Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội và đô thị hóa, lượng chất thải rắn phát sinh ngày càng tăng nhanh, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH). Tại Việt Nam, phương pháp chôn lấp chất thải rắn vẫn là hình thức xử lý phổ biến nhất nhờ ưu điểm quy trình kỹ thuật đơn giản và chi phí đầu tư, vận hành thấp hơn so với các phương pháp đốt hay hóa rắn. Tuy nhiên, phần lớn các bãi chôn lấp (BCL) hiện nay chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật vệ sinh môi trường, dẫn đến phát sinh lượng lớn nước rỉ rác (NRR) gây ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường đất, nước mặt và nước ngầm xung quanh.

Nước rỉ rác là loại nước thải có thành phần ô nhiễm rất phức tạp với nồng độ chất hữu cơ cao, chứa nhiều hợp chất vô cơ (nitơ, photpho), kim loại nặng, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và độ màu đậm đặc. Nhiều công nghệ đã được áp dụng trong thực tế để xử lý nước rỉ rác như: tuần hoàn nước rác, kết hợp xử lý cùng nước thải sinh hoạt, các quá trình hóa lý (keo tụ, oxy hóa nâng cao AOPs, hấp phụ, màng lọc thẩm thấu ngược RO), xử lý sinh học kỵ khí (bể UASB) hoặc hiếu khí. Tuy vậy, các phương pháp đơn lẻ thường tồn tại hạn chế về mặt chi phí vận hành cao, tiêu tốn lượng lớn hóa chất hoặc phát sinh ô nhiễm thứ cấp. Do đó, việc nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc sinh học ngập nước làm công đoạn xử lý thứ cấp sau giai đoạn tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ điện hóa là một hướng tiếp cận kỹ thuật khả thi, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Thu thập, tổng hợp các tài liệu khoa học về thành phần, tính chất nước rỉ rác và các công trình xử lý NRR tại Việt Nam cũng như trên thế giới.
  2. Tìm hiểu cơ chế và nguyên lý của phương pháp lọc sinh học trong xử lý nước thải.
  3. Thiết lập hệ thống thực nghiệm lọc sinh học ngập nước có giá thể bám dính nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ sục/ngưng khí đến hiệu quả xử lý TSS và độ màu trong nước rỉ rác sau quá trình keo tụ điện hóa.
  4. Phân tích, đánh giá số liệu thực nghiệm để lựa chọn chế độ sục khí tối ưu cho quá trình xử lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước rỉ rác lấy từ Bãi chôn lấp chất thải rắn Nam Sơn (huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội) đã qua công đoạn tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm thuộc phòng Công nghệ Hóa lý môi trường, Viện Công nghệ Môi trường (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), với thời gian chạy thực nghiệm kéo dài 60 ngày sau 15 ngày khởi động hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết về cân bằng nước ô chôn lấp, các giai đoạn phân hủy sinh hóa chất thải rắn và cơ chế phản ứng sinh học bám dính trên giá thể ngập nước:

  1. Cơ chế cân bằng nước và hình thành nước rỉ rác: Lượng nước rỉ rác ($LC$) phát sinh trong bãi chôn lấp được tính toán theo phương trình cân bằng: $$LC = R + RI - RO - E - V$$ Trong đó: $R$ là lượng nước mưa thấm vào ô chôn lấp; $RI$ là dòng chảy mặt và nước ngầm thâm nhập từ bên ngoài; $RO$ là dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp; $E$ là lượng nước thất thoát do bay hơi; $V$ là sự thay đổi lượng nước tích trữ trong ô chôn lấp (độ ẩm ban đầu của rác, vật liệu phủ, lượng nước tiêu thụ hoặc thất thoát theo khí bãi rác).

  2. Các giai đoạn phân hủy sinh hóa trong bãi chôn lấp: Thành phần nước rỉ rác biến đổi qua 5 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1 (Thích nghi): Quá trình hiếu khí diễn ra trong thời gian ngắn, oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy.
  • Giai đoạn 2 (Chuyển tiếp): Oxy suy giảm, vi sinh vật kỵ khí phát triển, nitrat và sunfat bị khử thành $\text{N}_2$ và $\text{H}_2\text{S}$, pH bắt đầu giảm do sinh $\text{CO}_2$ và axit hữu cơ.
  • Giai đoạn 3 (Axit): Vi sinh vật lên men kỵ khí chuyển hóa chất hữu cơ thành các axit béo bay hơi (axit axetic, propionic, butyric), pH giảm xuống $\le 5$, nồng độ BOD có thể vượt $10.000\text{ mg/L}$.
  • Giai đoạn 4 (Lên men metan): Vi khuẩn metan phát triển, tiêu thụ axit hữu cơ tạo ra $\text{CH}_4$ và $\text{CO}_2$, tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ giảm xuống.
  • Giai đoạn 5 (Chín): Chất nền hữu cơ còn lại chủ yếu là các hợp chất cao phân tử khó phân hủy sinh học như axit humic và axit fulvic.
  1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích:
  • Phương pháp mô hình thực nghiệm: Thiết kế hệ thống lọc sinh học ngập nước 3 ngăn liên hoàn (ngăn hiếu khí, ngăn thiếu khí, ngăn lắng). Sử dụng giá thể vi sinh cố định bằng nhựa PE có diện tích bề mặt tiếp xúc $220\text{ m}^2/\text{m}^3$ (gồm 8 lớp đặt song song đứng dạng sóng). Nguồn vi sinh vật lấy từ hệ bùn hoạt tính có sẵn tại Viện Công nghệ Môi trường.
  • Chế độ vận hành: Nạp nước rỉ rác theo mẻ với lưu lượng cố định $3\text{ L/ngày}$. Mẫu NRR sau tiền xử lý keo tụ điện hóa (ở các điều kiện $V = 1{,}8\text{ L}$, $I = 3\text{ A}$, thời gian 60 phút) được lắng gạn phần trong, điều chỉnh pH về khoảng $8{,}0 - 8{,}9$ bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ và $\text{NaOH}$ trước khi nạp vào hệ.
  • Phương pháp phân tích tổng chất rắn lơ lửng (TSS): Sử dụng phương pháp khối lượng. Giấy lọc được sấy ở $105^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, làm nguội trong bình hút ẩm 1 giờ và cân trên cân phân tích có độ chính xác $0{,}1\text{ mg}$. Lọc $25\text{ mL}$ mẫu, sấy lại giấy lọc chứa cặn ở $105^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, làm nguội và cân lại để tính toán hàm lượng TSS.
  • Phương pháp xác định độ màu: Sử dụng máy đo quang phổ UV-VIS PD-303S (APEL - Nhật Bản). Dãy chuẩn độ màu được pha từ dung dịch gốc $50\text{ mg Pt-Co/L}$. Đo độ hấp thụ quang tại các bước sóng $\lambda_1 = 436\text{ nm}$, $\lambda_2 = 525\text{ nm}$, $\lambda_3 = 620\text{ nm}$; xác định bước sóng hấp thụ cực đại tại $\lambda = 436\text{ nm}$. Phương trình đường chuẩn thu được: $$Y = a \cdot x + 0{,}2139 \quad (R^2 = 0{,}9994)$$
  • Quy chuẩn so sánh: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 25:2009/BTNMT về nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về nước rỉ rác và các công nghệ xử lý hiện hành:

  • Trình bày cơ chế phát sinh, các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng và thành phần NRR (tuổi thọ bãi chôn lấp, độ sâu chôn lấp, quá trình thấm, độ ẩm của rác và nhiệt độ môi trường).
  • Tổng hợp số liệu so sánh thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới (Đài Loan, Thổ Nhĩ Kỳ, Colombia, Canada, Thái Lan, Hàn Quốc) và tại các bãi chôn lấp lớn ở Việt Nam.
  • Khái quát các thông số ô nhiễm chính như TSS, độ màu, COD, $\text{BOD}_5$, các dạng hợp chất nitơ ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$) và ảnh hưởng tiêu cực của chúng đến hệ sinh thái thủy vực.
  • Phân loại các công nghệ xử lý sinh học: lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học (RBC), bể lọc màng sinh học (MBR), bể kỵ khí dòng chảy ngược (UASB) và bể lọc sinh học ngập nước có giá thể bám dính cố định.
Thông số BCL Nam Sơn (Hà Nội) BCL Gò Cát (TP.HCM) BCL Thủy Phương (Huế) BCL Tràng Cát (Hải Phòng)
pH 6,81 – 7,98 7,4 – 7,6 7,7 – 8,5 6,5 – 8,22
TSS (mg/L) 120 – 2240 700 – 2020 42 – 84 21 – 78
COD (mg/L) 1020 – 22783 13655 – 16814 623 – 2442 327 – 1001
$\text{BOD}_5$ (mg/L) 495 – 12302 6272 – 9200 148 – 398 120 – 465
Tổng N (mg/L) 423 – 2253 1821 – 2427 — 179 – 507
$\text{N-NH}_4^+$ (mg/L) — 1680 – 2887 184 – 543 —
Tổng P (mg/L) 6,51 – 24,80 10,3 – 19,8 — 3,92 – 8,56
Tuổi BCL (năm) 7 7 9 2

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

Chương này trình bày chi tiết về vật liệu, cấu tạo thiết bị mô hình thực nghiệm và các bước phân tích kiểm nghiệm:

  • Thiết kế mô hình bể lọc sinh học gồm 3 ngăn liên thông: ngăn hiếu khí (thực hiện quá trình nitrat hóa $\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_3^-$), ngăn thiếu khí (thực hiện quá trình khử nitrat $\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2$) và ngăn lắng bùn.
  • Hệ thống sục khí đặt dưới đáy bể hiếu khí, sử dụng bơm thổi khí tạo dòng tuần hoàn tự nhiên sang ngăn thiếu khí và ngăn lắng, đồng thời tuần hoàn bùn tự động.
Thông số kỹ thuật Ngăn hiếu khí Ngăn thiếu khí Ngăn lắng
Chiều rộng (cm) 15 15 15
Chiều dài (cm) 15 13 5
Chiều cao bể (cm) 72 72 72
Thể tích ngăn (lít) 16 14 5,5
Chiều cao lớp đệm (cm) 30 30 30
  • Quy trình khởi động hệ thống trong 15 ngày để vi sinh vật bám dính tạo màng ổn định trên giá thể nhựa PE.
  • Thiết lập 3 chế độ sục/ngưng khí tự động để khảo sát:
    • Chế độ 1: 60 phút sục / 60 phút ngưng
    • Chế độ 2: 45 phút sục / 75 phút ngưng
    • Chế độ 3: 30 phút sục / 90 phút ngưng
  • Mô tả chi tiết quy trình 5 bước phân tích TSS và 5 bước đo quang xác định độ màu theo phương pháp chuẩn.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu thập được qua hơn 2 tháng vận hành:

  • Khảo sát các thông số đầu vào của nước rỉ rác BCL Nam Sơn sau keo tụ điện hóa, cho thấy nồng độ ô nhiễm ban đầu rất cao: $\text{COD} = 6247 \pm 295\text{ mg/L}$, $\text{NH}_4^+ = 1270 \pm 38\text{ mg/L}$, $\text{TSS} = 1667 - 1667{,}82\text{ mg/L}$, Độ màu $= 2308 - 2318\text{ Pt-Co}$.
Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả đo đầu vào TCVN 25:2009/BTNMT
pH — 8,0 – 8,9 7,9
Độ màu Pt-Co 2308 – 2318 —
TSS mg/L 1667 – 1667,82 80
  • Kết quả quá trình thích nghi và tạo màng vi sinh: Sau 15 ngày khởi động, màng vi sinh bám trên giá thể phát triển dày và có màu vàng nâu. Nước trong hệ chuyển màu vàng do sự tích tụ của các ion $\text{Fe}^{2+}$ và $\text{Fe}^{3+}$ còn dư từ công đoạn keo tụ điện hóa trước đó. Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong hệ thay đổi rõ rệt qua các pha: thời điểm bắt đầu sục khí đạt $3 - 4{,}5\text{ mg/L}$ (trong giai đoạn sục duy trì $6 - 7\text{ mg/L}$), thời điểm bắt đầu ngưng sục giảm xuống $0{,}8 - 1{,}2\text{ mg/L}$, và tại ngăn lắng duy trì mức $0{,}02 - 0{,}08\text{ mg/L}$.
  • Đánh giá hiệu quả xử lý TSS và độ màu theo chế độ sục: Mức độ loại bỏ TSS và độ màu đạt hiệu quả cao nhất ở Chế độ 1 (60 phút sục / 60 phút ngưng). Khi giảm thời gian sục khí (Chế độ 2: 45/75 và Chế độ 3: 30/90), hàm lượng TSS và độ màu ở dòng ra tăng lên, tương ứng với hiệu suất xử lý suy giảm.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thực nghiệm chính:
    • Xác định chính xác các chỉ tiêu đặc trưng của nước rỉ rác bãi chôn lấp Nam Sơn sau xử lý keo tụ điện hóa, chứng minh hàm lượng TSS ($1667 - 1667{,}82\text{ mg/L}$) và độ màu ($2308 - 2318\text{ Pt-Co}$) vượt quy chuẩn kỹ thuật cho phép nhiều lần trước khi vào hệ thống sinh học.
    • Chế tạo và vận hành ổn định mô hình lọc sinh học ngập nước 3 ngăn liên hoàn với vật liệu đệm giá thể PE dạng sóng (diện tích bề mặt $220\text{ m}^2/\text{m}^3$), màng vi sinh phát triển ổn định sau 15 ngày nuôi cấy thích nghi.
    • Chứng minh chế độ sục khí có tác động quyết định đến hiệu suất xử lý: chu kỳ sục/ngưng $60/60\text{ phút}$ duy trì lượng oxy hòa tan tối ưu trong ngăn hiếu khí ($6 - 7\text{ mg/L}$), thúc đẩy quá trình chuyển hóa các hợp chất ô nhiễm và giữ lại cặn lơ lửng tốt hơn so với các chu kỳ sục $45/75\text{ phút}$ và $30/90\text{ phút}$.
  • Giải pháp và kiến nghị ứng dụng:
    • Đề xuất áp dụng bể lọc sinh học ngập nước có giá thể bám dính làm công đoạn xử lý thứ cấp sau bước keo tụ điện hóa nhằm tối ưu hóa chi phí hóa chất và nâng cao chất lượng nước sau xử lý.
    • Khuyến nghị lựa chọn chế độ sục khí $60\text{ phút sục} / 60\text{ phút ngưng}$ để đảm bảo điều kiện hiếu khí - thiếu khí luân phiên cho màng vi sinh hoạt động ổn định.
  • Đóng góp khoa học: Khóa luận cung cấp dữ liệu thực nghiệm về khả năng kết hợp giữa phương pháp hóa lý (keo tụ điện hóa) và công nghệ màng sinh học bám dính ngập nước trong xử lý các thành phần khó phân hủy, cặn lơ lửng và độ màu của nước rỉ rác có độ ô nhiễm cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Nghiên cứu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm theo mẻ với thể tích nạp mẫu nhỏ ($3\text{ L/ngày}$), chưa khảo sát ở quy mô dòng chảy liên tục.
    • Phạm vi khảo sát mới dừng lại ở 3 chế độ sục khí cố định, chưa đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác như tải nạp thủy lực (HLR), nhiệt độ biến động theo mùa hay nồng độ sinh khối vi sinh vật bám dính trên từng lớp giá thể.
    • Khóa luận tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu TSS và độ màu, chưa trình bày đầy đủ diễn biến đồng thời của các hợp chất nitơ tổng (TN), amoni ($\text{NH}_4^+$) và nitrat ($\text{NO}_3^-$) qua từng chu kỳ ngưng sục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Triển khai mô hình pilot quy mô lớn hơn tại bãi chôn lấp thực tế với chế độ cấp nước liên tục.
    • Khảo sát đồng thời hiệu quả xử lý COD, tổng nitơ và photpho kết hợp với phân tích cấu trúc quần xã vi sinh vật trên giá thể PE.
    • Nghiên cứu các giải pháp kiểm soát và loại bỏ lượng sắt dư phát sinh từ bước keo tụ điện hóa để tránh tích tụ gây vàng nước trong hệ thống lọc sinh học.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học, cán bộ kỹ thuật chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường quan tâm đến xử lý nước thải độ ô nhiễm cao và nước rỉ rác bãi chôn lấp.
  • Nội dung tham khảo nổi bật:
    • Bản vẽ và thông số kỹ thuật chi tiết của hệ thống lọc sinh học ngập nước 3 ngăn (hiếu khí, thiếu khí, lắng).
    • Quy trình thực nghiệm nuôi cấy, tạo màng vi sinh vật trên giá thể nhựa PE dạng sóng.
    • Phương pháp phân tích cặn lơ lửng (TSS) bằng phương pháp sấy cân khối lượng và phương pháp lập đường chuẩn xác định độ màu bằng trắc quang UV-VIS ở bước sóng $436\text{ nm}$.
    • Bảng số liệu tổng hợp về đặc tính nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp lớn ở Việt Nam (Nam Sơn, Gò Cát, Thủy Phương, Tràng Cát).

Câu hỏi thường gặp

1. Nước rỉ rác sử dụng trong nghiên cứu này lấy từ đâu và có đặc điểm đầu vào như thế nào? Nước rỉ rác được thu thập từ Bãi chôn lấp chất thải rắn Nam Sơn (Sóc Sơn, Hà Nội). Sau khi qua bước tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ điện hóa, mẫu nước có độ màu dao động từ $2308 - 2318\text{ Pt-Co}$, hàm lượng TSS từ $1667 - 1667{,}82\text{ mg/L}$, $\text{COD} = 6247 \pm 295\text{ mg/L}$, và $\text{NH}_4^+ = 1270 \pm 38\text{ mg/L}$.

2. Cấu tạo của hệ lọc sinh học thực nghiệm trong khóa luận gồm những ngăn nào và kích thước ra sao? Hệ lọc có tổng chiều cao $72\text{ cm}$, gồm 3 ngăn liên hoàn:

  • Ngăn hiếu khí: kích thước $15 \times 15 \times 72\text{ cm}$, thể tích $16\text{ L}$, chiều cao lớp đệm $30\text{ cm}$.
  • Ngăn thiếu khí: kích thước $13 \times 15 \times 72\text{ cm}$, thể tích $14\text{ L}$, chiều cao lớp đệm $30\text{ cm}$.
  • Ngăn lắng: kích thước $5 \times 15 \times 72\text{ cm}$, thể tích $5{,}5\text{ L}$, chiều cao lớp đệm $30\text{ cm}$.

3. Giá thể bám dính sử dụng trong mô hình có đặc tính kỹ thuật gì? Hệ thống sử dụng giá thể làm từ vật liệu nhựa PE có diện tích bề mặt tiếp xúc $220\text{ m}^2/\text{m}^3$, được bố trí gồm 8 lớp đặt song song dạng đứng hình sóng để vi sinh vật bám dính và phát triển màng sinh học.

4. Tại sao nước trong hệ thống lọc sinh học lại chuyển sang màu vàng trong quá trình vận hành? Nước trong hệ thống chuyển sang màu vàng do ở bước tiền xử lý keo tụ điện hóa trước đó có phát sinh các ion $\text{Fe}^{2+}$ và $\text{Fe}^{3+}$. Khi nước rỉ rác được nạp vào hệ lọc sinh học hàng ngày, các ion sắt này tích tụ dần trong bể làm cho nước có màu vàng và màng vi sinh chuyển màu vàng nâu.

5. Các chế độ sục khí nào đã được khảo sát và chế độ nào đạt hiệu quả xử lý tốt nhất? Tác giả đã khảo sát 3 chế độ sục/ngưng khí tự động: $60/60\text{ phút}$, $45/75\text{ phút}$, và $30/90\text{ phút}$. Kết quả thực nghiệm cho thấy Chế độ 1 ($60\text{ phút sục} / 60\text{ phút ngưng}$) mang lại hiệu quả xử lý TSS và độ màu cao nhất do duy trì nồng độ DO ổn định cho màng vi sinh hoạt động.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Ánh đã nghiên cứu ứng dụng mô hình bể lọc sinh học ngập nước 3 ngăn sử dụng giá thể PE để xử lý cặn lơ lửng (TSS) và độ màu của nước rỉ rác BCL Nam Sơn sau giai đoạn keo tụ điện hóa. Các kết quả thực nghiệm trong 60 ngày cho thấy chế độ sục/ngưng khí $60/60\text{ phút}$ duy trì được nồng độ oxy hòa tan tối ưu và mang lại hiệu quả loại bỏ TSS cũng như độ màu vượt trội so với các chế độ sục ngắt quãng ngắn hơn. Đề tài đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho việc hoàn thiện quy trình kết hợp hóa lý - sinh học trong xử lý nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao.