TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

======

KHIẾU THỊ NGỌC MAI

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ
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 hóa học, đặc biệt là Hóa học Môi trường và cùng đó tạo
điều kiện giúp em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp
này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS. Lê Cao Khải cùng thầy giáo
TS. Lê Thanh Sơn, 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 các anh chị trong Phòng Công nghệ Hoá lý Môi trường thuộc

DO

Lượng oxy hòa tan trong nước

FC

Độ ẩm

UV

Tia tử ngoại

PAC

Poly Aluminium Choloride

TKN

Nitơ tổng

VFA

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi

TDS

Tổng chất rắn hòa tan

TOC


Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động bể SBR................................................... 20
Hình 1.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ AO ...................................................... 21
Hình 1.4. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ ..................................... 24
Hình 2.1. Máy khuấy từ gia nhiệt (AHYQ, model 85-2, Trung Quốc) .............. 32
Hình 2.2. Nguồn một chiều (DC REULATED POWER SUPPLY - QJ3020S – 0
~ 30V 20A) ...................................................................................................... 33
Hình 2.3. Kẹp điện cực ..................................................................................... 33
Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế bể keo tụ điện hóa ...................................................... 34
Hình 2.5. Hệ thống thí nghiệm bể keo tụ điện hóa ............................................ 35
Hình 2.6. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO2- bằng đo quang
......................................................................................................................... 40
Hình 2.7. Thí nghiệm đun cách thủy mẫu ......................................................... 43
Hình 2.8. Mẫu được chuyển sang bình định mức 25 ml .................................... 43
Hình 2.9. Hình ảnh Cuvet và máy trắc quang ................................................... 44
Hình 2.10. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NO3- bằng đo
quang. .............................................................................................................. 45
Hình 2.11. Màu của amoni sau 60 phút. ........................................................... 47
Hình 2.12. Đường chuẩn của phương pháp phân tích nồng độ NH4+ bằng đo
quang ............................................................................................................... 48
Hình 3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NO3- .......... 50
Hình 3.2. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến hiệu suất xử lý NH4+.......... 52
Hình 3.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NO3- ....... 54
Hình 3.4. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý NH4+ ....... 55
Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NO3- .................................... 58
Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý NH4+ .................................... 60


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................. 3

2.2.1. Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm .................................................................... 32
2.2.2. Tiến hành thí nghiệm .............................................................................. 36
2.3. Các nội dung nghiên cứu ......................................................................... 36
2.3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian .................................... 37
2.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực ...................................... 37
2.3.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................. 37
2.4. Phương pháp phân tích chỉ tiêu Nitơ trong mẫu thu được sau khi xử lý
bằng công nghệ keo tụ điện hóa...................................................................... 38
2.4.1. Xác định Nitrit ........................................................................................ 38
2.4.1.1. Phương pháp xác định Nitrit ...................................................... 38
2.4.1.2. Cách tiến hành ........................................................................... 39
2.4.1.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 39
2.4.2. Xác định Nitrat ....................................................................................... 40
2.4.2.1. Phương pháp xác định Nitrat. ..................................................... 40
2.4.2.2. Cách tiến hành ........................................................................... 41
2.4.2.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 44
2.4.3. Xác định Amoni ..................................................................................... 45
2.4.3.1.Phương pháp xác định................................................................. 45
2.4.3.2. Cách tiến hành ........................................................................... 46
2.4.3.3. Dựng đường chuẩn và tính toán kết quả ..................................... 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 49
3.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian điện phân đến hiệu suất
xử lý Nitơ ......................................................................................................... 49
3.1.1. Hiệu suất xử lý NO3- ............................................................................... 49
3.1.2. Hiệu suất xử lý NH4+ .............................................................................. 52
3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến quá trình xử lí Nitơ ............. 53


3.2.1. Hiệu suất xử lý NO3- ............................................................................... 53
3.2.2. Hiệu suất xử lý NH4+ .............................................................................. 54

dưỡng hóa làm bẩn trở lại nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) trong
nước. NH3 cao còn độc đối với thủy sinh. Vì vậy, xử lý Nitơ trong nước rỉ rác
là vấn đề cần quan tâm.
Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp xử lý và các
công trình xử lý nước rỉ rác nhưng việc ứng dụng vào thực tế còn rất hạn chế.

1


Xuất phát từ những lí do trên, để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường,
đặc biệt là môi trường nước bước đầu em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý
Nitơ trong nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa điện cực nhôm”.
Mục đích nghiên cứu
- Nắm bắt được công nghệ keo tụ điện hóa xử lí nước rỉ rác.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện và thời gian lưu nước, ảnh
hưởng của khoảng cách giữa các điện cực, ảnh hưởng của pH đến quá trình
xử lý Nitơ trong nước bằng công nghệ keo tụ điện hóa điệc cực Nhôm, từ đó
lựa chọn được điều kiện tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
điện hóa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nước rỉ rác của khu liên hợp xử lý chất
thải rắn Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội.
- 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 I. TỔNG QUAN

Theo đặc điểm hoạt động của bãi chôn lấp:
- Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp cũ, đã đóng cửa hoặc ngừng
hoạt động, thành phần, tính chất của loại nước rác này phụ thuộc vào thời
gian đã đóng bãi, mức độ phân hủy các thành phần hữu cơ trong bãi rác.
- Nước rác phát sinh từ các bãi chôn lấp đang hoạt động hoặc ngừng
vận hành.
1.1.2. Đặc điểm nước rỉ rác
1.1.2.1. Thành phần và tính chất nước rỉ rác
Hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn
mới chôn lấp cao hơn rất nhiều so với bãi chôn lấp chất thải rắn 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 [1].
Khả năng phân hủy của nước rỉ rác thay đổi theo thời gian. Khả năng
phân hủy sinh học có thể xét thông qua tỉ lệ BOD 5/COD trong khoảng 0,4 –
0,6 hoặc lớn hơn thì chất hữu cơ trong nước rác dễ phân hủy sinh học. Trong
các bãi chôn lấp chất thải rắn lâu năm, tỉ lệ BOD 5/COD rất thấp, khoảng
0,005 – 0,2. Khi đó nước rỉ rác chứa nhiều axit Humic và axit Fulvic khó
phân hủy sinh học [1,7].
Chất lượng nước rỉ rác có sự thay đổi lớn và liên quan trực tiếp đến sự
thay đổi lượng mưa, thành phần chất thải rắn, tuổi bãi chôn lấp và mùa. Các
chất ô nhiễm chính trong nước rỉ rác và tuổi bãi chôn lấp được tổng hợp từ

4



6,5-7,5

6,5-7,5

>7,5

> 7,5

3.000-

40.000-

5.000

10.000


70 - 90

80%

20 - 30

5 – 30%

5

-

(%TOC)

-

-

-

-

> 60

Chủ yếu

-

-


Thấp đến
mg/l

2

trung
bình

Khả năng
phân hủy

-

-

Chủ yếu

sinh học

-

Trung
bình

Ghi chú (-): không đánh giá
Như vậy, thành phần nước rỉ rác khác nhau theo tuổi bãi chôn lấp. Các

5




2.000 – 55.000

10.000

100 – 200

TOC

1.500 – 20.000

6.000

80 – 160

COD

3.000 – 90.000

18.000

100 – 500

Chất rắn hòa tan

10.000 – 55.000

10.000

1.200


năm)

Amoniac

10 – 800

200

20 – 40

Nitrat

5 – 40

25

5 – 10

5 – 100

30

5 – 10

4 – 80

20

4–8


250

50 – 200

Clorua

200 – 5.000

500

100 – 400

Sunphat

50 – 1.825

300

20 – 50

Tổng sắt

50 – 5.000

60

20 – 200

Tổng lượng phốt

rắn trong bãi chôn lấp được ổn định dần, nồng độ ô nhiễm cũng giảm dần theo
thời gian. Giai đoạn tạo thành khí Metan có thể kéo dài đến 100 năm hoặc lâu
hơn nữa.
Bảng 1.3. Thành phần nước rỉ rác mới và nước rỉ rác cũ
Nước rỉ rác mới

Nước rỉ rác cũ

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp
cao
pH nghiêng về tính axit

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


nhiễm.
* Các quá trình thấm, chảy tràn, bay hơi
Độ dày và khả năng chống thấm của vật liệu phủ có vai trò rất quan
trọng trong ngăn ngừa nước thấm vào bãi chôn lấp làm tăng nhanh thời gian
tạo nước rò rỉ cũng như tăng lưu lượng và pha loãng các chất ô nhiễm từ rác
vào trong nước. Khi quá trình thấm xảy ra nhanh thì nước rò rỉ sẽ có lưu
lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ. Quá trình bay hơi làm cô đặc
nước rác và tăng nồng độ ô nhiễm. Nhìn chung các quá trình thấm, chảy tràn,
bay hơi diễn ra rất phức tạp và phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, địa hình,
vật liệu phủ, thực vật phủ ...

9


* Độ ẩm rác và nhiệt độ
Độ ẩm thích hợp các phản ứng sinh học xảy ra tốt. Khi bãi chôn lấp đạt
trạng thái bão hòa, đạt tới khả năng giữ nước FC, thì độ ẩm trong rác là không
thay đổi nhiều. Độ ẩm là một 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.
* 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

Tiazui cùng cộng sự (2007) [18] đã nghiên cứu sử dụng phương pháp
ozon hóa và ozone kết hợp với hydrozen peroxide để xử lý nước rỉ rác tại
Tunisia, được đặc trưng bởi COD cao, khả năng bị phân hủy sinh học thấp và
màu sắc tối. Với nồng độ khí ozon đầu vào 80 g/m3, COD ban đầu 5.230
mg/l. Hiệu suất xử lí nước rỉ rác tăng gấp đôi (từ 25% lên 48%) khi kết hợp
O3/H2O2 với nồng độ 2g H2O2/l, thời gian phản 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 lí là 2,3 USD/kg COD.
Nghiên cứu xử lí nước rỉ rác (Bãi chôn lấp Tehran, Iran) với kết hợp
keo tụ và ozon được thực hiện bởi Jamali và cộng sự (2009) [13]. COD nước

11


rỉ rác trước xử lí 130.000 mg/l. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lí
COD và độ màu tương ứng là 41% và 81%, tỉ lệ BOD 5/COD tăng từ 0,36 lên
0,45, hiệu suất xử lí độ màu đạt cao nhất là 81% ở mức hàm lượng O3 là 180g
O3/l nước rỉ rác. Tác giả cũng khẳng định việc kết hợp keo tụ và ozon xử lí
nước rỉ rác không mang lại hiệu quả cao và cần được xử lí tiếp bằng than hoạt
tính hay lọc màng.
Top và cộng sự [19] đã nghiên cứu xử lí nước rỉ rác của một nhà máy
tại Instanbul (Thổ Nhĩ Kỳ) bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc
màng nano. Nồng độ trung bình của COD, Nitơ tổng (TKN) và amoni trong
nước rỉ rác ban đầu có giá trị lần lượt là 6200, 587,5 và 110 mg/L. Kết quả
nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện hợp lí là 15,9 mA/cm2 và thời gian
xử lí hợp lí là 30 phút sẽ làm giảm tối đa COD, màu sắc, và loại bỏ photpho,
tương ứng là 45%, 60% và 91,8%.
b. Các công trình nghiên cứu xử lý nước rỉ rác trong nước
Xử lí nước rỉ rác ở Việt Nam mới được quan tâm trong những năm gần
đây, vì thế những nghiên cứu về công nghệ chưa nhiều. Vấn đề xử lí nước rỉ

giai đoạn cuối cùng là oxi hóa bằng fenton.
1.2. Tổng quan về sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác
1.2.1. Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước rỉ rác
Trong nước rỉ rác, các hợp chất của Nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp
chất hữu cơ, Amoni và các hợp chất dạng oxi hóa (Nitrit và Nitrat). Các hợp
chất Nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ
yếu nhờ các quá trình sinh hóa.

13


Nitơ phân tử N2
Cố định Nitơ

N-protein động vật

N-protein thực vật

Amôn
hóa
NH4+ hoặc NH3

Khử Nitrat

+ O2
Nitrat hóa
NO3-

NO2+ O2
Hình 1.1. Chu trình Nitơ trong tự nhiên

các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO); và chúng có tốc
độ tăng sinh khối ở mức thấp hơn nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng.
Nitrosomonas chỉ có thể oxy hóa NH4+ thành NO2-, sau đó Nitrobacter làm
chức năng chuyển hóa NO2- thành NO3-.
* Cơ chế của quá trình Nitrat hóa:
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học với sự tham gia của vi sinh vật được
viết như sau:

Nitrosomonas

NH4+ + 1,5 O2
NO2- + 0,5 O2
Phương trình tổng
NH4+

+ 2O2

Nitrobacte
r

NO2- + 2 H+ + H2O

(1)

NO3-

(2)

VSV


Quá trình khử Nitrat là tổng hợp của 4 phản ứng nối tiếp nhau:
NO3-

NO2-

NO(k)

N2O(k)

N2(k)

Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất – chất cho điện tử, chúng có thể là chất
hữu cơ (phổ biến là các dạng cacbon hữu cơ), H2 và S. Khi có mặt đồng thời
NO3- và các chất cho điện tử, chất cho điện tử bị oxy hóa, đồng thời NO3nhận điện và bị khử về N2.
Gayle đã phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình khử
Nitrat. Những nhóm vi khuẩn phổ biến là: Bacillius denitrificans, Microcous
denitrificans,

Pseudomonas stutzeri và Achrommobacter,

Paracocus,

Spirilum và Thiobacilus,… Phần lớn các vi khuẩn này là dị dưỡng nghĩa là
chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ oxy hóa để tổng hợp tế bào mới.
Chỉ có Thiobacilus denitrificans là sử dụng nguồn điện tử từ S nguyên tố
để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế
bào mới.
Cơ chế quá trình khử Nitrat

16


1,68H2O + HCO3Khi kết hợp quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat có các ưu điểm sau:
- Giảm thể tích khí cần cung cấp cho quá trình Nitrat hóa và khử BOD5.
- Không cần bổ sung nguồn cacbon cho quá trình khử Nitrat.
- Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình.
- Có khả năng khử 60 – 80% tổng lượng Nitơ trong nước rỉ rác.
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong nước rỉ rác
* Nguồn gốc tự nhiên
Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng: các hiện tượng xói
mòn, xâm thực, hiện tượng sét trong tự nhiên... xảy ra giải phóng các hợp chất
của Nitơ dẫn tới các quá trình Nitrat hóa, Nitrit hóa. Tuy nhiên, trong môi
trường tự nhiên, các hợp chất này có khả năng được đồng hóa và đưa về trạng
thái cân bằng.
* Nguồn gốc nhân tạo
Sử dụng quá mức lượng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, thực

17