Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ô xy hóa nâng cao trên cơ sở o3, O3UV và FentonUV

Viện Khoa học và Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ô xy hóa nâng cao trên

Trang 1

NGUYỄN THỊ NGỌC BÍCH

XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG KỸ THUẬT Ô XY HÓA NÂNG CAO

PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội, 2014

Hà Nội – Năm 2014

Trang 2

Viện Khoa học và Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội

i

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ô xy hóa nâng cao trên cơ sở O 3 , O 3 /UV và Fenton/UV” là do tôi thực hiện

với sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Xuân Hiển Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, nguồn thông tin trong Luận văn là trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong

luận văn này

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2013

HỌC VIÊN

NGUYỄN THỊ NGỌC BÍCH

Trang 3

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và làm việc tại trường Tôi gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ môi trường đã tận tình dạy dỗ để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Xuân Hiển người đã định hướng

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành được luận văn này

Tôi xin cảm ơn gia đình và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi để tôi yên tâm học tập và nghiên cứu

Trang 4

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan nước rỉ rác 3

1.1.1.Thực trạng chất thải rắn ở Việt Nam 3

1.1.2 Quá trình hình thành và sự cân bằng nước rỉ rác 4

1.1.3 Đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần nước rỉ rác 8

1.2 Các phương pháp xư ly nước rỉ rác 12

1.2.1.Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam 12

1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác trên thế giới 14

1.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp nghiên cứu 16

1.3.1 Phương pháp xử lý nước bằng keo tụ 16

1.3.1.1 Cơ chế của phương pháp keo tụ 16

1.3.1.2 Quá trình tiền xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ sử dụng PAC 17

1.3.2 Phương pháp ô xy hóa 17

1.3.2.1 Ô xy hóa bằng ozone (O3) 17

1.3.2.2 Ô xy hóa bằng Fenton 24

1.3.2.3 Tia cực tím (UV) 28

1.3.3 Phương pháp ô xy hóa tiên tiến (AOPs) 32

Trang 5

iv

1.3.3.1 Ô xy hóa bằng hệ O3/UV 32

1.3.3.2 Ô xy hóa bằng hệ quang Fenton (Fenton/UV) 33

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình AOPs 36

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG KỸ THUẬT Ô XY HÓA NÂNG CAO SỬ DỤNG TÁC NHÂN O3, O3/UV VÀ FENTON/UV 41

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 41

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 41

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 41

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 41

2.4 Thiết bị hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 42

2.5 Phương pháp nghiên cứu 43

2.5.1 Phương pháp kế thừa 43

2.5.2 Phương pháp ngoại nghiệp 44

2.5.3 Thực hiện xử lý nước rỉ rác bằng O3 và O3/UV trong phòng thí nghiệm 44

2.5.4 Thực hiện xử lý nước rỉ rác bằng Fenton/UV trong phòng thí nghiệm 45

2.5.5 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 45

2.6 Phương pháp thực nghiệm 46

2.6.1 Pilot ô xy hóa sử dụng thực nghiệm 46

2.6.2 Thực hiện tiền xử lý bằng keo tụ 47

2.6.3 Thực hiện khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng Ozone 49

2.6.4 Thực hiện khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng O3/UV 51

2.6.5 Thực hiện khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng Fenton/UV 53

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57

3.1 Đặc tính nước rỉ rác nghiên cứu 57

Trang 6

v

3.2 Tiền xử lý bằng keo tụ 58

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới quá trình tiền xử lý 58

3.2.2 Khảo sát liều lượng chất keo tụ 59

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng ô xy hóa 60

3.3.1 Xử lý nước rỉ rác bằng O3 và O3/UV 60

3.3.1.1 Ảnh hưởng của pH tới xử lý COD bằng O3 và O3/UV 61

3.3.2 Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng Fenton/UV 65

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 69

3.4.1 Xử lý nước rỉ rác bằng O3 và O3/UV 69

3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian tới xử lý nước rỉ rác bằng Fenton/UV 73

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tới quá trình xử lý nước rỉ rác 76

3.5.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý 76

3.5.2 Ảnh hưởng O3 tới hiệu suất xử lý COD bằng O3 và O3/UV 79

3.5.3 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tới hiệu suất xử lý COD bằng Fenton/UV 80 3.5.4 Ảnh hưởng của nồng độ COD đầu vào 82

3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nước rỉ rác tới hiệu suất xử lý 83

3.6.1 Sự hình thành các gốc kém hoạt động 83

3.6.2 Một số ion trong nước rỉ rác trước và sau phản ứng 84

3.6.3 Ảnh hưởng của độ màu tới hiệu suất xử lý của tia UV 87

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 95

Trang 7

vi

DANH MỤC VIẾT TẮT

APHA American Public Health Association

Tổ chức y tế sức khỏe cộng đồng

Mỹ

USEPA

United states environmental

Trang 8

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Thực trạng chất thải rắn năm 2003 và 2008 [4] 3

Bảng1.2: Phân loại nước rác theo tuổi [29] 11

Bảng 1.3: Tính chất lý hóa của ozon [25] 19

Bảng 1.4: Một số ứng dụng ozon hóa trong xử lý nước thải và bùn thải [21] 23

Bảng 1.5: Một số liều lượng UV để xử lý các vi sinh vật [8] 31

Bảng 1.6 : Hiệu suất khử trùng Ecoli và liều lượng tia UV sử dụng [8] 32

Bảng 2.1: Khảo sát pH của quá trình keo tụ 48

Bảng 2.2: Khảo sát liều lượng PAC của quá trình keo tụ 49

Bảng 2.3: Khảo sát ảnh hưởng của pH trong xử lý ozone 50

Bảng 2.4: Khảo sát thời gian xử lý nước rỉ rác bằng Ozone 51

Bảng 2.5a: Khảo sát pH xử lý nước rỉ rác bằng O3/UV 52

Bảng 2.5b: Khảo sát thời gian xử lý nước rỉ rác bằng O3/UV 52

Bảng 2.6 a: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/ H2O2 54

Bảng 2.6b: Khảo sát ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý 55

Bảng 2.6 c: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 56

Bảng 3.1: Đặc tính nước rỉ rác nghiên cứu 57

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của pH đến tiền xử lý COD và độ màu 58

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ PAC tới hiệu suất xử lý 59

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng O3 và O3/UV 61

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của pH tới nồng độ chất hữu cơ và độ màu 65

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 69

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 73

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 76

Trang 9

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sự di chuyển của nước rỉ rác trong bãi chôn lấp 4

Hình 1.2: Cân bằng nước trong hệ thống bãi chôn lấp 5

Hình 1.3: Cấu trúc phân tử Ozone [7] 18

Hình 1.4: Các hình thức cộng hưởng của phân tử ozone [7] 18

Hình 1.5 Cơ chế khơi mào phản ứng ozon hóa của ion OH- [7] 19

Hình 1.6: Cơ chế ozon hóa chất M của O3 [7] 20

Hình 1.7: Cơ chế Crigge phản ứng của ozone [7] 21

Hình 1.8: Sự tấn công lectronphile vào vòng thơm [7] 21

Hình 1.9: Cấu tạo một loại đèn UV hơi thủy ngân hay được sử dụng [8] 30

Hình 2.1:Thiết kế hệ pilot 46

Hình 2.2: Pilot trong phòng thí nghiệm 46

Hình 2.3: Cấu tạo thí nghiệm Jartest tiền xử lý bằng keo tụ 48

Hình 3.1: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng chất keo tụ PAC 58

Hình 3.2: Hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ PAC 60

Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD bằng O3 và O3/UV 62

Hình 3.4: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý BOD5 bằng O3 và O3/UV 63

Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý độ màu bằng O3 và O3/UV 64

Hình 3.6: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý COD bằng Fenton/UV 66

Hình 3.7: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý BOD5 bằng Fenton/UV 67

Hình 3.8 : Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý độ màu bằng Fenton/ UV 68

Hình 3.9: Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý COD bằng O3 và O3/UV 70

Hình 3.10: Ảnh hưởng của thời gian tới BOD5 bằng O3 và O3/UV 71

Hình 3.11: Ảnh hưởng của thời gian tới xử lý độ màu bằng O3 và O3/UV 72

Hình 3 12: Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý COD bằng Fenton/UV 74

Trang 10

ix

Hình 3.13: Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý BOD5 bằng Fenton/UV 74

Hình 3.14:Ảnh hưởng của thời gian tới xử lý độ màu bằng Fenton/UV 75

Hình 3.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới xử lý COD bằng Fenton/UV 77

Hình 3.16 Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới xử lý BOD5 bằng Fenton/UV 78

Hình 3.17: Ảnh hưởng của tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý độ màu 79

Hình 3.18: Biến động liều lượng O3 đến nồng độ COD trong nước rỉ rác 80

Hình 3.19: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến hiệu suất xử lý COD 81

Hình 3.20a: Hàm lượng H2O2 phản ứng theo thời gian 82

Hình 3.20b: Hàm lượng H2O2 phản ứng theo pH 82

Hình 3.21: Ảnh hưởng của COD đầu vào tới hiệu suất xử lý của O3 83

Hình 3.22: Ảnh hưởng của COD đầu vào tới hiệu suất xử lý của O3/UV 83

Hình 3.23: Sự thay đổi nồng độ HCO- và CO32- theo thời gian phản ứng 85

Hình 3.24: Hàm lượng sắt dư trong nước rỉ rác sau xử lý 86

Trang 11

Đặc trưng của nước rỉ rác có tải lượng ô nhiễm theo COD và BOD5 rất cao Trong thành phần chất ô nhiễm hữu cơ bao giờ cũng chứa hai phần: Phần chất ô nhiễm hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Ở các BCL thời gian chôn lấp không lâu (<1-2 năm), nước rác có trị số COD rất cao (3000-60.000mg/l), đồng thời tỷ số BOD/COD cũng cao(>0,6), tức trong nước rác này chứa nhiều thành phân hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học Ngược lại ở các bãi rác thời gian chôn lấp lâu (>10 năm) nước rỉ rác có trị số COD tương đối thấp và tỷ số BOD/COD cũng thấp, lúc này thành phần chủ yếu sẽ là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

Với nước rỉ rác cũ thì do tỷ số BOD5/COD rất thấp (khoảng từ 0,1 đến 0,3) do vậy để có thể đáp ứng được quá trình xử lý sinh học thì bắt buộc phải làm cho tỷ lệ BOD5/COD tăng lên thì giải pháp ô xy hóa đóng vai trò như bước tiền xử lý cho quá trình sinh học tiếp theo Tuy nhiên đối với nước rỉ rác đã sau xử lý sinh học thì chất hữu cơ chủ yếu là CODcalcite (COD trơ), cần phải xử lý đạt chuẩn đầu ra thì phương pháp AOPs lại được coi là biện pháp tốt trong xử lý chất hữu cơ và độ màu

Trang 12

2

Dựa trên thực tế đó tác giả đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng kỹ

thuật AOPs với tên đề tài là “Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ôxy hóa nâng cao trên cơ sở O 3 , O 3 /UV và Fenton/UV" Với mong muốn là kết quả của nghiên cứu

sẽ là cơ sở cho việc đề xuất phương pháp xử lý nước rỉ rác nói riêng và nước thải nói chung phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

Trang 13

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước rỉ rác

1.1.1 Thực trạng chất thải rắn ở Việt Nam

Hiện tại ở nước ta tổng dân số là 86,93 triệu người, 755 đô thị lớn nhỏ, tốc

độ đô thị hóa mạnh mẽ, đây là yếu tố quan trọng thúc đẩy kinh tế xã hội Tuy nhiên, trái ngược với sự phát triển mạnh mẽ lại là một áp lực rất lớn đối với môi trường Bên cạnh đô thị hóa, công nghiệp hóa sẽ là số lượng dân cư đô thị tăng cao tại những khu vực này Có khoảng 26,22 triệu người chiếm 30,17% dân số cả nước ở các khu công nghiệp, dịch vụ, y tế và công tác xây dựng cơ sở hạ tầng tăng cao đồng nghĩa với việc sẽ có hàng loạt các vấn đề về chất thải rắn phát sinh [4,5]

Bảng 1.1 : Thực trạng chất thải rắn năm 2003 và 2008 [4]

Trang 14

4

đất Những vấn đề ô nhiễm đối với những bãi chôn lấp không hợp vệ sinh sau khi đóng cửa chủ yếu nhiều chất hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng, thuốc BVTV, coliform, gây ô nhiễm nước mặt, nước ngầm và ô nhiễm đất Ngoài ra lượng bụi, mùi phát tán mạnh, H2S, khí hơi hữu cơ, CH4 gây ô nhiễm không khí nặng nề

1.1.2 Quá trình hình thành và sự cân bằng nước rỉ rác

Nước rò rỉ tại bãi rác là kết quả của quá trình thẩm thấu của nước mưa và độ ẩm thông qua các chất thải dẫn đến sự hòa tan các chất dinh dưỡng và các chất gây ô nhiễm trong một BCL

Nước rò rỉ bãi rác là lượng nước vượt quá khả năng giữ nước của bãi rác [21] Khi nước thấm qua, CTR sẽ thực hiện quá trình phân hủy rác và rò rỉ tạo ra thành dung dịch nhờ các phản ứng hóa học và sinh học Dung dịch này sẽ đi ra khỏi bãi rác hoặc thấm xuống đất phụ thuộc và hình thái của bãi rác

Hình 1.1: Sự di chuyển của nước rỉ rác trong bãi chôn lấp

Đối với những bãi rác hợp vệ sinh thì lượng nước rác sẽ được thu gom hoàn toàn Hàm lượng nước ngấm qua thành và đáy là không đáng kể Sự cân bằng nước trong bãi rác luôn được kiểm soát thông qua phương trình cân bằng như sau:

Nước tích trữ Nước chảy bề mặt

Nước ngầm

Nước rỉ rác Nước ngầm

Nước chảy bề mặt Nước mưa

Trang 15

Viện Khoa học và Cụng nghệ mụi trường – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội

5

Cõn bằng nước trong bói chụn lấp hợp vệ sinh được biểu diễn như sau [21]:

ΔS SW = W SW + W TS + W CM + W A(R) – W LG – W WV – W E – W B(L)

Cỏc thành phần này cú thể được biểu diễn theo hỡnh 1.2

N-ớc thấm phía trên bãi rác xuống

Rác đã đ-ợc phân hủy

N-ớc thoát ra từ phía đáy

N-ớc trong bùn

thải

Hỡnh 1.2: Cõn bằng nước trong hệ thống bãi chụn lṍp

Cỏc thành phần tham gia trong cõn bằng nước của một số đơn nguyờn hố chụn lấp được mụ tả trong hỡnH 1.2 Cỏc nguồn chớnh vào bói chụn lấp bao gồm: Nước

Trang 16

6

thấm từ trên xuống , độ ẩm chất thải rắn, độ ẩm của lớp vật liệu phủ và độ ẩm của bùn, nếu cho phép đổ bùn vào BCL Nguồn chính mất đi là nước ra khỏi BCL như một phần của khí và nước rò rỉ

Nước vào BCL từ phía trên: Đối với lớp trên cùng của BCL, nước vào từ trên

tương ứng với lượng nước mưa ngấm qua lớp vật liệu phủ Một trong những vấn đề quan trọng khi xác lập cân bằng nước cho BCL là phải xác định được khối lượng nước mưa thấm thực sự qua lớp phủ có thể được xác định bằng cách sử dụng mô hình đánh giá thủy lực kết hợp với các số liệu về lượng mưa, khí hậu

Nước đi vào chất thải rắn: Nước đi vào BCL cung với chất thải có độ ẩm của

bản thân chất thải cũng như độ ẩm được hấp thụ từ không khí hoặc từ nước mưa (ở những nơi các thùng chứa không được đậy kín một cách hợp lý) Trong mùa khô, phụ thuộc vào điều kiện chứa, độ ẩm của CTR giảm đi Độ ẩm của rác thải sinh hoạt ở thành phố Hồ Chí Minh khoảng 40-60% vào mùa khô và có thể lên tới 80% vào mùa mưa Ở những quốc gia khác nhau có độ ẩm của chất thải rắn sinh hoạt khác nhau có thể chỉ khoảng 20% Do vậy lượng mưa hàng năm là yếu tố ảnh hưởng vô cùng lớn tới độ ẩm BCL và lượng nước rỉ rác phát sinh

Nước đi vào trong vật liệu phủ: Khối lượng nước đi vào BCL cùng với vật liệu

phủ sẽ phụ thuộc vào chất liệu vật liệu phủ và các mùa trong năm Khối lượng lớn nhất của độ ẩm có thể được định nghĩa bằng khả năng giữ nước (FC- Field Capacity) của vật liệu Đó là lượng chất lỏng giữ lại trong các lỗ rỗng tương ứng với sức kéo của trọng lượng FC dao động trong khoảng 6 - 12% đối với đất pha cát

và 23-31% đối với đất pha sét

Nước thoát ra từ bên dưới: Nước thoát khỏi lớp phủ đầu tiên và các lớp khác

của BCL được gọi là nước rỉ rác Ở những BCL có hệ thống thu gom nước rỉ rác ở các vị trí trung gian thì nước thu được cũng được coi là nước rỉ rác Còn nếu chỉ có

hệ thống thu gom ở đáy thì đây cũng chính là nước rỉ rác

Trang 17

7

Nước được tiêu thụ trong quá trình hình thành khí BCL: Nước được tiêu thụ

trong quá trình phân hủy kỵ khí các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn Khối lượng nước này có thể được ước tính dựa trên phương trình phân hủy sử dụng cho các vật liệu phân hủy nhanh

Khả năng giữ nước của bãi chôn lấp: Nước thấm vào BCL không bị tiêu thụ,

không thất thoát dưới dạng hơi nước được giữ lại trong BCL và trở thành nước rò rỉ Lượng nước có thể giữ được dưới tác dụng của trọng lực được gọi là khả năng giữ nước Lượng nước rò rỉ có thể hình thành là lượng ẩm trong BCL vượt quá khả năng giữ nước của BCL

Cân bằng nước của BCL có thể được xây dựng bằng cách bổ sung khối lượng nước thấm và một đơn vị diện tích của một lớp nhất định của BCL trong một khoảng thời gian cho trước, nó phụ thuộc vào lượng ẩm của lớp đó, vào thời điểm cuối của khoảng thời gian nhất định trước đó và trừ đi lượng nước thất thoát từ lớp này trong khoảng thời gian hiện đang xét đến Nếu khả năng giữ nước nhỏ hơn lượng nước hiện có thì sẽ hình thành nước rỉ rác Hay nói một cách tổng quát, lượng nước rò rỉ BCL là một hàm số phụ thuộc vào lượng nước bên ngoài xâm nhập vào BCL

Lưu lượng nước rỉ rác: Trên cơ sở của phương trình cần bằng nước, các số

liệu về lượng mưa, độ bốc hơi, hệ số giữ nước của rác sau khi nén trong BCL, lượng nước rò rỉ có thể tính theo mô hình vận chuyển một chiều của nước rò rỉ xuyên qua CTR nên và đất bao phủ được tính như sau:

M:Khối lượng CTR trung bình ngày (tấn/ngày)

W2: Độ ẩm của CTR sau khi nén (%)

W1; Độ ẩm của CTR trước khi nén (%)

P: Lượng mưa ngày trong tháng lớn nhất (mm/ngày)

E: Lượng nước bốc hơi lấy bằng 5 mm/ngày

Trang 18

8

Việc tính toán lượng nước rỉ rác sẽ tạo điều kiện để xác định công suất và duy trì hệ thống xử lý

1.1.3 Đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần nước rỉ rác

Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp khác nhau nói chung là khác nhau, đặc tính nước rác thường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: thời gian chôn lấp rác (tuổi của bãi rác), cấu trúc bãi chôn lấp, cách chôn lấp, khối chôn lấp, loại rác thải, điều kiện

tự nhiên, khí tượng nơi chôn lấp Trong bãi rác xảy ra rất nhiều các phản ứng sinh, hóa học làm biến đổi thành phần của rác thải Kết quả là hàng loạt các chất được hình thành, chúng ngấm qua rác và rò rỉ ra ngoài trong thành phần của nước rỉ rác Chúng bao gồm cả chất vô cơ, chất hữu cơ có thế phân hủy hoặc không phân hủy sinh học được

Tại các bãi chôn lấp, ngoài những đặc tính của rác, thì sau khi tạo thành bãi chôn lấp nhiều thay đổi hóa, lý của rác do quá trình phân hủy rác, nước mưa và nước trong chất thải rò rỉ ra tạo thành nước thải từ rác Hầu hết nước thải từ những bãi rác mới có đặc tính chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao và khó phân hủy sinh học: BOD5 4000 – 13.000 mg/l; COD 30.000 – 60.000mg/l; tỷ lệ BOD/COD dao động từ 0,4 đến 0,7, N- amoni 200 – 600mg/l, pH thấp (khoảng 4) và một số axit béo dễ bay hơi (VFAs) [5] Đặc biệt là hàm lượng các chất trong bãi rác thay đổi theo tuổi của bãi rác [10,11] Các loại nước rỉ rác tại các quốc gia và các thành phố hay nông thôn khác nhau cũng rất khác nhau, những tính chất lý hóa và hàm lượng của chúng cũng rất đa dạng thể hiện rõ trong phụ lục 1

Như vậy, thành phần ô nhiễm các chất trong nước rác rất phong phú và phức tạp có thể tổng kết như sau:

Trang 19

9

Ô nhiễm chất hữu cơ: Đặc trưng của tải lượng ô nhiễm theo COD và BOD5 rất cao Trong thành phần chất ô nhiễm hữu cơ bao giờ cũng chứa hai phần: Phần chất ô nhiễm hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

Ở các BCL thời gian chôn lấp không lâu (<1-2 năm), nước rác có trị số COD rất cao (3000-60.000mg/l), đồng thời tỷ số BOD/COD cũng cao(>0,6), tức trong nước rác này chứa nhiều thành phân hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học Ngược lại ở các bãi rác thời gian chôn lấp lâu (>10 năm) nước rỉ rác có trị số COD tương đối thấp và tỷ

số BOD/COD cũng thấp, lúc này thành phần chủ yếu sẽ là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Với những bãi rác có thời chôn lấp thấp thì các thành phần chất hữu

cơ có trọng lượng phân tử thấp, chủ yếu là các axit bay hơi (VFA) chiếm phần lớn, trong khi đó nước rác từ các bãi rác lâu năm thì thành phần chất hữu cơ chủ yếu là các chất có khối lượng phân tử rất lớn đại diện cho các chất đó như là axit fulvic, axit humic, được gọi chung là các chất humic Axit fulvic và axit humic là những chất có cấu trúc phân tử phức tạp và khối lượng phân tử rất lớn Thực chất hai axit này là hợp chất của lipid, protein, cacbohydrat, ligin có trong xác thực vật và động vật trong quá trình chôn lấp rác Cấu trúc của chúng gồm nhiều nhân thơm ngưng tụ cao, xung quanh nhân thơm ngưng tụ có đính các nhóm định chức, chủ yếu là các nhóm cacboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), cabonyl (> O = O) làm cho phân tử axit

Ca2+ và Fe2+ hoặc một số ion kim loại nặng khác tạo thành một phức chất cấu trúc cồng kềnh Axit Fulvic có trọng lượng phân tử thấp hơn axit humic nhưng tính axit của nó lại cao hơn Chính hai loại axit này tạo ra màu trong nước rỉ rác, bởi bản thân chúng là những polime mang màu, từ nâu đạm đến màu đen nâu, là thành phần chất hữu cơ khó xử lý [31] Do vậy thời gian chôn lấp càng lâu thì những chất hữu

cơ phân hủy nhiều hơn so với chất hữu cơ có thể bị phân hủy sinh học được Chính

vì vậy xử lý chất hữu cơ và độ màu trong nước rỉ rác là một trong những thách thức lớn trong việc xây dựng công nghệ xử lý nước rác

Trang 20

10

Thành phần các chất ô nhiễm vô cơ: Chủ yếu là amoni, thành phần này

được tạo ra do sự phân hủy (thủy phân và lên men) thành phần các protein xác động vật hoặc thực vật trong rác thải Đặc tính quan trọng của thành phần amoni trong nước là chúng tồn tại với lượng rất lớn do vậy trong các chất vô cơ thì lượng amoni

là khó xử lý nhất trong nước rỉ rác

Thành phần các chất độc hại: Các virust, vi trùng, vi khuẩn, vi sinh vật gây

bệnh, các kim loại nặng Ngoài trong nhiều trường hợp chất thải rắn không được phân loại và BCL không hợp vệ sinh còn tạo ra nhiều chất độc hại đặc trưng của chất thải và có nguy cơ ảnh hưởng lớn tới môi trường nước, đất

Tại trạm xử lý nước Nam Sơn: COD 32.000mg/l, BOD 8000mg/l, N_NH3 8000mg/l Một số loại nước rỉ rác sau xử lý sinh học vẫn có nồng độ COD vẫn cao 400-500mg/l Đặc tính nước rỉ rác tại bãi rác Gò Cát : Môi trương trung tính pH không có tính axit (pH~7); hàm lượng COD không quá cao mà ở mức trung bình (~15.000 mg/L); tỷ số BOD/COD ~ 0,5, hàm lượng TKN cao (~2.000 mg/L) [11]

Với đặc tính phức tạp và ảnh hưởng của nhiều yếu tố tới tính chất nước rỉ rác, để xử lý nước rỉ rác không thể chỉ sử dụng một phương pháp đơn thuần bắt buộc phải có sự tích hợp của nhiều phương pháp xử lý

Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần nước rác: Các thành phần trong nước rỉ

rác bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tuổi, khí hậu, thành phần chất thải rắn, kiểu bãi chôn lấp Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp tới thành phần, lưu lượng nước rỉ rác

[21] Khí hậu: Yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới chất và lượng nước rác là nước mưa

Nước mưa đóng vai trò như một dung dịch vận chuyển cho quá trình thẩm thấu và

di chuyển của chất gây ô nhiễm từ bãi rác Nó cung cấp độ ẩm cần thiết cho quá trình sản xuất khí methan và các hoạt động sinh học khác Tuy nhiên, nếu lượng mưa quá lớn sẽ làm tăng lượng nước rỉ rác cần được xử lý Do vậy dưới những

Trang 21

11

vùng khí hậu có lượng mưa cao, những vùng nhiệt đới mưa tập trung theo mùa thì cần có những thiết kế BCL cho phù hợp [21] Một số mô hình toán học đã được phát triển để dự đoán lượng nước rác dựa trên cơ sở các yếu tố thủy văn Chất, lượng nước rỉ rác tạo ra tỷ lệ thuận với lượng nước thấm qua các chất thải trong BCL Do vậy giảm lượng nước vào BCL là rất quan trọng trong giảm tỷ lệ sinh

nước thải (Tatsi và Zouboulis, 2002).Thời gian chôn lấp (tuổi BCL): Điều này thấy

rõ trong việc phân tích các chỉ số nước rỉ rác ở các độ tuổi khác nhau Xu thế chung của các bãi chôn lấp mới thì tỷ số BOD/COD ≥0,5, tuy nhiên đối với những BCL lâu năm (>10) thì tỷ số này lại rất thấp có khi còn nhỏ hơn cả 0,1 Điều này chứng

tỏ lượng chất hữu cơ khó phân hủy sẽ chiếm ưu thế hơn so với chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Sự chuyển biến màu nước rỉ rác cũng thấy rõ ràng hơn từ màu vàng nhạt sang màu nâu tới đen (nhiều nghiên cứu thấy rằng lượng màu tăng là do nhiều thành phần axit fulvic và humic gia tăng trong nước rỉ rác) Thế ô xy hóa và pH cũng tăng lên một cách ổn định Sự chuyển biến của các kim loại thành các hydroxit nhiều hơn từ đó độ đục cũng tăng lên theo Lượng và thành phần nước rỉ rác cũng

thay đổi nhiều theo từng năm tuổi [21,29]

Bảng 1.2: Phân loại nước rác theo tuổi [29]

axit và fulvic axit

10 Phân hủy sinh học

Trang 22

12

Thành phần chất thải trong bãi chôn lấp: Đối với mỗi loại BCL khác nhau sẽ có tỷ

lệ thành phần rác thải khác nhau, sẽ quyết định đặc trưng chất và lượng của nước rác Ở những nơi có sự phân loại trước khi chôn lấp càng kỹ lưỡng bao nhiêu thì

thành phần của nước rỉ rác càng ít sự phức tạp [21] Đặc điểm địa chất: Đối với

những BCL hợp vệ sinh thì yếu tố này không ảnh hưởng nhiều tới nước rỉ rác Tuy nhiên những BCL không hợp vệ sinh thì những tác động của tính chất hạt đất, lượng nước ngầm trong đất, cấu tạo thành phần địa chất, hàm lượng sét trong đất đều là yếu tố làm biến đổi tính chất của nước rỉ rác Nước rác có thể làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, đất và không khí xung quanh BCL Trên thực tế, hàm lượng KLN chứa rất ít trong nước rác, tuy nhiên ở những vùng có hàm lượng trong đất cao thì nước rỉ

rác tại các BCL cũng có hàm lượng KLN cao [21] Kỹ thuật chôn lấp: Trong cấu

tạo BCL hợp vệ sinh hoặc những BCL đặc biệt thì cấu tạo các lớp phủ, lớp bề mặt, lớp lót đáy đến hệ thống thu gom nước đều phải thực hiện một cách nghiêm ngặt Thành phần từng lớp phủ, tới kỹ thuật tạo những lớp khác nhau trong BCL đều phải đạt yêu cầu về thiết kế Những BCL không có hệ thống thu nước mưa thì lưu lượng nước rỉ rác tăng lên nhiều hơn so với những BCL khác Độ dày mỏng, thành phần cát, sét trong lớp lót đáy sẽ ngăn chặn nước rỉ rác ngấm vào mạch nước ngầm và cũng tránh được nước ngầm ngấm vào trong BCL

1.2 Các phương pháp xử lý nước rỉ rác

1.2.1.Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam

Hiện tại trên cả nước có 16/98 BCL (chưa tính tới BCL tự phát) được coi là hợp vệ sinh trong đó vấn đề xử lý nước rỉ rác vẫn rất bức xúc Có thể kể đến một số bãi chôn lấp có khu xử lý nước rác như: Nam Sơn (Hà Nội), Đèo Sen, Hà Khẩu, Quang Hanh (Quảng Ninh), Tràng Cát ( Hải Phòng), Đông Thạch, Gò Cát, Đa Phước, Phước Hợp (Tp Hồ Chí Minh) Các phương pháp công nghệ chủ yếu được

sử dụng như sau:

Trang 23

13

Xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp cơ học: Phương pháp cơ học chỉ chủ

yếu là song chắn rác và các bể tự lắng

Xử lý nước rỉ rác bằng hóa lý: Phương pháp chủ yếu được sử dụng là keo tụ

tủa bông và lắng Phương pháp này chỉ có khả năng làm giảm lượng chất lắng lơ lửng

Xử lý nước rỉ rác bằng biện pháp hóa học: Chủ yếu được sử dụng trong giai

đoạn khử trùng cuối cùng Hóa chất dùng thường là Clo, KMnO4 …

Xử lý nước rỉ rác bằng các loại cây thực vật: Các loại cây được sử dụng dầu

mè, cỏ Ventiver, cỏ voi, cỏ signal là những loài thực vật có khả năng đồng hoá và hấp thụ các chất gây ô nhiễm và phát triển trong điều kiện tự nhiên (TS Ngô Hoàng Văn, Hội Nước và Môi trường nước,TP Hồ Chí Minh), áp dụng tại bãi rác Đông Thạch TP Hồ Chí Minh Đây là phương pháp xử lý sinh học, trong môi trường tự nhiên, không gây ô nhiễm môi trường Kết quả nghiên cứu cho thấy, nguồn nước rác đậm đặc có nồng độ các chất ô nhiễm cao sau khi được pha loãng với tỷ lệ 10%,

bộ rễ một số cây thực vật như dầu mè, cỏ vetiver, cỏ voi và cỏ signal có khả năng đồng hoá và hấp thụ các chất gây ô nhiễm và phát triển trong điều kiện tự nhiên [11,21]

Một số dây chuyền công nghệ xử lý nước rỉ rác tiêu biểu

* Trạm xử lý nước rác Nam Sơn (Hà Nội) do công ty kỹ thuật SEEN thực hiện

từ khâu thiết kế, cung cấp thiết bị, xây dựng, lắp đặt và đưa công trình vào vận hành

qua nhiều bước: xử lý tự nhiên, xử lý sơ bộ, xử lý đặc biệt (xử lý hoá lý để loại bỏ các thành phần kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ), xử lý sinh học Trong các công nghệ được áp dụng, công nghệ sinh học 1 bước xử lý nitơ/2 bể song

Trang 24

14

song đem lại hiệu quả cao; hiệu quả xử lý đối với thành phần COD (>95%) và

khó phân huỷ sinh học với chế độ vận hành tự động hoàn toàn

* Công nghệ xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp chất thải rắn Gò cát (TP Hồ Chí Minh): Tại đây, nước rỉ rác được xử lý qua 4 bậc: (1) bậc 1: xử lý sơ bộ để loại bỏ canxi kết hợp xử lý sinh học kỵ khí bằng bể xử lý kỵ khí với dòng chảy ngược quađệm bùn (bể phản ứng UASB) Ngăn trộn, nhận nước thô và nước tuần hoàn từ

bể UASB Từ đây nước thải được đưa qua tháp khử canxi; (2) bậc 2: xử lý sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (ASP) kết hợp với quá trình Nitrat hoá và khử Nitrat để giảm thiểu BOD và COD và Nitơ tổng; (3) bậc 3: xử lý hoá lý bằng keo tụ - tạo bông - kết tủa - lắng và lọc cát; (4) bậc 4; xử lý bằng vi lọc và lọc nano

1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác trên thế giới

Một số công nghệ đang được sử dụng xử lý nước rỉ rác tại Châu Á Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu là hiếu khí và kỵ khí là chính Trong khi quá trình xử lý hóa lý và hóa học bao gồm quá trình oxy hóa, đông tụ - keo tụ, kết tủa hóa học, hấp thụ bằng carbon hoạt tính và lọc màng Mỗi một phương pháp sẽ cho hiệu quả xử

lý và có mức độ sử dụng khác nhau (phụ lục 2)

Các biện pháp xử lý sinh học: Xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp hiếu khí

như: quá trình bùn hoạt tính (ASP), SBR, bể lọc sinh học, Bể lọc sinh học tiếp xúc (RBC); quá tình kỵ khí như: UASB Biện pháp sinh học được coi là có hiệu quả

Hơn nữa thời gian lưu nước lâu đòi hỏi phải có không gian rộng lớn hay diện tích

bể phản ứng phải lớn Quá trình đòi hỏi phải có hệ thống xử lý hàng loạt gây khó khăn thiết kế hệ thống và tốn năng lượng duy trì, bảo trì hệ thống [21]

Trang 25

15

Các biện pháp xử lý vật lý: Hấp thụ bằng carbon, sử dụng màng lọc

Các biện pháp hóa học: Quá trình oxy hóa hóa học là cần thiết cho xử lý nước

thải có hòa tan nhiều chất không phân hủy sinh học hoặc chất độc hữu cơ [23] Quá trình ô xy hóa thông thường sử dụng như clo, ozon, kali permanganat và canxi hydrochloride chỉ cho hiệu suất xử lý COD khoảng 20-50% (Amokrane và cộng sự) Các quy trình hay sử dụng nhất dựa là trên phản ứng trực tiếp của oxy hóa (O3) với chất ô nhiễm hoặc thông qua tạo ra các gốc hydroxyl (OH*) [15] Trong những năm gần đây quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) được đề xuất như một sự thay thế hiệu quả cho việc xử lý chất hữu cơ khó phân hủy sinh học nước rỉ rác Mục đích chính của AOP là để tăng cường hiệu quả quá trình oxy hóa hóa học của các hệ nhờ tăng cường các gốc hydroxyl Hầu hết trong số chúng, trừ ozon hóa đơn giản (O3), thì nhiều hệ tạo ra gốc ô xy hóa rất linh động này như: O3/H2O2, chiếu xạ như: Cực tím (UV), US (Mỹ) hoặc chùm tia điện tử (EB) và chất xúc tác (TiO2, v.v) [23,29]

Trang 26

16

1.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phương pháp xử lý nước bằng keo tụ

1.3.1.1 Cơ chế của phương pháp keo tụ

Keo tụ là hiện tượng làm mất tính ổn định của hạt keo trong nước thải dẫn tới các hạt keo kết dính lại với nhau ( theo cơ chế điện tích, hấp phụ) để tạo thành các cụm hạt (bông keo) và sau đó được tách ra khỏi nước bằng quá trình lắng, lọc, tuyển nổi

Nguyên tắc cơ chế của quá trình keo tụ: Khi tăng nồng độ hoặc hóa trị của

ion trong dung dịch, sẽ làm giảm bề dày lớp điện tích kép, làm giảm điện thế zeta

hạt giảm đến cực tiểu, lực hút trội hơn, sự keo tụ sẽ xảy ra Các hạt sẽ sa lắng độc

thân, nhưng thường kết dính, tập hợp lại và sa lắng [6,9] Một số phương pháp keo

tụ như sau:

- Nén ép lớp khuếch tán: Các ion nằm trong lớp khuếch tán là các ion đối của

ion tạo thế Chính số lượng và sự phân bố của các ion đối trong lớp khuếch tán quyết định giá trị điện thế zeta ở bề mặt trượt (bề mặt ngoài của lớp hấp phụ - lớp kép) Cơ chế tác dụng keo tụ tuân theo lý thuyết DLVO (tên của các tác giả Deryagin, Landau, Verwey và overbeck)

- Hấp phụ và trung hòa điện tích: Sự phá bền của hệ keo do hấp phụ và trung

phân của các ion kim loại tạo thành phức hydroxo đơn giản, sau đó hình thành các keo polime hydroxo, cuối cùng là kết tủa hydroxit kim loại Các ion dương trên hấp phụ gây trung hòa điện tích âm của bề mặt hạt huyền phù, giảm lực đẩy giữa các hạt tạo điều kiện cho các hạt huyền phù trung hòa điện tích tiếp cận tương tác

Trang 27

17

với nhau tạo thành các hạt lớn Cơ chế này chỉ xảy ra khi hệ huyền phù mang điện

tích âm tức là trong vùng pH lớn hơn pH đẳng điện của hệ huyền phù

- Cơ chế dính bám và kết tủa[8]: Khi các muối kim loại hay các oxit, hydroxit

kim loại dùng làm chất keo tụ có nồng độ cao chúng sẽ kết tủa nhanh dưới dạng các bông keo hydroxit Các hạt keo có thể dính vào khối kết tủa các hydroxit tùy thuộc độ quá bão hòa của dung dịch

- Cơ chế kết tủa quyét, hấp phụ tạo cầu nối

1.3.1.2 Quá trình tiền xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ sử dụng PAC

Quá trình keo tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuy nhiên do giới hạn của đề tài nên nghiên cứu chỉ thực hiện khảo sát hai yếu tố ảnh hưởng chính tới quá trình keo

tụ đó là pH và liều lượng Cũng do mục tiêu nghiên cứu chính là sử dụng quá trình AOPs để xử lý nước rỉ rác nên đề tài chỉ thực hiện keo tụ với PAC và sự ảnh hưởng của liều lượng và pH tới hiệu suất xử lý COD, độ màu Trong thực tế việc độ màu

và SS quá cao làm ảnh hưởng tới khả năng xử lý của UV Độ màu cũng là nguyên nhân làm cản trở tia tử ngoại, những màu có khả năng hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại làm ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất xử lý

Chất keo tụ lựa chọn là PAC: PAC (Poly Aluminium Cloride) có công thức

hoá học [Al2( OH)nCl6 nxH2O]m

1.3.2 Phương pháp ô xy hóa

1.3.2.1 Ô xy hóa bằng ozone (O 3 )

1.3.2.1.1 Cơ chế phản ứng của O 3 với các chất ô nhiễm

Ozone được hình thành một cách tự nhiên trong vùng trên của bầu khí quyển khoảng 25 km trên mực nước biển và rộng vài km, nơi mà nó bao quanh và bảo vệ

bề mặt trái đất khỏi bức xạ UV-B và bức xạ UV-C Sự hình thành lớp ozone là do

Trang 28

18

sự kết hợp giữa bimolecular và nguyên tử oxy Phản ứng này xảy ra ở khoảng 70

km cao trên mực nước biển, xuống khoảng 20 km từ bề mặt trái đất Tuy nhiên, ozone là một hợp chất độc hại với một mức độ chất gây ô nhiễm tối đa 0,1 ppm Đặc tính ô xy hóa mạnh của Ozone, đã được áp dụng trong việc xử lý nước và nước thải, trong y học , hữu cơ, tổng hợp hóa học và một số lĩnh vực khác

Cấu trúc và tính chất của Ozone: Các phản ứng ozone là do cấu trúc phân tử

của nó Các phân tử ozone được thành lập bởi ba nguyên tử oxy Các nguyên tử oxy

Hình 1.3: Cấu trúc phân tử Ozone [7]

Hình 1.4: Các hình thức cộng hưởng của phân tử ozone [7]

Ozone thường không bền trong nước tác nhân đầu tiên gây ra sự phân hủy

trình ozone hóa (Stanhelin và Hoigne,1984) Cơ chế được thể hiện như hình 1.5

Nguyên tử Ô xy Liên kết ∏

Liên kết sich ma

Trang 29

19

Hình 1.5 Cơ chế khơi mào phản ứng ozon hóa của ion OH- [7]

Như vậy, khi hòa tan Ozone vào trong nước tạo ra một môi trường đồng thời

nhất Như vậy sẽ có phản ứng trực tiếp ozone hóa và phản ứng gián tiếp ô xy hóa

Bảng 1.3: Tính chất lý hóa của ozon [25]

STT Tính chất Đơn vị/ điều kiện Giá trị

Trang 30

20

Quá trình phân hủy các chất ô nhiễm của ozon: Kỹ thuật ô xy hóa là một

trong những kỹ thuật được ứng dụng nhiều trong công nghệ môi trường Khả năng ôxy hoá mạnh của nó đã gây sự chú ý trong xử lý không khí và nước bị ô nhiễm

Ưu điểm chính của nó là có khả năng phá huỷ hoàn toàn hoặc một phần chất hữu cơ khó phân huỷ ở nhiệt độ môi trường bình thường Cơ chế của quá trình ozone hóa chất M diễn ra như hình 1.6 [7,8,16,20]

Hình 1.6: Cơ chế ozon hóa chất M của O 3 [7]

Trong thực tế ozone còn có khả năng tác động vào các vòng thơm và liên kết đôi của các phân tử hữu cơ, bẻ gãy mạch hoặc ô xy hóa chúng tới sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước

Trang 31

21

Hình 1.7: Cơ chế Crigge phản ứng của ozone [7]

Bản thân ozone cũng là một tác nhân electrophile (ái lực điện tử) mạnh, dễ dàng tương tác với các chất bị phân cực Các chất có vòng thơm hoạt hóa bởi một tác nhân cho electron ở vị trí ortho hoặc vị trí para, các nguyên tử nitơ và lưu huỳnh không bị proton hóa, sự tấn công electrophile vào vòng thơm được biểu diễn như hình 1.8 [7,8]

Hình 1.8: Sự tấn công lectronphile vào vòng thơm [7]

Trang 32

22

1.3.2.1.2 Động học của phản ứng

Biết tốc độ động học của quá trình ozone hóa nước có thể giúp đánh giá tính khả thi của quá trình xử lý Điều quan trọng là phải phân biệt giữa hai loại phản ứng: trực tiếp và gián tiếp Mặc dù cả hai loại phản ứng thường xảy ra đồng thời nhưng tốc độ phản ứng có thể khác nhau tùy theo sự có mặt của cường độ, các hằng

số tốc độ phản ứng và nồng độ của các chất phản ứng hiện có trong nước cần xử lý [20,16]

Nói chung các phương pháp xác định hằng số tốc độ phản ứng dựa vào thứ tự phản ứng cho mỗi phản ứng Phương trình phù hợp với trật tự phản ứng được lựa chọn và các hằng số tốc độ phản ứng được tính từ giảm tuyến tính nồng độ theo thời gian (thường là độ dốc của đồ thị) Tuy nhiên, vì các phản ứng phức tạp và thường xảy ra đồng thời, có rất nhiều tham số thực nghiệm để được xem xét, một số tham

số quan trọng nhất được tóm tắt theo phương trình dưới đây Động học của quá trình phản ứng được tính như sau [20,16]

(2.1)

Trong đó: C(M), C(O3), C(OH*) lần lượt là nồng độ chất ô nhiễm M, nồng độ ozone và nồng độ ion OH*, kD, kR hằng số tốc độ phản ứng ozone hóa trực tiếp và gián tiếp

1.3.2.1.3 Ứng dụng của Ozone trong một số lĩnh vực

Ozone hiện đã được sử dụng nhiều trong việc xử lý các chất hữu cơ độc hại và khử trùng nước uống Hiện nay ở nước ta đã có nhiều sản phẩm ứng của O3 như máy sục rửa rau, củ quả, máy sục ozone trong xử lý nước và nước thải Chúng có

Trang 33

23

khả năng loại bỏ dư lượng chất bảo vệ thực vật, khử trùng không khí, nước Trong bảng 1.4 là một số các nghiên cứu ứng dụng của O3 vào xử lý nước thải và bùn thải

Bảng 1.4: Một số ứng dụng ozon hóa trong xử lý nước thải và bùn thải [21]

- Hiệu quả xử lý amoniac của Ozone đạt 80%

- Ozon hóa được sử dụng là bước tiền xử lý, làm tăng hiệu quả của phương pháp xử lý sinh học

3 Khảo sát các quá trình

5 Ozone hóa nước rỉ rác

(Ho et al., 1974)

- Nước rỉ rác có COD 7000mg /l, được xử lý bằng ozone ở mức 25,7 mg O3/l với thời gian phản ứng

là 1 và 4 giờ, hiệu suất xử lý COD từ 5% đến 37%

- Hiệu suất loại bỏ sắt là 80 và 95%

6

Xử lý màu trong nước

bằng Peroxit và ozone

(Ahn và cộng sự, 2001)

- Perozone có hiệu quả ở pH 2-4;

- Tăng thời gian ozone đến 60 phút hiệu, suất xử lý màu là 53%;

- Tăng tiếp thời gian lên 65 phút, hiệu suất xử lý COD là 27% đến31%

7

Phân hủy sinh học của

ozone hóa bùn trong hệ

thống hiếu khí và kỵ khí

(Yeom và cộng sự, 2001.)

- Bùn hòa tan tăng lên với liều lượng ozone 0,5g/g chất rắn lơ lửng và giảm dần ở liều cao hơn;

- Bùn ozone hóa trong cả hai hệ thống hiếu khí và

kỵ khí làm khả năng phân hủy cao hơn 2 đến 3 lần bùn thô

Trang 34

24

1.3.2.2 Ô xy hóa bằng Fenton

1.3.2.2.1 Cơ chế phản ứng

Fenton đồng thể: Hơn 100 năm trước, vào năm 1894 tác giả J.H.Fenton đã

công bố công trình nghiên cứu của mình trong tạp chí Hội hoá học Mỹ; trong đó ông đã quan sát thấy phản ứng oxi hoá axít malic bằng hydrogen peroxide đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion Fe (Fenton H.J.H, 1894; Walling C, 1975) Sau đó

cho nhiều đối tượng có chứa các hợp chất hữu cơ và được mang tên là “tác nhân

Fenton” [8,24,28]

Hệ tác nhân Fenton là một hỗn hợp gồm các ion sắt hoá trị II và hydrogen peroxide, chúng tác dụng với nhau sinh ra gốc tự do (*OH) là gốc oxi hoá mạnh

khó phân huỷ sinh học có trong nước thải tạo thành những chất hữu cơ dễ phân huỷ

phương trình:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + *OH + OH- (2.2) k1 = 76(l/mol.s)

Các gốc HO* sinh ra có khả năng tác dụng với các chất hữu cơ ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường

thực hiện các phản ứng (Gallard H, De Laat, Legube B, 1998)

Trang 35

cơ và phân huỷ chúng thành các chất đơn giản hơn hoặc phân huỷ chúng đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Các gốc hydroxyl tạo ra theo phản ứng (2.2) sẽ oxi hoá các chất ô nhiễm theo phản ứng (2.6) Các quá trình oxi hoá này có thể xẩy ra theo các cơ chế sau:

các hợp chất béo hay các hợp chất thơm để hình thành các gốc tự do tương ứng

*OH + [Fe(CN)6]4- → [Fe(CN)6]3- + OH- (2.11)

Trang 36

UV hoặc lân cận UV và ánh sáng khả kiến đều được nâng cao rõ rệt và nhờ đó có thể khoáng hóa dễ dàng các chất ô nhiễm hữu cơ, ngay cả những chất hữu cơ khó phân hủy như các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ dại Quá trình này được gọi là quá trình quang Fenton, thực chất là quá trình Fenton được nâng cao nhờ bức xạ của các photon ánh sáng

Fenton dị thể: Nhược điểm lớn nhất của Fenton đồng thể là phải thực hiện ở

pH thấp, sau khi xử lý phải nâng cao pH lên 7 để tách các ion sắt (III) ra khỏi nước thải Hơn nữa sẽ phải cung cấp thêm các hóa chất trong việc xử lý sắt sau này Khắc phục nhược điểm trên bằng cách thay dung dịch sắt II bằng các hợp chất có chứa sắt (α-FeOOH) Quá trình tạo ra gốc ô xy hóa mạnh giống với các phản ứng trong

Fenton đồng thể tuy nhiên khơi mào phản ứng là việc tạo ra ion sắt (II) [8,24,28]

1.3.2.2.2 Động học của phản ứng

Có nhiều nhà khoa học đã chứng minh về động học của quá trình Fenton có thể

kể đến một số nghiên cứu điển hình như sau:

Theo Merz và Waters thì quá trình Fenton là một chuỗi các phản ứng thông qua xác định giá trị tỷ số k2/k3 chỉ sự giảm đi của gốc peroxit Dựa trên việc phân chuỗi phản ứng các chất thành hai nhóm: nhóm một gồm các chất tham gia phản ứng ban đầu động học được thể hiện theo phương trình 2.13 :

Trang 37

27

(2.13)

Nhóm hai được xác định bởi các chất trong quá trình trung gian (không theo phản ứng dây chuyền trong chuỗi phản ứng) với việc tạ ra và mất đi của các gốc Hydroxyl động học được thể hiện như sau:

Trang 38

28

1.3.2.3 Tia cực tím (UV)

1.3.2.3.1 Quá trình phân hủy các chất hữu cơ của tia UV

Tia UV là những tia bức xạ có bước sóng từ 100- 400nm, được chia làm ba

loại: UVA (340 đến 315 nm), UVB (315 đến 280 nm), UVC (280 đến 200 nm) và

UVV (vaccum UV – UV trong chân không) từ 200 đến 100 nm Khoảng UVC được

sử dụng nhiều trong khử trùng và ô xy hóa các chất hũu cơ do hệ hấp thụ tia cực tím

tại khoảng này là lớn nhất

Dưới tác dụng của bức xạ UV, các chất ô nhiễm trong nước có thể hấp thu trực

tiếp quang năng , chuyển sang trạng thái bị kích thích (RXKt) có năng lượng cao và

sau đó bị phân hủy Quá trình này gọi là quá trình quang phân trực tiếp các chất ô

nhiễm Các phản ứng trong quá trình quang phân trực tiếp có thể xảy ra theo các

kiểu sau đây:

Phản ứng (2.25) là phản ứng ưu thế trong quá trình quang phân trực tiếp Các

tùy thuộc vào cấu trúc của chúng và tùy thuộc trong dung dịch có hoặc không có

oxi hòa tan Chẳng hạn, gốc R* có thể tác dụng với oxi hòa tan tạo thành gốc

ứng kết hợp lại và trở về chất ban đầu Xác xuất xảy ra khả năng này trong môi

trường nước khá cao, khác với trong môi trường khí, vì khả năng gặp gỡ nhau của

các gốc ít hơn Trong dung môi có cực như nước chẳng hạn, phản ứng (2.27)

Trang 39

29

thường xảy ra, nhất là các hydrocacbon thơm có nhóm thế halogen, atrazin hoặc các Dioxin clo hóa Quá trình chuyển electron sang oxi như phản ứng (2.28) cũng có thể

Quá trình quang phân trực tiếp: Bức xạ UV cũng có thể phân hủy các chất

hữu cơ theo cơ chế trực tiếp với khởi đầu bằng giai đoạn hấp thụ năng lượng bức xạ

UV và trở thành trạng thái bị kích thích Tuy nhiên, hiệu suất lượng tử của quá trình quang phân trực tiếp thấp và hệ số hấp thụ bức xạ UV không cao nên đã hạn chế việc sử dụng phương pháp này vào xử lý các chất ô nhiễm có trong nước và nước thải

Quá trình quang phân gián tiếp: Thay vì thực hiện quá trình quang phân

trực tiếp chất ô nhiễm, nhiều công trình nghiên cứu đã đưa thêm một số tác nhân khác là hydrogen peroxit, ozone hoặc fenton vào hệ phản ứng Những kết quả thu được cho thấy hiệu suất xử lý tốt hơn so với quang phân trực tiếp như đã giới thiệu

ở trên Dưới tác dụng của bức xạ UV, quá trình quang phân trực tiếp sẽ xảy ra với các hợp chất H2O2, O3, Fenton đưa thêm vào vì hệ số hấp thu bức xạ UV của chúng rất cao, dẫn đến hình thành các gốc hydroxyl hoạt động OH*, lấn át quá trình quang phân trực tiếp tới các chất ô nhiễm Chính nhờ khả năng ô xy hóa cao của các gốc

khoáng hóa gần như hoàn toàn Quá trình này được gọi chung là quá trình UV ô xy hóa, là quá trình thực hiện ô xy hóa thông qua gốc hydroxyl OH*, để phân biệt với quá trình quang phân trực tiếp chất ô nhiễm khởi đầu bằng trạng thái bị kích thích RXKt khi hấp thụ quang năng Tuy nhiên, cũng không loại trừ trong quá trình quang phân gián tiếp, một số chất ô nhiễm cũng có thể hấp thụ năng lượng của bức xạ UV với một mức độ nào đó để tạo nên trạng thái bị kích thích Do vậy, đồng thời xảy ra

Trang 40

30

vừa quá trình quang phân gián tiếp, vừa quá trình quang phân trực tiếp bộ phận

[8,24,28,31]

1.3.2.3.2 Các thiết bị tạo tia UV

Hình 1.9: Cấu tạo một loại đèn UV hơi thủy ngân hay được sử dụng [8]

Đèn thủy ngân thấp áp: cho bức xạ UV có bước sóng tập trung 253,7nm

(80-90%) và bước sóng 184,9nm (7-10%) là loại đèn đơn sắc

Đèn excimer: Loại đèn cho dải UV có bước sóng hẹp được coi là đơn sắc

Nguồn bức sạ được tạo ra nhờ quá trình phóng điện qua rào cản của điện môi hoặc kiểu vi sóng, tùy thuộc vào loại khí trơ dung nạp trong đèn mà cho các bước sóng khác nhau: Xe2-172nm, KrCl-222nm, KrBr-207nm, Cl2-259nm, Br2-289nm [24,31]

Đèn thủy ngân trung áp: Là đèn đa sắc vì chúng cho bước sóng không tập

trung và các bức xạ bị phân tán thành nhiều dải khác nhau Dải bức xạ thường quan tâm trong quá trình ô xy hóa là: 184,9nm; 222nm; 253,7nm; 265,2nm; 29,7nm [24,31]

Ống thép không gỉ

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	2,88 MB

Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ô xy hóa nâng cao trên cơ sở o3, O3UV và FentonUV

xy húa bằng hệ quang Fenton (Fenton/UV)