Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác (NRR) từ các bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng, chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh. Tại Việt Nam, với hơn 660 bãi chôn lấp tiếp nhận khoảng 20.200 tấn rác thải mỗi ngày, chỉ khoảng 30% bãi chôn lấp đạt tiêu chuẩn hợp vệ sinh, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường do NRR rất lớn. Thành phần NRR biến động theo tuổi bãi chôn lấp, với COD dao động từ 327 đến 22.783 mg/L và độ màu cao, vượt xa các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường. Việc xử lý NRR hiệu quả là thách thức lớn, đặc biệt khi các phương pháp truyền thống như keo tụ, sinh học hay màng lọc đều có hạn chế về hiệu suất và chi phí.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng hệ thống Fenton điện hóa kết hợp oxy hóa anot sử dụng điện cực anot Ti/PbO2 để xử lý COD và độ màu trong NRR bãi rác Nam Sơn, Hà Nội. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, giảm thời gian và chi phí điện năng so với các phương pháp đơn lẻ. Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm với mẫu NRR lấy từ hồ sinh học Nam Sơn, có COD ban đầu khoảng 6.600-7.200 mg/L và độ màu 220-225 Pt-Co, vượt quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải rắn đô thị, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính về quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) trong xử lý nước thải:

  1. Quá trình Fenton điện hóa (EF): Đây là quá trình tạo gốc hydroxyl (OH●) mạnh oxy hóa các chất hữu cơ nhờ phản ứng giữa H2O2 và ion Fe2+ được sinh ra trực tiếp trong dung dịch qua phản ứng điện hóa. H2O2 được tạo ra trên điện cực catot từ oxy hòa tan, trong khi Fe3+ được khử trở lại Fe2+ trên catot, duy trì chu trình xúc tác. Quá trình này hiệu quả ở pH axit (~3) và giúp giảm lượng hóa chất sử dụng so với Fenton truyền thống.

  2. Quá trình oxy hóa anot (AO): Gốc OH● được sinh ra trực tiếp trên bề mặt điện cực anot Ti/PbO2 nhờ oxy hóa nước. Vật liệu Ti/PbO2 có quá thế oxy hóa cao (>1,23 V), giúp oxy hóa triệt để các chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Quá trình này hoạt động hiệu quả trên dải pH rộng, không sinh bùn sắt và chi phí vận hành thấp do không cần hóa chất bổ sung.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: COD (nhu cầu oxy hóa học), độ màu (đơn vị Pt-Co), và gốc hydroxyl OH● (tác nhân oxy hóa mạnh trong AOP).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu NRR được lấy từ hồ sinh học bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội, bảo quản lạnh ở 4°C. Các thông số ban đầu gồm COD 6.600-7.200 mg/L, độ màu 220-225 Pt-Co, pH 8,2-8,5.

  • Thiết bị thí nghiệm: Hệ thống điện hóa gồm bể điện phân Plexiglas (210x150x180 mm), nguồn điện một chiều DC có thể điều chỉnh cường độ dòng điện, bộ sục khí cung cấp oxy liên tục. Điện cực anot Ti/PbO2 kích thước 100x120 mm và catot vải cacbon cùng kích thước.

  • Phương pháp phân tích: Đo pH theo TCVN 6492:2011, COD theo TCVN 6491:1999, độ màu theo tiêu chuẩn quốc gia. Số liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Excel.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm với các bước khảo sát ảnh hưởng của pH, mật độ dòng điện, thời gian điện phân, nồng độ Fe2+ và tải lượng chất ô nhiễm đến hiệu quả xử lý COD và độ màu. So sánh hiệu quả giữa ba hệ thống: Fenton điện hóa (EF), oxy hóa anot (AO) và kết hợp EF-AO.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của pH: Hiệu suất xử lý COD và độ màu đạt cao nhất ở pH khoảng 3, với hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 85% và độ màu giảm 80%. Ở pH tự nhiên (8,2-8,5), hiệu quả giảm đáng kể do sự kết tủa của Fe3+ và giảm sinh gốc OH●.

  2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện và thời gian điện phân: Tăng mật độ dòng điện từ 10 đến 30 mA/cm² và thời gian điện phân từ 30 đến 120 phút làm tăng hiệu suất xử lý COD từ 60% lên 90% và độ màu từ 55% lên 85%. Tuy nhiên, mật độ dòng điện quá cao gây tiêu hao năng lượng lớn và giảm hiệu suất Faraday.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ Fe2+: Nồng độ Fe2+ tối ưu khoảng 0,5 mM, giúp duy trì chu trình Fenton hiệu quả, tăng sinh gốc OH●. Quá cao (>1 mM) gây kết tủa Fe(OH)3 làm giảm diện tích tiếp xúc điện cực và hiệu quả xử lý.

  4. So sánh hiệu quả giữa các hệ thống: Hệ thống kết hợp EF-AO cho hiệu suất xử lý COD và độ màu cao nhất, lần lượt đạt 92% và 88%, vượt trội so với EF (85% COD, 80% độ màu) và AO (78% COD, 75% độ màu). Hệ EF-AO cũng giảm thời gian xử lý và tiêu thụ điện năng so với các hệ đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của hệ EF-AO được giải thích do sự kết hợp tạo gốc OH● trên cả catot (qua quá trình Fenton điện hóa) và anot (oxy hóa anot), tăng tổng lượng gốc oxy hóa mạnh trong dung dịch. Điều này giúp phân hủy nhanh các hợp chất hữu cơ phức tạp trong NRR, giảm COD và độ màu hiệu quả hơn. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về AOP, đồng thời khắc phục nhược điểm của từng phương pháp riêng lẻ như yêu cầu pH thấp của Fenton truyền thống hay hiệu suất thấp của oxy hóa anot đơn thuần.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa pH, mật độ dòng điện, thời gian điện phân với hiệu suất xử lý COD và độ màu, cũng như bảng so sánh hiệu quả giữa ba hệ thống EF, AO và EF-AO. Các kết quả này góp phần làm rõ cơ chế và điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế công nghệ xử lý NRR bằng điện oxy hóa nâng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ EF-AO trong xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp: Khuyến nghị các cơ sở xử lý rác thải đô thị triển khai hệ thống điện hóa sử dụng điện cực Ti/PbO2 kết hợp vải cacbon để nâng cao hiệu quả xử lý COD và độ màu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Điều chỉnh pH trước xử lý: Để tối ưu hiệu quả quá trình Fenton điện hóa, cần điều chỉnh pH NRR về khoảng 3 trước khi xử lý, đồng thời xử lý nâng pH sau xử lý để loại bỏ bùn sắt kết tủa, đảm bảo an toàn môi trường. Chủ thể thực hiện là các nhà quản lý bãi chôn lấp và đơn vị vận hành.

  3. Tối ưu hóa mật độ dòng điện và nồng độ Fe2+: Đề xuất nghiên cứu thêm để xác định chính xác mật độ dòng điện và nồng độ Fe2+ phù hợp với từng loại NRR cụ thể nhằm tiết kiệm điện năng và chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng.

  4. Phát triển quy trình kết hợp xử lý sinh học sau điện hóa: Nước rỉ rác sau xử lý EF-AO có khả năng phân hủy sinh học cao hơn, do đó cần xây dựng quy trình xử lý sinh học tiếp theo để hoàn thiện hệ thống xử lý tổng thể, giảm chi phí và tăng hiệu quả. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành bãi chôn lấp: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ xử lý nước rỉ rác hiệu quả, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết, phương pháp và kết quả thực nghiệm về công nghệ điện oxy hóa nâng cao, là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Thông tin về vật liệu điện cực Ti/PbO2 và vải cacbon cùng quy trình xử lý EF-AO giúp phát triển sản phẩm và dịch vụ xử lý nước thải rắn đô thị.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật trong xử lý nước rỉ rác, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình Fenton điện hóa khác gì so với Fenton truyền thống?
    Fenton điện hóa tạo H2O2 và tái sinh Fe2+ trực tiếp trong dung dịch qua phản ứng điện hóa, giảm lượng hóa chất sử dụng và bùn thải so với Fenton truyền thống, đồng thời dễ kiểm soát quá trình.

  2. Tại sao chọn vật liệu điện cực Ti/PbO2 cho anot?
    Ti/PbO2 có quá thế oxy hóa cao, độ dẫn điện tốt, chi phí thấp và thời gian sử dụng lâu, phù hợp để tạo gốc OH● hiệu quả trong quá trình oxy hóa anot.

  3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý như thế nào?
    pH thấp (~3) tối ưu cho quá trình Fenton điện hóa do tăng sinh gốc OH● và hạn chế kết tủa Fe(OH)3, trong khi oxy hóa anot hoạt động hiệu quả trên dải pH rộng, giúp linh hoạt trong xử lý thực tế.

  4. Hệ thống EF-AO có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Mặc dù có tiềm năng cao, việc mở rộng quy mô cần giải quyết các vấn đề về an toàn điện, hiệu suất Faraday và chi phí đầu tư, đòi hỏi nghiên cứu thêm và thiết kế hệ thống phù hợp.

  5. Nước rỉ rác sau xử lý có thể xả thải trực tiếp không?
    Sau xử lý EF-AO, nước rỉ rác giảm đáng kể COD và độ màu, tăng khả năng phân hủy sinh học, nhưng cần kết hợp xử lý sinh học tiếp theo để đảm bảo đạt quy chuẩn xả thải theo quy định.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phát triển thành công hệ thống kết hợp Fenton điện hóa và oxy hóa anot sử dụng điện cực Ti/PbO2 và vải cacbon để xử lý COD và độ màu trong nước rỉ rác Nam Sơn.
  • Hệ EF-AO cho hiệu suất xử lý COD đạt 92% và độ màu giảm 88%, vượt trội so với các phương pháp đơn lẻ.
  • Các yếu tố như pH, mật độ dòng điện, thời gian điện phân và nồng độ Fe2+ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý, với điều kiện tối ưu được xác định.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung cơ sở khoa học cho ứng dụng công nghệ điện oxy hóa nâng cao trong xử lý nước thải rắn đô thị tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô, tối ưu hóa quy trình và kết hợp xử lý sinh học để hoàn thiện hệ thống xử lý nước rỉ rác hiệu quả, thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô pilot và phối hợp với các đơn vị quản lý bãi chôn lấp để ứng dụng công nghệ vào thực tế, góp phần cải thiện chất lượng môi trường và sức khỏe cộng đồng.