Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác bằng phương pháp fenton truyền thống và fenton cải biên

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Nước ta giai đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa Việc phát triển khu công nghiệp kèm với yêu cầu phát triển bền vững, tức phát triển phải song hành với giữ gìn bảo vệ mơi trường Ngày nay, chất lượng sống cải thiện vấn đề môi trường quan tâm, đặc biệt vấn đề rác thải nước thải Rác thải sinh từ hoạt động người ngày tăng khối lượng Hầu hết rác thải nước ta nói chung Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng chưa phân loại nguồn, gây nhiều khó khăn quản lý xử lý, đồng thời sinh loại nước thải đặc biệt ô nhiễm nước rỉ rác Những câu chuyện rác hệ lụy môi trường từ rác “nóng lên” năm gần Theo thống kê Sở Tài nguyên - Môi trường thành phố Hồ Chí Minh với khối lượng khoảng 7.000 chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ngày, phương pháp xử lý áp dụng Việt Nam nói chung thành phố Hồ Chí Minh nói riêng chơn lấp Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có bãi chơn lấp (BCL) hoạt động Đa Phước Phước Hiệp Tổng khối lượng rác chôn lấp BCL lên đến số 7.900.000 tấn, Đa Phước 3.500.000 tấn, Phước Hiệp 4.500.000 Quá trình tiếp nhận rác liên tục có thời điểm vượt xa khối lượng dự kiến thống kê dẫn đến hậu mặt môi trường, mùi hôi nồng nặc phát sinh từ BCL phát tán xa hàng kilomét vào khu vực dân cư xung quanh Ngoài ra, vấn đề nghiêm trọng khác tồn đọng hàng trăm ngàn mét khối nước rác BCL với lượng nước rỉ rác phát sinh thêm ngày khoảng 1.000 - 1.500m3 nuớc rỉ rác nguồn hiểm họa ngầm mơi trường tính chất phức tạp có khả gây nhiễm cao Mặc dù BCL có hệ thống xử lý nước rỉ rác phương pháp xử lý nước rỉ rác áp dụng bộc lộ nhiều nhược điểm chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải (TCVN 7733-2007, cột B), đặc biệt tiêu COD, BOD, N, P, kim loại nặng, tiêu tốn nhiều hóa chất, giá thành xử lý cao, khó kiểm sốt, cơng suất xử lý khơng đạt thiết kế Nguyên nhân thay đổi nhanh thành phần nước rỉ rác theo thời gian vận hành SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI BCL, với thành phần phức tạp (nồng độ chất hữu khó/khơng có khả phân hủy sinh học tăng dần nồng độ ammonium tăng đáng kể theo thời gian), không ổn định, việc lựa chọn công nghệ xử lý chưa phù hợp dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải sông, rạch hạn chế lượng nước rỉ rác BCL tiếp tục tăng lên hàng ngày Vấn đề đặt phải tìm cơng nghệ thích hợp để xử lý hiệu lượng nước rỉ rác tồn đọng, cải tạo lại hệ thống xử lý nước rỉ rác hữu Với đặc trưng nước rác rò rỉ thường có chứa lượng lớn hợp chất hữu khó/khơng có khả phân huỷ sinh học, việc áp dụng đơn phương pháp sinh học để xử lý loại nước trở nên không tưởng Do vậy, nước rỉ rác việc phối hợp đồng nhiều phương pháp hóa lý – hóa học – sinh học để xử lý điều dễ hiểu Trong số phương pháp hóa học, phương pháp oxy hóa bậc cao chứng tỏ hiệu ưu điểm nó có khả khống hóa hồn tồn hợp chất hữu khó khơng thể phân hủy sinh học với chi phí chấp nhận được, lại dễ dàng thực Dựa sở đó, đề tài “Nghiên cứu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác phương pháp Fenton truyền thống Fenton cải biên” hình thành với mong muốn đưa phương pháp xử lý đạt hiệu cao, dễ dàng thực nhiệt độ thường, thời gian xử lý nhanh, hoá chất dễ tìm chi phí vận hành khơng q lớn MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu hiệu xử lý nước rỉ rác phương pháp oxy hóa bậc cao dùng tác nhân Fenton trình Fenton truyền thống cải biên NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để đạt mục đích trên, nội dung nghiên cứu sau thực hiện: - Thu thập số liệu thành phần nước rỉ rác giới Việt Nam - Thu thập tổng hợp kết nghiên cứu vận hành thực tế trình xử lý nước rỉ rác giới Việt Nam - Phân tích chất lượng nước rỉ rác sau bể xử lý sinh học hiếu khí BCL Phước Hiệp SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI - Xác định điều kiện tối ưu xử lý nước rỉ rác theo phương pháp Fenton truyền thống Fenton cải biên ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nước rỉ rác BCL Phước Hiệp thành phố Hồ Chí Minh, lấy sau bể Aeroten PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Phương pháp điều tra thực địa Khảo sát khu vực nghiên cứu (BCL Phước Hiệp)  Phương pháp phân tích tổng hợp Thu thập tài liệu tiêu chuẩn, phương pháp xử lý nước rỉ rác nước giới, phương pháp xử lý nước rỉ rác BCL Việt Nam Tìm hiểu thành phần tính chất nước rỉ rác  Phương pháp chuyên gia Tham vấn ý kiến giáo viên hướng dẫn chuyên gia ngành môi trường xử lý nước thải  Phương pháp thực nghiệm + Phân tích thông số đầu vào nước rỉ rác + Dùng phương pháp Fenton để xử lý hợp chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI VI.1 Ý nghĩa khoa học Bổ sung thêm liệu vào giảng đề cập đến ứng dụng trình Fenton truyền thống cải biên VI.2 Ý nghĩa thực tiễn Giúp xử lý nước rỉ rác đạt hiệu quả, góp phần bảo vệ mơi trường nước Hình thành phương pháp xử lý phù hợp với nước rỉ rác đạt hiệu kinh tế SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ CÓ LIÊN QUAN 1.1 THÀNH PHẦN NƯỚC RỈ RÁC 1.1.1 Thành phần nước rỉ rác giới Nước rỉ rác từ bãi chơn lấp định nghĩa chất lỏng thấm qua lớp chất thải rắn mang theo chất hòa tan chất lơ lửng (Tchobanoglous et al., 1993) Trong hầu hết bãi chôn lấp nước rỉ rác bao gồm chất lỏng vào bãi chơn lấp từ nguồn bên ngồi, nước mặt, nước mưa, nước ngầm chất lỏng tạo thành q trình phân hủy chất thải Đặc tính chất thải phụ thuộc vào nhiều hệ số Mặc dù quốc gia có quy trình vận hành bãi chơn lấp khác nhau, nhìn chung thành phần nước rỉ rác chịu ảnh hưởng yếu tố sau: - Chất thải đưa vào chôn lấp: loại chất thải, thành phần chất thải tỷ trọng chất thải; - Quy trình vận hành BCL: trình xử lý sơ chiều sâu chôn lấp; - Thời gian vận hành bãi chơn lấp; - Điều kiện khí hậu: độ ẩm nhiệt độ khơng khí; - Điều kiện quản lý chất thải Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến đặc tính nước rỉ rác, đặc biệt thời gian vận hành bãi chôn lấp, yếu tố định tính chất nước rỉ rác chẳng hạn nước rỉ rác cũ hay mới, tích lũy chất hữu khó/khơng có khả phân hủy sinh học nhiều hay ít, hợp chất chứa nitơ thay đổi cấu trúc Thành phần đặc trưng nước rỉ rác số nước giới trình bày cụ thể Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.1 Thành phần nước rỉ rác số quốc gia giới SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Thành Phần Đơn Vị GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Colombia(ii) Canada(ii) Đức (iv) Pereira (5 năm Clover Bar (Vận BCL CTR pH COD BOD NH4 TKN Chất rắn tổng mgO2/l mgO2/l mg/L mg/L mg/L vận hành) 7.2 – 8.3 4350 – 65000 1560 – 48000 200 – 3800 7990 – 89100 cộng Chất rắn lơ lửng Tổng chất rắn hoà mg/L mg /L 190 – 27800 7800 – 61300 - - tan Tổng phosphate mg/L – 35 - - mgCaCO3/L mg/L mg/L mg/L 3050 – 8540 - (PO4) Độ kiềm tổng Ca Mg Na hành từ năm 1975) 8.3 1090 39 455 - đô thị 2500 230 1100 920 - 4030 - 200 150 1150 Nguồn: (i): Lee & Jone, 1993 (ii): Diego Paredes, 2003 (iii): F Wang et al., 2004 (iv): KRUSE, 1994 Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác số quốc gia Châu Á Thành Phần pH Độ dẫn điện COD BOD5 Đơn Vị µS/cm mgO2/L mgO2/L Thái Lan BCL pathumthani 7.8 – 8.7 19400 – 23900 4119 – 4480 750 – 850 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY Hàn Quốc Sukdowop NRR Sukdowop NRR năm 5.8 12 năm 8.2 12500 7000 2000 500 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP SS IS N-NH3 N-Org Phospho tổng ClZn Cd Pd Cu Cr Độ kiềm VFA mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mgCaCO3/L mg/L GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI 141 – 410 400 20 10588 – 14373 1764 – 2128 200 1800 300 – 600 25 – 34 3200 – 3700 4500 4500 0.873 – 1.267 0.09 – 0.330 0.1 – 0.157 0.495 – 0.657 2000 10000 56 – 2518 ( Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002) Tuy đặc điểm công nghệ vận hành bãi chôn lấp khác khu vực nước rỉ rác nhìn chung có tính chất giống có nồng độ COD, BOD cao (có thể lên đến hàng chục ngàn mgO 2/L) nước rỉ rác Từ số liệu thống kê cho thấy, giá trị pH nước rỉ rác tăng theo thời gian, hầu hết nồng độ chất ô nhiễm nước rỉ rác lại giảm dần, ngoại trừ NH trung bình khoảng 1800mg/L Nồng độ kim loại thấp, ngoại trừ sắt Khả phân hủy sinh học nước rỉ rác thay đổi theo thời gian, dễ phân hủy giai đoạn đầu vận hành BCL khó phân hủy BCL vào giai đoạn hoạt động ổn định Sự thay đổi biểu thị qua tỷ lệ BOD 5/COD, thời gian đầu tỷ lệ lên đến 80%, với tỷ lệ BOD 5/COD lớn 0.4 chứng tỏ chất hữu nước rỉ rác có khả phân hủy sinh học, cịn bãi chơn lấp cũ tỷ lệ thường thấp nằm khoảng 0.05 – 0.2; tỷ lệ thấp nước rỉ rác cũ chứa hợp chất lignin, axít humic axít fulvic chất khó phân hủy sinh học 1.1.2 Thành phần nước rỉ rác Việt Nam Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh có BCL chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinh hoạt động BCL Đa Phước Phước Hiệp Mặc dù BCL có thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác công suất hệ thống không xử lý hết lượng nước rỉ rác phát sinh ngày BCL, phần lớn hồ chứa nước rỉ rác BCL tình trạng đầy ứ việc tiếp nhận nước rỉ rác thêm điều khó khăn Thậm chí cịn có trường hợp phải sử dụng xe bồn để chở nước rỉ rác sang nơi khác xử lý có nơi phải xây dựng thêm hồ chứa để giải SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI cách tạm thời tình trạng ứ đọng nước rỉ rác Ngoài ra, việc vận hành BCL chưa với thiết kế, hoạt động tải BCL, cố xảy trình vận hành (trượt đất, hệ thống ống thu nước rỉ rác bị nghẹt, …) khiến cho thành phần nước rỉ rác thay đổi lớn gây ảnh hưởng mạnh đến hiệu xử lý nước rỉ rác Nước rỉ rác phát sinh từ hoạt động BCL nguồn gây ô nhiễm lớn đến môi trường Nó bốc mùi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet, nước rỉ rác ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm dễ dàng gây nhiễm nguồn nước mặt nồng độ chất nhiễm có cao lưu lượng đáng kể Cũng nhiều loại nước thải khác, thành phần (pH, độ kiềm, COD, BOD, NH3, SO4, ) tính chất (khả phân hủy sinh học hiếu khí, kị khí, ) nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp thông số quan trọng dùng để xác định công nghệ xử lý, tính tốn thiết kế cơng trình đơn vị, lựa chọn thiết bị, xác định liều lượng hoá chất tối ưu xây dựng qui trình vận hành thích hợp Thành phần nước rỉ rác số BCL thành phố Hồ Chí Minh trình bày Bảng 1.3 Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác số BCL Thành phố Hồ Chí Minh CHỈ TIÊU Gị Cát Phước Hiệp Đơng Thạnh ĐƠN VỊ Thời gian NRR NRR cũ NRR NRR cũ NRR NRR cũ lấy mẫu 2,3,4/2002 8/2006 1,4/2003 4/03 – 2,4/2002 8,11/2003 6.0 – 7.5 8.0 – 8.2 pH TDS Độ tổng cứng - 4.8 – 6.2 7.5 – 8.0 5.6 – 6.5 8/06 7.3 – 8.3 mg/L 7300 – 9800 – 18260 – 6500 – 10950 – 9100 – mgCaCO3 12200 5833 – 16100 590 20700 5733 – 8470 - 15800 1533 – 11100 1520 – /L 9667 8400 1860 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 8100 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Ca2+ mg/L 1670 – 40 – 165 2031 – 110 – 1122 – 100 – 190 SS mg/L 2740 1760 – 90 – 2191 790 – 6570 - 11840 1280 – 169 – 240 VSS mg/L 4310 1120 – 4000 - 6700 - - 3270 - - COD mgO2/L 3190 39614 – 2950 – 24000 – 1510 – 38533 – 916 – BOD mgO2/L 59750 30000 – 7000 1010 – 57300 18000 – 4520 240 – 65333 33570 – 1702 235 – 735 VFA mg/L 48000 21878 – 1430 - 48500 16777 2.120 - 56250 - - N-NH3 mg/L 25182 297 – 790 1360 – 760 – 1590 – 1245 – 520 - 785 N-hữu mg/L 336 – 678 1720 - 1550 252 – 400 2190 110 – 1765 202 – 319 - SO4 mg/L 1600 – - 2300 – 159 - - 30 – 45 Humic mg/L 2340 - 297 – 2560 250 – 350 767 – - 275 – 375 Lignin mg/L - 359 52 – 86 - 1150 74.7 - 36.2 – Dầu mg/L - - - - - 52.6 10 – 16.5 Khoáng H2S mg/L 106 - 4.0 - - - Phenol mg/L - - - - - 0.32 – Phospho mg/L 55 – 90 14 – 55 – 30 – 20 14 – 42 0.60 11 - 18 tổng Tetrachlor mg/L - - KPH KPH KPH KPH ethylen Trichloret mg/L - KPH KPH KPH KPH KPH hylen Mg2+ mg/L 404 – 687 119 - - 259 – 265 373 Fe tổng mg/L 204 – 208 13.0 - - - 64 – 120 Al mg/L 0.04 – 0.50 - - - 0.23 – - Zn mg/L 93.0 – KPH 0.25 - 0.26 - 0.3 – 0.48 Cr Tổng mg/L 202.1 0.04 – 0.05 KPH KPH - KPH – 0.05 Cu mg/L 3.50 - 4.00 0.22 0.25 - 0.85 – 0.1 – 0.14 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Pb Cd Mn Ni Hg As Sn mg/L mg/L GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI 0.32 – 1.90 0.02 -0.10 mg/L 14.50 - mg/L 32.17 2.21 – 8.02 mg/L mg/L mg/L - 0.076 KPH 0.204 0.458 - 0.258 0.008 33.75 0.762 0.01 KPH 3.00 14 – 21 0.006 – – 0.03 0.05 0.002 – - 4.22 – 0.008 0.66 – - 11.33 0.63 – 0.73 0.65 -0.1 - 184 - 0.01 – - 0.04 0.010 – - 0.022 2.2 – 2.5 - - (Nguồn: CENTENMA, 2002) Số liệu phân tích thành phần nước rỉ rác cho thấy nước rỉ rác BCL có tính chất giống có nồng độ COD cao lên đến 50000 mO 2/L, tỉ lệ BOD5/COD cao khoảng 0.5 – 0.9; nồng độ NH không cao giá trị pH thấp Tuy nhiên, sau thời gian ngắn vận hành nồng độ COD, BOD giảm đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD thấp, nồng độ NH4+ tăng lên đáng kể giá trị pH tăng Kết phân tích cho thấy khác biệt thành phần nước rỉ rác hai BCL Đa Phước Phước Hiệp, sau năm vận hành BCL Đa Phước nồng độ COD nước rỉ rác cịn cao, trung bình dao động khoảng 20000 – 25000mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD dao động khoảng 0.45 – 0.50; với nồng độ NH cao lên đến > 2000mg/l, giá trị pH lớn 7.3 Trong BCL Phước Hiệp hồn tồn khác biệt, sau gần năm vận hành nồng độ COD giảm cịn thấp trung bình dao động khoảng 2000 – 3000 mgO2/L, cao đạt đến 6000 mgO2/L, tỉ lệ BOD5/COD thấp dao động khoảng 0.15 – 0.30, nồng độ NH tăng lên 1000mg/L theo thời gian vận hành giá trị pH lớn 8.0 Giải thích khác biệt số liệu hai BCL qui trình vận hành BCL hệ thống thu gom nước rỉ rác BCL Phước Hiệp BCL Đa Phước khác nên dẫn đến thành phần chất ô nhiễm nước rỉ rác BCL khác Nhìn chung thành phần nước rỉ rác BCL Việt Nam tương tự giới, hàm lượng chất hữu cao giai đoạn đầu (COD: 45000 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI mgO2/L, BOD: 30000 mgO2/L) giảm dần theo thời gian vận hành BCL, hợp chất hữu khó/khơng có khả phân hủy sinh học tích lũy tăng dần theo thời gian vận hành Khi thời gian vận hành BCL lâu hàm lượng amonium cao Giá trị pH nước rỉ rác cũ cao hơn nước rỉ rác 1.1.3 Tính chất nước rỉ rác BCL Phước Hiệp BCL Phước Hiệp bao gồm ô chôn lấp rác chôn lấp theo phương pháp chiếu Mỗi ô chôn lấp có hố thu nước rỉ rác từ nước rỉ rác bơm vào hồ chứa nước rỉ rác trước xử lý Để theo dõi thay đổi thành phần nước rỉ rác BCL Phước Hiệp mẫu nước rỉ rác lấy ô chôn lấp số khoảng thời gian xác định suốt trình vận hành BCL Thời điểm bắt đầu vận hành BCL Phước Hiệp từ tháng năm 2003 Sau tháng vận hành BCL, nồng độ COD nước rỉ rác từ 50000mgO 2/l bắt đầu giảm xuống 10654 mgO2/L, theo số liệu ghi nhận từ nhiều năm nồng độ COD nước rỉ rác từ tháng đến tháng năm 2004 dao động từ 1346 – 2408 mgO 2/l Trong thời gian từ tháng 04 năm 2006 đến tháng 08 năm 2006 có số điểm có nồng độ COD vượt 5000mgO2/L, giá trị xuất phụ thuộc vào chu kỳ đổ rác BCL, cụ thể rác đổ ô chơn rác số nước rỉ rác phát sinh thời gian số có nồng độ COD tăng lên từ 4000 đến 5000mg O 2/L, rác đổ sang ô chôn rác khác nồng độ COD nước rỉ rác ô số lại giảm xuống trung bình khoảng 2000 mgO 2/L Bên cạnh thay đổi thành phần nước rỉ rác theo mùa khảo sát, thành phần nước rỉ rác biến thiên theo mùa trình bày Bảng 1.4 Bảng 1.4 Thành phần nước rỉ rác BCL Phước Hiệp biến thiên theo mùa (mẫu lấy hố thu ô số 2, mẫu lấy từ tháng 12/2008 đến tháng 12/2009) STT Chỉ tiêu pH TDS COD BOD5 N-NH3 Phospho tổng Đơn vị Mùa mưa (tháng Mùa nắng (tháng g/l mgO2/L mgO2/L mg/L mg/L đến tháng 11) 7.9 – 8.08 8.00 – 9.24 5105 – 31950 3340 – 25120 2189 – 2520 17 – 25 12 đến tháng 5) 7.9 – 8.19 12.1 – 14.5 6621 – 59750 5150 – 48000 2058 – 2660 31 – 37 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 10 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Kết thực nghiệm thu cho thấy với nồng độ H 2O2, giá trị pH, thời gian phản ứng trình tự tiến hành kết nghiên cứu lô nhà ngồi trời có chênh lệch đáng kể Nhìn chung, hiệu xử lý COD lơ ngồi trời cao lô nhà ứng với tỉ lệ H 2O2/Fe2+ Tỉ lệ H2O2/Fe2+ lớn khác biệt rõ ràng Một điều đáng lưu ý kết thu hiệu xử lý mẫu chiếu sáng cao (trên 90%) tỉ lệ H 2O2/Fe2+ lớn Nói cách khác, q trình quang Fenton khơng địi hỏi lượng chất xúc tác nhiều q trình Fenton thơng thường (biểu tỉ lệ H 2O2/Fe2+ lớn) Ảnh hưởng tích cực xạ Mặt trời tới hiệu phản ứng Fenton giải thích trình quang khử, tái tạo Fe2+ từ Fe3+ gốc tự hydroxyl hình thành nhờ tác dụng ánh sáng (Đào Sỹ Đức cộng sự, 2009; Trần Mạnh Trí Trần Mạnh Trung, 2003): FeOH2+ + hv H2O2 + hv Fe2+ + OH• (3) 2OH• Fe3+ + H2O + hv (4) Fe2+ + OH• + H+ (5) (Trong FeOH2+ dạng tồn Fe3+ mơi trường axit) Như vậy, thông qua chuỗi phản ứng (3), (4), (5), Fe 2+ tái tạo, khiến nhu cầu bổ sung xúc tác ban đầu thấp hơn, tức chi phí hóa chất cho phản ứng giảm Ứng với mẫu có hiệu xử lý cao tính theo COD thơng số nhiễm khác mẫu tương ứng giảm theo, kết cụ thể trình bày đồ thị hình 3.10 (biến thiên tỉ lệ BOD 5/COD) 3.11 (biến thiên hiệu loại bỏ độ màu) SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 52 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Hình 3.10 Tỉ lệ BOD5/COD nước rỉ rác sau xử lý trình Fenton thông thường quang Fenton SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 53 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Hình 3.11 Sự biến thiên độ màu nước rỉ rác sau xử lý q trình Fenton thơng thường quang Fenton Đồ thị hình 3.10 cho thấy tỉ lệ BOD5/COD mẫu lơ mẫu sau xử lý ngồi trời cao so với mẫu phòng, chứng tỏ nước rỉ rác sau xử lý trình quang Fenton, thành phần chất có khả phân hủy sinh học tăng nhiều hơn, tỉ lệ H 2O2/Fe2+ cao Điều lần thể tính ưu việt quang Fenton so với Fenton thông thường Theo đồ thị 3.11, hiệu xử lý màu lơ mẫu ngồi trời cao lơ phịng Điều đương nhiên độ màu góp phần tạo nên giá trị COD nước rỉ rác, COD giảm độ màu giảm theo tương ứng Theo kết nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Khoa học, Đại học Huế (Phạm Khắc Liệu cộng sự, 2009) xử lý nước rỉ rác Thủy Phương (Đà Nẵng) hệ UV – Fenton cho kết với nồng độ H 2O2 = 125 mg/l, Fe2+ = 50 mg/l, thời gian 100 phút pH thích hợp cho q trình xử lý nằm khoảng – 4, hiệu loại bỏ COD đạt 70 – 80% Kết nghiên cứu xử lý nước rỉ rác Phước Hiệp trình quang Fenton đề tài (với 88% COD loại bỏ nồng độ H2O2 400 mg/l, Fe2+ 100 mg/l, thời gian 90 phút, pH = 3.5) tương đối phù hợp SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 54 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI với kết nghiên cứu Phạm Khắc Liệu cộng đề cập điều kiện pH thời gian phản ứng, nhiên nước rỉ rác Phước Hiệp địi hỏi nồng độ hóa chất sử dụng cao nhiều Theo kết nghiên cứu Đào Sỹ Đức cộng trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia – Hà Nội năm 2009 ảnh hưởng ánh sáng Mặt trời lên hiệu xử lý màu nước thải giấy phương pháp Fenton với thời gian, hiệu xử lý giảm dần theo điều kiện: ánh sáng Mặt trời + xúc tác TiO 2; ánh sáng Mặt trời; ánh sáng đèn sợi đốt; không chiếu sáng Đặc biệt, mặt dù điều kiện ánh sáng Mặt trời bổ sung xúc tác TiO 2, hiệu suất xử lý màu đạt 100% hiệu suất trình xử lý dùng ánh sáng Mặt trời đạt tới 99% mà không tốn chi phí hóa chất (TiO2) Kết nghiên cứu lơ nhà ngồi trời nghiên cứu phù hợp với kết nghiên cứu Đào Sỹ Đức cộng đề cập Mẫu nước trước xử lý H2O2 = 400 H2O2 = 500 H2O2 = 600 Hình 3.12 Kết xử lý nước rỉ rác trình quang Fenton (sử dụng ánh sáng Mặt Trời) tỉ lệ H2O2/Fe2+ = 2/1 Mẫu nước trước xử lý H2O2 = 400 H2O2 = 500 H2O2 = 600 Hình 3.13 Kết xử lý nước rỉ rác trình Fenton phịng mơ hình có mái che tỉ lệ H2O2/Fe2+ = 2/1 SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 55 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Đây bước cải tiến trình phản ứng Fenton với việc tận dụng nguồn lượng tự nhiên Mặt trời để nâng cao hiệu xử lý chất hữu khó phân hủy Nguồn lượng có đặc điểm dễ kiếm, khơng tốn thêm chi phí, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng áp dụng thực tiễn, quốc gia dồi ánh sáng Mặt trời quanh năm Việt Nam 3.2.2 Xử lý nước rỉ rác trình Fenton dùng mạt sắt làm chất xúc tác Điều kiện tiến hành thí nghiệm bao gồm: - Nồng độ H2O2: 600 mg/l - Sử dụng mạt sắt làm chất xúc tác (thay Fe2+) với hàm lượng thay đổi: 1; 2; 3; 4; 5; g/l - pH = 3,5 - Thời gian tiếp xúc: 90 phút - Tốc độ quay cánh khuấy: 200 vòng/phút - Sau 90 phút phản ứng, chỉnh pH 8, khuấy chậm lại 50-60 vịng/phút khoảng 10 phút Sau để lắng dung dịch mẫu xử lý 45 phút, hút nước phía mặt để đo đạc xác định hiệu xử lý Kết xử lý mẫu nước rỉ rác với trình Fenton dùng mạt sắt làm chất xúc tác trình bày hình 3.14 3.15 Mẫu nước trước xử lý Mạt sắt = 3g/l Mạt sắt = 1g/l Mạt sắt = 4g/l Mạt sắt = 2g/l Mạt sắt = 5g/l Mạt sắt = 6g/l Hình 3.14 Kết xử lý mẫu nước rỉ rác với trình Fenton dùng mạt sắt làm chất xúc tác SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 56 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Hình 3.15 Hiệu xử lý nước rỉ rác theo liều lượng mạt sắt cho vào Theo đồ thị 3.15, hàm lượng mạt sắt tăng dần khoảng từ – g/l hiệu xử lý COD tăng theo Đó tăng hàm lượng mạt sắt tức tăng lượng chất xúc tác làm tăng số lượng gốc hydroxyl tạo thành Khi hàm lượng mạt sắt lớn 4g/l hiệu xử lý COD tăng lên khơng đáng kể, chí cịn giảm trường hợp hàm lượng mạt sắt lớn 5g/l Hiệu xử lý cao đạt tương ứng với hàm lượng mạt sắt 4g/l Cơ chế phản ứng dùng mạt sắt làm chất xúc tác giải thích ban đầu, cho mạt sắt vào, kim loại Fe hòa tan thành dạng ion Fe 2+ mơi trường axit, sau ion Fe2+ sinh tác dụng với H2O2 tạo gốc hydroxyl theo chế phản ứng Fenton thông thường Hiện tượng hiệu xử lý giảm nồng độ mạt sắt lớn Fe2+ sinh dư phản ứng ngược lại với gốc tự hydroxyl khiến số lượng OH• giảm làm cho hiệu xử lý giảm (K Barbusiński, 2003) Mạt sắt + H+ → Fe2+ Fe2+ + H2O2 → OH• + OH- + Fe3+ Fe2+ + OH• → Fe3+ + OHỞ hàm lượng mạt sắt g/l, hiệu xử lý COD đạt tương ứng 88.9% Tại BOD5, độ màu nước rỉ rác tương ứng giảm theo 78,02% 91,6% Theo kết nghiên cứu K Barbusiński (Viện Kỹ thuật nước nước thải, Đại học Công nghệ Silesia, Ba Lan, 2003) dùng mạt sắt chất xúc tác để xử lý màu nước thải nhuộm cho thấy hiệu suất xử lý màu vòng 60 phút SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 57 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI 95.4% Như mạt sắt sử dụng chất xúc tác giống muối sắt (II) Kết nghiên cứu đề tài (hiệu xử lý COD đạt 88.9%) không khác biệt nhiều so với kết nghiên cứu K Barbusiński Có thể coi hướng cải tiến việc tận dụng lượng mạt sắt vụn thải bỏ cửa hàng gia cơng đồ sắt, giúp giảm chi phí mà hiệu xử lý không thay đổi Tuy nhiên, phương án có nhược điểm tạo lượng bùn Fe(OH)3 lớn mạt sắt phải sử dụng liều lượng cao 3.2.3 Xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc xúc tác Điều kiện tiến hành thí nghiệm sau: - Nồng độ H2O2 Fe2+ đưa vào mẫu thay đổi theo mức sau: + Mức 1: nồng độ H2O2 = 600mg/l, Fe2+ bậc 1= 150 mg/l, Fe2+ bậc = 150 mg/l + Mức 2: nồng độ H2O2 = 500mg/l, Fe2+ bậc 1= 125 mg/l, Fe2+ bậc = 125 mg/l + Mức 3: nồng độ H2O2 = 400mg/l, Fe2+ bậc 1= 100 mg/l, Fe2+ bậc = 100 mg/l + Mức 4: nồng độ H2O2 = 300mg/l, Fe2+ bậc 1= 75 mg/l, Fe2+ bậc = 75 mg/l - pH = 3,5 - Tốc độ quay cánh khuấy: 200 vòng/phút - Thời gian tiếp xúc bậc 1: 60 phút - Sau 60 phút phản ứng, thêm xúc tác bậc (Fe 2+) vào mẫu với nồng độ tương đương bậc - Thời gian tiếp xúc bậc 2: 60 phút - Sau 60 phút phản ứng bậc 2, chỉnh pH 8, khuấy chậm lại với tốc độ 5060 vịng/phút khoảng 10 phút Sau để lắng dung dịch mẫu xử lý 45 phút, hút nước phía mặt để đo đạc xác định hiệu xử lý Kết xử lý biểu diễn theo hình 3.16 3.17 sau: SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 58 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Hình 3.16 Hiệu xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc xúc tác Mẫu nước trước xử lý Mức Mức Mức Mức Hình 3.17 Kết xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc xúc tác SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 59 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Theo đồ thị 3.16, thấy với tổng nồng độ H2O2 Fe2+ tương đương Fenton truyền thống tiến hành cho xúc tác Fe 2+ làm lần tách biệt hiệu xử lý COD cao so với bổ sung xúc tác lần Khi bổ sung xúc tác làm lần, với nồng độ H2O2 tổng nồng độ Fe2+ nhỏ hơn, hiệu xử lý COD trội so với bổ sung xúc tác lần Điều chứng minh rõ đồ thị hình 3.13, hiệu xử lý nước rỉ rác sử dụng 400 mg/l H 2O2 200 mg/l Fe2+ với lần bổ sung Fe2+ (mức 3, cột màu xanh đồ thị) chí cao hiệu xử lý dùng tới 600 mg/l H2O2 300 mg/l Fe2+ q trình Fenton thơng thường (mức 1, cột màu đỏ) Như vậy, trình Fenton bậc xúc tác giúp tiết kiệm đáng kể lượng hóa chất cần tiêu hao để oxy hóa chất hữu Nói cách khác, q trình Fenton bậc xúc tác sử dụng triệt để H 2O2 dư để tạo gốc OH•, nâng cao hiệu xử lý COD, rút ngắn thời gian xử lý bậc, giảm chi phí hóa chất tiêu hao (Nguyễn Văn Phước Võ Chí Cường, 2007) Vậy mức bổ sung hóa chất lựa chọn mức 3, hiệu xử lý đạt 91.7% sử dụng 400 mg/l H2O2 200 mg/l Fe2+ với lần bổ sung xúc tác, lần 100 mg/l Ứng với mẫu có hiệu xử lý cao tính theo COD thông số ô nhiễm khác mẫu tương ứng giảm theo, kết cụ thể trình bày bảng 3.3 sau: Bảng 3.3 Kết thông số nước rỉ rác trước sau xử lý q trình Fenton bậc xúc tác Thơng số Giá trị nước COD (mg/l) 1152 BOD5 (mg/l) 296 Độ màu (Pt-Co) 1092 BOD5/COD 0.26 trước xử lý Giá trị nước 96 49 73,8 0.5 sau xử lý Hiệu xử lý (%) 91,7 83,45 93,2 - Theo kết nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia – TP Hồ Chí Minh (Nguyễn Văn Phước Võ Chí Cường, 2007) khảo sát trình Fenton bậc xúc tác để xử lý COD nước rỉ rác cho thấy công nghệ xúc tác Fenton theo bậc giúp sử dụng triệt để H2O2 để tạo gốc OH•, nâng cao hiệu SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 60 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI xử lý COD khó phân hủy sinh học nước rỉ rác rút ngắn thời gian xử lý nước rác, đồng thời chi phí hóa chất H2O2 giảm 15 – 20 % Kết nghiên cứu đề tài phù hợp với kết nghiên cứu Nguyễn Văn Phước Võ Chí Cường Đây bước cải tiến cơng nghệ cho q trình oxy hóa Fenton 3.2.4 Xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc nối tiếp Điều kiện tiến hành thí nghiệm sau: - pH = 3.5 - Tốc độ quay cánh khuấy: 200 vòng/phút - Nồng độ H2O2 Fe2+ đưa vào mẫu thay đổi theo kiểu sau: + Kiểu 1: nồng độ bậc H 2O2 200 mg/l, Fe2+ 100 mg/l Sau 60 phút phản ứng tiến hành Fenton bậc với nồng độ H2O2 200 mg/l Fe2+ 100mg/l Thời gian tiếp xúc bậc 60 phút + Kiểu 2: nồng độ bậc H 2O2 200 mg/l, Fe2+ 100 mg/l Sau 60 phút phản ứng chỉnh pH 8, để lắng 45 phút lấy nước mặt tiến hành Fenton bậc với nồng độ H2O2 200 mg/l Fe2+ 100mg/l Thời gian tiếp xúc bậc 2: 60 phút - Sau 60 phút phản ứng bậc 2, chỉnh pH 8, khuấy chậm lại với tốc độ 5060 vịng/phút khoảng 10 phút Sau để lắng dung dịch mẫu xử lý 45 phút, hút nước phía mặt để đo đạc xác định hiệu xử lý Kết xử lý nước rỉ rác Phước Hiệp kiểu Fenton bậc nối tiếp biểu diễn theo hình 3.18 3.19 sau: SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 61 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Hình 3.18 Hiệu xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc nối tiếp Mẫu nước trước xử lý Kiểu Kiểu Hình 3.19 Kết xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc nối tiếp Đồ thị hình 3.18 cho thấy với tổng liều lượng hóa chất H2O2 Fe2+ giống thí nghiệm Fenton truyền thống tiến hành cho hóa chất vào hệ phản ứng thành bậc nối tiếp hiệu xử lý COD cao Điều giải thích áp dụng q trình Fenton bậc nối tiếp tận dụng phần dư hóa chất tốt hơn, đưa thêm H2O2 Fe2+ bậc có tác dụng “kích hoạt” lại lượng hóa chất cịn dư lại từ bậc Trong nghiên cứu kiểu bổ sung hóa chất cho hiệu xử lý cao kiểu mức khác biệt không đáng kể SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 62 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI Các thông số ô nhiễm khác mẫu tương ứng giảm theo, cụ thể bảng 3.4: Bảng 3.4 Kết thông số nước rỉ rác trước sau xử lý trình Fenton bậc nối tiếp Thông số Giá trị nước COD (mg/l) 1152 BOD5 (mg/l) 296 Độ màu (Pt-Co) 1092 BOD5/COD 0.26 trước xử lý Giá trị nước 89 41 55,4 0.46 sau xử lý Hiệu xử lý (%) 92.3 86,2 95 - 3.2.5 Kết luận chung trình Fenton cải biên để xử lý nước rỉ rác Phước Hiệp Từ kết thực nghiệm cho thấy, hiệu xử lý nước rỉ rác Phước Hiệp trình quang Fenton đạt cao so với trình Fenton thơng thường tất tỉ lệ H2O2/Fe2+ Hiệu xử lý cao trình quang Fenton 93.6% ứng với nồng độ H2O2 600 mg/l, Fe2+ 300 mg/l, pH = 3,5 Đặc biệt, trình quang Fenton giúp tiết kiệm 20 – 50% hóa chất so với Fenton truyền thống Quá trình Fenton dùng mạt sắt làm chất xúc tác để xử lý nước rỉ rác đạt hiệu cao liều lượng mạt sắt g/l Ở liều lượng này, nồng độ COD giảm 88.9% Đây hướng cải tiến việc tận dụng lượng mạt sắt vụn thải bỏ cửa hàng gia công đồ sắt, giúp giảm chi phí mà hiệu xử lý khơng thay đổi Xử lý nước rỉ rác trình Fenton bậc xúc tác bậc nối tiếp đạt hiệu cao q trình Fenton thơng thường với nồng độ H 2O2 tổng nồng độ Fe2+ nhỏ Ở nồng độ H2O2 400mg/l, tổng nồng độ Fe2+ 200 mg/l hiệu xử lý với Fenton bậc xúc tác, Fenton bậc nối tiếp Fenton truyền thống 91,7%; 92,3% 83,3% SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 63 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI CHƯƠNG KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN  Đề tài “Nghiên cứu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác phương pháp Fenton truyền thống Fenton cải biên” thực nội dung sau: • Thu thập số tài liệu việc áp dụng trình Fenton truyền thống Fenton cải biên làm chất oxy hóa ứng dụng xử lý nước rỉ rác loại nước khó xử lý • Đánh giá khả hiệu xử lý chất hữu khó/khơng phân hủy sinh học nước rỉ rác • Đưa hướng nghiên cứu để xử lý nước rỉ rác phương pháp Fenton cải biên: quang Fenton, Fenton dùng mạt sắt, Fenton bậc xúc tác Fenton bậc nối tiếp  Sau trình thực nghiệm, số kết luận cụ thể kết nghiên cứu bao gồm: • Nồng độ hydroperoxit (H2O2) cần thiết cho q trình oxy hóa nước rỉ rác Phước Hiệp 600 mg/l; tỉ lệ H2O2/Fe2+ = 2/1; pH = 3.5; thời gian phản ứng 90 phút SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 64 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI • Với phương pháp quang Fenton ánh sáng Mặt trời có tác dụng tích cực đến hiệu xử lý chất hữu khó khơng thể phân hủy sinh học nước rỉ rác Theo kết nghiên cứu, tất tỉ lệ H 2O2/Fe2+ hiệu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác Phước Hiệp trình quang Fenton ln lớn q trình Fenton thơng thường Hiệu xử lý cao tỉ lệ H2O2/Fe2+ 2/1 ứng với nồng độ H 2O2 600 mg/l, Fe2+ 300 mg/l, pH = 3,5, thời gian tiếp xúc 90 phút 93.6% so với q trình Fenton thơng thường, trình quang Fenton giúp tiết kiệm 20 – 50% lượng hóa chất cần thiết • Q trình Fenton cải biên dùng mạt sắt làm chất xúc tác giúp tận dụng lượng mạt sắt vụn cửa hàng gia công đồ sắt Hiệu xử lý đạt 88.9% nồng độ H2O2 600 mg/l, liều lượng mạt sắt g/l • Q trình Fenton bậc xúc tác trình Fenton bậc nối tiếp tận dụng hàm lượng H2O2 dư để nâng cao hiệu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rác Hiệu xử lý trình đạt cao q trình Fenton thơng thường Ứng với nồng độ H2O2 400mg/l, tổng nồng độ Fe2+ 200 mg/l, hiệu xử lý trình Fenton bậc xúc tác Fenton bậc nối tiếp 91,7% 92.3% • Tỉ lệ BOD5/COD nước rác sau xử lý tăng thành 0,4 – 0,5 so với trước xử lý (0.26), chứng tỏ khả phân hủy sinh học nước rác sau oxy hóa q trình Fenton cải thiện rõ rệt • Như vậy, phản ứng oxy hóa dùng tác nhân Fenton nhìn chung có hiệu xử lý chất hữu cao, khoảng 70 ÷ 95% 4.2 KIẾN NGHỊ Vì thời gian nghiên cứu có giới hạn, nên đề tài tập trung đánh giá hiệu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác phương pháp Fenton Chính thế, đề tài cần tiếp tục nghiên cứu thêm với hướng như: - Tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp Fenton cải tiến khác để áp dụng vào xử lý hợp chất hữu khó khơng thể phân hủy sinh học nhằm đạt - hiệu cao Cần mở rộng khả áp dụng trình Fenton cải biên để xử lý hợp chất hữu khó khơng thể phân hủy sinh học nhiều loại nước thải khác như: nước thải mực in, nước thải dệt nhuộm,… SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 65 MSSV: 107108070 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP GVHD: TH.S VÕ HỒNG THI MỤC LỤC SVTH: NGUYỄN THỊ THANH THÙY 66 MSSV: 107108070 ... trước xử lý Giá trị nước 112 47 78.336 0.42 sau xử lý Hiệu xử lý (%) 90,3 84,12 92,8 - 3.2 KẾT QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON CẢI BIÊN Kết xử lý nước rỉ rác trình Fenton truyền thống. .. ưu xử lý nước rỉ rác theo phương pháp Fenton truyền thống Fenton cải biên ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nước rỉ rác BCL Phước Hiệp thành phố Hồ Chí Minh, lấy sau bể Aeroten PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN... khơng thể phân hủy sinh học với chi phí chấp nhận được, lại dễ dàng thực Dựa sở đó, đề tài ? ?Nghiên cứu xử lý chất hữu khó phân hủy nước rỉ rác phương pháp Fenton truyền thống Fenton cải biên? ?? hình