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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2016 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường MS: 62520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thị Sơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Hà Nội - 2016 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, phần tham khảo ghi rõ luận án Tác giả Phạm Hương Quỳnh i LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình học tập thực cơng trình Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Sơn, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Viện khoa học Cơng nghệ Mơi trường tận tình hướng dẫn, định hướng tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Xin chân thành cảm ơn cán phòng thí nghiệm Nghiên cứu Triển khai cơng nghệ mơi trường - Viện Khoa học Công nghệ Môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho q trình nghiên cứu Trong thời gian qua tơi nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện đồng nghiệp, giúp đỡ tinh thần vật chất gia đình người thân Xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ quý báu Tác giả Phạm Hương Quỳnh ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự hình thành đặc trưng nước rác 1.1.1 Sự hình thành nước rác 1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh 1.1.1 n n ng n ấp 1.1.1 ếu tố n ng ến ượng ặ ưng nướ 1.1.2 Đặc trưng nước rác 1.1 .1 Đặ ưng nước rác số bãi chôn lấp giới 1.1 Đặ ưng nước rác số bãi chôn lấp Việt Nam 10 1.2 Phương pháp xử lý nước rác 11 1.2.1 Phương pháp xử lý sơ 11 .1.1 P ương p p ng ke ụ 11 .1 P ương p p ó 12 1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử n 14 1.2.1.4 P ương p p kết tinh Magnesium Ammonium Phosphat (MAP) 15 1.2.2 Xử lý sinh học 19 1.2.2.1 Xử lý yếm khí 19 1.2.2.2 Xử lý thiếu khí 26 1.2.2.3 Xử lý bãi l c trồng 28 1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác 34 1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rác giới 34 1.3.2 Công nghệ xử lý nước rác Việt Nam 38 1.3.2.1 Một số công nghệ xử ý nước ã ược nghiên cứu 38 1.3.2.2 Một số công nghệ xử ý nướ ã ược áp dụng 39 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 46 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với cơng nghệ đơn giản, tiêu tốn lượng chi phí thấp 47 2.3 Thiết bị vật liệu nghiên cứu 48 2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP 48 2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí 50 2.3.2.1 Kết cấu nguyên lý hoạ ộng thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí 50 iii 2.3.2.2 P ương p p vật liệu nghiên cứu 52 2.3.2.3 Kh ộng thiết bị yếm - thiếu khí 54 2.3.3 Thiết bị mô bãi lọc trồng 56 2.3.3.1 Kết cấu thiết bị 56 2.3.3.2 Lựa ch n thực vật cho bãi l c trồng 57 2.3.3.3 Hoạt hóa bãi l c trồng 58 2.3.4 Thiết kế thí nghiệm 60 2.3.5 Một số thông số quan trọng vận hành hệ thống xử lý 60 2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm 60 2.4.1 Phương pháp thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm 60 2.4.2 Xác định hệ số hồi quy 61 2.4.3 Kiểm tra độ phù hợp 63 2.4.4 Ngơn ngữ lập trình R 63 2.5 Phương pháp phân tích 64 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 65 3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1) 65 3.1.1 Nghiên cứu q trình tạo MAP mơi trường giả định 66 3.1.1.1 Ản ng nồng ộ Am n b n ầu 66 3.1.1.2 Ản ng củ ộ pH tới trình tạo MAP 67 3.1.1.3 Ản ng thời gian ph n ứng tới trình tạo MAP 69 3.1.1.4 Ản ng tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tạo MAP 70 3.1.1.5 Thiết lập p ương n ồi quy mô t mối quan hệ nồng ộ amoni b n ầu, pH, thời gian ph n ứng tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tách Amoni tạo MAP 72 3.1.1.6 Ản ng pH, thời gian ph n ứng tố ộ khuấ ến kí ước tinh thể MAP ng m ường gi ịnh 73 3.1.1.7 Kết qu phân tích MAP m ường gi ịnh 76 3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 78 .1 Đố ượng nghiên cứu 78 3.1.2.2 Ản ng củ m ượng NH4 + b n ầu 79 3.1.2.3 Ản ng việc bổ xung mầm tinh thể 80 .4 T n ng nước rác kết tinh MAP 81 3.1.2.5 Kết qu p ân í MAP ược từ nước rác 81 3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác phương pháp sinh học (bước 2) 83 3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác 83 3.2.1.1 Ản ng nồng ộ COD dòng vào 84 iv 3.2.1.2 Ản 3.2.1.3 Ản ng thờ g n 86 ng nguyên tố ượng 87 3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác lọc sinh học thiếu khí 88 3.2.2.1 Nghiên cứu n ng COD dòng vào 89 3.2.2.2 Nghiên cứu n ng thờ g n 91 3.2.2.3 Nghiên cứu n ng thể í ệm 92 3.2.3 Nghiên cứu xử lý bãi lọc trồng 93 3.2.3.1 Ản ng thờ g n 93 3.2.3.2 Ản ng COD dòng vào 94 3.2.3.3 Ản ng tổng n dòng 95 3.3 Nghiên cứu xử lý với dịng liên tục cơng nghệ kết hợp tách MAP- sinh học (yếm khí - lọc sinh học thiếu khí - bãi lọc trồng cây) 98 3.3.1 Đặc trưng nước rác dòng vào 98 3.3.2 Kết nghiên cứu xử lý với dòng liên tục công nghệ kết hợp 99 3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ tiết kiệm lượng 100 3.4.1 Công nghệ xử lý nước rác đề xuất 100 4.1.1 Sơ quy trình cơng nghệ (Hình 3.17) 100 3.4.1.2 Thuyết minh công nghệ 100 3.4.2 Tính tốn sơ hạng mục hệ thống xử lý nước rác 101 3.4.2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng tính tốn thiết kế 101 3.4.2.2 Tính tốn hạng mục 102 3.4.3 Đánh giá hiệu kinh tế nhu cầu lượng công nghệ đề suất 104 3.4.3.1 Hiệu qu kinh tế m ường công nghệ 104 3.4.3.2 So sánh với số công nghệ hành 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 122 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ cân hình thành nước rác Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite 15 Hình 1.3 Cơ chế q trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan 21 Hình 1.4 Ảnh hưởng nồng độ chất đến tốc độ tăng trưởng riêng 23 Hình 1.5 Mơ hình khuếch tán lọc sinh học 27 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bãi lọc trồng ngập nước 31 Hình 1.7 Sơ đồ hệ lọc ngang (lọc ngầm) với thảm lau sậy 32 Hình 1.8 Sơ đồ hệ lọc đứng (lọc ngầm) với thảm lau sậy 33 Hình 1.9 Cơng nghệ xử lý nước rác bãi Ammasuo (Phần Lan) 34 Hình 1.10 Cơng nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh 35 Hình 1.11 Cơng nghệ xử lý sinh học kết hợp oxy hóa Ozon 36 Hình 1.12 Cơng nghệ xử lý nước ríc rác bãi chốn lấp Sudokwon 37 Hình 1.13 Công nghệ xử lý nước rác Viện Cơ học bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 40 Hình 1.14 Cơng nghệ xử lý nước rác công ty SEEN bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội 40 Hình 1.15 Công nghệ trạm xử lý nước rác bãi chơn lấp Gị Cát 41 Hình 1.16 Cơng nghệ xử lý nước rác sau hồn thiện bãi chơn lấp Gị Cát 42 Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác bãi chốn lấp Phước Hiệp 43 Hình 1.18 Hệ thống hồ xử lý nước rác công ty Quốc Việt bãi chốn lấp Phước Hiệp 44 Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP 49 Hình 2.1 (b) Mơ hình thiết bị tách MAP 49 Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí 51 Hình 2.2(b) Mơ hình thiết bị tích hợp xử lý yếm khí - thiếu khí phịng thí nghiệm 51 Hình 2.3 Giá thể sinh học bể thiếu khí 53 Hình 2.4 Vi sinh vật thiết bị phản ứng 54 Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng 56 Hình 2.6 Thiết bị mơ bãi lọc chưa trồng 57 Hình 2.7 Cây riềng hoa (Canna lily) 58 Hình 2.8 (a) Thiết bị mơ giai đoạn hoạt hóa 59 Hình 2.8 (b) Thiết bị mô giai đoạn vận hành 59 Hình 2.9 Sơ đồ mơ hình thuật tốn 61 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ amoni ban đầu tới hiệu tách amoni 67 vi Hình 3.2 Ảnh hưởng pH tới hiệu loại NH4+, PO43- Mg2+ 68 Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian lưu đến hiệu loại bỏ amoni 70 Hình 3.4 Ảnh hưởng tốc độ khuấy đến trình kết tinh MAP 71 Hình 3.5 Sơ đồ nghiên cứu tách nitơ tạo MAP 72 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH đến kích thước tinh thể MAP 73 Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút 75 Hình 3.8 Kích thước tinh thể vận tốc khuấy (a) 100 (b)50vịng/phút 76 Hình 3.9 Ảnh SEM MAP từ chất chuẩn tỷ lệ mol Mg2+:NH4+: PO43- 77 Hình 3.10 Phổ XRay MAP từ chất chuẩn tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- pH 77 Hình 3.11 Ảnh SEM MAP từ nước rác tỷ lệ mol Mg2+: NH4+:PO43- =1:1,9:1 82 Hình 3.12 Phổ XRD MAP thu từ nước rác 82 Hình 3.13 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu xử lý 85 Hình 3.14 Ảnh hưởng COD dịng vào đến hiệu xử lý lọc thiếu khí 90 Hình 3.15 Ảnh hưởng thời gian lưu đến hiệu xử lý bãi lọc trồng 94 Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dịng vào đến hiệu xử lý bãi lọc trồng 95 Hình 3.17 Sơ đồ quy trình cơng nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 100 công nghệ tiết kiệm lượng 100 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng nước rỉ rác số quốc gia giới Bảng 1.2 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp khác Việt Nam 10 Bảng 1.3 Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nước thải hệ thực vật 30 Bảng 1.4 So sánh ưu, nhược điểm bãi lọc trồng dòng chảy thẳng đứng dòng chảy ngang 33 Bảng 1.5 Hiệu xử lý N- NH4+ COD q trình yếm khí – hiếu khí kết hợp bãi rác Ammasuo – Phần Lan 35 Bảng 1.6 Kết vận hành hệ thống xử lý công nghệ SBR Deepmoor (Anh) Gairtloch (Scotlen) 35 Bảng 1.7 Hiệu xử lý qua công đoạn 36 Bảng 1.8 Nồng độ chất ô nhiễm trước sau xử lý 37 Bảng 1.9 Thành phần nước rác bãi chốn lấp Gò Cát trước sau xử lý 43 Bảng 1.10 Đặc trưng nước rác trước sau hệ thống xử lý bãi chốn lấp Phước Hiệp 45 Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 46 Bảng 2.2 Vật liệu lọc sử dụng bãi lọc trồng 56 Bảng 2.3 Hiệu xử lý giai đoạn hoạt hoá bể lọc trồng 58 Bảng 3.1 Kết thăm dò khả kết tinh MAP 66 Bảng 3.2 Tổng hợp kết nghiên cứu ảnh hưởng pH đến trình tách MAP tỷ lệ khác 68 Bảng 3.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP 74 Bảng 3.4 Ảnh hưởng vận tốc khuấy đến trình kết tinh MAP 75 Bảng 3.5 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 79 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nồng độ NH4+ đến hiệu tách N,P 80 Bảng 3.7 Ảnh hưởng mầm tinh thể 80 Bảng 3.8 Hiệu tách nitơ tạo MAP nước rác 81 Bảng 3.9 Kết phân tích thành phần MAP thu từ nước rác 83 Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP 84 Bảng 3.11 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu xử lý 85 Bảng 3.12 Ảnh hưởng thời gian lưu tới hiệu xử lý 87 Bảng 3.13 Ảnh hưởng nguyên tố vi lượng đến hiệu xử lý 88 Bảng 3.14 Đặc trưng dịng vào lọc thiếu khí 89 Bảng 3.15 Ảnh hưởng COD dịng vào tới q trình lọc thiếu khí 89 Bảng 3.16 Ảnh hưởng thời gian lưu tới q trình lọc thiếu khí 91 Bảng 3.17 Ảnh hưởng thể tích đệm đến hiệu xử lý lọc thiếu khí 92 viii Bảng 3.18 Đặc trưng dòng vào bãi lọc trồng 93 Bảng 3.19 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý bãi lọc trồng 94 Bảng 3.20 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu xử lý bãi lọc trồng 95 Bảng 3.21 Ảnh hưởng tổng nitơ dòng vào đến hiệu xử lý bãi lọc trồng 96 Bảng 3.22 Hiệu xử lý nitơ bãi lọc trồng 97 Bảng 3.23 Khả tải bãi lọc trồng 97 Bảng 3.24 Hiệu xử lý liên tục hệ thống 99 Bảng 3.25 Thông số thiết kế hệ thống xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài 102 Tân Cương - Thái Nguyên 102 Bảng 3.26 Điện tiêu thụ cho hệ thống xử lý đề xuất 105 Bảng 3.27 Chi phí hóa chất cho cơng nghệ 107 Bảng 3.28 So sánh chi phí nhân cơng cho cơng nghệ 108 Bảng 3.29 So sánh chi phí lượng cho công nghệ (VNĐ/m3) 108 Bảng 3.30 So sách chi phí vận hành hệ thống (VNĐ/m3) 108 ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu E: Năng lượng rt : Tốc độ tăng trưởng tế bào vi sinh 1: Tốc độ tăng trưởng riêng X: Nồng độ vi sinh bể hay nồng độ bùn hoạt tính 1: Tốc độ tăng trưởng tế bào vi sinh m: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại S: Nồng độ chất nước thải Ks : Hằng số bán bão hòa Y: Hệ số suất sử dụng chất cực đại rd: Tốc độ sử dụng chất k: Hằng số tốc độ R: Hằng số khí lý tưởng D: Hệ số khuyếch tán C: Tốn tử Laplace vs: Tốc độ phản ứng TkCOD Tải trọng COD Ybiogas Hệ số tạo biogas TF Năng lực tải bãi lọc x Chữ viết tắt BCL Bãi chơn lấp BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT: Bộ Tài nguyên Môi trường BL: Bãi lọc DO: Oxy hòa tan nước (Demand Oxygen) EM: HQXL: Chế phẩm sinh học chứa vi sinh vật hưu hiệu (Effective Microorganism) Hiệu xử lý HK: Hiếu khí MAP: Magnesium Amonium Photphate PAC: Hóa chất keo tụ PAC (Polyaluminium Chlorite) QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia SCR: Song chắn rác SBR: Thiết bị xử lý theo mẻ (Sequencing Batch Reactor ) EDR: Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffaction) SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SK: Sinh khối SS : Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) TDS: Tổng chất rắn hoà tan TOC: Tổng bon hữu (Total Organic Carbon) TS: Tổng chất rắn (Total Solid) TN: Tổng nitơ (Total nitrogen) TP: Tổng phốt (Total phosphorus) TK: Thiếu khí UASB: UF: Xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow Anearobic Sluge Blanket) Thiết bị siêu lọc (Ultrafitration) VFA: Axít béo bay (Volatile fatty acids) VSV: Vi sinh vật YK: Yếm khí xi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm qua kinh tế nước ta có bước phát triển mạnh mẽ Việt Nam đánh giá quốc gia có tốc độ tăng trưởng nhanh, dự kiến đạt 78% thập kỷ Cùng với phát triển kinh tế, đời sống người dân nâng cao, nhu cầu tiêu dùng tăng nhanh thách thức ô nhiễm môi trường đặc biệt gia tăng đột biến chất thải đô thị Chôn lấp rác thải phương pháp phổ biến hầu hết quốc gia giới Ở nước ta việc chôn lấp rác thải sinh hoạt đô thị đã, áp dụng hầu hết địa phương nước Thực tế cho thấy, nhiều bãi chôn lấp nước ta gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm môi trường không khí nước rác (nước rỉ rác) phát sinh q trình chơn lấp Nước rác hình thành từ hàm ẩm rác, từ trình phân huỷ chất hữu có rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Do rác đem chôn lấp không phân loại nguồn nên nước rác phát sinh có thành phần ô nhiễm phức tạp Đặc biệt nước rác tươi có COD, BOD5, TN, TP cao đến cao, độ màu cao thành phần vô khác Nước rác khơng kiểm sốt xử lý để lại hậu môi trường nghiêm trọng Để giải vấn đề ô nhiễm nước rác, nhiều loại công nghệ nghiên cứu áp dụng như: công nghệ sinh học (xử lý yếm khí, hiếu khí); xử lý hóa học-sinh học (fenton - yếm khí - hiếu khí, stripping - yếm khí - hiếu khí); xử lý hóa học, sinh học, vật lý (oxy hóa hóa học - sinh học - cơng nghệ màng)… Theo công nghệ truyền thống để tách nitơ xử lý BOD5, COD nước rác nhu cầu lượng cho q trình oxy hóa hiếu khí cao Mặt khác công nghệ hành phần giải ô nhiễm BOD5 COD Để xử lý thành công nước rác cần thực giải pháp xử lý hợp chất hữu (BOD5) thành phần khác: COD, hợp chất nitơ, phốt pho… Ở Việt Nam, chương trình quốc gia xây dựng bãi chôn lấp rác quy mơ nhỏ cho địa phương kinh phí cịn hạn hẹp, việc tìm kiếm cơng nghệ xử lý đơn giản chi phí xử lý thấp cần thiết Nitơ phốt thành phần ô nhiễm đáng quan tâm nước rác, nước rác tươi Hàm lượng nitơ cao, amoni hạn chế trình xử lý sinh học đặc biệt q trình xử lý yếm khí Trong thực tế số phương pháp áp dụng trước trình xử lý sinh học như: Stripping - loại nitơ đuổi khí NH3 thổi khí áp lực cao môi trường kiềm mạnh (pH>10) khuấy trộn tốc độ cao Nhìn chung phương pháp có giá thành xử lý cao, vận hành phức tạp đặc biệt không thu hồi nguồn tài nguyên có nước rác Hơn phương pháp cịn gây nhiễm thứ cấp cho mơi trường khơng khí, mơi trường nước Struvit, dạng kết tinh phát lắng đọng đường ống hệ thống xử lý nước thải gây khó khăn khơng nhỏ trong vận hành Struvit (MgNH4PO4.6H2O) hình thành từ magie, amoni phốt có nước thải nên viết tắt MAP Struvite có tích số tan 7,8.10-15 nhiệt độ 250C nên sử dụng dạng phân bón nhả chậm hiệu cho trồng Vì việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt nước rác khơng tận thu nguồn dinh dưỡng có ích cho trồng mà cịn góp phần loại yếu tố ức chế trình xử lý sinh học đơn giản hố, nâng cao hiệu cơng nghệ xử lý Ở nước ta việc nghiên cứu tách, thu hồi nitơ, phốt môi trường nước vài tác giả quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên chưa có đơn vị, cá nhân thu sản phẩm MAP Vì đề tài “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ tiết kiệm lượng” thực nhằm thu hồi nitơ, phốt xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải Mục tiêu luận án - Thu hồi nitơ, phốt nước rác phương pháp hóa học tạo tinh thể MAP - Xử lý nước rỉ rác đạt QCVN 25 - 2009/BTNMT (cột B2) công nghệ tiết kiệm lượng, chi phí thấp Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng tới trình tách nitơ, phốt nước rác kết tinh MAP - Nghiên cứu xử lý sinh học nước rác sau tách MAP công nghệ sinh học đơn giản, tiêu tốn lượng theo bước: + Xử lý yếm khí - thiếu khí tiêu tốn lượng + Xử lý nước rác đến đạt tiêu chuẩn thải bãi lọc trồng - Đề xuất công nghệ xử lý nước rác tiêu tốn lượng, chi phí thấp cho bãi chơn lấp quy mơ vừa nhỏ (bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên) Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nước rác tươi bãi chôn lấp Đá Mài, Thành phố Thái Nguyên - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực quy mơ phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập tài liệu công bố giới nước kết tinh MAP - Nghiên cứu thực nghiệm phòng thí nghiệm theo cơng nghệ khác nhau: + Bước 1: Thu hồi nitơ nước rác tạo tinh thể MAP + Bước 2: Xử lý sinh học nước rác cơng nghệ liên hợp yếm - thiếu khí bãi lọc trồng - Dùng phương pháp thống kê toán học xử lý số liệu thực nghiệm - Phương pháp phân tích: sử dụng phương pháp phân tích theo TCVN Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đưa công nghệ xử lý nước rác với nhu cầu lượng thấp Năng lượng tiêu tốn để xử lý 1m3 nước rác 1,541 kWh Năng lượng 6,4% lượng so với cơng nghệ oxi hóa nâng cao 7,2% lượng so với phương pháp đuổi khí NH3 công nghệ stripping - Tách nitơ phốt nước rác tươi kết tinh MAP (có thể thu 1,43-2,34gam MAP/lít nước rác) - Áp dụng cơng nghệ xử lý nghiên cứu cho bãi chôn lấp Đá Mài - Thành Phố Thái Nguyên bãi chôn lấp quy mô nhỏ Những kết khoa học đạt đóng góp luận án - Hồn thiện cơng nghệ xử lý nước rác với chi phí lượng thấp, vận hành đơn giản - Kết tinh MAP giúp thu hồi nitơ, phốt nước rác, giúp giảm tác nhân ức chế trình xử lý sinh học tiếp theo, đặc biệt trình xử lý yếm khí thu biogas Chương TỔNG QUAN Nước rác đối tượng nước thải khó xử lý thành phần phức tạp Nước rác chứa nhiều chất nhiễm hịa tan từ q trình phân hủy rác Thành phần hóa học nước rác khác tùy thuộc vào rác đem chôn cơng nghệ chơn lấp 1.1 Sự hình thành đặc trưng nước rác Nước từ bãi chơn lấp rác định nghĩa chất lỏng phát sinh từ q trình chơn lấp thấm qua lớp chất thải rắn mang theo chất hòa tan, cặn lơ lửng Nước rác hình thành từ hàm ẩm rác đem chơn, từ q trình phân huỷ chất hữu rác, từ vật liệu phủ, nước mưa thấm ngấm… Nước rác chứa chất hữu vơ hồ tan, cặn lơ lửng nhiều chủng loại vi sinh vật khác Dựa vào tuổi bãi rác, nước rác chia làm loại: nước rác tươi, trung bình nước rác ổn định [27] 1.1.1 Sự hình thành nước rác 1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh Nước rác hình thành từ nhiều nguồn khác như: từ độ ẩm rác, từ trình phân huỷ hợp chất hữu rác, nước mưa, nước ngầm thấm ngấm nước từ vật liệu bổ sung (chế phẩm EM, phun tưới tạo ẩm) [11] Nguyên lý hình thành nước rác thể qua sơ đồ Hình 1.1 Nước thấm qua lớp phủ G1 Nước bay G5 Nước từ vật liệu phủ G2 Nước EM G3 Nước theo khí bãi rác G6 G4 Nước rác G7 Hình 1.1 Sơ n n nước rác Trong đó: Dịng vào: G1: Nước mưa thấm ngấm G2: Nước từ hàm ẩm vật liệu phủ G3: Nước từ EM G4: Nước từ hàm ẩm rác nước hình thành từ trình phân giải hợp chất hữu Dòng ra: G5: Nước bay bề mặt bãi chơn lấp G6: Nước khí bãi rác G7: Nước rác Nước rác = G7 = (G1+G2+G3+G4) - (G5+G6) Lượng nước rác hình thành tính dựa vào cân nước bãi chơn lấp Trong q trình tính tốn, xét với bãi chôn lấp hợp vệ sinh, bỏ qua lượng nước thấm qua thành đáy bãi, hay lượng nước chảy theo bề mặt vào ô chôn lấp Thành phần tạo nên cân nước ô chôn lấp thể qua Hình 1.1 1.1.1 tr nh sinh h c r tr ng ch n p Lượng nước rác phát sinh đặc trưng có quan hệ chặt chẽ với trình sinh học xảy ô chôn lấp Ở giai đoạn đầu khối rác cịn chứa oxy, q trình phân giải hiếu khí xảy mạnh Các chất hữu rác phân hủy hiếu khí theo cơng thức tổng qt sau - Oxy hóa khơng hồn tồn: CaHbOcNd + mO2 + DD  nCwHxOyNz + sCO2+ rH2O+ (d-nz) SK +E - Oxy hóa hồn tồn: Ca H bOc N d + 4a  b  2c  3d 4a  b  2c  3d O2 +DD  aCO2+ H 2O +dNH3+ SK+ E 4 Khi lượng oxy khối rác sử dụng hết trình phân hủy sinh học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí: Chất hữu + H2O+ VSV  SK + chất hữu + CO2+ H2S+ NH3+ CH4+ E Quá trình vơ hóa xảy theo dạng sau: - Vơ hóa khơng hồn tồn Ca H bOc N d + rH2O+ DD  n CwHxOyNz + mCH4+ sCO2+ (d-nx)NH3+ E - Vơ hóa hoàn toàn: Ca H bOc N d + 4a  b  2c  3d 4a  b  c  3d 4a  b  2c  3d H 2O  CH + CO2 +dNH3+E 8 Ở nước ta, rác thu gom chưa phân loại nguồn nên lượng chất hữu thường chiếm 45-50% gồm gluxit, protein, lipit có nguồn gốc động, thực vật vi sinh vật Về q trình sinh học xảy bãi chơn lấp chịu tác động lớn điều kiện tự nhiên như: thời tiết, khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ, chế độ mưa…), yếu tố chủ quan: thành phần hóa học, hàm ẩm khu hệ vi sinh vật rác thải bổ sung trình vận hành… Trong trình phân hủy, chất hữu (COD, BOD 5, TOC) chất vô (SO42-, Ca, e, Mn, n)… chuyển hóa theo nhiều giai đoạn Q trình chuyển hóa sinh học chơn lấp chia thành giai đoạn chính: phân hủy sinh học hiếu khí; phân hủy sinh học yếm khí tạo axit; phân hủy sinh học yếm khí tạo mê tan; giai đoạn tạo humus giai đoạn ổn định 1.1.1 ác ế t nh hư ng ến ượng c trưng nước rác Khối lượng thành phần nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ô chôn lấp yếu tố khác như: thành phần rác đem chơn, khí hậu, thời gian chôn lấp… Ản ng ủ n p ần n ấp Quá trình phân hủy sinh học định hàm lượng chất hữu có rác Đặc trưng nước rác phụ thuộc nhiều vào hàm ẩm lượng chất hữu phân hủy Sự diện chất tẩy rửa, hóa chất khử trùng… kìm hãm hoạt động phát triển vi sinh vật, tác động xấu tới trình phân hủy rác làm ảnh hưởng đến thành phần lượng nước rác sinh b Ản ng ủ ế Thời tiết, khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm khơng khí…) ảnh hưởng trực tiếp đến q trình phân hủy sinh học chất hữu có rác gián tiếp ảnh hưởng đến thành phần lượng nước rác Nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến thành phần lượng nước rác Vào mùa hạ, nhiệt độ khơng khí cao, q trình phân hủy diễn mạnh, nhiệt độ cao k m theo độ ẩm cao điều kiện thích hợp cho phân hủy rác Lượng mư : nước mưa làm tăng độ ẩm rác, thúc đẩy trình phân hủy sinh học đồng thời hịa tan chất vơ cơ, hữu cơ, sản phẩm phân hủy có rác Tuy nhiên lượng mưa lớn dẫn đến lượng nước rác tăng, hàm lượng chất ô nhiễm giảm pha loãng Ản ng ủ ộ ẩm nơ n ấp: độ ẩm khơng khí cao góp phần làm cho vi sinh vật phát triển mạnh khối rác thu gom, vận chuyển Độ ẩm cao, hàm lượng oxy khối rác cao, thúc đẩy trình trình phân hủy rác Tại bãi chơn lấp đóng bãi, q trình phân hủy khơng chịu ảnh hưởng độ ẩm nơi chôn lấp Ản ng ủ n ận n ng ng ệ n ấp Trong trình thu gom, vận chuyển phần chất hữu rác bị phân hủy làm độ ẩm khối rác tăng Các trình tiền xử lý như: cắt chặt, phân loại rác ảnh hưởng đến trình phân hủy chất hữu rác, từ tác động đến thành phần lượng nước rác sinh Các hoạt động trình vận hành chơn lấp thơng thường chơn lấp bán hiếu khí: đầm, nén tác động đến trình phân hủy sinh học rác Công nghệ vận hành bãi chôn lấp ảnh hưởng không nhỏ đến lượng thành phần nước rác tạo thành Thu gom phân loại rác có ảnh hưởng khơng nhỏ tới nồng độ nước rác Rác Việt Nam hầu hết không phân loại nguồn (nhất rác sinh hoạt rác thị), thành phần nước rác phức tạp (ngồi chất hữu cịn có số chất vô kim loại nặng) Mặt khác, rác thu gom sau ngày đến bãi chơn lấp Với khí hậu nhiệt đới (nóng,ẩm) phần chất hữu bị phân hủy vào nước rác nên thành phần hữu nước rác thường cao d Ản ng ủ g n n ấp ổ ủ bã Theo thời gian q trình phân hủy sinh hóa chơn lấp thay đổi dẫn đến thành phần khối lượng nước rác phát sinh biến đổi theo Thời gian chôn lấp dài, lượng nước rác hàm lượng chất ô nhiễm giảm theo Đặc biệt tương tác BOD5, COD ion kim loại 1.1.2 Đặc trưng nước rác 1.1 .1 Đ c trưng nước rác củ s bãi ch n p giới Hàm lượng chất ô nhiễm nước rác (tươi) cao nhiều so với nước rác chôn lấp lâu năm Tỷ lệ BOD5/COD khoảng 0,4-0,6 nước rác tươi; 0,005-0,2 nước rác cũ, thời điểm thành phần hữu