Tài liệu Nghiên cứ u xử lý nướ c rỉ rá c bãi chôn lấp bằ ng phương phá p ozon hoá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------&--------------- VĂN HỮU TẬP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BÃI CHÔN LẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP OZON HOÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VĂN HỮU TẬP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BÃI CHÔN LẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP OZON HOÁ Chuyên ngành: Công nghê ̣ môi trường nước và nước thải Mã số: 62 85 06 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 PGS.TS Trịnh Văn Tuyên PGS.TS Nguyễn Hoài Châu Hà Nội, 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp bằng phương pháp Ozon hóa” là do tôi thực hiện với sự hƣớng dẫn của PGS.TS Trịnh Văn Tuyên và PGS.TS Nguyễn Hoài Châu và với sự giúp đỡ về chuyên môn của PGS.TS Đặng Xuân Hiển. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chính xác và chƣa đƣợc tác giả khác công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận án này. Hà Nội, ngày 12 tháng 6 năm 2015 NGHIÊN CỨU SINH ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trịnh Văn Tuyên và PGS.TS Nguyễn Hoài Châu (Viện Công nghệ Môi trƣờng – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã định hƣớng cho tôi những hƣớng nghiên cứu khoa học quan trọng trong quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Xuân Hiển (Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi về kiến thức khoa học cũng nhƣ thiết bị thí nghiệm thuộc đề tài KC08.05/11-15: Nghiên cứu xây dựng công nghệ tích hợp hóa lý - sinh học thích ứng, hiệu quả, an toàn và bền vững với môi trƣờng sinh thái để xử lý nƣớc rỉ rác tại các bãi chôn lấp rác tập trung. Tôi xin cảm ơn phòng thí nghiệm Hƣớng Công nghệ Xử lý Ô nhiễm Môi trƣờng (Viện Công nghệ Môi trƣờng – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tạo điều kiện để tôi tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu và phân tích kết quả thí nghiệm. NGHIÊN CỨU SINH Văn Hữu Tập iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN V Ề NƢỚC RỈ RÁC VÀ CÔ NG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC ............................................................................................................................5 1.1. SƢ̣ HÌNH THÀNH NƢỚC RỈ RÁC ........................................................................5 1.2. THÀNH PHẦN CỦA NƢỚC RỈ RÁC ....................................................................6 1.2.1. Thành phần nƣớc rỉ rác trên thế giới .....................................................................6 1.2.2. Thành phần nƣớc rỉ rác ở Viê ̣t Nam ....................................................................12 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC...................................................15 1.4. CÁC QUÁ TRÌNH OXI HOÁ BẰNG TÁC NHÂN OZON .................................16 1.4.1. Tính chất hóa lý của ozon ....................................................................................16 1.4.2. Cơ chế oxi hóa của ozon......................................................................................17 1.4.3. Quá trình kết hợp Ozon với các tác nhân khác....................................................19 1.4.4. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình ozon hoá ......................................................22 1.4.5. Ƣu và nhƣợc điểm của ozon hoá trong xử lý nƣớc và nƣớc thải ........................24 1.5. NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC BẰNG OZON ......................................25 1.5.1. Ứng dụng ozon trong xử lý nƣớc và nƣớc thải ...................................................25 1.5.2. Các nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác bằng ozon trên thế giới ..................................26 1.5.3. Các nghiên cứu xƣ̉ lý nƣớc rỉ rác bằng ozon ở Viê ̣t Nam ...................................36 1.5.4. Kết luận về tình hình nghiên cứ xử lý nƣớc rỉ rác bằng ozon và định hƣớng nghiên cứu trong luận án ...............................................................................................39 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CƢ́U ..........43 2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................43 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THƢC NGHIỆM ......................................44 2.2.1. Phƣơng pháp phân tích ........................................................................................44 2.2.2. Phƣơng pháp thƣ̣c nghiê ̣m ...................................................................................44 2.2.3. Nghiên cƣ́u tố c đô ̣ phản ƣ́ng oxi hoá xử lý COD nƣớc rỉ rác .............................58 2.2.4. Phƣơng pháp phân tích hồi quy và tƣơng quan ..................................................59 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CƢ́ U VÀ THẢO LUẬN ......................................64 3.1. TIỀN XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC BẰNG KEO TỤ .........................................................64 3.2. NGHIÊN CỨU XƢ̉ LÝ CÁC CH ẤT HỮU CƠ TRONG NƢỚC R Ỉ RÁC BẰNG OZON VÀ PEROZON ..................................................................................................66 iv 3.2.1. Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn .................66 3.2.2. Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon ....................76 3.2.3. Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ ....................................................................................................................88 3.2.4. Kết hợp Ozon và Perozon với quặng mangan để cải thiện hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác ................................................................................................97 3.3. TÍNH TOÁN HẰNG SỐ ĐỘNG HỌC GIẢ BẬC MỘT PHẢN ỨNG XỬ LÝ COD NƢỚC RỈ RÁC ..................................................................................................111 3.3.1. Thí nghiệm nghiên cứu động học ......................................................................111 3.3.2. Hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một ...............................................................113 3.4. ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỒI QUY VÀ TƢƠNG QUAN TRONG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG NƢỚC RỈ RÁC BẰNG OZON VÀ PEROZON ...................................................................................117 3.4.1. Ứng dụng phƣơng pháp phân tích hồi quy và tƣơng quan trong nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon ..............................................................117 3.4.2. Ứng dụng phƣơng pháp phân tích hồi quy và tƣơng quan trong nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác bằng Perozon .............................................................................................120 3.5. ĐỀ XUẤT VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC .....................................................................................................123 3.5.1. Đề xuất dây chuyền xử lý ..................................................................................123 3.5.2. Tính toán thiết kế hệ thống ................................................................................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................138 PHỤ LỤC ....................................................................................................................150 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT A101 : Acrylamit natri acrylat copolime – Chất trợ keo tụ AOPs : Advanced Oxidation Processes – Các quá trình oxi hóa tiên tiến BCL : Bãi chôn lấp BOD : Biological Oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh hóa BTNMT : Bộ tài Nguyên và Môi trƣờng CHC : Chấ t hƣ̃u cơ COD : Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học ĐM : Độ màu GAC : Granular activated carbon – Than hoạt tính dạng hạt HMW : Humic Matter Weight - Khố i lƣơ ̣ng các hợp chất humic và fulvic NXB : Nhà xuất bản PAC : Polyaluminium Chlorite – Hóa chất keo tụ PAC QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia SBR : Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng theo mẻ SS : Suspended Solids - Chất rắn lơ lửng SMEWW : Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater - Các phƣơng pháp chuẩn phân tích nƣớc và nƣớc thải TCVN : Tiêu chuẩ n Viê ̣t Nam TDS : Total Dissolved Solids – Tổng chất rắn hòa tan TOC : Total Organic Carbon – Tổng cacbon hữu cơ TNHH : Trách nhiệm hữu hạn UF : Ultrafitration membrane – Màng siêu lọc UASB : Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể xử lý sinh học dòng chảy ngƣợc qua tầng bùn kỵ khí UV : Ultraviolet - tia tử ngoại VFA : volatile fatty acids – Các axit béo dễ bay hơi vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Đặc điểm nƣớc rỉ rác bãi chôn lấ p chấ t thải rắ n .............................................7 Bảng 1.2. Thành phần nƣớc rỉ rác ở một số BCL ở Châu Mỹ và Châu Âu ....................9 Bảng 1.3. Thành phầ n nƣớc rỉ rác mô ̣t số BCL ở Châu Á ............................................11 Bảng 1.4. Thành phần nƣớc rỉ rác một số BCL ở Châu Phi ..........................................11 Bảng 1.5. Đặc trƣng thành phầ n nƣớc rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam .................14 Bảng 1.6. Đặc tính hóa lý của O 3 phân tƣ̉ .....................................................................17 Bảng 2.1. Một số đặc tính nƣớc rỉ rác thí nghiệm .........................................................43 Bảng 2.2. Đặc điểm đệm sứ đƣợc sử dụng trong nghiên cứu .......................................53 Bảng 2.3. Thành phần % khối lƣợng quặng mangan tính theo oxit kim loại................55 Bảng 2.4. Tƣ liệu thống kê ban đầu có thứ nguyên .......................................................60 Bảng 2.5. Tƣ liệu thống kê ban đầu ở dạng vô thứ nguyên...........................................61 Bảng 3.1. So sánh hiệu suất keo tụ ở 1.500 và 3.000 mg/l............................................66 Bảng 3.2. Trung biǹ h hiê ụ suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ b ằng Ozon đơn với ảnh hƣởng của pH ............................................................................................................................68 Bảng 3.3. Mô ̣t số ion phân hủy gố c OH • trong thí nghiệm Ozon đơn ..........................71 Bảng 3.4. Hàm lƣợng O3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn với ảnh hƣởng của pH...................................................................................71 Bảng 3.5. Trung biǹ h hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn với ảnh hƣởng của thời gian phản ứng ................................................................................74 Bảng 3.6. Hàm lƣợng O3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn với ảnh hƣởng của thời gian phản ứng .........................................................75 Bảng 3.7. Trung bình hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣ ớc rỉ rác bằ ng Perozon với ảnh hƣởng của pH ...................................................................................................77 Bảng 3.8. Mô ̣t số chấ t phân hủy gố c OH • trong xử lý nƣớc rỉ rác bằng Perozon .........79 Bảng 3.9. Hàm lƣợng O3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon với ảnh hƣởng của pH .....................................................................................79 Bảng 3.10. Trung bình hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc r ỉ rác bằng Perozon với ảnh hƣởng của H2O2 ................................................................................................82 Bảng 3.11. Hàm lƣợng O3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon với ảnh hƣởng của H2O2 ..................................................................................83 vii Bảng 3.12. Trung bình hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣ ớc rỉ rác bằng Perozon với ảnh hƣởng của thời gian phản ứng ..........................................................................86 Bảng 3.13. Hàm lƣợng O3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon với ảnh hƣởng của thời gian phản ứng ............................................................87 Bảng 3.14. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn và Perozo .......................................................................................................................................87 Bảng 3.15. Trung biǹ h hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các c hấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc r ỉ rác bằng Ozon/đệm sứ ..................................................................................................................90 Bảng 3.16. Hàm lƣợng O 3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon/đệm sứ ..................................................................................................................92 Bảng 3.17. O3 tiêu thụ ở thí nghiệm Ozon/đệm sứ có bề mặt riêng 728 m2/m3 ............92 Bảng 3.18. Trung biǹ h hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc rác b ằng Perozon/đệm sứ .............................................................................................................94 Bảng 3.19. Hàm lƣợng O 3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon/đệm sứ .............................................................................................................95 Bảng 3.20. O3 và H2O2 tiêu thụ ở thí nghiệm Perozon/đệm sứ có bề mặt riêng 728 m2/m3 .............................................................................................................................96 Bảng 3.21. Trung biǹ h hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc r ỉ rác bằng Ozon/quặng mangan ....................................................................................................100 Bảng 3.22. Hàm lƣợng O 3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Ozon/quặng mangan ....................................................................................................104 Bảng 3.23. O3 tiêu thụ ở thí nghiệm Ozon/quặng mangan 500 mg/l ..........................104 Bảng 3.24. Trung biǹ h hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc r ỉ rác bằng Perozon/quặng mangan ...............................................................................................106 Bảng 3.25. Hàm lƣợng O 3 trƣớc và sau xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng Perozon/quặng mangan ...............................................................................................109 Bảng 3.26. Suất tiêu thụ trung bình O3 và H2O2 sau thí nghiệm hệ Perozon/quặng mangan 500 mg/l .........................................................................................................109 Bảng 3.27. Tổng hợp suất tiêu thụ O3 và H2O2 trong thí nghiệm kết hợp Ozon và Perozon với đệm sứ và quặng mangan ........................................................................110 Bảng 3.28. Các điều kiện thí nghiệm nghiên cứu động học quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác .............................................................................................................................111 viii Bảng 3.29. Tổng hợp kết quả xử lý nƣớc rỉ rác ...........................................................112 Bảng 3.30. Tổng hợp kết quả tính hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD trong nƣớc rỉ rác của các hệ Ozon .................................................................114 Bảng 3.31. Phƣơng trình tốc độ phản ứng giả bậc một quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác bằng quá trình ozon .....................................................................................................115 Bảng 3.32. Tổng hợp kết quả tính hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác của các hệ Perozon ......................................................................116 Bảng 3.33. Phƣơng trình tốc độ phản ứng giả bậc một quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác bằng quá trình Perozon ................................................................................................116 ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nƣớc trong ô chôn lấp.............................................6 Hình 1.2. Mô hình ozon hóa gián tiếp và trực tiếp ........................................................18 Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm keo tụ nƣớc rỉ rác ..............................................................45 Hình 2.2. Máy tạo khí ozon Lin 4.10L ..........................................................................46 Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn hoặc Perozon ...............47 Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan ..........................................................................48 Hình 2.5. Pilot thí nghiệm xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn và Perozon .....................49 Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon kết hợp đệm sứ ....................54 Hình 2.7. Ảnh SEM của mẫu quặng mangan sử dụng trong nghiên cứu ......................56 Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nƣớc rỉ rác bằng ozon xúc tác ..................................57 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của PAC đến COD nƣớc rỉ rác sau xử lý ....................................64 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của PAC đế n độ màu nƣớc rỉ rác sau xử lý ................................65 Hình 3.3. Ảnh hƣởng PAC đến chất rắn lơ lửng trong nƣớc rỉ rác sau xử lý ................65 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của pH đến độ màu sau xử lý bằng Ozon đơn ...........................67 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của pH đế n COD sau xử lý bằng Ozon đơn ...............................67 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của pH đến TOC sau xử lý bằng Ozon đơn ...............................67 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của pH đến tỉ lệ BOD 5/COD sau xử lý bằng Ozon đơn .............69 Hình 3.8. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến độ màu sau xử lý bằng Ozon đơn .........73 Hình 3.9. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến COD sau xử lý bằng Ozon đơn ............73 Hình 3.10. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến TOC sau xử lý bằng Ozon đơn...........73 Hình 3.11. Ảnh hƣởng c ủa thời gian phản ứng đế n B OD5/COD sau xử lý bằng Ozon đơn .................................................................................................................................75 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của pH đến độ màu sau xử lý bằng Perozon ............................76 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của pH đế n COD sau xử lý bằng Perozon ................................76 Hình 3.14. Ảnh hƣởng của pH đến TOC sau xử lý bằng Perozon ................................77 Hình 3.15. Ảnh hƣởng của pH đế n tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Perozon..............78 Hình 3.16. Ảnh hƣởng của H2O2 đến độ màu sau xử lý bằng Perozon .........................81 Hình 3.17. Ảnh hƣởng của H2O2 đến COD sau xử lý bằng Perozon ............................81 Hình 3.18. Ảnh hƣởng của H2O2 đến TOC sau xử lý bằng Perozon.............................82 x Hình 3.19. Ảnh hƣởng của H 2O2 đến tỉ lệ BOD5/COD sau xử lý bằng Perozon ..........83 Hình 3.20. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến độ màu sau xử lý bằng Perozon .........84 Hình 3.21. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến COD sau xử lý bằng Perozon .............85 Hình 3.22. Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến TOC sau xử lý bằng Perozon .............85 Hình 3.23. Ảnh hƣởng của th ời gian phản ứng đế n tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Perozon ..........................................................................................................................86 Hình 3.24. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến độ màu sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ .............89 Hình 3.25. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến COD sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ.................89 Hình 3.26. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến TOC sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ .................90 Hình 3.27. Ảnh hƣởng của đ ệm sứ đến tỉ lệ BOD 5/COD nƣớc rỉ rác sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ ..................................................................................................................91 Hình 3.28. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến độ màu sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ .........93 Hình 3.29. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến COD sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ ............93 Hình 3.30. Ảnh hƣởng của đệm sứ đến TOC sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ.............93 Hình 3.31. Ảnh hƣởng của đ ệm sứ đến tỉ lệ BOD 5/COD nƣớc rỉ rác sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ .............................................................................................................95 Hình 3.32. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến độ màu sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan...........................................................................................................................98 Hình 3.33. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến COD sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan...........................................................................................................................99 Hình 3.34. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến TOC sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan...........................................................................................................................99 Hình 3.35. Ảnh hƣởng của qu ặng mangan đế n tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan ....................................................................................................101 Hình 3.36. Con đƣờng oxi hóa các chất hữu cơ khi O3 kết hợp với xúc tác ...............102 Hình 3.37. Cơ chế hấp phụ trên chất xúc tác và oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ bởi O3 và OH•.....................................................................................................................102 Hình 3.38. Cơ chế phản ứng sinh ra gốc hydroxyl (OH•) hay các gốc khác bằng phản ứng của O3 với các kim loại bị khử của chất xúc tác ..................................................103 Hình 3.39. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến độ màu sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan.........................................................................................................................105 xi Hình 3.40. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến COD sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan.........................................................................................................................105 Hình 3.41. Ảnh hƣởng của quặng mangan đến TOC sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan.........................................................................................................................106 Hình 3.42. Ảnh hƣởng của qu ặng mangan đế n tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan ...............................................................................................107 Hình 3.43. Sự phân hủy H2O2 trên bề mặt chất xúc tác ..............................................108 Hình 3.44. Đồ thị động học xử lý COD nƣớc rỉ rác của các hệ Ozon .........................112 Hình 3.45. Đồ thị động học xử lý COD nƣớc rỉ rác của các hệ Perozon ....................113 Hình 3.46. Đồ thị xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác bằng Ozon ........................................................................................114 Hình 3.47. Đồ thị xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD nƣớc rỉ rác bằng các hệ Perozon ........................................................................115 Hình 3.48. Đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác ............................124 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Nƣớc rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng xung quanh khu vực bãi chôn lấp. Nhìn chung, nƣớc rỉ rác chƣ́a các chấ t hƣ̃u cơ hoà tan và các ion vô cơ v ới hàm lƣơ ̣ng cao , khó xử lý [61]. Nếu nƣớc rỉ rác phát thải trƣ̣c tiế p vào môi trƣờng mà không đƣơ ̣c kiể m soát có thể gây ô nhiễm môi trƣờng. Tính chất nƣớc rỉ rác không nhƣ̃ng thay đổ i theo loại chất thải rắn mà còn thay đổi theo tuổi bãi chôn l ấp và theo mùa trong năm . Baig và cô ̣ng sƣ̣ (1999) [27] dƣ̣a vào tuổ i của baĩ rác phân lo ại nƣớc rỉ rác thành: nƣớc rỉ rác tƣơi, trung biǹ h và ổ n đinh ̣ (già). Ở Việt Nam, hầu hết các tỉnh thành đều thực hiện công tác thu gom và chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt. Tuy nhiên, chất thải rắn ở nhiều khu vực vẫn chƣa đƣợc phân loại, chôn lấp chƣa thực sự tuân thủ các kỹ thuật chôn lấp hợp vệ sinh. Thành phần chất thải rắn đƣợc chôn lấp rất đa dạng, chứa cả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và độc hại. Vì thế, vấn đề xử lý nƣớc rỉ rác vẫn là bài toán khó giải quyết ở nhiều khu vực. Hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác ở nhiều bãi chôn lấp mặc dù đã đi vào hoạt động nhƣng chƣa thực sự mang lại hiệu quả nhƣ mong muốn. Nhiều hệ thống sau một thời gian hoạt động đã phải cải tạo nhiều lần [5]. Vì vậy, việc tìm các hƣớng xử lý mới, đạt hiệu quả tốt cần đƣợc nghiên cứu để khắc phục các nhƣợc điểm của các công nghệ cũ. Theo Trầ n Ma ̣nh Trí (2007) [13], để xử lý thành công nƣớc rỉ rác, cần tập trung vào giải pháp xử lý hai thành phần cơ bản: 1) Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc rỉ rác, đặc biệt những chất hữu cơ khó phân hủy, những hợp chất humic nhƣ axít fu lvic và axit́ humic. 2) Các chất ô nhiễm vô cơ trong nƣớc rỉ rác, chủ yếu là amoniac (NH3) dƣới dạng ion amoni (NH4+) trong nƣớc rỉ rác có hàm lƣợng rất cao. Đây là “chìa khóa” quyết định hiệu quả xử lý nƣớc rỉ rác. Trong những năm gần đây, để xử lý thành phần ô nhiễm hữu cơ khó, ngƣời ta đã áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao, trong đó ozon là mô ̣t trong các chấ t oxi hoá đƣợc sử dụng (chất oxi hóa ma ̣nh ) phổ biến. Phƣơng pháp này đƣợc xem nhƣ thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nƣớc và nƣớc thải trong hai thập kỷ gần đây trên thế giới [12]. Tác nhân ozon đƣơ ̣c ƣ́ng du ̣ng đ ể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong xƣ̉ lý nƣớc rỉ rác . Nhiề u nghiên cƣ́u trƣớc đây đã sƣ̉ du ̣ng ozon hoă ̣c các tác nhân oxi hoá nâng cao khác chứng minh hiệu quả xử lý COD hay TOC trong nƣớc rỉ rác [27, 2 61, 77, 78, 82, 92, 100, 103]. Các quá trình oxi hóa các chất hữu cơ bằng ozon có nhiều triển vọng trong công nghệ xử lý nƣớc và nƣớc thải ở thế kỷ 21 [12, 70, 94]. Ở nƣớc ta, các nghiên cứu ứng dụng Ozon hay Perozon bƣớc đầu đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng xử lý nƣớc rỉ rác. Hiệu suất xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon và Perozon có thể đƣợc cải thiện nếu kết hợp với các chất xúc tác hay xử lý trong bể phản ứng chứa vật liệu đệm. Đặc biệt, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên chứa nhiều gốc oxit kim loại khá phổ biến ở Việt Nam có tác dụng nhƣ chất xúc tác cho phản ứng ozon. Các vật liệu này hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác bằng quá trình ozon xúc tác. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng nó làm chất xúc tác cho quá trình ozon trong xử lý nƣớc rỉ rác còn rất hạn chế. Vì vậy, trong luận án này, các quá trình ozon xúc tác đƣợc áp du ̣ng đ ể nâng cao hiệu quả xử lý các chấ t hƣ̃u cơ khó phân huỷ trong xƣ̉ lý nƣớc rỉ rác . Mục tiêu nghiên cứu: Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt đƣợc các mục tiêu sau: 1. Xác định điề u kiê ̣n t ối ƣu cho xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc rỉ rác bằ ng Ozon đơn (O3) và Perozon (O3/H2O2). 2. Nâng cao hiệu quả xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc rỉ rác b ằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ. 3. Nâng cao hiệu quả xƣ̉ lý các chấ t hƣ̃u cơ trong nƣớc rỉ rác b ằng Ozon và Perozon kết hợp quặng mangan. Nô ̣i dung nghiên cƣ́u: Nô ̣i dung 1: Giai đoạn tiền xử lý, thí nghiệm keo tụ nƣớc rỉ rác bằng PAC và lựa chọn các điều kiện thích hợp. Nô ̣i dung 2: Thí nghiệm ảnh hƣởng của các thông số , gồm: pH, hàm lƣợng H2O2 và thời gian phản ƣ́ ng cho xƣ̉ lý các ch ất hƣ̃u cơ trong nƣớc rỉ rác sau ke o tu ̣ bằng Ozon đơn và Perozon. Nô ̣i dung 3: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác sau keo tụ bằng Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ. Nô ̣i dung 4: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác sau keo tụ bằng Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan. 3 Những đóng góp khoa học và công nghệ mới của luận án: 1) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với đệm sứ (Ozon/đệm sứ và Perozon/đệm sứ) để xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác. 2) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với quặng mangan để xử lý các chất hữu cơ trong nƣớc rỉ rác (Ozon/quặng mangan và Perozon/quặng mangan). Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án: 1) Xác định đƣợc hiệu quả xử lý độ màu, COD, TOC và cải thiện tỉ lệ BOD5/COD nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ; Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan. 2) Xác định đƣợc các thông số tối ƣu: pH, thời gian phản ứng, hàm lƣợng H2O2, bề mặt riêng đệm sứ và hàm lƣợng quặng mangan trong quá trình xử lý. 3) Xác định đƣợc lƣợng Ozon tiêu tốn (kg O3/kg COD) và lƣợng H2O2 tiêu tốn (kg O3/kg COD) nƣớc rỉ rác trong các quá trình xử lý bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ và quặng mangan. 4) Một phần kết quả nghiên cứu của luận án đã đƣợc ứng dụng trong hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác ở bãi chôn lấp Nam Sơn. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể đƣợc sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu cải tiến công nghệ ozon trong xử lý nƣớc rỉ rác. Đồng thời, kết quả nghiên cứu này có thể đƣợc sử dụng để nghiên cứu ứng dụng công nghệ ozon trong xử lý nƣớc rỉ rác trong thực tế. Những điểm chính đƣợc bảo vệ trong luận án: 1) Kết quả nghiên cứu xác định pH, thời gian phản ứng tối ƣu và hàm lƣợng H2O2 trong xử lý nƣớc rỉ rác bằng Ozon đơn và Perozon. Kết quả đã xác định đƣợc pH tối ƣu cho cả hệ Ozon đơn và Perozon là 8 – 9; thời gian phản ứng tối ƣu (hệ Ozon là 100 phút, hệ Perozon là 80 phút); hàm lƣợng H2O2 tối ƣu là 2.000 mg/l. 2) Kết quả nghiên cứu nâng cao hiệu suất xử lý nƣớc rỉ rác bằng hệ Ozon/đệm sứ và Perozon/đệm sứ khi kết hợp với đệm sứ. Kết quả đã cải thiện đƣợc khoảng 15% hiệu suất xử lý COD nếu trong hệ thí nghiệm chứa loại đệm sứ có bề mặt riêng 728 m2/m3 so với hệ Ozon đơn và Perozon 3) Kết quả nghiên cứu sử dụng quặng mangan với hàm lƣợng 500 mg/l làm xúc tác cho Ozon và Perozon đã cải thiện đƣợc 20% hiệu quả xử lý COD nƣớc rỉ rác. 4 4) Kết quả tính toán, xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một ở các hệ thí nghiệm Ozon đơn, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan. 5) Kết quả tính toán hàm hồi quy và tƣơng quan các hệ thí nghiệm Ozon đơn, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan để đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố pH, thời gian phản ứng, hàm lƣợng H2O2, đệm sứ và quặng mangan. Khối lƣợng và cấu trúc của luận án: Luận án gồm 136 trang không kể tài liệu tham khảo và phụ lục. Trong đó, phần mở đầu 4 trang đầu, chƣơng 1: tổng quan về nƣớc rỉ rác và công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác 38 trang, giới thiệu tổng quan về thành phần nƣớc rỉ rác trên thế giới và ở Việt Nam; các phƣơng pháp xử lý nƣớc rỉ rác; các ứng dụng ozon trong xử lý nƣớc và nƣớc thải; các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và ở Việt Nam về ứng dụng ozon trong xử lý nƣớc rỉ rác. Chƣơng 2: đối tƣợng, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu 21 trang, gồm các phƣơng pháp phân tích hồi quy, phƣơng pháp xác định động học và phƣơng pháp thực nghiệm keo tụ; xử lý bằng Ozon đơn, Perozon; Ozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/đệm sứ, Perozon/quặng mangan. Chƣơng 3: kết quả nghiên cứu và thảo luận 70 trang. Phần kết luận và kiến nghị 3 trang. Danh mục các công trình đã công bố 1 trang, tài liệu tham khảo 12 trang với 107 tài liệu tham khảo và 72 trang phụ lục. Trong luận án có 44 bảng và 58 hình. 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NƢỚC RỈ RÁC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC 1.1. SƢ̣ HÌNH THÀNH NƢỚC RỈ RÁC Nƣớc rỉ rác là s ản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng baĩ chôn lấ p . Nƣớc rỉ rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dƣới đáy ô chôn lấp. Thành phần hoá học nƣớc rỉ rác cũng rấ t khác nhau và phu ̣ t huô ̣c vào thành phầ n rác th ải chôn lấ p cũng nhƣ thời gian chôn lấ p . Lƣợng nƣớc rỉ rác đƣợc hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau [4]: - Nƣớc thoát ra từ chất thải rắn: chất thải luôn chứa một lƣợng nƣớc nhất định. Trong quá trình đầm nén nƣớc tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nƣớc rỉ rác . - Nƣớc từ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ: nƣớc là một trong những sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chấ t hƣ̃u cơ. - Nƣớc mƣa thấm từ trên xuống qua lớp phủ bề mặt. - Nƣớc ngầ m thấ m qua đáy hoă ̣c thân ô chôn lấ p vào bên trong bãi chôn l ấp. Đối với các bãi chôn lấp hợp vệ sinh thì nƣớc rỉ rác thƣ ờng ít hơn vì đã loa ̣i bỏ đƣơ ̣c lƣơ ̣ng nƣớc ngầ m thấ m qua đáy . Nhƣ vậy, lƣợng nƣớc rỉ rác sinh ra phụ thuộc: - Điều kiện tự nhiên khu vực chôn lấp (lƣợng mƣa, bốc hơi, nƣớc ngầm...) - Độ ẩm chất thải chôn lấp. - Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nƣớc mặt. Lƣợng nƣớc rỉ rác phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nƣớc trong ô chôn lấp. Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lƣợng nƣớc rỉ rác đƣợc trình bày trong hình 1.1 và lƣợng nƣớc rỉ rác đƣợc tính theo công thức [4]: LC = R + RI – RO – E - ∆V trong đó: LC - nƣớc rỉ rác, R - nƣớc mƣa thấm vào ô chôn lấp, RI - dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nƣớc ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp), RO - dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp, E - nƣớc bay hơi, 6 ∆V - sự thay đổi lƣợng nƣớc chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lƣợng nƣớc thất thoát trong quá trình hình thành khí; lƣợng nƣớc thất thoát do bay hơi theo khí thải, lƣợng nƣớc thất thoát ra từ đáy bãi chôn lấp chất thải rắn; sự chênh lệch về hàm lƣợng nƣớc trong cấu trúc hóa học của rác. Nƣớc gia nhập từ ngoài (RI) Nƣớc mƣa (R) Bay hơi (E) Dòng chảy mặt (RO) Nƣớc chứa trong lớp vật liệu phủ Nƣớc trong CTR Nƣớc trong bùn Nƣớc rác (LC) Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nƣớc trong ô chôn lấp Phƣơng trình cân bằng nƣớc ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy, lƣợng nƣớc rỉ rác c ủa ô chôn lấp bằng tổng lƣợng nƣớc đến và lƣợng nƣớc sinh ra do phân hủy rác trừ đi lƣợng bay hơi. 1.2. THÀNH PHẦN CỦA NƢỚC RỈ RÁC 1.2.1. Thành phần nƣớc rỉ rác trên thế giới Hàm lƣợng chất ô nhiễm trong nƣớc rỉ rác c ủa bãi chôn lấp chất thải rắn mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm. Bởi vì trong bãi chôn lấp lâu năm, chất thải rắn đã đƣợc ổn định do các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã đƣợc phân hủy hầu nhƣ hoàn toàn, các chất vô cơ đã bị cuốn trôi đi. Trong bãi chôn lấp mới, thông thƣờng pH thấp, các thành phần nhƣ BOD5, COD, chất dinh dƣỡng, kim loại nặng, TDS có hàm lƣợng rất cao. Khi các quá trình sinh học trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan hóa thì pH tăng lên (6,8 - 8,0), đồng thời BOD5, COD, TDS và nồng độ các chất dinh dƣỡng (nitơ, photpho) thấ p hơn. Hàm lƣợng kim loại nặng giảm vì pH tăng thì hầu hết các kim loại ở trạng thái kém hòa tan[5]. 7 Khả năng phân hủy của nƣớc rỉ rác thay đ ổi theo thời gian. Khả năng phân hủy sinh học có thể xét thông qua tỉ l ệ BOD5/COD. Khi mới chôn lấp tỉ lệ này thƣờng trên 0,5. Khi tỉ l ệ BOD5/COD trong khoảng 0,4 - 0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nƣớc rác d ễ phân hủy sinh học. Trong các bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm , tỉ l ệ BOD5/COD rất thấp, khoảng 0,005 - 0,2. Khi đó nƣớc rỉ rác chứa nhiều axit humic và axit fulvic khó phân hủy sinh học [5, 31]. Chấ t lƣơ ̣ng nƣớc rỉ rác có sƣ̣ thay đổ i lớn và liên quan trƣ̣c tiế p đế n sƣ̣ thay đổ i lƣơ ̣ng mƣa , thành phần chất thải rắn , tuổ i baĩ chôn lấ p và mùa . Các chất ô nhiễm chính trong nƣớc rỉ rác là các hợp chất hữu cơ và amoni . Mố i quan hê ̣ giƣ̃a nồ ng đô ̣ các chất trong nƣớc rỉ rác và tuổi bãi chôn lấp đƣợc t ổng hợp từ nguồn [31, 76] và đƣợc thể hiê ̣n ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Đặc điểm nƣớc rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn Tuổ i bãi chôn lấ p Thông số Đơn vị Mới (0 - 5 năm) Trung bin ̀ h (5 - 10 năm) Cũ (>10 năm) - BCL Tatyana <6,5 BCL Barjinder 6,5 BCL Tatyana 6,5-7,5 BCL Barjinder 6,5-7,5 BCL Tatyana >7,5 BCL Barjinder >7,5 mg/l >20.000 >10.000 3.000-5.000 40.00-10.000 <5.000 <4.000 - >0,3 >0,3 0,1-0,3 0,1-0,3 <0,1 <0,1 (%TOC) 70-90 80% 20-30 5-30% 5 - (%TOC) - - - - >60 Chủ yếu Tổ ng Nitơ mg/l 100-2.000 - - - - - Tổ ng kim loa ̣i mg/l 2 <2 Thấ p <2 Thấ p Khả năng phân huỷ sinh hoc - - - Trung bình - Thấ p pH COD BOD5/COD Axit béo dễ bay hơi Hợp chất humic và fulvic Thấ p đến trung bình Chủ yếu Ghi chú: (-)-không đánh giá. Nhƣ vâ ̣y, thành phần nƣớc rỉ rác khác nhau theo tuổ i bãi chôn l ấp. Các bãi chôn lấp có tuổ i càng trẻ (<5 năm) thì nồng độ các chất ô nhiễm càng cao (COD > 10.000 mg/l), chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phâ n huỷ sinh ho ̣c, pH thấ p hơn 6,5. Tuổ i baĩ chôn lấ p càng cao thì pH càng tăng và nồ ng đô ̣ các chấ t ô nhiễm càng giảm nhƣng la ̣i khó phân huỷ sinh học vì chứa chủ yế u các hơ ̣p chấ t hƣ̃u cơ bề n vƣ̃ng . Các yếu tố môi trƣờng và cơ chế vâ ̣n hành bãi chôn lấp có ảnh hƣởng rất nhiều đến đặc tính nƣớc rỉ rác, đặc biệt là thời gian vận hành quyết định tính chất nƣớc rỉ rác nhƣ nƣớc rỉ rác cũ hay mới, sự tích lũy các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học nhiều