Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LÊ CAO KHẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP LỌC SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LÊ CAO KHẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP LỌC SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9.52.03.20 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trịnh Văn Tuyên Hà Nội, 2019 TS Lê Thanh Sơn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phương pháp keo tụ điện phân kết hợp lọc sinh học” thực với hướng dẫn PGS.TS Trịnh Văn Tuyên TS Lê Thanh Sơn Luận án không trùng lặp chép với cơng trình khoa học khác Các kết nghiên cứu luận án trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2019 NGHIÊN CỨU SINH Lê Cao Khải ii LỜI CẢM ƠN Bằng lòng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trịnh Văn Tuyên, TS Lê Thanh Sơn (Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam) tận tình hướng dẫn định hướng cho hướng nghiên cứu quan trọng suốt q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn tập thể: Học viện Khoa học Công nghệ (GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (VAST); Khoa Công nghệ môi trường – GUST; Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST; Hướng Công nghệ xử lý ô nhiễm Phòng Hóa lý mơi trường - IET hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn TS Phan Đỗ Hùng hỗ trợ mặt khoa học cho tơi q trình làm nghiên cứu sinh Viện Công nghệ môi trường NGHIÊN CỨU SINH Lê Cao Khải Lê Cao Khải iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước rỉ rác 1.1.1 Đặc điểm, thành phần nước rỉ rác 1.1.2 Tác động nước rỉ rác đến môi trường người 11 1.2 Tổng quan trình keo tụ điện hóa 12 1.2.1 Cơ chế trình keo tụ điện hóa 12 1.2.2 Ưu nhược điểm phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước thải 15 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình keo tụ điện hóa 17 1.2.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng keo tụ điện hóa xử lý môi trường 24 1.3 Tổng quan lọc sinh học 29 1.3.1 Cơ chế trình lọc sinh học 29 1.3.2 Cơ sở lí thuyết q trình sinh học xử lý nitơ nước thải .32 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lọc sinh học 35 1.3.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc sinh học xử lý môi trường 38 1.3.5 Kết hợp keo tụ điện hóa với q trình lọc sinh học xử lý mơi trường 40 1.4 Tổng quan phương pháp xử lý nước rỉ rác 41 1.4.1 Phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước rỉ rác 43 1.4.2 Phương pháp sinh học xử lý nước rỉ rác 45 1.4.3 Phương pháp oxi hóa nâng cao xử lý nước rỉ rác .46 1.4.4 Kết hợp phương pháp xử lý nước rỉ rác 48 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 50 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 50 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 50 2.2.1 Phương pháp phân tích chất lượng nước thải 51 iv 2.2 Phương pháp nghiên cứu 51 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa 51 2.2.3 Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học 58 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 63 3.1 Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác keo tụ điện hóa 63 3.1.1 Ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu với điện cực sắt 63 3.1.2 Ảnh hưởng pH đầu vào nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu với điện cực sắt 76 3.1.3 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu 83 3.1.4 So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu sử dụng điện cực sắt nhôm 89 3.2 Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trình lọc sinh học 108 3.2.1 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu trình BF .109 3.2.2 Ảnh hưởng tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS độ màu trình lọc sinh học .118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC 148 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Các thành phần cân nước bãi chôn lấp Hình 1.2 Các phản ứng hệ EC 13 Hình 1.3 Nồng độ sản phẩm thủy phân Fe (II), Fe (III) Al (III) 14 Hình 1.4 Sơ đồ E-pH sắt nhôm 25 ° C, bar 18 Hình 1.5 Đơn cực nối song song 21 Hình 1.6 Đơn cực nối tiếp 21 Hình 1.7 Lưỡng cực nối song song 22 Hình 1.8 Giản đồ ảnh hưởng pH nhiệt độ đến cân amoniac – amoni dung dịch 43 Hình 2.1 Sơ đồ xử lý NRR phương pháp EC kết hợp BF 51 Hình 2.2 Sơ đồ hệ EC phòng thí nghiệm 52 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR .55 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng pH đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR 56 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR 58 Hình 2.6 Sơ đồ hệ BF phòng thí nghiệm 59 Hình 2.7 Sơ đồ vận hành chu kỳ hệ BF 59 Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thời gian sục khí tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS độ màu NRR .61 Hình 3.1 Ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD 66 Hình 3.2 Ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý amoni 67 Hình 3.3 Ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý TSS 69 Hình 3.4 Ảnh hưởng mật độ dòng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu 71 Hình 3.5 Biểu đồ biến đổi pH NRR trình EC theo thời gian 72 vi Hình 3.6 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý COD 76 Hình 3.7 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý amoni 79 Hình 3.8 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý TSS 80 Hình 3.9 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý độ màu 81 Hình 3.10 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD 84 Hình 3.11 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni 86 Hình 3.12 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS 87 Hình 3.13 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu 88 Hình 3.14 Ảnh hưởng thời gian điện phân với điện cực nhôm sắt đến hiệu suất xử lý COD 91 Hình 3.15 Ảnh hưởng thời gian điện phân với điện cực nhôm sắt đến hiệu suất xử lý amoni 92 Hình 3.16 Ảnh hưởng thời gian điện phân với điện cực nhôm sắt đến hiệu suất xử lý TSS 93 Hình 3.17 Ảnh hưởng thời gian điện phân với điện cực nhôm sắt đến hiệu suất xử lý độ màu 94 Hình 3.18 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý COD với điện cực nhơm sắt 97 Hình 3.19 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhơm sắt 98 Hình 3.20 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhơm sắt 99 Hình 3.21 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý độ màu với điện cực nhơm sắt 100 Hình 3.22 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD điện cực nhôm sắt 102 Hình 3.23 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhôm sắt 103 Hình 3.24 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhôm sắt 104 Hình 3.25 Ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu với điện cực nhôm sắt 105 Hình 3.26 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD 111 vii Hình 3.27 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý amoni 112 Hình 3.28 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến nồng độ nitrat đầu 115 Hình 3.29 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS 116 Hình 3.30 Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu 117 Hình 3.31 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý COD 119 Hình 3.32 Ảnh hưởng tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý amoni 120 Hình 3.33 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý nitrat 121 Hình 3.34 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý TSS .122 Hình 3.35 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý độ màu 123 Hình 3.36 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR phương pháp EC kết hợp với BF 125 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp Bảng 1.2 Thành phần NRR nước Châu Âu Châu Mỹ .8 Bảng 1.3 Thành phần NRR nước Châu Á .9 Bảng 1.4 Thành phần NRR Việt Nam 10 Bảng 1.5 Nghiên cứu xử lý NRR phương pháp EC với điện cực khác 44 Bảng 2.1 Một số đặc tính NRR dùng cho nghiên cứu 50 Bảng 2.2 Mật độ dòng thời gian điện phân số nghiên cứu 54 Bảng 2.3 Dung tích hữu ích ngăn thiết bị thí nghiệm 60 Bảng 3.1 Ảnh hưởng thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR 74 Bảng 3.2 Năng lượng tiêu thụ hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR 75 Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR giá trị pH khác 82 Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR giá trị khoảng cách điện cực khác 88 Bảng 3.5 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR điện cực sắt nhôm thời gian phản ứng khác 95 Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR điện cực sắt nhôm pH khác .101 Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR điện cực sắt nhôm khoảng cách điện cực khác 106 Bảng 3.8 So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS độ màu NRR nghiên cứu khác điều kiện lựa chọn 107 Bảng 3.9 Một số đặc tính NRR sau q trình EC dùng cho đầu vào trình BF .109 Bảng 3.10 Hiệu suất xử COD, amoni, TSS độ màu NRR chế độ sục khí khác 117 182 Bảng 2.28B Kết thí nghiệm xử lý độ màu chế độ (S/D = 15/105 phút; 6lít/ngày) Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Trung bình Sai số Cao Thấp 183 Bảng 2.29B Kết thí nghiệm xử lý COD chế độ (S/D = 15/105 phút; 7lít/ngày) Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Trung bình Sai số Cao Thấp 184 Bảng 2.30B Kết thí nghiệm xử lý amoni, nitrat chế độ (S/D = 15/105 phút; 7lít/ngày) Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Trung bình Sai số Cao Thấp 185 Bảng 2.31B Kết thí nghiệm xử lý TSS chế độ (S/D = 15/105 phút; 7lít/ngày) Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Trung bình Sai số Cao Thấp 186 Bảng 2.32B Kết thí nghiệm xử lý độ màu chế độ (S/D = 15/105 phút; 7lít/ngày) Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Trung bình Sai số Cao Thấp 187 Phụ lục Các hình ảnh thiết bị q trình thí nghiệm a Bể EC c Bản điện cực sắt b Nguồn điện chiều d Bản điện cực nhơm Hình 3.1B Hình ảnh số thiết bị dùng nghiên cứu EC 188 a Hệ BF + Đệm sinh học trước thí nghiệm b Hệ BF + Đệm sinh học sau thí nghiệm tháng c Hệ BF hoạt động d Hệ thống điều khiển hệ BF Hình 3.2B Hình ảnh số thiết bị q trình thí nghiệm nghiên cứu BF 189 a Trước thí nghiệm b Sau 10 phút thí nghiệm c Sau 20 phút thí nghiệm d Sau 40 phút thí nghiệm e Sau 60 phút thí nghiệm Hình 3.3B Hình ảnh thí nghiệm q trình EC với điện cực sắt 190 a Trước thí nghiệm b Sau 10 phút thí nghiệm c Sau 20 phút thí nghiệm d Sau 40 phút thí nghiệm e Sau 60 phút thí nghiệm Hình 3.4B Hình ảnh thí nghiệm q trình EC với điện cực nhơm 191 a Trước thí nghiệm b Sau 10 phút thí nghiệm c Sau 20 phút thí nghiệm d Sau 40 phút thí nghiệm e Sau 60 phút thí nghiệm Hình 3.5B Hình ảnh thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý trình EC với điện cực nhơm 192 a Trước thí nghiệm b Sau 10 phút thí nghiệm c Sau 20 phút thí nghiệm Hình 3.6B Hình ảnh thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý trình EC với điện cực sắt Hình 3.7B Hình ảnh nước rỉ rác sau thí nghiệm EC với thời gian điện phân 10, 20, 30, 40, 60 phút (đã để lắng 60 phút) 193 Hình 3.8B Hình ảnh phân tích mẫu thí nghiệm ... pháp xử lý nước rỉ rác 41 1.4.1 Phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước rỉ rác 43 1.4.2 Phương pháp sinh học xử lý nước rỉ rác 45 1.4.3 Phương pháp oxi hóa nâng cao xử lý nước rỉ. .. việc nghiên cứu thành công đưa vào ứng dụng công nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học cần thiết cho xử lý NRR Chính lý tơi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phương pháp keo tụ điện hóa. .. hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc sinh học xử lý môi trường 38 1.3.5 Kết hợp keo tụ điện hóa với trình lọc sinh học xử lý mơi trường 40 1.4 Tổng quan phương pháp