BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
NGUYỄN NGỌC DIỆP
NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG,
ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
QUÁ TRÌNH XỬ LÝ COD CỦA NƯỚC RỈ RÁC BẰNG
TÁC NHÂN FENTON TẠI NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC
RỈ RÁC NAM BÌNH DƯƠNG
Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ
Mã số: 60.44.01.13
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học :
TS. PHAN THỊ HỒNG TUYẾT
Vinh - 2012
ii
Lời cám ơn
Để thực hiện và hoàn thành luận văn này Tôi đã nhận đuợc nhiều sự
giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ dạy của các vị lãnh đạo, quí Thầy Cô, các đồng
nghiệp, các bạn học viên, bạn bè và sự động viên rất lớn từ gia đình.
Tôi kính gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:
Quý lãnh đạo, Cô TS. Phan Thị Hồng Tuyết, cùng toàn thể quý
lũy kinh nghiệm cho công tác nghiên cứu sau này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày 21 tháng 10 năm 2012
iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH – ĐỒ THỊ.............................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1:
1.1
TỔNG QUAN .................................................................................. 3
Tổng quan nước rỉ rác ................................................................................ 3
1.1.1
Thành phần và tính chất nước rỉ rác ..................................................... 8
1.1.2
Thành phần và tính chất nước rỉ rác ở Việt Nam ................................ 11
1.2
1.4
Tổng quan các phương pháp oxi hoá nâng cao - AOPs ............................. 25
1.4.1
Giới thiệu Phương pháp oxi hóa nâng cao - AOPs ............................. 25
1.4.2
Hoạt tính oxi hóa và cơ chế phản ứng của gốc hydroxyl (OH*) ......... 26
1.4.3
Phân loại các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) điển hình ............... 29
1.5
Ứng dụng AOPs vào quá trình xử lý nước ................................................ 30
1.6
Tác nhân oxi hóa Fenton .......................................................................... 31
1.6.1
Giới thiệu về tác nhân Fenton ............................................................ 31
1.6.2
1.8.2
Phương pháp xác định hiệu quả xử lý COD ....................................... 41
1.8.3
Xác định phần trăm tác chất bị phân hủy............................................ 41
Chương 2:
THỰC NGHIỆM ............................................................................ 42
2.1
Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 42
2.2
Hóa chất, thiết bị và dụng cụ .................................................................... 42
2.2.1
Danh mục hóa chất ............................................................................ 42
2.2.2
Thiết bị và dụng cụ ............................................................................ 43
2.3
2.6.3
Thí nghiệm 3: Fenton cải biên dùng mạt sắt ....................................... 48
2.6.4
Thí nghiệm 4: Fenton 2 bậc ............................................................... 48
2.6.5
Thí nghiệm 5: Fenton 3 bậc ............................................................... 49
2.6.6
Thí nghiệm 6: Quang Fenton (sử dụng nguồn ánh sáng mặt trời) với
xúc tác axit oxalic (C2H2O2) .......................................................................... 50
2.6.7
Thí nghiệm 7: Khảo sát Fenton dị thể với sắt (III) oxit ....................... 50
2.6.8
Thí nghiệm 8: Tái sử dụng tác nhân Fenton (Hoàn nguyên dung dịch
Fe2+ từ dung dịch Fe3+) .................................................................................. 52
v
Kết quả khảo sát Fenton 2 bậc ........................................................... 58
3.3.2
Kết quả khảo sát Fenton 3 bậc (COD vào = 332 mg/l) ....................... 61
3.4
Kết quả khảo sát quá trình xử lý rác sử dụng Quang Fenton (sử dụng nguồn
ánh sáng mặt trời) với xúc tác axit oxalic (C2H2O2) (CODvào = 332 mg/l) .......... 63
3.5
Kết quả khảo sát Fenton dị thể với oxit sắt (III) (CODvào=332mg/l).......... 67
3.6
Kết quả khảo sát quá trình tái sử dụng tác nhân Fenton (Hoàn nguyên Fe2+
từ Fe3+) (COD vào= 336mg/l) .............................................................................. 69
3.7
Đề xuất một số biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình xử lý rác bằng tác
nhân Fenton ....................................................................................................... 71
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 72
KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT .............................................................................. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 75
Trạm xử lý
SS
Chất rắn lơ lửng
*
Gốc tự do
vii
DANH MỤC HÌNH – ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp (USEPA) ........................... 14
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác tại BCL Sudokwon, Hàn Quốc 16
Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ xử lý nước rỉ rác cải tiến tại BCL Gò Cát........... 18
Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước rỉ rác
Bình Dương.................................................................................................. 21
Hình 2.1. Sơ đồ qui trình thí nghiệm ............................................................ 46
Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm Fenton 2 bậc nối tiếp ........................................ 48
Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm Fenton 2 bậc tách biệt ....................................... 49
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm Fenton 3 bậc...................................................... 49
Hình 2.5. Mô hình Fenton dị thể với bột sắt (III) oxit ................................... 51
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD theo pH .............................. 54
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD theo tỷ lệ H2O2/Fe2+........... 56
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD theo hàm lượng mạt Fe (g/l) 57
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD bằng Fenton 2 bậc nối tiếp 59
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD giữa Fenton 2 bậc tách biệt và
Bảng 1.10 Hằng số tốc độ phản ứng giữa gốc hydroxyl (OH*) và Ozon với
một số chất hữu cơ ................................................................................... 27
Bảng 1.11 Năng lượng tương đối của các tác nhân oxi hóa mạnh ............. 27
Bảng 1.12 Các quá trình oxi hóa nâng cao không có tác nhân ánh sáng.... 29
Bảng 1.13 Các quá trình oxi hóa nâng cao có tác nhân ánh sáng ............. 30
Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng ...................................................... 42
Bảng 2.2 Các thiết bị sử dụng .................................................................. 43
Bảng 2.3 Thành phần nước rỉ rác sau xử lý sinh học Nhà máy xử lý nước rỉ
rác Nam Bình Dương ............................................................................... 43
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng pH................................................. 53
Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ H2O2/Fe2+ .............................. 55
x
Bảng 3.3 Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác sử dụng Fenton cải biên
dùng mạt sắt ............................................................................................. 56
Bảng 3.4 Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng Fenton 2 bậc nối
tiếp ........................................................................................................... 58
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng Fenton 2 bậc tách
biệt và Fenton 2 bậc liên tiếp .................................................................... 60
Bảng 3.6 Kết quả khảo sát quá trình xử lý nước rỉ rác bằng Fenton 3 bậc 62
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát quang Fenton với xúc tác axit oxalic ............ 64
Bảng 3.8. Kết quả xử lý nước rỉ rác bằng Fenton dị thể với oxit sắt (III) .. 68
Bảng 3. 9 Kết quả khảo sát quá trình tái sử dụng tác nhân Fenton ............ 69
Bảng 1.6 Thành phần và tính chất nước rỉ rác điển hình ............................. 7
Bảng 1.7 Thành phần nước rỉ rác một số quốc gia trên thế giới .................. 9
Bảng 1.8 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á .................. 10
Bảng 1.9 Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL tại TP. Hồ Chí Minh...... 11
Bảng 1.10 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý BCL Sudokwon Hàn
Mở đầu
1
MỞ ĐẦU
Môi trường và các vấn đề về môi trường là vấn đề được hầu hết các nước
trên thế giới quan tâm, bởi vì môi trường và con người có mối quan hệ tác
động chặt chẽ với nhau, môi trường ảnh hưởng trực tiếp và chi phối hoạt động
của con người và ngược lại con người cũng tác động không nhỏ đến môi
trường. Trong những năm gần đây môi trường được xem là vấn đề nóng bỏng
và thời sự nhất, được quan tâm nhiều nhất đặc biệt là ở các nước có nền công
nghiệp đang phát triển mà Việt Nam là một trong số đó.
Hiện nay nước ta là nước trong giai đoạn phát triển công nghiệp hóa và
dần dần đang hiện đại hóa công nghiệp, các khu công nghiệp được thành lập
ngày càng nhiều, song phát triển công nghiệp muốn phát triển công nghiệp
bền vững thì phải đi đối với việc gìn giữ và bảo vệ môi trường. Khi công
nghiệp phát triển kèm theo đô thị, dịch vụ, dân cư cũng phát triển mạnh, đời
sống con người càng cao, kéo theo sự phát triển của nhiều hoạt động, ngành
nghề, dịch vụ….. Nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, tuy nhiên, bên cạnh
những mặt tích cực của việc phát triển xã hội và các thành tựu khoa học kỹ
thuật được ứng dụng thì nó còn trực tiếp mang ảnh hưởng xấu đến chính đời
sống của con người đó là vấn đề chất thải, rác thải sinh hoạt hàng ngày đó
cũng chính là vấn đề bức xúc của người dân và của các ban ngành liên quan.
Ở các cụm, khu công nghiệp thì đã có hệ thống xử lý chất thải, nước thải
trước khi thải ra môi trường, còn ở các khu đô thị, cụm dân cư thì rác thải sinh
hoạt đang và một vấn đề nan giải và đang thải trực tiếp ra môi trường. Để giải
quyết vấn đề về rác thải sinh hoạt thì hang loạt các bãi chôn lấp rác thải sinh
hoạt được thành lập và thu gom, vận chuyển tập trung các bãi chôn lấp. Vấn
trình xử lý nước thải là vấn đề đang được quan tâm.
Với mong muốn là tìm hiểu rõ hơn về tình năng cũng như khả nâng phân
hủy các hợp chất hữu cơ của tác nhân Fenton để có những dụng thích hợp hơn
vào thực tế, vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng, đề
xuất biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình xử lý COD của nước rỉ rác
bằng tác nhân Fenton tại nhà máy xử lý nước rỉ rác Nam Bình Dương”.
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Chương 1: Tổng quan
3
Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan nước rỉ rác
Nước rò rỉ từ bãi rác (nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác, kéo theo
các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất dưới bãi chôn lấp. Trong giai đoạn
hoạt động của bãi chôn lấp, nước rỉ rác hình thành chủ yếu do nước mưa và
nước “ép” ra từ các lỗ rỗng của chất thải do các thiết bị đầm nén.
Như vậy có thể nói “Nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp có thể được định
nghĩa là chất lỏng thấm qua các lớp chất thải rắn mang theo các chất hòa tan
hoặc các chất lơ lửng”.
Quá trình tạo thành nước rò rỉ bắt đầu khi bãi rác đạt đến khả năng giữ
nước hay khi nó bị bão hòa nước. Khả năng giữ nước (FC – Field Capacity)
của chất thải rắn là tổng lượng nước có thể lưu lại trong bãi rác dưới tác dụng
của trọng lực. FC của chất thải rắn là yếu tố rất quan trọng trong việc xác định
rác. Trong suốt những năm đầu tiên, phần lớn lượng nước mưa thâm nhập và
được hấp thụ, tích trữ trong các khe hở và lỗ rỗng của chất thải chôn lấp. Lưu
lượng nước rò rỉ sẽ tăng lên dần trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần
sau khi đóng cửa bãi chôn lấp do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên
trên mặt... giữ nước làm giảm độ ẩm thấm vào.
Đối với BCL hợp vệ sinh hiện đại, có lót lớp đáy và có phủ đỉnh sau
khi đóng bãi bằng các vật liệu chống thấm. Lượng nước rò rỉ sinh ra trong
mùa khô chủ yếu là lượng nước tự do chứa trong CTR và lượng nước tạo
thành trong quá trình phân hủy thành phần chất hữu cơ của CTR, còn trong
mùa mưa lượng nước rò rỉ sinh ra chủ yếu là do nước mưa thấm qua bề mặt
của phần BCL đang hoạt động.
Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải trong bãi chôn lấp được
chia thành các nhóm chủ yếu sau:
–
Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0-200C
–
Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20-400C
–
Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40-700C
Sự phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp bao gồm các giai đoạn sau:
Giai đoạn I – giai đoạn thích nghi ban đầu: chỉ sau một thời gian ngắn
từ khi chất thải rắn được chôn lấp thì các quá trình phân hủy hiếu khí sẽ diễn
ra, bởi vì trong bãi rác còn có một lượng không khí nhất định nào đó được giữ
lại. Giai đoạn này có thể kéo một vài ngày cho đến vài tháng, phụ thuộc vào
cầu oxy hóa học (COD) và độ dẫn điện tăng lên đáng kể trong suốt giai đoạn
III do sự hòa tan các axit hữu cơ vào nước rò rỉ. Do pH thấp, nên một số chất
vô cơ chủ yếu là các kim loại nặng sẽ được hòa tan trong giai đoạn này. Nếu
nước rò rỉ không được tuần hoàn thì nhiều thành phần dinh dưỡng cơ bản
cũng bị loại bỏ theo nước rác ra khỏi bãi chôn lấp.
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Chương 1: Tổng quan
6
Giai đoạn IV – giai đoạn lên men metan: trong giai đoạn này nhóm vi
sinh vật thứ hai chịu trách nhiệm chuyển hóa axit acetic và khí hydro hình
thành từ giai đoạn trước thành CH4, CO2 sẽ chiếm ưu thế. Đây là nhóm vi
sinh vật kị khí nghiêm ngặt, được gọi là vi khuẩn metan. Trong giai đoạn này,
sự hình thành metan và các axit hữu cơ xảy ra đồng thời mặc dù sự tạo thành
axit giảm nhiều. Do các axit hữu cơ và H2 bị chuyển hóa thành metan và
cacbonic nên pH của nước rò rỉ tăng lên đáng kể trong khoảng từ 6,8 – 8,0.
Giá trị BOD5, COD, nồng độ kim loại nặng và độ dẫn điện của nước rò rỉ
giảm xuống trong giai đoạn này.
Giai đoạn V- giai đoạn ổn định: giai đoạn ổn định xảy ra khi các vật
liệu hữu cơ dễ phân hủy sinh học đã được chuyển hóa thành CH4, CO2 trong
giai đoạn IV. Nước sẽ tiếp tục di chuyển trong bãi chôn lấp làm các chất có
khả năng phân hủy sinh học trước đó chưa được phân hủy sẽ tiếp tục đựơc
chuyển hóa. Tốc độ phát sinh khí trong giai đoạn này giảm đáng kể, khí sinh
ra chủ yếu là CH4 và CO2. Trong giai đoạn ổn định, nước rò rỉ chủ yếu axit
humic và axit fulvic rất khó cho quá trình phân hủy sinh học diễn ra tiếp nữa.
Tuy nhiên, khi bãi chôn lấp càng lâu năm thì hàm lượng axit humic và fulvic
Nhu cầu oxy hóa hóa học
(COD),
mg/l
Tổng chất rắn lơ lửng
(TSS),
mg/l
Nitơ
hữu
cơ,
mg/l
Amoniac,
mg/l
Nitrat,
mg/l
Tổng
mg/l
lượng
Orthophotpho,
Photpho,
6000
80 – 160
3000 – 60 000
18 000
100 – 500
200 – 2000
500
100 – 400
10 – 800
200
80 – 120
10 – 800
200
20 – 40
5 – 40
250
50 – 200
200 – 3000
500
100 – 400
50 – 1200
60
20 – 200
50 – 1000
300
20 – 50
Sulfat, mg/l
Nguồn : Integrated Solid Waste Management
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Chương 1: Tổng quan
Chương 1: Tổng quan
9
Bảng 1.12 Thành phần nước rỉ rác một số quốc gia trên thế giới
Thành
Đơn Vị
Phần
Colombia
Canada
(i)
(ii)
Đức (iii)
Pereira (5 Clover
BCL
năm
đô thị
vận Bar
-
7.2 – 8.3
mgO2/l
4350 –
8.3
1090
-
7.8 – 8.7
2500
19400 –
65000
BOD
mgO2/l
1560 –
5.8
8.2
TKN
mg/L
-
-
920
141 – 410
400
20
Chất
mg/L
7990 –
-
-
10588 –
-
-
300 – 600
-
-
-
-
25 – 34
-
-
27800
lửng
Tổng
mg /L
chất
7800 –
61300
mg/L
-
4030
-
3200 – 3700
4500
4500
200
0.873 –
-
-
tổng
Ca
-
1.267
Mg
Nguồn: (i): Lee & Jone, 1993 (ii): Diego Paredes, 2003(iii): F. Wang et al., 2004
(iii): KRUSE, 1994 , (iv) Kwanrutai Nakwan, 2002
Bảng 1.13 Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia Châu Á
Thái Lan
Thành Phần
pH
Độ dẫn điện
COD
BOD5
SS
IS
N-NH3
N-Org
Phospho tổng
ClZn
Cd
Pd
Cu
Cr
Độ kiềm
VFA
Đơn Vị
BCL
Sukdowop NRR
mg/L
3200 – 3700
mg/L
0.873 – 1.267
mg/L
mg/L
0.09 – 0.330
mg/L
0.1 – 0.157
mg/L
0.495 – 0.657
mgCaCO3/L
mg/L
56 – 2518
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Hàn Quốc
12500
2000
7000
500
400
20
200
1800
4500
4500
2000
NRR mới
NRR cũ
NRR
NRR cũ
gian
2,3,4/2002
8/2006
1,4/2003
4/03 –
mới
8,11/200
8/06
2,4/2002
3
lấy
mẫu
9100 –
12200
16100
20700
8470
15800
11100
mgCaCO
5833 –
590
5733 –
-
1533 –
1520 –
3/L
1122 –
100 –
2191
6570
11840
190
-
1280 –
169 –
3270
240
1760 –
90 –
790 –
4310
7000
57300
4520
65333
1702
30000 –
1010 –
18000 –
240 –
33570 –
235 –
48000
1430
48500
2.120
25182
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Chương 1: Tổng quan
N-NH3
N-hữu
mg/L
mg/L
12
297 – 790
336 – 678
1360 –
760 –
1590 –
1245 –
1720
275 –
cơ
SO4
mg/L
1600 –
-
2340
Humic
Lignin
mg/L
mg/L
-
-
520 - 785
-
2560
297 –
-
-
-
10 – 16.5
Khoán
g
H2S
mg/L
106
-
4.0
-
-
-
Phenol
mg/L
mg/L
-
-
KPH
KPH
KPH
KPH
mg/L
-
KPH
KPH
KPH
KPH
KPH
mg/L
-
-
-
64 – 120
mg/L
0.04 –
-
-
-
0.23 –
-
tổng
Al
0.50
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Pb
0.48
KPH
KPH
-
KPH
0 – 0.05
0.22
0.25
-
0.85 –
0.1 –
3.00
0.14
14 – 21
-
0 – 0.03
0.002 –
0.008
Mn
mg/L
14.50 -
0.204
33.75
-
32.17
Ni
mg/L
2.21 –
0.458
0.762
0.01 –
0.04
As
mg/L
-
-
-
-
-
0.010 –
0.022
Sn
mg/L
-
-
KPH
1.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước nước rỉ rác đã được
ứng dụng trên thế giới
1.2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ các nước trên thế giới
Các quá trình xử lý nước rỉ rác của các cơ sở xử lý chủ yếu thực hiện
theo sơ đồ ở hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp (USEPA)
Luận văn Thạc sĩ Hóa học
Copyright: Tài liệu đại học ©