Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ xử lý nước rỉ rác phù hợp với điều kiện tỉnh bình dương (tóm tắt)

1 MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LUẬN ÁN I Tính cấp thiết đề tài Đến nay, cơng nghệ xử lý CTRSH Vùng KTTĐPN áp dụng phổ biến công nghệ chôn lấp bao gồm chôn lấp hợp vệ sinh chôn lấp không hợp vệ sinh Đối với cơng nghệ chơn lấp có ưu điểm công nghệ đơn giản, giá thành đầu tư chi phí vận hành thấp, phù hợp điều kiện Việt Nam Nhưng cơng nghệ có nhiều nhược điểm nguy ô nhiễm môi trường BCL gây cao như: mùi hôi thối, trùng gây bệnh, nhiễm khơng khí, nhiễm nước mặt, nước ngầm khu vực lân cận đặc biệt lượng NRR phát sinh từ hoạt động BCL nguồn gây ô nhiễm lớn đến mơi trường Tại Bình Dương, khối lượng CTRSH phát sinh toàn tỉnh khoảng 1.000 tấn/ngày thu gom, vận chuyển tập trung Khu liên hợp Xử lý chất thải Bình Dương (KLH XLCT BD) phường Chánh Phú Hòa, Thị xã Bến Cát để xử lý Tại đây, phương pháp xử lý chủ yếu chôn lấp hợp vệ sinh Phương pháp làm phát sinh lượng lớn NRR Tuy nhiên, CTRSH chưa phân loại nguồn nên NRR phát sinh có thành phần phức tạp, nồng độ ô nhiễm cao, biến động lớn mùa Vấn đề xử lý NRR BCL chất thải rắn Vùng KTTĐPN (trong có tỉnh Bình Dương) vấn đề quan tâm Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý NRR áp dụng BCL CTRSH như: Aeration tank, SBR, FBR, hồ sinh học,…Tuy nhiên, NRR phát sinh từ BCL có thành phần phức tạp, thay đổi theo thời điểm khác theo mùa, theo tuổi BCL… Hơn nữa, chất lượng NRR sau xử lý tồn quy trình cơng nghệ áp dụng BCL thường không ổn định, chất lượng nước sau xử lý số thơng số chưa đạt quy chuẩn xả thải, điển hình thành phần TN COD Vì vậy, mục tiêu luận án nghiên cứu nâng cao hiệu xử lý TN COD khó phân hủy sinh học NRR, góp phần hồn thiện quy trình cơng nghệ xử lý NRR phù hợp điều kiện tỉnh Bình Dương II Mục tiêu nghiên cứu Luận án Luận án tập trung nghiên cứu mục tiêu sau: - Nghiên cứu, đánh giá trạng công nghệ xử lý NRR, xác định nguyên nhân tồn nhằm khắc phục tồn tại, đồng thời tập trung vào nâng cao hiệu xử lý TN (đặc biệt thành phần N-NH4+) COD khó phân hủy sinh học NRR - Đề xuất giải pháp cải tiến quy trình cơng nghệ xử lý NRR hữu phù hợp với điều kiện tỉnh Bình Dương 2 III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án Đối tượng nghiên cứu: thành phần TN COD khó phân hủy sinh học NRR (từ Nhà máy xử lý NRR thuộc KLH XLCT BD) Phạm vi nghiên cứu: số liệu NRR công nghệ xử lý thu thập chủ yếu vùng KTTĐPN, đặc biệt kết điều tra khảo sát BCL KLH XLCT BD kết vận hành mơ hình thực nghiệm IV Nội dung nghiên cứu Luận án Phân tích, đánh giá, lựa chọn phương pháp xử lý TN COD khó phân hủy sinh học NRR Nghiên cứu thực nghiệm: - Nghiên cứu thực nghiệm xử lý TN (đặc biệt thành phần N-NH4+) NRR cơng nghệ SBR dịng vào liên tục (gọi tắt: SBR dòng liên tục) Xác định điều kiện vận hành tối ưu gồm:  Thời gian lưu nước (HRT);  Xác định chu kỳ vận hành tối ưu bao gồm: thời gian sục khí, khuấy trộn lắng;  Mật độ vi sinh;  Xây dựng phương trình thực nghiệm trình xử lý Nitơ NRR mơ hình SBR dịng liên tục;  So sánh hiệu xử lý bể SBR dòng liên tục SBR truyền thống mơ hình thực nghiệm vận hành quy mô thực tế 480 m3/ngày - Nghiên cứu thực nghiệm xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR phương pháp Fenton dị thể với vật liệu xúc tác Fe/AC kết hợp chiếu xạ đèn UV Xác định thông số tối ưu cho trình Fenton dị thể gồm: pH, thời gian, hàm lượng vật liệu xúc tác lượng H2O2 tiêu hao Đề xuất quy trình cơng nghệ xử lý NRR phù hợp với điều kiện tỉnh Bình Dương triển khai thực tế quy mô 480 m3/ngày V Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án  Ý nghĩa khoa học - Làm sáng tỏ chất q trình xử lý Nitơ cơng nghệ SBR dòng liên tục, hiệu cao giảm nhu cầu chất từ nguồn bên so với SBR truyền thống Xây dựng phương trình thực nghiệm trình xử lý Nitơ SBR dịng liên tục - Xác định hiệu xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR phương pháp Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV  Tính - Lần đầu lựa chọn nghiên cứu áp dụng cơng nghệ SBR dịng liên tục xử lý NRR phát sinh từ BCL chất thải rắn - Bước đầu thử nghiệm ứng dụng Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR điều kiện phòng thí nghiệm - Đề xuất hồn thiện quy trình cơng nghệ xử lý NRR phù hợp với điều kiện tỉnh Bình Dương triển khai thực tế quy mơ 480 m3/ngày, với hiệu xử lý cao  Ý nghĩa thực tiễn - Kết nghiên cứu công nghệ SBR dịng liên tục áp dụng để hồn thiện quy trình cơng nghệ xử lý NRR Bình Dương, giúp ổn định chất lượng nước thải sau xử lý giảm chi phí vận hành - Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV xử lý COD khó phân hủy chưa áp dụng thực tiễn, tiền đề cho nghiên cứu có nhiều tiềm đem lại hiệu kinh tế cao dễ dàng triển khai thực tế - Luận án tài liệu tham khảo cho địa phương áp dụng xử lý NRR, cho sinh viên, học viên, cán nghiên cứu lĩnh vực xử lý NRR Chương TỒNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 1.1 Tổng quan thành phần nước rỉ rác giới vùng KTTĐPN Trình bày tóm tắt quy trình vận hành BCL, thành phần NRR yếu tố ảnh hưởng đến thành phần NRR 1.2 Tổng quan quy trình cơng nghệ xử lý nước rỉ rác nước Đối với quy trình xử lý NRR nước giới thường áp dụng tổng hợp nhiều cơng nghệ khác bao gồm: hóa lý, sinh học, oxy hóa, kỹ thuật sinh thái số cơng nghệ khác Tại Vùng KTTĐPN, bên cạnh công nghệ xử lý NRR đầu tư quy mô công nghiệp, đại, tồn trạm đầu tư xử lý tạm thời; nhà máy xử lý NRR đại bộc lộ bất cập như: công suất, hiệu suất xử lý NRR không ổn định, chất lượng nước sau xử lý chưa đảm bảo quy chuẩn xả thải tiêu COD TN 1.3 Tổng quan nghiên cứu ngồi nước có liên quan đến Luận án  Liên quan đến việc nghiên cứu xử lý NRR: Đã có nhiều nghiên cứu thực tập trung vào công nghệ mới, cải tiến  Liên quan đến việc xử lý TN NRR: Nghiên cứu nhóm tác giả Amnani Abu Bakar, Zawawi Daud, Zulkifli Ahmad, Mohamad thuộc Bộ Môn Kỹ thuật Môi trường, Đại học Tun Hussein Onn, Malaysia “Xử lý NRR sử dụng công nghệ SBR” cho kết xử lý Amoni 76%, TN 80%; Nghiên cứu tác giả Zeng Wei, Yongzhen Peng, Wang Shuying Bộ môn Kỹ thuật Môi trường, Đại học Công nghệ Bắc Kinh, Trung Quốc “Đánh giá hiệu q trình hiếu khí, thiếu oxy ln phiên bể phản ứng sinh học mẻ SBR để loại bỏ N” cho kết đánh giá trình tối ưu để xử lý TN đồng thời làm giảm chi phí xử lý nước thải; Luận án tiến sĩ nghiên cứu sinh M.Vives Farbegas “Kỹ thuật quản lý vận hành SBR để loại bỏ TN xử lý nước thải” để xác định điều kiện hoạt động phù hợp với chu kỳ theo loại nước thải, yêu cầu xử lý chất lượng nước thải cách sử dụng công nghệ SBR  Liên quan đến việc xử lý COD khó phân hủy NRR: Một vài nghiên cứu trình Fenton đồng thể NRR như: T.Yilmaz cộng (2010) tiến hành nghiên cứu khả xử lý COD NRR thành phố Konya, Thổ Nhĩ Kỳ kết cho thấy điều kiện xảy phản ứng Fenton tốt pH = 3, với liều lượng Fe2+ 2.000 mg/l H2O2 35% 5.000 mg/l, hiệu xử lý COD 55,9% độ màu 89,4%; Shabiimam M A cộng (2012) nghiên cứu xử lý NRR cũ Mumbai, Ấn Độ kết cho thấy hiệu xử lý COD 74%, TOC 76% độ màu 80% điều kiện pH = 4,5; với liều lượng H2O2 30% 12 ml/l Fe2+ 3.000 mg/l Phương pháp Fenton đồng thể nghiên cứu ứng dụng thực tế hiệu Tuy nhiên, sử dụng phương pháp trở nên tốn tiêu thụ nhiều H2O2 Fe2+ Để khắc phục nhược điểm trên, nguồn sắt sử dụng làm chất xúc tác nhiều cơng trình nghiên cứu thay quặng sắt Goethite (α-FeOOH), cát có chứa sắt, sắt chất mang Fe/SiO2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit,…Quá trình xảy giống trình Fenton cịn gọi q trình kiểu Fenton hệ dị thể (heterogeneous Fenton-like processes) Một vài nghiên cứu điển hình như: E Aneggi cộng (2012) ứng dụng Fenton dị thể chất xúc tác ceria làm giảm TOC 50% NRR; L A Galeano cộng (2011) nghiên cứu xử lý NRR trình Fenton dị thể chất xúc tác Al/Fe thành phố Pasto, Colombia với tính chất nước thải sau xử lý sinh học hoá lý sau: pH = 8, COD dao động từ 5.000 – 7.000 mg/l, tỉ lệ BOD5/COD 0,11 – 0,16 Sau nghiên cứu kết cho thấy hiệu xử lý COD 50% 1.4 Tổng quan nghiên cứu nước có liên quan đến Luận án Ở Việt Nam, vấn đề liên quan đến xử lý NRR nhiều nhà khoa học, tác giả quan tâm nghiên cứu Điển hình như: Tác giả Nguyễn Văn Phước nghiên cứu công nghệ xử lý NRR từ 01/01/2002 – 01/06/2003 bãi rác Thành Phố Hồ Chí Minh; Tác giả Trần Minh Trí nghiên cứu xử lý NRR cơng nghệ sinh học kỵ khí UASB Fenton đồng thể; Tác giả Nguyễn Phước Dân cộng nghiên cứu xử lý NRR cũ có chứa nồng độ N-NH4+ cao công nghệ SBR kết hợp với bể lai hợp cải tiến gồm cột xoắn ốc kết hợp với giá thể làm từ Polyester Non-woven Biomass Carrier Reactor (PNBCR) giúp tăng cường khả bám dính bùn để giảm tình trạng trơi bùn bể; Tác giả Hoàng Việt Yến nghiên cứu tối ưu hóa q trình Nitrat hóa khử Nitrat xử lý NRR BCL Nam Sơn (Hà Nội) công nghệ SBR cho nhiều kết tin cậy đưa cách tính tốn thơng số cần thiết bể SBR để tăng cường hiệu nitrat hóa khử nitrat; Tác giả Trương Quý Tùng cộng nghiên cứu xử lý NRR phát sinh từ BCL Thủy Tiên - Thừa Thiên Huế tác nhân UV/Fenton, với hiệu xử lý COD 71% độ màu 90% Tác giả Lê Đức Trung nghiên cứu xử lý thành phần ô nhiễm hữu khó phân hủy sinh học NRR trình Fenton dị thể với tác nhân Fe chất mang than hoạt tính với điều kiện pH = – 9, lượng H2O2 = 1,2 g/l, lượng chất xúc tác 0,9 g/l, thời gian phản ứng 1,5 hiệu xử lý COD đạt 59%; Tác giả Trần Mạnh Trí áp dụng q trình oxi hoá nâng cao (AOPs) để xử lý NRR qua xử lý sinh học nhà máy xử lý NRR Gò Cát; nghiên cứu liên quan khác Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ NITƠ VÀ COD KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC TRONG NƯỚC RỈ RÁC 2.1 Cơ sở lý thuyết xử lý Nitơ nước rỉ rác 2.1.1 Các phương pháp xử lý Nitơ nước thải Các công nghệ xử lý Nitơ NRR áp dụng như: sinh học, trao đổi ion, đuổi khí, lọc qua màng,…Trong đó, phương pháp sinh học xử lý dựa vào hoạt động vi sinh vật có sẵn nước thải để khử Nitơ, thơng qua hai q trình nitrat hóa khử nitrat ưa chuộng chi phí xử lý rẻ so với phương pháp khác gây tác hại phụ đến chất lượng nước sau xử lý 2.1.2 Cơ sở lý thuyết trình xử lý Nitơ phương pháp sinh học Về mặt kỹ thuật, hệ thống xử lý Nitơ thường thiết kế theo trình tự nitrat hóa – khử nitrat (post-denitrification) hay ngược lại (predenitrification) Trong trường hợp thứ nhất, nguồn cacbon bên phải cung cấp cho bể khử nitrat; trường hợp thứ hai, phải cần dòng hồi lưu lớn (R = – 3) từ bể nitrat hóa Trong q trình này, hoạt động hiếu khí sử dụng trước tiên để loại bỏ BOD5 N-NH4+; sau đến q trình thiếu khí với vai trị chuyển Nitrat sang dạng khí N2, đồng thời sử dụng nước thải nguồn cung cấp cacbon sử dụng nguồn cacbon từ bên 6 2.1.3 Xử lý nước rỉ rác công nghệ SBR - Công nghệ xử lý sinh học đồng thời thành phần ô nhiễm hữu dinh dưỡng có NRR áp dụng công nghệ SBR chủ yếu mô theo giai đoạn An/Ox; Ax/Ox/Ax/Ox An/Ax/Ox/Ax/Ox mà không áp dụng chế, quy trình Anammox - Hiệu xử lý thành phần hữu cơ, dinh dưỡng có NRR quy trình khác phụ thuộc vào kỹ thuật vận hành bể SBR (thời gian lưu nước, thời gian khuấy trộn, thứ tự cấp khí giai đoạn phản ứng… 2.1.4 Xử lý nước rỉ rác cơng nghệ SBR dịng liên tục Cơng nghệ SBR dịng liên tục kỹ thuật cải tiến dựa công nghệ SBR truyền thống Quá trình xử lý chất dinh dưỡng bể tương tự bể SBR truyền thống Tuy nhiên, cơng nghệ SBR dịng liên tục có điểm cải tiến khác biệt hoạt động bể với quy trình sục khí tăng cường gián đoạn theo chu kỳ, cho phép nước thải đầu vào đầu bể xử lý liên tục, không bị gián đoạn theo mẻ bể SBR truyền thống Hoạt động bể SBR dòng liên tục gồm có giai đoạn: Phản ứng; Lắng; Gạn nước Đặc điểm bật bể SBR dòng liên tục dòng vào liên tục Điều cho phép quy trình xử lý bể điều khiển theo chế thời gian, chế lưu lượng để đảm bảo việc phân phối tải trọng lưu lượng cho tất bể Với việc có dòng vào liên tục khu vực tiền phản ứng tạo mơi trường với nồng độ BOD hịa tan cao cho vi sinh vật (VSV), có nghĩa tạo tỷ lệ F/M cao Khi đó, khu vực tiền phản ứng thực chức bể lựa chọn sinh học để tăng cường phát triển vi sinh vật mong muốn Với diện bể lựa chọn sinh học đầu quy trình, giúp cho bể giảm thiểu trình phát triển vi khuẩn phân hủy, nguyên nhân gây tượng bùn kết lắng 2.2 Cơ sở lý thuyết xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR 2.2.1 Tổng quan chất hữu khó phân hủy sinh học Kết nghiên cứu trước cho thấy, thành phần chất ô nhiễm có NRR theo xu hướng nồng độ chất hữu giảm dần tính chất khó phân hủy sinh học tăng dần chủ yếu hợp chất humic 2.2.2 Tổng quan trình Fenton Đối với nước thải trình xử lý sinh học xem lựa chọn kinh tế so với phương pháp khác Tuy nhiên, NRR chứa chất hữu độc hại khó phân hủy sinh học phương pháp lại tỏ khơng hiệu Oxy hóa nâng cao (AOPs-Advanced Oxidation Processes) trường hợp lại lựa chọn hợp lý AOPs phương pháp tạo lượng lớn chất trung gian có hoạt tính cao, quan trọng gốc hydroxyl *HO có khả oxy hóa hầu hết hợp chất hữu Trong q trình oxy hóa bậc cao trình Fenton sử dụng rộng rãi có hiệu suất xử lý cao Trong q trình tiến hành phản ứng, xúc tác Fenton đồng thể hay dị thể Trong pha đồng thể, tác nhân Fenton hợp chất cần xử lý tương tác với tâm hoạt tính Fe2+ Fe3+ Tuy nhiên, pha dị thể, trình tương tác tác chất tâm hoạt tính (các ion sắt nằm bề mặt chất mang dạng [Fe(OH)2]+, [Fe(H2O)]2+, [Fe(H2O)]3+,[Fe2(OH)2]4+, Fe-poly cation, Fe2O3 α-FeOOH ), phải kể đến trình quan trọng hấp phụ tác chất lên bề mặt xúc tác (rắn) trình giải hấp sản phẩm khỏi bề mặt xúc tác Nhược điểm quan trọng trình Fenton đồng thể phải thực pH thấp, sau phản ứng phải nâng pH > lên để tách ion Fe 3+ khỏi nước thải sau xử lý nước vôi dung dịch kiềm nhằm chuyển sang dạng keo Fe(OH)3 kết tủa, sau phải qua thiết bị lắng lọc ép để tách bã keo Fe(OH)3, tạo lượng bùn kết tủa chứa nhiều sắt Vì vậy, để khắc phục nhược điểm trên, nguồn sắt sử dụng làm chất xúc tác nhiều cơng trình nghiên cứu thay quặng sắt Goethite (αFeOOH), cát có chứa sắt, sắt chất mang Fe/SiO 2, Fe/TiO2, Fe/than hoạt tính, Fe/Zeolit,…Q trình xảy giống trình Fenton khảo sát cịn gọi q trình kiểu Fenton hệ dị thể (heterogeneous Fenton-like processes) Ưu điểm bậc phương pháp môi trường pH thuận lợi để phản ứng diễn khoảng trung tính khơng phải hồn ngun thay chất xúc tác So với q trình Fenton thơng thường q trình quang Fenton xảy tạo gốc *HO phát triển thuận lợi Đó lợi ưu việt q trình quang Fenton Tốc độ khử quang hóa Fe3+ tạo gốc *HO Fe2+ phụ thuộc vào chiều dài bước sóng ánh sáng xạ Bước sóng dài hiệu suất lượng tử tạo gốc *HO giảm Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.1 Đối tượng thực nghiệm Mẫu NRR lấy Nhà máy xử lý NRR thuộc KLH XLCT BD Đối với mơ hình, nước thải lấy cơng đoạn khác theo trình tự nhà máy (Hồ lưu chứa tự nhiên  bể sục khí sơ  air stripping bậc khử amonia  khử Canxi  SBR  hóa lý  fenton bậc  bể lọc  khử trùng  hồ sinh học)  Đối với mơ hình xử lý Nitơ NRR cơng nghệ SBR dịng liên tục: - NRR lấy sau giai đoạn khử Canxi trước vào bể SBR Các thông số mẫu NRR dùng thực nghiệm có thành phần sau: pH = 7,8 - 9,3; BOD5 = 210 - 230 mg/l; COD = 800 - 880 mg/l; N-NH4+ = 130 - 150 mg/l; TN = 150 - 170 mg/l; Độ kiềm = 1.200 - 1.500 mgCaCO3/l, Cl- = 1.000 -1.300 mg/l - Bùn hoạt tính dùng nghiên cứu lấy từ bể xử lý sinh học KLH XLCT BD Hàm lượng sinh khối (bùn hoạt tính) trì, kiểm tra giữ mức khoảng 3.000 mg/l mô hình bể SBR dịng liên tục suốt q trình nghiên cứu  Đối với mơ hình xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR phương pháp Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV: - NRR lấy sau cơng trình xử lý hóa lý trước vào cụm Fenton bậc Mẫu sau chuyển phịng thí nghiệm sục khí (01 tuần) lọc sơ giấy lọc có kích thước lỗ lọc 15m ÷ 20m để loại bỏ cặn lơ lửng có nước thải trước tiến hành thí nghiệm bảo quản lạnh nhiệt độ 2÷40C tủ lạnh Các thơng số mẫu NRR dùng thực nghiệm sau: pH = 7,55, COD = 212 mg/l, BOD5 = mg/l, SS = mg/l, độ màu = 185 Pt-Co - Các vật liệu chế tạo xúc tác gồm: than hoạt tính gáo dừa sản xuất nước có kích thước từ – mm có đặc điểm dạng hạt màu đen, khơ, rời, có góc cạnh, diện tích bề mặt 750 – 900 m2/g; Muối Fe(NO3)3.9H2O để tẩm than hoạt tính; Axit nitric (HNO3 65%) sử dụng chất tẩm cạnh tranh; Hydrogen peroxide (H2O2 30%) sử dụng tác nhân Fenton; sử dụng H2SO4 0,02N NaOH 1N để điều chỉnh pH 3.2 Mơ hình thực nghiệm  Mơ hình xử lý Nitơ NRR cơng nghệ SBR dịng liên tục Mơ hình bể SBR dịng liên tục kính dày 3,5 mm, có kích thước D x R x C = 500 x 200 x 400 (mm) Bể chia thành ngăn: ngăn tiền xử lý lít ngăn phản ứng 32 lít Hai ngăn thơng vách hở đặt cách đáy 20 mm Vị trí nước vào ngăn cách đáy 350 mm, nước ngăn cách đáy 300 mm Chiều cao lớp nước giai đoạn phản ứng 300 mm Nước cấp vào tháo (gạn) khỏi bể bơm định lượng với lưu lượng điều chỉnh van (điều chỉnh lưu lượng thích hợp với thời gian lưu nước, nêu rõ phần phương pháp vận hành mơ hình) Oxy cấp vào bể máy thổi khí (có lưu lượng khí: 38 l/phút, công suất 18W) với van tiết lưu hệ thống phân phối khí gồm hệ thống ống dẫn hình xương cá đặt đáy bể với đá bọt Trong ngăn phản ứng bể cịn gắn máy khuấy chìm dùng để xáo trộn NRR bùn hoạt tính thời gian ngưng sục khí (giai đoạn thiếu khí chu kỳ xử lý) Hệ thống thiết bị mơ hình kết nối với điều chỉnh nhằm đảm bảo thời gian hoạt động thích hợp chu kỳ xử lý (Hình 1) Mơ hình đặt phịng thí nghiệm cơng nghệ Nhà máy xử lý nước thải Thủ Dầu Một, Bình Dương 9 Hình Mơ hình thực nghiệm bể SBR dịng liên tục  Mơ hình xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV Mơ hình thí nghiệm bố trí Hình Bình phản ứng làm thủy tinh hình trụ (kích thước: cao 18 cm, đường kính cm), thể tích làm việc 1.000 ml (chiều cao lớp nước 15 cm) Nguồn UV sử dụng đèn thủy ngân hiệu APUV (cơng suất 11W, cường độ 0,07A, chiều dài bóng đèn: 14 cm), đèn bọc ống thủy tinh thạch anh chịu nhiệt (đường kính: cm) nhúng ngập vào bình phản ứng Bao bọc xung quanh bình phản ứng hệ thống chắn tia UV giấy carton dày mm có lớp giấy Alumium Foil, khơng cho tia UV phát tán bên ngoài, tránh ảnh hưởng đến người trực tiếp làm thí nghiệm Đặt bình phản ứng lên máy khuấy từ điều chỉnh tốc độ quay cá từ (có kích thước cm) cố định 150 vịng/phút suốt q trình phản ứng Hình Mơ hình thực nghiệm Fenton dị thể 3.3 Phương pháp thực nghiệm 3.3.1 Vận hành mơ hình thực nghiệm bể SBR dòng liên tục Xác định điều kiện tối ưu sau:  Thời gian lưu nước (HRT) tối ưu;  Thời gian chu kỳ xử lý tối ưu; 10  Xây dựng phương trình thực nghiệm q trình xử lý Nitơ NRR mơ hình SBR dịng liên tục  Đánh giá hiệu xử lý cơng nghệ SBR dịng liên tục so sánh với công nghệ SBR truyền thống Dựa vào kết thực nghiệm trên, xác định điều kiện tối ưu cho hoạt động xử lý bể SBR dịng liên tục Sau đó, dựa vào điều kiện tối ưu để mở rộng nghiên cứu nhằm xây dựng phương trình thực nghiệm trình xử lý Nitơ với mơ hình SBR dịng liên tục Mỡi thực nghiê ̣m vâ ̣n hành theo các nô ̣i dung đươ ̣c tiế n hành thời gian dài lấy mẫu ngày để kiể m tra đô ̣ lă ̣p la ̣i của các số liê ̣u thu đươ ̣c Mỗi thực nghiệm kết thúc số liệu có tính lặp lại ổn định cao  Thực nghiệm 1: Xác định thời gian lưu nước (HRT) tối ưu Bảng Chế độ thực nghiệm khảo sát thời gian lưu nước (HRT) HRT Chế độ vận hành ngày Thể tích làm việc (lít) 30 30 30 Lưu lượng nước vào (lít/giờ) 0,41 0,31 0,25 Thể tích nước gạn sau chu kỳ xử lý (lít) 1,67 1,25 1,00 Thực nghiệm khảo sát xác định HRT thích hợp cho q trình xử lý hiệu tiến hành với thời gian chu kỳ hoạt động bể SBR dòng liên tục 240 phút với quy trình A/O đơn giản bao gồm: 120 phút sục khí (Hiếu khíOx), 40 phút khuấy trộn (Thiếu khí - Ax), 60 phút lắng, 20 phút thu (gạn) nước Quá trình khảo sát tiến hành với lưu lượng NRR cấp vào bể xử lý điều chỉnh tương ứng với HRT ngày, ngày ngày (Bảng 1) Các thông số nước đầu (sau xử lý) gồm pH, COD, BOD5, TN, NNH4+, N-NO3- N-NO2-, mật độ vi khuẩn (Nitrit hóa, Nitrat hóa, Khử Nitrat) xác định sau 24 để xác định hiệu suất xử lý đạt  Thực nghiệm 2: Xác định thời gian chu kỳ xử lý tối ưu Trên sở kết khảo sát thời gian lưu nước thích hợp thu sau thực nghiệm 1, xây dựng kế hoạch thực nghiệm để xác định thời gian chu kỳ xử lý thích hợp cho bể SBR dịng liên tục Quy trình A/O kép đươ ̣c thiế t lâ ̣p nhằ m làm tăng hiê ̣u quả xử lý thành phần hữu và dinh dưỡng, đă ̣c biê ̣t là Nitơ Ảnh hưởng thay đổi thời gian sục khí từ 120 phút lên 180 240 phút tới hiệu q trình chuyển hóa (xử lý) hợp chất chứa Nitơ NRR chu kỳ xử lý khảo sát, không thay đổi thời gian giai đoạn khuấy trộn (An/Ax), lắng gạn nước tương ứng với thời gian chu kỳ xử lý tăng từ lên (Hình 3) 11 Chu kì xử lý Chu kì xử lý Chu kì xử lý Hình Khảo sát thời gian chu kỳ xử lý khác Các thông số nước đầu (sau xử lý) gồm: pH, COD, BOD 5, TN, NNH4+, N-NO3- N-NO2- xác định sau giai đoạn chu kỳ khảo sát để xác định hiệu suất xử lý đạt  Thực nghiệm 3: Đánh giá hiệu xử lý công nghệ SBR dịng liên tục so sánh với cơng nghệ SBR truyền thống Trên sở kết thu từ hai thực nghiệm khảo sát xác định thời gian lưu nước thời gian chu kỳ xử lý tối ưu, xây dựng kế hoạch thực nghiệm song song hai mơ hình bể xử lý SBR giống kích thước, NRR, thành phầ n NRR, HRT, thời gian chu kỳ xử lý Trong đó, mơ hình vận hành với chế độ dòng liên tục và quy trình A/O kép, mơ hình cịn lại vận hành với chế độ mẻ theo công nghệ SBR truyền thống và quy trình A/O đơn giản Các thông số nước đầu (sau xử lý) từ hai mô hình thực nghiệm xử lý gồm pH, COD, BOD5, TN, N-NH4+, N-NO3- N-NO2- xác định sau 24 để xác định hiệu suất xử lý đạt So sánh đánh giá kết thu hai mơ hình  Thực nghiệm 4: Xây dựng phương trình thực nghiệm trình xử lý Nitơ mơ hình SBR dịng liên tục Sử dụng thông số tối ưu từ thực nghiệm để thực mơ hình khảo sát hiệu suất khử Nitrat theo thời gian lắng ứng với nồng độ TN nước thải đầu vào khác Tiến hành thay đổi nồng độ N-NH4+ ban đầu NRR dung dịch NH4Cl với liều lượng khác để nồng độ TN nước thải mong muốn, đồng thời cung cấp thêm nguồn dinh dưỡng vào NRR ban đầu mật rỉ đường, nhằm tạo tỷ lệ dinh dưỡng thích hợp Dựa vào kết thực nghiệm, thực đồng thời đánh giá sau: 12  Đánh giá tốc độ oxy hóa N-NH4+ ảnh hưởng nồng độ NNH4+ ban đầu, xác định xu hướng biến đổi N-NH4+ ứng với nồng độ khác khoảng thời gian thổi khí xác định  Tiếp đó, xác định xu hướng biến đổi N-NO3- trình khử nhằm đưa phương trình thực nghiệm khử Nitrat mơ hình bể SBR dịng liên tục Trong q trình vận hành mơ hình, lấy mẫu phân tích tiêu: pH, COD, BOD5, N-NH4+, N-NO3-, độ kiềm thời điểm khảo sát 3.3.2 Vận hành mơ hình thực nghiệm Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV  Chế tạo vật liệu xúc tác Đầu tiên, than hoạt tính ngâm tẩm vào dung dịch chứa hỗn hợp Fe(NO3)3.9H2O (mFe/mTHT = 70%) HNO3 (20%) với tỉ lệ g/2 ml nhiệt độ phịng 24 Sau đó, than hoạt tính ngâm tẩm lọc màng lọc, rửa cho axit sấy khô tự nhiên nhiệt độ mơi trường Cuối cùng, than hoạt tính khơ nung nhiệt độ 200 0C làm nguội tự nhiên Sau chế tạo, hàm lượng Fe có chất mang xác định phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES) hay phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) Nếu hàm lượng Fe chất mang khơng nằm giới hạn 3-10%, ta tiến hành chế tạo lại vật liệu với lượng Fe(NO3)3.9H2O thay đổi đạt giá trị mong muốn vật liệu chế tạo (3-10%)  Khảo sát đặc điểm cấu trúc, hình thái vật liệu xúc tác Phương pháp nhiễu xạ tia X sử dụng để xác định cấu trúc thành phần pha mẫu xúc tác Mẫu đo thiết bị Bruker AXS D8 (hoặc thiết bị tương tự), dùng điện cực Cu (40kV, 40mA), góc quét từ 15° đến 65°, bước quét 0,03° Nghiên cứu tiến hành khảo sát hình thái xúc tác ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) thiết bị thiết bị EVO MA10 hãng Carl Zeiss (hoặc thiết bị tương tự) Tất phép khảo sát thực Viện cơng nghệ hóa học thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam; địa chỉ: Số 01 Mạc Đỉnh Chi, Phường Bến Nghé, Quận 1, TP Hồ Chí Minh  Khảo sát q trình Feton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV Xác định yếu tố ảnh hưởng đến q trình Fenton như: pH; Thời gian; Lượng chất xúc tác; Lượng H2O2 Song song đó, thực khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ chất hữu khó phân hủy sinh học lên vật liệu xúc tác Fe/AC 13 Quy trình thực thí nghiệm sau: - Thí nghiệm Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV: Đong xác 1.000 ml NRR vào bình, sử dụng dung dịch NaOH 1N để điều chỉnh pH đến giá trị khảo sát Thêm tác nhân trình Fenton dị thể là: H2O2 35% vật liệu xúc tác Fe/AC theo liều lượng xác định vào bình phản ứng, khuấy máy khuấy từ tốc độ ổn định, kiểm tra hệ thống bảo vệ (để tránh rò rỉ xạ UV) bật đèn UV Thời điểm bắt đầu phản ứng tính thời điểm bật đèn - Thí nghiệm xác định hiệu trình hấp phụ chất hữu khó phân hủy sinh học lên vật liệu Fe/AC: quy trình thực thí nghiệm tương tự không sử dụng H2O2 - Lấy mẫu trước sau thí nghiệm phân tích COD độ màu Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết nghiên cứu mơ hình bể SBR dịng liên tục  Xác định thời gian lưu nước tối ưu Kết thực nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý thành phần hữu đạt cao (gần 78% COD) tăng tăng HRT, đặc biệt rõ rệt HRT tăng từ ngày lên ngày Lý HRT tăng có nghĩa kéo dài thời gian hoạt động phân hủy, tiêu thụ chất VSV, dẫn đến hàm lượng chất hữu NRR giảm xuống Tuy nhiên, hiệu suất xử lý có xu hướng giảm tăng HRT từ ngày lên ngày, điều ảnh hưởng sụt giảm mạnh thành phần BOD5 sẵn có NRR sau ngày xử lý Hiệu suất xử lý thành phần N-NH4+ TN có xu hướng tăng tăng HRT từ ngày lên ngày Điều hoàn toàn hợp lý, tăng thời gian oxy hóa sinh học làm tăng hiệu suất biến đổi N-NH4+ lên mức oxy hóa cao N-NO3- N-NO2- Tuy nhiên, hiệu suất xử lý N-NH4+ TN tăng mạnh đạt cao tăng HRT từ ngày lên ngày, lại có chiều hướng giảm nhẹ tiếp tục tăng HRT từ ngày lên ngày Nguyên nhân tăng HRT đồng nghĩa với tăng thời gian lắng, mà giai đoạn diễn trình phân hủy nội sinh VSV trưởng thành cung cấp nguồn dinh dưỡng cho VSV sinh để khử Nitrat Sản phẩm q trình sinh hóa lại Amoni dẫn đến làm tăng hàm lượng NNH4+ nước đầu 14 Hình Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý COD, TN,N-NH4+ Kết khảo sát mật độ vi khuẩn (VK) cho thấy biến đổi số lượng VK cách rõ ràng hợp lý Bản thân nước thải đầu vào có số lượng VK định Điều cơng trình tiền phản ứng trước bể sinh học có sục khí tạo điều kiện cho VK phát triển Trong khoảng thời gian sục khí (150 phút chu kỳ), mật độ VK Nitrat hóa VK Nitrit hóa chiếm ưu VK khử Nitrat, VK Nitrit hóa có mật độ dày đặc có tốc độ tăng trưởng nhanh VK Nitrat hóa Điều chứng tỏ tốc độ biến đổi N-NH4+ thành N-NO2- xảy nhanh so với tốc độ biến đổi N-NO2- thành N-NO3- Trong giai đoạn lắng thu nước, mật độ VK Nitrit hóa Nitrat hóa có xu hướng giảm dần, thay vào tăng trưởng vượt bậc số lượng VK khử Nitrat Tuy nhiên, mật độ VK theo khảo sát thực nghiệm không cao (chỉ khoảng 103 đến 104) NRR có độ mặn định (do tồn ion Cl-) Sự biến đổi xảy tương tự với thí nghiệm kết cho thấy thí nghiệm (Thời gian lưu nước HRT ngày) có mật độ VK cao có chênh lệch rõ rệt với thí nghiệm cịn lại (biểu diễn rõ hình trên) Do đó, chọn thời gian lưu nước tối ưu để VK có mật độ tối đa HRT ngày Kết thực nghiệm cho thấy bể SBR dòng liên tục với HRT ngày cho hiệu xử lý tốt COD Nitơ Tuy nhiên với hiệu suất xử lý Nitơ đạt khoảng 70% hàm lượng TN nước đầu khoảng 40 mg/l, cao so với mức cần xử lý 15 mg/l Do đó, thực nghiệm tiếp tục thực để xác định thời gian chu kỳ vận hành tối ưu bể SBR dòng liên tục nhằm nâng cao hiệu xử lý  Xác định thời gian chu kỳ tối ưu Kết thực nghiệm biểu diễn hình cho thấy hiệu suất xử lý thành phần COD TN NRR tăng tăng thời gian sục khí chu kỳ vận hành bể SBR dịng liên tục Khi thời gian sục khí tăng từ 120 15 phút (chu kỳ giờ) lên 180 phút (chu kỳ giờ) hiệu suất khử N-NH4+ đa ̣t gầ n tuyê ̣t đố i, hiệu suất khử COD TN đạt đến 79,32 ± 0,55% 76,82 ± 0,56% tương ứng Có nghiã thời gian sục khí tăng lên 180 phút đảm bảo quá trình chuyển hóa thành phầ n Nitơ hữu thành N-NH4+, sau thành NNO3- và ć i cùng thành N2 tự với hiê ̣u suấ t cao Khi tiế p tu ̣c tăng thời gian su ̣c khí từ 180 phút (chu kỳ giờ) lên 240 phút (chu kỳ giờ), hiệu suất khử COD TN cũng tăng lên không đáng kể (đa ̣t 80,81 ± 0,63% 78,84 ± 0,9% theo thứ tự) Nguyên nhân là NRR thường có lươ ̣ng COD khó phân hủy sinh học (gần trơ), nên dù có tăng thời gian sục khí không tăng đáng kể hiệu suất xử lý COD nữa, dẫn tới không tăng hiệu suất xử lý TN thiếu chất cho trình tăng trưởng sinh khối khử nitrat Hình Ảnh hưởng thời gian chu kỳ đến hiệu xử lý bể SBR dòng liên tục Trên sở đánh giá kết thực nghiệm thu được, chọn thời gian sục khí tối ưu là 180 phút ứng với chu kì vận hành bể SBR dịng liên tục để thu hiệu xử lý NRR theo yêu cầu, đặc biệt thành phần Nitơ  Đánh giá hiệu xử lý cơng nghệ SBR dịng liên tục so sánh với công nghệ SBR truyền thống Kết thử nghiệm mơ hình bể xử lý SBR dịng liên tục bể SBR truyền thống với điều kiện tối ưu tương tự như: kích thước bể , thành phầ n NRR, thời gian lưu nước (HRT) ngày, thời gian su ̣c khí (Ox) 180 phút, lắ ng 60 phút, ga ̣n nước 20 phút ứng với thời gian chu kỳ giờ Cho thấy hiệu suấ t xử lý COD NRR đa ̣t đươ ̣c gầ n nhau, đó là mâ ̣t ̣, chất lượng bùn hoạt tính hai mơ hình và thời gian trì điề u kiê ̣n khử chấ t (Ox + Ax) hoàn toàn giống Tuy nhiên, hiê ̣u suấ t xử lý Nitơ (N-NH4+ và TN) đươ ̣c nâng cao rõ rê ̣t với SBR dòng liên tu ̣c, đa ̣t 97,47 ± 0,52% và 73,85 ± 1,15% ứng với nồng độ N-NH4+ đầu nhỏ 5mg/l 16 (đạt QCVN 25:2009/BTNMT, Cột A) Trong với SBR truyền thống, hiệu suấ t xử lý N-NH4+ và TN chỉ đa ̣t lầ n lươ ̣t là 84,57 ± 1,96% và 62,24 ± 0,52% (Hình 6) Hai yếu tớ góp phầ n làm tăng hiê ̣u quả xử lý của công nghê ̣ SBR dịng liên tục so sánh với cơng nghệ SBR truyền thống Thứ nhấ t là viê ̣c thiết lâ ̣p các giai đoa ̣n sục khí xen kẽ với khuấy trộn quy trình A/O kép tạo môi trường phát triể n thuâ ̣n lơ ̣i cho các loa ̣i vi sinh vâ ̣t có vai trò quá trình xử lý là VK Nitrit hoá, VK Nitrat hoá và VK khử Nitrat Thứ hai là chu kỳ vâ ̣n hành mơ hình SBR dịng liên tục có bở sung liên tu ̣c hàm lươ ̣ng chấ t từ thành phầ n của nước thải đầu vào, cung cấp chất cho giai đoa ̣n khử nitrat Trong đó, đớ i với SBR truyề n thố ng, chấ t đã su ̣t giảm đáng kể sau giai đoa ̣n su ̣c khí kéo dài nên thiếu chất cho quá trình khử nitrat Điề u này đã cho thấ y điể m ưu viê ̣t của cơng nghê ̣ SBR dịng liên tục so với công nghê ̣ SBR truyề n thố ng Nhận định minh chứng thực nghiệm, bổ sung mật rỉ với liều lượng 0,08g/lít nước thải hiệu khử Nitrat cơng nghệ SBR dòng liên tục SBR truyền thống gia tăng Kết thực nghiệm thể hình Hình 6: Kết thí nghiệm hai mơ hình SBR dịng liên tục SBR truyền thống  Xây dựng phương trình thực nghiệm khử Nitrat Tiến hành thực nghiệm vận hành bể SBR dòng liên tục theo chế độ vận hành tối ưu (HRT ngày, thời gian chu kỳ giờ) với dịng nước vào có thay đổi thành phần TN BOD (bằng cách pha thêm NH4Cl mật rỉ đường vào NRR đầu vào) Kết thực nghiệm cho thấy xu hướng biến đổi N-NH4+ giai đoạn Nitrat hóa (thời gian sục khí) có khác theo thay đổi nồng độ đầu vào Nồng độ N-NH4+ hay TN đầu vào cao nồng độ N-NO3- đầu pha lắng cao Tuy nhiên, biến đổi 17 N-NH4+ theo quy luật giảm dần theo thời gian sục khí, xét riêng thực nghiệm thấy biến đổi hàm lượng N-NH4+ theo quy luật phương trình bậc (Hình 7) Điều phù hợp với nghiên cứu tác giả Lê Văn Cát xử lý N-NH4+ NRR 500 450 400 Nồng độ NH4+ (mg/l) 350 Thực nghiệm 300 Thực nghiệm 250 Thực nghiệm 200 Thực nghiệm 150 Thực nghiệm 100 50 0 60 140 Thời gian (phút) 220 Hình Sự biến đổi nồng độ N-NH4+ theo thời gian thực nghiệm Cũng theo kết thực nghiệm trên, nồng độ N-NO3- sau giai đoạn sục khí chủ yếu phụ thuộc nồng độ TN ban đầu Khi TN đầu vào cao dẫn đến nồng độ Nitrat đầu pha lắng cao Vậy, cần khảo sát thay đổi thành phần Nitrat pha lắng thu nước để rút quy luật Xác định hiệu khử nitrat bể SBR dòng liên tục Khi tăng TN NRR ban đầu hiệu Nitrat hóa tăng theo thể qua nồng độ Nitrat cuối giai đoạn sục khí tăng cao Trong pha khuấy với thời gian 20 phút lượng Nitrat khử thấp vài đơn vị từ 2- mg/l Nitrat khử chủ yếu pha lắng, phụ thuộc tỉ lệ BOD 5/N-NO3trong bể thời gian lắng (bảng 4.4) Như vậy, hai yếu tố định hiệu khử nitrat nói riêng giảm TN nói chung Có thể thấy quy luật sau: TN nước rác cao  Nitrat bắt đầu lắng cao  yêu cầu tỉ lệ BOD5/N-NO3- cao thời gian khử Nitrat dài Khi nồng độ N-NO3- tăng trình khử Nitrat (lắng) diễn theo số liệu thực nghiệm, nhận thấy hiệu suất khử Nitrat phụ thuộc lớn vào Nitrat đầu thời điểm lắng thay đổi lớn theo tỉ lệ BOD 5/N-NO3- thời gian lắng (khử nitrat) Từ số liệu phương pháp xử lý toán học, rút quy luật khử nitrat theo tỉ lệ BOD5/N-NO3- thời gian lắng để điều chỉnh q trình khử nitrat hóa đạt u cầu Ví dụ, đo 18 online Nitrat đầu thời điểm lắng ta điều chỉnh lượng BOD châm vào bể thời gian lắng để hiệu suất khử Nitrat đạt mong muốn Với nồng độ đầu cho trước, để xác định thời gian xử lý cần thiết ứng với nồng độ Nitrat đầu vào mối quan hệ ba tham số kể (Hiệu suất khử nitrat, tỉ lệ BOD5/N-NO3-, thời gian lắng) cần xác định Để xác định mối quan hệ trên, thí nghiệm tiến hành trình bày bảng Bảng Số liệu thí nghiệm hiệu khử Nitrat theo thời gian lắng Thời gian 20 40 60 80 (t, phút) Nồng độ N-NO3- (mg/l) 14,9 10,6 7,6 5,3 3,6 TN1 Nồng độ BOD5 (mg/l) 27,4 19,7 14,4 10 8,5 Nồng độ N-NO3 (mg/l) 22,1 17,2 12,9 9,9 7,2 TN2 Nồng độ BOD5 (mg/l) 28,1 22,4 17,2 12 Nồng độ N-NO3 (mg/l) 27,9 17,9 12,7 8,9 6,7 TN3 Nồng độ BOD5 (mg/l) 54,7 33,3 23,9 11,4 7,5 Nồng độ N-NO3 (mg/l) 109,7 83,2 60,1 47,2 35,7 TN4 Nồng độ BOD5 (mg/l) 153,6 144,8 79,3 65,6 29,1 Nồng độ N-NO3- (mg/l) 163,2 122,5 84,6 61,4 46,1 TN5 Nồng độ BOD5 (mg/l) 236,6 219,3 153,1 111,2 54,8 Bằng phương pháp xử lý toán học liệu bảng 2, rút quy luật: Hiệu suất khử Nitrat phụ thuộc tỉ lệ BOD5/N-NO3- bể thời gian lắng Qua đó, mối quan hệ hiệu suất khử Nitrat, tỉ lệ BOD 5/N-NO3trong bể thời gian lắng biểu diễn phương trình tổng quát sau: 𝑯𝑲𝒉ử 𝑵𝒊𝒕𝒓𝒂𝒕 = 𝒂 × 𝑹𝒙 × 𝒕𝒚 (1) Trong đó:  𝐻𝐾ℎử 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡 (%): hiệu suất khử Nitrat với tỉ lệ BOD5/N-NO3- sau thời gian xử lý t  R: tỉ lệ BOD5/N-NO3 t (phút): thời gian xử lý  a, x, y: hệ số (vơ thứ ngun) Phương trình (1) phương trình phi tuyến đa biến Để xác định hệ số a, x y cho phương trình, ta thực bước sau: Đă ̣t: t1 = n∑log(Hkhử Nitrat)log(t) - ∑log(Hkhử Nitrat)∑log(t) t2 = n∑log(R)∑log(t) - ∑log(R)∑log(t) t3 = n∑log(t)2 - (∑log(t))2 19 t4 = n∑log(Hkhử Nitrat)log(R) - ∑log(Hkhử Nitrat)∑log(R) t5 = n∑log(R)log(t) - ∑log(R)∑log(t) t6 = n∑log(R)2 - (∑log(R))2 t7 = n∑log(t)2 - (∑log(t))2 x = (t1 × t2 - t3 × t4)/(t5 × t5 - t6 × t7) y = (t4 - β1 × t6)/t2 a = 10[(∑log(R) - β1∑log(R) - β2∑log(t))/n] Số liệu thực nghiệm sau xử lý phần mềm tính tốn, thu phương trình với hệ số xác định sau: 𝐻𝐾ℎử 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡 = 2,3015 × 𝑅0,5652 × 𝑡 0,7323 (2) Hay thời gian lắng phụ thuộc hiệu suất khử nitrat mong muốn tỉ lệ BOD5/N-NO3- theo cơng thức: 𝟎,𝟕𝟑𝟐𝟑 𝑯𝒌𝒉ử 𝑵𝒊𝒕𝒓𝒂𝒕 𝒕= (3) √𝟐,𝟑𝟎𝟏𝟓 ×𝑹𝟎,𝟓𝟔𝟓𝟐 Từ đó, suy ra: Hiệu suất khử Nitrat mong muốn đạt 75% với thời gian lắng 60 phút tỉ lệ BOD5/N-NO3- 2,36 Như vậy, để nồng độ NNO3- đầu < 10 mg/l, hiệu suất xử lý 75% với thời gian lắng 60 phút tỉ lệ BOD5/N-NO3- 2,36 nồng độ N-NO3- ban đầu < 40 mg/l 4.2 Kết nghiên cứu mô hình bể Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV  Hình thái, cấu trúc đặc tính hóa lý vật liệu xúc tác Vật liệu xúc tác chế tạo có kích thước hình thái bên ngồi tương tự than hoạt tính Có điểm khác biệt có màu nâu đỏ nhạt mang tác nhân Fe Kết xác định thành phần pha tinh thể vật liệu xúc tác phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), cho thấy có pic đặc trưng αFe2O3 Như trình ngâm tẩm, sắt ngấm vào than hoạt tính tác nhân mong muốn để thực phản ứng fenton dị thể Kết xác định cấu trúc hình thái vật liệu xúc tác phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).Qua đó, kết luận thành phần sắt ngấm vào than hoạt tính lỗ rỗng có sẵn cấu trúc than hoạt tính Các lớp tinh thể xếp chồng lên dày đặc làm không gian mao quản vật liệu sau chế tạo bị lấp đầy, làm giảm diện tích bề mặt riêng vật liệu xúc tác Do đó, vật liệu chế tạo có khơng gian mao quản vật liệu than hoạt tính ban đầu Bằng phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử AAS, phân tích thành phần sắt có vật liệu Fe/AC 3,24%  Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến trình Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV 20  Yếu tố pH Quá trình khảo sát tiến hành với thông số điều kiện phản ứng sau:pH: 7; 7,5; 8; 8,5; 9; Hàm lượng Fe/AC: 20 g/l;Tỷ lệ nồng độ H2O2/COD 9/1 (mg/mg);Thời gian: 120 phút Hiệu suất xử lý COD độ màu trình Fenton dị thể kết hợp đèn UV tăng theo pH từ đến 8,5 Trong pH = 8,5 cho hiệu suất xử lý cao (COD: 71,70 ± 2,14%; độ màu: 64,32 ± 1,32%) Do đó, pH = 8,5 chọn cho thí nghiệm  Yếu tố thời gian Quá trình khảo sát tiến hành với thông số điều kiện phản ứng sau: pH = 8,5; Hàm lượng Fe/AC: 20 g/l;Tỷ lệ nồng độ H 2O2/COD 9/1 (mg/mg);Thời gian: 15; 30; 60; 90; 120; 150; 180 phút Hiệu xử lý COD độ màu tăng theo thời gian phản ứng đến 120 phút (hiệu 71,7 ± 1,22% 64,32 ± 1,46%), sau tăng khơng đáng kể Do đó, chọn thời gian 120 phút để thực thí nghiệm  Hàm lượng xúc tác Khảo sát tiến hành với điều kiện phản ứng sau: pH = 8,5;Tỷ lệ nồng độ H2O2/COD 9/1 (mg/mg);Thời gian: 120 phút; Hàm lượng Fe/AC: 5; 10; 15; 20; 25; 30 g/l Kết thực nghiệm cho thấy: - Hiệu suất xử lý COD tăng từ 52,36% đến 71,23% hàm lượng xúc tác tăng từ đến 20 g/l có xu hướng giảm tăng hàm lượng xúc tác từ 20 đến 30 g/l Điều lý giải phản ứng fenton, Fe có vai trò làm chất xúc tác để H2O2 sinh gốc Hydroxyl, hàm lượng xúc tác tăng số lượng gốc Hydroxyl tăng dẫn đến hiệu suất xử lý tăng Nhưng tăng hàm lượng xúc tác lên q nhiều có lượng gốc tự Hydroxyl hình thành phản ứng với xúc tác Fe làm tiêu hao gốc tự Hydroxyl nên hiệu suất xử lý có xu hướng giảm Do đó, hàm lượng vật liệu xúc tác chọn 20 g/l cho thí nghiệm  Hàm lượng H2O2 Q trình thí nghiệm tiến hành với thông số phản ứng sau: pH = 8,5; Hàm lượng Fe/AC: 20 g/l;Thời gian: 120 phút; Nồng độ H2O2: 0,9; 1,4; 1,9; 2,4; 2,9 g/l tương ứng với tỷ lệ nồng độ H2O2/COD 4,2/1; 6,6/1; 9/1; 11,3/1; 13,6/1 (mg/mg) Với kết thu bước khảo sát kết luận nồng độ H2O2 thích hợp sử dụng mgH2O2/1 mgCOD cho hiệu suất tương ứng 71,23 ± 2,72% 21 4.3 Đề xuất mô hình xử lý NRR tối ưu dựa kết nghiên cứu Trên sở kết thực nghiệm trên, nghiên cứu đề xuất mơ hình xử lý NRR tối ưu áp dụng Nhà máy xử lý NRR thuộc KLH XLCT BD theo sơ đồ hình Hồ lưu chứa NRR tự nhiên  Bể sục khí sơ  Air stripping bậc khử amonia  Khử Canxi  SBR dịng liên tục  Hóa lý  Bể lọc cát  Bể Fenton dị thể +UV Hồ sinh học Xả thải Hình Sơ đồ cơng nghệ xử lý NRR đề xuất Sơ đồ công nghệ xử lý đề xuất có nhiều ưu điểm sau: - Hiệu suất xử lý bể SBR dòng liên tục cao so với SBR truyền thống - Sử dụng vật liệu xúc tác Fe/AC bể Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV cho hiệu cao đặc biệt khơng tạo bùn có khả khử trùng cao nhờ tia UV Do đó, khơng cần xây dựng cơng trình thứ cấp phía sau như: bể lắng, bể lọc cát, bể khử trùng Từ đó, tiết kiệm chi phí đầu tư vận hành 4.4 Kết triển khai thực tế Phương pháp xử lý Nitơ NRR công nghệ SBR dòng liên tục triển khai áp dụng Nhà máy xử lý NRR thuộc KLH XLCT BD Qua trình vận hành thực tế cho thấy hệ thống bể SBR dòng liên tục hoạt động ổn định cho hiệu suất xử lý Nitơ cao Nhìn chung, hiệu xử lý tiêu COD, NH4+, TN bể SBR dịng liên tục cơng trình thực tế tương đồng với điều kiện thí nghiệm Đặc biệt, tiêu N-NH4+ sau xử lý nhỏ 5mg/l (giá trị quy định theo QCVN 25:2009/BTNMT, Cột A), tiêu TN sau xử lý không đạt theo quy chuẩn quy định (15 mg/l) hiệu suất xử lý đạt 82% So với hệ thống xử lý với bể SBR truyền thống hiệu suất xử lý Nitơ (đặc biệt N-NH4+) bể SBR dòng liên tục cao Bảng So sánh hiệu công nghệ SBR dòng liên tục SBR truyền thống Chỉ tiêu so sánh SBR truyền thống SBR dòng liên tục Chênh lệch (%) COD 58,57 71,97 18,6 Hiệu suất xử TN 66,17 82,32 19,6 lý (%) N-NH4+ 85,93 96,58 11 Công suất xử lý 240 m3/ngày/bể 300 m3/ngày/bể 20 Thời gian lưu nước Thời gian sục khí/ giờ/4 giờ/5 thời gian chu kỳ Số chu kỳ/ngày 24/4 = 24/5 = 4,8 - 22 Thời gian thổi khí/1 bể/1 ngày Điện tiêu (kWh/1 m3) x = 12 x 4,8 = 14,4 - 12x30/240= 1,5 14,4x30/300= 1,44 - Cơng nghệ SBR dịng liên tục thấp hơn, công suất Tỷ suất đầu tư xử lý tăng cần xây dựng bể vận hành được, SBR truyền thống cân tối thiểu bể Nhận xét: Từ bảng kết so sánh hiệu bể SBR dịng liên tục q trình triển khai thực tế (được cải tạo từ bể SBR hữu) bể SBR hữu Nhà máy xử lý NRR thuộc KLH XLCT BD cho thấy với thể tích bể điều kiện vận hành (qua xử lý sơ bộ, air tripping, khử Canxi,…) hiệu suất xử lý bể SBR dòng liên tục cao hơn, cụ thể sau: COD 18,6 %, TN 19,6 % N-NH4+ 11% Bên cạnh đó, cơng suất tăng 20% tiết kiệm lượng 4% Điều chứng tỏ rằng, bể SBR dòng liên tục mang lại hiệu so với SBR truyền thống Do điều kiện thực tế chưa cho phép nên chưa áp dụng phương pháp Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ đèn UV để xử lý COD khó phân hủy NRR nhà máy Cho nên việc so sánh với điều kiện thực tế thực nghiệm chưa thực phạm vi Luận án Tuy nhiên, thực tế nhà máy xử lý NRR sử dụng phương pháp Fenton đồng thể hai bậc để xử lý COD khó phân hủy sinh học cơng đoạn cuối quy trình xử lý cho hiệu suất trung bình khoảng 45%, thấp so với thực nghiệm Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ UV cho hiệu suất khoảng 71% Bên cạnh đó, ngồi việc sử dụng hóa chất cần thiết cho q trình Fenton (như hợp chất Fe, H2O2) phương pháp Fenton đồng thể hai bậc cịn cần thêm nhiều loại hóa chất như: H2SO4 (để hạ pH), NaOH (để nâng pH), polymer (để trợ lắng)… tốn thêm chi phí xử lý bùn cặn khử trùng nước sau xử lý Do đó, thấy phương pháp Fenton dị thể kết hợp chiếu xạ UV mang lại hiệu suất xử lý cao chi phí xử lý thấp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Nghiên cứu thực loại bỏ Nitơ NRR cơng nghệ SBR dịng liên tục với hiệu xử lý cao so với cơng nghệ SBR truyền thống Bể SBR dịng liên tục với quy trình sục khí tăng cường gián đoạn theo chu kỳ A/O kép, cho phép nước thải đầu vào bể xử lý liên tục mà không bị gián đoạn theo mẻ Điều cho phép nâng cao hiệu xử lý giảm đáng kể chi phí vận hành hệ thống Kết thực nghiệm cho thấy với thời gian lưu nước ngày chu kỳ xử lý (sục khí 180 phút khuấy trộn 40 phút, lắng 60 phút, gạn nước 20 phút) hiệu suất xử lý N-NH4+, TN COD đạt khoảng 98%, 76% 79% Nồng độ N-NH4+ sau xử lý nhỏ 23 5mg/l đạt chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT (cột A), nồng độ TN sau xử lý dao động khoảng 35 ÷ 40 mg/l Kết xử lý TN SBR dòng liên tục chưa đạt chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT (cột A), cao không nhiều Tuy nhiên, sau q trình oxy hóa bậc cao phương pháp Fenton, Nitơ tồn COD khó phân hủy sinh học NRR phân hủy dễ dàng cơng trình hồ sinh học phía sau hồn tồn có khả xử lý đến đạt quy chuẩn xả thải, cột A Thêm vào đó, nghiên cứu xác định xu hướng biến đổi Amoni trình sục khí thiết lập phương trình thực nghiệm khử Nitrat phương trình phi tuyến đa biến cho mơ hình bể SBR dịng liên tục Kết thực nghiệm so sánh hai mơ hình xử lý Nitơ cơng nghệ SBR dịng liên tục cơng nghệ SBR truyền thống cho thấy hiệu suất xử lý Nitơ cơng nghệ SBR dịng liên tục cao cơng nghệ SBR truyền thống Điều kiểm chứng triển khai thực tế qui mơ 480 m3/ngày Ngồi ra, cơng nghệ cịn nâng cơng suất, tiết kiệm lượng suất đầu tư thấp Qua kết nghiên cứu xử lý COD khó phân hủy sinh học NRR q trình Fenton dị thể chất mang than hoạt tính (Fe/AC) kết hợp chiếu xạ đèn UV đưa số kết luận sau: - Bước đầu chế tạo vật liệu xúc tác than hoạt tính từ tính Fe/AC sử dụng cho thực nghiệm - Các thơng số điều kiện ảnh hưởng đến q trình Fenton dị thể sử dụng xúc tác Fe/AC để xử lý thành phần COD khó phân hủy sinh học có NRR sau cơng trình xử lý bậc KLH XLCT BD tìm thấy nhằm tăng cường hoạt tính vật liệu xúc tác q trình phản ứng Hiệu suất xử lý COD khó phân hủy sinh học đạt 71,23 ± 2,72% (tương ứng với nồng độ COD sau xử lý khoảng 61 mg/l) cách sử dụng vật liệu xúc tác chế tạo (Fe/AC) với thông số phản ứng sau: pH = 8,5; Thời gian phản ứng: 120 phút; hàm lượng xúc tác Fe/AC: 20g/l; tỷ lệ H2O2/COD 9/1 KIẾN NGHỊ Cơng nghệ SBR dịng liên tục cơng nghệ cải tiến có nhiều ưu điểm hẳn hiệu việc xử lý Nitơ so với cơng nghệ truyền thống Do đó, cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu thêm chế độ vận hành giai đoạn hoạt động chu kì bể bổ sung thêm chủng vi sinh vật làm tăng khả xử lý nhằm cải thiện nâng cao hiệu xử lý TN NRR đạt QCVN 25:2009/BTNMT, cột A Bên cạnh đó, cần mở rộng nghiên cứu thêm nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý bể như: nồng độ bùn, lượng oxy, mật độ vi sinh, độ kiềm, tỷ lệ F/M,… Chế tạo vật liệu xúc tác dựa kinh nghiệm nghiên cứu nước trước nên chất lượng độ ổn định vật liệu không cao (hàm lượng Fe chất mang than hoạt tính cịn thấp) Chất lượng vật 24 liệu xúc tác Fe/AC phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: mơi trường, hóa chất, chất lượng than hoạt tính sử dụng, điều kiện chế tạo xúc tác,… Do đó, cần nghiên cứu sâu cơng nghệ chế tạo vật liệu xúc tác để tạo vật liệu có tính đồng nhất, chất lượng độ ổn định cao Đồng thời cần mở rộng nghiên cứu Fenton dị thể nhiều dạng mơ hình khác (như: mơ hình cột, mơ hình pilot,…) khảo sát yếu tố ảnh hưởng khác như: nhiệt độ, lượng tiêu thụ, ... địa phương áp dụng xử lý NRR, cho sinh viên, học viên, cán nghiên cứu lĩnh vực xử lý NRR Chương TỒNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 1.1 Tổng quan thành phần nước rỉ rác giới vùng KTTĐPN... xử lý COD đạt 59%; Tác giả Trần Mạnh Trí áp dụng q trình oxi hố nâng cao (AOPs) để xử lý NRR qua xử lý sinh học nhà máy xử lý NRR Gò Cát; nghiên cứu liên quan khác Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ... VÀ COD KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC TRONG NƯỚC RỈ RÁC 2.1 Cơ sở lý thuyết xử lý Nitơ nước rỉ rác 2.1.1 Các phương pháp xử lý Nitơ nước thải Các công nghệ xử lý Nitơ NRR áp dụng như: sinh học, trao đổi