Đặt vấn đề Với sự bùng nổ dân số như hiện nay, một lượng chất thải rắn khổng lồ phát sinh từ mọi hoạt động kinh tế - xã hội của con người. Tương ứng đó là sự hình thành và phát triển của các bãi chôn lấp chất thải rắn mà hệ lụy về môi trường và xã hội là rất nghiêm trọng. Một trong những vấn đề được quan tâm và kiểm soát đặc biệt tại các bãi chôn lấp chất thải rắn là nước rỉ rác. Các bãi chôn lấp sau một thời gian hình thành sẽ phát sinh nước rỉ rác gây ô nhiễm môi trường nước xung quanh, ảnh hưởng đến hệ động thực vật và cả đời sống của người dân trong khu vực lân cận.
Chính vì vậy, xử lý nguồn ô nhiễm nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp trở nên vô cùng cấp thiết hơn bao giờ hết. Nước rỉ rác chứa rất nhiều thành phần độc hại như các loại chất hữu cơ khó phân hủy, các kim loại nặng Hg, Cd, As, Pb. và đặc biệt là hàm lượng nitơ trong nước rỉ rác thường rất cao, lên đến vài ngàn mg/L. Nitơ và các thảnh phần dinh dưỡng khác nếu không được xử lý triệt để sẽ làm ô nhiễm nguồn nước, ức chế hoạt động của các loài thủy sinh khác.
Chẳng hạn như hiện tượng phú dưỡng hóa do sự phát triển của tảo nhờ môi trường có hàm lượng nitơ cao dẫn đến thiếu oxy trong môi trường nước, gây chết đối với các loài thủy sinh khác. Nếu trước đây hàm lượng nitơ trong nước thường được xử lý theo phương pháp truyền thống gồm 2 giai đoạn là: nitrate hóa và khử nitrate. Quá trình này tiêu tốn một lượng oxy tiêu rất lớn, tương ứng đó là nhu cầu năng lượng cao. Bên cạnh đó việc khử nitrate bắt buộc phải có mặt các chất hữu cơ như là nguồn cung cấp carbon cho vi khuẩn khử nitrate sử dụng, dẫn đến gia tăng chi phí xử lý.
Tất cả điều đó đã là trở ngại của quá trình xử lý nitơ truyền thống. Chính vì vậy, khi quá trình anammox được phát hiện (Mulder và cộng sự, 1995), nó đã mở ra một hướng đi mới trong công nghệ xử lý nitơ và làm sạch nguồn nước. Đẩy nhanh nghiên cứu về các quá trình anammox – trong đó có quá trinh nitrite hóa bán HVTH: Lâm Hoàng Vũ 2 phần (Partial Nitritation) đã trở thành một yêu cầu cấp thiết để công nghệ này nhanh chóng được triển khai trên thực tế. Xuất phát từ những vấn đề trên, đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan (DO) và pH đến quá trình nitrite hóa bán phần xử lý ammonium trong nước rỉ rác cũ” được triển khai thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan (DO) và pH đến quá trình nitrite hóa bán phần xử lý ammonium trong nước rỉ rác cũ. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào các đối tượng sau: - Nước thải rỉ rác cũ với nồng độ nitơ – ammonium cao; - Mô hình nitrite hóa bán phần với giá thể cố định. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện trên nước rỉ rác cũ lấy từ bãi rác Gò Cát, xã Bình Hưng Hòa, huyện Bình Chánh, Tp. HCM với quy mô phòng thí nghiệm từ tháng 09/2013 đến tháng 10/2014.
Ý nghĩa của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Khi nghiên cứu hoàn thành sẽ đóng góp cho khoa học thêm cơ sở lý thuyết cho quá trình nitrite hóa bán phần xử lý ammonium trong nước rỉ rác cũ. Lý thuyết về ảnh hưởng của DO và pH trong quá trình nghiên cứu, vận hành đối với công nghệ kết hợp Partial Nitritation - Anammox để loại bỏ nitơ trong nước rỉ rác cũ. Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu sẽ góp phần đóng góp thêm về lý thuyết công nghệ xử lý nitơ mới đạt hiệu quả cao, chi phí thấp hơn so với quá trình khử nitơ truyền thống đang áp dụng hiện nay.
HVTH: Lâm Hoàng Vũ 3 Trên thực tế, nghiên cứu còn giúp cho các nhà thiết kế, xử lý nước hiểu rõ bản chất của quá trình anammox và có cơ sở để áp dụng, đánh giá công nghệ khi triển khai trên thực tế. Ngoài ra nếu thành công, nghiên cứu còn có thể là giải pháp để áp dụng vào một số ngành nghề có phát sinh chất thải chứa hàm lượng nitơ-ammonium cao như nước thải giết mổ, chăn nuôi, nước thải thủy sản, nước thải cao su. Tính mới của đề tài Nghiên cứu sử dụng mô hình Air-lift Biofixed-Bed với giá thể Polyester Non-woven để đánh giá ảnh hưởng của DO và pH đối với quá trình chuyển hóa ammonium trong nước rỉ rác cũ. HVTH: Lâm Hoàng Vũ 4 CHƯƠNG 2.
Tổng quan về nước rỉ rác 2. Khái quát về nước rỉ rác Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp được tạo thành khi nước hoặc dạng chất lỏng khác thấm qua các tầng lớp chất thải rắn của bãi chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm xuống các tầng dưới của bãi chôn lấp. Nước rỉ rác nếu không được kiểm soát và xử lý triệt để sẽ gây ảnh hưởng nặng nề đến môi trường khu vực xung quanh, đặc biệt là nguồn nước ngầm và nước mặt. Nguồn nước tạo nên nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp có thể hình thành do mưa, tuyết, nước trên mặt đất, nước ngầm hoặc cũng có thể là do nước có sẵn trong chất thải rắn tại bãi chôn lấp (ví dụ: nước trong bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải).
Các hợp chất vô cơ, hữu cơ bị phân hủy thành các thành phần đơn giản hơn sẽ hòa tan trong nước rỉ rác tạo thành một dung dịch có màu từ nâu sẫm cho đến đen. Thành phần ô nhiễm của nước rỉ rác thường bao gồm: i. Các ion chính như: Ca2+ , Mg 2+ , Na+ , Fe2+ , Fe3+ , K + , NH4+ , HCO− 3 , SO2− − 4 ,Cl … ii. Các kim loại nặng: Zn2+ ,Cu2+ , Pb2+ , Ni2+ , Cd2+ , Cr 3+.
Các loại hợp chất hữu cơ khác nhau: thường được biểu hiện thông qua tổng carbon hữu cơ (Total Organic Carbon - TOC) hay nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD) hoặc nhu cầu oxy hóa sinh học (Biological Oxygen Demand - BOD). Ngoài ra còn có các hợp chất hữu cơ độc hại khác với hàm lượng rất thấp như: benzene, phenol, pesticides… iv. Các thành phần vi sinh vật. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác thay đổi và chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố: lượng mưa và mứa độ thâm nhập của nước mưa trên toàn khu vực bãi chôn lấp; thành phần tự nhiên của chất thải; cân bằng mực nước ngầm trong khu vực; tốc độ phân hủy chất thải tự nhiên; phương pháp vận hành và quản lý bãi chôn lấp.
Quá trình HVTH: Lâm Hoàng Vũ 5 phân hủy tự nhiên ảnh hưởng đến chất lượng của nước rỉ rác được thể hiện ở hình 2.1 sau: Proteins Carbohydrate Lipids Hydrolysis s Amino Simple Clycerol Acids Sugars and long- chain fatty acids 𝑁𝐻4+ Acetogenic Propionate, butyrate H2 + CO2 Acetate Isobutyrate, valerate Isovalerate, caproate Acetate H2 + CO2 + Methanogenic CH4 CH4 + CO2 CH4 Hình 2.1 Quá trình phân hủy sinh học trong bãi chôn lấp (Judith và Gev, 1994).1 cho thấy quá trình phân hủy của các hợp chất hữu cơ trong bãi chôn lấp qua 3 giai đoạn chính là: thủy phân (hydrolysis), acid hóa (acetogenic) và methane hóa (methanogenic). Giai đoạn acid hóa có nồng độ chất hữu cơ lớn, tỷ lệ BOD/COD khá HVTH: Lâm Hoàng Vũ 6 cao. Trong khi đó giai đoạn methane hóa do quá trình khí hóa nên hàm lượng chất hữu cơ giảm đi khá nhiều. Tuy nhiên, nồng độ, thành phần chất hữu cơ trong nước rỉ rác còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác và dao động rất lớn tùy theo vị trí, thời gian… Bên cạnh đó còn có sự khác nhau rất lớn trong nước rỉ rác của bãi chôn lấp cũ và bãi chôn lấp mới.
Một bãi chôn lấp cũ (hoạt động lâu năm), các hợp chất đã trải qua thời gian dài phân hủy nên sẽ có thành phần khá ổn định. Các hợp chất hữu cơ phân hủy hoàn toàn, các hợp chất vô cơ bị rửa trôi. Ngược lại, trong bãi chôn lấp mới có nồng độ ô nhiễm cao hơn nhiều so với bãi chôn lấp cũ. Bãi chôn lấp mới có pH rất thấp, nồng độ BOD và COD lên tới vài chục ngàn mg/L, các kim loại nặng vẫn còn tồn tại với hàm lượng đáng lưu ý.1 cho thấy sự khác nhau giữa thành phần trong nước rỉ rác cũ và mới của bãi chôn lấp Gò Cát, Tp.Hồ Chí Minh.1 Thành phần nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Gò Cát Thành phần Đơn vị Nước rò rỉ mới Nước rò rỉ cũ pH - 4,89-6,41 7,81-7,89 TDS mg/L 7300-16200 6040-14145 Độ kiềm mgCaCO3//L 5833-9667 1260-1867 SS mg/L 1760-4311 169-243 COD mgO2/L 38533-65333 1079-2507 BOD5 mgO2/L 30000-48000 200-735 TN mg/L 977-1800 515-1877 N-NH4+ mg/L 781-1764 512-1874 Phospho tổng mg/L 55,8-89,6 4,7-10,1 HVTH: Lâm Hoàng Vũ 7 Độ cứng tổng mgCaCO3//L 5833 - 9667 1260 - 1720 Ca2+ mg/L 1670-2739 60-80 Mg2+ mg/L 404-687 297-381 Cl- mg/L 3960-4500 1450-2697 SO42- mg/L 1400-1590 7,5-14 Fe tổng mg/L 204 - 208 4,5 Cr tổng mg/L 0,04-0,05 - Zn mg/L 93-202 - Pb mg/L 0,32-1,9 - Cd mg/L 0,02-0,1 - (Nguồn: CENTENMA, 2003) 2.
Một số đặc điểm của nước rỉ rác 2. pH pH là thông số quan trọng đối với nước thải rỉ rác. Nó có ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý sinh học. Diễn biến sự thay đổi pH trong nước rỉ rác chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố như: hoạt động của nhóm vi sinh vật kỵ khí và hiếu khí (làm giảm pH); quá trình quang tổng hợp của tảo; thực vật thủy sinh (làm tăng pH); quá trình pha loãng, bay hơi, thông khí trong quá trình vận hành bãi chôn lấp.
Thông thường pH trong bãi chôn lấp tăng cao vào mùa khô và giảm nhẹ vào mùa mưa. Độ kiềm Độ kiềm thể hiện cho khả năng thu nhận proton (acid, H+) trong môi trường nước. Proton nhận được sẽ làm giảm pH của nước. Nguyên nhân tạo nên độ kiềm trong HVTH: Lâm Hoàng Vũ 8 nước là do ion như carbonate (CO2− − − 3 ), bicarbonate (HCO3 ), ion hydroxyl (OH ), 3− phosphates (H2 PO− 2− 4 , HPO4 , PO4 ).
Khi pH của nước lớn hơn 8.2, các hợp chất gây nên độ kiểm chủ yếu là OH− , HPO2− 2− 4 , CO3. Ngược lại khi pH nhỏ hơn 8.2, chủ yếu là HCO− 3. Trong thời gian ngắn, độ kiềm của nước là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành các muối có gốc acid yếu như acid carbonic (H2 CO3 ), acid silicic (H2 SiO3 ), acid phosphoric (H3 PO4 ). Sự tồn tại của các muối này phụ thuộc vào pH của môi trường.
