Tài liệu Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== KHIẾU THỊ NGỌC MAI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC NHÔM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Công nghệ Môi trường Người hướng dẫn khoa học ThS. LÊ CAO KHẢI HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em rất nhiều kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực hóa học, đặc biệt là Hóa học Môi trường và cùng đó tạo điều kiện giúp em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS. Lê Cao Khải cùng thầy giáo TS. Lê Thanh Sơn, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này kịp tiến độ. Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp thu được thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả. Xin cảm ơn các anh chị trong Phòng Công nghệ Hoá lý Môi trường thuộc Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam – số 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp vừa qua để sẵn sàng mọi kiến thức hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Cuối cùng em xin được bày tỏ lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt là những người bạn làm nghiên cứu cùng em trong học kỳ này, đã cùng nhau trao đổi kiến thức và giúp đỡ lẫn nhau trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Do còn hạn chế về trình độ và kinh nghiệm thực tế, nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của thầy cô và bạn bè để khóa luận của em được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 26 tháng 5 năm 2017 Khiếu Thị Ngọc Mai DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BOD5 Nhu cầu oxy sinh học BCL Bãi chôn lấp COD Nhu cầu oxy hóa học DO Lượng oxy hòa tan trong nước FC Độ ẩm UV Tia tử ngoại PAC Poly Aluminium Choloride TKN Nitơ tổng VFA Nồng độ các axit béo dễ bay hơi TDS Tổng chất rắn hòa tan TOC Tổng cacbon hữu cơ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn .................................. 5 Bảng 1.2. Thành phần và tính chất nước rỉ rác của các bãi chôn lấp mới và lâu năm .................................................................................................................... 6 Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ .................................... 8 Bảng 2.1. Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau ......................................................................................................... 40 Bảng 2.2. Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau ......................................................................................................... 44 Bảng 2.3. Kết quả đo độ hấp thụ quang cho các dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau ......................................................................................................... 48 Bảng 3.1. Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các cường độ dòng điện khác nhau (mg/l) .............................................................. 50 Bảng 3.2. Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các cường độ dòng điện khác nhau (mg/l) .............................................................. 52 Bảng 3.3. Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các khoảng cách điện cực khác nhau (mg/l) ............................................................ 53 Bảng 3.4. Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các khoảng cách điện cực khác nhau (mg/l) ............................................................ 54 Bảng 3.5. Nồng độ NO3- của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện pH khác nhau (mg/l) ......................................................................... 57 Bảng 3.6. Nồng độ NH4+ của nước rỉ rác trong quá trình keo tụ điện hóa ở các điều kiện pH khác nhau (mg/l) ......................................................................... 59 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Chu trình Nitơ trong tự nhiên ............................................................ 14 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể SBR................................................... 20 Hình 1.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO ...................................................... 21 Hình 1.4. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ ..................................... 24 Hình 2.1. Máy khuấy từ gia nhiệt (AHYQ, model 85-2, Trung Quốc) .............. 32 Hình 2.2. Nguồn một chiều (DC REULATED POWER SUPPLY - QJ3020S – 0 ~ 30V 20A) ...................................................................................................... 33 Hình 2.3. Kẹp điện cực ..................................................................................... 33 Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế bể keo tụ điện hóa ...................................................... 34 Hình 2.5. Hệ thống thí nghiệm bể keo tụ điện hóa ............................................ 35 Hình 2.6. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO2- bằng đo quang ......................................................................................................................... 40 Hình 2.7. Thí nghiệm đun cách thủy mẫu ......................................................... 43 Hình 2.8. Mẫu được chuyển sang bình định mức 25 ml .................................... 43 Hình 2.9. Hình ảnh Cuvet và máy trắc quang ................................................... 44 Hình 2.10. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO3- bằng đo quang. .............................................................................................................. 45 Hình 2.11. Màu của amoni sau 60 phút. ........................................................... 47 Hình 2.12. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NH4+ bằng đo quang ............................................................................................................... 48 Hình 3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NO3- .......... 50 Hình 3.2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NH4+.......... 52 Hình 3.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NO3- ....... 54 Hình 3.4. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NH4+ ....... 55 Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NO3- .................................... 58 Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NH4+ .................................... 60 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác ........................................................................... 3 1.1.1. Sự hình thành nước rỉ rác.......................................................................... 3 1.1.2. Đặc điểm nước rỉ rác ................................................................................ 4 1.1.2.1. Thành phần và tính chất nước rỉ rác ............................................. 4 1.1.2.2. Các yếu tổ ảnh hưởng đến thành phần tính chất nước rỉ rác ......... 7 1.1.3. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước ........... 11 1.2. Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác..................................... 13 1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước rỉ rác ........................................... 13 1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác ........................ 17 1.2.3. Tác hại của Nitơ trong nước rỉ rác .......................................................... 18 1.2.3.1. Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng............................. 18 1.2.3.2. Tác hại ô nhiễm Nitơ đối với môi trường ................................... 19 1.2.4. Một số công nghệ xử lý Nitơ trong nước rỉ rác ...................................... 19 1.2.4.1. Aeroten hoạt động theo mẻ (SBR) ............................................. 19 1.2.4.2. Bể AO (Anoxic-Oxic) ................................................................ 21 1.3. Tổng quan về công nghệ keo tụ điện hóa ................................................. 22 1.3.1. Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa............................................. 22 1.3.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa ........................ 23 1.3.2.1. Cấu tạo....................................................................................... 24 1.3.2.2. Nguyên tắc hoạt động ................................................................ 24 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa . 26 1.3.4. Ưu, nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa ................................. 27 1.3.5. Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường ............................ 28 1.3.5.1. Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở trong nước . 28 1.3.5.2. Ứng dụng keo tụ điện hóa để xử lý nước ô nhiễm ở ngoài nước . 29 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN................... 32 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ................................................. 32 2.2. Hệ thí nghiệm keo tụ điện hóa ................................................................. 32 2.2.1. Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm .................................................................... 32 2.2.2. Tiến hành thí nghiệm .............................................................................. 36 2.3. Các nội dung nghiên cứu ......................................................................... 36 2.3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian .................................... 37 2.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực ...................................... 37 2.3.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................. 37 2.4. Phương pháp phân tích chỉ tiêu Nitơ trong mẫu thu được sau khi xử lý bằng công nghệ keo tụ điện hóa...................................................................... 38 2.4.1. Xác định Nitrit ........................................................................................ 38 2.4.1.1. Phương pháp xác định Nitrit ...................................................... 38 2.4.1.2. Cách tiến hành ........................................................................... 39 2.4.1.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 39 2.4.2. Xác định Nitrat ....................................................................................... 40 2.4.2.1. Phương pháp xác định Nitrat. ..................................................... 40 2.4.2.2. Cách tiến hành ........................................................................... 41 2.4.2.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 44 2.4.3. Xác định Amoni ..................................................................................... 45 2.4.3.1.Phương pháp xác định................................................................. 45 2.4.3.2. Cách tiến hành ........................................................................... 46 2.4.3.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 47 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 49 3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý Nitơ ......................................................................................................... 49 3.1.1. Hiệu suất xử lý NO3- ............................................................................... 49 3.1.2. Hiệu suất xử lý NH4+ .............................................................................. 52 3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến quá trình xử lí Nitơ ............. 53 3.2.1. Hiệu suất xử lý NO3- ............................................................................... 53 3.2.2. Hiệu suất xử lý NH4+ .............................................................................. 54 3.3. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng xử lý Nitơ .......................... 56 3.3.1. Hiệu suất xử lý NO3- ............................................................................... 57 3.3.2. Hiệu suất xử lý NH4+ .............................................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 63 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Xã hội ngày càng phát triển nhờ những tiến bộ của khoa học kĩ thuật, cuộc sống của con người được trợ giúp nhiều hơn nhờ các loại máy móc tân tiến. Tuy nhiên, kéo theo đó là một số hệ lụy mà chúng ta không thể coi thường. Và một trong số đó là vấn đề rác thải. Vấn đề rác thải hiện nay đang là một nguy cơ nghiêm trọng đối với con người, không có quốc gia nào tránh khỏi việc buộc phải đối mặt với nguy cơ này, nhất là các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam. Hiện nay, lượng rác thải phát sinh, thải ra môi trường ngày một tăng nhanh về số lượng. Đặc biệt, hầu hết nước rỉ rác đều phát thải trực tiếp vào môi trường, khuếch tán mầm bệnh gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con người. Nó bốc mùi hôi nặng nề lan tỏa nhiều kilomet, có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Và ô nhiễm gây bởi nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp tập trung trở thành vấn đề nóng hàng chục năm nay. Nước rỉ rác sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển rất độc hại, chứa nhiều chất ô nhiễm như khí Nitơ, Amoniac, kim loại nặng, các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh, BOD, COD hàm lượng cao… có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nếu thấm vào đất, sẽ gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước ngầm và đất, nếu chảy vào kênh, nó sẽ hủy hoại môi trường thủy sinh ở khu vực đó… Hàm lượng Nitơ cao là chất dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong, rêu, tảo,… gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) trong nước. NH3 cao còn độc đối với thủy sinh. Vì vậy, xử lý Nitơ trong nước rỉ rác là vấn đề cần quan tâm. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp xử lý và các công trình xử lý nước rỉ rác nhưng việc ứng dụng vào thực tế còn rất hạn chế. 1 Xuất phát từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, đặc biệt là môi trường nước bước đầu em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm”. Mục đích nghiên cứu - Nắm bắt được công nghệ keo tụ điện hóa xử lí nước rỉ rác. - Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian lưu nước, ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực, ảnh hưởng của pH đến quá trình xử lý Nitơ trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa điệc cực Nhôm, từ đó lựa chọn được điều kiện tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội. - Phạm vi thực hiện: Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm phòng Công nghệ Hóa lý môi trường – Viện công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác 1.1.1. Sự hình thành nước rỉ rác Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải bởi quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp. Do được sinh ra từ rác thải, loại nước thải này rất độc hạị, chứa nhiều chất ô nhiễm như khí Nitơ, amoniac, kim loại nặng, các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh, BOD, COD hàm lượng cao… có khả năng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước rỉ rác là loại nước thường bị ô nhiễm nặng bởi các chất nguy hại nên thành phần hóa học của nước rỉ rác cũng rất khác nhau và phụ thuộc vào thành phần rác đem chôn cũng như thời gian chôn lấp. Các nguồn chính tạo ra nước rò rỉ bao gồm quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ, sản phẩm là nước và trở thành nước rác, nước từ phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép. Việc mất đi của nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi theo khí và nước thoát ra từ đáy bãi chôn lấp (nước rò rỉ). Lượng nước rác sinh ra phụ thuộc vào: - Điều kiện khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất của bãi rác, nhất là khí hậu, lượng mưa ảnh hưởng đáng kể đến nước rác sinh ra - Khu vực chôn lấp - Độ ẩm chất thải chôn lấp - Kĩ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt. * Phân loại nước rỉ rác Theo đặc điểm và tính chất, nước rác được phân làm 2 loại: - Nước rác tươi, nước rác khi không có mưa - Nước rác khi có nước mưa: mưa thấm qua bãi rác và hòa lẫn nước rác 3 Theo đặc điểm hoạt động của bãi chôn lấp: - Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ, đã đóng cửa hoặc ngừng hoạt động, thành phần, tính chất của loại nước rác này phụ thuộc vào thời gian đã đóng bãi, mức độ phân hủy các thành phần hữu cơ trong bãi rác. - Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp đang hoạt động hoặc ngừng vận hành. 1.1.2. Đặc điểm nước rỉ rác 1.1.2.1. Thành phần và tính chất nước rỉ rác Hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm, chất thải rắn đã được ổn định do các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã được phân hủy hầu như hoàn toàn, các chất vô cơ đã bị cuốn trôi đi. Trong bãi chôn lấp mới, thông thường pH thấp, các thành phần như BOD5, COD, chất dinh dưỡng kim loại nặng, TDS có hàm lượng 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 dưỡng (nitơ, photpho) thấp hơn. Hàm lượng kim loại nặng giảm vì pH tăng thì hầu hết các kim loại ở trạng thái kém hòa tan [1]. Khả năng phân hủy của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian. Khả năng phân hủy sinh học có thể xét thông qua tỉ lệ BOD 5/COD trong khoảng 0,4 – 0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nước rác dễ phân hủy sinh học. Trong các bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm, tỉ lệ BOD 5/COD rất thấp, khoảng 0,005 – 0,2. Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều axit Humic và axit Fulvic khó phân hủy sinh học [1,7]. Chất lượng nước rỉ rác có sự thay đổi lớn và liên quan trực tiếp đến sự thay đổi lượng mưa, thành phần chất thải rắn, tuổi bãi chôn lấp và mùa. Các chất ô nhiễm chính trong nước rỉ rác và tuổi bãi chôn lấp được tổng hợp từ 4 nguồn [7,16] và được thể hiện ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn Tuổi bãi chôn lấp Thông số Đơn vị Trung bình (5 – 10 Mới (0 – 5 năm) BCL năm) BCL BCL BCL BCL BCL Barjinder Tatyana Barjinder 6,5-7,5 6,5-7,5 >7,5 > 7,5 3.000- 40.000- 5.000 10.000 <5000 <4000 Tatyana Barjinder Tatyana pH - COD mg/l BOD5/CO < 6,5 >20.00 0 Cũ ( > 10 năm) 6,5 <10.000 Axit béo dễ bay hơi - > 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) D - - - - > 60 Chủ yếu - - - - - <2 Thấp <2 Thấp - Thấp Hợp chất humic và fulvic Tổng Nitơ Tổng kim loại mg/l 100 – 2.000 Thấp đến mg/l 2 trung bình Khả năng phân hủy - - Chủ yếu sinh học - Trung bình Ghi chú (-): không đánh giá Như vậy, thành phần nước rỉ rác khác nhau theo tuổi bãi chôn lấp. Các 5 bãi chôn lấp có tuổi 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 phân hủy sinh học, pH thấp hơn 6,5. Tuổi bãi chôn lấp càng cao thì pH càng tăng và nồng độ các chất ô nhiễm càng giảm nhưng lại khó phân hủy sinh học vì chứa chủ yếu các hợp chất hữu cơ bền vững. Thành phần và tính chất nước rò rỉ còn phụ thuộc vào các phản ứng lý, hóa, sinh xảy ra trong bãi chôn lấp. Các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi chôn lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ từ chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được chia thành các nhóm chủ yếu sau: - Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 - 20°C - Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 - 40°C - Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 - 70°C Bảng 1.2. Thành phần và tính chất nước rỉ rác của các bãi chôn lấp mới và lâu năm Giá trị, mg/l Thành phần Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm (>10 Khoảng Trung bình năm) BOD5 2.000 – 55.000 10.000 100 – 200 TOC 1.500 – 20.000 6.000 80 – 160 COD 3.000 – 90.000 18.000 100 – 500 Chất rắn hòa tan 10.000 – 55.000 10.000 1.200 200 – 2.000 500 100 – 400 10 – 800 200 80 – 120 Tổng chất rắn lơ lửng Nitơ hữu cơ 6 Giá trị, mg/l Thành phần Bãi mới (< 2 năm) Bãi lâu năm (>10 Khoảng Trung bình năm) Amoniac 10 – 800 200 20 – 40 Nitrat 5 – 40 25 5 – 10 5 – 100 30 5 – 10 4 – 80 20 4–8 1.000 – 20.900 3.000 200 – 1000 4,5 – 7,5 6 6,6 – 9 300 – 25.000 3.500 200 – 500 Canxi 50 – 7.200 1.000 100 – 400 Magie 50 – 1.500 250 50 – 200 Clorua 200 – 5.000 500 100 – 400 Sunphat 50 – 1.825 300 20 – 50 Tổng sắt 50 – 5.000 60 20 – 200 Tổng lượng phốt pho Othophotpho Độ kiềm theo CaCO3 pH Độ cứng theo CaCO3 Nguồn: Tchobanoglouset và cộng sự 1993 [12] 1.1.2.2. Các yếu tổ ảnh hưởng đến thành phần tính chất nước rỉ rác Rác được chôn trong bãi chôn lấp chịu hàng loạt các biến đổi lý, hóa, sinh cùng lúc xảy ra. Thành phần chất ô nhiễm trong nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chôn lấp, chiều sâu bãi chôn lấp,… ta sẽ lần lượt xét qua các yếu tố chính ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rỉ rác. * Thời gian chôn lấp Tính chất nước rò rỉ thay đổi theo thời gian chôn lấp. Nhiều nghiên cứu 7 cho thấy rằng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rò rỉ là một hàm theo thời gian. Theo thời gian nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rác giảm dần. Thành phần của nước rò rỉ thay đổi tùy thuộc vào các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học đang diễn ra. Sau giai đoạn hiếu khí ngắn (một vài tuần hoặc kéo dài đến vài tháng), thì giai đoạn phân hủy yếm khí tạo ra axit xảy ra và cuối cùng là quá trình tạo ra khí Metan. Trong giai đoạn axit, các hợp chất đơn giản được hình thành như các axit dễ bay hơi, Amino Axit và một phần Fulvic với nồng độ nhỏ. Khi rác được chôn càng lâu, quá trình metan hóa xảy ra. Khi đó chất thải rắn trong bãi chôn lấp được ổn định dần, nồng độ ô nhiễm cũng giảm dần theo thời gian. Giai đoạn tạo thành khí Metan có thể kéo dài đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa. Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ Nước rỉ rác mới Nước rỉ rác cũ Nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp cao pH nghiêng về tính axit pH trung tính hoặc kiềm BOD cao BOD thấp Tỷ lệ BOD/COD cao Tỷ lệ BOD/COD thấp Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao Nồng độ NH4+ thấp Vi sinh vật có số lượng lớn Vi sinh vật có số lượng nhỏ Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim loại nặng cao loại nặng thấp Nguồn: Tchobanoglos và cộng sự 1993 [12] * Thành phần và các biện pháp xử lý sơ bộ chất thải rắn Rõ ràng thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng nhất tác động đến tính chất nước rò rỉ. Khi các phản ứng trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải 8 rắn sẽ bị phân hủy. Do đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rò rỉ cũng có các đặc tính tương tự. Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất độc hại thì nước rác cũng chứa nhiều thành phần độc hại... Các biện pháp xử lý hoặc chế biến chất thải rắn cũng có những tác động đến tính chất nước rác. Chẳng hạn như, các bãi rác có rác không được nghiền nhỏ. Bởi vì, khi rác được cắt nhỏ thì tốc độ phân hủy tăng lên đáng kể so với khi không nghiền nhỏ rác. Tuy nhiên, sau một thời gian dài thì tổng lượng chất ô nhiễm bị trôi ra từ chất thải rắn là như nhau bất kể là rác có được xử lý sơ bộ hay không. * Chiều sâu bãi chôn lấp Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng bãi chôn lấp có chiều sâu chôn lấp càng lớn thì nồng độ chất ô nhiễm càng cao so với các bãi chôn lấp khác trong cùng điều kiện về lượng mưa và quá trình thấm. Bãi rác càng sâu thì cần nhiều nước để đạt trạng thái bão hòa, cần nhiều thời gian để phân hủy. Do vậy, bãi chôn lấp càng sâu thì thời gian tiếp xúc giữa nước và rác sẽ lớn hơn và khoảng cách di chuyển của nước sẽ tăng. Từ đó quá trình phân hủy sẽ xảy ra hoàn toàn hơn nên nước rò rỉ chứa một hàm lượng lớn các chất ô nhiễm. * Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi Độ dày và khả năng chống thấm của vật liệu phủ có vai trò rất quan trọng trong ngăn ngừa nước thấm vào bãi chôn lấp làm tăng nhanh thời gian tạo nước rò rỉ cũng như tăng lưu lượng và pha loãng các chất ô nhiễm từ rác vào trong nước. Khi quá trình thấm xảy ra nhanh thì nước rò rỉ sẽ có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ. Quá trình bay hơi làm cô đặc nước rác và tăng nồng độ ô nhiễm. Nhìn chung các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, địa hình, vật liệu phủ, thực vật phủ ... 9 * Độ ẩm rác và nhiệt độ Độ ẩm thích hợp các phản ứng sinh học xảy ra tốt. Khi bãi chôn lấp đạt trạng thái bão hòa, đạt tới khả năng giữ nước FC, thì độ ẩm trong rác là không thay đổi nhiều. Độ ẩm là một trong những yếu tố quyết định thời gian nước rò rỉ được hình thành là nhanh hay chậm sau khi rác được chôn lấp. Độ ẩm trong rác cao thì nước rò rỉ sẽ hình thành nhanh hơn. Nhiệt độ có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất nước rò rỉ. Khi nhiệt độ môi trường cao thì quá trình bay hơi sẽ xảy ra tốt hơn là giảm lưu lượng nước rác. Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì các phản ứng phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp càng diễn ra nhanh hơn làm cho nước rò rỉ có nồng độ ô nhiễm cao hơn. * Ảnh hưởng từ bùn cống rãnh và chất thải độc hại Việc chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với bùn cống rảnh và bùn của trạm xử lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rò rỉ. Bùn sẽ làm tăng độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rò rỉ. Đồng thời chất dinh dưỡng và vi sinh vật từ bùn được chôn lấp sẽ làm tăng khả năng phân hủy và ổn định chất thải rắn. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, việc chôn lấp chất thải rắn cùng với bùn làm hoạt tính metan tăng lên, nước rò ri có pH thấp và BOD5 cao hơn. Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất ức chế như kim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật... Đồng thời, theo thời gian các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rò rỉ và khí thoát ra ngoài ảnh hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rác. 10 1.1.3. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước a. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trên thế giới Billa và cộng sự (2005) [8] đã đánh giá hiệu quả xử lí nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị Gramacho ở Rio De Janeiro, Brazil. Nước rỉ rác có tỉ lệ BOD5/COD thấp 0,05. Ozon được sử dụng để nâng cao khả năng xử lí sinh học nước rỉ rác sau quá trình keo tụ. Sau keo tụ bằng Al2(SO4)3 ở giai đoạn 1, COD và DOC giảm tương ứng 40 và 25%. Quá trình xử lí bằng ozon sau đó đã làm tăng tỉ lệ BOD5/COD từ 0,05 lên 0,3 và đã xử lí được tương ứng 73% COD và 63% DOC với lượng O3 tiêu tốn là 3g/l nước rỉ rác. Ntampou và cộng sự (2006) [15] đã sử dụng ozon và keo tụ để xử lí nước rỉ rác từ bãi chôn lấp chất thải rắn Thessaloniki (Hy Lạp). Tác giả đã sử dụng hai quá trình (ozon/keo tụ và keo tụ/ozon) để xử lí nước rỉ rác. Kết quả cho thấy, xử lí bằng ozon/keo tụ không đạt được hiệu suất cao mà hiệu suất cao chỉ đạt được ở hệ keo tụ/ozon. COD giảm từ 1.000 mg/l xuống dưới 180 mg/l. Tuy nhiên, thời gian phản ứng và hàm lượng ozon tiêu tốn tương ứng 240 phút và 2 g/h cho 500 ml nước rỉ rác với hàm lượng COD nước rỉ rác là 1.000 mg/l. Tiazui cùng cộng sự (2007) [18] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp ozon hóa và ozone kết hợp với hydrozen peroxide để xử lý nước rỉ rác tại Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và màu sắc tối. Với nồng độ khí ozon đầu vào 80 g/m3, COD ban đầu 5.230 mg/l. Hiệu suất xử lí nước rỉ rác tăng gấp đôi (từ 25% lên 48%) khi kết hợp O3/H2O2 với nồng độ 2g H2O2/l, thời gian phản ứng 60 phút, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,1 lên 0,7 ở hệ thí nghiệm O3/H2O2. Các tác giả cũng tính chi phí để xử lí là 2,3 USD/kg COD. Nghiên cứu xử lí nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp keo tụ và ozon được thực hiện bởi Jamali và cộng sự (2009) [13]. COD nước 11 rỉ rác trước xử lí 130.000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lí COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD 5/COD tăng từ 0,36 lên 0,45, hiệu suất xử lí độ màu đạt cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O3 là 180g O3/l nước rỉ rác. Tác giả cũng khẳng định việc kết hợp keo tụ và ozon xử lí nước rỉ rác không mang lại hiệu quả cao và cần được xử lí tiếp bằng than hoạt tính hay lọc màng. Top và cộng sự [19] đã nghiên cứu xử lí nước rỉ rác của một nhà máy tại Instanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc màng nano. Nồng độ trung bình của COD, Nitơ tổng (TKN) và amoni trong nước rỉ rác ban đầu có giá trị lần lượt là 6200, 587,5 và 110 mg/L. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện hợp lí là 15,9 mA/cm2 và thời gian xử lí hợp lí là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ photpho, tương ứng là 45%, 60% và 91,8%. b. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong nước Xử lí nước rỉ rác ở Việt Nam mới được quan tâm trong những năm gần đây, vì thế những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều. Vấn đề xử lí nước rỉ rác ở nước ta chưa được giải quyết triệt để là do ở phần công nghệ chỉ dựa vào quá trình phân hủy sinh học là chính, các quá trình này chưa đủ mạnh để phân hủy những phần ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy và bền vững trong nước rỉ rác. Trên phương diện nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, cho đến nay đã có một số nghiên cứu xử lí nước rỉ rác được triển khai: Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp (2008) [4] đã nghiên cứu “Tuần hoàn nước rỉ rác và phân hủy vi sinh trong môi trường sunphat trong công nghiệp chôn lấp rác thải sinh hoạt giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do nước rỉ rác”; Tô Thị Hải Yến và đồng nghiệp (2010) [5] với công trình “Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rỉ rác bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp” đã cho thấy, khi chôn lấp rác 12