Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế kéo theo khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn. Tại Việt Nam, phương pháp xử lý rác thải phổ biến nhất vẫn là thu gom và chôn lấp. Do rác thải chưa được phân loại triệt để tại nguồn và nhiều bãi chôn lấp chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật vệ sinh, quá trình phân hủy sinh hóa tự nhiên kết hợp với nước mưa ngấm qua các tầng rác đã tạo ra lượng lớn nước rỉ rác (NRR). Nước rỉ rác là loại nước thải phức tạp, chứa hàm lượng chất hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng và đặc biệt là nồng độ amoni ($NH_4^+$) rất cao.

Amoni tồn tại nồng độ cao trong nước rỉ rác là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng. Khi phát tán vào môi trường nước mặt và nước ngầm, amoni kích thích quá trình phú dưỡng hóa, làm suy giảm lượng oxy hòa tan ($DO$). Trong điều kiện tự nhiên, amoni chuyển hóa thành nitrit ($NO_2^-$) và nitrat ($NO_3^-$). Nitrit có khả năng cạnh tranh oxy với hemoglobin trong máu và kết hợp với các hợp chất hữu cơ bậc hai, bậc ba tạo thành nitrosamine gây ung thư. Việc xử lý triệt để amoni trong nước rỉ rác nhằm đáp ứng các quy chuẩn môi trường là yêu cầu cấp thiết nhưng còn gặp nhiều trở ngại kỹ thuật.

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu xử lý amoni trong nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học" do sinh viên Cấn Thị Mai Tú thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS. Lê Cao Khải (GVC. Lê Cao Khải) và sự hỗ trợ thực nghiệm từ Phòng Công nghệ Hóa lý môi trường – Viện Công nghệ Môi trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), tập trung giải quyết bài toán này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí (tỷ lệ thời gian sục/thời gian dừng) đến hiệu quả xử lý amoni trong nước rỉ rác bằng công nghệ lọc sinh học.
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tải lượng amoni đầu vào (thông qua thay đổi lưu lượng nước thải) đến hiệu suất làm việc của hệ thống lọc sinh học.
  3. Lựa chọn các thông số vận hành tối ưu nhằm đưa nồng độ amoni trong nước rỉ rác sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn (QCVN 25:2009/BTNMT cột A).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước rỉ rác đã qua công đoạn tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ điện hóa (sử dụng điện cực sắt) và hệ thống bể lọc sinh học sử dụng giá thể bám dính nhựa polyethylene (PE).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C} - 32^\circ\text{C}$), khoảng pH đầu vào từ 8,0 đến 8,9, tập trung vào sự biến thiên hiệu suất khử amoni theo các chế độ sục khí và tải lượng nạp chất ô nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên cơ chế phân hủy sinh hóa của chất thải rắn và quá trình chuyển hóa hợp chất nitơ trong hệ thống bùn vi sinh dính bám:

  • Cơ chế hình thành nước rỉ rác: Quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp diễn ra qua 5 giai đoạn: thích nghi ban đầu, chuyển tiếp, lên men axit, lên men metan và giai đoạn ổn định. Đặc tính nước rỉ rác thay đổi theo độ tuổi bãi rác: bãi rác mới ($<5$ năm) có pH thấp ($<6{,}5$), tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} > 0{,}3$, nồng độ axit béo bay hơi cao; bãi rác lâu năm ($>10$ năm) có pH kiềm hóa ($>7{,}5$), $\text{BOD}_5/\text{COD} < 0{,}1$, chứa nhiều hợp chất mùn fulvic và humic khó phân hủy sinh học cùng nồng độ amoni cao và kéo dài.
  • Quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong lọc sinh học: Vi sinh vật bám dính trên giá thể PE thực hiện quá trình oxy hóa amoni thành nitrit thông qua vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat nhờ Nitrobacter trong điều kiện hiếu khí (sục khí). Trong pha thiếu khí (ngừng sục khí), các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử để chuyển hóa thành khí nitơ ($N_2$) thoát ra ngoài khí quyển.

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận áp dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chuyên ngành Hóa Môi trường:

  • Phương pháp thu thập và tổng quan tài liệu: Hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về thành phần hóa lý của nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp (Nam Sơn, Tràng Cát, Gò Cát, Thủy Phương, Xuân Sơn...) và các kỹ thuật xử lý nitơ trong nước thải.
  • Phương pháp phân tích đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Xác định nồng độ amoni ($NH_4^+$) trong các mẫu nước đầu vào và đầu ra dựa trên phản ứng tạo màu và đo độ hấp thụ quang (Abs) ở bước sóng $\lambda = 672\text{ nm}$ trên thiết bị quang phổ APEL PD-303S (Nhật Bản).
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình lọc sinh học: Thiết lập hệ thống bể lọc sinh học gắn giá thể nhựa PE tạo màng vi sinh, vận hành liên tục có kiểm soát lưu lượng, chế độ cấp khí ngắt quãng và kiểm soát oxy hòa tan ($DO$).
  • Phương pháp xử lý và tính toán số liệu:
    • Phương trình đường chuẩn amoni: $$y = 1{,}2936x + 0{,}0003 \quad (R^2 = 0{,}9998)$$ Trong đó $x$ là độ hấp thụ quang (Abs), $y$ là nồng độ amoni (mg/L).
    • Chuyển đổi giữa nồng độ amoni và nồng độ nitơ amoni: $$[N-NH_4^+] = \frac{[NH_4^+] \times 14}{18}\text{ (mg/L)}$$
    • Công thức tính tải lượng nạp amoni ($L$): $$L = \frac{C_{\text{vào}} \times Q_{\text{vào}}}{V \times 1000}\text{ (kg/m}^3\cdot\text{ngày)}$$
    • Công thức tính hiệu suất xử lý ($H$): $$H = \frac{C_{\text{vào}} - C_{\text{ra}}}{C_{\text{vào}}} \times 100%$$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nước rỉ rác, amoni và phương pháp lọc sinh học

Chương này tổng kết toàn diện cơ sở lý thuyết và các số liệu nghiên cứu về nước rỉ rác:

  • Thành phần hóa lý: Nước rỉ rác chứa nồng độ chất hữu cơ cao, dao động rộng. Tác giả tổng hợp dữ liệu so sánh đặc trưng nước rỉ rác ở bãi mới và bãi cũ, cũng như số liệu quan trắc tại các bãi chôn lấp lớn ở Việt Nam:
Bãi chôn lấp pH COD (mg/L) $\text{BOD}_5$ (mg/L) Tỉ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ Tổng $NH_4^+$ (mg/L) Tuổi bãi (năm)
Tràng Cát (Hải Phòng) 6,81 – 7,98 623 – 2.540 495 – 12.150 0,370 – 0,465 423 – 2.887 7
Nam Sơn (Hà Nội) 7,4 – 7,6 1.655 – 22.814 – 0,485 – 0,540 184 – 543 7
Gò Cát (TP.HCM) 7,7 – 8,5 – – 0,459 – 0,547 – 9
Thủy Phương (Huế) 6,5 – 8,22 – – 0,234 – 0,163 17,2 2
Xuân Sơn (Hà Nội) 7,7 – – 0,670 – 10
  • Tổng quan về amoni và công nghệ lọc sinh học: Trình bày chi tiết độc tính của amoni đối với hệ sinh thái nước, các tiêu chuẩn xả thải và cơ chế dính bám của màng vi sinh trên giá thể trơ. Bể lọc sinh học kết hợp vùng hiếu khí và thiếu khí giúp thực hiện đồng thời hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa, tiết kiệm diện tích xây dựng và chi phí vận hành so với phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng truyền thống.

Chương 2: Đối tượng, phương pháp và nội dung nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, đặc tính nước thải và hệ thống thiết bị:

  • Chuẩn bị mẫu nước thải: Nước rỉ rác đầu vào mô hình được lấy sau công đoạn keo tụ điện hóa nhằm loại bỏ phần lớn cặn lơ lửng và chất hữu cơ khó tan, hạn chế gây tắc nghẽn bể lọc.
  • Mô hình thí nghiệm: Sử dụng bể phản ứng sinh học có đệm giá thể nhựa PE chuyên dụng. Tiến hành nuôi cấy, thích nghi và tạo màng sinh khối vi sinh vật trên giá thể trước khi đi vào các chu kỳ đo đạc chính thức.
  • Thiết kế nội dung khảo sát:
    • Nội dung 1: Khảo sát 3 chế độ sục khí ngắt quãng theo tỷ lệ thời gian sục/dừng là 60/60 phút, 45/75 phút và 30/90 phút. Lưu lượng nạp cố định $3\text{ L/ngày}$, nhiệt độ $25^\circ\text{C} - 32^\circ\text{C}$, $\text{pH} = 8{,}0 - 8{,}9$. Mẫu được theo dõi liên tục trong 5 ngày cho mỗi chế độ.
    • Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của tải lượng amoni bằng cách thay đổi lưu lượng nước thải nạp vào bể ở các mức $2, 3, 4, 5, 6\text{ L/ngày}$ tại chế độ sục khí tối ưu được chọn từ nội dung 1. Mỗi dải tải lượng vận hành ổn định trong 5 ngày.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này công bố và phân tích các số liệu thực nghiệm thu được:

1. Đặc điểm vận hành của hệ lọc sinh học

  • Sau 5 tuần vận hành ban đầu, nước trong bể chuyển dần sang màu vàng đặc trưng. Hiện tượng này được giải thích do sự tồn dư các ion sắt từ công đoạn keo tụ điện hóa dùng điện cực sắt; ion $\text{Fe}^{2+}$ hòa tan tiếp tục bị oxy hóa bởi oxy không khí thành $\text{Fe}^{3+}$, tích tụ dần tạo màu vàng.
  • Màng vi sinh bám trên giá thể nhựa PE phát triển dày và có màu vàng nâu. Lớp màng ở ngăn thiếu khí (không sục khí) quan sát thấy dày hơn ngăn hiếu khí, do lực cắt dòng khí từ hệ thống sục khí ở ngăn hiếu khí làm bong tróc một phần màng sinh học và cuốn trôi sang vùng lắng/thiếu khí.
  • Nồng độ oxy hòa tan ($DO$) biến thiên theo chu kỳ: khi bắt đầu sục khí đạt $3{,}0 - 4{,}5\text{ mg/L}$; khi bắt đầu ngừng sục giảm xuống $0{,}8 - 1{,}2\text{ mg/L}$; trong giai đoạn lắng/thiếu khí duy trì ở mức $0{,}02 - 0{,}08\text{ mg/L}$.

2. Xây dựng đường chuẩn phân tích amoni

Số liệu thực nghiệm xây dựng đường chuẩn đo quang UV-Vis tại bước sóng $\lambda = 672\text{ nm}$:

Thông số Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
Nồng độ $C_{N-NH_4^+}$ (mg/L) 0 0,1 0,2 0,4 0,8 1,0
Độ hấp thụ quang (Abs) 0 0,079 0,150 0,309 0,626 0,767

Phương trình hồi quy tuyến tính đạt hệ số tương quan rất cao ($R^2 = 0{,}9998$), khẳng định phương pháp đo quang bảo đảm độ tin cậy và độ chính xác để định lượng amoni trong mẫu nước rỉ rác pha loãng.

3. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý

Kết quả khảo sát 3 chế độ sục khí ngắt quãng trong điều kiện lưu lượng $3\text{ L/ngày}$:

Chế độ sục/dừng (phút) Nồng độ $NH_4^+$ vào (mg/L) Nồng độ $NH_4^+$ ra (mg/L) Hiệu suất xử lý trung bình (%)
60 : 60 633,39 1,25 99,80
45 : 75 625,37 0,75 99,93
30 : 90 639,60 0,19 99,97

Cả 3 chế độ đều cho hiệu suất phân hủy amoni rất cao ($>99%$), nồng độ đầu ra đều đạt tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên, chế độ sục/dừng 30/90 phút đạt hiệu suất cao nhất ($99{,}97%$) và nồng độ amoni đầu ra thấp nhất ($0{,}19\text{ mg/L}$). Nguyên nhân là việc kéo dài thời gian thiếu khí (90 phút) đã thúc đẩy triệt để phản ứng khử nitrat, tránh hiện tượng tích lũy sản phẩm trung gian ức chế ngược vi sinh vật nitrat hóa.

4. Ảnh hưởng của tải lượng nạp amoni đầu vào

Cố định chế độ sục/dừng ở mức 30/90 phút, thay đổi tải lượng amoni bằng cách tăng lưu lượng nạp từ 2 đến 6 L/ngày:

Lưu lượng nạp (L/ngày) Tải lượng amoni nạp ($L$, $\text{kg/m}^3\cdot\text{ngày}$) Nồng độ $NH_4^+$ vào (mg/L) Nồng độ $NH_4^+$ ra (mg/L) Hiệu suất xử lý trung bình (%)
2 0,07 767,92 0,08 99,98
3 0,11 717,99 0,39 99,94
4 0,13 651,50 0,67 99,87
5 0,17 673,75 1,60 99,61
6 0,21 711,78 4,79 99,25

Số liệu chỉ ra quy luật: khi tải lượng nạp tăng từ $0{,}07$ đến $0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$, hiệu suất xử lý có xu hướng giảm nhẹ từ $99{,}98%$ xuống $99{,}25%$, nồng độ amoni đầu ra tăng từ $0{,}08\text{ mg/L}$ lên $4{,}79\text{ mg/L}$. Điều này là do sinh khối vi sinh vật trong hệ thống có giới hạn chuyển hóa nhất định; khi lượng chất nền đưa vào tăng cao, thời gian lưu nước thực tế giảm khiến vi sinh vật không kịp chuyển hóa hết amoni.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

  1. Xác lập chế độ cấp khí tối ưu: Chế độ sục khí ngắt quãng với tỷ lệ thời gian sục/dừng là 30 phút/90 phút mang lại hiệu quả cao nhất ($99{,}97%$), giảm tiêu hao năng lượng cấp khí so với các chế độ sục liên tục hoặc chu kỳ sục dài (60/60 phút).
  2. Xác định giới hạn tải lượng nạp: Trong toàn bộ dải tải lượng khảo sát từ $0{,}07$ đến $0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$, hệ lọc sinh học bám dính PE đều duy trì hiệu suất xử lý amoni trên $99%$.
  3. Mức độ đáp ứng quy chuẩn môi trường: Tại ngưỡng tải lượng cao nhất ($0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$, tương ứng lưu lượng $6\text{ L/ngày}$), nồng độ amoni dòng ra đạt $4{,}79\text{ mg/L}$, vẫn nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 25:2009/BTNMT cột A ($NH_4^+ \le 5\text{ mg/L}$).

Đóng góp về mặt giải pháp kỹ thuật

Khóa luận đã chứng minh tính khả thi của việc kết hợp tiền xử lý hóa lý (keo tụ điện hóa) với xử lý sinh học màng dính bám (lọc sinh học ngắt quãng) để loại bỏ tải lượng amoni cực cao trong nước rỉ rác. Giải pháp này giúp kiểm soát tốt các chất ức chế sinh học ban đầu và tối ưu hóa chi phí vận hành máy sục khí tại các trạm xử lý nước rỉ rác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với lưu lượng nạp nhỏ ($2 - 6\text{ L/ngày}$), chưa đánh giá sự biến động tải lượng lớn theo mùa mưa - nắng tại thực địa.
    • Đề tài tập trung phân tích động thái của amoni ($NH_4^+$) và $DO$, chưa theo dõi chi tiết đồng thời nồng độ các dạng nitơ khác trong nước (như $NO_2^-$, $NO_3^-$, tổng nitơ TKN) và hàm lượng COD còn lại sau hệ lọc sinh học.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng quy mô thử nghiệm lên hệ pilot tại trạm xử lý nước rỉ rác thực tế nhằm kiểm chứng độ bền màng sinh học và khả năng chịu sốc tải.
    • Nghiên cứu bổ sung chu trình rửa lọc định kỳ cho giá thể PE để tránh hiện tượng tắc nghẽn do cặn sắt ($\text{Fe}^{3+}$) bám dính lâu ngày.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Hóa học, Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường: Tham khảo quy trình thiết lập đường chuẩn đo quang UV-Vis phân tích amoni, phương pháp vận hành mô hình lọc sinh học màng bám dính và cách thức tính toán tải lượng nitơ.
  • Kỹ sư vận hành công trình xử lý nước thải: Sử dụng các thông số tỷ lệ sục/dừng (30/90 phút) và ngưỡng giới hạn tải lượng ($0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$) làm cơ sở điều chỉnh chế độ công nghệ cho các bể lọc sinh học xử lý nước thải giàu amoni.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nước rỉ rác trong hệ lọc sinh học lại chuyển sang màu vàng sau thời gian vận hành?
Nước chuyển sang màu vàng là do nước thải đầu vào đã qua công đoạn tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa sử dụng điện cực sắt. Các ion $\text{Fe}^{2+}$ sinh ra từ phản ứng điện phân tiếp tục bị oxy hóa bởi oxy hòa tan trong bể lọc sinh học tạo thành ion $\text{Fe}^{3+}$, tích tụ dần làm nước có màu vàng đặc trưng.

2. Bước sóng và phương trình đường chuẩn được sử dụng để xác định nồng độ amoni là gì?
Nồng độ amoni được phân tích bằng phương pháp so màu trên thiết bị UV-Vis APEL PD-303S tại bước sóng $\lambda = 672\text{ nm}$. Phương trình đường chuẩn thực nghiệm thu được là $y = 1{,}2936x + 0{,}0003$ với hệ số tương quan $R^2 = 0{,}9998$.

3. Chế độ sục khí nào cho hiệu quả khử amoni tốt nhất trong các chế độ khảo sát?
Chế độ sục/dừng 30 phút/90 phút cho kết quả tốt nhất với hiệu suất khử amoni đạt $99{,}97%$, đưa nồng độ amoni từ $639{,}60\text{ mg/L}$ giảm xuống còn $0{,}19\text{ mg/L}$, đồng thời giúp tiết kiệm điện năng sục khí so với các chế độ 60/60 phút và 45/75 phút.

4. Nồng độ oxy hòa tan ($DO$) trong bể lọc sinh học thay đổi như thế nào qua các chu kỳ?
Lượng oxy hòa tan ($DO$) đo được ở các thời điểm: khi bắt đầu sục khí đạt khoảng $3{,}0 - 4{,}5\text{ mg/L}$; khi bắt đầu ngừng sục khí giảm còn $0{,}8 - 1{,}2\text{ mg/L}$; và trong giai đoạn lắng/thiếu khí duy trì ở mức $0{,}02 - 0{,}08\text{ mg/L}$.

5. Giới hạn tải lượng amoni đầu vào tối đa để nước sau xử lý đạt QCVN 25:2009/BTNMT cột A là bao nhiêu?
Để nồng độ amoni đầu ra không vượt quá quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A ($NH_4^+ \le 5\text{ mg/L}$), tải lượng nạp amoni đầu vào của hệ thống không được vượt quá ngưỡng $0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$ (tương ứng nồng độ đầu ra thực nghiệm đạt $4{,}79\text{ mg/L}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Cấn Thị Mai Tú đã hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm xử lý amoni trong nước rỉ rác sau keo tụ điện hóa bằng phương pháp lọc sinh học bám dính trên giá thể nhựa PE. Nghiên cứu xác định chế độ sục khí gián đoạn 30 phút sục/90 phút dừng là điều kiện vận hành tối ưu, vừa bảo đảm quá trình nitrat hóa - khử nitrat diễn ra triệt để, vừa tiết kiệm năng lượng cấp khí. Với dải tải lượng nạp từ $0{,}07$ đến $0{,}21\text{ kg/m}^3\cdot\text{ngày}$, hệ thống duy trì hiệu suất xử lý amoni trên $99%$, đưa nồng độ amoni đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột A. Kết quả này cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ lọc sinh học trong xử lý nước rỉ rác tại Việt Nam.