Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hệ fenton điện hóa sử dụng điện cực anot bằng vật liệu tipbo2 để xử lý cod và độ màu trong nước rỉ rác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Phương Thảo NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ FENTON ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC ANOT BẰNG VẬT LIỆU Ti/PbO2 ĐỂ XỬ LÝ COD VÀ ĐỘ MÀU TRONG NƯỚC RỈ RÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Phương Thảo NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ FENTON ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC ANOT BẰNG VẬT LIỆU Ti/PbO2 ĐỂ XỬ LÝ COD VÀ ĐỘ MÀU TRONG NƯỚC RỈ RÁC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Thanh Sơn Hà Nội - 2021 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng hệ fenton điện hóa sử dụng điện cực anot bằng vật liệu Ti/PbO2 để xử lý COD và độ màu trong nước rỉ rác” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Sơn. Luận văn không trùng lặp và sao chép với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chính xác và chưa được tác giả khác công bố. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Học viên Hoàng Phương Thảo ii Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thanh Sơn Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho em những hướng nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh (chị) Trung tâm nghiên cứu phát triển công nghệ màng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình làm luận văn tại trung tâm. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy (cô) giáo Khoa Công nghệ Môi Trường, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại học viện. Em xin chân thành cảm ơn TS. Lê Cao Khải - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã hỗ trợ về mặt khoa học cho em trong quá trình làm nghiên cứu tại Viện Công nghệ môi trường. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt mọi công việc trong nghiên cứu và học tập. Học viên Hoàng Phương Thảo iii MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................... viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................ 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................... 4 4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 4 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................... 4 6. Bố cục của luận văn................................................................................. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................... 6 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC ....................................................... 6 1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác ........................................ 6 1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người ......... 14 1.1.3. Các phương pháp xử lý nước rỉ rác .......................................... 14 1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP FENTON ĐIỆN HÓA ............. 19 1.2.1. Cơ chế của quá trình fenton điện hóa ....................................... 19 1.2.2. Ưu, nhược điểm của quá trình fenton điện hóa ....................... 22 1.2.3. Ứng dụng phương pháp fenton điện hóa trong xử lý môi trường ..................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA ANOT ................... 23 1.3.1. Cơ chế của quá trình oxy hóa anot ............................................ 23 1.3.2. Ưu, nhược điểm của quá trình oxy hóa anot ............................ 24 iv 1.3.3. Ứng dụng phương pháp oxy hóa anot trong xử lý môi trường ................................................................. Error! Bookmark not defined. 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ............... 26 1.4.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................... 26 1.4.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ........................... 29 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 32 2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..................................... 32 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................. 32 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 32 2.2. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ ..................................................................... 33 2.2.1. Hóa chất ....................................................................................... 33 2.2.2. Dụng cụ ........................................................................................ 34 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................ 34 2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 40 2.4.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý COD và độ màu của NRR bằng fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot ......... 41 2.4.2. So sánh khả năng xử lý NRR bằng quá trình Fenton điện hóa và oxy hóa điện hóa với quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot Ti/PbO2 .......................................................................................... 44 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 46 3.1. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NRR BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA KẾT HỢP OXY HÓA ANOT ................................................................................................ 46 3.1.1. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ......................................................................................................... 46 v 3.1.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ............................................................ 50 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác Fe2+ đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ............................................................................................... 56 3.1.4. Ảnh hưởng của tải lượng chất ô nhiễm đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ..................................................................................... 59 3.2. SO SÁNH KHẢ NĂNG XỬ LÝ COD VÀ ĐỘ MÀU CỦA NƯỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA VÀ OXY HÓA ANOT VỚI QUÁ TRÌNH FENTON ĐIỆN HÓA KẾT HỢP OXY HÓA ANOT 63 3.2.1. So sánh khả năng xử lý COD và độ màu của nước rỉ rác bằng quá trình Fenton điện hóa với quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot ........................................................................................... 63 3.2.2. So sánh khả năng xử lý COD và độ màu của nước rỉ rác bằng quá trình Oxy hóa anot với quá trình Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot .................................................................................................. 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 72 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AO Oxy hóa anot AOP Oxy hóa nâng cao BCL Bãi chôn lấp BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học CTR Chất thải rắn EAOP Điện oxy hóa nâng cao EF Fenton điện hóa NRR Nước rỉ rác QCVN Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia VSV Vi sinh vật vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp.................................. 9 Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số bãi chôn lấp ở Việt Nam ......... 11 Bảng 2.1. Một số đặc tính của NRR dùng cho nghiên cứu ............................. 32 Bảng 2.2. Các phương pháp phân tích ............................................................ 39 Bảng 3.1. Hiệu suất xử lý COD và độ màu trong NRR tại các giá trị pH khác nhau ................................................................................................................. 50 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD và độ màu trong NRR ............................................................................................... 54 Bảng 3.3. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD và độ màu trong NRR ......................................................................................................................... 55 Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD và độ màu trong NRR tại các nồng độ chất xúc tác Fe2+ khác nhau .................................................................................... 59 Bảng 3.5. Tải lượng các chất ô nhiễm đầu vào ............................................... 60 Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý COD và độ màu trong NRR ở các chế độ tải lượng khác nhau......................................................................................................... 62 Bảng 3.7. Hiệu quả xử lý COD trong nước rỉ rác của 3 quá trình EF, AO và EF - AO ........................................................................................................... 67 Bảng 3.8. So sánh hiệu quả xử lý độ màu trong nước rỉ rác của 3 quá trình .. 68 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chôn lấp ........................... 7 Hình 1.2. Các quá trình chính tạo ra gốc OH● trong AOP ............................. 19 Hình 1.3. Sơ đồ cơ chế tạo ra gốc OH● trong quá trình Fenton điện hóa ...... 21 Hình 1.4. Thống kê điện cực sử dụng làm cực dương .................................... 21 Hình 1.5. Thống kê các loại điện cực dùng làm cực âm ................................. 22 Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ............................................................ 33 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot Ti/PbO2 ............................................................................................................ 35 Hình 2.3. Điện cực catot và anot trong hệ thí nghiệm EF-AO ....................... 36 Hình 2.4. Hệ Fenton điện hóa (EF) trong phòng thí nghiệm .......................... 37 Hình 2.5. Điện cực vải cacbon trong hệ thí nghiệm EF .................................. 37 Hình 2.6. Điện cực lưới Platin trong hệ thí nghiệm EF .................................. 38 Hình 2.7. Điện cực anot và catot trong hệ thí nghiệm AO ............................. 38 Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý COD và độ màu............................................................................... 41 Hình 2.9. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ............................................... 42 Hình 2.10. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ xúc tác Fe2+ đến hiệu quả xử lý COD và độ màu............................................................................... 43 Hình 2.11. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng chất ô nhiễm ban đầu đến hiệu quả xử lý COD và độ màu ................................................................ 44 Hình 3.1. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý COD .................... 46 Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hiệu quả xử lý độ màu ................. 48 Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD ....................................................................................................... 51 ix Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu .................................................................................................... 53 Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của chất xúc tác Fe 2+ đến hiệu suất xử lý COD ....................................................................................................... 57 Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của chất xúc tác Fe 2+ đến hiệu suất xử lý độ màu .................................................................................................... 58 Hình 3.7. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý COD ....................... 60 Hình 3.8. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý độ màu .................... 61 Hình 3.9. So sánh hiệu quả xử lý COD của hệ EF và EF - AO ...................... 64 Hình 3.10. So sánh hiệu quả xử lý độ màu của hệ EF và EF - AO ................ 65 Hình 3.11. So sánh hiệu quả xử lý COD của hệ AO và EF - AO ................... 66 Hình 3.12. So sánh hiệu quả xử lý độ màu của hệ AO và EF - AO ............... 67 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Là một quốc gia đang phát triển, trong những năm qua, Việt Nam có tốc độ phát triển dân số và đô thị hóa rất cao, với mật độ dân số đứng thứ 3 ở Đông Nam Á, thứ 14 trên thế giới, tỷ lệ đô thị hóa tính đến cuối năm 2017 là 36,6%. Tốc độ đô thị hóa cao đang bộc lộ nhiều bất cập, không chỉ ảnh hưởng đến kết cấu hạ tầng mà còn phát sinh các vấn đề môi trường. Theo Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2017 [1], ước tính lượng chất thải rắn (CTR) sinh hoạt ở các đô thị trên toàn quốc tăng 10% - 16% mỗi năm, chiếm phần lớn trong tổng lượng CTR phát sinh ở các đô thị. Chỉ số phát sinh chất thải cũng gia tăng theo cấp độ đô thị, đặc biệt là tại các đô thị lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh…. Các phương pháp xử lý CTR được áp dụng tập trung vào một số nhóm chính như: chôn lấp, thiêu đốt, ủ làm phân vi sinh, tái chế,… trong đó phương pháp chôn lấp vẫn là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất do tính khả thi về mặt kinh tế, dễ tiến hành và có thể áp dụng được với nhiều loại CTR khác nhau với khối lượng lớn, phù hợp với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam. Hiện nay, nước ta có 660 bãi chôn lấp tiếp nhận 20.200 tấn rác thải hàng ngày. Trong số 660 địa điểm xử lý chất thải này trên cả nước, chỉ có 30% được phân loại là bãi chôn lấp hợp lệ (bãi chôn lấp hợp vệ sinh đòi hỏi phải có lớp che phủ rác hàng ngày, điều thường khó gặp ở Việt Nam). Các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh cũng có các bãi chôn lấp lớn với diện tích tương ứng 157 ha và 130 ha. Chỉ có 9% bãi chôn lấp có cân trọng lượng, 36% có lớp lót đáy. Hầu hết bãi chôn lấp không có máy ép, hệ thống thu gom khí gas, xử lý nước rỉ rác, hệ thống quan trắc môi trường và hạn chế về mặt quản lý, chủ yếu do thiếu kinh phí. Các bãi chôn lấp do URENCO sở hữu và vận hành. Các công ty thu gom rác của bên thứ ba phải trả phí vào cổng cho URENCO [2]. Tuy nhiên, phương pháp chôn lấp lại tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường rất lớn, đặc biệt là những vấn đề liên quan đến lượng nước rỉ rác (NRR) phát sinh do chứa hàm lượng rất lớn các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ độc hại và các loại vi sinh vật (VSV) gây bệnh. Ngoài ra, nồng độ các chất ô 2 nhiễm trong NRR không ổn định mà dao động trong phạm vi rộng tùy thuộc vào đặc điểm rác được chôn lấp, thời tiết và thời gian chôn lấp. Vì thế, vấn đề xử lý NRR vẫn là bài toán khó giải quyết ở nhiều khu vực, việc tìm các hướng xử lý mới, đạt hiệu quả tốt để khắc phục các nhược điểm của công nghệ cũ được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Thông thường, trước khi đi vào các hệ thống xử lý bậc 2, bậc 3, NRR được tiền xử lý trước bằng quá trình keo tụ để loại bỏ các chất rắn lơ lửng, độ màu và kim loại nặng nhằm giảm tải cho các công đoạn xử lý phía sau. Để xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy cũng như độ màu ở công đoạn phía sau, hiện nay trên thế giới cũng như trong nước đã có rất nhiều phương pháp, công nghệ đã được nghiên cứu, điển hình như hấp phụ, phương pháp oxy hóa, phương pháp màng lọc, phương pháp xử lý sinh học,…Trong đó các phương pháp hấp phụ, màng lọc không có hiệu quả không cao do nồng độ các chất ô nhiễm ở mức cao và cũng không xử lý triệt để các chất ô nhiễm, mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, còn phương pháp sinh học, phương pháp oxy hóa cho hiệu quả xử lý không cao hoặc không ổn định và chi phí cao. Nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng quá trình điện oxy hóa nâng cao (EAOP) sử dụng gốc tự do hydroxyl OH● (được sinh ra nhờ các phản ứng oxy hóa, khử trên các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều) có tính oxy hóa cực mạnh (Thế oxy hóa khử E° = 2,7 V/ESH) có thể oxy hóa triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ ở nhiệt độ và áp suất môi trường bởi tuy thời gian tồn tại của các gốc OH● là rất ngắn, cỡ 10-9 giây [3], nhưng các gốc OH● có thể oxy hóa các chất hữu cơ với hằng số tốc độ phản ứng rất lớn, từ 106 đến 109 mol/L.s [4]. Do đó, hiện nay các quá trình EAOP được xem như là nhóm các phương pháp xử lý rất hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước thành CO2, H2O và các chất hữu cơ ngắn mạch hơn, ít độc hơn và có thể bị phân hủy sinh học (thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học kế tiếp), thân thiện với môi trường [5]. Trong số các phương pháp EAOP, đáng chú ý có các phương pháp fenton điện hóa - tạo ra gốc OH● chủ yếu trên catot - và phương pháp oxy hóa anot - tạo ra trực tiếp gốc OH● trên anot. Đối với quá trình oxy hóa anot, để có thể xúc tác quá trinh oxy hóa nước trên anot tạo 3 thành gốc OH●, vật liệu làm anot thường là Pt/PbO2, PbO2, SnO2 [6] hoặc kim cương pha tạp Bo [7]. Đối với fenton điện hóa, để hiệu suất khoáng hóa cao, catot thường sử dụng có dạng lớp thủy ngân [8], dạng graphit biến tính [9], dạng nỉ cacbon [10]. Do đó, đề tài này tập trung nghiên cứu sử dụng kết hợp quá trình fenton điện hóa và oxy hóa anot trong cùng một hệ điện hóa để tăng số lượng gốc OH● được tạo ra, qua đó làm tăng tốc độ xử lý các chất hữu cơ trong NRR, làm giảm thời gian xử lý và tiết kiệm điện năng. Kết quả của đề tài sẽ là bước nghiên cứu khởi đầu để đưa các quá trình điện oxy hóa tiên tiến ứng dụng trong thực tế nhằm xử lý các đối tượng khó xử lý như NRR. 2. Mục tiêu nghiên cứu a. Mục tiêu chung Nghiên cứu và phát triển công nghệ kết hợp 2 quá trình oxy hóa tiên tiến là fenton điện hóa và oxy hóa anot trong cùng 1 thiết bị để tăng hiệu quả xử lý COD và độ màu trong NRR. b. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý NRR bằng quá trình fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot - So sánh khả năng xử lý COD và độ màu của NRR bằng quá trình fenton điện hóa, oxy hóa anot và quá trình fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot 3. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý NRR bằng quá trình fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot - Công việc 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý COD và độ màu của NRR. - Công việc 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu quả xử lý COD và độ màu của NRR. 4 - Công việc 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất xúc tác Fe 2+ đến hiệu quả xử lý COD và độ màu của NRR. - Công việc 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng chất ô nhiễm đến hiệu quả xử lý COD và độ màu của NRR. Nội dung 2: So sánh khả năng xử lý COD và độ màu của NRR bằng quá trình Fenton điện hóa với quá trình fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot và quá trình oxy hóa anot với quá trình fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu - Nước rỉ rác của bãi chôn lấp Nam Sơn sau quá trình keo tụ (để giảm bớt độ màu và giá trị COD). - Các quá trình oxy hóa tiên tiến là fenton điện hóa và oxy hóa anot. b. Phạm vi nghiên cứu - Các nghiên cứu được thực hiện trên hệ thí nghiệm điện hóa quy mô phòng thí nghiệm 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp khai thác thông tin - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp xử lý số liệu - Phương pháp phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài nghiên cứu góp phần bổ sung cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu sử dụng các quá trình điện oxy hóa tiên tiến để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ trong NRR. 7. Bố cục của luận văn Mở đầu Chương 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 5 Chương 2. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC RỈ RÁC 1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngoài bãi rác [11]. Các nguồn chính tạo ra NRR bao gồm nước từ phía trên BCL, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu chôn lấp bùn. 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 BCL. NRR 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; - 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 lấp bùn. Lượng NRR 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 NRR được trình bày trong hình 1.1. và lượng NRR được tính theo công thức [12]: LC = R + RI – RO – E - ΔV (1) Trong đó: LC - NRR; R - Nước mưa thấm vào ô chôn lấp; 7 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; E - Nước bay hơi; ΔV - 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 BCL CTR. Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chôn lấp Thành phần của NRR thay đổi trong ô chôn lấp theo 5 giai đoạn như sau: Giai đoạn thích nghi: Ở giai đoạn này quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra, các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa thành dạng đơn giản như tinh bột, chất béo, protein và xenlulozơ… Giai đoạn này kéo dài từ vài ngày đến vài tuần. Giai đoạn chuyển tiếp: VSV hiếu khí tiêu thụ dần oxy thì các VSV kỵ khí bắt đầu xuất hiện và phát triển. Trong các phản ứng chuyển hóa sinh học các gốc nitrat và sunfat 8 đóng vai trò là chất nhận electron và bị khử thành N2 và H2S. Ở giai đoạn này, bắt đầu có sự giảm pH do sự có mặt của axit hữu cơ và CO2 gia tăng. Giai đoạn axit: Axit hữu cơ và khí hydro được tạo ra do VSV kỵ khí gia tăng. Trong điều kiện yếm khí nghiêm ngặt các VSV dị dưỡng tham gia vào quá trình lên men chuyển hóa các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường… thành các axit béo bay hơi, ancol, CO2 và N2. Trong giai đoạn này, pH giảm xuống ≤ 5. Giai đoạn này kéo dài từ một vài năm đến hàng chục năm. Trong giai đoạn này BOD có giá trị cao thường > 10000 mg/L. Giai đoạn lên men metan: Giai đoạn này vi khuẩn metan hình thành dần và chuyển hóa các hợp chất đơn giản, tạo ra CO2 và CH4 và một số khí khác. Giai đoạn này nhạy cảm hơn giai đoạn chuyển tiếp. NRR tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD5/COD thấp. Quá trình lên men axit tạo NH3 thoát ra. Các ion như Fe3+, Na+, K+, SO42- và Cl- tiếp tục được tạo ra trong nhiều năm. Giai đoạn chín: Giai đoạn này tiếp tục phân hủy sinh học các chất hữu cơ thành khí metan và cacbonic. Tốc độ sinh khí giảm do phần lớn các chất dinh dưỡng đã bị khử ở các giai đoạn trước. Giai đoạn này NRR thường chứa axit humic và fulvic rất khó xử lý bằng phương pháp sinh học. Thành phần của NRR bao gồm hai nhóm chính [13]: Các chất hữu cơ: các chất hữu hòa tan, axit humic, axit fulvic, các axit béo, các hợp chất của tanin và các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo. Các chất vô cơ: là các hợp chất của nitơ, lưu huỳnh, photpho, các ion kim loại hòa tan. Các hợp chất khác có thể được tìm thấy trong NRR từ các BCL như: borat, sunfua, arsenat, selenat, bari, liti, thủy ngân và coban. Tuy nhiên, các 9 hợp chất này có nồng độ rất thấp. Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp và thời gian chôn lấp [12]. Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp CTR cao hơn rất nhiều so với BCL CTR lâu năm. Vì trong BCL lâu năm hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy bị phân hủy gần hết. Nước rác BCL mới, thường có pH thấp nhưng hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng rất cao. Trái ngược với BCL mới nước rác BCL lâu năm thường có pH cao (do quá trình metan hóa tăng lên) và hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng lại giảm vì hầu hết các kim loại chuyển sang trạng thái kết tủa khi pH tăng. Đặc biệt, nước rác BCL lâu năm chứa nhiều hợp chất cao phân tử nhiều hóa chất độc hại vừa gây màu tối vừa có mùi khó chịu rất khó phân hủy bằng phương pháp sinh học [12]. Thành phần của NRR trên thế giới Thành phần NRR trên thế giới được tổng hợp ở Bảng 1.1: Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp [14] Tuổi BCL Thông số Đơn vị Mới Trung bình Cũ (0 - 5 năm) (5 - 10 năm) (> 10 năm) pH - < 6,5 6,5 -7,5 > 7,5 COD mg/L > 10.000 4.000 - 10.000 < 4.000 BOD5/COD - 0,5 - 1,0 0,1 - 0,5 < 0,1 80% axit béo dễ bay hơi 5 - 30% axit béo dễ bay hơi + axit humic và axit fulvic Axit humic và axit fulvic < 400 - > 400 Hợp chất hữu cơ Amoni mg/L