Nghiên cứu thử nghiệm xử lý COD trong nước rỉ rác sau keo tụ bằng công nghệ lọc sinh học.

25/09/2018

1. MỞ ĐẦU

Hiện nay ở nước ta, phương pháp chôn lấp vẫn đang được sử dụng phổ biến để xử lý rác thải sinh hoạt với các ưu điểm như phù hợp với môi trường, hiệu quả kinh tế, dễ áp dụng. Tuy nhiên, nước rỉ rác phát sinh từ quá trình chôn lấp lại có mức độ ô nhiễm cao và rất khó xử lý, với hàm lượng COD lên đến 90.000 mg/L, chất rắn hòa tan tới 55.000 mg/L, tổng chất rắn lơ lửng đến 2.000 mg/L, pH lại rất thấp, dao động trong khoảng 4,3 – 5,4 và hàm lượng Nitơ cao tới 1.500 – 2.300 mg/L,... [1, 2].

Nước rỉ rác ở bãi rác Nam Sơn, một trong những bãi chôn lấp rác lớn của Hà Nội, có hàm lượng các chất ô nhiễm rất cao, cụ thể: COD 5.000 – 23.000 mg/l, BOD5 khoảng 3.000 mg/l - 12.300 mg/l, N-tổng 500 mg/l – 2.151 mg/l, TSS 150 mg/l – 2.240 mg/l,…tùy thuộc vào nước rỉ rác của bãi mới chôn  lấp hay bãi chôn lấp lâu năm. Kết quả thử nghiệm trước đây trên đối tượng là nước rỉ rác hỗn hợp của bãi chôn lấp Nam Sơn  cho thấy qua quá trình tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa, 70% COD đã được xử lý sau 30 phút điện phân ở cường độ 3A sử dụng điện cực sắt, từ 6.6165,14 mg/l xuống còn 1.651,38 mg/l và sau 80 phút xử lý còn lại 1.277,06 mg/l [3]. Với kết quả này, hàm lượng COD vẫn vượt quy chuẩn cho phép. Do đó trong nghiên cứu này, một quá trình lọc sinh học ngập nước được đề xuất để xử lý tiếp COD đạt đến mức cho phép theo quy chuẩn Việt Nam.

2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC

2.1. Nguyên tắc

Lọc sinh học là quá trình xử lý sinh học xảy ra khi dòng nước ô nhiễm đi qua các giá thể xốp trên đó có cố định các vi khuẩn có khả năng xử lý các chất ô nhiễm. Lọc sinh học có khả năng xử lý các chất lơ lửng, các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ hòa tan. Lọc sinh học dựa trên cơ chế sinh trưởng bám bính của vi sinh vật (VSV) vào vật mang (giá thể bám), là một tiến trình bao gồm một số quá trình sinh hoá quan trọng xảy ra trong bể lọc [4]. Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan sẽ xảy ra sự khử nitrat ứng với việc loại nitơ dưới dạng nitrat hóa bằng cách chuyển hóa thành khí N2 [5]. Oxy được giải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa chất hữu cơ và nitơ sẽ được tạo thành:


Sản phẩm của quá trình phân hủy là khí CO2, H2O, N2

Thiết bị lọc sinh học ngập nước là một thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước ngập hệ giá thể bám dính đồng thời phân phối khí đều trong hệ [6].


Hình 1. Hệ lọc sinh học ngập nước

Trong quá trình vận hành của bể lọc giá thể sinh học, sự sinh trưởng, phát triển và chết của màng sinh học xảy ra không ngừng. Khi màng sinh vật chết đi sẽ văng ra khỏi giá thể và lơ lửng trong nước, sau đó lắng dần xuống đáy bể. Trong quá trình làm việc, lọc sinh học có thể khử được BOD và chuyển hóa NH4+ thành NO3-. Lớp vật liệu lọc có khả năng giữ lại cặn lơ lửng, hệ thống thổi khí giúp không làm tắc nghẽn khi hệ vận hành [7].

2.2. Vi sinh vật và màng sinh học

Màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày từ 1 – 3 mm. Màu sắc của màng thay đổi theo thành phần của nước thải (vàng xám đến nâu tối) [4]. Màng sinh học được tạo thành chủ yếu từ các vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn tùy tiện tạo thành 3 lớp:

- Ở ngoài cùng lớp màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, chủ yếu là loại trực khuẩn Bacillus.

- Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus.

- Lớp sau bên trong cùng là kỵ khí: vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio.

- Phía dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính.

Quần thể các nhóm vi sinh vật của màng lọc vi sinh này có tác dụng như bùn hoạt tính. Các chất tạo ra của vi sinh vật này trở thành nguồn thức ăn của các loại vi sinh vật khác. Vì vậy, màng sinh học có khả năng phân hủy hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước rỉ rác.


Hình 2. Cấu tạo màng sinh học


Cơ chế hoạt động của màng sinh học

Cơ chế hoạt động của màng sinh học được chia thành các quá trình [8]:

- Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật mang tiêu thụ cơ chất từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất: cơ chất vận chuyển vào màng sinh học theo cơ chế khuếch tán phân tử. Tại màng sinh học, diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Sản phẩm cuối của quá trình sẽ được vận chuyển ra khỏi màng vào chất lỏng. Phương trình tiêu thụ:

CHC + Oxy + Nguyên tố vết -> Sinh khối của VSV + Sản phẩm cuối [9]

Các nguyên tố vết như nitơ, phốt pho và kim loại vi lượng nếu không đủ trong nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn trong màng sinh học.

- Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng sinh học

Quá trình VSV phát triển bám dính trên vật liệu mang được chia làm 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.

+ Giai đoạn 2: độ dày màng trở lên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai đoạn thứ hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cung không thay đổi trong trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng của sinh khối.

+ Giai đoạn 3: bề dày của lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt dòng chảy. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật phát triển cả về số lượng và chủng loại.

3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ COD CỦA NƯỚC RỈ RÁC BẰNG QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

3.1. Hệ thiết bị thí nghiệm và các phương pháp phân tích

a) Bể lọc sinh học

* Cấu tạo bể lọc :

Bể lọc sinh học sinh trưởng bám dính ngập nước có hình dạng là hình hộp chữ nhật. Máy sục khí sử dụng đầu sục phân phối khí bằng cục đá bọt được đặt sát đáy bể lọc bên ngăn hiếu khí để cung cấp oxi vào trong nước. Chế độ hoạt động (thời gian làm việc, ngừng làm việc) của máy sục khí được cài đặt điều khiển tự động và có thể cài đặt, thay đổi được.



Hình 3. Hệ thí nghiệm lọc sinh học trong quá trình thí nghiệm

Tính chất của nước đầu vào bể lọc sinh học ngập nước và điều kiện để màng vi sinh vật hoạt động tốt cần:

- Thể tích nước trong bể ít nhất phải ngập toàn bộ giá thể.

- pH tối ưu của nước đầu vào bể là 6,5 – 8,5.

- Nhiệt độ thích hợp để vi sinh vật thích nghi từ 25– 37oC. Khi nhiệt độ quá cao khiến vi sinh vật có thể bị chết, nhưng khi nhiệt độ quá thấp làm vi sinh vật phát triển chậm lại. Đây là mức nhiệt tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật và cũng phù hợp với mức nhiệt độ của phòng thí nghiệm.

- Cung cấp oxi trong ngăn hiếu khí sao cho lượng oxi hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng là DO > 2mg/l, ngăn thiếu khí 0 < DO < 1 mg/l.

* Vật liệu lọc :

Giá thể được làm bằng nhựa PPE có gấp nếp với chiều cao là 30 cm, chiều rộng là 15 cm, diện tích bề mặt là 200 m2/m3, trong mỗi ngăn hiếu khí và thiếu khí chứa 8 tấm giá thể với kích thước và hình dạng, tính chất như nhau, được đặt sát vào nhau..


Hình 4. Nhựa PE sử dụng làm giá thể bám dính

* Thiết kế quy trình xử lý :

Thiết bị lọc bao gồm 3 ngăn: (1) - ngăn hiếu khí, (2) - ngăn thiếu khí và (3) -  ngăn chứa nước lắng sau sục.


Hình 5. Mô hình hệ thí nghiệm bể lọc sinh học

Hệ lọc sinh học trong phòng thí nghiệm, nước rỉ rác được cho vào theo từng mẻ với chu trình 1 lần/ngày:

-   Khởi động hệ thống lọc trong 15 ngày nhằm cố định vi sinh vật vào lớp giá thể bám được thực hiện như sau: nguồn VSV gốc được lấy từ thùng nuôi.

-  Nước rỉ rác qua bước tiền xử lý được để lắng lấy phần nước trong. Sau lắng phần nước rỉ không cặn được đo pH, nếu pH quá kiềm hoặc axit sẽ được điều chỉnh bằng hai dung dịch H2SO4 và NaOH. Cuối cùng tiến hành đổ trực tiếp nước rỉ vào hệ từ phía trên miệng bể theo từng mẻ. Bật máy sục khí hoạt động để nước thải đều khắp hệ. Nước được cho vào sẽ làm cho mực nước trong hệ tại 3 ngăn dâng đều bằng nhau. Khi đó sẽ mở van tháo nước để tháo nước ra bằng mực nước cho cố định trong hệ (72 cm).

-  Khí được cung cấp từ phía dưới đáy hệ bằng bơm thổi khí qua ống dẫn đến đầu thổi. Khi hệ ở chế độ sục, lượng oxy hòa tan trong nước (DO) ở ngăn hiếu khí vào khoảng 4,5 mg/L, trong giai đoạn ngừng sục, giá trị DO vào khoảng 3 mg/L. Giá trị DO được đo bằng đầu đo DO nhúng trong ngăn hiếu khí.

-  Cài đặt chế độ sục/ngừng sục cho hệ theo mong muốn bằng hệ cài tự động. Hệ có công tắc và cột điều chỉnh số phút sục, ngưng cho thiết bị lọc

-  Theo dõi quá trình sục về: màu sắc nước trong hệ, lượng vi sinh vật bám dính… và tiến hành lấy mẫu bằng van lấy mẫu trên thiết bị lọc hàng ngày với các thể tích đầu vào khác nhau để tiến hành phân tích các chỉ số COD. Mẫu sẽ được phân tích ngay sau khi lấy mẫu và ghi lại kết quả số liệu phân tích được.

b) Phương pháp phân tích:

-  Phương pháp xác định COD: Giá trị COD được phân tích theo TCVN 6491: 1999 (tương ứng với ISO 6060: 1989).

3.2. Kết quả đánh giá

Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành đánh giá khả năng xử lý COD là đối tượng ô nhiễm chính trong nước rỉ rác của bãi rác Nam Sơn. Nước rỉ rác được lấy từ bãi chôn lấp rác Nam Sơn được tiền xử lý bằng kỹ thuật keo tụ điện hóa để giảm bớt nồng độ của các chất gây ô nhiễm. Thông số của nước rỉ rác sau tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa như trong Bảng 2.


Điều kiện thí nghiệm của quá trình lọc sinh học như sau: pH = 7,5 – 8,5 (pH  đầu vào); chế độ sục khí/ ngừng sục khí là 60/60 phút. Kết quả thu được thể hiện trên Hình 6.


Hình 6. Hiệu quả xử lý COD của nước rỉ rác bãi rác Nam Sơn theo thời gian

Từ  Hình 6, ta thấy rằng hiệu suất xử lý COD tăng dần theo thời gian xử lý. Ở giai đoạn đầu, hiệu suất xử lý COD tăng khá rõ rệt, từ 34,2% (sau 9 giờ xử lý) lên 61,6% ( sau 15 giờ xử lý) và tăng lên 95% (sau 24 giờ). Tuy nhiên, khi thời gian xử lý tiếp tục được tăng lên, thì hiệu suất xử lý COD có tăng, nhưng không nhiều ( từ 95% sau 24 giờ lên 96% sau 48 giờ xử lý ). Điều này có thể giải thích là do ở giai đoạn đầu, hàm lượng COD trong nước thải cao, các vi sinh vật dễ dàng tiếp xúc và xử lý với các chất hữu cơ trong nước thải. Sau một thời gian xử lý, hàm lượng COD giảm mạnh. Vì thế, mà ở giai đoạn sau (từ 24 giờ - 48 giờ), hàm lượng COD còn lại là lượng COD không có khả năng phân hủy sinh học, vi sinh vật không hấp thụ được, và lượng COD được xử lý thấp hơn rất nhiều so với lượng COD ban đầu, làm hiệu suất xử lý không mấy biến động sau 24 giờ. Hơn nữa, lượng , vi sinh vật không đổi nên khả năng tiêu thụ các cơ chất bị giới hạn, khi vượt qua ngoài giới hạn này thì chúng sẽ không có khả năng xử lý được nữa. Như vậy thời gian xử lý 24 giờ là đủ để COD đầu ra thấp dưới 100 mg/l và đạt QCVN 25 :2009/BTNMT cột B2.

4. KẾT LUẬN

Nước rỉ rác có thành phần phức tạp và nồng độ các chất ô nhiễm thường rất cao và thay đổi theo thời gian chôn lấp, đặc biệt là COD có thể lên tới 90.000 mg/l.. Do đó, để xử lý hiệu quả thường phải kết hợp các quá trình sinh học với các quá trình tiền xử lý bằng công  nghệ hóa lý hoặc hóa học. Nước rỉ rác của bãi chôn lấp rác Nam Sơn có COD đầu vào khoảng 23.000 mg/l, sau quá trình tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa, COD giảm xuống còn khoảng 1.200 đến 1.500 mg/l. Một quá trình lọc sinh  học ngập nước với chế độ sục khí/ngừng sục khí 60/60 phút có thể xử lý hiệu quả COD của nước rỉ rác, từ 1.500 mg/l xuống còn dưới 100 mg/l sau 24 giờ xử lý, đạt QCVN 25 :2009/BTNMT cột B2.

LỜI CÁM ƠN

Công trình này được ủng hộ bởi đề tài thuộc 7 hướng ưu tiên cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam ‘Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh  học’ (VAST 07.01/16-17).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Nguyễn Hồng Khánh, Lê Văn Cát, Tạ Đăng Toàn, Phạm Tuấn Linh (2009) “Môi trường bãi chôn lấp chất thải và xử lý nước rác”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
  2. Nguyễn Hồng Khánh, Tạ Đăng Toàn (2008), “Quản lý chất thải rắn đô thị, những vấn đề và giải pháp nhằm tiến tới quản lý chất thải rắn bền vững ở Việt Nam”, Tạp chí khoa học và công nghệ, 46, 209-217.
  3. Lê Thanh Sơn, Lê Cao Khải, Đoàn Tuấn Linh, Đoàn Thị Anh (2017) “Nghiên cứu thử nghiệm khả năng xử lý nước rỉ rác bằng quá trình keo tụ điện hóa”, Tạp chí Hoạt động khoa học Công nghệ An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động 4,5,6/1017, 112-118.
  4. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2001), “Giáo trình công nghệ xử lý nước thải”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
  5. Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp (CEETIA) (2001), Hội thảo công nghệ xử lý các hợp chất hữu cơ nitơ trong nước ngầm”, Trường đại học Xây dựng, Hà Nội.
  6. Jing Z., He R., Hu Y., Niu Q., Cao S., Li Y. (2015) Practice of integrated system of biofilter and constructed wetland in highly polluted surface water treatment”. Ecological Engineering, 75, 462–469.

TS. Lê Thanh Sơn, Lê Cao Khải, Đoàn Tuấn Linh, Đào Thị Dung

Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam.

(Nguồn tin: Vnniosh.vn)