Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác (NRR) phát sinh từ các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt là một trong những nguồn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt tại các đô thị lớn như Hà Nội. Theo thống kê, tổng lượng rác thải sinh hoạt tại Hà Nội năm 2015 ước tính khoảng 6.500 tấn/ngày, trong đó phần lớn nước rỉ rác được thu gom và xử lý chủ yếu bằng phương pháp chôn lấp. Tuy nhiên, nước rỉ rác chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và môi trường xung quanh. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn (Hà Nội) bằng phương pháp kết hợp quá trình Fenton quang hóa và công nghệ sinh học Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nước rỉ rác thu thập tại ô chôn lấp số 9 thuộc bãi chôn lấp Nam Sơn, với các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm và mô hình Jartest. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả xử lý COD, BOD5, amoni và các chất ô nhiễm khác trong nước rỉ rác, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn nước ngầm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính: quá trình Fenton quang hóa và công nghệ sinh học MBBR. Quá trình Fenton dựa trên phản ứng giữa ion Fe2+ và hydrogen peroxide (H2O2) tạo ra gốc hydroxyl (OH*), một tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Quá trình Fenton quang hóa bổ sung ánh sáng UV hoặc ánh sáng mặt trời nhằm tái tạo Fe2+ từ Fe3+, tăng hiệu quả tạo gốc OH*. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Fenton gồm pH, tỷ lệ H2O2/Fe2+, nồng độ H2O2, thời gian phản ứng và sự hiện diện của các anion trong dung dịch. Công nghệ MBBR sử dụng giá thể di động phủ màng vi sinh vật, tận dụng khả năng sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật trong lớp biofilm để xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải. Các loại giá thể phổ biến gồm K1, K2, K3, Natrix và Biofilm chip M, với diện tích bề mặt từ 310 đến 900 m2/m3, giúp tăng cường hiệu quả xử lý sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước rỉ rác thu thập tại ô chôn lấp số 9, bãi chôn lấp Nam Sơn, được bảo quản và vận chuyển về phòng thí nghiệm Viện Hóa học vật liệu và Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự để phân tích. Các thí nghiệm xử lý nước rỉ rác được tiến hành trên mô hình Jartest với thể tích 1 lít và mô hình bể MBBR thể tích 20 lít sử dụng giá thể K3. Phương pháp phân tích gồm xác định COD, BOD5, tổng amoni, pH, màu sắc theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế. Thí nghiệm Fenton truyền thống và Fenton quang hóa được thực hiện với các biến số gồm nồng độ H2O2 (400-1000 mg/l), tỷ lệ H2O2/Fe2+ (1:1 đến 4:1), pH (2-5) và thời gian phản ứng (20-40 phút). Thí nghiệm MBBR được tiến hành với khí cấp liên tục, DO duy trì 2-3,5 mg/l, theo dõi các chỉ tiêu COD, amoni và tổng nitơ trong quá trình vận hành. Cỡ mẫu và số lần lặp được thiết kế đảm bảo độ tin cậy của kết quả, dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Excel và phân tích thống kê mô tả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và thời gian phản ứng trong quá trình Fenton truyền thống:

    • Khi tăng nồng độ H2O2 từ 400 mg/l đến 1000 mg/l, hiệu suất xử lý COD tăng từ 20% lên 34,3% sau 20 phút khuấy trộn.
    • Ở thời gian 30 phút, hiệu suất xử lý COD đạt 52,3% với nồng độ H2O2 600 mg/l và tăng lên 60,3% khi thời gian kéo dài 40 phút với nồng độ H2O2 1000 mg/l.
    • Hiệu quả xử lý COD tăng theo thời gian nhưng sự khác biệt giữa 30 và 40 phút không lớn (khoảng 4-5%).

  2. Hiệu quả xử lý bằng quá trình Fenton quang hóa (ánh sáng mặt trời):

    • Quá trình quang Fenton tăng hiệu suất xử lý COD so với Fenton truyền thống khoảng 10-15% ở cùng điều kiện nồng độ H2O2 và thời gian.
    • pH tối ưu cho quá trình quang Fenton là khoảng 3, tương tự như Fenton truyền thống.
    • Tỷ lệ H2O2/Fe2+ tối ưu được xác định là 2:1, phù hợp với các nghiên cứu trước đây.

  3. Hiệu quả xử lý sinh học bằng công nghệ MBBR:

    • Sau giai đoạn thích nghi và ổn định, MBBR xử lý nước rỉ rác đạt hiệu suất loại bỏ COD lên đến 96,87%, amoni giảm 99,72%, tổng photphat giảm 87,92%.
    • DO duy trì trong khoảng 2-3,5 mg/l, nhiệt độ phòng thí nghiệm ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển trên giá thể K3.
    • MBBR có khả năng xử lý hiệu quả các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước rỉ rác, phù hợp cho xử lý nước rỉ rác sau giai đoạn xử lý hóa.

  4. Thành phần nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn:

    • COD dao động khoảng 2.610 mg/l, BOD5 khoảng 943 mg/l, tỷ lệ BOD5/COD là 0,36, cho thấy nước rỉ rác chứa nhiều hợp chất khó phân hủy sinh học.
    • Tổng amoni đo được là 435,7 mg/l, pH nước rỉ rác là 8,5, phù hợp với điều kiện xử lý sinh học sau xử lý hóa.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình Fenton truyền thống có hiệu quả xử lý COD tăng theo nồng độ H2O2 và thời gian phản ứng, tuy nhiên hiệu suất không vượt quá 60% trong điều kiện thử nghiệm. Việc bổ sung ánh sáng mặt trời trong quá trình Fenton quang hóa giúp tái tạo Fe2+ nhanh hơn, tăng sinh gốc hydroxyl, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý COD lên trên 70%. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của ánh sáng trong quá trình quang Fenton.

Công nghệ MBBR thể hiện hiệu quả xử lý sinh học vượt trội với khả năng loại bỏ COD và amoni gần như hoàn toàn, nhờ lớp màng biofilm vi sinh vật phát triển trên giá thể K3 có diện tích bề mặt lớn (350 m2/m3). Việc kết hợp xử lý hóa bằng Fenton quang hóa và xử lý sinh học bằng MBBR giúp xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và các chất dinh dưỡng trong nước rỉ rác, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Biểu đồ hiệu suất xử lý COD theo thời gian và nồng độ H2O2 minh họa rõ sự gia tăng hiệu quả xử lý khi tăng thời gian và nồng độ H2O2, đồng thời thể hiện sự cải thiện đáng kể khi áp dụng quá trình quang Fenton. Bảng so sánh các thông số nước rỉ rác trước và sau xử lý cho thấy sự giảm đáng kể COD, BOD5 và amoni, phù hợp với tiêu chuẩn QCVN 25:2009-BTNMT về nước thải bãi chôn lấp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình xử lý kết hợp Fenton quang hóa và MBBR trong xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp:

    • Động từ hành động: Triển khai, vận hành.
    • Target metric: Giảm COD ≥ 85%, BOD5 ≥ 80%, amoni ≥ 90%.
    • Timeline: 6-12 tháng thử nghiệm và vận hành chính thức.
    • Chủ thể thực hiện: Các công ty xử lý môi trường, ban quản lý bãi chôn lấp.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành quá trình Fenton quang hóa:

    • Động từ hành động: Điều chỉnh, kiểm soát.
    • Target metric: pH duy trì 3 ± 0,2; tỷ lệ H2O2/Fe2+ = 2:1; thời gian phản ứng 30 phút.
    • Timeline: Thường xuyên trong quá trình vận hành.
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm và vận hành.

  3. Sử dụng giá thể K3 trong công nghệ MBBR để tăng diện tích bề mặt sinh học và hiệu quả xử lý:

    • Động từ hành động: Lựa chọn, thay thế.
    • Target metric: Tăng hiệu suất xử lý COD và amoni trên 95%.
    • Timeline: 3-6 tháng thử nghiệm.
    • Chủ thể thực hiện: Nhà cung cấp công nghệ, đơn vị vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành hệ thống xử lý nước rỉ rác:

    • Động từ hành động: Tổ chức, đào tạo.
    • Target metric: Nâng cao kỹ năng vận hành, kiểm soát chất lượng nước thải.
    • Timeline: Định kỳ hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, trường đại học, đơn vị xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị và bãi chôn lấp:

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ xử lý nước rỉ rác hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
    • Use case: Lập kế hoạch cải tạo và nâng cấp hệ thống xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp.

  2. Các công ty xử lý nước thải và môi trường:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ Fenton quang hóa kết hợp MBBR, tối ưu hóa quy trình xử lý.
    • Use case: Thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước rỉ rác cho khách hàng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, hóa học:

    • Lợi ích: Hiểu rõ cơ chế xử lý nước rỉ rác bằng các phương pháp tiên tiến, tham khảo số liệu thực nghiệm.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn tốt nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn xử lý nước rỉ rác.
    • Use case: Ban hành chính sách, hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải bãi chôn lấp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình Fenton quang hóa là gì và có ưu điểm gì so với Fenton truyền thống?
    Quá trình Fenton quang hóa là sự kết hợp giữa phản ứng Fenton và chiếu sáng UV hoặc ánh sáng mặt trời để tái tạo Fe2+ từ Fe3+, tăng sinh gốc hydroxyl (OH*). Ưu điểm là tăng hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, giảm thời gian phản ứng và giảm lượng hóa chất sử dụng.

  2. Tại sao pH tối ưu cho quá trình Fenton là khoảng 3?
    Ở pH ~3, ion Fe2+ tồn tại ổn định và phản ứng tạo gốc OH* diễn ra hiệu quả nhất. pH thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm khả năng tạo gốc hydroxyl do sự kết tủa hoặc oxy hóa Fe2+ không hiệu quả.

  3. Công nghệ MBBR hoạt động như thế nào trong xử lý nước rỉ rác?
    MBBR sử dụng giá thể di động phủ lớp màng vi sinh vật (biofilm) để phân hủy các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải. Vi sinh vật trong biofilm trao đổi chất, chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm ít độc hại hơn như CO2, H2O và N2.

  4. Nồng độ H2O2 và tỷ lệ H2O2/Fe2+ ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Nồng độ H2O2 quá thấp làm giảm sinh gốc OH*, hiệu quả xử lý kém; quá cao gây lãng phí và có thể tạo ra các chất oxy hóa phụ không mong muốn. Tỷ lệ H2O2/Fe2+ tối ưu khoảng 2:1 giúp cân bằng sinh gốc hydroxyl và tái tạo Fe2+ hiệu quả.

  5. Làm thế nào để kết hợp hiệu quả giữa xử lý hóa học và sinh học trong xử lý nước rỉ rác?
    Xử lý hóa học (Fenton quang hóa) được dùng để phân hủy các hợp chất khó phân hủy sinh học, giảm tải ô nhiễm hữu cơ và độc tố. Sau đó, xử lý sinh học (MBBR) tiếp tục xử lý các chất hữu cơ còn lại và dinh dưỡng, đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường.

Kết luận

  • Nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn chứa hàm lượng COD, BOD5 và amoni cao, với tỷ lệ BOD5/COD thấp (0,36), cho thấy nhiều hợp chất khó phân hủy sinh học.
  • Quá trình Fenton truyền thống xử lý nước rỉ rác đạt hiệu suất COD tối đa khoảng 60% trong điều kiện thí nghiệm.
  • Quá trình Fenton quang hóa sử dụng ánh sáng mặt trời cải thiện hiệu quả xử lý COD lên trên 70%, rút ngắn thời gian phản ứng và giảm lượng hóa chất sử dụng.
  • Công nghệ MBBR với giá thể K3 xử lý sinh học nước rỉ rác sau xử lý hóa đạt hiệu suất loại bỏ COD gần 97%, amoni trên 99%, phù hợp cho xử lý nước rỉ rác quy mô phòng thí nghiệm và có tiềm năng ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất triển khai kết hợp Fenton quang hóa và MBBR trong xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

Các bước tiếp theo: Thử nghiệm quy mô pilot, đánh giá chi phí vận hành, đào tạo nhân lực vận hành hệ thống.

Hành động kêu gọi: Các đơn vị quản lý và doanh nghiệp xử lý môi trường nên nghiên cứu và áp dụng công nghệ kết hợp này để nâng cao hiệu quả xử lý nước rỉ rác, góp phần phát triển bền vững.