Nghiên cứu xử lí nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và phospho

1.2 Mục tiêu đề tài Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách Nitơ và Phospho trong nước rác dưới dạng kết tinh MAP 1.3 Nội dung đề tài Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới sự kết t

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG Bảng 2: kết quả thăm dò khả năng kết tinh tinh thể của các nhà khoa học (trang 11) Bảng 3.1: Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích (Trang 14)

DANH MỤC HÌNH

Hình 3: Bãi rác huyện Cờ Đỏ - Cần Thơ ( trang 12 )

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MAP: Magnesium Ammonium Phosphat

COD:Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học

BOD: Biochemical oxygen Demand- nhu cầu oxy sinh hoá

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, lượng rác thải phát sinh, thải ra môi trường ngày một tăng nhanh về số lượng Xử lý chất thải đô thị bằng phương pháp chôn lấp vẫn là hình thức phổ biến được

áp dụng ở nước ta bởi ưu điểm chi phí thấp so với các phương pháp xử lý khác như đốt, chôn lấp,…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 nhiều bất cập làm ảnh hưởng tới môi trường xung quanh và cuộc sống con người

Thông thường rác thải thường phát sinh từ các nguồn : Khu dân cư, Khu thương mại, cơ quan, công sở, khu xây dựng, công trình xây dựng, khu công cộng, nhà máy xử lý chất thải công nghiệp nông nghiệp chất thải đô thị có thể xem như chất thải công cộng ngoài trừ các chất thải rắn từ quá trình sản xuất công nghiệp và nông nghiệp

Đặc biệt, hầu hết nước rỉ rác tại bãi chôn lấp đều phát thải trực tiếp vào môi trường, khuếch tán mầm bệnh như là ung thư, bệnh về da, và các vấn đề môi trường nảy sinh trong quá trình vận hành bãi chôn lấp như lượng rác thải tăng nhanh dẫn đến các bãi chôn lấp quá tải mà không có biện pháp xử lí thíc hợp làm rò rỉ nước rác gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nguồn nước mặt, khí thải từ các quá trình phân hủy rác,Ô nhiễm sinh học ảnh hưởng đến sức khoẻ và vệ sinh công cộng Trong đó khó nhất hiện nay, mà hầu hết các bãi rác Việt Nam gặp phải mà chưa có phương hướng giải quyết thích hợp đó là xử lý nước rò rỉ

Vì thế, “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi Nitơ và Phospho” là đề tài đáp ứng được nhu cầu thực tiễn

1.2 Mục tiêu đề tài

Xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách Nitơ và Phospho trong nước rác dưới dạng kết tinh MAP

1.3 Nội dung đề tài

Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới sự kết tinh và chiết tách nitơ, phốt pho từ nước rỉ rác

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

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

2.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác

2.1.1 Sự hình thành của nước rác.

Nước thải rỉ rác là nước loại nước thải được sinh ra trong các khu chôn lấp rác thải, được hình thành do sự rò rỉ nước mưa thấm vào trong lòng bãi rác hoặc do độ ẩm sẵn có của rác thải được chôn

Do được sinh ra từ rác thải, loại nước thải này rất độc hại, chứa nhiều chất ô nhiễm như khí nitơ, amoniac, kim loại nặng, các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh, BOD, COD hàm lượng cao có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nếu thấm vào đất, sẽ gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước ngầm, nếu chảy vào kênh, nó sẽ hủy hoại môi trường thủy sinh ở khu vực đó Vì vậy, rất cần thiết phải xử lý triệt để nước thải rỉ rác trước khi thải ra môi trường

2.1.2 Đặc trưng của nước rác.

Trong thành phần nước thải rỉ rác có chứa rất nhiều các thành phần độc hại Nếu nước thải này thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên sẽ gây ra nhiều vấn đề ảnh hưởng đến môi trường như là mùi hôi thối, nước thải thấm vào tầng đất, gây ô nhiễm môi trường đất, cản trở quá trình lọc tự nhiên, gây mất cân bằng tự nhiên, thiệt hại về kinh tế cho người dân xung quanh nếu nước thải ngấm vào đất, nước, xuất hiện các loại côn trùng gây bênh, ruồi, muỗi…ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân

2.1.3 Thành phần NH 4 và PO 4 3- trong nước rác.

Các chất vô cơ có trong nước rỉ rác là các hợp chất của nitơ, photpho, lưu huỳnh Nồng độ của chúng thường nhỏ nên người ta chỉ chú ý đến nhiều hợp chất của nitơ, photpho Bởi vì chúng là nguyên nhân gây lên hiện tượng phú dưỡng, làm cho thực vật phát triển nhanh chóng, sau đó chết và gây ra hiện tượng thối rữa và ô nhiễm hữu cơ Khóa luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Sinh viên: Nguyễn Thị Ánh - MT1101

12 Nitơ tồn tại trong nước rỉ rác dưới các dạng khác nhau như: nitrat, nitrit, amoni và các dạng hữu cơ Quá trình chôn lấp thực chất là quá trình vi sinh kị khí Như vậy trong nước

rỉ rác, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng NH4 + Nồng độ của chúng cũng thay đổi theo thời gian lưu của nước rác, với nước rỉ rác của bãi rác lâu năm thì nồng độ của amoni thường cao Photpho tồn tại trong nước rác dưới dạng orthophotphat, polyphotphat và các hợp chất photpho hữu cơ, chúng có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa và các phế thải nông nghiệp

Tuy nhiên nồng độ của chúng thường không cao trong nước rỉ rác và vấn đề xử lý chúng

ít được quan tâm (Sinh viên: Nguyễn Thị Ánh - MT1101 năm 2016)

2.2 Phương pháp kết tinh Magnesium Ammonium Phosphat (MAP)

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

Ở Việt Nam, một số nguồn thải chứa đồng thời phốt pho và amoni với hàm lượng khá cao như nước rác tươi, 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

2.2.1- Cơ chế phản ứng tạo MAP

Tinh thể MAP là sản phẩm của phản ứng kết tinh giữa Mg2+, NH4+, PO43- theo phương trình phản ứng sau:

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 Tinh thể được tạo thành khi ion PO4

3-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

2.2.2- Động học của quá trình 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

Đối với quá trình hình thành hạt nhân sơ cấp, sự tạo thành mầm tinh thể ban đầu tăng theo hàm số mũ 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 tạo ra độ

đồng nhất trong quá trình phản ứng

Sự hình thành kết tinh tinh thể trải qua 3 giai đoạn bao gồm: hình thành mầm tinh thể, phát triển mầm và sự kết tụ tạo 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

Tinh thể phát triển kích thước sẽ đạt tới giá trị giới 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 và dính vào 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

2.2.3- Nghiên cứu nitơ, phốtpho bằng kêt 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, năm 2004 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 Kyambadde J, năm 2004 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, 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

Nghiên cứu của Kaan Y, Zehra S Z,năm 2009 về khả năng loại bỏ amoni trong nước thải chăn nuôi gia cầm đạt 49,8% Một nghiên cứu khác trên nước thải chăn nuôi của Alex Y Lin,năm 2012 ở quy mô pilot, kết quả cho thấy 95% phốt pho được loại bỏ bằng quá trình kết tinh MAP

Nathan O.N, Robert L.M, Dean L.H, năm 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% Cũng trên nước thải chăn nuôi Yong Huy Song, Yunrong Dai, Qiong Hu, Xiaohua

Yu, Feng Qian, năm 2014 đã nghiên cứu trên cho thấy hiệu quả loại bỏ phốt pho đạt 90-94% ở pH = 9-10,5, tuy nhiên trong nghiên cứ không đề cập đến amoni Nghiên cứu của Ozturk I, Altinbas M., Koyuncu I, Arikan O, Gomec-Yangin C, năm 2003 cho thấy khả năng loại bỏ NH4+ tăng lên 89,3% khi trong môi trường dư thừa magie (Mg2+:NH4+:PO4

3-= 1,5:1:1,5) Nghiên cứu của Tak Hyun Kim, Yun Ku Nam, Seung Joo Lim, năm 2014 trên nước thải chăn nuôi cho thấy sự loại bỏ amoni tăng lên 71,2% khi sử dụng Mg2+ là muối MgCl2.6H2O Cũng trên đối tượng này nghiên cứu của Chia-Chi Su năm 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 cánh khuấy 800 vòng/phút

Kỹ thuật tầng sôi được áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả kết tinh MAP được UludagDemirer S, Demirer G N, and Chen S, năm 2005 nghiên cứu, kết quả cho thấy 95% amoni được loại bỏ ở pH =9

Khả năng tách tinh thể 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 Nước rác là một đối tượng giầu nitơ và phốt pho, tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu trên đối tượng này do thành phần ô nhiễm rất phức tạp

2.2.4- Tách nitơ tạo tinh thể MAP:

Trên cơ sở phân tích đánh giá kết quả các nghiên cứu thăm dò và tham khảo một số công trình nghiên cứu đã được công bố về quá trình tạo tinh thể MAP như Uludag-Demirer S, Uludag-Demirer G N, and Chen S, năm 2005; Tao Zhang, Ping LI, Ci Pang, Jiang R, năm 2014; Stratful I, Scrimshaw M D, Lester J N, năm 2001; Nathan O.N, Robert L.M, Dean L.H, năm 2003; Daekeun Kim., Ryu H.D, Man Soo Kim, Jinhyeong Kim, Lee Sang, năm 2007 Trong những nghiên cứu này giới hạn một số yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình kết tinh MAP như: nồng độ amoni ban đầu, pH, thời gian lưu, tốc độ khuấy trộn

Thí nghiệm thăm dò với môi trường giả định sử dụng Mg2+ từ muối MgCl.6H2O,

NH4 từ NH4Cl, PO43- từ K2HPO4

Kết quả nghiên cứu thăm dò được trình bày với tỷ lệ mol Mg2+:NH4 :PO43- là 1:1:1

và 1:1,6:1 Kết quả nghiên cứu cho thấy cả 4 yếu tố đều ảnh hưởng tới quá trình tách amoni, tuy nhiên ở cùng một điều kiện môi trường như nhau pH có ảnh hưởng nhiều nhất

Bảng 2: kết quả thăm dò khả năng kết tinh tinh thể của các nhà khoa học

TN Mg2+:NH Tỷ lệ +:PO

Thời gian phản ứng (phút)

Vận tốc khuấy (v/p)

Hiệu quả tách

NH 4+(%)

Kính thước tinh thể (µm)

Từ bảng trên ta có Mg2+:NH +:PO 3- với tỷ lệ 1:1:1 và pH = 8 khuấy trong 60 phút và vận tốc khuấy là 50 vòng/ phút thì hiệu quả tách NH4+ tăng 17,71% Với mức pH = 7 thì hiệu quả tách

NH4 tăng 13,75%

Mg2+:NH +:PO 3 với tỷ lệ 1:1,6:1 và pH = 8 khuấy trong vòng khuấy trong 60 phút và vận tốc khuấy là 50 vòng/ phút thì hiệu quả tách NH4 tăng 18,48% Với mức pH = 7 thì hiệu quả tách

NH4+ tăng 15,35 %

Như vậy với tỷ lệ 1:1,6:1 thì hiệu quả tăng đáng kể so với tỷ lệ 1:1:1

2.3 Nghiên cứu quá trình tạo tinh thể

Trong môi trường giả định MAP được tạo ra bởi Mg2+, NH4 và PO43- theo phương trình: Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H2O ↔ MgNH4PO4.6H2O 

Để xác định sơ bộ khoảng tác động của từng yếu tố đến hiệu quả xử lý có thể tiến hành thí nghiệm ảnh hưởng độc lập của từng yếu tố Do định lượng MAP không thể xác định được bằng phương pháp chụp phổ nên kết quả nghiên cứu xác định lượng MAP tạo ra bằng hàm lượng amoni bị loại

2.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni

Hiệu quả loại bỏ nitơ tạo tinh thể phụ thuộc tuyến tính với hàm lượng NH4 ban đầu, nghĩa là khi tăng nồng độ NH4+ ban đầu hiệu quả tạo tinh thể tăng Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Jiansen Wang và SEPA 2002 Tuy nhiên ở pH > 9,5 ngoài kết tinh tinh thể, trong dung dịch còn tạo thành kết tủa magiephotphat dạng hạt, màu trắng

tủa tăng Ở pH > 10 kết tủa magiephotphat tạo ra nhiều, hiệu quả tạo MAP giảm điều này

có thể giải thích do các phản ứng tạo kết tủa magie phốt phát làm mất cơ chất cho quá trình phản ứng tạo MAP Kết quả này trùng với kết quả nghiên cứu của Jiansen Wang (2006) và Kristell (2007)

2.3.2 Ảnh hưởng của độ pH tới quá trình tạo MAP

Hiệu quả quá trình kết tinh tăng dần khi pH tăng từ 8-9,5 Tuy nhiên ở tất cả các tỷ

lệ quá trình kết tinh MAP đạt hiệu quả cao hơn ở pH từ 8,5 đến 9,5 Kết quả nghiên cứu của Kristell, (2007) pH tối ưu từ 8,5 -10,5 Trong khi Stratful, 2001 khẳng định pH thuận lợi cho quá trình kết tinh MAP là > 8,5 Khi pH lớn hơn 9,5 xuất hiện kết tủa magie phốt phát (một loại kết tủa màu trắng đục, tỷ trọng nhẹ, dễ trôi theo dòng nước) dẫn đến lượng MAP tạo thành sẽ giảm

Thực tế cho thấy không ít loại nước thải có pH < 8 Vì vậy, để tách nitơ, phốt pho một cách hiệu quả, việc tăng pH là cần thiết Tuy nhiên sử dụng hóa chất để điều chỉnh

pH sẽ rất tốn kém Một giải pháp nhằm giảm lượng hóa chất để điều chỉnh pH đã được Battistoni đề xuất là: sục khí để loại CO2 đồng thời để điều chỉnh pH Nhờ vậy pH có thể tăng từ 7,9 đến 8,3-8,6 Như vậy lượng hóa chất cần thiết cho điều chỉnh pH có thể giảm Tuy nhiên cần lưu ý rằng (ở tất cả các giá trị pH được khảo sát) khi sục khí vào môi trường, độ oxy hòa tan tăng, một lượng amoni sẽ bị oxy hoá thành NO2-, NO3- gây tổn thất amoni

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, ở tất cả các giá trị pH được khảo sát, đều có một lượng amoni dư tồn tại trong dung dịch Lượng amoni dư này có vai trò ổn định pH trong quá trình tạo MAP, đồng thời magiephotphat cũng được hình thành

Kết quả nghiên cứu cho thấy, phương pháp tách nitơ và phốt pho bằng kết tinh MAP trong nước thải giàu nitơ và phốt pho là rất khả thi Giải pH để hình thành tinh thể MAP hiệu quả ở pH > 8,5 và đạt tối ưu ở pH 9 - 9,5 Hiệu suất tạo MAP đạt 68,44% - 70,29% Lượng Amoni dư là yếu tố có lợi cho sự hình thành MAP

Thời gian phản ứng không ảnh hưởng lớn tới quá trình kết tinh nhưng phản ánh quyết định tới kích thước tinh thể Khi thời gian tăng từ 1-180 phút, độ dài tinh thể tăng

từ 78µm - 4600 µm Tốc độ khuấy có vai trò nhất định trong việc hình thành kết tinh MAP, tuy nhiên tốc độ lớn sẽ làm gãy tinh thể Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy vận tốc khuấy 50 vòng/phút là phù hợp cho quá trình kết tinh MAP