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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ------ NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC SẮT KHÓA LUẬN T

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

- -

NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC SẮT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

TS LÊ THANH SƠN

HÀ NÔI – 2017

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các thầy cô khoa Hóa học, trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã luôn quan tâm và tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian theo học tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới TS Lê Thanh Sơn và

các anh chị phòng Công nghệ Hóa lý Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường là những người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong quá trình nghiên cứu và suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp theo đúng tiến độ của nhà trường đề ra với cố gắng và sự nhiệt tình của bản thân, tuy nhiên em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy, cô và các bạn để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin dành lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người vẫn luôn quan tâm, động viên và là chỗ dựa tinh thần giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp vừa qua

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 07 tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Nguyễn Thị Huyền Trang

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1.Tổng quan về nước rỉ rác 2

1.1.1.Sự hình thành nước rỉ rác 2

1.1.2.Đặc điểm của nước rỉ rác 3

1.1.3.Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường và sức khỏe con người 12

1.1.4.Các phương pháp xử lý nước rỉ rác 14

1.1.5.Tình hình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước 16

1.2.Tổng quan về nhu cầu oxi hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) 18

1.2 Tổng quan về COD 18

1.2 Các phương pháp phân tích COD 20

1.3.Tổng quan về công nghệ keo tụ điện hóa 21

1.3.1.Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa 21

1.3.2.Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa 23

1.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa 25

1.3.4.Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa 26

1.3.5.Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường 27

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 29

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.1.2 Mô hình thiết bị 31

2.1.3 Mục đích và nội dung nghiên cứu 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu 39

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 41

3.2 Ảnh hưởng của độ pH đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện

hóa… 42

3.3 Ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 44

3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp 3

Hình 1.2 Cơ chế của quá trình keo tụ 22

Hình 1.3 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ 23

Hình 2.1 Điện cực sắt 32

Hình 2.2 Tám kẹp điện cực 32

Hình 2.3 Máy khuấy từ gia nhiệt 33

Hình 2.4 Máy đo pH 34

Hình 2.5 Nguồn điện một chiều (DC REGULATED POWER SUPPLY) 34

Hình 2.6.Sơ đồ thiết kế bể keo tụ điện hóa 35

Hình 2.7 Hệ thống thí nghiệm bể keo tụ điện hóa 36

Hình 3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 41

Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD của phương pháp keo tụ điện hóa 43

Hình 3.3 Ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến hiệu suất xử lý COD của phương pháp keo tụ điện hóa 45

Hình 3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD 46

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới 5

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á 6

Bảng 1.3 Đặc trưng thành phần nước rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam 7

Bảng 1.4 Đặc điểm bãi chôn lấp mới và bãi chôn lấp lâu năm 9

Bảng 1.5 Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn lấp mới và lâu năm 10

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn Việt Nam của COD 19

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác của hồ kỵ khí 30

Bảng 2.2 Đặc điểm nước rỉ rác ở hồ làm thoáng 31

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 41

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của độ pH đến hiệu suất xử lý COD của quá trình keo tụ điện hóa 43

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến quá trình keo tụ điện hóa 44

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD 46

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

NRR

DO

(Dissolved Oxygen)

Nước rỉ rác Lượng oxi hòa tan trong nước

COD

(Chemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxi hóa học

BOD

(Biochemical Oxygen Demand)

Nhu cầu oxi sinh học

SS

(Suspended Solid)

Chất rắn lơ lửng

TOC

(Total Organic Cacbon)

Tổng hợp cacbon hữu cơ

MỞ ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày càng nhiều Đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH), các chất thải rắn phát sinh tại các khu đô thị vẫn chưa được xử lí triệt để Lượng RTSH tăng dẫn đến lượng nước rỉ rác sinh ra ngày càng nhiều Chôn lấp vẫn là hình thức phổ biến được áp dụng trong

xử lí chất thải rắn ở nước ta do kĩ thuật đơn giản và chi phí xử lí thấp hơn so với các phương pháp xử lý khác nhau như đốt, hóa rắn… Tuy nhiên, kéo theo đó là vấn đề

ô nhiễm môi trường do bãi chôn lấp (BCL) không hợp vệ sinh, không đạt tiêu chuẩn gây ra nhiều bất cập làm ảnh hưởng tới môi trường xung quanh và cuộc sống con người

Đặc biệt, hầu hết nước rỉ rác tại BCL đều phát thải trực tiếp vào môi trường, khuếch tán mầm bệnh gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người Vấn

đề này đang là tình trạng phải đối mặt của nhiều quốc gia trên thế giới

Đây là một trong những vấn đề cần giải quyết để nhằm giảm thiểu tình trạng

ô nhiễm môi trường do chôn lấp Trong những năm qua, một số công nghệ xử lí nước rỉ rác đã được nghiên cứu và ứng dụng như kết hợp nước rỉ rác với nước thải sinh hoạt, quay vòng nước rỉ rác, xử lý hóa lý hay xử lý bằng các hố sinh học… Nhưng tất cả các biện pháp này đều không mang lại hiệu quả khả quan trong thực

tế

 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xuất phát từ thực trạng ô nhiễm ở nước ta hiện nay, em lựa chọn đề tài “

Nghiên cứu xử lý COD trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực sắt” để góp một phần nhỏ vào việc làm giảm nồng độ ô nhiễm của nước

thải rỉ rác, bảo vệ nguồn nước và môi trường trong sạch

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước rỉ rác

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác

Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa

và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp Nước rỉ rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống đáy ô chôn lấp Thành phần hóa học nước rỉ rác cũng rất khác nhau và phụ thuộc vào thành phần rác thải chôn lấp cũng như thời gian chôn lấp Lượng nước rỉ rác được hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau [4]:

- Nước thoát ra từ chất thải rắn: chất thải luôn chứa một lượng nước nhất định Trong quá trình đầm nén nước tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nước rỉ rác

- Nước từ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ: nước là một trong những sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ

- Nước mưa thấm từ trên xuống qua lớp phủ bề mặt

- Nước ngầm thấm qua đáy hoặc thân ô chôn lấp vào bên trong bãi chôn lấp

Lượng nước rỉ rác phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong ô chôn lấp Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước

rỉ rác được trình bày trong hình 1.1 và lượng nước rỉ rác được tính theo công thức:

LC = R + RI – RO – E - V [4]

Trong đó: LC - Nước rỉ rác,

R - nước mưa thấm vào ô chôn lấp,

RI - dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp ( bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp),

RO - dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp,

E - nước bay hơi,

V - sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải lượng nước thất thoát ra từ đáy bãi chôn lấp chất thải rắn; sự chênh lệch về hàm lượng nước trong cấu trúc hóa học của rác

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp

Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu… lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến lượng nước rò rỉ sinh ra Tốc độ phát sinh nước rác dao động lớn theo các giai đoạn hoạt động khác nhau của bãi rác Lượng nước rỉ rác sẽ tăng lên dần trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần sau khi đóng cửa BCL do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên trên mặt… giữ nước làm giảm độ ẩm thấm vào

1.1.2 Đặc điểm của nước rỉ rác

1.1.2.1 Thành phần và tính chất của nước rỉ rác

Nước rỉ rác là chất lỏng được sinh ra từ quá trình phân hủy vi sinh đối với các chất hữu cơ có trong rác, thấm qua các lớp rác của ô chôn lấp và kéo theo các

chất bẩn dạng lơ lửng, keo và tan từ các chất thải rắn Do đó, trong nước rỉ rác thường chứa cả các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và vi sinh vật

Thành phần nước rỉ rác thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp, loại rác, khí hậu Mặt khác, độ dày, độ nén, lớp che phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần nước rỉ rác Thành phần và tính chất nước rỉ rác còn phụ thuộc vào các phản ứng lý, hóa, sinh xảy ra trong BCL Các quá trình sinh hóa xảy ra trong BCL 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

Nước rỉ rác chứa đa số thành phần chất ô nhiễm với nồng độ cao và khó phân hủy, do vậy cần kết hợp nhiều phương pháp xử lý như: xử lý cơ học, xử lý hóa học,

xử lý sinh học, xử lý oxi hóa nâng cao…

Sự phân hủy chất thải rắn trong BCL 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

- Giai đoạn 4: Giai đoạn lên men metan

- Giai đoạn 5: Giai đoạn ổn định

Đặc điểm chung là nước rỉ rác có hàm lượng các chất ô nhiễm như BOD, COD, TOC, chất rắn hòa tan, tổng Nitơ rất cao, vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần

Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới

Thành Phần Đơn Vị

Pereira (5năm vận

hành)

Clover Bar (Vận hành từ năm 1975)

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á

Bảng 1.3 Đặc trưng thành phần nước rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam

Thông số Đơn vị BCL Nam Sơn

( Hà Nội)

BCL Gò Cát (HCM)

BCL Thủy Phương ( Huế)

BCL Tràng Cát (Hải Phòng)

thậm chí cao hơn một số bãi chôn lấp ở Đài Loan và Indonesia Tỉ lệ BOD5/COD ở một số bãi chôn lấp ở nước ta cao hơn một số bãi chôn lấp ở châu Âu, Châu Mỹ và

Châu Phi

Ở nhiều nước trên thế giới, nhiều bãi chôn lấp đã áp dụng việc phân loại rác tại nguồn và áp dụng các công nghệ thu hồi, tái chế chất thải rắn nên thành phần và tính chất nước rỉ rác ít phức tạp hơn các bãi chôn lấp ở Việt Nam Hầu hết chất thải rắn ở nước ta không được phân loại Vì thế, thành phần nước rỉ rác ở Việt Nam không những thay đổi theo thời gian mà còn phức tạp hơn so với một số nước khác Thành phần nước rỉ rác ở nước ta cao và phức tạp cũng do ảnh hưởng của việc vận hành bãi chôn lấp chưa đảm bảo một bãi chôn lấp hợp vệ sinh và điều kiện khí hậu

ẩm ướt, mưa nhiều Vì thế, việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rỉ rác phù hợp ở nước ta cũng gặp nhiều khó khăn

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

Thành phần nước rỉ rác rất khó xác định vì có nhiều yếu tố tác động lên sự hình thành nước rỉ rác [19]:

a Thời gian chôn lấp

Tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian chôn lấp Nhiều nghiên cứu cho rằng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác giảm dần Thành phần của nước rỉ rác thay đổi tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học đang diễn ra 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 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 1.4 Đặc điểm bãi chôn lấp mới và bãi chôn lấp lâu năm

Bãi chôn lấp mới Bãi chôn lấp lâu năm

- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi

- Nồng độ các chất vô cơ hòa tan

và kim loại nặng cao

- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp

- pH trung tính hoặc kiềm

Bảng 1.5 Các số liệu tiêu biểu về 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 ( >10

năm) Khoảng Trung bình

Theo thời gian chôn lấp đất thì các chất hữu cơ trong nước rỉ rác cũng có sự thay đổi

Khi bãi rác đã đóng cửa trong thời gian dài thì hầu như nước rò rỉ chỉ chứa một phần nhỏ các chất hữu cơ, mà thường là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

b Thành phần của chất thải rắn

Thực tế, thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng tác động đến tính chất của nước rỉ rác 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 rỉ rác cũng có các đặc tính tương tự

c Chiều sâu bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy BCL 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 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, đạt tới khả năng giữ nước FC, 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

Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác như: ảnh hưởng từ bùn; các quá trình thấm và chảy tràn, bay hơi; cống rãnh và chất thải độc hại; độ nén; chiều dày và nguyên liệu làm lớp phủ…đều ảnh hưởng tới thành phần nước rỉ rác

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

Trong thành phần rác thải, nước thải sinh hoạt, thông thường hàm lượng hữu

cơ chiếm tỷ lệ lớn Các loại rác hữu cơ dễ phân hủy gây hôi thối, phát triển vi khuẩn làm ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, làm mất vệ sinh môi trường và ảnh hưởng tới đời sống con người

1.1.3.1 Ảnh hưởng của nước rỉ rác tới môi trường

 Ảnh hưởng của nước rỉ rác tới môi trường nước

Nước rỉ rác có chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao ( chất hữu cơ: do trong rác

có phân xúc vật, thức ăn thừa… chất thải độc hại từ các bao bì đựng phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, mỹ phẩm…) nếu không được thu gom, xử lý sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng

Hàm lượng nito cao là chất dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo … gây hiện tượng phú dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt DO trong nước do oxi bị tiêu thụ trong quá trình oxi hóa chất hữu cơ

Tạo ra xói mòn trên tầng đất nén và lắng đọng trong lòng nước mặt chảy qua Cũng có thể chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người dân sử dụng nguồn nước

Nước là đường truyền bệnh rất nguy hiểm Nguồn nước ô nhiễm tác động đến con người thể hiện qua sức khỏe cộng đồng, khi ăn các loại thực phẩm như cá, tôm, cua,… bị nhiễm độc do nước ô nhiễm, con người sẽ mắc nhiều chứng bệnh, trong đó có cả bệnh ung thư Ngoài ra, nguồn nước còn gây ra cả bệnh thương hàn, kiết lị, dịch tả, da liễu… nguyên nhân là do trong nước ô nhiễm có nhiều vi khuẩn

và nấm gây bệnh cho người

Khi nguồn nước bị ô nhiễm dù ở mức độ nặng hay nhẹ đều gây ảnh hưởng xấu đến giới tự nhiên, hệ sinh thái, động- thực vật thủy sinh

Khi môi trường nước bị ô nhiễm vùng ven sông rạch, vùng bán ngập do mực nước ngầm nông, nguồn nước mặt bị ô nhiễm với nhiều yếu tố độc hại đã di chuyển thẳng xuống mạch nước ngầm theo phương thẳng đứng hoặc từ nước sông ngấm vào mạch nước ngầm theo phương nằm ngang, dưới tác dụng của thủy triều mà không qua gạn lọc, làm sạch tự nhiên của môi trường

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

Khí hậu nhiệt đới nóng ẩm và mưa nhiều ở nước ta hiện nay là điều kiện thuận lợi cho các thành phần hữu cơ trong rác thải phân hủy, thúc đẩy nhanh quá trình lên men, thối rữa và tạo nên mùi khó chịu gây ô nhiễm môi trường không khí.Các khí phát sinh từ quá trình phân hủy chất hữu cơ trong rác thường là: Amoni

có mùi khai, phân có mùi hôi, hydrosunfua mùi trứng thối, sunfur hữu cơ như bắp cải rữa, Mecaptan mùi hôi nồng, amin như cá ươn, điamin như thịt thối, Cl2 nồng, Phenol mùi xốc đặc trưng Ngoài ra, quá trình đốt rác sẽ phát sinh nhiều khí ô nhiễm như: SO2, NOx, CO2, bụi…

 Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường đất

Trong thành phần nước rác có chứa nhiều chất độc hại, khi rác thải được đưa vào môi trường và không được xử lý khoa học thì những chất độc xâm nhập vào đất

sẽ tiêu diệt nhiều loài sinh vật có ích cho đất như: giun, vi sinh vật, nhiều loài động vật không xương sống, ếch nhái… làm cho môi trường đất bị giảm tính đa dạng sinh học và phát sinh nhiều sâu bọ phá hoại cây trồng

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

Nước rỉ rác ảnh hưởng gián tiếp đến sức khỏe con người Cụ thể, qua đường tiêu hóa, đường hô hấp, tiếp xúc qua da…Thông qua quá trình sinh hoạt, sử dụng nguồn nước, thức ăn bị nhiễm độc… ( Ví dụ: rau muống trồng ở gần ven sông, ao

có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt;và tôm cá ở ao hồ, sông, suối ) dẫn đến các

chất ô nhiễm độc hại đi vào cơ thể con người làm cho con người có thể mắc các bệnh như: ; bệnh đường tiêu hóa; nhiễm độc kim loại nặng ;kích thích đến sự hô hấp của con người và kích thích nhịp tim đập nhanh gây ảnh hưởng xấu đối với những người mặc bệnh tim mạch

1.1.4 Các phương pháp xử lý nước rỉ rác

Công nghệ xử lý nước thải rất phong phú, có tới hàng chục loại hình công nghệ đang được sử dụng trong thực tiễn trên nền của các quá trình công nghệ cơ bản theo từng cấp

Có hai nhóm phương pháp xử lý cơ bản áp dụng trong xử lý nước rỉ rác là phương pháp hóa lý và sinh học [1,3] Phương pháp hóa học, hóa lý gồm: keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa, kết tủa, màng lọc và lắng Phương pháp sinh học: Xử

lý vi sinh yếm khí, hiếu khí, thiếu khí và các tổ hợp của chúng

Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác được áp dụng phổ biến hiện nay[7]

- Xử lý vi sinh kỵ khí  xử lý vi sinh hiếu khí  ao hồ ổn định  xả ra nguồn tiếp nhận

- Xử lý vi sinh kỵ khí  xử lý vi sinh hiếu khí oxi hóa bằng hóa chất  ao

hồ ổn định  xả ra nguồn tiếp nhận

- Xử lý sinh học  đưa về nhà máy xử lý chung với nước thải sinh hoạt

- Keo tụ  lắng ( hoặc tuyển nổi)  xử lý vi sinh kỵ khí  xử lý vi sinh hiếu khí ao hồ ổn định  xả ra nguồn tiếp nhận

- Oxi hóa bằng hóa chất  lắng  xử lý vi sinh kỵ khí  xử lý vi sinh hiếu khí  ao hồ ổn định  xả ra nguồn tiếp nhận

- Keo tụ  lắng ( tuyển nổi)  xử lý vi sinh kỵ khí  xử lý vi sinh hiếu khí

 hấp phụ xử lý màu  ao hồ ổn định  xả ra nguồn tiếp nhận

Như vậy các công nghệ xử lý nước rỉ rác vẫn phổ biến là xử lý bằng nhiều công đoạn, trong đó công nghệ sinh học được áp dụng ở hầu hết các dây chuyền Các công nghệ hóa lý cũng được áp dụng phổ biến như keo tụ, oxi hóa

Hiệu quả của một số phương pháp xử lý nước rỉ rác được đánh giá bởi Abbas

và cộng sự (2009) [30], cụ thể:

- Phương pháp kết hợp xử lý nước rỉ rác với nước thải sinh hoạt có hiệu quả cao với xử lý nước rác mới và trung bình nhưng phương pháp này có nhược điểm là tồn dư sinh khối và chất dinh dưỡng

- Quá trình hiếu khí thích hợp xử lý nước rỉ rác mới và trung bình, nhược điểm là bị ức chế bởi các chất khó phân hủy sinh học và tồn dư sinh khối

- Quá trình kỵ khí thích hợp xử lý nước rác mới và trung bình, nhược điểm là

bị ức chế bởi các chất khó phân hủy sinh học, rất chậm và tạo khí sinh học

- Keo tụ thích hợp xử lý nước rỉ rác cũ và trung bình để loại bỏ kim loại nặng

và chất rắn lơ lửng Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra nhiều bùn thải chôn lấp

- Oxi hóa hóa học xử lý tốt với nước rỉ rác cũ và trung bình để loại bỏ các chất hữu cơ Phương pháp này có nhược điểm là sinh khí ozon dư, tạo bùn thải có nhiều sắt( quá trình Fenton)

- Stripping thích hợp với nước rỉ rác cũ và trung bình nhằm xử lý amoni, phương pháp này đòi hỏi bổ sung thiết bị để kiểm soát ô nhiễm không khí

- Trao đổi ion thích hợp với tất cả các loại nước rỉ rác để xử lý các hợp chất hào tan, các cation/anion nhưng chi phí lớn

- Lọc màng thẩm thấu ngược có thể có hiệu quả tốt trong xử lý nước rỉ rác để loại bỏ các hợp chất vô cơ và hữu cơ nhưng chi phí rất cao và yêu cầu tiền xử lý

- Lọc nano áp dụng tốt cho tất cả các loại nước rỉ rác để xử lý muối sunfat Phương pháp này cũng có chi phí rất cao

Trong nhiều năm, phương pháp sinh học và hóa lý là công nghệ phổ biến trong xử lý nước rỉ rác Một số phương pháp lọc màng có hiệu quả tốt nhưng tốn kém Phương pháp oxi hóa áp dụng xử lý nước rỉ rác phù hợp với nước rỉ rác có tuổi trung bình và cũ

1.1.5 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước

1.1.5.1 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong nước

Tô Thị Hải Yến và cộng sự Viện Công nghệ môi trường [15] đã nghiên cứu “ tuần hoàn nước rỉ rác và phân hủy vi sinh trong môi trường sunfat trong công nghệ chôn lấp rác thải sinh hoạt giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước rỉ rác” Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp [16] với công trình “ Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rỉ rác bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp” đã cho thấy, khi chôn lấp rác thải sinh hoạt có thành phần lignin tới 15,2% trọng lượng khô làm phát thải khí metan không có lợi về kinh tế và môi trường Với việc bổ sinh thêm môi trường sunfat nhằm tạo điều kiện để phân hủy thành phần hữu cơ thể rắn trong rác chuyển sang dạng lỏng trong nước rỉ rác, vô cơ hóa thành phần chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác Trong môi trường sunfat, hệ thống chỉ thực sự phát huy tác dụng từ ngày thứ 95 của chu trình chôn lấp rác Ngoài ra nhóm tác giả cũng đã cho thấy rằng việc tuần hoàn nước rỉ rác tạo khả năng oxy hóa – khử mạnh hơn cho môi trường phân hủy vi sinh các chất hữu cơ trong rác ở thể rắn và vô cơ hóa chất hữu cơ ở thể lỏng

Hoàng Thị Thu Hiền [2] đã sử dụng UV/Ozon để xử lý nước rỉ rác Kết quả thu được trong điều kiện phòng thí nghiệm xử lý nước rỉ rác từ BCL Nam Sơn cho thấy, sau keo tụ, tác giả đã xác định được điều kiện thích hợp đạt được tại pH=7,5

và thời gian phản ứng là 100 phút; hiệu suất xử lý COD và độ màu nước rỉ rác đạt tương ứng là 26% và 64% với hệ Ozon và 35%, 82% với hệ UV/O3

Trịnh Văn Tuyên và cộng sự Viện Công nghệ môi trường đã “ Áp dụng quá trình ozon hóa làm giảm hàm lượng các chất hữu cơ khó phân hủy trong xử lý nước

rỉ rác BCL CTR” [10] Tập thể tác giả đã tìm được điều kiện thích hợp để ozon hóa

và Perozon có hiệu quả nước rỉ rác như sau: pH= 8 – 9 , hàm lượng H2O2 là 2.000 mg/l, thời gian phản ứng đối với hệ Ozon là 100 phút và hệ Perozon là 80 phút và

để nâng cao hiệu quả xử lý cần tăng tương tác của ozon với các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng đệm sứ có bề mặt riêng lớn

1.1.5.2 Tình hình xử lý nước rác ngoài nước

Tizaoui cùng cộng sự [18] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp ozon hóa và ozone kết hợp với hydrogen peroxide để xử lý nước rỉ rác tại Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và màu sắc tối Kết quả thu được cho thấy rằng hiệu quả ozon hóa đã gần như tăng gấp đôi khi kết hợp với hydrogen peroxide khi nồng độ H2O2 là 2 g/l, nhưng khi nồng độ H2O2 cao hơn 2g/l lại cho hiệu quả thấp pH có thể thay đổi không đáng kể do tác dụng của đệm bicarbonate Nồng độ sulfate cũng giảm nhệ Ngược lại, nồng độ chloride ban đầu thì giảm, nhưng sau một thời gian thí nghiệm lại tăng lên để đạt được giá trị ban đầu của nó Kết quả so sánh chi phí vận hành của 2 phương pháp cho thấy các hệ thống

H2O2 /O3 tại H2O2 nồng độ 2g/l cho chi phí thấp nhất khoảng ~2.3 USD/kg COD được loại bỏ

Torres – Socisas và cộng sự [21] đã nghiên cứu sử dụng kết hợp các quá trình vật lý – hóa – sinh học để xử lý nước rỉ 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 40g/l và DOC là 15g/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 1m3nước rỉ rác được ước tính là khoảng 40€/m3

Singh và cộng sự [20] đã tiến hành nghiên cứu xác định hiệu quả của ozon hóa nước rỉ rác trước khi sử dụng thẩm thấu ngược và màng lọc nano Nước thải từ

ba BCL khác nhau được thu thập với tỷ lệ BOD/COD ổn định trong khoảng 0,02 – 0,12 Một loạt các thí nghiệm ozon hóa được thực hiện với nồng độ ozon 66,7 g/m3

và 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

1.2 Tổng quan về nhu cầu oxi hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand)

1.2.1 Tổng quan về COD

 Các chất thuộc đối tượng của COD

Bao gồm các chất hữu cơ trong nước và cả những chất khử vô cơ như axit sunfuro, các chất gốc sunfat, sắt(II)

 Khái niệm

COD là phép đo lượng oxy tương đương với lượng chất hữu cơ có trong mẫu

mà có thể bị oxy hóa bằng tác nhân oxy hóa mạnh Nói cách khác, COD là phép đo gián tiếp khối lượng chất hữu cơ trong một mẫu nước Do đó,được sử dụng làm chỉ tiêu thể hiện mức độ ô nhiễm bởi chất hữu cơ trong nước

Ưu điểm chính của phân tích chỉ tiêu COD là cho biết kết quả trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (2 giờ) so với BOD (5 ngày) Do đó trong nhiều trường hợp, COD được dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ thay cho BOD

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn Việt Nam của COD

Nước thải TCVN 5945 – 1995 - Nước thải công nghiệp được phép đổ

vào khu nước dùng làm nguồn nước sinh hoạt phải có giá trị COD<50 mg O2/l

- Nước thải công nghiệp có giá trị COD

< 400 mg O2/l chỉ được phép vào những nơi quy định

- Nước thải công nghiếp được phép đổ vào các khu vực nước dùng cho giao thông thủy, tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản, nông nghiệp phải có giá trị COD

<100 mg O2/l

- Nước thải công nghiệp có giá trị COD

>400 mg O2/l không được phép thải ra môi trường

1.2.2 Các phương pháp phân tích COD

1.2.2.1 Phương pháp kali pemanganate

Phương pháp dùng kali pemanganat làm chất oxy hóa để oxy hóa nhờ tính axit của axit sunfuric (Tại Nhật Bản, phương pháp này hiện được dùng làm phương pháp phân tích nước thải và nước môi trường chuẩn)

Ngoài ra, phương pháp dùng kali pemanganat làm chất oxy hóa để oxy hóa nhờ tính kiềm ( Hiện được dùng cho nước biển)

độ sôi Lượng dư kali pemanganat được chuẩn độ bằng axit ascorbic 0,1N

Giá trị COD xác định bằng phương pháp này luôn luôn nhỏ hơn nhiều so với BOD5 Điều đó chứng tỏ rằng permanganate không thể oxy hóa hoàn toàn tất cả các chất hữu cơ có trong nước phân tích

1.2.2.2 Phương pháp Kali dicromat

Phương pháp dùng kali bicromat làm chất oxy hóa để oxh hóa nhờ tính axit mạnh của axit sunfuric Do tính oxy hóa mạnh nên đây là chỉ tiêu của tổng chất hữu

cơ trong nước ( Đo lường nước thải của Việt Nam hiện đang dùng phương pháp này)

 Nguyên lý

Khi đun sôi trong môi trường axit sunfuric đặc, bicromat sẽ chuyển hóa phần lớn các chất vô cơ và hữu cơ trong nước Để oxi hóa hoàn toàn ta sử dụng chất xúc tác Ag2SO4

Phản ứng oxy hóa của bicromat diễn ra theo phương trình sau:

Lượng dư kalibicromat thêm vào mẫu được xác định bằng cách chuẩn độ bằng muối mohr với chỉ thị là axit n-phenylantranylic hoặc feroin

 Phạm vi áp dụng

Đây là phương pháp áp dụng đối với các loại nước có nồng độ COD từ 30 đến 700 mg/l, nếu như nồng độ COD cao vượt quá 700 mg/l thì cần phải pha loãng Giá trị COD nằm trong khoảng 300 đến 600 mg/l đạt được độ chính xác cao nhất

1.3 Tổng quan về công nghệ keo tụ điện hóa

Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học là đưa vào nước thải một hoá chất nào đó, hoá chất này tác dụng với các chất ô nhiễm trong nước thải để tạo

thành các cặn lắng hay chất hoà tan không độc hại

Cơ sở của các phương pháp hoá học là các quá trình hoá lý diễn ra giữa chất bẩn và các hoá chất thêm vào Những phản ứng diễn ra có thể là các phản ứng oxy hoá-khử, các phản ứng tạo thành chất kết tủa hoặc các phản ứng phân huỷ các chất độc hại [8]

Các phương pháp hoá học thường được sử dụng trong xử lý nước thải là: keo

tụ, hấp phụ, khử trùng, trung hoà, khử Chlor, [12]

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

1.3.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa

Keo tụ điện hoá là một phương pháp điện hoá được sử dụng rộng rãi trong

xử lý nước thải nhằm xử lý màu nước, loại bỏ các chất rắn ở dạng lơ lửng, chất hòa tan…bằng các chất keo tụ và các chất trợ keo tụ… tạo nên những bông cặn có kích thước lớn sẽ lắng xuống đáy Trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực

dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo

đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm [16]

Hình 1.2 Cơ chế của quá trình keo tụ

 Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Phương pháp keo tụ điện hóa có các đặc điểm sau đây[17]:

- Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện một chiều

- Các điện cực dương là kim loại hòa tan có khả năng tạo chất keo tụ

- Tùy vào pH và đặc tính của nước thải ở từng trường hợp cụ thể mà chọn kim loại làm điện cực dương

- Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau

- Bể keo tụ điện hóa có thể hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần ( theo mẻ)

- Sự xáo trộn thích hợp, bọt khí, cánh khuấy điều chỉnh vận tốc

- Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước thải để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất

- Phản ứng tạo chất keo tụ cần alkalinity, oxi thích hợp

Theo hold, Barton và Mitchell (2004), keo tụ điện hóa là phương pháp giao

thoa của ba quá trình: điện hóa học, tuyển nổi điện phân, keo tụ [16]

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

Bể keo tụ điện hóa có thể hoạt động trong cả hai điều kiện nạp nước là theo

mẻ và liên tục

1.3.2.1 Cấu tạo

Bể gồm có các phần chính: ống dẫn nước đầu vào, thân bể hình hộp chữ nhật, hệ thống các điện cực và bộ phận gạt váng bọt, bùn cặn, phao và ống thu nước đầu ra, hố chứa bùn và ống thu bùn

1.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa

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 1.3 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ

Theo hold, Barton và Mitchell (2004), khi dòng điện một chiều đi qua các

điện cực thì tại điện cực dương xảy ra quá trình hòa tan kim loại Do đó, các điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ giải phóng ra các cation ( Fe2+, Fe3+) Các cation này sẽ chuyển vào môi trường nước thải[16]

Những cation (Fe2+, Fe3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hydroxyl và tạo thành các hidroxit (Fe(OH)2 , Fe(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[8]

Fe2+ + 2H2O  Fe(OH)2 + 2H+

Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 +3H+

1.3.2.3 Các phản ứng diễn ra trong bể keo tụ

Trong trường hợp điện cực dương làm bằng sắt (Fe) còn điện cực âm làm bằng sắt (Fe) 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:

Ở anot, xảy ra quá trình oxi hóa Fe và tạo thành ion Fe2+

Các cation Fe2+ , Fe3+ được tạo thành sẽ phản ứng với các ion OH- có mặt trong nước hình thành các hydroxit sắt theo các PTPƯ sau: