Nghiên ứu đánh giá hiệu quả hoạt động ủa một số hệ thống xử lý nướ rá tại bãi rá nam sơn thành phố hà nội và đề xuất giải pháp nâng ao hiệu quả xử lý

Xử lý bằng phơng pháp hoá lý, hoá học xử lý bậc 1Xử lý nớc rác bằng phơng pháp hoá lý, hoá học nh keo tụ, oxy hoá để tách các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học hoặc chuyển thành các

-

Luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt động của một số hệ thống xử lý nớc rác tại bãi rác nam sơn thành phố hà nội và đề xuất giải pháp nâng cao

hiệu quả xử lý

Ngành: công nghệ môi trờng Mã số:

Học viên: hoàng ngọc minh

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS TS nguyễn ngọc lân

Hà Nội - 200 6

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131476821000000

c Quá trình phân huỷ yếm khí nớc rác 50

d Khử nitrit, nitrat trong nớc rác bằng phơng pháp sinh học 51

Chơng III Các số liệu quan trắc môi trờng nớc rác tại bãi rác

Nam Sơn Sóc Sơn -

56

3.1 Sự biến thiên hàm lợng các hợp chất hữu cơ 56 3.2 Sự biến thiên hàm lợng chất rắn lơ lửng (SS) 57 3.3 Sự biến thiên hàm lợng hợp chất nitơ (T - N) 57 3.4 Sự biến thiên hàm lợng hợp chất chứa phôtpho (T - P) 57

Chơng IV Đánh giá hiệu quả hoạt động của một số hệ thống xử lý

nớc rác tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn -

68

4 2 Hệ thống xử lý nớc rác của Liên hiệp Khoa học - Sản xuất

Công nghệ Hoá học (UCE) thuộc Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên

5 1 Yêu cầu chung đối với các hệ thống xử lý nớc thải 104

5 2 Những yêu cầu cần quan tâm đối với một hệ thống xử lý

5.4 C¸c kiÕn nghÞ vÒ tiªu chuÈn m«i trêng 110

Lời cảm ơn

Bản luận văn tốt nghiệp này của tôi, tôi đã thu nhận đợc sự hớng dẫn, góp ý để bảo đảm chất lợng của luận văn Tôi xin đợc bày tỏ sự cảm ơn trân trọng nhất với Phó Giáo s, Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Lân, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trờng - Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin đợc cảm ơn phòng Hoá Môi trờng thuộc Viện Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ tôi trong quá trình thí nghiệm, phân tích phục vụ cho việc thực hiện luận văn của tôi

Học viên

Hoàng Ngọc Minh

các chữ viết tắt

BOD - Biochemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh hoá

COD - Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá học-

UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể yếm khí dòng ngợc TSS - Total Suspended Solid - Tổng chất rắn lơ lửng

SS - Suspended Solid Chất rắn lơ lửng-

TDS - Total Disolved Solid Tổng chất rắn hoà tan-

VSS - Vapor Suspended Solid - Hàm lợng chất rắn lơ lửng bay hơi

DO - Disolved Oxygen Nồng độ oxy hoà tan-

T N - - Tổng nitơ

T P - - Tổng phôtpho

TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam

danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1 Khối lợng chất thải rắn phát sinh tại thành phố Hà Nội 12 Bảng 1.2 Thành phần chất thải rắn thành phố Hà Nội 13 Bảng 2.1 Trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ 37 Bảng 2.2 So sánh hiệu quả xử lý màu và SS của phèn nhôm và PAC 44 Bảng 2.3 Hiệu quả keo tụ kết hợp giữa PAC và A101 44 Bảng 2.4 ảnh hởng của pH ban đầu đến khả năng xử lý màu và

danh mục các hình

Trang

Hình 1.1 Quy hoạch tổng thể quản lý chất thải rắn thành phố Hà

Nội giai đoạn 2000 - 2010

15a

Hình 1.2 Quy hoạch tổng thể khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn

- Sóc Sơn

15b

Hình 2.1 Đồ thị diễn biến hàm lợng amoni trong quá trình oxy hoá

amoni với nồng độ đầu 200mg/l và tỷ lệ COD/N khác nhau

53

Hình 2.2 Đồ thị diễn biến hàm lợng COD trong quá trình oxy hoá

amoni với nồng độ đầu 200mg/l và tỷ lệ COD/N khác nhau

54

Hình 2.3 Đồ thị diễn biến hàm lợng amoni trong quá trình oxy hoá

amoni với nồng độ đầu 300mg/l và tỷ lệ COD/N khác nhau

54

Hình 2.4 Đồ thị diễn biến hàm lợng COD trong quá trình oxy hoá

amoni với nồng độ đầu 300mg/l và tỷ lệ COD/N khác nhau

55

Hình 3.1 Đồ thị biến thiên hàm lợng COD của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn 6 tháng cuối năm 2002

58

Hình 3.2 Đồ thị biến thiên hàm lợng SS của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng cuối năm 2002.-

58 Hình 3.3 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - N của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn 6 tháng cuối năm 2002

59

Hình 3.4 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - P của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng cuối năm 2002.-

59

Hình 3.5 Đồ thị biến thiên hàm lợng COD của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm - 2003

60

Hình 3.6 Đồ thị biến thiên hàm lợng SS của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2003.-

60

Hình 3.7 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - N của nớc rác cha xử lý 61

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2003.-

Hình 3.8 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - P của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2003.-

61

Hình 3.9 Đồ thị biến thiên hàm lợng COD của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2004.-

62

Hình 3.10 Đồ thị biến thiên hàm lợng SS của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2004.-

62

Hình 3.11 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - N của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn năm 2004

63

Hình 3.12 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - P của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn năm 2004

63

Hình 3.13 Đồ thị biến thiên hàm lợng COD của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn năm 2005

64

Hình 3.14 Đồ thị biến thiên hàm lợng SS của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn năm 2005.-

64

Hình 3.15 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - N của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn năm 2005

65

Hình 3.16 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - P của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn năm 2005

65

Hình 3.17 Đồ thị biến thiên hàm lợng COD của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng đầu năm 2006.-

66

Hình 3.18 Đồ thị biến thiên hàm lợng SS của nớc rác cha xử lý

tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng đầu năm 2006.-

66

Hình 3.19 Đồ thị biến thiên hàm lợng T N của nớc r- ác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng đầu năm 2006.-

67

Hình 3.20 Đồ thị biến thiên hàm lợng T - P của nớc rác cha xử

lý tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn 6 tháng đầu năm 2006.-

67

Hình 4.1 Sơ đồ khối dây chuyền công nghệ xử lý nớc rác tại bãi 69

rác Nam Sơn - Sóc Sơn của Liên hiệp Khoa học sản xuất công nghệ

Hoá học

Hình 4.2 Sơ đồ thiết bị công nghệ xử lý nớc rác tại bãi rác Nam

Sơn Sóc Sơn của Liên hiệp Khoa học sản xuất công nghệ Hoá học.-

70

Hình 4.3 Sơ đồ khối dây chuyền công nghệ xử lý nớc rác tại bãi

rác Nam Sơn - Sóc Sơn của Công ty Cơ khí Thuỷ sản

77

Hình 4.4 Sơ đồ thiết bị công nghệ xử lý nớc rác tại bãi rác Nam

Sơn Sóc Sơn của Công ty Cơ khí Thuỷ sản.-

78

Hình 4.5 Sơ đồ khối công nghệ số 1 xử lý nớc rác tại bãi rác Nam

Sơn Sóc Sơn của Công ty Môi trờng đô thị Hà Nội -

88

Hình 4.6 Sơ đồ khối công nghệ số 2 xử lý nớc rác tại bãi rác Nam

Sơn Sóc Sơn của Công ty Môi trờng đô thị Hà Nội -

89

Hình 5.1 Đề xuất sơ đồ khối công nghệ xử lý nớc rác hợp lý tại

bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn

109

Mở đầu

Nớc rác là một loại nớc thải đô thị đặc biệt, có tải lợng và hàm lợng các thành phần ô nhiễm thờng xuyên biến động Sự biến động đó phụ thuộc rất lớn vào khối lợng rác thải, thời tiết, khí hậu, thời gian phân huỷ rác

và công nghệ thu gom, phân loại, xử lý rác

Trong các loại nớc thải đô thị thì nớc rác là loại khó xử lý nhất và nớc rác tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm và sự cố môi trờng nếu không

đợc xử lý kịp thời Trong những năm qua, rất nhiều tỉnh, thành phố lớn đã gặp khó khăn vì các sự cố môi trờng do nớc rác gây ra Đối với thành phố

Hà Nội vào năm 2000, do bãi rác Nam Sơn mới đa vào sử dụng nhng cha

có hệ thống xử lý nớc rác nên bị tràn bờ bao các ô chôn lấp khi ma to, gây chết hàng loạt cá trên dòng suối Lai Sơn và thiệt hại nhiều diện tích lúa, hoa màu lấy nớc tới từ dòng suối Thành phố đã phải huy động hàng ngàn chuyến xe téc để bơm hút nớc rác từ bãi rác Nam Sơn chở về nội thành để xả vào sông Tô Lịch, giải quyết tạm thời tình hình nguy hiểm Tuy nhiên, đó là biện pháp xử lý mang tính tình thế bắt buộc và không khoa học vì thực chất là không xử lý đợc chất ô nhiễm mà chỉ đem chất ô nhiễm từ nơi này tới nơi khác

Đối với các thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Thái Nguyên và một

số nơi khác cũng gặp sự cố về nớc rác tràn bờ bao do không xử lý kịp hoặc

xử lý không đạt tiêu chuẩn môi trờng, dẫn đến phản ứng của ngời dân địa phơng không cho đổ rác

Vì vậy, xử lý nớc rác là một trong những vấn đề hết sức quan trọng và cấp bách hiện nay tại các đô thị Nó không những ảnh hởng rất lớn tới môi trờng khu vực bãi rác và các lu vực, thuỷ vực có liên quan mà còn ảnh hởng tới vệ sinh môi trờng, cảnh quan của các đô thị, nơi phát sinh các

nguồn rác thải nếu để xảy ra tình trạng các bãi rác bị ngừng hoạt động do các

sự cố về nớc rác gây ra

Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về nớc rác, các phơng pháp xử lý nớc rác, đánh giá hiện trạng một số hệ thống xử lý nớc rác tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn, thành phố Hà Nội và đề xuất một số giải pháp - nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của các hệ thống xử lý nớc rác

Chơng I :

tổng quan về quá trình hình thành nớc rác và các

biện pháp xử lý nớc rác

1.1 Khái quát về công tác quản lý chất thải rắn thành phố Hà Nội

Thành phố Hà Nội bao gồm 9 quận và 12 huyện, trong đó hiện nay chỉ

có hai bãi chôn lấp rác chính là bãi rác Nam Sơn, thuộc huyện Sóc Sơn và bãi rác Kiêu Kị thuộc huyện Gia Lâm Từ tháng 9/2006, bãi rác Nam Sơn tiếp nhận rác của địa bàn 9 quận nội thành và 4 huyện ngoại thành là Thanh Trì,

Từ Liêm, Sóc Sơn và Đông Anh Bãi rác Kiêu Kị chỉ tiếp nhận rác của huyện Gia Lâm

Tổng khối lợng chất thải rắn phát sinh hàng ngày trên địa bàn thành phố Hà Nội từ 3.500 3.700 tấn/ngày,- số liệu đợc chỉ ra trong bảng 1.1, trong đó rác sinh hoạt hiện nay là 2.200 tấn ngày

Bảng 1.1 Khối lợng chất thải rắn phát sinh tại thành phố Hà Nội :

TT Nguồn phát sinh

Khối lợng (tấn/ngày)

Khối lợng (tấn/năm)

Tỷ lệ (%)

2004 2006 2004 2006 2004 2006

1 Chất thải rắn sinh hoạt 1.979 2.200 722.335 803.000 57,3 56,8

2 Chất thải rắn công nghiệp (trong đó chất thải nguy hại ~30%) 300 350 99.000 128.000 7,8 9,0

3 Chất thải rắn xây dựng 850 950 310.000 347.000 24,6 24,5

4 Chất thải y tế nguy hại 1,5 2,0 547,5 720 0,043 0,052

5 Phân bùn bể phốt 350 370 127.750 135.000 10,14 9,55

6 Tổng cộng 3480,5 3.872 1.259.882 1.413.720 100 100

(Nguồn : Công ty Môi trờng đô thị Hà Nội)

Khoảng 90% rác sinh hoạt đợc thu gom và xử lý bằng phơng pháp chôn lấp tại Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn Sóc Sơn (gọi tắt là bãi - rác Nam Sơn), còn khoảng 5% đợc xử lý thành phân bón hữu cơ vi sinh (compost) tại nhà máy chế biến phân vi sinh Cầu Diễn (huyện Từ Liêm) Còn lại khoảng 5% rác thải đợc các ngời đồng nát và các cơ sở tái chế thu hồi

Chất thải y tế nguy hại đợc đốt tại lò đốt rác y tế Cầu Diễn và chất thải công nghiệp đợc xử lý tại khu xử lý chất thải công nghiệp nằm trong Khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn bằng phơng pháp đốt và lu giữ trong các hầm chứa bê tông

Đặc điểm quan trọng nhất của rác thải sinh hoạt là thu gom hỗn hợp, không đợc phân loại tại nguồn, khi rác đợc vận chuyển lên bãi rác mới

đợc tận thu một phần bởi những ngời bới rác Thành phần chất thải rắn thành phố Hà Nội chủ yếu là các chất hữu cơ (chiếm khoảng 50%), các chất vô cơ nh phế thải xây dựng, thuỷ tinh, sành sứ cũng chiếm tỷ lệ lớn (khoảng 25%), còn lại là các thành phần khác nh kim loại, nhựa tổng hợp Thành

phần chất thải rắn thành phố Hà Nội đợc chỉ ra ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần chất thải rắn thành phố Hà Nội

Thành phần chất thải Tỷ lệ % so với tổng lợng chất thải rắn

Hình 1.1 chỉ ra quy hoạch tổng thể quản lý chất thải rắn thành phố Hà Nội đến năm 2020 Tuy nhiên, hiện tại thành phố Hà Nội chỉ còn 2 bãi rác

đang hoạt động là bãi rác Nam Sơn huyện Sóc Sơn và bãi rác Kiêu Kị huyện Gia Lâm Trong đó, bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn tiếp nhận xử lý khaỏng 80% - tổng lợng rác thải sinh hoạt và 100% rác thải công nghiệp của thành phố

Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn nằm trên địa bàn các xã Nam Sơn, Bắc Sơn và Hồng Kỳ thuộc huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội, có tổng diện tích 83 ha Mặt bằng quy hoạch tổng thể khu liên hợp xử lý chất thải

Nam Sơn Sóc Sơn đợc chỉ ra trên hình 1.2 Trong đó có các công trình và - hạng mục chính nh sau :

+ Khu vực các ô chôn lấp rác (chiếm tỷ lệ lớn nhất) bao gồm 09 ô chôn lấp, tổng diện tích 60 ha, thời gian hoạt động theo thiết kế từ năm 1999

đến hết năm 2016 Cao độ đổ rác cuối cùng là +39,00 tại vị trí đỉnh bãi rác so với cao độ đáy bãi bình quân là +5,00 đến +6,50

+ Khu xử lý chất thải rắn công nghiệp có diện tích 5,15 ha trongđó có các hầm lu giữ chất thải nguy hại, lò đốt rác công nghiệp, trạm xử lý nớc thải công nghiệp

+ Khu chế biến rác thành phân bón hữu cơ vi sinh (compost) có diện tích 9,8 ha

+ Khu đốt rác sinh hoạt diện tích 5,9 ha

+ Khu xử lý nớc rác có diện tích 4,11 ha

+ Hệ thống đờng giao thông nội bộ trong khu liên hiệp

+ Khu vực trạm cân điện tử, rửa xe, nhà kho, nhà sản xuất hoá chất + Khu vực văn phòng, nhà hành chính, phụ trợ

+ Hàng rào và hành lang cây xanh cách ly giữa khu liên hiệp với môi trờng bên ngoài

+ Hệ thống các điểm quan trắc môi trờng nớc ngầm, nớc mặt, nớc rác

Khu liên hiệp xử lý chất thải rắn Nam Sơn Sóc Sơn (gọi tắt là bãi rác - Nam Sơn) hoạt động từ tháng 5/1999 Đến nay, đã tiếp nhận và xử lý hơn 3.000.000 tấn rác thải sinh hoạt và 30.000 tấn chất thải công nghiệp Đây là khu xử lý rác đợc thiết kế và xây dựng hiện đại nhất ở khu vực phía Bắc, các khu chôn lấp rác theo tiêu chuẩn bãi chôn lấp hợp vệ sinh hiện hành

Quy trình xử lý rác thải sinh hoạt tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn :

Rác đợc chở từ thành phố lên bằng các xe tải có trọng tải từ 3,5 tấn

đến 15 tấn, có thiết bị nén ép Trớc khi vào bãi, các xe chở rác qua hệ thống

cân điện tử để xác định khối lợng rác, sau đó đi vào các ô chôn lấp rác để đổ rác

Rác đợc đổ thành từng lớp trong ô chôn lấp với chiều dày từ 3 - 5m/lớp rác Trong quá trình san lấp, rác đợc phun một lợng hoá chất khử mùi EM (Effective Microognisms) để khử mùi hôi, phun thuốc diệt côn trùng,

đầm nén bằng máy ủi và máy đầm rung 30 tấn để đạt dung trọng 750 - 850 kg/m3 Sau mỗi lớp rác, phủ một lớp đất dày 0,2 0,3m và cũng san ủi, đầm - nén chặt

Bãi rác đợc lắp đặt hệ thống các ống thoát khí ga để thoát tán khí ga giảm thiểu nguy cơ gây cháy nổ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân huỷ rác

Nớc rác hình thành trong quá trình chôn lấp rác đợc tách ra từ các ô chôn lấp, thu gom bằng hệ thống các rãnh và hố thu, bơm về khu vực lu chứa

để xử lý

Khi bãi rác đạt cao độ cho phép của từng giai đoạn theo quy định, thực hiện đóng bãi tạm thời hoặc đóng bãi theo quy hoạch bằng một lớp phủ polymer tách nớc ma, sau đó phủ các lớp đất dày từ 0,6 1,0m và trồng cây - xanh

Công tác xử lý chất thải tại bãi rác bao gồm hai việc chính :

Theo quy trình công nghệ chôn lấp rác đối với các bãi chôn lấp hợp vệ sinh, các lớp rác đợc san gạt, đầm nén để đạt dung trọng 800 - 1000 kg/m3 Sau mỗi lớp rác dày 3 5 m đợc phủ bằng một lớp đất dày 0,2 m, nên trong - bãi rác sẽ xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí của rác hữu cơ

Ví dụ : Rác chôn lấp tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn có tới 90% là rác thải sinh hoạt, chủ yếu là chất hữu cơ, còn lại là các thành phần khác

Ban đầu, khi cha đầm nén, trong đống rác xảy ra quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ trong thành phần của rác dới tác dụng của vi sinh vật theo phơng trình tổng quát sau [8] :

( a − b − c − d

O2 + chất dinh dỡng → aCO2 +

2

) 3 ( b − d H2O + dNH3 + Q Trong đó : CaHbOcNd là công thức hoá học của chất hữu cơ có trong thành phần rác thải [8]

Chất hữu cơ + O2 + Vi sinh vật + Chất dinh dỡng → Tế bào VSV mới

+ Chất hữu cơ còn lại + CO2 + Q Sau khi chôn lấp san gạt, đầm nén bãi rác thì trong bãi rác xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ có trong thành phần của rác theo phản ứng sinh học :

Chất hữu cơ + H2O + Vi sinh vật + Chất dinh dỡng → Tế bào VSV mới + Chất hữu cơ còn lại + CO2 + H2S + NH3 + Q

CaHbOcNd + rH2O + Vi sinh vật +chất dinh dỡng → nCwHxOyNz +

mCH4 + sCO2 + (d - nx)NH3 + QQuá trình phân huỷ điều kiện yếm khí xảy ra hoàn toàn theo phản ứng sinh học sau :

CaHbOcNd +

4

) 3 4

( a − b − c − d

H2O →

8

) 3 2 4

( a + b − c − d

CH4 +

8

) 3 2 4

( a − b + c + d

CO2 + dNH3 + QTrong rác thải chứa hầu hết các chất hữu cơ nh protein, gluxit, lipit bị phân giải :

+ Thuỷ phân protein thành các mạch ngắn hơn (peptit) [2] :

Protein (proteaza) → Peptit (peptrodaza) → Axit amin + Khử axit amin bằng thuỷ phân tạo ra NH3 và rợu : [2]

R - CHNH2 - COOH → NH3 + R CH = CH CH- - 2OH Hoặc : R - CHNH2 - COOH → NH3 + - R CH = CH CH- 2COOH + Mất amin trực tiếp tạo thành sản phẩm là axit hữu cơ (axit béo) :

R - CH2 - CHNH2 - COOH → NH3 + R CH = COOH - Khí NH3 sinh ra trong môi trờng nớc tạo thành amoni NH4+[2]:

NH3 + H2O → NH4+ + OH-

Sự phân giải gluxit :

+ Phân giải gluxit đơn giản : Trong điều kiện yếm khí

Gluxit → Axit hữu cơ → pH ↓ → Chất trung tính (rợu, aceton) [2] + Phân giải gluxit tạo thành đờng [2] :

Xyloza, Hexoza (C6) → Pentoza (C5) → C4 → C3 → C2 → 6C1

Sự phân giải lipit :

+ Thuỷ phân lipit do điều kiện độ ẩm cao, nhiệt độ cao trong quá trình

rác lên men phân huỷ bởi các vi sinh vật [2] :

Lipit → Rợu + Axit béo + Phân giải lipit do enzim từ vi sinh vật [2] :

Lipit (lipidaza) → Rợu → Axit béo (M lớn) Theo các phản ứng phân huỷ chất hữu cơ trong rác trình bày ở trên, sản phẩm phân huỷ rác sẽ tích tụ trong nớc rác do độ ẩm trong rác rất cao, thậm

chí trong thực tế, rác luôn bị ngâm nớc Do đó, nớc rác chứa rất nhiều thành phần ô nhiễm hữu cơ nh các axit béo, axit amin, NH4+, BOD, COD, và các chất trơ khó phân huỷ Trong các chất khó phân huỷ có các axit humic, fulvic, lignin, tanin các chất này gây màu tối sẫm cho nớc rác, và chỉ có khả năng

xử lý màu bằng phơng pháp hoá học hoặc hấp phụ bằng than hoạt tính

Nớc rác trong các ô chôn lấp ngay sau khi hình thành có hàm lợng các chất ô nhiễm rất cao, đối với BOD từ 10.000 20.000 mg/l, đối với COD -

từ 8.000 - 12.000 mg/l, đối với NH4+ khoảng 1500 mg/l Do đó, nếu lấy nớc rác tơi để xử lý sẽ phức tạp về công nghệ và không kinh tế

Nếu tận dụng ô chôn lấp rác nh bể ủ yếm khí thì sẽ xử lý gần hết các chất có khả năng phân huỷ sinh học trong nớc rác

Theo kết quả phân tích quan trắc môi trờng bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn, hàm lợng NH4+ trong nớc rác đầu vào chiếm tỷ lệ 60 - 85% hàm lợng

T - N đối với nớc rác tơi, và chiếm tới 85 - 95% hàm lợng T - N đối với nớc rác đã lu chứa dài ngày tại hồ chứa H3

Sự tăng tỷ lệ NH4+ so với T N là do quá trình amoni hoá các hợp chất - chứa nitơ, chủ yếu là hợp chất hữu cơ, đó là quá trình vô cơ hoá nitơ hữu cơ :

+ Quá trình amoni hoá urea (Thuỷ phân đơn giản) :

NH2 - CO NH- 2 + 2H2O → OH - CO OH + 2NH- 3 → (NH4)2CO3

→ CO2 ↑ + 2NH3 + H2O [2]

+ Quá trình amoni hoá protein :

• Giai đoạn 1 : Thuỷ phân

Protein + Proteaza Peptit + Pepidaza Axit amin

• Giai đoạn 2 : Khử amin

Khử bằng quá trình thuỷ phân :

R - CHNH2 - COOH + H2O → R - CH2 - COOH + NH3 [2]

R - CHNH2 - COOH + H2O → R - CH2 - OH + NH3 + CO2 [2]Khử bằng quá trình oxy hoá :

Khử amin bằng mất amin trực tiếp :

R - CH2 - CHNH2 - COOH + Desaminaza → - R CH = CH COOH + NH- 3

• Giai đoạn 3 : Phân giải hoàn toàn

Phân giải yếm khí : → CO2 + CH4 + H2S + Mercaptan + Indol + Scatol Phân giải hiếu khí : → CO2 + H2O + NO3- + NO2-

Ta thấy rằng, quá trình xử lý chôn lấp rác và phân huỷ của rác trong bãi rác cuối cùng tạo ra các sản phẩm ô nhiễm hữu cơ BOD, COD, các hợp chất chứa nitơ, phôtpho [2]

Đối với các hợp chất chứa nitơ, qua các quá trình phân huỷ, sản phẩm chủ yếu tạo thành là amoni Thời gian lu càng dài, tỷ lệ amoni trong nớc rác càng cao, chiếm 85 - 95% trong hàm lợng T - N Do đó, việc xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nớc rác chính là xử lý amoni Các thành phần khác nh nitrit, nitrat có hàm lợng nhỏ, thờng dới mức cho phép của tiêu chuẩn thải nên có thể xử lý đơn giản hơn nhiều so với xử lý amoni [2] [3]

(BOD - biochemical oxygen demand) là đại lợng đặc trng cho lợng chất hữu cơ có thể phân huỷ đợc nhờ vi sinh vật

Lợng cacbon tổng TOC bao gồm lợng cacbon trong hợp chất hữu cơ hoà tan DOC và dạng hạt không tan (POC - particulate organic carbon), thông thờng để đánh giá chất lợng nớc thì dùng chỉ số TOC Với các nguồn nớc không bị ô nhiễm, DOC thờng có giá trị 1 2 mg/l, với các vùng nhiễm bẩn -

do tự nhiên, DOC có thể lên tới 5 mg/l

b Nhu cầu oxy hoá học, COD (Chemical Oxygene Demand)

Để oxy hoá chất hữu cơ cần phải dùng một lợng chất oxy hoá dới một điều kiện phản ứng cụ thể Lợng chất oxy hoá tiêu hao trong quá trình oxy hoá ứng với lợng chất hữu cơ có thể oxy hoá trong điều kiện đó và đợc quy đổi thành lợng oxy tơng ứng

Các chất hữu cơ tồn tại trong nớc có hoạt tính hoá học rất khác nhau, khi bị oxy hoá không phải hợp chất nào cũng chuyển hoá thành nớc và CO2

nên giá trị COD thờng là nhỏ hơn nhiều giá trị tính từ phản ứng hoá học đầy

đủ Mặt khác, trong nớc có thể tồn tại một số hoá chất vô cơ cũng bị oxy hoá,

nó làm tăng COD

Xác định nhu cầu oxy hoá hoá học bằng chất KMnO4 là phơng pháp

cũ, dùng để kiểm tra chất lợng các nguồn nớc Phơng pháp này áp dụng cho các đối tợng nớc từ nguồn tự nhiên dùng cho sinh hoạt (nớc ngầm, nớc mặt)

Trị số COD (KMnO4) có thể tính theo lợng mg KMnO4/l hay mgO2/l Nớc ít bị tạp chất hữu cơ có giá trị COD (KMnO4) nhỏ hơn 3mgO2/l Tiêu chuẩn thờng áp dụng cho nớc sinh hoạt là nhỏ hơn 5 mgO2/l K2Cr2O7 là chất oxy hoá mạnh hơn KMnO4 Phơng pháp này hiện nay thờng đợc sử dụng

Đối với nớc rác tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn, - hàm lợng COD tại các

hồ chứa nớc rác có giá trị bình quân từ 500 1500 mg/l,- cao nhất là 5000

mg/l và thấp nhất là 200 mg/l Lợng chất hữu cơ không có khả năng phân huỷ sinh học có giá trị khoảng 300 400 mg/l và một phần có khả năng loại -

bỏ bằng phơng pháp keo tụ [10]

c Nhu cầu oxy sinh hoá, BOD (Biochemical Oxygene Demand)

Là đại lợng đặc trng cho hàm lợng chất hữu cơ có thể phân huỷ

đợc bởi vi sinh vật Giá trị đo đợc trong phòng thí nghiệm thờng lệch so với quá trình xảy ra trong tự nhiên do sự khác biệt về oxy hoà tan, thay đổi nhiệt độ, chủng loại vi sinh Điều kiện tiến hành xác định BOD ở 20oC trong thời gian 5 ngày Thời gian đợc chọn là 5 ngày ứng với thời gian dài nhất nớc đợc giữ ở nhiệt độ 20oC

BOD là lợng oxy mà các vi sinh vật a khí sử dụng trong quá trình trao

đổi chất mà các chất hữu cơ đóng vai trò cơ chất và quá trình oxy hoá tạo thành các sản phẩm vô cơ bền nh CO2, SO42-, PO43-, NH3 và cả NO3- Giá trị BOD chỉ có thể lặp lại trên cùng mẫu nớc khi điều kiện thực nghiệm rất ổn

định, mọi sự dao động đều dẫn đến kết quả khác nhau Thông thờng giá trị BOD đạt giá trị tối đa sau khoảng 20 ngày, gọi là giá trị BOD cuối Do thời gian quá dài nên ngời ta chỉ thực hiện 5 ngày, tức là theo một quy ớc nhất

định, trong thời gian đó BOD đo đợc đạt khoảng 70% giá trị BOD cuối cùng

và gọi là BOD5

Đối với nớc rác tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn, - hàm lợng BOD có giá trị bình quân từ 300 1500 mg/l, cao nhất là 2300 mg/l và thấp nhất là 50 - mg/l

- Các chất hữu cơ phần chiết xuất của thực vật gọi là màu thực, màu này rất khó xử lý bằng các phơng pháp đơn giản Ví dụ các mùn humic làm nớc

có màu vàng; các loài thực vật thuỷ sinh nh rong, tảo làm nớc có màu xanh

- Các chất vô cơ là những hạt rắn có màu gây ra, gọi là màu biểu kiến, màu này xử lý đơn giản hơn Ví dụ các hợp chất của sắt hoá trị +3 không tan làm nớc có màu nâu đỏ Nớc thải sinh hoạt hay nớc thải công nghiệp là hỗn hợp của màu thực và màu biểu kiến thờng gây màu xám hoặc màu tối

Đơn vị đo độ màu là Pt/Co

Đối với nớc rác tại bãi rác Nam Sơn có độ màu bình quân từ 700 -

1500 Pt/Co do có nhiều chất hữu cơ gây màu tối sẫm nh axit humic, axit fulvic, lignin, tanin và các chất rắn lơ lửng [7]

e Hàm lợng chất rắn :

Chất rắn có trong nớc có thể là do :

- Các chất vô cơ ở dạng hoà tan (các muối) hoặc các chất không tan nh

đất, cát, đá ở dạng huyền phù hoặc cặn lắng

- Các chất hữu cơ nh vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, động vật nguyên sinh ) và các chất hữu cơ tổng hợp nh phân bón, chất thải công nghiệp

Chất rắn ảnh hởng tới chất lợng nớc và phơng pháp xử lý nớc Một số chỉ tiêu biểu thị hàm lợng chất rắn nh sau :

+ Tổng lợng chất rắn TS (Total Solid)

Tổng lợng chất rắn là trọng lợng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi bay hơi 1 lít mẫu nớc trên nồi cách thuỷ rồi sấy khô ở 103oC cho tới khi trọng lợng không đổi, đơn vị tính bằng mg/l

+ Chất rắn huyền phù hay chất rắn lơ lửng SS (Suspend Solid) :

Chất rắn huyền phù hay chất rắn lơ lửng là chất rắn ở dạng lơ lửng trong nớc Hàm lợng chất rắn lơ lửng SS là trọng lợng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thuỷ tinh khi lọc 1 lít mẫu nớc qua phễu lọc rồi sấy khô ở

103oC - 105oC tới khi trọng lợng không đổi Đơn vị tính bằng mg/l

+ Chất rắn hoà tan DS (Disolved Solid) :

Hàm lợng chất rắn hoà tan chính là hiệu số của tổng lợng chất rắn và hàm lợng chất rắn lơ lửng Đơn vị tính bằng mg/l

DS = TS - SS+ Chất rắn bay hơi VS (Vapour Solid) :

Hàm lợng chất rắn bay hơi là trọng lợng mất đi khi nung lợng chất rắn lơ lửng SS ở 550oC trong một khoảng thời gian nhất định Thời gian này phụ thuộc vào loại nớc thải đa xác định Đơn vị có thể là mg/l hoặc %SS,

%TS

+ Chất rắn có thể lắng :

Chất rắn có thể lắng là thể tích (tính bằng ml) phần chất rắn của 1 lít mẫu nớc đã lắng xuống đáy phễu sau một khoảng thời gian nhất định (thờng là 1 giờ) Đơn vị tính bằng ml/l

Đối với nớc rác tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn, hàm lợng chất rắn lơ lửng có giá trị bình quân từ 200 350 mg/l, cao nhất là 450 mg/l [10].-

f Hàm lợng nitơ :

Nitơ và photpho là những nguyên tố chủ yếu cần thiết cho các sinh vật nguyên sinh và thực vật phát triển Nitơ có thể tồn tại ở các dạng chủ yếu sau : Nitơ hữu cơ (N HC), nitơ amoniac (N NH- - 3), nitơ nitrit (N NO- 2-), nitơ nitrat (N - NO3-), và nitơ tự do (N2)

Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ là protein và các sản phẩm phân huỷ củ

nó nh axit amin, chất thải của ngời và động vật

Hai dạng hợp chất vô cơ chứa nitơ có trong nớc thải là nitrit và nitrat Nitrat (NO3-) là sản phẩm oxy hoá cuả amoni (NH4+) khi tồn tại oxy, thờng gọi là quá trình nitrat hoá Còn nitrit (NO2-) là sản phẩm trung gian của quá trình nitrat hoá, nitrit là hợp chất không bền vững dễ bị oxy hoá thành nitrat

Bởi vì amoni tiêu thụ oxy trong quá trình nitrat hoá và các sinh vật nớc, rong, tảo dùng nitrat làm thức ăn để phát triển, cho nên nếu hàm lợng

nitơ trong nớc thải xả ra sông, hồ quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tợng phú dỡng, kích thích sự phát triển nhanh của rong, tảo làm bẩn nguồn nớc

Nớc rác tại bãi rác Nam Sơn - Sóc Sơn, hàm lợng các hợp chất nitơ (tổng nitơ) có giá trị bình quân từ 350 500 mg/l, cao nhất là 670 mg/l- Trong

đó, hàm lợng amoni chiếm khoảng 60 - 90% hàm lợng tổng nitơ, hàm lợng nitrat dới 50 mg/l, hàmlợng nitrit dới 5 mg/l [10]

g Hàm lợng phôtpho :

Do các hợp chất chứa phôtpho là nguyên nhân chính gây ra sự phát triển

"bùng nổ" của tảo ở một số nguồn nớc mặt nên việc kiểm soát hàm lợng các hợp chất chứa phôtpho trong nớc thải rất quan trọng Phôtpho trong nớc mặt và nớc thải thờng tồn tại ở các dạng orthophotphat (PO43-, HPO42-,

H3PO4) hay polyphophat [Na3 (PO4)6] và phôtphat hữu cơ

Chỉ tiêu phôtpho có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học

- Nớc rác tại bãi rác Nam Sơn Sóc Sơn có hàm lợng phôtpho thấp, bình quân từ 4 10 mg/l, cao nhất là 18 mg/l Hàm lợng phôtpho thấp có thể -

do trong nớc rác có một số ion kim loại có khả năng tạo kết tủa với phôtphat nh Ca2+ tạo thành phôtphat canxi ít tan

h Một số đặc trng ảnh hởng đến công nghệ xử lý :

Độ kiềm, sulfat, clorua là các yếu tố ảnh hởng đến quá trình xử lý vi sinh Độ kiềm (bicacbonat) là thành phần cơ chất của loại vi sinh oxy hoá amoni (nitrosomonas, nitrobacter), trong quá trình xử lý hiếu khí, kiềm bị tiêu hao khoảng 7g/g amoni, tuy nó đợc bù lại (sinh ra khoảng 40% trong quá trình khử nitrat) Độ kiềm của nớc rác cao, có thể đạt giá trị tối đa 4000 mg/l Sulfat là nguyên liệu của quá trình chuyển hoá vi sinh (thiobacillus) thành sản phẩm ion sulfua trong điều kiện yếm khí

Clorua hầu nh không tham gia vào quá trình chuyển hoá nhng nó là yếu tố ảnh hởng đến hoạt tính vi sinh trong nhiều quá trình xử lý vi sinh

(yếm khí, hiếu khí, thiếu khí) Nồng độ clorua thờng gặp là 800 - 1700 mg/l, giá trị cao nhất là 3100 và thấp nhất là 250 mg/l [7]

I.4 Một số phơng pháp xử lý nớc rác

Xử lý nớc rác bằng phơng pháp hoá lý, hoá học nh keo tụ, oxy hoá

để tách các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học hoặc chuyển thành các hợp chất hữu cơ có phân tử lợng thấp để có thể dễ dàng cho khâu xử lý sinh học tiếp theo

+ Xử lý bằng phơng pháp đông tụ, keo tụ :

Trong nớc thải, các hạt cặn lơ lửng đều mang điện tích Việc khử các hạt rắn có kích thớc nhỏ cần phải trung hoà điện tích của chúng và liên kết chúng với nhau Quá trình trung hoà điện tích gọi là quá trình đông tụ (coagulation), còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ (flocculation)

Cơ chế quá trình đông tụ nh sau : Các hạt rắn lơ lửng trong nớc thải mang điện tích sẽ hút các ion trái dấu Một số ion trái dấu bị hút chặt vào hạt rắn và chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trợt 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 các hạt liên kết với nhau nhờ lực Van der Waals tạo thành bông keo Nh vậy, mục tiêu của đông tụ là cho vào nớc thải các ion mang điện tích trái dấu để trung hoà điện tích của các hạt keo Hiệu quả đông tụ phụ thuộc hoá trị của các ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt Hoá trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao [4]

Quá trình thuỷ phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các giai đoạn sau : ↑

Me3+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)+ + H+

Me(OH)+ + HOH ↔ Me(OH)3 + H+

_

Me3+ + HOH ↔ Me(OH)3 + 3H+

Các chất đông tụ thờng dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng nh Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O,

Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O

Thông dụng nhất là các muối Al2(SO4)3 và Fe2(SO4)3 Trong quá trình

đông tụ, xảy ra các phản ứng sau :

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 ↔ Al(OH)3 ↓ + 3CaSO4 + 6CO2FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 ↓ + HCl

Fe2(SO4)3 + 6H2O → 2Fe(OH)3 ↓ + 3H2SO4

Để tăng cờng quá trình tạo thành các bông keo, ngời ta cho thêm vào nớc thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ đông tụ (flocculant) Việc sử dụng chất trợ đông tụ cho phép giảm lợng chất đông tụ, thời gian đông tụ và tăng tốc độ lắng các bông keo [4]

Oxy hoá bằng clo xảy ra phản ứng sau :

Cl2 + H2O = HOCl + HCl

HOCl ↔ H+ + OCl

-Tổng Cl2, HOCl, OCl- gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

Oxy hoá bằng peroxyt hydro (H2O2) :

+ Trong môi trờng axit : 2H+ + (H2O2) + 2e → 2H2O

+ Trong môi trờng kiềm : 2OH- - 2e → 2H2O + 2O

2-Trong môi trờng axit, H2O2 thể hiện chức năng oxy hoá, còn trong môi trờng kiềm là chức năng khử [4]

Ngời ta phân thành hai loại chính nh sau :

- Phơng pháp hiếu khí là phơng pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí

- Phơng pháp yếm khí là phơng pháp xử lý sử dụng các vi sinh vật yếm khí

Quá trình xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học xảy ra theo các giai đoạn :

- Giai đoạn 1 : Di chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lu và phân tử

- Giai đoạn 2 : Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

- Giai đoạn 3 : Chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lợng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lợng

Trong môi trờng nớc thải, nhất là nớc rác, hợp chất nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni, amoniac, nitrat, nitrit và trong hợp chất hữu cơ Thành phần bền vững và không gây hiệu quả xấu với môi trờng là khí nitơ

Mục tiêu của việc xử lý hợp chất nitơ trong nớc thải cuối cùng là chuyển hoá chúng về dạng khí nitơ

Nhìn chung, tất cả các loại nớc thải đều chứa hợp chất nitơ và hợp chất hữu cơ dạng cacbon với một tỷ lệ C/N nào đó

Trong quá trình xử lý nớc thải bằng phơng pháp vi sinh, một lợng chất hữu cơ và dinh dỡng đợc sử dụng để xây dựng tế bào, một lợng cơ chất đợc vi sinh vật sử dụng để sản xuất năng lợng thông qua các phản ứng sinh hoá

Tỷ lệ giữa BOD/N/P đợc coi là tối u nhất khi đạt giá trị 100/5/1 Nếu trong nguồn thải nào đó có tỷ lệ BOD/N > 20 và BOD/P >100 thì nguồn thải

đó thiếu dinh dỡng (N, P) cho quá trình xử lý bùn hoạt tính, khi đó cần phải

bổ sung N, P cho hệ Nớc thải thiếu dinh dỡng thờng là loại nớc thải chế biến nông sản, mía, đờng, bia, rợu

Khi tỷ lệ BOD/N < 20, BOD/P < 100 thì nguồn nớc thải thừa chất dinh dỡng, lợng d thừa là lợng còn lại sau khi vi sinh vật đã sử dụng để xây dựng tế bào Nớc thải thuộc loại này là nớc thải sinh hoạt, nớc rác, nớc thải chế biến thuỷ sản

+ Quá trình oxy hoá amoni :

Xử lý amoni theo phơng pháp vi sinh thành hợp chất bền vững N2 trải qua các bớc sau : Oxy hoá hợp chất nitơ có hoá trị -3 (NH3, NH4+) lên hoá trị +3, +5 (NO2-, NO3-) rồi sau đó lại khử từ hoá trị dơng về hoá trị 0 (N2) chứ không thể oxy hoá trực tiếp từ hoá trị 3 về hoá trị 0.-

Oxy hoá amoni với tác nhân oxy hoá là oxy phân tử O2 còn có tên gọi

là quá trình nitrat hoá, đợc hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau [2]:

NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O (a)

NO2- + 0,5 O2 → NO3- (b)

NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2H+ + H2O (c) Phản ứng (a), (b) đợc thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrobacter để sản xuất năng lợng Năng lợng thu đợc từ hai phản ứng trên hoặc từ tổng của hai phản ứng (c) rất thấp Đó chính là nguyên nhân dẫn đến hiệu suất sinh khối của vi sinh tự dỡng thấp và tốc độ phát triển của chúng rất chậm

Từ phản ứng (c) cho thấy : để oxy hoá 1 mol NH4+ cần 1 mol oxy Phản ứng oxy hoá tạo thành nitrit (a) sinh ra H+ : oxy hoá 1 mol amoni tạo 2 mol

H+ Trong môi trờng nớc thải, pH < 8,2 thì độ kiềm của nớc chính là do sự

có mặt của ion bicacbonat HCO3- Ion bicacbonat phản ứng với H+ sinh ra từ phản ứng tạo thành axit cacbonic có tác dụng kìm hãm một phần mức độ suy giảm pH của môi trờng, ở đây bicacbonat có vai trò là chất đệm của hệ

Oxy hoá amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hoá của cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ phản ứng chậm hơn Tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với loại Nitrobacter và vì vây, nồng

độ nitrit thờng rất thấp trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hoá từ amoni thành nitrit là bớc quyết định tốc độ phản ứng oxy hoá đối với một hệ thống xử lý sinh học [7]

+ Quá trình khử Nitrat :

Nitrat, sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hoá amoni cha đợc coi

là bền vững và còn khả năng gây độc cho môi trờng nên cần phải tiếp tục xử

lý để chuyển hoá thành khí nitơ N2, tức là thực hiện một quá trình khử hoá học chuyển hoá trị của nitơ từ +5 (NO3-) về hoá trị 0 (N2)

Vi sinh vật thực hiện quá trình khử Nitrat có tên chung là Denitrifier, trong đó phổ biến nhất là các loại Bacillus, Pseudosomonas, Methanomonas, Thiobacillus Phần lớn các loại vi sinh vật trên là loại tuỳ nghi, chúng sử dụng

oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hoá (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hoá) để sản xuất năng lợng [2], [7]

Quá trình khử nitrat thờng là khử nitrat yếm khí, tuy nhiên đó không phải là quá trình lên men yếm khí, nó giống quá trình hô hấp hiếu khí, nhng thay vì sử dụng khí oxy, vi sinh vật sử dụng nitrat, nitrit khi môi trờng không

có oxy Vì vậy, quá trình khử nitrat xảy ra chỉ trong điều kiện thiếu khí oxy

Sự khác biệt giữa quá trình hiếu khí và thiếu khí là loại enzym tham gia vào giai đoạn vận chuyển điện tử cho hợp chất nitơ ở bớc cuối cùng trong cả chuỗi phản ứng [7]

Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hoá), chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ nh H2, S, Fe2+

Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng khử nitrat Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hoá trị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1 và 0 :

NO3- → NO2- → NO (khí) → N2 (khí) Phản ứng khử nitrat với chất hữu cơ trong nớc thải có công thức chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra nh sau [7]:

aC18H19O9N + bNO3- + cH+ → dN2 + rCO2 + sHCO3- + nNH4+ + mH2O

+ Xử lý hợp chất phôtpho

Hợp chất phôtpho tồn tại trong nớc thải dới ba dạng hợp chất : photphat đơn (PO43-), polyphotphat (P2O7) và hợp chất hữu cơ chứa photphat Trong quá trình xử lý vi sinh, lợng photpho hao hụt từ nớc thải là lợng

đợc vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào

Hiện tợng trên đợc sử dụng để tách loại hợp chất phôtpho ra khỏi nớc thải bằng cách tách vi sinh có hàm lợng phôtpho cao dới dạng bùn thải hoặc tách phôtphat tồn tại trong nớc sau xử lý yếm khí bằng phơng pháp hoá học

Biện pháp loại bỏ phôtpho từ bùn đợc gọi là phơng pháp tách trực tiếp, biện pháp sau áp dụng giải pháp xử lý kế tiếp giữa hiếu khí yếm khí có - ghép thêm công đoạn xử lý hoá học

Dới điều kiện hiếu khí (O2) vi sinh vật tích luỹ phôtphat từ phôtphat tồn tại trong nớc thải [7] :

C2H4O2 + aNH4+ + Ob 2 + cPO43- → Cd 5H7NO2 + rCO2+ s(HPO3)+ nOH- +

Phơng trình trên đợc thành lập trên cơ sở chất hữu cơ là axit axetic (C2H4O2) Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt nitrat) sẽ xảy

ra quá trình tích luỹ phôtpho :

C2H4O2 + aNH4+ + bPO43- + cNO3- → dC5H7NO2 + rCO2 + s(HPO3) +

nOH- + mN2 + pH2O Phơng trình trên cho thấy chủng loại vi sinh tích luỹ phôtpho cũng có khả năng khử nitrat

Hiệu quả và tốc độ xử lý phôtpho phụ thuộc các yếu tố của môi trờng nh pH, nhiệt độ, cơ chất và sự có mặt của nitrat trong giai đoạn yếm khí

pH có tác động đến giai đoạn hấp thu phôtphat của vi sinh vật, điều kiện tối u nằm trong khoảng 6,6 7,4 và giảm đáng kể khi pH < 6,2- [7]

Tuy nhiên, đối với nớc rác, hàm lợng phôtpho không lớn, thậm chí có thể còn thiếu trong giai đoạn xử lý vi sinh, nên việc xử lý hợp chất phôtpho không khó khăn

Nớc thải chứa các tạp chất vô cơ dạng ion có thể xử lý một cách có hiệu quả bằng kỹ thuật trao đổi ion hoặc hấp phụ trên các vật liệu vô cơ Hấp phụ trên vật liệu vô cơ là một quá trình rất phức tạp bao gồm : trao đổi ion, tạo phức chất bề mặt, trao đổi phối tử, phản ứng hoá học xảy ra kế tiếp nhau

Chất trao đổi ion, vật liệu hấp phụ vô cơ thông thờng có khả năng hấp phụ chất hữu cơ không cao, vì vậy, chúng không thích hợp cho quá trình xử lý chất thải chứa chất hữu cơ, nhất là nớc thải có nồng độ chất hữu cơ cao [5].

Vật liệu có khả năng hấp phụ chất hữu cơ chủ yếu là than hoạt tính và một số loại polymer đặc hiệu Than hoạt tính và polymer là vật liệu hấp phụ

có giá thành cao, sử dụng chúng trong xử lý nớc thải gặp phải khó khăn về vấn đề kinh tế

Xử lý chất hữu cơ trong nớc thải phần lớn đợc tiến hành theo phơng pháp vi sinh, trong quá trình đó, chất hữu cơ đợc chuyển hoá thành tế bào và tách ra khỏi nớc qua các quá trình lắng, lọc, một phần đợc chuyển hoá thành các hợp chất CO2, H2O do các phản ứng sinh hoá xảy ra trong tế bào

Vi sinh vật chỉ có thể xử lý đợc các chất hữu cơ có tính phân huỷ sinh học

đặc trng qua đại lợng BOD Nhiều chủng loại chất hữu cơ thuộc loại trơ, vi sinh vật không có khả năng xử lý nh tanin, lignin, axit humic, một số chất kháng sinh, hoá chất bảo vệ thực vật Vì lý do đó nên nớc thải sau khi xử lý

vi sinh vẫn còn chứa các chất hữu cơ không có khả năng phân huỷ sinh học, vẫn có thể gây ô nhiễm môi trờng Xử lý các tạp chất hoá học sau xử lý vi sinh đợc gọi là giai đoạn xử lý bậc ba

Kỹ thuật hấp phụ đợc sử dụng trong lĩnh vực xử lý nớc thải vào ba mục đích chính sau [5]:

- Xử lý bậc ba sau quá trình xử lý vi sinh

- Hấp phụ các chất độc, chất trơ mà vi sinh không xử lý đợc

- Phối hợp với phơng pháp vi sinh vật trong cùng thiết bị để tăng cờng hiệu quả hoạt động của vi sinh

Do đối tợng cần xử lý là chất hữu cơ nên chất hấp phụ thờng dùng là than hoạt tính và với mức độ thấp hơn là chất hấp phụ polymer

Tuy nhiên, quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính để xử lý nớc thải chỉ mang tính nguyên tắc, có ý nghĩa về khoa học Còn trên thực tế, với lu lợng

nớc rác cần xử lý hàng ngày từ 500 1000 m- 3 và tổng lợng nớc cần xử lý hàng năm lên tới 200.000 250.000 m- 3 thì không có hệ thống hấp phụ bằng than hoạt tính nào có thể đáp ứng đợc, cha tính đến giá thành lắp đặt và chi phí duy trì hệ thống (hoàn nguyên, thay thế ) Bởi vì, đối với các chất bị hấp phụ là các chất hữu cơ (COD), các chất gây màu, các hợp chất chứa nitơ, photpho có trong thành phần nớc rác thì việc tái sinh chất hấp phụ là than hoạt tính chỉ bằng biện pháp hoạt hoá nhiệt ở điều kiện nhiệt độ 850 - 900oC Muốn tái sinh chất hấp phụ phải tháo dỡ, vận chuyển, sấy khô, nung, tháo dỡ, vận chuyển, nạp trở lại vào thiết bị hấp phụ

Do đó, việc các hệ thống xử lý nớc thải nói chung và nớc rác nói riêng theo phơng pháp hấp phụ bằng than hoạt tính là không khả thi

Hấp phụ các chất hữu cơ trơ (trong xử lý vi sinh), chất hữu cơ d, một

số tạp chất vô cơ nh hợp chất nitơ, sunfua, kim loại nặng trong nguồn nớc thải sau xử lý vi sinh (bậc hai) đợc tiến hành trên than hoạt tính hoặc polymer nhằm tăng cờng chất lợng của nớc thải sau xử lý Cột than hấp phụ theo chiều chảy ngợc thờng đợc dùng để hấp phụ các chất hữu cơ tan

từ nớc thải còn chứa một lợng huyền phù lọt qua bể lắng thứ cấp của quá trình xử lý vi sinh Nồng độ chất huyền phù cao (hơn 20 mg/l) sẽ sa lắng trên

bề mặt hạt than gây tắc, tổn thất áp suất lọc, tạo rãnh trong cột và làm giảm dung lợng hấp phụ của cột Khi đó, cột hấp phụ cần đợc sục rửa nhiều hơn

Tóm lại, sử dụng than hoạt tính để xử lý bậc ba tuy có cải thiện về chất lợng nớc thải nhng giá thành xử lý rất cao

Tái sinh chất hấp phụ bằng phơng pháp vi sinh là tái tạo khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ nhờ vi sinh vật Các chất hấp phụ đóng vai trò chất mang của vi sinh vật, chúng bám lên chất hấp phụ tạo thành màng mỏng, khi quá trình hấp phụ chất hữu cơ xảy ra, các chất hữu cơ phải khuếch tán qua màng vi sinh, khi đó rất có thể các chất hữu cơ đã bị vi sinh vật tiêu hao một phần

Điển hình của quá trình xử lý nớc thải hữu cơ là quy trình bùn hoạt tính Nớc thải sau khi đợc lắng, tách các chất nổi (dầu, mỡ) đợc sục khí để

vi sinh vật phát triển và chuyển hoá tạp chất hữu cơ thành sinh khối và các hợp chất bền Mật độ vi sinh vật trong bể sục khí thông dụng là 3 - 4 g/l, nồng độ oxy trong đó đợc duy trì ở mức 1 2 mg/l Nếu dinh- dỡng (N,P) thiếu thì cần phải bổ sung thêm, nếu d thì vi sinh vật chỉ sử dụng đợc một phần để cấu tạo tế bào, phần còn lại của hợp chất nitơ nằm chủ yếu ở dạng nitrat và hợp chất photpho nằm dới dạng phôtphat đơn Muốn loại bỏ đợc nốt các thành phần nitơ và phôtpho cần phải ghép thêm với các quá trình xử lý yếm khí và thiếu khí Sau khi sục khí, nớc thải và vi sinh đợc dẫn về bể lắng thứ cấp, tại đây sinh khối đợc tách ra khỏi nớc, một phần đợc thải bỏ và một phần đợc tuần hoàn lại bể aerotank để duy trì mật độ vi sinh Trong bể sục khí nếu bổ sung vào một lợng than bột, tức là phối hợp đồng thời giữa hai quá trình hấp phụ và vi sinh để xử lý chất hữu cơ Công nghệ xử lý nớc thải phối hợp đó do hãng Du Pont phát minh và có tên là phơng pháp PACT [7] Phối hợp giữa hấp phụ trên than hoạt tính và quá trình bùn hoạt tính có những lợi ích sau :

- Dễ dàng thay đổi lợng than cần thiết

- Khả năng xử lý cao đối với cả BOD và COD so với quá trình bùn hoạt tính thông thờng

- Giảm thiểu độc tố hữu cơ trong nớc sau xử lý

- Hệ vi sinh vật hoạt động ổn định khi thay đổi tải lợng

- Thúc đẩy quá trình oxy hoá amoni (nitrat hoá) ở vùng nhiệt độ thấp

- Thúc đẩy khả năng lắng của bùn (sinh khối)

Lợi ích của công nghệ PACT là do các yếu tố trong hệ chứa đồng thời than và vi sinh :

- Hấp phụ các chất hữu cơ trơ và phân huỷ sinh học trên than hoạt tính

- Hấp phụ các chất phân huỷ sinh học chậm, tức là sau một thời gian dài chất này bám trên sinh khối mới bị phân huỷ

- Hiệu ứng cân bằng, trợ giúp lẫn nhau giữa than và vi sinh

- Tạo cầu nối giữa than và vi sinh để tạo thành các tập hợp lớn hơn, dễ lắng

- Cải thiện thêm về hiệu suất hấp thụ oxy

Quy trình PACT đợc ứng dụng để xử lý cho nớc thải sinh hoạt, nớc thải công nghiệp chứa nhiều loại chất độc hữu cơ với hiệu quả cao hơn phơng pháp xử lý vi sinh thông dụng, đặc biệt với các chất độc hữu cơ Hiệu quả xử

lý cao hơn hẳn so với các phơng pháp tiến hành độc lập

Xử lý hợp chất nitơ - quá trình oxy hoá amoni thành nitrat có vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống xử lý nớc thải giàu đạm (sữa, chế biến thịt, cá ) Oxy hoá amoni thành nitrat trải qua hai giai đoạn : tạo thành nitrit từ amoni do chủng vi sinh tự dỡng nitrosomonas và từ nitrit thành nitrat

do chủng nitrobacter Cả hai chủng vi sinh trên có đặc điểm khác với loại dị dỡng (là loại sử dụng nguồn cơ chất cacbon từ chất hữu cơ) :

- Chúng phát triển chậm

- Nhạy cảm với môi trờng

Sử dụng quy trình PACT nâng cao đợc hiệu quả xử lý của quá trình nitrat hoá do giảm thiểu đợc độc tố hữu cơ trong nớc và tăng cờng đợc mật độ chủng loại vi sinh vì ít bị rửa trôi Phối hợp giữa hấp phụ trên than hạt

và vi sinh cũng đợc sử dụng để xử lý một số loại nớc thải Trong cột than tầng tĩnh hay tầng linh động đợc sục khí và vi sinh vật phát triển trong đó Than hoạt tính đóng vai trò chất mang cho vi sinh và hấp phụ các độc tố hoá học có ảnh hởng xấu đến sự phát triển của chúng

Sự phối hợp giữa hai phơng pháp mang lại lợi ích :

- Loại bỏ đợc các độc tố hữu cơ

- Loại bỏ đợc các chất khó hấp phụ (phân tử lợng thấp)

- Kéo dài đợc tuổi thọ của than do quá trình tái sinh bởi vi sinh vật

- Cải thiện chất lợng nớc thải sau xử lý về phơng diện BOD và COD -Tăng cờng mật độ vi sinh trong cột

- Nâng cao hiệu quả sử dụng oxy của quá trình vi sinh

Phối hợp giữa phơng pháp hấp phụ và phơng pháp vi sinh trong xử lý nớc thải mang lại hiệu quả cả về kinh tế và chất lợng xử lý của nhiều loại nớc thải

Phơng pháp trao đổi ion đợc ứng dụng để xử lý nớc và nớc thải khỏi các kim loại nh Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn

Phơng pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị đạt đợc mức độ làm sạch cao Vì vậy, phơng pháp này thờng đợc sử dụng để tách muối trong xử lý nớc và nớc thải

Tuy nhiên, trong thực tế, việc sử dụng phơng pháp trao đổi ion để xử

lý nớc thải bậc ba ít thích hợp vì trong nớc thải này còn chứa nhiều loại hoá chất, vi sinh vật dễ phá huỷ nhựa trao đổi ion

Bản chất của quá trình trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nớc

Do lợng nớc thải sinh hoạt rất lớn, chứa tạp chất đa dạng nên sử dụng chất trao đổi ion để tách kim loại nặng là rất khó khăn Biện pháp kết tủa kim loại nặng trớc khi xử lý vi sinh cũng không khả thi do tốn kém và lại phải tiếp tục xử lý nó trong bùn thải

Tóm lại, sử dụng chất trao đổi ion để xử lý nớc thải về nguyên lý là có thể đợc nhng trên thực tế không khả thi về kinh tế và không phù hợp với các nguồn nớc thải sinh hoạt vì công suất xử lý rất thấp [7]

Chơng II :

Một số nghiên cứu về nớc rác và xử lý nớc rác

2.1 Nguồn gốc nitơ, phôtpho trong nớc thải :

Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần các hợp chất tham gia quá trình sinh hoá đồng thời,

nó cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ, trongcác sản phẩm công nghiệp và tự nhiên

Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hoá trị, từ dạng khử (N-3)

là amoniac đến dạng oxy hoá sâu (N+5) là nitrat Bảng 2.1 ghi các trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ và hợp chất hoá học đại diện cho trạng thái hoá trị

đó

Bảng 2.1 Trạng thái hoá trị của nguyên tố nitơ

Hợp chất Công thức hoá học Hoá trị

Nguồn phát thải hợp chất nitơ vào môi trờng rất phong phú : từ các chất thải rắn, khí thải, nớc thải

a Nguồn nớc thải sinh hoạt

Nguồn nớc thải sinh hoạt gồm : nớc vệ sinh tắm giặt, nớc rửa rau, thịt, cá, nớc từ bể phốt Nớc thải sinh hoạt đợc thu gom vào hệ thống cống, rãnh, kênh, mơng, sông, hồ

Hợp chất nitơ trong nớc thải là các hợp chất amoniac, protein, peptid, axit amin, amin cũng nh các thành phần khác trong chất thải rắn và chất thải lỏng Con ngời hấp thụ nitơ dới dạng protein và thải ra dới các dạng nitơ hữu cơ qua phân và nớc tiểu Các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là protein và urin trong nớc tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac Trong các bể phốt xảy ra quá trình phân huỷ yếm khí các chất thải, quá trình phân huỷ này làm giảm đáng kể lợng chất hữu cơ dạng cacbon, nhng tác dụng làm giảm hợp chất nitơ không đáng kể, trừ một phần tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật Hàm lợng hợp chất nitơ trong nớc thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải cha qua phân huỷ yếm khí

Trong nớc thải sinh hoạt, nitrat và nitrit có hàm lợng rất thấp do lợng oxy hoà tan và mật độ vi sinh có khả năng oxy hoá amoni thấp Thành

phần amoni chiếm 60 80% hàm lợng nitơ tổng trong nớc thải sinh hoạt - [7]

Nguồn phát thải phôtpho quan trọng nhất trong nớc thải sinh hoạt là phân, thức ăn thừa, chất tẩy rửa tổng hợp

Nồng độ hợp chất nitơ, phôtpho trong nớc thải sinh hoạt biến động theo lu lợng nguồn nớc thải, mức sống của ngời dân, thời tiết, khí hậu, mùa, theo nguồn gốc phát thải (khu dân c, khách sạn, nhà hàng, chợ )

Lợng chất thải vì vậy thờng đợc tính theo đầu ngời hoặc nồng độ sau khi đợc pha loãng với nớc sinh hoạt (các nớc công nghiệp khoảng 190 lít/ngời/ngày, đối với thành phố Hà Nội là 110 lít/ngời/ngày) hoặc trong cống rãnh thải

b Nguồn nớc thải công nghiệp :

Ô nhiễm do hợp chất nitơ, phôtpho từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu đến chế biến thực phẩm và một số ngành công nghiệp khác Chế biến thực phẩm thải ra một lợng đáng kể hợp chất chứa nitơ, phôtpho liên quan

đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm : chế biến thuỷ, hải sản, giết mổ gia súc, gia cầm và sản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa

Quá trình trên thờng đợc thực hiện trong nớc hoặc đợc rửa bằng nớc với lợng nớc rất lớn Nớc thải từ khâu giết mổ chứa một lợng lớn máu, mỡ, phân, thịt vụn Hợp chất chứa nitơ, phôtpho nhanh chóng đợc xâm nhập vào nớc, phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thớc), nhiệt độ môi trờng và loại sản phẩm chế biến

Ngoài ra, quá trình sản xuất một số loại hoá chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lợng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ Các hợp chất này dễ bị thuỷ phân trong môi trờng nớc tạo thành amoniac

Nồng độ hợp chất nitơ, phôtpho trong nớc thải công nghiệp biến động rất mạnh, không chỉ theo mùa mà còn theo ngày, nhất là đối với các cơ sở sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm

c Nguồn nớc thải từ bãi rác :

Rác thải sinh hoạt từ các đô thị có khối lợng khá lớn Tại các thành phố lớn ở Việt Nam, lợng rác thải bình quân tính theo đầu ngời là 0,6 - 0,8 kg/ngời/ngày Thành phần chủ yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, củ, quả, thực vật ) nhng có một lợng đáng kể tạp chất vô cơ : gạch, thuỷ tinh, sành

sứ, tro, xỉ than và đặc biệt là polymer phế thải dùng làm bao gói có mặt với tỷ

lệ rất cao, tới 38% chất trơ không có khả năng phân huỷ sinh học

Tuỳ thuộc vào mức độ phát triển của xã hội, ở các nớc phát triển, rác thải sinh hoạt đợc phân loại tại nguồn thành các loại : rác hữu cơ, rác kim loại, chất vô cơ không có khả năng tái sử dụng, do đó giúp cho quá trình thu gom, vận chuyển, xử lý có hiệu quả Rác thải hữu cơ thờng đợc sử dụng để sản xuất phân bón vi sinh hoặc làm nguyên liệu để sản xuất năng lợng