Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học" do nghiên cứu sinh Lê Cao Khải thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trịnh Văn Tuyên và TS. Lê Thanh Sơn. Công trình được bảo vệ năm 2019 tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật môi trường (mã số: 9.20).

Về tính cấp thiết, lượng rác thải sinh hoạt tại Việt Nam trung bình mỗi năm tăng khoảng 12% [1], dẫn đến lượng nước rỉ rác (NRR) phát sinh từ các bãi chôn lấp và trạm trung chuyển ngày càng lớn. NRR là loại nước thải có mức độ ô nhiễm cao, với chỉ số nhu cầu oxy hóa học (COD) có thể lên đến 70.000 mg/l [2], tổng chất rắn hòa tan (TDS) tới 50.000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) tới 2.000 mg/l và hàm lượng nitơ vượt quá 3.000 mg/l. Nước rỉ rác gây ô nhiễm nghiêm trọng đối với nguồn nước mặt, nước ngầm và không khí. Mặc dù các bãi chôn lấp đều có hệ thống xử lý, các công nghệ hiện hữu tại Việt Nam bộc lộ nhiều nhược điểm: nước thải sau xử lý khó đạt quy chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và nitơ theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B; chi phí xử lý cao; tiêu tốn nhiều hóa chất; phát sinh khối lượng bùn lớn và vận hành phức tạp do thành phần NRR biến động theo tuổi thọ bãi chôn lấp.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu hụt một công nghệ thích hợp có khả năng xử lý đồng thời chất hữu cơ khó phân hủy và amoni nồng độ cao trong NRR với chi phí hợp lý. Quá trình keo tụ điện hóa (EC) có ưu điểm xử lý tốt các chất màu, hợp chất cao phân tử, kim loại nặng, giảm lượng bùn sinh ra từ 50% đến 70% so với keo tụ hóa học thông thường và không cần bổ sung hóa chất keo tụ ngoài. Tuy nhiên, EC bị hạn chế trong việc loại bỏ các chất hòa tan như amoni. Ngược lại, quá trình lọc sinh học (BF) với màng vi sinh cố định trên giá thể có hiệu suất xử lý TSS, BOD5 và tổng nitơ (TN) cao nhưng dễ bị ức chế bởi các chất độc hại và chất khó phân hủy. Do đó, việc nghiên cứu kết hợp có hệ thống giữa EC và BF là hướng tiếp cận cần thiết nhằm đạt quy chuẩn xả thải QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng phương pháp keo tụ điện hóa (EC).
  2. Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng phương pháp lọc sinh học (BF).

Nhiệm vụ trọng tâm là nghiên cứu quá trình EC kết hợp BF để tăng hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đáp ứng QCVN 25:2009/BTNMT cột B2. Đối tượng nghiên cứu là nước rỉ rác phát sinh tại bãi chôn lấp ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thí nghiệm thực nghiệm trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường, khảo sát các thông số công nghệ của quá trình EC (vật liệu điện cực Fe và Al, mật độ dòng điện, thời gian điện phân, pH đầu vào, khoảng cách điện cực) và quá trình BF (chế độ sục khí luân phiên, tải lượng nạp chất ô nhiễm đầu vào).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong nước và quốc tế về đặc trưng NRR, công nghệ EC và công nghệ BF:

Về thành phần NRR, tác giả dẫn chứng các nghiên cứu phân loại tính chất NRR theo tuổi bãi chôn lấp dựa trên công trình của Chen [6], các số liệu quan trắc tại Châu Âu và Châu Mỹ gồm Canada [7], Brazil [8], Phần Lan [9], Ba Lan [10], Thổ Nhĩ Kỳ [8, 11, 12], Italia [13, 14], Hy Lạp [2]; tại Châu Á gồm Hàn Quốc [15, 16], Hồng Kông [17], Nepal [18], Đài Loan [19], Malaysia [20], Ấn Độ [21]. Tại Việt Nam, tác giả tổng hợp số liệu từ các bãi chôn lấp lớn như Phước Thới - Cần Thơ [22], Gò Cát - TP. Hồ Chí Minh [23], Thủy Phương - Thừa Thiên Huế [24], Tràng Cát - Hải Phòng [4], Xuân Sơn - Hà Nội [25] và Nam Sơn - Hà Nội [4], cho thấy NRR tại Việt Nam có hàm lượng COD, BOD5/COD, TSS và độ màu cao do rác thải chưa qua phân loại tại nguồn và chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới ẩm.

Về phương pháp keo tụ điện hóa (EC), tác giả điểm lại các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu: Butler và cộng sự (2011) [94] chỉ ra EC xử lý màu, COD, BOD nhanh và kinh tế hơn so với keo tụ hóa học, UV hoặc ozon; Yang và cộng sự (2006) [78] sử dụng điện cực sắt có bổ sung 100 mg/l NaCl để xử lý độ đục; Kuokkanen và cộng sự (2015) [95] dùng điện cực Fe, Al và thép không gỉ xử lý nước chứa hợp chất humic, loại bỏ 75 - 90% COD và hoàn toàn chất màu; Ezechi và cộng sự (2014) [60] loại bỏ bo bằng EC ở mật độ 2400 Ah/m3, pH = 7, khoảng cách cực 0,5 cm trong 90 phút; Fajardo và cộng sự (2015) [79] dùng điện cực Zn loại bỏ 84,2% phenol và 40,3% COD với mức tiêu thụ năng lượng 24 kWh/m3; Un và cộng sự (2013) [80] nghiên cứu tách ion florua bằng điện cực Al và Fe. Các so sánh về điện cực của Bouhezila và cộng sự (2011) [35], Ilhan và cộng sự (2012) [36] chỉ ra Al xử lý màu, độ đục và amoni tốt hơn Fe, trong khi Li và cộng sự (2011) [37] khẳng định Fe xử lý COD hiệu quả hơn Al. Tại Việt Nam, tác giả ghi nhận các công trình của Hồ Văn Khánh (1999) [96] về keo nhôm điện phân xử lý nước thải nhuộm; Bùi Thị Tuyết Loan (2013) [97] về xử lý nước thải in bằng điện cực Ferosilic/Fe, Ferosilic/Al; Võ Anh Khuê (2014) [98] kết hợp EC với vi điện phân Fe-C; và Nguyễn Thị Hường (2015) [99] dùng EC xử lý nước thải thủy sản.

Về phương pháp lọc sinh học (BF) và xử lý nitơ, tác giả phân tích các nghiên cứu của Chen và cộng sự (2002) [105], Kermani và cộng sự (2009) [106], Peng và cộng sự (2004) [107] về vai trò của oxy hòa tan (DO); Emelko (2006) [110], Melin (2006) [111], Saravanamuth Vigneswaran và cộng sự (2003) [112] về ảnh hưởng của nhiệt độ; Akpor và cộng sự (2008) [113], Fatihah (2004) [120], Durmaz và cộng sự (2011) [119] về ảnh hưởng của pH và tỷ lệ C/N; Wijeyekoon và cộng sự (2004) [121] về tải lượng hữu cơ; và Reungoat cùng cộng sự (2012) [122] về lọc than hoạt tính sinh học kết hợp ozon hóa.

Vị trí của luận án: Đến thời điểm nghiên cứu (2019), các công trình về EC tại Việt Nam còn rất hạn chế (chỉ có 2 luận án tiến sĩ và 3 công trình công bố, chủ yếu áp dụng cho nước thải dệt nhuộm, nước thải in và thủy sản; chỉ có 1 công trình bước đầu thử nghiệm trên NRR). Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết là đánh giá so sánh thực nghiệm toàn diện giữa hai loại vật liệu điện cực Fe và Al đối với NRR thực tế tại Việt Nam, đồng thời tích hợp liên hoàn công đoạn EC với quá trình BF ngập nước vận hành theo chu kỳ sục khí luân phiên nhằm xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ mà không cần bổ sung nguồn cơ chất ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Quá trình keo tụ điện hóa (EC) dựa trên sự hòa tan anot dưới tác dụng của dòng điện một chiều nhằm giải phóng các cation kim loại có khả năng tạo chất keo tụ:

  • Tại cực anot: $$\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^-$$ $$\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-$$
  • Tại cực catot, phản ứng khử nước tạo khí hydro và ion hydroxit: $$2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow + 2\text{OH}^-$$
  • Trong dung dịch, các ion kim loại kết hợp với $\text{OH}^-$ hình thành các hydroxit không tan và các phức polyme hydroxit: $$\text{Al}^{3+} + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{Al(OH)}_3$$ $$\text{Fe}^{2+} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe(OH)}_2$$ $$\text{Al(OH)}_3 \rightarrow (\text{OH})_2\text{Al-O-Al(OH)}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

Các hợp chất polyme vô định hình này loại bỏ chất ô nhiễm qua các cơ chế trung hòa điện tích, hấp phụ, tạo phức và kết tủa. Bọt khí hydro sinh ra tại catot hỗ trợ quá trình tuyển nổi chất cặn lên bề mặt. Quá trình hòa tan tuân theo định luật Faraday, phụ thuộc vào mật độ dòng điện ($J$) và thời gian điện phân ($t$).

Quá trình lọc sinh học (BF) ngập nước sử dụng màng vi sinh vật cố định trên giá thể rắn. Động học chuyển khối và phản ứng trong cột lọc được mô tả theo phương trình cân bằng vật chất dòng đẩy lý tưởng: $$M_v - M_p = M_r$$ $$\frac{dS}{dx} = -\frac{A}{Q} v_i$$ Trong đó: $S$ là nồng độ cơ chất, $Q$ là lưu lượng, $A$ là tiết diện cột, $v_i$ là tốc độ phản ứng thể tích. Tùy thuộc vào nồng độ cơ chất và mức độ khuyếch tán, phản ứng chuyển hóa có thể diễn ra theo bậc 0, bậc 0,5 hoặc bậc 1.

Quá trình chuyển hóa nitơ trong hệ BF bao gồm:

  1. Nitrat hóa (hiếu khí, vi khuẩn tự dưỡng): $$\text{NH}_4^+ + 1,5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrosomonas}} \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O}$$ $$\text{NO}_2^- + 0,5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrobacter}} \text{NO}_3^-$$ Phương trình tổng quát tiêu thụ 4,3 g $\text{O}_2$ và 7,2 g độ kiềm (tính theo $\text{CaCO}_3$) cho mỗi 1 g $\text{N-NH}_4^+$ bị oxy hóa: $$1,02\text{NH}_4^+ + 1,89\text{O}_2 + 2,02\text{HCO}_3^- \rightarrow 0,021\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 1,00\text{NO}_3^- + 1,92\text{H}_2\text{CO}_3 + 1,06\text{H}_2\text{O}$$
  2. Khử nitrat (thiếu khí, vi khuẩn dị dưỡng như Pseudomonas stutzeri, Bacillus denitrificans... khi $\text{DO} < 0,5 \text{ mg/l}$, tối ưu $< 0,2 \text{ mg/l}$): $$6\text{NO}_3^- + 5\text{CH}_3\text{OH} \rightarrow 3\text{N}_2 \uparrow + 5\text{CO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} + 6\text{OH}^-$$ Cứ 1 mg/l $\text{NO}_3^-$ bị khử sẽ giải phóng 3,57 mg/l độ kiềm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm:

  • Hệ keo tụ điện hóa (EC): Bể phản ứng thể tích xác định, cấp nguồn điện một chiều DC điều chỉnh được điện áp và cường độ dòng. Điện cực sắt và nhôm dạng tấm phẳng được lắp đặt song song. Các thông số khảo sát gồm mật độ dòng ($J$), thời gian điện phân ($t$), pH ban đầu (điều chỉnh bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ hoặc $\text{NaOH}$), khoảng cách điện cực ($d$).
  • Hệ lọc sinh học (BF): Cột lọc ngập nước chứa vật liệu đệm xốp làm giá thể cho màng vi sinh bám dính. Hệ thống sục khí được kiểm soát tự động qua bộ định thời gian để tạo chu kỳ sục khí và dừng sục khí xen kẽ. Các thông số khảo sát gồm tỷ lệ thời gian sục/dừng khí và tải lượng amoni đầu vào.
  • Phương pháp phân tích: Các chỉ tiêu COD, amoni ($\text{N-NH}_4^+$), nitrat ($\text{N-NO}_3^-$), TSS, độ màu, $\text{BOD}_5$, pH được phân tích theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Điện năng tiêu thụ ($W$, tính bằng $\text{kWh/m}^3$) được tính từ điện áp, cường độ dòng, thời gian và thể tích xử lý.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về nước rỉ rác

Chương 1 tổng hợp các tài liệu khoa học về đặc tính, cơ chế hình thành nước rỉ rác, cơ chế các quá trình keo tụ điện hóa và lọc sinh học:

Tác giả nêu rõ định nghĩa NRR và phương trình cân bằng nước tổng thể xác định lượng phát sinh $L_C$ theo công thức: $$L_C = R + R_I - R_O - E - V$$ Trong đó: $R$ là nước mưa, $R_I$ là dòng chảy mặt và nước ngầm thâm nhập, $R_O$ là dòng thoát ra ngoài, $E$ là lượng bốc hơi, $V$ là biến thiên độ ẩm tích trữ trong rác và bùn thải. Quá trình phân hủy sinh học trong bãi rác trải qua 5 giai đoạn: thích nghi, chuyển tiếp, axit, lên men metan và chín.

Bảng tổng hợp đặc trưng của nước rỉ rác theo độ tuổi bãi chôn lấp (trích dẫn Bảng 1.1 trong luận án):

Thông số Đơn vị Mới (0 – 5 năm) Trung bình (5 – 10 năm) Cũ (> 10 năm)
pH - < 6,5 6,5 – 7,5 > 7,5
COD mg/l > 10000 4000 – 10000 < 4000
$\text{BOD}_5$/COD - 0,5 – 1,0 0,1 – 0,5 < 0,1
Thành phần hữu cơ - 80% axit béo dễ bay hơi 5 – 30% axit béo dễ bay hơi + axit humic, fulvic Axit humic và axit fulvic
Amoni mg/l < 400 - > 400
TOC/COD - < 0,3 0,3 – 0,5 > 0,5
Tổng nitơ Kjeldahl mg/l 100 – 200 - -
Kim loại nặng mg/l Thấp đến trung bình Thấp Thấp
Khả năng phân hủy sinh học - Cao Trung bình Thấp

Chương này cũng phân tích thành phần NRR tại 6 bãi chôn lấp ở Việt Nam (Bảng 1.4 trong văn bản): COD dao động từ 327 đến 22.783 mg/l; $\text{BOD}_5$ từ 120 đến 12.302 mg/l; amoni từ 17,2 đến 2.887 mg/l; tổng nitơ từ 62 đến 2.427 mg/l; pH từ 6,81 đến 8,5.

Phần keo tụ điện hóa làm rõ tác động của các anion trợ dẫn: ion $\text{Cl}^-$ thúc đẩy ăn mòn rỗ, phá vỡ lớp oxit thụ động trên anot; ngược lại, $\text{NO}_3^-$ ức chế hòa tan điện cực và tiêu tốn điện năng do các phản ứng phụ: $$3\text{NO}_3^- + 3\text{H}_2\text{O} + 6e^- \rightarrow 3\text{NO}_2^- + 6\text{OH}^-$$ $$3\text{NO}_3^- + 18\text{H}_2\text{O} + 24e^- \rightarrow 3\text{NH}_3 + 27\text{OH}^-$$ Phần lọc sinh học phân tích ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan (DO), nhiệt độ, tỷ lệ C/N và đặc tính vật liệu lọc đối với hiệu quả nitrat hóa và khử nitrat hóa.

Chương 2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết về đối tượng nước rỉ rác nghiên cứu, các trang thiết bị thí nghiệm và quy trình phân tích:

  • Đối tượng: Mẫu nước rỉ rác thực tế có chỉ tiêu ô nhiễm ban đầu cao, được lưu trữ và kiểm soát thông số trước khi đưa vào hệ thống thực nghiệm.
  • Quy chuẩn đối chiếu: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.
  • Mô hình thí nghiệm EC: Thiết bị có dung tích hữu ích xác định, các bản điện cực Fe và Al có kích thước chuẩn, bố trí dạng đơn cực nối song song nhằm giảm chi phí vận hành và tiêu thụ đúng năng lượng cần thiết. Quy trình khảo sát biến thiên mật độ dòng điện ($J$), thời gian điện phân ($t$), pH ban đầu (từ axit đến kiềm) và khoảng cách giữa các bản cực ($d$ từ 0,5 đến 2,8 cm).
  • Mô hình thí nghiệm BF: Thiết bị phản ứng sinh học ngập nước tầng cố định, sử dụng giá thể xốp có diện tích bề mặt riêng lớn để vi sinh vật bám dính. Hệ thống trang bị máy nén khí, lưu lượng kế và van hẹn giờ tự động. Quy trình vận hành khảo sát các tỷ lệ thời gian sục khí/dừng sục khí (S/D) khác nhau trong chu kỳ 120 phút và thay đổi dải tải lượng amoni nạp vào hệ thống.
  • Phương pháp phân tích thông số: Đo đạc COD bằng phương pháp chuẩn độ/trắc quang; $\text{BOD}_5$ bằng phương pháp chai đo 5 ngày ở 20°C; TSS bằng phương pháp khối lượng sấy ở 105°C; amoni và nitrat bằng phương pháp so màu trắc quang; độ màu bằng máy đo quang phổ; pH bằng máy đo điện cực thủy tinh.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm của từng công đoạn và hệ thống kết hợp:

1. Kết quả quá trình keo tụ điện hóa (EC):

  • Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân với điện cực sắt: Khi tăng mật độ dòng và kéo dài thời gian, hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu tăng lên do lượng ion $\text{Fe}^{2+}$ giải phóng nhiều hơn theo định luật Faraday. Điểm tối ưu được xác định tại mật độ dòng $J = 3,896 \text{ mA/cm}^2$ và thời gian điện phân $t = 60 \text{ phút}$. Ở điều kiện này, mức tiêu thụ năng lượng điện được tính toán là $12,83 \text{ kWh/m}^3$ NRR, đảm bảo cân đối giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí năng lượng.
  • Ảnh hưởng của pH đầu vào: Quá trình EC với điện cực sắt đạt hiệu quả keo tụ cao nhất tại $\text{pH} = 8$. Ở môi trường axit mạnh, hydroxit sắt hòa tan tạo ion tự do làm giảm khả năng tạo bông; ở pH kiềm quá cao hình thành phức $\text{Fe(OH)}_4^-$ có hoạt tính keo tụ kém.
  • Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực: Khoảng cách thích hợp nhất giữa hai bản điện cực sắt là $d = 1 \text{ cm}$. Khoảng cách nhỏ hơn dễ gây đoản mạch và nghẽn bông cặn; khoảng cách lớn hơn làm tăng điện trở dung dịch, gây sụt áp và giảm hiệu quả tạo bông keo tụ.
  • So sánh điện cực sắt (Fe) và điện cực nhôm (Al): Thực nghiệm so sánh ở các điều kiện tương đương cho thấy điện cực sắt chiếm ưu thế vượt trội trong xử lý hữu cơ và độ màu, trong khi điện cực nhôm có ưu thế về xử lý amoni:
Chỉ tiêu xử lý Chênh lệch hiệu suất giữa điện cực Fe và Al Nhận xét so sánh từ số liệu văn bản
COD Fe cao hơn Al 31,96% Điện cực sắt tạo phức và keo tụ chất hữu cơ tốt hơn
TSS Fe cao hơn Al 11,51% Bông cặn hydroxit sắt lắng nhanh và giữ cặn lơ lửng tốt hơn
Độ màu Fe cao hơn Al 4,35% Hydroxit sắt loại bỏ các chất màu humic hiệu quả hơn
Amoni ($\text{NH}_4^+$) Al cao hơn Fe 2,82% Điện cực nhôm hấp phụ và tách amoni nhỉnh hơn sắt

Quá trình keo tụ điện hóa bằng điện cực Fe còn cải thiện đáng kể tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$, loại bỏ các chất ức chế sinh học, tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn xử lý sinh học tiếp theo.

2. Kết quả quá trình lọc sinh học (BF) sau keo tụ điện hóa:

  • Ảnh hưởng của chế độ sục khí: Khảo sát các chế độ sục/dừng sục khí (S/D) trong chu kỳ vận hành cho thấy chế độ $S/D = 15/105 \text{ phút}$ (15 phút sục khí hiếu khí, 105 phút dừng sục khí thiếu khí) là thích hợp nhất. Khoảng thời gian sục khí 15 phút đủ để vi khuẩn nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat mà không làm xáo trộn lớp màng vi sinh. Khoảng thời gian dừng sục khí 105 phút tạo môi trường thiếu khí ($\text{DO} < 0,5 \text{ mg/l}$) để vi khuẩn dị dưỡng sử dụng lượng COD còn lại thực hiện quá trình khử nitrat thành $\text{N}_2$ bay lên.
  • Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào: Khi tăng tải lượng nạp chất ô nhiễm, hiệu suất xử lý có xu hướng suy giảm. Luận án xác định ngưỡng tải lượng amoni đầu vào tối đa là $0,16 \text{ kg/m}^3/\text{ngày}$. Trong giới hạn tải lượng này, chất lượng nước đầu ra đáp ứng yêu cầu của QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.
  • Hiệu suất xử lý của công đoạn BF trên dòng NRR sau EC:
    • Hiệu suất xử lý COD: $73,77 \pm 0,65%$
    • Hiệu suất xử lý amoni: $98,88 \pm 0,01%$
    • Hiệu suất xử lý TSS: $83,34 \pm 0,53%$
    • Hiệu suất xử lý độ màu: $16,70 \pm 0,75%$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về khoa học và công nghệ

  1. Xác định được hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong nước rỉ rác tại Việt Nam bằng phương pháp keo tụ điện hóa khi so sánh giữa điện cực sắt và điện cực nhôm.
  2. Kết hợp thành công quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học (BF) để xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong nước rỉ rác ở quy mô phòng thí nghiệm.

Kết quả và ý nghĩa thực tiễn

  • Xác định được bộ thông số vận hành thích hợp cho quá trình EC xử lý NRR: mật độ dòng điện $J = 3,896 \text{ mA/cm}^2$, thời gian điện phân $t = 60 \text{ phút}$, $\text{pH đầu vào} = 8$, khoảng cách điện cực $d = 1 \text{ cm}$. Mức tiêu thụ điện năng tương ứng là $12,83 \text{ kWh/m}^3$ NRR.
  • Chứng minh bằng số liệu thực nghiệm: điện cực sắt có hiệu suất xử lý COD cao hơn 31,96%, TSS cao hơn 11,51% và độ màu cao hơn 4,35% so với điện cực nhôm, đồng thời cải thiện tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$; điện cực nhôm có hiệu suất xử lý amoni cao hơn điện cực sắt 2,82%.
  • Xác định được chế độ sục/dừng khí luân phiên thích hợp cho cột lọc sinh học ngập nước sau EC là $15/105 \text{ phút}$ và ngưỡng tải lượng amoni đầu vào an toàn không vượt quá $0,16 \text{ kg/m}^3/\text{ngày}$.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm để hoàn thiện quy trình công nghệ kết hợp EC - BF, ứng dụng trong việc thiết kế mới hoặc cải tạo các hệ thống xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp nhằm đạt QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, toàn bộ nội dung thực nghiệm của luận án mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale) với các mẻ thể tích cố định, chưa triển khai thử nghiệm trên mô hình pilot dòng chảy liên tục hoặc quy mô trạm thực địa tại bãi chôn lấp. Bên cạnh đó, văn bản chưa đề cập đến việc đánh giá hiện tượng thụ động hóa bề mặt điện cực và độ suy giảm hoạt tính màng sinh học sau thời gian vận hành dài hạn, cũng như chưa tính toán đầy đủ chi phí thay thế vật liệu điện cực và xử lý bùn thải phát sinh trong điều kiện thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được rút ra từ phạm vi luận án bao gồm:

  • Thử nghiệm mô hình kết hợp EC - BF ở quy mô pilot liên tục ngoài hiện trường tại các bãi chôn lấp rác sinh hoạt.
  • Nghiên cứu cơ chế đảo chiều dòng điện tự động để giảm thiểu hiện tượng thụ động hóa anot sắt trong quá trình keo tụ điện hóa kéo dài.
  • Khảo sát các loại vật liệu mang sinh học hữu cơ và vô cơ khác nhau trong cột lọc sinh học nhằm nâng cao hơn nữa ngưỡng chịu tải amoni của hệ thống.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường và Kỹ thuật hóa học: Tham khảo phương pháp thiết kế mô hình thực nghiệm EC, động học lọc sinh học màng cố định và cơ sở lý thuyết xử lý nitơ theo chu kỳ sục khí luân phiên.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy về công nghệ điện hóa môi trường, các quá trình oxy hóa/keo tụ nâng cao và phương pháp kết hợp hóa lý - sinh học trong xử lý nước thải khó phân hủy.
  • Kỹ sư thiết kế và nhà quản lý môi trường đô thị: Tham khảo trực tiếp bộ thông số công nghệ (mật độ dòng $3,896 \text{ mA/cm}^2$, điện năng $12,83 \text{ kWh/m}^3$, chu kỳ sục/dừng khí $15/105 \text{ phút}$, tải lượng amoni $0,16 \text{ kg/m}^3/\text{ngày}$) để tính toán cải tạo các trạm xử lý nước rỉ rác đang bị quá tải amoni và COD tại các bãi chôn lấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn điện cực sắt thay vì điện cực nhôm cho công đoạn keo tụ điện hóa nước rỉ rác?
Số liệu thực nghiệm của luận án chứng minh rằng điện cực sắt cho hiệu suất xử lý vượt trội so với điện cực nhôm ở các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ và cặn: hiệu suất xử lý COD cao hơn 31,96%, TSS cao hơn 11,51% và độ màu cao hơn 4,35%. Mặc dù điện cực nhôm xử lý amoni cao hơn sắt 2,82%, chi phí vật liệu sắt rẻ hơn và hiệu quả cải thiện tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ của sắt cao hơn, giúp tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn xử lý sinh học phía sau.

2. Các điều kiện vận hành tối ưu của công đoạn keo tụ điện hóa (EC) được xác định là gì?
Điều kiện tối ưu bao gồm: sử dụng điện cực sắt, mật độ dòng điện $J = 3,896 \text{ mA/cm}^2$, thời gian điện phân $t = 60 \text{ phút}$, pH nước rỉ rác đầu vào bằng 8, và khoảng cách giữa các điện cực bằng 1 cm. Ở chế độ này, mức tiêu thụ năng lượng điện là $12,83 \text{ kWh/m}^3$ NRR.

3. Chu kỳ sục khí luân phiên trong bể lọc sinh học (BF) được thiết lập như thế nào và có tác dụng gì?
Chu kỳ sục khí luân phiên được thiết lập ở tỷ lệ sục khí/dừng sục khí là $15/105 \text{ phút}$ trong một chu kỳ 120 phút. Giai đoạn 15 phút cấp khí cung cấp oxy hòa tan ($\text{DO} \ge 2 \text{ mg/l}$) cho vi khuẩn nitrat hóa chuyển hóa amoni thành nitrat; giai đoạn 105 phút dừng cấp khí tạo môi trường thiếu khí ($\text{DO} < 0,5 \text{ mg/l}$) cho vi khuẩn dị dưỡng thực hiện quá trình khử nitrat thành khí nitơ.

4. Giới hạn tải lượng amoni đầu vào của quá trình lọc sinh học là bao nhiêu để nước đầu ra đạt quy chuẩn?
Tải lượng amoni đầu vào của quá trình lọc sinh học không được vượt quá $0,16 \text{ kg/m}^3/\text{ngày}$. Khi duy trì ở mức tải lượng này kết hợp với chế độ sục khí $15/105 \text{ phút}$, chất lượng nước đầu ra sau xử lý hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

5. Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm của công đoạn lọc sinh học (BF) đối với nước rỉ rác sau xử lý EC đạt bao nhiêu?
Công đoạn BF đạt hiệu suất xử lý đối với các chỉ tiêu lần lượt là: COD đạt $73,77 \pm 0,65%$; amoni đạt $98,88 \pm 0,01%$; TSS đạt $83,34 \pm 0,53%$; và độ màu đạt $16,70 \pm 0,75%$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán xử lý nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao thông qua việc tích hợp liên hoàn hai công nghệ keo tụ điện hóa (EC) và lọc sinh học (BF) ở quy mô phòng thí nghiệm. Công trình đã xác định chính xác các thông số công nghệ tối ưu cho công đoạn EC với điện cực sắt ($J = 3,896 \text{ mA/cm}^2$, thời gian 60 phút, $\text{pH} = 8$, khoảng cách cực 1 cm, tiêu thụ điện $12,83 \text{ kWh/m}^3$) và công đoạn BF ngập nước (chế độ sục khí luân phiên $15/105 \text{ phút}$, tải lượng amoni $\le 0,16 \text{ kg/m}^3/\text{ngày}$). Nước rỉ rác sau quá trình xử lý kết hợp đạt hiệu suất loại bỏ amoni tới 98,88% và đáp ứng các yêu cầu xả thải theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy để ứng dụng vào công tác thiết kế, cải tạo các trạm xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt ở Việt Nam.