Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR trong xử lý nước rỉ rác

MỞ ĐẦU Hiện nay, xử lý chất thải đô thị phương pháp chôn lấp áp dụng phổ biến nước phát triển nước phát triển Bãi chôn lấp khâu cuối chưa có giải pháp thay hệ thống quản lý chất thải rắn Xử lý rác phương pháp chơn lấp giải pháp có chi phí thấp so với phương pháp xử lý khác đốt, hóa rắn Do đó, chơn lấp giải pháp sử dụng rộng rãi Việt Nam nhiều chục năm tới [4] Tuy nhiên, bãi chôn lấp chất thải xem nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường nước rác, khí thải bãi chơn lấp khuếch tán mầm bệnh xung quanh không quản lý chặt chẽ Vấn đề ô nhiễm môi trường nước rác vấn đề thời hầu hết bãi rác khơng Hà Nội mà tồn quốc nước rác loại hình nước thải có độ nhiễm nặng có tác động mạnh, thường xun khơng khí, đất đai, nước mặt nước ngầm Xử lý nước rác đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường vấn đề cần thiết nhằm giải triệt để tình trạng nhiễm mơi trường chôn lấp rác Một hệ thống xử lý nước rỉ rác nói riêng xử lý nước thải nói chung bao gồm nhiều q trình thực đơn vị công nghệ Trong đơn vị cơng nghệ xảy đồng thời nhiều q trình (ví dụ keo tụ, kết tủa, lắng bể sơ cấp, oxy hóa đồng thời chất hữu amoni khử nitrit nitrat phần bể xử lý hiếu khí) Tuy vậy, để thực q trình sử dụng nhiều đơn vị công nghệ biệt lập với (tách loại chất hưu xử lý yếm khí, thiếu khí hay hiếu khí) Vì lý nêu trên, xây dựng công nghệ xử lý nước thải cần phải biết tỉ mỉ trình xảy quan trọng tương tác thành phần nước thải với với điều kiện cơng nghệ, từ để lựa chọn sơ đồ công nghệ phối hợp đơn vị công nghệ với Nghiên cứu công nghệ xử lý nước rỉ rác tập trung vào trình keo tụ (tách khơng tan), oxy hóa hóa học, xử lý vi sinh yếm khí, thiếu khí hiếu khí [1,4] Đối tượng cần quan tâm chủ yếu xử lý nước rỉ rác hợp chất nitơ Xử lý hợp chất nitơ thực biện pháp hóa lý sinh học dựa nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác tách loại, cách ly chúng khỏi mơi trường nước Thường hệ thống xử lý đánh giá hiệu việc xử lý khả loại bỏ BOD, nitơ hay photpho, khả áp dụng chúng giá thành hệ thống, giá thành m3 nước xử lý hay độ phức tạp cơng nghệ, q trình vận hành bảo dững thiết bị Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học sử dụng phổ biến hầu hết hệ thống xử lý nước thải chi phí thấp hiệu cao Bể phản ứng sinh học sử dụng đệm chuyển động MBBR (moving bed biofilm reactor) thiết kế dựa mơ hình động học xử lý BOD, nitrat hóa (nitrification) khử nitrat hóa (denitrification) Kaldnes phát triển Na Uy năm cuối 1980 đầu 1990 công nghệ cải tiến q trình bùn hoạt tính bể lọc sinh học [12, 14, 20, 26] Cơng nghệ MBBR áp dụng ba q trình thiếu khí (anoxic), hiếu khí (aerobic) yếm khí (anaerobic) với tốc độ hiệu q trình xử lý cao Ứng dụng cơng nghệ MBBR đơn giản hóa hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu lượng chi phí cho trình xây dựng vận hành Hơn nữa, MBBR xử lý nước thải có tải lượng hữu (COD, BOD), nitơ (N) phốt (P) cao Vì vậy, khn khổ luận văn tác giả sử dụng mơ hình cơng nghệ MBBR để nghiên cứu xử lý nước rỉ rác CHƢƠNG NƢỚC RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RÁC 1.1 NƢỚC RÁC 1.1.1 Khái niệm nƣớc rác trình phân hủy rác BCL Nước rỉ rác (còn gọi nước rác) nước bẩn thấm qua lớp rác ô chôn lấp, kéo theo chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất BCL [8] Nước rác loại hình nước thải có đặc thù riêng, có tính “dang dở” mặt phân hủy Bãi chơn lấp rác lị ủ vi sinh yếm khí tự nhiên, tạp chất nhiễm nước rác kết tác động loạt trình tự nhiên vi sinh, hóa học, quang hóa, thời tiết tác động chủ quan người tập quán sinh hoạt, khả phân loại rác, kỹ thuật xây dựng vận hành bãi rác Thơng thường chuyển hóa chất diễn BCL gồm bốn giai đoạn [4] sau: - Giai đoạn phân hủy hiếu khí - Bước chuyển tiếp thứ (từ hiếu khí sang kị khí) - Bước chuyển tiếp thứ - Q trình metan hóa Giai đoạn phân hủy hiếu khí ban đầu: Q trình diễn khoảng thời gian từ vài ngày đến vài tuần kể từ rác đem chôn Trong khoảng thời gian oxy từ khơng khí khuếch tán xâm nhập vào chất thải oxy tồn chất thải sử dụng cho phân hủy hiếu khí chất hữu Quá trình phân hủy sinh học chất hữu trình tổng hợp có tham gia vi khuẩn, nấm, men Phản ứng sinh hóa q trình phân hủy chất hữu sau: CHC + O2 + dinh dưỡng Vi khuẩn Tế bào sinh học + chất hữu bền + CO2 + H2O + NH3 + SO42- + lượng Sản phẩm trình phân hủy sinh học hiếu khí rác thải hữu tổ chức tế bào sinh học mới, chất hữu bền, khí CO2, khí NH3 nhiệt Do hàm lượng oxy đống chất thải giảm xuống nên trình phân hủy hiếu khí tiếp tục diễn chậm lại giai đoạn chuyển tiếp từ phân hủy sinh học q trình hiếu khí sang q trình kị khí Giai đoạn chuyển tiếp thứ nhất: Giai đoạn gọi giai đoạn axit hóa gia trị pH biến đổi khoảng từ đến hình thành axit hữu mà ban đầu axit béo biến đổi thành axit béo bay (axit axetic) Quá trình thường kết thúc từ vài tuần tới vài tháng Quá trình chuyển tiếp thứ 2: Trong giai đoạn vi khuẩn tạo khí metan bắt đầu phát triển bắt đầu chu trình chuyển hóa axit đơn giản axit axetic axit formic metanol thành khí metan(CH4) Q trình không ổn định, thường diễn từ – năm, cân lượng axit sinh lượng khí metan tạo thành Quá trình metan hóa: Là q trình chuyển hóa axit hữu vi khuẩn kị khí tạo thành CH4, trình sau: CHONS + H2O H2O + CO2 + CH4 + H2 + NH4+ + H2S vi khuẩn kị khí Sự có mặt nước bãi chơn lấp rác có mặt tích cực lẫn mặt tiêu cực cho hoạt động bãi rác Nước cần cho số q trình hóa học sinh học xảy bãi chôn lấp để phân hủy rác Mặt khác, nước tạo xói mịn tầng đất nén vấn đề lắng đọng dịng nước mặt chảy qua Nước rác chảy vào tầng nước ngầm dòng nước từ gây nhiễm đến nguồn nước uống Vì vậy, vấn đề cần quan tâm thết kế, xây dựng cho hoạt động bãi chôn lấp kiểm sốt nước rác 1.1.2 Sự hình thành nƣớc rác - Nước rác hình thành từ năm nguồn [1, 4, 8] sau: + Nước mặt chảy tràn; + Thấm từ nguồn nước ngầm; + Thấm từ nước mưa; + Độ ẩm rác; + Nước hình thành từ phản ứng đống rác Trong bốn nguồn đầu chính, nguồn sau nhỏ hồn tồn bỏ qua Lượng nước rác hình thành khu vực trước hết phụ thuộc vào diện tích bãi chôn lấp: tiết diện để nước mưa thấm xuống dòng chảy bề mặt (do mưa) chảy tràn qua Lượng nước bốc tỷ lệ thuận với bề mặt bãi chôn lấp lớp đất phủ bề mặt chiều sâu cao nên tốc độ bay chậm Các thành phần tác động tới trình hình thành lượng nước rác trình bày hình 1.1[4] Nước mưa (R) Nước gia nhập từ (RI) Bay (E) Dòng chảy mặt (RO) Nước CTR Nước chứa lớp vật liệu phủ Nước bùn Nước rác (LC) Hình 1.1 Các thành phần cân nước chơn lấp[4] Lượng nước rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm chảy tràn) chiếm 70% từ độ ẩm rác chiếm 30% Từ số liệu cho thấy giảm thiểu đáng kể lượng nước rác sinh thiết kế vận hành bãi chôn lấp rác cách hợp lý Nước mưa nguồn hình thành nước rác, vùng định lượng mưa thay đổi theo mùa Với lượng mưa trung bình Hà Nội 1600 mm/năm, 70 – 80 % lượng mưa tập trung vào bốn tháng năm (6, 7, 8, 9) phần lại phân bố vào tháng khác năm Vì dao động nước rác theo mùa lớn: nhiều mùa mưa, mùa khơ, mức độ chênh lệch mùa lệch tới 300%[1, 4] Dự đoán khối lượng nước rác: Khối lượng nước rác đặc tính địa chất tầng đất nằm đáy bãi yếu tố chính, định khả pha lỗng tự nhiên chất ô nhiễm nước rác trước chất chảy đến nguồn nước ngầm Việc dự báo lượng nước rác tạo thành dựa vào “Phương pháp cân nước” Sơ đồ cân nước thể hình đây: Nước thải phía bãi rác Vật liệu phủ trung gian Nước từ vật liệu phủ bề mặt Nước tiêu thụ trình hình thành khí thải bãi rác Nước bay Nước từ chất thải rắn Rác phân hủy Nước có bùn Nước từ phía đáy Hình 1.2 Sơ đồ cân nước [4, 8] Phương trình cân nước [8] biểu diễn sau: ∆Ssw = Wsw + Wts + Wcm + War - Wlg - Wwv - We - Wbl Trong đó: ∆Ssw = lượng nước tích trữ rác bãi rác (kg/m3) Wsw = độ ẩm ban đầu rác thải (kg/m3) Wts = độ ẩm ban đầu bùn từ trạm xử lý (kg/m3) Wcm = độ ẩm ban đầu vật liệu phủ (kg/m3) War = lượng nước thấm từ phía (nước mưa) (kg/m3) Wlg = lương nước thất q trình hình thành khí thải (kg/m3) Wwv = lượng nước thất thoát bay theo khí thải (kg/m3) We = lượng nước thất q trình hóa bề mặt (kg/m3) Wbl = lượng nước từ phía đáy bãi rác (kg/m3) Trên sở phương trình cân nước, số liệu lượng mưa, độ bốc hơi, hệ số giữ nước rác sau nén bãi rác, lượng nước rị rỉ tính theo mơ hình vận chuyển chiều nước rò rỉ xuyên qua rác nén đất bao phủ sau: Q = M(W1 -W2) + [P(1 - R) - E].A Trong đó: Q: lưu lượng nước rò rỉ sinh bãi rác ( m3/ngày); M: khối lượng rác trung bình ngày (tấn/ngày); W1: độ ẩm rác trước nén (%); W2: độ ẩm rác sau nén (%); P: lượng mưa ngày tháng lớn (mm/ngày); R: hệ số nước bề mặt (0,1 ÷ 0,3); E: lượng nước bốc lấy mm/ngày (thường - mmm/ngày) Phương trình cân nước áp dụng cho ô chôn lấp cho thấy: lượng nước rác ô chôn lấp tổng lượng nước đến lượng nước sinh phân hủy rác trừ lượng nước bay 1.1.3 Thành phần nƣớc rác Việc tổng hợp đặc trưng hóa thành phần nước rác khó loạt điều kiện tác động lên hình thành nước rác Thời gian chơn lấp, khí hậu, mùa, độ ẩm bãi rác, mức độ pha loãng với nước mặt nước ngầm loại rác chôn lấp, tất tác động lên thành phần nước rác Độ nén, loại độ dày nguyên liệu phủ tác động lên thành phần nước rác Các số liệu tiêu biểu thành phần tính chất nước rác từ bãi chôn lấp lâu năm trình bày bảng 1.1 Bảng 1.1 Các số liệu tiêu biểu thành phần tính chất nước rác từ bãi chôn lấp lâu năm [4, 8] Bãi (< năm) Thành phần Nhu cầu oxi hóa sinh hóa (BOD5) mg/l Tổng lượng cacbon hữu (TOC), mg/l Nhu cầu oxi hóa hóa học, (COD), mg/l Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), mg/l Khoảng T.Bình Bãi lâu năm ( >10 năm) 2000 - 20000 1500 - 20000 3000 - 60000 200 - 2000 10000 6000 18000 500 100 - 200 80 - 160 100 - 500 100 - 400 Nitơ hữu cơ, mg/l 10 - 800 200 80 - 120 Amoniac, mg/l 10 - 800 200 20 - 40 Nitrat, mg/l - 40 25 - 10 Tổng lượng phốtpho, mg/l - 100 30 - 10 Othophotpho, mg/l - 80 20 4-8 Độ kiềm theo CaCO3 1000 - 10000 3000 200 - 1000 pH 4,5 - 7,5 6,0 6,6 - 7,5 Canxi, mg/l 50 - 1500 250 50 - 200 Clorua, mg/l 200 - 3000 500 100 - 400 Tổng lượng sắt, mg/l 50 - 1200 60 20 - 200 Sunphat, mg/l 50 - 1000 300 20 - 50 Như vậy, hình thành khí nước rác q trình chơn lấp mối quan tâm lớn công tác vận hành quản lý bãi chôn lấp đô thị Thành phần nước rác thay đổi theo giai đoạn khác trình phân hủy sinh học Sau giai đoạn háo khí ngắn (một vài tuần), tiếp đến hai giai đoạn phân hủy: Giai đoạn phân hủy yếm khí tùy tiện tạo axit giai đoạn phân hủy yếm khí tuyệt đối tạo khí metan Trong giai đoạn tạo axit hợp chất đơn giản hình thành axit béo, amoni axit cacboxilic axit Giai đoạn axit kéo dài vài năm sau chôn lấp, phụ thuộc vào chất không đồng rác Đặc trưng nước rác giai đoạn này: - Nồng độ cao axit béo dễ bay hơi; - pH nghiêng tính axit; - BOD cao; - Tỷ lệ BOD/COD cao; - Nồng độ NH4 nitơ hữu cao Trong giai đoạn tạo metan, vi khuẩn tạo khí metan trội Chúng thay axit sản phẩm cuối khí metan cacbonic Giai đoạn tạo thành khí metan tiếp tục đến 100 năm lâu Đặc trưng chất lượng nước rác giai đoạn là: - Nồng độ cao axit béo dễ bay thấp; - pH trung hòa/kiềm; - BOD thấp; - Tỷ lệ BOD/COD thấp; - Nồng độ NH4 cao Bảng 1.2 So sánh thành phần nước rác Việt Nam giới [4] Việt Nam Thơng số Tổng chất rắn hịa tan Tổng chất lơ lửng Mỹ TP Hồ Chí Minh 584 - 55.000 7.300 - 16.200 2,0 - 140.000 1.760 - 4.311 WHO 200 - 1.000 Hà Nội 450 - 2.200 Nhu cầu oxy sinh hóa 2.000 30.000 KPH- 195.000 30.000- 48.000 800 - 12.000 Nhu cầu oxy hóa học 3.000 45.000 6,6 - 299.000 38.500- 65.000 1.000- 25.000 Tổng carbon hữu 1.500 20.000 KPH - 40.000 pH 5,3 - 8,3 3,7 - 8,9 Tổng độ kiềm 1.000 10.000 KPH - 15.050 Độ cứng 400 - 5.000 4,9 - 6,4 6,9 - 7,8 1.500 - 5.500 300 - 10.000 0,1 - 225.000 5.800 - 9.670 - Cl 50 - 1.500 - 11.375 3.900 - 4.500 800 - 1.800 Ca2+ 200 - 3.000 3,0 - 2.500 1.670 - 2.740 134 - 650 Tổng N (Kjeldahl) 10 - 800 - 3.320 970 - 1.800 500 - 2.200 Amoni - N 10 - 600 KPH - 1.200 780 - 1.760 200 - 900 100 - 1.500 KPH - 1.850 1.400 - 1.600 30 - 100 - 70 KPH - 234 56 - 90 - 25 SO42Tổng P Thành phần nước rác có phạm vi dao động lớn từ nồng độ thấp tới cao Nước rác phân làm hai loại với đặc trưng thành phần ô nhiễm khác nhau: - Nước rác mới: thu từ vận hành, có thành phần chất hữu cao (COD tới hàng chục g/l), BOD/COD lớn (0,7 - 0,8), pH thấp hợp chất VFA (4 - 6), hợp chất nitơ chủ yếu dạng hữu cơ[1] - Nước rác cũ: thu từ bãi chơn lấp lâu năm đóng, có lượng so với nước rác Do bị phân hủy sâu nên nước rác có pH cao (7 - 9), COD thấp BOD/COD nhỏ (0,2 - 0,3), khơng cịn VFA, hợp chất nitơ chủ yếu dạng amoni Bảng 1.3 Thành phần nước rác BCL Nam Sơn Đông Thạnh [5] Thông số Nhiệt độ Đơn vị C pH BCL Nam sơn BCL Đơng Thạnh Độ lệch chuẩn Trung bình Nƣơc rác cũ Nƣớc rác 28,4 ± 3,6 - - 7,44 ± 0,031 7,9 ÷ 8,2 6,0 ÷ 7,3 Độ dẫn µS/cm 18316,9 ± 5905,0 - - TDS mg/l 12831,9 ± 4649,3 - - TSS mg/l 757,6 ± 741,5 169 ÷ 243 1280 ÷ 3270 VSS mg/l - - 150 ÷ 227 770 ÷ 2220 CODcr mg/l 8706,6 ±6570,6 1079 ÷2507 38.533÷65.33 BOD5 mg/l 4717,9 ± 3527,3 735 33571÷ 56250 VFA – COD mg/l - - - 18218÷21254 Tổng N mg/l 1265,8 ± 604,7 - - Org –N mg/l - - 79 ÷ 230 196 ÷ 470 N – NH3 mg/l - - 515 ÷ 1977 1445 ÷ 1764 N – NO3- mg/l - - 3,0 ÷ 4,8 2,5 ÷ 2,9 Tổng P mg/l 14,81 ± 5,711 4,7 ÷ 9,6 14,9 ÷ 21,5 Fenol mg/l 0,137 ± 0,145 - - Độ cứng CaCO3 mg/l - - 1233 ÷1867 4467 ÷ 6067 Ca2+ mg/l 288,69 ± 189,2 187 ÷ 240 1122 ÷ 1844 Mg2+ mg/l - - 154 ÷ 373 356 ÷ 405 - mg/l - - - 4300 ÷ 4500 Cl 10 Sau 48 hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu đạt tương ứng 64%, 61%, 72% 52% Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu MBBR hiếu khí thể hình 3.5 Hiệu suất xử lý MBBR hiếu khí 80 Hiệu suất xử lý (%) 70 60 COD 50 BOD5 40 TKN 30 Mầu 20 10 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.5 Hiệu suất q trình xử lý MBBR hiếu khí Từ hình 3.5 cho thấy tốc độ xử lý nitơ tổng, COD, BOD chậm dần theo thời gian (độ dốc đồ thị giảm dần) Hiệu suất xử lý nitơ cao hiệu suất xử lý COD BOD Hiệu suất xử lý màu thấp Hiệu suất xử lý màu thấp chất hữu tạo nên màu nước rác thuộc loại khó phân hủy sinh học Hiệu suất xử lý nitơ cao hiệu ứng cạnh tranh phương diện oxy hóa hệ chứa đồng thời chất hữu sinh hủy (biodegradable) amoni Hiệu ứng cạnh tranh phương diện oxy hóa bất lợi lại thuận lợi cho q trình khử nitrat Oxy hóa amoni TKN (tổng nitơ Kjeldahl) điều kiện hiếu khí trải qua hai giai đoạn nhau: đến hợp chất trung gian nitrit tới nitrat Khi thực trình khử nitrat nitrit lại hợp chất trung gian trình chuyển hóa nitrat nitơ Trong kỹ thuật màng vi sinh – VSV tập trung bám vật mang, lớp màng vi sinh có độ dày định nên phía ngồi lớp màng vi sinh có nồng độ 79 oxy cao (xử lý hiếu khí) so với phía bên màng tốc độ khuyếch tán oxy màng có giới hạn liên tục bị tiêu thụ phản ứng sinh hóa dọc theo chiều dày màng, chiều khuyếch tán từ ngồi vào Vì lý nên phía bên lớp màng vi sinh (phía tiếp giáp với vật mang) thường có oxy tạo nên điều kiện thiếu khí (hiện tượng phân hủy thiếu khí xảy q trình hiếu khí) xảy q trình khử nitrat Mặt khác nước rác có nồng độ amoni ban đầu (chiếm khoảng 91 - 96% TKN) cao, độ kiềm lớn nên thúc đẩy hình thành nitrit mạnh so với nitrat điều kiện mức độ suy giảm nitơ tổng lớn 3.5.1.2 Xử lý thiếu khí Điều kiện thí nghiệm: mật độ vi sinh g/l, tốc độ khuấy trộn 60 vịng/phút, bình phản ứng để thống tiếp xúc với khơng khí Nhiệt độ q trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Hiệu suất xử lý MBBR thiếu khí 90 Hiệu suất xử lý (%) 80 70 60 50 COD 40 BOD5 30 TKN 20 Mầu 10 10 Thời gian (ngày) Hình 3.6 Hiệu suất trình xử lý MBBR thiếu khí Kết nghiên cứu trình bày hình 3.6 cho ta thấy mơ hình MBBR thiếu khí hiệu suất xử lý COD, BOD, TKN độ mầu tăng dần theo thời gian Tuy nhiên, tốc độ xử lý mơ hình MBBR thiếu khí chậm nhiều so với mơ hình MBBR hiếu khí Sau ngày, hiệu suất xử lý thiếu khí khoảng 50% hiệu suất xử lý hiếu khí Ta giải thích điều tốc độ sinh trưởng phát 80 triển VSV điều kiện thiếu khí chậm Sau 10 ngày hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu tương ứng 48%, 81%, 82% 66% Hiệu suất xử lý TKN cao BOD COD Sự suy giảm nitơ tổng nêu nguyên nhân trình khử nitrat, khử nitrit xảy màng vi sinh điều kiện thiếu khí Mơi trường oxy thúc đẩy trình khử nitrat khử nitrit 3.5.1.3 Xử lý yếm khí Điều kiện thí nghiệm: mật độ vi sinh g/l, khuấy trộn 60 vịng/phút, bình phản ứng đậy kín khơng tiếp xúc với khơng khí Nhiệt độ q trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Các yếu tố COD, BOD, TKN theo dõi theo thời gian kết thể hình 3.7 Từ hình 3.7 cho thấy tốc độ xử lý COD, BOD, TKN độ mầu mơ hình MBBR yếm khí cịn chậm mơ hình MBBR thiếu khí Nhìn chung, hiệu suất xử lý yếm khí thấp xử lý thiếu khí từ 10% đến 20% Hiệu suất xử lý MBBR yếm khí Hiệu suất xử lý (%) 80 70 COD 60 BOD5 50 TKN 40 Mầu 30 20 10 10 Thời gian (ngày) Hình 3.7 Hiệu suất trình xử lý MBBR yếm khí Nguyên nhân hiệu xử lý yếm khí thấp hoạt độ vi sinh thấp Lượng vi sinh yếm khí hình thành (sinh trưởng) thấp khoảng 0,05 - 0,15 kg SKHH/kg COD loại hiếu khí có hiệu suất hình thành 0,3 - 0,4 kg SKHH/kg COD (SKHH: sinh khối hữu hiệu) Quá trình xử lý yếm khí lượng 81 sinh 10% so với xử lý hiếu khí, khoảng 0,3 kcal/g COD so với khoảng 3,3 kcal/g COD Hiệu xử lý yếm khí thấp ảnh hưởng bất lợi ion clorua ion sunfat có nước rác Nước rác thường chứa ion sunfat ion clorua, q trình xử lý yếm khí phần ion sunfat chuyển hóa thành sunfua (S2-) gây độc vi sinh vật ion clorua khơng có khả chuyển hóa phương diện hóa học yếu tố ức chế trình xử lý vi sinh yếm khí, đặc biệt nồng độ cao 10.000 mg/l Mặt khác, tỷ lệ BOD5/N ~ 5,6 (BOD5 = 1358 mg/l, TKN = 241 mg/l) nước rác đưa vào xử lý MBBR thấp so với tỷ lệ tối ưu cho trình phát triển vi sinh BOD5/N ~ 20 Nồng độ amoni cao yếu tố kìm hãm VSV mặt hoạt tính Trong q trình xử lý yếm khí chất độc thường gặp oxy hòa tan nước Oxy thâm nhập vào hệ thống qua vị trí khơng kín hệ qua đầu vào Do nguyên nhân kể nên trình xử lý yếm khí nước rác đạt hiệu thấp Hiệu xử lý yếm khí thấp, việc áp dụng cơng nghệ xử lý yếm khí tỏ thích hợp nước rác Nguyên nhân có lẽ : điều kiện chơn lấp rác nước ta, với nhiệt độ độ ẩm cao, q trình phân huỷ yếm khí rác xảy mãnh liệt sâu, thành phần chất hữu có khả sinh huỷ phân huỷ, phần COD cịn lại nước thải khó bị phân huỷ tiếp điều kiện yếm khí 3.5.2 Nghiên cứu xử lý nƣớc rác MBBR theo mẻ Áp dụng sơ đồ vận hành thiếu khí - hiếu khí (tương ứng với khuấy trộn - sục khí) có khả loại bỏ hợp chất nitơ, tiết kiệm lượng chất hữu Tỷ lệ thời gian khuấy trộn : sục khí cho chu kỳ (4giờ) 1:1 Thực thí nghiệm hai chu kỳ liên tiếp (2 bậc) Các giai đoạn quy trình vận hành thí nghiệm cụ thể sau: thiếu khí - hiếu khí - để lắng 30 phút - lấy mẫu (xử lý bậc 1) Tiếp tục xử lý thiếu khí - hiếu khí - để lắng 30 phút – lấy mẫu (xử lý bậc 2) Nước thải đầu vào có đặc trưng sau: 82 + pH: 6,5 + COD: 2841 mg/l + BOD5: 511 mg/l + Độ kiềm: 2230 mg CaCO3/l + Tổng nitơ Kjeldahl(TKN): 107 mg/l Điều kiện thí nghiệm: thí nghiệm tiến hành với mật độ vi sinh g/l, giai đoạn thiếu khí có tốc độ khuấy trộn học 120 vịng/phút, giai đoạn hiếu khí vừa sục khí vừa khuấy trộn trì DO khoảng 2-3 mg/l Nhiệt độ q trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Các thông số COD, BOD, TKN theo dõi theo bậc xử lý Xử lý MBBR hai bậc 60 Hiệu suất xử lý (%) 50 40 Bậc 30 Bậc 20 10 COD BOD5 TKN Mầu Hình 3.8 Hiệu suất trình xử lý MBBR theo mẻ Hiệu suất xử lý BOD TKN bậc bặc chênh không nhiều, đặc biệt TKN lại cao hiệu suât xử lý COD Điều trình khử nitơ tiêu thụ nhiều nguồn hữu dễ sinh hủy sang đến bậc nguồn hữu dễ sinh hủy cạn nên hiệu suất xử lý gần không tăng 3.5.3 Nghiên cứu so sánh hiệu xử lý nƣớc rác MBBR với Aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh SBR 3.5.3.1 So sánh MBBR với Aeroten 83 Thí nghiệm tiến hành hai bể phản ứng giống với mật độ vi sinh 3g/l, tốc độ khuấy trộn học 120 vòng/phút kết hợp sục khí trì DO khoảng - mg/l Bể MBBR sử dụng đệm BioChip, bể aeroten khơng sử dụng đệm Nhiệt độ q trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Đặc trưng nước thải đầu vào: giống mục 3.5.1 Các yếu tố COD, BOD, TKN theo dõi theo thời gian Kết thể hình 3.9, 3.10, 3.11 3.12 Xử lý COD 70 Hiệu suất xử lý (%) 60 50 40 30 MBBR 20 Aeroten 10 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.9 So sánh hiệu suất xử lý COD MBBR Aeroten Xử lý BOD Hiệu suất xử lý (%) 70 60 50 40 30 MBBR 20 Aeroten 10 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.10 So sánh hiệu suất xử lý BOD MBBR Aeroten 84 Xử lý nitơ tổng (TKN) 80 Hiệu suất xử lý (%) 70 60 50 40 MBBR 30 Aeroten 20 10 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.11 So sánh hiệu suất xử lý nitơ MBBR Aeroten Xử lý mầu 60 Hiệu suất xử lý (%) 50 40 30 MBBR 20 Aeroten 10 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.12 So sánh hiệu suất xử lý mầu MBBR aeroten Từ hình 3.9, 3.10, 3.11 3.12 cho thấy dùng đệm chuyển động có hiệu suất xử lý cao Đối với COD, BOD độ mầu MBBR có hiệu suất xử lý cao aeroten khoảng 20% Còn nitơ tổng (TKN) hiệu suất xử lý cao khoảng 40% Sử dụng đệm chuyển động đạt kết cao việc xử lý nitơ Hiệu suất xử lý MBBR cao aeroten kết hợp ưu điểm hệ thống bùn hoạt tính màng sinh học, đồng thời giảm thiểu nhược 85 điểm hệ thống MBBR tạo điều kiện, thúc đẩy phát triển màng sinh học có tính đặc hiệu hoạt tính cao Mặt khác, trì tỷ lệ lớn sinh khối bể phản ứng nên hoạt động sinh khối tổng thể cao cho hiệu suất xử lý cao 3.5.3.2 So sánh MBBR với SBR Thí nghiệm tiến hành hai bể phản ứng giống nhau, vận hành theo sơ đồ thiếu khí - hiếu khí, cụ thể sau: thiếu khí - hiếu khí - để lắng 30 phút - lấy mẫu (xử lý bậc 1) Tiếp tục xử lý thiếu khí - hiếu khí - để lắng 30 phút – lấy mẫu (xử lý bậc 2) Điều kiện tiến hành thí nghiệm: mật độ vi sinh 3g/l Giai đoạn thiếu khí có tốc độ khuấy trộn học 120 vịng/phút Giai đoạn hiếu khí có tốc độ khuấy trộn học 120 vòng/phút sục khí trì DO khoảng 2-3 mg/l Bể MBBR sử dụng đệm BioChipTM MBBR, cịn bể SBR khơng sử dụng đệm Nhiệt độ q trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Đặc trưng nước thải đầu vào: giống mục 3.5.2 Các thông số COD, BOD TKN theo dõi theo bậc xử lý theo dõi hai bậc xử lý liên tiếp Kết thu được, trình bày hình 3.13 3.14 Xử lý MBBR bậc 60 Hiệu suất xử lý (%) 50 40 SBR 30 MBBR 20 10 COD BOD TKN Mầu Hình 3.13 So sánh hiệu xử lý MBBR SBR bậc 86 Xử lý MBBR bậc 60 Hiệu suất xử lý (%) 50 40 SBR 30 MBBR 20 10 COD BOD5 TKN Mầu Hình 3.14 So sánh hiệu xử lý MBBR SBR bậc Từ hình 3.13 3.14 cho thấy MBBR có hiệu suất xử lý cao SBR Đối với COD, BOD độ màu bậc bậc hiệu suất MBBR cao SBR khoảng 10% Đối với nitơ tổng (TKN) hiệu suất xử lý bậc cao khoảng 40% bậc hiệu suất xử lý cao khoảng 10% Điều lượng hữu cần thiết cho trình khử nitơ (denitrification) đến bậc cạn Qua kết nghiên cứu thấy cơng nghệ MBBR có hiệu suất xử lý cao Aeroten SBR, đặc biệt xử lý nitơ Tuy nhiên, áp dụng MBBR xử lý gián đoạn công suất xử lý bị hạn chế không tận dụng hết ưu điểm công nghệ Do vậy, tiếp tục nghiên cứu áp dụng MBBR vào trình xử lý liên tục kết hợp nhiều MBBR với để xử lý với công suất lớn hiệu cao 3.5.4 Nghiên cứu xử lý nƣớc rác hệ thống MBBR - Thí nghiệm tiến hành theo sơ đồ hình 2.10 sau: 87 M¸y khy (1) M¸y khy (2) M¸y khuÊy (3) M¸y khuÊy (4) M¸y khuÊy (5) (6) N-ớc thải Bơm n-ớc thải vào Không khí Không khí Bơm tuần hoàn n-ớc thải Bơm tuần hoàn bïn Trong đó: (1)- Bể kị khí; (2)- Bể thiếu khí, tiền xử lý nitơ (Pre-Denitrification); (3)-Bể hiếu khí oxy hóa cacbon nitrat hóa; (4)- Bể hiếu khí nitrat hóa (Nitrification); (5)-Bể thiếu khí, hậu xử lý nitơ (Post-Denitrification); (6)- Bể lắng Ghi chú: Xem thuyết minh chi tiết mục 2.3 - Bơm nước thải vào với lưu lượng Q = 1lít/giờ, bơm tuần hồn nước thải (tuần hồn nội) với lưu lượng Q2 = lít/giờ, bơm tuần hoàn bùn lần ngày (sáng, trưa chiều) - Đặc trưng nước thải đầu vào sau : + pH: 7,2 + COD: 2489 mg/l + BOD5: 1243mg/l + Độ kiềm: 2470 mg CaCO3/l + TKN: 152 mg/l - Tính tốn thơng số vận hành hệ thống với đặc trưng nước thải trên: xem mục 2.4 - Điều kiện thí nghiệm bể phản ứng: + MBBR yếm khí: mật độ vi sinh g/l, tốc độ khuấy trộn 60 vịng/phút, bình phản ứng đậy kín khơng tiếp xúc với khơng khí 88 + MBBR thiếu khí: mật độ vi sinh g/l, tốc độ khuấy trộn 60 vịng/phút, bình phản ứng để thống tiếp xúc với khơng khí + MBBR hiếu khí: mật độ vi sinh 3g/l, khuấy trộn học với tốc độ 120 vòng/phút để phân bố đệm bể phản ứng sục khí trì DO khoảng - mg/l + Chất hữu (đường glucose, C6H12O6) đưa vào hệ xử lý sau giai đoạn xử lý hiếu khí (khử nitrat sau – postdenitrification) Đầu ngày thí nghiệm, bổ sung gam đường vào bể số (5) + Tất bể sử dụng đệm BioChip với tỷ lệ 10% thể tích bể phản ứng Đặc trưng cách tính tốn cụ thể xem mục 2.4.4 + Nhiệt độ trình thí nghiệm nằm khoảng 250C - 280C Trong q trình thí nghiệm lấy mẫu nước thải đầu bể số (6) thời điểm khác phân tích tiêu COD, BOD, TKN độ mầu Kết trình bày hình 3.15, hình 3.16, hình 3.17 hình 3.18 COD / Hệ thống MBBR 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 60 50 40 30 20 10 Hiệu suất xử lý COD (%) Nồng độ COD (mg/l) - Nồng độ COD Hiệu suất xử lý COD 0 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.15 Biến thiên nồng độ COD hệ thống MBBR 89 1400 70 1200 60 50 1000 40 800 30 600 20 400 10 200 Hiệu suất xử lý BOD5 (%) Nồng độ BOD5 (mg/l) BOD / Hệ thống MBBR Nồng độ BOD5 Hiệu suất xử lý BOD5 0 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.16 Biến thiên nồng độ BOD hệ thống MBBR 160 80 140 70 120 60 50 100 40 80 30 60 20 40 10 20 Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ TKN (mg/l) TKN / Hệ thống MBBR Nồng độTKN Hiệu suất xử lý TKN 0 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.17 Biến thiên nồng độ TKN hệ thống MBBR 90 50 1300 40 1100 30 900 20 700 10 500 Hiệu suất xử lý (%) Độ mầu (Pt-Co) Mầu / Hệ thống MBBR 1500 Độ mầu Hiệu suất xử lý mầu 0 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.18 Biến thiên độ mầu hệ thống MBBR Từ hình 3.15 đến hình 3.18 cho thấy sau 24 hiệu suất xử lý hệ thống MBBR gần không tăng, nghĩa hệ đạt trạng thái cân Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu tướng ứng 53%, 59%, 63% 41% Nồng độ COD giảm từ 2489 mg/l xuống 1166 mg/l, BOD5 giảm từ 1243 mg/l xuống 507 mg/l, TKN giảm từ 152 mg/l xuống 56 mg/l độ mầu giảm từ 1363 độ PtCo xuống 802 độ Pt-Co Hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu hệ thống MBBR thể chung hình 3.19 Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý hệ thống MBBR 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 COD BOD5 TKN Mầu 24 30 48 Thời gian (giờ) Hình 3.19 Hiệu suất xử lý hệ thơng MBBR 91 Từ hình 3.19 cho thấy hiệu suất xử lý nitơ cao hiệu suất xử lý COD BOD5 Hiệu suất xử lý màu thấp (giống với qui luật trình xử lý MBBR hiếu khí) Ngun nhân hiệu ứng cạnh tranh số điều kiện định oxy hòa tan, nồng độ amoni cao, độ kiềm lớn thời gian lưu tế bào thấp trình oxy hóa đến trạng thái trung gian nitrit ưu tiên Q trình khử nitrit khí nitơ thuận lợi nhiều phương diện nitrit hợp chất trung gian q trình khử nitrat Chính mức độ suy giảm nitơ tổng lớn Sự suy giảm nitơ tổng hệ ba nguyên nhân: chuyển hố thành khí nitơ, giải hấp thụ amoni tham gia cấu tạo tế bào vi sinh tạo thành, nguyên nhân đầu có vai trò quan trọng Kết nghiên cứu chưa đáp ứng yêu cầu nước thải đầu QCVN 25:2009/BTNMT (quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn) cột B1, trừ tiêu TKN đạt mức cao (56mg/l so với 60mg/l) Hiệu xử lý chưa cao có ngun nhân quan trọng tính khó phân hủy chất hữu có nước rác, nói cách khác phần chất hữu dễ sinh hủy thấp Mặt khác nồng độ sinh khối thấp, cịn thiếu VSV trưởng thành có kinh nghiệm việc bẻ mạch, phân giải chất ô nhiễm hữu Để nâng cao hiệu suất xử lý, nước thải đạt tiêu chuẩn thải cần phải nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống áp dụng biện pháp xử lý oxy hóa nâng cao, bãi lọc trồng v.v 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn thu kết sau: Sử dụng MBBR để xử lý sinh học nước rác sau keo tụ kết tủa nitơ phương pháp hóa học (phương pháp MAP) Khi sử dụng MBBR độc lập, xử lý theo mẻ với q trình hiếu khí hiệu suất xử lý cao đáng kể so với Aeroten SBR Hiệu suất xử lý nitơ tổng Kjeldalh (TKN) cao khoảng 40%, COD, BOD5 độ màu cao khoảng 20% Sử dụng MBBR sau 48 xử lý (sục khí, khuấy trộn) theo kiểu Aeroten hiệu suất tách loại TKN 72%, COD 64%, BOD5 61% độ màu 52%; sau chu kỳ khuấy trộn, sục khí theo kiểu SBR nồng độ TKN, COD, BOD5 độ mầu giảm tương ứng 55%, 31%, 49% 40% Trong điều kiện thiếu khí, yếm khí việc sử dụng MBBR cho kết giảm nồng độ TKN, COD, BOD5 độ màu hiệu suất thấp so với q trình hiếu khí Khi sử dụng tổ hợp MBBR xử lý liên tục, dạng AAOOA hiệu suất xử lý COD, BOD5, TKN độ mầu tướng ứng 53%, 59%, 63% 41% Nồng độ COD giảm từ 2489 mg/l xuống 1166 mg/l, BOD5 giảm từ 1243 mg/l xuống 507 mg/l, TKN giảm từ 152 mg/l xuống 56 mg/l độ mầu giảm từ 1363 độ Pt-Co xuống 802 độ Pt-Co Kết chưa đáp ứng yêu cầu nước thải đầu QCVN 25:2009/BTNMT (quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn) cột B1 hiệu suất xử lý có cao Aeroten SBR Để nâng cao hiệu suất xử lý, nước thải đầu đạt tiêu chuẩn thải cần phải nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống áp dụng biện pháp xử lý oxy hóa nâng cao, bãi lọc trồng v.v Bởi chất nhiễm nước rác thuộc loại khó xử lý Tóm lại công nghệ MBBR đạt kết đáng ghi nhận, tốt Aeroten, SBR việc khử nitơ, tách loại hữu (COD, BOD) Vì vậy, cần tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tế để mang lại lợi ích khơng mặt mơi trường mà kinh tế 93 ... nƣớc rác Nước rác loại nước thải Công nghệ xử lý nước thải phong phú với cỡ vài chục biến hình cơng nghệ sử dụng thực tiễn q trình cơng nghệ theo cấp Hai phương pháp xử lý áp dụng xử lý nước rác. .. xây dựng cơng nghệ xử lý nên cần đánh giá kỹ lưỡng trước cân nhắc xác lập hệ xử lý nước rác 1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RÁC 1.2.1 Sự cần thiết phải xử lý nƣớc rác Nước rác loại hình nước thải có... nƣớc rác TP Hồ Chí Minh Trạm xử lý nước rác bãi chơn lấp Gị Cát, TP Hồ Chí Minh i Trạm xử lý nước rác màng lọc Công ty VerMeer, Hà Lan Đây trạm xử lý nước rác theo công nghệ Hà Lan đại với công nghệ