Xử lý sơ cấp nƣớc rỉ rác bằng quá trình keo tụ kết hợp quá trình Fentonô-zon”

Phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp Fenton/ô-zon có thể áp dụng để xử lý sơ cấp nước rỉ rác. Quá trình keo tụ bằng chất keo tụ PAC kết hợp polymer cation với liều lượng PAC + polymer cation là 2.100 + 3 mg/L cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu và COD lần lượt là 81,7%; 83,9% và 28,1%. Quá trình keo tụ điện hoá vận hành với góc nghiêng điện cực α = 45o (so với phương ngang), diện tích bản điện cực S=486 cm2, khoảng cách điện cực d=2 cm, thời gian lưu nước θ=100 phút và hiệu điện thế U=12 V cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu, SS, COD, BOD5, TP, Fe, Cr, TKN lần lượt là 58,16%; 65,73%; 71,92%; 55,1%; 33,04%; 68,42%; 55,16%; 76,13%; 11,9%. Nước rỉ rác sau khi keo tụ điện hóa được tiếp tục xử lý bằng quá trình Fenton/ô-zon với pH=3, thời gian phản ứng 70 phút và tỉ lệ H2O2/Fe2+là 4:1 tương ứng với liều lượng H2O2 và Fe2+ là 3.000 mg/L và 750 mg/L.Hiệu suất loại bỏđộ đục, độ màu, SS, COD, BOD5, TKN của quá trình Fenton/ô-zon lần lượt là 43,89%; 65,81%; 26,66%; 69,64%; 29,63%; 7,9% và không phát hiện nồng độ Cr (VI), TP và PO43-. Tỷ lệ BOD5/COD sau khi xử lý bằng quá trình keo tụ điện hóa và Fenton/ô-zon được cải thiện từ 0,19±0,02 lên 0,58±0,04, tỷ lệ này thích hợp để đưa vào hệ thống xử lý sinh học. Phương pháp keo tụ điện hóa và Fenton/ô-zon chưa hiệu quả trong việc xử lý TKN với hàm lượng TKN sau xử lý còn khá cao (khoảng 422,68±19,62 mg/L). Do đó, cần phải có quá trình xử lý TKN nhằm làm giảm hàm lượng TKN trong nước thải trước khi đưa vào quy trình xử lý sơ cấp bằng phương pháp KTĐH kết hợp Fenton/ô-zon. Hiệu suất xử lý phốt-pho của quá trình KTĐH kết hợp Fenton/ô-zon đạt 100%. Nước thải sau xử lý không còn phốt-pho nên cần phải bổ sung thêm phốt-pho trước khi đưa vào hệ thống xử lý sinh học. 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Hiện nay, lượng rác thải phát sinh thải ra môi trường ngày một tăng nhanh về số lượng Theo Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia giai đoạn 2011-2015 (Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2016) lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh trong giai đoạn 2011- 2015 tiếp tục gia tăng và có xu hướng tăng nhanh hơn so với giai đoạn 2006 -

2010 Theo số liệu thống kê, trong các năm từ 2007-2010, tổng lượng CTR sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc là 17.682 tấn/ngày (năm 2007), 26.224 tấn/ngày (năm 2010), đến năm 2015 là 42.000 tấn/ngày, tăng trung bình 10% mỗi năm Chôn lấp là phương pháp phổ biến để xử lý chất thải rắn ở nước ta bởi ưu điểm là

xử lý được khối lượng rác lớn và có thể nhận tất cả các loại rác thải (Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia, 2011).Tuy nhiên, kéo theo đó là vấn đề ô nhiễm môi trường do bãi chôn lấp không hợp vệ sinh, không đạt tiêu chuẩn gây ra, trong đó đáng lo ngại là về nước rỉ rác Nước rỉ rác có thành phần khá phức tạp và có nồng

độ chất ô nhiễm cao, đặc tính nổi bật của nó là nồng độ chất hữu cơ, a-môn và kim loại nặng chiếm tỷ lệ khá lớn.Theo Tchobanoglous & Kreith (2002) đối với “bãi rác trẻ” (<2 năm) thì hàm lượng COD dao động ở mức rất lớn khoảng 3.000 – 60.000 mg/L , BOD biến thiên từ 2.000 – 3.000 mg/L, TSS trong khoảng 200 – 2.000 mg/L Đối với “bãi rác trưởng thành” (>10 năm) thì COD dao động từ 100 – 500 mg/L , BOD dao động từ 100 – 200 mg/L, TSS biến thiên từ 100 – 400 mg/L Với nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác khá cao nếu phát thải trực tiếp vào môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường đất, nước mặt và nước ngầm Ngoài ra, mùi hôi,

vi sinh vật và côn trùng sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của người dân Trong những năm qua, một số công nghệ xử lý nước rỉ rác đã được nghiên cứu và

ứng dụng như xử lý bằng tác nhân UV/Fenton (Trương Quý Tùng et al., 2009),

phương pháp ô-xy hóa bằng ô-zon và AOPs (Nguyễn Thị Ngọc Bích & Đặng Xuân

Hiển, 2013), phương pháp keo tụ (Văn Hữu Tập et al., 2012),…Trong đó, quá trình

keo tụ trong xử lí nước thải được ứng dụng để loại bỏ chất rắn lơ lửng làm giảm hàm lượng COD, kim loại nặng, chất hữu cơ độc (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014) Trong quá trình keo tụ và tạo bông cặn các chất rắn lơ lửng có kích thước rất nhỏ và mang điện tích sẽ được tạo điều kiện để kết lại với nhau thành các bông cặn đủ lớn và nặng để có thể loại bỏ khỏi nước thải một cách dễ dàng Phương pháp kep tụ điện hóa có ưu điểm là phương pháp giao thoa của 3 quá trình: điện hóa học, tuyển nổi điện phân và keo tụ, dưới tác dụng của dòng điện các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các ion

có khả năng keo tụ (Al3+

hoặc Fe3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí và tạo ra gốc HO● có khả năng ô-xy

hóa các chất hữu cơ (Holt et al., 2004) nên phương pháp này có thể áp dụng để xử

lý sơ cấp nước rỉ rác

Nước rỉ rác có tỷ lệ BOD/COD biến thiên rất lớn, đối với “bãi rác già” thì tỷ lệ này rất thấp, không thích hợp để xử lý sinh học do những chất hữu cơ còn lại chủ yếu là những chất khó hoặc không phân hủy sinh học Do đó, cần ứng dụng biện pháp ô-xy hóa nâng cao nhằm chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành dễ phân hủy sinh học Một trong các kỹ thuật ô-xy hóa đã được sử dụng là quá trình ô-

xy hóa nâng cao với tác nhân Fenton Ưu điểm của tác nhân Fenton là chuyển hóa nhiều chất ô nhiễm thành các chất không nguy hại hay thành các chất có khả năng phân hủy sinh học và dư lượng của tác nhân Fenton không gây nguy hại cho môi trường (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Do đó, đề tài “Xử lý sơ cấp nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ kết hợp quá trình Fenton/ô-zon” được tiến hành với mục tiêu là xử lý sơ cấp nước rỉ rác đạt hiệu quả

nhằm làm giảm nồng độ chất ô nhiễm giúp cho quá trình xử lý sinh học phía sau đạt QCVN 25:2009/BTNMT và tìm ra các thông số vận hành thích hợp cho quá trình keo tụ và quá trình Fenton/ô-zon

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC

2.1.1 Khái niệm về nước rỉ rác

Lê Hoàng Việt & Nguyễn Hữu Chiếm (2013) đã định nghĩa nước rỉ rác là dạng chất lỏng thấm qua rác và trích ra các chất hòa tan hoặc các chất rắn lơ lửng trong rác Chất lỏng của nước rỉ từ rác bao gồm: Chất lỏng sản sinh ra trong quá trình phân hủy rác, chất lỏng có sẵn trong rác và các chất lỏng đi vào bãi chôn lấp từ các nguồn bên ngoài như: mưa, nước ở trên mặt đất, nước ngầm và nước của các dòng chảy ngầm

Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp tại bãi chôn lấp rác theo các cách sau:

- Nước có sẵn và tự hình thành khi phân hủy rác hữu cơ trong bãi chôn lấp

- Mực nước ngầm dâng lên và tàn vào các ô chôn lấp rác

- Nước thấm vào thông qua các cạch, vách của ô chôn lấp rác

- Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp rác trước khi được phủ đất và ô chôn lấp rác đóng lại

- Nước mưa rơi xuống khu vực bãi chôn lấp sau khi ô chôn lấp rác đã đầy

2.1.2 Thành phần nước rỉ rác

Nước rỉ rác có thành phần khá phức tạp, nồng độ chất ô nhiễm cao và dao động rất lớn, tùy theo thời gian chôn lấp và đặc tính của từng loại rác thải mà nồng độ chất ô nhiễm dao động khác nhau

Bảng 2.1 Thành phần và nồng độ chất ô nhiễm tiêu biểu của nước rỉ rác

Sun phát 50 – 1.000 20 – 50

Tchobanoglous & Kreith, 2002

Bảng 2.2 Thành phần và nồng độ chất ô nhiễm của nước rỉ rác tại bãi rác Konya của

thành phố Konya, Thổ Nhĩ Kỳ (bãi rác hoạt động dưới 5 năm)

Chỉ tiêu ô nhiễm Đơn vị Giá trị

Bảng 2.3 Thành phần của nước rỉ rác tại bãi rác Bagalkot, quận Bagalkot,

bang Karnataka, Ấn Độ (bãi rác hoạt động dưới 5 năm)

Chỉ tiêu ô nhiễm Đơn vị Nồng độ chất ô nhiễm

Độ đục NTU 89

Shivayogimath & Chandrakant Watawati, 2013

Bảng 2.4 Những đặc trưng chính của nước rỉ rác từ BCL Thủy Phương, Huế

(bãi rác hoạt động 9 năm)

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

Trương Quý Tùng et al., 2009

Đề này sử dụng phương pháp keo tụ và phương pháp Fenton/ô-zon để xử lý sơ cấp nước rỉ rác Do đó, các phần lược khảo tài liệu phía sau chỉ tập trung lược khảo các tài liệu có liên quan đến 2 phương pháp này

2.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ

2.2.1 Tổng quan về phương pháp keo tụ hóa học

a Khái niệm keo tụ - tạo bông

Theo Nguyễn Văn Sức (2012) keo tụ là phá vỡ độ bền của các hạt keo và liên kết các hạt keo lại với nhau, tạo bông là tạo thành các cụm bông cặn lớn hơn từ các hạt nhỏ

Hình 2.1 Quá trình keo tụ và tạo bông của các hạt keo

a Keo tụ

b Tạo bông

Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) keo tụ và tạo bông cặn là quy trình

xử lý có tầm quan trọng cao ở hầu hết hệ thống xử lý nước và nước thải Mục đích của quy trình này là nâng cao hiệu quả loại bỏ chất rắn lơ lửng Trong quy trình keo

tụ và tạo bông cặn các chất rắn lơ lửng có kích thước rất nhỏ và mang điện tích sẽ được tạo điều kiện để kết lại với nhau thành các bông cặn đủ lớn và nặng để có thể loại bỏ khỏi nước thải một cách dễ dàng Việc loại bỏ các hạt keo này cũng sẽ làm giảm nồng độ các kim loại nặng, chất hữu cơ độc do các chất này bám trên bề mặt các bông cặn

Trong xử lý nước thải sinh hoạt, quy trình keo tụ và tạo bông cặn được ứng dụng để:

- Cải thiện hiệu quả xử lý của bể lắng sơ cấp

- Xử lý cấp ba nước thải để tái sử dụng

- Ứng phó với các thời điểm tải nạp tăng cao

Trong xử lý nước thải công nghiệp nó được ứng dụng để:

- Cải thiện hiệu quả công đoạn xử lý thứ cấp

- Loại bỏ kim loại nặng trong nước thải

- Xử lý màu của nước thải

- Ứng phó với các thời điểm tải nạp tăng cao

- Giúp đạt được tiêu chuẩn xả thải với chi phí thấp

b Cơ chế của quá trình keo tụ - tạo bông

Theo Trần Văn Nhân & Ngô Thị Nga (2002) cơ chế của quá trình keo tụ có thể giải thích đơn giản bằng mô hình hai lớp:

Hình 2.2 Mô hình lý thuyết hai lớp điện tích của hạt keo

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu Một số các ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn,

do đó tạo thành một mặt trượt xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta hay thế điện động Giá trị của thế zeta sẽ xác định lực đẩy tĩnh điện của các hạt

là lực cản trở việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau (Trần Văn Nhân & Ngô Thị Nga, 2002)

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2016) hạt keo là các hạt có kích thước rất nhỏ (lớn hơn nguyên tử và ion nhưng không thể nhìn thấy bằng mắt thường), kích thước của các hạt keo biến thiên từ 0,001 μm đến 10 μm Tỉ lệ giữa khối lượng và diện tích bề mặt của hạt keo rất nhỏ, điều này tạo cho các hạt keo có đặc điểm là tác động của trọng lực không đáng kể, tác động điện tích bề mặt chiếm

ưu thế Do bề mặt lớn và có mang điện tích, các hạt keo có khuynh hướng hấp phụ các ion vào môi trường xung quanh nó Quá trình làm mất tính ổn định của hạt keo diễn ra theo 4 cơ chế chính:

Làm giảm độ dày 2 lớp điện tích của hạt keo

Khi cho chất điện phân với nồng độ cao vào trong nước thải nó sẽ phân ly tạo thành các ion Các ion trái dấu sẽ len lỏi vào khu vực các ion làm phân tán và điện tích ở khu vực này bị giảm đi hay thậm chí là bị mất hẳn, do đó các hạt keo bị mất lực đẩy (do có cùng điện tích) Vì vậy các hạt keo có thể tiến gần nhau và kết lại với nhau

để hình thành các bông cặn

Hấp phụ và trung hòa điện tích bề mặt của hạt keo

Khi cho các a-min hữu cơ cao phân tử vào nước thải nó sẽ phân ly và tạo thành các phân tử a-min có điện tích dương (R-NH3+), các a-min hữu cơ là các chất kỵ nước

Do đó các phân tử này nhanh chóng di chuyển đến và bị hấp phụ bởi các hạt keo có điện tích âm Điện tích của các hạt keo này sẽ bị trung hòa, lực đẩy tĩnh điện của nó

sẽ giảm hay mất dần Tuy nhiên khi sử dụng ở liều lượng vượt mức cần thiết nó có thể làm nghịch đảo điện tích bề mặt của các hạt keo và các hạt keo trở về trạng thái

Kết dính các hạt keo vào các chất kết tủa

Khi cho các loại phèn nhôm hay phèn sắt vào trong nước thải nó sẽ tạo thành Al(OH)3 hay Fe(OH)3, các chất này có độ hòa tan kém, độ nhờn cao và tỉ trọng hơi lớn hơn nước Sau khi hình thành các chất này sẽ lắng chậm xuống, trên đường đi

nó sẽ kết dính các hạt keo và đưa các hạt keo này lắng xuống

Hấp phụ và tạo cầu nối giữa các hạt keo

Các chất cao phân tử sẽ làm mất tính ổn định của hạt keo bởi việc tạo thành các cầu nối liên kết các hạt keo lại với nhau do các polyme này có các nhóm chức có khả năng giữ các hạt keo lại, khi sử dụng polyme quá liều có thể dẫn đến việc các hạt keo trở lại trạng thái ổn định

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ - tạo bông

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2016) có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn :

Mật độ hạt keo

Mật độ hạt keo ảnh hưởng đến liều lượng chất keo tụ sử dụng và hiệu quả của quá trình keo tụ Mật độ các hạt keo sẽ kéo theo sẽ kéo theo liều lượng chất keo tụ cần

sử dụng cao Tuy nhiên ở mật độ hạt keo thấp, tốc độ keo tụ sẽ diễn ra rất chậm do

bị hạn chế cơ hội tiếp xúc với nhau Trong trường hợp này không nên tăng liều lượng chất keo tụ mà nên thêm chất trợ keo tụ hoặc hoàn lưu về bể keo tụ

Hiệu điện thế zeta

Hiệu điện thế zeta càng lớn thì lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo càng lớn và các hạt keo càng ổn định

Ái lực của hạt keo với nước

Các hạt keo ưa nước có độ ổn định cao vì các chất keo tụ khó thay thế vị trí của các phân tử nước trên bề mặt hạt keo Độ ổn định của hạt keo ưa nước phụ thuộc vào ái lực của nó với nước hơn là diện tích bề mặt Theo một số ước tính để loại bỏ các hạt keo này cần phải có một liều lượng chất keo tụ lớn gấp 10 – 20 lần liều lượng sử dụng cho các hạt keo kỵ nước

Ion âm trong dung dịch

Khi sử dụng phèn nhôm hay phèn sắt ở liều lượng cao có thể dẫn đến việc tái ổn định của các hạt keo Tuy nhiên, hiện tượng này có thể không xảy ra nếu trong nước thải có nhiều ion âm như sun-phát, phốt-phát

Ion dương trong dung dịch

Sự hiện diện của các ion dương Ca, Mg trong nước thải giúp việc keo tụ các hạt keo

có điện tích âm tốt hơn vì nó làm giảm điện tích âm và lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo

Nhiệt độ của nước thải và hàm lượng cặn:

Khi nhiệt độ của nước tăng thì liều lượng phèn cần cho keo tụ giảm, thời gian và cường độ khuấy trộn giảm theo Hàm lượng, tính chất cặn cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ vì số va chạm của các hạt phụ thuộc vào nồng độ còn hiệu quả va chạm phụ thuộc vào tính chất phân tán, hoạt tính bề mặt của cặn và phèn Khi hàm lượng cặn tăng lên thì liều lượng phèn cần thiết để keo tụ tăng (Trịnh Xuân Lai, 2004)

d Đặc điểm của chất keo tụ

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) các chất keo tụ được sử dụng trong xử lý nươc thải có đặc điểm sau:

- Là muối kim loại hóa trị 3 hay các polymer đã được kiểm chứng là chất keo

tụ hiệu quả cao

- Không độc hay gây ảnh hưởng xấu cho con người

- Tạo thành các sản phẩm có độ hòa tan thấp hay không hòa tan ở pH thường gặp của nước thải (bảo đảm để lại ít dư lượng nhất)

Đặc điểm của phèn PAC

Theo Gebbie (2011) phèn PAC có một số ưu điểm sau:

- PAC có thể làm việc tốt ở nhiệt độ của nước thải thấp Đối với phèn nhôm sulfate bùn lắng chậm ở nhiệt độ thấp, còn đối với phèn PAC thì bùn lắng tốt ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ thường

- PAC tạo ra ít bùn hơn phèn nhôm sulfate khi sử dụng cùng liều lượng

- Ở cùng liều lượng thì hiệu quả xử lý của PAC cao hơn phèn nhôm sultate

- Dung dịch phèn PAC được lưu giữ trong khoảng thời gian từ 4 - 5 tháng khi bảo quản dưới 50o

C, và có thể lưu trữ với số lượng lớn

- Phèn PAC có thể hoạt động ở khoảng pH rộng là 5 – 8

Đặc điểm của phèn nhôm

- Dễ bảo quả, dễ sử dụng, được sử dụng phổ biến

- Tạo ít bùn hơn khi sử dụng với vôi

- Hiệu quả nhất ở pH từ 6,5 – 7,5

- Tạo thêm muối hòa tan trong nước, chỉ có hiệu quả trong khoảng pH nhỏ (US Army Corps of Engineers, 2001 – Trích từ Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)

Theo Trần Văn Nhân và Ngô thị Nga (2009), để tăng cường quá trình tạo thành bông keo hydroxide nhôm và sắt với mục đích tăng tốc độ lắng, người ta tiến hành quá trình keo tụ bằng cách cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử (polymer) gọi là chất trợ keo tụ Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép hạ thấp liểu lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng các bông keo Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng nhất là polyacrylamit: (CH2CHCONH2)n Tùy thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất keo tụ có điện tích âm hoặc dương (các chất trợ keo tụ loại anion hoặc cation): polyacrylic axit (CH2CHCOO)nhoặc polydiallyldymetyl – ammonium Việc lựa chọn hóa chất, liều lượng tối ưu của các chất trợ keo tụ, trình tự cho vào nước…cũng đều phải xác định bằng thực nghiệm Thông thường liều lượng chất trợ keo tụ cho vào trong khoảng 1 ÷ 5 mg/L

2.2.2 Keo tụ điện hóa

a Khái niệm keo tụ điện hóa

Theo Holt et al (2004) keo tụ điện hóa là phương pháp giao thoa của 3 quá trình:

điện hóa học, tuyển nổi điện phân và keo tụ Keo tụ điện hóa là một phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải, 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 ion

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

Theo Trịnh Lê Hùng (2009) cơ chế hoạt động của quá trình điện phân, keo tụ điện

và tuyển nổi bằng điện như sau:

Điện phân dung dịch: Khi có 2 điện cực cùng nhúng trong một dung dịch và cho

dòng điện 1 chiều đi qua, tại cực dương (anot) các ion âm sẽ cho electron, nghĩa là xảy ra phản ứng ô-xy hóa điện hóa, ngược lại tại cực âm (catot) các ion dương sẽ nhận electron, nghĩa là xảy ra phản ứng khử Trong quá trình ô-xy hóa điện hóa, các chất trong nước thải bị ô-xy hóa tạo thành các chất đơn giản hơn và không độc có thể tách ra bằng phương pháp khác

Đông tụ điện hóa: Khi sử dụng các điện cực tan (ví dụ như sắt hay nhôm) thì các

cation (sắt hoặc nhôm) sẽ phản ứng với nước tạo ra các hydrô-xyl của các kim loại này ở dạng bông và quá trình đông tụ sẽ được tạo ra

Tuyển nổi điện hóa: Trong quá trình điện phân có các bọt khí sinh ra, đó là do quá

trình điện phân nước đi kèm tạo ra khí ô-xy và hydro ở các điện cực anot và catot Khi các bóng khí này nổi lên sẽ kéo theo các hạt chất lơ lửng cùng nổi lên bề mặt nước tạo thành váng bọt Khi sử dụng các điện cực hòa tan thì sẽ đồng thời xảy ra 2 quá trình: quá trình tạo thành các bông cặn và sinh ra các bọt khí, do đó có thể tuyển nổi được các bông cặn này

b Cơ chế hoạt động của bể keo tụ điện hóa

Bể keo tụ điện hóa hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục

Nước thải đầu vào được điều chỉnh lưu lượng tương ứng với thể tích của bể và thời

gian lưu đã xác địnhvà nước thải phải làm ngập các hệ điện cực trong bể

Khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực dương sẽ diễn 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 (Fe3+ hay Al3+) Các cation này sẽ di chuyển vào trong

môi trường nước thải (Holt et al.,2004)

Những cation (Fe3+

hay Al3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hydrô-xyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3, 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 (Trần Hiếu Nhuệ, 2001) Các bông cặn có kích thước lớn và nặng hơn thì sẽ lắng xuống phía dưới đáy bể

Dòng điện một chiều sẽ điện phân dung dịch nước thải tạo nên các bọt khí và gốc hydrô-xyl Quá trình điện hóa tạo nên các gốc hydrô-xyl (HO●) tác dụng với các

chất hữu cơ trong nước thải Các bọt khí tạo thành trong quá trình điện phân nước

sẽ nổi lên và bám vào các hạt chất rắn lơ lửng, tạo lực nâng chúng lên bề mặt tạo thành lớp váng (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2016) Các váng bọt sẽ được thu gom bằng máng thu bọt

Nước thải đầu ra sẽ được thu bởi ống thu Sau đó, nước thải được dẫn qua các đơn

vị xử lý tiếp theo

c Các quá trình diễn ra trong bể keo tụ điện hóa

Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực

Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm (điện cực làm bằng nhôm hoặc sắt) thì dưới tác động của dòng điện thì ở các điện cực xảy ra các quá trình:

Ở cực dương xảy ra các quá trình ô-xy hóa như sau:

- Quá trình ô-xy hóa Al và tạo thành Al3+, ô-xy hóa Fe thành Fe3+

Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+(2.5)

Fe3++ 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ (2.6)

d Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa

Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể

keo tụ điện hóa:

− Thành phần hóa học của nước thải

− Vật liệu các điện cực: (tan hoặc không tan) tốt nhất là các điện cực dương bằng nhôm hay sắt, còn điện cực âm thì kim loại khác nhôm hoặc sắt và phải đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa

− Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất… Các yếu tố này nên xác định bằng thực nghiệm

Theo Nguyễn Ngọc Dung (1999) các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của

bể keo tụ điện hóa khi sử dụng điện cực nhôm và cực sắt như sau:

Đối với bể keo tụ điện hóa khi sử dụng điện cực nhôm thì:

− Độ pH: độ pH của nước ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thủy phân Khi

pH < 4.5 thì không xảy ra quá trình thủy phân Thông thường Al3+ đạt hiệu

quả keo tụ cao nhất khi nước có pH=5.5 – 7.5

− Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ diễn ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao Nhiệt độ thích hợp của nước khi dùng Al3+

vào khoảng 200C – 400C, tốt nhất là 350C – 400C

− Độ đục: độ đục của nước cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ điện hóa, độ đục càng cao thì hiệu quả keo tụ càng rõ rệt

− Ngoài ra một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ như: thành phần các ion trong nước,các hợp chất vô cơ - hữu cơ,…

Đối với bể keo tụ điện hóa khi sử dụng điện cực sắt thì:

− Độ pH: phản ứng thủy phân xảy ra khi pH >3.5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH=5.5 – 6.5

− Nhiệt độ: ion Fe3+ khi thủy phân ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ,vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 00C vẫn có thể dùng ion Fe3+ làm chất keo tụ

Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và mật độ dòng điện:

Ilhan (2008) đã xác định mức ảnh hưởng của những điều kiện hoạt động về hiệu suất khử COD bằng cách thay đổi cường độ dòng điện

Kết quả cho thấy với giá trị cường độ dòng điện tăng thì khả năng thì khả năng loại

bỏ COD trong nước thải cũng tăng theo Tuy nhiên, khi cường độ dòng điện tăng quá cao thì hiệu suất loại bỏ COD giảm không khác biệt có ý nghĩa về thống kê, đồng thời tăng về hao phí điện năng nên không khả thi về mặt kinh tế

Rincón (2011) cho rằng mật độ dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng keo tụ

và tốc độ sinh khí Ngoài ra, mật độ dòng điện còn ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình hòa tan kim loại Hàm lượng kim loại hòa tan phụ thuộc vào số lượng điện đi qua trong bể

Giá trị của mật độ dòng điện phụ thuộc vào cường độ dòng điện và diện tích của bản điện cực, được tính theo đơn vị A/m2

Mật độ dòng điện được tính bởi công thức:

i=I/S (A/m2) (2.7) Trong đó:

i: mật độ dòng điện (A/m2

) I: cường độ dòng điện (A)

S:diện tích bản điện cực (m2)

Tất cả các thông số trên nên được xác định bằng thực nghiệm Bởi vì, các thông số này phụ thuộc rất nhiều vào tính chất nước thải và số lượng mẫu thử (thể tích của bể hay lưu lượng)

Theo Babu et al (2007) điện năng tiêu thụ có thể tính theo công thức:

E=(U*I)/(1000*Q) (2.8) Trong đó:

E: điện năng tiêu thụ (Wh)

U: Hiệu điện thế của dòng điện (V)

I: Cường độ dòng điện (A)

Q: Lưu lượng nước thải (m3/h)

e Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Theo Holt et al (2004) phương pháp keo tụ điện hóa có các ưu điểm và nhược điểm

sau:

● Ưu điểm

− Các thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ 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, 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

● Nhược điểm

− Khí H2 tạo ra ở cực âm có thể ngăn chặn quá trình kết tủa của chất ô nhiễm

− Cần kiểm soát pH nếu sử dụng Al, Fe làm điện cực

− Các hydroxide không hòa tan được có thể bám lên các điện cực làm giảm hiệu quả xử lý

− Chi phí đầu tư khá cao, mặc dù chi phí vận hành ít hơn so với những phương pháp khác

f Một số nghiên cứu và ứng dụng quá trình keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải

Trong nước

Đinh Tuấn (2011) đã nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo

tụ - tuyển nổi điê ̣n hóa với điện cực nhôm anode, bình điện phân có chứa 0,5 g/L NaCl, điện phân trong 30 phút, mật độ dòng điện 0,9 A/dm2, khoảng cách điện cực

2 cm cho hiệu suất loại bỏ COD và độ màu lần lượt là 95% và 96,8%

Lê Hoàng Việt et al (2015) đã sử dụng quá trình tuyển nổi điện hóa để xử lý nước

thải chế biến cá da trơn với các điều kiện vận hành mô hình bể tuyển nổi điện hóa như: góc nghiêng điện cực 45o, diện tích bản điện cực 486 cm2, khoảng cách điện cực 1 cm, thời gian lưu nước 30 phút cho kết quả loại bỏ SS, COD, BOD, TKN, tổng phốt-pho lần lượt là 83,2%; 76,8%; 68,3%; 66,9% và 71,4%

Ngoài nước

Các nghiên cứu ngoài nước áp dụng phương pháp keo tụ điện hóa để xử lý nước

thải được trình bày trong Bảng 2.5

Bảng 2.5 Thống kê một số nghiên cứu và ứng dụng về keo tụ điện hóa với một số

loại nước thải

Tác giả Đề tài nghiên

cứu Điều kiện thí nghiệm

Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm

Hassani et al

(2016)

Xử lý nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ điện hóa và tuyển nổi điện hóa

Điện cực sắt (cực âm)

và nhôm (cực dương) Hiệu điện thế=40V pH=8

KCĐC=2 cm Thời gian: 90 phút

COD đầu vào:

6317 mg/L COD đầu ra:

827,53 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 86,9%

Budiyono et

al (2010)

Xử lý nước thải

lò giết mổ bằng phương pháp tuyển nổi

Điện cực sắt làm cực dương

Điện cực nhôm Hiệu điện thế 20 V KCĐC=1 cm Thời gian: 30 phút

COD: 84,1%

2.3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH FENTON/Ô-ZON

Theo Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung (2005) các quá trình ô-xy hóa nâng cao

là những quá trình phân hủy ô-xy hóa dựa vào gốc hydrô-xyl được hình thành trong quá trình xử lý Gốc hydrô-xyl là một tác nhân ô-xy hóa mạnh, có khả năng phân hủy không chọn lọc mọi hợp chất hữu cơ thành các hợp chất vô cơ không độc hại như CO2, H2O, các a-xít vô cơ,…Ngoài ra HO còn là tác nhân diệt khuẩn có tính an toàn hơn clo vì không tạo ra các sản phẩm phụ gây ung thư như các chất hữu cơ chứa clo trihalometan

2.3.1 Giới thiệu chung về quá trình Fenton

Năm 1894 trong tạp chí Hội hóa học Mỹ đã công bố công trình nghiên cứu của tác giả J.H.Fenton, trong đó ông quan sát thấy phản ứng ô-xy hóa a-xít malic bằng hydrogen peroxit đã được gia tăng mạnh khi có mặt các ion sắt Sau đó tổ hợp H2O2

và muối sắt Fe2+

được sử dụng làm tác nhân ô-xy hóa rất hiệu quả cho nhiều đối

tượng rộng rãi các chất hữu cơ và được mang tên “tác nhân Fenton”

Hệ chất Fenton gồm dung dịch H2O2 và xúc tác Fe, được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ độc hại Quá trình ô-xy hóa bằng phản ứng Fenton diễn ra ở pH=3-5, với sự

có mặt của xúc tác Fe2+

và H2O2 Nếu pH quá cao sẽ gây kết tủa hydroxit và nó phân hủy H2O2 thành ô-xy nguyên tử Các phản ứng như sau:

H2O2+ Fe2+→ Fe3+ + OH + HO (2.9) Xúc tác Fe2+ tan trong nước, cần thiết để tạo ra gốc hydrô-xyl có hoạt tính ô-xy hóa rất mạnh Fe3+

không tạo gốc hydrô-xyl và ít tan ở pH=5-6 Ở điều kiện pH thích

hợp, Fe3+

có thể trở thành sắt II với sự tham gia của H2O2:

H2O2 + Fe3+ → Fe2+ H- + OOH (2.10) Phản ứng ô-xy hóa các chất hữu cơ diễn ra như sau:

CHC (cao phân tử) + OH→ CHC (thấp phân tử) + CO2 + H2O + OH (2.11) Hoặc:

RHX + H2O2→ X

RHX: hợp chất hữu cơ

X: đại diện cho halide (chất gồm halogen và nguyên tố hay gốc khác)

Nếu hợp chất không có halogen thì phản ứng chỉ tạo ra CO2 và H2O

Quá trình Fenton có ưu việt ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dễ sử dụng trong khi đó hiệu quả ô-xy hóa được nâng cao hơn rất nhiều so với H2O2 sử dụng một mình Áp dụng quá trình Fenton để xử lý nước và nước thải có thể dẫn đến khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2, H2O và các ion vô cơ.Tuy nhiên, trong điều kiện đó phải sử dụng rất nhiều hóa chất làm cho chi phí xử lý cao (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton

Các yếu tố như độ pH, nồng độ H2O2 và tỷ lệ Fe2+: H2O2 các anion vô cơ cũng sẽ là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình Fenton

Ảnh hưởng của pH

Phản ứng Fenton xảy ra thuận lợi khi pH từ 3-5 Khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ

pH (pH từ 1 đến 8) đến tốc độ phản ứng ô-xy hóa các chất hữu cơ bằng hệ Fenton

Fe2+/H2O2 trong điều kiện dư Fe2+ (để loại trừ ảnh hưởng của ion Fe2+), cho thấy khi

pH 3, tốc độ phản ứng xảy ra nhanh vì theo cơ chế tạo gốc hydrô-xyl OH.trực tiếp

tư H2O2 và Fe2+ Tuy nhiên khi pH tăng (pH > 4) tốc độ phản ứng ô-xy hoa chậm lại (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 và tỷ lệ Fe 2+ : H 2 O 2

Tốc độ phản ứng Fenton tăng khi nồng độ H2O2 tăng, đồng thời nồng độ H2O2 cần thiết lại phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm cần xử lý, đặc trưng bằng tải lượng COD Nồng độ H2O2 và tỷ lệ Fe2+ : H2O2 có ảnh hưởng đến sự tạo thành và sự tiêu hao gốc hydrô-xyl , vì thế tồn tại một tỷ lệ Fe2+: H2O2 tối ưu khi sử dụng, tùy theo đối tượng chất cần xử lý và do đó cần phải xác định bằng thực nghiệm khi áp dụng vào từng đối tượng cụ thể (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

Ảnh hưởng các anion vô cơ

Theo Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung (2005) một số anion vô cơ thường có mặt trong nước thải cũng có thể làm giảm hiệu quả của quá trình Fenton hệ đồng thể Những anion thường gặp nhất bao gồm carbonate, bicarbonate, chloride do chúng

có khả năng làm tiêu hao số lượng gốc hydrô-xyl , giảm khả năng tiến hành phản ứng ô-xy hóa Một số anion khác thể tạo thành những phức chất không hoạt động

với Fe3+

nhờ các gốc sun-phát, ni-trát, phốt-phát (do vậy cũng khiến hiệu quả của quá trình Fenton giảm đi

2.3.3 Quá trình ô-zon

a Giới thiệu quá trình ô-zon

Ô-zon có thế ô-xy hóa mạnh và nó là chất không bền, mà phải được tạo ra tại thời điểm sử dụng Ô-zon đã được sử dụng để khử trùng nước uống ở các nước châu Âu trong nhiều năm Nó cũng đã được sử dụng để xử lý một số chất thải công nghiệp đặc biệt, đặc biệt là để loại bỏ xy-a-nua và phe-nol Từ năm 1980, ô-zon bắt đầu được sử dụng để xử lý nước thải, chất thải công nghiệp và xử lý bùn trên một quy

mô lớn (Wang et al., 2007)

Theo Lê Văn Cát (2007) ô-zon là loại khí được điều chế tại chỗ và là một chất ô-xy hóa mạnh Thế ô-xy hóa khử trong môi trường a-xít là 2,07 V, trong môi trường kiềm là 1,24 V Chính hoạt tính cao của ô-zon hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong công nghệ xử lý nước thải, vì ngoài phản ứng với các tạp chất trong nước nó còn tự phân hủy Phân hủy ô-zon là một quá trình phân hủy dây chuyền theo cơ chế hình thành các gốc tự do Phản ứng ô-xy hóa chất hữu cơ xảy ra được là do gốc tự

do tạo thành

b Cơ chế của quá trình ô-zon

Theo Trịnh Lê Hùng (2009) ô-xy hóa bằng ô-zon cho phép đồng thời khử tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, khử mùi trong nước Độ hòa tan của ô-zon trong nước phụ thuộc vào pH và hàm lượng các chất hòa tan Với môi trường a-xít và có muối trung tính sẽ làm tăng độ hòa tan của ô-zon Ngược lại trong môi trường kiềm sẽ làm giảm độ hòa tan của ô-zon

Theo Riaño et al (2014) ô-zon có thể ô-xy hóa các chất khác theo hai cách:

- Ô-xy hóa trực tiếp bằng phân tử ô-zon hòa tan trong nước

- Ô-xy hóa thông qua gốc hydrô-xyl OH được tạo ra do sự phân hủy ô-zon khi hòa tan vào nước

Hai con đường ô-xy hóa nói trên của ô-zon xảy ra cạnh tranh nhau Quá trình ô-xy hóa trực tiếp bằng phân tử ô-zon xảy ra tương đối chậm so với ô-xy hóa gián tiếp thông qua gốc hydroyl do sự phân hủy ô-zon tạo ra Tuy vậy, nồng độ ô-zon trong nước khi ô-zon hóa tương đối cao, trong khi đó, nồng độ gốc hydrô-xyl trong điều kiện ô-zon hóa thông thường lại tương đối nhỏ, vì thời gian sống của gốc hydrô-xyl ngắn, nên nồng độ gốc hydrô-xyl khi ô-xy hóa bằng ô-zon không bao giờ vượt quá

10- 12 M Trong điều kiện a-xít con đường ô-xy hóa trực tiếp bằng phân tử ô-zon là chủ yếu, trong khi đó điều kiện pH cao, hoặc trong những điều kiện có những tác nhân khác như H2O2, UV, chất xúc tác… tạo thuận lợi cho quá trình tạo gốc hydrô-xyl, con đường ô-xy gián tiếp thông qua gốc hydrô-xyl sẽ là chủ yếu và hiệu quả ô-

xy hóa được nâng cao hơn (Trần Mạnh Trí & Trần Mạnh Trung, 2005)

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ô-zon

Ảnh hưởng của giá trị pH

Theo nghiên cứu trong hệ ô-xy hóa ô-zon, thời gian bán phân hủy của ô-zon thay đổi từ vài phút đến vài giờ và độ bền của ô-zon trong nước phụ thuộc nhiều vào pH, trong môi trường ở pH thấp, chất hữu cơ trong nước sẽ bị ô-xy hóa trực tiếp bằng phân tử ô-zon, ở pH > 8,5 ngoài ô-zon các chất bẩn còn bị ô-xy hóa bằng tác nhân hydrô-xyl OH tạo ra từ quá trình phân hủy ô-zon theo phản ứng:

3O3 + H2O → 2OH. + 4O2

Tốc độ phản ứng của các gốc OH.trong nước lớn hơn 106 - 109 lần tốc độ phản ứng

của phẩn tử ô-zon (Nguyễn Văn Phước et al., 2010a)

Ảnh hưởng của thời gian

Theo nghiên cứu Prayitno et al (2014), trong 10 phút đầu tiên, quá trình ô-xy hóa

của ô-zon trong nước thải diễn ra chậm Trong 15 đến 40 phút tiếp theo, thì lượng ô-zon được hòa tan vào nước sẽ tăng lên, do đó quá trình ô-xy hóa của ô-zon sẽ diễn

là 600 mg/L và liều lượng Fe2+ là 500 mg/L, tương đương với tỷ lệ H2O2/Fe2+ sử dụng là 1,2/1 Kết quả cho thấy, lượng COD được loại bỏ khoảng 89,87%

Riaño et al (2014) đã ứng dụng quá trình Fenton và ô-zon để xử lý nước thải trong

quá trình chăn nuôi heo Quá trình ô-zon được thực hiện ở pH=8,1, liều lượng dao động từ 0,7 – 4,3 g/h, trong thời gian phản ứng là 30 phút, đã xử lý được tổng COD

27 - 30% và độ màu 53 - 88% Quá trình Fenton được thực hiện với liều lượng Fe2+

là 100 mg/L và H2O2 là 800 mg/L ở pH=3 Kết quả cho thấy quá trình Fenton đã loại bỏ khoảng 78% COD và độ màu 96%

Mandal et al (2010) đã ứng dụng của quá trình Fenton để tiền xử lý nước thải công

nghiệp thuộc da cho một hệ thống sinh học, với nồng độ đầu vào COD khoảng 2.533 mg/L, BOD5 là 977 mg/L, tổng crôm là 258 mg/L Phản ứng được thực hiện ở pH=2,5, nhiệt độ 30oC, và trong 30 phút Kết quả sau 3 ngày xử lý kết hợp quá trình Fenton và sinh học, đã xử lý được COD 93%, BOD 98%, tổng crôm 62% và loại bỏ được độ màu 100%

2.4 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ ĐIỆN HÓA VÀ FENTON/Ô-ZON

Một số đề tài nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ điện hóa hoặc zon được trình bày trong Bảng 2.6

Fenton/ô-Bảng 2.6 Một số đề tài nghiên cứu xử lý nước thải rỉ rác

Tác giả Đề tài nghiên cứu Điều kiện thí nghiệm bỏ chất ô nhiễm Hiệu suất loại

Ilhan et al (2007) Xử lý nước rỉ rác

bằng quá trình keo tụ điện hóa

sử dụng điện cực nhôm và sắt

Mật độ dòng điện: từ

348 đến 631 A/m2 Thời gian 30 phút pH=8,2

COD đầu vào 12.860 mg/L COD đầu ra 5.658 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 56%

Li et al (2011) Xử lý nước rỉ rác

bằng quá trình keo tụ điện hóa

Điện cực sắt Mật độ dòng điện : 4,96 mA/cm2Thời gian 90 phút

COD đầu vào: 2.319 mg/L COD đầu ra: 1.164 mg/L Hiệu suất xử lý: COD: 49,8% NH3-N: 38,6%Tezcan & Oduncu

(2014)

Xử lý nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ điện hóa sử dụng bản điện cực bằng nhôm

Điện cực nhôm Mật độ dòng điện:

75 mA/cm2pH=5

COD đầu vào:

4100 mg/L COD đầu ra:

1763 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 57%

Jotin et al (2012) Sử dụng quá

trình keo tụ điện hóa để loại bỏ COD trong nước

rỉ rác

Điện cực nhôm Hiệu điện thế 10V, pH=4 – 8

Thời gian: 100 phút

COD đầu vào: 16.464,50 mg/L COD đầu ra: 4.267,60 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 74,08%Shivayogimath &

Chandrakant

Watawati

(2013)

Xử lý nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ điện hóa

Điện cực nhôm Hiệu điện thế 9V pH=5,8

Thời gian: 40 phút

COD đầu vào: 4.820 mg/L COD đầu ra: 241 mg/L

Hiệu suất xử lý COD: 95,8%

Hassani et al

(2016)

Xử lý nước rỉ rác bằng quá

Điện cực sắt (cực âm)

và nhôm (cực dương)

COD đầu vào:

6317 mg/L

trình keo tụ điện hóa và tuyển nổi điện hóa

Hiệu điện thế 40V, pH=8

KCĐC=2 cm Thời gian: 90 phút

COD đầu ra: 827,53 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 86,9%

Yilmaz et al

(2010)

Loại bỏ COD và màu của nước rỉ rác từ bãi rác

“trẻ” bằng quá trình Fenton

Tỷ lệ

H2O2/Fe2+=5000/2000 mg/L

pH=3

COD đầu vào: 38.200 mg/L COD đầu ra: 16.846 mg/L Hiệu suất xử lý COD: 55,9%

Zazouli et al

(2012)

Xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp fenton

Tỷ lệ

H2O2/Fe2+=3000/500 mg/L

pH=3 Thời gian: 150 phút

Hiệu suất xử lý COD: 69,6%

Ahmadian et al

(2013)

Xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp fenton

Tỷ lệ

H2O2/Fe2+=2500/1800 mg/L

pH=3 Thời gian: 105 phút

COD đầu vào: 3.895 mg/L COD đầu ra: 973,75 mg/L Hiệu suất xử lý: 75%

Koc-Jurczyk &

Jurczyk (2015)

Hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng quá trình Fenton

Tỷ lệ H2O2/Fe2+= 2500/500 mg/L

pH =3

COD đầu vào: 4.785 mg/L COD đầu ra: 1.993 mg/L Hiệu suất xử lý: 58,34%

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

3.3 ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

3.3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

Địa điểm thực hiện thí nghiệm tại Khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên – Trường Đại học Cần Thơ trên mô hình bể keo tụ điện hóa và bể Fenton/ô-zon Các chỉ tiêu cần theo dõi trong thí nghiệm được phân tích tại các phòng thí nghiệm của

bộ môn Kỹ thuật Môi trường – Trường Đại học Cần Thơ và trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng Cần Thơ Catech

Đề tài được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 12 năm 2016 đến tháng 4 năm 2017

3.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là nước rỉ rác của bãi rác Phước Thới, phường Phước Thời, quận Ô Môn, Thành phố Cần Thơ Bãi rác Phước Thới hoạt động từ năm 2015 và đến nay vẫn chưa có hệ thống xử lý nước rỉ rác Mẫu nước rỉ rác được lấy tại hố thu nước rỉ của bãi rác từ 7 giờ sáng đến 8 giờ sáng

3.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài “Xử lý sơ cấp nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ kết hợp quá trình zon” được tiến hành với các mục tiêu sau:

Fenton/ô Mục tiêu tổng quát: Bảo vệ môi trường nước mặt, nước ngầm và tránh ảnh hưởng của nước rỉ rác đến sức khỏe và môi trường sống người dân sống xung quanh bãi rác

- Mục tiêu cụ thể:

Nghiên cứu xử lý sơ cấp nước rỉ rác bằng quy trình keo tụ kết hợp Fenton/ô-zon nhằm làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm giúp cho quá trình xử lý sinh học phía sau đạt QCVN 25:2009/BTNMT

Tìm ra các thông số vận hành của quá trình keo tụ hóa học, keo tụ điện hóa và fenton/ô-zon

3.3 PHƯƠNG TIỆN, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Đề tài được thực hiện trên mô hình bể keo tụ điện hóa và bể phản ứng zon

Fenton/ô-Bể keo tụ điện hóa hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục, mô hình bể keo tụ điện hóa có kích thước: dài×rộng×cao là 42×13×30 (cm), chiều cao từ đáy bể đến van thu nước đầu ra là 22 cm Thể tích nước trong bể là 12 lít

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình và ảnh chụp bể keo tụ điện hóa

Mô hình bể phản ứng Fenton/ô-zon cao 1m4, mực nước hoạt động trong bể cao 1m Đường kính bể là 0,14 m Thể tích hoạt động của bể là 15,7 lít Hệ thống khuấy gồm motor và 3 cánh khuấy đồng trục Máy tạo ô-zon GENQAO FD 3000 II có công suất 200 - 400 mg/h

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình và ảnh chụp của bể Fenton/ô-zon

Hình 3.3 Ảnh chụp của máy sục ô-zon GENQUAO

3.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Đề tài tiến hành qua 02 giai đoạn: giai đoạn chuẩn bị và giai đoạn vận hành chính thức các mô hình xử lý nước thải

Giai đoạn chuẩn bị:

Để định hướng cho các thí nghiệm thực hiện trong đề tài, tiến hành lấy mẫu nước rỉ rác trong 3 ngày để phân tích nồng độ các chất ô nhiễm như pH, độ màu, độ đục,

EC, TDS, SS, BOD5, COD, TP, Fe, Al, Cr, TKN nhằm nắm vững được thành phần, tính chất và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác cần xử lý

Chế tạo các mô hình thí nghiệm: bể keo tụ điện hóa và bể phản ứng Fenton/ô-zon

Giai đoạn vận hành chính thức các mô hình xử lý nước thải:

Tiến hành các thí nghiệm định hướng của quá trình keo tụ hóa học, keo tụ điện hóa

và Fenton/ô-zon nhằm tìm ra các thông số vận hành thích hợp Sau đó, tiến hành các thí nghiệm chính thức dựa trên các thông số tìm ra từ thí nghiệm định hướng

3.4.1 Thí nghiệm định hướng của quá trình keo tụ hóa học

Thí nghiệm định hướng của quá trình keo tụ hóa học được thực hiện trên bộ Jartest Mục tiêu của thí nghiệm này nhằm lựa chọn hóa chất keo và liều lượng chất keo tụ thích hợp cho quá trình keo tụ hóa học

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lựa chọn hóa chất keo tụ Giải thích sơ đồ thí nghiệm 1:

Thí nghiệm lựa chọn hóa chất keo tụ

Mục đích của thí nghiệm này nhằm lựa chọn hóa chất keo tụ cho hiệu suất xử lý COD và độ đục tốt nhất giữa 2 loại hóa chất keo tụ: phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O (độ tinh khiết 99%) và PAC

Quan sát, lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, độ đục, độ màu, COD

So sánh, chọn ra loại phèn có hiệu quả xử lý cao hơn

Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O được sử dụng trong thí nghiệm này biến thiên từ 3.000 – 3.500 mg/L với mỗi mức liều lượng cách nhau 100 mg/L Liều lượng PAC biến thiên từ 1.800 – 2.300 mg/L với mỗi mức liều lượng cách nhau 100 mg/L

Mẫu nước thải trước và sau keo tụ được đo pH, độ màu, độ đục để đánh giá nhanh kết quả và diễn biến của quá trình keo tụ, chọn mẫu ở liều lượng chất keo tụ cho kết quả độ đục thấp nhất để phân tích COD và so sánh, lựa chọn ra hóa chất keo tụ để tiến hành thí nghiệm tiếp theo

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định liều lượng chất keo tụ thích hợp Giải thích sơ đồ thí nghiệm 2:

Thí nghiệm xác định liều lượng chất keo tụ thích hợp

Thí nghiệm này được tiến hành với 3 mức liều lượng chất keo tụ biến thiên xung quanh liều lượng cho độ đục thấp nhất ở thí nghiệm trước với mỗi khoảng biến thiên 50 mg/L

Mẫu nước thải trước và sau keo tụ được đo pH, độ màu, độ đục, COD để so sánh và lựa chọn liều lượng chất keo tụ cho hiệu suất loại bỏ độ đục và COD cao nhất Liều lượng này được chọn để tiến hành thí nghiệm tiếp theo

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác đinh liều lượng polymer cation thích hợp để

hỗ trợ cho quá trình keo tụ

Giải thích sơ đồ thí nghiệm 3:

Thí nghiệm xác định liều lượng polymer cation thích hợp để hỗ trợ cho quá trình keo tụ

Thí nghiệm được tiến hành với khoảng liều lượng PAC cố định được chọn từ thí nghiệm trước và liều lượng polymer cation (C3H5ON)n biến thiên từ 0 – 5 mg/L, mỗi khoảng biến thiên 1 mg/L Trong đó, có 1 nghiệm thức đối chứng chỉ sử dụng PAC mà không bổ sung polymer cation

Mẫu nước thải trước và sau keo tụ được đo pH, độ màu, độ đục để đánh giá nhanh kết quả và diễn biến của quá trình keo tụ, chọn mẫu ở liều lượng chất keo tụ PAC + polymer cation cho kết quả độ đục thấp nhất để phân tích COD và so sánh

3.4.1 Thí nghiệm định hướng và chính thức của bể keo tụ điện hóa

Thí nghiệm định hướng trên bể keo tụ điện hoá được thực hiện nhằm xác định các thông số vận hành như: góc nghiêng điện cực (GNĐC) (so với phương ngang), diện tích bản điện cực (DTBĐC), khoảng cách điện cực (KCĐC) và thời gian lưu nước (TGLN) thích hợp cho quá trình keo tụ điện hóa.Sơ đồ bố trí các thí nghiệm định hướng trên bể keo tụ điện hoá được trình bày trong Hình 3.7

Nước thải

Cố định liều lượng chất keo tụ (A mg/L), thay đổi liều lượng polymer cation

Quan sát, lấy phần nước trong phân tích các chỉ tiêu pH, độ đục, độ màu, COD

So sánh, chọn liều lượng polymer thích hợp

cho quá trình keo tụ (E mg/L)

0 mg/L

Polymer

cation

1 mg/L Polymer cation

2 mg/L Polymer cation

3 mg/L Polymer cation

4 mg/L Polymer cation

5 mg/L Polymer cation

Nhận xét, đánh giá hiệu quả tiền xử lý bằng

phương pháp keo tụ hóa chất

Hình 3.7 Sơ đồ bố trí các thí nghiệm định hướng trên bể keo tụ điện hóa Giải thích sơ đồ thí nghiệm bể keo tụ điện hóa:

Thí nghiệm định hướng xác định góc nghiêng đặt điện cực

Trong thí nghiệm này cố định HĐT U=12 V, KCĐC=2 cm, TGLN =90 phút và DTBĐC=486 cm2.GNĐC trong bể KTĐH thay đổi ở 3 mức độ 45o

, 60o, 90o.Thí nghiệm được tiến hành với 3 lần lặp lại

Lựa chọn GNĐC tốt nhất

Sử dụng các thông số từ thí nghiệm trên, cố định và tiến hành thí nghiệm đánh giá hiệu quả tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ điện hóa

Lựa chọn KCĐC tốt nhất

Nước đầu vào và đầu ra của bể KTĐH được phân tích chỉ tiêu pH, EC, TDS, độ đục, độ màu, COD sau đó được ghi nhận lại, chọn ra GNĐC tốt nhất (cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu, COD cao nhất) GNĐC đó được chọn để tiến hành trong các thí nghiệm tiếp theo

Thí nghiệm định hướng xác định diện tích bản điện cực thích hợp

Trong thí nghiệm này cố định GNĐC được lựa chọn từ thí nghiệm trước, HĐT U=12 V, KCĐC=2 cm, TGLN  =90 phút DTBĐC sử dụng trong thí nghiệm với 3 cấp độ lần lượt là243 cm2; 342 m2 và 486 cm2.Thí nghiệm được tiến hành với 3 lần lặp lại

Nước đầu vào và đầu ra của bể KTĐH được phân tích chỉ tiêu pH, EC, TDS, độ đục, độ màu, COD sau đó được ghi nhận lại, chọn ra DTBC tốt nhất (cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu, COD cao nhất) DTBC đó được chọn để tiến hành trong các thí nghiệm tiếp theo

Thí nghiệm định hướng xác định khoảng cách giữa các điện cực

Thí nghiệm cố định GNĐC, DTBĐCđược lựa chọn từ các thí nghiệm trước Cố định HĐT U=12 V, TGLN =90 phút KCĐC được thay đổi ở 3 mức độ: 1 cm; 1,5 cm; 2

cm Thí nghiệm được tiến hành với 3 lần lặp lại

Nước đầu vào và đầu ra của bể KTĐH được phân tích chỉ tiêu pH, EC, TDS, độ đục, độ màu, COD sau đó được ghi nhận lại, chọn ra KCĐC tốt nhất (cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu, COD cao nhất) KCĐC đó được chọn để tiến hành trong các thí nghiệm tiếp theo

Thí nghiệm định hướng xác định thời gian lưu nước

Trong thí nghiệm này GNĐC, HĐT, KCĐC và DTBĐC sẽ được cố định là 45o, 12V, 2 cm và 486 cm2 Thời gian lưu nước được thay đổi ở 03 mức: 100 phút, 110 phút và 120 phút.Thí nghiệm được tiến hành với 3 lần lặp lại

Nước trước và sau xử lý bể KTĐH phân tích chỉ tiêu pH, EC, TDS, độ đục, độ màu, COD sau đó được ghi nhận lại, chọn ra TGLN tốt nhất (cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu, COD cao nhất) TGLN này được chọn để tiến hành trong các thí nghiệm tiếp theo

Thí nghiệm chính thức

Sau khi tiến hành thí nghiệm định hướng về thời gian lưu thích hợp thông số này sẽ được cố định để thực hiện thí nghiệm chính thức xác định hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp KTĐH

Nước thải trước và sau khi KTĐH sẽ được đo và phân tích các chỉ tiêu như pH, độ màu, độ đục, EC, TDS, SS, BOD5, COD, Ptổng, TKN, Fe, Al, Cr

Sau khi phân tích, số liệu được ghi nhận làm cơ sở để đánh giá hiệu quả xử lý sơ bộ nước rỉ rác bằng bể KTĐH với điện cực bằng nhôm trước khi đưa vào bể phản ứng Fenton/ô-zon

3.4.2 Thí nghiệm định hướng và chính thức của bể phản ứng Fenton/ô-zon

Thí nghiệm định hướng được thực hiện trên bộ Jartest nhằm xác định thời gian phản

ứng, tỷ lệ H2O2/Fe2+ và liều lượng H2O2 và Fe2+ hích hợp cho quá trình

Fenton/ô-zon Sau đó các thông số này sẽ được chọn để tiến hành thí nghiệm chính thức trên

bể phản ứng Fenton/ô-zon

Sơ đồ bố trí các thí nghiệm định hướng của quá trình Fenton/ô-zon được trình bày

trong Hình 3.8

Hình 3.8 Sơ đồ thí nghiệm định hướng cho quá trình Fenton/ô-zon

Giải thích sơ đồ thí nghiệm của bể phản ứng Fenton/ô-zon

a Thí nghiệm định hướng

Thí nghiệm 1: Xác định thời gian lưu nước thích hợp cho quá trình Fenton/ô-zon

Thí nghiệm được tiến hành ở pH=3 và thực hiện trên bộ Jartest

Cố định liều lượng phèn sắt(II) sun-phát (FeSO4.7H2O ) và nồng độ H2O2 (30%) với

liều lượng H2O2 và Fe2+ là 500: 500 mg/L tương ứng với tỷ lệ 1:1

Tiến hành thí nghiệm ở 6 mốc thời gian phản ứng từ 50 đến 100 phút (mỗi nghiệm

Thí nghiệm 1:Xác định thời gian

- Cố đinh pH =3, liều lượng

FeSO4.7H2O=500 mg/L, thời gian

Lựa chọn tỷ lệ

H2O2/Fe2+ tốt nhất

Thời gian lưu nước và tỷ lệ

H2O2/Fe2+ thích hợp làm mốc cho thí nghiệm chính thức

2000, 2500, 3000, 3500 mg/L

Thí nghiệm được lặp lại 1 lần.Mẫu nước được phân tích pH, COD, độ màu, độ đục

để chọn ra tỷ lệ H2O2/Fe2+thích hợp

Xác định liều lượng H 2 O 2 và Fe 2+

Chọn tỷ lệ H2O2/Fe2+ thích hợp từ thí nghiệm trên, tiến hành thay đổi liều lượng

H2O2 và Fe2+ với 3 mức liều lượng khác nhau tương ứng với 1 tỷ lệ đã chọn

Mẫu nước được phân tích pH, COD, độ màu, độ đục để chọn ra liều lượng H2O2 và

và sau khi xử lý sẽ được phân tích các chỉ tiêu: pH, EC, TDS, độ màu, độ đục, SS, COD, BOD5, Fe, Al, Cr (VI), TP, TKN với 3 lần lặp lại So sánh kết quả nồng độ chất ô nhiễm trước và sau xử lý để đánh giá hiệu suất xử lý của quá trình

3.5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU

Các chỉ tiêu như pH, EC, TDS, độ màu, độ đục, SS, COD, BOD5, Fe, Al, Cr (VI),

TP được phân tích tại Khoa Môi trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Đại Học Cần Thơ

Các chỉ tiêu được phân tích tại Khoa Môi trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Đại Học Cần Thơ được tiến hành với sự hỗ trợ của các phương pháp và phương tiện được liệt liệt kê ở Bảng 3.1

Bảng 3.1 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu tại Khoa Môi trường

và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Đại Học Cần Thơ

TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997)

Phễu lọc

Tủ sấy (Memer UI40) Máy hút chân không Cân điện tử OHAUS Giấy lọc bằng sợi thuỷ tinh Adventec

thí nghiệm

Phương pháp Dicromate TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989)

Ống nghiệm COD

Tủ sấy (Melag 405) Các hoá chất và dụng cụ cần thiết

TP Tại phòng Phương pháp amino a-xít Máy Hanna HI 83200

Máy Hanna HI 83200

Chỉ tiêu được phân tích tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng Cần Thơ Catech, địa chỉ số 45 đường 3/2, Thành phố Cần Thơ bằng phương pháp được liệt kê

ở Bảng 3.2

Bảng 3.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu tại Catech

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT NƯỚC RỈ RÁC TẠI BÃI RÁC PHƯỚC THỚI

Bãi rác Phước Thới, phường Phước Thới, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ bắt đầu hoạt động từ năm 2015 và hiện tại vẫn chưa có hệ thống xử lý nước rỉ rác Mẫu nước rỉ rác được thu tại hố thu nước rỉ của bãi rác và phân tích để xác định thành phần, tính chất, nồng độ của các chất ô nhiễm nhằm định hướng cho các thí nghiệm trong đề tài, mẫu thường được lấy vào thời điểm từ 7 giờ đến 8 giờ trong ngày Kết quả khảo sát thành phần nước thải của bãi rác Phước Thới, phường Phước Thới, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ được trình bày trong Bảng 4.1

Bảng 4.1 Nồng độ các chất ô nhiễm của nước rỉ rác tại bãi rác Phước Thới

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị trung bình

và không phải điều chỉnh pH trong các thí nghiệm của quá trình keo tụ

Do bãi rác Phước Thới là “bãi rác trẻ” (hoạt động được 2 năm) nên nước rỉ rác có nồng độ COD, BOD5 cao và dao động lớn, trong đó nồng độ COD là 13.663,33±3.127,79 mg/L, BOD5 có nồng độ là 3.900±1.107,75 mg/L, Tỉ số BOD /COD là 0,27< 0,5 không thích hợp cho quá trình xử lý sinh học

Độ màu của nước rỉ rác rất cao khoảng 15.033,11 PCU, hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước rỉ rác cao SS = 506,68 mg/L, nếu chỉ lắng cơ học thì hiệu suất loại bỏ SS khoảng 40 – 70% (Metcalf & Eddy, 1991) nên nước đầu ra vẫn chưa đủ điều kiện

để đưa vào xử lý sinh học (nồng độ SS đầu vào của bể sinh học phải nhỏ hơn 150 mg/L)

Nồng độ Fe trong nước rỉ rác là 15,83 mg/L, Cr6+

là l,74 mg/L, nồng độ Fe và Cr6+trong nước rỉ rác cao sẽ gây ức chế quá trình xử lý sinh học phía sau Ngưỡng nồng

độ Fe và Cr6+

gây ức chế quá trình xử lý sinh học là 35 mg/L và 2 mg/L

(Eckenfelder et al., 2008) Kết quả phân tích cho thấy nước rỉ rác của bãi rác không

chứa kim loại Al Do đó, các thí nghiệm sau này không phân tích chỉ tiêu này Với những đặc tính của nước thải có độ màu, chất rắn lơ lửng và kim loại nặng khá cao, do đó cần quá trình xử lý sơ cấp tốt để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm tạo điều kiện cho xử lý sinh học Quá trình keo tụ có thể áp dụng để xử lý sơ cấp nước

rỉ rác nhằm làm giảm nồng độ COD, BOD, SS, độ màu, độ đục, kim loại nặng (Fe,

Cr, Mn) và khi cho qua xử lý Fenton/ô-zon sẽ tiếp tục làm giảm nồng độ ô nhiễm của các chỉ tiêu này, ngoài ra quá trình Fenton/ô-zon còn cải thiện được tỷ lệ BOD5/COD giúp cho quá trình xử lý sinh học phía sau đạt hiệu quả Do đó các thí nghiệm được tiến hành để đánh giá hiệu quả xử lý sơ cấp nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ và Fenton/ô-zon , xác định các thông số thích hợp để vận hành quy trình này với nước rỉ rác của bãi rác Phước Thới

4.2 THÍ NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỒ THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SƠ CẤP NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ

4.2.1 Thí nghiệm lựa chọn hóa chất keo tụ thích hợp cho quá trình keo tụ

Mục đích của thí nghiệm này nhằm lựa chọn hóa chất keo tụ cho hiệu suất xử lý COD và độ đục tốt nhất giữa 2 loại hóa chất keo tụ: phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O (độ tinh khiết 99%) và PAC (công thức hóa học là Al2(OH)3.Cl3)

Thí nghiệm keo tụ với phèn nhôm

Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O được sử dụng trong thí nghiệm này biến thiên từ 3.000 – 3.500 mg/L với mỗi mức liều lượng cách nhau 100 mg/L

Mẫu nước thải trước và sau keo tụ được đo pH, độ màu, độ đục để đánh giá nhanh kết quả và diễn biến của quá trình keo tụ, chọn mẫu ở liều lượng chất keo tụ cho kết quả độ đục thấp nhất để phân tích COD và so sánh

Kết quả thí nghiệm được trình bày ở Bảng 4.2

Bảng 4.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau keo tụ bằng phèn nhôm

Chỉ tiêu Đơn

vị

Đầu vào

Mẫu sau KT với liều lƣợng phèn nhôm

Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O (mg/L) 3.000 3.100 3.200 3.300 3.400 3.500

Hình 4.1 Nước thải trước và sau keo tụ bằng phèn nhôm

Hình 4.2 Độ đục và độ màu trước và sau KT với các liều lương phèn nhôm

Khi tăng liều lượng chất keo tụ thì độ đục của nước thải giảm nhưng nếu tăng quá mức liều lượng thích hợp thì các hạt keo trong nước tái ổn định trở lại, do đó độ đục

cũng tăng trở lại (Lê Hoàng Việt et al., 2015)

Kết quả thí nghiệm cho thấy độ đục của nước rỉ rác giảm dần khi sử dụng liều lượng phèn nhôm từ 3.000 – 3.300 mg/L và khi tăng liều lượng phèn nhôm lên 3.400 và 3.500 mg/L thì độ đục tăng trở lại Ở mức liều lượng 3.300 mg/L cho kết quả độ đục thấp nhất là 91,8 NTU, hiệu suất xử lý độ đục là 89,8% Độ đục trong nước rỉ rác giảm là do trong quá trình keo tụ bằng chất keo tụ phèn nhôm sẽ tạo nên các ion

Al3+ có khả năng trung hòa điện tích các hạt keo hay tạo thành Al(OH)3 kết tủa, kết tủa này hấp phụ các hạt keo và kéo theo chất rắn lơ lửng trong nước thải lắng xuống

Hiệu suất xử lý COD ở mức liều lượng phèn nhôm là 3.300 mg/L đạt 20,84% Hiệu

suất xử lý độ màu cao nhất ở liều lượng phèn nhôm 3.500 mg/L là 73,9% Nồng độ COD và độ màu giảm là do các chất hữu cơ ở dạng hòa tan và dạng rắn đều bị hấp phụ vào các bông cặn và lắng xuống

Sau quá trình keo tụ, pH của nước thải giảm là do các ion nhôm trong phèn phản ứng với alkalinity trong nước thải tạo thành hydroxide nhôm kết tủa, để lại trong nước gốc a-xít có trong phèn và các ion H+

làm cho pH của nước giảm

Thí nghiệm keo tụ với PAC

Trong thí nghiệm này liều lượng PAC biến thiên từ 1.800 – 2.300 mg/L (Văn Hữu Tập, 2012) với mỗi mức liều lượng cách nhau 100 mg/L

Mẫu nước thải trước và sau keo tụ được đo pH, độ màu, độ đục để đánh giá nhanh kết quả và diễn biến của quá trình keo tụ, chọn mẫu ở liều lượng chất keo tụ cho kết quả độ đục thấp nhất để phân tích COD và so sánh Kết quả được thể hiện ở Bảng 4.3

Bảng 4.3 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau keo tụ bằng phèn PAC Chỉ tiêu Đơn vị Đầu

Hình 4.3 Nước thải trước và sau keo tụ bằng PAC

Hình 4.4 Độ đục và độ màu trước và sau keo tụ với liều lượng PAC khác nhau

Hiệu suất loại bỏ COD ở mức liều lượng PAC=2.100 mg/L là 98% và hiệu suất loại

bỏ độ màu và độ đục cao nhất là 88,15% và 15,66% Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm tương tự như đã giải thích ở thí nghiệm trước

So sánh lựa chọn hóa chất keo tụ thích hợp

Về mặt kỹ thuật: Trong đề tài này vấn đề được quan tâm nhiều đến là hiệu suất xử

lý COD của quá trình keo tụ, do nồng độ COD trong nước rỉ rác khá cao

- Hiệu suất xử lý COD của PAC và phèn nhôm là 15,66% và 20,84%

- Hiệu suất làm giảm độ đục trong nước thải của PAC là 98% và phèn nhôm cho hiệu suất làm giảm độ đục thấp hơn là 89,8%

Về chi phí hóa chất keo tụ:

- Liều lượng hóa chất keo tụ PAC sử dụng là 2.100 mg/L tương đương với 2,1 kg/m3 nước thải, với giá bán phèn PAC trên thị trường là 18.000 VNĐ/1kg (giá đã bao gồm VAT 10%) thì chi phí hóa chất keo tụ PAC cho 1 m3

nước thải là 2,1 × 18.000 = 37.800 (VNĐ)

- Liều lượng phèn nhôm sử dụng là 3.300 mg/L tương đương với 3,3 kg/m3nước thải , với giá bán phèn nhôm trên thị trường là 30.000 VNĐ/1kg (giá đã bao gồm VAT 10%) thì chi phí phèn nhôm cho 1 m3

Do đó, để hiệu quả hơn về mặt kinh tế hóa chất keo tụ PAC sẽ được chọn để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo

4.2.2 Thí nghiệm xác định liều lƣợng chất keo tụ thích hợp

Thí nghiệm này được tiến hành với 3 mức liều lượng PAC biến thiên xung quanh liều lượng cho độ đục thấp nhất ở thí nghiệm trước là 2.100 mg/L, với mỗi khoảng biến thiên 50 mg/L Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 4.4

Bảng 4.4 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau KT với

3 liều lượng PAC khác nhau

Chỉ tiêu Đơn vị Đầu

Hình 4.5 Độ đục và độ màu trước và sau KT với 3 liều lượng PAC khác nhau

Hình 4.6 Nồng độ COD trước và sau KT với 3 liều lượng PAC khác nhau

Hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu và COD ở mức liều lượng PAC 2.050 mg/L lần lượt là 98,1%, 84,2% và 7,68%, liều lượng 2.100 mg/L là 98,2% , 86% và 21,7%, liều lượng 2.150 mg/L là 97,8%, 84% và 16,9% Kết quả cho thấy liều lượng 2.100 mg/L cho hiệu suất loại bỏ độ đục, độ màu và COD cao hơn 2 mức liều lượng còn lại Do đó, ta chọn liều lượng PAC là 2.100 mg/L để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo

4.2.3 Thí nghiệm xác định liều lƣợng polymer thích hợp để hỗ trợ cho quá trình keo tụ

Thí nghiệm được tiến hành với khoảng liều lượng PAC cố định 2.100 mg/L và liều lượng polymer cation (C3H5ON)n biến thiên từ 0 – 5 mg/L, mỗi khoảng biến thiên 1 mg/L Trong đó, có 1 nghiệm thức đối chứng chỉ sử dụng PAC mà không bổ sung polymer cation Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 4.5

Bảng 4.5 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau KT bằng PAC và polymer cation

Hình 4.7 Độ đục và độ màu trước và sau KT bằng PAC kết hợp polymer cation

Hình 4.8 Nồng độ COD trước và sau keo tụ bằng PAC kết hợp polymer cation

Kết quả thí nghiệm cho thấy ở liều lượng PAC + polymer cation là 2.100 + 0 mg/L

suất loại bỏ độ đục cao nhất (đạt 82,7%), hiệu suất xử lý COD là 15,7%; liều lượng

PAC + polymer cation là 2.100 + 3 mg/L cho hiệu suất loại bỏ độ đục là 81,7%;

hiệu suất xử lý COD là 28,1% cao hơn mẫu PAC không bổ sung polymer 12,4%

Kết luận:

Nếu kết hợp PAC với polymer cation để keo tụ thì hiệu suất xử lý COD tăng 12,4%

Liều lượng polymer cation kết hợp với PAC cho hiệu suất xử lý COD tốt nhất là 3

mg/L tương đương với 3 g/m3 nước thải, với giá bán polymer cation là 3.000

VNĐ/kg thì chi phí hóa chất polymer cation bổ sung để xử lý 1 m3 nước thải là 9

VNĐ Vậy, nếu kết hợp PAC + polymer cation để xử lý thì chi phí hóa chất là

37.809 VNĐ/m3 so với chi phí khi xử lý bằng PAC là 37.800 VNĐ/m3 thì chỉ tốn thêm 9 VNĐ Do đó, quá trình keo tụ sẽ bổ sung thêm polymer cation nhằm làm tăng hiệu suất xử lý chất ô nhiễm

Nhận xét chung:

Theo kết quả của các thí nghiệm định hướng keo tụ, quá trình keo tụ bằng hóa chất cho hiệu suất loại bỏ COD không cao (hiệu suất xử lý COD là 28,1%), với nồng độ COD đầu ra còn rất lớn (khoảng 18.904 mg/L) gây tốn kém chi phí cho các công đoạn xử lý bằng Fenton/ô-zon phía sau

Phương pháp keo tụ trong xử lý nước thải gồm có 2 phương pháp: phương pháp keo

tụ bằng hóa chất (keo tụ hóa học) và phương pháp keo tụ điện hóa (KTĐH) Ưu điểm của phương pháp KTĐH là có thể cải thiện được tỷ lệ BOD5/COD và là phương pháp giao thoa của 3 quá trình: điện hóa học, tuyển nổi điện phân và keo tụ nên phương pháp này có thể áp dụng để xử lý sơ cấp nước rỉ rác nhằm làm giảm nồng độ COD, BOD, SS, độ màu, độ đục, kim loại nặng (Fe, Cr)

Do đó, trong đề tài này sẽ tiến hành nghiên cứu thêm phương pháp KTĐH để so sánh với phương pháp keo tụ bằng hóa chất nhằm lựa chọn ra phương pháp cho hiệu quả xử lý chất ô nhiễm tốt hơn và áp dụng cho quy trình xử lý sơ cấp nước rỉ rác của bãi rác Phước Thới

4.3 THÍ NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SƠ CẤP NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

Do có sự thay đổi vị trí lấy mẫu tại bãi rác Phước Thới, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ, mẫu nước rỉ rác được lấy tại hố mới (cách hố cũ khoảng 30 mét) do đó, có sự thay đổi về thành phần, tính chất và nồng độ chất nhiễm Vì thế, mẫu nước ri rác sẽ được tiến hành phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm nhằm định hướng cho các thí nghiệm

kế tiếp trong đề tài Thời gian lấy mẫu từ 8 giờ đến 9 giờ trong ngày

Kết quả khảo sát thành phần và nồng độ ô nhiễm của nước rỉ rác tại bãi rác Phước Thới được trình bày trong Bảng 4.6

Bảng 4.6 Nồng độ các chất ô nhiễm của nước rỉ rác tại bãi rác Phước Thới

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị trung bình

Giá trị pH của nước rỉ rác là 7,30±0,06 nằm trong khoảng 5,5 – 7,5 vì thế nhôm sẽ được chọn làm điện cực để tiến hành các thí nghiệm (Nguyễn Ngọc Dung, 1999) Nồng độ COD là 5.315,26±574 mg/L, BOD5 có nồng độ là 1.008,33±200,17 mg/L

Tỉ số BOD5/COD là 0,18±0,02 (<0.5) không thích hợp cho quá trình xử lý sinh học Nồng độ chất rắn lơ lửng khá cao khoảng 415,55±123,35 mg/L nên phải xử lý sơ

bộ để làm giảm nồng độ SS nhỏ hơn 150 mg/L (thích hợp xử lý sinh học), độ màu tương đối cao 6.922,22±271,49 PCU thêm vào đó nước thải còn chứa các kim loại nặng như Cr, Fe với nồng độ khá cao, trong đó nồng độ Fe là 10,75±0,87 mg/L, nồng độ Cr6+ là 512,78±79,86 mg/L Kết quả phân tích không phát hiện nồng độ Al nên các thí nghiệm sau sẽ không phân tích chỉ tiêu này

Với những đặc tính của nước thải như trên, so với các ưu điểm của phương pháp KTĐH và Fenton/ô-zon đã trình bày trong chương 2 cho thấy phương pháp KTĐH

có thể áp dụng để xử lý sơ cấp nước rỉ rác nhằm làm giảm nồng độ COD, BOD, SS,

độ màu, độ đục, kim loại nặng (Fe, Cr) và khi cho qua xử lý Fenton/ô-zon sẽ tiếp tục làm giảm nồng độ ô nhiễm của các chỉ tiêu này, ngoài ra quá trình Fenton/ô-zon còn cải thiện được tỷ lệ BOD5/COD giúp cho quá trình xử lý sinh học phía sau đạt hiệu quả Do đó các thí nghiệm được tiến hành để đánh giá hiệu quả xử lý sơ cấp nước rỉ rác bằng phương pháp KTĐH và Fenton/ô-zon , xác định các thông số thích hợp để vận hành quy trình này với nước rỉ rác của bãi rác Phước Thới

4.3.1 Thí nghiệm 1: xác định góc nghiêng điện cực thích hợp cho bể keo tụ điện hóa

Kết quả phân tích mẫu nước rỉ rác đầu vào cho thấy hàm lượng EC và TDS trong nước rỉ rác khá cao có thể gây ra hiện tượng phóng điện mạnh và làm nhiệt độ nước trong lúc vận hành tăng cao Do đó, việc tiến hành thử nghiệm vận hành bể KTĐH

ở 3 khoảng cách điện cực khác nhau nhằm quan sát các hiện tượng này

Lê Hoàng Việt et al (2015) đã nghiên cứu xử lý nước thải chế biến cá da trơn bằng

phương pháp tuyển nổi điện hóa với khoảng cách điện cực là 1 cm Do đó, thí