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.

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.