Tài liệu Áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao

PHẦN MỞ ĐẦU 1- Thông tin chung về đề tài : - Tên 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. - Chủ nhiệm đề tài : GS. TSKH. Trần Mạnh Trí - Cơ quan chủ trì : Trung tâm Công nghệ Hóa học và Môi trường (ECHEMTECH) - Thời gian thực hiện : bắt đầu : 1/12/2006 ; kết thúc : 1/04/2007 - Kinh phí được duyệt : 275.000.000 đ - Kinh phí đã cấp : 200.000.000 đ theo TB số 195/TB-SKHCN ngày 13/11/2006 2- Mục tiêu : Xây dựng công nghệ xử lý nước rỉ rác hợp lý nhằm nâng cao công suất, chất lượng và giảm chi phí vận hành của nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát hiện tại 3- Nội dung : (1) Khảo sát, phân tích, đánh giá chất lượng nước rỉ rác đã qua xử lý sinh học ở nhà máy xử lý Gò Cát. (2) Thử nghiệm kiểm tra một số quá trình chính sẽ áp dụng trong quy mô phòng thí nghiệm để xác định công nghệ xử lý. (3) Tính toán, thiết kế, chế tạo các thiết bị công nghệ cho hệ pilot công suất 1020 m3/ngày. (4) Lắp đặt hệ pilot 10-20 m3/ngày tại Công trường Gò Cát. 1 (5) Vận hành, đo đạc các thông số công nghệ, công suất và chất lượng nước xử lý. (6) Đánh giá chi phí vận hành (chủ yếu là năng lượng, hoá chất) cho 1 m3 nước sau xử lý. (7) Kết luận và đánh giá tính khả thi của công nghệ đề xuất. 4- Sản phẩm của đề tài : (1) Hệ pilot công suất 10-20 m3/ngày (2) Công nghệ xử lý nước rỉ rác theo đề xuất của ECHEMTECH, bảo đảm chất lượng nước sau xử lý phải đạt các mức sau: - pH 5.5-9 - COD , mg/L 100 - BOD, mg/L 50 - SS, mg/L 100 - Ntổng số, mg/L 60 - Ptổng số, mg/L 6 - Coliform, MPN/100mL 10.000 - Màu, Pt-Co 50 (3) Báo cáo tổng kết của đề tài 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1- Rác và các công trường xử lý rác ở thành phố Hồ Chí Minh Vì là một thành phố lớn nên lượng rác thải hàng ngày của thành phố Hồ Chí Minh cũng rất lớn, mỗi ngày có trên 7.000 tấn rác các loại thải ra, từ rác sinh hoạt đến rác thải công nghiệp. Phần lớn rác được tập trung về các bãi rác ở ngoại thành để xử lý, cho đến nay chủ yếu vẫn bằng phương pháp chôn lấp, tuy biết rằng giải pháp này không lâu dài và căn cơ đối với quỹ đất hạn hẹp của một thành phố lớn. Thành phố đang phấn đấu giảm dần tỷ lệ chôn lấp từ 98% hiện nay xuống còn 50% vào năm 2010 và còn 30% vào năm 2015. Tuy vậy, mục tiêu này không phải dễ dàng đạt được như mong muốn nếu không có quyết tâm cao. Để giải quyết vấn nạn rác của thành phố, trong những năm vừa qua thành phố Hồ Chí Minh đã triển khai xây dựng 4 công trường chôn lấp rác khá quy mô sau đây để tiếp nhận rác hàng ngày: - Bãi chôn lấp Gò Cát (quận Bình Tân) với tổng diện tích công trường 25 ha, công suất thiết kế 3,6 triệu tấn, mỗi ngày có thể tiếp nhận 2.000 tấn theo thiết kế. Tuy nhiên, do một số công trường chôn lấp rác khác bị sự cố nên buộc phải nâng công suất tiếp nhận hàng ngày lên 3.000-3.500 tấn, cá biệt có lúc lên đến gần 5.000 tấn. làm cho tổng lượng rác đã tiếp nhận hiện nay đã lên đến 4,3 triệu tấn ! - Bãi chôn lấp rác Phước Hiệp (huyện Củ Chi) với tổng diện tích công trường 43 ha, công suất thiết kế 3 triệu tấn rác, mỗi ngày có thể tiếp nhận 3.000 tấn rác theo thiết kế (bãi chôn lấp 1A). Tuy nhiên, bãi chôn lấp rác này đang bị sự cố, phía đông bắc công trường nền đất bị chuồi trượt rất nghiêm trọng. Vì vậy, lượng rác tiếp nhận hàng ngày còn khoảng 1.100-1.200 tấn. Đáng chú ý là công trường xử lý rác Phước Hiệp (xã Tam tân) được quy hoạch mở rộng để trở thành khu xử lý liên 3 hợp chất thải rắn lớn của thành phố với diện tích tổng cộng đến 822 ha, thời gian hoạt động dự kiến là 23 năm, hiện nay vẫn trong quá trình xây dựng. - Bãi chôn lấp rác Đa Phước (huyện Bình Chánh) với tổng diện tích công trường 128ha, đang triển khai san lấp mặt bằng dự kiến đầu năm 2007 sẽ tiếp nhận rác, nhưng cho đến nay công trường vẫn chưa hoàn thành công tác xây dựng. - Bãi chôn lấp rác Đông Thạnh (huyện Hóc Môn) với diện tích 70 ha, hoạt động từ năm 1991 đến 2002, hiện nay đã đóng cửa không tiếp nhận rác, chỉ nhận xà bần với lượng 900 tấn/ngày. Khối lượng rác tồn đọng khoảng 7,6 triệu tấn. 1.2- Nước rỉ từ các công trường chôn lấp rác ở thành phố Hồ Chí Minh Ở các công trường chôn lấp rác trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, nước rỉ ra từ các bãi chôn lấp rác đã và đang nổi lên thành vấn đề lớn, được toàn xã hội lo lắng và quan tâm hàng ngày. Nguyên nhân một mặt vì trong nước rỉ rác này chứa nhiều mầm bệnh nguy hiểm, chứa nhiều chất ô nhiễm độc hại, khi tích đọng lại sẽ gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí quanh khu vực công trường chôn lấp, nước rỉ rác lại có mùi hôi thối, độc hại, lan toả thường trực trong không khí với một bán kính đến vài cây số, nên dân cư quanh những công trường chôn lấp rác không chịu nổi, nhiều lần yêu cầu chính quyền tìm giải pháp khắc phục. Mặt khác, vì lượng nước rỉ rác thoát ra hàng ngày khá nhiều, (trung bình cứ 10 tấn rác chôn lấp trong 1 ngày đêm sinh ra 1 m3 nước rỉ rác), về mùa mưa, lượng nước rỉ rác sinh ra càng nhiều hơn, nếu không có giải pháp xử lý kịp thời và hiệu quả, nguy cơ ô nhiễm do nước rỉ rác phá vỡ bờ bao các công trình hồ chứa, tràn vào khu dân cư hoặc ra nguồn nước bên ngoài là không tránh khỏi. Hiện thành phố tồn đọng khoảng 500.000 m3 nước rỉ rác chưa được xử lý trước mùa mưa năm nay. Ở công trường chôn lấp rác Gò Cát, hiện nay lượng nước rỉ rác tồn đọng trong hai hồ chứa khoảng 60.000 m3, mỗi ngày mỗi phát sinh thêm. Ở công trường chôn lấp rác Phước Hiệp, hiện tồn đọng khoảng trên 300.000 m3 và mỗi ngày phát sinh 4 thêm khoảng 1.000 m3. Công trường chôn lấp rác Phước Hiệp đang trở thành một túi chứa nước rác khổng lồ và tình trạng vỡ bờ bao như đã xảy ra năm 2003 có thể tái diễn. Ngay cả công trường chôn lấp rác Đông Thạnh tuy đã đóng cửa từ nhiều năm nay nhưng hiện vẫn còn tồn đọng khoảng 50.000 m3 nước rỉ rác chưa được xử lý. 1.3- Những giải pháp xử lý nước rỉ rác ở thành phố Hồ Chí Minh 1.3.1- Giải pháp xử lý nước rỉ rác ở công trường chôn lấp rác Đông ThạnhỞ công trường chôn lấp rác Đông Thạnh, ngay từ đầu những năm 2000, rất nhiều đơn vị tham gia nghiên cứu xử lý nước rỉ rác như Công ty Quốc Việt, Trung tâm Công nghệ và quản lý môi trường CENTEMA, Công ty TNHH Đức Lâm, Trung tâm tư vấn công nghệ và môi trường CTA, Công ty Cổ phần nước và phát triển NUPHACO, Hội Hóa học Việt Nam. Công nghệ xử lý chủ yếu dựa vào phương pháp phân hủy sinh học nhưng nói chung hoạt động không ổn định, luôn gặp trục trặc, thậm chí như Công ty Đức Lâm, cho đến nay vẫn chưa xả thải được mét khối nước rỉ rác nào đạt yêu cầu (!). Tuy vậy, hiện nay hệ thống này phải tiếp nhận thêm nước rỉ rác 700-700 m3/ngày chở từ công trường Gò Cát về để xử lý tạm thời để hỗ trợ nhà máy xử lý nước Gò Cát trong thời gian bị sự cố kỹ thuật. 1.3.2- Giải pháp xử lý nước rỉ rác ở công trường chôn lấp rác Gò Cát Hệ thống xử lý nước rỉ rác ở công trường chôn lấp rác Gò Cát được xem là hệ thống xử lý nước rỉ rác hoàn chỉnh và quy mô nhất hiện nay ở TP Hồ Chí Minh Hệ thống xử lý do Công ty Vemier (Hà Lan) thiết kế, đầu tư thiết bị với công suất thiết kế 400 m3/ngày, với chất lượng nước sau khi xử lý phải đạt cột B theo TCVN 5945-1995, đã được Trung tâm Công nghệ môi trường ECO xây dựng. Công trình bắt đầu tiến hành xây dựng từ năm 2003, đưa vào hoạt động từ năm 2003, nhưng 5 nước xả thải không đạt yêu cầu so với thiết kế nên đã thay đổi công nghệ, bổ sung thiết bị để hoàn chỉnh. Các giai đoạn xây dựng bổ sung đã thực hiện lần lượt như sau: - Giai đoạn đầu (2003) : hệ thống xử lý được thiết kế chỉ dựa theo theo công nghệ phân chia vật lý trực tiếp nguồn nước rỉ rác thông qua hai cấp lọc : lọc cát và lọc tinh (micro và ultra) kết hợp với lọc nano (hình I-1): Nước rỉ rác thô Lọc thô qua cát Lọc tinh qua lõi lọc : micro và ultra Lọc nano Nước đã xử lý Hình I.1: Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác giai đoạn đầu ở Gò Cát Tuy nhiên, thực tế hoạt động đã cho thấy công nghệ nói trên không phù hợp với đối tượng nước rỉ rác chứa nhiều tạp chất lơ lửng, nhiều chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp nên chưa mang lại kết quả mong muốn, công suất nước sạch sau khi ra hệ thống lọc nano đạt rất thấp tuy chất lượng đạt tốt. Điều này cho thấy không thể xử lý trực tiếp nước rỉ rác chỉ thông qua quá trình phân chia vật lý mà không có những quá trình chuẩn bị trước đó. - Giai đoạn hai – bổ sung (2004) : đã lắp bổ sung bể lên men kỵ khí dung chứa 1000m3 trước khi vào hệ thống lọc nói trên nhằm xử lý phân hủy các chất hữu cơ bằng sinh học (hình I-2). Kết quả cũng không cải thiện được chất lượng và 6 số lượng nước xử lý như mong muốn, đặc biệt chưa giải quyết được hàm lượng amoniac rất cao trong nước rỉ rác. Nước rỉ rác thô Lên men kỵ khí Lắng Lọc thô qua cát Lọc tinh qua lõi lọc : micro và ultra Lọc nano Nước đã xử lý Hình I.2 – Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác giai đoạn hai ở Gò Cát - Giai đoạn ba – nâng cấp chất lượng (2005) : xây dựng thêm bể phản ứng sinh học kỵ khí với dòng chảy ngược UASB do LeAF (Hà Lan) thiết kế để xử lý trực tiếp nước đầu vào (xử lý bậc 1), trong khi đó thiết bị lên men kỵ khí đã xây dựng ở giai đoạn 2 được cải tạo lại, bỏ bộ phận nắp thu gom khí biogas, lắp thêm hệ thống sục khí biến thành hệ thống xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính kết hợp với khử Nitơ trong 2 bể tiền và hậu khử Nitơ, được bố trí đặt trước và sau bể làm thoáng hiếu khí (xử lý bậc 2). Sau đó, nước tiếp tục được đưa qua hệ thống xử lý hoàn thiện (xử lý hoá lý) bằng quá trình keo tụ với FeCl3, tạo bông bằng 7 Polymer, lắng, trung hòa, lọc cát. Sau 3 bậc xử lý, nước thu được dự kiến sẽ thải trực tiếp ra môi trường. Tuy việc đưa thêm bể sinh học kỵ khí UASB có hiệu quả cao nhưng các công đoạn kế tiếp hiệu quả xử lý lại thấp, không đạt đúng như thiết kế nên chất lượng nước sau xử lý cuối cùng vẫn không đạt, COD, BOD, TKN vẫn còn cao, ngoài ra vẫn còn màu và mùi hôi, nên phải cho tiếp tục vào hệ lọc nano của giai đoạn thiết kế ban đầu để xử lý tiếp. Sơ đồ công nghệ của hệ thống xử lý nước rỉ rác sau khi đã nâng cấp cuối cùng như sau (hình I-3): 8 Nước rỉ rác thô Phân hủy sinh học kỵ khí trong hệ UASB Xử lý tiền khử Nitơ trong bể anoxic Phân hủy sinh học hiếu khí trong bể Aerotank Xử lý hậu khử Nitơ trong bể anoxic Lắng Keo tụ bằng FeCl3 và tạo bông bằng polyme Trung hòa Lắng Lọc thô qua cát Thải ra môi trường Lọc tinh qua lõi lọc (Micro và Ultra) Lọc nano Thải ra môi trường Hình I.3- Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước rỉ rác ở Gò Cát sau khi nâng cấp giai đoạn 3 9 Khi vận hành xử lý các thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác theo sơ đồ công nghệ mô tả trên đây, kết quả về chất lượng nước xử lý và hiệu quả của từng công đoạn trong dây chuyền công nghệ ghi nhận được trong thời gian tháng 3/2006 và tháng 7/2006 thu được như sau (bảng I-1): Bảng I.1- Chất lượng nước xử lý qua từng thiết bị công nghệ Thời điểm lấy mẫu Tháng 3/2006 Tháng 7/2006 Chỉ tiêu, mg/L COD BOD N tổng NNH3 NNO3 NNO2 Ptổng SS pH Cảm quang COD BOD N tổng NNH3 NNO3 NNO2 Ptổng SS pH Cảm quang Vị trí lấy mẫu Sau hậu Sau bể khử Nitơ lắng Sau tiền khử Nitơ Sau bể Aerotank 5.424 2.280 2.376 2.712 840 989 9.220 3.120 1.331 8.678 3.560 1.334 2.712 788 975 2.215 1.245 870 2.079 1.237 860 350 308 480 2.887 2.436 954 919,2 937 937 721 715 470 6,2 4,3 51,8 41,2 23,5 33,5 16,7 14,5 7,3 0 0 596 768 613 460 233,6 228,1 91,7 Đầu vào 16.814 9.200 2.427 19,8 700 7,6 Đục, đen, Sau UASB Sau xử lý hóalý Sau lọc cát Sau lọc nano 17,5 1.440 8,26 Đục, đen, 21,3 1.660 8,53 Đục, đen, 143,9 22.780 8,49 Đục, đen, 135,8 31.740 8,53 Đục, đen, 46,1 1.100 8,59 Đục, đen, 9,8 372 8,07 Đục, có màu 10,3 462 8,04 Đục, có màu 11,7 37 7,59 Trong, màusáng 13.655 6.272 1.821 7.376 4.112 1.636 3.596 1.992 1.389 7.986 1.544 1.625 8.351 1.712 1.513 3.078 1.342 1.345 3.048 1.116 1.317 2.987 789,6 1.294 161 13,5 868,6 1.680 1.608 1.337 1.336 1.323 1.281 1.261 1.233 861 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1,59 0,62 0 0 0 0,61 0,48 7,5 220 8,66 Đục, đen, 99,2 6.860 8,62 Đục, đen, 10,3 2.020 7,42 Đục, đen, 6,6 640 7,88 Đục, đen, 215 9.500 8,71 Đục, đen, 4,7 300 8,70 Đục, đen, 0 60 8,37 Đục, đen, 0 1.120 8,43 Đục, nâu đen 0 0 8,61 Trong, màusáng Nguồn : Số liệu của Công ty Môi trường đô thị TP HCM cung cấp Như vậy, nhà máy xử lý nước rỉ rác Gò Cát từ sau khi đưa vào vận hành đến nay đã gặp phải những vấn đề tồn tại sau: - Về công suất xử lý để xả thải: không đạt công suất xả thải 400 m3/ngày, chỉ đạt được khoảng 40 m3/ngày (tức chỉ đạt khoảng 10% thiết kế), thậm chí từ 10 tháng 11/2006 đến nay chỉ đạt mức 16 m3/ngày (tức chỉ còn 4% công suất thiết kế). - Về chất lượng nước sau xử lý: không ổn định, COD và BOD giao động không quy luật chủ yếu trong giai đoạn xử lý bậc 2 và xử lý hoá lý hoàn thiện (phần đánh dấu tô mờ trong bảng). Ngoài ra hàm lượng Nitơ trong nước thải còn cao hơn rất nhiều so với giới hạn yêu cầu (khoảng 800 mg/L). Phần cảm quang, nước xử lý cho đến sau giai đoạn xử lý hoàn thiện vẫn còn màu sẫm, mùi hôi và cặn đục. Chỉ sau khi qua lọc nano, nước trong, màu sáng. Như đã phân tích, cho đến nay trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, việc xử lý nước rỉ rác vẫn còn bế tắc, công nghệ xử lý dựa vào phân hủy sinh học là chính, có kết hợp thêm khâu xử lý keo tụ hóa lý hoặc khâu lọc tinh và lọc nano. Nói chung chưa có một công nghệ nào được đánh giá là thích hợp, ổn định và hiệu quả [1,2,3,4]. 1.4- Những giải pháp xử lý nước rỉ rác ở nước ngoài Ở nước ngoài, vấn đề xử lý nước rỉ rác đã được đề cập nghiên cứu trong rất nhiều công trình công bố trên các tạp chí hoặc các hội nghị khoa học [5,6,7]. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác ở nước ngoài đều đạt kết quả tốt, chất lượng nước sau xử lý đạt tất cả các yêu cầu xả thải trực tiếp ra môi trường. Một điểm chung nhất của tất cả các công trình nói trên ở nước ngoài trong thời gian 5 năm trở lại đây là ngoài việc dựa vào các quá trình phân hủy sinh học và xử lý hóa lý, tất cả đều đã dựa vào các quá trình phân hủy hóa học, chủ yếu là các quá trình phân hủy hóa học oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs) như ozon [ 8,9], Peroxon [5,9], Fenton [6,10]. 11 1.5- Những vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan Những vấn đề tồn tại đã nêu ra trong phần tổng quan cho thấy, sở dĩ vấn đề xử lý nước rỉ rác ở nước ta chưa được giải quyết cơ bản chính là do ở phần công nghệ chỉ dựa vào quá trình phân hủy sinh học là chính, các quá trình này chưa đủ sức mạnh để phân hủy những phần ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, bền vững và độc hại trong nước rỉ rác. Trong khi đó, các công nghệ xử lý đã triển khai lại chưa cập nhật được những quá trình xử lý mới, hiện đại, điển hình là công nghệ xử lý dựa vào các quá trình oxi hóa nâng cao AOPs. Các quá trình Oxi hóa nâng cao AOPs ngày nay được xem là nền tảng của công nghệ xử lý nước và nước thải ở thế kỷ 21 [11,12,13]. Do đó, việc nghiên cứu áp dụng các thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực môi trường để xây dựng công nghệ xử lý nước rỉ rác cho các công trường chôn lấp rác ở TP Hồ Chí Minh là cấp bách và cần thiết. Dựa trên kinh nghiệm đã áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao vào xử lý nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, khó phân hủy do Trung tâm công nghệ hóa học và môi trường (ECHEMTECH) thực hiện (như công trình xây dựng hệ thống xử lý nước thải sản xuất thuốc bảo vệ thực vật ở nhà máy Thuốc trừ sâu Sài Gòn [14] hoặc công trình xử lý nước thải sản xuất bột giấy của nhà máy Giấy Tân Mai [15]), Trung tâm công nghệ hóa học và môi trường (ECHEMTECH) đăng ký đề tài với nội dung : Nghiên cứu 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 trên hệ pilot 15-20 m3/ngày chính là nhằm tìm kiếm một giải pháp công nghệ mới đáp ứng yêu cầu cấp bách hiện nay vùa nói trên. 12 CHƯƠNG II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1- Nghiên cứu nhận diện nước rỉ rác và những vấn đề có tính chất “chìa khoá” trong xử lý nước rỉ rác 2.1.1- Đặc tính chung của nước rỉ rác – Phân loại Nước rỉ ra từ các bãi chôn lấp rác khác nhau nói chung không giống nhau, đặc tính nước rỉ rác thường khác nhau do có nhiều yếu tố ảnh hưởng như thời gian chôn lấp rác (còn gọi tuổi chôn lấp rác), cấu trúc bãi chôn lấp rác, cách chôn lấp lèn chặt hay tự do, khối rác dày hay mỏng, nguồn gốc rác, loại rác , phương thức quản lý và khai thác bãi rác. Rất nhiều quá trình biến đổi sinh học, hoá học và vật lý xảy ra xen kẻ, nối tiếp nhau trong suốt thời gian rác được tập trung và chôn lấp trong điều kiện thiếu hoặc không có không khí, môi trường pH và nhiệt độ cao trong bãi rác. Kết quả của hàng loạt quá trình biến đổi này là tạo ra nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ gây ô nhiễm ở những cấp độ khác nhau cũng như tạo ra nhiều hợp chất có cấu trúc hoá học phức tạp ở những cấp độ khác nhau, chúng có thể dễ bị phân hủy sinh học hoặc khó hoặc không thể bị phân hủy sinh học. Tuy vậy, đặc tính chung của tất cả các loại nước rỉ rác bao giờ cũng có các thành phần quan trọng sau đây: (1) Thành phần các chất ô nhiễm hữu cơ, đặc trưng ở tải lượng ô nhiễm theo COD và BOD5 rất cao. Trong thành phần chất ô nhiễm hữu cơ, bao giờ cũng chứa hai phần : phần chất ô nhiễm hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học và phần chất ô nhiễm hữu cơ khó hoặc không thể bị phân hủy sinh học. Ở các bãi rác thời gian chôn lấp không lâu (<1-2 năm), nước rỉ rác có trị số COD rất cao (3.00060.000mg/L), đồng thời tỷ số BOD/COD cũng cao (>0,6), tức trong nước rỉ rác này chứa nhiều thành phần hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học. Ngược lại ở các bãi rác thời gian chôn lấp lâu (>10 năm) nước rỉ rác có trị số COD tương đối thấp 13 (100-500 mg/L), đồng thời tỷ số BOD/COD cũng thấp (<0,3), tức trong nước rỉ rác này chứa nhiều thành phần hữu cơ khó (hoặc không) bị phân hủy sinh học. Trong nước rỉ rác ở những bãi chôn lấp một vài năm, thành phần hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, các axit hữu cơ bay hơi (VFA) chiếm phần lớn, trong khi đó, nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp thời gian khoảng mươi năm trở lên, thành phần hữu cơ có trọng lượng phân tử cao lại chiến phần chủ yếu. Điển hình nhất của thành phần hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác là axit fulvic, axit humic, được gọi chung là các chất humic (humic substances). Axit Fulvic và axit humic trong nước rỉ rác chủ yếu do sự phân hủy sinh học các hợp chất lipid, protein, cacbohydrat, lignin có trong xác thực vật và động vật trong quá trình chôn lấp rác. Chúng là các axit hữu cơ cao phân tử, có trọng lượng phân tử rất cao, từ 2.000 cho đến 100.000-200.000, cấu trúc gồm nhiều nhân thơm ngưng tụ cao, chung quanh nhân thơm ngưng tụ có đính các nhóm định chức, chủ yếu là các nhóm cacboxyl (–COOH), hydroxyl (-OH), cacbonyl (>C=O) làm cho phân tử axit humic và fulvic có ái lực càng hóa (chelate) với các ion đa hóa trị như Mg2+, Ca2+ và Fe2+.hoặc một số ion kim loại nặng khác tạo thành một phức chất cấu trúc cồng kềnh. Axit Fulvic có trọng lượng phân tử thấp hơn trọng lượng phân tử axit humic, ngược lại, tính axit của axit fulvic cao hơn của axit humic. Đặc tính quan trọng của nhất của các axit fulvic và humic là chúng là những polyme mang màu (pigmented polymers), từ màu vàng đậm đến nâu đen, làm cho nước rỉ rác luôn có màu nâu sẫm, là thành phần hữu cơ khó xử lý nhất trong nước rỉ rác. Có thể thấy rõ độ mang màu của các hợp chất humic trên hình vẽ mô tả dưới đây [18] 14 Hình II.1- Tính chất mang màu của các chất humic thay đổi theo trọng lượng phân tử [18] Tính phức tạp của axit humic và axit fulvic có thể thấy qua mô hình cấu trúc phân tử được trình bày bởi một số tác giả như sau (hình II.2 và II.3): Hình II.2- Cấu trúc của phân tử axit humic theo Stevenson [18] Hình II.3 –Cấu trúc của phân tử axit Fulvic theo Buffle[18] 15 Cùng với thời gian chôn lấp rác, phần hữu cơ trong nước rỉ rác giảm dần, nhưng tỷ lệ thành phần các chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học lại tăng lên đáng kể. Điều này thấy rõ trên sơ đồ minh hoạ dưới đây (hình II-4): Chất hữu cơ không bị phân huỷ sinh học Chất hữu cơ bị phân huỷ sinh học Hình II.4 - Chiều hướng biến đổi phần hữu cơ trong nước rỉ rác và tỷ lệ phần hữu cơ không bị phân hủy sinh học so với phần bị phân hủy sinh học theo thời gian chôn lấp rác (tuổi bãi rác) (2) Thành phần các chất ô nhiễm vô cơ, chủ yếu là amoniac (NH3) nằm dưới dạng ion amoni (NH4+) trong nước rỉ rác, thành phần này được tạo ra do sự phân hủy (thủy phân và lên men) thành phần protein xác động vật hoặc thực vật trong rác thải. Đặc tính quan trọng của thành phần amoniac trong nước thải là chúng có hàm lượng rất cao, đến trên 2000 mg/L và lại rất bền vững, không bị biến đổi theo thời gian, là thành phần vô cơ khó xử lý nhất trong nước rỉ rác. (3) Thành phần các chất độc hại: vi trùng, vi khuẩn, mầm bệnh, virus các loại và một số kim loại nặng. Đặc tính của nước rỉ rác được phân chia thành ba nhóm khác nhau phụ thuộc vào thời gian ( tuổi) chôn lấp như sau (bảng II-1): 16 Bảng II.1- Đặc trưng của nước rỉ rác ở các bãi chôn lấp với thời gian khác nhau Loại Tuổi, năm Mới (trẻ) Trung bình Đã ổn định (già) <5 5-10 >10 <6,5 7 >7,5 COD, mg/l >20.000 3.000-15.000 <2.000 BOD/COD >0,3 0,1-0,3 <0,1 TOC/COD 0,3 - 0,4 Chất hữu cơ Chủ yếu là 7090% VFA pH 20-30% VFA, 70-80% axit Humic và Fulvic Nitơ, mg/l TKN/COD Kim loại, g/l Chủ yếu là axit Humicvà axit Fulvic 100 – 2.000 TKN 0,1 0,13-0,66 1,0 2 <2 <2 Trong một bãi chôn lấp rác trẻ hay già, quá trình phân hủy sinh học đều xảy ra trong điều kiện yếm khí qua 3 giai đọan kế tiếp nhau trong toàn bộ khối rác bị chôn lấp: giai đoạn tạo axit (pha axit), giai đoạn tạo mêtan (pha mêtan) và giai đoạn trung gian (pha chuyển tiếp từ pha axit sang pha mêtan). Tuỳ theo thời gian chôn lấp rác mà ưu thế của từng giai đoạn nói trên sẽ thay đổi. Thời gian chôn lấp càng lâu, tuổi của bãi rác càng già, pha mêtan sẽ càng chiếm phần chủ yếu. Ngược lại, tuổi bãi rác chôn lấp càng trẻ, pha axit chiếm phần ưu thế. Có thể căn cứ vào tỷ số BOD/COD trong các giới hạn sau để phân biệt các giai đoạn xảy ra trong bãi rác chôn lấp : - Pha axit: - Pha chuyển tiếp : BOD/COD ≥ 0,4 0,4 > BOD/COD > 0,2 - Pha mêtan : BOD/COD ≤ 0,2 17 2.1.2- Đặc tính nước rỉ rác Gò Cát Qua khảo sát trong khoảng thời gian tháng 3/2006 và tháng 7/2006 của Nhà máy xử lý nước rác Gò Cát cho thấy thành phần và tính chất của nước rỉ rác ở Công trường chôn lấp rác Gò Cát nằm trong giới hạn sau (bảng II-2): Bảng II.2 – Thành phần và tính chất của nước rỉ rác Gò Cát Thông số Đơn vị Thấp Cao pH - 7,4 7,6 7,5 COD mg/L 13.655 16.814 15.234 BOD mg/L 6.272 9.200 7.735 - 0,46 0,55 0,50 TKN mg/L 1.821 2.427 2.124 N-NH3 mg/L 1.680 2.887 2.283 P tổng mg/L 10,3 19,8 15,05 SS mg/L 700 2.020 1.360 Cảm quang Đục, nhiều cặn, màu nâu đen đến đen, mùi hôi khó chịu BOD/COD Trung bình Nguồn : Công ty môi trường Đô thị Thành phố HCM Những số liệu trên đây cho thấy nước rỉ rác Công trường chôn lấp rác Gò Cát thuộc loại đã chuyển sang tuổi trung bình, đặc trưng ở độ pH không có tính axit (pH~7); hàm lượng COD không quá cao như nước rác ở độ tuổi trẻ (>20.000 mg/L) và cũng không quá thấp như nước rác ở độ tuổi cao (<2.000 mg/L), mà nằm ở mức trung bình (~15.000 mg/L); tỷ số BOD/COD ~0,5, hàm lượng TKN cao (~2.000 mg/L), và tỷ số TKN/COD nằm giữa 1,0 và 0,1 (~0,14). Với nước rỉ rác ở độ tuổi này, trong thành phần ô nhiễm hữu cơ ngoài các chất axit hữu cơ bay hơi còn chứa một phần lớn (70-80%) là các axit trọng lượng phân tử lớn (cao phân tử) như axit humic và axit fulvic như đã mô tả trên. Đây là những 18 chất ô nhiễm hữu cơ khó hoặc không thể bị phân hủy sinh học, do đó, để việc xử lý nước rác Gò Cát đạt kết quả mong muốn, không thể áp dụng công nghệ chỉ dựa vào các quá trình phân hủy sinh học. Ngoài ra, như mọi loại nước rỉ rác, trong nước rỉ rác Gò Cát cũng chứa các chất độc hại, các mầm bệnh, vi trùng, virus nguy hiểm cho sức khoẻ con người khi tiếp xúc, khi xâm nhập vào các nguồn nước mặt, ao hồ, hoặc vào các mạch nước ngầm, nước giếng trong khu vực quanh các bãi chôn lấp rác. Nước rỉ rác tích đọng trong các hồ chứa thường trực phát tán mùi hôi thối ra môi trường trong một bán kính rất rộng, làm ô nhiễm môi trường không khí, ảnh hưởng rất xấu đến sức khoẻ và sinh hoạt hàng ngày của ngưới dân . 2.1.3- Vấn đề có tính chất “chìa khóa” trong xử lý nước rỉ rác Gò Cát nói riêng và nước rỉ rác nói chung Như đã khảo sát trên đây, nước rỉ rác là loại nước ô nhiễm toàn diện ở mức độ rất nặng và rất khác biệt so với nước thải sinh hoạt hoặc nước thải công nghiệp thông thường. Để xử lý nước rỉ rác đạt hiệu quả mong muốn, phải xác định thành phần ô nhiễm nào cần phải tập trung tìm giải pháp xử lý đặc biệt mang tính chất quyết định hay còn gọi mang tính chất “chìa khoá” để hóa giải, thành phần ô nhiễm nào không cần các giải pháp xử lý đặc biệt vẫn có thể đạt yêu cầu mong muốn. Đối với nước rỉ rác Gò Cát từ công trường chôn lấp rác Gò Cát, đã nhận diện hai vấn đề mang tính “chìa khoá” cần phải giải quyết về mặt công nghệ khi xử lý chúng: 1- Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ có tải lượng ô nhiễm cao, trong đó ngoài thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học còn đặc biệt phải xử lý thành phần các chất hữu cơ khó hoặc không thể phân hủy bằng vi sinh, chủ yếu là axit humic và axit fulvic. Giảm tải lượng ô 19 nhiễm hữu cơ COD 12.000-16.000 mg/L, BOD 7.000-9.000 mg/L xuống đến giới hạn yêu cầu COD ~ 100 mg/L, BOD ~ 50 mg/L, nghĩa là phải xử lý loại bỏ >99% trong nước rác. 2- Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm vô cơ, chủ yếu là Nitơ dưới dạng ion amoni có tải lượng ô nhiễm cao khác thường so với các loại nước thải khác. Giảm Ntổng từ 2.000-2.500 mg/L và N-NH3 từ ~2.000 mg/L xuống đến giới hạn yêu cầu Ntổng ~ 30mg/L, N-NH3 ~10 mg/L nghĩa là phải xử lý loại bỏ 98-99% trong nước rác. Nếu có giải pháp công nghệ xử lý được hai vấn đề nêu trên, việc xử lý những phần ô nhiễm còn lại trong nước rỉ rác (Ptổng số, SS, màu, mùi, mầm bệnh) cũng sẽ được giải quyết theo, và do đó, việc xử lý toàn bộ nước rỉ rác Gò Cát xem như đã giải quyết được một cách cơ bản và triệt để. 2.2- Nghiên cứu giải pháp xử lý hàm lượng COD cao, đặc biệt hàm lượng các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác Gò Cát 2.2.1- Giải pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình Oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs) Để xử lý thành phần ô nhiễm hữu cơ khó hoặc không thể bị phân hủy sinh học, áp dụng phương pháp phân hủy hoá học bằng các quá trình Oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOPs). Đây là phương pháp đặc hiệu để xử lý những thành phần ô nhiễm hữu cơ mà các phương pháp xử lý sinh học không thể giải quyết nổi và là sự lựa chọn của đề tài này. Phương pháp này được xem như thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải trong gần hai thập kỷ gần đây của thế giới, được chúng tôi giới thiệu trong sách “Các quá trình oxi hóa nâng cao trong xử lý nước và nước thải – Cơ sở khoa học và ứng dụng”, do Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật xuất bản năm 2006[16]. 20