Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học tt

Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa EC với quá trình lọc sinh học BF là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR.. Nội dung nghiên cứu: Giai đoạn

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh

ra ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH) tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 12% Lượng RTSH tăng dần theo thời gian dẫn đến lượng nước rỉ rác (NRR) sinh ra ngày càng tăng NRR sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển có mức độ ô nhiễm cao với chỉ số COD lên đến 70000 mg/l, chất rắn hòa tan tới 50000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng đến 2000 mg/l và hàm lượng nitơ cao tới hơn 3000 mg/l, NRR bốc mùi hôi nặng lan tỏa nhiều kilomet, có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt Do đó, ô nhiễm môi trường bởi NRR từ lâu đã là vấn đề nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo

vệ môi trường

Mặc dù theo quy định mỗi bãi chôn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý, Nguyên nhân là do NRR có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL 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 NRR tại các bãi chôn lấp thì tiếp tục tăng lên Do đó, vấn

đề tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết

Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học (BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử

lý NRR Khác với quá trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, quá trình

EC có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol, hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh, là những thành phần khó phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong các quá trình sinh học Ngoài ra, quá trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra Trong khi đó, quá trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD5 cao Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thông thường do các giá thể hữu cơ rất xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú trên đó, đồng thời các quá trình hóa lý khác cũng tham gia vào quá trình xử lý, dẫn đến quá trình

khử nitrat diễn ra rất mạnh Việc kết hợp 2 công nghệ này cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý NRR, nước sau xử lý có thể đạt QCVN25:2009/BTNMT cột B2

Trước thực trạng trên việc nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng công nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học là hết sức cần thiết cho xử lý

NRR Chính vì lý do trên tôi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Luận án đặt ra mục tiêu nắm bắt được các công nghệ tiên tiến để xử lý NRR, đặc biệt trong đó là công nghệ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau:

1/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng EC

2/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF

Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu quá trình EC kết hợp với quá trình BF để tăng hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo quy chuẩn môi trường QCVN25:2009/BTNMT cột B2

3 Nội dung nghiên cứu:

Giai đoạn xử lý NRR bằng EC

1/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng điện cực sắt và bằng điện cực nhôm

Giai đoạn xử lý NRR bằng BF sau quá trình EC

2/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí và tải lượng đầu vào đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nước rỉ rác

1.1.1 Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác

NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngoài bãi rác

Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp

và thời gian chôn lấp Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp chất thải rắn cao hơn rất nhiều so với BCL chất thải rắn lâu năm Vì trong BCL lâu năm hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy bị phân hủy gần hết Nước rác BCL mới, thường có pH thấp nhưng hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng rất cao Trái ngược với BCL mới nước rác bãi chôn lấp lâu năm thường có pH cao (do quá trình metan hóa tăng lên) và hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng lại giảm vì hầu hết các kim loại chuyển sang trạng thái kết tủa khi pH tăng Đặc biệt, nước rác BCL lâu năm chứa nhiều hợp chất cao phân tử nhiều hóa chất độc hại vừa gây màu tối vừa có mùi khó chịu rất khó phân hủy bằng phương pháp sinh học

1.1.2 Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người

NRR có nồng độ các chất ô nhiễm cao như: COD = 2000 – 70000 mg/l, BOD = 1200 – 27000 mg/l và nhiều chất độc hại khác khi thấm vào đất gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, thoát vào hệ thống nước mặt gây ô nhiễm nguồn nước mặt Mùi bốc lên từ NRR gây ô nhiễm môi trường không khí Như vậy khi NRR phát tán vào môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nặng nề và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng.

1.2 Tổng quan quá trình keo tụ điện hóa

Cơ chế của quá trình keo tụ điện hóa

“EC là phương pháp điện hóa học để xử lý nước bị ô nhiễm, sử dụng dòng điện một chiều để ăn mòn điện cực dương (thường là nhôm hoặc sắt) để giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (thường là ion nhôm hoặc ion sắt) vào dung dịch”

Khi điện phân điện cực kim loại xảy ra các quá trình sau:

M → Mn+ + ne- Các cation kim loại tạo ra kết hợp với các ion OH- có mặt trong nước tạo thành các hydroxit kim loại theo các phương trình phản ứng sau:

Mn+ + nOH- → M(OH)n

1.3 Tổng quan về lọc sinh học

1.3.1 Cơ chế của quá trình lọc sinh học

BF là kỹ thuật sử dụng màng vi sinh hình thành trên một chất mang dạng rắn Chất mang có thể có vị trí cố định trong một thiết bị phản ứng và dòng chất lỏng tạo thành màng mỏng chảy trên bề mặt lớp màng vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt; màng vi sinh tiếp xúc gián đoạn luân phiên với pha khí và lỏng thông qua biện pháp gắn với một trục quay như trong đĩa quay sinh học; chất mang có

vị trí cố định trong một tầng ngập trong nước và nước chứa tạp chất chảy qua tầng vật liệu trong cột BF

1.3.2 Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải

Xử lý nitơ trong nước thải thường được điễn ra qua hai giai đoạn Giai đoạn 1 là quá trình chuyển hóa amoni thành nitrat (nitrat hóa) Giai đoạn thứ 2

là quá trình khử nitrat thành nitơ bay lên (khử nitrat)

1.3.3 Kết hợp các phương pháp trong xử lý nước rỉ rác

Theo Wiszniowski và cộng sự (2006) đã chỉ ra rằng để xử lý NRR đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn xả thải cần phải kết hợp nhiều phương pháp để xử lý triệt để NRR Chủ yếu là sự kết hợp của 3 phương pháp là vật lý, hóa học và sinh học Đã có nhiều công trình chỉ ra tính hiệu quả của sự kết hợp các phương pháp trong xử lý NRR Dưới đây chỉ đề cập tới sự kết hợp phương pháp EC và BF

NRR Tuy nhiên cần phải có các nghiên cứu tiếp theo về sự kết hợp này với quá trình EC bằng các loại điện cực khác để tìm ra các điều kiện thích hợp cho quá trình xử lý NRR với hiệu suất cao và chi phí vận hành thấp Chính vì vậy, hướng mới mà luận án tập trung nghiên cứu xử lý NRR với sự kết hợp quá trình

EC điện cực sắt với BF Luận án cũng nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý NRR của quá trình EC điện cực sắt với quá trình EC điện cực nhôm.

Cho nên nghiên cứu xử lý NRR bằng EC kết hợp BF là hướng được lựa chọn trong luận án này

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Chất ô nhiễm trong NRR (đánh giá thông qua các thông số COD, amoni, TSS, độ màu)

NRR dùng trong nghiên cứu được lấy tại hồ sinh học Khu liên hiệp xử lý chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội mang về bảo quản lạnh ở 4oC

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực để xử lý NRR

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về chế độ sục khí, tải lượng đầu vào để xử lý NRR sau quá trình xử lý bằng EC (đánh giá thông qua các thông số COD, amoni, nitrat, TSS, độ màu)

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa

Hiện nay, EC được sử dụng để xử lý môi trường nước Với NRR có COD, BOD, amoni, TSS và độ màu cao thì phương pháp EC là một phương pháp mới, hiệu quả cao trong xử lý các chất trên

- Đối với COD, TSS và chất màu được xử lý cơ bản theo cơ chế keo tụ

mà chất keo tụ được tạo ra từ quá trình điện phân

- Đối với amoni được xử lý cơ bản theo cơ chế điện hóa, hấp phụ…

Để tăng cường hiệu quả xử lý bằng EC, các thông số như mật độ dòng, thời gian điện phân, khoảng cách điện cực, vật liệu điện cực và pH của nước thải cần được khảo sát và tìm được điều kiện tối ưu

3.1.1 Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt

5 10 15 20 25 30

dòng và thời gian điện hóa đến

hiệu suất xử lý COD

Hình 3.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng

và thời gian điện hóa đến hiệu suất xử lý amoni

20 40 60 80

Ảnh hưởng của thời gian điện hóa từ 10 - 80 phút đến hiệu suất xử lý chất

ô nhiễm trong NRR với điều kiện J = 3,896 mA/cm2 thể hiện ở bảng 3.1

Khi J = 3,896 mA/cm2 thì theo bảng 3.1 ta có thể lựa chọn thời gian điện hóa 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo mặc dù với thời gian này hiệu suất chưa phải là cao nhất, nhưng sau 60 phút hiệu suất tăng không nhiều

Từ bảng 3.2 cho thấy, khi mật độ dòng tăng thì năng lượng điện tiêu thụ tăng

Ở mật độ dòng J = 1,298 mA/cm2 (I = 1A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 1,05 KWh/m3 NRR Khi tăng J = 5,194 mA/cm2 (I = 4A) thì năng lượng điện tiêu thụ tăng đến 24,67 KWh/m3 NRR Ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 (I = 3A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 12,83 KWh/m3 NRR, khi tăng mật độ dòng lên 4,545 và 5,194 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ tăng rất nhanh lên tương ứng đến 18,08

và 24,67 KWh/m3 NRR Kết quả bảng 3.2 cũng cho thấy hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi mật độ đòng điện J = 3,896 mA/cm2 thấp hơn không nhiều so với J = 4,545 và 5,194 mA/cm2 Năng lượng tiêu thụ để xử lý 1 m3 NRR với J = 5,194 mA/cm2 gần gấp đôi với J = 3,896 mA/cm2 Như vậy chọn mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 là phù hợp về mặt năng lượng trong khi đó hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lại không thấp hơn mấy so với J

= 4,545 và 5,194 mA/cm2 Bảng 3.2 cho thấy, nếu chọn mật độ dòng < 3,896 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ thấp nhưng hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS

và độ màu lại thấp hơn nhiều ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 Vậy mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 được chọn cho các nghiên cứu tiếp theo

Bảng 3.2 Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR (thời gian điện phân 60 phút)

Hiệu điện thế (V)

Năng lượng tiêu thụ (KWh/m 3 NRR)

Hiệu suất

xử lý COD (%)

Hiệu suất

xử lý amoni (%)

Hiệu suất

xử lý TSS (%)

Hiệu suất xử

lý độ màu (%)

1,0 1,298 1,9 1,05 53,33 14,03 6,85 42,2 2,0 2,597 4,4 4,89 62,50 15,03 20,79 56,5 2,5 3,246 5,5 7,64 69,64 18,32 26,57 59,6

3,0 3,896 7,7 12,83 76,79 23,64 38,61 71,67

3,5 4,545 9,3 18,08 78,71 24,32 39,04 74,27 4,0 5,194 11,1 24,67 80,36 24,99 40,16 74,91 Kết hợp giữa hiệu suất xử lý ở bảng 3.1 và năng lượng tiêu thụ ở bảng 3.2 chọn thời gian điện hóa 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo

3.1.2 Ảnh hưởng pH ban đầu của nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt

Giá trị pH là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu suất

xử lý của quá trình EC

Kết quả nghiên cứu luận án cũng cho thấy, tại môi trường trung tính (pH =

7 - 8) hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều đạt hiệu suất cao nhất

Cụ thể ở bảng 3.3:

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

tại các giá trị pH khác nhau

(J = 3,896 mA/cm 2 , thời gian điện phân 60 phút, khoảng cách điện cực 1 cm)

Từ bảng 3.3 có thể thấy rằng: hiệu suất xử lý đạt cao nhất tại hai giá trị

pH = 7 và 8 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR cũng chỉ ra là khi

pH > 8 thì hiệu suấ xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều giảm Thời gian điện phân càng tăng thì pH càng tăng (theo hình 3.5) dẫn tới hiệu suất xử lý giảm Đây cũng là cơ sở để giải thích khi thời gian điện phân lớn hơn 60 phút thì hiệu suất xử lý tăng ít hoặc không tăng Mặt khác, pH đầu vào vào NRR của

BCL Nam Sơn vào khoảng 8 vì vậy lựa chọn pH đầu vào là khoảng 7 - 8 cho

nghiên cứu này để tiết kiệm hóa chất điều chỉnh pH và chi phí

3.1.3 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu

Hình 3.10 Ảnh hưởng của khoảng

cách điện cực đến hiệu suất

xử lý COD

Hình 3.11 Ảnh hưởng của khoảng

cách điện cực đến hiệu suất

Khoang cach dien cuc (cm)

Hình 3.12 Ảnh hưởng của khoảng

cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS

Hình 3.13 Ảnh hưởng của khoảng

cách điện cực đến hiệu suất

xử lý độ màu

Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

tại các giá trị khoảng cách giữa các điện cực khác nhau

(J = 3,896 mA/cm 2 , thời gian điện phân 60 phút)

ô nhiễm giảm mạnh Trong nghiên cứu này không thể giảm được khoảng cách điện

cực xuống nhỏ hơn 1 cm do đặc thù của NRR Nam Sơn có hàm lượng TSS cao gây mất ổn định cho quá trình điện phân Do đó, khoảng cách điện cực 1 cm được lựa chọn áp dụng cho nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy ở cường động dòng điện J = 3,896 mA/cm 2 , pH NRR là khoảng 7 - 8 và khoảng cách điện cực 1 cm là điều kiện thích hợp cho

quá trình EC

3.1.4 So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm

So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt

và nhôm ở các thời gian điện phân khác nhau

10 15 20 25 30 35

Fe Al

Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian

điện hóa với điện cực nhôm và sắt đến

hiệu suất xử lý COD

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian

điện hóa với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý amoni

20 40 60 80

Fe Al

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian

điện hóa với điện cực nhôm và sắt

đến hiệu suất xử lý TSS

Hình 3.17 Ảnh hưởng của thời gian

điện hóa với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý độ màu Vật liệu điện cực là một trong các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng điện hóa diễn ra bên trong dung dịch Trong mỗi phản ứng EC, anot hòa tan và chất keo tụ đóng vai trò là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp

Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS

và độ màu của điện cực sắt và nhôm thể hiện ở bảng 3.5

Bảng 3.5 cho thấy hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu của điện cực sắt cao hơn hẳn so với điện cực nhôm ở tất cả các khoảng thời gian điện phân Trong khi đó hiệu suất xử lý amoni của điện cực sắt và điện cực nhôm lại phụ thuộc vào khoảng thời gian điện phân Như vậy chọn điện cực sắt cho nghiên cứu xử lý NRR bằng EC

Bảng 3.5 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu

trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở thời gian điện phân khác nhau

(J = 3,896 mA/cm 2 , khoảng cách điện cực 1 cm)

Fe Al

Fe Al

Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR

của điện cực sắt và nhôm ở các pH khác nhau

(J = 3,896 mA/cm 2 , thời gian điện phân 60 phút, khoảng cách điện cực 1 cm)

xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt Ở môi trường axit (pH

< 7) và môi trường kiềm (pH > 8) thì hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu của cả 2 điện cực nhôm và sắt đều thấp Hiện tượng này được Park và cộng

sự (2002) giải thích là: mỗi loại ion kim loại trong dung dịch có thể tạo ra các chất keo tụ khác nhau dẫn tới hiệu suất xử lý chất ô nhiễm cũng khác nhau Ví

dụ, điều kiện kiềm cao trong dung dịch diện phân hydroxit nhôm và hydroxit sắt tồn tại ở dạng tương ứng là Al(OH)4− và Fe(OH)4− Những hydroxit này có hoạt động keo tụ kém, sau đó, thông thường (trừ một số sản phẩm polyaluminum) quá trình keo tụ khó được thực hiện ở môi trường có tính axit (Fe: pH = 4 - 5 và Al: pH = 5 - 6)