TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

===o0o===

HẦU THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ
TRONG NƯỚC RỈ RÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
KEO TỤ ĐIỆN HÓA ĐIỆN CỰC NHÔM
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công Nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học
ThS. Lê Cao Khải

HÀ NỘI, 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa
học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em rất nhiều kiến thức
chuyên sâu về lĩnh vực môi trường và cùng đó tạo điều kiện giúp em trong quá
trình học tập và hoàn thành khóa luận này.
Em xin gửi lời cám ơn đến thầy giáoThS. Lê Cao Khải, người đã trực tiếp
hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này kịp tiến độ. Trong thời gian làm việc
với thầy, em không những tiếp thu được thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn
học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu
quả.
Xin cảm ơn TS. Lê Thanh Sơn và các anh chị trong Phòng Công nghệ
Hoá lý Môi trường thuộc Viện Công Nghệ Môi Trường - Viện Hàn Lâm Khoa

SS

Chất rắn lơ lửng

(Suspended Solid)
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

BCL

Bãi chôn lấp


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn lấp mới và lâu
năm ...................................................................................................................... 5
Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới ................... 6
Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ ................................... 7
Bảng 3.1. Điện năng tiêu thụ trong quá trình xử lý COD ở các khoảng cách
điện cực khác nhau ............................................................................................ 37
Bảng 3.2. Điện năng tiêu thụ trong quá trình xử lý COD trong nước rỉ rác điện
cực nhôm ........................................................................................................... 39


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ .................................... 15
Hình 2.1. Bể keo tụ điện hóa ............................................................................. 21
Hình 2.2. Điện cực nhôm .................................................................................. 22
Hình 2.3. Nguồn một chiều (Programmable PFC D.C.Supply 40V/30A, VSP

cực Nhôm ............................................................................................. 15
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ
điện hóa điện cực Nhôm ....................................................................... 17
1.3.4. Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm ..... 17
1.3.5. Ứng dụng của keo tụ điện hóa trong xử lý môi trường ............ 18
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ................. 21
2.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 21
2.2. Hệ thí nghiệm keo tụ điện hóa điện cực Nhôm ............................... 21
2.3. Các nội dung nghiên cứu.................................................................. 25
2.4. Phương pháp phân tích .................................................................... 26
2.4.1. Phương pháp xác định COD bằng phương pháp bicromat
(K2Cr2O7) .............................................................................................. 26

1


2.4.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm .................................. 27
2.4.3. Cách tiến hành thí nghiệm ......................................................... 30
2.4.4. Tính kết quả ................................................................................ 32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 33
3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý COD ...... 33
3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD ... 34
3.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ................................. 36
3.4. Điện năng tiêu thụ ............................................................................ 37
3.4.1. Điện năng tiêu thụ khi khoảng cách điện cực khác nhau ......... 37
3.4.2. Điện năng tiêu thụ khi các cường độ dòng điện khác nhau...... 38
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 42

2

1


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của BCL chất thải rắn
Nam Sơn - Sóc Sơn - Hà Nội bằng phương pháp keo tụ điện hóa.
- Phạm vi thực hiện: Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm phòng
Công nghệ Hóa lý môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nước rỉ rác
1.1.1. Sự hình thành nước rỉ rác
Nước rò rỉ từ bãi rác là nước bẩn thấm qua lớp rác, kéo theo các chất ô
nhiễm từ rác chảy vào tầng đất dưới bãi chôn lấp. Nước rỉ rác là loại nước
thường bị ô nhiễm nặng bởi các chất nguy ngại nên thành phần hóa học của
nước rỉ rác cũng khác nhau và phụ thuộc vào thành phần rác đem chôn cũng
như thời gian chôn lấp.
Quá trình hình thành nước rỉ rác bắt đầu từ khi bãi rác đạt đến khả năng
giữ nước hoặc bão hòa nước. Trong đó khả năng giữ nước của chất thải rắn là
tổng lượng nước có thể lưu lại trong bãi rác dưới sự tác dụng trọng lực. Đây
là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự hình thành nước rỉ rác. Khả năng
giữ nước phụ thuộc vào trạng thái bị nén của rác và việc phân hủy chất thải
trong bãi chôn lấp.
• Các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác:
- Quá trình phân hủy sinh học tạo các chất hữu cơ, sản phẩm là nước và
trở thành nước rác.

hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo.
Các chất vô cơ : Là các hợp chất của nitơ, photpho, lưu huỳnh.
Thành phần và tính chất nước rò rỉ còn phụ thuộc vào các phản ứng lý,
hóa, sinh xảy ra trong bãi chôn lấp. Các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi
chôn lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ từ
chất thải rắn làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng.
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 0-20°C
- Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20-40°C
- Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40-70°C
Sự phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp bao gồm các giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Giai đoạn thích nghi ban đầu

4


- Giai đoạn 2: Giai đoạn chuyển tiếp
- Giai đoạn 3: Giai đoạn lên men axit
- Giai đoạn 4: Giai đoạn lên men metan
- Giai đoạn 5: Giai đoạn ổn định
Bảng 1.1.Thành phần và tính chất nước rác của các bãi chôn lấp mới
và lâu năm
Giá trị, mg/l
Thành phần

Bãi mới (< 2 năm)

Bãi lâu năm


Chất rắn hòa tan

10.000 - 55.000

10.000

1.200

Tổng chất rắn lơ lửng

200 - 2.000

500

100 - 400

Nitơ hữu cơ

10 – 800

200

80 - 120

Amoniac

10 – 800

200


3.000

200 - 1000

pH

4,5 - 7,5

6

6,6 - 9

Độ cứng theo CaCO3

300 - 25.000

3.500

200 - 500

Canxi

50 - 7.200

1.000

100 - 400

Magie


5


Bảng 1.2. Thành phần nước rỉ rác tại một số quốc gia trên thế giới
Columbia
Cannada
Đức
Thành Phần

Pereira

Đơn Vị

(5 năm vận
hành)

Clover Bar

BCL

(Vận hành từ CTR đô
năm 1975)

thị

pH

-

7,2 - 8,3


1.100

TKN

-

-

920

Chất rắn tổng cộng

mg/L

7.990 - 89.100

-

-

Chất rắn lơ lửng

mg/L

190- 27.800

-

-


Ca

mg/L

-

-

200

Mg

mg/L

-

-

150

Na

mg/L

-

-

1.150

pH trung tính hoặc kiềm

BOD cao

BOD thấp

Tỷ lệ BOD/COD cao

Tỷ lệ BOD/COD thấp

Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao

Nồng độ NH4+ thấp

Vi sinh vật có số lượng lớn

Vi sinh vật có số lượng nhỏ

Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và
loại nặng cao

kim loại nặng thấp
Tchobanoglos và cộng sự 1993 [10]

b) Thành phần và các biện pháp xử lí sơ bộ chất thải rắn
Rõ ràng thành phần chất thải rắn là yếu tố quan trọng nhất tác động đến
tính chất nước rò rỉ. Khi các phản ứng trong bãi chôn lấp diễn ra thì chất thải
rắn sẽ bị phân hủy. Do đó, chất thải rắn có những đặc tính gì thì nước rò rỉ
cũng có các đặc tính tương tự. Chẳng hạn như, chất thải có chứa nhiều chất



8


trong những yếu tố quyết định thời gian nước rò rỉ được hình thành là nhanh
hay chậm sau khi rác được chôn lấp. Độ ẩm trong rác cao thì nước rò rỉ sẽ
hình thành nhanh hơn.
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất nước rò rỉ. Khi nhiệt độ
môi trường cao thì quá trình bay hơi sẽ xảy ra tốt hơn là giảm lưu lượng nước
rác. Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì các phản ứng phân hủy chất thải rắn
trong bãi chôn lấp càng diễn ra nhanh hơn làm cho nước rò rỉ có nồng độ ô
nhiễm cao hơn.
f) Ảnh hưởng từ bùn cống rãnh và chất thải độc hại
Việc chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt với bùn cống rảnh và bùn của trạm
xử lý nước thải sinh hoạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất nước rò rỉ. Bùn sẽ
làm tăng độ ẩm của rác và do đó tăng khả năng tạo thành nước rò rỉ.
Đồng thời chất dinh dưỡng và vi sinh vật từ bùn được chôn lấp sẽ làm
tăng khả năng phân hủy và ổn định chất thải rắn. Nhiều nghiên cứu cho thấy
rằng, việc chôn lấp chất thải rắn cùng với bùn làm hoạt tính metan tăng lên,
nước rò ri có pH thấp và BOD5 cao hơn.
Việc chôn lấp chất thải rắn đô thị với các chất thải độc hại làm ảnh hưởng
đến các quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp do các chất ức chế
như kim loại nặng, các chất độc đối với vi sinh vật... Đồng thời, theo thời gian
các chất độc hại sẽ bị phân hủy và theo nước rò rỉ và khí thoát ra ngoài ảnh
hưởng đến môi trường cũng như các công trình sinh học xử lý nước rác.
1.1.3. Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường và sức khỏe con
người
a. Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường nước
Một thực trạng cần phải nói lên ở đây là ảnh hưởng của rác thải tới môi
trường nước mặt và nước ngầm. Trên thực tế các cơ quan, đơn vị, nhà máy, xí

những chất này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe.
c. Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường đất

10


Nước rỉ rác có thể được tích lũy dưới đất trong thời gian dài gây nguy cơ
tiềm tàng đến môi trường đất. Trong nước rỉ rác có chứa các kim loại, đặc biệt
là kim loại nặng như chì, kẽm, đồng, cadimi… Các kim loại này tích lũy trong
đất làm mất đi một số thành phần và chất dinh dưỡng trong đất dẫn đến làm
ảnh hưởng đến các cây trồng, thực vật và khi con người ăn phải những cây
trồng có chưa các chất độc đó sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe.
d. Ảnh hưởng của nước rỉ rác đến sức khỏe con người
Như đã nói ở trên, sự ô nhiễm rác thải đã dẫn đến ô nhiễm môi trường
nước, đó là sự xuất hiện của các chất lạ trong môi trường nước. Những chất
này đến một giới hạn nhất định sẽ là tác nhân gây ra bệnh tật cho con người.
Mọi người phải sinh sống trong khu vực bị ô nhiễm, khi đó nguồn nước sinh
hoạt của người đó bi nhiễm các chất bẩn. Thông qua quá trình sinh hoạt, sử
dụng nguồn nước bị ô nhiễm con người sẽ bị lan truyền các chất bẩn vào cơ
thể. Cơ thể con người cũng có thể bị nhiễm các chất độc hại khi họ sử dụng
những loại thức ăn chế biến từ các loại sinh vật bị nhiễm độc do ô nhiễm
nước. Chính sự tồn tại của các chất độc hại đó trong cơ thể sẽ làm rối loạn các
quá trình sinh - lý - hoá diễn ra bên trong cơ thể và từ đó dẫn đến các loại
bệnh tật.
1.1.4. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong và ngoài nước.
1.1.4.1. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác ở nước ngoài.
Singh và cộng sự [14] đã tiến hành nghiên cứu xác định hiệu quả của ozon
hóa thời gian từ 5 đến 30 phút. Đối với cả 3 loại nước rỉ rác, các chất hấp thụ
UV-254 giảm tối đa 78% và cacbon hữu cơ hòa tan giảm 23%. Khi nồng độ
ozon là 66,7 g/m3 thì thời gian ozon hóa hiệu quả là 10 phút, được chọn để xử lý

này, hiệu suất xử lý COD rất cao (đạt 76%). Sau quá trình Keo tụ- Tạo phứcFenton, nước rỉ rác tiếp tục được xử lý bằng Perozon đã xử lý được 97% các
chất hữu cơ trong nước rỉ rác.
Trương Quý Tùng và cộng sự [6] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác phát

12


sinh từ bãi chôn lấp Thủy Tiên - Thừa Thiên Huế bằng tác nhân UV/Fenton.
Nước rỉ rác có tỷ lệ BOD5/COD = 0,16 ± 0,2. Tác giả đã xử lý nước rỉ rác này
bằng tác nhân Fenton với sự hỗ trợ của đèn UV (200-275 nm, 40W) được bố
trí ngập vào trong thiết bị phản ứng để sử dung tối đa năng lượng của đèn. Kết
quả cho thấy, quá trình này có thể loại bỏ được 71% COD và 90% độ màu
nước rỉ rác ở pH ~ 3, nồng độ H2O2 là 125 mg/l, nồng độ Fe2+ là 50 mg/l, sau
thời gian phản ứng là 2 giờ. Ngoài ra, khả năng phân hủy sinh học của nước rỉ
rác sau xử lý đã tăng đáng kể, tỉ lệ BOD5/COD tăng từ 0,15 lên 0,46.
Hoàng Ngọc Minh [2] đã nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp chất
thải rắn Nam Sơn - Sóc Sơn bằng quá trình Ozon và Perozon, sử dụng nguồn
O3 với máy phát công suất 4,5 g O3/giờ, nồng độ H2O2 mà 1.000-3.000 mg/l.
Với nước rỉ rác có COD và độ màu đầu vào tương ứng là 455 mg/l và 397 PtCo, sau 60 phút xử lý bằng Perozon, hiệu suất đạt tương ứng 41% và 58%.
Theo nghiên cứu của tác giả thì pH thích hợp cho quá trình ozon hóa nước rỉ
rác khoảng 8-9,5.
1.2. Giới thiệu về COD
1.2.1. Khái niệm về COD
COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học) là lượng oxy
cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và
hữu cơ. Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học
trong nước.
Phương pháp phổ biến để xác định COD là phương pháp kali bicromat.
Cơ chế của nó diễn ra theo phương trình sau:
Chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ → CO2 + H2O +2 Cr3+

1.3.1. Giới thiệu về phương pháp keo tụ điện hóa điện cực Nhôm
Keo tụ điện hoá cũng là một phương pháp hoá học. Tuy nhiên, phương
pháp này kết hợp với phương pháp lý học (dòng điện và các điện cực) nên có
thể xem phương pháp này là một phương pháp hoá - lý.
Keo tụ điện hoá là một phương pháp điện hoá trong xử lý nước thải,

14


trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực dương là Al sẽ bị ăn
mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+) vào trong môi
trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí
ở cực âm [8].
1.3.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa điện
cực Nhôm
Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong cả hai điều kiện nạp nước là
liên tục và theo mẻ.
1.3.2.1. Cấu tạo
Bể gồm có các phần chính: ống dẫn nước đầu vào, thân bể hình hộp chữ
nhật, hệ thống các điện cực và bộ phận gạt váng bọt, bùn cặn, phao và ống thu
nước đầu ra, hố chứa bùn và ống thu bùn.
1.3.2.2. Nguyên tắc hoạt động
Nước thải đầu vào cho vào bể một lần với thể tích đã được xác định.
Nước thải phải làm ngập các hệ điện cực ở trong bể.

Hình 1.1. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ
Theo Hold, Barton và Mitchell (2004) khi cho dòng điện một chiều đi qua
các điện cực thì tại cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Do đó, các
điện cực dương được làm bằng nhôm thì quá trình này sẽ giải phóng ra các


Cực âm: Cực âm xảy ra quá trình khử nước và tạo thành khí H2

16


2H2O +2e → 2OH- + H2
Cation Al3+ được giải phóng ra trong quá trình hòa tan kim loại ở điện
cực dương sẽ kết hợp với nhóm hydroxyl và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3)
là chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải.
Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+
Al(OH)3 không tạo lên bông cặn có độ nhớt cao, Al(OH)3 lắng xuống
với vận tốc chậm sẽ mang theo chất rắn lơ lửng [7].
Các hydroxit kim loại sẽ tham gia phản ửng polymer hóa
Al(OH)3 →(OH)2Al-O-Al(OH)2 + H2O
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ
điện hóa điện cực Nhôm
Có những yếu tố ảnh hưởng sau: [3]
+ Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần
như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao.
+ Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất… Các
yếu tố này nên được xác định bằng thực nghiệm.
+ Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá
trình thủy phân. Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả
keo tụ bị hạn chế.
Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có
pH = 5,5 -7,5
+ Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ
keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Độ đục của
nước càng cao, thì ảnh hưởng của nước càng rõ rệt. Nhiệt độ của nước thích
hợp khi dùng điện cực nhôm là 20 - 400C tốt nhất ở nhiệt độ 35 - 400C.

SS 92,3%, độ đục 81,25%.
Shruthi và cộng sự [12] đã nghiên cứu xử lí Asen trong nước ngầm bằng
phương pháp keo tụ điện hóa với cực dương bằng sắt. Các kết quả thu được từ
các mẫu nước ngầm giàu Asen cho thấy việc loại bỏ hiệu quả nhất đạt được ở

18