Nghiên cứu công nghệ tích hợp hóa lý sinh học trên cơ sở mô hình ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác

Mặc dù mỗi bãi chôn lấp của chúng ta đều có hệ thống xử lý nước rác nhưng những phương pháp xử lý nước rác đang được áp dụng tại các bãi chôn lấp vẫn còn bộc lộ nhiểu nhực điểm như chất

- -

NGUYỄN DUY THÀNH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP HÓA LÝ – SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Đặng Xuân Hiển, người đã luôn quan tâm động viên, giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn này Sự tận tình, tâm huyết của thầy đã giúp em hoàn thành tốt nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức, những kinh nghiệm thực tế và những nhận xét quý báu để em có khả năng hoàn thành luận văn, củng cố kiến thức của mình

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình và bạn bè đã dành nhiều

sự quan tâm quý báu, sự giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn và luôn cùng em chia sẻ, giải quyết những khó khăn, vướng mắc gặp phải

Xin chân thành cảm ơn!

HỌC VIÊN

Nguyễn Duy Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu công nghệ

tích hợp hóa lý – sinh học trên cơ sở mô hình, ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác”

là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Xuân Hiển Đây không phải

là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, nguồn thông tin trong Luận văn là do tôi điều tra, trích dẫn, tính toán và đánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận văn này

Hà Nội, ngày … tháng 9 năm 2013

HỌC VIÊN

Nguyễn Duy Thành

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAO Anerobic Anoxic Aerobic Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí ASM1 Activated Sludge Model No.1 Mô hình bùn hoạt tính số 1 AOPs Advanced oxidation processes Quá trình oxi hóa nâng cao ASM2 Activated Sludge Model No.2 Mô hình bùn hoạt tính số 2 ASM2d Activated Sludge Model No.2_deni Mô hình bùn hoạt tính số 2 có

khử nitrat của PAO ASM3 Activated Sludge Model No.3 Mô hình bùn hoạt tính số 3

PAOs Phosphoruse Accumulating Organic Tích lũy photpho hữu cơ

COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hoá học

BOD Biological oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hoá

2.1.2.3 Các loại mô hình được sử dụng trong công nghệ môi trường 47 2.1.2.4 Một số chương trình ứng dụng mô hình bùn hoạt tính trong xử lý nước thải 50

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP

3.1 THU THẬP SỐ LIỆU VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ĐẶC TRƯNG XỬ LÝ

3.2.1 Tiền xử lý nước rác bằng phương pháp keo tụ với PAC 70

3.2.4 Quá trình oxy hoá trực tiếp bằng O3/UV 72 3.3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC BẰNG CÔNG NGHỆ AAO 73

3.4.1 Phân tích lựa chọn công nghệ phù hợp nhất đối với nước rác cũ 86 3.4.2 Phân tích lựa chọn công nghệ phù hợp đối với nước rác mới 88 3.5 TỐI ƯU GIÁ TRỊ DO CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 89

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 QCVN 25:2009/BTNMT các thông số ô nhiễm của nước rác 15

Bảng 1 2 Thành phần nước rác của các nước [WHO, Mỹ] 16

Bảng 1 3 Thành phần nước rỉ rác thu được từ ba độ sâu khác nhau kể từ lớp phủ bề mặt tại giếng khoan thử nghiệm 16

Bảng 1 4 Thành phần chất thải chôn lấp tại bãi chôn lấp rác Nam Sơn 18

Bảng 1 5 Kết quả phân tích nước rác tại thành phố Hà Nội 19

Bảng 1 6 Thành phần nước rỉ rác tại Bãi chôn lấp Gò Cát ở các mùa khác nhau 20

Bảng 1 7 Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác củacác bãi chôn lấp mới và lâu năm 21

Bảng 2 1 Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình kết tủa 34

Bảng 2 2 Các liều lượng phèn nhôm thường sử dụng và hiệu suất khử phospho[29] 35

Bảng 2 3 Lưu lượng nạp nước thải cho bể lắng trong trường hợp có sư dụng hóa chất trợ lắng[29] 36

Bảng 2 4 pH thích hợp cho việc kết tủa các kim loại[29] 37

Bảng 2 5 Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng 12 37

Bảng 2 6 Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng 12 38

Bảng 2 7 Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay 49

Bảng 2 8 Ma trận tỷ lượng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d [22] 56

Bảng 2 9 Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lượng của ASM2d 59

Bảng 2 10 Biểu thức động học của ASM2d, rj ≥ 0 22 60

Bảng 2 11 Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin[22;28] 63

Bảng 2 12 Các thông số mặc định của mô hình BioWin[28] 65

Bảng 3 1 Thành phần ban đầu của nước rác 67

Bảng 3 2 Nồng độ các chất sau keo tụ 71

Bảng 3 3 Nồng độ các chất sau công đoạn kết tủa hóa học 1 71

Bảng 3 4 Nồng độ các chất sau công đoạn kết tủa hóa học 2 72

Bảng 3 5 Nồng độ các chất sau xử lý O3/UV (qua tripping) 73

Bảng 3 6 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 1 xử lý nước rác cũ 74

Bảng 3 7 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 2 xử lý nước rác cũ 76

Bảng 3 8 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 3 xử lý nước rác cũ 77

Bảng 3 9 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 4 xử lý nước rác cũ 78

Bảng 3 10 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 1 xử lý nước rác mới 80

Bảng 3 11 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 2 xử lý nước rác mới 81

Bảng 3 12 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 3 xử lý nước rác mới 83

Bảng 3 13 Kết quả mô phỏng vận hành công nghệ số 4 xử lý nước rác mới 84

Bảng 3 14 Bảng tổng hợp kết quả xử lý nước rác cũ của các công nghệ 86

Bảng 3 15 Bảng tổng hợp kết quả xử lý nước rác mới của các công nghệ 88

Bảng 3 16 Diễn biến NH4+-N qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác cũ 90 Bảng 3 17 Nồng độ NH4+-N qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác mới 90 Bảng 3 18 Nồng độ TT-N qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác cũ 91

Bảng 3 19 Nồng độ T-N qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác mới 91

Bảng 3 20 Nồng độ COD qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác cũ 92

Bảng 3 21 Nồng độ COD qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác mới 92

Bảng 3 22 Nồng độ CBOD qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác cũ 93

Bảng 3 23 Nồng độ CBOD qua các bể khi mô phỏng các kịch bản xử lý nước rác mới 93

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Các thành phần trong cân bằng nước trong ô chôn lấp 12

Hình 1 2 Sơ đồ cân bằng nước 12

Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp Koumyoji – thành phố Ichinomiya – Nhật Bản 22

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại URM – Nova Scotia – Canada 23

Hình 1 5 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA) 24

Hình 1 6 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA) 24

Hình 1 7 Sơ đồ công nghệ xử lý nước tại Bãi chôn lấpNam Sơn – Sóc Sơn, HN 27

Hình 1 8 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại Bãi rác Gò Cát – Bình Tân – TP HCM 28

Hình 2 1 Sơ đồ công nghệ AAO[18] 44

Hình 2 2 Cấu trúc dòng của Trạm xử lý trong ASIM [26] 51

Hình 2 3 Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí vào pha lỏng 62

Hình 3 1 Sơ đồ tích hợp công nghệ hóa lý - sinh học ứng dụng xử lý nước rác 68

Hình 3 2 Sơ đồ tích hợp công nghệ hóa lý - sinh học bổ sung tháp Stripping trước xử lý sinh học 69

Hình 3 3 Sơ đồ tích hợp công nghệ hóa lý - sinh học bổ sung tháp Stripping và O3/UV trước xử lý sinh học 69

Hình 3 4 Sơ đồ tích hợp công nghệ hóa lý - sinh học bổ sung O3/UV 70

Hình 3 5 Cấu hình mô phỏng công nghệ AAO bằng phần mềm BioWin 74

Hình 3 6 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác cũ khi mô phỏng vận hành công nghệ số 1 75

Hình 3 7 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác cũ khi mô phỏng vận hành công nghệ số 2 76

Hình 3 8 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác cũ khi mô phỏng vận hành công nghệ số 3 78

Hình 3 9 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác cũ khi mô phỏng vận hành công nghệ số 4 79

Hình 3 10 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác mới khi mô phỏng vận hành công nghệ số 1 81

Hình 3 11 Diễn biến các chất Ammonia N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác mới khi mô phỏng vận hành công nghệ số 2 82

Hình 3 12 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác mới khi mô phỏng vận hành công nghệ số 3 84

Hình 3 13 Diễn biến các chất Ammonia-N, T-N, COD, CBOD qua các bể xử lý nước rác mới khi mô phỏng vận hành công nghệ số 4 85

Hình 3 14 Biểu đồ nồng độ các chất sau xử lý nước rác cũ của các công nghệ 86

Hình 3 15 Biểu đồ nồng độ các chất sau xử lý nước rác mới của các công nghệ 88

Hình 3 16 Biểu đồ so sánh nồng độ Ammonia N trong nước rác cũ/mới qua các bể xử lý của các kịch bản 90

Hình 3 17 Biểu đồ so sánh nồng độ Tổng nitơ trong nước rác cũ/mới qua các bể xử lý của các kịch bản 91

Hình 3 18 Biểu đồ so sánh nồng độ COD trong nước rác cũ/mới qua các bể xử lý của các kịch bản 93

Hình 3 19 Biểu đồ so sánh nồng độ CBOD trong nước rác cũ/mới qua các bể xử lý của các kịch bản 93

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp (gọi là nước rác) là chất lỏng thấm qua các lớp chất thải rắn mang theo các chất hòa tan hoặc các chất lơ lửng Trong hầu hết các bãi chôn lấp nước rác bao gồm chất lỏng đi vào bãi chôn lấp từ các nguồn bên ngoài như nước mặt, nước mưa, nước ngầm và chất lỏng tạo thành trong quá trình phân hủy các chất thải Đặc tính của chất thải phụ thuộc vào nhiều hệ số

Do thành phần rất phức tạp và khả năng gây ô nhiễm cao, nước rác từ bãi rác đòi hỏi một dây chuyền công nghệ xử lý kết hợp, bao gồm nhiều khâu xử lý như xử

lý sơ bộ, xử lý bậc hai, xử lý bậc ba để đạt tiêu chuẩn thải Thành phần và lưu lượng nước rác biến động theo mùa và theo thời gian chôn lấp nên dây chuyền xử lý nước rác cũng sẽ thay đổi theo thời gian Việc tìm ra các giải pháp xử lý nước rác cho các bãi chôn lấp, thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và điều kiện khí hậu tại nước

ta là một bài toán đang được đặt ra trong thời gian gần đây

Mặc dù mỗi bãi chôn lấp của chúng ta đều có hệ thống xử lý nước rác nhưng những phương pháp xử lý nước rác đang được áp dụng tại các bãi chôn lấp vẫn còn bộc lộ nhiểu nhực điểm như chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn

xả thải, đặc biệt là chỉ tiêu COD, BOD5, T-N, NH4-N (QCVN 25:2009/BTNMT, cột B2) tiêu tốn nhiều năng lượng và hóa chất, giá thành xử lý cao, khó kiểm soát và công suất xử lý không đạt thiết kế Nguyên nhân do sự thay đổi rất nhanh của thành phần nước rác theo thời gian vận hành bãi chôn lấp, với thành phần phức tạp (các chất hữu cơ khó/không có khả năng phân hủy sinh học tăng dần và nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian), không ổn định, việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải

ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng nước rác tại các bãi chôn lấp tiếp tục tăng lên

Vấn đề được đặt ra ở đây là phải tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hết lượng nước rác đang tồn đọng, cải tạo các hệ thống xử lý nước rác hiện hữu và công nghệ xử lý điển hình đối với xử lý nước rác của các bãi chôn lấp mới trong

tương lai Vì vậy, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ tích hợp hóa lý –

sinh học trên cơ sở mô hình, ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác”, nhằm đưa ra một

giải pháp tối ưu về mặt công nghệ (xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và hợp chất nitơ, COD, BOD), hiệu quả kinh tế cũng như đạt được tiêu chuẩn xả thải nhằm giảm thiểu “hiểm họa ngầm” từ nước rác đối với môi trường

2 Mục tiêu của đề tài

- Ứng dụng mô hình BioWin nghiên cứu hiệu quả xử lý của các công nghệ

xử lý nước rác Trên cơ sở đó, so sánh lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp

- Mô phỏng hoạt động của công nghệ AAO trong các trường hợp thay đổi nồng độ DO trong bể thiếu khí, nhằm đưa ra giá trị DO tối ưu nhất cho quá trình xử

lý sinh học

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Nước rác của các bãi chôn lấp tập trung ở Việt

Nam

* Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu theo quy mô lý thuyết

* Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập thông tin, tài liệu đã được công bố, các số liệu tổng hợp, tổng kết của các cơ quan có chức năng về môi trường

- Nghiên cứu tổng quan về các quá trình, phương pháp xử lý nước rác, đặc biệt là quá trình xử lý bằng phương pháp hóa lý và sinh học

- Tập hợp, đánh giá số liệu thu thập hiệu quả xử lý của công nghệ hóa lý; kết quả mô phỏng bằng phần mềm BioWin áp dụng mô hình bùn hoạt tính ASM2d trong quá trình xử lý nước rác bằng công nghệ AAO

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu là cơ sở đưa ra đề xuất mới cho việc

lựa chọn công nghệ phù hợp, xử lý hiệu quả đối với nước rác chứa các hợp chất hữu

cơ khó phân hủy trong thành phần của nước thải

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Từ kết quả nghiên cứu có thể đề xuất được các

quy trình công nghệ tích hợp hóa lý – sinh học ứng dụng để xử lý triệt để nước rác đạt yêu cầu theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2 trước khi thải ra môi trường

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN

1.1 ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC RÁC

1.1.1 Sự hình thành nước rác

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

và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp Nước rác là loại nước chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dưới đáy ô chôn lấp Lượng nước rác được hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau:

- Nước thoát ra từ độ ẩm nước: chất thải đô thị luôn chứa một hàm lượng ẩm Trong quá trình đầm nén lượng nước tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nước rác

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

- Nước gia nhập từ bên ngoài vào là nước mưa thấm từ trên xuống qua lớp phủ bề mặt

Đối với các bãi chôn lấp hợp vệ sinh (có lót đáy bằng các vật liệu chống thấm bằng đất sét hoặc lớp vải địa kỹ thuật HDPE, có hệ thống tách nước mặt, hệ thống thu gom và xử lý nước rác, khí thải và khi đóng bãi có phủ phía trên bằng vật liệu chống thấm) thì lượng nước rác thường ít hơn so với không áp dụng các biện pháp trên Như vậy, lượng nước rác sinh ra phụ thuộc vào:

- Điều kiện tự nhiên khu vực chôn lấp (lượng mưa, bốc hơi, nước ngầm )

- Độ ẩm chất thải chôn lấp

- Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt

Lượng nước rác sinh ra trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong một ô chôn lấp Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rác được trình bày trong hình sau và lượng nước rác được tính theo công thức:

LC = R + RI – RO – E - lkl∆V

Trong đó: LC- nước rác; R- Nước mưa thấm vào ô chôn lấp; RI- Dòng chảy

từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập

từ bên ngoài vào ô chôn lấp); RO - Dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp; E - Lượng nước bay hơi; ∆V- Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp bao gồm:

độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải, lượng nước thất thoát ra từ phía đáy bãi rác

Hình 1 1 Các thành phần trong cân bằng nước trong ô chôn lấp

Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy: lượng nước rác của ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra do phân hủy rác trừ đi lượng bay hơi Sơ đồ cân bằng nước

Nước chứa trong lớp vật liệu phủ

Nước trong bùn

Nước tích trong

rácG 6 Vật liệu phủ G 6

Nước ngấm xuống ở

lớp dướiG 7 Hay nước rỉ rác G 7

Nước trong EMG 3

Nước trong rác vật

Liệu phủ G 2

Nước mưa từ lớp trên G 1 Ngấm xuống G 1

1.1.2 Các đặc trưng của nước rác

1.1.2.1 Tính chất lý học, hóa học của nước rác

* Tính chất lý học

- pH: pH là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới

hiệu quả của quá trình xử lý sinh học Khoảng già trị pH tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí là 7-8 và quá trình xử lý hiếu khí là 6,5-8,5

- Độ màu, độ đục: Nước rác có độ màu rất cao từ 6.900-8.600 Pt/Co, hàm

lượng cặn lơ lửng trong khoảng 200-1000mg/l Độ màu và độ đục của nước rác gây

ra bởi các hợp chất hữu cơ có màu như axit humic, axit fuvic, ligin Một số chất vô

cơ như muối, oxit, hydroxit kim loại (sắt, mangan, đồng…) cũng gây ra màu cho nước rác Chúng tồn tại ở dạng keo lơ lửng và hòa tan trong nước rác

- Mùi: Nước rác cò mùi đặc trưng khó chịu của các chất gây mùi là sản phẩm

của quá trình phân hủy các chất hữu cơ: NH3, H2S, mecaptan, phenol…

- Độ kiềm: Là đại lương đặc trưng cho khả năng tiếp nhận proton của môi

trường nước Độ kiềm của nước gây ra bởi các gốc muối của axit vô cơ yếu (H2CO3, H2SiO3, H3PO4), các dạng tồn tại cụ thể của muối phụ thuộc vào pH của môi trường Trong quá trình phân hủy yếm khí rác thải, các axit yếu trên hình thành

do các phản ứng sinh hóa dưới tác dụng của vi sinh vật trong đó Độ kiềm của nước rác rất cao nằm trong khoảng 100-10.000mg CaCO3/l

* Tính chất hóa học

-Các chất hữu cơ: Các chất hữu cơ có trong nước rác là do quá trình hòa tan

các thành phần trong rác, là các sản phẩm của quá trình phân hủy rác Nồng độ chất hữu cơ được đặc trưng bởi các chỉ số như BOD5, COD, TOC

-Các chất vô cơ: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-… có nồng độ tương đối lớn:

Na+ từ 200-2500mg/l, K+ từ 200-1000mg/l, Ca2+ và Cl- trong khoảng 200-3000mg/l,

Mg2+50-1500mg/l, SO42- 50-1000mg/l… có ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, hàm lượng Ca2+

và Mg2+ quyết định độ cứng của nước rác Các kim loại nặng

có thể có trong nước rác như Fe, Mn, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg…do sự hòa tan các thành phần trong nước rác hoặc là sản phẩm của các quá trình ăn mòn hay tạo phức Nồng

độ của các kim loại nặng phụ thuộc vào đặc trưng của nước rác như pH, lưu lượng

và nồng độ của các tác nhân tạo phức Nhìn chung khi pH tăng thì độ tan của kim

loại giảm

- Hợp chất nitơ, photpho:

+ Hợp chất nitơ: Nitơ tồn tại trong nước rác dưới dạng nitơ hữu cơ,

NH3/NH4+, NO-2, NO3-…Nitơ hữu cơ và amoni sinh ra từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (protein, axitamin) Hàm lượng Nitơ hữu cơ, amoni trong nước rác khá cao ở các bãi chôn lấp mới có thể đạt 800mg/l trong khi ở các bãi rác

cũ chỉ là 80-120mg/l Hàm lượng nitrat tương đối thấp (5-40mg/l) chứng tỏ vẫn còn một phần nitơ bị oxi hóa thành nitrat

+ Hợp chất photpho: Photpho tồn tại trong nước dưới dạng photpho hữu cơ, orthophotphat (PO43-, HPO43-, H2PO43-) và polyphotphat [Na3(PO4)6] Nói chung nồng độ photpho trong nước rác là tương đối thấp so với amoni Hàm lượng photpho tổng trong nước rác mới từ 5-100mg/l, nước rác cũ từ 5-10mg/l

* Tính chất sinh học

Đặc trưng về vi sinh vật trong nước rác được biết đến ít hơn so với các thành phần hóa học khác Một số lượng lớn các vi sinh vật có trong nước rác của các bãi chôn lấp chất thải đô thị Thành phần vi sinh vật có trong nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp Mỗi giai đoạn có các chủng vi sinh vật đặc trưng hoạt động và nước rác mang theo các vi sinh vật có trong rác ra ngoài

Hàm lượng vi khuẩn trong nước rác (tổng coliform, fecal coliform, fecal streptococci) thay đổi đột theo tuổi bãi rác và do vậy thay đổi theo thành phần hóa học của nước rác

1.1.2.2 Các thông số ô nhiễm chính cần xử lý đối với nước rác

Nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn khi xả vào nguồn tiếp nhận được quy định trong Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1 1 QCVN 25:2009/BTNMT các thông số ô nhiễm của nước rác

- Cột B1 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắnhoạt động trước ngày 01 tháng 01 năm 2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;

- Cột B2 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn xây dựng mới kể từ ngày 01 tháng 01 năm

2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

1.1.3 Một số đặc tính nước rác trên thế giới và Việt Nam

1.1.3.1 Đặc tính nước rác trên thế giới

Nước rác đang là một vấn đề nan giải của hầu khắp thế giới kể cả ở các quốc gia đang phát triển Do rác sinh hoạt của các nước được áp dụng biện pháp phân loại rác nghiêm ngặt tại nguồn nên thành phần hóa học của nước rác không phức tạp, nước rác chỉ chứa chủ yếu các chất hữu cơ, nitơ, phốt pho, còn các kim loại nặng, các chất hữu cơ độc hại nguy hiểm có nồng độ không lớn Thành phần chủ yếu tại các bãi chôn lấp của các nước WHO và Mỹ được giới thiệu trong bảng 1.2 dưới đây:

Bảng 1 2 Thành phần nước rác của các nước [WHO, Mỹ]

2 Tổng các chất lơ lửng 200 – 1000 2,0 – 140000

3 Nhu cầu oxy sinh hóa 2000 – 30000 KPH – 195000

4 Nhu cầu oxy hóa học 3000 – 45000 6,6 - 299000

5 Tổng cacsbon hữu cơ 1500 – 20000 KPH – 40000

[Nguồn: Viện Công nghệ môi trường]

Trong nước rác thường chứa một hàm lượng các nguyên tố như Cd, Cr, Pb,

Zn, Cu, Hg, As… nhất định, đôi khi khá cao tùy thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn rác, thời gian chôn lấp, kể cả độ sâu của bãi chôn lấp, như trình bày trong bảng 1.3 dưới đây:

Bảng 1 3 Thành phần nước rỉ rác thu được từ ba độ sâu khác nhau kể từ

lớp phủ bề mặt tại giếng khoan thử nghiệm

TT Chỉ tiêu Đơn vị Độ sâu Dung sai phép đo

(Nguồn: W Hogland et al, 2000)

Nước rác sinh ra do độ ẩm cao của bãi rác trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ tạo thành nước Ngoài ra, một lượng nước mưa đáng kể thấm từ trên bề mặt xuống và lượng nước thấm từ đáy, thành hộc chôn lấp nếu việc xử lý chống thấm không triệt để Nếu nước rác thấm qua các tầng chôn lấp rác trong hộc rác kéo theo các chất bẩn hòa tan hoặc lơ lửng nên hàm lượng các chất hữu cơ cao và chứa nhiều chất độc hại vi sinh gây bệnh Nước rác có khả năng gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường đất và đặc biệt là gây ô nhiễm nguồn nước ngầm

1.1.3.2 Một số đặc tính nước rác tại Việt Nam

Phần lớn các bãi chôn lấp rác thải ở Việt Nam hiện có những đặc điểm chính sau: Hầu hết các bãi rác thải đều xây dựng và hoạt động không đúng kỹ thuật, không theo quy hoạch; Rác thải sinh hoạt không được phân loại khi thu gom, không kiểm soát được thành phần khi đưa đi chôn lấp Vì vậy nước rác vừa có tải lượng lớn, vừa có nồng độ chất ô nhiễm cao, có thành phần phức tạp, khó xử lý; Do nhiều nguyên nhân, các bãi rác đều ở gần khu dân cư, việc ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng

a) Thành phần chất thải đem chôn lấp

Theo viện Công nghệ môi trường Việt Nam, thành phần chất thải chôn lấp tại bãi chôn lấp rác Nam Sơn như sau:

Bảng 1 4 Thành phần chất thải chôn lấp tại bãi chôn lấp rác Nam Sơn

(% trọng lượng ướt)

Trung bình dao động chuẩn (% trọng lượng

Việt Nam là một nước nhiệt đới, có nhiệt độ trung bình năm cao (24oC –

28oC), rác chôn lấp có thành phần chất hữu cơ lớn nên rác thải phân hủy nhanh và

độ phân hủy sâu Yếu tố này cộng với thời gian lưu giữ lâu ngày trong hồ chứa, nên thực tế khó có thể thu được nước rác mới cho quá trình xử lý tại Việt Nam Quá trình vận hành bãi chôn lấp đã sinh ra một lượng đáng kể nước rỉ rác với nồng độ các chất ô nhiễm cao

b) Đặc tính nước rác

Do Việt Nam vẫn áp dụng biện pháp phân loại rác tại nguồn nên thành phần hóa học của nước rác phức tạp Nước rác chứa không chỉ các chất hữu cơ mà còn chứa các chất vô cơ hòa tan, kim loại nặng, các chất hữu cơ độc hại nguy hiểm ở nồng độ khá cao Vì vậy, vấn đề vướng mắc hiện nay mà hầu hết các bãi chôn lấp rác ở Việt Nam gặp phải nhưng chưa có phương hướng giải quyết thích hợp đó là vấn đề xử lý nước rác

Theo nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, thành phần của nước rác có pH trong khoảng 6,7-8,9 còn giá trị COD (8220 - 1270 mg/l), tỷ lệ BOD/COD thấp, nồng độ Nitơ rất cao (156 – 280 mg/l) Ngoài ra nước rác còn chứa nhiều kim loại hòa tan như Ca2+ (314 – 650 mg/l), Zn2+ (0,25 – 0,84 mg/l),

Ni2+ (0,5 – 0,8 mg/l), Cr6+ (0,12 mg/l), Cu2+ (0,46 mg/l), Pb2+< 0,13 mg/l, Hg2+(0,05 – 0,1 mg/l), As (0,5 – 2 mg/l), Cadmi (0,01 – 0,2 mg/l), Pb (0,03 – 0,09 mg/l).[4]

Các thành phần nước rác có thể biến động rất mạnh, tùy thuộc vào tuổi bãi rác, thời gian lấy mẫu – mùa mưa hay mùa khô, và theo những xu hướng khác nhau

Vì vậy, việc khảo sát các đặc trưng của nước rác tại các bãi chôn lấp suốt một thời gian dài, ngay từ khi chúng mới đi vào hoạt động, có thể cung cấp những thông tin quan trọng làm cơ sở để chọn lựa công nghệ xử lý phù hợp

Bảng 1 5 Kết quả phân tích nước rác tại thành phố Hà Nội

[nguồn: Viện công nghệ môi trường]

Kết quả phân tích nước rác tại thành phố Hà Nội của viện công nghệ Môi trường Việt Nam cho thấy: pH trong khoảng 7-9, giá trị COD tại ô chôn lấp cao: 9.225-22.780 mg/l (mùa khô), 2.152 – 6.245 mg/l (mùa mưa); tỷ lệ BOD/COD

thấp; nồng độ nitơ rất cao (mùa khô: 1.586 – 2/151 mg/l, mùa mưa: 485 – 875 mg/l tại ô chôn lấp

Chẳng hạn, kết quả khảo sát nước rác tại Bãi chôn lấp Gò Cát, bắt đầu hoạt động từ cuối tháng 1/2002, trong khoảng thời gian từ khoảng tháng 5/2002 đến tháng 9/2002, trình bày tại bảng 1.7, cho thấy cường độ ô nhiễm hữu cơ của nước rác vào mùa mưa thấp hơn mùa khô đến ~40%, mặc dù tỷ lệ BOD/COD không dao động nhiều Trong quá trình phân hủy kỵ khí, kéo dài trong vòng hơn 5 tháng, cường độ ô nhiễm hữu cơ giảm từ ~39.500 mg/l xuống chỉ còn ~1.500 mg/l Kèm theo đó, pH cũng tăng nhanh và hàm lượng một số nguyên tố như Ca, Fe giảm rất mạnh Với thời gian, hàm lượng NH4-N trong nước rác tăng lên rất đáng kể

Bảng 1 6 Thành phần nước rỉ rác tại Bãi chôn lấp Gò Cát ở các mùa khác nhau

TT Chỉ tiêu Đơn vị Nước rỉ rác

Mùa khô

Nước rỉ rác Mùa mưa

Nước rỉ rác Rác cũ

hoạt như các loại: Ác qui gia dụng, pin tiểu; Các dụng cụ chiếu sáng dùng điện; Sơn; Cặp nhiệt độ y tế; Các sản phẩm điện tử; Các chất tạo màu (pigments) …

Việc tổng hợp và đặc trưng thành phần nước rác là rất khó vì có nhiều yếu tố khác nhau tác động lên sự hình thành nước rò rỉ Nên tính chất của nó chỉ có thể xác định trong một khoảng giá trị nhất định và được cho trong bảng 1.7

Bảng 1 7 Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác củacác bãi

chôn lấp mới và lâu năm

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

(Trên 10 năm)

[Nguồn: Viện kỹ thuật nhiệt đới và Bảo vệ môi trường]

Như vậy, mặc dù thông thường theo các đặc trưng hóa lý nước rác được phân chia làm hai loại: nước rác non (2 – 3 năm sau khi bãi chôn lấp đi vào hoạt động) và nước rác già (từ năm thứ 4 – 5 trở đi), có thể nhận thấy bản thân nước rác non cũng chia làm hai loại khác nhau: trong giai đoạn 3 – 6 tháng đầu, nước rác non mang tính axit, với hàm lượng Ca2+, SO42-, COD, BOD, các kim loại nặng đều từ cao đến rất cao, pH và NH4-N tương đối thấp Giai đoạn tiếp theo, hàm lượng các ion tự do

giảm nhiều, pH trở nên trung tính, NH4-N bắt đầu tăng dần, nhưng COD và BOD vẫn còn rất cao, trong khi tỷ lên COD/BOD dao động trong khoảng 3 – 4 Ngay cả nước rác già vẫn có COD và BOD khá cao, nên vẫn có thể áp dụng công nghệ sinh học, đặc biệt là các quá trình phân hủy kỵ khí như một công đoạn quan trọng hệ thống xử lý

1.2 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RÁC ĐANG ĐƯỢC ÁP DỤNG

1.2.1 Một số công nghệ xử lý nước rác đã được áp dụng ở trên Thế giới

1) Qui trình xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp Koumyoji – thành phố Ichinomiya – Nhật Bản

Hệ thống xử lý được thiết kế cho lưu lượng nước rác 100 m3/ngày, hàm lượng các chất ô nhiễm BOD = 250 mg/l

Thuyết minh công nghệ:

Nước rác được xử lý theo qui trình các bước:

- Xử lý hóa lý: sử dụng tinh thể Canxi

- Xử lý sinh học: kết hợp quá trình xử lý hiếu khí và khử nitơ

- Xử lý bậc cao: xử lý màng kết hợp hấp phụ bằng cacbon hoạt tính

Hình 1 3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp Koumyoji –

Bể phản ứng Ca

CaCO3 Thải bỏ

Bể trung hòa

Bể xử lý BOD

Bể Nitrat hóa

Bể khử Nitơ

Bể hiếu khí

Hấp phụ Cacbon

Xử lý bằng màng

Khử trùng

Nước

sau xử

lý

- Hệ thống xử lý được thiết kế cho lưu lượng nước rác 140 m3/ngày, hàm

lượng các chất ô nhiễm COD = 30.000 mg/l; BOD = 25.000 mg/l

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại URM – Nova Scotia – Canada Thuyết minh công nghệ:

- Nước rác sau khi thu gom được bơm qua bể cân bằng để điều hòa lưu lượng

và nồng độ Sau đó được điều chỉnh tới pH = 9,5 bằng NaOH để kết tủa các kim loại nặng và giảm các chất rắn hòa tan trong nước thải Bùn thải thu được từ quá trình này được đưa qua máy ép bùn Tiếp đó sử dụng HCl để điều chỉnh pH thích hợp trước khi đưa nước thải qua bể xử lý yếm khí Nước thải được tiếp tục qua hồ hiếu khí 1, tại đây có sử dụng máy thổi khí để cấp oxi, để oxi hóa các chất hữu cơ

có trong nước thải Hồ hiếu khí 2 có kết hợp quá trình lắng bùn, lượng bùn một phần được tuần hoàn Sau đó nước được đưa qua hồ lắng để loại bỏ các chất rắn, rồi cuối cùng đi vào bãi lọc tự nhiên Bãi lọc này chia 2 ngăn, một là ao nước, một sử

Bể yếm khí

Tuần hoàn Cấp O2

Bùn

Hồ lắng

Hồ hiếu khí 1

Hồ hiếu khí 2

dụng cây thực vật để xử lý các chất hữu cơ còn lại, đồng thời khử nitơ, photpho có trong nước thải Tổng diện tích của bãi lọc lên tới 5,5 ha

3) Hệ thống xử lý nước rác của hai BCL rác sinh hoạt ở Mỹ

Hình 1 5 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 (USEPA)

Công nghệ xử lý ở BCL 1 bao gồm kết tủa hydroxyde, xử lý sinh học (tháp sinh học kị khí và hiếu khí) và cuối cùng xử lý bằng lọc nhiều lớp Xử lý sinh học được sử dụng ở đây chủ yếu để khử NH4+

-N (99%) và COD (91%) Hàm lượng COD và NH4+-N còn lại trước khi xả ra sông là 159 mg COD/l và 1,2 mg NH4+-N Các hàm lượng chất hữu cơ độc và kim loại nặng giảm đáng kể

Hệ thống xử lý ở BCL 2 gồm bể keo tụ vôi, sinh học từng mẻ (SBR), lọc cát,

cột than hoạt tính và tiếp xúc chlorine

Hình 1 6 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA)

Bể lọc cát

ammonia

SBR

NaOH

Bể tạo bông

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Bể lưu bùn

Lọc ép

Bể lọc

Than hoạt tính

Bể tiếp xúc chlorine

chất keo tụ

Bùn thải

Bùn thải vào BCL

Xả ra

Nước tách bùn

Bùn thải

Bể lọc cát

ammonia

SBR

NaOH

Bể tạo bông

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Bể lưu bùn

Lọc ép

Bể lọc

Than hoạt tính

Bể tiếp xúc chlorine

chất keo tụ

Bùn thải

Bùn thải vào BCL

Xả ra

Nước tách bùn

Bùn thải

Bể bơm NT

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Lọc ép

Tháp lọc kị khí

Tháp lọc hiếu khí

Polyme

Bùn thải

tạo bông

Bể trộn

FeCl 3 , NaOCl, HCl

Bể Lắng 2

Bể bơm NT

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Lọc ép

Tháp lọc kị khí

Tháp lọc hiếu khí

Polyme

Bùn thải

tạo bông

Bể trộn

FeCl 3 , NaOCl, HCl

Bể Lắng 2

COD đầu ra vẫn khoảng 160 – 250 mg/l Kết quả trên cho thấy với công nghệ xử lý bậc cao (sau xử lý sinh học) như trên (lọc, than hoạt tính) để đạt COD

<100 mg/l là không thể

Qua các công nghệ xử lý nước rác trong và ngoài nước cho thấy nhiệm vụ chủ yếu trong xử lý nước rác mới là khử BOD và N hữu cơ, chưa được đầu tư đúng mức cho việc xử lý NH4+-N trong nước thải

Một trong các xu hướng mới đang được thế giới nghiên cứu và áp dụng thời gian gần đây là phương pháp loại bỏ các chất gây ức chế/gây độc với các tác nhân sinh học, đặc biệt là các vi sinh vật, phương pháp này được gọi là “công nghệ hóa lý”, không chỉ loại bỏ ngay các chất mà các tác nhân vi sinh vật không loại bỏ được

mà còn có tác dụng thúc đẩy cũng như đảm bảo các điều kiện cần thiết cho các vi sinh vật trong các tổ hợp sinh học phân giải hiệu quả (VD: phản ứng ngắt mạch và oxy hóa nhằm tăng tỷ lệ BOD5/COD…), và có thể khẳng định công nghệ hóa lý góp phần cải thiện khả năng phân hủy của vi sinh và nâng cao hiêu suất phân giải và loại

bỏ các chất hữu cơ sau đó là trong hệ thống sinh thái là bãi lọc trồng cây Hướng phát triển kỹ thuật nay đang được nhiều nhà khoa học quan tâm và có nhiều công trình nghiên cứu

Hiện nay, rất nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng công việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ độc hại bằng phương pháp oxy hóa, trong đó các chất oxy hóa thường dung là KMnO4, K2Cr2O7, Cl2, Ca(ClO)2, O3, H2O2, Nhiều nghiên cứu đã thấy được những khả năng của quá trình oxy hóa tiên tiến (AOPs) trong xử

lý nước rác Quá trình oxy hóa tiên tiến là sự kết hợp giữa sử dụng tác nhân oxy hóa (O3, H2O2…) với các quá trình xử lý hóa lý khác Quá trình này có thể cho phép phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2 và H2O

1.2.2 Một số công nghệ xử lý nước rác đã được áp dụng ở Việt Nam

Xử lý nước rác từ các bãi chôn lấp rác hiện đang là vấn đề được quan tâm đặc biệt tại các đô thị lớn ở Việt Nam Hiện đã có nhiều công trình nghiê cứu và ứng dụng xử lý nước rác, tuy nhiên trên thực tế, hầu hết các công trình này đều không đáp ứng được yêu cầu xử lý đạt tiêu chuẩn thải tại Việt Nam, Quy chuẩn 25:2009/BTNMT (Cột B2) đối với các chỉ tiêu COD, BOD5, tổng Nitơ và amoni

Trên phương diện nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, cho đến nay

đã có một số trạm/dây chuyền xử lý nước rác đã được triển khai:

1) Công trình xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp Nam Sơn – Sóc Sơn, Hà Nội Thuyết minh công nghệ:

Nước rác từ các ô chôn lấp đang hoạt động (hoặc hồ hiếu khí) được bơm qua song chắn rác đặt ở miệng hố thu để loại bỏ rác có kích thước lớn hơn 1 - 1,5 mm, sau đó nước rác được dẫn vào bể sục vôi và có hệ thống sục khí bằng máy thổi khí riêng với mục đích loại bỏ kim loại nặng và khử Nitơ ở bước tiếp theo Nước rác được điều chỉnh pH nhờ hệ thống cấp NaOH hoặc CaO Sau khi qua bể sục vôi, nước thải chảy qua 2 bể lắng ngang để lắng cặn vôi Nước sau khi tách cặn vôi được bơm vào bể điều hòa, bùn cặn vôi sau khi được tách ở bể lắng ngang được bơm sang bể chứa bùn vôi Nước thải từ bể điều hòa được bơm lên lên bể tách Cacbonat (bể lắng) và được cho chảy về hố bơm 1 để điểu chỉnh pH trong khoảng 10 - 12, sau

đó được bơm lên tháp Stripping

Nước thải sau khi đã được nâng pH (pH = 12) để lượng NH4+

-N chuyển thành NH3 –N sẽ được xử lý bằng tháp stripping (có khả năng loại bỏ NH3 –N từ

360 mg/l xuống còn 10mg/l) trước khi được cho qua bể SBR Tiếp đó nước thải được đưa qua hệ thống bể xử lý sinh học bao gồm có bể đệm Selector và bể sinh học hiếu khí Việc thiết kế bể đệm Selector nhằm đảm bảo ổn định môi trường cho cụm xử lý vi sinh vật sau đó, đồng thời bổ sung thêm các chất dinh dưỡng như phosphos và nguồn carbon (đường/rỉ đường…), bùn sinh học sẽ được hồi lưu trực tiếp từ Bể lắng thứ cấp về bể này Hệ thống sục khí sẽ cung cấp ôxy cho quá trình ôxy hoá cũng như xáo trộn đều các hóa chất và các chất dinh dưỡng bổ sung

Hình 1 7 Sơ đồ công nghệ xử lý nước tại Bãi chôn lấpNam Sơn – Sóc Sơn, HN

Nước thải sau khi qua xử lý sinh học vẫn còn độ màu cao và còn chứa các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học Do đó, chúng được cho qua hệ thống xử lý oxy hoá bậc cao để khử màu và xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ còn lại Nước thải sau khi cho qua hệ thống xử lý oxy hoá này được bơm lên thiết bị lắng Semultech, trên Semultech có ngăn được gắn máy khuấy để khuấy trộn nước thải với polymer nhằm tăng khả năng lắng để tách hoàn toàn cặn bùn ra khỏi nước trước khi qua bể lọc cát Bùn lắng xuống đáy bể Semultech được định kỳ xả về bể chứa bùn

Nước thải sau khi được tách bùn ở bể Semultech được dẫn đến hệ thống lọc cát Bể lọc cát có tác dụng loại bỏ hoàn toàn các cặn lơ lửng trước khi qua bể khử trùng Quá trình rửa ngược bể lọc cát bằng hệ thống bơm rửa ngược lấy nước từ bể chứa nước sạch Nước sau khi tách cặn ở bể lọc cát được cho qua bể khử trùng rồi thải bỏ

2) Qui trình xử lý nước rác tại Bãi rác Gò Cát – Bình Tân – Thành phố

Hồ Chí Minh thiết kế cho lưu lượng nước rác 200 m3/ngày đêm

Thuyết minh công nghệ:

Nước rác từ bãi chôn lấp theo mương dẫn chảy về hố thu gom và lắng cặn, sau đó nước tự chảy tràn qua lưới chắn rác và vào hồ sinh học yếm khí có chứa xơ

Bể khử trùng

Nước rác

Cấp vôi, khí

Bể trộn vôi

Bể lắng cặn vôi

Bể chứa bùn

Bể điều hòa

Tháp stripping

Cấp khí

Bể Selector

Bể xử lý sinh học

Bể lắng Cụm bể

oxi hóa

Bể lọc cát

Nước

đầu ra

dừa, tại đây diễn ra quá trình phân huỷ các chất ô nhiễm bằng các vi sinh vật yếm khí dính bám trên xơ dừa Nước rác sau khi qua cụm xử lý sinh học yếm khí, đã được loại bỏ một phần đáng kể chất ô nhiễm, sẽ được bơm vào hệ thống bể vôi, tại đây hầu hết các kim loại sẽ được giữ lại đồng thời cũng làm giảm đáng kể các chất

ô nhiễm trước khi được đưa vào hệ thống tháp Stripping xử lý nitơ Tiếp theo nước thải được đưa vào hệ thống xử lý sinh học hiếu khí, tại bể Selector sẽ được điều chỉnh môi trường thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật, rồi được đưa vào bể Aeroten Tại bể Aeroten có sục khí với mục đích cấp khí cho vi sinh vật đồng thời xáo trộn đều các chất trong bể

Tiếp đó nước rác được đưa qua cụm xử lý hóa lý, rồi oxi hóa bậc cao bằng fenton để oxi hóa hoàn toàn các chất ô nhiễm còn lại sau quá trình xử lý sinh học đồng thời khử màu của nước thải Sau khi qua bể lọc cát nước thải được khử trùng

Với thành phần phức tạp và thay đổi rất nhanh của nước rác, công nghệ xử lý nước rác của các nước trên thế giới đều kết hợp quá trình sinh học, hóa học và hóa

Bể khử trùng

Nước rác

Cấp vôi, khí

Hồ yếm khí

Bể sục vôi

Bể lắng cặn vôi

Bể điều hòa

Cấp khí

Cụm xử

lý nitơ

Cụm xử lý sinh học

Nước

đầu ra

lý Hầu hết các công nghệ xử lý đều bắt đầu với xử lý nitơ bằng phương pháp Nitrate hóa và khử Nitrate Phụ thuộc vào tiêu chuẩn xả thải của mỗi nước các bước

xử lý tiếp theo sau quá trình sinh học để xử lý các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy thường được áp dụng là hóa lý (keo tụ/tạo bông, than hoạt tính), oxy hóa nông cao (fenton, ozone, ), màng lọc

1.3 LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Tích hợp là hợp thành một thể thống nhất, bổ sung thành một thể thống nhất, hợp nhất Như vậy, tích hợp công nghệ hóa lý và sinh học là việc hợp nhất các ưu điểm của hai loại công nghệ hóa lý và sinh học thành một thể thống nhất, đồng thời tìm ra các hạn chế và các yếu điểm của hai loại công nghệ trên

Nước rác đầu vào có khoảng dao động rất lớn về nồng độ, trong khi đó nước rác lại chứa rất nhiều đất, cát, chất rắn lơ lửng sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình xử

lý Do đó cần phải có một hồ lưu chứa ở dây chuyền, hồ này đóng vai trò như bể cân bằng với thời gian lưu nước lâu, là điều kiện thích hợp để ổn định nồng độ và lưu lượng nước rác, hạn chế sự sốc tải cho hệ thống xử lý, lắng cặn bớt các chất lơ lửng trong nước rác từ bãi chôn lấp và đóng vai trò ổn định một phần chất thải trong nước rác cũ và mới chảy vào hồ

Đối tượng chính cần xử lý trong nước rác là các hợp chất hữu cơ, các hợp chất nitơ Ngoài ra trong nước rác còn có một số yếu tố ô nhiễm có liên quan trực tiếp cần xử lý như: độ kiềm, P, Ca, Mg, Cl, kim loại nặng… rất cao, do đó tiếp cận phương pháp của đề tài ở đây là ứng dụng công nghệ tích hợp hóa lý – sinh học để

xử lý nước rác Trên quan điểm công nghệ, mỗi quá trình xử lý hóa lý, sinh học đều

có những ưu điểm và nhược điểm riêng Khi xử lý riêng rẽ, những nhược điểm này

sẽ được bộc lộ và hiệu quả của quá trình xử lý sẽ bị hạn chế Nhưng nếu thiết lập được một quy trình công nghệ phối hợp hóa lý – sinh học thì các ưu điểm của các công nghệ riêng rẽ bổ sung cho nhau và các nhược điểm sẽ được khắc phục, làm tăng hiệu quả xử lý

Công nghệ hóa lý có vai trò rất quan trọng trong quy trình công nghệ phối hợp hóa lý –sinh học, do có rất nhiều ưu điểm như: Hiệu quả xử lý cao, dễ điều

khiển quá trình, tuổi thọ của công trình cao,… Trong quy trình công nghệ tích hợp hóa lý – sinh học thì phần công nghệ hóa lý được đặt ở khâu đầu vì các lý do sau:

- Công nhệ hóa lý ở đây sử dụng các tác nhân hóa lý để loại bỏ các chất vô

cơ, các ion độc, Ca2+

, các kim loại nặng, loại bỏ một phần các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là các phản ứng bẻ mạch các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn (vi sinh vật không có khả năng hoặc khó phân giải) thành các chất hữu cơ đơn giản và có khối lượng phân tử nhỏ hơn mà khi đó các vi sinh vật mới có khả năng phân giải được Bên cạnh đó, vi sinh vật chỉ có thể sống và phát triển được trong môi trường nước có nồng độ các chất ức chế vi sinh, các chất độc ở mức độ nhất định

- Trong khi đó, giai đoạn đầu của quy trình công nghệ (nước rác vào) thường

có nồng độ các chất ô nhiễm cao (đặc biệt là COD, T-N, T-P,…) cũng như không phù hợp với các điều kiện xử lý vi sinh, như các tỷ lệ BOD5/COD, tỷ lệ C:N:P cũng như tỷ lệ N:P ở mức độ nhất định

- Trong quy trình công nghệ tích hợp trên, công nghệ hóa lý sẽ là công đoạn đầu của dây chuyền với mục đích chủ yếu là đảm bảo đáp ứng các điều kiện của quá trình xử lý vi sinh để vi sinh vật có thể sống và sinh trưởng

Công nghệ sinh học có vai trò rất quan trọng trong quy trình công nghệ phối hợp hóa lý, đây là công nghệ chủ đạo do có nhiều ưu điểm như: Hiệu quả xử lý cao, không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý do đó không phát sinh ô nhiễm thứ cấp, tiêu tốn năng lượng cho vận hành thấp, thân thiện với môi trường… Những ưu điểm này góp phần quan trọng để đạt mục tiêu giảm phác thải thứ cấp, giảm lượng bùn thải, giảm tiêu hao năng lượng trên mỗi m3 nước được xử lý Trong quy trình công nghệ phối hợp hóa lý – sinh học, phần sinh học được đặt sau khâu hóa lý vì các lý do sau:

- Về tác nhân sinh học: Chỉ số ô nhiễm cao của nước rác đặt ra yêu cầu rất khắt khe trong việc phân lập, tuyển chọn và cải tạo hoạt tính chủng vi sinh vật làm tác nhân cho quá trình xử lý Các chủng vi sinh vật này, trước hết phải sống được trong môi trường ô nhiễm cao của nước rác, đồng thời chúng phải thể hiện được đủ năng lực phân hủy hay chuyển hóa đủ sạch các thành phần ô nhiễm khác nhau trong nước rác (nhờ hoạt tính của một chủng hay khai thác đồng thời, kế tiếp năng lực của

nhiều chủng) Yêu cầu trên được cụ thể hóa trong các nhiệm vụ phân lập và tuyển chọn chủng vi sinh vật, nghiên cứu hoạt tính vi sinh vật, nghiên cứu xác định môi trường và điều kiện lên men thích hợp trên các chủng lựa chọn để thu sinh khối và nghiên cứu sản xuất được các dạng chế phẩm vi sinh vật thích ứng đủ để cung cấp cho hệ thống xử lý trong suốt quá trình vẫn hành

- Đối tượng vi sinh vật cần phân lập, tuyển chọn và cải tạo nâng cao hoạt tính chủng để sản xuất chế phẩm vi sinh sử dụng trong hệ thống xử lý trước hết định hướng vào năng lực phân giải hay chuyển hóa các thành phần ô nhiễm hữu cơ chính trong nước rác là: Các hợp chất cacbon khó chuyển hóa, các dạng ô nhiễm nitơ (nitơ hữu cơ và các muối nitơ vô cơ NO2-, NO3-), các dạng hợp chất photpho và lưu huỳnh hòa tan khác nhau, các ion kim loại nặng Khác biệt hơn (hay đòi hỏi nghiêm ngặt hơn trong quá trình tuyển chọn chủng) so với các chế phẩm vi sinh xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ thông thường là các chủng vi sinh vật này phải thể hiện khả năng chuyển hóa các thành phần ô nhiễm mong đợi, ngay trong điều kiện môi trường có tải trọng ô nhiễm nặng các thành phần khác trong nước rác Đồng thời, đặc tính ô nhiễm cao của nước rác dường như không cho phép chờ đợi khả năng xử

lý chỉ bằng một chủng vinh sinh vật duy nhất Hay nói cách khác việc nghiên cứu phối hợp hoạt tính xử lý ô nhiễm của nhiều chủng vi sinh vật (hay một số chủng vi sinh vật) chắc chắn sẽ mang lại lợi thế lớn hơn trong mục tiêu chuyển hóa xử lý an toàn các thành phần ô nhiễm này

Trong xử lý nước rác, phương pháp xử lý sinh học được áp dụng rộng rãi ngoài việc hiệu quả xử lý tốt còn cho giá thành xử lý thấp so với các phương pháp khác Đây là phương pháp truyền thống chủ đạo trong xử lý nước rác Tuy nhiên, phương pháp sinh học chỉ có hiệu quả cao đối với các chất có thể phân hủy sinh học Khi nước rác đã đi vào ổn định thì việc áp dụng quá trình xử lý sinh học không còn mang lại hiệu quả cao Với các chất hữu cơ độc hại khó có thể xử lý bằng phương pháp sinh học mà phải dùng các phương pháp hóa lý như keo tụ tạo bông, oxy hóa hóa học, oxy hóa điện hóa, màng … để tách chúng hoặc đưa về dạng các chất hữu cơ đơn giản có thể xử lý bằng phương pháp sinh học hoặ oxy hóa tới tận cùng tạo thành các chất không gây ô nhiễm

Công nghệ xử lý nước rác rất phong phú với cỡ vài chục biến hình công nghệ đang được sử dụng trong thực tiễn trên nền của quá trình công nghệ cơ bản theo từng cấp Để xử lý nước rác cần phải kết hợp các phương pháp xử lý khác nhau để tạo một hệ thống hoàn chỉnh Có rất nhiều công nghệ được triển khai áp dụng, phụ thuộc vào thành phần nước rác cần xử lý và yêu cầu của tiêu chuẩn thải Hai phương pháp cơ bản áp dụng trong xử lý nước rác là phương pháp hóa lý và sinh học

Xử lý sử dụng phương pháp hóa lý, ứng dụng công nghệ cao: Nhằm xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (COD), các chất ô nhiễm đặc biệt, các chất

vô cơ … Tùy công nhệ mà gồm các modul khác nhau như: Oxy hóa – khử, keo tụ - kết tủa, lọc màng, hấp phụ, oxy hóa điện hóa…

Mỗi quá trình xử lý hóa lý, sinh học đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Khi xử lý riêng rẽ, những nhược điểm này sẽ được bộc lộ và hiệu quả của quá trình xử lý sẽ bị hạn chế Nhưng nếu thiết lập được một quy trình công nghệ phối hợp hóa lý – sinh học thì các ưu điểm của các công nghệ riêng rẽ sẽ bổ sung cho nhau và các nhược điểm sẽ được khắc phục làm tăng hiệu quả xử lý.[4]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP HÓA LÝ – SINH HỌC

2.1 CÁCH TIẾP CẬN

2.1.1 Phương pháp xử lý nước rác

Nước rác là một loại nước thải đặc biệt, tuy nhiên cũng như các loại nước thải khác, có các phương pháp cơ bản để xử lý nước rác là phương pháp hóa học, hóa lý và sinh học

Hiện nay, để xử lý nước thải người ta thường áp dụng nhóm các phương pháp sau một cách độc lập hoặc kết hợp

2.1.1.1 Phương pháp hóa lý

Dùng hóa chất để trung hòa, tạo huyền phù, tạo kết tủa, hấp phụ trao đổi… Phương pháp thường áp dụng xử lý nước rác gồm: Đông keo tụ, trao đổi ion, oxy hóa, kết tủa

a) Keo tụ: Sử dụng các loại hóa chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt,

pholycloridealuminium – PAC) kết hợp với các chất trợ keo tụ (polymer hữu cơ tích điện âm, dương hay trung hòa có dạng mạch thẳng) để tách các chất cặn không tan trong nước Trong quá trình keo tụ nước rác, các cặn không tan chủ yếu là thành phần hữu cơ, vì vậy keo sẽ làm giảm COD ở dạng không tan Al2O3, Al(OH)3,

Fe2O3, Fe(OH)3 tạo thành qua phản ứng thủy phân có khả năng hấp phụ một phần chất hữu cơ hòa tan, vì vậy cũng loại bỏ thêm được một phần COD tan trong nước rác, chủ yếu là các chất hữu cơ có phân tử lượng cao (>5000 đvC) và một số hợp chất gây màu Quá trình keo tụ làm giảm hàm lượng photphat do tạo thành các muối photphat nhôm, sắt khó tan và cũng làm giảm pH, giảm độ kiềm của nước rác

b) Kết tủa hóa học

Quá trình này để khử bớt chất rắn lơ lửng, BOD, COD của nước thải trước khi cho vào quá trình xử lý sinh học và trợ giúp cho các quá trình lắng trong các bể lắng sơ và thứ cấp

Các hóa chất thường sử dụng cho quá trình này được liệt kê trong bảng 6.1 Hiệu suất lắng phụ thuộc vào lượng hóa chất sử dụng Thông thường nếu tính toán

tốt quá trình này có thể loại được 80 - 90% TSS, 40-70% BOD5, 30-60% COD và 80-90% vi khuẩn trong khi các quá trình lắng cơ học thông thường chỉ loại được 50-70% TSS, 30-40% chất hữu cơ

Bảng 2 1 Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình kết tủa

3 Ferric sulfate Fe2(SO4)3 400

* Sử dụng hóa chất để loại chất rắn lơ lửng

Phèn nhôm: khi được thêm vào nước thải có chứa calcium hay magnesium bicarbonate phản ứng xảy ra như sau:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO)3 <=> 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O Aluminum hydroxide không tan, lắng xuống với một vận tốc chậm kéo theo

nó là các chất rắn lơ lửng Trong phản ứng tên cần thiết phải có 4,5 mg/L alkalinity (tính theo CaCO3) để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/L phèn nhôm Do đó nếu cần thiết phải sử dụng thêm vôi để alkalinity thích hợp

Vôi: khi cho vôi vào nước thải các phản ứng sau có thể xảy ra

Ca(OH)2 + H2CO3 <=> CaCO3 + 2H2O

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 <=> 2CaCO3 + 2H2O

Quá trình lắng của CaCO3 sẽ kéo theo các chất rắn lơ lửng

Sulfate sắt và vôi: trong hầu hết các trường hợp sulfate sắt không sử dụng riêng lẻ mà phải kết hợp với vôi để tạo kết tủa Các phản ứng xảy ra như sau:

FeSO4 + Ca(HCO3)2 <=> 2Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 2H2O

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 <=> 2Fe(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O

Ferric chloride và vôi: phản ứng xảy ra như sau

FeCl3 + Ca(OH)2 <=> 3CaCl2 + 2Fe(OH)3

Ferric sulfate và vôi: phản ứng xảy ra như sau

Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2 <=> 3CaSO4 + 2Fe(OH)3

* Sử dụng hóa chất để loại bỏ phospho trong nước thải

Vôi: như đã trình bày ở các phương trình trên, khi cho vôi vào nước thải nó

sẽ phản ứng với bicarbonate alkalinity tạo thành kết tủa CaCO3 Trong môi trường

pH > 10 các ion Ca+2 sẽ phản ứng với các ion PO4-3 tạo nên hydroxylapatite kết tủa

Để khỏi ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học người ta thường dùng vôi ở liều lượng thấp 75-250 mg/L Ca(OH)2 và pH từ 8,5 - 9,5

c)Kết tủa các kim loại nặng

Cơ chế của phương pháp

Mn++ Am- MmAn (kết tủa)

[M]m [A]n > TtMA

Trong đó: Mn+- ion kim loại; Am-- Tác nhân tạo kết tủa; Tt- Tích số tan Kết tủa hóa học là phương pháp thông thường nhất để xử lý hầu hết các kim loại trong nước dưới dạng kết tủa với OH-, CO32-, SO42-, S2-…bằng cách đưa thêm tác nhân hóa học vào trong nước sau đó các dạng kết tủa được tách khỏi nước nhờ quá trình lắng lọc các hóa chất thường được dung trong quá trình kết tủa là Ca(OH)2, NaOH, Na2S, Na2SO4…Trong quá trình kết tủa pH kết tủa cực đại của các kim loại không trùng nhau, ta tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 4-12 tùy theo giá trị cức tiểu cần tìm bỏ kim loại mà không gây độc hại Nếu trong nước thải có nhiều kim loại nặng thì càng thuận tiện cho quá trình kết tủa vì ở giá trị pH nhất định độ hòa tan của các kim loại trong dung dịch có mặt các kim loại khác sẽ giảm,

cơ chế có thể do một hay đồng thời cả 3 nguyên nhân sau:

+ Tạo thành chất cùng kết tủa

+ Hấp thụ các hydroxit khó kết tủa vào bề mặt các bong hydroxit dễ kết tủa

+ Tạo thành hệ nghèo năng lượng trong mạng hydroxit do chúng bị phá hủy mạnh bằng các ion kim loại

Thông thường giá trị pH giảm sau khi kết tủa nguyên nhân có thể do:

+ Trong quá trình kết tủa tạo thành các hydroxyt kim loại hay muối kiềm khó tan làm hàm lượng ion hydroxyt (OH-) giảm

+ Hấp phụ các chất trung hòa vào các bong cặn hydroxyt kim loại có bề mặt lớn Như vậy đối với phương pháp kết tủa kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng nên khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp Ngoài ra quá trình kết tủa còn phụ thuộc vào các yếu tố như: liều lượng tác nhân kết tủa, thời gian và tốc độ khuấy trộn

Bảng 2 4 pH thích hợp cho việc kết tủa các kim loại[29]

d) Quá trình AOP: Đặc trưng của tất cả các quá trình AOP là đều dựa vào

khả năng oxy hóa mạnh với tốc độ cao và không lựa chọn của gốc tự do hydroxyl

OHo được sinh ra ngay trong quá trình phản ứng (in situ) có thể phân hủy đến khoáng hóa hoàn toàn chất ô nhiễm hữu cơ thành CO2, H2O, các chất vô cơ đơn giản hoặc có thể oxy hóa các chất khó phân hủy sinh học thành các chất có phân tử lượng nhỏ hơn, có khả năng phân hủy sinh học

Bảng 2 5 Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng[12]

Bảng 2 6 Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng [12]

1 H2O2 và năng lượng

photon UV

H2O2hv 2*HO ( = 220 nm) UV/H2O2

* Công nghệ O 3 /UV: O3/UV là một trong những công nghệ thường hay được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước Khi kết hợp giữa O3 và tia UV trong một hệ phản ứng thì các gốc hoạt hoá OHo được tạo ra nhanh và nhiều khiến cho các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ như các hoá chất BVTV, phenol, và các hợp chât hữu cơ mạch vòng… bị phân huỷ dễ dàng và nhanh chóng hơn khi chỉ sử dụng phương pháp O3 hoá hoặc tia UV

Quá trình quang phân O3 dưới tác dụng của UV sẽ tạo ra H2O2 sau đó, từ

H2O2 lại bị quang phân tiếp tục tạo gốc oOH Quá trình xảy ra như sau:

O  hv  H O  H O  O

H2O2 +hv  2oOH

Khi sử dụng nguồn UV là đèn hơi thủy ngân thấp áp với bước sóng 253,7nm;

hệ số hấp thu phân tử của O3 đạt được rất cao; 3,3001M-1cm-1; nên rất thích hợp

trong trường hợp này Hiệu suất tạo gốc *OH đối với hệ O3/UV là 2,00 gốc

*OH/photon trong khi đó hệ *

- Khi chỉ sử dụng O3 làm tác nhân oxy hóa hiệu suất loại bỏ Metolachlor đạt 95% với nồng độ O3 1 mg/l trong thời gian tiếp xúc 8-10 phút

- Khi sử dụng O3/UV: hiệu suất loại bỏ Metolachlor đạt 95% với nồng độ O3

1 mg/l kết hợp với liều bức xạ UV 4-6 J/m2 chỉ trong thời gian tiếp xúc 4 phút

Đối với công nghệ này thường thiết kế để quá trình O3 hoá xảy ra ngay trong môi trường nước được hấp thụ bức xạ UV.[12]

- Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, axit amin hoặc muối piruvat khác Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động

- Các nhóm vi khuẩn kị khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic hoặc glyxerin, axetat,

CH3CH2COOH + H2O  CH3COOH + CO2 + 3H2