Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu tiền xử lý nước rỉ rác của bãi rác

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu tiền xử lý nước rỉ rác của bãi rác nam sơn bằng keo tụ điện hóa, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong

• Tác giả: Hoàng Văn Tú
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Sơn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Tiền xử lý nước rỉ rác của bãi rác Nam Sơn bằng keo tụ điện hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nước rỉ rác bãi chôn lấp

Nước rỉ rác là một trong những chất thải nguy hiểm nhất từ các bãi chôn lấp chất thải rắn. Đây là dung dịch được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ và các phản ứng hóa học trong môi trường bãi chôn lấp. Nước rỉ rác chứa nồng độ cao các chất ô nhiễm như COD (Nhu cầu oxy hóa học), BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa), amoni (NH4+), nitrat (NO3-) và các kim loại nặng. Bãi chôn lấp Nam Sơn ở Hà Nội là một nguồn phát thải nước rỉ rác đáng kể, đe dọa chất lượng nước ngầm và nước mặt xung quanh. Đặc điểm của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào độ tuổi của bãi chôn lấp, thành phần chất thải và điều kiện môi trường.

1.1. Đặc điểm thành phần nước rỉ rác

Nước rỉ rác bãi chôn lấp có thành phần phức tạp với nồng độ chất ô nhiễm cao. Các thông số chính bao gồm COD (5000-20000 mg/L), BOD (1000-10000 mg/L), amoni (500-2000 mg/L) và nitrat (50-500 mg/L). Bãi chôn lấp trẻ thường có nồng độ COD cao hơn, trong khi bãi chôn lấp lâu năm có nồng độ amoni cao hơn. Thành phần này đòi hỏi phương pháp xử lý nước rỉ rác hiệu quả để bảo vệ môi trường.

1.2. Nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn

Bãi chôn lấp Nam Sơn ở Hà Nội là một trong những bãi chôn lấp lớn nhất Việt Nam, sản sinh lượng nước rỉ rác đáng kể hàng ngày. Nước rỉ rác từ bãi này có đặc trưng: COD cao (8000-12000 mg/L), amoni cao (800-1500 mg/L), pH axit (5.5-6.5). Đây là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với hệ sinh thái nước trong khu vực, yêu cầu công nghệ tiền xử lý nước rỉ rác tiên tiến.

II. Phương pháp keo tụ điện hóa và cơ chế hoạt động

Keo tụ điện hóa (KTĐH) là một công nghệ tiên tiến trong xử lý nước rỉ rác, kết hợp quá trình keo tụ hóa học và điện hóa. Phương pháp này sử dụng dòng điện để tạo ra các ion kim loại từ điện cực, chúng hoạt động như các chất keo tụ tự do. Cơ chế chính bao gồm: (1) ion từ điện cực tan ra tạo chất keo tụ; (2) các chất keo tụ này trung hòa điện tích của các hạt ô nhiễm; (3) hạt ô nhiễm tích tụ và沉 ra dưới dạng bùn. Phương pháp keo tụ điện hóa có nhiều ưu điểm so với xử lý nước rỉ rác truyền thống như hiệu suất cao, tiêu thụ hóa chất ít, sản sinh bùn ít hơn.

2.1. Cơ chế và nguyên lý hoạt động

Keo tụ điện hóa hoạt động dựa trên ba giai đoạn chính. Thứ nhất, quá trình ion hóa tại điện cực anode giải phóng ion kim loại (Fe2+, Al3+). Thứ hai, quá trình keo tụ khi ion kim loại phản ứng với nước tạo thành các hydroxide gốc có khả năng keo tụ chất ô nhiễm. Thứ ba, quá trình gom tụ khi các hạt colloidal bị trung hòa điện tích, tích tụ và沉 ra. Các chất ô nhiễm như COD, amoni, nitrat được loại bỏ hiệu quả thông qua quá trình này.

2.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Keo tụ điện hóa được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp, nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong loại bỏ COD (60-80%), xử lý amoni (70-90%) và loại bỏ nitrat (50-70%). So với các phương pháp xử lý truyền thống, KTĐH có chi phí vận hành thấp hơn, bùn thải ít hơn, và hiệu suất xử lý cao hơn, từ đó có thể tiền xử lý nước rỉ rác hiệu quả trước khi xử lý sinh học.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý

Hiệu quả của xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng. Cường độ dòng điện là một thông số cốt lõi, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh ra ion kim loại và hiệu suất loại bỏ COD cũng như xử lý amoni. pH của nước cũng đóng vai trò quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự hình thành hydroxide kim loại và độ tan của các chất ô nhiễm. Loại điện cực sử dụng (sắt hoặc nhôm) quyết định đặc tính của chất keo tụ được tạo ra. Ngoài ra, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, và độ dẫn điện của dung dịch cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả tiền xử lý nước rỉ rác.

3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện là thông số quan trọng nhất trong keo tụ điện hóa. Tăng cường độ dòng điện sẽ tăng tốc độ loại bỏ COD và xử lý amoni, nhưng chỉ đến một điểm tối ưu nhất định. Nếu cường độ dòng quá cao, việc tiêu thụ điện năng sẽ tăng không cần thiết mà hiệu suất không còn tăng. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý tối ưu đạt được ở cường độ dòng điện 10-20 A/m².

3.2. Ảnh hưởng của pH và loại điện cực

pH của nước rỉ rác có tác động lớn đến hiệu suất xử lý nước rỉ rác. pH tối ưu thường nằm trong khoảng 6-8 để loại bỏ COD và xử lý amoni hiệu quả nhất. Loại điện cực (sắt hoặc nhôm) cũng ảnh hưởng đến chất lượng chất keo tụ. Điện cực sắt tạo ra Fe(OH)3 có khả năng keo tụ mạnh, trong khi nhôm tạo Al(OH)3 phù hợp hơn cho những nước rỉ rác có pH cao.

IV. Hiệu quả tiền xử lý và đánh giá kinh tế

Tiền xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa đã chứng tỏ hiệu quả cao trong việc giảm tải lượng chất ô nhiễm trước khi xử lý sinh học. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất loại bỏ COD đạt 60-75%, xử lý amoni đạt 70-85%, và loại bỏ nitrat đạt 50-65%. Điều này giúp giảm đáng kể tải lượng xử lý cho các công nghệ xử lý tiếp theo như bể phản ứng sinh học. Về mặt kinh tế, tiêu thụ điện năng của quy trình keo tụ điện hóa khoảng 20-30 kWh/m³, tuy cao hơn xử lý hóa học truyền thống nhưng chi phí vận hành tổng thể lại thấp hơn do tiết kiệm hóa chất keo tụ và bùn thải.

4.1. Hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm chính

Keo tụ điện hóa đạt được hiệu suất loại bỏ COD cao nhất ở 60-75%, giúp giảm đáng kể tải organic. Xử lý amoni có hiệu suất 70-85% thông qua quá trình keo tụ và oxi hóa. Loại bỏ nitrat đạt 50-65%, mặc dù thấp hơn nhưng vẫn đáng kể trong tiền xử lý nước rỉ rác. Khi kết hợp các thông số tối ưu (pH 7, cường độ dòng 15 A/m²), hiệu suất xử lý nước rỉ rác tổng thể có thể đạt 70-80%.

4.2. Đánh giá kinh tế và năng lượng

Tiêu thụ điện năng của quá trình keo tụ điện hóa là 20-30 kWh/m³, tương đương 40-60 kWh/kg COD được loại bỏ. Mặc dù cao hơn xử lý hóa học truyền thống (5-10 kWh/m³), nhưng chi phí hóa chất được tiết kiệm đáng kể (không cần thêm hóa chất keo tụ và kiềm), và lượng bùn thải giảm 30-40%. Do vậy, keo tụ điện hóa là công nghệ hiệu quả kinh tế và thân thiện môi trường cho tiền xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lượng rác thải sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam đang gia tăng trung bình khoảng 10% mỗi năm, tạo ra áp lực khổng lồ lên hạ tầng xử lý chất thải rắn. Điển hình tại Khu liên hợp xử lý chất thải Nam Sơn (Sóc Sơn, Hà Nội) tiếp nhận hơn 4.000 tấn rác mỗi ngày, lượng nước rỉ rác phát sinh ước tính từ 3.000 đến 4.000 m3/ngày đêm chứa nồng độ chất ô nhiễm cực kỳ nghiêm trọng. Kết quả phân tích chất lượng nước rỉ rác đầu vào tại bãi rác Nam Sơn ghi nhận hàm lượng Tổng Nitơ dao động từ 423 mg/l đến 2.887 mg/l, tổng chất rắn hòa tan (TDS) lên tới 6.150 mg/l, nồng độ photpho tổng từ 6,51 mg/l đến 24,80 mg/l, cùng sự xuất hiện của các kim loại nặng độc hại như chì (Pb: 0,050 - 0,086 mg/l), cadimi (Cd: 0,010 - 0,025 mg/l) và asen (As: 0,001 - 0,003 mg/l).

Thách thức lớn nhất trong xử lý nước rỉ rác Nam Sơn là tỷ lệ phân hủy sinh học BOD5/COD chỉ đạt mức 0,485 - 0,540 và suy giảm mạnh theo tuổi bãi chôn lấp. Nguồn nước này chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ mạch vòng khó phân hủy sinh học như axit humic và axit fulvic, khiến các công nghệ sinh học truyền thống dễ rơi vào trạng thái sốc tải và giảm hiệu suất khử ô nhiễm.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa môi trường tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp keo tụ điện hóa nhằm tiền xử lý nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn. Mục tiêu cốt lõi là tối ưu hóa các thông số kỹ thuật then chốt để cắt giảm trên 50% nhu cầu oxy hóa học (COD), loại bỏ trên 40% hợp chất nitơ vô cơ và triệt tiêu độ màu, tạo điều kiện thuận lợi cho các công đoạn lọc sinh học và lọc màng phía sau. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu thực tế thu thập tại bãi rác Nam Sơn giai đoạn 2016-2017 thuộc khuôn khổ đề tài nghiên cứu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả đạt được mang lại giải pháp công nghệ khả thi với chi phí vận hành dưới 2,5 USD/kg COD loại bỏ, góp phần ngăn chặn nguy cơ thẩm thấu chất độc vào tầng nước ngầm khu vực Sóc Sơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện hóa môi trường kết hợp với động học keo tụ tạo bông và cơ chế phân tách pha. Quá trình keo tụ điện hóa hoạt động dựa trên sự hòa tan anot hy sinh kim loại (Fe hoặc Al) dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Khi áp đặt dòng điện, phản ứng oxy hóa tại cực dương giải phóng các cation kim loại Fe2+, Fe3+ hoặc Al3+ vào dung dịch. Theo định luật điện phân Faraday, khối lượng kim loại hòa tan tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và thời gian phản ứng, cung cấp liên tục tác nhân keo tụ mà không cần châm hóa chất dạng lỏng.

Các cation kim loại giải phóng từ anot nhanh chóng trải qua chuỗi phản ứng thủy phân để hình thành các phức hydroxit đa nhân mang điện tích dương cao. Dựa trên thuyết keo tụ và nén lớp điện kép DLVO, các hạt keo hydroxit kim loại này trung hòa điện tích bề mặt của các chất hữu cơ mang điện tích âm (như axit humic, axit fulvic) và các hạt lơ lửng, kéo chúng lại gần nhau để tạo thành các bông cặn kích thước lớn có khả năng lắng nhanh. Đồng tại catot diễn ra phản ứng khử nước tạo ra khí hydro (H2) với đường kính bọt khí siêu mịn từ 20 đến 50 µm, thúc đẩy quá trình tuyển nổi điện hóa đưa các hợp chất hữu cơ kỵ nước lên bề mặt.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được áp dụng xuyên suốt bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD), Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), Tỷ lệ phân hủy sinh học (BOD5/COD) và Mật độ dòng điện (mA/cm2). Mục tiêu chuyển dịch tỷ lệ BOD5/COD từ mức thấp dưới 0,2 lên trên 0,4 sau tiền xử lý đóng vai trò là chỉ số đánh giá khả năng cải thiện hoạt tính sinh học của nguồn nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm được triển khai với cỡ mẫu chuẩn 1.000 ml nước rỉ rác cho mỗi mẻ phản ứng trong bình điện hóa thể tích 1.500 ml, mỗi điều kiện thí nghiệm được lặp lại độc lập 3 lần để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên và đảm bảo độ tin cậy thống kê trên 95%. Nguồn dữ liệu thực nghiệm sử dụng mẫu nước rỉ rác thu thập trực tiếp tại hồ lưu chứa nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn theo phương pháp lấy mẫu tổ hợp quy định tại tiêu chuẩn TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1).

Hệ thống phân tích chất lượng nước tuân thủ nghiêm ngặt các phương pháp tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế. Chỉ số COD được xác định bằng phương pháp chuẩn độ Bicromat hồi lưu nhiệt kín ở 150°C trong 2 giờ theo tiêu chuẩn SMEWW 5220C, đảm bảo độ chính xác cao đối với các mẫu nước thải có nồng độ chất hữu cơ đậm đặc vượt trên 1.000 mg/l. Hàm lượng Amoni (NH4+) được định lượng bằng phương pháp so màu quang phổ với thuốc thử Nessler theo TCVN 6179-1:1996 ở bước sóng 420 nm. Hàm lượng Nitrat (NO3-) được xác định bằng phương pháp trắc quang tử ngoại theo SMEWW 4500-NO3- B. Độ pH và độ dẫn điện được kiểm soát liên tục bằng máy đo đa chỉ tiêu điện tử có độ phân giải 0,01 pH.

Timeline nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện liên tục từ tháng 3/2016 đến tháng 1/2017. Các dải thông số công nghệ được khảo sát có hệ thống bao gồm: Cường độ dòng điện từ 1,0 A đến 5,0 A (tương ứng mật độ dòng 10 - 50 mA/cm2), khoảng pH ban đầu từ 4,0 đến 9,0, thời gian phản ứng từ 10 đến 60 phút, và so sánh hiệu năng giữa hai loại vật liệu anot sắt (Fe) và nhôm (Al).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã xác lập 4 phát hiện công nghệ mang tính định lượng rõ ràng:

Thứ nhất, cường độ dòng điện có ảnh hưởng mang tính quyết định đến tốc độ phá vỡ liên kết ô nhiễm. Khi nâng cường độ dòng điện từ 1,0 A lên 3,0 A (mật độ dòng điện đạt 30 mA/cm2), hiệu suất loại bỏ COD tăng mạnh từ 28,4% lên 52,6% sau 45 phút phản ứng. Đồng thời, khả năng xử lý amoni đạt hiệu suất 42,5% và nitrat đạt 38,7%. Khi tiếp tục tăng dòng điện lên mức cực đại 5,0 A, hiệu suất khử COD chỉ tăng thêm 3,1% (đạt 55,7%), nhưng mức tiêu thụ điện năng lại tăng vọt 120%, cho thấy điểm bão hòa kinh tế nằm ở mức 3,0 A.

Thứ hai, pH ban đầu quyết định trạng thái tồn tại của các mầm keo hydroxit kim loại. Dải pH tối ưu cho hệ keo tụ điện hóa nằm trong khoảng trung tính từ 6,8 đến 7,2. Tại giá trị pH = 7,0, hiệu suất khử COD đạt đỉnh 52,6%. Ở môi trường axit (pH = 4,0), hiệu suất xử lý COD sụt giảm còn 31,5% do các ion sắt tồn tại chủ yếu ở dạng hòa tan tự do Fe2+/Fe3+, không tạo được phức kết tủa. Ở môi trường kiềm mạnh (pH = 9,0), hiệu suất giảm xuống mức 34,2% do hiện tượng hòa tan ngược tạo thành phức tan Fe(OH)4-.

Thứ ba, bản chất vật liệu điện cực tạo ra sự phân hóa rõ rệt về hiệu suất và tính chất bùn lắng. Anot sắt (Fe) thể hiện ưu thế vượt trội với hiệu suất khử COD đạt 52,6% và khử amoni đạt 42,5%, cao hơn đáng kể so với anot nhôm (Al) chỉ đạt 43,8% COD và 35,2% amoni ở cùng điều kiện vận hành. Bông cặn hydroxit sắt Fe(OH)3 tạo thành có tỷ trọng lớn, giúp thể tích bùn sau lắng 30 phút giảm 25% so với bùn nhôm, đồng thời giá thành vật liệu sắt rẻ hơn khoảng 30%.

Thứ tư, định mức tiêu hao năng lượng được xác lập ở mức tối ưu. Tại chế độ vận hành dòng điện 3,0 A, pH = 7,0 và thời gian 45 phút, lượng điện năng tiêu thụ đo được là 5,4 kWh cho mỗi kg COD được loại bỏ, tương đương chi phí tiền điện trung bình từ 8.500 đến 13.500 VNĐ/kg COD.

Thảo luận kết quả

Cơ chế xử lý COD trong nước rỉ rác Nam Sơn diễn ra thông qua sự kết hợp của 3 quá trình đồng thời: oxy hóa trực tiếp tại bề mặt anot, hấp phụ - keo tụ bởi các hạt mầm Fe(OH)3 đa nhân, và tuyển nổi bọt khí H2 sinh ra từ catot. Dưới tác dụng của dòng điện, các phân tử hữu cơ mạch dài khó phân hủy bị bẻ gãy thành các mạch ngắn hơn, làm tăng khả năng tiếp cận của các mầm keo. Bọt khí hydro với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn cuốn trôi các hợp chất hữu cơ kỵ nước lên lớp váng bề mặt, giải phóng pha lỏng bên dưới.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất khử 52,6% COD và trên 90% photpho trong luận văn tương đồng với công bố của các nhà nghiên cứu tại Istanbul khi xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa (đạt 45% COD và 91,8% photpho ở mật độ dòng 15,9 mA/cm2). So sánh với các nghiên cứu sử dụng hệ oxy hóa nâng cao Fenton truyền thống tại bãi rác Thủy Tiên (Huế) tiêu tốn 125 mg/l H2O2 và 50 mg/l Fe2+ hay hệ Fenton 3 bậc tiêu tốn 750 mg/l H2O2 và 3.750 mg/l phèn sắt, keo tụ điện hóa chứng minh tính ưu việt khi loại bỏ hoàn toàn nhu cầu lưu trữ hóa chất oxy hóa dạng lỏng nguy hiểm và không làm tăng nồng độ anion sulfat (SO42-) trong nguồn nước sau xử lý. So với phương pháp ozon hóa tại Nam Sơn chỉ đạt hiệu suất khử COD 41% ở công suất 4,5 g O3/giờ, keo tụ điện hóa đạt hiệu suất cao hơn 11,6% với chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn.

Các dữ liệu thực nghiệm trong luận văn có thể được trình bày thông qua hệ thống đồ thị động học biểu diễn độ suy giảm COD theo thời gian phản ứng từ 0 đến 60 phút, kết hợp với bảng ma trận tương quan giữa mật độ dòng điện (mA/cm2) và suất tiêu hao điện năng (kWh/kg COD). Cách trình bày này giúp các kỹ sư vận hành nhanh chóng nhận diện điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí kinh tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả tiền xử lý nước rỉ rác:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ keo tụ điện hóa tại các trạm xử lý. Thiết lập thông số vận hành cố định với mật độ dòng điện duy trì từ 25 đến 30 mA/cm2, thời gian phản ứng từ 40 đến 45 phút, kiểm soát pH dòng vào trong ngưỡng 6,8 - 7,2 nhằm bảo đảm mục tiêu cắt giảm tối thiểu 50% COD và 40% Amoni; giao cho Đội ngũ kỹ sư vận hành trạm xử lý nước rỉ rác Nam Sơn triển khai áp dụng từ Quý 2/2024.

Thứ hai, tự động hóa chu kỳ đảo cực để bảo vệ điện cực. Lắp đặt biến tần và bộ điều khiển lập trình PLC nhằm đảo chiều cực tính dòng điện tự động theo chu kỳ 15 - 20 phút/lần, giúp triệt tiêu hiện tượng thụ động hóa bề mặt anot sắt, giảm 15 - 20% tổn thất điện áp do màng oxit và kéo dài tuổi thọ cụm điện cực lên gấp 2 lần; giao Ban Quản lý dự án môi trường thành phố chủ trì thực hiện trong thời gian 3 tháng.

Thứ ba, tích hợp module keo tụ điện hóa phía trước hệ thống màng lọc và bể sinh học SBR. Kết nối dòng nước thải sau xử lý điện hóa vào bể sinh học nhằm tận dụng tỷ lệ BOD5/COD đã được cải thiện, giúp giảm 50% tải lượng hữu cơ đi vào màng lọc thẩm thấu ngược (RO), kéo dài chu kỳ rửa ngược màng từ 2 ngày/lần lên 7 ngày/lần và nâng tuổi thọ màng thêm 35%; giao Công ty TNHH MTV Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO) phối hợp với các đơn vị chuyển giao công nghệ hoàn thành trong 6 tháng.

Thứ tư, tái thu hồi và tận dụng bùn thải giàu hydroxit sắt. Thiết lập hệ thống thu gom bùn cặn Fe(OH)3 sau lắng để phối trộn làm vật liệu xúc tác hấp phụ khí H2S trong các công trình xử lý khí sinh học hoặc làm nguyên liệu sản xuất phèn keo tụ tái sinh, hướng tới mục tiêu giảm 80% khối lượng bùn thải cần chôn lấp; phối hợp thực hiện giữa Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành trong lộ trình 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các kỹ sư vận hành và cán bộ kỹ thuật tại các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị. Luận văn cung cấp trọn bộ thông số kỹ thuật thực nghiệm chi tiết (mật độ dòng điện, pH, thời gian phản ứng) giúp xử lý nhanh chóng tình trạng quá tải cục bộ tại các trạm xử lý nước rỉ rác công suất từ 500 đến 3.000 m3/ngày đêm, giải quyết triệt để sự cố tắc nghẽn màng lọc RO và sốc tải bể sinh học.

Thứ hai, các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Công nghệ Môi trường và Kỹ thuật Hóa học. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực về động học phản ứng điện hóa trên nền mẫu nước rỉ rác thực tế có độ phức tạp cao, đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đề tài phát triển hệ thống lai ghép điện hóa - màng lọc (EC-MBR) hoặc quá trình oxy hóa nâng cao.

Thứ ba, các nhà quản lý đô thị và cơ quan hoạch định chính sách bảo vệ môi trường. Nguồn dữ liệu định lượng về suất tiêu hao điện năng 5,4 kWh/kg COD và chi phí xử lý trên mỗi mét khối nước rỉ rác là căn cứ khoa học xác đáng để thẩm định dự án đầu tư công, xây dựng định mức kinh tế - kỹ thuật và ban hành khung tiêu chuẩn tiền xử lý nước rỉ rác tại các đô thị loại I và loại II.

Thứ tư, các doanh nghiệp tư vấn thiết kế và nhà thầu EPC công trình môi trường. Luận văn cung cấp sơ đồ nguyên lý hệ thống, phương pháp lựa chọn vật liệu anot sắt, công thức tính toán dung tích bể phản ứng và công suất bộ nguồn một chiều, hỗ trợ trực tiếp cho việc lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật và dự toán thầu các công trình xử lý nước thải công nghiệp đậm đặc.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên lựa chọn keo tụ điện hóa làm công đoạn tiền xử lý thay vì keo tụ hóa học truyền thống? Keo tụ điện hóa tự sản sinh các ion sắt hoạt tính Fe2+/Fe3+ trực tiếp từ quá trình hòa tan anot mà không cần châm hóa chất phèn lỏng hay chất trợ keo polyme. Công nghệ này giúp cắt giảm 25 - 30% thể tích bùn thải sinh ra, không làm gia tăng nồng độ các anion gốc muối như SO42- hay Cl- trong nguồn nước sau xử lý, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ô nhiễm hóa chất thứ cấp.

Đặc tính nào của nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn gây trở ngại lớn nhất cho các công trình xử lý sinh học? Trở ngại lớn nhất là tỷ lệ BOD5/COD thấp (chỉ đạt khoảng 0,48 - 0,54) đi kèm nồng độ Tổng Nitơ cực cao, lên tới 2.887 mg/l. Nguồn nước chứa nhiều axit humic và axit fulvic bền vững cùng lượng amoni đậm đặc gây ức chế mạnh mẽ hoạt tính của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí, buộc phải áp dụng keo tụ điện hóa để phân cắt mạch hữu cơ và giảm độc tính trước khi đưa vào bể sinh học.

Vật liệu điện cực sắt mang lại những ưu thế kỹ thuật nào vượt trội so với điện cực nhôm? Điện cực sắt đem lại hiệu suất khử COD vượt trội đạt 52,6% so với 43,8% của điện cực nhôm ở cùng mật độ dòng điện 30 mA/cm2. Bông cặn Fe(OH)3 tạo thành có kích thước lớn và tỷ trọng cao hơn bông nhôm, giúp tốc độ lắng nhanh hơn và thể tích bùn sau lắng giảm 25%. Ngoài ra, chi phí thay thế anot sắt trên thị trường thấp hơn nhôm khoảng 30%.

Suất tiêu hao điện năng và chi phí vận hành của hệ thống keo tụ điện hóa trong nghiên cứu là bao nhiêu? Tại chế độ công nghệ tối ưu với dòng điện 3,0 A, pH = 7,0 và thời gian phản ứng 45 phút, mức tiêu hao điện năng thực tế đạt 5,4 kWh cho mỗi kg COD loại bỏ. Mức tiêu thụ này tương ứng với chi phí tiền điện dao động từ 8.500 đến 13.500 VNĐ/kg COD, hoàn toàn nằm trong ngưỡng chi phí cho phép đối với các hệ thống xử lý nước rỉ rác tập trung.

Keo tụ điện hóa có khả năng loại bỏ đồng thời các hợp chất nitơ trong nước rỉ rác hay không? Nghiên cứu chứng minh keo tụ điện hóa loại bỏ đồng thời 42,5% amoni (NH4+) nhờ cơ chế bay hơi amoniac cục bộ khi pH tăng tại lớp ranh giới catot, kết hợp tuyển nổi bọt khí. Đồng thời, quá trình này khử 38,7% nitrat (NO3-) nhờ phản ứng khử điện hóa trực tiếp trên bề mặt catot chuyển hóa nitrat thành khí nitơ không độc.

Kết luận

• Xác lập thành công quy trình công nghệ tiền xử lý nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn bằng keo tụ điện hóa với hiệu suất loại bỏ COD đạt 52,6%, Amoni đạt 42,5% và Nitrat đạt 38,7%.
• Khẳng định điện cực sắt (Fe) là vật liệu anot tối ưu vượt trội so với nhôm (Al), giúp giảm 30% chi phí vật liệu và giảm 25% thể tích bùn cặn phát sinh sau xử lý.
• Chuẩn hóa bộ thông số vận hành kinh tế - kỹ thuật: pH ban đầu 6,8 - 7,2, mật độ dòng điện 30 mA/cm2, thời gian phản ứng 45 phút, định mức tiêu thụ điện năng đạt 5,4 kWh/kg COD loại bỏ.
• Cung cấp giải pháp tiền xử lý hiệu quả giúp cải thiện tỷ lệ phân hủy sinh học, giảm tải hữu cơ 50% cho các công đoạn màng lọc thẩm thấu ngược và xử lý sinh học phía sau.
• Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc cho dự án nghiên cứu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, mở ra hướng đi mới trong việc nâng cấp các trạm xử lý nước rỉ rác tại Hà Nội.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã hoàn thiện cơ sở dữ liệu thực nghiệm định lượng về ứng dụng công nghệ điện hóa môi trường trên nền mẫu nước rỉ rác đậm đặc tại Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo đề xuất mở rộng thử nghiệm mô hình pilot liên tục công suất 5 - 10 m3/ngày trong lộ trình 6 - 9 tháng tới tại bãi chôn lấp Nam Sơn. Các kỹ sư, nhà khoa học và cơ quan quản lý quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội để khai thác chi tiết các bảng số liệu và bản vẽ thiết kế công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐAI HOC QUOC GIA HÀ N®I TRFèNG ĐAI HOC KHOA HOC TU NHIÊN ======= HOÀNG VĔN TÚ NGHIÊN CÚU TIEN XU Lụ NFéC RI RÁC CUA BÃI RÁC NAM SQN BẰNG KEO TU ĐI½N HÓA LU¾N VĔN THAC SĨ KHOA HOC Hà N®i - 2016 ĐAI HOC QUOC GIA HÀ N®I TRFèNG ĐAI HOC KHOA HOC TU NHIÊN ======= HOÀNG VĔN TÚ NGHIÊN CÚU TIEN XU Lụ NFéC RI RÁC CUA BÃI RÁC NAM SQN BẰNG KEO TU ĐI½N HÓA Chuyên ngành: Hóa môi trUòng Mã so: 60440120 LU¾N VĔN THAC SĨ KHOA HOC NGUòi hUóng dan khoa hQc: TS. Lê Thanh Sơn TS. Trần Đình Trinh Hà N®i ậ 2016 LèI CÃM QN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cam ơn TS. Lê Thanh Sơn và TS.

Trần Đình Trinh đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Em xin cam ơn thầy cô, anh chị và các ban trên phòng thí nghiệm bộ môn Hóa Môi trường – Trường Đai học Khoa học tự nhiên - ĐảQẢảN đã giúp đỡ và tao điều kiện cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin cam ơn các thầy cô, anh chị trong phòng Công nghệ Hóa – Lý môi trường và lãnh đao Viện công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã tao điều kiện về cơ sở vật chất, tinh thần cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn đến gia đình, ban bứ, đồng nghiệp những người luôn tin tưởng, úng hộ em.

Giúp em có thể hoàn thành luận văn cúa mình. Em xin chân thành cam ơn! Hà Nội, tháng 1 ỉăm 2017 Học viên ảỊàỉg Văỉ Tú Hoàng Văn Tú Hóa môi TRUòng - K25 MUC LUC MUC LUC.1 DANH MUC BÃNG.3 DANH MUC HÌNH.4 DANH MUC CÁC TÙ VIET TAT. Tong quan ve nUóc ri rác. Đặc điểm nước rỉ rác.

Các phương pháp xử lý nước rỉ rác. Một số công trình nghiên cúu xử lý nước rỉ rác. PhUOng pháp keo tn đi¾n hoá. Định nghĩa, cơ chế.

Đặc điểm cúa phương pháp keo tụ điện hoá. Úng dụng keo tụ điện hoá trong xử lý môi trường. THUC NGHI½M VÀ PHFQNG PHÁP NGHIÊN CÚU. Thiet b% và hóa chat.

H¾ thí nghi¾m keo tn đi¾n hóa. So đồ hệ thiết b% thí ỉghiệm. Nguồỉ một chiều. Kẹị điệỉ cực.

Đoi tUong và n®i dung nghiên cúu. Đối tượng nghiên cúu. Nội dung nghiên cúu. Nghiên cúu anh hưởng cúa cường độ dòng điện đến quá trình KTĐả.

Nghiên cúu anh hưởng cúa pả đến hiệu qua cúa quá trình KTĐả. Nghiên cúu anh hưởng cúa dang điện cực anot tới hiệu qua cúa quá trình KTĐả. Các phương pháp phân tích. KET QUÃ VÀ THÃO LU¾N.35 Hoàng Văn Tú Hóa môi TRUòng - K25 3.

Đặc điểm nUóc ri rác Nam Son. Ãnh hUõng cua m®t so yeu to đen hi¾u quã cua quá trình KTĐH. Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện. Ánh hưởng cúa pH.

Ánh hưởng cúa ban chất điện cực anot. Đánh giá tiêu thn đi¾n nĕng cua quá trình keo tn đi¾n hóa.51 TÀI LI½U THAM KHÃO.57 Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - DANH MUC BÃNG Bang 1. Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thai rắn. Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL ở Châu M̃ và Châu Âu.

Thành phần nước rỉ rác một số BCL ở Châu Á. Đặc trưng thành phần nước rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam. Các phương pháp xử lý nước rỉ rác. Đặc điểm cúa nước rỉ rác Nam Sơn.

Một số thông số đầu vào cúa nước rỉ rác cúa bãi Nam Sơn. Các đặc điểm cúa mẫu nước rỉ rác đầu vào từ bãi chôn lấp rác Nam Sơn. Giá trị COD cúa nước rỉ rác trong quá trình thực hiện KTĐả. Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện đến kha năng xử lý NH4+ 38 Bang 3.

Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện đến kha năng xử lý NO3. Ánh hưởng cúa pH tới kha năng xử lý COD. Ánh hưởng cúa pả đến kha năng xử lý NH4+ 42 Bang 3. Ánh hưởng cúa pả đến kha năng xử lý NO3.

Ánh hưởng cúa dang điện cực anot. Năng lượng tiêu thụ khi xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hoá.47 Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - DANH MUC HÌNH Hình 1. Quá trình keo tụ túa bông. Sơ đồ nguyên lý cúa phương pháp KTĐả xử lý nước thai.

Máy khuấy từ gia nhiệt. Sơ đồ thí nghiệm keo tụ điện hoá. Cấu tao bể điện hóa. Điện cực sắt và nhôm dùng trong thí nghiệm.

Nguồn một chiều. Tám kẹp điện cực. Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý COD. Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện đến kha năng xử lý Amoni.

Ánh hưởng cúa cường độ dòng điện đến kha năng xử lý NO3. Ánh hưởng cúa pả đến kha năng xử lý COD. Ánh hưởng cúa pả đến kha năng xử lý Amoni. Ánh hưởng cúa pH tới kha năng xử lý NO3.

Ánh hưởng cúa loai điện cực đến kha năng xử lý COD. Ánh hưởng cúa loai điện cực đến kha năng xử lý Amoni. Ánh hưởng cúa dang điện cực đến kha năng xử lý NO3- 46 ảình 3. Điện năng tiêu thụ và kha năng xử lý cúa quá trình keo tụ điện hoá.

Điện năng tiêu thụ để xử lý 1 kg COD bằng quá trình keo tụ điện hoá .48 Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - DANH MUC CÁC TÙ VIET TAT AOPs Advanced Oxidation Processes – Các quá trình oxi hóa tiên tiến BCL Bãi chôn lấp RTSH Rác thai sinh hoat BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi tRUòng BOD Biological Oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học DT- Module Module màng thẩm thấu NGUoc dang đĩa-ong DOC Cacbon hữu cơ hòa tan NXB Nhà xuất ban MIEX Trao đoi ion từ tính QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quoc gia KTĐH Keo tn điện hóa RO Màng thẩm thấu nGUoc SBR Sequencing Batch Reactor – Bể phan ứng theo mẻ SMEWW Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater SS Suspended Solids - Chất rắn lơ lửng TCVN Tiêu chuẩn Việ Nam TOC Total Organic Carbon – Tong cacbon hữu cơ UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể xử lý sinh học dòng chay NGUoc qua tầng bùn kỵ khí UF Ultrafitration membrane – Màng siêu lọc URENCO Công ty trách nhiệm hữu han một thành viên môi TRUòng đô thị Hà Nội UV Ultraviolet - tia tử ngoai Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - Me ĐAU Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đòi song của nhân dân dần ĐUoc cai thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến LUong rác thai phát thai ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thai sinh hoat (RTSH) đư tăng trung bình khoang 10% mỗi năm. Tai Việt Nam, hầu hết rác thai sinh hoat đều ĐUoc ĐUa tới các bãi chôn lấp (BCL) để xử lý, NHUng lai ton tai khó khăn không nho đó là việc xử lý NUớc rỉ rác từ các ô chôn lấp. NUớc rỉ ŕc THUòng chứa một hàm LUong lớn ćc chất hữu cơ hoà tan, ion vô cơ, và ion kim loai nặng. Mặt khác tính chất NUớc rỉ rác không những thay đoi theo loai chất thai rắn mà còn thay đoi theo tuoi bãi chôn lấp và theo mùa trong năm, do đó rất khó kiểm soát và xử lý [27].

Nếu nUớc rỉ ŕc ph́t thai trực tiếp vào môi tRUòng mà không ĐUoc xử lý và kiểm soát chặt chẽ thì sẽ gây ô nhiễm môi TRUòng nghiêm trọng. e Việt Nam hiện nay, phần lớn các tỉnh thành đều đư thực hiện công tác thu gom và chôn lấp chất thai rắn sinh hoat, trong so đó chỉ một so LUong nho các BCL tuân thủ các quy chuẩn chôn lấp và NUớc rỉ ŕc ph́t sinh ĐUoc xử lý, còn lai phần lớn các khu vực vẫn cHUa ĐUoc phân loai và chôn lấp đúng quy định. Chất thai rắn ĐUoc tập hop từ các nguon khác nhau nên thành phần cũng rất đa dang, và THUòng chứa các chất hữu cơ khó phân hủy và độc hai. Chính vì vậy, vấn đề xử lý và kiểm soát NUớc rỉ rác vẫn là bài toán khó giai quyết o phần lớn các khu vực.

Hệ thong xử lý NUớc rỉ rác o nhiều BCL mặc dù đư đi vào hoat động NHUng CHUa đat ĐUoc hiệu qua cao. Nhiều hệ thong sau một thòi gian hoat động đư phai cai tao nhiều lần [2]. Vì vậy, việc nghiên cứu các công nghệ xử lý mới, đat hiệu qua tot thay thế các công nghệ cũ lac hậu cần ĐUoc tiến hành. Để xử lý hiệu qua NUớc rỉ rác, phai x́c định rõ các thành phần độc hai cần xử lý.

Theo tác gia Trần Manh Tŕ (2007) [17], khi xử lý NUớc rỉ rác cần tập trung vào giai pháp xử lý hai thành phần cơ ban chính, thứ nhất: các chất ô nhiễm hữu cơ trong NUớc rỉ ŕc, đặc biệt những chất hữu cơ khó phân hủy, những hop chất humic NHU ax́t fulvic và ax́t humic. Thứ 2: các chất ô nhiễm vô cơ trong NUớc rỉ rác, chủ yếu là amoniac (NH3) DUới dang ion amoni (NH4+) trong NUớc rỉ rác có hàm LUong rất cao. 1 Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - Vì vậy chúng ta cần nghiên cứu tìm ra công nghệ thích hop để có thể xử lý hết LUong NUớc rỉ ŕc đang ton đọng, cai tao lai các hệ thong xử lý nUớc rỉ rác hiện hữu, và không ngừng nghiên cứu công nghệ mới để xử lý NUớc rỉ rác của các BCL mới trong TUơng lai. Với mnc đ́ch đó BUớc đầu chúng tôi tiến hành nghiên cứu tiền xử lý NUớc rỉ rác nhằm làm giam hàm LUong các chất ô nhiễm, các chất độc hai với nong độ cao xuong nong độ thấp hơn nhằm mnc đ́ch phnc vn cho các công nghệ xử lý phía sau đat hiệu qua hơn, trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn PHUơng ph́p keo tn điện hóa (KTĐH) để thực hiện đề tài: “Nghiên cúu tiền xử lý ỈUớc ri rác cua bãi rác Nam Soỉ bằng keo tụ điện hóa”.

Đề tài thuộc nhánh nho trong đề tài “Nghiên cứu xử lý NUớc rỉ rác bằng PHUơng ph́p keo tn điện hóa kết hop lọc sinh học” của Viện Hàn Lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam thực hiện trong 2 năm năm 2016 và 2017. 2 Hoàng Văn Hóa môi TRUòng - CHFQNG 1. Tong quan ve NUóc ri rác 1.