Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm (2017)

Sự hình thành nước rỉ rác Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp.. Nước rỉ rác là loại nước thường bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC NHÔM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường

Người hướng dẫn khoa học

ThS LÊ CAO KHẢI

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em rất nhiều kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực hóa học, đặc biệt là Hóa học Môi trường và cùng đó tạo điều kiện giúp em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS Lê Cao Khải cùng thầy giáo

TS Lê Thanh Sơn, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này kịp tiến độ Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp thu được thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả

Xin cảm ơn các anh chị trong Phòng Công nghệ Hoá lý Môi trường thuộc Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam – số 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp vừa qua để sẵn sàng mọi kiến thức hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng em xin được bày tỏ lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt là những người bạn làm nghiên cứu cùng em trong học kỳ này, đã cùng nhau trao đổi kiến thức và giúp đỡ lẫn nhau trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Do còn hạn chế về trình độ và kinh nghiệm thực tế, nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô và bạn bè để khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 26 tháng 5 năm 2017

Khiếu Thị Ngọc Mai

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

BOD5 Nhu cầu oxy sinh học

BCL Bãi chôn lấp

COD Nhu cầu oxy hóa học

DO Lượng oxy hòa tan trong nước

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn 5Bảng 1.2 Thành phần và tính chất nước rỉ rác của các bãi chôn lấp mới và lâu năm 6Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ 8Bảng 2.1 Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau 40Bảng 2.2 Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau 44Bảng 2.3 Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau 48Bảng 3.1 Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các cường độ dòng điện khác nhau (mg/l) 50Bảng 3.2 Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các cường độ dòng điện khác nhau (mg/l) 52Bảng 3.3 Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các khoảng cách điện cực khác nhau (mg/l) 53Bảng 3.4 Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các khoảng cách điện cực khác nhau (mg/l) 54Bảng 3.5 Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện pH khác nhau (mg/l) 57Bảng 3.6 Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện pH khác nhau (mg/l) 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 14

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể SBR 20

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO 21

Hình 1.4 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ 24

Hình 2.1 Máy khuấy từ gia nhiệt (AHYQ, model 85-2, Trung Quốc) 32

Hình 2.2 Nguồn một chiều (DC REULATED POWER SUPPLY - QJ3020S – 0 ~ 30V 20A) 33

Hình 2.3 Kẹp điện cực 33

Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế bể keo tụ điện hóa 34

Hình 2.5 Hệ thống thí nghiệm bể keo tụ điện hóa 35

Hình 2.6 Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO2- bằng đo quang 40

Hình 2.7 Thí nghiệm đun cách thủy mẫu 43

Hình 2.8 Mẫu được chuyển sang bình định mức 25 ml 43

Hình 2.9 Hình ảnh Cuvet và máy trắc quang 44

Hình 2.10 Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO3- bằng đo quang 45

Hình 2.11 Màu của amoni sau 60 phút 47

Hình 2.12 Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NH4+ bằng đo quang 48

Hình 3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NO3- 50

Hình 3.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NH4+ 52

Hình 3.3 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NO3- 54

Hình 3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NH4+ 55

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NO3- 58

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NH4+ 60

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nước rỉ rác 3

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác 3

1.1.2 Đặc điểm nước rỉ rác 4

1.1.2.1 Thành phần và tính chất nước rỉ rác 4

1.1.2.2 Các yếu tổ ảnh hưởng đến thành phần tính chất nước rỉ rác 7

1.1.3 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước 11

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác 13

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước rỉ rác 13

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác 17

1.2.3 Tác hại của Nitơ trong nước rỉ rác 18

1.2.3.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng 18

1.2.3.2 Tác hại ô nhiễm Nitơ đối với môi trường 19

1.2.4 Một số công nghệ xử lý Nitơ trong nước rỉ rác 19

1.2.4.1 Aeroten hoạt động theo mẻ (SBR) 19

1.2.4.2 Bể AO (Anoxic-Oxic) 21

1.3 Tổng quan về công nghệ keo tụ điện hóa 22

1.3.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa 22

1.3.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa 23

1.3.2.1 Cấu tạo 24

1.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động 24

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa 26 1.3.4 Ưu, nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa 27

1.3.5 Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường 28

1.3.5.1 Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở trong nước 28

1.3.5.2 Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở ngoài nước 29

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 32

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 32

2.2 Hệ thí nghiệm keo tụ điện hóa 32

2.2.1 Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm 32

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm 36

2.3 Các nội dung nghiên cứu 36

2.3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian 37

2.3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực 37

2.3.3 Ảnh hưởng của pH 37

2.4 Phương pháp phân tích chỉ tiêu Nitơ trong mẫu thu được sau khi xử lý bằng công nghệ keo tụ điện hóa 38

2.4.1 Xác định Nitrit 38

2.4.1.1 Phương pháp xác định Nitrit 38

2.4.1.2 Cách tiến hành 39

2.4.1.3 Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả 39

2.4.2 Xác định Nitrat 40

2.4.2.1 Phương pháp xác định Nitrat 40

2.4.2.2 Cách tiến hành 41

2.4.2.3 Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả 44

2.4.3 Xác định Amoni 45

2.4.3.1.Phương pháp xác định 45

2.4.3.2 Cách tiến hành 46

2.4.3.3 Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý Nitơ 49

3.1.1 Hiệu suất xử lý NO3- 49

3.1.2 Hiệu suất xử lý NH4+ 52

3.2.1 Hiệu suất xử lý NO3- 53

3.2.2 Hiệu suất xử lý NH4+ 54

3.3 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng xử lý Nitơ 56

3.3.1 Hiệu suất xử lý NO3- 57

3.3.2 Hiệu suất xử lý NH4+ 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Xã hội ngày càng phát triển nhờ những tiến bộ của khoa học kĩ thuật, cuộc sống của con người được trợ giúp nhiều hơn nhờ các loại máy móc tân tiến Tuy nhiên, kéo theo đó là một số hệ lụy mà chúng ta không thể coi thường Và một trong số đó là vấn đề rác thải Vấn đề rác thải hiện nay đang

là một nguy cơ nghiêm trọng đối với con người, không có quốc gia nào tránh khỏi việc buộc phải đối mặt với nguy cơ này, nhất là các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam Hiện nay, lượng rác thải phát sinh, thải ra môi trường ngày một tăng nhanh về số lượng Đặc biệt, hầu hết nước rỉ rác đều phát thải trực tiếp vào môi trường, khuếch tán mầm bệnh gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người Nó bốc mùi hôi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet,

có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt Và ô nhiễm gây bởi nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp tập trung trở thành vấn đề nóng hàng chục năm nay

Nước rỉ rác sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển rất độc hại, chứa nhiều chất ô nhiễm như khí Nitơ, Amoniac, kim loại nặng, các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh, BOD, COD hàm lượng cao…

có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nếu thấm vào đất, sẽ gây

ô nhiễm trầm trọng nguồn nước ngầm và đất, nếu chảy vào kênh, nó sẽ hủy hoại môi trường thủy sinh ở khu vực đó… Hàm lượng Nitơ cao là chất dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong, rêu, tảo,… gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) trong nước NH3 cao còn độc đối với thủy sinh Vì vậy, xử lý Nitơ trong nước rỉ rác

là vấn đề cần quan tâm

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp xử lý và các công trình xử lý nước rỉ rác nhưng việc ứng dụng vào thực tế còn rất hạn chế

Xuất phát từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường,

đặc biệt là môi trường nước bước đầu em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý

Nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm”

Mục đích nghiên cứu

- Nắm bắt được công nghệ keo tụ điện hóa xử lí nước rỉ rác

- Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian lưu nước, ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực, ảnh hưởng của pH đến quá trình

xử lý Nitơ trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa điệc cực Nhôm, từ đó lựa chọn được điều kiện tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội

- Phạm vi thực hiện: Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm phòng Công nghệ Hóa lý môi trường – Viện công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước rỉ rác

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác

Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình

lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp Do được sinh ra từ rác thải, loại nước thải này rất độc hạị, chứa nhiều chất ô nhiễm như khí Nitơ, amoniac, kim loại nặng, các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh, BOD, COD hàm lượng cao… có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nước rỉ rác

là loại nước thường bị ô nhiễm nặng bởi các chất nguy hại nên thành phần hóa học của nước rỉ rác cũng rất khác nhau và phụ thuộc vào thành phần rác đem chôn cũng như thời gian chôn lấp

Các nguồn chính tạo ra nước rò rỉ bao gồm quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ, sản phẩm là nước và trở thành nước rác, nước từ phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép Việc mất đi của nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi theo khí và nước thoát ra từ đáy bãi chôn lấp (nước rò rỉ)

Lượng nước rác sinh ra phụ thuộc vào:

- Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu, lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến nước rác sinh ra

- Khu vực chôn lấp

- Độ ẩm chất thải chôn lấp

- Kĩ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt

* Phân loại nước rỉ rác

Theo đặc điểm và tính chất, nước rác được phân làm 2 loại:

- Nước rác tươi, nước rác khi không có mưa

- Nước rác khi có nước mưa: mưa thấm qua bãi rác và hòa lẫn nước rác

Theo đặc điểm hoạt động của bãi chôn lấp:

- Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ, đã đóng cửa hoặc ngừng hoạt động, thành phần, tính chất của loại nước rác này phụ thuộc vào thời gian đã đóng bãi, mức độ phân hủy các thành phần hữu cơ trong bãi rác

- Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp đang hoạt động hoặc ngừng vận hành

1.1.2 Đặc điểm nước rỉ rác

1.1.2.1 Thành phần và tính chất nước rỉ rác

Hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm, chất thải rắn đã được ổn định do các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã được phân hủy hầu như hoàn toàn, các chất vô cơ đã bị cuốn trôi đi Trong bãi chôn lấp mới, thông thường pH thấp, các thành phần như BOD5, COD, chất dinh dưỡng kim loại nặng, TDS có hàm lượng rất cao Khi các quá trình sinh học trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan hóa thì pH tăng lên (6,8 – 8,0), đồng thời BOD5, COD, TDS và nồng độ các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) thấp hơn Hàm lượng kim loại nặng giảm vì

pH tăng thì hầu hết các kim loại ở trạng thái kém hòa tan [1]

Khả năng phân hủy của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian Khả năng phân hủy sinh học có thể xét thông qua tỉ lệ BOD5/COD trong khoảng 0,4 – 0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nước rác dễ phân hủy sinh học Trong các bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm, tỉ lệ BOD5/COD rất thấp, khoảng 0,005 – 0,2 Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều axit Humic và axit Fulvic khó phân hủy sinh học [1,7]

Chất lượng nước rỉ rác có sự thay đổi lớn và liên quan trực tiếp đến sự thay đổi lượng mưa, thành phần chất thải rắn, tuổi bãi chôn lấp và mùa Các chất ô nhiễm chính trong nước rỉ rác và tuổi bãi chôn lấp được tổng hợp từ

nguồn [7,16] và được thể hiện ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn

Ghi chú (-): không đánh giá

Như vậy, thành phần nước rỉ rác khác nhau theo tuổi bãi chôn lấp Các

Thông số Đơn vị

Tuổi bãi chôn lấp

Mới (0 – 5 năm) Trung bình (5 – 10

năm) Cũ ( > 10 năm) BCL

Tatyana

BCL Barjinder

BCL Tatyana

BCL Barjinder

BCL Tatyana

BCL Barjinder

pH - < 6,5 6,5 6,5-7,5 6,5-7,5 >7,5 > 7,5

COD mg/l >20.00

0 <10.000

5.000

3.000-10.000 <5000 <4000 BOD5/CO

40.000-D - > 0,3 > 0,3 0,1–0,3 0,1–0,3 < 0,1 < 0,1 Axit béo dễ

bãi chôn lấp có tuổi càng trẻ (< 5 năm) thì nồng độ các chất ô nhiễm càng cao (COD > 10.000 mg/l), chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học,

pH thấp hơn 6,5 Tuổi bãi chôn lấp càng cao thì pH càng tăng và nồng độ các chất ô nhiễm càng giảm nhưng lại khó phân hủy sinh học vì chứa chủ yếu các hợp chất hữu cơ bền vững

Thành phần và tính chất nước rò rỉ còn phụ thuộc vào các phản ứng lý, hóa, sinh xảy ra trong bãi chôn lấp Các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi chôn lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ từ chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được chia thành các nhóm chủ yếu sau:

- Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 - 20°C

- Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 - 40°C

- Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 - 70°C

Bảng 1.2 Thành phần và tính chất nước rỉ rác của các bãi chôn lấp mới và

Thành phần

Giá trị, mg/l

Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm (>10

năm) Khoảng Trung bình

Rác được chôn trong bãi chôn lấp chịu hàng loạt các biến đổi lý, hóa, sinh cùng lúc xảy ra Thành phần chất ô nhiễm trong nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chôn lấp, chiều sâu bãi chôn lấp,… ta sẽ lần lượt xét qua các yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rỉ rác

* Thời gian chôn lấp

Tính chất nước rò rỉ thay đổi theo thời gian chôn lấp Nhiều nghiên cứu

cho thấy rằng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rò rỉ là một hàm theo thời gian Theo thời gian nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác giảm dần Thành phần của nước rò rỉ thay đổi tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học đang diễn ra Sau giai đoạn hiếu khí ngắn (một vài tuần hoặc kéo dài đến vài tháng), thì giai đoạn phân hủy yếm khí tạo ra axit xảy ra và cuối cùng là quá trình tạo ra khí Metan Trong giai đoạn axit, các hợp chất đơn giản được hình thành như các axit dễ bay hơi, Amino Axit

và một phần Fulvic với nồng độ nhỏ

Khi rác được chôn càng lâu, quá trình metan hóa xảy ra Khi đó chất thải rắn trong bãi chôn lấp được ổn định dần, nồng độ ô nhiễm cũng giảm dần theo thời gian Giai đoạn tạo thành khí Metan có thể kéo dài đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa

Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA)

cao

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp

pH nghiêng về tính axit pH trung tính hoặc kiềm

Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao Nồng độ NH4+ thấp

Vi sinh vật có số lượng lớn Vi sinh vật có số lượng nhỏ

Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim

loại nặng cao

Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim loại nặng thấp

Nguồn: Tchobanoglos và cộng sự 1993 [12]

* Thành phần và các biện pháp xử lý sơ bộ chất thải rắn

Rõ ràng thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng nhất tác động đến tính chất nước rò rỉ Khi các phản ứng trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải

rắn sẽ bị phân hủy Do đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rò rỉ cũng có các đặc tính tương tự Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất độc hại thì nước rác cũng chứa nhiều thành phần độc hại

Các biện pháp xử lý hoặc chế biến chất thải rắn cũng có những tác động đến tính chất nước rác Chẳng hạn như, các bãi rác có rác không được nghiền nhỏ Bởi vì, khi rác được cắt nhỏ thì tốc độ phân hủy tăng lên đáng kể so với khi không nghiền nhỏ rác Tuy nhiên, sau một thời gian dài thì tổng lượng chất ô nhiễm bị trôi ra từ chất thải rắn là như nhau bất kể là rác có được xử lý

sơ bộ hay không

* Chiều sâu bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng bãi chôn lấp có chiều sâu chôn lấp càng lớn thì nồng độ chất ô nhiễm càng cao so với các bãi chôn lấp khác trong cùng điều kiện về lượng mưa và quá trình thấm Bãi rác càng sâu thì cần nhiều nước để đạt trạng thái bão hòa, cần nhiều thời gian để phân hủy

Do vậy, bãi chôn lấp càng sâu thì thời gian tiếp xúc giữa nước và rác sẽ lớn hơn và khoảng cách di chuyển của nước sẽ tăng Từ đó quá trình phân hủy

sẽ xảy ra hoàn toàn hơn nên nước rò rỉ chứa một hàm lượng lớn các chất ô nhiễm

* Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi

Độ dày và khả năng chống thấm của vật liệu phủ có vai trò rất quan trọng trong ngăn ngừa nước thấm vào bãi chôn lấp làm tăng nhanh thời gian tạo nước rò rỉ cũng như tăng lưu lượng và pha loãng các chất ô nhiễm từ rác vào trong nước Khi quá trình thấm xảy ra nhanh thì nước rò rỉ sẽ có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ Quá trình bay hơi làm cô đặc nước rác và tăng nồng độ ô nhiễm Nhìn chung các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, địa hình, vật liệu phủ, thực vật phủ

* Độ ẩm rác và nhiệt độ

Độ ẩm thích hợp các phản ứng sinh học xảy ra tốt Khi bãi chôn lấp đạt trạng thái bão hòa, đạt tới khả năng giữ nước FC, thì độ ẩm trong rác là không thay đổi nhiều Độ ẩm là một trong những yếu tố quyết định thời gian nước rò

rỉ được hình thành là nhanh hay chậm sau khi rác được chôn lấp Độ ẩm trong rác cao thì nước rò rỉ sẽ hình thành nhanh hơn

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất nước rò rỉ Khi nhiệt độ môi trường cao thì quá trình bay hơi sẽ xảy ra tốt hơn là giảm lưu lượng nước rác Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì các phản ứng phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp càng diễn ra nhanh hơn làm cho nước rò rỉ có nồng độ ô nhiễm cao hơn

* Ảnh hưởng từ bùn cống rãnh và chất thải độc hại

Việc chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với bùn cống rảnh và bùn của trạm

xử lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rò rỉ Bùn sẽ làm tăng độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rò rỉ

Đồng thời chất dinh dưỡng và vi sinh vật từ bùn được chôn lấp sẽ làm tăng khả năng phân hủy và ổn định chất thải rắn Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, việc chôn lấp chất thải rắn cùng với bùn làm hoạt tính metan tăng lên, nước rò ri có pH thấp và BOD5 cao hơn

Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất

ức chế như kim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật Đồng thời, theo thời gian các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rò rỉ và khí thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rác

1.1.3 Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước

a Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trên thế giới

Billa và cộng sự (2005) [8] đã đánh giá hiệu quả xử lí nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị Gramacho ở Rio De Janeiro, Brazil Nước rỉ rác

có tỉ lệ BOD5/COD thấp 0,05 Ozon được sử dụng để nâng cao khả năng xử lí sinh học nước rỉ rác sau quá trình keo tụ Sau keo tụ bằng Al2(SO4)3 ở giai đoạn 1, COD và DOC giảm tương ứng 40 và 25% Quá trình xử lí bằng ozon sau đó đã làm tăng tỉ lệ BOD5/COD từ 0,05 lên 0,3 và đã xử lí được tương ứng 73% COD và 63% DOC với lượng O3 tiêu tốn là 3g/l nước rỉ rác

Ntampou và cộng sự (2006) [15] đã sử dụng ozon và keo tụ để xử lí nước rỉ rác từ bãi chôn lấp chất thải rắn Thessaloniki (Hy Lạp) Tác giả đã sử dụng hai quá trình (ozon/keo tụ và keo tụ/ozon) để xử lí nước rỉ rác Kết quả cho thấy, xử lí bằng ozon/keo tụ không đạt được hiệu suất cao mà hiệu suất cao chỉ đạt được ở hệ keo tụ/ozon COD giảm từ 1.000 mg/l xuống dưới 180 mg/l Tuy nhiên, thời gian phản ứng và hàm lượng ozon tiêu tốn tương ứng

240 phút và 2 g/h cho 500 ml nước rỉ rác với hàm lượng COD nước rỉ rác là 1.000 mg/l

Tiazui cùng cộng sự (2007) [18] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp ozon hóa và ozone kết hợp với hydrozen peroxide để xử lý nước rỉ rác tại Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và màu sắc tối Với nồng độ khí ozon đầu vào 80 g/m3, COD ban đầu 5.230 mg/l Hiệu suất xử lí nước rỉ rác tăng gấp đôi (từ 25% lên 48%) khi kết hợp

O3/H2O2 với nồng độ 2g H2O2/l, thời gian phản ứng 60 phút, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,1 lên 0,7 ở hệ thí nghiệm O3/H2O2 Các tác giả cũng tính chi phí để

xử lí là 2,3 USD/kg COD

Nghiên cứu xử lí nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp keo tụ và ozon được thực hiện bởi Jamali và cộng sự (2009) [13] COD nước

rỉ rác trước xử lí 130.000 mg/l Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lí COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,36 lên 0,45, hiệu suất xử lí độ màu đạt cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O3 là 180g

O3/l nước rỉ rác Tác giả cũng khẳng định việc kết hợp keo tụ và ozon xử lí nước rỉ rác không mang lại hiệu quả cao và cần được xử lí tiếp bằng than hoạt tính hay lọc màng

Top và cộng sự [19] đã nghiên cứu xử lí nước rỉ rác của một nhà máy tại Instanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc màng nano Nồng độ trung bình của COD, Nitơ tổng (TKN) và amoni trong nước rỉ rác ban đầu có giá trị lần lượt là 6200, 587,5 và 110 mg/L Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện hợp lí là 15,9 mA/cm2 và thời gian

xử lí hợp lí là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ photpho, tương ứng là 45%, 60% và 91,8%

b Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong nước

Xử lí nước rỉ rác ở Việt Nam mới được quan tâm trong những năm gần đây, vì thế những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều Vấn đề xử lí nước rỉ rác ở nước ta chưa được giải quyết triệt để là do ở phần công nghệ chỉ dựa vào quá trình phân hủy sinh học là chính, các quá trình này chưa đủ mạnh để phân hủy những phần ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy và bền vững trong nước

rỉ rác Trên phương diện nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, cho đến nay đã có một số nghiên cứu xử lí nước rỉ rác được triển khai:

Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp (2008) [4] đã nghiên cứu “Tuần hoàn nước rỉ rác và phân hủy vi sinh trong môi trường sunphat trong công nghiệp chôn lấp rác thải sinh hoạt giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước rỉ rác”; Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp (2010) [5] với công trình “Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rỉ rác bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp” đã cho thấy, khi chôn lấp rác

thải sinh hoạt có thành phần lignin tới 12,5% trọng lượng khô làm phát thải khí metan không có lợi về kinh tế và môi trường Với việc bổ sung thêm môi trường sunphat nhằm tạo điều kiện để phân hủy thành phần hữu cơ thể rắn trong rác chuyển sang dạng lỏng trong nước rỉ rác, vô cơ hóa thành phần chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác Trong môi trường sunphat,

hệ thống chỉ thực sự phát huy tác dụng từ ngày thứ 95 của chu trình chôn lấp rác Ngoài ra nhóm tác giả cũng đã cho thấy rằng việc tuần hoàn nước rỉ rác tạo khả năng oxi hóa – khử mạnh hơn cho môi trường phân hủy vi sinh các chất hữu cơ trong rác ở thể rắn và vô cơ hóa chất hữu cơ ở thể lỏng

Nguyễn Hồng Khánh (2007) [3] đã nghiên cứu so sánh các công nghệ ở trong và ngoài nước về xử lý nước rỉ rác, trên cơ sở đó tác giả đã đề xuất công nghệ xử lý nước rỉ rác cho các bãi chôn lấp trên địa bàn thành phố Hà Nội Từ nghiên cứu này, tác giả đã đề xuất công nghệ xử lý nước rỉ rác cho bãi chôn lấp Nam Sơn và với đối tượng nước rỉ rác cũ là áp dụng kĩ thuật SBR cải tiến (vừa mang tính mẻ kế tiếp giai đoạn nhưng lại có thể vận hành liên tục) và giai đoạn cuối cùng là oxi hóa bằng fenton

1.2 Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác

1.2.1 Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước rỉ rác

Trong nước rỉ rác, các hợp chất của Nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, Amoni và các hợp chất dạng oxi hóa (Nitrit và Nitrat) Các hợp chất Nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hóa

Hình 1.1 Chu trình Nitơ trong tự nhiên

Hợp chất hữu cơ chứa Nitơ là một phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần phân hủy protein như là các peptit, axit amin, ure

Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng Nitơ amoni (NH4+) trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thải khác có thể rất cao Các tác nhân gây ô nhiễm Nitơ trong nước thải công nghiệp: chế biến sữa, rau quả, đồ hộp, chế biến thịt, sản xuất bia rượu, thuộc

da Trong nước thải sinh hoạt Nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nguồn Nitơ chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xả vào

hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12g Nitơ tổng số

Trong số đó, Nitơ trong ure (N-CO(NH2)2) là 0,7g, lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước là

Cố định Nitơ

7g/ng.ngày còn lại là các loại Nitơ khác [23]

* Các quá trình oxi hóa và khử của Nitơ trong nước rỉ rác

Phương pháp xử lý Nitơ trong nước rỉ rác được thực hiện qua hai quá trình nối tiếp là Nitrat hóa và khử Nitrat Trong đó quá trình Nitrat hóa chuyển hóa Amoni thành Nitrat, còn quá trình khử Nitrat chuyển Nitrat thành Nitơ tự do N2

Quá trình Nitrat hóa

* Vi sinh vật và điều kiện của quá trình Nitrat hóa

Vi sinh vật của quá trình Nitrat hóa thuộc hai nhóm vi sinh vật:

Nitrosomonas và Nitrobacter Đây là vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vì chúng

nhận được năng lượng do sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào phần lớn từ quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon vô cơ (HCO3- là chính) và Nitơ vô cơ Ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh oxy (Vi khuẩn hiếu khí)

Cả 2 nhóm vi sinh vật này đều có những yêu cầu khá đặc trưng đối với các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc

độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng

Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm

chức năng chuyển hóa NO2- thành NO3-

* Cơ chế của quá trình Nitrat hóa:

Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được viết như sau:

NH4+ + 1,5 O2 NO2- + 2 H+ + H2O (1)

NO2- + 0,5 O2 NO3- (2) Phương trình tổng

NH4+ + 2O2 NO3- + 2 H+ + H2O (3) Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và

Nitrosomonas

Nitrobacte

r VSV

Quá trình khử Nitrat hóa

* Vi sinh vật và điều kiện của quá trình Nitrat hóa

Khác với quá trình Nitrat hóa, quá trình khử Nitrat hóa sử dụng oxy từ

Nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí) Các vi khuẩn ở đây là vi khuẩn dị dưỡng

nghĩa là cần nguồn cacbon hữu cơ để tạo nên sinh khối mới

Quá trình khử Nitrat là tổng hợp của 4 phản ứng nối tiếp nhau:

Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình khử

Nitrat Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacillius denitrificans, Microcous

denitrificans, Pseudomonas stutzeri và Achrommobacter, Paracocus, Spirilum và Thiobacilus,… Phần lớncác vi khuẩn này là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ oxy hóa để tổng hợp tế bào mới

Chỉ có Thiobacilus denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ S nguyên tố

để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới

Cơ chế quá trình khử Nitrat

VSV

Các phương trình tỉ lượng của quá trình khử Nitrat hóa phụ thuộc vào bản chất của nguồn cacbon sử dụng như sau:

6NO3- + 5CH3OH 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH

-8NO3- + 5CH3COOH 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH

-8NO3- + 5CH4 4N2 + 5CO2 + 6H2O + 8OH-

10NO3- + C10H19O3N 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OH

-NO3- + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3 0,056C5H7NO2 + 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3-

Khi kết hợp quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat có các ưu điểm sau:

- Giảm thể tích khí cần cung cấp cho quá trình Nitrat hóa và khử BOD5

- Không cần bổ sung nguồn cacbon cho quá trình khử Nitrat

- Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình

- Có khả năng khử 60 – 80% tổng lượng Nitơ trong nước rỉ rác

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác

* Nguồn gốc tự nhiên

Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng: các hiện tượng xói mòn, xâm thực, hiện tượng sét trong tự nhiên xảy ra giải phóng các hợp chất của Nitơ dẫn tới các quá trình Nitrat hóa, Nitrit hóa Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên, các hợp chất này có khả năng được đồng hóa và đưa về trạng thái cân bằng

* Nguồn gốc nhân tạo

Sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực

vật đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới nguồn nước hoặc do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ càng làm đẩy nhanh quá trình nhiễm Nitrat, Nitrit trong nước

Quá trình khoan khai thác nước diễn ra phổ biến cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm do lượng nước bị khai thác lớn mà lượng nước mới chưa kịp bổ sung dẫn tới quá trình xâm thực được đẩy mạnh, nước ngầm được bổ sung bằng việc thấm từ nguồn nước mặt xuống Do các hoạt động của nguồn trên đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ các chất Nitơ trong nước bề mặt Các chất này theo nước mặt thấm xuyên từ trên xuống hoặc thấm qua sườn các con sông, xâm nhập vào nước ngầm dẫn tới tình trạng tăng nồng độ hợp chất Nitơ

1.2.3 Tác hại của Nitơ trong nước rỉ rác

1.2.3.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

Nitơ tồn tại trong nước rỉ rác có thể ngấm vào đất ảnh hưởng đến nguồn nước và gây nên hiệu ứng trong môi trường Sự có mặt của Nitơ trong nước

có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng Khi trong nước thải có nhiều amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước Khi làm lượng oxy hòa tan trong nước cao cộng thêm hàm lượng photpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hòa tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ

Khi xử lý Nitơ trong nước rỉ rác không tốt để hợp chất Nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitơ tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các Nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với Nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng làm pha sữa Khi lọt vào cơ thể, Nitrat chuyển hóa thành Nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion này

còn nguy hiểm hơn Nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các Amin hay Alkyl Cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể oxy hóa Sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hemoglobin làm giảm lượng oxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

1.2.3.2 Tác hại ô nhiễm Nitơ đối với môi trường

Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng Do đó nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù

du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S,

CH4, CO2,… tiêu diệt nhiều sinh vật có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước

Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H2S Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư

1.2.4 Một số công nghệ xử lý Nitơ trong nước rỉ rác

1.2.4.1 Aeroten hoạt động theo mẻ (SBR)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể SBR

Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bể bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, lắng tĩnh, xả nước và xả bùn

Trong bước 1, khi nạp nước thải vào bể, nước thải sẽ được trộn với bùn hoạt tính được lưu lại ở chu kỳ trước Sau đấy, hỗn hợp nước thải và bùn được sục khí ở bước 2 với thời gian thổi khí đúng như thời gian yêu cầu Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ sẽ được oxi hóa trong giai đoạn này Bước 3 là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh Sau đó nước trong nằm phía trên lớp bùn sẽ được xả ra khỏi bể Bước cuối cùng là xả lượng bùn dư được hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn

bể, và các ngăn bể khác hoạt động lệch pha nhau để đảm bảo cho việc cung cấp nước thải vào trạm xử lý được diễn ra liên tục

Công trình hoạt động gián đoạn có chu kỳ, các quá trình trộn nước thải với bùn, lắng bùn cặn, diễn ra gần giống điều kiện lý tưởng nên hiệu quả xử

lý nước thải cao BOD nước thải sau xử lý thường thấp hơn 20mg/l

Hệ thống SBR có thể khử được N, P sinh hóa do có thể điều chỉnh được quá

trình hiếu khí, thiếu khí, kị khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp oxi

* Ưu, nhược điểm của công trình:

Hình 1.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO

Bể A-O là công trình xử lý sinh học dựa trên quá trình bùn hoạt tính, gồm 2 ngăn thiếu khí và hiếu khí

Tại ngăn Oxic: Nước thải được xáo trộn với các vi sinh vật hiếu khí nhờ hệ thống cấp không khí Quá trình này tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng và phát triển Trong quá trình tiếp xúc đó, vi sinh vật hiếu khí lấy các chất ô nhiễm có trong nước thải (COD, BOD, Nitơ, photpho, kim loại nặng,…) làm thức ăn của chúng, làm tăng sinh khối và kết thành các bông bùn Quá trình oxy hóa NH4+ → NO3- diễn ra tại ngăn này

Tại đây dưới sự tác động của sinh vật hiếu khí, và hệ thống phân phối khí trong bể các chỉ tiêu COD, BOD được xử lý hiệu quả 92 – 98% làm tăng chỉ số oxy hòa tan trong nước (DO) Mức duy trì chỉ số DO trong ngăn Oxic luôn ở mức 1,5 – 2 mg/l

Tại ngăn Anoxic: Khử Nitơ tổng thông qua quá trình thiếu khí

(Anoxic), ở đây NO3- được chuyển hóa thành N2 khi không có mặt Oxy hoặc

có với mật độ thấp Đây là quá trình bắt buộc nhằm giảm được Nitơ trong nước thải

* Ưu, nhược điểm của công trình:

Bể AO có nhiều ưu điểm và có tính ứng dụng cao Ngày này một số công nghệ xử lý nước thải mới được đưa ra dựa trên nguyên lý hoạt động của

bể AO như công nghệ AO kết hợp màng lọc sinh học MBR hay sử dụng các giá thể vi sinh vật sinh trưởng dính bám MBBR [24]

1.3 Tổng quan về công nghệ keo tụ điện hóa

1.3.1 Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa

Phương pháp keo tụ tạo bông là một phương pháp hóa lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải nhằm xử lý màu nước, loại bỏ các chất rắn ở dạng lơ lửng, chất hòa tan… bằng các chất keo tụ (phèn nhôm) Al2(SO4)3

hoặc phèn sắt FeCl3 hay FeSO4 và các chất trợ keo tụ như polymer, PAC… tạo nên những bông cặn có kích thước lớn sẽ lắng xuống đáy

Trong khi keo tụ hóa học sử dụng trực tiếp các chất keo tụ như: Al2(SO4)3, FeSO4, FeCl3 cho vào trong nước để tạo nên những bông cặn có kích thước lớn lắng xuống đáy thì keo tụ điện hóa là quá trình điện hóa học, sử dụng dòng điện để ăn mòn điện cực dương (thường là nhôm hoặc sắt) để giải phóng

ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+) vào trong môi trường nước thải.

Keo tụ điện hóa là một phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải,

trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực dương (thường sử dụng

là Nhôm hoặc Sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc Fe3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các

phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold, Barton và Mitchell,

2004)

Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Theo Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa BegumAnantharaman (2006), phương pháp keo tụ điện hóa có các đặc điểm sau đây:

- Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện một chiều

- Các điện cực dương được sử dụng thường là bằng nhôm hoặc sắt Tùy vào giá trị pH và đặc tính của nước thải ở từng trường hợp cụ thể mà xác định xem điện cực nào là cực dương, điện cực nào là cực âm

- Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau

- Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước thải, để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất

- Bể keo tụ điện hóa có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước thải đầu vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước thải chỉ được nạp một lần (theo mẻ)

Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), keo tụ điện hóa là phương pháp giao thoa của ba quá trình: điện hóa học, tuyển nổi điện phân và keo tụ

1.3.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa

Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong cả hai điều kiện nạp nước là liên tục và theo mẻ

1.3.2.1 Cấu tạo

Bể gồm có các phần chính: ống dẫn nước đầu vào, thân bể hình hộp chữ nhật, hệ thống các điện cực và bộ phận gạt váng bọt, bùn cặn, phao và ống thu nước đầu ra, hố chứa bùn và ống thu bùn

1.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Nước thải đầu vào cho vào bể một lần với thể tích đã được xác định Nước thải phải làm ngập các hệ điện cực ở trong bể

Hình 1.4 Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ

Khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại Do đó, các điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ giải phóng ra các cation ( Fe2+, Fe3+ hoặc

Al3+) Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải Fe(II) được chuyển thành Fe(III), Fe(III) cùng với Al(III) bị thủy phân tạo ra chất kết tủa kéo theo các hạt lơ lửng có kích thước nhỏ lắng xuống tạo ra bông cặn

pH càng thấp: AlO2- tạo thành muối, phản ứng (1) không xảy ra

pH cao: thì có xu hướng chống lại không tạo kết tủa Al mà tạo muối AlO2- Vì thế cần một nồng độ pH thích hợp

* Đối với dung dịch nước rỉ rác có pH = 5 – 7, khi điện phân do sự thoát khí

O2 trên anot, H2 trên catot, nhôm ion bị thủy phân nên pH dung dịch thấp, thành phần chủ yếu là Al(OH)2+ và Al(OH)2+ ngoài ra còn có Al3+ và Al(OH)3 Nếu dung dịch có tính axit, hàm lượng phức hydroxo tích điện dương khá cao, chúng nằm phân tán, chậm liên kết lại để tạo hạt keo lớn hơn

* Khi tăng pH > 6, ion Al3+ vừa hình thành sẽ bị thủy phân hoàn toàn, phức hydroxo Al(OH)2+, Al(OH)2+ tiếp tục thủy phân, sản phẩm thủy phân là Al(OH)3 Đến pH = 7 – 8, Al(OH)3 đạt nồng độ cực đại Như vậy khi tăng pH, hàm lượng các hạt keo dương giảm dần, các sản phẩm thủy phân dễ liên kết lại với nhau hơn tạo thành các hạt keo lớn hơn Thứ tự các phản ứng thủy phân như sau:

Trong điện trường, H+ chuyển về catot sẽ trung hòa các ion OH- chuyển

từ catot sang anot, giúp cho quá trình thủy phân hình thành các hydroxo dễ dàng

Trong khoảng pH = 5,7 – 7,0 các thành phần chính là Al(OH)2+, Al(OH)2+… và Al(OH)3 Tăng pH và thời gian điện phân, các phân tử đó liên

kết tạo các hạt đa nhân [2]

Tiếp theo, các váng bọt ở phía trên và các bông cặn ở phía dưới đáy bể

sẽ được thu gom bằng hệ thống các thanh gạt Nhưng chúng không được gạt một cách liên tục như bể keo tụ điện hoá hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục mà sẽ được gạt một lần duy nhất vào những phút cuối của thời gian lưu (mục đích là để cô đặc bùn) Sau đó, bùn sẽ được đưa ra khỏi bể bởi những ống xả Nước thải đầu ra sẽ được thu bởi hệ thống phao nổi và ống thu Sau đó, nước thải được dẫn qua các đơn vị xử lý tiếp theo

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa

Do bể keo tụ điện hoá là phương pháp giao thoa giữa ba phương pháp: keo tụ - điện hoá học - tuyển nổi điện phân nên các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa sẽ tương đồng với các bể ở trên

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể keo tụ điện hoá: + Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao

+ Vật liệu các điện cực: (tan hoặc không tan) tốt nhất là các điện cực dương bằng nhôm hay sắt, còn điện cực âm thì là kim loại khác nhôm hoặc sắt và phải đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa

+ Khoảng cách giữa các điện cực

+ Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất,… Các yếu tố này nên được xác định bằng thực nghiệm

+ Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá trình thủy phân Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn chế

Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 - 7,5 Đối với trường hợp cực tan là sắt thì phản ứng xảy ra khi pH > 3,5

và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5

+ Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao Độ đục của nước càng cao, thì ảnh hưởng của nước càng rõ rệt Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng cực tan là nhôm vào khoảng 20 – 40oC, tốt nhất là 35 – 40oC Đối với cực tan là sắt thì khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 0oC vẫn có thể dùng phèn sắt làm chất keo tụ

1.3.4 Ưu, nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Phương pháp keo tụ điện hoá có các ưu điểm sau:

+ Thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ dàng vận hành

+ Bông cặn được hình thành dễ dàng, có khả năng cô đặc bùn tốt

+ Có thể loại bỏ nhiều thành phần khác nhau trong nước thải như: chất rắn lơ lửng nhỏ, độ màu, độ đục, kim loại nặng… có trong nước thải

+ Có thể loại bỏ khoảng 95 - 99% các kim loại nặng trong nước thải

+ Bọt khí sinh ra trong quá trình tuyển nổi nâng theo các chất lơ lửng, bông cặn lên bề mặt bể để loại bỏ dễ dàng bằng các thiết bị gạt váng

+ Có thể loại bỏ được các ion hòa tan trong nước thải và tạo thuận lợi cho quá trình keo tụ

+ Không sử dụng hóa chất nên không gây dư thừa hóa chất rồi tốn hóa chất khác để trung hòa

+ Tiết kiệm được chi phí mua hoá chất trong quá trình vận hành các bể xử lý hoá học cổ điển

+ Trong quá trình vận hành việc thay thế các điện cực là không thường xuyên

và rất dễ dàng, không nguy hiểm do điện Vì có hệ thống ngắt điện rất an toàn

và dòng điện sử dụng là dòng điện một chiều

Bên cạnh đó phương pháp này cũng có một số nhược điểm:

+ Điện cực dùng lâu sẽ bị các mảng kết tủa và oxi hóa bám lên bề mặt, làm

giảm hiệu suất của quá trình keo tụ điện hóa Đồng thời điện cực dễ bị ăn mòn

do dòng điện, nên sau một khoảng thời gian cần thay thế điện cực

1.3.5 Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường

1.3.5.1 Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở trong nước

Nhìn chung tình hình nghiên cứu phương pháp keo tụ điện hóa trong xử

lí nước ô nhiễm ở nước ta còn chưa được phổ biến, chỉ có một số công trình nghiên cứu tiêu biểu như:

Luận văn thạc sỹ của Đinh Tuấn, “Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ - tuyển nổi điện hóa với anot hòa tan nhôm, sắt”, tác giả đã lần lượt nghiên cứu sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện, vai trò của muối điện ly, pH của môi trường, nhiệt độ, khoảng cách giữa 2 điện cực, dòng chảy - sục khí - khuấy trộn đến quá trình keo tụ điện hóa xử lý các chất màu ‘blach RBS’, ‘Indathrent Olivent’, ‘Indathrent Red’ và ‘Remazol’ trong nước và tìm được điều kiện thí nghiệm thích hợp cho quá trình xử lý các chất màu là : mật độ dòng điện 0,5-1 A/dm2, nồng độ NaCl ≤ 1 g/l, pH khoảng 6,5-8,5, khoảng cách điện cực 1-2 cm, nhiệt độ khoảng 35°C [2] Tác giả Võ Anh Khuê, Đại học Đà Nẵng với công trình “Nghiên cứu phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với vi điện hóa để xử lý các ion kim loại nặng và florua trong nước thải”, đã sử dụng phương pháp keo tụ điện hóa với điện cực anot Al kết hợp với quá trình vi điện hóa trên bề mặt các hạt Fe - C

để xử lý các ion kim loại nặng như Pb2+, Zn2+, Cu2+ và ion F- trong nước thải Kết quả đã chỉ ra điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý này là : pH = 5, thời gian xử lý 30 phút, khối lượng hạt Fe - C là 60g, kích thước hạt Fe - C là 20 -

27 mesh, điện áp 5V, nước thải sau xử lý có dư lượng nồng độ các ion Pb2+,

Zn2+, Cu2+ và F- lần lượt là 0,118; 0,369; 0,112 và 2,986 mg/l, đạt tiêu chuẩn nước thải công nghiệp TCVN 5945 :2005 cột B đối với Pb2+ và cột A đối với các ion còn lại [6]

1.3.5.2 Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở ngoài nước

Theo các kết quả nghiên cứu của Ilhan và cộng sự, Khandega và Saroha,

sự tăng độ dẫn điện của dung dịch điện phân sẽ tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ

và giảm thời gian xử lý bằng keo tụ điện hóa

Như vậy, trong quá trình keo tụ điện hóa bao gồm rất nhiều các hiện tượng hóa lý, các phản ứng hóa học khác nhau Sự kết hợp các hiện tượng khác nhau này làm cho quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước rất hiệu quả Ngoài ra keo tụ điện hóa cũng loại bỏ hiệu quả các chất có phân tử lượng lớn, là các chất thường có mặt trong nước rỉ rác, rất khó

bị phân hủy bằng các quá trình sinh học

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước ô nhiễm đã được rất nhiều các nhóm nghiên cứu trên thế giới tiến hành, có thể

kể ra một số công trình tiêu biểu như sau:

Butler và cộng sự [9] đã chỉ ra rằng keo tụ điện hóa có khả năng xử lí màu, nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) đạt hiệu quả cao và quy trình xử lí nhanh hơn, hiệu quả hơn phương pháp keo tụ hóa học truyền thống; ít tốn kém hơn so với các phương pháp xử lí khác như tia cực tím (UV) và ozone Do đó phương pháp keo tụ điện hóa có thể được sử dụng

để xử lí các loại nước thải của nhiều lĩnh vực, bao gồm cả công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt

Shruthi và cộng sự [17] đã nghiên cứu xử lí Asen trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ điện hóa với cực dương bằng sắt Các kết quả thu được từ các mẫu nước ngầm giàu Asen cho thấy việc loại bỏ hiệu quả nhất đạt được ở 6V, thời gian điện phân trong 15 phút , nồng độ Asen trong nước sau

xử lí đạt tiêu chuẩn nước uống quy định 0,01 mg /l, pH dao động trong phạm

vi tiêu chuẩn nước uống 6,5 đến 8,5 Đây là phương pháp có hiệu quả, tương đối nhanh chóng và sạch so với phương pháp thông thường khác, chẳng hạn

như keo tụ hóa học

Nhóm nghiên cứu của Yang [21] đã nghiên cứu xử lí độ đục của dầu tổng hợp bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng điện cực sắt kim loại Bằng cách thêm NaCl nồng độ100 mg/l vào để tăng độ dẫn ion và ngăn chặn

sự thụ động của các điện cực sắt, các giọt dầu được hấp thụ vào các hydroxit sắt cao phân tán và Fe(OH)3 kết tủa Bùn giàu dầu mỏ tạo ra trong các hoạt động sau đó được thả nổi lên trên bề mặt tạo thành một lớp màng được loại vớt bỏ Quá trình xử lí làm giảm độ đục của nhũ tương từ 1800 xuống còn 60 đơn vị FAU mất khoảng 4 phút Điện phân liên tục với cường độ dòng điện 2A và lưu lượng 320 ml/phút, sau xử lí độ đục giảm xuống mức dưới 14 FAU

Kuokkanen và cộng sự [14] đã nghiên cứu xử lý nước thoát ra từ các bãi than bùn chứa các hợp chất humic bằng phương pháp keo tụ điện hóa, sử dụng các điện cực Fe, Al và thép không gỉ Kết quả: Photpho tổng, các chất lơ lửng, các chất màu bị loại bỏ hoàn toàn, trong khi Nitơ tổng loại bỏ 33-41%, COD là 75-90% còn COD/TOC là 62-75%

Ezechi và cộng sự [10] đã nghiên cứu loại bỏ Bo ra khỏi nước thải thăm dò dầu khí và khí đốt Kết quả nghiên cứu cho thấy Bo đã bị loại bỏ khá hiệu quả bằng quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện tối ưu: pH = 7, điện lượng 2400 Ah/m3, khoảng cách giữa các điện cực là 0,5 cm và thời gian điện phân là 90 phút

Fajardo và cộng sự [11] đã nghiên cứu loại bỏ các hợp chất phenol khỏi nước thải bằng quá trình keo tụ điện hóa sử dụng điện cực Zn Ở các điều kiện tối ưu: pH nước thải 3,2; mật độ dòng điện 250A/m2, khoảng cách giữa 2 điện cực là 1,0 cm, bổ sung 1,5 g/l dung dịch NaCl có thể loại bỏ khoảng 84,2% các hợp chất phenol, 40,3% COD ra khỏi nước thải Nhóm tác giả cũng đánh giá mức độ tiêu thụ năng lượng cho việc xử lý là khoảng 24 kWh/m3