Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình anamox khử n ammonia nồng độ cao của nước rỉ bãi rác cũ

Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào tuổi của bãi rác, số lượng và thành phần của chất thải rắn được chôn lấp, các quá trình sinh học và hóa học đã và đang diễn ra trong bãi chôn lấp, lư

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nitơ là một nguyên tố quan trọng của sự sống Nó có thể tồn tại trong rất nhiều các hợp chất hữu cơ hay vô cơ với các trạng thái hóa trị khác nhau (từ -III đến +IV) Nitơ có mặt trong mọi cấu trúc tế bào và là yếu tố dinh dưỡng quan trọng Nước thải chứa Nitơ ở nồng độ cao nếu chưa được xử lý tốt mà phát thải ra môi trường thì

sẽ gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng đặc biệt là hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước và gây độc cho các hệ sinh thái thủy sinh

Ammonia bản thân nó có thể là chất độc đối với hệ thủy sinh nếu nồng độ lớn hơn 0,03 mg/L (Solbe và Shurben, 1989) Sản phẩm của quá trình nitrate hóa nitơ ammonia là nitrate có thể gây nhiễm bẩn các nguồn nước cấp sinh hoạt; nitrite có thể hạn chế việc vận chuyển oxy trong máu ở trẻ em, và trong quá trình chlorination của quá trình xử lý nước cấp nitrite có thể tạo thành carcinogenic nitrosamines ảnh hưởng đến sức khỏe con người Để loại bỏ nitơ trong nước thải, nhiều quá trình sinh học, hóa học đã được ứng dụng rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới

Nước rỉ rác là dòng nước thải với nồng độ đậm đặc của các thành phần hữu cơ, vô

cơ, ammonium nitơ và kim loại nặng khiến cho nước rỉ rác là nguồn ô nhiễm rất độc hại đối với môi trường, đặc biệt là nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm Thành phần nước rỉ rác phụ thuộc vào tuổi của bãi rác, số lượng và thành phần của chất thải rắn được chôn lấp, các quá trình sinh học và hóa học đã và đang diễn ra trong bãi chôn lấp, lưu lượng dòng thấm vào bãi rác Nước rỉ rác từ bãi rác thông thường

có nồng độ ammonia rất cao, nếu không được quan tâm xử lý đúng mức và thải vào môi trường có thể là nguồn dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo… gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa, gây ra sự thiếu hụt oxy hòa tan trong nước; NH3 hòa tan với nồng độ > 0.2 mg/L đã có thể gây chết cho nhiều loài cá và thủy sinh vật và là nguồn chất độc đối với hệ sinh thái xung quanh

Như vậy việc tìm kiếm giải pháp cho việc xử lý nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao cũng như xử lý nitơ trong nước rỉ rác ở điều kiện cụ thể của Việt Nam là một đòi hỏi cấp

bách nhằm ứng dụng trong công nghệ xử lý nước rác hiện nay sao cho thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi trường

Thông thường để xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học thường trải qua các giai đoạn nitrate hóa và khử nitrate Tuy nhiên đối với nước rỉ rác, để nitrate hóa hoàn toàn và khử nitrate với nồng độ nitơ cao đòi hỏi thời gian lưu nước trong hệ thống rất dài và chi phí bổ sung hóa chất, dinh dưỡng cho quá trình là rất lớn Đây là hạn chế của phương pháp xử lý nitơ truyền thống này

Trong thập niên gần đây, một quá trình khử nitơ bằng phương pháp sinh học mới được phát hiện và bước đầu được nghiên cứu ứng dụng thành công ở một số nước trên thế giới có thể khắc phục những nhược điểm kể trên của phương pháp truyền thống, đó là phương pháp Anammoxx Công nghệ này sử dụng kết hợp hai quá trình

là Nitrate hóa bán phần và quá trình Anammoxx Nó có nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thống do thời gian lưu ít hơn, ít tiêu tốn hóa chất và năng lượng … Tuy nhiên, quá trình thích nghi, khởi động hệ thống gặp nhiều khó khăn do vi khuẩn Anammoxx trong quá trình Anammoxx rất khó thích nghi và làm giàu Do đó, việc nghiên cứu thích nghi làm giàu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammoxx là một đòi hỏi cấp bách để có thể áp dụng công nghệ này vào thực tế

1.2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN

Khảo sát đánh giá khả năng thích nghi làm giàu nhóm vi khuẩn Anammoxx trong điều kiện vận hành với hai loại nước thải nhân tạo và thành phần nguyên tố vi lượng khác nhau

Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến quá trình xử lý của hệ Anammoxx và xác định tải trọng vận hành thích hợp

Xác định nồng độ muối gây ảnh hưởng đến quá trình xứ lý của hệ vi khuẩn Anammox

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

o Nước thải sử dụng trong nghiên cứu: nước thải nhân tạo từ phòng thí nghiệm tham khảo từ tài liệu Start – up of the Anammox process in membrane bioreactor

o Thời gian nghiên cứu: 18/03/2008 – 30/06/2008

o Đối tượng nghiên cứu: khả năng thích nghi – xử lý nitơ, ảnh hưởng tải

lượng nitơ và hàm lượng muối đến hệ bùn Anammox nuôi cấy trong mô

hình Anoxic SBR lấy từ mô hình nghiên cứu của Kĩ sư Nguyễn Văn Hiệp

trong đề tài “Nghiên cứu so sánh hiệu quả khử nitơ của quá trình khử nitrite và quá trình Anammox cho nước thải nhân tạo” thực hiện

12/2007 Từ phần bùn kể trên, tác giả dự định bổ sung thêm bùn kỵ khí trong hệ thống xử lý nước thải nhà máy thủy sản Châu Á và bùn kỵ khí từ

bể kỵ khí kết hợp vật liệu đệm của hệ thống xử lý nước thải Lò mổ Hóc

Môn trong trường hợp nồng độ sinh khối Anammox trong hệ bùn ban đầu không đáp ứng được cho quá trình nghiên cứu đề tài

o Nghiên cứu thực hiện trên mô hình sinh học từng mẻ (SBR)

o Các chỉ tiêu phân tích: pH, N – TAN, N – NO2-, N – NO3-, TDS

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1 Phương pháp luận

Trên cơ sở cập nhật thông tin và các số liệu đã có kết quả từ các nghiên cứu trước

về Anammox, thích nghi và làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox đã được thực hiện đối với bùn kỵ khí và nước thải thủy sản từ các nghiên cứu trước do tác giả cùng các nhóm sinh viên các khóa 2002 và 2003 thực hiện Tuy nhiên, các kết quả mang lại không khả quan, điều kiện vận hành cũng như tính chất các nguyên tố vi lượng

bổ sung vào thành phần nước thải chưa chắc chắn và rõ ràng Thêm vào đó, các nghiên cứu trước về Anammox mà tác giả cùng các nhóm sinh viên thực hiện chưa khảo sát ảnh hưởng của các yếu tác động đến quá trình Anammox Do đó, luận văn

định hướng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox sau khi đã được thích nghi và làm giàu sinh khối, cụ thể là ảnh hưởng của tải lượng và hàm lượng muối đến quá trình phát triển và xử lý của nhóm vi khuẩn Anammox

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo, tổng hợp số liệu trong và ngoài nước

Phân tích hướng nghiên cứu cho đề tài

Tiến hành thực nghiệm trên mô hình Anammox Anoxic SBR

o Lấy mẫu theo từng ngày và theo từng mẻ của mô hình

o Phân tích các chỉ tiêu pH, N - TAN, N – NO2-, N – NO3- , DO, TDS theo

“Standard method for the examination of water and wastewater, 1994” Theo dõi, đánh giá, nhận xét các thông số thực nghiệm

Xử lý số liệu, tính toán, vẽ đồ thị trên Excel và viết báo cáo

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt được những mục đích trên, luận văn cần thực hiện những nội dung sau:

1.5.1 Thu thập số liệu và tổng hợp thông tin

o Tổng quan về nước rỉ rác và các phương pháp xử lý nước rỉ rác

o Tổng quan về quá trình khử Ammonia bằng phương pháp tách khí

o Tổng quan quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

o Thiết lập mô hình nghiên cứu: mô hình Anammox Anoxic SBR

o Vận hành mô hình Anammox Anoxic SBR thích nghi và làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox ở nồng độ N – TAN xấp xỉ 31 – 41 mg/L và N – NO2- xấp

xỉ 23 – 29 mg/L

o Vận hành mô hình với nồng độ N – TAN tăng dần từ 50, 100, 150, 200 và

250 mg/L và N – NO2- xấp xỉ N – TAN

o Vận hành mô hình với TDS nước thải nhân tạo tăng dần từ 2500, 3000,

3500, 5000 và 6000 mg/L

2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt là một phương pháp phổ biến, rẻ tiền và dễ dàng nhất trong các phương pháp xử lý chất thải rắn từng được áp dụng trên toàn thế giới Chôn lấp hợp vệ sinh là một phương pháp kiểm soát sự phân hủy của CTR khi chúng được chôn nén và phủ lấp bề mặt Tuy nhiên, sử dụng các bãi chôn lấp đòi hỏi một quỹ đất dồi dào cùng với một quy trình quản lý, xử lý và quan trắc môi trường hoàn chỉnh trong quá trình thiết kế, vận hành và đóng cửa bãi chôn lấp nhằm hạn chế tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của nó đối với môi trường xung quanh

Nước rỉ từ bãi chôn lấp (còn gọi là nước rỉ rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng dưới của bãi chôn lấp có khả năng làm nhiễm bẩn nguồn nước ngầm và nước mặt nếu không được thu gom và

xử lý triệt để Nước rỉ rác sản sinh ra ngay từ khi bãi rác mới vận hành cho đến nhiều thập niên tiếp theo thậm chí khi bãi rác đã đóng cửa Nước rỉ rác sản sinh ra chủ yếu từ

độ ẩm của rác, các dòng thấm chảy qua lớp chất thải được chôn lấp và hòa tan các chất

có trong chất thải vào dòng lỏng

Ở các nước có khí hậu nóng ẩm như Việt Nam, một yếu tố bất lợi của phương pháp này là sự sinh ra một lượng nước rỉ rác rất lớn và tăng nhanh trong quá trình vận hành bãi chôn lấp do các yếu tố bất lợi từ khí hậu đem lại Do đó, việc xây dựng và vận hành các bãi chôn lấp ở những nước này càng cần được quan tâm nhằm giảm ảnh hưởng tiêu cực của nguồn nước rỉ rác này đến môi trường xung quanh

Cùng với sự phát triển, thành phần và nồng độ các loại chất thải ngày càng gia tăng phức tạp dẫn đến sự tích lũy ngày càng nhiều các thành phần độc hại trong các bãi chôn lấp Nước rỉ rác là nguy cơ đe dọa ô nhiễm môi trường đất và môi trường nước, đặc biệt là ammonia và các kim loại nặng Có thể so sánh tính chất của nước rỉ rác với một số loại nước thải có nồng độ nitơ cao khác qua bảng 2.1

lý nước rỉ rác cho 2 bãi rác điển hình Gò Cát và Đông Thạnh Việc tìm ra các giải pháp

xử lý ô nhiễm hữu cơ nói chung và xử lý ô nhiễm nitơ nói riêng cho nước rỉ rác của 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

Bảng 2.1: Nước rỉ rác và các loại nước thải có nồng độ nitơ cao

Loại nước thải COD BOD 5 Tổng nitơ Phosphor Nguồn

Nước thải chăn

-

707

1700 20-40

695

55

147 9000-13000 91,8

Chen (2004) Obaja (2003) Poo (2004) Tilche (1999)

Nước rỉ rác

2000-5000

-

1300-1600 9660-20560

20-50

-

- 20-51

Chung (2003) Ilies, Mavinic (2001) Jokela (2002) Kalyuzhnyi, Gladchenko (2004)

Nước thải thuộc

da

300-1400 1940-2700

-

-

50-200 123-185

-

-

Carucci (1999) Murat (2003)

Nước thải lò mổ 1400-2400 - 170-200 35-55 Keller (1997)(1)

Nước thải chế

biến tinh bột

3000 5000-10000

990 2000-5000

1060 800-1100

210 170-230

Abeling, Seyfried (1992)

Nước thải công

nghiệp chế biến

Pectine

15000-22000 8100

Austermann-(Nguồn: Stijn Van Hulle, 2005)

2.1.1 Thành phần và tính chất nước rỉ rác

Thành phần nước rác thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp, loại rác,

khí hậu Mặt khác, độ dày, độ nén và lớp nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên

thành phần nước rác

Thành phần và tính chất nước rỉ rác còn phụ thuộc vào các phản ứng lý, hóa, sinh xảy

ra trong bãi chôn lấp Các quá trình này chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử

dụng các chất hữu cơ từ chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của

chúng

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được chia thành các

nhóm chủ yếu sau:

o Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 – 200C

o Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 – 400C

o Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 – 700C

Sự phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp bao gồm các giai đoạn sau:

Giai đoạn I – giai đoạn thích nghi ban đầu: chỉ sau một thời gian ngắn từ khi chất

thải rắn được chôn lấp thì các quá trình phân hủy hiếu khí sẽ diễn ra, bởi vì trong bãi

rác còn có một lượng không khí nhất định nào đó được giữ lại Giai đoạn này có thể

Chương 2 - Tổng quan

kéo một vài ngày cho đến vài tháng, phụ thuộc vào tốc độ phân hủy, vi sinh vật gồm có các loại vi sinh hiếu khí và kỵ khí

Giai đoạn II – giai đoạn chuyển tiếp: oxy bị cạn kiệt dần và sự phân hủy chuyển sang

giai đoạn kỵ khí Khi đó, nitrate và sulphate là chất nhận điện tử cho các phản ứng chuyển hóa sinh học và chuyển thành khí nitơ và hydro sulfite Khi thế oxy hóa giảm,

vi khuẩn chịu trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong rác thải thành CH4, CO2 sẽ bắt đầu quá trình 3 bước (thủy phân, lên men axit và lên men metan) chuyển hóa chất hữu

cơ thành axit hữu cơ và các sản phẩm trung gian khác (giai đoạn III) Trong giai đoạn

II, pH của nước rỉ rác sẽ giảm xuống do sự hình thành của các loại axit hữu cơ và ảnh hưởng của nồng độ CO2 tăng lên trong bãi rác

Giai đoạn III – giai đoạn lên men axit: các vi sinh vật trong giai đoạn II được kích

hoạt do việc tăng nồng độ các axit hữu cơ và lượng H2 ít hơn Bước đầu tiên trong quá trình 3 bước liên quan đến sự chuyển hóa các enzym trung gian (sự thủy phân) của các hợp chất cao phân tử (lipit, polysacarit, protein) thành các chất đơn giản thích hợp cho

vi sinh vật sử dụng Tiếp theo là quá trình lên men axit Trong bước này xảy ra quá trình chuyển hóa các chất hình thành ở bước trên thành các chất trung gian phân tử lượng thấp hơn như là axit acetic và nồng độ nhỏ axit fulvic, các axit hữu cơ khác Khí cacbonic được tạo ra nhiều nhất trong giai đoạn này, một lượng nhỏ H2S cũng được hình thành

Giá trị pH của nước rỉ rác giảm xuống nhỏ hơn 5 do sự có mặt của các axit hữu cơ và khí CO2 có trong bãi rác Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD)

và độ dẫn điện tăng lên đáng kể trong suốt giai đoạn III do sự hòa tan các axit hữu cơ vào nước rỉ rác Do pH thấp, nên một số chất vô cơ chủ yếu là các kim loại nặng sẽ được hòa tan trong giai đoạn này Nếu nước rỉ rác không được tuần hoàn thì nhiều thành phần dinh dưỡng cơ bản cũng bị loại bỏ theo nước rác ra khỏi bãi chôn lấp

Giai đoạn IV – giai đoạn lên men metan: trong giai đoạn này nhóm vi sinh vật thứ hai

chịu trách nhiệm chuyển hóa axit acetic và khí hydro hình thành từ giai đoạn trước

thành CH4, CO2 sẽ chiếm ưu thế Đây là nhóm vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt, được gọi

là vi khuẩn metan Trong giai đoạn này, sự hình thành metan và các axit hữu cơ xảy ra đồng thời mặc dù sự tạo thành axit giảm nhiều Do các axit hữu cơ và H2 bị chuyển hóa thành metan và cacbonic nên pH của nước rỉ rác tăng lên đáng kể trong khoảng từ 6,8 – 8,0 Giá trị BOD5, COD, nồng độ kim loại nặng và độ dẫn điện của nước rỉ rác giảm xuống trong giai đoạn này

Giai đoạn V – giai đoạn ổn định: giai đoạn ổn định xảy ra khi các vật liệu hữu cơ dễ

phân hủy sinh học đã được chuyển hóa thành CH4, CO2 trong giai đoạn IV Nước sẽ tiếp tục di chuyển trong bãi chôn lấp làm các chất có khả năng phân hủy sinh học trước

đó chưa được phân hủy sẽ tiếp tục được chuyển hóa Tốc độ phát sinh khí trong giai đoạn này giảm đáng kể, khí sinh ra chủ yếu là CH4 và CO2 Trong giai đoạn ổn định, nước rỉ rác chủ yếu axit humic và axit fulvic rất khó cho quá trình phân hủy sinh học diễn ra tiếp nữa Tuy nhiên, khi bãi chôn lấp càng lâu năm thì hàm lượng axit humic và fulvic cũng giảm xuống

Từ hình 2.1 có thể thấy rằng nước rỉ rác từ các bãi rác mới chôn lấp chất thải rắn có pH thấp, BOD5 và VFA cao, hàm lượng kim loại nặng cao, tương ứng với giai đoạn I, II, III và một phần giai đoạn IV của bãi chôn lấp Khi đã chôn lấp trong một thời gian dài thì các chất hữu cơ trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan, khi đó thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác cũng giảm xuống đáng kể Khi pH tăng lên sẽ làm giảm nồng độ các chất vô cơ, đặc biệt các kim loại nặng có trong nước rỉ rác

Hình 2.1: Quá trình phân hủy sinh học trong bãi chôn lấp

(Nguồn: Georgo Tchobanoglous, 1993)

Sự hòa tan ammonia vào dòng nước rỉ diễn ra mạnh và chủ yếu trong 3 giai đoạn đầu của quá trình phân hủy rác thải trong bãi chôn lấp Dưới điều kiện không có mặt oxy trong bãi chôn lấp, các thành phần có chứa nitơ trong chất thải rắn dễ dàng bị phân hủy chủ yếu thành ammonia, nitrite và nitrate hầu như không có nồng độ đáng kể Do không có quá trình phân loại chất thải tại nguồn hiệu quả như Việt Nam và một số nước đang phát triển khác, chất thải sinh hoạt với thành phần hữu cơ dễ phân hủy là một nguồn nitơ dồi dào khiến cho nồng độ ammonia trong nước rỉ rác thường rất cao Bên cạnh các chất ô nhiễm bị phân hủy và hòa tan vào nước rỉ rác, các chất khí từ bãi chôn lấp cũng được hình thành và phát tán vào không khí gây ra hiện tượng nóng lên của trái đất (hiệu ứng nhà kính)

Khi nước thấm qua chất thải rắn đang phân hủy được chôn trong bãi rác, thì các thành phần hóa học và sinh học đã được phân hủy sẽ hòa vào nước làm tăng nồng độ ô nhiễm của nước và tạo thành nước rỉ rác

Việc tổng hợp đặc trưng thành phần nước rác là rất khó vì có nhiều yếu tố khác nhau tác động lên sự hình thành nước rỉ rác Do đó, tính chất của nó chỉ có thể xác định trong một khoảng giá trị nhất định Chúng ta có thể tham khảo như bảng 2.2

Bảng 2.2: Tính chất nước rỉ rác Bãi chôn lấp Gò Cát theo các mùa

mùa khô

Nước rò rỉ mới mùa mưa

Bảng 2.3: Thành phần tính chất nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Tp HCM

(Nguồn: CENTEMA, 2007)

KẾT QUẢ CHỈ TIÊU

Thời gian lấy mẫu ĐƠN VỊ NRR mới

2,3,4/2002

NRR cũ

8 /2006

NRR mới 1,4/2003

NRR cũ 4/03 - 8/06

Nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác của bãi rác mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi rác chôn lấp lâu năm Bởi vì trong bãi chôn lấp lâu năm, chất thải rắn đã được

ổn định do các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã được phân hủy hầu như hoàn toàn, các chất vô cơ đã bị cuốn trôi đi Trong bãi chôn lấp mới, thông thường pH thấp, các thành phần khác như BOD5, COD, chất dinh dưỡng, kim loại nặng, TDS có hàm lượng rất cao Khi các quá trình sinh học trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan hóa thì pH sẽ cao hơn (6,8 – 8,0), đồng thời BOD5, COD, TDS và nồng độ các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) thấp đi Hàm lượng kim loại nặng giảm xuống bởi vì khi pH tăng thì hầu hết các kim loại ở trạng thái kém hòa tan hoặc kết tủa

Khả năng phân hủy của nước rác thay đổi theo thời gian Khả năng phân hủy sinh học

có thể xét thông qua tỷ lệ BOD5/COD Khi mới chôn lấp tỷ lệ này thường khoảng 0,5 hoặc lớn hơn Khi tỷ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4 – 0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu

cơ trong nước rỉ rác dễ phân hủy sinh học Trong các bãi rác lâu năm, tỷ lệ BOD5/COD rất thấp, khoảng 0,005 – 0,2 Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều axit humic và fulvic có khả năng phân hủy sinh học thấp

Khi thành phần và tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian thì việc thiết kế hệ thống xử lý cũng rất phức tạp Chẳng hạn như, hệ thống xử lý nước rác cho bãi chôn lấp mới sẽ khác so với hệ thống xử lý các bãi rác lâu năm Đồng thời, việc phân tích tính chất nước rỉ rác cũng rất phức tạp bởi nước rỉ rác có thể là hỗn hợp của nước ở các thời điểm khác nhau Từ đó, việc tìm ra công nghệ xử lý thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải nghiên cứu thực tế mới có thể tìm ra công nghệ xử lý hiệu quả

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần, tính chất của nước rỉ rác

Rác được chọn trong bãi chôn lấp chịu hàng loạt các biến đổi lý, hóa, sinh cùng lúc xảy ra Khi nước chảy qua sẽ mang theo các chất hóa học đã được phân hủy từ rác Thành phần chất ô nhiễm trong nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chôn lấp, khí hậu, các mùa trong năm, chiều sâu bãi chôn lấp, độ nén, loại và độ dày của lớp phủ trên cùng, tốc độ di chuyển của nước trong bãi rác, độ pha loãng với nước mặt và nước ngầm, sự có mặt của các chất ức chế, các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, việc thiết kế và hoạt động của bãi rác, việc

chôn lấp chất thải rắn, chất thải độc hại, bùn từ trạm xử lý nước thải… Ta sẽ lần lược xét qua các yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rỉ rác

2.1.2.1 Thời gian chôn lấp

Tính chất nước rỉ rác thay đổi theo thời gian chôn lấp Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác là một hàm theo thời gian Theo thời gian nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác giảm dần Thành phần của nước rỉ rác thay đổi tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học đang diễn

ra Sau giai đoạn hiếu khí ngắn (một vài tuần hoặc kéo dài đến vài tháng), thì giai đoạn phân hủy yếm khí tạo ra axit xảy ra và cuối cùng là quá trình tạo ra khí metan Trong giai đoạn axit, các hợp chất đơn giản được hình thành như các axit dễ bay hơi, amino axit và một phần fulvic với nồng độ nhỏ Trong giai đọan này, khi rác mới được chôn hoặc có thể kéo dài vài năm, nước rỉ rác có những đặc điểm sau :

o Nồng độ các axit béo bay hơi (VFA) cao

o pH thấp, nước thải có tính axit

o BOD cao

o Tỷ lệ BOD/COD cao

o Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao

o Vi sinh vật có số lượng lớn

o Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim loại nặng cao

Khi rác được chôn càng lâu, quá trình metan hóa xảy ra Khi đó chất thải rắn trong bãi chôn lấp được ổn định dần, nồng độ ô nhiễm cũng giảm dần theo thời gian Giai đoạn tạo thành khí metan có thể kéo dài đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa Đặc điểm nước thải

ở giai đoạn này :

o Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp

o pH trung tính hoặc kiềm

Theo thời gian chôn lấp đất thì các chất hữu cơ trong nước rỉ rác cũng có sự thay đổi Ban đầu, khi mới chôn lấp, nước rỉ rác chủ yếu axit béo bay hơi Các axit thường là acetic, propionic, butyric Tiếp theo đó là axit fulvic với nhiều cacboxyl và nhân vòng thơm Cả axit béo bay hơi và axit fulvic làm cho pH của nước rác nghiên về tính axit Rác chôn lấp lâu thì thành phần chất hữu cơ trong nước rỉ rác có sự biến đổi thể hiện ở

sự giảm xuống của các axit béo bay hơi và sự tăng lên của axit fulvic và humic Khi bãi rác đã đóng cửa trong thời gian dài thì hầu như nước rỉ rác chỉ chứa một phần rất nhỏ các chất hữu cơ, mà thường là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học

2.1.2.2 Thành phần và các biện pháp xử lý sơ bộ chất thải rắn

Rõ ràng thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng nhất tác động đến tính chất nước

rỉ rác Khi các phản ứng trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải rắn sẽ bị phân hủy Do

đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rỉ rác cũng có các đặc tính tương tự Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất độc hại thì nước rác cũng chứa nhiều thành phần độc hại…

Các biện pháp xử lý hoặc chế biến chất thải rắn cũng có những tác động đến tính chất nước rác Chẳng hạn như, các bãi rác có rác không được nghiền nhỏ Bởi vì, khi rác được cắt nhỏ thì tốc độ phân hủy tăng lên đáng kể so với khi không nghiền nhỏ rác Tuy nhiên, sau một thời gian dài thì tổng lượng chất ô nhiễm bị trôi ra từ chất thải rắn

là như nhau bất kể là rác có được xử lý sơ bộ hay không

2.1.2.3 Chiều sâu bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng bãi chôn lấp có chiều sâu chôn lấp càng lớn thì nồng

độ chất ô nhiễm càng cao so với các bãi chôn lấp khác trong cùng điều kiện về lượng mưa và quá trình thấm Bãi rác càng sâu thì cần nhiều nước để đạt trạng thái bão hòa, cần nhiều thời gian để phân hủy Do vậy, bãi chôn lấp càng sâu thì thời gian tiếp xúc giữa nước và rác sẽ lớn hơn và khoảng cách di chuyển của nước sẽ tăng Từ đó quá trình phân hủy sẽ xảy ra hoàn toàn hơn nên nước rỉ rác chứa một hàm lượng lớn các chất ô nhiễm

2.1.2.4 Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi

Độ dày và khả năng chống thấm của vật liệu phủ có vai trò rất quan trọng trong ngăn ngừa nước thấm vào bãi chôn lấp làm tăng nhanh thời gian tạo nước rỉ rác cũng như

thấm xảy ra nhanh thì nước rỉ rác sẽ có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ Quá trình bay hơi làm cô đặc nước rác và tăng nồng độ ô nhiễm Nhìn chung các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, địa hình, vật liệu phủ, thực vật phủ …

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất nước rỉ rác Khi nhiệt độ môi trường cao thì quá trình bay hơi sẽ xảy ra tốt hơn là giảm lưu lượng nước rác Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì các phản ứng phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp càng diễn ra nhanh hơn làm cho nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao hơn

2.1.2.6 Ảnh hưởng từ bùn cống rãnh và các chất thải độc hại khác

Việc chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với bùn cống rãnh và bùn của trạm xử lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rỉ rác Bùn sẽ làm tăng độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rỉ rác Đồng thời chất dinh dưỡng và vi sinh vật từ bùn được chôn lấp sẽ làm tăng khả năng phân hủy và ổn định chất thải rắn Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, việc chôn lấp chất thải rắn cùng với bùn làm hoạt tính metan tăng lên, nước rỉ rác có pH thấp và BOD5 cao hơn

Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất ức chế như kim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật… Đồng thời, theo thời gian các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rỉ rác và khí thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rác

2.1.3 Tác động của nước rỉ rác

2.1.3.1 Tác động đến môi trường không khí

Các khí độc thoát ra từ quá trình phân giải sinh học của rác như khí H2S, mecaptane, CO2, NH3 … gây ra mùi hôi thối làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ của cư

dân sống gần bãi rác, gây ra nhiều bệnh về đường hô hấp Cùng với những mùi hôi thối đó, ruồi muỗi cũng trở nên phát triển nhanh chóng

2.1.3.2 Tác động đến nguồn nước ngầm

Tác động của nước thấm từ bãi rác đối với nguồn nước ngầm là hết sức quan trọng Tuy nhiên, khả năng tác động xấu đến nguồn nước ngầm còn phụ thuộc vào độ thấm nước, tính chất đất, vị trí, kỹ thuật lót đáy, chống thấm của nền và vách bãi Nếu kỹ thuật lót đáy không đạt yêu cầu, sẽ hình thành nước rỉ rác thấm qua lớp đất, mang theo các chất gây ô nhiễm lan theo mạch nước ngầm trên diện rộng

2.1.3.3 Tác động đến chất lượng đất

Tác động lớn nhất lớn nhất của bãi rác đối với môi trường đất là sự tích tụ các chất chứa kim loại nặng, các chất khó phân hủy như nylon, sành sứ … trong đất làm ảnh hưởng đến chất lượng đất sau này Trong đó chất nhiễm bẩn quan trọng nhất là kim loại nặng Thông thường kim loại nặng được coi là yếu tố cần thiết cho cây trồng ở nồng độ thấp, tuy nhiên chúng cũng là chất ô nhiễm đối với môi trường đất khi có nồng độ vượt quá yêu cầu

Ngoài ra do quá trình phân hủy rác tạo ra lượng vi sinh lớn cũng có khả năng gây nhiễm bẩn đất

2.1.3.4 Tác động đến các hệ sinh thái và tài nguyên sinh vật

Hầu hết các chất ô nhiễm không khí đều có tác động xấu đến thực vật, kiềm hãm sự tăng trưởng của cây, đặc biệt là các sương khói quang hoá Các chất khí CH4, NH3 có khả năng ảnh hưởng đến quá trình sinh hoá của thực vật, cơ chế chín của trái

Động vật : Các chất gây ô nhiễm do bãi rác gây ra đều rất nhạy cảm và có hại đối với người và động vật, gây tác hại trực tiếp qua đường hô hấp, ăn uống hay gián tiếp qua

da tiếp xúc hoặc qua các tác động tích luỹ trong chuỗi thức ăn

2.1.3.5 Tác động đến chất lượng cuộc sống

Một số hộ dân sống trong bán kính 1 km cách bãi rác có thể sẽ bị ảnh hưởng do mùi hôi từ rác phân hủy và bụi bặm do hoạt động của xe máy nếu gặp gió lớn Đồng thời nếu trời mưa lớn thì lượng nước mưa chảy tràn lôi cuốn theo chất ô nhiễm từ bãi rác

có thể làm ảnh hưởng đến các hộ gia đình sống trong khu vực thấp hơn, và có thể tràn vào các giếng nước sinh hoạt miệng hở, gây ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống

2.1.4 Xử lý nước rỉ rác

2.1.4.1 Các phương pháp xử lý nước rỉ rác

Phương pháp xử lý nước rỉ rác gồm có xử lý sinh học, cơ học, hóa học hoặc liên kết các phương pháp này, xử lý cùng với nước thải sinh hoạt Để xử lý nước rỉ rác thì nên

sử dụng phương pháp cơ học kết hợp xử lý sinh học và hóa học bởi vì quá trình cơ học

có chi phí thấp và thích hợp với sự thay đổi thành phần tính chất của nước rỉ rác Tuy nhiên, nước rỉ rác từ bãi rác mới chôn lấp thường có thành phần chất hữu cơ phân hủy sinh học cao, do đó việc sử dụng các quá trình xử lý sinh học sẽ mang lại hiệu quả cao hơn Quá trình xử lý hóa học thích hợp đối với xử lý nước rỉ rác của bãi chôn lấp lâu năm

Các phương pháp xử lý nước rỉ rác được cho trong bảng sau:

E Khử khí

Nước và không khí tiếp xúc với nhau trong các dòng xoáy trộn trong tháp khử khí Ammonia, VOC và một số khí khác được loại bỏ khỏi nước rỉ rác

F Lọc SS và độ đục được loại bỏ

G Quá trình màng

Đây là quá trình khử khoáng Các chất rắn hòa tan được loại bỏ bằng phân tách màng Quá trình siêu lọc (Ultrafiltrtion), thẩm thấu ngược (RO) và điện thẩm tách (electrodialysis) hay được sử dụng

H Bay hơi Bay hơi nước rỉ rác Phụ thuộc vào nhiệt độ, gió, độ ẩm và

mưa

PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC VÀ HÓA LÝ

A Keo tụ, tạo bông Hệ keo bị mất ổn định do sự phân tán nhanh của hóa chất

keo tụ Chất hữu cơ, SS, photphate, một số kim loại và độ đục bị loại bỏ khỏi nước Các loại muối nhôm, sắt và polymer hay được sử dụng làm hóa chất keo tụ

B Kết tủa Giảm độ hòa tan bằng các phản ứng hóa học Độ cứng,

photphat và nhiều kim loại nặng được loại ra khỏi nước rỉ rác

C Oxy hóa Các chất oxy hóa như ozon, H2O2, clo, kali

permanganate… được sử dụng để oxy hóa các chất hữu

cơ, H2S, sắt và một số kim loại khác Ammonia và cianua chỉ bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa mạnh

D Phản ứng khử Kim loại được khử thành các dạng kết tủa và chuyển

thành dạng ít độc hơn (ví dụ: Crom) Các chất oxy hóa cũng bị khử (quá trình loại do clo dư trong nước) Các hóa chất khử hay sử dụng: SO2, NaHSO3, FeSO4

E Trao đổi ion Dùng để khử các ion vô cơ có trong nước rỉ rác

F Hấp thụ bằng

cacbon hoạt tính

Dùng để khử COD, BOD còn lại, các chất độc và các chất hữu cơ khó phân hủy Một số kim loại cũng được hấp thụ Cacbon thường được sử dụng dưới dạng bột và dạng hạt

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

A Hiếu khí Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn khi có O2

- Bùn hoạt tính Trong quá trình hoạt tính chất hữu cơ và vi sinh được sục

khí Bùn hoạt tính lắng xuống và được tuần hoàn về bể phản ứng Các quá trình bùn hoạt tính bao gồm: dòng chảy đều, khuấy trộn hoàn chỉnh, nạp nước vào bể theo cấp, làm thoáng kéo dài, quá trình ổn định tiếp xúc…

có thể thực hiện trong cùng một bể hay trong bể riêng biệt

- Hồ sục khí Thời gian lưu nước trong hồ có thể vài ngày Khí được

sục để tăng cường quá trình oxy hóa chất hữu cơ

- SBR Các quá trình tương tự bùn hoạt tính Tuy nhiên, việc ổn

định chất hữu cơ lắng và tách nước sạch sau xử lý chỉ xảy

a Sinh trưởng lơ lững Nước thải đước trộn với sinh khối vi sinh vật Nước thải

trong bể phản ứng thường được khuấy trộn và đưa đến nhiệt độ tối ưu cho quá trình sinh học kỵ khí xảy ra

- Quá trình kỵ khí cổ

điển (conventional)

Chất thải nồng độ cao hoặc bùn được ổn định trong bể phản ứng

- Quá trình tiếp xúc Chất thải được phân hủy trong bể kỵ khí khuấy trộn hoàn

chỉnh Bùn đựơc lắng tại bể lắng và tuẩn hoàn trở lại bể phản ứng

- UASB Nước thải được đưa vào bể từ đáy Bùn trong bể dưới lực

nặng của nước và khí biogas từ quá trình phân hủy sinh học tạo thành lớp bùn lơ lững, xốn trộn liên tục Vi sinh vật kỵ khí có điểu kiện rất tốt để hấp thụ và chuyển đổi chất hữu cơ thành khí metan và cacbonic Bùn được tách

và tự tuần hoàn lại bể UASB bằng cách sử dụng thiết bị tách rắn - lỏng – khí

- Khử nitrat Nitrite và nitrat bị khử thành khí nitơ trong môi trường

thiếu khí Cần phải có một số chất hữu cơ làm nguồn cung cấp cacbon như methanol, axit acetic, đường…

b Sinh trưởng dính bám

- Bể lọc khí Nước thải được đưa từ phía trên xuống qua các vật liệu

tiếp xúc trong môi trường kỵ khí Có thể xử lý nước thải

có nồng độ trung bình với thời gian lưu nước ngắn

- EBR và FBR Bể gồm các vật liệu tiếp xúc như các, than, sỏi Nước và

dòng tuần hoàn được bơm từ đáy bể đi lên sao cho duy trì vật liệu tiếp xúc ở trạng thái trương nở hoặc giả lỏng Thích hợp với khi xử lý nước thải có nồng độ cao vì nồng

độ sinh khối được duy trì trong bể khá lớn Tuy nhiên, thời gian start – up tương đối lâu

- Đĩa sinh học quay Các đĩa tròn được gắn vào trục trung tâm và quay trong

khi chìm hoàn toàn trong nước Màng vi sinh vật phát triển trong điều kiện kỵ khí và ổn định chất hữu cơ

- Khử nitrat Quá trình sinh trưởng dính bám trong môi trường kỵ khí

và có mặt của nguồn cung cấp cacbon, khử nitrit và nitrat thành khí nitơ

c Sinh trường lơ lửng

D Xử lý đất (land

treatment)

Tận dụng thực vật, đặc tính của đất và các hiện tượng tự nhiên khác để xử lý nước rỉ rác bằng việc kết hợp các quá

E Tuần hoàn nước Nước rỉ rác có nồng độ cao được tuần hoàn về bãi rác

2.1.4.2 Một số công nghệ xử lý nước rác trong và ngoài nước:

A Trong nước:

Bãi Chôn Lấp Nam Sơn (Hà Nội)

Trạm xử lý nước rỉ rác được đưa vào vận hành sau khi BCL đã hoạt động gần một năm (1999) với công suất 500 – 700 m3/ngày.đêm

Công nghệ có ưu điểm là khi nồng độ ammonium của nước rỉ rác đầu vào tăng cao thì các quá trình sinh học phía sau sẽ không bị ức chế Kết quả phân tích cho thấy tất cả các chỉ tiêu phân tích đều đạt tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam 5945 – 2005, cột B

Bể đệm 1

Bể lắng 1

Bể đệm 2

Striping (thổi khí)

Hình 2.2: Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn

Mặc dù đạt được tiêu chuẩn cho phép nhưng dây chuyền công nghệ trên cũng cho thấy

có vài khuyết điểm:

o Tiêu tốn nhiều năng lượng khi dùng phương pháp thổi khí;

o Quá trình xử lý sử dụng một lượng hóa chất rất lớn

o Có sự hiện diện của các hợp chất humic có thể tạo thành chất gây ung thư (carcinogen chloroform) và những hợp chất hữu cơ halogenate độc hại khác;

o Chi phí đầu tư cao;

o Giá thành xử lý cho 1m3 nước rỉ rác cao: 80.000 – 90.000 đồng/m3 nước rỉ rác (chưa tính giá chi phí cho xử lý bùn)

Bãi Chôn Lấp Phước Hiệp

Hệ thống xử lý nước rỉ rác của bãi chôn lấp Phước Hiệp được xây dựng vào năm 2003 với công suất 400 m3/ngày đêm Quá trình xử lý của hệ thống được thực hiện qua các bước:

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ của trạm xử lý nước rỉ rác Phước Hiệp

Với công nghệ này nước rỉ rác sau xử lý có thể đạt tiêu chuẩn tiêu chuẩn giới hạn cho phép xả vào nguồn loại B (5945 – 2005) Nhưng chỉ sau hơn 1 năm vận hành tỉ lệ BOD5/COD thấp, hàm lượng nitơ cao, và hàm lượng các chất khó phân hủy sinh học tăng làm cho hệ thống xử lý không còn hiệu quả và hiện tại hệ thống xử lý đang được cải tạo

Cho đến nay, hầu hết các hệ thống xử lý nước rỉ rác của các BCL ở Tp HCM đều không đạt tiêu chuẩn xả thải (đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và ammonia) cũng như công suất xử lý, công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Việt Nam hiện nay còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm nguyên nhân là do:

o Rác thải khơng được phân loại ngay tại nguồn nên tính chất rất phức tạp, đặc biệt là nồng độ ammonia cao và sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ khĩ hoặc khơng cĩ khả năng phân hủy sinh học (hợp chất humic, fulvic, …) trong nước rỉ rác;

o Quy trình vận hành BCL;

o Sự thay đổi nhanh của nồng độ chất ơ nhiễm cĩ trong nước rỉ rác;

o Nhiệt độ của Việt Nam cao;

Hồ sinh vật

Bể pha loãng

Bể pha loãng

bể sinh học từng mẻ (SBR) và xả vào hồ sinh học trước khi ra kênh Đen Tổng chi phí đầu tư cho hệ thống xử lý nước rỉ rác khoảng 2 tỷ đồng Việt Nam và giá thành chi phí cho xử lý 1 m3 nước rỉ rác khoảng 20.000 đồng Việt Nam

Bùn dư

Na 2 CO 3

H 2 SO 4 FeCl 2 Polymer

Bùn dư

Na 2 CO 3

H 2 SO 4 FeCl 2 Polymer

Ra

Khử cứng

Khử cứng Anoxic2 Anoxic2 Aerobic2 Aerobic2

Tuần hoàn dòng nitrate Khí

Hình 2.5: Công nghệ xử lý nước rỉ rác BCL Gò Cát theo thiết kế Vermeer

Công nghệ Vermeer của Hà Lan được thể hiện hình trên Đây là công nghệ hoàn chỉnh bao gồm khử cứng, khử CBOD, nitơ, khử màu và cặn Nước rỉ rác sau khi qua cột khử cứng, đi vào bể kỵ khí UASB để khử phần lớn CBOD Sau đó nước rỉ rác qua cụm bể Anoxic 1 và Aerobic 1 thực hiện quá trình khử CBOD còn lại sau UASB, nitrate hoá (ở Aerobic 1) và khử nitrate kết hợp (ở Anoxic 1) Bể Anoxic 2 là giai đoạn khử nitrate bổ sung, sử dụng nitrate sinh ra ở bể Aerobic 1 Nguồn carbon mà vi khuẩn khử nitrate sử dụng ở bể Anoxic 2 chính là nguồn carbon từ quá trình phân hủy nội bào của bùn Giai đoạn Aerobic 2 nhằm tách khí N2 sinh ra từ bể Anoxic 2 Bùn lắng ở bể lắng được tuần hoàn về bể Anoxic 1 Nước rỉ rác khử COD và nitơ tiếp tục được khử màu,

ở bể keo tụ-tạo bông kết hợp lắng Bông cặn nhỏ khó lắng sẽ được giữ lại ở bể lọc cát Dung dịch H2SO4 được châm vào bể đưa về pH thích hợp cho quá trình keo tụ Chất keo tụ sử dụng ở đây là phèn sắt (FeCl3) và chất trợ keo tụ polymer Trước khi lọc cát,

pH được đưa lên giá trị trung hoà bằng dung dịch Na2CO3

Bãi chôn lấp Đông Thạnh

Hiện nay, ở BCL Đông Thạnh có ba hệ thống xử lý đang vận hành: (1) công ty TNHH Quốc Việt, (2) công ty NUPHACO và (3) công ty CTA

Nước rác hồ số 7 (có hóa chất)

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống xử lý nước rỉ rác Đông Thạnh của công ty TNHH Quốc Việt

Công nghệ áp dụng hệ hồ này đơn giản, phù hợp ở những nơi có diện tích mặt bằng rộng và dễ vận hành Như kết quả phân tích của công ty Quốc Việt đưa ra, với chất lượng nước đầu vào có COD = 3,094 mg/L, chất lượng nước rỉ rác sau xử lý đạt yêu cầu xả ra nguồn loại B (COD = 78 mg/L) Tuy nhiên khi đi vào chi tiết về hoá chất sử dụng, tính toán chi tiết công trình đơn vị và xử lý bùn lắng, công nghệ này còn nhiều điểm chưa rõ ràng và chưa có tính thuyết phục cao

Công nghệ xử lý nước rỉ rác Đông Thạnh của NUPHACO thể hiện ở hình 2.7 Công nghệ này ứng dụng quá trình hồ sinh học Nước sau khi qua hồ sinh học, được hấp phụ

ba bậc hồ bằng bùn lắng từ nhà máy nước Thủ Đức Công đoạn cuối cùng là khử trùng bằng Chlorine

Nước rác hồ số 7 (có hóa chất)

Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ NUFACO xử lý nước rỉ rác Đông Thạnh

Kết quả cho thấy giá trị BOD và COD còn khá cao (87 mg BOD/L và 530 mgCOD/L) Công nghệ này cho thấy hiệu quả khử ammonia cao (98%) Ammonia được khử chủ yếu từ hồ sinh học do quá trình sinh trưởng của tảo tiêu thụ ammonia

Hồ sinh vật (tảo)

Xả ra

Bể oxy hóa Fenton

Hồ sinh vật (tảo)

Xả ra

Bể oxy hóa Fenton

Hình 2.8: Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác Đông Thạnh theo thiết kế CTA

Công nghệ của công ty CTA thể hiện trong hình 2.8 Công nghệ này cũng được ứng dụng hồ sinh học nuôi tảo, sau đó được tuyển nổi bằng phương pháp hoá học Phần COD còn lại sau bể tuyển nổi tiếp tục được khử bằng phương pháp oxy hoá Fenton Các công nghệ trên đều ứng dụng quá trình hồ sinh học, đòi hỏi mặt bằng lớn Quá trình hồ với sự tham gia của thực vật nước như tảo, lục bình có thể đạt hiệu quả cao trong xử lý ammonia đối với nước rỉ rác của BCL lâu năm (hàm lượng BOD thấp) Tuy nhiên để đạt yêu cầu xả ra nguồn tiếp nhận B (COD = 100mg/L), các công nghệ trên đều phải ứng dụng các phương pháp oxy hoá mạnh (H2O2 với xúc tác FeSO4) hoặc phương pháp keo tụ, hấp phụ để khử COD còn lại Điều này dẫn đến chi phí vận hành, chi phí hoá chất tăng khá cao

B Ngoài nước:

Đức

Một trong những công nghệ xử lý nước rỉ rác của Đức được tham khảo là công nghệ kết hợp giữa 3 quá trình: sinh học, cơ học và hóa học

Hình 2.9: Công nghệ xử lý nước rỉ rác của Đức (Syed R.Qasim & Walter Chiang 1994)

Bước đầu tiên trong công nghệ xử lý là áp dụng các quá trình nitrat hóa và khử nitrat

để loại bỏ nitơ, bể lắng được áp dụng để lắng các bông cặn từ quá trình sinh học và giảm ảnh hưởng của chất rắn lơ lửng đến quá trình oxy hóa bằng ozone Bể lọc được

áp dụng để loại bỏ một phần độ màu của nước rỉ rác và xử lý triệt để cặn lơ lửng Phần chất hữu cơ khó phân hủy sinh học còn lại sau quá trình khử nitơ được oxy hóa với ozone nhằm cắt mạch các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành các chất có khả năng phân hủy sinh học làm tăng hiệu quả xử lý cho quá trình sinh học phía sau và khoáng hóa một phần chất hữu cơ tạo thành CO2 và H2O Sau bể oxy hóa bằng ozone các thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học được tiếp tục loại bỏ trong bể tiếp xúc sinh học quay Bể lọc là bước cuối cùng của dây chuyền xử lý với mục đích loại bỏ các cặn lơ lửng từ bể tiếp xúc sinh học quay Với quy trình xử lý trên các thành phần ô nhiễm chính trong nước rỉ rác như COD, NH4+, và AOX (absorbable organic halides) sau quá trình xử lý đạt tiêu chuẩn xả vào nguồn tiếp nhận

Nitrat hóa Nước rỉ rác

Lọc

Bãi chôn lấp Buckden South

Bãi chôn lấp Buckden South miền Đông nước Anh nằm trong vùng chịu ảnh hưởng thủy triều của sông Great Ouse Hệ thống xử lý nước rỉ rác của bãi chôn lấp này gồm hai bể SBR hoạt động song song nhằm khử BOD và nitrate hoá Nước sau xử lý sinh học tiếp tục xử lý bổ sung bằng bãi lau sậy 1 (reed constructed wetland) có diện tích

2000 m2 tiếp theo là oxy hoá mạnh bằng ozone nhằm phá vỡ dư lượng thuốc bảo vệ thực vật thành các chất hữu cơ phân tử nhỏ hơn Các chất hữu cơ này phân hủy sinh học ở bãi sậy thứ 2 (500 m2) trước khi xả vào sông Ouse

Bãi s ậy 2

Oxy hoá (O 3 )

Oxy hoá (O 3 )

SBR1

SBR2

Bãi s ậy 1 nư H ồ chứa ớc sau

x ử lý

Hình 2.10: Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Buckden South

Kết quả hoạt động hơn 8 năm cho thấy mặc dù nước rỉ rác sau xử lý có hàm lượng COD (350 mg/L) vượt quá giới hạn cho phép (200 mg/L), nhưng thật sự không ảnh hưởng đến cá hồi sống trong sông Ouse Điều này cho thấy chất hữu cơ còn lại sau xử

lý chủ yếu là các sản phẩm vô hại đối với thủy sinh, như axit fulvic và axit humic

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

Bể bơm NT

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Lọc ép

Tháp lọc kị khí

Tháp lọc hiếu khí

Polyme

H 3 PO 4

Bùn thải

tạo bông

Bể trộn

FeCl 3 , NaOCl, HCl

Bể Lắng 2

Bể chứa

sau lắng

Bể Lọc

Bùn thải

Nước rửa lọc

Bùn thải vào BCL

Bể bơm NT

Bể trộn

Bể Trung hòa

Bể Lắng

Bể nén bùn

Lọc ép

Tháp lọc kị khí

Tháp lọc hiếu khí

Polyme

H 3 PO 4

Bùn thải

tạo bông

Bể trộn

FeCl 3 , NaOCl, HCl

Bể Lắng 2

Bể chứa

sau lắng

Bể Lọc

Bùn thải

Nước rửa lọc

Bùn thải vào BCL

Hình 2.11: 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

kỵ 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 N-ammonia (99%) và COD (91%) Hàm lượng COD và N – ammonia còn lại trước khi xả ra sông là 159 mg COD/l và 1,2 mg N – ammonia/L 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 Sơ đồ công nghệ thể hiện ở hình 2.12

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

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

H 3 PO 4

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

H 3 PO 4

Bùn thải

Bùn thải vào BCL

Xả ra

Nước tách bùn

Bùn thải

Hình 2.12: Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 (USEPA)

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 nitơ ammonia trong nước thải

Hàn Quốc

Công nghệ xử lý nước rỉ rác của một số BCL ở Hàn Quốc cũng giống như ở Đức Sơ

đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCL Sudokwon Hàn Quốc, công suất 3.500 – 7.500

m3/ngày được trình bày trong Hình 2.13

Hình 2.13: Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCL Sudokwon Hàn Quốc

(Nguồn: Syed R.Qasim & Walter Chiang 1994)

Công nghệ xử lý nước rỉ rác ở Hàn Quốc bao gồm hai công trình chính: quá trình xử lý sinh học và quá trình hóa lý Trong giai đoạn đầu vận hành BCL (1992) quá trình phân hủy kỵ khí là một công đoạn cần thiết để xử lý các chất hữu cơ có nồng độ cao như nước rỉ rác phát sinh trong giai đoạn đầu vận hành bãi chôn lấp, đến năm 2004, do sự giảm tải trọng chất hữu cơ sau 12 năm hoạt động (1992 – 2004) nên hiện tại quá trình phân hủy kỵ khí được thay thế bằng quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng

Tóm lại, quy trình công nghệ xử lý nước rỉ rác của các nước trên thế giới đều kết hợp các quá trình sinh học, hóa học và hóa lý, hầu hết các công nghệ xử lý đều bắt đầu xử

lý nitơ bằng phương pháp cổ điển (nitrate hóa và khử nitrate), tuy nhiên với nồng độ nitơ cao (2.000 mg/L) thì phương pháp này cũng bị hạn chế Tùy thuộc vào thành phần nước rỉ rác cũng như tiêu chuẩn xả thải mà quy trình xử lý tiếp theo được thay đổi với

việc áp dụng quá trình cơ học (màng lọc), hóa lý (keo tụ/ tạo bông) và oxy hóa nâng cao (Fenton, ozone, )

Tiêu chuẩn xả thải đối với nước rỉ rác của các nước cao hơn so với tiêu chuẩn của Việt Nam như tiêu chuẩn giới hạn COD dao động từ 200 – 300 mgO2/L, trong khi của Việt Nam tương đương với cột B, COD là 80 mgO2/L Để đạt được nồng độ COD giảm từ

200 – 300 mgO2/L xuống 80 mgO2/L đòi hỏi chi phí cao và áp dụng các phương pháp tiên tiến

2.2 QUÁ TRÌNH KHỬ AMMONIA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁCH KHÍ

Quá trình khử ammonia bằng phương pháp khử tách khí là quá trình đưa một lương lớn khí vào trong dung dịch nước rỉ rác rồi cho thoát ra trên bề mặt thoáng của dung dịch, nhờ đó dưới sự chênh lệch của áp suất riêng phần của ammonia trong pha lỏng

và trong pha khí, ammonia truyền khối vào pha khí Có thể làm thoáng bằng phương pháp giàn phun mưa hoặc thổi khí dạng bọt mịn vào dung dịch

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thổi khí khử ammonia là: pH, thời gian tiếp xúc làm thoáng, lưu lượng khí hay độ thông thoáng, nhiệt độ, diện tích mặt thoáng, … Ammonia trong nước có thể ở 2 dạng là N – NH4+ hoặc ammonia tự do (N – NH3) chỉ

có ở dạng tự do ammonia mới có thể tách ra khỏi dung dịch ở dạng thể khí Ammonia

tự do trong nước thích hợp ở pH > 7 Với pH lớn hơn 10, 85% ammonia ở dạng tự do

và có thể tách ra khỏi nước ở dạng khí một cách dễ dàng (Reeves, 1972) Ammonia hydroxide (NH4OH) được tạo thành ngay lập tức khi pH ở giá trị từ 10 đến 11, khi ta thổi khí vào dung dịch ammonia hydroxide sẽ tạo ra ammonia tự do bay ra khỏi dung dịch theo khí mang

Hình 2.14: quan hệ nồng độ các dạng của ammonia trong nước theo pH

Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của ammonia trong nước, khi nhiệt độ càng thấp thì khả năng hòa tan của ammonia trong nước cũng tăng lên Độ mịn của khí thổi vào dung dịch cũng ảnh hưởng đến quá trình tách khí, bọt khí càng mịn quá trình tách khí càng tốt Khi nghiên cứu quá trình tách ammonia trong nước rỉ rác bằng phương pháp thổi khí, Cheung, (1997) và Boonchai (2004) đã chỉ ra hiệu quả khử ammonia có thể đạt hơn 90% khi pH dung dịch >10 và lượng khí thổi đủ lớn sẽ giúp giảm thời gian thổi khí

2.3 XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 2.3.1 Khử nitơ bằng quá trình nitrate hóa và khử nitrate

2.3.1.1 Quá trình nitrate hóa (Nitrification)

Mô tả quá trình

Quá trình nitrate hóa là quá trình chuyển hóa N – NH4+ thành N – NO3- bởi hoạt động của các nhóm VSV hiếu khí tự dưỡng bao gồm:

o Chuyển hóa N – NH4+ thành N – NO2- thông qua Nitrosomonas

NH4+ + 1.5O2 → NO2- + 2H+ + H2O (1)

o Chuyển hóa N – NO2- thành N – NO3- thông qua Nitrobacter

Từ (1) và (2), ta có

Từ phương trình (3), lượng oxy cần thiết là 4.57 g O2/g N bị khử, trong đó có 3.43 g O2/g sử dụng cho tạo N – NO2- và 1.14 g O2/g NO2 bị oxy hóa

Nguồn cacbon cần thiết cho vi khuẩn nitrate hóa là CO2, HCO3-, CO32- Sự hiện diện của oxy và lượng kiềm để trung hòa ion H+ trong quá trình oxy hóa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrate hóa Kết quả là 7.14g độ kiềm bị tiêu thụ g CaCO3/g N

bị khử

NH4+ + 2HCO3- + 2O2 → NO3- + 2CO2 + 3H2O (4) Quá trình nitrate hóa là quá trình sinh năng lượng VSV sử dụng năng lượng này để đồng hóa CO2 và một phần N – NH4+ cho tổng hợp tế bào và duy trì sự sống

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O → C5H7O2N + 5O2 (5)

Vi sinh học của quá trình nitrate hóa

Hình 2.18 Aspergillus

Động học quá trình nitrate hóa

Tốc độ tăng trưởng của Nitrobacter cao hơn Nitrosomonas Do đó, giai đoạn tốc độ giới hạn trong quá trình nitrate hóa là sự chuyển hóa N – NH4+ thành N – NO2- bởi Nitrosomonas Phương trình sau đây mô tả sự tăng trưởng theo Monod:

dn n

kdn: hệ số phân hủy nội bào của vi khuẩn nitrate hóa (g VSS/ g VSS.ngày)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa

o DO

Phương trình động học phản ứng sinh học có ảnh hưởng của nồng độ DO:

dn n

nm

DO K

DO N

K

++

DO: nồng độ oxy hòa tan (mg/L),

K0: hệ số bán bão hòa oxy (mg/L)

Tốc độ nitrate hóa tăng mạnh khi nồng độ DO được duy trì từ 3 – 4mg/L Ở nồng độ

DO thấp (< 0.5mg/L), quá trình nitrate hóa bị ức chế, đặc biệt đối với loài Nitrobacter

Do đó sẽ dẫn tới sự gia tăng nồng độ N – NO2- cho nguồn tiếp nhận nước Đối với các trạm xử lý nước thải có khử trùng bằng chlorine sẽ tiêu tốn 4g chlorine/g NO2 bị oxy hóa Và do đó làm tăng chi phí khử trùng

o pH

Tốc độ nitrate hóa cực đại khi pH nằm trong khoảng từ 7.5 – 8 Ở pH dưới 6.8, tốc độ nitrate hóa giảm một cách đáng kể và chỉ đạt từ 10 – 20% so với ở pH = 7 (US EPA, 1993) pH = 7 – 7.2 thường được sử dụng để duy trì tốc độ nitrate hóa hợp lý Tuy nhiên, đối với một số nguồn nước có độ kiềm thấp và để cân bằng với lượng acid sinh

ra do quá trình oxy hóa N – NH4+ người ta thường bổ sung vôi, soda, NaHCO3, Mg(OH)2 để tăng pH hoặc khuấy trộn nước thải để loại bỏ CO2

o Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc đo sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrate hóa Tốc

độ nitrate hóa giảm cùng với sự suy giảm của nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu là 300C và cho hoạt động tốt từ 15 – 350C

Nồng độ ammonia và nitrite

Turk và Mavinic (1986) cho thấy nồng độ khí NH3 hòa tan khoảng 0.1 – 1 mg/L thì sự oxy hóa nitrite bị ức chế, quá trình oxy hóa ammonia bị ức chế khi nồng độ khí ammonia từ 5 – 20 mg/L Ford et Al (1980) cho thấy quá trình oxy hóa nitrite bị ức chế khi nồng độ N – NH4+ = 10 – 150 mg/L Beccari et al (1979) cho thấy sự oxy hóa ammonia thành nitrite ít nhạy cảm hơn sự oxy hóa nitrite thành nitrate ở pH thấp Sự

ức chế quá trình oxy hóa nitrite thành nitrate ở pH thấp là do sự hiện diện của acid nitrous HNO2 tự do – FNA (Free Nitrous Acid)

Anthonisen et al (1976) cho thấy FNA = 0.2 – 2.8 mg/L sẽ ức chế loài Nitrobacter Nồng độ khí ammonia tự do – FA (Free Ammonia) và FNA được biễu diễn như sau:

w

K

pH TA FA

/

)14/17)(

10(

TA: tổng ammonia trong dung dịch gồm khí NH3 và ion NH4+ (mg/L)

Kb, Kw: hằng số ion hóa của phương trình cân bằng ammonia và nước

pH K

NO FNA

a10

)14/46(

Ni, Cr, Cu, Zn) Ảnh hưởng của Cu đối với Nitrosomonas europea tăng khi nồng độ N – NH4+ tăng từ 3 – 23 mg/L

2.3.1.2 Quá trình khử nitrate (Denitrification)

Mô tả quá trình

Quá trình khử nitrate là quá trình rất phức tạp và được thực hiện trong môi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron là chất hữu cơ hoặc vô cơ Hai cơ chế quan trọng nhất của sự khử nitrate sinh học là khử nitrate đồng hóa và khử nitrate

dị hóa:

o Khử nitrate đồng hóa: con đường đồng hóa liên quan đến khử nitrate thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào Nó xảy ra khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế của oxy

o Khử nitrate dị hóa: đây là quá trình hô hấp kỵ khí mà NO3- hay NO2- là chất nhận electron và bị khử thành oxide nitride, oxide nitrous và khí nitơ:

NO3- → NO2- → NO (Khí) → N2O (Khí) → N2 (Khí) (12)

Vi sinh học của quá trình khử nitrate

VSV có khả năng khử nitrate rất đa dạng, chúng sống trong đất, nước và nước thải Các loài vi khuẩn khử nitrate có thể là loài tự dưỡng hay dị dưỡng; thậm chí, có một số loài tảo và nấm cũng đảm nhiệm vai trò khử nitrate

o Loài dị dưỡng

Một số loài vi khuẩn được phát hiện tham gia vào quá trình dị dưỡng khử nitơ như: Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Chromobacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella, Neisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spillium và Vibrio [Payne, 1981] Trong đó, các loài như Halobacterium, Methanomonas và Pseudomonas hiện diện phổ biến trong tất cả các hệ

vi khuẩn khử nitrate Các loài này sẽ sử dụng nguồn chất hữu cơ từ các hợp chất như hydrogen, methanol, cacbonhydrates, acid hữu cơ, rượu, benzoates,… cho tổng hợp tế bào