Khóa luận Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học

62 trang thiennha21 15/04/2022 5300

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

khoa_luan_nghien_cuu_xu_ly_tss_va_do_mau_trong_nuoc_ri_rac_b.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  NGUYỄN THỊ ÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TSS VÀ ĐỘ MÀU TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường HÀ NỘI – 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  NGUYỄN THỊ ÁNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TSS VÀ ĐỘ MÀU TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường Cán bộ hướng dẫn TS. LÊ THANH SƠN HÀ NỘI – 2018
LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp là sản phẩm nghiên cứu khoa học đầu đời của mỗi sinh viên, cũng là thành quả của quá trình học tập và rèn luyện trong trường đại học. Chính vì thế, việc hoàn thành khóa luận đòi hỏi rất nhiều công sức, sự chuyên tâm, nhiệt huyết cũng như thời gian của người viết. Tuy nhiên, một trong những yếu tố không nhỏ tạo nên “sản phẩm trí tuệ” này là sự hướng dẫn, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, các thầy cô đã giảng dạy cũng như sự ủng hộ của gia đình và bạn bè. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy TS. Lê Thanh Sơn - người trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình làm khóa luận. Không chỉ gợi ý và hướng dẫn em trong quá trình tìm hiểu, đọc tài liệu và lựa chọn đề tài, thầy còn tận tình chỉ bảo em những kĩ năng phân tích, khai thác tài liệu để có những lập luận phù hợp với nội dung của khóa luận. Hơn nữa, thầy còn rất nhiệt tình trong việc đốc thúc quá trình viết khóa luận, đọc và đưa ra những nhận xét, góp ý để em có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Trong quá trình thực hiện khóa luận, em xin chân thành cảm ơn các anh chị tại phòng Công nghệ Hoá lý môi trường thuộc Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận. Cuối cùng, em xin được gửi đến bố mẹ, gia đình và bạn bè lời cảm ơn và lòng biết ơn sâu sắc vì những sự động viên, ủng hộ và cổ vũ tinh thần trong suốt quá trình gian nan và vất vả này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thị Ánh
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: 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 5 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần, tính chất nước rỉ rác 10 1.1.4. Ảnh hưởng của nước rỉ rác tới môi trường và sức khỏe con người 13 1.1.5. Đặc điểm bãi rác Nam Sơn 14 1.1.6. Các công trình nghiên cứu về xử lí nước rỉ rác 15 1.2. Tổng quan về chất rắn lơ lửng (TSS) và độ màu 17 1.2.1. Khái niệm 17 1.2.2. Ảnh hưởng của TSS và độ màu 18 1.2.3. Các công trình nghiên cứu xử lí TSS và độ màu 19 1.3. Tổng quan về phương pháp lọc sinh học 22 1.3.1. Phân loại phương pháp lọc sinh học 22 1.3.2. Phương pháp lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước 24 1.3.3. Ứng dụng của lọc sinh học trong xử lý môi trường 29 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32 2.1. Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu 32 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 32 2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu 32 2.2. Phương pháp nghiên cứu 32 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu 32 2.2.2. Phương pháp phân tích 32 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm 33 2.3. Nội dung nghiên cứu 36
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1. Thông số chỉ tiêu ban đầu của nước rỉ rác 41 3.2. Kết quả chuẩn bị hệ lọc 41 3.3. Kết quả ảnh hưởng chế độ sục khí tới hiệu quả xử lý TSS 42 3.4. Kết quả ảnh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu quả xử lý độ màu 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 1. Kết luận 45 2. Kiến nghị 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 49
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT AOPs Oxy hóa nâng cao BCL Bãi chôn lấp BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học sau 5 ngày COD Nhu cầu oxy hoá DO Lượng oxi hòa tan trong nước HLRs Tải nạp thủy lực MBR Công nghệ màng lọc sinh học NRR Nước rỉ rác RBS Đĩa quay sinh học RO Màng thẩm thấu ngược RTSH Rác thải sinh hoạt SS Chất rắn lơ lửng TDS Tổng chất rắn hòa tan TN Tổng Nitơ TOC Tổng cacbon hữu cơ TP Tổng phopho TSS Tổng chất rắn lơ lửng UASB Bể màng sinh học kỵ khí dòng chảy ngược
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần và tính chất của nước rỉ rác điển hình 7 Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số BCL các quốc gia trên thế giới 8 Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á 9 Bảng 1.4. Thành phần nước rỉ rác tại một số bãi chôn lấp Việt Nam 10 Bảng 1.5. Đặc tính nước rỉ rác Nam Sơn 15 Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bị lọc 34 Bảng 2.2. Thông số nước rỉ rác Nam Sơn dùng cho nghiên cứu 36 Bảng 3.1. Các thông số đầu vào của nước rỉ rác 41
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Nước rỉ rác 3 Hình 1.2. Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp 4 Hình 1.3. Toàn cảnh của bãi chôn lấp rác Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội 14 Hình 1.4. Đĩa quay sinh học RBC 22 Hình 1.5. Cấu tạo của bể lọc nhỏ giọt 24 Hình 1.6. Giá thể vi sinh 25 Hình 1.7. Cấu tạo của bể lọc sinh học giá thể bám dính ngập nước 26 Hình 1.8. Màng sinh học phát triển trên giá bám 27 Hình 2.1. Mô hình hệ thống thí nghiệm bể lọc sinh học 33 Hình 2.2. Hệ thí nghiệm lọc sinh học trong quá trình thí nghiệm 34 Hình 2.3. Nhựa PE sử dụng làm giá thể bám dính 35 Hình 2.4. Phương trình đường chuẩn xác định hàm lượng màu 39 Hình 3.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS của NRR 42 Hình 3.2. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu của NRR 43
MỞ ĐẦU ➢ Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống của nhân dân và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày càng nhiều đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH). Tại Việt Nam, phương pháp chôn lấp là phương pháp được áp dụng trong xử lý chất thải rắn do kĩ thuật đơn giản và chi phí xử lý thấp hơn so với các phương pháp xử lý khác nhau như đốt, hóa rắn Tuy nhiên, các bãi chôn lấp (BCL) không hợp vệ sinh lại là vấn đề đáng quan tâm nêu các BCL không đạt tiêu chuẩn gây ra nhiều bất cập làm ảnh hưởng tới môi trường xung quanh và cuộc sống con người. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước rỉ rác là vấn đề “nóng” tại hầu hết các bãi rác trên toàn quốc bởi vì nước rỉ rác có thành phần phức tạp, nồng độ các chất ô nhiễm cao. Trong trường hợp nước rỉ rác phát thải trực tiếp vào môi trường và không được kiểm soát sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người. Trên thực tế, đã có rất nhiều công nghệ xử lý nước rỉ rác như: kết hợp nước rỉ rác với nước thải sinh hoạt, quay vòng nước rỉ rác, xử lý hóa lý (ô-xy hóa, kết tủa, hấp phụ, công nghệ mảng ), xử lý kỵ khí, hiếu khí nước rỉ rác và xử lý bằng các quá trình sinh thái. Tuy nhiên, các phương pháp trên còn tồn một số các bất cập như: chi phí cao, gây ô nhiễm thứ cấp, hoặc tiêu tốn hóa chất. Trong nghiên cứu này, phương pháp lọc sinh học với các ưu điểm: hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường đã được áp dụng để xử lý thứ cấp nước rỉ rác sau keo tụ điện hóa hứa hẹn là phương pháp khả thi. Do vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học ”. ➢ Nội dung thực hiện - Thu thập các tài liệu, số liệu về thành phần trong nước rỉ rác, tìm hiểu các công trình xử lý NRR ở Việt Nam và trên thế giới. - Nghiên cứu, thu thập, tìm hiểu tài liệu về phương pháp sinh học. 1
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục tới hiệu quả xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác sau quá trình keo tụ điện hóa bằng phương pháp lọc sinh học. - Phân tích, đánh giá các số liệu thu thập được, tổng hợp lại số liệu. - Lựa chọn ra chế độ sục tối ưu cho quá trình lọc sinh học ngập nước để đề xuất cách xử lý nước rỉ rác trong thực tế. ➢ Mục đích của đề tài - Nắm bắt được phương pháp lọc sinh học xử lý nước thải. - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ đến quá trình xử lý tổng chất rắn lơ lửng và độ màu bằng phương pháp lọc sinh học. Từ đó lựa chọn chế độ sục tối ưu để xử lý. ➢ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của BCL chất thải rắn Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội bằng phương pháp lọc sinh học. - 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. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác Hình 1.1. Nước rỉ rác 1.1.1. Sự hình thành nước rỉ rác Nước rỉ rác (NRR) là nước bẩn thấm qua lớp rác, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất dưới bãi chôn lấp. Trong giai đoạn hoạt động của bãi chôn lấp, nước rỉ rác hình thành chủ yếu do nước mưa và nước “ép” ra từ các lỗ rỗng của chất thải do các thiết bị đầm nén. Các nguồn chính tạo ra nước rò rỉ bao gồm 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). Nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo các cách sau: - Nước sẵn có và sinh ra do quá trình phân hủy các chất hữu cơ. - Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm vào rác. - Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn lấp. - Nước từ khu vực khác chảy qua có thể thấm vào ô chôn lấp. 3
- Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp trước khi được phủ đất và sau khi ô chôn lấp được đóng lại, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép. Lượng nước rỉ rác phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong ô chôn lấp. Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rỉ rác được trình bày trong hình 1.2. và lượng nước rỉ rác được tính theo công thức [4]: LC = R + RI – RO – E - V Trong đó: LC - Nước rỉ rác R - Nước mưa thấm vào ô chôn lấp. RI - Dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp) RO - Dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp. V - Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải; lượng nước thất thoát ra từ đáy bãi chôn lấp chất thải rắn; sự chênh lệch về hàm lượng nước trong cấu trúc hóa học của rác. E - Nước bay hơi. Hình 1.2. Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp 4
Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến lượng nước rò rỉ sinh ra. Tốc độ phát sinh nước rác dao động lớn theo các giai đoạn hoạt động khác nhau của bãi rác. Lượng nước rỉ rác sẽ tăng lên dần trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần sau khi đóng cửa BCL do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên trên mặt giữ nước làm giảm độ ẩm thấm vào. 1.1.2. Đặc điểm nước rỉ rác 1.1.2.1. Thành phần, tính chất nước rỉ rác Nước rỉ rác là loại nước bị ô nhiễm nặng lề, độc hại với các thành phần các chất ô nhiễm hữu cơ (axit humic, axit funlvic, các hợp chất tan nhanh, các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo ) và vô cơ (hợp chất của nitơ, photpho, lưu huỳnh ) cao, phức tạp, khó xác định vì nó luôn thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thành phần nước rác thay đổi rất nhiều (phụ thuộc vào tuổi của BCL, các loại rác có trong BCL, khí hậu). Mặt khác, độ dày, độ nén và lớp nguyên liệu phủ trên cùng của bãi rác cũng tác động đến thành phần nước rác Các thành phần và tính chất của nước rỉ rác có thể biến động rất lớn, tùy thuộc vào tuổi, chiều sâu bãi chôn lấp, thời gian lấy mẫu - mùa mưa hay mùa khô, thành phần, các quá trình thẩm thấu, tràn, bay hơi và các xu hướng khác. Vì vậy, việc khảo sát các đặc trưng của nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp suốt một thời gian dài, ngay từ khi mới đi vào hoạt động, có thể cung cấp những thông tin quan trọng làm cơ sở để chọn lựa công nghệ xử lý phù hợp. Ngoài ra, thiết kế và thực tế vận hành của các bãi chôn lấp cũng có những ảnh hưởng quan trọng đến đặc trưng nước rỉ rác. Thành phần và tính chất nước rỉ rác 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. 5
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. Trong quá trình hoạt động của bãi rác, thành phần nước rỉ rác biến đổi qua 5 giai đoạn sau: Giai đoạn 1 - thích nghi: sau một thời gian ngắn khi bãi rác đi vào hoạt động. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra, ở giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo và một lượng nhất đinh xenlulozơ. Giai đoạn này có thể kéo dài một vài ngày hoặc một vài tuần. Giai đoạn 2 - chuyển tiếp: Khi oxy bị các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật kỵ khí bắt đầu xuất hiện và phát triển. Nitrat và sunfat đóng vai trò chất nhận electron trong các phản ứng chuyển hóa sinh học, bị khử đến N2 và H2S. Trong pha này, pH bắt đầu giảm do sự có mặt của axit hữu cơ và sự gia tăng CO2. Giai đoạn 3 - axit: các vi sinh vật kỵ khí gia tăng tạo ra một lượng axit hữu cơ và một lượng khí hydro. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm sinh vật dị dưỡng trong điều kiện yếm khí và kỵ khí nghiêm ngặt. Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường được chuyển hóa thành các axit béo bay hơi, acohols, CO2 và N2. Trong pha này, pH giảm xuống 5 hoặc thấp hơn. Giai đoạn này có thể kéo dài sau một vài năm, thập kỷ, cả thập niên. BOD trong giai đoạn này có giá trị cao (> 10000 mg/l). Giai đoạn 4 - lên men metan: Sự phát triển chậm của vi khuẩn metan dần được hình thành, chiếm ưu thế và bắt đầu tiêu thụ những hợp chất đơn giản, tạo ra hỗn hợp CO2 và CH4 cùng với một số thành phần vết khác tạo khí của bãi rác. Pha này nhạy cảm hơn pha 2. Nước rò rỉ tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD5: COD thấp. NH3 vẫn tiếp tục thoát ra bởi quá trình lên men axit theo bậc 1 và có nồng độ rất cao trong 3+ + + 2- - nước rỉ rác. Các chất vô cơ như Fe , Na , K , SO4 và Cl tiếp tục tan ra và rỉ ra trong nhiều năm. 6
Giai đoạn 5 - chín: Xuất hiện các chất hữu cơ sẵn sàng phân hủy sinh học, đã chuyển thành khí metan và cacbonnic. Lúc này, tốc độ sinh khí giảm đáng kể do phần lớn các các chất dinh dưỡng đã bị khử qua các giai đoạn trước và chất nền còn lại khả năng phân hủy sinh học xảy ra khá chậm. Khí sinh ra là metan và cacbonic. Suốt pha này nước rỉ rác thường chứa axit humic và fulvic rất khó xử lý sinh học Nhìn chung những bãi rác mới, nước rỉ rác thường có pH, nồng độ BOD5, TOC, COD và kim loại nặng cao, còn những bãi rác lâu năm, giá trị pH khoảng từ 6.5 đến 7, nồng độ các chất ô nhiễm thấp hơn đáng kể. Khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian. Thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác rất đa dạng, có thể chia thành các nhóm thông số chính, bao gồm các chất lơ lửng, các chất dinh dưỡng, các muối vô và các ion kim loại nặng Một số thành phần và tính chất của nước rỉ rác được liệt kê theo bảng dưới đây: Bảng 1.1. Thành phần và tính chất của nước rỉ rác điển hình Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm Thành phần Khoảng giá trị Giá trị trung bình (trên 10 năm) BOD5 (mg/l) 2000 -20000 10000 100 -200 TOC (mg/l) 1500 - 20000 6000 80 - 160 COD (mg/l) 3000 - 60000 18000 100 - 500 TSS (mg/l) 200 - 2000 500 100 - 400 TN (mg/l) 10 - 800 200 80 – 120 + NH4 (mg/l) 10 - 800 200 20- 40 - NO3 5 - 40 25 5 – 10 TP (mg/l) 5 - 100 30 5 – 10 Kiềm- CaCO3 (mg/l) 1000 - 10000 3000 200 – 1000 pH 4.5 - 7.5 6 6.6 - 7.5 Ca (mg/l) 50 - 1500 250 50 – 200 Cl- 200 - 3000 500 100 – 400 2- SO4 (mg/l) 50 - 1000 300 20 – 50 (Nguồn: Tô Thị Hải Yến) [9] 7
a. Đặc điểm thành phần nước rỉ rác trên thế giới. Thành phần nước rỉ rác ở các BCL trên thế giới đều chứa hàm lượng chất hữu cơ cao dao động từ hàng nghìn đến chục nghìn mg/L. Các bãi chôn lấp có tuổi thọ càng cao thì tỉ lệ BOD/COD cũng như hàm lượng TSS càng thấp. Điều này cho thấy, BCL càng lâu sẽ chứa càng nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số BCL các quốc gia trên thế giới Đài Loan Thổ NHĩ Kỳ Thành Colombia Canada Đơn vị (Sanjuku (Istanbul phần (Pereira) (Clover) Taiwan) Komurcuoda) pH - 7,2 – 8,3 8,3 6.8–7.8 7,8 COD mgO2/l 4350 – 65000 1090 80–600 24.040 BOD mgO2/l 1560 – 48000 39 50–400 15021 NH4 mg/l 200 – 3800 455 59.7-581 2281 TS mg/l 7990 – 89100 - - - TSS mg/l 190 – 27800 - 1357–4432 1962 TDS mg/l 7800 – 61300 - - - 2- PO4 mg/l 2 – 35 - - - Độ kiềm mgCaCO3/l 3050-8540 4030 - 10.581 Tuổi thọ Năm > 5 >40 - - (Nguồn: Văn Hữu Tập, 2015) [14] 8
Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á Thái Lan Hàn Quốc Thành Phần Đơn Vị BCL Sukdowop Sukdowop pathumthani NRR1 năm NRR 12 năm pH – 7,8 – 8,7 5,8 8,2 Độ dẫn điện µS/cm 19.400 – 23.900 COD mgO2/l 4.119 – 4.480 12.500 2.000 BOD5 mgO2/l 750 – 850 7.000 500 SS mg/l 141 – 410 400 20 IS mg/l 10.588 – 14.373 – N-NH3 mg/l 1.764 – 2.128 200 1.800 N-Org mg/l 300 – 600 – – Phospho tổng mg/l 25 – 34 – – Cl- mg/l 3.200 – 3.700 4.500 4.500 Zn mg/l 0,873 – 1,267 – – Cd mg/l – – Pd mg/l 0,09 – 0,330 – – Cu mg/l 0,1 – 0,157 – – Cr mg/l 0,495 – 0,657 – – Độ kiềm mgCaCO3/l – 2.000 10.000 (Nguồn: Kwanrutai Nakwan, 2002) Như vậy có thể thấy rằng nước rỉ rác gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường sống vì nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước rất cao và lưu lượng đáng kể. Do đó số lượng các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trên thế giới là rất đáng kể. b. Đặc điểm nước rỉ rác tại một số bãi chôn lấp ở Việt Nam. Nước rỉ rác ở một số bãi chôn lấp ở Việt Nam cũng có đặc điểm là: hàm lượng nitơ vượt quá tiêu chuẩn cho phép, hàm lượng chất hữu cơ và TDS cao. Các thông số như bảng 1.4. 9
Bảng 1.4. Thành phần nước rỉ rác tại một số bãi chôn lấp Việt Nam Thông số Đơn vị BCL Nam BCL Gò Cát BCL BCL Sơn (HN) (TP.HCM) Thủy Phương Tràng Cát (Huế) (Hải Phòng) pH - 6,81 - 7,98 7,4 - 7,6 7,7 – 8,5 6,5 – 8,22 TSS mg/L 120 – 2240 700 – 2020 42 – 84 21 – 78 COD mg/L 1020 - 22783 13655-16814 623 – 2442 327 – 1001 BOD5 mg/L 495 - 12302 6272 – 9200 148 – 398 120 – 465 Tổng N mg/L 423 – 2253 1821 – 2427 - 179 – 507 + N-NH4 mg/L - 1680 – 2887 184 – 543 - - N-NO3 mg/L - 0 - 6,2 - - Tổng P mg/L 6,51 - 24,80 10,3 - 19,8 - 3,92 – 8,562 Tuổi BCL Năm 7 7 9 2 (Nguồn: Văn Hữu Tập, 2015) [14] Nhìn chung, nước rỉ rác ở một số bãi chôn lấp ở nước ta cũng có thành phần chất hữu cơ dao động trong khoảng lớn, COD từ vài trăm đến trên mười nghìn mg/l. Tỉ lệ BOD5/COD ở một số bãi chôn lấp ở nước ta cao hơn một số bãi chôn lấp thế giới. c. 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 mưa: mưa thấm qua bãi rác và hòa lẫn vào 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. 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần, tính chất nước rỉ rác Rác được chọn trong bãi chôn lấp chịu hàng loạt các biến đổi lý, hóa, sinh cùng lúc xảy ra. Khi nước chảy qua sẽ mang theo các chất hóa học đã được phân hủy từ rác. 10
Thành phần chất ô nhiễm trong nước rò rỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chôn lấp, khí hậu, các mùa trong năm, chiều sâu bãi chôn lấp, độ nén, loại và độ dày của nguyên liệu phủ trên cùng, tốc độ di chuyển của nước trong bãi rác, độ pha loãng với nước mặt và nước ngầm, sự có mặt của các chất ức chế, các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, việc thiết kế và hoạt động của bãi rác, việc chôn lấp chất thải rắn, chất thải độc hại, bùn từ trạm xử lý nước thải Ta sẽ lần lược xét qua các yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rò rỉ: a. 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. Theo thời gian chôn lấp thì các chất hữu cơ trong nước rò rỉ cũng có sự thay đổi. Ban đầu, khi mới chôn lấp, nước rò rỉ chủ yếu axit béo bay hơi. Các axit thường là acetic, propionic, butyric. Tiếp theo đó là axit fulvic với nhiều cacboxyl và nhân vòng thơm. Cả axit béo bay hơi và axit fulvic làm cho pH của nước rác nghiên về tính axit. Rác chôn lấp lâu thì thành phần chất hữu cơ trong nước rò rỉ có sự biến đổi thể hiện ở sự giảm xuống của các axit béo bay hơi và sự tăng lên của axit fulvic và humic. Khi bãi rác đã đóng cửa trong thời gian dài thì hầu như nước rò rỉ chỉ chứa một phần rất nhỏ các chất hữu cơ, mà thường là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. 11
b. 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. c. 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 d. 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. e. 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 12
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 rỉ 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. 1.1.4. Ảnh hưởng của nước rỉ rác tới môi trường và sức khỏe con người Trong nước rỉ rác có chứa hàm lượng chất hữu cơ và nồng độ amoni cao, bên cạnh đó, trong quá trình chôn lấp và phân hủy chất hữu cơ từ các bãi chôn lấp (đặc biệt là bãi chôn lấp mới) sẽ phát sinh ra các khí độc như khí metan (CH4). Các yếu tố trên là nguyên nhân chính gây hại tới môi trường và sức khỏe con người. Ở những khu vực xung quanh bãi rác, nước rỉ rác có chứa hàm lượng cao các kim loại nặng và chất hữu cơ khi đi vào nguồn nước và đất sẽ gây tích tụ độc tố gây ảnh hưởng lâu dài đến người dân xung quanh. Các đoạn kênh rạch, sông suối quanh bãi chôn lấp bán kính 5 km thường có màu xám và màu vàng nâu gây nên hiện tượng phát sinh tảo nấm gây hại, cản trở sự sinh trưởng và phát triển của các loài sinh vật trong nước. 1.1.4.1. Tác hại của chất hữu cơ đối với sinh vật và sức khỏe cộng đồng Sự có mặt của chất hữu cơ trong nước thải có thể gây ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. - Đối với sinh vật: Khi trong nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ có thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước. Trong điều kiện hàm lượng oxy hòa tan trong nước thấp, có thể phát sinh một số bệnh cho tôm, cá như bệnh đốm đỏ, bệnh nhiễm trùng máu, Chính vì vậy, nó gây ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của nhiều loài thủy sinh. 13
- Đối với sức khỏe con người: Hàm lượng các chất hữu cơ sau khi phân hủy sẽ ngấm vào nước ngầm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu nguồn nước này được sử dụng cho sản xuất và sinh hoạt. Đây chính là nguyên nhân gây nhiễm độc mãn tính và các bệnh hiểm nghèo như ung thư bàng quang, ung thư phổi. 1.1.4.2. Tác hại của ô nhiễm chất hữu cơ đối với môi trường Những thành phần chất hữu cơ dễ bị phân hủy trong môi trường nước sẽ tác động mạnh làm cạn kiệt oxy trong nước. Các chất hữu cơ trong NRR là nguyên nhân gây ra màu, mùi trong nước và cũng là nguyên nhân gây lên chỉ số COD cao trong nước thải. 1.1.5. Đặc điểm bãi rác Nam Sơn Bãi rác Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội nằm cách trung tâm Hà Nội khoảng 45km về phía Bắc. Bãi rác Nam Sơn được xây dựng với nhiệm vụ chính là tiếp nhận, xử lý chất thải rắn sinh hoạt của thành phố Hà Nội, vận chuyển về bãi và xử lý nước rỉ rác theo đúng quy trình công nghệ đảm bảo vệ sinh môi trường. Bãi rác Nam Sơn được thành lập từ năm 1999 và đi vào hoạt động với tổng diện tích 85ha, công suất xử lý 4.200 tấn rác/ngày đêm, hoạt động 24/24h. Căn cứ theo cấu trúc bãi chôn lấp rác thải Nam Sơn thuộc loại bãi chôn lấp hợp vệ sinh được thiết kế để đổ rác thải vào sao cho mức độ độc hại đến môi trường là nhỏ nhất. Và ta có thể xếp vào loại bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị với toàn bộ lượng rác thải đô thị được vận chuyển tới bãi để xử lý. Hình 1.3. Toàn cảnh của bãi chôn lấp rác Nam Sơn, Sóc Sơn, Hà Nội 14
Thành phần chất thải chủ yếu là chất hữu cơ từ: rau, hoa cỏ, động vật chết và một số lượng lớn các loại rác như nilon, nhựa, giấy các loại. Các loại rác vô cơ chủ yếu là thủy tinh, sành sứ, gốm, xi măng và đá xây dựng. Bảng 1.5. Đặc tính nước rỉ rác Nam Sơn Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị pH - 8,31 COD mg/L 6.400 + NH4 mg/L 1.613 - PO4 mg/L 17,4 Ca2+ mg/L 25,6 Mg2+ mg/L 65,7 TN mg/L 354 TP mg/L 22 (Nguồn Nguyễn Mạnh Khải và cộng sự, 2012) Bãi rác có hệ thống thu gom nước rỉ rác từ các giếng khoan và hệ thống thu và xả vào các hồ sinh học, mỗi ngày hồ chứa tiếp nhận gần 2000 m3 nước rỉ. Tuy nhiên, công suất xử lý của nhà máy chỉ khoảng 1500 m3/ngày. Chính vì vậy, nhà máy xử lý nước rỉ rác Nam Sơn trở nên quá tải. Mặt khác, bãi rác xây dựng gần khu dân cư nên ảnh hưởng tới sinh hoạt của người dân. 1.1.6. Các công trình nghiên cứu về xử lí nước rỉ rác 1.1.6.1. Các công trình nghiên cứu trong nước Tô Thị Hải Yến và các cộng sự [9] 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 15,2% trọng lượng khô làm phát thải khí metan không có lợi về kinh tế và môi trường. Với việc bổ sung thêm môi trường sunfat 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 sunfat, hệ thống chỉ thực sự phát huy tác dụng từ ngày thứ 95 của 15
chu trình chôn lấp rác. Ngoài ra nhóm tác giả cũng đã cho thấy rằng việc tuần hoàn nước rỉ rác tạo khả năng oxy 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. Quý Tùng và cộng sự [12]đã nghiên cứu “Xử lý nước rỉ rác bãi rác Thùy Phương (Huế) bằng tác nhân UV - FENTON trong thiết bị gián đoạn”. Tính phân hủy sinh học của nước thải sau quá trình xử lý tăng lên đáng kể, tỷ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 đến 0,46. Kết quả khả quan với hiệu suất xử lý COD đạt 71% và màu nước rỉ rác đạt 90% ở điều kiện tối ưu: pH = 3, nồng độ H2O2 = 125 mg/L, nồng độ Fe2+ = 50 mg/L sau thời gian lưu 2 giờ. Trần Mạnh Trí [10] đã áp dụng quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) để xử lý nước rỉ rác đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát. Tác giả đã sử dụng quá trình Keo tụ - Tạo phức - Fenton - Perozon để xử lý nước rỉ rác sau phân hủy sinh học kỵ khí trong bể UASB (COD = 5424 mg/L) ở hệ thống xử lý nước rỉ rác Gò Cát. Quá trình keo tụ/Fenton được thực hiện bằng cách bổ sung polyferic 3+ sunphat (300 mg Fe /L) và sau khuấy nhanh bổ sung tiếp 500 mg H2O2/L vào và khuấy chậm 120 phút. Với quá trình xử lý này, hiệu suất xử lý COD rất cao (đạt 76%). Sau quá trình Keo tụ - Tạo phức - Fenton, nước rỉ rác tiếp tục được xử lý bằng Perozon đã xử lý được 97% các chất hữu cơ trong nước rỉ rác. 1.1.6.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới Top và cộng sự [23] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác của một nhà máy tại Istanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc màng nano. Nồng độ trung bình của COD, nitơ tổng 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 lý là 15,9 mA/cm2 và thời gian xử lý hợp lý là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ phốtpho tương ứng là 45%, 60% và 91,8%. Tizaoui cùng cộng sự [21] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp ozon hóa và ozone kết hợp với hydrogen peroxide để xử lí nước rỉ rác tại Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và màu sắc tối. Kết quả thu được cho thấy rằng hiệu quả ozon hóa đã gần như tăng gấp đôi khi kết hợp với 16
hydrogen peroxide khi nồng độ H2O2 là 2 g/L, nhưng khi nồng độ H2O2 cao hơn 2g/L lại cho hiệu quả thấp. pH có thể thay đổi không đáng kể do tác dụng của đệm bicarbonate. Nồng độ sulphate cũng giảm nhẹ. Ngược lại, nồng độ chloride ban đầu thì giảm, nhưng sau một thời gian thí nghiệm lại tăng lên để đạt được giá trị ban đầu của nó. Kết quả so sánh chi phí vận hành của 2 phương pháp cho thấy các hệ thống H2O2/O3 tại H2O2 nồng độ 2 g/L cho chi phí thấp nhất khoảng ~2.3 USD/kg COD được loại bỏ. Hệ thống xử lý nước rỉ rác được nghiên cứu bởi Ushikoshi cùng cộng sự [24] đã được lắp đặt tại Yachiyo Town ở quận Kanto của Nhật Bản, được đưa vào phục vụ vào tháng Tư năm 1999. Hệ thống này được trang bị module màng thẩm thấu ngược (RO) dạng đĩa - ống được gọi là DT - Module, đã hoạt động một cách hiệu quả trong nhiều năm qua, nước sau xử lý đạt chất lượng rất cao. Mặt khác tại Nhật Bản, vấn đề dioxin đã trở nên ngày càng nghiêm trọng, có mặt rất phổ biến trong các nước rỉ rác và hệ thống DT - Module cho thấy hiệu suất rất cao trong việc loại bỏ dioxin từ nước rỉ rác. Bằng cách áp dụng hệ thống DT - Module cùng với hệ thống lò thiêu kết đã tạo ra một hệ thống xử lý nước rỉ rác hoàn chỉnh: dioxin trong bùn từ các bể lắng và muối khô trong pha đặc của hệ thống RO được tiêu hủy trong lò thiêu kết với tỷ lệ loại bỏ dioxin bởi hệ thống DT - Module kết hợp lò thiêu kết là trên 99,9%. 1.2. Tổng quan về chất rắn lơ lửng (TSS) và độ màu 1.2.1. Khái niệm 1.2.1.1. Khái niệm về TSS Chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc vô cơ) không tan trong nước. Khi vận tốc của dòng chảy bị giảm xuống (do nó chảy vào các hồ chứa lớn) phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị bị lắng xuống đáy hồ, những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục (turbidity) của nước. Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước. Các cặn lắng sẽ làm đầy các bể chứa làm giảm thể tích hữu dụng của các bể này (Lê Hoàng Việt, 2003). TSS được sử dụng như là một chỉ số về chất lượng nước. Trong TSS có thể chứa các độc chất như là axit sunphat đồng, oxit đồng, những độc chất thuộc clor, chất hữu cơ photpho, oxit nhôm, oxit sắt 17
1.2.1.2. Khái niệm về độ màu Màu của nước chủ yếu là do chất mùn, các chất hòa tan, keo hoặc do các sản phẩm từ sự pân hủy các chất hữu cơ tạo nên. Bên cạnh đó, sự có mặt của một số ion kim loại có màu ( Fe,Mn ), một số loài thủy sinh (tảo, rêu ) hay nước thải sinh hoạt và các chất thải công nghiệp khác cũng làm cho nước có màu. Độ màu trong nước biểu thị giá trị cảm quan về độ sạch của nước, nước cấp sạch thì thường không có màu. Riêng với nước thải, độ màu còn là chỉ tiêu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước. 1.2.2. Ảnh hưởng của TSS và độ màu 1.2.2.1. Ảnh hưởng của TSS TSS cao có thể chặn ánh sáng từ thực vật ngập nước, khi số lượng ánh sáng truyền qua nước bị giảm đến quá trình quang hợp giảm, điều này dẫn đến ít oxy hòa tan được đưa vào nước. Nếu ánh sáng hoàn toàn bị chặn, thực vật sống trong nước ngừng sản xuất oxy và sẽ chết. Khi cây đang phân hủy, vi khuẩn sẽ sử dụng oxy nhiều hơn từ nước. Oxy hòa tan có thể dẫn đến chết cá. TSS cao cũng có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ nước bề mặt, vì các hạt lơ lửng hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Điều này có thể gây ra nồng độ oxy hòa tan giảm hơn nửa và có thể gây tổn hại cho đời sống thủy sinh. TSS cao có thể ảnh hưởng đến khả năng nhìn của cá trong tìm kiếm thực phẩm. Phù sa lơ lửng cũng có thể làm tắc nghẽn mang cá, làm giảm tốc độ tăng trưởng, giảm sức đề kháng với bệnh tật và ngăn chặn trứng và ấu trùng phát triển. TSS cao có thể là nồng độ cao hơn của vi khuẩn, các chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu và các kim loại trong nước. TSS cao có thể gây ra các trở ngại cho công nghiệp, nó có thể gây tắc nghẽn thiết bị, làm giảm chất lượng sản phẩm. 1.2.2.2. Ảnh hưởng của độ màu Độ màu cao cũng sẽ gây ảnh hưởng đến sự truyền và hấp thụ ánh sáng của nước, làm ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, sinh trưởng và phát triển của các loài thực vật ngập nước giống như TSS. Bên cạnh đó, độ màu của nước còn gây ra sự khó chịu về mặt cảm quan. 18
1.2.3. Các công trình nghiên cứu xử lí TSS và độ màu 1.2.3.1. Các công trình nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trên thế giới MuhammadIrfan cùng cộng sự [19] đã có bài: “Nghiên cứu loại bỏ COD, TSS và màu sắc trong nước thải nhà máy giấy theo quy trình đông kết - flocculation ở pH tối ưu”. Quá trình đông kết, kết tụ được thực hiện để tìm ra hiệu quả của chất flocculants và chất kết tụ khác nhau như phèn, sắt clorua, clorua nhôm, sulfat sắt, poly clorua nhôm (PAC) Tác động của tỷ lệ liều, thời gian giải quyết và pH được kiểm tra để giảm COD, TSS và màu sắc. Kết quả hiệu quả nhất thu được khi sử dụng kết hợp cation và anion polyacrylamide với clorua sắt và clorua nhôm và giảm 76% COD, 95% TSS và 95% màu ở pH < 3. Aziz và cộng sự (2012) [16] đã tiến hành: “Kết hợp Ozon và enton 2+ (O3/H2O2/Fe ) trong cùng một thí nghiệm để xử lý nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Pulau Burung, Malaysia)”. Các tác giả đã đánh giá tỉ lệ phân tử gam, nồng độ H2O2 và Fe2+ của hệ Fenton, giá trị pH, thời gian phản ứng. Hiêụ suất xử lý COD, độ màu, NH4+ tối ưu xác định được từ nghiên cứu này tương ứng là 65%, 98% và 12% sau 2+ 90, 31 phút phản ứng, tỉ lệ phân tử gam H2O2/Fe : 1 ở nồng độ 0,05 mol/l (1.700 2+ mg/l) H2O2 và 0,05 mol/l (2.800 mg/l) Fe ở pH= 7. Hiêụ suất xử lý NH3-N cao nhất đạt được là 19% sau 150 phút phản ứng. Hàm lượng O3 cần để xử lý được xác đinh là 0,63 kg O3/kg COD. Abu Amr và cộng sự (2013) [15] có bài nghiên cứu: “Kết hơp ozon và 2- pesunphat (O3/S2O8 ) để xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Pulau Burung, Malaysia)”. 2- Điều kiện tối ưu cho xử lý đạt được là: thời gian phản ứng 120 phút, tỉ lệ O3/ S2O8 1g/7g, pH 10. Ở điều kiện này, hiêụ suất xử lý COD, độ màu lần lượt đạt được là 72% và 93%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,05 lên 0,29. Lượng O3 tiêu tốn là 0,76 kg O3/kg COD. Jamali và công sự (2009) [17] đã: “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác (bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp keo tụ và ozon”. COD nước rỉ rác trước xử lý 130.000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiêụ suất xử lý COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,36 lên 0,45; hiệu suất xử lý độ màu đạt cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O3 là 180g O3/l nước rỉ rác. 19
1.2.3.2. Các công trình nghiên cứu xử lý TSS và độ màu tại Việt Nam Ngô Thụy Diễm Trang [6] đã nghiên cứu: “Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo nền cát vận hành với mức tái nạp thủy lực cao”. Hệ thống được vận hành với hai mức tải nạp thủy lực (HLRs) là 31 và 62 mm/ngày. Khả năng xử lý TSS, lân hòa tan (PO4-P) và lân tổng (TP) là rất hiệu quả và không đổi cho cả hai mức HLRs với hiệu suất xử lý trung bình tương ứng khoảng 94, 99 và 99%, trong khi đó hiệu suất xử lý nhu cầu oxy sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng đạm Kjeldahl (TKN) và đạm amôn (NH4-N) giảm khi HLR tăng, và có giá trị trung bình nằm trong khoảng tương ứng là 47- 71%, 68-84%, 63-87% và 69- 91%. Kết quả cho thấy bằng cách sử dụng HSSF CWs trong việc xử lý nước thải sinh hoạt là phương pháp khả thi. Chất lượng nước thải đầu ra của hệ thống ở mức HLR cao 62 mm/ngày (tương đương 1200 L/ngày) đạt tiêu chuẩn Việt Nam cho phép xả thải vào nguồn nước mặt. Nguyễn Minh Kì và các cộng sự [5] đã: “Nghiên cứu xử lý nước thải dân cư bằng công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane bioreactor)”. Mục đích của nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải dân cư bằng công nghệ màng lọc sinh học (MBR). Bể phản ứng được thiết kế với dung tích hữu ích 36 lít (L*W*H = 24*20*75 cm) và sử dụng module màng nhúng chìm có kích thước lỗ lọc tương đương 0,4 µm. Mô hình thí nghiệm MBR là sự kết hợp giữa hai quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và kỹ thuật tách sinh khối vi sinh bằng màng. Nghiên cứu bố trí thí nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dân cư trong thời gian 121 ngày với tải lượng chất hữu cơ dao động từ 1,7 đến 6,8 kgCOD/m3/ngày. Nhờ nồng độ sinh khối cao, MBR gia tăng hiệu quả xử lý nước thải so với phương pháp truyền thống. Hiệu quả xử lý trung bình TSS, BOD5, COD, TN, TP tương ứng lần lượt 89,4; 94,6; 92,6; 64,6 và 79,2%. Nhìn chung, công nghệ màng lọc có thể áp dụng để xử lý nguồn nước thải có tải lượng chất hữu cơ cao và là giải pháp hữu hiệu bảo vệ môi trường bền vững. Văn Hữu Tập cùng các cộng sự (2012) [13] tiến hành nghiên cứu: “Xử lý các chất hữu cơ trong NRR bãi chôn lấp chất thải rắn bằng UV/O3”. Để quá trình oxy 20
hóa các chất hữu cơ bằng ozon và perozon có hiệu quả cần thực hiện ở điều kiện tối ưu sau: pH 8 – 9; hàm lượng H2O2 (hệ Perozon) là 2.000mg/l; thời gian phản ứng đối với hệ Ozon đơn là 100 phút và hệ Perozon là 80 phút. Ở điều kiện này, kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu suất xử lý độ màu, COD và TOC đạt được trung bình tương ứng 84%, 43% và 30% (hệ Ozon) và 81%, 51% và 31% (hệ Perozon). Hoàng Ngọc Minh [10] đã nghiên cứu: “Xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn bằng quá trình Ozon và Perozon”, nghiên cứu sử dụng nguồn O3 với máy phát công suất 4,5 g O3/giờ, nồng độ H2O2 mà 1.000 - 3.000 mg/l. Với nước rỉ rác có COD và độ màu đầu vào tương ứng là 455 mg/l và 397 mgPt-Co/l, sau 60 phút xử lý bằng Perozon, hiệu suất đạt tương ứng 41% và 58%. Theo nghiên cứu của tác giả thì pH thích hợp cho quá trình ozon hóa nước rỉ rác khoảng 8 - 9,5. Trương Quý Tùng và cộng sự (2009) [11] đã có bài nghiên cứu: “Xử lý nước rỉ rác phát sinh từ BCL Thủy Tiên - Thừa Thiên Huế bằng tác nhân UV/Fenton”. Nước rỉ rác có tỷ lệ BOD5/COD = 0,16 ± 0,2. Tác giả đã xử lý nước rỉ rác này bằng tác nhân Fenton với sự hỗ trợ của đèn UV (200 – 275 nm, 40W) được bố trí ngập vào trong thiết bị phản ứng để sử dụng tối đa năng lượng của đèn. Kết quả cho thấy, quá trình này có thể loại bỏ được 71% COD và 90% độ màu nước rỉ rác ở pH ~ 3, 2+ nồng độ H2O2 là 125 mg/l, nồng độ Fe là 50 mg/l, sau thời gian phản ứng là 2 giờ. Ngoài ra, khả năng phân huỷ sinh học của nước rỉ rác sau xử lý đã tăng đáng kể, tỉ lê BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46. Hoàng Thị Thu Hiền (2012) [3] đã: “Nghiên cứu sử dụng UV/Ozon để xử nước rỉ rác”. Kết quả thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm xử lý nước rác từ bãi chôn lấp Nam Sơn. Từ kết quả thực nghiệm xử lý nước rỉ rác sau keo tụ, tác giả đã xác định được điều kiện tối ưu đạt được tại pH = 7,5 và thời gian phản ứng là 100 phút; hiệu suất xử lý COD và độ màu nước rỉ rác đạt tương ứng là 26% và 64% với hệ Ozon đơn và 35%, 82% với hệ UV/O3. Dư Thị Huyền Thanh (2012) [1] đã: “Nghiên cứu kết hơp Perozon và UV để xử lý nước rỉ rác”. Từ kết quả xử lý nước rỉ rác sau giai đoạn keo tụ, tác giả đã xác định được các điều kiện tốt nhất cho quá trình xử lý cho cả hệ O3/H2O2 và 21
O3/H2O2/UV là: pH = 7,5; tỉ lệ mol H2O2/O3 = 0,7; thời gian phản ứng là 80 phút. Với điều kiện tốt nhất 39 trên thì hiệu suất xử lý độ màu và COD đạt được tương ứng là 40% và 75% (hệ O3/H2O2); 90% và 64% (hệ O3/H2O2/UV). 1.3. Tổng quan về phương pháp lọc sinh học 1.3.1. Phân loại phương pháp lọc sinh học Dựa vào nguyên tắc hoạt động, phương pháp lọc sinh học được chia thành 3 loại là phương pháp sinh học sinh trưởng bám dính ngập nước, phương pháp sinh học sinh trưởng bám dính không ngập nước (lọc sinh học nhỏ giọt) và đĩa quay sinh học RBC. 1.3.1.1. Đĩa quay sinh học RBC (Rotating Biological Contactor) RBC là một đĩa quay sinh học bao gồm một số đĩa lớn (disk) bằng nhựa PVC hoặc PS, hình tròn được gắn cạnh nhau lắp trên cùng một trục (hub), các đĩa được phân ra nhờ các vách ngăn (partition). Các đĩa được quay nhờ có sự chuyển động bằng xích bánh lái (chain driving gear) và bánh xích (sprocket). Hệ được giữ cố định nhờ ổ đỡ trục (pillow). Sự kết hợp hài hòa giữa ổ đỡ trục và sự chuyển động của bằng xích và bánh xích giúp các đĩa này quay đồng tâm quanh trục truyền động (shaft) với tốc độ ổn định. Đây là thiết bị xử lý nước thải bằng kỹ thuật màng sinh học dựa trên sự dinh trưởng gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của vật liệu đĩa. Vật liệu thường gặp ở dạng đĩa, diện tích bề mặt khoảng 6 - 7,62 m2/m3, còn ở dạng lưới thì diện tích bề mặt từ 9,1-10,6 m2/m3 [11]. trục ổ đỡ trục Trục chuyển động đĩa bánh lái bánh xích vách ngăn Hình 1.4. Đĩa quay sinh học RBC 22
Khi khối đĩa quay lên, các vi sinh vật lấy oxy để oxy hoá các chất hữu cơ và giải phóng CO2. Tốc độ quay chỉ với vài vòng/ phút điều này cũng giúp điều chỉnh độ dày màng có chứa vi sinh là từ 1 - 2mm. Khi khối đĩa quay xuống, vi sinh vật nhận chất nền (chất dinh dưỡng) có trong nước. Trong quá trình luân chuyển, khoảng 40% diện tích bề mặt môi trường được tiếp xúc với nước thải. Việc quay vòng liên tục khiến vi sinh vật hiếu khí có điều kiện tốt để tiếp xúc với oxy, tạo môi trường thuận lợi cho các sinh vật nhân lên và tạo thành một lớp sinh khối mỏng. Sự gia tăng nhanh chóng của các vi sinh vật giúp khả năng tiêu thụ các chất trong chất thải tốt hơn, vì đây là nguồn thức ăn dinh dưỡng mà chúng cần, điều đó sẽ khiến các chất hữu cơ trong nước rỉ rác được giảm đi đáng kể. Khi lượng sinh khối tăng lên quá nhiều, nhanh vượt quá mức khả năng chịu đựng của giá đỡ thì được di chuyển xuống bể lắng của hệ thống RBC. Quá trình tiếp diễn như vậy cho đến khi hệ vi sinh vật sinh trưởng và phát triển sử dụng hết các chất hữu cơ có trong nước thải [20]. 1.3.1.2. Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt) Vật liệu lọc: đá cuội, đá dăm, sỏi đá Nước thải được phân phối trên bề mặt vật liệu lọc nhờ một hệ thống giàn quay phun nước (rotating influent distributer) tia thành nhỏ giọt. Khi làm việc, vật liệu màng sinh học khi bị ngấm nước khiến chúng nặng hơn, nên thông thường giá đỡ thường lấy giá trị an toàn là 500 kg/m3, khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường là 0,6 – 0,8 m. Sàn đỡ và thu nước giúp thu gom các mảnh vỡ của màng sinh học bị bong đồng thời phân bố khí (influent air) vào bể lọc để duy trì môi trường hiếu khí trong các khe rỗng. Nước sau quá trình lọc được tiếp tục cho đi quay li tâm (clarifier) để tách bùn cặn (sludge) và nước (treatment water), nước này lại tiếp tục quay trở lại quá trình lọc nhờ bơm (pump) hút lên hệ thống giàn quay phun nước tia. Quá trình nay được thực hiện đến khi nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn. 23
giàn quay phun nước mái vòm không khí phân bố khí lọc đầu ra nước đã xử lý quay li tâm tái chế nước bùn bơm Hình 1.5. Cấu tạo của bể lọc nhỏ giọt Nước được chảy từ trên xuống qua toàn vật liệu lọc. Khi nước truyền đến lớp vật liệu thì sẽ được chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, tiếp xúc với màng sinh học trên bề mặt vật liệu. Khi nước thải tiếp xúc với lớp màng vi sinh trên bề mặt giá thể cũng là lúc chất hữu cơ được tiêu thụ. Các chất hữu cơ phân hủy hiếu khí sinh ra CO2 và H2O, phân hủy kị khí sinh ra CH4 và CO2 làm bong màng ra khỏi giá thể, trên giá thể tiếp tục hình thành lớp màng mới. 1.3.1.3. Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước Cấu tạo tương tự như lọc sinh học với lớp vật liệu không ngập trong nước, tuy nhiên vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước. 1.3.2. Phương pháp lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước 1.3.2.1. Cấu tạo Bao gồm vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước, sàn đỡ và thu nước. Hình dáng: Hệ lọc sinh học có cấu tạo là một hình hộp chữ nhật, ở trong có phân bố 3 ngăn chính: ngăn thiếu khí, ngăn hiếu khí và ngăn lắng. Các ngăn này không tách rời nhau mà được kết nối với nhau nhờ khe hở dưới đáy của các ngăn. 24
Vật liệu lọc: giá thể vi sinh bám dính dạng tấm, vật liệu chế tạo bằng nhựa PPE với diện tích bề mặt là 200 m2/m3, diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích lớn, độ bám dính vi sinh cao. Hình 1.6. Giá thể vi sinh Giá thể giúp vi sinh bám vào bề mặt của giá thể tạo thành lớp màng. Vi sinh vật bắt đầu phát triển trên lớp màng và bắt đầu quá trình phân hủy sinh học. Khi vi sinh đã phát triển, lớp màng đã dày lên, hiệu suất phân hủy sinh học đạt giá trị cao nhất. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối, lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối. Sau khi phát triển đến độ dày nhất định, lớp màng không dày lên nữa và trở nên ổn định, vi sinh vật bong ra khỏi bề mặt của giá thể. Sự trao đổi chất diễn ra để phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và nước. Lượng cơ chất phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không vi sinh sẽ thiếu dinh dưỡng và bắt đầu phân hủy nội bào để cân bằng với cơ chất và sinh khối, tức là nếu thiếu lượng thức ăn thì vi sinh vật có thể sẽ bị chết. Ngoài ra, hệ lọc sinh học còn có bộ phận sục khí (air stone), ống thu nước đầu ra (outlet), ống thu bùn để xả cặn để rửa đáy bể lọc sinh học khi cần thiết. 25
mực nước thải nước đầu vào bộ phận sục khí dòng tuần hoàn nước đầu ra Hình 1.7. Cấu tạo của bể lọc sinh học giá thể bám dính ngập nước 1.3.2.2. Nguyên tắc hoạt động Nước thải sau khi đã được loại bỏ cặn lắng được dẫn vào bể, nước thải trong bể được phân phối đều vào cả hai ngăn hiếu khí và thiếu khí nhờ ngăn trên cùng của bể và khe hở dưới đáy bể. Oxy được cung cấp nhờ máy thổi khí ở ngăn hiếu khí. Máy sục khí giúp nước thải được trộn lẫn với bùn được dễ dàng hơn, tạo thành dòng nước tuần hoàn trong bể từ ngăn hiếu khí sang ngăn thiếu khí, tạo thành dòng nước luân chuyển trong bể, đồng thời cung cấp oxi cho vi sinh vật trong bể. Chính vì thế mà lượng vi sinh vật có nhiều khả năng được tiếp xúc với nước thải hơn. Lượng nước thải trong 3 ngăn thiếu khí, hiếu khí và ngăn lắng cân bằng với nhau, khi lượng nước thải được thêm vào khiến ngăn hiếu khí và thiếu khí tăng lên đồng thời nước ở ngăn lắng cũng nâng lên, lượng nước được dâng lên trong ngăn lắng cũng chính là lượng nước đã qua xử lý ở trong bể. Phần nước trong ở trong ngăn lắng sẽ được thoát ra ngoài nhờ van nhỏ được lắp bên cạnh ngăn lắng. Hỗn hợp bùn được lắng dưới đáy ngăn sẽ được tuần hoàn trở lại khi hệ thống tiến hành quá trình sục. Đây cũng là một ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học dùng chính khối bùn hoạt tính. Bể lọc sinh học với giá thể dạng vật liệu ngập nước ngoài việc đóng vai trò là giá thể hỗ trợ cho việc tăng trưởng sinh khối. Giá thể vi sinh có thể oxi hóa được tất 26
cả các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và quá trình lọc sẽ hiệu quả tốt hơn. Tuy nhiên khi lớp màng quá dày tức là lúc đó lớp sinh khối trên giá thể dư thừa cần định kỳ rửa ngược để giảm sự tắc nghẽn khi nước thải đi qua khối vật liệu lọc. Hiệu quả xử lý giảm nhưng dần được hồi phục. 1.3.2.3. Cơ chế diễn ra trong hệ lọc sinh học Trong quá trình lọc, nước thải được cho vào hệ thống lọc, các chất ô nhiễm trong nước thải sẽ được các vi sinh vật trên giá thể xử lý bằng cách sử dụng nước thải như là nguồn dinh dưỡng thiết yếu. Các chất gây ô nhiễm trong nước sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây diễn ra quá trình phân hủy chất ô nhiễm nhờ vi sinh vật ở môi trường hiếu khí và thiếu khí. Hình 1.8. Màng sinh học phát triển trên giá bám Màng sinh học có thể oxy hóa được tất cả các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải và các vi sinh vật sẽ phát triển dày trên giá thể làm cho vận tốc nước chảy qua màng chậm hơn. Điều này cũng giúp cho giá thể có khả năng hấp phụ, giữ lại các vi khuẩn cũng như tạp chất hóa học để oxy hóa và nước dần được làm sạch. 27
Cơ chế hoạt động của màng sinh học được chia làm 2 giai đoạn chính: • Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch: nước thải trong hệ lọc tiếp xúc với giá thể sau đó chuyển vào màng sinh học theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Sản phẩm cuối cùng được đi ra khỏi màng và hòa lẫn với nước ở trong hệ lọc. • Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật: khi các vi sinh vật bám dính trên bề mặt giá thể cũng phải trải qua nhiều giai đoạn: + Khi màng vi sinh vật còn mỏng, chưa có khả năng bao phủ hết được giá thể thì khi đó chúng đều có điều kiện sinh trưởng giống nhau. + Tốc độ màng dày hơn, tuy nhiên ở giai đoạn này dường như sự phát triển của chúng ổn định hơn. Lượng cơ chất hấp thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật và không có sự gia tăng sinh khối. + Bề dày của lớp màng trở lên ổn định, tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm phân hủy nội bào, lúc này chúng dễ bị bong tróc ra khỏi giá thể và giá thể lại tiếp tục nhận một lượng vi sinh vật mới. Hệ lọc sinh học này hoạt động với chế độ thiếu – hiếu khí cơ chế hoạt động khá đa dạng. Khi hệ bắt đầu sục khí cũng là lúc hệ bắt đầu quá trình phân hủy hiếu khí: phân tử oxy (O2) luôn có mặt và đóng vai trò quyết định cách phân hủy. Khi có mặt oxy thì đây là chất oxy hóa duy nhất được sử dụng. Do đó, các sản phẩm hóa học cuối cùng của quá trình phân hủy sẽ là cacbon đioxit, nước và tế bào mới. Các sản phẩm cuối cùng là khí có mùi sẽ có ở mức độ thấp nhất. Quá trình phân hủy hiếu khí oxy hóa được nhiều loại chất hữu cơ hơn bất kỳ quá trình phân hủy nào khác. Điều này, kết hợp với các sản phẩm cuối cùng bị oxy hóa xuống mức năng lượng rất thấp, làm cho các sản phẩm cuối cùng trong phân hủy hiếu khí ổn định hơn (có nghĩa là chúng có thể được xả ra môi trường mà không gây ra vấn đề nghiêm trọng và không tạo điều kiện phát sinh mùi khó chịu). 28
Ở ngăn thiếu khí của hệ diễn ra quá trình phân hủy thiếu khí: Một số vi sinh - vật có thể sử dụng nitrat (NO3 ) như một phương pháp phân hủy trong điều kiện thiếu oxy phân tử. Quá trình oxy hóa trong trường hợp này được gọi là quá trình khử nitrat. Sản phẩm cuối cùng của quá trình khử nitrat là khí nitơ, cacbon đioxit, nước và tế bào mới. Năng lượng tạo ra trong quá trình khử nitrat cũng giống như năng lượng tạo ra trong quá trình phân hủy hiếu khí. Kết quả là tốc độ tạo ra các tế bào mới. 1.3.2.4. Ưu và nhược điểm của phương pháp lọc sinh học sinh trưởng bám dính ngập nước a) Ưu điểm - Có ngăn hiếu và thiếu khí trong cùng một hệ lọc nên cùng một lúc có thể + - khử COD và chuyển NH4 thành NO3 . - Lớp vật liệu giảm được tối đa lượng chất rắn lơ lửng. - Chiếm ít diện tích không gian, tiết kiệm diện tích xây dựng, dễ tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. - Đưa vào hoạt động nhanh. - Lượng bùn dư của hệ vi sinh bám dính ít hơn nhiều so với hệ bùn hoạt tính lơ lửng, do đó chi phí để xử lý bùn cũng ít hơn. Các công trình xử lý dùng hệ vi sinh bám dính cũng gọn nhẹ và dễ hợp khối, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với các công trình xử lý vừa và nhỏ trong dân dụng và công nghiệp. b) Nhược điểm - Tiêu tốn năng lượng do việc vận hành việc thông khí nhân tạo. - Bể vận hành tốt là nhờ vi sinh vật hoạt động tốt nên cần chú ý về điều kiện pH, chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong bể. 1.3.3. Ứng dụng của lọc sinh học trong xử lý môi trường Afzal cùng nhóm cộng sự [18] đã kết hợp phương pháp keo tụ và lọc sinh học để xử lý nước thải từ một nhà máy giấy và bia. Hệ thống kết hợp bể phản ứng sinh học theo mẻ (FBR) với bể keo tụ và lọc cát (SF) có thể làm cho COD giảm 93% và 29
BOD giảm 96,5%. Hệ thống xử lý kết hợp bể phản ứng sinh học liên tục (SBR) với bể keo tụ và lọc cát cũng làm BOD giảm 92% và COD giảm 90%. Kết quả cũng cho thấy nước thải chưa qua xử lý có chứa chất độc hại, trong khi đó nước thải được xử lý theo một trong hai quá trình trên khi tiếp xúc với những con cá trong 72h không gây độc tính cho cá. Do đó nước thải được xử lý bằng hệ thống lọc FBR - keo tụ -lọc cát đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng Môi trường Quốc gia (NEQS) của Pakistan và nước sau xử lý có thể được thải ra môi trường mà không gây ô nhiễm. Jing và cộng sự [25] đã nghiên cứu một hệ thống kết hợp lọc sinh học 2 tầng và đầm nhân tạo. Hệ thống lọc sinh học bao gồm các hạt gốm giàu carbon, xen kẽ quá trình nitrat hóa và khử nitơ có thể loại bỏ tổng nitơ (TN) khá hiệu quả. Các đầm nhân tạo được thiết kế ở chế độ dòng chảy thấp hơn bề mặt 0,15m, chứa đầy các hạt + gốm giàu canxi để cải thiện mạnh khả năng loại bỏ phốt pho. COD, TN, N-NH4 và TP (tổng phốt pho) trong nước thải cuối cùng tương ứng là 30, 15, 5 và 0,5 mg/L. Tỷ lệ loại bỏ phốt pho trung bình trong các đầm nhân tạo đạt 158,9 g/m2 năm. Sau một năm hoạt động, hàm lượng canxi trên bề mặt của các hạt trong đầm nhân tạo giảm rõ ràng, trong khi hàm lượng photpho tăng lên rất nhiều. Yang và cộng sự [22] đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại giá thể gốm mới kết hợp lọc sinh học kỵ khí - hiếu khí để xử lý nước thải chứa tetracycline ở nhiệt độ thấp. Hai loại giá thể gốm mới được tổng hợp từ bùn, xỉ than đá và rơm. Do cấu trúc xốp và bề mặt gồ ghề của giá thể đã rút ngắn thời gian khởi động của bể lọc sinh học kỵ khí (UAF) và bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy ngược (UBAF) xuống còn 42 ngày và 10 ngày, đồng thời so sánh với các bể phản ứng truyền thống, các hệ thống này có ưu điểm là hiệu quả làm việc cao, tải trọng hữu cơ lớn, hiệu suất loại bỏ Tetracyline cao ở ngay nhiệt độ thấp, 16°C. Khi hàm lượng ban đầu của COD, N + – NH4 và Tetracyline trong nước thải là 4000, 200 và 45 mg/L, thì chúng có thể được xử lý đến 97, 99 và 89%. Thành phần hữu cơ của nước rỉ rác, đặc biệt là nước rỉ rác lâu năm như bãi rác Nam Sơn thường chứa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học như các axit humic và fulvic. Đặc điểm này khiến quá trình xử lý sinh học giảm COD bị hạn chế. 30
Do đó nước rỉ rác sau khi được tiến hành keo tụ điện hóa đã chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành dễ phân hủy sinh học. Điều này đã giúp cho quá trình xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học đạt hiệu quả cao hơn. Phương pháp lọc sinh học không phải là phương pháp mới trong quá trình xử lý nước rỉ rác nhưng là một phương pháp thứ cấp mới sau quá trình tiền xử lý keo tụ điện hóa, góp phần bảo vệ môi trường, đồng thời chi phí của chúng không quá cao. 31
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu - Nước rỉ rác tại BCL Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội. - Trong quá trình nghiên cứu, nước rỉ rác Nam Sơn được lấy đem về phòng thí nghiệm bảo quản ở tủ lạnh nhiệt độ 4oC để nghiên cứu xử lý bằng lọc sinh học (phương pháp tiền xử lý) sau khi qua quá trình tiền xử lý keo tụ - điện hóa. 2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học. - Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của phương pháp. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Thu thập các thông tin và tài liệu liên quan đến xử lý TSS và độ màu của NRR tại Việt Nam và các nước trên thế giới. - Tìm kiếm các thông tin liên quan đến các phương pháp lọc sinh học. - Các tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia về phương pháp phân tích, điều kiện xả thải ra môi trường. - Tham khảo và kế thừa một số kết quả của các bài nghiên cứu trong và ngoài nước về nước rỉ rác. 2.2.2. Phương pháp phân tích - Phân tích một số chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước: TSS, độ màu. 2.2.2.1. Phương pháp phân tích TSS - Áp dụng phương pháp phân tích TSS theo TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997). - Nguyên lý của phương pháp: Mẫu sau khi đã khuấy trộn đều được lọc qua 32
giấy lọc sợi thủy tinh (đã xác định trọng lượng ban đầu), sau đó làm khô giấy lọc có cặn đến trọng lượng không đổi ở nhiệt độ 103 ÷ 1050C. Độ tăng trọng lượng giấy lọc sau khi sấy chính là hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng có trong mẫu. 2.2.2.2. Phương pháp phân độ màu - Áp dụng phương pháp phân tích độ màu theo TCVN 6185:2015 (ISO 7887:2011) về chất lượng nước – Kiểm tra và xác định độ màu. - Nguyên lý của phương pháp: Xác định độ màu của mẫu bằng phương pháp đo độ hấp thụ ánh sáng bức xạ của mẫu tại một bước sóng nhất định bởi các màu khác nhau có độ hấp thụ cực đại tại các bước sóng khác nhau của bức xạ tới. Theo tiêu chuẩn này, màu của nước được xác định bằng máy đo quang hoặc máy đo phổ tại bước sóng gắn với độ hấp thụ cực đại. 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm Hệ lọc sinh học Thiết bị thí nghiệm Bể lọc sinh học: Bao gồm 3 ngăn: (1) - ngăn thiếu khí, (2) - ngăn hiếu khí và (3) - ngăn lắng. Ngoài ra còn có các bộ phận: (4) – van xả, (5) - bơm sục khí, (6) – giá thể bám dính. Hình 2.1. Mô hình hệ thống thí nghiệm bể lọc sinh học 33
Các thông số kích thước bể được cho dưới bảng 2.1. Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bị lọc Các thông số kỹ thuật Ngăn hiếu khí Ngăn thiếu khí Ngăn lắng của hệ lọc Chiều rộng (cm) 15 15 15 Chiều dài (cm) 15 13 5 Chiều cao bể (cm) 72 72 72 Thể tích ngăn (lít) 16 14 5,5 Chiều cao lớp đệm (cm) 30 30 30 Tại ngăn (1), xảy ra quá trình nitrat hóa, ngăn này có chức năng chuyển hóa + - NH4 thành NO3 . Tại ngăn (2), xảy ra quá trình khử nitrat, ngăn này có chức năng - chuyển hóa NO3 thành khí N2 bay ra ngoài ở cuối giai đoạn và ngăn (3) ngăn lắng. Đầu vào Ngăn Ngăn hiếu khí lắng Vòi tháo nước dâng Ngăn thiếu khí Bơm thổi Hình 2.2. Hệ thí nghiệm lọc sinh học trong quá trình thí nghiệm Nước thải được bơm vào bể hiếu khí (AO tank). Một hệ thống cung cấp khí oxy liên tục vào bể hiếu khí nhằm mục đích tăng lượng oxy cho nước thải và tạo ra một vòng tuần hoàn tới bể thiếu khí đồng thời kéo và lưu thông bùn ở bể lắng. Nước 34
thải sau khi đi qua bể lắng được chảy ra ngoài vào các bể chứa. Bùn ở ngăn lắng vào thời gian sục khí được đẩy tự động quay lại các ngăn hiếu khí. Các giá trị pH, DO được hiển thị trong bảng điều khiển và lưu trữ trong máy tính. Giá thể bám dính: được làm từ vật liệu là nhựa PE có diện tích bề mặt tiếp xúc 220 m2/m3, có 8 lớp giá thể đặt song song đứng hình sóng. Hình 2.3. Nhựa PE sử dụng làm giá thể bám dính Vi sinh vật: Vi sinh vật được lấy từ hệ bùn hoạt tính có sẵn tại Viện Công nghệ Môi trường. Quy trình vận hành Hệ lọc sinh học, nước rỉ rác được cho vào theo từng mẻ với chu trình 1 lần/ngày: Khởi động hệ thống lọc sinh học trong 15 ngày nhằm cố định vi sinh vật vào lớp giá thể bám được thực hiện như sau: nguồn VSV gốc được lấy từ thùng nuôi. Nước rỉ rác qua bước tiền xử lý được để lắng lấy phần nước trong. Sau lắng gạn lấy phần nước rỉ không cặn được đo pH, nếu pH quá kiềm hoặc axit sẽ được điều chỉnh bằng hai dung dịch H2SO4 và NaOH. Cho trực tiếp nước rỉ vào hệ từ phía trên miệng bể theo từng mẻ. Bật máy điều khiển cho máy sục đều mẫu khắp hệ. Nước được cho vào sẽ làm cho mực nước trong hệ tại 3 ngăn dâng đều bằng nhau. Khi đó sẽ mở van tháo nước để tháo nước ra bằng mực nước cho cố định trong hệ. Khí được cung cấp từ phía dưới đáy hệ bằng bơm thổi khí qua ống dẫn đến đầu thổi. Khi hệ bắt đầu sục, dùng máy đo lượng oxy hòa tan trong nước (DO) ở giai đoạn hiếu khí (ngăn hiếu khí) với giá trị DO trong khoảng 6 - 7 mg/L (trong lúc đang sục). 35
Cài đặt chế độ sục/ngưng sục cho hệ theo mong muốn bằng hệ cài tự động. Hệ có công tắc và cột điều chỉnh số phút sục/dừng. Theo dõi quá trình sục về: màu sắc nước trong hệ, lượng vi sinh vật bám dính và tiến hành lấy mẫu bằng van lấy mẫu trên thiết bị lọc sinh học hàng ngày để phân tích các chỉ số TSS, độ màu Mẫu sẽ được phân tích ngay sau khi lấy mẫu và ghi lại kết quả số liệu phân tích được. Thông số nước rỉ rác Nam Sơn dùng cho nghiên cứu này thể hiện ở bảng 6. Bảng 2.2. Thông số nước rỉ rác Nam Sơn dùng cho nghiên cứu STT Thông số Hàm lượng 1 COD (mg/L) 6247 ± 295 + 2 NH4 (mg/L) 1270 ± 38 - 3 NO3 (mg/L) 2.1 4 pH 8 ± 0.1 5 TDS (ppm) 5100 2.3. Nội dung nghiên cứu Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình lọc sinh học ngập nước Ảnh hưởng của chế độ sục/ngưng sục khí đến hiệu suất xử lý Chế độ sục khí là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý TSS và độ màu của hệ lọc. Để đánh giá ảnh hưởng của chế độ sục tới hiệu suất xử lý của hệ lọc sinh học, tiến hành thí nghiệm với 3 chế độ sục ứng với các thời gian khác nhau theo tỉ lệ thời gian sục/thời gian ngưnglà: 60/60 phút; 45/75 phút và 30/90 phút với lưu lượng nước thải đầu vào mỗi ngày cho vào cố định là 3 lít/ngày, pH nước thải đầu vào từ 8,0 - 8,9, nhiệt độ phòng (25 - 32oC). Mỗi ngày lấy mẫu đầu ra 1 lần vào một thời điểm cố định đem phân tích TSS, độ màu. ➢ Quy trình vận hành - Sau thời gian khởi động hệ thống lọc để cố định vi sinh vật vào lớp giá thể bám (khoảng 15 ngày) ta tiến hành thực nghiệm nghiên cứu. Trong toàn bộ quá trình nghiên cứu, tiến hành cho nước rỉ rác vào hệ lọc sinh học theo từng mẻ với thể 36
tích 3 lít/1 lần/ngày và cài đặt chế độ sục/ngưng sục cho hệ theo mong muốn bằng hệ cài tự động. Chú ý: Nước rỉ rác qua bước tiền xử lý được để lắng lấy phần nước trong. Sau lắng phần nước rỉ rác không cặn được đo pH, nếu pH quá kiềm hoặc axit sẽ được điều chỉnh bằng dung dịch H2SO4 và NaOH. Cuối cùng tiến hành đổ trực tiếp nước rỉ vào hệ từ phía trên miệng bể theo từng mẻ. - Nước rỉ rác sau khi được cho vào sẽ làm cho mực nước trong hệ tại 3 ngăn dâng đều bằng nhau. Khi đó sẽ mở van tháo nước để tháo nước ra bằng mực nước mực nước cho cố định trong hệ (72cm). - Theo dõi quá trình sục về: màu sắc nước trong hệ, lượng vi sinh vật bám dính và tiến hành lấy mẫu bằng van lấy mẫu trên thiết bị lọc hằng ngày với các chế độ sục/ngưng khác nhau để tiến hành phân tích các chỉ số TSS và độ màu. Mẫu sẽ được phân tích ngay sau khi lấy mẫu và ghi lại kết quả số liệu phân tích được. ➢ Phương pháp phân tích TSS Hóa chất, dụng cụ: - Giấy lọc - Cân phân tích sai số 0,1mg - Bình định mức 25 ml - Bình tam giác - Giấy lau, bút dạ - Bình tia nước cất - Tủ sấy - Bình hút ẩm Các bước tiến hành: Bước 1: Chuẩn bị giấy lọc, đem sấy ở t= 1050C trong vòng 2h. Sau khi sấy xong làm nguội giấy lọc đến nhiệt độ phòng trong bình hút ẩm (khoảng 1 giờ), tiến hành cân và ghi lại kết quả. Bước 2: Tiến hành lấy mẫu, mẫu được lấy gồm có mẫu sau keo tụ - điện hóa và mẫu nước đã được xử lý bởi hệ lọc sinh học ngập nước sau 24h. 37
Bước 3: Dùng bình định mức 25ml để lấy 25ml mỗi mẫu, sau đó tiến hành lọc 25ml mẫu đã lấy bằng giấy lọc đã được cân xác định khối lượng. Bước 4: Sau khi đã lọc xong 25ml mỗi mẫu, tiến hành lấy giấy lọc vào cốc thủy tinh chịu nhiệt rồi đem sấy ở t = 105oC trong thời gian 2 giờ. Lưu ý: Sau mỗi quá trình lọc dùng nước cất tráng rửa giấy lọc để đảm bảo không còn mẫu trên giấy tránh sự sai sót trong kết quả. Bước 5: Giấy lọc sau khi sấy xong sẽ làm nguội đến nhiệt độ phòng trong bình hút ẩm rồi tiếp tục đem cân và ghi lại kết quả. Sau đó tính toán sự chênh lệch khối lượng của giấy lọc trước và sau khi lọc mẫu để tìm ra hàm lượng chất rắn lơ lửng có trong mỗi mẫu. ➢ Phương pháp xử lý độ màu Hóa chất, dụng cụ: - Dung dịch chuẩn gốc 50mg Pt-Co/l - Giấy lọc - Bình tam giác - Bình định mức: 25ml, 50 ml - Pipet: 1ml, 5ml, 10ml - Giấy lau, bút dạ - Bình tia nước cất - Máy đo quang UV-VIS PD – 303S, APEL – JAPAN - Máy đo pH (HANNA HI 991001) của Đức Các bước tiến hành: Bước 1: Lập đường chuẩn - Pha dãy chuẩn trong bình định mức 10ml Áp dụng công thức: =→= c2 c1 vc 12212 vvv c1 Trong đó: C1: Nồng độ dung dịch chuẩn gốc ban đầu (50 mg Pt- Co/l) V1: Thể tích dung dịch chuẩn 50 mg Pt- Co/l cần pha loãng (ml) 38
C2: Nồng độ làm việc V2: Thể tích dung dịch chuẩn làm việc (ml) Ta tính được 1 dãy các dung dịch có nồng độ đã xác định từ 0- 50mg Pt- Co/l. - Đem dãy chuẩn vừa pha được đo phổ lần lượt tại các bước sóng λ1= 436 nm; λ2= 525 nm; λ3= 620 nm. Nhận thấy tại bước sóng λ1= 436 nm thì độ hấp thụ của dung dịch là cực đại. Vì vậy ta lập được đường chuẩn xác định độ màu như dưới đây: Phương trình đường chuẩn xác định độ màu 60 50 y = 2085.6x + 0.2139 R² = 0.9994 40 M 30 C Series1 Linear (Series1) 20 10 0 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 Abs Hình 2.4. Phương trình đường chuẩn xác định hàm lượng màu Bước 2: Tiến hành lấy mẫu phân tích, các mẫu được lấy gồm có mẫu sau keo tụ- điện hóa và mẫu nước đã được xử lý bởi hệ lọc sinh học ngập nước sau 24h. Bước 3: Tiến hành lọc mẫu bằng giấy lọc để loại bỏ những chất không hòa tan gây nhiễm. Lưu ý: Sau khi lọc nếu mẫu có màu đậm tiến hành pha loãng mẫu bằng nước tinh khiết ở một thể tích xác định. Hệ số pha loãng cần được ghi lại và tính đến khi tính toán kết quả. Bước 4: Đo pH và nhiệt độ của mỗi mẫu bằng máy đo bởi độ màu thường phụ thuộc vào nhiệt độ và pH. Sau đó đem mẫu đi đo quang ở bước sóng λ1= 436 nm. Lưu ý: Nếu tiến hành pha loãng mẫu thì cần phải đo pH trước và sau khi pha loãng. 39
Bước 5: Tính toán kết quả dựa vào phương trình tuyến tính: Y= a.x + b = 2085,6.x + 0,2139 R2 = 0,9994 40
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thông số chỉ tiêu ban đầu của nước rỉ rác Khảo sát các chỉ tiêu ban đầu của nước thải như: TSS, pH, độ màu Kết quả kiểm tra các chỉ tiêu đầu vào của mẫu nước rỉ rác ở BCL Nam Sơn thể hiện ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số đầu vào của nước rỉ rác Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả đo TCVN 25 - 2009 pH 8-8,9 7,9 Độ màu Pt - Co 2308-2318 - TSS mg/L 1667- 1667,82 80 Nhận xét: các thông số ở trên thì tất cả các chỉ tiêu của nước thải đầu vào đặc biệt là TSS và độ màu cao hơn nhiều lần so với quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn khi xả vào nguồn tiếp nhận. Khi làm thí nghiệm nghiên cứu về TSS và độ màu thì nhận thấy chế độ sục là thông số ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý TSS và độ màu bằng lọc sinh học giá thể bám dính ngập nước. Tại các thời điểm lấy mẫu phân tích ở các chế độ sục khác nhau cùng với lưu lượng nước vào là 3 lít/ ngày, pH= 8-8,9 tại cùng nhiệt độ, điều kiện điện hóa V= 1,8l, I=3A, thời gian điện hóa là 60 phút thì hơn 2 tháng phân tích với 3 chế độ sục khí khác nhau thì ta thu được các kết quả sau: 3.2. Kết quả chuẩn bị hệ lọc Sau 15 ngày chạy khởi động hệ lọc để cố định vi sinh vào lớp giá thể bám và trong suốt quá trình thực nghiệm ta nhận thấy: Màu nước trong hệ chuyển dần sang màu vàng. Lý do nước chuyển màu vàng là do trong bước tiền xử lý, các ion Fe2+ và Fe3+ phát sinh dẫn đến trong nước rỉ rác đem tiến hành xử lý bằng hệ lọc mỗi ngày sẽ chứa Fe2+, chúng tích tụ dần trong hệ khiến nước trở nên vàng. 41
Lớp vi sinh trên giá thể ngày càng dày và có màu vàng nâu. Lượng oxy hòa tan trong nước đo được ở các thời điểm lần lượt là: bắt đầu sục khí DO trong khoảng 3 – 4,5 mg/l, bắt đầu ngưng sục khí DO khoảng 0,8 – 1,2 mg/l và giai đoạn lắng DO khoảng 0,02 – 0,08 mg/l. 3.3. Kết quả ảnh hưởng chế độ sục khí tới hiệu quả xử lý TSS Kết quả xác định hàm lượng TSS của các mẫu và hiệu suất của phương pháp xử lý trong 60 ngày thực nghiệm với 3 chế độ sục: 30 phút sục/90 phút ngưng; 45 phút sục/75 phút ngưng; 60 phút sục/60 phút ngưng được trình bày ở các bảng 3.2; 3.3; 3.4. Hàm lượng TSS của mẫu sau keo tụ- điện hóa trong suốt quá trình thực nghiệm nhìn chung thay đổi không đáng kể nhưng hàm lượng TSS của mẫu đầu ra và hiệu suất xử lý của hệ lọc sinh học thực nghiệm ở mỗi chế độ sục có sự chênh đáng kể. Hình 3.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS của NRR Qua biểu đồ (Hình 3.1) ta thấy hàm lượng TSS của mẫu đầu ra có sự tăng dần từ chế độ sục 1 đến chế độ sục 3 cùng với đó là sự giảm dần của hiệu quả xử lý TSS của hệ lọc sinh học thực nghiệm. Cụ thể: 42
Ở chế độ thứ nhất, tại chế độ sục/ngưng: 30/90 phút hiệu suất xử lý TSS đạt từ 39,33% đến 42,29%. Tại chế độ sục/ngưng: 45/75 phút, hiệu suất xử lý TSS đạt từ 31,98% đến 34,7%. Còn tại chế độ sục/ngưng: 60/60 phút thì hiệu suất xử lý đạt từ 20,2% đến 53,3%. Vậy nếu xét trong 3 chế độ đã thực nghiệm thì hiệu suất xử lý TSS của NRR tại chế độ 1 (30 phút sục/90 phút ngưng) là hiệu quả nhất. Nguyên nhân là do thời gian sục khí của chế độ 1 ít hơn dẫn đến thời gian lắng của chất rắn tổng số có trong hệ lọc sẽ nhiều hơn hay nói cách lượng chất rắn lơ lửng có trong hệ lọc sẽ ít đi hoặc cũng có thể do hiệu quả xử lý hàm lượng TSS của vi sinh vật kỵ khí tốt hơn vi sinh vật hiếu khí. 3.4. Kết quả ảnh hưởng của chế độ sục khí tới hiệu quả xử lý độ màu Kết quả xác định độ màu của các mẫu và hiệu suất của phương pháp xử lý trong 45 ngày thực nghiệm với 3 chế độ sục: 30 phút sục/90 phút ngưng; 45 phút sục/ 75 phút ngưng; 60 phút sục/ 60 phút ngưng được trình bày ở các bảng 3.5; 3.6; 3.7. Để đánh giá sự thay đổi hiệu suất xử lý của nước rỉ rác trong từng chế độ sục khí ta có biểu đồ thể hiện sau: Hình 3.2. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu của NRR 43
Qua biểu đồ (Hình 3.2) cho thấy hiệu quả xử lý màu trong nước rỉ rác sau bước tiền xử lý keo tụ - điện hóa dưới sự ảnh hưởng của các chế độ sục khí khác sau là như sau: Độ màu của mẫu sau keo tụ - điện hóa của NRR trong suốt quá trình thực nghiệm ở cả 3 chế độ sục có sự dao động khác nhau qua từng ngày nhưng nhìn chung sự thay đổi là không đáng kể. Tuy nhiên, có thể dễ dàng nhận thấy sự thay đổi rõ rệt theo chiều hướng giảm dần của nồng độ màu tại mẫu đầu ra cũng như sự tăng dần về hiệu suất xử lý màu của hệ lọc sinh học thực nghiệm từ chế độ sục 1 đến chế độ sục 3. Cụ thể: Ở chế độ thứ nhất, tại chế độ sục/ngưng: 30/90 phút hiệu suất độ màu đạt từ 16,2% đến 37%. Tại chế độ sục/ngưng: 45/75 phút, hiệu suất xử lý độ màu đạt từ 31,7% đến 43,3%. Còn tại chế độ sục/ngưng: 60/60 phút thì hiệu suất xử lý đạt từ 36,3% đến 53,3%. Vậy nếu xét trong 3 chế độ đã thí nghiệm thì hiệu quả xử lý màu của NRR ở chế độ 3 (60 phút sục/60 phút ngưng) sẽ là hiệu quả nhất. Nguyên nhân là do thời gian sục khí của chế độ 3 nhiều hơn tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí trong bể hoạt động mạnh, quá trình tiêu thụ các chất hữu cơ gây màu vì thế cũng nhanh hơn nên hiệu suất xử lý trong cùng một thời gian lấy mẫu cũng tăng lên. 44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Trong suốt quãng thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học” kết quả thu được như sau: Ở pH= 8,0 – 8,9 và điều kiện thí nghiệm tại nhiệt độ phòng, với quá trình sục khí/dừng sục luân phiên liên tục, hàm lượng oxy hòa tan trong quá trình thổi khí trong khoảng 3 – 4,5 mg/l, chế độ sục là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý TSS và độ màu của NRR. Với sự thay đổi của chế độ sục, cụ thể là tăng thời gian sục khí, giảm thời gian dừng sục của hệ thì hiệu quả xử lý TSS và độ màu có những thay đổi cụ thể là hiệu suất xử lý độ màu thì tăng lên xong hiệu quả xử lý hàm lượng TSS lại giảm dần đi. Chính vì vậy để đảm bảo có thể xử lý cả TSS và độ màu tốt nhất thì trong các chế độ sục đã xét chế độ sục khí 45 phút sục/75 phút ngưng sẽ là tối ưu nhất. 2. Kiến nghị Do hạn chế về thời gian nên bài khóa luận mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá ảnh hưởng về chế độ sục để hiệu xuất xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác sau keo tụ điện hóa bằng phương pháp lọc sinh học. Trong thời gian tới nếu có thể sẽ tiến hành nghiên cứu thêm về yếu tố tải lượng để tìm ra được những điểm tối ưu nhất, hiệu quả nhất có thể áp dụng vào trong thực tế với quy mô công nghiệp với chi phí phù hợp với khả năng xử lý của nước ta. Đầu tư công nghệ xử lý nước rỉ rác sẽ tốt hơn so với việc khắc phục những hậu quả môi trường mà nước rỉ rác gây ra. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1] Dư Thị Huyền Thanh (2012), “ Nghiên cứ u quá trình xử lý nước rỉ rác bằng kỹ thuật oxi hóa nâng cao kết hợp UV/H2O2/O3”, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. [2] Hoàng Ngọc Minh (2012), “ Nghiên cứu xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học bằng các phương pháp xử lý nâng cao”, Luận án Tiến sĩ, Trường ĐHBK Hà Nội, Hà Nội. [3] Hoàng Thị Thu Hiền (2012), “ Nghiên cứ u xử lý nước rác bằng kỹ thuật ôxy hóa nâng cao kết hợp ozon và UV”, Luân ̣ văn Thạc si ̃ Môi trường , Trường Đai ̣ học Bách Khoa Hà Nội. [4] Nguyễn Hồng Khánh, Tạ Đăng Toàn, Lê Văn Cát, Phạm Tuấn Linh (2009), “Môi trường bãi chôn lấp chất thải và kỹ thuật xử lý nước rác”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5] Nguyễn Minh Kỳ, Trần Thị Tuyết Nhi và Nguyễn Hoàng Lâm( 2017), “ Nghiên cứu xử lý nước thải thải khu dân cư bằng công nghệ màng lọc sinh học MBR (MEMBRANE BIOREACTOR)”. Tạp trí khoa học trường Đại Học Cần Thơ, tâp 52 phần A, 72-79. [6] Ngô Thụy Diễm Trang, Hans Brix, “ Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo nên cát vận hành với mức tải nạp thuỷ lực cao” , Tạp chí khoa học 2012: 21b 161 – 171. [7] Nguyễn Văn Lợi (2013), “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hybrid (lọc sinh học-Aerotank) trong xử lý nước thải thủy sản tại Đà Nẵng”, Luận văn Thạc sĩ - ĐH Đà Nẵng. [8] Phạm Khắc Liệu, Hoàng Thị Mỹ Hằng và Trịnh Thị Giao Chi (2012), “Phát triển bể lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập nước với sợi len làm vật liệu bám để xử lý nước rỉ rác”, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, TP Huế, 73(4), pp. 157 – 164. 46
[9] Tô Thị Hải Yến, Trịnh Văn Tuyên (2010), “Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vệ sinh rác và nước rỉ rác bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp”, Kỷ yếu Hội nghị môi trường toàn quốc (lần thứ III), Hà Nội, 245-251. [10] Trần Mạnh Trí (2007), Báo cáo kết quả thực hiện đề tài: “Áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) để xử lý nước rỉ rác đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý Gò Cát, thực hiện trên hệ pilot 15-20 m3/ngày”, Trung tâm công nghệ Hóa học và Môi trường [11] Trịnh Ngọc Tuấn, “Nghiên cứu hiện trạng khai thác, nuôi trồng thuỷ sản ở Việt Nam và đề xuất phương pháp xử lý nước thải”, Trung tâm nghiên cứu, quan trắc, cảnh báo môi trường và phòng ngừa dịch bệnh thuỷ sản khu vực miền bắc. [12] Trương Quý Tùng, Lê Văn Tuấn, Nguyễn Thị Khánh Tuyền và Phạm Khắc Liệu (2009), “ Xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân UV-FENTON trong thiết bị gián đoạn”, Tạp chí Khoa học, Đại học Huế, Huế, 53, tr. 165 – 175. [13] Văn Hữu Tập và cộng sự (2012), “Nghiên cứu tiền xử lý làm giảm COD và màu nƣớc rỉ rác bãi chôn lấp rác bằng quá trình keo tụ”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 50 (2B), tr. 169 - 175. [14] Văn Hữu Tập (2015), “ Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác chôn lấp bằng phương pháp Ozon hóa”, Luận án Tiến sĩ Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, Hà Nội. TÀI LIỆU TIẾNG ANH [15] Abu Amr S.S., Aziz H.A., Bashir M.J.K. (2013), “Pretreatment of stabilized leachate using ozone/persulfate oxidation process”, Chemical Engineering Journal, Vol. 221, pp. 492-499. [16] Aziz H.A., Salem S.A.A. (2012), “Performance of Ozone/Fenton in the Advanced Oxidation Process of Semi-Aerobic Landfill Leachate”, The Asian Conference on 141 Sustainability, Energy & the Environment Official Conference Proceedings, pp. 1-12. 47
[17] Jamali H.A., Mahvi A.H., Nabizadeh R., Vaezi F., Omrani G.A. (2009), “Combination of coagulation-flocculation and ozonation processes for treatment of partially stabilized landfill leachate of Tehran”, World Applied Sciences Journal 5 (Special Issue for Environment), Vol. 5, pp. 9-15. [18] Jing Z et al (2015), “Practice of integrated system of biofilter and constructed wetland in highly polluted surface water treatment”, Ecological Engineering, 75, pp. 462 – 469. [19] MuhammadIrfan, TahirButt, NazImtiaz, NaeemAbbas, Ruf AhmadKhan, AamirShafique (2013), “The removal of COD, TSS and colour of black liquor by coagulation–flocculation process at optimized pH, settling and dosing rate”. Arabian Journal of Chemistry Volume 10, Supplement 2. [20] Safaa M. Raghab et al (2013), “Treatment of leachate from municipal solid waste landfill”, HBRC Journal, 9, pp.187 – 192. [21] Tizaoui C., Bouselmi L., Mansouri L. and Ghrabi A. (2007), “Landfill leachate treatment with ozone and ozone/hydrogen peroxide systems”. Journal of Hazardous Materials, 140, 316-324. [22] Tizaoui C et al (2007), “Landfill leachate treatment with ozone and ozone/hydrogen peroxide systems”, Journal of Hazardous Materials, 140, pp. 316 - 324. [23] Top S., Sekman E., Hosver S and Bilgili M. S. (2011), “Characterization and electrocaogulative treatment of nanofiltration concentrate of a full-scale landfill leachate treatment plant”, 268(1-3), pp. 253 - 258. [24] Ushikoshi K., Kobayashi T., Uematsu K., Toji A., Kojima D. and Matsumoto K. (2002), “ Leachate treatment by the reverse osmosis system”. Desalination, 150, 121-129. [25] Yang K et al (2015), “Effect of novel sludge and coal cinder ceramic media in combined anaerobic–aerobic bio-filter for tetracycline wastewater treatment at low temperature”, Chemical Engineering Journal, 277, pp. 130 – 139. 48
PHỤ LỤC Bảng 3.2. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 1: 30 phút sục/90 phút ngưng Hàm lượng TSS Hàm lượng TSS Thời gian Hiệu suất mẫu SKT mẫu ĐR (ngày) (%) (mg/l) (mg/l) 1 496 298 39,92 2 507 301 40,63 3 509 300 41,06 4 528 306 42,05 ng 5 509 307 39,69 ngư 6 508 301 40,75 7 504 298 40,87 8 509 299 41,26 9 516 289 43,99 10 507 294 42,01 11 512 298 41,80 12 502 301 40,04 hế độ 1: độ hế phút 30 sục/90 phút 13 528 309 41,48 C 14 504 294 41,67 15 506 296 41,50 16 509 306 39,88 17 506 292 42,29 18 516 298 42,25 19 512 302 41,02 20 516 308 40,31 49
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 2: 45 phút sục/75 phút ngưng Thời gian Hàm lượng Hàm lượng Hiệu suất (%) (ngày) TSS mẫu SKT TSS mẫu ĐR (mg/l) (mg/l) 1 506 342 32,41 2 516 351 31,98 3 512 344 32,81 4 518 341 34,17 ng 5 517 347 32,88 ngư 6 516 346 32,95 7 513 338 34,11 8 509 335 34,18 9 517 331 35,98 10 519 332 36,03 11 518 349 32,63 12 518 338 34,75 hế độ 2: độ hế phút 45 sục/75 phút 13 517 337 34,82 C 14 527 342 35,10 15 519 347 33,14 16 521 348 33,21 17 520 336 35,38 18 516 341 33,91 19 509 340 33,20 20 524 342 34,73 50
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 3: 60 phút sục/60 phút ngưng Hàm lượng TSS Hàm lượng TSS Thời gian Hiệu mẫu SKT mẫu ĐR (ngày) suất (%) (mg/l) (mg/l) 1 506 402 20,55 2 516 399 22,67 3 512 398 22,27 4 518 401 22,59 ng 5 517 400 22,63 ngư 6 516 406 21,32 7 513 408 20,47 8 509 401 21,22 9 517 402 22,24 10 519 408 21,39 11 518 408 21,24 12 518 398 23,17 hế độ 3: độ hế phút 60 sục/60 phút 13 517 396 23,40 C 14 527 397 24,67 15 519 401 22,74 16 521 406 22,07 17 520 401 22,88 18 516 402 22,09 19 509 406 20,24 20 524 404 22,90 51
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 1: 30 phút sục/90 phút ngưng Thời gian Nồng độ màu mẫu SKT Nồng độ màu mẫu ĐR Hiệu suất (Ngày) (mgPt-Co/l) (mgPt-Co/l) (%) ngày 1 353,3 261,3 26,0 ngày 2 347,7 255,7 26,5 ng ngày 3 346,3 274,3 20,8 ngư ngày 4 356,3 290,3 18,5 ngày 5 356,3 237,3 33,4 ngày 6 376,7 253,3 32,7 ngày 7 390,7 289,4 25,9 ngày 8 353,3 255,7 27,6 ngày 9 347,7 274,3 21,1 ngày 10 346,3 290,3 16,2 hế độ 1: độ hế phút 30 sục/90 phút ngày 11 356,3 237,3 33,4 C ngày 12 356,3 253,3 28,9 ngày 13 376,7 289,4 23,2 ngày 14 390,7 290,3 25,7 ngày 15 376,7 237,3 37,0 52
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 2: 45 phút sục/75 phút ngưng Thời gian Nồng độ màu mẫu SKT Nồng độ màu mẫu ĐR Hiệu suất (Ngày) (mgPt-Co/l) (mgPt-Co/l) (%) ngày 1 354,5 218,9 38,2 ngày 2 373,3 211,6 43,3 ngày 3 348,1 206,4 40,7 ng ngày 4 419,3 203,9 51,4 ngư ngày 5 310,7 212,1 31,7 ngày 6 354,1 215,0 39,3 ngày 7 365,3 216,7 40,7 ngày 8 385,0 218,1 43,3 ngày 9 348,1 210,7 39,5 ngày 10 369,0 208,1 43,6 độ sục độ 45 2: phút phút sục/75 Chế Chế ngày 11 369,0 227,3 38,4 ngày 12 358,3 209,3 41,6 ngày 13 337,3 208,3 38,2 ngày 14 358,3 207,3 42,1 ngày 15 311,3 205,3 34,1 53
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát tại chế độ sục 3: 60 phút sục/60 phút ngưng Thời Nồng độ màu mẫu SKT Nồng độ màu mẫu ĐR Hiệu suất gian (mgPt-Co/l) (mgPt-Co/l) (%) (Ngày) ngày 1 357,5 185,9 48,0 ng ngày 2 363,3 231,6 36,3 ngư ngày 3 328,1 196,4 40,1 ngày 4 379,3 193,9 48,9 ngày 5 330,7 182,1 44,9 ngày 6 354,1 195,0 44,9 ngày 7 365,3 196,7 46,1 ộ sục ộ 60 3: phút phút sục/60 ngày 8 385,0 184,1 52,2 ngày 9 348,1 210,7 39,5 Chế đ Chế ngày 10 369,0 188,1 49,0 ngày 11 369,0 172,3 53,3 ngày 12 358,3 179,3 50,0 54