Xử lý nước rỉ rác bằng quy trình công nghệ mới

Xử lý nước rỉ rác bằng quy trình công nghệ mớiTóm tắt Xử lý bậc cao nước rỉ rác từ bãi rác thành phố nằm ở miền nam Trung QuốcJiang-men được thực hiện trong một nhà máy quy mô bằng cách

BÀI GIỮA KÌ

MÔN: ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ DIỆU CẨM

Họ tên : Nguyễn Hữu Chơn

Huỳnh Hữu Điền

Nhóm 1 – Bài 1

Xử lý nước rỉ rác bằng quy trình công nghệ mới

Tóm tắt

Xử lý bậc cao nước rỉ rác từ bãi rác thành phố nằm ở miền nam Trung Quốc(Jiang-men) được thực hiện trong một nhà máy quy mô bằng cách sử dụng mộtquy trình mới Quá trình kết hợp phản ứng (SBR) vai trò như là xử lí thứ nhất, vớichất keo tụ poly ferric sunfat (PFS) cùng với hệ thống Fenton như xử lý thứ hai,

và cặp bộ lọc sục khí sinh học (UBAFs) song song như xử lí cấp 3 Hiệu quả loại

bỏ toàn bộ các nhu cầu oxy hóa học (COD) trong quá trình này là 97,3%, với dòng

ra COD ít hơn 100 mg / L Hiệu quả loại bỏ ammonia (N-NH3) lên đến 99% đạtđược trong SBR, với dòng ra nhỏ hơn 3 mg/L, đáp ứng các tiêu chuẩn thải (≤25 mg/ L) với xử lí ban đầu Phốt pho tổng (TP) và chất rắn lơ lửng (SS) trong nước thảicuối cùng đã được giảm xuống tương ứng còn dưới 1 mg/L và 10 mg/L Các thửnghiệm thu được trong hoạt động và bảo dưỡng cho thấy hiệu suất ổn định hơn củaquy trình kết hợp này Phân tích kinh tế cho thấy rằng chi phí vận hành tổng thểcủa xử lí tiên tiến là 2,70 $ / m3 Quy trình kết hợp mới này đã được chứng minh làrất phù hợp và hiệu quả trong nhà máy xử lý nước rỉ rác quy mô nhỏ và đượckhuyến khích áp dụng trong các nhà máy xử lý nước rỉ rác rác quy mô nhỏ

1 Giới thiệu

Bãi rác là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho các xử lýchất thải rắn đô thị (MSW) Có đến 95% trong tổng số MSW thế giới được xử lýtại bãi rác [1,2] Mặc dù một số phương pháp xử lý triển vọng, như: đốt và ủ, được

sử dụng ngày nay, không phải tất cả MSW có thể được ủ hoặc thiêu hủy; sự đốt đểlại một dư lượng khoảng 10-20% phải được chôn lấp [3]

Nước rỉ ra từ các bãi chôn lấp là nước thải có độ bền cao mà có thể chứa một lượnglớn các chất hữu cơ và vô cơ cần xử lý, như amoniac, kim loại nặng, chất hữu cơchứa clo và muối hữu cơ, vô cơ Nước thải chưa qua xử lý có thể thấm vào mạchnước ngầm hoặc trộn với nước bề mặt và góp phần vào sự ô nhiễm đất, nước bềmặt, và nước ngầm [4] Những mối nguy hiểm lớn của nước rỉ rác đã được khẳngđịnh, cần thiết phải xử lí nó đáp ứng các tiêu chuẩn xả vào cống hoặc vào vùngnước tự nhiên

Tuy nhiên, các yêu cầu xả nghiêm ngặt hơn đang tiếp tục được áp dụng liên quanđến đất và nước bề mặt, việc xử lý bãi rác trở thành một mối quan tâm cả về môitrường và kinh tế, trong đó tiêu chuẩn thải khắt khe hơn áp đặt chi phí lớn hơn để

xử lí Vì vậy, rất quan trọng để xác định lựa chọn xử lí thích hợp nhất cũng như các

điều kiện hoạt động tối ưu cần thiết để đạt được khả năng tương thích trong quytrình xử lí kết hợp và loại bỏ tối đa chất gây ô nhiễm từ bãi rác.

Trong nhiều năm, phương pháp xử lí sinh học thông thường và phương pháp hóa lý

cổ điển được coi là công nghệ thích hợp nhất cho việc điều khiển và quản lý nướcthải có độ bền cao như bãi rác [5] Kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như SBR và sựbiến đổi của nó [6-10], tăng lưu lượng lớp bùn kị khí (UASB) [11-13], tạo bông -keo tụ [14-17], hấp phụ [18,19], thoát khí [20 -22], đã được sử dụng để xử lí cácbãi rác Đối với phân hủy sinh học bãi rác (BOD5 / COD > 0,3), các kỹ thuật sinhhọc có thể có hiệu quả trong việc loại bỏ đồng thời của carbon hữu cơ và nitơ Sau

đó xử lý hóa lý được dùng như một bước tinh chế ổn định cho dòng ra của nước rỉrác được xử lý sinh học

Tuy nhiên, với già hóa bãi chôn lấp rác và với nước rỉ rác ổn định hơn, cũng nhưvới các tiêu chuẩn thải nghiêm ngặt hơn, phương pháp xử lí sinh học thông thườngtheo sau là phương pháp hóa lý cổ điển không còn phù hợp để đạt được mức độlàm sạch cần thiết để giảm những tác động tiêu cực của nước thải vào hệ sinh thái

và con người Điều này cho thấy để đáp ứng các tiêu chuẩn mới, tiếp tục xử lí làcần thiết hoặc phải tìm các giải pháp xử lí mới

Công nghệ màng, đặc biệt là thẩm thấu ngược (RO), một trong những quy trìnhmới triển vọng, là một thay thế hiệu quả hơn các phương pháp thông thường để xử

lí nước thải Nhưng công nghệ màng có hạn chế rõ ràng chưa được giải quyết: ứngdụng rộng rãi bị hạn chế do chi phí đắc và bản quyền thuộc châu Âu, tắc nghẽnmàng, thời gian sử dụng ngắn làm giảm năng suất hoạt động và tập trung lượng lớnchất thải không sử dụng được và cần tiếp tục xử lí

Quá trình Fenton đã được đề xuất và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây[23-30] và được xác nhận là một thay thế hiệu quả cao cho phân hủy chất hữu cơkhó phân hủy trong nhiều loại nước thải, bao gồm cả nước thải bãi rác Với quátrình Fenton, phần lớn các chất hữu cơ cao phân tử bị thoái hóa và một phần bị loại

bỏ, cải thiện phân hủy sinh học Khả năng của quá trình oxy hóa hóa học là chuyểnđổi các hợp chất khó phân hủy thành các hợp chất dễ phân hủy sinh học hơn, sau

đó có thể được loại bỏ thông qua xử lý sinh học tiếp theo, đã được báo cáo [31,32].Các công nghệ UBAF được phát triển rộng rãi do ưu thế của nó, chẳng hạn nhưlượng vết nhỏ và hiệu suất tuyệt vời với mức hoạt động cao hơn nhiều so với quátrình sinh học thông thường, với hiệu suất loại bỏ và công suất cao cho các chấthữu cơ chứa cacbon, nitơ tổng (TN), amoniac và SS [33] Vì vậy, dòng ra xử líFenton có thể được làm sạch bởi UBAF Tuy nhiên, các báo cáo ứng dụng của chất

phản ứng Fenton hoặc các quy trình kết hợp phản ứng Fenton để xử lý nước rỉ rácthực tế rất hiếm hoi.

Sử dụng SBR xử lý sơ cấp, keo tụ PFS và hệ thống Fenton xử lý thứ cấp và UBAFnhư xử lí thứ ba là một cách tiếp cận mới, kết hợp để xử lí nước rỉ rác Mục đíchcủa chúng tôi là để đánh giá tính khả thi và khả năng tương thích của quá trìnhnhiều giai đoạn để xử lí tiên tiến nước rỉ rác tại một nhà máy quy mô toàn diệnnhằm làm giảm nồng độ các chất hữu cơ, phốt pho và nitơ

2 Vật liệu và phương pháp

2.1 Đặc điểm nước rỉ bãi rác

Các bãi rác đã hoạt động được 10 năm và nằm ở Giang Môn, một thành phố ởmiền Nam Trung Quốc Tổng diện tích của bãi rác là 140.000 m2 và khoảng 750tấn chất thải rắn đô thị được xử lý hàng ngày Nước rỉ ở bãi rác khoảng 150-200 m3

/ ngày Nó đã được thu thập trong bể với dung tích 8000 m3 và sau đó được xử lýtại bãi rác Thành phần của nước rỉ bãi rác khác nhau tùy thuộc nhiều vào mùa, vàđặc biệt là độ tuổi của bãi rác Trung bình đặc điểm hóa lý của nước rỉ rác thô dựatrên số liệu thống kê 3 năm được thể hiện trong Bảng 1 Đó là một hỗn hợp chấtkiềm đen sậm Trung bình tỷ lệ BOD5 / COD là dưới 0,2 cho thấy phân hủy sinhhọc thấp Thành phần chính khác có trong nước thải là ammonia và clorua

2.2 Xử lý SBR (Sequencing batch reactor)

Không khí được cung cấp bởi máy nén khí qua ống dẫn không khí và thông gióvào đáy của bể phản ứng, và khuấy cơ học được thực hiện bởi cánh quạt thẳngđứng Bùn được rút ra bởi xiphon, và thời gian lưu trữ chất rắn được kiểm soát ởmức khoảng 20 ngày Các lò phản ứng hoạt động ở nhiệt độ khí quyển, và đồngthời làm đầy và trộn trong 1h, khuấy cơ học 4h, sục khí 5h, khuấy cơ học 2h, sụckhí 3h, lắng 8h, và gạn nước 1h Các quá trình này được điều khiển tự động Bùnđược lấy mẫu và kiểm tra thường xuyên để đánh giá hiệu suất của SBR

Bảng 1: Thành phần trung bình nước rỉ rác.

2.3 Chất keo tụ PFS

Các dịch nổi từ SBR được tập hợp trong một bể đệm và sau đó đưa vào ngăn keo

tụ, keo tụ với thể tích làm việc 55 m3 Chất keo tụ PFS được trộn với nước rỉ trongống dẫn trước khi được bơm vào bể Sự keo tụ và sa lắng được thực hiện Một đập

đã được cố định ở cuối bể cho tách bông keo tụ Thời gian lưu nước (HRT) đượckiểm soát ở mức khoảng 5,5 h Liều lượng chất keo tụ được xác định bằng Jar Testkhi một mẻ mới của chất keo tụ được sử dụng, hoặc chất lượng nước từ nước thảiSBR thay đổi đáng kể, hoặc khi nhiệt độ thay đổi do chuyển mùa Không cần điềuchỉnh pH trước khi keo tụ

2.4 Hệ thống Fenton

Nước rỉ rác xử lí PFS sau đó được đưa vào hệ thống Fenton để tiếp tục xử lí Quátrình Fenton bao gồm bốn giai đoạn: quá trình oxy hóa, trung hòa, tạo bông, và salắng Hoạt động liên tục trong khoảng 8h mỗi ngày sau khi tiếp nhận nước thải xử

lí PFS Trong quá trình oxy hóa, sắt sulfate và hydrogen peroxide được thêm vàotrong bể phản ứng 55 m3 cho quá trình oxy hóa Cuối của quá trình oxy hóa, thựchiện trung hòa bằng cách bổ sung NaOH Điều kiện pH khoảng 7,0 - 8,0 Sau đó,một số lượng nhỏ của poly-acrylamide (PAM: 0,2%, w/w) được thêm vào và trộntrong đường ống máy trộn để thực hiện tạo bông Cuối cùng, dung dịch lắng trong

bể lắng Dung dịch sau lắng cặn từ xử lí Fenton tràn một con đập ở cuối bể Dungtích làm việc của bể lắng là 55 m3, và HRT được kiểm soát ở mức 5,5h

2.5 Phương pháp lọc UBAF (Upflow biological aerated filters)

Phương pháp lọc được thực hiện bởi hai UBAF song song Nước rỉ rác xử lýFenton được tập hợp trong một bể đệm và sau đó được bơm vào BAFs cho xử lícuối cùng Hai UBAF là của cùng một thiết kế, mỗi thể tích làm việc là 25 m3 Vậtliệu gốm và kích thước dao động từ 3 mm đến 5 mm Không khí được đưa vào các

bể phản ứng từ phía dưới và lượng không khí được điều khiển bằng một đồng hồ

đo lưu lượng không khí

HRT được duy trì khoảng 3h, và tỷ lệ khí sục vào nước khoảng 5:1 Làm sạch lại ởcác bể phản ứng được xác định bởi chất lượng dòng ra Quá trình xử lí nước thải rỉrác được phác họa trong hình 1

Hình 1: Sơ đồ quy trình xử lí nước rỉ rác bậc cao

2.6 Phương pháp phân tích

Đo lường cho hàm lượng COD, amoni, TP trong dòng vào và dòng ra ở từng đơn

vị hoạt động được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp chuẩn [34] Cácthông số khác, chẳng hạn như nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (BOD5), pH, độ kiềm,màu sắc, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO) và chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) đượctheo dõi thường xuyên

3 Kết quả

3.1 Xử lí SBR

Nước rỉ rác được tập hợp trong hồ điều tiết được đưa vào SBR cho xử lí sơ cấp.Hình.2 cho thấy sự biến đổi COD trong SBR dòng vào và dòng ra Có những biếnđộng lớn COD dòng vào, mà dao động từ 930 mg/L và 9000 mg/L, như thể hiệntrong hình.2 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của nước rỉ rác, tuổi bãirác, lượng mưa, mùa, loại chất thải và thành phần [5]

Hình2 Hàm lượng COD dòng vào và dòng ra trong giai đoạn vận hành

Trong trường hợp này, sự biến động COD chủ yếu liên quan đến thời tiết các mùa

và loại chất thải Cần lưu ý rằng sự gia tăng mạnh của COD dòng vào từ ngày

170-200 chủ yếu là do sự pha trộn của các cặn nổi trên bề mặt với nước rỉ rác thô trongmột tháng Việc loại bỏ COD của SBR khá ổn định, với mức trung bình hiệu quảloại bỏ 76% và COD dòng ra trung bình là 640 mg / L mặc cho sự biến động COD

trong nước thải thô Những thay đổi nhỏ trong nước thải COD trong quá trìnhchuyển đổi theo mùa (ngày 26-40, ngày 100-121, và ngày 167-189) chỉ ra rằngbiến đổi nhiệt độ gây ảnh hưởng đáng kể nhưng không nghiêm trọng đến xử lí sinhhọc Các yếu tố bất lợi lớn nhất là nhiệt độ thấp hơn (5-15◦C) vào mùa đông,nhưng không phá vỡ hệ thống Tỷ lệ BOD5 / COD của phần nổi của SBR là ít hơn0,05 (số liệu không hiển thị), gần như không phân hủy sinh học, do đó, cần xử líbằng phương pháp hóa lí.

Sự biến đổi của nồng độ amoniac dòng vào và dòng ra của SBR được hiển thịtrong hình.3 Sự tăng lên của amoniac dòng ra đã được quan sát bởi vì sự thay đổinhiệt độ khi mùa đông đến (ngày 38-43) Tuy nhiên, sau một vài ngày cho thíchứng, amoniac dòng ra giảm xuống một cách nhanh chóng

Hình 3 Hàm lượng amoniac dòng vào và dòng ra của SBR trong giai đoạn vậnhành

Loại bỏ amoniac đạt được hiệu quả cao trong suốt thời gian hoạt động (trừ ngày38-43), ngay cả khi ammoniac dòng vào tăng cao đến 1500 mg / L Hiệu suất xử lýtrung bình vượt quá 99%, với dòng ra trung bình dưới 3 mg / L Amoniac dòng rađạt các tiêu chuẩn xả thải của địa phương (≤25 mg / L), không cần xử lí ammoniactrong quá trình tiếp theo Sự pha trộn của cặn nỗi với nước thải thô từ ngày 170-200 ít ảnh hưởng đến chuyển đổi amoniac

Việc xử lí SBR không chỉ có hiệu quả cho việc chuyển đổi amoniac, mà còn rấthữu ích để loại bỏ phốt pho Hình.4 thấy sự thay đổi TP trong xử lí SBR

Khi TP dòng vào dao động từ 7 mg/L đến 18 mg/L, TP dòng ra ít hơn 5 mg/L vàhiệu suất loại bỏ trung bình là 81% Xử lí thêm photphat là cần thiết, vì TP trongSBR dòng ra đôi khi vượt quá mức cho phép xả <3 mg/L

Hình 4 Hàm lượng TP dòng vào và dòng ra của SBR trong giai đoạn vận hành

pH và độ kiềm là những chỉ số của quá trình nitrat hóa và hiệu suất khử nitơ trong

xử lý sinh học pH và thay đổi độ kiềm được hiển thị trong hình 5 và 6 Hình 5 chothấy rằng pH dòng vào (khoảng 7,9-9,1) cao hơn ở dòng ra (khoảng 5,5-8,5), ngoạitrừ từ ngày 170-200, khi pH tăng đột ngột từ 7,0 đến trên 8.0 Hình 6 cho thấy độkiềm dòng vào luôn cao hơn so với độ kiềm dòng ra, và sự tương tự trong độ kiềmdòng ra có thể được tìm thấy từ ngày 170-200

Hình 5 pH dòng vào và dòng ra của SBR trong giai đoạn vận hành

Hình 6 Độ kiềm dòng vào và dòng ra của SBR trong giai đoạn vận hành.

Nitrat hóa tạo H+ và giảm tính kiềm, trong khi nitơ hóa tiêu thụ H+ và tạo kiềm Vìvậy, trong giai đoạn này, sự gia tăng carbon hữu cơ (trong hình 2) do việc bổ sungcác cặn bề mặt dòng vào là kết quả trong việc hoạt hóa hiệu suất khử nitơ, và đồngthời dẫn đến sự gia tăng của pH dòng ra và độ kiềm Cần lưu ý rằng sự gia tăng ổnđịnh của pH dòng ra SBR từ ngày 130-170 chủ yếu là do sự sụt giảm của amoniac(Hình 3) và giảm bớt quá trình nitrat hóa

3.2 PFS keo tụ kết hợp với hệ thống Fenton

Việc xử lý hóa lý nước rỉ rác sau xử lý SBR rất cần thiết vì phân hủy sinh học cực

kỳ thấp.PFS keo tụ thường được sử dụng để loại bỏ các chất lơ lửng và chất keo

đó là một nhóm quan trọng của hợp chất chịu nhiệt chứa trong nước thải xử lý sinhhọc.Một hệ thống Fenton kế tiếp được sử dụng để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tanvẫn còn lại trongnước rỉ rác bằng cách keo tụ

Hình 7 cho thấy sự biến đổi COD trong các hệ thống xử lý thứ cấp Khi dòng vàoCOD dao động từ 330 mg / L đến 1050 mg / L, keo tụ PFS dòng thải thường đượcduy trì với COD giữa 200 mg / L và 300 mg / L, trừ ngày 43-47, vì sự gia tăngtrong dòng thải SBR và giữa ngày 196 và 200, vì sự kém chất lượng của chất keo

tụ.Hiệu quả xử lý COD trung bình là 63%.Các COD của nước thải Fenton xử lý

ổn định nằm trong khoảng từ 80 mg / L đến 200 mg / L, với hiệu suất trung bìnhkhử COD là 41% Vấn đề chất lượng của chất keo tụ PFS giữa ngày 196 và 200 đãdẫn đến sự gia tăng COD trong cả PFS keo tụ và nước thải xử lý Fenton Vấn đềnày chỉ ra rằng PFS keo tụ là điểm quan trọng trong xử lý hóa lý để loại bỏ cácchất hữu cơ khó phân hủy

Hình 7 Nồng độ COD trong dòng vào và dòng ra của PFS keo tụ và hệ thốngFenton trong giai đoạn vận hành

Kết quả của việc loại bỏ TP từ nước rỉ rác xử lý SBR bằng cách xử lý keo tụ PFS

và hệ thống Fenton được đưa ra trong hình 8.TP trong keo tụ PFS dòng thải ít hơn1.5 mg / L, thấp hơn tiêu chuẩn xả thải 3mg / L, với hiệu quả khử TP trung bình76%.TP được tiếp tục xử lý bằng cách xử lý Fenton, với một nồng độ trung bình íthơn 0,3 mg / L.Các kết quả được hiển thị trong hình 8 cho thấy việc xử lý vi sinhcùng với kết tủa hóa học để loại bỏ phốtpho là cực kỳ hiệu quả

Hình 8 TP thay đổi trong dòng vào và dòng ra của PFS keo tụ và hệ thống Fentontrong giai đoạn vận hành

Sự biến đổi pH trong hệ thống xử lý thứ cấp được hiển thị trong hình 9 Độ pH củanước thải xử lý PFS thấp hơn nhiều so với dòng vào, vì quá trình thủy phân củaPFS sản xuất H + Trong hệ thống Fenton, quá trình oxy hóa đòi hỏi một pH banđầu giữa 3 và 5, pH nước thải PFS đáp ứng được yêu cầu này Trước khi tạobông,điều chỉnh độ pH được thực hiện vì PAM tạo bông cần một độ pH trên 7.0.Nước thải từ hệ thống Fenton có pH giữa 6,5 và 9.0, thích hợp cho xử lý theoUBAF.

Hình 9 pH thay đổi trong dòng vào và dòng ra của PFS keo tụ và hệ thống Fenton trong giai đoạn vận hành

3.3 Lọc UBAF

Để đảm bảo rằng COD nước thải cuối cùng dưới 100mg / L, hệ thống UBAF được

sử dụng như một bước tinh chỉnh cho quá trình xử lý hóa lý COD xử lý dòng raUBAF1 và UBAF2 được thể hiện trong hình 10 COD trong dòng thải của UBAF1