Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và nâng cao chất lượng cuộc sống, vấn đề quản lý và xử lý chất thải rắn sinh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết. Tại Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh miền núi phía Bắc như Lạng Sơn, lượng rác thải sinh hoạt gia tăng nhanh chóng, trong khi công tác phân loại và xử lý rác tại nguồn còn hạn chế. Theo số liệu của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lạng Sơn, các bãi chôn lấp rác hiện tại như Tân Lang có công suất xử lý khoảng 300 m³/ngày, nhưng đang dần quá tải. Dự án xây dựng bãi chôn lấp chất thải rắn huyện Đình Lập được phê duyệt nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý rác thải đến năm 2035 với công suất thiết kế 225 tấn/ngày, tương đương 82.000 tấn/năm.

Nước rỉ rác (NRR) phát sinh từ bãi chôn lấp có hàm lượng ô nhiễm cao, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và amoniac, gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác hiệu quả cho bãi chôn lấp huyện Đình Lập, tỉnh Lạng Sơn, tập trung vào ứng dụng phương pháp oxy hóa Fenton để xử lý COD trong NRR. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, tính toán lượng nước rỉ rác phát sinh và thử nghiệm xử lý NRR bằng phương pháp Fenton tại phòng thí nghiệm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững khu vực miền núi phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết xử lý nước rỉ rác: Nước rỉ rác là chất lỏng thấm qua lớp chất thải rắn, chứa các chất hòa tan và lơ lửng, có tính chất biến đổi theo thời gian vận hành bãi chôn lấp. Thành phần chính gồm COD, BOD, NH₄⁺, các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như axit humic và axit fulvic.

  • Mô hình oxy hóa nâng cao (AOPs): Phương pháp Fenton sử dụng H₂O₂ kết hợp Fe²⁺ tạo ra gốc hydroxyl (*OH) có hoạt tính oxy hóa mạnh, phá vỡ cấu trúc các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, chuyển hóa thành các chất dễ phân hủy sinh học hoặc khoáng hóa hoàn toàn thành CO₂ và H₂O.

  • Khái niệm chính:

    • COD (Nhu cầu oxy hóa học): chỉ tiêu đánh giá tổng lượng chất hữu cơ trong nước rỉ rác.
    • BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa): chỉ tiêu đánh giá lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ.
    • Tỷ lệ BOD₅/COD: đánh giá khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác.
    • Phản ứng Fenton: H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + OH⁻ + *OH.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu điều tra thực địa tại bãi chôn lấp huyện Đình Lập, số liệu thống kê dân số và lượng rác thải từ Cục Thống kê tỉnh Lạng Sơn, mẫu nước rỉ rác lấy tại bể Aerotank của bãi chôn lấp Văn Lãng – Lạng Sơn.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích thành phần nước rỉ rác, đo COD, BOD, NH₄⁺, điều chỉnh pH và tiến hành thí nghiệm xử lý bằng phản ứng Fenton tại phòng thí nghiệm. Phân tích thống kê và so sánh hiệu quả xử lý COD trước và sau xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Khảo sát và thu thập số liệu năm 2014-2015, thí nghiệm xử lý Fenton tháng 4 năm 2015, thiết kế hệ thống xử lý hoàn thiện trong năm 2015.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nước rỉ rác được lấy tại 2 thời điểm khác nhau sau bể Aerotank, đảm bảo tính đại diện cho NRR của bãi chôn lấp Đình Lập. Phương pháp lấy mẫu theo tiêu chuẩn TCVN 6663-1/2011, bảo quản lạnh ở 2-4°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính toán lượng nước rỉ rác phát sinh: Lượng nước rỉ rác tối đa từ 2 ô chôn lấp diện tích 3,2 ha là khoảng 299 m³/ngày, tương ứng với công suất xử lý đề xuất 300 m³/ngày. Lượng rác thải cần xử lý đến năm 2035 dự kiến khoảng 82.000 tấn/năm (225 tấn/ngày).

  2. Thành phần nước rỉ rác sau xử lý sinh học Aerotank: COD trung bình 920 mg/L, BOD₅ trung bình 191 mg/L, tỷ lệ BOD₅/COD = 0,2, thấp hơn ngưỡng 0,5 cho thấy nước rỉ rác chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Nồng độ NH₄⁺ cao gấp 17 lần tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT (430 mg/L so với 25 mg/L).

  3. Hiệu quả xử lý COD bằng phương pháp Fenton: Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm với tỷ lệ H₂O₂/Fe²⁺ = 2:1, nồng độ H₂O₂ 600 mg/L, pH điều chỉnh 3,5, thời gian phản ứng 120 phút cho thấy COD giảm đáng kể, nước rỉ rác chuyển màu xanh nhạt sau phản ứng, minh chứng cho sự phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

  4. So sánh với các công nghệ xử lý nước rỉ rác khác: Phương pháp Fenton có ưu điểm chi phí thấp, dễ vận hành, không yêu cầu nhiệt độ cao hay ánh sáng, hiệu quả oxy hóa cao hơn so với chỉ sử dụng H₂O₂ đơn thuần. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu tại bãi chôn lấp Nam Sơn và Phước Hiệp.

Thảo luận kết quả

Lượng nước rỉ rác phát sinh được tính toán dựa trên cân bằng nước, bao gồm lượng nước mưa ngấm, nước sinh ra do phân hủy chất hữu cơ, lượng nước tiêu thụ trong phản ứng và lượng nước bốc hơi. Kết quả cho thấy lượng nước rỉ rác lớn, đòi hỏi hệ thống xử lý có công suất phù hợp để tránh ô nhiễm môi trường.

Tỷ lệ BOD₅/COD thấp chứng tỏ nước rỉ rác chứa nhiều hợp chất khó phân hủy sinh học, do đó phương pháp xử lý sinh học đơn thuần không đủ hiệu quả. Phản ứng Fenton với gốc hydroxyl mạnh có khả năng phá vỡ cấu trúc các hợp chất này, tăng khả năng phân hủy sinh học và giảm COD hiệu quả.

So với các công nghệ xử lý nước rỉ rác trên thế giới như công nghệ của Đức và Hàn Quốc, phương pháp Fenton được đánh giá là phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của địa phương, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành so với công nghệ sử dụng ozone hoặc màng lọc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ COD trước và sau xử lý Fenton, bảng tổng hợp thành phần nước rỉ rác và sơ đồ quy trình công nghệ xử lý đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống xử lý nước rỉ rác công suất 300 m³/ngày tại bãi chôn lấp huyện Đình Lập, bao gồm các công đoạn: bể điều hòa, xử lý sinh học, oxy hóa Fenton và khử trùng, nhằm đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B.

  2. Áp dụng công nghệ oxy hóa Fenton với tỷ lệ H₂O₂/Fe²⁺ = 2:1, pH điều chỉnh khoảng 3,5, thời gian phản ứng 120 phút để xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, giảm COD hiệu quả, tăng khả năng phân hủy sinh học.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật tại bãi chôn lấp, đảm bảo vận hành hệ thống xử lý đúng quy trình, kiểm soát chất lượng nước rỉ rác đầu ra liên tục.

  4. Theo dõi và đánh giá định kỳ chất lượng nước rỉ rác sau xử lý, điều chỉnh công nghệ và liều lượng hóa chất phù hợp với biến động thành phần nước rỉ rác theo thời gian vận hành.

  5. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý bãi chôn lấp huyện Đình Lập phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lạng Sơn, các đơn vị tư vấn kỹ thuật và phòng thí nghiệm môi trường. Thời gian thực hiện: trong vòng 1-2 năm kể từ khi dự án được phê duyệt và xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý môi trường địa phương: Sở Tài nguyên và Môi trường, UBND huyện Đình Lập có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý chất thải rắn và quy hoạch bãi chôn lấp phù hợp.

  2. Các đơn vị vận hành bãi chôn lấp: Ban quản lý bãi chôn lấp và các nhà thầu xử lý chất thải có thể áp dụng công nghệ xử lý nước rỉ rác hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật môi trường: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác, phục vụ nghiên cứu và học tập.

  4. Doanh nghiệp tư vấn và thiết kế công trình môi trường: Tham khảo để phát triển các giải pháp công nghệ xử lý nước rỉ rác phù hợp với điều kiện địa phương, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Fenton là gì và tại sao được chọn để xử lý nước rỉ rác?
    Phương pháp Fenton là quá trình oxy hóa nâng cao sử dụng H₂O₂ và Fe²⁺ tạo gốc hydroxyl có hoạt tính cao để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Phương pháp này được chọn vì chi phí thấp, hiệu quả cao, dễ vận hành và không tạo ra chất độc hại.

  2. Lượng nước rỉ rác phát sinh được tính toán như thế nào?
    Lượng nước rỉ rác được tính dựa trên cân bằng nước, bao gồm lượng nước mưa ngấm vào bãi chôn lấp, nước sinh ra do phân hủy chất hữu cơ, nước tiêu thụ trong phản ứng hóa học và lượng nước bốc hơi. Kết quả cho thấy khoảng 299 m³/ngày tại bãi chôn lấp Đình Lập.

  3. Tỷ lệ BOD₅/COD có ý nghĩa gì trong xử lý nước rỉ rác?
    Tỷ lệ này đánh giá khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ rác. Tỷ lệ >0,4 cho thấy nước rỉ rác dễ phân hủy sinh học, trong khi tỷ lệ thấp như 0,2 cho thấy nhiều hợp chất khó phân hủy, cần áp dụng phương pháp xử lý nâng cao như Fenton.

  4. Hệ thống xử lý nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Đình Lập có những công đoạn chính nào?
    Hệ thống bao gồm bể điều hòa để ổn định lưu lượng và chất lượng nước, xử lý sinh học để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy, quá trình oxy hóa Fenton để xử lý các hợp chất khó phân hủy và khử trùng trước khi thải ra môi trường.

  5. Làm thế nào để đảm bảo hiệu quả vận hành hệ thống xử lý nước rỉ rác?
    Cần đào tạo nhân viên vận hành, kiểm soát các thông số kỹ thuật như pH, liều lượng hóa chất, thời gian phản ứng, đồng thời theo dõi chất lượng nước đầu ra định kỳ để điều chỉnh quy trình xử lý phù hợp.

Kết luận

  • Lượng nước rỉ rác phát sinh tại bãi chôn lấp Đình Lập được tính toán khoảng 299 m³/ngày, tương ứng công suất xử lý 300 m³/ngày là phù hợp.
  • Nước rỉ rác sau xử lý sinh học Aerotank còn chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy với COD trung bình 920 mg/L và tỷ lệ BOD₅/COD = 0,2.
  • Phương pháp oxy hóa Fenton với tỷ lệ H₂O₂/Fe²⁺ = 2:1, pH 3,5, thời gian 120 phút cho hiệu quả giảm COD rõ rệt, phù hợp xử lý nước rỉ rác tại địa phương.
  • Thiết kế hệ thống xử lý nước rỉ rác kết hợp xử lý sinh học và oxy hóa Fenton sẽ giúp đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
  • Khuyến nghị triển khai xây dựng hệ thống xử lý, đào tạo vận hành và theo dõi chất lượng nước rỉ rác định kỳ để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Hành động tiếp theo: Triển khai thiết kế chi tiết và xây dựng hệ thống xử lý nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Đình Lập, đồng thời tổ chức đào tạo vận hành và giám sát môi trường thường xuyên.