sáng mà tại đó các mẫu được lấy
để phân tích hóa học
2.3 Quy mô máng nhỏ: thiết kế, xây dựng và hoạt động
Máng 2m dài x 0.4m rộng x 0.2m sâu được xây dựng từ các tấm thép mềm theo một thiết kế sử dụng trước đó bởi Pawson (Hình 3) Máng được dần dần lấp đầy đến độ sâu khoảng 0.1m với đất thịt pha đất sét (Evesham series) tìm thấy tại nơi thử nghiệm tại Silsoe Đất sau đó được phủ bằng cỏ, rút ra từ một mô hình xử lý hoạt động chạy bởi Shanks tại Calvert ở Buckinghamshire, Anh Các loài cỏ chủ yếu hiện nay là Agrostis stolonifera (leo uốn cong) Máng được bố trí sao cho chúng có độ dốc xuống 2% và dốc ngang 0% Nước rỉ rác được áp dụng cho mỗi máng từ hồ chứa 220 l riêng của nó (một thùng polypropylene) mà xả ra lưu lượng của nó thông qua một van điều khiển với một vị trí đường ống phân phối ngang ở cuối phía trên của máng Ở phần thấp của máng, nước rỉ rác chảy tràn được thu thập trong một thùng polypropylene 220
l giống hệt nhau Máng đã được vận hành trong cùng một cách như các ô đất
Hình 3 Sơ đồ bố trí thực nghiệm của các máng
2.4 Ô đất và chương trình thí nghiệm máng
Trang 7Biến số thực nghiệm chính theo điều tra là tốc độ tải thủy lực Tốc độ tải thủy lực có khả năng ảnh hưởng đến chức năng hoạt động của hệ thống trong một số phương pháp Tại tốc độ tải thủy lực thấp, nước rỉ rác có thể không được phân phối tốt dẫn đến tiếp xúc kém với diện tích bề mặt có sẵn của mô hình xử lý Với tốc độ tải thủy lực cao hơn, độ sâu của dòng chảy sẽ tăng lên Điều này sẽ lần lượt dẫn đến vận tốc dòng cao hơn và thời gian cư trú thấp Tải trọng thủy lực đã được thử nghiệm trong phạm vi 17-217 l/m2/d (17-217 mm/d) (Bảng 2 và 3) Điều này so sánh với tốc độ tải thủy lực ước tính 52-72 l/m2/d (52-72 mm/d) tại mô hình xử lý được thực hiện bởi Shanks Ltd
Bảng 2 Tóm tắt các chương trình thực nghiệm máng a
a NB: Tốc độ tải thủy lực dùng để chỉ khối lượng nước rỉ rác áp dụng cho mỗi mét vuông diện tích bề mô hình xử lý trong thời gian 5 giờ trong chu kỳ hàng ngày mà nước rỉ rác đã được áp dụng
Bảng 3 Tóm tắt các chương trình thực nghiệm ô đất a
Trang 8a NB: Tốc độ tải thủy lực dùng để chỉ khối lượng nước rỉ rác áp dụng cho mỗi mét vuông diện tích bề mô hình xử lý trong thời gian 5 giờ trong chu kỳ hàng ngày mà nước rỉ rác đã được áp dụng
Bước đầu thử nghiệm trên ô đất đã thu hút sự chú ý đến vấn đề thực tế liên quan đến các thí nghiệm quy mô lớn hơn Nó đã được tìm thấy rằng, dung lượng 1.2 m3 của
bể chứa cung cấp là không đủ để duy trì một cuộc chạy thực nghiệm dài hơn 2 tuần về một ô đất 25 m2 do mất nước do bốc hơi nước Ví dụ, trong thời tiết nóng, bốc hơi nước có thể là 3mm/d, tương đương 75 l mỗi ô 25m mỗi ngày Vấn đề này đã được khắc phục trong hai cách Thứ nhất, chiều dài ô (và do đó diện tích) được giảm bằng cách di chuyển các máng phân phối xuống các ô đất Như vậy chiều dài ô khoảng 10m hoặc 20m được sử dụng để tăng tốc độ tải thủy lực Thứ hai, các thể tích bể cung cấp của từng ô đã được tăng lên bằng cách nối liền các bể chứa cung cấp cho hai ô đất với nhau để thành một ô đất duy nhất
2.5 Lấy mẫu và phân tích
Mẫu nước rỉ rác được lấy vào mỗi buổi sáng các ngày trong tuần sau sự trở lại của nước rỉ rác được xử lý vào ngày trước đó từ bể tiếp nhận vào bể cung cấp Trước khi lấy mẫu, hàm lượng của mỗi bể chứa cung cấp được khuấy mạnh để đảm bảo rằng nước rỉ rác được xử lý và bất kỳ nước rỉ rác chưa qua xử lý được trộn kĩ (ở mức tải thủy lực thấp, không phải tất cả các thể tích bể cung cấp đã được thải mỗi ngày) Tất
cả các mẫu nước rỉ rác ngay lập tức được làm lạnh và vận chuyển bằng thùng lạnh để phân tích trong phòng thí nghiệm NH3-N, NO2-N và NO3-N được đo hàng ngày bằng cách bằng cách sử dụng một quang phổ kế đo màu Hydrocheck 600C (WPA Ltd, Cambridge, Vương quốc Anh) COD, Cl và pH cũng được đo hàng ngày nhưng vì mục đích ngắn gọn, những dữ liệu này không được thảo luận
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Động học quá trình loại bỏ NH 3 - N
Việc tuần hoàn của nước rỉ rác trên mô hình xử lý thí nghiệm dẫn đến một sự chậm chạp, tiến tới giảm nồng độ NH3-N của nó trong khoảng thời gian vài tuần Một
mô hình tương tự loại bỏ NH3 - N được sản xuất ở cả máng và các thí nghiệm Loại bỏ
NH3 - N là tương đối nhanh chóng trong vài ngày đầu tiên, nhưng từ từ giảm dần như
Trang 9thí nghiệm tiến hành Điều này thường cho sự xuất hiện của một đường cong khi nồng
độ NH3 - N đã giảm qua các ngày thử nghiệm (Hình 4)
Hình 4 Một ví dụ điển hình của việc loại bỏ NH3 - N từ một loạt các nước rỉ rác (thử
nghiệm A, quy mô nhỏ máng 1)
Một mối quan hệ số mũ đã được tìm thấy để phù hợp nhất với các dữ liệu thực nghiệm Các phương trình đường phù hợp nhất và các hệ số liên quan xác định (R2) cho mỗi thí nghiệm máng và con số được thể hiện trong Bảng 4
Bảng 4: Phương trình hàm mũ phù hợp nhất và hệ số xác định (R2) cho từng phương
pháp tiến hành thí nghiệm
Trang 10Các giá trị của k (hằng số tốc độ phản ứng ) xuất phát từ các phương trình đường phù hợp nhất, đã làm giảm tỷ lệ tải thủy lực tương ứng cho mỗi lần thử nghiệm (Hình 5)
Hình 5 Mối quan hệ giữa tốc độ tải thủy lực và hằng số tốc độ loại bỏ nitơ amoniac
(k) Các điểm tán xạ và giá trị thấp có liên quan của R2 (0,0039) gợi ý rằng có mối quan hệ giữa tốc độ tải thủy lực và tốc độ loại bỏ NH3-N Điều này cho thấy rằng yếu
tố có liên quan đến tốc độ tải thủy lực là tính thống nhất của phân phối nước rỉ rác và thời gian lưu của nước rỉ rác, trong thực tế là không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý
Tuy nhiên, tốc độ loại bỏ NH3-N liên tục cho mỗi lần thử nghiệm tiến hành là khác nhau đáng kể Hệ thống xử lý trên đất liền rất phức tạp và một số yếu tố có thể ảnh hưởng tốc độ loại bỏ NH3-N trong quá trình thí nghiệm Thay đổi không gian trong khả năng hấp phụ NH3-N và trạng thái của quần thể vi khuẩn nitrat của đất sử dụng có thể được mong đợi Tại điểm cuối của phạm vi tỷ lệ ứng dụng được sử dụng
có khả năng tiếp xúc giữa các mô hình xử lý và các nước rỉ rác sẽ được giảm bớt do lưu lượng lớn Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ NH3-N do ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa và còn lại một ít do quy trình vi sinh và hóa học khác Các thí nghiệm kéo dài từ đầu mùa xuân qua đầu mùa thu, đó là lý do để cho rằng nhiệt độ sẽ góp phần vào sự biến đổi tốc độ Trước đây, xử lý hóa học và sinh học
là một yếu tố khác có thể có đóng góp vào sự biến đổi tốc độ Ví dụ, có thể mất vài ngày cho vi khuẩn nitrat trong đất hình thành lên đến mức độ cần tiền xử lý, sau đó xử
