NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BÃI CHÔN LẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP OZON HOÁ

Tính cấp thiết của đề tài: Nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng xung quanh khu vực bãi chôn lấp. Nhìn chung, nước rỉ rác chứa các chất hữu cơ hoà tan và các ion vô cơ với hàm lượng cao, khó xử lý 61. Nếu nước rỉ rác phát thải trực tiếp vào môi trường mà không được kiểm soát có thể gây ô nhiễm môi trường. Tính chất nước rỉ rác không những thay đổi theo loại chất thải rắn mà còn thay đổi theo tuổi bãi chôn lấp và theo mùa trong năm. Baig và cộng sự (1999) 27 dựa vào tuổi của bãi rác phân loại nước rỉ rác thành: nước rỉ rác tươi, trung bình và ổn định (già). Ở Việt Nam, hầu hết các tỉnh thành đều thực hiện công tác thu gom và chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt. Tuy nhiên, chất thải rắn ở nhiều khu vực vẫn chưa được phân loại, chôn lấp chưa thực sự tuân thủ các kỹ thuật chôn lấp hợp vệ sinh. Thành phần chất thải rắn được chôn lấp rất đa dạng, chứa cả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và độc hại. Vì thế, vấn đề xử lý nước rỉ rác vẫn là bài toán khó giải quyết ở nhiều khu vực. Hệ thống xử lý nước rỉ rác ở nhiều bãi chôn lấp mặc dù đã đi vào hoạt động nhưng chưa thực sự mang lại hiệu quả như mong muốn. Nhiều hệ thống sau một thời gian hoạt động đã phải cải tạo nhiều lần 5. Vì vậy, việc tìm các hướng xử lý mới, đạt hiệu quả tốt cần được nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của các công nghệ cũ. Theo Trần Mạnh Trí (2007) 13, để xử lý thành công nước rỉ rác, cần tập trung vào giải pháp xử lý hai thành phần cơ bản: 1) Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước rỉ rác, đặc biệt những chất hữu cơ khó phân hủy, những hợp chất humic như axít fulvic và axít humic. 2) Các chất ô nhiễm vô cơ trong nước rỉ rác, chủ yếu là amoniac (NH3) dưới dạng ion amoni (NH4+) trong nước rỉ rác có hàm lượng rất cao. Đây là “chìa khóa” quyết định hiệu quả xử lý nước rỉ rác. Trong những năm gần đây, để xử lý thành phần ô nhiễm hữu cơ khó, người ta đã áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao, trong đó ozon là một trong các chất oxi hoá được sử dụng (chất oxi hóa mạnh) phổ biến. Phương pháp này được xem như thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải trong hai thập kỷ gần đây trên thế giới 12. Tác nhân ozon được ứng dụng để oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong xử lý nước rỉ rác. Nhiều nghiên cứu trước đây đã sử dụng ozon hoặc các tác nhân oxi hoá nâng cao khác chứng minh hiệu quả xử lý COD hay TOC trong nước rỉ rác 27, 61, 77, 78, 82, 92, 100, 103. Các quá trình oxi hóa các chất hữu cơ bằng ozon có nhiều triển vọng trong công nghệ xử lý nước và nước thải ở thế kỷ 21 12, 70, 94. Ở nước ta, các nghiên cứu ứng dụng Ozon hay Perozon bước đầu đã được nghiên cứu và ứng dụng xử lý nước rỉ rác. Hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon có thể được cải thiện nếu kết hợp với các chất xúc tác hay xử lý trong bể phản ứng chứa vật liệu đệm. Đặc biệt, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên chứa nhiều gốc oxit kim loại khá phổ biến ở Việt Nam có tác dụng như chất xúc tác cho phản ứng ozon. Các vật liệu này hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng quá trình ozon xúc tác. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng nó làm chất xúc tác cho quá trình ozon trong xử lý nước rỉ rác còn rất hạn chế. Vì vậy, trong luận án này, các quá trình ozon xúc tác được áp dụng để nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ trong xử lý nước rỉ rác. Mục tiêu nghiên cứu: Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau: 1. Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon (O3) và Perozon (O3H2O2). 2. Nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ. 3. Nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon kết hợp quặng mangan. Nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Giai đoạn tiền xử lý, thí nghiệm keo tụ nước rỉ rác bằng PAC và lựa chọn các điều kiện thích hợp. Nội dung 2: Thí nghiệm ảnh hưởng của các thông số, gồm: pH, hàm lượng H2O2 và thời gian phản ứng cho xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng Ozon và Perozon. Nội dung 3: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng Ozonđệm sứ, Perozonđệm sứ. Nội dung 4: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng Ozonquặng mangan, Perozonquặng mangan. Những đóng góp khoa học và công nghệ mới của luận án: 1) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với đệm sứ (Ozonđệm sứ và Perozonđệm sứ) để xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác. 2) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với quặng mangan để xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác (Ozonquặng mangan và Perozonquặng mangan). Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án: 1) Xác định được hiệu quả xử lý độ màu, COD, TOC và cải thiện tỉ lệ BOD5COD nước rỉ rác bằng Ozon, Perozon, Ozonđệm sứ, Perozonđệm sứ; Ozonquặng mangan, Perozonquặng mangan. 2) Xác định được các thông số thích hợp: pH, thời gian phản ứng, hàm lượng H2O2, bề mặt riêng đệm sứ và hàm lượng quặng mangan trong quá trình xử lý. 3) Xác định được lượng Ozon tiêu tốn (kg O3kg COD) và lượng H2O2 tiêu tốn (kg O3kg COD) nước rỉ rác trong các quá trình xử lý bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ và quặng mangan. 4) Một phần kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng trong hệ thống xử lý nước rỉ rác ở bãi chôn lấp Nam Sơn. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu cải tiến công nghệ ozon trong xử lý nước rỉ rác. Đồng thời, kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng để nghiên cứu ứng dụng công nghệ ozon trong xử lý nước rỉ rác trong thực tế. Những điểm chính được bảo vệ trong luận án: 1) Kết quả nghiên cứu xác định pH, thời gian phản ứng thích hợp và hàm lượng H2O2 trong xử lý nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon. Kết quả đã xác định được pH thích hợp cho cả hệ Ozon và Perozon là 8 – 9; thời gian phản ứng thích hợp (hệ Ozon là 100 phút, hệ Perozon là 80 phút); hàm lượng H2O2 thích hợp là 2.000 mgl. 2) Kết quả nghiên cứu nâng cao hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng hệ Ozonđệm sứ và Perozonđệm sứ khi kết hợp với đệm sứ. Kết quả đã cải thiện được khoảng 15% hiệu suất xử lý COD nếu trong hệ thí nghiệm chứa loại đệm sứ có bề mặt riêng 728 m2m3 so với hệ Ozon và Perozon 3) Kết quả nghiên cứu sử dụng quặng mangan với hàm lượng 500 mgl làm xúc tác cho Ozon và Perozon đã cải thiện được 20% hiệu quả xử lý COD nước rỉ rác. 4) Kết quả tính toán, xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một ở các hệ thí nghiệm Ozon, Perozon, Ozonđệm sứ, Perozonđệm sứ, Ozonquặng mangan, Perozonquặng mangan. 5) Kết quả tính toán hàm hồi quy và tương quan các hệ thí nghiệm Ozon, Perozon, Ozonđệm sứ, Perozonđệm sứ, Ozonquặng mangan, Perozonquặng mangan để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố pH, thời gian phản ứng, hàm lượng H2O2, đệm sứ và quặng mangan. Khối lượng và cấu trúc của luận án: Luận án gồm 125 trang không kể tài liệu tham khảo và phụ lục. Trong đó, phần mở đầu 4 trang đầu, chương 1: tổng quan về nước rỉ rác và công nghệ xử lý nước rỉ rác 37 trang, giới thiệu tổng quan về thành phần nước rỉ rác trên thế giới và ở Việt Nam; các phương pháp xử lý nước rỉ rác; các ứng dụng ozon trong xử lý nước và nước thải; các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và ở Việt Nam về ứng dụng ozon trong xử lý nước rỉ rác. Chương 2: đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu 22 trang, gồm các phương pháp phân tích hồi quy, phương pháp xác định động học và phương pháp thực nghiệm keo tụ; xử lý bằng Ozon, Perozon; Ozonđệm sứ, Ozonquặng mangan, Perozonđệm sứ, Perozonquặng mangan. Chương 3: kết quả nghiên cứu và thảo luận 60 trang. Phần kết luận và kiến nghị 2 trang. Danh mục các công trình đã công bố 1 trang, tài liệu tham khảo 12 trang với 107 tài liệu tham khảo và 72 trang phụ lục. Trong luận án có 43 bảng và 58 hình.

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-& -

VĂN HỮU TẬP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BÃI CHÔN

LẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP OZON HOÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 2015

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VĂN HỮU TẬP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BÃI CHÔN

LẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP OZON HOÁ

Chuyên ngành: Công nghê ̣ môi trường nước và nước thải

Mã số: 62 85 06 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

2 PGS.TS Nguyễn Hoài Châu

Hà Nội, 2015

Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp bằng phương pháp Ozon hóa” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS

Trịnh Văn Tuyên và PGS.TS Nguyễn Hoài Châu và với sự giúp đỡ về chuyên môn của PGS.TS Đặng Xuân Hiển

Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chính xác và chưa được tác giả khác công bố

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận án này

Hà Nội, ngày 06 tháng 9 năm 2015

NGHIÊN CỨU SINH

Văn Hữu Tập

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trịnh Văn Tuyên và PGS.TS Nguyễn Hoài Châu (Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã định hướng cho tôi những hướng nghiên cứu khoa học quan trọng trong quá trình thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Xuân Hiển (Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi về kiến thức khoa học cũng như thiết bị thí nghiệm thuộc đề tài KC08.05/11-15: Nghiên cứu xây dựng công nghệ tích hợp hóa lý - sinh học thích ứng, hiệu quả, an toàn và bền vững với môi trường sinh thái để xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp rác tập trung

Tôi xin cảm ơn phòng thí nghiệm Hướng Công nghệ Xử lý Ô nhiễm Môi trường (Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tạo điều kiện để tôi tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu và phân tích kết quả thí nghiệm

NGHIÊN CỨU SINH

Văn Hữu Tập

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V Ề NƯỚC RỈ RÁC VÀ CÔ NG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 5

1.1 SỰ HÌNH THÀNH NƯỚC RỈ RÁC 5

1.2 THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC RỈ RÁC 6

1.2.1 Thành phần nướ c rỉ rác trên thế giới 6

1.2.2 Thành phần nước rỉ rác ở Viê ̣t Nam 12

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 15

1.4 CÁC QUÁ TRÌNH OXI HOÁ BẰNG TÁC NHÂN OZON 16

1.4.1 Tính chất hóa lý của ozon 16

1.4.2 Cơ chế oxi hóa của ozon 17

1.4.3 Quá trình kết hợp Ozon với các tác nhân khác 18

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ozon hoá 21

1.4.5 Ưu và nhược điểm của ozon hoá trong xử lý nước và nước thải 23

1.5 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG OZON 24

1.5.1 Ứng dụng ozon trong xử lý nước và nước thải 24

1.5.2 Các nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng ozon trên thế giớ i 25

1.5.3 Các nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng ozon ở Viê ̣t Nam 35

1.5.4 Kết luận về tình hình nghiên cứ xử lý nước rỉ rác bằng ozon và định hướng nghiên cứu trong luận án 38

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 42

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THƯC NGHIỆM 43

2.2.1 Phương pháp phân tích chất lượng nước thải 43

2.2.2 Phương pháp thực nghiê ̣m 43

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu động học 58

2.2.4 Phương pháp phân tích hồi quy và tương quan 60

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 64

3.1 TIỀN XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG KEO TỤ 64 3.2 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CÁC CH ẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC R Ỉ RÁC BẰNG

3.2.2 Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon 75 3.2.3 Nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ 88 3.2.4 Kết hợp Ozon và Perozon với quặng mangan để cải thiện hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác 97 3.3 TÍNH TOÁN HẰNG SỐ ĐỘNG HỌC GIẢ BẬC MỘT PHẢN ỨNG XỬ LÝ COD NƯỚC RỈ RÁC 111 3.3.1 Thí nghiệm nghiên cứu động học 111 3.3.2 Hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một 113 3.4 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỒI QUY VÀ TƯƠNG QUAN TRONG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG OZON VÀ PEROZON 117 3.4.1 Ứng dụng phương pháp phân tích hồi quy và tương quan trong nghiên cứu xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon 117 3.4.2 Ứng dụng phương pháp phân tích hồi quy và tương quan trong nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng Perozon 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC 139

A101 : Acrylamit natri acrylat copolime – Chất trợ keo tụ

AOPs : Advanced Oxidation Processes – Các quá trình oxi hóa tiên tiến

BOD : Biological Oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh hóa

BTNMT : Bộ tài Nguyên và Môi trường

CHC : Chất hữu cơ

COD : Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học

GAC : Granular activated carbon – Than hoạt tính dạng hạt

HMW : Humic Matter Weight - Khối lượng các hợp chất humic và fulvic

PAC : Polyaluminium Chlorite – Hóa chất keo tụ PAC

QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

SBR : Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng theo mẻ

SS : Suspended Solids - Chất rắn lơ lửng

SMEWW : Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater

- Các phương pháp chuẩn phân tích nước và nước thải TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

TDS : Total Dissolved Solids – Tổng chất rắn hòa tan

TOC : Total Organic Carbon – Tổng cacbon hữu cơ

TNHH : Trách nhiệm hữu hạn

UF : Ultrafitration membrane – Màng siêu lọc

UASB : Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể xử lý sinh học dòng

chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí

UV : Ultraviolet - tia tử ngoại

VFA : volatile fatty acids – Các axit béo dễ bay hơi

Bảng 1.1 Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn 7

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL ở Châu Mỹ và Châu Âu 9

Bảng 1.3 Thành phần nước rỉ rác một số BCL ở Châu Á 11

Bảng 1.4 Thành phần nước rỉ rác một số BCL ở Châu Phi 11

Bảng 1.5 Đặc trưng thành phần nước rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam 14

Bảng 2.1 Một số đặc tính nước rỉ rác thí nghiệm 42

Bảng 2.2 Đặc điểm đệm sứ được sử dụng trong nghiên cứu 53

Bảng 2.3 Thành phần % khối lượng quặng mangan tính theo oxit kim loại 56

Bảng 2.4 Tư liệu thống kê ban đầu có thứ nguyên 61

Bảng 2.5 Tư liệu thống kê ban đầu ở dạng vô thứ nguyên 61

Bảng 3.1 So sánh hiệu suất keo tụ ở 1.500 và 3.000 mg/l 65

Bảng 3.2 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ b ằng Ozon với ảnh hưởng của pH 68

Bảng 3.3 Mô ̣t số ion phân hủy gốc OH• trong thí nghiệm Ozon 71

Bảng 3.4 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon với ảnh hưởng của pH 71

Bảng 3.5 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ nư ớc rỉ rác bằng Ozon với ảnh hưởng của thời gian phản ứng 74

Bảng 3.6 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon với ảnh hưởng của thời gian phản ứng 75

Bảng 3.7 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nư ớc rỉ rác bằng Perozon với ảnh hưởng của pH 77

Bảng 3.8 Mô ̣t số chất phân hủy gốc OH• trong xử lý nước rỉ rác bằng Perozon 78

Bảng 3.9 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon với ảnh hưởng của pH 79

Bảng 3.10 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nước r ỉ rác bằng Perozon với ảnh hưởng của H2O2 82

Bảng 3.11 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon với ảnh hưởng của H2O2 83

với ảnh hưởng của thời gian phản ứng 85Bảng 3.13 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon với ảnh hưởng của thời gian phản ứng 86Bảng 3.14 Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng 87Bảng 3.15 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nước r ỉ rác bằng Ozon/đệm sứ 90Bảng 3.16 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon/đệm sứ 92Bảng 3.17 O3 tiêu thụ ở thí nghiệm Ozon/đệm sứ có bề mặt riêng 728 m2/m3 92Bảng 3.18 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nước rác b ằng Perozon/đệm sứ 94Bảng 3.19 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon/đệm sứ 95Bảng 3.20 O3 và H2O2 tiêu thụ ở thí nghiệm Perozon/đệm sứ có bề mặt riêng 728

m2/m3 96Bảng 3.21 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nước r ỉ rác bằng Ozon/quặng mangan 99Bảng 3.22 Hàm lượng O3 cấp vào và lượng O3 dư sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Ozon/quặng mangan 103Bảng 3.23 O3 tiêu thụ ở thí nghiệm Ozon/quặng mangan 500 mg/l 104Bảng 3.24 Trung bình hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ trong nước r ỉ rác bằng Perozon/quặng mangan 106Bảng 3.25 Hàm lượng O3 trước và sau xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng Perozon/quặng mangan 109Bảng 3.26 Suất tiêu thụ trung bình O3 và H2O2 sau thí nghiệm hệ Perozon/quặng mangan 500 mg/l 109Bảng 3.27 Tổng hợp suất tiêu thụ O3 và H2O2 trong thí nghiệm kết hợp Ozon và Perozon với đệm sứ và quặng mangan 110Bảng 3.28 Các điều kiện thí nghiệm nghiên cứu động học quá trình xử lý COD nước

rỉ rác 111

lý COD trong nước rỉ rác của các hệ Ozon 114Bảng 3.31 Phương trình tốc độ phản ứng giả bậc một quá trình xử lý COD nước rỉ rác bằng quá trình ozon 115Bảng 3.32 Tổng hợp kết quả tính hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử

lý COD nước rỉ rác của các hệ Perozon 116Bảng 3.33 Phương trình tốc độ phản ứng giả bậc một quá trình xử lý COD nước rỉ rác bằng quá trình Perozon 116

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp 6

Hình 1.2 Mô hình ozon hóa gián tiếp và trực tiếp 17

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm keo tụ nước rỉ rác 45

Hình 2.2 Máy tạo khí ozon Lin 4.10L 46

Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước rỉ rác bằng Ozon hoặc Perozon 46

Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước rỉ rác bằng Ozon, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ và Ozon/quặng mangan 47

Hình 2.5 Pilot thí nghiệm xử lý nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon 48

(qui mô pilot là 1 lít) 48

Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước rỉ rác bằng Ozon kết hợp đệm sứ 54

Hình 2.7 Ảnh SEM của mẫu quặng mangan sử dụng trong nghiên cứu 57

Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước rỉ rác bằng ozon xúc tác 57

Hình 3.1 Ảnh hưởng của PAC đến COD nước rỉ rác sau xử lý 64

Hình 3.2 Ảnh hưởng của PAC đến độ màu nước rỉ rác sau xử lý 64

Hình 3.3 Ảnh hưởng PAC đến chất rắn lơ lửng trong nước rỉ rác sau xử lý 65

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến độ màu sau xử lý bằng Ozon 67

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH đến COD sau xử lý bằng Ozon 67

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến TOC sau xử lý bằng Ozon 67

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến tỉ lệ BOD5/COD sau xử lý bằng Ozon 69

Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến độ màu sau xử lý bằng Ozon 72

Hình 3.9 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến COD sau xử lý bằng Ozon 73

Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến TOC sau xử lý bằng Ozon 73

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến BOD5/COD sau xử lý bằng Ozon 74 Hình 3.12 Ảnh hưởng của pH đến độ màu sau xử lý bằng Perozon 76

Hình 3.13 Ảnh hưởng của pH đến COD sau xử lý bằng Perozon 76

Hình 3.14 Ảnh hưởng của pH đến TOC sau xử lý bằng Perozon 76

Hình 3.15 Ảnh hưởng của pH đến tỉ lệ BOD5/COD sau xử lý bằng Perozon 78

Hình 3.16 Ảnh hưởng của H2O2 đến độ màu sau xử lý bằng Perozon 80

Hình 3.17 Ảnh hưởng của H2O2 đến COD sau xử lý bằng Perozon 81

Hình 3.20 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến độ màu sau xử lý bằng Perozon 84

Hình 3.21 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến COD sau xử lý bằng Perozon 84

Hình 3.22 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến TOC sau xử lý bằng Perozon 85

Hình 3.23 Ảnh hưởng của th ời gian phản ứng đến tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Perozon 86

Hình 3.24 Ảnh hưởng của đệm sứ đến độ màu sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ 89

Hình 3.25 Ảnh hưởng của đệm sứ đến COD sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ 89

Hình 3.26 Ảnh hưởng của đệm sứ đến TOC sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ 90

Hình 3.27 Ảnh hưởng của đ ệm sứ đến tỉ lệ BOD 5/COD nước rỉ rác sau xử lý bằng Ozon/đệm sứ 91

Hình 3.28 Ảnh hưởng của đệm sứ đến độ màu sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ 93

Hình 3.29 Ảnh hưởng của đệm sứ đến COD sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ 93

Hình 3.30 Ảnh hưởng của đệm sứ đến TOC sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ 93

Hình 3.31 Ảnh hưởng của đ ệm sứ đến tỉ lệ BOD 5/COD nước rỉ rác sau xử lý bằng Perozon/đệm sứ 95

Hình 3.32 Ảnh hưởng của quặng mangan đến độ màu sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan 98

Hình 3.33 Ảnh hưởng của quặng mangan đến COD sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan 98

Hình 3.34 Ảnh hưởng của quặng mangan đến TOC sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan 99

Hình 3.35 Ảnh hưởng của qu ặng mangan đến tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Ozon/quặng mangan 100

Hình 3.36 Con đường oxi hóa các chất hữu cơ khi O3 kết hợp với xúc tác 101

Hình 3.37 Cơ chế hấp phụ trên chất xúc tác và oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ bởi O3 và OH• 102

Hình 3.38 Cơ chế phản ứng sinh ra gốc hydroxyl (OH•) hay các gốc khác bằng phản ứng của O3 với các kim loại bị khử của chất xúc tác 103

Hình 3.39 Ảnh hưởng của quặng mangan đến độ màu sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan 105

mangan 105

Hình 3.41 Ảnh hưởng của quặng mangan đến TOC sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan 106

Hình 3.42 Ảnh hưởng của qu ặng mangan đến tỉ lê ̣ BOD 5/COD sau xử lý bằng Perozon/quặng mangan 107

Hình 3.43 Sự phân hủy H2O2 trên bề mặt chất xúc tác 108

Hình 3.44 Đồ thị động học xử lý COD nước rỉ rác của các hệ Ozon 113

Hình 3.45 Đồ thị động học xử lý COD nước rỉ rác của các hệ Perozon 113

Hình 3.46 Đồ thị xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD nước rỉ rác bằng Ozon 114

Hình 3.47 Đồ thị xác định hằng số tốc độ phản ứng giả bậc một k* quá trình xử lý COD nước rỉ rác bằng các hệ Perozon 115

Tính cấp thiết của đề tài:

Nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng xung quanh khu vực bãi chôn lấp Nhìn chung, nướ c rỉ rác chứa các chất hữu cơ hoà tan và các ion vô cơ v ới hàm lượng cao , khó xử lý [61] Nếu nước rỉ rác phát thải trực tiếp vào môi trường mà không được kiểm soát có thể gây ô nhiễm môi trường Tính chất nước rỉ rác không những thay đổi theo loại chất thải rắn mà còn thay đổi theo tuổi bãi chôn l ấp và theo mùa trong năm Baig và cô ̣ng sự (1999) [27] dựa vào tuổi của bãi rác phân lo ại nước rỉ rác thành: nước

rỉ rác tươi, trung bình và ổn đi ̣nh (già)

Ở Việt Nam, hầu hết các tỉnh thành đều thực hiện công tác thu gom và chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt Tuy nhiên, chất thải rắn ở nhiều khu vực vẫn chưa được phân loại, chôn lấp chưa thực sự tuân thủ các kỹ thuật chôn lấp hợp vệ sinh Thành phần chất thải rắn được chôn lấp rất đa dạng, chứa cả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và độc hại Vì thế, vấn đề xử lý nước rỉ rác vẫn là bài toán khó giải quyết ở nhiều khu vực Hệ thống xử lý nước rỉ rác ở nhiều bãi chôn lấp mặc dù đã đi vào hoạt động nhưng chưa thực sự mang lại hiệu quả như mong muốn Nhiều hệ thống sau một thời gian hoạt động đã phải cải tạo nhiều lần [5] Vì vậy, việc tìm các hướng xử lý mới, đạt hiệu quả tốt cần được nghiên cứu để khắc phục các nhược điểm của các công nghệ cũ

Theo Trần Ma ̣nh Trí (2007) [13], để xử lý thành công nước rỉ rác, cần tập trung vào giải pháp xử lý hai thành phần cơ bản: 1) Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước rỉ rác, đặc biệt những chất hữu cơ khó phân hủy, những hợp chất humic như axít fu lvic

và axít humic 2) Các chất ô nhiễm vô cơ trong nước rỉ rác, chủ yếu là amoniac (NH3) dưới dạng ion amoni (NH4+) trong nước rỉ rác có hàm lượng rất cao Đây là “chìa khóa” quyết định hiệu quả xử lý nước rỉ rác

Trong những năm gần đây, để xử lý thành phần ô nhiễm hữu cơ khó, người ta

đã áp dụng các quá trình oxi hóa nâng cao, trong đó ozon là mô ̣t trong các chất oxi hoá được sử dụng (chất oxi hóa ma ̣nh ) phổ biến Phương pháp này được xem như thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải trong hai thập kỷ gần đây trên thế giới [12] Tác nhân ozon đươ ̣c ứng du ̣ng đ ể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong xử lý nước rỉ rác Nhiều nghiên cứu trước đây đã sử du ̣ng ozon hoă ̣c các tác nhân oxi hoá nâng cao khác chứng minh hiệu qu ả xử lý COD hay TOC trong nước rỉ rác [27,

nhiều triển vọng trong công nghệ xử lý nước và nước thải ở thế kỷ 21 [12, 70, 94]

Ở nước ta, các nghiên cứu ứng dụng Ozon hay Perozon bước đầu đã được nghiên cứu và ứng dụng xử lý nước rỉ rác Hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon có thể được cải thiện nếu kết hợp với các chất xúc tác hay xử lý trong bể phản ứng chứa vật liệu đệm Đặc biệt, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên chứa nhiều gốc oxit kim loại khá phổ biến ở Việt Nam có tác dụng như chất xúc tác cho phản ứng ozon Các vật liệu này hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác bằng quá trình ozon xúc tác Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng nó làm chất xúc tác cho quá trình ozon trong xử lý nước rỉ rác còn rất hạn chế Vì vậy, trong luận án này, các quá trình ozon xúc tác được áp du ̣ng đ ể nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ trong xử lý nước rỉ rác

Mục tiêu nghiên cứu:

Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau:

1 Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý các chất hữu cơ tro ng nước rỉ rác bằng Ozon (O3) và Perozon (O3/H2O2)

2 Nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ t rong nước rỉ rác b ằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ

3 Nâng cao hiệu quả xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác b ằng Ozon và Perozon kết hợp quặng mangan

Nô ̣i dung nghiên cứu:

Nô ̣i dung 1: Giai đoạn tiền xử lý, thí nghiệm keo tụ nước rỉ rác bằng PAC và

lựa chọn các điều kiện thích hợp

Nô ̣i dung 2: Thí nghiệm ảnh hưởng của các thông số , gồm: pH, hàm lượng

H2O2 và thời gian phản ứ ng cho xử lý các ch ất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tu ̣ bằng Ozon và Perozon

Nô ̣i dung 3: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ

Nô ̣i dung 4: Thí nghiệm xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng

Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan

1) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với đệm sứ (Ozon/đệm sứ và Perozon/đệm sứ) để xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác

2) Nghiên cứu kết hợp Ozon và Perozon với quặng mangan để xử lý các chất hữu cơ trong nước rỉ rác (Ozon/quặng mangan và Perozon/quặng mangan)

Giá trị thực tế và ứng dụng các kết quả của luận án:

1) Xác định được hiệu quả xử lý độ màu, COD, TOC và cải thiện tỉ lệ BOD5/COD nước rỉ rác bằng Ozon, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ; Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan

2) Xác định được các thông số thích hợp: pH, thời gian phản ứng, hàm lượng

H2O2, bề mặt riêng đệm sứ và hàm lượng quặng mangan trong quá trình xử lý

3) Xác định được lượng Ozon tiêu tốn (kg O3/kg COD) và lượng H2O2 tiêu tốn (kg O3/kg COD) nước rỉ rác trong các quá trình xử lý bằng Ozon và Perozon kết hợp đệm sứ và quặng mangan

4) Một phần kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng trong hệ thống

xử lý nước rỉ rác ở bãi chôn lấp Nam Sơn

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu cải tiến công nghệ ozon trong xử lý nước rỉ rác Đồng thời, kết quả nghiên cứu này

có thể được sử dụng để nghiên cứu ứng dụng công nghệ ozon trong xử lý nước rỉ rác trong thực tế

Những điểm chính được bảo vệ trong luận án:

1) Kết quả nghiên cứu xác định pH, thời gian phản ứng thích hợp và hàm lượng

H2O2 trong xử lý nước rỉ rác bằng Ozon và Perozon Kết quả đã xác định được pH thích hợp cho cả hệ Ozon và Perozon là 8 – 9; thời gian phản ứng thích hợp (hệ Ozon

là 100 phút, hệ Perozon là 80 phút); hàm lượng H2O2 thích hợp là 2.000 mg/l

2) Kết quả nghiên cứu nâng cao hiệu suất xử lý nước rỉ rác bằng hệ Ozon/đệm

sứ và Perozon/đệm sứ khi kết hợp với đệm sứ Kết quả đã cải thiện được khoảng 15% hiệu suất xử lý COD nếu trong hệ thí nghiệm chứa loại đệm sứ có bề mặt riêng 728

m2/m3 so với hệ Ozon và Perozon

3) Kết quả nghiên cứu sử dụng quặng mangan với hàm lượng 500 mg/l làm xúc tác cho Ozon và Perozon đã cải thiện được 20% hiệu quả xử lý COD nước rỉ rác

nghiệm Ozon, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan

5) Kết quả tính toán hàm hồi quy và tương quan các hệ thí nghiệm Ozon, Perozon, Ozon/đệm sứ, Perozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/quặng mangan

để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố pH, thời gian phản ứng, hàm lượng H2O2, đệm

sứ và quặng mangan

Khối lượng và cấu trúc của luận án:

Luận án gồm 125 trang không kể tài liệu tham khảo và phụ lục Trong đó, phần

mở đầu 4 trang đầu, chương 1: tổng quan về nước rỉ rác và công nghệ xử lý nước rỉ rác

37 trang, giới thiệu tổng quan về thành phần nước rỉ rác trên thế giới và ở Việt Nam; các phương pháp xử lý nước rỉ rác; các ứng dụng ozon trong xử lý nước và nước thải; các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và ở Việt Nam về ứng dụng ozon trong xử lý nước rỉ rác Chương 2: đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu 22 trang, gồm các phương pháp phân tích hồi quy, phương pháp xác định động học và phương pháp thực nghiệm keo tụ; xử lý bằng Ozon, Perozon; Ozon/đệm sứ, Ozon/quặng mangan, Perozon/đệm sứ, Perozon/quặng mangan Chương 3: kết quả nghiên cứu và thảo luận 60 trang Phần kết luận và kiến nghị 2 trang Danh mục các công trình đã công bố 1 trang, tài liệu tham khảo 12 trang với 107 tài liệu tham khảo

và 72 trang phụ lục Trong luận án có 43 bảng và 58 hình

XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Nước rỉ rác chứa nhiều chất ô nhiễm hòa tan từ quá trình phân hủy rác và lắng xuống dưới đáy ô chôn lấp Thành phần hoá học nước rỉ rác cũng rất khác nhau và phụ thuô ̣c vào thành phần rác th ải chôn lấp cũng như thời gian chôn lấp Lượng nước

rỉ rác được hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau [4]:

- Nước thoát ra từ chất thải rắn: chất thải luôn chứa một lượng nước nhất định Trong quá trình đầm nén nước tách ra khỏi chất thải và gia nhập vào nước rỉ rác

- Nước từ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ: nước là một trong những sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ

- Nước mưa thấm từ trên xuống qua lớp phủ bề mặt

- Nướ c ngầm thấm qua đáy hoă ̣c thân ô chôn lấp vào bên trong bãi chôn l ấp Đối với các bãi chôn lấp hợp vệ sinh thì nước rỉ rác thư ờng ít hơn vì đã loa ̣i bỏ đươ ̣c lượng nước ngầm thấm qua đáy Như vậy, lượng nước rỉ rác sinh ra phụ thuộc:

- Điều kiện tự nhiên khu vực chôn lấp (lượng mưa, bốc hơi, nước ngầm )

- Độ ẩm chất thải chôn lấp

- Kỹ thuật xử lý đáy bãi chôn lấp và hệ thống kiểm soát nước mặt

Lượng nước rỉ rác phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong ô chôn lấp Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rỉ rác được trình bày trong hình 1.1 và lượng nước rỉ rác được tính theo công thức [4]:

trong đó: LC - nướ c rỉ rác,

R - nước mưa thấm vào ô chôn lấp,

RI - dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp),

RO - dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp,

E - nước bay hơi, ∆V - sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng

thải rắn; sự chênh lệch về hàm lượng nước trong cấu trúc hóa học của rác

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp

Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy, lượng nước rỉ rác c ủa ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra do phân

hủy rác trừ đi lượng bay hơi

1.2 THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC RỈ RÁC

1.2.1 Thành phần nươ ́ c rỉ rác trên thế giới

Hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rỉ rác c ủa bãi chôn lấp chất thải rắn mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm Bởi vì trong bãi chôn lấp lâu năm, chất thải rắn đã được ổn định do các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thời gian dài, các chất hữu cơ đã được phân hủy hầu như hoàn toàn, các chất vô cơ đã

bị cuốn trôi đi Trong bãi chôn lấp mới, thông thường pH thấp, các thành phần như BOD5, COD, chất dinh dưỡng, kim loại nặng, TDS có hàm lượng rất cao Khi các quá trình sinh học trong bãi chôn lấp đã chuyển sang giai đoạn metan hóa thì pH tăng lên (6,8 - 8,0), đồng thời BOD5, COD, TDS và nồng độ các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) thấp hơn Hàm lượng kim loại nặng giảm vì pH tăng thì hầu hết các kim loại

ở trạng thái kém hòa tan[5]

Khả năng phân hủy của nước rỉ rác thay đ ổi theo thời gian Khả năng phân hủy sinh học có thể xét thông qua tỉ l ệ BOD5/COD Khi mới chôn lấp tỉ lệ này thường trên 0,5 Khi tỉ l ệ BOD5/COD trong khoảng 0,4 - 0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong

Nước gia nhập

từ ngoài (RI)

Nước trong CTR

Bay hơi (E)

Dòng chảy mặt (RO)

Nước chứa trong lớp vật liệu phủ

Nước trong bùn

Nước rỉ rác (LC) Nước mưa (R)

axit fulvic khó phân hủy sinh học [5, 31]

Chất lươ ̣ng nước rỉ rác có sự thay đổi lớn và liên quan trực tiếp đến sự thay đổi lươ ̣ng mưa , thành phần chất thải rắn , tuổi bãi chôn lấp và mùa Các chất ô nhiễm chính trong nước rỉ rác là các hợp chất hữu cơ và amoni Mối quan h ệ giữa nồng độ các chất trong nước rỉ rác và tuổi bãi chôn lấp được t ổng hợp từ nguồn [31, 76] và được thể hiê ̣n ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc điểm nước rỉ rác bãi chôn lấp chất thải rắn

Thông số Đơn vị

Tuổi bãi chôn lấp Mới (0 - 5 năm) Trung bình (5 - 10 năm) Cũ (>10 năm)

Khả năng phân

Ghi chú: (-)-không đánh giá

Như vâ ̣y, thành phần nước rỉ rác khác nhau theo tuổi bãi chôn l ấp Các bãi chôn lấp có tuổi càng trẻ (<5 năm) thì nồng độ các chất ô nhiễm càng cao (COD > 10.000 mg/l), chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học , pH thấp hơn 6,5 Tuổi bãi chôn lấp càng cao thì pH càng tăng và nồng đô ̣ các chất ô nhiễm càng giảm nhưng la ̣i khó phân huỷ sinh học vì chứa chủ yếu các hợp chất hữu cơ bền vững

Các yếu tố môi trường và cơ chế vâ ̣n hành bãi chôn lấp có ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính nước rỉ rác, đặc biệt là thời gian vận hành quyết định tính chất nước rỉ rác như nước rỉ rác cũ hay mới, sự tích lũy các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học nhiều hay ít Thành phần đặc trưng của nước rỉ rác ở một số nước ở Châu Mỹ và Châu Âu được tổng hợp từ các nguồn [21, 80, 88, 91, 97, 99, 107] và được trình bày ở bảng 1.2;

một số bãi chôn lấp ở Châu Á được tổng hợp từ các nguồn [25, 36, 54, 101, 105, 106]

nguồn [28, 33, 90] và được trình ở bảng 1.4

Thành phần nước rỉ rác ở các khu vực trên thế giới đều bị ô nhiễm b ởi các chất hữu cơ ca o và có khoảng dao đô ̣ng lớn từ hàng nghìn đến hàng chu ̣c nghìn mg /l, sự khác nhau đó là do các bãi chôn l ấp chất thải rắn có tuổi khác nhau và ở các khu vực khác nhau, đặc điểm thành phần chất thải rắn và kỹ thuật chôn lấp khác nhau Nồng

đô ̣ amoni (NH4+) ở đa số các bãi chôn lấp đều cao , trừ bãi chôn lấp ở Bắc Kinh (Trung Quốc), Sukawinatan (Indonesia) và Nyanza (Rwanda) Nồng đô ̣ ion Cl- ở hầu hết các bãi chôn lấp chất thải rắn đều cao

Như vâ ̣y, cùng với thời gian thì tỉ lê ̣ BOD5/COD giảm đi và hàm lượng BOD chỉ chiếm khoảng 20% so với COD Tỉ lệ BOD5/COD thấp cho thấy nướ c rỉ rác chứa các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học

Bảng 1.2 Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL ở Châu Mỹ và Châu Âu

Bãi chôn lấp

Thông số

Đơn vị

Istanbul Komurcuoda (Thổ Nhi ̃ Kỳ)

Branasdalen (Na Uy)

Yggeseth (Na Uy)

Cedar Hills (Mỹ)

Pennsylvania (Mỹ)

Tetlama (Mexico)

Ibb (Yemen)

Aigeira (Hy La ̣p)

Piedmont (Italia)

0,631 (BOD tổng)

Bãi chôn lấp

Thông số

Đơn vị

Istanbul Komurcuoda (Thổ Nhi ̃ Kỳ)

Branasdalen (Na Uy)

Yggeseth (Na Uy)

Cedar Hills (Mỹ)

Pennsylvania (Mỹ)

Tetlama (Mexico)

Ibb (Yemen)

Aigeira (Hy La ̣p)

Piedmont (Italia)

Bãi chôn lấp

Thông số

Đơn vị

Datian (Trung Quốc)

Bắc Kinh (Trung Quốc)

Matuail (Bangladesh)

Kuala Sepetang (Malaysia)

Sukawinatan (Indonesia)

Sanjuku (Đa ̀i Loan)

Jebel Chakir (Tunisia)

Thông số (Rwanda) (Algeria) (Tunisia)

1.2.2 Thành phần nước rỉ rác ở Viê ̣t Nam

Viê ̣t Nam vẫn chưa áp du ̣ng biê ̣n pháp phân loa ̣i rác ta ̣i nguồn nên thành phần của nước rỉ rác rất phức tạp Nước rỉ rác không chỉ chứa các chất hữu cơ mà còn chứa các chất vô cơ hoà tan , kim loa ̣i nă ̣ng, các chất hữu cơ độc hại Vì vậy, vấn đề vướng mắc hiê ̣n nay mà hầu hết các bãi chôn lấp ở Viê ̣t Nam gă ̣p phải nhưng chưa có phương hướng giải quyết thích hợp đó là vấn đề xử lý nước rỉ rác

Các thành phần nước rỉ rác có thể biến động rất lớn, tùy thuộc vào tuổi bãi chôn lấp, thời gian lấy mẫu – mùa mưa hay mùa khô và theo những xu hướng khác nhau Vì vậy, việc khảo sát các đặc trưng của nướ c rỉ rác t ại các bãi chôn lấp suốt một thời gian dài, ngay từ khi mới đi vào hoạt động, có thể cung cấp những thông tin quan trọng làm

cơ sở để chọn lựa công nghệ xử lý phù hợp

Ngoài ra, thiết kế và thực tế vận hành của các bãi chôn lấp cũng có nh ững ảnh

thải vào cùng một thời điểm nhưng do có độ sâu của bãi chôn lấp lớn hơn và có quay vòng nước rỉ rác , quá trình phân hủy hữu cơ ở bãi chôn lấp Phước Hiệp diễn ra tương đối nhanh, chỉ trong vòng 5 – 6 tháng kể từ khi bãi chôn lấp đi vào vận hành [5]

Kết quả phân tích nước rỉ rác được tổng hợp từ các nguồn [5, 10, 13, 14] ở bảng 1.5, pH trong khoảng 6,5 – 8,5 Giá trị COD tại ô chôn lấp cao : 327 – 22.783 mg/l Nồng đô ̣ nitơ dao đ ộng lớn 62 – 2.427 mg/l Có thể thấy đ ặc trưng nhất của nước rỉ rác là hàm lượng TDS, BOD5, COD, tổng nitơ cao và dao động rất lớn theo thời gian

Như vậy, các đặc trưng hóa lý nước rỉ rác được phân chia thành hai loại: nước rỉ rác mới (2 – 3 năm sau khi bãi chôn lấp đi vào hoạt động) và nước rỉ rác cũ (từ năm thứ 4 – 5 trở đi), có thể nhận thấy nướ c rỉ rác mới cũng chia thành hai lo ại khác nhau: trong giai đoạn 3 – 6 tháng đầu, nước rỉ rác mới mang tín h axít, với nồng độCOD, BOD, các kim loại nặng đều từ cao đến rất cao, pH và NH4+ tương đối thấp Giai đoạn tiếp theo, nồng độ các ion tự do giảm nhiều, pH trung tính, NH4+ bắt đầu tăng, nhưng COD và BOD vẫn còn rất cao

Nhận xét:

Nhìn chung, nước rỉ rác ở một số bãi chôn lấp ở nước ta cũng có thành phần chất hữu cơ dao động trong khoảng lớn, COD từ vài trăm đến trên mười nghìn mg/l, thậm chí cao hơn một số bãi chôn lấp ở Đài Loan và Indonesia Tỉ lệ BOD5/COD ở một số bãi chôn lấp ở nước ta cao hơn một số bãi chôn lấp ở châu Âu, châu Mỹ và châu Phi Hàm lượng chất rắn lơ lửng được trình bày ở bảng 1.5 cao hơn một số bãi chôn lấp trên thế giới

Ở nhiều nước trên thế giới, nhiều bãi chôn lấp đã áp dụng việc phân loại rác tại nguồn và áp dụng các công nghệ thu hồi, tái chế chất thải rắn nên thành phần và tính chất nước rỉ rác ít phức tạp hơn các bãi chôn lấp ở Việt Nam Hầu hết chất thải rắn ở nước ta không được phân loại Vì thế, thành phần nước rỉ rác ở Việt Nam không những thay đổi theo thời gian mà còn phức tạp hơn so với một số nước khác Thành phần nước rỉ rác ở nước ta cao và phức tạp cũng do ảnh hưởng của việc vận hành bãi chôn lấp chưa đảm bảo một bãi chôn lấp hợp vệ sinh và điều kiện khí hậu ẩm ướt, mưa nhiều Vì thế, việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rỉ rác phù hợp ở nước ta cũng gặp nhiều khó khăn

Bảng 1.5 Đặc trưng thành phần nước rỉ rác ở một số thành phố Việt Nam

(Hà Nội)

BCL Gò Cát (Hồ Chí Minh)

BCL Thủy Phương (Huế)

BCL Tràng Cát (Hải Phòng)

BCL Xuân Sơn (Hà Nội)

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

Công nghệ xử lý nước thải rất phong phú, có tới hàng chục loại hình công nghệ đang được sử dụng trong thực tiễn trên nền của các quá trình công nghệ cơ bản theo từng cấp

Hai nhóm phương pháp xử lý cơ bản áp dụng trong xử lý nước rỉ rác là phương pháp hóa lý và sinh học [1, 5] Phương pháp hóa học, hóa lý gồm: Keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa, kết tủa, màng lọc và lắng Phương pháp sinh học: Xử

lý vi sinh yếm khí, hiếu khí, thiếu khí và các tổ hợp của chúng

Mỗi phương pháp nhằm một mục tiêu xử lý cho một đối tượng, nhưng một phương pháp cũng có thể áp dụng xử lý đồng thời cho nhiều đối tượng và để xử lý một đối tượng cũng có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, trong thực tế một phương pháp hay một tổ hợp thường chỉ nhằm vào một đối tượng chính

Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác được áp dụng phổ biến hiện nay [7]:

- Xử lý vi sinh kỵ khí → xử lý vi sinh hiếu khí → ao hồ ổn định → xả ra nguồn tiếp nhận

- Xử lý vi sinh kỵ khí → xử lý vi sinh hiếu khí → oxi hóa bằng hóa chất →

ao hồ ổn định → xả ra nguồn tiếp nhận

- Xử lý sinh học → đưa về nhà máy xử lý chung với nước thải sinh hoạt

- Xử lý sinh học → lọc thẩm thấu ngược (RO)

- Keo tụ → lắng (hoặc tuyển nổi) → xử lý vi sinh kỵ khí → xử lý vi sinh hiếu khí → ao hồ ổn đinh → xả nguồn tiếp nhân

- Oxi hóa bằng hóa chất → lắng → xử lý vi sinh kỵ khí → xử lý vi sinh hiếu khí → ao hồ ổn đinh → xả nguồn tiếp nhân

- Keo tụ → lắng (hoặc tuyển nổi) → xử lý vi sinh kỵ khí → xử lý vi sinh hiếu khí → hấp phụ xử lý màu → ao hồ ổn định → xả nguồn tiếp nhân

Như vậy, các công nghệ xử lý nước rỉ rác vẫn phổ biến là xử lý bằng nhiều công đoạn, trong đó công nghệ sinh học được áp dụng ở hầu hết các dây chuyền Các công nghệ hóa lý cũng được áp dụng phổ biến như keo tụ, oxi hóa…

Hiệu quả của một số phương pháp xử lý nước rỉ rác được đánh giá bởi Abbas

và cộng sự (2009) [17], cụ thể như sau:

- Phương pháp kết hợp xử lý nước rỉ rác với nước thải sinh hoạt có hiệu quả cao với xử lý nước rỉ rác mới và trung bình nhưng phương pháp này có nhược điểm

là tồn dư sinh khối và chất dinh dưỡng

- Quá trình hiếu khí thích hợp xử lý nước rỉ rác mới và trung bình, nhược điểm là bị ức chế bởi các chất khó phân hủy sinh học và tồn dư sinh khối

- Quá trình kỵ khí thích hợp xử lý nước rỉ rác mới và trung bình, nhược điểm

là bị ức chế bởi các chất khó phân hủy sinh học, rất chậm và tạo khí sinh học

- Keo tụ thích hợp nước rỉ rác cũ và trung bình để loại bỏ kim loại nặng và chất rắn lơ lửn Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra nhiều bùn thải chôn lấp

- Oxi hóa hóa học xử lý tốt với nước rỉ rác cũ và trung bình để loại bỏ các chất hữu cơ Phương pháp này có nhược điểm là sinh khí ozon dư, tạo bùn thải có nhiều sắt (quá trình Fenton)

- Stripping thích hợp với nước rỉ rác cũ và trung bình nhằm xử lý amoni, phương pháp này đòi hỏi bổ sung thiết bị để kiểm soát ô nhiễm không khí

- Trao đổi ion thích hợp với tất cả các loại nước rỉ rác để xử lý các hợp chất hòa tan, các cation/anion nhưng chi phí lớn

- Phương pháp siêu lọc thích hợp để loại bỏ các chất có phân tử lượng cao nhưng chi phí rất cao và hạn chế áp dụng do thường xuyên phải thay màng lọc

- Lọc nano áp dụng tốt cho tất cả các loại nước rỉ rác xử lý muốn sunphat Phương pháp này cũng có chi phí rất cao

- Lọc màng thẩm thấu ngược có thể có hiệu quả tốt trong xử lý nước rỉ rác để loại bỏ các hợp chất vô cơ và hữu cơ nhưng chi phí rất cao và yêu cầu tiền xử lý

Trong nhiều năm, phương pháp sinh học và hóa lý là công nghệ phổ biến trong xử lý nước rỉ rác Một số phương pháp lọc màng có hiệu quả tốt nhưng tốn kém Phương pháp oxi hóa áp dụng xử lý nước rỉ rác phù hợp với nước rỉ rác có tuổi trung bình và cũ

1.4 CÁC QUÁ TRÌNH OXI HOÁ BẰNG TÁC NHÂN OZON

Ozon (O3) là một tác nhân oxi hoá mạnh v ới thế oxi hoá là 2,07V [44], ozon

có thể xảy ra phản ứng oxi hoá với nhiều chất hữu cơ, các chất vô cơ trong nước, có

thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, thuốc nhuộm, hidrocacbon thơm, thuốc sát trùng Ozon có công thức phân tử là O3, ở nồng độ cao có màu xanh

1.4.2 Cơ chế oxi hóa của ozon

Ozon có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong nước theo hai con đường:

 Oxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozon hòa tan trong nước

 Oxi hóa gián tiếp qua gốc hydroxyl ( 

OH ) khi phân hủy O3 trong nước Quá trình oxi hoá trực tiếp bằng phân tử O3 xảy ra tương đối chậm so với oxi hoá gián tiếp qua gốc hydroxyl ( 

OH ) do sự phân huỷ ozon tạo ra [11, 41, 59, 98]

Hai con đường oxi hoá trực tiếp và gián tiếp của O3 vớ i các chất hữu cơ cũng đươ ̣c Gottschalk và cô ̣ng sự (2010) [46] mô tả ở hình 1.2

(S: chất ca ̉n trở, M: chất ô nhiễm có nồng độ thấp khác, R: sản phẩm phản ứng)

Hình 1.2 Mô hình ozon hóa gián tiếp và trực tiếp

Trong môi trường axít, con đường oxi hoá trực tiếp bằng phân tử O3 là chủ yếu O3 phản ứng với các hợp chất hữu cơ chứa liên kết đôi C=C hoặc các liên kết vòng thơm và phân hủy chúng thành axit cacboxylic và andehit [63, 102] Phân tử

O3 phản ứng dễ dàng với các chất hữu cơ như amin, phenol và các hợp chất vòng thơm nhưng phản ứng chậm với axit cacboxylic, andehit và rượu [53] Trong môi trường kiềm, với sự có mặt của ion OH-

, O3 bị phân hủy nhanh và hình thành gốc



OH và gốc này oxi hóa các chất hữu cơ trong nước và nước thải[53] Phản ứng của

phân tử O3 (E0 = 2,07V) chậm và hạn chế trong khi gốcOH(E0 = 2,80V) phản ứng với hầu hết các chất hữu cơ trong nước và nước thải [34, 47, 104]

Phản ứng của ba phân tử O3 hình thành hai gốcOH: [70]

Quá trình ozon hóa nước thải đồng thời diễn ra oxi hóa các tạp chất mang màu, khử trùng, hủy độc, làm bão hòa nước bằng oxy Oxi hóa các hợp chất hữu cơ bằng ozon có thể tạo thành các sản phẩm trung gian: rượu, andehit, xeton, axít và do khả năng oxi hóa mạnh nên nó có thể oxi hóa sâu hơn để tạo ra CO2 và H2O

1.4.3 Quá trình kết hợp Ozon với các tác nhân khác

a Quá trình Perozon

Khác biệt cơ bản giữa quá trình Ozon và Perozon là quá trình Ozon thực hiện

sự oxi hóa các chất ô nhiễm chủ yếu trực tiếp bằng tính oxi hóa mạnh của bản thân phân tử O3 trong nước Trong khi đó, quá trình Perozon thực hiện sự oxi hóa chất ô nhiễm chủ yếu là gián tiếp qua gốc hydroxyl (OH) được tạo thành từ kết hợp ozon

2

2O   H O  HO  O

(1.4) Phản ứng hình thành gốc hydroxyl ( 

OH ) ở phản ứng 1.4 cho thấy gốc 

OH

sinh ra ở phản ứng hệ Perozon nhiều hơn (2 mol O3 sẽ sinh ra 2 gốc OH) so với

phản ứng ở hệ Ozon (3 mol O3 mới sinh ra 2 gốc OH) Vì quá trình oxi hoá thông qua gốc hydroxyl ( 

OH ) hiệu quả hơn quá trình oxi hoá trực tiếp bằng phân tử O3

nên quá trình Perozon được sử dụng rất phổ biến và phát triển mạnh trong những năm gần đây để xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước và nước thải

b Quá trình Catazon

Hoạt tính oxi hoá của ozon có thể được nâng cao ngoài việc đưa thêm vào hệ

H2O2 làm chất khơi mào cho sự phân huỷ ozon , còn có thể b ổ sung các chất xúc tác đồng thể hoă ̣c di ̣ thể Quá trình này được gọi chung là quá trình Catazon [11]

Quá trình Catazon đồng thể:

* Chất xu ́ c tác kiềm:

Thực hiê ̣n phản ứng ozon hoá với pH cao s ẽ nâng cao đáng kể năng lực oxi hoá của ozon

Bằng phản ứng giữa ozon v à gốc anion superoxyt O2-, gốc anion ozonit O3

đươ ̣c hình thành, sau đó lâ ̣p tức bị phân huỷ khi có mă ̣t O3 và tạo ra gốc OH [12]:

2

3O OH H  OH  O

(1.6)

* Chất xu ́ c tác ion kim loại:

Xử lý nước thải bằng ozon với các chất xúc tác đồng thể Ni (II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III), Zn(II)… có tác dụng loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ ca o hơn so với sử du ̣ng Ozon

Quá trình Catazon dị thể [7]:

Quá trình ozon hoá xúc tác dị thể có thể diễn ra theo ba cơ chế:

- Hấp phụ hoá ho ̣c ozon trên bề mă ̣t chất xúc tác tạo thành các chất hoạt

đô ̣ng, các chất này phản ứng với các chất hữu cơ trên bề mă ̣t chất xúc tác

- Hấp phụ hoá ho ̣c các chất hữu cơ (liên kết đôi hay phân chia ) trên bề mă ̣t chất xúc tác và chúng phản ứng với ozon ở pha khí hoă ̣c pha lỏng

- Hấp phụ hoá ho ̣c đồng thời của cả ozon và các phân tử chất hữu cơ

Các chất xúc tác dị thể chính cho quá trình ozon là các oxit kim loại như MnO2, TiO2, Al2O3, SiO2… và các kim loại hoặc oxit kim loại kết hợp như Cu-

Al2O3, Cu-TiO2, Ru-CeO2, V-O/TiO2, V-O/silicagel và TiO2/Al2O3, Fe2O3/Al2O3… hay các dạng oxit kim loại khác như FeOOH, MnOOH…

Oxit sắt (III)hoà tan:

O H aq III Fe H

FeOOH 3   ( )( )  2 2

(1.7)

O H aq II Fe H

e MnO2  2   4   2 ( )  2 2 (1.9)

O H Mn

H e s MnOOH( )    3   2  2 2 (1.10)

O H aq CO aq Mn H

s MnO aq

2)(2

2 4

3 2

2 2

) ( 2

2 ) (aq O H Mn s OH O

4)(

2 2

3 2

22

)(3

24)(

3Mn  aq  O  H  MnO s  OH  O (1.19) Quá trình trên hoàn nguyên chất xúc tác rắn MnO2 tạo ra gốc hydroxyl OH, gốc này và ozon hoà tan trong nước O3(aq) phản ứng và phân huỷ chất hữu cơ

c Các quá trình kết hợp ozon với UV

Ozon hấp thụ tia UV và phân ly rất nhanh trong nước Quá trình quang phân

O3 dưới tác dụng của UV tạo ra H2O2, từ H2O2 lại bị quang phân tiếp tục tạo gốc



OH Quá trình xảy ra như sau [12]:

2 2

( = 253,7 nm) Nếu đưa thêm H2O2 vào hệ O3/UV trở thành O3/UV/H2O2 sự hình thành gốc



OH sẽ tăng và hiệu quả quá trình cao hơn O3/UV và H2O2/UV:

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ozon hoá

a Nồng độ ozon

- Quá trình ozon hoá trực tiếp bằng phân tử ozon:

Tốc độ phản ứng trực tiếp tỉ l ệ với nồng độ ozon trong pha lỏng có nghĩa hiệu suất quá trình ozon hoá tăng Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ ozon đến khi các chất ô nhiễm đã bị ozon hoá hoàn toàn và không còn chất ô nhiễm trong nước nữa thì ozon sẽ tự phân huỷ trong nước

- Quá trình ozon hoá gián tiếp bằng các gốc OH• [44]:

+ Dùng ozon kết hợp với hydro peroxyt (O3/H2O2):

  

OH O

+ Dùng ozon kết hợp với tia UV (O3/UV): (phản ứng 1.20)

Các phương trình trên cho thấy m ối quan hệ giữa nồng độ ozon trong pha lỏng và nồng độ gốc OH Trong khi đó, dựa trên các phản ứng giữa gốc 

OH với các chất ô nhiễm ta xác định được mối quan hệ giữa nồng độ 

OH với tốc độ phản ứng hay hiệu suất quá trình

b Ảnh hưởng của anion vô cơ

Cl- là một trong các chất phân hủy gốc OH làm giảm hiệu quả xử lý [46]

mô ̣t chất phân hủy mạnh gốc 

c Ảnh hưởng của pH

Hydro peroxyt phản ứng châ ̣m với ozon , nhưng sản phẩm phân huỷ của hydro peroxyt là ion HO2- lại phản ứng rất mạng với ozon Vì vậy, trong môi trườ ng

pH cao rất thuâ ̣n lợi cho phản ứng giữa o zon và hydro peroxyt x ảy ra làm tăng tốc

đô ̣ quá trình phản huỷ ozon và ta ̣o gốc 

OH Nếu tăng pH lên một đơn vị, có thể tăng tốc đô ̣ hình thành gốc 

OH lên 10 lần [11]

Nhìn chung , ở điều kiện môi trường axít mạnh (pH <4), quá trình oxi hoá trực tiếp chiếm ư u thế, nhưng ở môi trường ki ềm mạnh (pH ≥10), quá trình oxi hoá gián tiếp chiếm ưu thế Ở môi trường trung tính (pH ≈ 7) cả hai quá trình oxi hoá trực tiếp và giá n tiếp đều đóng vai trò quan tro ̣ng , phụ thuộc nhiều vào các chất ô nhiễm có mă ̣t trong môi trường [46]

d Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình xử lý các chất hữu cơ Sự tính toán thời gian cần thiết để phân huỷ như mong muốn sẽ dựa vào hai yếu tố[44]:

r M  OX .

Hiệu suất chuyển hoá của các chất vi ô nhiễm sẽ được tính:

   M / M o  expk OX. OX .t đối với các thiết bị phản ứng dạng đẩy

t OX k

M

M

OX o

1

1 /



 với các thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn

n t OX k

M

M

OX o

).

1 (

1 /



 với thiết bị có n bình phản ứng khuấy trộn

1.4.5 Ưu và nhược điểm của ozon hoá trong xử lý nước và nước thải

Ưu điểm:

Phương pháp oxi hóa nâng cao với tác nhân oxi hóa là ozon và ozon kết hợp

H2O2 hay các chất xúc tác khác có các ưu đi ểm sau:

- Thân thiện với môi trường do không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại

- Khả năng oxi hóa cực mạnh nên xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm với hiệu suất cao và cả những chất cực độc mà phần lớn các phương pháp khác không hoặc khó xử lý được

- Quá trình ozon hóa xử lý chất hữu cơ, màu và khử trùng nước

- Ozon oxi hoá các chất hữu cơ bền vững để tăng cường khả năng loa ̣i bỏ chúng bằng các quá trình sinh học

Nhược điểm:

- Ozon là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài phút

- O3 phải được sản xuất tại chỗ, ngay trong dây chuyền xử lý nên đòi hỏi chi phí kỹ thuật và vận hành cao

- Các chất phân hủy gốc OH làm giảm hiệu quả phân huỷ chất ô nhiễm

1.5 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC BẰNG OZON

1.5.1 Ứng dụng ozon trong xử lý nước và nước thải

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các quá trình ozon trong xử lý nước và nước thải, bao gồm: O3/UV, O3/H2O2,

O3/TiO2, O3/xúc tác… Các quá trình trên được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu

cơ dễ bay hơi (VOC), các hợp chất hữu cơ khó bay hơi (SVOC), polyclo biphenyl, các hóa chất bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu, trừ cỏ), Dioxin và Furan, thuốc nổ và các sản phẩn phân hủy của chúng, các hợp chất humic, fulvic, các chất vô cơ, thuốc nhuộm, nước thải giấy… Các quá trình oxi hóa bằng ozon cũng được ứng dụng trong xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước cấp sinh hoạt

Khả năng xử lý các chất ô nhiễm và khử trùng nước và nước thải bằng ozon

đã có hiệu quả cao hơn các công nghệ thông thường Một số chất ô nhiễm trong nước và nước thải mà ozon có thể xử lý đạt yêu cầu mà các công nghệ thông thường khó hoặc không xử lý được là:

- Các amino axit, thuốc kháng sinh, coliform

- Các sản phẩm phụ khi khử trùng bằng clo

- Nước thải chưng cất cồn, rượu, nước thải sản xuất sợi thủy tinh

- Nước thải bệnh viện, nước thải sản xuất giấy và bột giấy

- Nước thải chứa phenol, nước thải ngành in, nước thải dệt nhuộm, nước thải chế biến cao su

- Nước thải thuộc da, nước thải sản xuất hóa chất bảo vệ thực vật

- Nước thải sản xuất hóa chất, nước thải mạ, xyanua

- Các hợp chất humic và fulvic

Trong xử lý nước thải công nghiệp, nước uống, việc ứng dụng ozon rất phổ biến Tuy nhiên, do giá thành đầu tư và vận hành cao nên đối với nước thải công nghiệp dệt nhuộm, nước rỉ rác, hiện nay việc ứng dụng công nghệ ozon còn đang ở giai đoạn thử nghiệm và sản xuất với quy mô nhỏ Đến năm 1997, nước Đức mới có

32 nhà máy xử lý nước rỉ rác, và 6 nhà máy xử lý nước thải dệt nhuộm bằng công nghệ ozon Nước Anh có một số nhà máy xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ ozon với công suất nhỏ, khoảng 200 m3/ngày [7]

Các quá trình xử lý bằng ozon vẫn đang được nghiên cứu với các quy mô khác nhau và vẫn tiếp tục được nghiên cứu thử nghiệm để mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ đầy tiềm năng này

Ở Việt Nam, hiện nay, Ozon và Perozon đang được nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, trong đó có trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nghiên cứu xử lý các loại nước thải khó phân hủy sinh học và xử lý tinh chế cồn Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã trang bị một

số pilot của Nhật và Hàn Quốc cho nghiên cứu xử lý một số loại nước thải khó phân hủy sinh học Trên thực tế, công nghệ ozon ở nước ta được ứng dụng nhiều trong xử

lý hoa quả, thực phẩm, thanh trùng bằng các thiết bị ozon có công suất nhỏ

Trên thế giới, vấn đề xử lý nước rỉ rác đã được nghiên cứu và được công bố trên các tạp chí hoặc các hội nghị khoa học Đa số các nghiên cứu dựa vào các quá trình phân hủy sinh học và xử lý hóa lý, và dựa vào các quá trình phân hủy hóa học, chủ yếu là các quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxydation Processes – AOPs) như Ozon, Perozon và Fenton

Hầu hết các quá trình oxi hóa nâng cao trong x ử lý nước rỉ rác đều dựa trên các phản ứng oxi hoá trự c tiếp (nhất là O3) các chất ô nhiễm hoặc thông qua gốc hydroxyl linh đô ̣ng ( 

OH ) Quá trình này có thể cho phép phân huỷ chất hữu cơ mạch dài, mạch vòng thành các chất hữu cơ mạch ngắn hơn hoặc thành CO 2 và

H2O [41] Một số nghiên cứu điển hình được trình bày dưới đây :

* Các nghiên cứu xử lý bằng Ozon hoặc Perozon:

Bilaa và công sự (2005) [32] đã đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bãi chôn

lấp chất thải rắn đô thị Gramacho ở Rio de Janeiro, Brazil Nước rỉ rác có tỉ lệ BOD5/COD thấp 0,05 Ozon được sử dụng để nâng cao khả năng xử lý sinh học nước rỉ rác sau quá trình keo tụ Sau keo tụ bằng Al2(SO4)3 ở giai đoạn 1, COD và DOC giảm tương ứng 40 và 25% Quá trình xử lý bằng ozon sau đó đã làm tăng tỉ

lệ BOD5/COD từ 0,05 lên 0,3 và đã xử lý được tương ứng 73% COD và 63% DOC với lượng O3 tiêu tốn là 3 g/l nước rỉ rác

Ntampou và cô ̣ng sự (2006) [73] đã sử du ̣ng ozon và keo tu ̣ để xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn l ấp chất thải rắn Thessaloniki (Hy La ̣p) Tác giả đã sử du ̣ng hai quá trình (ozon/keo tu ̣ và keo tu ̣ /ozon) để xử lý nước rỉ rác Kết quả ch o thấy , xử lý bằng ozon/keo tu ̣ không đa ̣t được hiê ̣u suất cao mà hiê ̣u suất cao chỉ đa ̣t được ở hê ̣ keo tụ/ozon, COD giảm từ 1.000 mg/l xuống dưới 180 mg/l Tuy nhiên, thời gian phản ứng và hàm lượng oz on tiêu tốn lớn tương ứng 240 phút và 2 g/h cho 500 ml nước rỉ rác với hàm lượng COD nước rỉ rác là 1.000 mg/l

Tizaoui và cô ̣ng s ự (2007) [96] đã xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Jebel Chakir (Tunisia) bằng O3 và O3/H2O2 Với nồng độ khí ozon đầu vào 80 g/m3, COD ban đầu 5.230 mg/l Hiê ̣u suất xử lý nước rỉ rác tăng gấp đôi (từ 25% lên 48%) khi kết hơ ̣p O 3/H2O2 vớ i nồng đô ̣ 2g H2O2/l, thờ i gian phả n ứng 60 phút, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,1 lên 0,7 ở hệ thí nghiệm O3/H2O2 Các tác giả cũng tính chi phí để xử lý là 2,3 USD/kg COD

Năm 2008, Frontistis và cô ̣ng sự [ 43] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: tải lượng c hất hữu cơ (COD: 550 – 5.500 mg/l), thời gian phản ứng (60 - 360 phút), nồng đô ̣ O3 (19 - 38 mg/l) đến hiệu quả xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn l ấp Chania, Hy Lạp Kết quả cho thấy, khi tăng tải lươ ̣ng COD và nồng độ O3 đến mức tối đa (38 mg/l khí) thì COD là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất xử

lý cả COD và phenol Với COD đầu vào 5.500 mg/l trong 360 phút, nồng đô ̣ khí O3

38 mg/l đã xử lý đươ ̣c 50% COD, khử đươ ̣c màu, phenol và đô ̣c tố

Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp keo tu ̣ và ozon đươ ̣c thực hiê ̣n bởi Jamali và cô ̣ng sự (2009) [57] COD nước rỉ rác trư ớc xử

lý 130.000 mg/l Kết quả nghiên cứu cho thấy , hiê ̣u suất xử lý COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,36 lên 0,45, hiê ̣u suất xử lý độ màu đa ̣t cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O 3 là 180 g O3/l nướ c rỉ rác Tác giả cũng khẳng đi ̣nh viê ̣c kết hợp keo tu ̣ và ozon xử lý nước rỉ rác không mang la ̣i hiê ̣u quả cao và cần được xử lý tiếp bằng than hoạt tính hay lọc màng

Theo nghiên cứu của Cortez và cô ̣ng sự (2010) [37], việc kết hợp O3/H2O2 để xử lý nước rỉ rác (COD: 743 mg/l ở bãi chôn l ấp phía Bắc , Bồ Đà o Nha , hoạt

đô ̣ng từ 1998) cho hiê ̣u suất xử lý các chất hữu cơ cao hơn so v ới sử du ̣ng ozon

Hiệu suất xử lý cao nhất đạt được ở pH = 11 Với thời gian phản ứng 60 phút, nồng

đô ̣ O3 112 mg/l, sử du ̣ng O3 đơn cho hiệu suất xử lý C OD là 23%, nhưng khi kết

hơ ̣p với H 2O2 600 mg/l thì hiê ̣u suất xử lý COD đa ̣t 63% và làm tăng tỉ lệ BOD5/COD từ 0,1 lên 0,17%

Đánh giá quá trình keo tu ̣ và ozon trong xử lý các chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước rỉ rác từ bãi chôn lấp hợp vê ̣ sinh Bordo Poniente (Mexico) cũng được thực hiê ̣n bởi Ramirez và cô ̣ng sự (2004) [81] Kết quả cho thấy, quá trình keo tụ với hàm lượng Fe2(SO4)3 2.400 mg/l ở pH (4-5) thì hiệu suất xử lý COD và đ ộ màu

đa ̣t tương ứng 67% và 96% Sau keo tu ̣ nước rỉ rác tiếp tu ̣c được xử lý bằng ozon trong 120 phút Hiệu suất xử lý COD và độ màu tương ứng 78% và 91%, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,003 lên 0,015

Abu Amr và cộng sự (2014) [20], nghiên cứ u xử lý COD , NH4+ và độ màu từ nước rỉ rác phân huỷ thiếu khí Các tác giả đã sử dụng thiết kế tổng hợp phương pháp bề mặt đáp ứng để đánh giá mối quan hê ̣ giữa các biến hoa ̣t đô ̣ng (hàm lượng O3 tiêu thụ, nồng đô ̣ COD và thời gian phản ứng) và xác định đi ều kiện tối ưu Dựa trên phân tích số liê ̣u , mô hình bâ ̣c 2 cho bốn đáp ứng (COD,

NH3–N, độ màu và hàm lượng O3) cho giá tri ̣ xác suất rất th ấp (<0,0001) Điều kiê ̣n t ối ưu được xác định : 70 gO3/m3, COD: 250 mg/l và 60 phút phản ứng Từ

mô hình mô phỏng , hiê ̣u suất xử lý COD , NH4+ và độ màu lần lượt là 26,7; 7,1

và 92%, lươ ̣ng O3 tiêu tốn là 9,42 kg O3/kg COD Các tác giả cũng khẳng định kết quả dự đoán bằng mô hình phù hợp với kế t quả thực nghiê ̣m

* Các nghiên cứu kết hợp ozon với sinh học xử lý nước rỉ rác:

Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác ở Hồng Kông [42] bằng kết hợp các quá trình sinh ho ̣c (UASB) và oxi hoá nâng cao (Ozon và Fenton) với nước rỉ rác thu go m từ

ba bãi chôn lấp có tuổi từ 7 đến 9 năm Nghiên cứu được thực hiê ̣n bởi Fang và

cô ̣ng sự (2005) Sau khi xử lý bằng UASB ở 370

C, pH 7,1 – 8,5 thì hiệu suất xử lý COD đa ̣t 66 – 90% ở tải lượng COD 1 – 2,4 g COD/l.ngày Kết hợp UASB-Ozon đã xử lý được 93,0% COD Trong khi đó, viê ̣c kết hợp UASB -Fenton-Ozon đã loa ̣i

bỏ được 99,3% COD, hàm lượng Fe2+ và H2O2 sử du ̣ng tương ứng 300 mg/l và 200 mg/l trong phản ứng Fenton Kết quả cũng cho thấy quá trình ozon h oá có hiệu suất