TRẦN VIẾT TOÀN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN VIẾT TOÀN
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ
CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC
TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
LUẬN VĂN THẠC SỸ
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
2014 - 2017
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------
TRẦN VIẾT TOÀN
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ
CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC
TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS.TS Đặng Xuân Hiển
Hà Nội - 2017
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, động viên của các
thầy cô giáo, cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè.
Trƣớc tiên, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng
Xuân Hiển đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi tận tình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ môi
truờng - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và các Bộ môn trong Viện đã tạo mọi điều
kiện cho tôi học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn, các thầy, các cô, các anh, các chị và các bạn đồng
nghiệp trong Viện khoa học và Công nghệ môi trƣờng đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận
văn này.
Học viên
Trần Viết Toàn
1
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo Viện
công nghệ môi trƣờng - Trƣờng Đại Học Bách khoa Hà Nội. Trong suốt thời gian
học tập và nghiên cứu tại trƣờng, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
những tri thức quý báu giúp tác giả hoàn thành chƣơng trình đào tạo và Luận văn
thạc sỹ.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Xuân Hiển
trƣờng Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hƣớng dẫn trong suốt quá trình
nghiên cứu khoa học.
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ đƣợc thực hiện đúng hƣớng dẫn của
Trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội và thầy hƣớng dẫn PGS.TS. Đặng Xuân Hiển.
Trân trọng cảm ơn !.
Hải Phòng, ngày ... tháng 11 năm 2017
Ngƣời viết cam đoan
Trần Viết Toàn
2
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AAO
Anaerobic Anoxic Oxic (Aerobic) - Yếm khí Thiếu khi Hiếu khí
BOD
Biochemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh hoá
COD
Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hoá học
MBBR
Moving Bed Biofilm Reactor - Bể phản ứng có đệm sinh học chuyển động
UASB
Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể yếm khí dòng ngƣợc
TSS
Total Suspended Solid - Tổng chất rắn lơ lửng
SS
Suspended Solid - Chất rắn lơ lửng
TDS
Total Disolved Solid - Tổng chất rắn hoà tan
VSS
Vapor Suspended Solid - Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng bay hơi
DO
Disolved Oxygen - Nồng độ oxy hoà tan
TN
Tổng nitơ
TP
Tổng phôtpho
TKN
Tổng nitơ Kjeldahl
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
ASM1
Mô hình bùn hoạt tính số 1
AOPs
Quá trình oxi hóa nâng cao
ASM2
Mô hình bùn hoạt tính số 2
ASM2d
Mô hình bùn hoạt tính số 2 có khử nitrat của PAO
ASM3
Mô hình bùn hoạt tính số 3
3
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10
CHƢƠNG 1 ...................................................................................................................12
TỔNG QUAN................................................................................................................12
1.1. NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƢỚC RỈ RÁC .............12
1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc phát sinh ..................................................................12
1.1.2. Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp ..................................................13
1.1.3. Nguyên lý hình thành nƣớc rỉ rác ....................................................................16
1.1.4. Tính chất của nƣớc rỉ rác .......................................................................................17
1.2. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC .20
1.2.1. Tìm hiểu chung về mô hình và mô phỏng .......................................................20
1.2.2. Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trƣờng .....................................................21
CHƢƠNG 2 ...................................................................................................................26
QUÁ TRÌNH SINH HỌC, MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ THỰC TRẠNG XỬ LÝ
NƢỚC THẢI TẠI VIỆT NAM .....................................................................................26
2.1. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC ................................ 26
2.1.1.Một số chƣơng trình ứng dụng mô hình bùn hoạt tính trong xử lý nƣớc thải ..26
2.1.2. Cở lý thuyết của mô hình ứng dụng ................................................................ 28
2.1.3. Chƣơng trình mô phỏng Biowin .......................................................................39
2.2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC ĐÃ ĐƢỢC ÁP DỤNG ......45
2.2.1. Một số phƣơng pháp cơ bản sử dụng để xử lý nƣớc rỉ rác .............................. 45
2.2.2. Một số công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác đã đƣơc áp dụng tại Việt Nam ...............48
2.2.3. Một số công nghệ xử lý nƣớc rác đã đƣợc áp dụng ở trên Thế giới ...............54
CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................59
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ .................................59
PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƢỚC RỈ RÁC ...........59
3.1. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................... 59
3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................59
3.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu ......................................................................................59
3.1.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................59
4
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
3.1.4. Ứng dụng phần mềm Biowin để lựa chọn chế độ công nghệ ..........................65
3.2. LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ...................................................................70
3.2.1. Lựa chọn thông số nƣớc thải đầu vào .............................................................. 70
3.2.2. Lựa chọn chế độ cho công nghệ AAOAO-MBBR ..........................................71
KẾT LUẬN ...................................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 92
5
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn .............................................14
Bảng 1.2. Tính chất nƣớc rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam ..........................18
Bảng 1.3. Thành phần, tính chất của nƣớc rác cũ và mới tại bái chôn lấp ....................19
Bảng 1.4. Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay ............................................................. 24
Bảng 2.1. Ma trận tỷ lƣợng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d .....................31
Bảng 2.2. Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lƣợng của ASM2d
.......................................................................................................................................35
Bảng 2.3. Biểu thức động học của ASM2d, rj ≥ 0 ...................................................36
Bảng 2.2. Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin .................................40
Bảng 2.3. Các thông số mặc định của mô hình BioWin ..............................................42
Bảng 2.4. Giá trị các thông số BioWin .........................................................................44
Bảng 3.1. Thành phần, tính chất của nƣớc rác cũ và mới .............................................59
Bảng 3.2. Nồng độ các chất sau keo tụ..........................................................................61
Bảng 3.3. Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học ............................................62
Bảng 3.4. Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 2 .........................................63
Bảng 3.5. Nồng độ chất ô nhiễm của nƣớc rỉ rác mới sau xử lý hóa lý ........................71
Bảng 3.6. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi %VĐ ..................................................72
Bảng 3.7. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α1 .......................................................73
Bảng 3.8. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α2 .......................................................74
Bảng 3.9. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT1 .................................................75
Bảng 3.10. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT2 ...............................................76
Bảng 3.11. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT3 ...............................................77
Bảng 3.12. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT4 ...............................................78
Bảng 3.13. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT5 ...............................................79
Bảng 3.14. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO1 .................................................80
Bảng 3.15. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO2 .................................................81
Bảng 3.16. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO3 .................................................82
Bảng 3.17. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO4 .................................................83
Bảng 3.18. Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi T ......................................................84
6
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Bảng 3.19. Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ƣu của mô hình .......................88
Bảng 3.20. Kết quả nƣớc thải sau xử lý với các thông số tối ƣu của hệ thống .............89
7
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc rỉ rác ......................................16
Hình 1.2. Sơ đồ sự cân bằng nƣớc rỉ rác cho 1 m3 trong lớp rỉ rác .............................. 16
Hình 1.3. Mô tả hoạt động của mô hình ........................................................................22
Hình 2.1. Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí
vào pha lỏng ..................................................................................................................39
Hình 2.2. Công nghệ xử lý kết hợp: Yếm - hiếu khí và hồ sinh học ............................ 49
Hình 2.3. Công nghệ xử lý tại bãi Nam Sơn của Viện Cơ học ....................................50
Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ xử lí rác cũ của bãi Đông Thạnh ......................................51
Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ xử lí nƣớc rỉ rác tại bãi Đá Mài ........................................52
Hình 2.6. Công nghệ xử lí nƣớc rỉ rác tại bãi Nam Sơn của công ty SEEN ................52
Hình 2.7. Công nghệ xử lí nƣớc rỉ rác của Trung tâm ECO và Công ty CENTEMA tại
bãi Gò Cát .....................................................................................................................53
Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc rác tại Bãi chôn lấp Koumyoji – thành phố
Ichinomiya – Nhật Bản .................................................................................................55
Hình 2.9. Sơ đồ công nghệ xử lý nƣớc rác tại URM – Nova Scotia – Canada ............55
Hình 2.10. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 ...................................................56
Hình 2.11. Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 ..................................57
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ quá trình cơ - lý - hóa xử lý nƣớc rỉ rác ............................. 61
Hình 3.2. Sơ đồ mô hình công nghệ AAOAO-MBBR..................................................64
Hình 3.4. Chọn điều kiện nhiệt độ cho quá trình mô phỏng .........................................65
Hình 3.5. Nhập dữ liệu đối với nƣớc thải đầu vào mô hình ..........................................66
Hình 3.6. Điều chỉnh các thông số đặc trƣng của nƣớc thải đầu vào ............................ 66
Hình 3.7. Điều chỉnh thông số DO đối với các bể phản ứng ........................................67
Hình 3.8. Điều chỉnh kích thƣớc các bể phản ứng ........................................................67
Hình 3.9. Kết quả nƣớc thải đầu ra ................................................................................68
Hình 3.10. Kết quả bùn thải sau xử lý ...........................................................................69
Hình 3.11. Kiểm soát thông số vận hành của các bể phản ứng .....................................70
Hình 3.12. Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi %VĐ ..................................72
Hình 3.13. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α1 ...................................................73
8
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Hình 3.14. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α2 ...................................................74
Hình 3.15. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT1..............................................75
Hình 3.16. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT2..............................................76
Hình 3.17. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT3..............................................77
Hình 3.18. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT4..............................................78
Hình 3.19. Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT5..............................................79
Hình 3.20. Thay đổi nồng độ Nitrat, TN sau khi thay đổi DO1 ....................................80
Hình 3.21. Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO2 ........................................82
Hình 3.22. Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO4 ........................................83
9
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
MỞ ĐẦU
Nƣớc ta hiện đang trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, nền kinh tế
của đất nƣớc có những biến chuyển đáng kể, đời sống của ngƣời dân ngày càng đƣợc
nâng cao. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển kinh tế là sự khai thác thái quá dẫn đến
cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và sự phát sinh ngày càng nhiều chất thải. Đặc biệt ở
khu vực thành thị có nhiều loại chất thải trong đó có chất thải rắn sinh hoạt đã làm gia
tăng ô nhiễm môi trƣờng và tác động không nhỏ đến sức khỏe cộng đồng.
Không chỉ ở Việt Nam mà ở nhiều nƣớc trên thế giới vấn đề phát sinh và xử lý
chất thải rắn sinh hoạt đang rất đƣợc quan tâm. Khác với các nƣớc có nền kinh tế phát
triển, ở nƣớc ta chất thải sinh hoạt từ các đô thị, khu dân cƣ tập trung hầu nhƣ không
đƣợc phân loại tại nguồn và phần lớn đƣợc đem đi chôn lấp, chỉ một phần nhỏ đƣợc tái
chế thành phân vi sinh.
Chôn lấp là phƣơng pháp phổ biến và đơn giản, đƣợc áp dụng rộng rãi ở hầu hết
các nƣớc trên thế giới. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có nguy cơ gây ô nhiễm môi
trƣờng rất lớn, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nƣớc mặt, nƣớc ngầm do sự lan truyền các
chất độc hại thấm ra từ các bãi chôn lấp.
Nƣớc rỉ rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ vật liệu phủ, do phân huỷ các chất
hữu cơ cùng với nguồn nƣớc mƣa thấm ngấm. Một số bãi nằm trong vùng trũng có thể
có thêm lƣợng nƣớc ngầm thấm vào. Nƣớc rỉ rác chứa nhiều thành phần ô nhiễm hữu
cơ và vô cơ, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, .... Tuy nhiên, hàm lƣợng chất ô
nhiễm và khối lƣợng nƣớc rỉ rác biến động rất lớn theo đặc trƣng của rác thải, theo vị
trí địa lý, tính chất thổ nhƣỡng của bãi chôn lấp, theo thời tiết, khí hậu, ....
Sự đa dạng về thành phần và sự dao động lớn về nồng độ gây khó khăn không
nhỏ cho quá trình xử lý nƣớc rỉ rác dẫn tới nhiều hệ thống xử lý đã xây dựng hoạt động
kém hiệu quả hoặc không vận hành đƣợc. Một trong những nguyên nhân làm cho hệ
thống xử lý nƣớc rỉ rác hoạt động kém hiệu quả là quy trình vậy hành phức tạp và đặc
biệt là kinh phí để duy trì hoạt động của hệ thống cao.
Vì vậy, xử lý nƣớc rỉ rác là một trong những vấn đề hết sức quan trọng và cấp
bách hiện nay tại các đô thị; quan trọng hơn nữa là phải tìm ra một quy trình công
nghệ xử lý đơn giản hơn và kinh phí để duy trì hoạt động của hệ thống ít tốn kém hơn.
10
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Xuất phát từ nhu cầu và hiện trạng công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác hiện nay, luận
văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình
sinh học ứng dụng trong xử lý nƣớc rỉ rác” nhằm mục đích tìm hƣớng đi mới trong
nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác, góp phần hoàn thiện công nghệ, xây dựng đƣợc công
nghệ xử lý có hiệu quả cao, tiết kiệm năng lƣợng, vận hành đơn giản và dễ dàng áp
dụng trong điều kiện thực tế ở nƣớc ta hiện nay.
Hƣớng nghiên cứu khả thi sẽ mang lại hiệu quả trong công nghệ xử lý nƣớc rỉ
rác với giá thành rẻ.
Nghiên cứu khả thi sẽ áp dụng xử lý cho các loại nƣớc thải có thành phần tƣơng
tự nhƣ nƣớc thải đô thị.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phần mềm BioWin để nghiên cứu ứng dụng
mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp cho quá trình xử lý nƣớc rỉ rác bằng
phƣơng pháp sinh học.
Nội dung đề tài gồm có 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình ứng dụng
Chƣơng 3: Ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy
trình sinh học trong xử lý nƣớc rỉ rác
11
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƢỚC RỈ RÁC
1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc phát sinh
a) Khái niệm
Có thể định nghĩa nƣớc rỉ rác là chất lỏng hình thành trong quá trình chôn lấp
chất thải rắn. Nƣớc rác có nguồn gốc từ rác đem chôn lấp, từ quá trình phân huỷ, từ
nƣớc mƣa, từ nƣớc mặt hoặc nƣớc ngầm thấm ngấm.
b) Nguồn gốc phát sinh
Nƣớc rỉ rác phát sinh chủ yếu từ một số nguồn chính nhƣ sau:
Nƣớc có trong rác chôn lấp và quá trình phân hủy rác:
Lƣợng nƣớc này phụ thuộc vào hàm ẩm có trong vật liệu mang chôn lấp và các
quá trình phân hủy rác xẩy ra trong bãi chôn lấp. Thông thƣờng ở điều kiện Việt Nam,
rác thải sinh hoạt thƣờng có hàm ẩm khoảng 60 - 70%. Đây là lƣợng nƣớc cơ bản để
hình thành các phản ứng xẩy ra trong bãi chôn lấp gây phát sinh nƣớc rỉ rác.
Nƣớc mƣa:
Nƣớc mƣa là nhân tố rất quan trọng trong việc hình thành nƣớc rỉ rác. Hầu hết
các bãi chôn lấp có diện tích rất lớn từ 5ha - 50 ha nên lƣợng nƣớc mƣa đi vào bãi
chôn lấp cũng rất lớn. Tùy theo thời tiết, khí hậu từng mùa, lƣợng nƣớc mƣa ảnh
hƣởng trực tiếp đến khối lƣợng nƣớc rỉ rác phát sinh và làm thay đổi lớn về đặc tính
của nƣớc rỉ rác.
Nƣớc mặt, nƣớc ngầm:
Nƣớc mặt và nƣớc ngầm có thể đi vào bãi chôn lấp làm tăng khối lƣợng nƣớc rỉ
rác chủ yếu là do các bãi chôn lấp đƣợc thiết kế gần các nguồn nƣớc mặt, nƣớc ngầm
không đƣợc gia cố đúng kỹ thuật. Khi mƣa lũ, nƣớc có thể thấm ngấm, tràn vào bãi
chôn lấp. Tuy nhiên, yếu tố này hiện này chỉ xẩy ra với các bãi chôn lấp nhỏ và đƣợc
thiết kế không theo quy chuẩn. Hiện nay, hầu hết các bãi chôn lấp đều đƣợc thiết kế
theo quy chuẩn.
Nƣớc có trong vật liệu phủ:
Nƣớc chứa trong vật liệu phủ phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc loại vật liệu
12
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
phủ và vào thời tiết khí hậu. Khi đóng bãi, bên cạnh sử dụng đất tại hiện trƣờng, rác
thải xây dựng làm vật liệu phủ thì hiện nay ngƣời ta còn dùng đến HDPE (tấm phủ
bằng chất dẻo). Tuy nhiên, lƣợng nƣớc này không lớn và chỉ phát sinh trong một thời
điểm mới phủ.
1.1.2. Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp
Giai đoạn đầu khi trong khối rác mới chôn lấp có oxy nên quá trình phân giải
hiếu khí các hợp chất hữu cơ nhƣ sau [6]:
- Oxy hóa không hoàn toàn:
CaHbOcNd + mO2 → nCwHxOyNz +sCO2 + rH2O + (d-nz)NH3 + sinh khối + W
- Oxy hóa hoàn toàn:
CaHbOcNd +
(4a b 2c 3d )
(4 a b c 3d )
O2 → aCO2 +
H2O + dNH3+ SK + Q
8
4
Trong đó: CaHbOcNd là công thức hóa học tổng quan của chất hữu cơ có trong
thành phần rác thải.
Khi lƣợng oxy ở trong khối rác đƣợc sử dụng hết thì quá trình phân hủy sinh
học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí theo phản ứng:
Chất hữu cơ + H2O + Vi sinh vật → Sinh khối mới + Chất hữu cơ còn lại +
CO2 + H2S + NH3 + CH4 +Q
Theo các công trình đã nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy quá trình phân
hủy các chất hữu cơ, COD, BOD, TOC cũng nhƣ các chất vô cơ (AOX, SO42-, Ca, Fe,
Mn, Zn) ...đƣợc chuyển hóa theo nhiều giai đoạn.
Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể đƣợc chia thành 5 giai
đoạn chính:
- Phân hủy sinh học hiếu khí.
- Phân hủy sinh học yếm khí tạo axit.
- Phân hủy sinh học yếm khí trung gian.
- Phân hủy sinh học yếm khí tạo mêtan.
- Giai đoạn tạo humus.
13
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Bảng 1.1. Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn [6]
Giai đoạn
Thời gian
Giai đoạn 1
Tính bằng giờ cho đến tuần
Giai đoạn 2
1 - 6 tháng
Giai đoạn 3
3 tháng - 3 năm
Giai đoạn 4
8 - 40 năm
Giai đoạn 5
Tối thiểu 40 năm
Tổng
Tối thiểu 80 năm
a) Giai đoạn I: Phân hủy sinh học hiếu khí
Giai đoạn này có thời gian ngắn nhƣng quá trình phân hủy xẩy ra rất mạnh, đến
khi hàm lƣợng oxy trong khối rác cạn kiệt. Trong giai đoạn này các VSV hiếu khí và
tùy tiện có trong rác sẽ sinh trƣởng phát triển và chuyển hóa các chất hữu cơ: Protein,
Lipit, gluxit… thành các sản phẩm phân tử lƣợng nhỏ hơn nhƣ: Aminoaxit, đƣờng,
glyxerin, axit béo… sau đó oxy hóa một phần các sản phẩm này thành CO 2, H2O….
Kết quả là nhiệt độ khối rác có thể lên tới 60 - 70ºC.
Các sản phẩm thủy phân và chuyển hóa khuyếch tán vào nƣớc làm cho hàm
lƣợng các chất hòa tan trong nƣớc rỉ rác rất cao:
- COD: 40.000 - 70.000 mg/l.
- Tỉ lệ BOD/COD :0,5 - 0,7.
- Độ màu từ 8.100 - 9.500 Pt-Co.
- Độ kiềm, NH3 và H2S rất cao.
b) Giai đoạn II: Phân hủy yếm khí tạo axit
Giai đoạn này do oxy trong khối rác đã cạn kiệt, các vi khuẩn yếm khí và tùy
tiện phân hủy các hợp chất hữu cơ đơn giản nhƣ: đƣờng, amino axit, xit béo, … thành
các axit hữu cơ, các chất trung tính nhƣ rƣợu, axeton... làm cho pH của nƣớc rác giảm
đáng kể, nhiệt độ của khối rác cũng giảm.
Nƣớc rỉ rác trong giai đoạn này có giá trị COD khá cao (>10.000 mg/l) và có
thể lên tới 70.000 mg/l, tỉ lệ BOD/COD > 0,7, hàm lƣợng NH3 500 - 1.000 mg/l và có
thể thấp hơn, pH trong khoảng từ 5 - 6 [18].
Giá trị pH thấp dẫn đến khả năng hòa tan kim loại nặng tăng làm cho hàm
14
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
lƣợng kim loại nặng trong nƣớc rỉ rác giai đoạn này đạt cao nhất: Ca 2+ có thể lên tới
2.500 mg/l; Fe 20 - 2.100 mg/l; Cr3+ 0,03 - 1,60 mg/l; Ni 0,02 - 2,05 mg/l; Zn 0,1 120,0 mg/l,.
c) Giai đoạn III: Phân hủy yếm khí trung gian
Khi các axit hữu cơ bị khử, pH tăng dần các vi khuẩn metan hóa hoạt động
mạnh lên. Hàm lƣợng CH4 tăng dần, trong khi đó các khí H2, CO2, các axit béo, đặc
biệt các axit béo và các hợp chất cacbon phân tử lƣợng lớn bay hơi giảm làm cho độ
axit cũng giảm đáng kể. Độ pH tăng làm cho các kim ion loại nhƣ: Ca, Mn, Fe và các
kim loại nặng ít hòa tan hơn.
Nƣớc rác giai đoạn này có COD còn cao: (COD = 700 - 28.000 mg/l), BOD5 đã
giảm đáng kể (BOD5 = 200 - 10.000 mg/l), do đó tƣơng tác cũng biến động không có
lợi cho xử lí sinh học (BOD/COD = 0,2 - 0,5 …) [6].
d) Giai đoạn IV: Phân hủy yếm khí tạo mêtan
Trong giai đoạn này hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ phân tử lƣợng nhỏ, đặc
biệt là các axit hữu cơ bị khử làm cho pH giảm mạnh, pH đạt trong khoảng 6-8, đây là
điều kiện tối ƣu cho VK mêtan phát triển và hoạt động.
Đặc trƣng cho giai đoạn này là lƣợng biogas tạo thành lớn, tỷ lệ CH4 cao chiếm
tới 60 - 70%.
Nƣớc rỉ rác trong giai đoạn này đƣợc đặc trƣng bởi hàm lƣợng BOD5 rất thấp,
đồng nghĩa với tỉ lệ BOD/COD nhỏ (< 0,2) [22].
Cuối giai đoạn mêtan hóa tỉ lệ giữa các chất khó phân hủy nhƣ Xenlulo, lignin,
humic,…với BOD5 tăng đáng kể. Quá trình phân hủy chậm lại rõ rệt dẫn đến lƣợng
CH4 tạo thành giảm. Quá trình chuyển hóa bƣớc sang giai đoạn “tạo mùn (humus)”.
e) Giai đoạn V: Tạo humus
Ở giai đoạn này các chất hữu cơ chậm chuyển hóa nhƣ; Lignoxenlulo, lignin…
đƣợc chuyển hóa thành axit humic, humics và các dẫn xuất của chúng với cấu trúc đa
vòng, phân tử lƣợng lớn, khó hòa tan và rất khó phân hủy.
15
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
COd
mg/l
axit béo.
vft(volat, fat, acid)
pH
nh4
NH4+
COD
n¨m
I
II
III
V
IV
Hình 1.1. Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc rỉ rác [20]
1.1.3. Nguyên lý hình thành nƣớc rỉ rác
Quá trình hình thành nƣớc rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: bản chất của
rác, các điều kiện về khí hậu thời tiết, lƣợng mƣa… nhƣng đặc biệt quan trọng là quá
trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong rác. Để tính toán đƣợc lƣợng nƣớc rỉ rác
phát sinh cần thiết lập cân bằng nƣớc cho một khối rác.
1 WA
7
2 WTS
3
WSW
4
WSH
wCM
WSW1
5 WLG
8 WE
6
WB(L)
Hình 1.2. Sơ đồ sự cân bằng nƣớc rỉ rác cho 1 m3 trong lớp rỉ rác [6]
Trong quá trình tính toán, ta chỉ xét với bãi rác chôn lấp hợp vệ sinh do đó bỏ
qua lƣợng nƣớc mặt tràn qua thành và đáy bãi vào bãi chôn lấp,
16
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
Phƣơng trình cân bằng nƣớc có thể biểu diễn nhƣ sau [6]:
ΔSSW = WA + WTS + WSw + WSh + WCM - WSw1 -WLG – WE - WB(L)
Trong đó:
ΔSSW: Lƣợng nƣớc phát sinh ở bãi chôn lấp (kg/m3)
WA: Lƣợng nƣớc thấm từ phía trên (kg/m3)
WTS: Độ ẩm của vật liệu phủ bề mặt (kg/m3)
WSw, WSw1: Độ ẩm ban đầu của rác thải và hàm ẩm sau nén (kg/m3)
WSH: Nƣớc hình thành từ phản ứng sinh hóa (kg/m3)
WCM: Độ ẩm ban đầu vật liệu phủ trung gian và phụ liệu (kg/m3)
WLG: Lƣợng nƣớc tiêu thụ trong quá trình hình thành khí bãi rác (kg/m3)
WE: Lƣợng nƣớc thất thoát do quá trình hơi hóa bề mặt (kg/m3)
WB(L): Lƣợng nƣớc thấm ngấm đáy bãi (kg/m3)
Từ phƣơng trình cân bằng nƣớc, các số liệu về lƣợng mƣa, độ bốc hơi, hệ số
giữ nƣớc của rác sau khi nén trong bãi rác, lƣợng nƣớc rỉ rác có thể đƣợc tính theo mô
hình vận chuyển một chiều của rò rỉ xuyên qua rác nén và đất bao phủ theo phƣơng
trình sau:
Q M (W1 W2 ) [ P(1 R) E ]* A
Trong đó:
Q: Khối lƣợng nƣớc rác theo tính toán (m3/ngày.đêm)
M: Khối lƣợng rác chôn lấp trung bình mỗi ngày (tấn/ngày)
W2: Độ ẩm rác thải sau khi nén (%), thông thƣờng từ 25 ÷ 50% đối với rác thải
sau khi nén có tỉ trọng từ 0,7 ÷ 1 tấn/m3
W1: Độ ẩm rác thải trƣớc khi nén (%), 65 ÷ 69%
P: Lƣợng mƣa ngày trong tháng lớn nhất, m/ngày.
R: Hệ số thoát nƣớc bề mặt, R = 0,17.
E: Lƣợng nƣớc bốc hơi, E = 5 mm/ngày = 0,005 m/ngày.
A: Diện tích ô chôn lấp, m2.
1.1.4. Tính chất của nƣớc rỉ rác
Tính chất của nƣớc rỉ rác phụ thuộc nhiều vào thành phần của rác mang chôn
lấp, điều kiện khí hậu thời tiết, thời gian chôn lấp cũng nhƣ công nghệ và quy trình vận
17
Luận văn thạc sỹ
Trần Viết Toàn
hành... Chính vì vậy, mỗi quốc gia, địa phƣơng khác nhau đều có những đặc điểm
khác nhau nên tính chất nƣớc rỉ rác ở mỗi bãi chôn lấp cũng khác nhau.
Tính chất của nƣớc rỉ rác khác với các loại nƣớc thải khác về cả tính chất lýhóa - sinh học, nƣớc rỉ rác có hàm lƣợng chất ô nhiễm cao đến rất cao và giảm dần
theo thời gian chôn lấp. Hơn nữa nƣớc rỉ rác có sự biến động rất lớn về thành phần
chất ô nhiễm cũng nhƣ lƣợng nƣớc. Một số thông số đặc trƣng của nƣớc rỉ rác có hàm
lƣợng lớn nhƣ BOD5, COD, ∑N, ∑P, các ion kim loại, độ màu và mùi.
Theo các báo cáo của Trung tâm quan trắc Thành phố Hồ Chí Minh tại hai bãi
rác miền Nam là Gò cát và Đông Thạnh đi vào hoạt động năm 2002 cho thấy: Hàm
lƣợng các chất ô nhiễm tại hai bãi chôn lấp này là rất cao, hàm lƣợng COD thấp nhất
là 38.533 mg/l tại bãi Đông Thạnh và cao nhất là 65.333 mg/l tại bãi Gò Cát. Ngoài ra,
các thành phần khác nhƣ hàm lƣợng nitơ, kim loại nặng.. cũng cho giá trị rất cao.
Hai bãi rác tại miền Bắc đƣợc khảo sát đó là bãi rác Đá Mài - Thái Nguyên và
bãi rác Nam Sơn - Hà Nội; kết quả khảo sát của Sở Tài nguyên và Môi trƣờng hai
thành phố này cho thấy; hàm lƣợng các chất ô nhiễm tại bãi rác Đá Mài có mức độ ô
nhiễm thấp hơn bãi rác Nam Sơn. Hàm lƣợng COD của bãi rác Đá Mài biến động từ
1.245 - 3.900mg/l thấp hơn bãi rác Nam Sơn rất nhiều COD = 1.000 - 42.000mg/l. Tuy
nhiên, hàm lƣợng chất ô nhiễm của hai bãi rác này thấp hơn rất nhiều so với hai bãi rác
tại miền Nam.
Bảng 1.2. Tính chất nƣớc rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam
Thành phần
mg/l
Bãi rác Đá Mài
Bãi rác Nam
Bãi rác Gò
Bãi rác Đông
Sơn
Cát
Thạnh
33.571-56.250
BOD5
270-450
300-15.000
30.000-48.000
TOC
-
500-15.000
18.700-31.900
COD
1.245-3.900
1.000-4.2000
39.614-59.750
38.533-65.333
SS
120-350
200-1.000
1760-4311
1.280-3.270
Org-N
120-212
10-600
336-678
196-47
N-NH3
173
10-800
297-790
1.445-1.764
N-NO3
-
5-40
5,0-8,5
2,5-2,9
Photphate tổng
-
1-70
55,8-89,6
14,9-21,5
18
- Xem thêm -
.PDF 
95 
2 
100 
