Xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật ô xy hóa nâng cao trên cơ sở o3, O3UV và FentonUV

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ NGỌC BÍCH XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG KỸ THUẬT Ô XY HÓA NÂNG CAO TRÊN CƠ SỞ O3, O3/UV VÀ FENTON/UV Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG XUÂN HIỂN Hà Nội, 2014 Hà Nội – Năm 2014 Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV” thực với hướng dẫn PGS.TS Đặng Xuân Hiển Đây chép cá nhân, tổ chức Các số liệu, nguồn thông tin Luận văn trung thực Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung mà trình bày luận văn Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2013 HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ NGỌC BÍCH Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội i Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho học tập làm việc trường Tôi gửi lời cảm ơn tới thầy cô Viện Khoa học Công nghệ môi trường tận tình dạy dỗ để hoàn thành tốt khóa học Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Xuân Hiển người định hướng giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn gia đình đồng nghiệp giúp đỡ để yên tâm học tập nghiên cứu Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội ii Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước rỉ rác 1.1.1.Thực trạng chất thải rắn Việt Nam 1.1.2 Quá trình hình thành cân nước rỉ rác 1.1.3 Đặc tính yếu tố ảnh hưởng tới thành phần nước rỉ rác 1.2 Các phương pháp xư ly nước rỉ rác 12 1.2.1.Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác Việt Nam 12 1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước rỉ rác thế giới 14 1.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 16 1.3.1 Phương pháp xử lý nước keo tụ 16 1.3.1.1 Cơ chế phương pháp keo tụ 16 1.3.1.2 Quá trình tiền xử lý nước rỉ rác keo tụ sử dụng PAC 17 1.3.2 Phương pháp ô xy hóa 17 1.3.2.1 Ô xy hóa ozone (O3) 17 1.3.2.2 Ô xy hóa Fenton 24 1.3.2.3 Tia cực tím (UV) 28 1.3.3 Phương pháp ô xy hóa tiên tiến (AOPs) 32 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội iii Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- 1.3.3.1 Ô xy hóa hệ O3/UV 32 1.3.3.2 Ô xy hóa hệ quang Fenton (Fenton/UV) 33 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình AOPs 36 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG KỸ THUẬT Ô XY HÓA NÂNG CAO SỬ DỤNG TÁC NHÂN O3, O3/UV VÀ FENTON/UV 41 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 41 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 41 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 41 2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 41 2.4 Thiết bị hóa chất sử dụng nghiên cứu 42 2.5 Phương pháp nghiên cứu 43 2.5.1 Phương pháp kế thừa 43 2.5.2 Phương pháp ngoại nghiệp 44 2.5.3 Thực xử lý nước rỉ rác O3 O3/UV phòng thí nghiệm 44 2.5.4 Thực xử lý nước rỉ rác Fenton/UV phòng thí nghiệm 45 2.5.5 Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 45 2.6 Phương pháp thực nghiệm 46 2.6.1 Pilot ô xy hóa sử dụng thực nghiệm 46 2.6.2 Thực tiền xử lý keo tụ 47 2.6.3 Thực khảo sát trình xử lý nước rỉ rác Ozone 49 2.6.4 Thực khảo sát trình xử lý nước rỉ rác O3/UV 51 2.6.5 Thực khảo sát trình xử lý nước rỉ rác Fenton/UV 53 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 Đặc tính nước rỉ rác nghiên cứu 57 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội iv Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- 3.2 Tiền xử lý keo tụ 58 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng pH tới trình tiền xử lý 58 3.2.2 Khảo sát liều lượng chất keo tụ 59 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác ô xy hóa 60 3.3.1 Xử lý nước rỉ rác O3 O3/UV 60 3.3.1.1 Ảnh hưởng pH tới xử lý COD O3 O3/UV 61 3.3.2 Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác Fenton/UV 65 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 69 3.4.1 Xử lý nước rỉ rác O3 O3/UV 69 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian tới xử lý nước rỉ rác Fenton/UV 73 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tới trình xử lý nước rỉ rác 76 3.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý 76 3.5.2 Ảnh hưởng O3 tới hiệu suất xử lý COD O3 O3/UV 79 3.5.3 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 tới hiệu suất xử lý COD Fenton/UV 80 3.5.4 Ảnh hưởng nồng độ COD đầu vào 82 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng chất nước rỉ rác tới hiệu suất xử lý 83 3.6.1 Sự hình thành gốc kém hoạt động 83 3.6.2 Một số ion nước rỉ rác trước sau phản ứng 84 3.6.3 Ảnh hưởng độ màu tới hiệu suất xử lý tia UV 87 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 95 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội v Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu AOPs Tiếng Anh Advanced oxidation processes APHA BCL BOD BTNMT COD CTR PAC QCVN American Public Health Association SS TOC Chất rắn lơ lửng Tổng cacbon hữu USEPA Solution solit Total organic Carbon United states environmental protection Agency UV UV VIS UVC UltraViolet radiation UltraViolet Visible UltraViolet radiation c Tia cực tím Máy quang phổ tử ngoại Tia tử ngoại vùng C Biochemical oxygen demand Chemical oxygen demand Tiếng Việt Quá trình oxi hóa nâng cao Tổ chức y tế sức khỏe cộng đồng Mỹ Bãi chôn lấp Nhu cầu oxy sinh hoá Bộ tài nguyên môi trường Nhu cầu oxy hoá học Chất thải rắn Poly Aluminum Cloride Quy chuẩn Việt Nam Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội vi Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 : Thực trạng chất thải rắn năm 2003 2008 [4] Bảng1.2: Phân loại nước rác theo tuổi [29] 11 Bảng 1.3: Tính chất lý hóa ozon [25] 19 Bảng 1.4: Một số ứng dụng ozon hóa xử lý nước thải bùn thải [21] 23 Bảng 1.5: Một số liều lượng UV để xử lý vi sinh vật [8] 31 Bảng 1.6 : Hiệu suất khử trùng Ecoli liều lượng tia UV sử dụng [8] 32 Bảng 2.1: Khảo sát pH trình keo tụ 48 Bảng 2.2: Khảo sát liều lượng PAC trình keo tụ 49 Bảng 2.3: Khảo sát ảnh hưởng pH xử lý ozone 50 Bảng 2.4: Khảo sát thời gian xử lý nước rỉ rác Ozone 51 Bảng 2.5a: Khảo sát pH xử lý nước rỉ rác O3/UV 52 Bảng 2.5b: Khảo sát thời gian xử lý nước rỉ rác O3/UV 52 Bảng 2.6 a: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/ H2O2 54 Bảng 2.6b: Khảo sát ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý 55 Bảng 2.6 c: Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng 56 Bảng 3.1: Đặc tính nước rỉ rác nghiên cứu 57 Bảng 3.2 Ảnh hưởng pH đến tiền xử lý COD độ màu 58 Bảng 3.3 Ảnh hưởng nồng độ PAC tới hiệu suất xử lý 59 Bảng 3.4: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác O3 O3/UV 61 Bảng 3.5 Ảnh hưởng pH tới nồng độ chất hữu độ màu 65 Bảng 3.6: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 69 Bảng 3.7: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 73 Bảng 3.8: Ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác 76 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội vii Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sự di chuyển nước rỉ rác bãi chôn lấp Hình 1.2: Cân nước hệ thống bãi chôn lấp Hình 1.3: Cấu trúc phân tử Ozone [7] 18 Hình 1.4: Các hình thức cộng hưởng phân tử ozone [7] 18 Hình 1.5 Cơ chế khơi mào phản ứng ozon hóa ion OH- [7] 19 Hình 1.6: Cơ chế ozon hóa chất M O3 [7] 20 Hình 1.7: Cơ chế Crigge phản ứng ozone [7] 21 Hình 1.8: Sự công lectronphile vào vòng thơm [7] 21 Hình 1.9: Cấu tạo loại đèn UV thủy ngân hay sử dụng [8] 30 Hình 2.1:Thiết kế hệ pilot 46 Hình 2.2: Pilot phòng thí nghiệm 46 Hình 2.3: Cấu tạo thí nghiệm Jartest tiền xử lý keo tụ 48 Hình 3.1: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý nước rỉ rác chất keo tụ PAC 58 Hình 3.2: Hiệu suất xử lý nước rỉ rác keo tụ PAC 60 Hình 3.3: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý COD O3 O3/UV 62 Hình 3.4: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý BOD5 O3 O3/UV 63 Hình 3.5: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý độ màu O3 O3/UV 64 Hình 3.6: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý COD Fenton/UV 66 Hình 3.7: Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý BOD5 Fenton/UV 67 Hình 3.8 : Ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý độ màu Fenton/ UV 68 Hình 3.9: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý COD O3 O3/UV 70 Hình 3.10: Ảnh hưởng thời gian tới BOD5 O3 O3/UV 71 Hình 3.11: Ảnh hưởng thời gian tới xử lý độ màu O3 O3/UV 72 Hình 12: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý COD Fenton/UV 74 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội viii Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Hình 3.13: Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất xử lý BOD5 Fenton/UV 74 Hình 3.14:Ảnh hưởng thời gian tới xử lý độ màu Fenton/UV 75 Hình 3.15: Ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới xử lý COD Fenton/UV 77 Hình 3.16 Ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới xử lý BOD5 Fenton/UV 78 Hình 3.17: Ảnh hưởng tỷ lệ Fe2+/H2O2 tới hiệu suất xử lý độ màu 79 Hình 3.18: Biến động liều lượng O3 đến nồng độ COD nước rỉ rác 80 Hình 3.19: Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến hiệu suất xử lý COD 81 Hình 3.20a: Hàm lượng H2O2 phản ứng theo thời gian 82 Hình 3.20b: Hàm lượng H2O2 phản ứng theo pH 82 Hình 3.21: Ảnh hưởng COD đầu vào tới hiệu suất xử lý O3 83 Hình 3.22: Ảnh hưởng COD đầu vào tới hiệu suất xử lý O3/UV 83 Hình 3.23: Sự thay đổi nồng độ HCO- CO32- theo thời gian phản ứng 85 Hình 3.24: Hàm lượng sắt dư nước rỉ rác sau xử lý 86 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội ix Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Cát, thực hệ pilot 15-20 m3/ngày, Trung tâm Công nghệ Hóa học Môi trường (ECHEMTECH) 12 Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2002), Giáo trình xử lý nước thải, Nxb khoa học kỹ thuật 13 Văn Hữu Tập, Đặng Xuân Hiển (2012), Xử lý chất hữu nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn UV/O3, Kỷ yếu Hội nghị khoa học lần thứ bảy Trường Đại học Koa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tr.95 – 100 TÀI LIỆU TIẾNG ANH 14 APHA - Standard Methods for the Examination of Water and Wastewate, th 20 American Public Health Association, Washington DC, 1995 15 Amokrane, A C Comel and J Veron, 1997 Landfill leachates pretreatment by coagulationflocculation Water Res., 31: 2775-2782 DOI: 10.1016/S0043-1354(97)00147-4 16 C Gottschalk, J.A Libra, A.Saupe (2000), Ozonation of water and waste water, A practical guide to understanding ozone and its application, Wiley-VCH verlag GmbH, D69469 Weiheim (Ferderal Repulicb of Germany),2000 17 Chavalit R and Parinya A (2009), Removal of COD and colour from oldlandfill leachate by Advanced Oxidation Processes, Int.J Environment and Waste Management, vol (No ¾) (2009) pp 470 - 480 18 Clair N Sawyer, Perry L McCarty, Gene F.Parkin (2003), Chemistry for environmentral Engineering and science, fifth edition, Mcraw-Hill 2003 19 Degradability by anaerobic digestion of landfill leachate at benowo in Surab Aya, Proceedings of the International Conference on Solid Waste 2011Moving Towards Sustainable Resource Management, Hong Kong SAR, P.R China, – May 2011 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội 91 Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- 20 Fernando.J Beltra’n, (2004), Ozone reaction kinetics for water and wastewater systems, Lewis Publishers, 2004 21 Asian Institute of Technology, Thailand (2004) and Tongji University,China (2004), State of the Art Review Landfill Leachate Treatment 22 Hamzeh A J, Amir H M, Ramin N., Foorogh V and Ghasem A O (2009), Combination of Coagulation-Flocculation and Ozonation Processes for Treatment of Partially Stabilized Landfill Leachate of Tehran, World Applied Sciences Journal, vol (2009) pp - 15 23 Marco, A., S Esplugas and G Saum (1997) How and why combine chemical and biological processes for wastewater treatment Water Sci.Technol., 35: 321-327 DOI: 10.1016/S0273- 1223(97) 00041-3 24 Miguel Rodríguez (2003), Fenton and UV-vis based advanced oxidation processes in wastewater treatment Degradation, mineralization and biodegradability enhancement, Univesitet de Bacernola, April, 2003 25 Perry, R.H and Green, D.W (1997), Perry’s Chemical Engineers Handbook 7th ed., McGraw-Hill, New York, 1997 With permission 26 Removal of OrganicMatter fromLandfill Leachate by Advanced Oxidation Processes, Hong Kong SAR, P.R China, – May 2011 27 S Renou, J.G Givaudan, S Poulain , F Dirassouyan, P Moulin, Landfill leachate treatment: Review and opportunity, 28 Walter Z.Tang, (2004) Phsicochemical treatment of hazardous wastes, Lewis Publishers, 2004 29 Wang, F., D.W Smith and M.G El-Din, (2003) Application of advanced oxidation methods for landfill leachate treatment - A review, J Environ Eng Sci., 2: 413-427 DOI: 10.1139/s03-058 30 Jeremi Naumczyk, Izabela Prokurat, and PiotrMarcinowski (2012), Landfill Leachates Treatment by H2O2/UV, O3/H2O2, Modified Fenton, and Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội 92 Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Modified Photo-Fenton Methods, Hindawi Publishing CorporationInternational Journal of Photoenergy, Volume 2012, Article ID 909157 31 WeiLi, QixingZhou, and TaoHua (2010), Review Article Removal of Organic Matter from Landfill Leachateby Advanced Oxidation Processes:A review, International Journal of Chemical Engineering, Volume 2010 32 Willy J Masschelein, Ph.D (2002), Ultraviolet Light in Water and Wastewater Sanitation, Lewis Publishers, 2002 Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội 93 Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- PHỤ LỤC Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ " Xử lý nước rỉ rác kỹ thuật ô xy hóa nâng cao sở O3, O3/UV Fenton/UV" – Nguyễn Thị Ngọc Bích- Phụ lục 1: Đặc tính nước rác của một số nước giới [21] Malaysia Trung Quốc Thái lan Ấn độ Sri lanka Thông số Thượng Hải Tuổi Datia nshan Độ kiềm (mg/l) pH - Chloride (mg/L) SS (mg/L) - TS (mg/l) - 7.8 Phitsan ulok 10 - 300-4700 - 7.1-8.3 250 Pathu mthani - 0.01 0.126 Pb (mg/l) 0.08 3.25 Cr (mg/l) 0.046 0.269 Hg (mg/l) - - 3750-9375 7.3-9.3 5.4 - 7.7 8.0-801 119-5856 - 2320-2740 522-853 600-800 111-920 420-1150 40-53 3-124 1848 1256 450 - - - 745 - - 0.17 0.026-1.05 - 0.001-0.05 - 0.72 0.009-0.646 - 16.9 0.001-0.898 - 0.4 0.002-0.018 - - 0.02-1.56 0.25 0.037 0.03-0.45 0.002 - 0.50-1.70 0.07 - Viện Khoa học Công nghệ môi trường – Đại học Bách Khoa Hà Nội 875-2875 280 150-1250 10 420- 1820 23,306 5000-15000 7.8-8.7 3200 3-207 16 USA 800-4,000 4,568 –6786 - Hồng Kông 32304940 7.6-8.1 72-5100 Taman Beringin 10,70011,700 8.1-8.6 - - Cd(mg/l) 1200- 1550 848 300-7150 - 450-3700 6700 1205.5 0.39 - 1,875 3220.5 845.01 16000 - BOD (mg/L) 2090 -