Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm nắm bắt được các công nghệ tiên tiến để xử lý nước rỉ rác, đặc biệt trong đó là công nghệ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LÊ CAO KHẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA KẾT HỢP LỌC SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9.52.03.20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 2019
Luận án được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam ----------------------------- Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên 2. TS. Lê Thanh Sơn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi …..giờ…….ngày…..tháng …..năm….. Có thể tìn hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH) tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 12%. Lượng RTSH tăng dần theo thời gian dẫn đến lượng nước rỉ rác (NRR) sinh ra ngày càng tăng. NRR sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển có mức độ ô nhiễm cao với chỉ số COD lên đến 70000 mg/l, chất rắn hòa tan tới 50000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng đến 2000 mg/l và hàm lượng nitơ cao tới hơn 3000 mg/l, ... NRR bốc mùi hôi nặng lan tỏa nhiều kilomet, có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Do đó, ô nhiễm môi trường bởi NRR từ lâu đã là vấn đề nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo vệ môi trường. Mặc dù theo quy định mỗi bãi chôn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý, ... Nguyên nhân là do NRR có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL. Việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng NRR tại các bãi chôn lấp thì tiếp tục tăng lên. Do đó, vấn đề tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết. Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học (BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR. Khác với quá trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, quá trình EC có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol, hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh,... là những thành phần khó phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong các quá trình sinh học. Ngoài ra, quá trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra. Trong khi đó, quá trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD5 cao. Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thông thường do các giá thể hữu cơ rất xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú trên đó, đồng thời các quá trình hóa lý khác cũng tham gia vào quá trình xử lý, dẫn đến quá trình
2 khử nitrat diễn ra rất mạnh. Việc kết hợp 2 công nghệ này cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý NRR, nước sau xử lý có thể đạt QCVN25:2009/BTNMT cột B2. Trước thực trạng trên việc nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng công nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học là hết sức cần thiết cho xử lý NRR. Chính vì lý do trên tôi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học. 2. Mục tiêu nghiên cứu: Luận án đặt ra mục tiêu nắm bắt được các công nghệ tiên tiến để xử lý NRR, đặc biệt trong đó là công nghệ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này. Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau: 1/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng 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 BF. Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu quá trình EC kết hợp với quá trình BF để tăng hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo quy chuẩn môi trường QCVN25:2009/BTNMT cột B2. 3. Nội dung nghiên cứu: Giai đoạn xử lý NRR bằng EC 1/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng điện cực sắt và bằng điện cực nhôm. Giai đoạn xử lý NRR bằng BF sau quá trình EC 2/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí và tải lượng đầu vào đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước rỉ rác 1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngoài bãi rác. Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp và thời gian chôn lấp. Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp chất thải rắn cao hơn rất nhiều so với BCL chất thải rắn lâu năm. Vì trong BCL lâu năm hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy bị phân hủy gần hết. Nước rác BCL mới, thường có pH thấp nhưng hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng rất cao. Trái ngược với BCL mới nước rác bãi chôn lấp lâu năm thường có pH cao (do quá trình metan hóa tăng lên) và hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim loại nặng lại giảm vì hầu hết các kim loại chuyển sang trạng thái kết tủa khi pH tăng. Đặc biệt, nước rác BCL lâu năm chứa nhiều hợp chất cao phân tử nhiều hóa chất độc hại vừa gây màu tối vừa có mùi khó chịu rất khó phân hủy bằng phương pháp sinh học.
3 1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người NRR có nồng độ các chất ô nhiễm cao như: COD = 2000 – 70000 mg/l, BOD = 1200 – 27000 mg/l và nhiều chất độc hại khác khi thấm vào đất gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, thoát vào hệ thống nước mặt gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Mùi bốc lên từ NRR gây ô nhiễm môi trường không khí. Như vậy khi NRR phát tán vào môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nặng nề và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. 1.2. Tổng quan quá trình keo tụ điện hóa Cơ chế của quá trình keo tụ điện hóa “EC là phương pháp điện hóa học để xử lý nước bị ô nhiễm, sử dụng dòng điện một chiều để ăn mòn điện cực dương (thường là nhôm hoặc sắt) để giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (thường là ion nhôm hoặc ion sắt) vào dung dịch”. Khi điện phân điện cực kim loại xảy ra các quá trình sau: M → Mn+ + ne- Các cation kim loại tạo ra kết hợp với các ion OH- có mặt trong nước tạo thành các hydroxit kim loại theo các phương trình phản ứng sau: Mn+ + nOH- → M(OH)n 1.3. Tổng quan về lọc sinh học 1.3.1. Cơ chế của quá trình lọc sinh học BF là kỹ thuật sử dụng màng vi sinh hình thành trên một chất mang dạng rắn. Chất mang có thể có vị trí cố định trong một thiết bị phản ứng và dòng chất lỏng tạo thành màng mỏng chảy trên bề mặt lớp màng vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt; màng vi sinh tiếp xúc gián đoạn luân phiên với pha khí và lỏng thông qua biện pháp gắn với một trục quay như trong đĩa quay sinh học; chất mang có vị trí cố định trong một tầng ngập trong nước và nước chứa tạp chất chảy qua tầng vật liệu trong cột BF. 1.3.2. Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải Xử lý nitơ trong nước thải thường được điễn ra qua hai giai đoạn. Giai đoạn 1 là quá trình chuyển hóa amoni thành nitrat (nitrat hóa). Giai đoạn thứ 2 là quá trình khử nitrat thành nitơ bay lên (khử nitrat). 1.3.3. Kết hợp các phương pháp trong xử lý nước rỉ rác Theo Wiszniowski và cộng sự (2006) đã chỉ ra rằng để xử lý NRR đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn xả thải cần phải kết hợp nhiều phương pháp để xử lý triệt để NRR. Chủ yếu là sự kết hợp của 3 phương pháp là vật lý, hóa học và sinh học. Đã có nhiều công trình chỉ ra tính hiệu quả của sự kết hợp các phương pháp trong xử lý NRR. Dưới đây chỉ đề cập tới sự kết hợp phương pháp EC và BF xử lý NRR: Hiện nay, mới có 2 công trình nghiên cứu kết hợp EC với BF xử lý NRR. Một công trình là kết hợp BF trước sau đó EC điện cực magie. Một công trình là kết hợp EC điện cực nhôm trước sau đó là quá trình BF. Cả hai công trình này kết quả đều cho thấy tính hiệu quả của sự kết hợp EC và BF trong xử lý
4 NRR. Tuy nhiên cần phải có các nghiên cứu tiếp theo về sự kết hợp này với quá trình EC bằng các loại điện cực khác để tìm ra các điều kiện thích hợp cho quá trình xử lý NRR với hiệu suất cao và chi phí vận hành thấp. Chính vì vậy, hướng mới mà luận án tập trung nghiên cứu xử lý NRR với sự kết hợp quá trình EC điện cực sắt với BF. Luận án cũng nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý NRR của quá trình EC điện cực sắt với quá trình EC điện cực nhôm. Cho nên nghiên cứu xử lý NRR bằng EC kết hợp BF là hướng được lựa chọn trong luận án này. CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu Chất ô nhiễm trong NRR (đánh giá thông qua các thông số COD, amoni, TSS, độ màu). NRR dùng trong nghiên cứu được lấy tại hồ sinh học Khu liên hiệp xử lý chất thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội mang về bảo quản lạnh ở 4oC. 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu xử lý các chất ô nhiễm trong NRR bằng phương pháp EC kết hợp BF quy mô phòng thí nghiệm. Sơ đồ khối của hệ thống nghiên cứu xử lý NRR trong phòng thí nghiệm thể hiện ở hình 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ xử lý NRR bằng phương pháp EC kết hợp BF
5 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực để xử lý NRR. 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học Các thí nghiệm được thực hiện nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp về chế độ sục khí, tải lượng đầu vào để xử lý NRR sau quá trình xử lý bằng EC (đánh giá thông qua các thông số COD, amoni, nitrat, TSS, độ màu). CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa Hiện nay, EC được sử dụng để xử lý môi trường nước. Với NRR có COD, BOD, amoni, TSS và độ màu cao thì phương pháp EC là một phương pháp mới, hiệu quả cao trong xử lý các chất trên. - Đối với COD, TSS và chất màu được xử lý cơ bản theo cơ chế keo tụ mà chất keo tụ được tạo ra từ quá trình điện phân. - Đối với amoni được xử lý cơ bản theo cơ chế điện hóa, hấp phụ… Để tăng cường hiệu quả xử lý bằng EC, các thông số như mật độ dòng, thời gian điện phân, khoảng cách điện cực, vật liệu điện cực và pH của nước thải cần được khảo sát và tìm được điều kiện tối ưu. 3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt 90 30 80 25 70 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) HiÖu suÊt xö lý COD (%) 60 20 50 15 40 1,298 mA/cm2 1,298 mA/cm2 2,597 mA/cm2 30 10 2,597 mA/cm2 3,246 mA/cm2 3,246 mA/cm2 20 3,896 mA/cm2 3,896 mA/cm2 4,545 mA/cm2 5 4,545 mA/cm2 10 5,194 mA/cm2 5,194 mA/cm2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thoi gian (phut) Thêi gian (phót) Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ Hình 3.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng dòng và thời gian điện hóa đến và thời gian điện hóa đến hiệu suất xử lý COD hiệu suất xử lý amoni
6 1,298 mA/cm2 2,597 mA/cm2 40 3,246 mA/cm2 80 3,896 mA/cm2 HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) 4,545 mA/cm2 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) 5,194 mA/cm2 30 60 20 40 1,298 mA/cm2 2,597 mA/cm2 20 3,246 mA/cm2 10 3,896 mA/cm2 4,545 mA/cm2 5,194 mA/cm2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thêi gian (phót) Thêi gian (phót) Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng dòng và thời gian điện hóa đến và thời gian điện hóa đến hiệu suất xử lý TSS hiệu suất xử lý độ màu Sự biến đổi pH trong quá trình EC được trình bày trong ở hình 3.5: 9.4 9.2 9.0 8.8 pH 8.6 8.4 1,298 mA/cm2 2,597 mA/cm2 8.2 3,246 mA/cm2 3,896 mA/cm2 8.0 4,545 mA/cm2 5,194 mA/cm2 7.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thêi gian (phót) Hình 3.5. Biểu đồ biến đổi pH của NRR trong quá trình EC theo thời gian Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR (J = 3,896 mA/cm2) Thời gian phản ứng Hiệu suất xử lý (%) (phút) COD Amoni TSS Độ màu 10 42,86 8,75 9,83 27,90 20 58,93 12,29 15,95 46,75 30 69,64 17,50 23,98 54,56 40 73,21 19,36 30,46 59,10 60 76,79 23,64 38,61 71,67 80 79,29 24,38 38,97 79,39 Ảnh hưởng của thời gian điện hóa từ 10 - 80 phút đến hiệu suất xử lý chất ô nhiễm trong NRR với điều kiện J = 3,896 mA/cm2 thể hiện ở bảng 3.1.
7 Khi J = 3,896 mA/cm2 thì theo bảng 3.1 ta có thể lựa chọn thời gian điện hóa 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo mặc dù với thời gian này hiệu suất chưa phải là cao nhất, nhưng sau 60 phút hiệu suất tăng không nhiều. Từ bảng 3.2 cho thấy, khi mật độ dòng tăng thì năng lượng điện tiêu thụ tăng. Ở mật độ dòng J = 1,298 mA/cm2 (I = 1A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 1,05 KWh/m3 NRR. Khi tăng J = 5,194 mA/cm2 (I = 4A) thì năng lượng điện tiêu thụ tăng đến 24,67 KWh/m3 NRR. Ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 (I = 3A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 12,83 KWh/m3 NRR, khi tăng mật độ dòng lên 4,545 và 5,194 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ tăng rất nhanh lên tương ứng đến 18,08 và 24,67 KWh/m3 NRR. Kết quả bảng 3.2 cũng cho thấy hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi mật độ đòng điện J = 3,896 mA/cm2 thấp hơn không nhiều so với J = 4,545 và 5,194 mA/cm2. Năng lượng tiêu thụ để xử lý 1 m3 NRR với J = 5,194 mA/cm2 gần gấp đôi với J = 3,896 mA/cm2. Như vậy chọn mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 là phù hợp về mặt năng lượng trong khi đó hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lại không thấp hơn mấy so với J = 4,545 và 5,194 mA/cm2. Bảng 3.2. cho thấy, nếu chọn mật độ dòng < 3,896 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ thấp nhưng hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lại thấp hơn nhiều ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2. Vậy mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 được chọn cho các nghiên cứu tiếp theo. Bảng 3.2. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR (thời gian điện phân 60 phút) Cường Năng Hiệu Hiệu Hiệu Hiệu Hiệu độ Mật độ lượng suất suất suất suất xử điện dòng dòng tiêu thụ xử lý xử lý xử lý lý độ thế điện (mA/cm ) 2 3 (KWh/m COD amoni TSS màu (V) (A) NRR) (%) (%) (%) (%) 1,0 1,298 1,9 1,05 53,33 14,03 6,85 42,2 2,0 2,597 4,4 4,89 62,50 15,03 20,79 56,5 2,5 3,246 5,5 7,64 69,64 18,32 26,57 59,6 3,0 3,896 7,7 12,83 76,79 23,64 38,61 71,67 3,5 4,545 9,3 18,08 78,71 24,32 39,04 74,27 4,0 5,194 11,1 24,67 80,36 24,99 40,16 74,91 Kết hợp giữa hiệu suất xử lý ở bảng 3.1 và năng lượng tiêu thụ ở bảng 3.2 chọn thời gian điện hóa 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.1.2. Ảnh hưởng pH ban đầu của nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt Giá trị pH là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu suất xử lý của quá trình EC. Kết quả nghiên cứu luận án cũng cho thấy, tại môi trường trung tính (pH = 7 - 8) hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều đạt hiệu suất cao nhất. Cụ thể ở bảng 3.3:
8 80 35 70 HiÖu suÊt xö lý COD (%) 30 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) 60 25 50 40 20 30 15 20 10 10 0 5 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 pH pH Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD hiệu suất xử lý amoni 60 100 55 90 HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) 50 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) 80 45 70 40 60 35 30 50 25 40 20 30 15 20 10 10 5 0 0 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 pH pH Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS suất xử lý độ màu Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị pH khác nhau (J = 3,896 mA/cm , thời gian điện phân 60 phút, khoảng cách điện cực 1 cm) 2 Hiệu suất xử lý (%) pH COD Amoni TSS Độ màu 5 50,00 14,33 16,65 24,11 6 69,62 22,02 18,95 40,99 7 73,91 22,63 30,55 67,1 8 72,00 24,88 39,93 72,2 9 62,90 19,22 19,26 50,71 10 43,75 11,23 15,74 34,58 Từ bảng 3.3 có thể thấy rằng: hiệu suất xử lý đạt cao nhất tại hai giá trị pH = 7 và 8. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR cũng chỉ ra là khi pH > 8 thì hiệu suấ xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều giảm. Thời gian điện phân càng tăng thì pH càng tăng (theo hình 3.5) dẫn tới hiệu suất xử lý giảm. Đây cũng là cơ sở để giải thích khi thời gian điện phân lớn hơn 60 phút thì hiệu suất xử lý tăng ít hoặc không tăng. Mặt khác, pH đầu vào vào NRR của
9 BCL Nam Sơn vào khoảng 8 vì vậy lựa chọn pH đầu vào là khoảng 7 - 8 cho nghiên cứu này để tiết kiệm hóa chất điều chỉnh pH và chi phí. 3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu 80 28 26 70 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) HiÖu suÊt xö lý COD (%) 24 60 22 50 20 18 40 16 30 14 20 12 10 10 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng Hình 3.11. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD xử lý amoni 80 40 70 35 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) Hieu suat xu ly do mau (%) 60 30 25 50 20 40 15 30 10 20 5 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Khoang cach dien cuc (cm) Hình 3.12. Ảnh hưởng của khoảng Hình 3.13. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị khoảng cách giữa các điện cực khác nhau (J = 3,896 mA/cm2, thời gian điện phân 60 phút) Khoảng cách điện Hiệu suất xử lý (%) cực (cm) COD Amoni TSS Độ màu 1 76,79 23,64 38,61 71,67 3 63,71 20,38 27,21 64,2 5 50,00 14,85 21,1 44,1 7 45,65 10,54 8,02 28,5 Bảng 3.4 cho thấy tại khoảng cách điện cực 1 cm cho hiệu suất xử lý đạt cao nhất với hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lần lượt là: 76,79; 23,64; 38,61 và 71,67%. Khi khoảng cách giữa các bản điện cực tăng hiệu suất xử lý chất ô nhiễm giảm mạnh. Trong nghiên cứu này không thể giảm được khoảng cách điện
10 cực xuống nhỏ hơn 1 cm do đặc thù của NRR Nam Sơn có hàm lượng TSS cao gây mất ổn định cho quá trình điện phân. Do đó, khoảng cách điện cực 1 cm được lựa chọn áp dụng cho nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy ở cường động dòng điện J = 3,896 mA/cm 2, pH NRR là khoảng 7 - 8 và khoảng cách điện cực 1 cm là điều kiện thích hợp cho quá trình EC. 3.1.4. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm ở các thời gian điện phân khác nhau 80 35 70 30 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) HiÖu suÊt xö lý COD (%) 60 25 50 20 40 15 30 Fe Fe Al Al 20 10 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thêi gian (phót) Thêi gian (phót) Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian điện hóa với điện cực nhôm và sắt đến điện hóa với điện cực nhôm và sắt hiệu suất xử lý COD đến hiệu suất xử lý amoni 40 80 HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) HiÖu suÊt xö lý TSS (%) 60 30 40 20 Fe Fe Al Al 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thêi gian (phót) Thêi gian (phót) Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian điện hóa với điện cực nhôm và sắt điện hóa với điện cực nhôm và sắt đến hiệu suất xử lý TSS đến hiệu suất xử lý độ màu Vật liệu điện cực là một trong các thông số ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng điện hóa diễn ra bên trong dung dịch. Trong mỗi phản ứng EC, anot hòa tan và chất keo tụ đóng vai trò là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu của điện cực sắt và nhôm thể hiện ở bảng 3.5.
11 Bảng 3.5 cho thấy hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu của điện cực sắt cao hơn hẳn so với điện cực nhôm ở tất cả các khoảng thời gian điện phân. Trong khi đó hiệu suất xử lý amoni của điện cực sắt và điện cực nhôm lại phụ thuộc vào khoảng thời gian điện phân. Như vậy chọn điện cực sắt cho nghiên cứu xử lý NRR bằng EC. Bảng 3.5. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở thời gian điện phân khác nhau (J = 3,896 mA/cm2, khoảng cách điện cực 1 cm) Thời Hiệu suất xử lý (%) gian phản COD Amoni TSS Độ màu ứng (phút) Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al 10 42,86 6,90 6,64 5,46 9,83 6,71 27,90 19,90 20 58,93 17,24 11,71 8,19 15,95 9,12 46,75 32,91 30 69,64 22,41 14,06 11,34 23,98 14,2 54,56 41,24 40 73,21 37,93 17,770 18,48 30,46 23,4 59,10 45,85 60 76,79 44,83 23,64 26,46 38,61 27,1 71,67 58,98 80 79,29 44,83 24,79 30,24 38,97 29,1 79,39 66,64 So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm ở các pH đầu vào của nước rỉ rác khác nhau Fe 80 Fe 35 Al Al 70 30 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) HiÖu suÊt xö lý COD (%) 60 25 50 40 20 30 15 20 10 10 5 0 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 pH pH Hình 3.18. Ảnh hưởng của pH đến Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD với hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhôm và sắt điện cực nhôm và sắt
12 60 100 Fe Al Fe 55 90 Al HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) 50 80 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) 45 70 40 60 35 30 50 25 40 20 30 15 20 10 10 5 0 0 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 pH pH Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH đến Hình 3.21. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS với hiệu suất xử lý độ màu với điện cực điện cực nhôm và sắt nhôm và sắt Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở các pH khác nhau (J = 3,896 mA/cm2, thời gian điện phân 60 phút, khoảng cách điện cực 1 cm) Hiệu suất xử lý (%) pH COD Amoni TSS Độ màu Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al 5 50,00 18.72 14.33 15.87 16.65 13.8 24.11 22.5 6 69.62 35.9 22.02 23.57 18.95 15.24 40.99 35.7 7 73.92 44.83 22.63 25,56 30.55 22.97 67.04 60.2 8 72,00 43.58 24.88 26.46 39.93 35.83 72.19 65.13 9 62.90 30.76 19.22 22.48 19.26 13.05 50.70 45.63 10 43.75 14.2 11.23 15.76 15.74 11.38 34.58 30.32 Bảng 3.6 cho thấy hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu của điện cực sắt cao hơn hẳn so với điện cực nhôm ở tất cả các giá trị pH. Trong khi đó hiệu suất xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt. Ở môi trường axit (pH < 7) và môi trường kiềm (pH > 8) thì hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu của cả 2 điện cực nhôm và sắt đều thấp. Hiện tượng này được Park và cộng sự (2002) giải thích là: mỗi loại ion kim loại trong dung dịch có thể tạo ra các chất keo tụ khác nhau dẫn tới hiệu suất xử lý chất ô nhiễm cũng khác nhau. Ví dụ, điều kiện kiềm cao trong dung dịch diện phân hydroxit nhôm và hydroxit sắt tồn tại ở dạng tương ứng là Al(OH)4− và Fe(OH)4−. Những hydroxit này có hoạt động keo tụ kém, sau đó, thông thường (trừ một số sản phẩm polyaluminum) quá trình keo tụ khó được thực hiện ở môi trường có tính axit (Fe: pH = 4 - 5 và Al: pH = 5 - 6).
13 Kết quả này là cơ sở để chọn giá trị pH đầu vào của NRR và loại điện cực phù hợp. Chọn pH = 7 - 8 cho cả hai loại điện cực vì đây là khoảng pH cho hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu cao nhất. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực sắt và nhôm ở các khoảng cách điện cực khác nhau Fe 28 Al 80 Fe Al 26 70 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) HiÖu suÊt xö lý COD (%) 24 60 22 20 50 18 40 16 30 14 12 20 10 10 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Hình 3.22. Ảnh hưởng của khoảng Hình 3.23. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD giữa điện cực nhôm và sắt amoni với điện cực nhôm và sắt Fe Fe Al 80 Al 40 HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) 70 35 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) 60 30 25 50 20 40 15 30 10 20 5 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Kho¶ng c¸ ch ®iÖn cùc (cm) Hình 3.24. Ảnh hưởng của khoảng Hình 3.25. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS cách điện cực đến hiệu suất xử lý với điện cực nhôm và sắt độ màu với điện cực nhôm và sắt Bảng 3.7 cho thấy hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu của điện cực sắt cao hơn hẳn so với điện cực nhôm ở tất cả các khoảng cách điện cực. Trong khi đó hiệu suất xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt nhưng không nhiều. Kết quả này là cơ sở để chọn khoảng cách điện cực và loại điện cực phù hợp. Kết quả nghiên cứu hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu của điện cực nhôm và sắt ở cùng điều kiện thấy điện cực sắt tỏ ra ưu thế hơn về hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu. Tuy hiệu suất xử lý amoni của điện cực nhôm có cao hơn điện cực sắt nhưng không nhiều. Cùng xử lý một lượng chất ô nhiễm thì năng
14 lượng tiêu thụ khi dùng điện cực sắt có thể tính được là nhỏ hơn so với điện cực nhôm. Giá thành điện cực cũng là vấn đề cần quan tâm, mà điện cực sắt có giá thấp hơn điện cực nhôm. Vì vậy điện cực sắt được lựa chọn cho nghiên cứu này. So sánh kết quả nghiên cứu ở điều kiện thích hợp với các nghiên cứu trước đó về hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng quá trình EC thể hiện ở bảng 3.8: So sánh kết quả của luận án với các nghiên cứu khác thấy hiệu suất xử lý một số chỉ tiêu NRR trong nghiên cứu cao và có mức tiêu hao năng lượng thấp. Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt và nhôm ở các khoảng cách điện cực khác nhau (J = 3,896 mA/cm2, thời gian điện phân 60 phút) Khoảng Hiệu suất xử lý (%) cách điện cực COD Amoni TSS Độ màu (cm) Fe Al Fe Al Fe Al Fe Al 1 76,79 44,83 23,64 26,46 38,61 27,1 71,67 67,32 3 63,71 30,00 20,38 20,80 27,21 25,71 64,25 55,46 5 50,00 26,70 14,85 15,60 21,10 18,93 44,42 37,29 7 45,65 22,60 10,54 11,24 8,02 6,95 28,44 20,87 Nhận xét về quá trình xử lý NRR bằng EC Nghiên cứu xử lý NRR bằng quá trình EC với điện cực nhôm và điện cực sắt thì hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu của của điện cực nhôm thấp hơn điện cực sắt, nhưng hiệu suất xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt sau hơn 40 phút phản ứng. Đây là cơ sở để lựa chọn điện cực trong quá trình EC khi ứng dụng trong thực tế. Hầu hết các nghiên cứu trước đều chứng minh hiệu suất xử lý COD của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm, nhưng nghiên cứu của Ilhan và cộng sự (2008) lại cho kết quả ngược lại là hiệu suất xử lý COD của điện cực nhôm cao hơn điện cực sắt. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy quá trình EC hiệu quả khi xử lý COD, độ màu vì COD và độ màu có thể loại bỏ cơ bản bằng quá trình keo tụ điện hóa kết hợp với quá trình điện hóa như oxi hóa, hấp phụ. Quá trình EC kém hiệu quả khi xử lý amoni vì khác với quá trình xử lý COD, TSS và độ màu, amoni được xử lý chủ yếu bằng quá trình điện hóa và quá trình hóa học. Khi nghiên cứu quá trình EC trong xử lý NRR tìm được các điều kiện thích hợp cho quá trình xử lý là: điện cực sắt, J = 3,896 mA/cm 2, pH = 7 - 8, khoảng cách điện cực là 1 cm, thời gian điện phân là 60 phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng quá trình EC để xử lý NRR. Tuy nhiên nếu chỉ dùng mỗi quá trình EC thì nước thải đầu ra một số chỉ tiêu chưa đạt yêu cầu xả thải. Cần phải có quá trình xử lý tiếp theo. Trong luận án này sau quá trình xử lý bằng EC tiếp tục được nghiên cứu xử lý bằng BF.
15 Sau quá trình EC chỉ số một số chất ô nhiễm trong NRR còn lại: COD < 30%, amoni > 75%, TSS > 60% và độ màu < 30% so với ban đầu. Như vậy amoni và TSS là đối tượng cần quan tâm xử lý ở quá trình sinh học tiếp theo. Bảng 3.8. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của các nghiên cứu khác nhau ở điều kiện lựa chọn Năng lượng/m3 Hiệu suất xử lý (%) Nghiên cứu NRR (KWh) COD Amoni TSS Độ màu Luận án 71 - 77 24 - 25 38 - 40 71 - 72 12,83 Bouhezila F. và cs (2011) 68 15 (TN) - 28 19 Ilhan F. và cs (2008) 59 14 - - 12,5 – 19,6 Li X. và cs (2011) 49,8 38,6 - - - Catherine R. và cs (2014) - - - 80* - Top S. và cs (2011) 45 - - 60 - Orkun M. O. và cs (2012) 65,85 - - - - Shivayogimath C.B. và cs (2014) 53,3 - - 65 - 3.2. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp lọc sinh học Bảng 3.9. Một số đặc tính của NRR sau quá trình EC dùng cho đầu vào của quá trình BF TT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị sau EC 1 pH - 8,7 – 9,1 2 COD mg/l 717 - 870 3 BOD5 mg/l 312 - 337 + 4 NH4 -N mg/l 410 - 484 5 NO3--N mg/l
16 COD vµo HiÖu suÊt xö lý COD 900 COD ra 100 800 90 HiÖu suÊt xö lý COD (%) 700 600 80 COD (mg/l) 500 CĐ1: 60/60 CĐ2: 45/75 CĐ3: 30/90 CĐ4: 15/105 400 70 300 60 200 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thêi gian (ngµy) Hình 3.26. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD 3.2.1.2. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý amoni amoni vµo HiÖu suÊt xö lý amoni 700 amoni ra 100.0 99.5 600 HiÖu suÊt xö lý amoni (%) 99.0 500 Nång ®é amoni (mg/l) 98.5 98.0 400 CĐ1: 60/60 CĐ2: 45/75 CĐ3: 30/90 CĐ4: 15/105 97.5 300 97.0 200 96.5 96.0 100 95.5 0 95.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thêi gian (ngµy) Hình 3.27. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý amoni 3.2.1.3. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý nitrat
17 Nitrat vµo Nitrat ra 400 CĐ3: 30/90 CĐ4: 15/105 350 300 Nång ®é nitrat (mg/l) 250 CĐ1: 60/60 200 CĐ2: 45/75 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thêi gian (ngµy) Hình 3.28. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến nồng độ nitrat đầu ra 3.2.1.4. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS TSS vµo HiÖu suÊt xö lý TSS ra 600 100 500 95 HiÖu suÊt xö lý TSS (%) Nång ®é TSS (mg/l) 400 90 300 85 CĐ1: 60/60 CĐ2: 45/75 CĐ3: 30/90 CĐ4: 15/105 200 80 100 75 0 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thêi gian (ngµy) Hình 3.29. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS 3.2.1.5. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu
18 § é mµu vµo HiÖu suÊt xö lý ®é mµu 500 § é mµu ra 80 450 70 400 HiÖu suÊt xö lý ®é mµu (%) 350 60 § é mµu (Pt-Co) 300 250 50 200 40 150 100 30 50 CĐ1: 60/60 CĐ2: 45/75 CĐ3: 30/90 CĐ4: 15/105 0 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thêi gian (ngµy) Hình 3.30. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu Bảng 3.10 cho thấy, khi giảm thời gian sục khí thì hiệu suất xử lý COD, amoni và độ màu đều giảm, nhưng hiệu suất xử lý TSS lại tăng. Như vậy CĐ 1 sục/dừng = 60/60 phút có hiệu suất xử lý cao nhất đối với lý COD, amoni và độ màu nhưng nồng độ nitrat đầu ra quá lớn theo tiêu chuẩn quy định. Trong khi đó ở CĐ 4 sục/dừng = 15/105 phút thì nồng độ nitrat đầu ra khoảng 44 mg/l. Nếu tiếp tục giảm thời gian sục khí trong một chu kỳ thì theo quy luật khả năng xử lý nitơ của hệ tốt hơn nhưng hiệu suất xử lý COD, amoni và độ màu lại thấp. Chi phí vận hành của hệ BF thiếu khí – hiếu khí phần lớn là chi phí cho quá trình sục khí. Cho nên thời gian sục khí trong một chu kỳ càng ngắn thì chi phí về năng lượng càng thấp. Xét về hiệu quả xử lý ở các chế độ (đặc biệt với xử lý nitơ) và chi phí cho quá trình sục khí chọn chế độ sục/dừng = 15/105 phút cho các nghiên cứu tiếp theo. Bảng 3.10. Hiệu suất xử COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ sục khí khác nhau Chế độ HSXL Nồng độ HSXL HSXL HSXL Độ S/D amoni nitrat ra COD (%) TSS (%) màu (%) (phút) (%) (mg/l) CĐ 1 90,64 ± 99,88 ± 371,87 ± 84,36 ± 55,13 ± (60/60) 0,88 0,04 9,13 0,66 1,81 CĐ 2 84,91 ± 99,62 ± 254,5 ± 87,39 ± 46,03 ± (45/75) 1,17 0,03 14,70 0,52 1,14 CĐ 3 79,54 ± 99,52 ± 160,32 ± 89,20 ± 39,09 ± (30/90) 1,00 0,03 8,44 0,57 1,61 CĐ 4 77,45 ± 99,21 ± 43,64 ± 91,07 ± 34,75 ± (15/105) 1,31 0,03 1,16 0,52 1,30