Nghiên ứu xử lý nước rác bằng hệ thống lọc liên hợp và thiết kế hệ thống xử lý cho bãi chôn lấp huyện phú bình tỉnh thái nguyên

Một số nguyên nhân chính đã được nhiều cơ quan quản lý và các nhà khoa học đánh giá là do: công nghệ xử lý không phù hợp, phương án thiết kế và vận hành không hợp lý… Xuất phát từ nhu cầ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-bèa

-TẠ VĂN SƠN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RÁC BẰNG HỆ THỐNG LỌC LIÊN HỢP

VÀ THIẾT KẾ HỆT HỐNG XỬ LÝ CHO BÃI CHÔN LẤP

HUYỆN PHÚ BÌNH – THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mã Số:

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN THỊ SƠN

HÀ NỘI -2007

Chương 1 QÚA TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC TRƯNG NƯỚC RÁC 3

1.1.1 Khái niệm và cơ sở hình thành nước rác 3

1 1.1.2 Quá trình sinh học xảy ra trong quá trình chôn lấp 4

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng và thành phần nước rác 11

1.1.2.2 Ảnh hưởng của thời tiết khí hậu 12 1.1.2.3 Ảnh hưởng của qui trình vận hành và công nghệ chôn lấp 14 1.1.2.4 Ảnh hưởng từ các hệ thống phụ trợ khác trong quá trình vận hành 16

1 1.2.5 Ảnh hưởng của thời gian chôn lấp (tuổi của bãi) 17

1.2.1 Đặc trưng nước rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới 19

1.2.2 Đặc trưng nước rác một số bãi chôn lấp ở Việt Nam 21

2 1.4.2 Xử lí nước thải bằng phương pháp yếm khí 41

2 1.4.3 Khả năng xử lý nước rác trong điều kiện tự nhiên 46

2 .2 Một số công nghệ xử lí nước rác đã được áp dụng trên thế giới,

2 2.1 Công nghệ xử lý nước rác trên thế giới và trong khu vực 50

2 2.1.1 Công nghệ xử lý kết hợp các phương pháp sinh học 51

2 2.2.3 Công nghệ xử lý có áp dụng phương pháp tiên tiến 74

3 3.3 Tính toán lượng nước rác phát sinh 88

4 3.1 Kết quả khảo sát đặc trưng nước rá c bãi chôn lấp Đá Mài 96

4.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp

4.3.2.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất trợ keo

4.3.2.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tác nhân đông keo tụ

và liều lượng tới hiệu quả xử lý COD và độ mầu 99 4.3.2.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của COD dòng vào tới

4.3.3 Kết quả nghiên cứu xử lý nước rác bằng hệ thống lọc liên hợp 105 4.3 1 3 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý 105 4.3 2 3 Ảnh hưởng của hàm lượng COD đầu vào đến hiệu quả xử lý 108

Hình 1.1 Sự biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rác theo thời gian 7 Hình 1.2 Sơ đồ sự cân bằng nước rác cho 1 m3trong lớp rác 8 Hình 1.3 Biến thiên BOD trong nước rác bãi chôn lấp thông thường và có thổi khí 15 Hình 1.4 Biến thiên hàm lượng amoni trong nước rác bãi chôn lấp thông thường và

Hình 2.1 Điện tích trên hạt lơ lửng giải thích bằng lí thuyết hai lớp 25 Hình 2.2 Công nghệ xử lí nước rác có BOD cao tại Phần Lan 52 Hình 2.3 Công nghệ hệ thống xử lí nước rác tại bãi Khmet’Yevo – Nga 54 Hình 2.4 Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Zapdnaya – Nga 56 Hình 2.5 Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Riverbend – Mỹ 57 Hình 2.6 Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Kemi và Joesnuu – Phần Lan 57 Hình 2.7 Công nghệ xử lí nước rác có BOD cao tại Anh 59 Hình 2.8 Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Lapeyrouse – Pháp 60 Hình 2.9 Công nghệ xử lí nước rác tại bãi SudoKwon (công suất Q= 6.700 m 3 /ngày) 62 Hình 2.10.Công nghệ xử lí nước rác bãi chôn lấp Sulaibiyah 63 Hình 2.11.Công nghệ xử lí nước rác tại một số bãi miền tây nước Mỹ 65 Hình 2.12 Công nghệ xử lí nước rác phổ biến tại Nhật Bản 67 Hình 2.13.Công nghệ xử lí kết hợp: Yếm hiếu khí và - hồ sinh học 69 Hình 2.14.Công nghệ xử lí tại bãi Nam Sơn của Viện Cơ Học 71 Hình 2.15.Công nghệ xử lí rác cũ của bãi Đông Thạnh 72 Hình 2.16.Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Đá Mài

Hình 2.17.Công nghệ xử lí nước rác tại bãi Nam Sơn của công ty SEEN 74 Hình 2.18.Công nghệ xử lí của trung tâm ECO và CENTEMA tại bãi Gò Cát

76Hình 3.1 Sơ đồ quy trình vận hành bãi chôn lấp huyện Phú Bình 86

Hình 5.1 Công nghệ đề xuất cho xử lí nước rác bãi chôn lấp Phú Bình

trang

Bảng 1.1 Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn 5

Bảng 1.2 Thành phần rác thải sinh hoạt tại Hà Nội từ năm 1995 -1998 12

Bảng 1.3 Thành phần nước rác theo tuổi của bãi chôn lấp 18

Bảng 1.4 Đặc trưng chất lượng nước rác một số quốc gia trên thế giới 19

Bảng 1.5 Đặc trưng chất lượng nước rác một số quốc gia trên thế giới 20

Bảng 1.6 Thành phần rác thải sinh hoạt tại một số thành phố ở Việt Nam 21

Bảng 1.7 Đặc trưng nước rác của một số bãi chôn lấp rác ở Việt Nam 22

Bảng 2.1 Các phương pháp xử lý nước rác ở các nước Tây Âu và Bắc Mỹ 51

Bảng 2.2 Các dạng xử lý sinh học nước rác tại các nước Tây Âu và Bắc Mỹ 52

Bảng 2.3 Hiệu quả khử NH4-N và COD bằng quá trình

yếm khí- hiếu khí kết hợp tại bãi rác Ammassuo Phần Lan - 54

Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý nước rác tại bãi Kemi, Joénuu - Phần Lan 57

Bảng 2.5 Hiệu quả xử lí nước rác tại bãi Arpley (công suất 360 m3/n ) 59

Bảng 2.6 Hiệu quả xử lí nước rác bãi Gairloch và Deepmoor 60

Bảng 2.7 Kết quả xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Sulaibiyah 63 Bảng 2.8 Công nghệ và hiệu quả xử lý nước rác tại một số bãi ở Phần Lan 65

Bảng 2.9 Thành phần nước ríc bãi chôn lấp GÒ CÁT 69

Bảng 2.10 Thành phần nước rác cũ và mới của BCL Đông Thạnh 72

Bảng 3.1 Thành phần rác tại Huyện Phú Bình Tỉnh Thái Nguyên 81

Bảng 3.2 Ước tính lượng rác phát sinh trên địa bàn huyện Phú Bình

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của chất trợ keo tới quá trình khử COD, độ màu 99

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của lượng phèn nhôm đến hiệu quả xử lý COD và độ

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của lượng phèn sắt đến hiệu quả xử lý COD và độ màu 102

Bảng 4.5 So sánh hiệu quả xử lý giữa phèn sắt và phèn nhôm 103

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của COD đầu vào đến quá trình xử lí đông keo tụ 104

Bảng 4.10 Ảnh huởng của hàm lượng COD đầu vào đến hiệu quả xử lý 110

Bảng 5.1 Thông số đầu vào hệ thống xử lí nước rác 112

Bảng 5.2 Các thông số đầu vào và hiệu suất khử của bể đông keo tụ: 116

Bảng 5 Tổng hợp các thông số chính hệ thống lọc liên hợp3 119

Bảng 5 Thông số đầu vào và ra hệ thống lọc liên hợp4 119

Bảng 5.5 Thông số dòng vào và hiệu quả của bãi lọc ngầm 123

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát phát triển kinh tế và đô thị hóa, lượng chất thải cũng không ngừng gia tăng đặc biệt là chất thải rắn sinh hoạt Chất thải rắn sinh hoạt được sinh từ nhu cầu sinh hoạt của người dân tại các đô thị, cụm dân cư sinh sống

Hiện nay tổng lượng chất thải rắn phát sinh trong các đô thị cả nước là 64 triệu tấn/năm, trong đó chất thải rắn sinh hoạt chiếm khoảng 80% Tại các đô thị, do tập trung đông dân cư cũng như mức sống cao nên lượng rác sinh hoạt phát sinh rất mạnh khoảng 0,7 kg/người/ ngày như: Thành phố Hà Nội mỗi ngày phát sinh khoảng 3.490 tấn, Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 5.200 tấn và thành phố Hải Phòng khoảng 489 tấn

Đặc trưng của rác thải sinh hoạt là có thành phần rất phức tạp, đặc biệt hàm lượng chất hữu cơ cao, đây là nguồn gây ô nhiễm chính khi rác bị phân hủy Tùy theo mỗi khu vực, đô thị, hàm lượng chất hữu cơ trong rác thải khác nhau, biến động trong khoảng 42 – 60%: như tại thành phố Hà Nội, Thái Nguyên tỷ lệ này là 47-53%, thành phố Hồ Chí Minh khoảng 60% và thấp nhất là thành phố Hải Phòng với 42% Trong những năm qua, việc xử lí chất thải rắn sinh hoạt đô thị ngày càng được chính quyền địa phương quan tâm hơn Tuy nhiên cho đến nay công nghệ xử lí chất thải rắn chủ yếu là chôn lấp và hầu như không được phân loại Với hàm lượng chất hữu cơ cao, khi chôn lấp phát sinh một lượng nước rác khá lớn Đặc trưng nước rác

có lưu lượng, thành phần chất ô nhiễm biến động lớn, phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố như: thời tiết khí hậu, công nghệ vận hành và chôn lấp, thành phần rác…Đặc biệt nước rác có hàm lượng chất ô nhiễm rất lớn như: COD = 1000-60.000 mg/l, BOD5

= 300 -40.000 mg/l … hơn nữa hàm lượng nittơ, phốt pho cao rất dễ gây phú dưỡng thủy vực khi thải vào môi trường

Ở Việt Nam công nghệ xử lý nước rác đã đuợc nhiều nhà khoa học, đơn vị nghiên cứu áp dụng, các công nghệ được đề xuất khá đa dạng và một số đã được áp dụng để xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn Hà Nội, bãi Gò cát, Đông Thạnh – – Thành phố Hồ Chí Minh, Tân Cương Thái nguyên Tuy nhiên hầu hết các – công nghệ đã được áp dụng không đạt hiệu quả và chưa hoàn chỉnh, đặc biệt chưa

xử lý được triệt để hàm lượng nitơ, phốt pho trong nước rác có nguy cơ gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận, nhiều công trình được xây dựng rất tốn kém nhưng không

hiệu quả ngay khi mới đưa vào hoạt động Một số nguyên nhân chính đã được nhiều

cơ quan quản lý và các nhà khoa học đánh giá là do: công nghệ xử lý không phù hợp, phương án thiết kế và vận hành không hợp lý…

Xuất phát từ nhu cầu và hiện trạng công nghệ xử lý nước rác hiện nay, luận văn “

Nghiên cứu xử lý nước rác bằng hệ thống lọc liên hợp và thiết kế hệ thống xử lý nước rác cho bãi chôn lấp huyện Phú Bình – Thái Nguyên” nhằm mục đích tìm

hướng đi mới trong ngiên cứu xử lý nước rác, góp phần hoàn thiện công nghệ, xây dựng được công nghệ xử lý có hiệu qủa cao, tiết kiệm năng lượng, vận hành đơn giản, đặc biệt có thể xử lý triệt để hàm lượng nito, phốt pho làm giảm nguy có gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận Mặt khác mục tiêu của luận văn là

Kết quả nghiên cứu là cơ sở để thiết kế hệ thống xử lý nước rác cho bãi chôn lấp huyện Phú Bình và từ đó có thể nghiên cứu áp dụng cho các bãi chôn lấp khác

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 Quá trình hình thành và đặc trưng nước rác

Chương 2: Một số công nghệ xử lý nước rác đã được áp dụng trên thế giới và

ở Việt Nam

Chương 3: Sơ lược về bãi chôn lấp huyện Phú Bình – Thái Nguyên

Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng hệ thống lọc liên hợp

Chương 5: Đề xuất công nghệ và tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước rác cho bãi chôn lấp Huyện Phú Bình – Thái Nguyên

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC RÁC

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NƯỚC RÁC

1.1.1 Khái niệm và cơ sở hình thành nước rác

I.1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc phát sinh

1 Khái niệm

Nước rác là nước phát sinh ở các bãi chôn lấp chất thải rắn có chứa các chất ô nhiễm từ trong rác thải thông qua các phản ứng hóa sinh học và một phần từ các nguồn khác như nước mưa, nước thấm ngấm…[37]

2 Nguồn gốc phát sinh

Nước rác phát sinh chủ yếu từ một số nguồn chính như:

 Nước có trong rác chôn lấp và quá trình phân hủy rác: Lượng nước này phụ

thuộc vào hàm ẩm có trong vật liệu mang chôn lấp và các quá trình phân hủy rác xảy ra trong bãi chôn lấp Thông thường ở điều kiện Việt Nam, rác thải sinh hoạt thường có hàm ẩm khoảng 60-70% Đây là lượng nước cơ bản để hình thành các phản ứng xảy ra trong bãi chôn lấp gây phát sinh nước rác

 Nước mưa: Nước mưa là nhân tố rất quan trọng trong việc hình thành nước

rác Hầu hết các bãi chôn lấp có diện tích rất lớn từ 5ha – 50 ha nên lượng nước mưa đi vào bãi chôn lấp cũng rất lớn Tùy theo thời tiết, khí hậu từng mùa, lượng nước mưa ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng nước rác phát sinh và làm thay đổi lớn về đặc tính của nước rác

 Nước mặt, nước ngầm: Nước mặt và nước ngầm có thể đi vào bãi chôn lấp làm tăng khối lượng nước rác chủ yếu là do các bãi chôn lấp được thiết kế gần các nguồn nước mặt, nước ngầm không được gia cố đúng kỹ thuật Khi mưa lũ, nước có thể thấm ngấm, tràn vào bãi chôn lấp Tuy nhiên yếu tố này hiện này chỉ sảy ra với các bãi chôn lấp nhỏ và được thiết kế không theo quy chuẩn Hầu hết các bãi chôn lấp quy mô lớn được thiết kế theo quy chuẩn

 Nước có trong vật liệu phủ: Nước chứa trong vật liệu phủ phụ thuộc rất nhiều

vàonguồn gốc loại vật liệu phủ và vào thời tiết khí hậu Khi đóng bãi, bên cạnh

sử dụng đất tại hiện trường, rác thải xây dựng làm vật liệu phủ thì hiện nay người ta còn dùng đến HDPE (tấm phủ bằng chất dẻo) Tuy nhiên lượng nước này không lớn và chỉ phát sinh trong một thời điểm mới phủ.

1.1.1 Quá trình sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp2

Giai đoạn đầu khi trong khối rác mới chôn lấp có oxy nên quá trình phân giải hiếu khí các hợp chất hữu cơ như sau [2,4]:

+ Oxy hóa không hoàn toàn:

CaHbOcNd + mO2 → nCwHxOyNz +sCO2 + rH2O + (d-nz)NH3 + sinh khối + Q

+ Oxy hóa hoàn toàn:

Khi lượng oxy ở trong khối rác được sử dụng hết thì quá trình phân hủy sinh học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí theo phản ứng:

Chất hữu cơ + H2O + Vi sinh vật → Sinh khối mới + Chất hữu cơ còn lại +

cơ (AOX, SO42-, Ca, Fe, Mn, Zn) được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn

Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể được chia thành 5 giai đoạn chính:

• Phân hủy sinh học hiếu khí

• Phân hủy sinh học yếm khí tạo axit

• Phân hủy sinh học yếm khí trung gian

• Phân hủy sinh học yếm khí tạo mêtan

Bảng 1.1 Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn [4]

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4 Giai đoạn 5

Tính bằng giờ cho đến tuần

1-6 tháng

3 tháng đến 3 năm

8 năm đến 40 năm Tối thiểu 40 năm

Trong đó:

Giai đoạn Phân hủy sinh học hiếu khí 1:

á Giai đoạn này có thời gian ngắn tuy nhiên qu trình phân hủy xảy ra rất mạnh đến khi hàm lượng oxy trong khối rác cạn kiệt Trong giai đoạn này các VSV hiếu khí và tùy tiện có trong rác sẽ sinh trưởng phát triển và chuyển hóa các chất hữu cơ: Protein, Lipit, gluxit…thành các sản phẩm phân tử lượng nhỏ hơn như:Aminoaxit, đường, glyxerin, axit béo… sau đó oxy hóa một phần các sản phẩm này thành CO2, H2O… Kết quả là nhiệt độ khối rác có thể lên tới 60 70ºC -

Các sản phẩm thủy phân và chuyển hóa khuyếch tán vào nước làm cho hàm lượng các chất hòa tan trong nước rác rất cao:

• COD: 40.000 70.000 mg/l -

• Tỉ lệ BOD/COD :0,5 - 0,7

• Độ màu từ 8 0 - 9.10 500 Pt Co

-• Độ kiềm, NH3 và H2S rất cao

Giai đoạn 2: Phân hủy yếm khí tạo axit

Giai đoạn này do oxy trong khối rác đã cạn kiệt, các vi khuẩn yếm khí và tùy tiện phân hủy các hợp chất hữu cơ đơn giản như: đường, amino axit, xit béo,… thành các axit hữu cơ các chất trung tính như rượu, axeton làm cho pH của nước rác giảm đáng kể, nhiệt độ của khối rác cũng giảm

Theo kết quả nghiên cứu của Robinson (1989) thì nước rác trong giai đoạn này có giá trị COD khá cao (>10.000 mg/l) và có thể lên tới 70.000 mg/l, tỉ lệ

BOD/COD > 0,7, hàm lượng NH3 500 - 1.000 mg/l và có thể thấp hơn, pH trong khoảng từ 5 - 6 (hình 1.1 [23] )

Cũng theo Robinson PH thấp dẫn đến khả năng hòa tan kim loại nặng tăng làm cho hàm lượng kim loại nặng trong nước rác giai đoạn này đạt cao nhất: Ca2+

có thể lên tới 2.500 mg/l; Fe 20 - 2.100 mg/l Cr; 3+0,03-1,60 mg/l Ni 0 02; , - 2,05 mg/l; Zn 0,1 - 120,0 mg/l,

Giai đoạn 3: Phân hủy yếm khí trung gian

Khi các axit hữu cơ bị khử, pH tăng dần các vi khuẩn metan hóa hoạt động mạnh lên Hàm lượng CH4 tăng dần, trong khi đó các khí H2, CO2, các axit béo, đặc biệt các axit béo và các hợp chất cacbon phân tử lượng lớn bay hơi giảm làm cho độ axit cũng giảm đáng kể Độ pH tăng làm cho các kim ion loại như: Ca, Mn, Fe và các kim loại nặng ít hòa tan hơn

= - Nước rác giai đoạn này có COD còn cao: (COD 700 28.000 mg/l), BOD5

đã giảm đáng kể (BOD5 = 200 - 10 000 mg/l), do đó tương tác cũng biến động không có lợi cho xử lí sinh học (BOD/COD = 2 - 0,0, 5 …) [4]

Giai đoạn 4: Phân hủy yếm khí tạo mêtan

Trong giai đoạn này hàm lượng chất các hợp chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ, đặc biệt là các axit hữu cơ bị khử làm cho pH giảm mạnh, pH đạt trong khoảng 6-8, đây là điều kiện tối ưu cho VK mêtan phát triển và hoạt động

Đặc trưng cho giai đoạn này là lượng biogas tạo thành lớn, tỷ lệ CH4cao chiếm tới

60 - 70%

Nước rác trong giai đoạn này được đặc trưng bởi hàm lượng BOD5 rất thấp, đồng nghĩa với tỉ lệ BOD/COD nhỏ (< 0,2) [36]

enCuối giai đoạn mêtan hóa tỉ lệ giữa các chất khó phân hủy như X lulo, lignin, humic,…với BOD5 tăng đáng kể Quá trình phân hủy chậm lại rõ rệt dẫn đến lượng CH4 tạo thành giảm Quá trình chuyển hóa bước sang giai đoạn “tạo mùn (humus)”

Giai đoạn 5: Tạo humus

Ở giai đoạn này các chất hữu cơ chậm chuyển hóa như; Lignoxenlulo,

lignin… được chuyển hóa thành axit humic, humics và các dẫn xuất của chúng với cấu trúc đa vòng, phân tử lượng lớ, khó hòa tan và rất khó phân hủy

NH 4+

năm COD

Hình 1.1 Sự biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rác theo thời gian [ ]23

1.1.1.3 Nguyên lý hình thành nước rác

Quá trình hình thành nước rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất của rác, các điều kiện về khí hậu thời tiết, lượng mưa… nhưng đặc biệt quan trọng là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong rác Để tính toán được lượng nước rác phát sinh cần thiết lập cân bằng nước cho một khối rác

Hình 1.2 Sơ đồ sự cân bằng nước rác cho 1 m3 trong lớp rác [4]

Trong quá trình tính toán, ta chỉ xét với bãi rác chôn lấp hợp vệ sinh do đó bỏ qua lượng nước mặt tràn qua thành và đáy bãi vào bãi chôn lấp,

Phương trình cân bằng nước có thể biểu diễn như sau [4]:

Trong đó:

ΔSSW: Lượng nước phát sinh ở bãi chôn lấp (kg/m3)

WA: Lượng nước thấm từ phía trên (kg/m3)

WTS: Độ ẩm của vật liệu phủ bề mặt (kg/m3)

WSw, WSw1: Độ ẩm ban đầu của rác thải và hàm ẩm sau nén (kg/m3)

WSH: Nước hình thành từ phản ứng sinh hóa (kg/m3)

WCM: Độ ẩm ban đầu vật liệu phủ trung gian và phụ liệu (kg/m3)

WLG: Lượng nước tiêu thụ trong quá trình hình thành khí bãi rác (kg/m3)

WE: Lượng nước thất thoát do quá trình hơi hóa bề mặt (kg/m3)

WB(L): Lượng nước thấm ngấm đáy bãi (kg/m3)

Từ phương trình cân bằng nước, các số liệu về lượng mưa, độ bốc hơi, hệ số giữ nước của rác sau khi nén trong bãi rác, lượng nước rác có thể được tính theo mô hình vận chuyển một chiều của rò rỉ xuyên qua rác nén và đất bao phủ theo phương trình sau:

Q M W = − W + P − R − E A

Trong đó:

Q :khối lượng nước rác theo tính toán (m3/ngày.đêm)

M : Khối lượng rác chôn lấp trung bình mỗi ngày (tấn/ngày),

W2 : Độ ẩm rác thải sau khi nén (%), thông thường từ 25 ÷ 50% đối với rác thải sau khi nén có tỉ trọng từ 0,7 1 tấn/m ÷ 3,

W1: Độ ẩm rác thải trước khi nén (%), 65 ÷ 69%,

P: Lượng mưa ngày trong tháng lớn nhất, m/ngày

R: Hệ số thoát nước bề mặt, R = 0,17

E: Lượng nước bốc hơi, E = 5 mm/ngày= 0,005 m/ngày

A: Diện tích ô chôn lấp, m2

Như vậy khối luợng nước rác hình thành từ các nguồn sau:

∗ Nước thấm qua bề mặt ô chôn lấp (nước mưa)

Là lượng nước mưa lọt qua lớp phủ trên cùng (khi đóng bãi) hay trực tiếp vào ô chôn lấp trong quá trình vận hành Lớp vật liệu phủ , độ dốc lớp phủ , ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thấm của nước mưa và khối rác trong ô chôn lấp

- Đối với bãi chôn lấp hợp vệ sinh, lượng nước thấm qua lớp bề mặt sau khi đóng bãi là không đáng kể

- Đối với vùng đang hoạt động chôn lấp, nước mưa sẽ rơi toàn bộ vào ô chôn lấp và khi trời nắng hoặc khô hanh một phần lượng nước sẽ bốc hơi.

∗ Độ ẩm của rác và của vật liệu phủ

Độ ẩm ban đầu của rác mang chôn lấp là lượng nước rất quan trọng trong việc hình thành nước rác, đây là điều kiện quan trọng cho các quá trình sinh học sảy

ra Thông thường giải độ ẩm để các phản ứng hóa sinh học xảy ra là 40-70%, trong đó độ ẩm tối ưu là 60-65% Khi hàm ẩm ban đầu của rác thấp người ta phải bổ xung độ ẩm cho rác

Nước chứa trong vật liệu phủ phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu phủ và thời tiết, khí hậu Bên cạnh sử dụng đất tại hiện trường, rác thải xây dựng làm vật liệu phủ thì hiện nay người ta còn dùng đến HDPE (tấm phủ bằng chất dẻo) Việc lựa chọn sử dụng vật liệu phủ bề mặt sẽ ảnh hưởng đến lượng nước mưa thấm ngấm vào bãi chôn lấp khi đóng bãi

∗ Nước hình thành trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ

Trong giai đoạn phân hủy hiếu khí một lượng lớn nước rác được tạo ra.Một phần sau đó được sử dụng cho quá trình phân hủy yếm khí tạo khí metan Chất hữu cơ phân hủy nhanh theo công thức:

C68H111O50N + 16H2O → 35CH4 + 33 CO2 + NH3

Phần còn lại tồn tại trong khối rác và thấm ngầm xuống đáy bãi tạo nước ríc rác

∗ Lượng nước chứa trong khí bãi rác

Trong quá trình phân hủy sinh học một lượng không nhỏ biogas tạo thành và thoát ra môi trường theo hệ thống thoát khí mang theo một lượng hơi nước nhất định Khí bãi rác thường có độ ẩm bão hòa, do vậy lượng hơi nước có trong khí bãi rác được lấy gần đúng bằng lượng hơi nước bão hòa trong không khí, có thể tính theo công thức:

- Lượng hơi nước bão hòa trong không khí là:

gbão hòa = 0448 10 0, × -3 (tấn/m3) [4 ]

- Lượng hơi nước bão hòa có trong khí bãi rác là:

G = gbão hòa V× khí (tấn) Trong đó: Vkhí là thể tích khí sinh ra (m3)

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng và thành phần nước rác

Khối lượng và thành phần nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp và rất nhiều yếu tố khác như: thành phần rác đem chôn, thời tiết khí hậu, thời gian chôn lấp…

1.1.2.1 Ảnh hưởng của thành phần rác chôn lấp

Lượng nước rác phát sinh phụ thuộc nhiều vào thành phần rác và hàm ẩm có trong rác chôn lấp

Thông thường hàm ẩm của lượng rác thải sinh hoạt tại Việt Nam chiếm khoảng 47- %60 , Tuy nhiên độ ẩm của rác biến động rất lớn tùy thuộc vào loại rác, thành phần rác, khu vực phát sinh như: rác thải của Hà Nội chôn lấp tại bãi rác Nam Sơn

có hàm ẩm từ 47,6 - 52,0 % nhưng rác thải tại thành Phố Hồ Chí Minh được chôn lấp tại bãi Phước Hiệp và Gò Cát lại có hàm ẩm khá cao đến 61,4% [4,16]

Theo số liệu khảo sát của CEETIA thành phần chất thải rắn của Hà Nội như nhựa và giấy ngày càng tăng Hàm lượng chất hữu cơ biến động không lớn từ 45,9 – 53,0 % (1995 1998) [bảng 1.2], lượng chất hữu cơ chủ yếu từ các chất thải thực -phẩm, rác vườn, phân, xác động vật…đây là nguồn chất hữu cơ ô nhiễm trong nước rác

Rác thải sinh hoạt hoặc công nghiệp càng giàu chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật dạng tươi thì hàm ẩm càng cao Nhìn chung rác thải chứa nhiều chất hữu cơ đựợc phân hủy rất nhanh do trong rác có chứa nhiều vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn, đây là những tác nhân chính phân hủy rác theo từng giai đoạn như: axit hóa, metan hóa Ngược lại trong rác chứa, nhiều thành phần như giấy, nhựa sẽ làm giảm tốc độ phân hủy do xenlulo, ligin và các chất tổng hợp hữu cơ (polyme) rất khó chuyển hóa sinh học

Ngoài ra sự có mặt của các chất độc hại vô cơ hoặc hữu cơ như kim loại nặng, dioxin (trong tro xỉ)… sẽ gây ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động của các vi sinh vật, làm ảnh hưởng đến khối lượng cũng như thành phần nước rác

Bảng 1.2 Thành phần rác thải sinh hoạt tại Hà Nội từ năm 1995 -1998 [4]

1.1.2.2 Ảnh hưởng của thời tiết khí hậu ,

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới- gió mùa được phân chia làm hai mùa rõ rệt (mùa mưa và mùa khô) Mùa khô bắt đầu từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 và 4 tháng chuyển tiếp giữa hai mùa Chính vì vậy khối luợng nước rác cũng như đặc trưng nước rác ở các bãi chôn lấp của chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố khí hậu như: hiệt độ, lưu lượng mưa, độ ẩm không khí n

- Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm:

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân hủy rác do đó ảnh hưởng gián tiếp đến lượng nước phát sinh cũng như thành phần trong nước rác

Như trên đã nói quá trình phân hủy rác xảy ra nhanh hay chậm phụ thuộc nhiều vào khu hệ và lượng vi sinh vật Mỗi chủng vi sinh vật hoạt động hiệu quả tại một khoảng nhiệt độ khác nhau, thông thường khoảng nhiệt độ vi khuẩn hoạt động được

từ 16 – 60 0C Khi nhiệt độ cao 55-60 0C các vi khuẩn ưa nóng hoạt động mạnh (vi khuẩn metan), khả năng metan hóa nhanh dẫn đến tốc độ phân hủy rác tăng Tốc độ metan hóa giảm nhẹ tới nhiệt độ 30 – 37 0C, các vi khuẩn ưa ấm hoạt động mạnh

Tuy quá trình metan hóa giảm nhưng tốc độ phân hủy rác vẫn rất cao Khi nhiệt độ

thấp <20 0C tốc độ chuyển hóa của các vi sinh vật đều giảm mạnh đặc biệt là vi , khuẩn metan hóa dẫn đến hạn chế quá trình phân hủy rác Tuy nhiên thực tế cho thấy: trong chôn lấp do khối rác được đầm nén kỹ, phủ đất theo lớp và bãi chôn lấp

có độ sâu tới 10 12m đã góp phần giữ nhiệt rất tốt trong khối rác

-Độ ẩm của không khí ảnh hưởng đến việc ổn định hàm ẩm trong rác đảm bảo cho quá trình phân hủy sinh học Mặt khác độ ẩm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ bốc hơi cũng như khả năng thoát hơn nước theo khí bãi rác Khi hàm ẩm trong không khí cao sẽ làm giảm quá trình thoát hơi nước dẫ đến làm tăng lượng n nước rác phát sinh

- Ảnh hưởng của chế độ mưa:

Nước mưa làm tăng độ ẩm trong rác, thúc đẩy quá trình phân hủy sinh học đồng thời hòa tan mạnh các chất vô cơ, hữu cơ, sản phẩm phân hủy có trong rác Tuy nhiên lượng mưa lớn sẽ dẫn đến khối lượng nước rác tăng, hàm lượng chất ô nhiễm giảm do được pha loãng Với ô chôn lấp hở hoặc đang vận hành lượng nước mưa quá lớn có thể gây tích lũy trong khối rác, hoặc gây quá tải cho hệ thống thu gom

Theo nghiên cứu của Huan-Jung Fan tại các bãi chôn lấp ở Đài Loan và C Visvanathan tại Thái Lan cho thấy khối lượng và thành phần nước rác chịu ảnh hưởng rất lớn vào các mùa, cụ thể là COD cao nhất vào mùa khô (mùa đông) là 956mg/l và thấp nhất vào mùa mưa (mùa hạ) COD = 444mg/l Huan-Jung Fan đã tiến hành nhiều nghiên cứu này ở nhiều bãi chôn lấp với thời gian hoạt động khác nhau (từ 3 năm đến 17 năm) và cả các bãi đã đóng cửa đều cho kết quả tương tự và kết luận: khối lượng và hàm lượng các chất ô nhiễm biến động lớn theo các mùa từ (

15 – 50% [36] )

1.1.2.3 Ảnh hưởng qui trình vận hành và công nghệ chôn lấp

Công nghệ và quy trình vận hành bãi chôn lấp có ảnh hưởng lớn đến thành phần và lượng nước rác phát sinh

Quy trình vận hành ảnh hưởng đến lượng và thành phần nước rác qua việc sử dụng các trang thiết bị như máy san ủi, đầm nén, quy trình phân loại, thu gom, sơ chế… Nếu trước khi chôn lấp, rác thải được phân loại, sơ chế và thu gom tái sử dụng những thành phần rác có như: chất hữu cơ, nhựa, kim loại sẽ làm giảm lượng nước rác và thành phần chất ô nhiễm Mặt khác, khi vận hành bãi chôn lấp sử dụng trang thiết bị đầm nén có hiệu quả cao sẽ làm giảm lượng nước tích lũy trong rác, giảm độ rỗng trong khối rác, đẩy nhanh quá trình từ giai đoạn phân hủy hiếu khí sang giai đoạn phân hủy yếm khí tạo axit

Công nghệ chôn lấp cũng ảnh hưởng đến thành phần và lượng nước rác sinh ra Hiện nay 2 công nghệ chôn lấp được áp dụng phổ biến là chôn lấp thông thường (yếm khí) và chôn lấp bán hiếu khí (có thổi khí cưỡng bức) Với công nghệ chôn lấp thông thường quá trình phân hủy các chất ô nhiễm như BOD, NH4+ chậm hơn do giai đoạn oxy hóa hiếu khí ngắn do kạn kiệt oxy nên khả năng phân hủy các chất ô nhiễm triệt để phụ thuộc vào quá trình phân hủy ở giai đoạn yếm khí tiếp theo Mặt khác khả năng tổng hợp sinh khối của quá trình yếm khí rất thấp nên hàm lượng

NH4+chậm được chuyển hóa hơn so với bãi chôn lấp có thổi khí [hình 1.3 và 1.4] Hơn nữa công nghệ chôn lấp bán hiếu khí, được cấp oxy liên tục nên quá trình ôxy hóa được duy trì cùng với quá trình phân hủy yến khí (những khu vực không có ôxy) trong suốt thời gian vận hành bãi Khi được cấp không khí sẽ làm đẩy nhanh quá trình thoát khí cũng như làm tăng khả năng thoát hơi nước dẫn đến ảnh hưởng tới lượng cũng như thành phần nước rác

10 5

t hêi gian (t h¸ ng) -2

1.1.2.4 Ảnh hưởng từ các hệ thống phụ trợ khác trong quá trình vận hành

Để tránh tác động tiêu cực tới môi trường, thông thường các bãi chôn lấp đúngtiêu chuẩn cần xây dựng đồng thời một số công trình phụ trợ,đáp ứng yêu cầu xử lý môi trường tại bãi chôn lấp Các công trình phụ trợ thường gồm:

1 Hệ thống thu gom nước rác

Hệ thống thu gom nước rác được thiết kế gồm các hạng mục chính như:

- Hệ thống ống thu gom: Hệ thống này bao gồm các ống thu nước nhánh và ống thu nước trung tâm Tùy theo kỹ thuật thiết kế của mỗi nước, khu vực mà hệ thống này có cách bố trí khác nhau Tuy nhiên thông dụng nhất vẫn là dùng các đường ống có đục lỗ và bố trí theo dạng xương cá Yêu cầu kỹ thuật hệ thống ống có độ dốc 1 - 2% về phía thu nước, để đảm tránh tắc và thu nước triệt đểống chính thường có đường kính từ 200 400 mm và ống nhánh là – 60 - 90mm tùy theo quy mô của từng bãi

- Lớp sỏi đỡ hệ thống thu nước rác: Lớp sỏi có chức năng ngăn cản cặn và chất thải rắn đi vào ống thu gom làm tắc đường ống thu gom gây tắc, ứ đọng cản trở quá trình thoats nước Thông thường lớp sỏi, đá được thiết kế có chiều dầy từ

500 – 700mm nhưng phải đảm bảo yêu cầu phủ kín lên bề mặt ống thu nước từ

200 – 300mm [4]

- Giếng thu nước trung gian: các giếng thu nước trung gian có chức năng thu gom

và chứa tạm thời, tránhgây ứ đọng nước trong bãi rác, từ đó nước rácđược bơm hoặc tự chảy về các hệ thống xử lý

Hệ thống thu gom nước rác có thể được bố trí theo nhiều cách khác nhau nhưng chủ yếu có hai dạng chính là thu nước ngang và thu nước đáy

+ Hệ thống thu nước ngang (A) thường đặt trên nền đáy của bãi rác, nước : được thu từ hệ thống ống nhánh hai bên của đường ống chính

+ Hệ thống thu nước đáy (B) được thiết kế và bố trí thấp hơn đáy của bãi chôn : lấp, nước rác được thu từ phía trên đường ống thu [hình 1.5]

Hình 1.5 Phương án bố trí ống chính thu nước rác [4]

2 Hệ thống thoát nước mặt

Bãi chôn lấp thường được thiết kế tại các khu vực có mặt bằng rộng, địa hình đồi núi… Để đảm bảo giảm thiểu lượng nước mưa, nước mặt thấm ngấm khi mưa hoặc lũ lụt, cần phải thiết kế hệ thống thu gom nước mưa và nước bề mặt đáp ứng được khả năng thoát nước nhanh với lưu lượng nước mưa trong ngày lớn nhất

1.1.2.5 Ảnh hưởng của thời gian chôn lấp (tuổi của bãi)

Lượng và thành phần nước rác có sự biến động lớn theo thời gian Thông thường nước rác từ các bãi chôn lấp đang vận hành có nồng độ các chất ô nhiễm cao hơn so với các bãi đã đóng Tương tự như vậy do hàm ẩm và các chất có thể phân hủy chứa trong rác kạn kiệt dần và sau khi đóng bãi ảnh hưởng của nước mưa không lớn nên lượng nước rác phát sinh cũng giảm dần

Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả, đặc biệt là Huan Jung Fan và cộng

-sự đã nghiên cứu tại 2 bãi rác có độ thời gian chôn lấp khác nhau là bãi rác đã đóng cửa bãi rác hoạt động năm cho thấy:9 Thời gian chôn lấp càng dài lượng nước rác

và hàm lượng các chất ô nhiễm cũng giảm theo Đặc biệt là tương tác giữa BOD5/ COD giảm đi rõ rệt, hàm lượng COD = 400 – 4.340mg/l tại bãi đang hoạt động và

rác Sỏi, đá ống thu nước Rác chôn lấp

Lớp chống thấm Lớp đất đầm nén

320 - 134mg/l với bãi dã đóng cửa ngoài ra các chất vô cơ, chất màu, các ion kim loại nặng… cũng giảm dần (bảng 1.3)

Bảng 1.3 Thành phần nước rác theo tuổi của bãi chôn lấp [28]

Thành phần Đơn vị Bãi đã đóng cửa Bãi đang hoạt động

1.2 ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC RÁC

Như trên đã nói, đặc trưng của nước rác phụ thuộc nhiều vào thành phần của rác mang chôn lấp, điều kiện khí hậu thời tiết, thời gian chôn lấp cũng như công nghệ và quy trình vận hành Chính vì vậy, mỗi quốc gia, địa phương khác nhau đều có những đặc điểm khác nhau nên đặc trưng nước rác ở mỗi bãi chôn lấp cũng khác nhau

Đặc trưng của nước rác khác với các loại nước thải khác về cả tính chất lý hóa - – sinh học, nước rác có hàm lượng chất ô nhiễm cao đến rất cao và giảm dần theo thời gian chôn lấp Hơn nữa nước rác có sự biến động rất lớn về thành phần chất ô nhiễm cũng như lượng nước Một số thông số đặc trưng của nước rác có hàm lượng lớn như BOD5, COD, ∑N, ∑P, các ion kim loại, độ màu và mùi

1.2.1 Đặc trưng nước rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới

Ở các nước phát triển rác thải được phân loại tại nguồn, Theo thành phần hóa học mỗi loại rác thải được xử lí bằng các phương pháp khác nhau Rác thải giàu

chất hữu cơ sẽ được sử dụng sản xuấtphân hữu cơ (compost), sản xuất khí sinh học Các loại rác thải có nhiệt trị cao được đốt Các chất thải rắn khác thường được chôn lấp

Nhìn chung các chất thải rắn công nghiệp không có nguồn gốc hữu cơ khi chôn lấp nước ríc thường có độ ô nhiễm thấp COD khoảng 180 mg/l, BOD khoảng 100 mg/l Ngược lại nước rác từ các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt có độ ô nhiễm cao đến rất cao và có sự khác nhau rất lớn biểu thị qua hàm lượng COD như: tại Ý hàm lượng COD khá cao biến động từ 750 38.520mg/l, tuy nhiên tại Đức hàm lượng chất 7 –

ô nhiễm của nước rác là rất cao; COD = 1.630 63 700mg/l –

Bảng 1.4 Đặc trưng chất lượng nước rác một số quốc gia trên thế giới [35,37]

Alkalinity (CaCO3) 250 - 6.340 240 - 8.965 4.250 - 8.250

COD 157,9 - 9.440 1.340 - 18.100 7.750 - 38.520 1.630 - 63.700 Sulfate 55 - 3,650 0,01-1.280 219 - 1.860 1 - 121

như kim loại nặng cũng biến động mạnh như: Ca = 240 330mg/l, Na = 85 -2 –

1.700mg/l [bảng 1.5]

Tương tự như vậy Huan-Jung Fan đã khảo sát 3 loại bãi rác có thời gian chôn lấp khác nhau với thành phần chất hữu cơ trong rác thải từ 59 64% tại Đài Loan cho -thấy; hàm lượng COD = 320 - 4.340mg/l., BOD = 97 492 mg/l Tổng nitơ = 40- -

303 mg/l và các kim loại nặng khác cũng biến động rất lớn [bảng I.4]

Tại Barcalona qua nghiên cứu của S.Maco cho thấy hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rác cũng rất cao, COD biến động từ 530 đến 20.500mg/l

Tại các quốc gia khác như: Thái lan, Canadda cũng đều cho kết quả tương tự là hàm lượng chất ô nhiễm có thể biến động lớn tùy thuộc vào từng loại bãi chôn lấp cũng như thời gian chôn lấp

Bảng 1.5 Đặc trưng chất lượng nước rác một số quốc gia trên thế giới [ ]25Thông số

1.2.2 Đặc trưng nước rác một số bãi chôn lấp ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam rác thải chưa được phân loại tại nguồn, chính vì vậy lượng nước rác và các thành phần hóa học của nó có sự dao động rất lớn tùy theo từng vùng miền và loại hình đô thị Kết quả khảo sát của CENTEMA (2004) cho thấy thành phần rác thải của 3 thành phố (Hà Nội, TP HCM, Thái Nguyên), khác nhau về thành phần rác hữu cơ là khá rõ rệt: trong đó rác thải của Hà Nội có thành

phần chất hữu cơ thấp hơn so (50,1%) với Thành phố Hồ Chí Minh (60,0%).[bảng 1.6]

Bảng 1.6 Thành phần rác thải sinh hoạt tại một số thành phố ở Việt Nam [16] Thành phần (%kl) TPHCM (2004) Thái Nguyên (2002) Hà Nội (1998)

Gò Cát Ngoài ra các thành phần khác như hàm lượng nitơ, kim loại nặng cũng cho giá trị rất cao [bảng 1.7.]

Hai bãi rác tại miền bắc được khảo sát đó là bãi rác Đá mài Thái Nguyên và bãi rác Nam Sơn Hà nội; kết quả khảo sát của Sở Tài nguyên và Môi trường hai thành phố này cho thấy; hàm lượng các chất ô nhiễm tại bãi rác Đá mài có mức độ ô nhiễm thấp hơn bãi rác Na sơn Hàm lượng COD của bãi rác Đá mài biến động từ 1m 245 – 3.900mg/l thấp hơn bãi rác Nam sơn rất nhiều COD= 1 000 42.000mg/l Tuy - nhiên hàm lượng chất ô nhiễm của hai bãi rác này thấp hơn rất nhiều so với hai bãi rác tại Miền nam [bảng 1.7]

Bảng 1.7 Đặc trưng nước rác của một số bãi chôn lấp rác ở Việt Nam [14]Thành phần

mg/l

Bãi rác Đá Mài

Bãi rác Nam Sơn Bãi rác Gò Cát

Bãi rác Đông Thạnh BOD5 270 450- 300- 15000 30.000 48- 000 33.571 56.250-

-CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RÁC ĐÃ ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRÊN

THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

- Song chắn rác, lưới lọc: dùng để tách các chất rắn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi như giấy, rau cỏ, rác bằng cách giữ chúng lại ở mặt lưới không cho

đi theo dòng chảy vào hệ thống xử lý chính, từ đó có thể tách chúng thủ công hoặc bằng máy tự động Tùy theo kích thước của mỗi loại rác cũng như kích thước hạt cặn mà độ rộng của lưới hoặc khe của song chắn rác được thiết kế khác nhau Thông thường để tách rác thô thì khoảng cách giữa các song chắnbiến động từ 3mm 10mm để tránh gây tắc ngẽn và cản trở dòng chảy.–

- Bể lắng cát: Trong xử lý nước thải công trình này thường được sử dụng cho các công trình xử lý quy mô lớn, khu vực tập trung hoặc có nhiều nguồn với dòng thải lớn Dùng để tách các hạt rắn có kích thước nhỏ nhưng có tỷ trọng lớn hơn nước như: đất, cát…nhờ lực trọng trường

- Bể tách dầu: Được áp dụng khi nước thải có chứa váng dầu mỡ công nghiệp nhờ quá trình tuyển nổi hoặc tự nhiên

2.1 .2 Các hương pháp hóa lý p

Trong xử lý nước thải các phương pháp hóa lý đuợc áp dụng khá đa dạngnhư: Phương pháp đông keo tụ, tuyển nổi áp lực, hấp phụ, trao đổi ion Tuy nhiên phương pháp hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải là phương

pháp đông keo tụ Ngoài ra các phương pháp keo tụ điện hóa, hấp phụ… cũng đã được nghiên cứu và áp dụng

2.1.2.1.Phương pháp đông keo tụ

để tiếp theo

Cơ chế của quá trình có thể tóm tắt như sau: Các hạt rắn lơ lửng trong nước thải mang điện tích sẽ hút các ion trái dấu, chúng chuyển động cùng hạt rắn, và tạo thành một mặt trượt Khi hạt rắn mang điện tích cùng dấu chuyển động qua thì điện tích đó bị giảm bởi các ion mang điện tích trái dấu ở lớp bên trong, và sau đó nhờ lực Van der Waals các hạt liên kết với nhau tạo thành bông keo Như vậy, mục tiêu của đông tụ là cho vào nước thải các ion mang điện tích trái dấu để trung hòa điện tích của các hạt keo Hiệu quả đông keo tụ phụ thuộc hóa trị của các ion, chất đông

tụ mang điện tích trái dấu của hạt Hóa trị của ion càng lớn thì hiệu quả của đông tụ càng cao

Quá trình thủy phân các chất đông tụ và tạo thành bông keo xảy ra theo các giai đoạn sau [3]:

Me3+ H+ 2O Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2 + H2O ← → Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + H2O ← → Me(OH)3↓ + H+

Me3+ +3 H2O ← → Me(OH)3↓ +3 H+

Quá trình keo tụ trong môi trường kiềm có thể loại được một phần nitơ amon nhờ hình thành NH3theo cơ chế:

NH4+ + OH- ←→NH3↑ + H2O

mÆ

Hình 2.1 Điện tích trên hạt lơ lửng giải thích bằng lí thuyết hai lớp [3 ]

Tác nhân đông keo tụ thường được sử dụng là các loại phèn (gốc kim loại hóa trị III) Al2(SO4)3 Fe2(SO4)3, FeCl3, PAC… và một số hợp chất cao phân tử (polymer)…

2 Các yếu tố ảnh hưởng

Hiệu quả đông keo tụ phụ thuộc vào một số yếu tố môi trường như pH, hàm lượng chất ô nhiễm, độ nhớt của nước thải, tốc độ khuấy trộn…

- Ảnh hưởng của pH: pH là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả keo tụ,

do nó ảnh hưởng trục tiếp đến quá trình phân ly, trung hòa điện tích, kết tủa tạo

Ion âm

Lớp Ion dương bên trong

Lớp Ion dương bên

bông và lắng Mặt khác mỗi loại tác nhân keo tụ lai có giải pH hữu hiệu khác nhau, ví dụ phèn nhôm có giải pH hiệu quả cao ở 7,5 trong khi 5- phèn sắt lại có hiệu quả trong khoảng pH rộng hơn (5-9) [3]

- Ảnh hưởng của chế độ thủy động lực:

Chế độ khuấy trộn có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo bông Để khắc phục việc kết tủa cục bộ ngay khi mới bổ xung tác nhân đông keo tụ dung dich hỗn hợp phải được đảo trộn đảm bảo độ đồng nhất và tăng cường quá ình tiếp xúc giữa các trcấu tử để đạt hiệu quả cao nhất Thông thường quá trình khuấy trộn được thực hiện

- Ảnh hưởng của đặc trưng nước thải: Yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu

quả xử lý chung cũng như các quá trình xảy trong hệ thống

Đặc trưng nước thải quyết đinh việc lựa chọn tác nhân, liều lượng cũng như giải pH của quá trình công nghệ để trung hòa lượngcác ion trái dấu và phá vỡ trạng thái cân bằng Mặt khác khi hàm lượng các chất ô nhiễm cao, tỷ trọng và độ nhớt của nước thải lớn sẽ làm ngăn cản quá trình di chuyển của các ion cũng như khả năng lắng của bông keo tụ

3 Khả năng ứng dụng

Phương pháp đông keo tụ đã được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi để xử

lý nhiều loại nước thải trong đó có xử lý nước rác Thực tế cho thấy phương pháp này có hiệu quả chủ yếu để loại cặn lơ lửng và khử màu (50-70%), với các chất ô

nhiễm có phân tử lượng thấp, hòa tan hiệu quả hạn chế hơn, như COD chỉ đạt 47% tùy thộc vào tác nhân keo tụ và đặc trưng của nước thải được xử lý

30 Trong nước điển hình Viện Công nghệ Môi trường Viện Khoa học Việt Nam –

và Công ty Tư vấn xây dựng công nghiệp và đô thị Việt Nam đã áp dụng phương áp này để xử lý nuớc rác tại Bãi rác Nam sơn – Hà Nội và Bãi rác Tân Cương – Thái Nguyên Tác nhân đông keo tụ được sử dụng là phèn sắt kết hợp với PAC với liều lượng từ 300 – 800mg/l và chất trợ keo được sử dụng là A101 với liều lượng 2g/m3

- Tại Mexico Roger I Méndez Novelo (2005) và các cộng sự đã dùng tác nhân –keo tụ là Al2(SO4)3 Fe2(SO4)3, FeCl3, PAC kết hợp chất trợ keo (12-300mg/l) trong xử lý nước rác đã đạt hiệu quả khử COD tới 47% ở pH 6-7,5 khi COD vào là 3320mg/l)[29] Phương pháp này cũng được ứng dụng tại hầu hết các nước trên thế giới như: Anh, Pháp, Nhật, Hàn Quốc…

Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng cho thấy hiệu quả của phương pháp đông keo tụ là không cao (COD có thể giảm cao nhất tới 47%) do vậy có thể khẳng định đây không phải là phương pháp xử lý triệt để Tuy nhiên phương pháp này được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam vào công đoạn tiền xử lý nước rác, nhằm giảm bớt nồng độ chất ô nhiễm truớc khi vào các hệ thống xử lý triệt để khác

2.1.2.2 Phương pháp keo tụ điện hóa

Keo tụ điện hóa cũng đã được các nước tiên tiến nghiên cứu và áp dụng từ lâu vào việc thu hồi một số kim loại nặng Tuy nhiên gần đây được nghiên cứu ứng dụng vào xử lý nước thải nhưng chủ yếu là nước thải ngành dệt nhuộm để chuyển hóa các chất màu

Nguyên tắc của phương pháp là phân hủy các chất ô nhiễm có trong nước thải bằng ôxy hóa điện hóa trên điện cực anốt và kết hợp quá trình đông keo tụ để loại

bỏ các chất ô nhiễm sau khi đã ô xy hóa trên điện cực Cơ chế của phương pháp này khá phức tạp: trên cùng một thiết bị có nhiều quá trình và phản ứng xảy ra như: điện

di, tuyển nổi, ôxy hóa khử, keo tụ, phá bền bởi điện trường…Hiệu quả của phương pháp này có thể thay đổi tùy theo việc lựa chọn điện cực anot, thông thường có thể lựa chọn điện cực sắt hoặc nhôm.

Sự phá huỷ cấu trúc có thể xảy ra ở hầu hết các liên kết, các nhóm chức của chất hữu cơ khi sử dụng các điện cực trơ như Pt, PbO2, Pd, Ti/ SnO2 ở thế anôt cao Các chất có thể bị phá huỷ trực tiếp trên điện cực hay bị phá huỷ gián tiếp do các tác nhân phân huỷ mạnh được, ngắt mạch Khả năng phân huỷ phụ thuộc vào bản chất (thế anôt, cấu trúc, kích thước và các nhóm chức ) của chất hữu cơ, bản chất điện cực, chế độ công nghệ và mục tiêu xử lý

Các quá trình anốt: các chất hữu cơ có thể bị ôxy hoá trực tiếp trên các anốt ở

điện thế rất dương, ví dụ 2R - COO- - 2e → R R + 2 CO - 2 hay phản ứng của nước trên các điện cực đó tạo thành các radical OH*, ôzôn, H2O2 có khả năng ôxy hoá rất mạnh các chất hữu cơ, ôxy hoá ion Clo thành khí Clo: 2Cl- - 2e = Cl2, các phân tử

Cl2 tan trong nước tạo thành các dung dịch Clo hoạt tính có thể chuyển các phân tử màu hữu cơ thành dạng không màu

Sự tạo thành ôxy nguyên tử và khí ôxy mới sinh có thể ôxy hoá nhiều nhóm thế của phân tử màu, làm mất màu dung dịch và khử trùng nước

Phản ứng trên catôt: Các cation màu có thể khử trực tiếp trên catốt hay tạo

thành chất khử gián tiếp

Trong quá trình điện phân có sự thoát khí hydro trên catôt, khí ôxy trên anôt Các khí này vừa góp phần làm giảm tỷ trọng các chất phân tán, không tan trong nước làm chúng nổi lên trên mặt nước đồng thời đảo trộn hỗn hợp tăng cường sự di chuyển và tiếp xúc giữa các cấu tử Khí ôxy mới sinh có tác dụng ôxy hóa, khử trùng, đồng thời góp phần làm giảm BOD, COD của nước thải [1]

Tuy nhiên phương pháp này không được phổ biến rộng rãi đặc biệt là ứng dụng để xử lý nước rác do giá thành xử lý cao và hiệu quả cũng chưa được đánh giá

đầy đủ, hơn nữa việc sử dụng điện thế cao có thể tạo ra các chất độc hại khó kiểm soát

2 Các dạng ôxy hóa và các yếu tố ảnh hưởng

a Phương pháp trung hòa, kết tủa

Phương pháp trung hòa được ứng dụng rất rộng rãi trong xử lý nước thải Tuy nhiên phương pháp này chủ yếu được ứng dụng để xử lý các dòng thải mang tính kiềm hoặc axit (pH cao hoặc thấp) cần phải đưa về pH tối ưu để thải hoặc đi vào hệ

thống xử lý tiếp theo

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các tác nhân hóa học có đặc tính (pH) ngược so với pH của dòng thải cần xử lý Có nhiều biện pháp trung hòa như: dùng dòng thải có độ pH thấp để trung hòa dòng thải có độ pH cao, bổ xung tác nhân trung hòa (axit hoặc kiềm mạnh), hay dùng các vật liệu lọc có tính kiềm để trung hòa dòng thải có tính axit hoặc cũng có thể dùng các khí thải có tính kiềm hoặc axit để trung hòa dòng thải Phương pháp này ngoài việc trung hòa pH còn có thể loại bỏ một số chất ô nhiễm thông qua quá trình kết tủa và lắng của một số kim loại nặng điển hình như Ca, Cr, Mn…ở các điều kiện pH khác nhau

Một số tác nhân chính thường sử dụng để trung hòa như:

- Tác nhân mang tính axit: H2SO4, HCl, CO2, SO2, NO2…

- Tác nhân mang tính kiềm: KOH, Ca(OH)2, CaCO3, Na2CO3, CaO…

Tác nhân hóa học trong xử lý nước rác chủ yếu là sữa vôi (Ca(OH)2) để nâng

pH và kết tủa CaCO3, CaSO4nhằm loại bỏ Ca và NH3 trong nước rác

b Phương pháp oxy hóa hóa học

Phương pháp ôxy hóa hóa học để xử lý nước rác thường được sử dụng là ôxy hóa trực tiếp Các chất ôxy hóa mạnh được bổ xung trực tiếp vào nước rác để ôxy hóa các thành phần ô nhiễm có trong nước rác

Chất ôxy hóa có thể sử dụng trong xử lý nước thải là: ôxy không khí, H2O2, KMnO4, O3, Cl hoạt hóa, hay Fenton (kết hợp H2O2 và Fe2+)

Tuy nhiên các tác nhân được sử dụng phổ biến nhất trong xử lý nước thải là Cl hoạt hóa, KMnO4 và H2O2 dạng Fenton Ôxy không khí ít được sử dụng do ở điều kiện thường hiệu quả ôxy hóa rất thấp O3 có tính ôxy hóa mạnh nhưng việc tạo ra

nó với hàm lượng lớn rất khó khăn và chủ yếu được sử dụng để khử trùng hay ở quy mô rất nhỏ

- Clo hoạt tính: Clo có hóa trị +1 là chất ôxy hóa khá mạnh, sau phản ứng ôxy

hóa Clo chuyển về hóa trị 1 Clo hoạt tính có thể ôxy hóa hầu hết - các chất ô nhiễm vô cơ như nitrit, xianua, sắt II, Mangan II với hiệu quả cao Tuy nhiên với các hợp chất hữu cơ khi bị ôxy hóa có thể tạo thành các phức dạng clo hữu

cơ có tính độc và tạo độ màu cho nước thải Clo hoạt tính được tạo ra từ phân

tử Cl2 ban đầu theo cơ chế:

Cl2 +H2O = HOCl + H+ + Cl

-Tổng HOCl và OCl- được gọi là clo hoạt tính Tương tự như vậy cũng có thể tạo clo hoạt tính khi cho khí Cl2 phản ứng với dung dịch kiềm như NaOH, Ca(OH)2

HOCl H+ + OCl-

Phương pháp này chủ yếu được ứng dụng trong việc khử trùng hoặc xử lý nước thải để loại nitrit, xianua không chứa các chất hữu cơ.

- KMnO4: Là một chất có tính ôxy hóa mạnh, có khả năng ôxy hóa nhiều loại chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải Đặc biệt nó có hiệu quả rất cao đối với nuớc thải có chứa xianua, phenon, mùi, màu Tuy nhiên Mn trong KMnO4 là một chất đa hóa trị có thể biến đổi rất nhanh khi môi trường thay đổi (pH) nên việc kiểm soát các sản phẩm của quá trình ôxy hóa là rất khó khăn và nếu dư KMnO4 sẽ làm tăng độ màu của nước Khi nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp này người ta thường kết hợp với ôxy không khí để tăng hiệu quả

Cơ chế oxy hóa gồm 3 giai đoạn [3]

+ Giai đoạn kích hoạt: quá trình tạo Radical tự do:

RH + O2 → R* + HOO*

2RH + O2 → 2R* + H2O2

Theo quan điểm mới nhất về cấu tạo và tính chất của các phân tử oxy người ta

đã khẳng định rằng oxy là một radical với hai điện tử hóa trị không cặp đôi, có cấu trúc

* O O - *

và thường được gọi là biradical Bởi vậy quá trình kích hoạt, tạo radical tự do cũng

là một quá trình phản ứng có sự tham gia của các radical, trong đó chủ yếu là radical kép ( biradical oxygen)

+ Giai đoạn phát triển mạch:

Là các quá trình tương tác giữa các Radical tự do với nguyên liệu tham gia quá trình và sản sinh các radical tự do thứ cấp Các Radical tự do mới sinh tham gia các phản ứng oxy hóa các chất nguồn vào đầu tiên và sản sinh radical tự do thế hệ thứ

ba, cứ như vậy phản ứng dây chuyền sẽ tồn tại cho đến khi các thế hệ radical tự do mới không được sinh ra Tại thời điểm này bắt đầu giai đoạn ngắt mạch

R* + O2 → ROO*

ROO* + RH → ROOH + R*

ROO* + RCH → R,CHO + R,O*

ROO* + ROOH → ROH + O2 + RO*

ROO* + ROH → R,.COR,, + RO* + H2O

ROOH → RO* + OH*

ROOH + RH → RO* + R* + H2O

ROOH + ROOH → RO* + ROO* + H2O

ROOH + R,COOH ⇔ Phức Radical tự do ( Free Radical) →

RO* + RH → ROH + R*

+ Giai đoạn ngắt mạch: Là giai đoạn tạo thành các sản phẩm ổn định của quá trình oxy hóa

ROOH → R,COR,, + H2O

ROO* + ROO* → R,COR,, + ROH + O2

Cơ chế tự oxy hóa trên cho chúng ta thấy rằng đấy là một quá trình phản ứng dây chuyền ở trạng thái rất khó điều khiển, sản phẩm của quá trình rất đa dạng và có thể có những sản phẩm không thân thiện với môi trường hoặc đôi khi còn có độ độc hại cao hơn hẳn các chất ban đầu

- H2O2 (dạng fenton) Hợp chất Fenton được biết đến từ rất sớm, chúng có khả: năng ôxy hóa rất mạnh do khi cho vào trong nước nó tạo ra gốc OH* theo phản ứng:

Fe2+ + H2O2 → Fe(OH)2+ + OH*

Gốc OH* tiếp tục thực hiện các phản ứng:

OH* + Fe2+ Fe3+ + OH-