Nghiên cứu xử lý COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ===o0o=== HẦU THỊ VÂN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC NHÔM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

===o0o===

HẦU THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ

TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC NHÔM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công Nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học ThS Lê Cao Khải

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em rất nhiều kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực môi trường và cùng đó tạo điều kiện giúp em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này

Em xin gửi lời cám ơn đến thầy giáoThS Lê Cao Khải, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này kịp tiến độ Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp thu được thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả

Xin cảm ơn TS Lê Thanh Sơn và các anh chị trong Phòng Công nghệ Hoá lý Môi trường thuộc Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp vừa qua để sẵn sàng mọi kiến thức hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng xin được bày tỏ lời cảm ơn tới gia đình, tất cả bạn bè, đặc biệt là những người bạn làm nghiên cứu cùng em trong học kỳ này, đã cùng nhau trao đổi kiến thức và giúp đỡ lẫn nhau trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2017

Sinh viên

Hầu Thị Vân

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

DO

(Dissolved Oxygen)

Lượng oxi hòa tan trong nước

COD

(Chemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxi hóa học

BOD

(Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxi sinh học

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn lấp mới và lâu năm 5 Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới 6 Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ 7 Bảng 3.1 Điện năng tiêu thụ trong quá trình xử lý COD ở các khoảng cách điện cực khác nhau 37 Bảng 3.2 Điện năng tiêu thụ trong quá trình xử lý COD trong nước rỉ rác điện cực nhôm 39

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ 15

Hình 2.1 Bể keo tụ điện hóa 21

Hình 2.2 Điện cực nhôm 22

Hình 2.3 Nguồn một chiều (Programmable PFC D.C.Supply 40V/30A, VSP 4030, BK Precision) 22

Hình 2.4 Mấy khuấy từ gia nhiệt 23

Hình 2.5 Kẹp điện cực 23

Hình 2.6 Hệ thí nghiệm khi bắt đầu điện phân 23

Hình 2.7 Hiện tượng diễn ra sau 10 phút 24

Hình 2.8 Hiện tượng diễn ra sau 30 phút điện phân 24

Hình 2.9 Hiện tượng xảy ra sau khoảng 60 phút điện phân 25

Hình 3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý COD 33

Hình 3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD 35

Hình 3.3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD 36

Hình 3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực tới điện năng tiêu thụ điện 38

Hình 3.5 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện tới khả năng tiêu thụ điện 39

MỤC LỤC Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nước rỉ rác 3

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác 3

1.1.2 Đặc điểm nước rỉ rác 4

1.1.3 Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường và sức khỏe con người 9

1.1.4 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước 11

1.2 Giới thiệu về COD 13

1.2.1 Khái niệm về COD 13

1.2.2 Ý nghĩa giá trị của COD 14

1.3 Tổng quan về công hệ keo tụ điện hóa 14

1.3.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa điện cực Nhôm 14

1.3.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa điện cực Nhôm 15

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa điện cực Nhôm 17

1.3.4 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm 17

1.3.5 Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường 18

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 21

2.1 Đối tượng nghiên cứu 21

2.2 Hệ thí nghiệm keo tụ điện hóa điện cực Nhôm 21

2.3 Các nội dung nghiên cứu 25

2.4 Phương pháp phân tích 26

2.4.1 Phương pháp xác định COD bằng phương pháp bicromat (K 2 Cr 2 O 7 ) 26

2.4.2 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 27

2.4.3 Cách tiến hành thí nghiệm 30

2.4.4 Tính kết quả 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý COD 33

3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD 34

3.3 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD 36

3.4 Điện năng tiêu thụ 37

3.4.1 Điện năng tiêu thụ khi khoảng cách điện cực khác nhau 37

3.4.2 Điện năng tiêu thụ khi các cường độ dòng điện khác nhau 38

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

MỞ ĐẦU

➢ Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang mạnh mẽ bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa Bên cạnh sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế nói chung và công nghiêp hóa nói riêng thì vấn đề rác thải hiện nay đang là mối nguy cơ nghiêm trọng đáng

lo ngại, đe dọa đến sự phát triển bền vững Lượng chất thải rắn ngày càng tăng, mức độ ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng Trong đó chất thải rắn có thành phần, tính chất phức tạp gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí xung quanh khu vực nước thải, đặc biệt nước rỉ rác phát sinh từ các bãi chôn lấp có nồng độ chất ô nhiễm rất cao

Các bãi chôn lấp chất thải rắn ở Việt Nam hiện nay đang phát sinh lượng nước rỉ rác lớn do các quá trình phân hủy rác, do các chất hữu cơ có trong rác thải, trong đó nước rỉ rác chứa các loại chất hữu cơ độc hại cao và khó phân hủy sinh học Nếu không xử lý tốt, nước rỉ rác sẽ ngấm vào nước mặt, nước ngầm, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp xử lý và các công trình xử lý nước rỉ rác nhưng việc ứng dụng vào thực tế còn rất hạn chế Một trong số những phương pháp xử lý đó thì phương pháp “Nghiên cứu xử lý nước

rỉ rác bằng công nghệ keo tụ điện hóa’’là phương pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường Do vậy em chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm”

Mục đích của đề tài

- Nắm bắt được công nghệ keo tụ điện hóa xử lý nước thải

- Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian, ảnh hưởng của pH và khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD bằng phương pháp keo tụ điện hóa Từ đó lựa chọn tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của BCL chất thải rắn

Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội bằng phương pháp keo tụ điện hóa

- Phạm vi thực hiện: Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm phòng Công nghệ Hóa lý môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước rỉ rác

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác

Nước rò rỉ từ bãi rác là nước bẩn thấm qua lớp rác, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất dưới bãi chôn lấp Nước rỉ rác là loại nước thường bị ô nhiễm nặng bởi các chất nguy ngại nên thành phần hóa học của nước rỉ rác cũng khác nhau và phụ thuộc vào thành phần rác đem chôn cũng như thời gian chôn lấp

Quá trình hình thành nước rỉ rác bắt đầu từ khi bãi rác đạt đến khả năng giữ nước hoặc bão hòa nước Trong đó khả năng giữ nước của chất thải rắn là tổng lượng nước có thể lưu lại trong bãi rác dưới sự tác dụng trọng lực Đây

là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự hình thành nước rỉ rác Khả năng giữ nước phụ thuộc vào trạng thái bị nén của rác và việc phân hủy chất thải trong bãi chôn lấp

• Các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác:

- Quá trình phân hủy sinh học tạo các chất hữu cơ, sản phẩm là nước và trở thành nước rác

- Nước gia nhập từ bên ngoài (nước mưa, nước ngầm), nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn

- Nước thoát ra từ độ ẩm rác (bản thân chất thải nhất là chất thải đô thị cũng chứa một hàm lượng ẩm, trong quá trình đầm nén nước tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nước rác)

• Lượng nước rác sinh ra phụ thuộc vào:

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

- Khu vực chôn lấp

- Độ ẩm chất thải chôn lấp

- Kĩ thuật xử lí đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt

1.1.2 Đặc điểm nước rỉ rác

1.1.2.1 Phân loại nước rỉ rác

Theo đặc điểm và tính chất, nước rỉ rác được phân làm hai loại:

- Nước rác tươi, nước rác khi không có mưa

- Nước rác khi có nước mưa: mưa thấm qua bãi rác và hòa lẫn nước rác Theo độ tuổi của bãi chôn lấp:

- Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ, đã đóng cửa hoặc ngừng hoạt động, thành phần, tính chất của loại nước rác này phụ thuộc vào thời gian đã đóng bãi, mức độ phân hủy các thành phần hữu cơ trong bãi rác

1.1.2.2 Thành phần và tính chất nước rỉ rác

Thành phần nước rác thay đổi nhiều, phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp, loại rác, khí hậu, độ dày, độ nén và lớp nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần nước rác… Song nước rỉ rác gồm 2 thành phần chính

đó là các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ

Các chất hữu cơ: Axit humic, axit fulvic, các hợp chất tananh, các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo

Các chất vô cơ : Là các hợp chất của nitơ, photpho, lưu huỳnh

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

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

- Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0-20°C

- Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20-40°C

- Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40-70°C

Sự phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp bao gồm các giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn thích nghi ban đầu

- Giai đoạn 2: Giai đoạn chuyển tiếp

- Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit

- Giai đoạn 4: Giai đoạn lên men metan

- Giai đoạn 5: Giai đoạn ổn định

Bảng 1.1.Thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn lấp mới

và lâu năm

Thành phần

Giá trị, mg/l Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới

Nguồn:Lee & Jone, 1993; Diego paredes, 2003; F.Wang et al, 2004; Kruse, 1994 [9]

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

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thành phần của nước rỉ rác [17, 18]

a) Thời gian chôn lấp

Tính chất nước rò rỉ thay đổi theo thời gian chôn lấp Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rò rỉ là một hàm theo thời gian Theo thời gian nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác giảm dần

Thành Phần Đơn Vị

Columbia Cannada Đức

Pereira (5 năm vận hành)

Clover Bar (Vận hành từ năm 1975)

BCL CTR đô thị

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

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

Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi

(VFA) cao

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp

pH nghiêng về tính axit pH trung tính hoặc kiềm

Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao Nồng độ NH4+ thấp

Vi sinh vật có số lượng lớn Vi sinh vật có số lượng nhỏ

Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim

loại nặng cao

Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim loại nặng thấp

Tchobanoglos và cộng sự 1993 [10]

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

Rõ ràng thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng nhất tác động đến tính chất nước rò rỉ Khi các phản ứng trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải rắn sẽ bị phân hủy Do đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rò rỉ cũng có các đặc tính tương tự Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất

độc hại thì nước rác cũng chứa nhiều thành phần độc hại

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

sơ bộ hay không

c) Chiều sâu bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng bãi chôn lấp có chiều sâu chôn lấp càng lớn thì nồng độ chất ô nhiễm càng cao so với các bãi chôn lấp khác trong cùng điều kiện về lượng mưa và quá trình thấm Bãi rác càng sâu thì cần

nhiều nước để đạt trạng thái bão hòa, cần nhiều thời gian để phân hủy

Do vậy, bãi chôn lấp càng sâu thì thời gian tiếp xúc giữa nước và rác sẽ lớn hơn và khoảng cách di chuyển của nước sẽ tăng Từ đó quá trình phân hủy sẽ xảy ra hoàn toàn hơn nên nước rò rỉ chứa một hàm lượng lớn các chất ô nhiễm

d) Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi

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

vật liệu phủ, thực vật phủ

e) Độ ẩm rác và nhiệt độ

Độ ẩm thích hợp các phản ứng sinh học xảy ra tốt Khi bãi chôn lấp đạt trạng thái bão hòa, thì độ ẩm trong rác là không thay đổi nhiều Độ ẩm là một

trong những yếu tố quyết định thời gian nước rò rỉ được hình thành là nhanh hay chậm sau khi rác được chôn lấp Độ ẩm trong rác cao thì nước rò rỉ sẽ hình thành nhanh hơn

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

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

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

xử lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rò rỉ Bùn sẽ làm tăng độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rò rỉ

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

Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất ức chế như kim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật Đồng thời, theo thời gian các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rò rỉ và khí thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rác

1.1.3 Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường và sức khỏe con người

a Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường nước

Một thực trạng cần phải nói lên ở đây là ảnh hưởng của rác thải tới môi trường nước mặt và nước ngầm Trên thực tế các cơ quan, đơn vị, nhà máy, xí nghiệp phần lớn chưa có thùng rác, bể chứa rác riêng, cộng với ý thức người

dân trong việc giữ gìn vệ sinh chung còn chưa cao nên rác thải thường bị đổ bừa bãi

Những thành phần rác hữu cơ dễ bị phân hủy trong môi trường nước sẽ tác đông mạnh làm cạn kiệt lượng oxi có trong nước gây hại đến các loại thủy sinh, cúng như các loại động vật trong nước Các kim loại nặng nếu tồn tại trong nước sẽ tiêu diệt các loại thủy sinh, hoặc tác động tích lũy vào cơ thể theo chuỗi thức ăn

Những vi trùng có trong nước rỉ rác khi xâm nhập vào môi trường nước cũng gây ra các bệnh dịch như: đau mắt hột, sốt xuất huyết, giun sán, bệnh ngoài da…

Chất lượng nước ngầm cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi rác thải, chẳng hạn như: hàm lượng các chất hữu cơ sau khi bị phân huỷ sẽ ngấm vào nước ngầm làm hạn chế nguồn nước ngầm được sử dụng vào truyền nhiễm những bệnh nguy hiểm, nếu chúng ta sử dụng chúng để sản xuất và sinh hoạt Chính vì vậy, cần phải thu gom kịp thời và xử lý một cách hợp lý thì mới có thể ngăn chặn sự lây lan bệnh tật cho con người

b Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường không khí

Nước rỉ rác với các thành chất hữu cơ chiếm chủ yếu gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh đặc biệt là môi trường không khí

Dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và các vi sinh vật các chất hữu cơ có trong nước rỉ rác bị phân hủy và sản sinh ra các chất khí như NH4, CO2…và một số chất khí khác Các chất khí này khi tồn tại trong không khí sẽ phát sinh

ra các mùi khó chịu như NH4 có mùi khai, H2S mùi trứng thối… Cùng một số kim loại nặng và hợp chất chứa kim loại (như thủy ngân, chì) cũng có thể bay hơi theo tro bụi phát tán vào môi trường Khi con người, động vật hít phải những chất này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe

c Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường đất

Nước rỉ rác có thể được tích lũy dưới đất trong thời gian dài gây nguy cơ tiềm tàng đến môi trường đất Trong nước rỉ rác có chứa các kim loại, đặc biệt

là kim loại nặng như chì, kẽm, đồng, cadimi… Các kim loại này tích lũy trong đất làm mất đi một số thành phần và chất dinh dưỡng trong đất dẫn đến làm ảnh hưởng đến các cây trồng, thực vật và khi con người ăn phải những cây trồng có chưa các chất độc đó sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe

d Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến sức khỏe con người

Như đã nói ở trên, sự ô nhiễm rác thải đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nước, đó là sự xuất hiện của các chất lạ trong môi trường nước Những chất này đến một giới hạn nhất định sẽ là tác nhân gây ra bệnh tật cho con người Mọi người phải sinh sống trong khu vực bị ô nhiễm, khi đó nguồn nước sinh hoạt của người đó bi nhiễm các chất bẩn Thông qua quá trình sinh hoạt, sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm con người sẽ bị lan truyền các chất bẩn vào cơ thể Cơ thể con người cũng có thể bị nhiễm các chất độc hại khi họ sử dụng những loại thức ăn chế biến từ các loại sinh vật bị nhiễm độc do ô nhiễm nước Chính sự tồn tại của các chất độc hại đó trong cơ thể sẽ làm rối loạn các quá trình sinh - lý - hoá diễn ra bên trong cơ thể và từ đó dẫn đến các loại bệnh tật

1.1.4 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước

1.1.4.1 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác ở nước ngoài

Singh và cộng sự [14] đã tiến hành nghiên cứu xác định hiệu quả của ozon hóa thời gian từ 5 đến 30 phút Đối với cả 3 loại nước rỉ rác, các chất hấp thụ UV-254 giảm tối đa 78% và cacbon hữu cơ hòa tan giảm 23% Khi nồng độ ozon là 66,7 g/m3 thì thời gian ozon hóa hiệu quả là 10 phút, được chọn để xử lý

sơ bộ nước thải trước khi vận hành các quá trình lọc bằng màng

Torres-Socías và cộng sự [15] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp các quá trình vật lý-hóa-sinh học để xử lý nước rỉ bãi rác, bao gồm một giai đoạn vật

lý-hóa học sơ bộ tiếp theo là một quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) bằng Fenton quang hóa và cuối cùng là phân hủy sinh học Kết quả thu được cho thấy sự kết hợp các công nghệ này xử lý hiệu quả mẫu nước rỉ rác có tải trọng hữu cơ cao (COD khoảng 40 g/L và DOC là 15 g/L): giai đoạn đầu đã làm giảm 17% hàm lượng hữu cơ bền, sau khi thực hiện quá trình Fenton quang hóa (Fe 1 mM) trong khoảng thời gian 11h đã vô cơ hóa các chất ô nhiễm hữu

cơ thành các chất có thể phân hủy sinh học, với tỷ lệ khoáng hóa là 27% và tiêu thụ 22 g H2O2/L Tổng chi phí để xử lý 1 m3 nước rỉ rác được ước tính là khoảng 40 €/m3

Top và cộng sự [16] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác của một nhà máy tại Istanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc màng nano Nồng độ trung bình của COD, Nitơ tổng (TKN) và amoni trong nước rỉ rác ban đầu có giá trị lần lượt là 6200, 587,5 và 110 mg/L Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện hợp lý là 15,9 mA /cm2 và thời gian

xử lý hợp lý là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ phốt pho, tương ứng là 45%, 60% và 91,8%

1.1.4.2 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong nước

xử lý nước rỉ rác đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát Tác giả đã sử dụng quá trình Keo tụ-Tạo phức-Fenton-Perozon để xử lý nước rỉ rác sau phân hủy sinh học kỵ khí trong bể UASB (COD 5.424 mg/l) ở

hệ thống xử lý nước rỉ rác Gò Cát Quá trình keo tụ/Fenton được thực hiện bằng cách bổ sung polyferic sunphat (300 mg Fe3+/l) và sau khuấy nhanh bổ sung tiếp 500 mg H2O2/l vào và khuấy chậm 120 phút Với quá trình xử lý này, hiệu suất xử lý COD rất cao (đạt 76%) Sau quá trình Keo tụ- Tạo phức- Fenton, nước rỉ rác tiếp tục được xử lý bằng Perozon đã xử lý được 97% các chất hữu cơ trong nước rỉ rác

Trương Quý Tùng và cộng sự [6] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phát

sinh từ bãi chôn lấp Thủy Tiên - Thừa Thiên Huế bằng tác nhân UV/Fenton Nước rỉ rác có tỷ lệ BOD5/COD = 0,16 ± 0,2 Tác giả đã xử lý nước rỉ rác này bằng tác nhân Fenton với sự hỗ trợ của đèn UV (200-275 nm, 40W) được bố trí ngập vào trong thiết bị phản ứng để sử dung tối đa năng lượng của đèn Kết quả cho thấy, quá trình này có thể loại bỏ được 71% COD và 90% độ màu nước rỉ rác ở pH ~ 3, nồng độ H2O2 là 125 mg/l, nồng độ Fe2+ là 50 mg/l, sau thời gian phản ứng là 2 giờ Ngoài ra, khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác sau xử lý đã tăng đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46

Hoàng Ngọc Minh [2] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn Nam Sơn - Sóc Sơn bằng quá trình Ozon và Perozon, sử dụng nguồn

O3 với máy phát công suất 4,5 g O3/giờ, nồng độ H2O2 mà 1.000-3.000 mg/l Với nước rỉ rác có COD và độ màu đầu vào tương ứng là 455 mg/l và 397 Pt-

Co, sau 60 phút xử lý bằng Perozon, hiệu suất đạt tương ứng 41% và 58% Theo nghiên cứu của tác giả thì pH thích hợp cho quá trình ozon hóa nước rỉ rác khoảng 8-9,5

1.2 Giới thiệu về COD

1.2.1 Khái niệm về COD

COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học) là lượng oxy

cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong nước

Phương pháp phổ biến để xác định COD là phương pháp kali bicromat

Cơ chế của nó diễn ra theo phương trình sau:

6 Fe2+ + Cr2O7 + 14 H+ → 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O

1.2.2 Ý nghĩa giá trị của COD

COD thường được sử dụng như là một thông số đo lường mức độ ô nhiễm trong nước thải và tự nhiên Thường đính kèm với chỉ tiêu BOD (Biohecmical oxygen demand - nhu cầu oxy sinh hóa) COD là chỉ số rất hữu hiệu cho biết mức độ có mặt của chất độc và các chất hữu cơ không bị oxy

Nước thải công nghiệp có giá trị COD < 400 mg O2/L chỉ được phép vào những nơi quy định

Nước thải công nghiêp có giá trị COD > 400 mg O2/L không được phép thải ra môi trường

Tiêu chuẩn về nước rỉ rác: QCVN 25:2009/BTNMT

1.3 Tổng quan về công hệ keo tụ điện hóa

1.3.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa điện cực Nhôm

Keo tụ điện hoá cũng là một phương pháp hoá học Tuy nhiên, phương pháp này kết hợp với phương pháp lý học (dòng điện và các điện cực) nên có

thể xem phương pháp này là một phương pháp hoá - lý

Keo tụ điện hoá là một phương pháp điện hoá trong xử lý nước thải,

trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực dương là Al sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí

1.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Nước thải đầu vào cho vào bể một lần với thể tích đã được xác định Nước thải phải làm ngập các hệ điện cực ở trong bể

Hình 1.1 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ

Theo Hold, Barton và Mitchell (2004) khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại Do đó, các điện cực dương được làm bằng nhôm thì quá trình này sẽ giải phóng ra các

cation (Al3+) Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải Những cation (Al3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải Các chất keo tụ này sẽ tác dụng vào các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước và liên kết với nhau tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn [3]

Bên cạnh đó, việc các phản ứng điện phân đã xảy ra và tạo ra các bọt khí tại cực âm Các bọt khí này thường là khí H2 và chúng có xu hướng đi lên mặt thoáng của bể keo tụ điện hoá Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các bông keo đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể

Trong khi đó, các bông keo có kích thước lớn và nặng hơn thì sẽ lắng xuống phía dưới đáy bể Trên quỹ đạo lắng của các bông cặn này chúng sẽ va chạm và kết cụm với các bông cặn khác, như thế quá trình lắng sẽ diễn ra tốt

hơn [7]

Tiếp theo, các váng bọt ở phía trên và các bông cặn ở phía dưới đáy bể

sẽ được thu gom bằng hệ thống các thanh gạt Nhưng chúng không được gạt một cách liên tục như bể keo tụ điện hoá hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục mà sẽ được gạt một lần duy nhất vào những phút cuối của thời gian lưu (mục đích là để cô đặc bùn) Sau đó, bùn sẽ được đưa ra khỏi bể bởi những ống xả Nước thải đầu ra sẽ được thu bởi hệ thống phao nổi và ống thu Sau đó, nước thải được dẫn qua các đơn vị xử lý tiếp theo

* Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực

Trong trường hợp điện cực bằng nhôm (Al) Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm thì dưới tác dụng của dòng điện thì ở các điện cực xảy ra các quá trình

Cực dương: Xảy ra quá trình oxi hóa Al tạo thành ion Al3

Al → Al3+ + 3e

Cực âm: Cực âm xảy ra quá trình khử nước và tạo thành khí H2

2H2O +2e → 2OH- + H2 Cation Al3+ được giải phóng ra trong quá trình hòa tan kim loại ở điện

cực dương sẽ kết hợp với nhóm hydroxyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3)

là chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải

Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+Al(OH)3 không tạo lên bông cặn có độ nhớt cao, Al(OH)3 lắng xuống

với vận tốc chậm sẽ mang theo chất rắn lơ lửng [7]

Các hydroxit kim loại sẽ tham gia phản ửng polymer hóa

Al(OH)3 →(OH)2Al-O-Al(OH)2 + H2O

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ

điện hóa điện cực Nhôm

Có những yếu tố ảnh hưởng sau: [3]

+ Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần

như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao

+ Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất… Các

yếu tố này nên được xác định bằng thực nghiệm

+ Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá

trình thủy phân Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả

keo tụ bị hạn chế

Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có

pH = 5,5 -7,5

+ Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ

keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao Độ đục của

nước càng cao, thì ảnh hưởng của nước càng rõ rệt Nhiệt độ của nước thích

hợp khi dùng điện cực nhôm là 20 - 400C tốt nhất ở nhiệt độ 35 - 400C

1.3.4 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm

Phương pháp keo tụ điện hoá có các ưu điểm sau: [8]

+ Thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ dàng vận hành

+ Bông cặn được hình thành dễ dàng, có khả năng cô đặc bùn tốt

+ Có thể loại bỏ nhiều thành phần khác nhau trong nước thải như: chất rắn lơ lửng nhỏ, độ màu, độ đục, kim loại nặng… có trong nước thải

+ Có thể loại bỏ khoảng 95-99% các kim loại nặng trong nước thải + Bọt khí sinh ra trong quá trình tuyển nổi nâng theo các chất lơ lửng, bông cặn lên bề mặt bể để loại bỏ dễ dàng bằng các thiết bị gạt váng

+ Có thể loại bỏ được các ion hòa tan trong nước thải và tạo thuận lợi cho quá trình keo tụ

+ Không sử dụng hóa chất nên không gây dư thừa hóa chất rồi tốn hóa chất khác để trung hòa

Ngoài ra, bể keo tụ điện hoá còn có các ưu điểm sau:

+ Tiết kiệm được chi phí mua hoá chất trong quá trình vận hành các bể

xử lý hoá học cổ điển

+ Trong quá trình vận hành việc thay thế các điện cực là không thường xuyên và rất dễ dàng, không nguy hiểm do điện Vì có hệ thống ngắt điện rất

an toàn và dòng điện sử dụng là dòng điện một chiều

1.3.5 Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường

1.3.5.1 Các công trình ứng dụng quốc tế

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước ô nhiễm đã được rất nhiều các nhóm nghiên cứu trên thế giới tiến hành, có thể

kể ra một số công trình tiêu biểu như sau:

Nghiên cứu của Moh Faiqun Ni’am và cộng sự (2006) [11] về việc xử lý nước thải thuộc da bằng phương pháp EC đã đạt được kết quả: hiệu suất xử lý

SS 92,3%, độ đục 81,25%

Shruthi và cộng sự [12] đã nghiên cứu xử lí Asen trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ điện hóa với cực dương bằng sắt Các kết quả thu được từ các mẫu nước ngầm giàu Asen cho thấy việc loại bỏ hiệu quả nhất đạt được ở

6V, thời gian điện phân trong 15 phút , nồng độ Asen trong nước sau xử lí đạt tiêu chuẩn nước uống quy định 0,01 mg /L, pH dao động trong phạm vi tiêu chuẩn nước uống 6,5 đến 8,5 Đây là phương pháp có hiệu quả, tương đối nhanh chóng và sạch so với phương pháp thông thường khác, chẳng hạn như keo tụ hóa học

Ezechi và cộng sự [13] đã nghiên cứu loại bỏ Bo ra khỏi nước thải thăm

dò dầu khí và khí đốt Kết quả nghiên cứu cho thấy Bo đã bị loại bỏ khá hiệu quả bằng quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện tối ưu: pH = 7, điện lượng

2400 Ah/m3, khoảng cách giữa các điện cực là 0,5 cm và thời gian điện phân

là 90 phút

1.3.5.2 Các công trình ứng dụng trong nước

Luận văn thạc sỹ của Đinh Tuấn ‘Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ-tuyển nổi điện hóa với anot hòa tan nhôm, sắt’ tác giả đã lần lượt nghiên cứu sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện, vai trò của muối điện ly, pH của môi trường, nhiệt độ, khoảng cách giữa 2 điện cực, dòng chảy-sục khí-khuấy trộn đến quá trình keo tụ điện hóa xử lý các chất màu ‘blach RBS’, ‘Indathrent Olivent’, ‘Indathrent Red’ và Remazol’ trong nước và tìm được điều kiện thí nghiệm thích hợp cho quá trình xử lý các chất màu là : mật độ dòng điện 0,5-1 A/dm2, nồng độ NaCl ≤ 1 g/l, pH khoảng 6,5-8,5, khoảng cách điện cực 1-2 cm, nhiệt độ khoảng 35°C

Tác giả Võ Anh Khuê, Đại học Đà Nẵng với công trình ‘Nghiên cứu phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với vi điện hóa để xử lý các ion kim loại nặng và florua trong nước thải’[1] đã sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực anot Al kết hợp với quá trình vi điện hóa trên bề mặt các hạt Fe-

C để xử lý các ion kim loại nặng như Pb2+, Zn2+, Cu2+ và ion F- trong nước thải Kết quả đã chỉ ra điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý này là : pH = 5, thời gian xử lý 30 phút, khối lượng hạt Fe-C là 60g, kích thước hạt Fe-C là