Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BCL Bãi chôn lấp BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh Biochemical Oxygen Demand BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường BL: Bãi lọc DO: Oxy hòa tan trong nước Dissolved Oxygen Dec

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HƯƠNG QUỲNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM

NĂNG LƯỢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

MS: 62520320

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Thị Sơn

2 PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu

về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công

bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án

Tác giả

Phạm Hương Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Sơn, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập

Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Trong thời gian qua tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần vật chất của gia đình và người thân

Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó

Tác giả

Phạm Hương Quỳnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rỉ rác 4

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác 4

1.1.1.1 Lượng nước rỉ rác phát sinh 4

1.1.1.2 Qu tr nh sinh h xảy r trong h n ấp 5

1.1.1.3 C yếu tố ảnh hư ng ến ượng v ặ trưng nướ r 6

1.1.2 Đặc trưng nước rỉ rác 7

1.1.2.1 Đặ trưng nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới 7

1.1.2.2 Đặ trưng nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp Việt Nam 10

1.2 Phương pháp xử lý nước rỉ rác 11

1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ 11

1.2.1.1 Phương ph p ng keo tụ 11

1.2.1.2 Phương ph p oxi hó 12

1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử nitơ 15

1.2.1.4 Phương ph p kết tinh Magnesium Ammonium Phosphate (MAP) 15

1.2.2 Xử lý sinh học 19

1.2.2.1 Xử lý yếm khí 19

1.2.2.2 Xử lý bằng l c sinh h c thiếu khí 21

1.2.2.3 Xử lý bằng bãi l c trồng cây 22

1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác 27

1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác trên thế giới 27

1.3.2 Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam 31

1.3.2.1 Một số công nghệ xử ý nước rỉ r ã ược nghiên cứu 31

1.3.2.2 Một số công nghệ xử ý nước rỉ r ã ược áp dụng 32

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 40

2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rỉ rác 41

2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu 42

2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP 42

2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí 45

2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt ộng của thiết bị 45

2.3.2.2 Phương ph p và vật liệu nghiên cứu 46

2.3.2.3 Kh i ộng thiết bị yếm - thiếu khí 48

2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây 50

2.3.3.1 Kết cấu thiết bị 50

2.3.3.2 Lựa ch n thực vật cho bãi l c trồng cây 51

2.3.3.3 Hoạt hóa bãi l c trồng cây 52

2.3.4 Thiết kế thí nghiệm 54

2.3.5 Một số thông số quan trọng trong vận hành hệ thống xử lý 54

2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm 55

2.4.1 Phương pháp thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm 55

2.4.2 Xác định hệ số hồi quy 55

2.4.3 Kiểm tra độ phù hợp 57

2.4.4 Ngôn ngữ lập trình R 57

2.5 Phương pháp phân tích 58

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59

3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1) 59

3.1.1 Quá trình tạo MAP trong môi trường giả định 60

3.1.1.1 Ảnh hư ng của nồng ộ Amoni b n ầu 60

3.1.1.2 Ảnh hư ng củ ộ pH tới quá trình tạo MAP 61

3.1.1.3 Ảnh hư ng của thời gian phản ứng tới quá trình tạo MAP 63

3.1.1.4 Ảnh hư ng của tố ộ khuấy trộn tới hiệu quả tạo MAP 64

3.1.1.5 Thiết lập phương tr nh hồi quy 66

3.1.1.6 Ảnh hư ng của pH, thời gian phản ứng và tố ộ khuấy ến kí h thước tinh thể MAP trong m i trường giả ịnh 67

3.1.1.7 Kết quả phân tí h MAP trong m i trường giả ịnh 70

3.1.2 Tách nitơ trong nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài 71

3.1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 72

3.1.2.2 Ảnh hư ng củ h m ượng NH 4 + b n ầu 72

3.1.2.3 Ảnh hư ng của việc bổ xung mầm tinh thể 73

3.1.2.4 T h nitơ trong nước rỉ rác bằng kết tinh MAP 74

3.1.2.5 Kết quả phân tí h MAP thu ược từ nước rỉ rác 74

3.2 Xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học (bước 2) 77

3.2.1 Xử lý yếm khí nước rỉ rác 77

3.2.1.1 Ảnh hư ng của COD dòng vào 77

3.2.1.2 Ảnh hư ng của thời gi n ưu 79

3.2.1.3 Ảnh hư ng của các nguyên tố vi ượng 80

3.2.2 Xử lý nước rỉ rác bằng lọc sinh học thiếu khí 82

3.2.2.1 Ảnh hư ng của COD dòng vào 82

3.2.2.2 Ảnh hư ng của thời gi n ưu 85

3.2.2.3 Ảnh hư ng của thể tí h ệm 85

3.2.3 Xử lý bằng bãi lọc trồng cây 86

3.2.3.1 Ảnh hư ng của thời gi n ưu 87

3.2.3.2 Ảnh hư ng của COD dòng vào 88

3.2.3.3 Ảnh hư ng của tổng nitơ dòng v o 89

3.3 Xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách MAP- Sinh học 92

3.3.1 Đặc trưng nước rỉ rác dòng vào 92

3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp 92

3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rỉ rác 93

3.4.1 Công nghệ xử lý nước rỉ rác được đề xuất 93

3.4.1.1 Sơ ồ quy trình công nghệ 93

3.4.1.2 Thuyết minh công nghệ 94

3.4.2 Tính toán sơ bộ các hạng mục chính trong hệ thống xử lý nước rỉ rác 95 3.4.2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng v ơ s tính toán trong thiết kế 95

3.4.2.2 Tính toán các hạng mục chính 96

3.4.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế 98

3.4.3.1 Hiệu quả kinh tế v m i trường của công nghệ 98

3.4.3.2 So sánh với một số công nghệ hiện hành 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC 116

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ về sự hình thành nước rỉ rác 4

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite 16

Hình 1.3 Cơ chế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan 20

Hình 1.4 Mô hình khuếch tán của lọc sinh học 22

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống bãi lọc trồng cây ngập nước 25

Hình 1.6 Sơ đồ hệ lọc ngang (lọc ngầm) với thảm lau sậy 25

Hình 1.7 Sơ đồ hệ lọc đứng (lọc ngầm) với thảm lau sậy 26

Hình 1.8 Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại bãi Ammasuo (Phần Lan) 27

Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh 28

Hình 1.10 Công nghệ xử lý sinh học kết hợp oxy hóa bằng Ozon 29

Hình 1.11 Công nghệ xử lý nước ríc rác bãi chốn lấp Sudokwon 30

Hình 1.12 Công nghệ xử lý nước rỉ rác của Viện Cơ học tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 33

Hình 1.13 Công nghệ xử lý nước rỉ rác của công ty SEEN tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 33

Hình 1.14 Công nghệ của trạm xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Gò Cát 34

Hình 1.15 Công nghệ xử lý nước rỉ rác sau hoàn thiện tại bãi chôn lấp Gò Cát 35

Hình 1.16 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác bãi chốn lấp Phước Hiệp 37

Hình 1.17 Hệ thống hồ xử lý nước rỉ rác của công ty Quốc Việt tại bãi chốn lấp Phước Hiệp 37

Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP 43

Hình 2.1 (b) Mô hình thiết bị tách MAP 43

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí 45

Hình 2.3 Giá thể sinh học trong bể thiếu khí 47

Hình 2.4 Vi sinh vật trong thiết bị phản ứng 48

Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây 50

Hình 2.6 Thiết bị mô phỏng bãi lọc khi chưa trồng cây 51

Hình 2.7 Cây riềng hoa (Canna lily) 52

Hình 2.8 (a) Thiết bị mô phỏng giai đoạn hoạt hóa 53

Hình 2.8 (b) Thiết bị mô phỏng giai đoạn vận hành 53

Hình 2.9 Sơ đồ mô hình thuật toán 55

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni 61

Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại NH4+, PO43- và Mg2+ 62

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả loại bỏ amoni 64

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh MAP 66

Hình 3.5 Sơ đồ nghiên cứu tách nitơ tạo MAP 66

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến kích thước tinh thể MAP 67

Hình 3.7 Tinh thể MAP 68

Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở các vận tốc khuấy 69

Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn 70

Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn 71

Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rỉ rác 75

Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rỉ rác 75

Hình 3.13 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 78

Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 84

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 88 Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 89

Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài 94

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng của nước rỉ rác ở một số quốc gia trên thế giới 9

Bảng 1.2 Đặc trưng của nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp khác nhau ở Việt Nam 10

Bảng 1.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hệ thực vật 24

Bảng 1.4 So sánh ưu, nhược điểm bãi lọc trồng cây 26

Bảng 1.5 Hiệu quả xử lý N- NH4+ và COD bằng quá trình yếm khí – hiếu khí 28

Bảng 1.6 Kết quả vận hành hệ thống xử lý bằng công nghệ SBR 28

Bảng 1.7 Hiệu quả xử lý qua các công đoạn 29

Bảng 1.8 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý 30

Bảng 1.9 Đặc trưng nước rỉ rác bãi chốn lấp Gò Cát trước và sau xử lý 36

Bảng 1.10 Đặc trưng nước rỉ rác trước và sau hệ thống xử lý của bãi chốn lấp Phước Hiệp 38

Bảng 2.1 Đặc trưng nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài 40

Bảng 2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọc trồng cây 50

Bảng 2.3 Hiệu quả xử lý trong giai đoạn hoạt hoá của bãi lọc trồng cây 52

Bảng 3.1 Kết quả thăm dò khả năng kết tinh của MAP 59

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách MAP

ở các tỷ lệ khác nhau 62

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP 68

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến quá trình kết tinh MAP 69

Bảng 3.5 Đặc trưng nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài 72

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ đến hiệu quả tách nitơ, phốt pho 73

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể 73

Bảng 3.8 Hiệu quả tách nitơ tạo MAP trong nước rỉ rác 74

Bảng 3.9 Kết quả phân tích thành phần MAP thu được từ nước rỉ rác 76

Bảng 3.10 Đặc trưng nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP 77

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý 78

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý 80

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý 81

Bảng 3.14 Đặc trưng dòng vào lọc thiếu khí 82

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của COD dòng vào tới quá trình lọc thiếu khí 83

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới quá trình lọc thiếu khí 85

Bảng 3.17 Ảnh hưởng của thể tích đệm đến hiệu quả xử lý trong lọc thiếu khí 86

Bảng 3.18 Đặc trưng dòng vào bãi lọc trồng cây 86

Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 87

Bảng 3.20 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 88

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của tổng nitơ dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 89

Bảng 3.22 Hiệu quả xử lý nitơ của bãi lọc trồng cây 90

Bảng 3.23 Khả năng tải của bãi lọc trồng cây 91

Bảng 3.24 Hiệu quả xử lý liên tục của hệ thống 93

Bảng 3.25 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Đá Mài 96

Bảng 3.26 Điện năng tiêu thụ cho hệ thống xử lý đề xuất 99

Bảng 3.27 Chi phí hóa chất cho các công nghệ 101

Bảng 3.28 So sánh chi phí nhân công cho các công nghệ 102

Bảng 3.29 So sánh chi phí năng lượng cho các công nghệ (VNĐ/m3) 102

Bảng 3.30 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3) 102

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BCL Bãi chôn lấp

BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand)

BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường

BL: Bãi lọc

DO: Oxy hòa tan trong nước (Dissolved Oxygen)

Dec Enzim Decacboxylaza

EM: Chế phẩm sinh học chứa các vi sinh vật hữu hiệu (Effective

Microorganism)

HQXL: Hiệu quả xử lý

HK: Hiếu khí

HDPE Hight Density Poli Etylen

MAP: Magnesium Ammonium Phosphate

PAC: Hóa chất keo tụ PAC (Polyaluminium Chlorite)

QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Việt Nam

SCR: Song chắn rác

SBR: Thiết bị xử lý theo mẻ luân phiên (Sequencing Batch Reactor )

ERD: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffaction)

SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

SK: Sinh khối

SS : Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid)

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS: Tổng các chất rắn hoà tan

TOC: Tổng các bon hữu cơ (Total Organic Carbon)

TS: Tổng chất rắn (Total Solid)

TN: Tổng nitơ (Total Nitrogen)

TP: Tổng phốt pho (Total Phosphorus)

TK: Thiếu khí

TkCOD: Tải trọng COD

TF: Năng lực tải của bãi lọc

UASB: Xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow

Anearobic Sluge Blanket) UF: Thiết bị siêu lọc (Ultrafitration)

UV: Tia cực tím (Ultraviolet)

VFA: Axít béo bay hơi (Volatile fatty acids)

VSV: Vi sinh vật

X: Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển mạnh

mẽ Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân cũng được nâng cao, nhu cầu tiêu dùng tăng nhanh là sự thách thức mới về ô nhiễm môi trường đặc biệt là sự gia tăng đột biến chất thải ở các đô thị

Chôn lấp rác thải là phương pháp phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Ở nước ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và đô thị đã, đang và sẽ còn được áp dụng ở hầu hết các địa phương trong cả nước

Thực tế cho thấy, nhiều bãi chôn lấp ở nước ta đã gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm và cả môi trường không khí do nước rỉ rác phát sinh trong quá trình chôn lấp Nước rỉ rác hình thành từ độ ẩm của rác, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ có trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Do rác đem chôn lấp không được phân loại tại nguồn nên nước rỉ rác phát sinh có thành phần ô nhiễm khá phức tạp Đặc biệt nước rỉ rác tươi có COD, BOD5, TN, TP cao đến rất cao, độ màu cao và các thành phần vô cơ khác Nước rỉ rác nếu không được kiểm soát và xử lý sẽ để lại những hậu quả môi trường rất nghiêm trọng

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm do nước rỉ rác, nhiều loại công nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng như: công nghệ sinh học (xử lý yếm khí, hiếu khí); xử lý hóa học-sinh học (fenton - yếm khí - hiếu khí, stripping - yếm khí - hiếu khí); xử lý hóa học, sinh học, vật lý (oxy hóa hóa học - sinh học - công nghệ màng)… Theo công nghệ truyền thống để tách nitơ và xử lý BOD5, COD trong nước rỉ rác nhu cầu năng lượng cho quá trình oxy hóa hiếu khí rất cao Mặt khác công nghệ hiện hành chỉ phần nào giải quyết được ô nhiễm do BOD5 và COD Để xử lý thành công nước rỉ rác cần thực hiện 2 giải pháp cơ bản là xử lý được các hợp chất hữu cơ (BOD5) và các thành phần khác: COD, hợp chất nitơ, phốt pho…

Ở Việt Nam, các chương trình quốc gia về xây dựng bãi chôn lấp rác quy mô nhỏ cho các địa phương kinh phí còn rất hạn hẹp, vì vậy việc tìm kiếm công nghệ

xử lý đơn giản và chi phí xử lý thấp là rất cần thiết

Nitơ và phốt pho là những thành phần ô nhiễm đáng quan tâm trong nước rỉ rác, nhất là nước rỉ rác tươi Hàm lượng nitơ cao, nhất là amoni đã hạn chế quá trình

xử lý sinh học đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí Trong thực tế một số phương

pháp đã được áp dụng trước quá trình xử lý sinh học như: Stripping - loại nitơ bằng đuổi khí NH3 do thổi khí trong môi trường kiềm mạnh (pH>10) hoặc khuấy trộn ở

tốc độ cao

Nhìn chung các phương pháp trên đều có giá thành xử lý cao, vận hành phức tạp và đặc biệt là không thu hồi được nguồn tài nguyên có trong nước rỉ rác Hơn thế nữa các phương pháp này còn gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường không khí, môi trường nước

Struvite, một dạng kết tinh được phát hiện do lắng đọng trong đường ống của

hệ thống xử lý nước thải có chứa nitơ và phốt pho đã gây khó khăn không nhỏ trong trong vận hành Struvite (MgNH4PO4.6H2O) được hình thành từ magie, amoni và phốt pho nên được viết tắt là MAP Struvite có tích số tan 7,8.10-15 ở nhiệt độ 250C nên được sử dụng dưới dạng phân bón nhả chậm rất hiệu quả cho cây trồng

Vì vậy việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rỉ rác không chỉ tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho cây trồng mà còn góp phần loại được yếu tố ức chế quá trình xử lý sinh học và đơn giản hoá, nâng cao hiệu quả của công nghệ xử

lý

Ở nước ta việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt pho trong môi trường nước cũng được một vài tác giả quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên cho đến nay chưa có

đơn vị, cá nhân nào công bố kết quả đầy đủ về MAP Vì vậy đề tài “Nghiên cứu xử

lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng” được thực hiện

nhằm thu hồi nitơ, phốt pho và xử lý nước rỉ rác đến đạt tiêu chuẩn thải

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rỉ rác bằng phương pháp hóa học tạo tinh thể MAP

- Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác đạt QCVN 25 - 2009/BTNMT (cột B2) bằng công nghệ hỗn hợp theo hướng tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tách nitơ, phốt pho trong nước rỉ rác bằng kết tinh MAP

- Nghiên cứu xử lý sinh học nước rỉ rác sau tách MAP bằng công nghệ sinh học đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng theo 2 bước:

+ Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn ít năng lượng

+ Xử lý nước rỉ rác đến đạt tiêu chuẩn thải bằng bãi lọc trồng cây

- Đề xuất công nghệ xử lý nước rỉ rác tiêu tốn ít năng lượng, chi phí thấp cho bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ (bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên)

4 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nước rỉ rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về kết tinh MAP, xử lý sinh học nước rỉ rác

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm theo các công nghệ xử lý nước rỉ rác khác nhau:

+ Bước 1: Thu hồi nitơ trong nước rỉ rác bằng tạo tinh thể MAP

+ Bước 2: Xử lý sinh học nước rỉ rác bằng công nghệ liên hợp yếm - thiếu khí và bãi lọc trồng cây

- Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương pháp phân tích mẫu theo TCVN

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đưa ra một công nghệ xử lý nước rỉ rác với nhu cầu năng lượng thấp Năng lượng tiêu tốn để xử lý 1m3 nước rỉ rác là 1,87 kWh (năng lượng này chỉ bằng 7,84% năng lượng so với công nghệ oxi hóa nâng cao và 8,7% năng lượng so với phương pháp đuổi khí NH3 bằng công nghệ stripping)

- Tách nitơ phốt pho trong nước rỉ rác tươi bằng kết tinh MAP (có thể thu được 1,43-2,34gam MAP/lít nước rỉ rác)

- Áp dụng công nghệ xử lý đã nghiên cứu cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên và các bãi chôn lấp quy mô vừa và nhỏ

7 Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án

- Hoàn thiện công nghệ xử lý nước rỉ rác với chi phí năng lượng thấp, vận hành đơn giản

- Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt pho trong nước rỉ rác, giúp giảm tác nhân ức chế quá trình xử lý sinh học tiếp theo, đặc biệt là quá trình xử lý yếm khí

Chương 1 TỔNG QUAN

Nước rỉ rác là một trong những đối tượng nước thải khó xử lý bởi thành phần phức tạp Nước rỉ rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác Thành phần hóa học của nước rỉ rác rất khác nhau tùy thuộc vào rác đem chôn và công nghệ chôn lấp

1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rỉ rác

Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp rác có thể định nghĩa là chất lỏng phát sinh từ quá trình chôn lấp thấm qua các lớp chất thải rắn và mang theo các chất hòa tan, các cặn lơ lửng Nước rỉ rác được hình thành từ độ ẩm trong rác đem chôn, từ quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Nước rỉ rác chứa các chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, cặn lơ lửng và nhiều chủng loại vi sinh vật khác nhau Dựa vào tuổi của bãi rác, nước rỉ rác được chia làm 3 loại: nước rỉ

rác tươi, trung bình và nước rỉ rác ổn định [27]

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác

1.1.1.1 Lượng nước rỉ rác phát sinh

Nước rỉ rác được hình thành từ nhiều nguồn khác nhau như: từ độ ẩm của rác,

từ quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong rác, nước mưa, nước ngầm thấm ngấm và nước từ các vật liệu bổ sung (chế phẩm EM, phun tưới tạo ẩm) [11]

Nguyên lý hình thành nước rác được thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ ồ về sự hình thành nước rỉ rác

Nước rỉ rác G7

Nước thấm qua lớp phủ G1

Nước bay hơi G5

Nước thoát theo khí bãi rác G6

Trong đó:

Dòng vào: G1: Nước mưa thấm ngấm

G2: Nước từ độ ẩm của vật liệu phủ

- Oxy hóa không hoàn toàn:

CaHbOcNd + mO2 + dinh dưỡng  nCwHxOyNz + sCO2+ rH2O+ (d-nz) SK +E

- Oxy hóa hoàn toàn:

O d c b

Quá trình vô cơ hóa có thể xảy ra theo các dạng sau:

- Vô cơ hóa không hoàn toàn

d

c

b

a H O N

C + rH2O+ dinh dưỡng  n CwHxOyNz + mCH4+ sCO2+ (d-nx)NH3+ E

- Vô cơ hóa hoàn toàn:

CH d c b

8

324

CO d c b

+dNH3+E

Ở nước ta, rác thu gom hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên lượng chất hữu cơ thường chiếm 45-60% gồm gluxit, protein, lipit có nguồn gốc động, thực vật và vi sinh vật

Về cơ bản quá trình sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp chịu tác động rất lớn của điều kiện tự nhiên như: thời tiết, khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ, chế độ mưa…), các yếu tố chủ quan: thành phần hóa học, hàm ẩm và khu hệ vi sinh vật trong rác thải hoặc được bổ sung trong quá trình vận hành…

Trong quá trình phân hủy, các chất hữu cơ (gluxit, lipit, protein…) cũng như các chất vô cơ (SO42-, Ca, Fe, Mn, Zn)… được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể được chia thành 5 giai đoạn chính: phân hủy sinh học hiếu khí; phân hủy sinh học yếm khí tạo axit; phân hủy sinh học yếm khí tạo mê tan; giai đoạn tạo humus và giai đoạn ổn định

ác ếu t ản ư ng ến ượng v c trưng nước rác

Ảnh hư ng ủ th nh phần r h n ấp

Quá trình phân hủy sinh học được quyết định bởi hàm lượng chất hữu cơ có trong rác Đặc trưng nước rác phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và lượng chất hữu cơ được phân hủy Sự hiện diện của các chất tẩy rửa, hóa chất khử trùng… sẽ kìm hãm

sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật, tác động xấu tới quá trình phân hủy rác làm ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rỉ rác sinh ra

b Ảnh hư ng ủ thời tiết

Thời tiết, khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm không khí…) ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có trong rác do đó gián tiếp ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rỉ rác

Nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến thành phần và lượng nước rỉ rác Vào mùa hạ, khi nhiệt độ không khí cao, quá trình phân hủy diễn ra mạnh, nhiệt độ cao k m theo

độ ẩm cao là điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy rác

Lượng mư : nước mưa làm tăng độ ẩm trong rác, thúc đẩy quá trình phân hủy

sinh học đồng thời hòa tan các chất vô cơ, hữu cơ, sản phẩm phân hủy có trong rác

Tuy nhiên nếu lượng mưa lớn sẽ dẫn đến lượng nước rác tăng, hàm lượng chất ô nhiễm giảm do được pha loãng

Ảnh hư ng ủ ộ ẩm nơi h n ấp: khi độ ẩm không khí cao góp phần làm

cho các vi sinh vật phát triển mạnh trong khối rác thu gom, vận chuyển Độ ẩm cao, hàm lượng oxy trong khối rác cao, thúc đẩy quá trình trình phân hủy của rác Tại bãi chôn lấp đã đóng bãi, quá trình phân hủy hầu như không chịu ảnh hưởng của độ

ẩm nơi chôn lấp

Ảnh hư ng ủa quy tr nh vận h nh v ng nghệ h n ấp

Trong quá trình thu gom, vận chuyển một phần chất hữu cơ trong rác bị phân hủy làm độ ẩm của khối rác tăng Các quá trình tiền xử lý như: cắt chặt, phân loại rác cũng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong rác, từ đó tác động đến thành phần và lượng nước rỉ rác sinh ra Các hoạt động trong quá trình vận hành chôn lấp thông thường và chôn lấp bán hiếu khí: đầm, nén tác động đến quá trình phân hủy sinh học của rác Công nghệ vận hành bãi chôn lấp cũng ảnh hưởng không nhỏ đến lượng và thành phần nước rỉ rác tạo thành

Thu gom và phân loại rác có ảnh hưởng không nhỏ tới nồng độ nước rỉ rác Rác ở Việt Nam hầu hết đều không được phân loại tại nguồn (nhất là rác sinh hoạt

và rác đô thị), vì vậy thành phần nước rỉ rác rất phức tạp (ngoài chất hữu cơ còn có một số chất vô cơ và kim loại nặng) Mặt khác, rác được thu gom sau hơn một ngày mới có thể đến được bãi chôn lấp Với khí hậu nhiệt đới (nóng, ẩm) một phần chất hữu cơ đã bị phân hủy và đi vào nước rỉ rác nên thành phần hữu cơ trong nước rỉ rác thường khá cao

d Ảnh hư ng ủ thời gi n h n ấp tuổi ủ bãi

Theo thời gian quá trình phân hủy sinh hóa trong ô chôn lấp thay đổi dẫn đến thành phần và khối lượng nước rác phát sinh biến đổi theo Thời gian chôn lấp càng dài, lượng nước rác và hàm lượng các chất ô nhiễm cũng giảm theo Đặc biệt là tỷ

lệ giữa BOD5, COD và các ion kim loại

1.1.2 Đặc trưng nước rỉ rác

Đ c trưng nước rỉ rác củ một s bã c n p trên t ế g ớ

Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác mới (tươi) cao hơn rất nhiều so với nước rỉ rác đã chôn lấp lâu năm Tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4-0,6 đối với nước rỉ rác tươi; 0,005-0,2 đối với nước rỉ rác cũ, ở thời điểm này thành phần hữu

cơ trong nước rỉ rác chủ yếu là axit humic và axit fulvic, đây là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học [11, 30]

Ở phần lớn các nước phát triển, rác được phân loại tại nguồn Theo thành phần hóa học, mỗi loại rác được xử lý bằng phương pháp khác nhau Các loại rác có thể tái chế như kim loại, giấy, nhựa, thủy tinh… được thu hồi Rác thải giàu hữu cơ được sử dụng làm phân compost, sản xuất khí sinh học Các loại rác thải có nhiệt trị cao được đốt Các chất thải rắn khác thường được chôn lấp Đối với các nước đang phát triển, rác thải chưa được phân loại tại nguồn và phương pháp xử lý rác thải chủ yếu là chôn lấp hợp vệ sinh Thành phần nước rỉ rác được thể hiện trong Bảng 1.1 Bảng 1.1 cho thấy nước rỉ rác ở một số quốc gia trên thế giới cũng bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ cao: dao động từ hàng nghìn đến chục nghìn mg/l Đặc biệt là nồng độ amoni đều rất cao

Bảng 1.1 Đặ trưng ủ nước rỉ rác một số quốc gia trên thế giới [26, 29, 51, 52, 76, 79, 81, 91, 102]

Piedmont (Italia)

Aigeira (Hy Lạp)

Pereira Columbia -

Clover Bar Canada

Matuail (Bangladesh)

Ibb (Yemen)

Kuala Sepetang (Malaysia)

Khon- Kaen (Thái lan)

Nyanza (Rwanda)

Ouled Fayet (Algeria)

Đ c trưng nước rỉ rác củ một s bã c n p V ệt N m

Nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa (nóng ẩm mưa nhiều) khí hậu Việt Nam chia hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Vì vậy nước rỉ rác ở các bãi chôn lấp biến động lớn về thành phần và khối lượng theo các thời điểm trong năm Thêm vào đó, do rác chôn lấp hầu như chưa được phân loại tại nguồn nên thành phần khá phức tạp, hàm lượng ô nhiễm hữu cơ cao đến rất cao, đặc biệt đối với nước rỉ rác tươi Thành phần nước rỉ rác còn chịu tác động bởi địa điểm chôn lấp, kĩ thuật vận hành bãi chôn lấp cũng như thời gian chôn lấp…

Cho đến nay việc phân loại rác tại nguồn vẫn chưa được áp dụng triệt để nên thành phần nước của nước rỉ rác rất phức tạp (Bảng 1.2) Nước rỉ rác không chỉ chứa các chất hữu cơ mà còn chứa các chất vô cơ hòa tan, kim loại nặng, một số chất hữu cơ độc hại Vì vậy các công nghệ hiện đang được áp dụng ở hầu hết các bãi chôn lấp chưa hoàn toàn giải quyết được

Bảng 1.2 Đặ trưng ủa nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp khác nhau Việt Nam [11, 18, 19]

Chỉ tiêu Đơn

vị

Bãi Gò Cát (Hồ Chí Minh)

Bãi Nam Sơn (Hà Nội)

Bãi Tràng Cát (Hải Phòng)

Bãi Thủy Phương (Huế)

COD mg/l 13.655-16.814 1.020-22.783 327-1.001 623-2.442 BOD5 mg/l 6.272-9.200 495-12.302 120-465 148-398

Các số liệu trong Bảng 1.2 cho thấy nước rỉ rác có giá trị pH từ 6,5 đến 8,5; COD

từ 327 - 22.783 mg/l Đặc biệt tổng nitơ cao và dao động lớn từ 179- 2.427mg/l

Từ Bảng 1.2 nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác ở các bãi chôn lấp có sự khác biệt, thậm chí ngay cả trong một bãi khá lớn Sở dĩ có hiện tượng này chủ yếu là

do sự khác nhau về nguồn gốc, quá trình thu gom, công nghệ chôn lấp và khí hậu ở các thời điểm khác nhau của các bài chôn lấp rác Ở một số bãi chôn lấp rác hữu cơ được phân loại tại chỗ để làm phân hữu cơ hoặc làm nguyên liệu sản xuất năng lượng, vì vậy nồng độ các chất ô nhiễm giảm và khác nhau đáng kể Bên cạnh đó thành phần rác ở mỗi nơi một khác, thời điểm lấy mẫu khác nhau (theo mùa) cũng dẫn đến nồng độ các chất ô nhiễm có sự khác biệt

Ở các nước phát triển, phần lớn rác sinh hoạt được phân loại ngay từ hộ gia đình thành rác hữu cơ, rác kim loại, đồ vật vô cơ không có khả năng tái sử dụng (sành, sứ,

đồ gốm… ), việc này giúp cho quá trình tái sử dụng được thuận tiện và có hiệu quả, đồng thời giúp giảm nồng độ và thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác

Nhìn chung, nước rỉ rác ở nước ta có nồng độ ô nhiễm cao và thành phần phức tạp Hàm lượng các chất ô nhiễm cao và dao động lớn ở các bãi chôn lấp, các mùa khác nhau Vì vậy, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp cho mỗi bãi chôn lấp gặp rất

nhiều khó khăn

1.2 Phương pháp xử lý nước rỉ rác

Nước rỉ rác có thành phần ô nhiễm rất đa dạng, nồng độ các chất ô nhiễm biến động lớn Ngoài các hợp chất hữu cơ, vô cơ, kim loại nặng nước rỉ rác còn có nồng độ nitơ, phốt pho cao Vì vậy, nước rỉ rác được liệt kê vào nhóm nước thải giàu nitơ, phốt pho

Hai bước cơ bản trong xử lý nước rỉ rác ở nước ta hiện nay là xử lý sơ bộ (kết hợp hóa học- hóa lý) và xử lý sinh học [5, 11]

1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ

Xử lý thành công nước rỉ rác cần giải quyết được 2 vấn đề cơ bản là xử lý COD

và nitơ Xử lý sơ bộ có vai trò quan trọng để loại bỏ các yếu tố gây cản trở quá trình sinh học Phương pháp đông keo tụ giúp loại bỏ SS và một phần COD; cùng với đông keo tụ có thể kết hợp một số phương pháp hóa học như: Oxi hóa hoá học, loại amoni và

NH3 bằng tháp Stripping hoặc kết tinh MAP

P ương p áp keo tụ - tạo b ng

Trong nước thải hay nước rỉ rác có chứa các chất lơ lửng và các hạt keo hòa tan

có kích thước nhỏ từ 10-3 µm đến 1 µm, các chất keo này không thể lắng Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng cần tăng kích thước của chúng

nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, làm tăng vận tốc lắng của chúng Thường các hạt keo đều mang điện tích âm hay dương nên chúng sẽ đẩy nhau bởi lực tĩnh điện Vì vậy việc khử các hạt rắn keo bằng lắng trọng lực cần trung hòa điện tích để chúng có thể liên kết với nhau Đó chính là quá trình keo

tụ

Phương pháp đông keo tụ sử dụng các loại hóa chất keo tụ (ph n nhôm, ph n sắt, poly nhôm clorua) kết hợp với các chất trợ keo tụ (polymer hữu cơ tích điện âm, dương hay trung hòa) để tách các hạt không tan trong nước Việc chọn chất keo tụ phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nước thải cũng như của chất cần loại bỏ

Theo thành phần cấu tạo có hai loại keo: keo kỵ nước (Hydrophobic) và keo háo nước (Hydrophilic) trong đó keo kỵ nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nước thải Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình keo tụ: pH, bản chất của hệ keo,

sự có mặt của các ion khác trong nước, thành phần của các chất hữu cơ chứa trong nước, nhiệt độ

Trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ, sau khi kết thúc giai đoạn thủy phân, giai đoạn hình thành bông cặn bắt đầu diễn ra Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành bông cặn, người ta lắp hệ thống khuấy trộn trong các bể phản ứng Phương pháp khuấy trộn trong bể phản ứng có thể sử dụng khuấy trộn thủy lực hay cơ khí

C oại hất keo tụ: Phèn nhôm Al2(SO4)3, pH tối ưu 5,0-8,0; ph n sắt (FeSO4 7H2O) pH tối ưu 9,0-9,5; ph n sắt FeCl3, pH tối ưu từ 7,0 – 8,5

C ho hất trợ keo tụ: Dùng để tạo bông cặn lớn, ổn định nhanh bảo đảm quá

trình keo tụ đạt hiệu quả cao Chất trợ keo có vai trò như cầu nối liên kết các bông keo cho phép hạ thấp liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian của quá trình và nâng cao tốc

độ lắng của bông keo Chất trợ keo thường dùng như polyacrylamit (CH2CHCONH2)n polyacrylic (CH2COOH)n hoặc polydiallyl dimetylamin

P ương p áp o ó

a- Quá trình fenton [56]

Đầu những năm 70 xu hướng áp dụng phản ứng Fenton để xử lý ô nhiễm nước thải đã được đề suất Theo đó hyđro peroxyt phản ứng với sắt (II) sunfat sẽ tạo ra gốc

tự do hyđroxyl có thế oxi hóa cao tạo khả năng phân hủy các chất hữu cơ Trong một

số trường hợp nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn, một số chất hữu cơ sẽ chuyển hóa thành

và perhydroxyl HO2o mới tạo ra là những chất oxy hóa cực mạnh và tồn tại trong thời gian rất ngắn Đặc biệt gốc hyđroxyl (OHo) là một trong những chất oxy hóa mạnh nhất sau flo Gốc OH có khả năng phá hủy một số axit hữu

cơ, các ancol, alđehyt, chất thơm, v.v và tạo ra các chất không độc hại, như vậy sẽ giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường Phản ứng Fenton diễn ra thuận lợi ở nhiệt

độ khoảng 5 - 25oC (nếu nhiệt độ quá cao H2O2 dễ phân hủy) và độ pH = 2-4 và pHtối ưu

= 2,8 (Fe3+ sẽ kết tủa ở pH cao)

Phương pháp fenton điện hóa cũng được ứng dụng trong một vài năm gần đây Sự kết hợp của 2 phương pháp fenton và điện hóa nhằm thúc đẩy khả năng tái sinh ion

Fe2+ từ Fe3+ nhờ tác dụng của dòng điện hay sinh ra hydrogen proxide sắt 2 nhờ các phản ứng trên các điện cực Quá trình đó làm tăng hiệu quả tạo ra gốc OHo trong phản ứng fenton

Quá trình tạo ra hydrogen peroxit trong quá trình điện hóa như sau:

Anốt tạo oxi phân tử 2H2O  O2 + 4H+ + 4e-

Oxi phân tử này bị khử ở catot để tạo ra hydrogen peroxit H2O2

O2 + 2H+ + 2e  H2O2 Ion Fe2+ có thể bổ sung vào hệ hoặc có thể tự tạo ra khi điện phân, khi nhường điện tử sắt sẽ hòa tan các ion sắt vào dung dịch Điểm quan trọng trong quá trình fenton điện hóa là Fe3+ sẽ tạo ra giữa Fe2+ và H2O2 theo phương trình sau:

Fe2+ + H2O2  Fe3+ + oOH + OH-

Fe3+ này tiếp tục khử thành Fe2+ trực tiếp trên catôt theo phương trình:

b- Oxi hó bằng ozon [27]

Ozon có thể hòa tan trong nhiều dung môi khác nhau, ở điều kiện thường khả năng hòa tan của ozon cao hơn oxi Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo 2 quá trình:

- Ôxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozon

R +O3 → Roxit Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng đặc biệt các chất có liên kết đôi, ba tạo thành ozonua [27]

- Ôxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl (OHo)

OHo được tạo thành do ozon bị phân hủy trong nước Hầu hết các OHo

rất không ổn định, ngay lập tức phản ứng với phân tử khác để nhận điện tử [27] theo cơ chế sau:

O3 + OH- → O2 + HO2o

HO2o ↔ O2o- + H+ Sau đó peroxit (O2o-) phản ứng với ozon để tạo thành anion ozonit và OHo

Ngoài ra để quá trình ozon hóa hiệu quả còn có các tác nhân xúc tác như H2O2,

UV, chất xúc tác…

ng ng ệ Str pp ng k ử n tơ

Trong thời gian gần đây, công nghệ stripping rất được quan tâm Nguyên lý của quá trình là đuổi NH3 ở pH cao (pH  9,5) nhờ sục khí qua lớp dung dịch

Amoni tồn tại trong môi trường nước ở thế cân bằng

NH4+↔ NH3 ↑ + H+ với pKa = 9,5 ở nhiệt độ phòng (250

Ngoài ra, để tách amoni trong nước rỉ rác có thể dùng phương pháp hóa học với tác nhân oxy hóa là : Ca(OCl)2 hoặc NaOCl Tuy nhiên phản ứng giữa clo và NH3, amoni sẽ tạo NH2Cl, NHCl hay NCl3 là những chất có tính oxy hóa mạnh nên phương pháp này không thể áp dụng trước xử lý sinh học [11]

1.2.1.4 P ương p áp kết tinh Magnesium Ammonium Phosphate (MAP)

a- Cơ s ủ qu tr nh

Nitơ, phốt pho là các nguyên tố thiết yếu cho sự tồn tại của sự sống trên trái đất, chúng đóng vai trò tích cực trong chức năng sống của mỗi sinh vật [55]

Đầu những năm 1960, một dạng tinh thể rắn, màu trắng đã được phát hiện trong

hệ thống đường ống nhà máy xử lý nước thải Hyperion, Los Angeles Những tinh thể này thường lắng đọng ở máy bơm, ở các kết cấu phân phối khí, chỗ uốn cong của đường ống… đã ảnh hưởng không nhỏ tới hoạt động của hệ thống Các tinh thể được xác định là một khoáng vô cơ của magiê, amoni và phốt phát có tên viết tắt là MAP (Magnesium Ammonium Phosphat) hay còn gọi là struvite (Hình 1.2) Có hiện tượng

này là do: khí CO2 thoát ra, làm gia tăng pH trong môi trường nước, dẫn đến tạo tinh thể không tan trong nước [55] Một số giải pháp đã được áp dụng để phá bỏ những lắng đọng này như: làm sạch cơ học, xử lý nhiệt, rửa bằng axit… trong đó phương pháp rửa bằng axit là hiệu quả nhất [97] Tuy nhiên đây là biện pháp phức tạp và tốn kém nên không phải là lựa chọn hợp lý Một hướng nghiên cứu khác nhằm loại trừ sự hình thành MAP trong đường ống là tạo tinh thể ngay trong bể chứa trước khi đưa nước thải vào thiết bị xử lý [97] Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí xử lý

mà còn thu hồi được nitơ và phốt pho

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite [104]

Tinh thể MAP có cấu trúc hình thoi 3 chiều, cấu trúc gồ ghề nhiều cạnh Kết tinh MAP có tích số tan là 7,8.10-15

[72] nên được sử dụng dưới dạng một loại phân bón hóa học nhả chậm cho cây trồng [6,68] Tiềm năng của MAP là một phân bón tan chậm tương đương như loại phân bón thương mại [6] Điều này cho thấy MAP có thể được thu hồi từ nước thải nhờ loại bỏ các ion NH4+, PO43- và được sử dụng làm phân bón chậm tan góp phần giảm tải các chất ô nhiễm ra môi trường

Ở Việt Nam, một số nguồn thải chứa đồng thời phốt pho và amoni với hàm lượng khá cao như nước thải chăn nuôi, nước thải chế biến cao su, nước thải giết mổ gia súc, nước thải chế biến thuỷ sản và nước chiết ra từ bể phân hủy bùn vi sinh yếm, hiếu khí Các phương pháp áp dụng trong xử lý hợp chất nitơ và phốt pho thường phức tạp, chi phí cao và hiệu quả còn hạn chế Vì vậy việc thu hồi đồng thời nitơ và phốt pho bằng cách tạo tinh thể MAP để tái sử dụng đang là hướng nghiên cứu hiệu quả, khả thi Đặc biệt so với phương pháp đuổi khí thì phương pháp tách MAP tiêu tốn ít năng lượng hơn rõ rệt

b- Cơ hế phản ứng tạo MAP

MAP (struvite) là sản phẩm của phản ứng kết tinh giữa Mg2+, NH4+, PO43- theo phương trình phản ứng sau [5, 56]:

Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H2O ↔ MgNH4PO4.6H2O

Phương trình trên cho thấy, để tạo ra MAP cần ba thành phần là magie, amoni

và photphat Phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm Struvite được tạo thành khi ion

PO43- bị thu hút bởi ion có điện tích trái dấu NH4+, Mg2+ Phần lớn các loại nước thải hầu như không hội tụ đủ các yếu tố trên cho sự tạo thành MAP, vì vậy cần bổ sung các thành phần còn thiếu với tỷ lệ phù hợp, phương pháp này có thể thu hồi hiệu quả nitơ

và phốt pho

c- Động h ủ qu tr nh tạo MAP

Để nghiên cứu động học quá trình kết tinh MAP cần phân tích quá trình hình thành tinh thể và quá trình kết tinh Động học của quá trình là sự chênh lệch giữa trạng thái thực và trạng thái cân bằng

Sự hình thành và phát triển mầm tinh thể tuân theo hàm bậc nhất Thông số ảnh hưởng đáng kể đến động học quá trình là tốc độ khuấy trộn để tăng sự khuếch tán vận chuyển chất trong quá trình phản ứng [10,74] Sự hình thành kết tinh struvite trải qua 3 giai đoạn bao gồm: hình thành mầm tinh thể, phát triển mầm và sự kết tinh tinh thể hoàn chỉnh

Quá trình hình thành mầm tinh thể bắt đầu khi xuất hiện tâm kết tinh Giai đoạn này quyết định số lượng và kích thước tinh thể Vì vậy, kích thước của các mầm tinh thể cũng sẽ được xác định Vật chất tạo ra trong phản ứng sẽ được sử dụng giúp tinh thể phát triển từ mầm thành tinh thể hoàn chỉnh Vận tốc tạo mầm phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của các chất hòa tan, mức độ bão hòa của dung dịch, nhiệt độ cũng như tốc độ khuấy trộn và các tạp chất Để tăng cường quá trình tạo mầm có thể thay đổi nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn [10, 43, 65, 74]

Tinh thể phát triển kích thước sẽ đạt tới giá trị tới hạn Quá trình phát triển mầm tinh thể dựa trên quá trình khuếch tán ngoài (vận chuyển vật chất đến bề mặt các hạt tinh thể) Tinh thể có bề mặt lớn nên nó “hút” các chất hòa tan trong dung dịch Khi tiếp xúc với bề mặt, chúng được tích tụ xung quanh cấu trúc tinh thể Sự lớn lên của tinh thể đồng thời theo tất cả các mặt của nó, nhưng vận tốc có khác nhau Theo thuyết khuếch tán: chất hòa tan bắt đầu khuếch tán từ trong lòng dung dịch qua lớp biên,

chuyển động dòng nằm sát bề mặt tinh thể Chiều dày lớp chuyển động dòng gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy trộn Quá trình phản ứng xảy ra với một vận tốc giới hạn Tùy thuộc vào điều kiện môi trường mà quá trình phản ứng xảy ra với tốc độ giới hạn khác nhau [65, 10]

Tiếp theo là quá trình kết tinh Các hạt tinh thể để tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn luôn là một xu hướng của phản ứng nhưng không phải lúc nào quá trình cũng

có thể xảy ra, mà cần một số điều kiện cần thiết như [10]:

+ Thành phần dung dịch và sự xáo trộn

+ Khối lượng riêng và độ nhớt của dung dịch

+ Kích thước và mật độ mầm tinh thể

+ Mật độ tinh thể

+ Ảnh hưởng của tạp chất và ion lạ

d- Nghiên ứu t h nitơ, phốt pho bằng kết tinh MAP

Nghiên cứu tách MAP trong nước thải đã được nghiên cứu trên nhiều loại nước thải khác nhau nhằm tận thu nguồn nitơ phốt pho Các nghiên cứu khẳng định hiệu quả của phương pháp xử lý sơ bộ tách MAP rất cao

Kurt N O [60] và cộng sự đã nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải đô thị bằng kết tinh MAP, nhờ vậy có thể tránh gây tắc nghẽn đường ống do tinh thể MAP tạo thành Kochany J đã tiến hành nghiên cứu so sánh phương pháp tạo MAP với phương pháp fenton trong xử lý sơ bộ trước khi xử lý yếm khí Kết quả tiền xử lý bằng kết tinh MAP loại bỏ 56% amoni và 30% COD, trong khi phương pháp fenton có khả năng loại

bỏ tới 60% COD nhưng hầu như không loại được amoni, (là yếu tố kìm hãm và hạn chế đáng kể quá trình xử lý sinh học yếm khí) Cũng theo tác giả này chi phí đầu tư cho kết tinh MAP trước xử lý sinh học là lựa chọn cho hiệu quả kinh tế cao hơn rõ rệt [56]

Nghiên cứu của Kaan.Y và cộng sự về khả năng loại bỏ amoni trong nước thải chăn nuôi gia cầm đạt 49,8% [48] Một nghiên cứu khác trên nước thải chăn nuôi của Alex Y ở quy mô pilot, kết quả cho thấy 95% phốt pho được loại bỏ bằng quá trình kết tinh MAP [24]

Nathan O và cộng sự (2003) nghiên cứu tách nitơ, phốt pho trong nước thải chăn nuôi lợn cho thấy ở tỷ lệ 1:1,6:1, PO43- giảm 91% - 96%, amoni loại được 46,3% [68] Cũng trên nước thải chăn nuôi Yong Huy Song và cộng sự (2014) đã nghiên cứu

trên cho thấy hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt 90-94% ở pH = 9,0-10,5, tuy nhiên trong nghiên cứu không đề cập đến amoni [100] Nghiên cứu của Ozturk I và cộng sự (2003) cho thầy khả năng loại bỏ NH4+ tăng lên 89,3% khi trong môi trường dư thừa magie (Mg2+:NH4+:PO43- = 1,5:1:1,5) [70] Nghiên cứu của Tak Hyun Kim (2014) trên nước thải chăn nuôi cho thầy sự loại bỏ amoni tăng lên 71,2% khi sử dụng Mg2+

là muối MgCl2.6H2O [83] Cũng trên đối tượng này nghiên cứu của Chia-Chi Su (2014) cho thấy hiệu quả loại bỏ amoni đạt 55%, 66%, 99% ở giá trị pH lần lượt là 10, 11, 12 với vận tốc khuấy 800 vòng/phút [36] Kỹ thuật tầng sôi được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả kết tinh MAP được Uludag D nghiên cứu, kết quả cho thấy 95% amoni được loại bỏ ở pH =9 [89]

Khả năng tách MAP đã được khẳng định là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu với nước thải chăn nuôi, đây là một đối tượng có hàm lượng nitơ cao và thành phần ô nhiễm không phức tạp Kết tinh MAP thu hồi nitơ và phốt pho trong nước thải là một hướng nghiên cứu có tính bền vững đặc biệt trong tình hình trữ lượng phốt pho đang cạn kiệt hiện nay

1.2.2 Xử lý sinh học

Xử ý ếm k í

Xử lý yếm khí thu biogas được ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải và chất thải của nhiều ngành công nghiệp khác nhau [35, 80, 94, 105] Quá trình này dựa vào sự chuyển hoá các chất ô nhiễm trong điều kiện không cấp oxy nhờ các vi sinh vật hô hấp yếm khí Xử lý yếm khí cho hiệu quả cao khi nước thải có BOD5 và tỷ lệ BOD5/COD cao (BOD5 >1800mg/l, SS ≤ 300-400mg/l) mà không tiêu tốn năng lượng, mặt khác còn thu được biogas [9]

Vi sinh vật hấp thu các chất hữu cơ để tồn tại và đòi hỏi một lượng chất dinh dưỡng để phát triển: Các nguyên tố đa lượng C, N, S, P, K, Mg, Ca; các nguyên tố vi lượng Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu,…trong đó C, N, P và K là các nguyên tố chủ yếu, cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong chuyển hoá sinh hoá

Hình 1.3 Cơ hế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan [65]

Sự h nh th nh CH 4

482()

482()

2

b a n CO b a n O

H b a

Quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo biogas gồm các giai đoạn: Giai đoạn thuỷ phân; giai đoạn lên men axit hữu cơ; giai đoạn metan hoá

Metan hoá được thực hiện theo 2 cơ chế

+ Cơ chế decacboxyl hoá (chất hữu cơ từ 4 các bon trở xuống tạo thành khoảng 70% CH4)Decacboxyl hoá các axit hữu cơ và các chất trung tính:

CH3COOH Dec

CH4 + CO24CH3CH2COOH Dec,2H2O

7CH4 +5CO22CH3(CH2)2COOH 2 H2O

5CH4 + 3CO2 Decacboxyl hoá axetol và etanol:

Protein

Axit amin

Lipit

Axit béo, Glyxerin…

Lên men axit hữu cơ và các chất trung tính

Axit propionic Axit butyric, rượu anđehit

Axeton: CH3CO-CH3  H2O

Etanol: 2CH3CH2OH  3CH

4 + CO2 + Phần còn lại (~30 %) CH4 được hình thành theo quá trình khử Một số vi khuẩn metan hoá có thể khử CO2 bằng H2 hoặc khử bằng phản ứng ôxi hoá khử

a- Cơ chế của quá trình

Việc tách amoni (nitơ) trong nước thải có thể thực hiện theo hai phương pháp:

- Phương ph p 1: Nitr t hó moni s u ó denitr t

NH4+

2

r 2O

- Phương ph p 2: Phản nitr t hó gi n tiếp

Trong thiết bị thiếu khí quá trình khử nitơ sử dụng một lượng ít oxi (được hòa tan

do dòng chảy ziczăc giữa các ngăn với DO<1mg/l) nên chủ yếu tạo HNO2 và hình thành rất ít sinh khối (0,15g/gCOD) theo cơ chế sau [7]:

+ Oxy hóa amoni và NH3 tạo HNO2 và HNO3

2NH3 + 3O2  2HNO2 + 2H2O +158 Kcal HNO2 + O2 2HNO3 + 48 Kcal

+ Quá trình khử nitơ gián tiếp: HNO2 được tạo thành sẽ chuyển hóa các gốc amin của các axit amin và amin thành N2↑ theo 2 phản ứng sau:

R-CHNH2-COOH + O=N-OH  R-CHOH + COOH + N2↑ +H2O

R-CO-NH2 + O=N-OH  pHtrungtin , h axitnhe  

R-COOH + N2↑+H2O Đây chính là cơ sở để lựa chọn phương pháp khử amoni gián tiếp trong nước rỉ rác tốn ít năng lượng so với phương pháp nitrat hóa và khử nitrat truyền thống

Quá trình thiếu khí có thể thực hiện trong nhiều thiết bị có kết cấu khác nhau, trong đó thiết bị lọc sinh học cũng thường được sử dụng do có ưu điểm gọn, hiệu quả cao

b- Mô tả quá trình lọc sinh học

Lọc sinh học được thực hiện nhờ vi sinh vật tạo màng trên bề mặt của giá thể (Hình 1.4) Quá trình sinh trưởng bám dính (tạo màng) xảy ra với một loạt các quá trình chuyển khối: di chuyển vật chất từ môi trường nước thải tới bề mặt màng, khuyếch tán qua màng, phản ứng sinh học trong lớp màng lọc sinh học Tốc độ của hầu hết các quá trình chuyển khối khá chậm, đặc biệt là quá trình khuếch tán qua màng nên thường là yếu tố khống chế toàn bộ động học của quá trình xử lý nước thải

Hình 1.4 Mô hình khuếch tán của l c sinh h c

1.2.2.3 Xử ý bằng bã c trồng câ

a- Cơ s ý thuyết

Bãi lọc trồng cây là giai đoạn cuối cùng trong chuỗi xử lý sinh học Bãi lọc trồng cây có thể là tự nhiên hoặc do xây dựng có chủ định trồng các loại thực vật có khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải Vùng đất ngập nước thường được xây dựng, thiết kế dưới dạng xử lý thứ cấp để loại bỏ chất rắn lơ lửng và các chất hữu cơ (BOD5 và COD) và xử lý bậc cao loại bỏ chất dinh dưỡng (nitơ và phốt pho) [34] Bãi

lọc trồng cây có thể là tự nhiên hoặc xây dựng có chủ định trồng các loại thực vật có

Vật liệu lọc

Vùng hiếu khí

COD, BOD5

Sản phẩm trao đổi chất (H 2 O, CO 2 , N 2 ) Vùng yếm và thiếu khí

Không khí

O 2

khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải Quá trình nitrat hóa và khử nitrat được đánh giá là quan trọng và chủ yếu nhất trong bãi lọc trồng cây [92, 49]

Bãi lọc trồng cây thuộc loại công nghệ sinh thái được áp dụng trong xử lý nước thải từ các khu dân cư, nước thải đô thị, công nghiệp Nó giúp giảm các chất ô nhiễm

và các mầm bệnh khác Bãi lọc trồng cây còn được sử dụng như một quá trình làm sạch

nước trong chu kỳ khép kín cho ngành công nghiệp hay để tái sử dụng nước [63]

Bãi lọc trồng cây có ưu điểm: chi phí xây dựng không cao, chi phí vận hành,

bảo dưỡng thấp; vận hành và bảo trì chỉ yêu cầu định kỳ, có thể chịu được những biến động khi lưu lượng đầu vào thay đổi; có thể tái sử dụng Bãi lọc trồng cây được xây dựng có hiệu quả trong việc loại bỏ hoặc ổn định trầm tích, kim loại và các chất ô

nhiễm hữu cơ Hệ thống có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài [34] Đây là công

nghệ xử lý nước thải tiêu tốn ít năng lượng

Tuy nhiên bãi lọc cũng có một số nhược điểm: diện tích xây dựng lớn hơn các hệ thống xử lý nước thải thông thường Hiệu quả của bãi lọc trồng cây có thể thay đổi theo mùa để đáp ứng với sự thay đổi môi trường, bao gồm cả lượng mưa và khô hạn Các thành phần sinh học rất nhạy cảm với hóa chất độc hại như thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu Sự thay đổi thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm hoặc lưu lượng nước có

thể tạm thời làm giảm hiệu quả xử lý [34]

Tiêu chí lựa ch n thực vật cho bãi l c:

- Khả năng tích lũy dinh dưỡng cao

- Có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào môi trường đất và nước

- Dễ thu hoạch, sinh khối có giá trị hữu ích

- Phát triển tốt trong các điều kiện thời tiết khác nhau

b- Cơ hế xử ý hất nhiễm trong bãi

Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nước trong bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ quá trình hấp thu của thực vật, hoạt động của vi sinh vật và một số phản ứng quang hóa xảy ra đồng thời trong hệ với sự biến động khá mạnh theo chu kỳ thời gian

Ngoài khả năng hấp thu dinh dưỡng từ nước thải, một số loại thực vật còn đóng vai trò giá thể cho vi sinh vật Tương tác giữa thực vật và vi sinh vật góp phần tăng cường hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm Oxy được tạo ra do quá trình quang hợp của các loài thủy thực vật, tảo và oxy từ khí quyển khuếch tán vào lớp nước bề mặt bãi lọc tạo nên vùng hô hấp hiếu khí [38] Lớp phía dưới có ít hoặc không có oxy được phân cấp thành lớp thiếu khí và lớp yếm khí Các lớp này có vai trò riêng trong các giai đoạn

xử lý chất ô nhiễm Bảng 1.3 mô tả cơ chế chuyển hoá các chất hữu cơ, dinh dưỡng và các tạp chất khác có trong nước thải khi vào bãi lọc

Bảng 1.3 Cơ hế xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hệ thực vật [31,33]

Cặn không tan Lắng, lọc, hấp phụ, phân hủy sinh học

BOD5 Lắng, lọc, phân hủy tạo ra sản phẩm CH4, CO2, H2O, NH3

do các vi sinh vật cố định trên rễ và lớp đệm

Hợp chất nitơ

Chủ yếu do nitrat hóa - khử nitrat

Oxy hóa amoniac bởi vi sinh vật trong vùng hiếu khí Khử amin, nitrat, nitrit trong vùng thiếu khí

Một phần không nhỏ được thực vật hấp thu

Hợp chất phốt pho Hấp phụ, tạo phức, trong lớp đệm do muối Fe, Ca Phần còn lại do thực vật hấp thu

Kim loại nặng Kết tủa do thay đổi pH; lắng và hấp phụ trên màng vi sinh

bám trên rễ

Vi khuẩn gây bệnh Lắng, chết do tiêu diệt lẫn nhau, do chất kháng sinh tiết ra từ rễ và thân cây

c- Một số oại bãi trồng ây th ng thường

Bãi lọc trồng cây được phân thành 3 loại theo mực nước chảy trong hệ thống và khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm như sau:

Bãi lọc ngầm trồng cây

Bãi lọc trồng cây kết hợp

Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang Bãi lọc trồng cây dòng thẳng đứng

Hình 1.5 Sơ ồ hệ thống bãi l c trồng cây ngập nước [86]

+ Bãi trồng ây dòng hảy ngang

Kỹ thuật lọc ngầm dòng chảy ngang (subsurface flow) gồm một tầng lọc sỏi hoặc đất, thực vật được trồng trên tầng lọc đó Sỏi, đất trong tầng lọc được giữ ngập trong nước với mực nước cao hơn 5 - 10 cm so với mặt lớp lọc (Hình 1.6)

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang được xem là giải pháp xử lý rẻ tiền, thích hợp với qui mô nhỏ, đặc biệt có hiệu quả trong vùng có khí hậu nóng ẩm Các loại nước thải thường được xử lý là nước thải sinh hoạt, nước sau bể phốt, nước thải chuồng trại, nước rỉ rác, nước khai thác mỏ, nước thải thuộc da, chế biến sữa [69, 45]

Hình 1.6 Sơ ồ hệ l c ngang (l c ngầm) với thảm lau sậy [86]

+ Bãi trồng ây dòng hảy thẳng ứng

Bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng được bố trí tương tự như một bể lọc trọng lực thông dụng, trong đó lớp vật liệu lọc sử dụng và cây trồng cũng tương tự như

trong trường hợp lọc ngang Nước thải thấm ngấm qua lớp vật liệu lọc theo phương

thẳng đứng sau xử lý được thu gom ở dưới đáy hệ thống bằng ống dẫn (Hình 1.7)

Hình 1.7 Sơ ồ hệ l ứng (l c ngầm) với thảm lau sậy [31]

Thực vật được sử dụng cho hai loại bãi lọc trên gồm cây sậy (Phragmites

australis), cây cỏ nến (Typha latifolia), cỏ hương bồ (Schoenoplectus lacustris), cây

riềng hoa (Canna lily) những loài này thân có độ xốp lớn, rễ chùm (chứa nhiều sợi

nhỏ) [73, 98] Tùy từng điều kiện khí hậu khác nhau mà lựa chọn thực vật phù hợp cho

- Yêu cầu diện tích nhỏ

- Cung cấp oxy tốt, quá trình nitrat hóa tốt

- Thủy lực đơn giản

- Hiệu suất lọc cao ngay từ đầu

- Khoảng cách dòng chảy ngắn

- Hiệu quả khử nitrat không cao

-Yêu cầu kỹ thuật cao -Loại bỏ phốt pho kém

- Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng cao

- Hình thành axit humic trong quá trình loại bỏ nitơ và phốt pho

- Tính toán cẩn thận chế độ thủy lực cần thiết cho việc cung cấp oxy tối ưu

- Cân bằng nước thải đầu vào

là phức tạp

d- Một số yếu tố ảnh hư ng tới qu tr nh xử ý bằng bãi

- Khoảng giới hạn thủy ự (Hydroperiod) là khoảng thời gian mà bãi lọc ngầm

ngập nước hoàn toàn Khoảng giới hạn thủy lực là một trong những thông số quan

trọng nhất khi thiết kế bãi lọc ngầm vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng các loài

thực vật và năng suất của chúng

- Tải tr ng thủy ự là khối lượng nước được xử lý trên một đơn vị diện tích trong

một khoảng thời gian xác định [44] Thông thường, tải trọng thủy lực có đơn vị là [lít/m2.ngày] hoặc [m3

/ha.ngày] Hiệu quả xử lý của bãi lọc có thể được đánh giá thông qua tải trọng thủy lực [44]

- Thời gi n ưu nướ là khoảng thời gian trung bình nước lưu trong bãi lọc [92]

Đối với bãi lọc ngập nước dòng chảy bề mặt thì thể tích “phản ứng” là phần thể tích tự

do của nước trên bề mặt trừ đi phần thể tích mà các cây chiếm chỗ như thân, lá và phần chất rắn chiếm chỗ Việc xác định thể tích này của bãi lọc dòng chảy bề mặt là rất khó chính xác vì vậy giá trị về thể tích này trong các tài liệu khác nhau có sự khác biệt rất lớn Thời gian lưu nước có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào việc thiết kế bãi lọc cho hệ thống xử lý thứ cấp hay hệ thống xử lý chính

- Lượng mư là một thông số có có thể ảnh hưởng đến tổng cân bằng nước của

bãi lọc Tuy nhiên, lượng mưa là một tham số phụ thuộc nhiều vào thời tiết khí hậu; nó

có thể trở nên quan trọng trong vùng khí hậu ẩm ướt và lượng mưa cao Ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới biến đổi về lượng mưa theo mùa (mùa khô và mùa mưa) Lượng mưa lớn nhất có thể làm tràn hệ thống bãi lọc, do đó làm giảm hiệu quả xử lý [44]

1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác

1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác trên thế giới

Rác sinh hoạt ở các nước phát triển được phân loại nghiêm ngặt tại nguồn nên thành phần ô nhiễm không lớn và ít biến động Nước rỉ rác ít thành phần độc hại gây kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật nên công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến trong xử lý

Hầu hết các công nghệ hiện đang được áp dụng trên thế giới đều kết hợp xử lý yếm - hiếu khí Tại bãi Ammasuo (Phần Lan) công nghệ được áp dụng là kết hợp yếm khí (UASB) - hiếu khí (Aeroten), với hàm lượng COD dòng vào từ 1.500- 33.000mg/l, nitơ từ 80-260mg/l, hiệu quả xử l‎‎ý đạt 80-90%; hiệu quả xử l‎ý nitơ NH4+ đạt 65-99% [11] Cũng với công nghệ này tại bãi rác Zapdnaya- (Nga) cho hiệu quả xử l‎ý đạt 86-93% với COD và 73-95% với nitơ và 72% với phốtpho [11]

Hình 1.8 Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại bãi Ammasuo (Phần Lan)

Xử lý yếm khí Xử lý hiếu khí

Hiệu suất

xử lý COD (%)

NH 4 -N (mg/l)

Thời gian lưu (ngày)

Công nghệ SBR gồm 1 hệ 3 bể hoạt động luân phiên liên tục theo sơ đồ Hình

1.9 được nghiên cứu ở Anh năm 1992 và được áp dụng tại bãi chôn lấp hợp vệ sinh

Deepmoor và bãi chôn lấp hở Gairtloch (Scotlen) hiệu quả xử l‎ý COD  90%, nitơ

NH4+ 98% [11]

Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh

Bảng 1.6 Kết quả vận hành hệ thống xử lý bằng công nghệ SBR tại

Deepmoor (Anh) và Gairtloch (Scotlen) [9]

Thông số Bãi chôn

Trạm xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South (Anh) sử dụng công nghệ kết

hợp: SBR - Bãi lau sậy 1 - Bể oxy hóa bằng ozone - Bãi lau sậy 2 - Xả vào sông [1]

Ở bãi chôn lấp USEPA (Mỹ) nước rỉ rác được xử lý qua bể keo tụ bằng vôi - SBR

- lọc cát - hấp phụ bằng than hoạt tính - khử trùng [1]

Một trong những công nghệ xử lý nước rỉ rác được áp dụng ở Đức là công nghệ

kết hợp giữa 3 quá trình: sinh học, cơ học và hóa học Bước đầu tiên trong công nghệ

xử lý là quá trình nitrat hóa và khử nitrat để loại bỏ nitơ Quá trình lắng được thực hiện

Giai đoạn khuấy trộn sục khí

Giai đoạn lắng, tách bùn