BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

LÊ CAO KHẢI

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA
KẾT HỢP LỌC SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

LÊ CAO KHẢI

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

2019
NGHIÊN CỨU SINH

Lê Cao Khải


ii

LỜI CẢM ƠN

Bằng tấm lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trịnh Văn
Tuyên, TS. Lê Thanh Sơn (Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi những hướng
nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể: Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); Khoa Công
nghệ môi trường – GUST; Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST; Hướng Công
nghệ xử lý ô nhiễm và Phòng Hóa lý môi trường - IET đã hỗ trợ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phan Đỗ Hùng đã hỗ trợ về mặt khoa học cho
tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh tại Viện Công nghệ môi trường.
NGHIÊN CỨU SINH

Lê Cao Khải

Lê Cao Khải


iii


2.1.2. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................... 50
2.2.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước thải............................................. 51


iv

2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 51
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa................................................. 51
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học...................................................... 58
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................... 63
3.1. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa.......................................... 63
3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt..................................................... 63
3.1.2. Ảnh hưởng pH đầu vào của nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS

và độ màu với điện cực sắt................................................................................... 76
3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni,
TSS và độ màu..................................................................................................... 83
3.1.4. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực
sắt và nhôm.......................................................................................................... 89
3.2. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng quá trình lọc sinh học..............................108
3.2.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ
màu bằng quá trình BF.......................................................................................109
3.2.2. Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat,
TSS và độ màu của quá trình lọc sinh học.........................................................118
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
129
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................130
PHỤ LỤC..............................................................................................................148

Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
TSS.......................................................................................................................... 69
Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ
màu.......................................................................................................................... 71
Hình 3.5. Biểu đồ biến đổi pH của NRR trong quá trình EC theo thời gian............72


vi

Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD.......................................... 76
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni......................................... 79
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS............................................ 80
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu....................................... 81
Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD...........84
Hình 3.11. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni..........86
Hình 3.12. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS.............87
Hình 3.13. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu........88
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
suất xử lý COD........................................................................................................ 91
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
suất xử lý amoni...................................................................................................... 92
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
suất xử lý TSS......................................................................................................... 93
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
suất xử lý độ màu.................................................................................................... 94
Hình 3.18. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD với điện cực nhôm và sắt 97

Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhôm và sắt
98
Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhôm và sắt . 99


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp...........................................7
Bảng 1.2. Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ.................................8
Bảng 1.3. Thành phần NRR ở các nước Châu Á.......................................................9
Bảng 1.4. Thành phần NRR Việt Nam..................................................................... 10
Bảng 1.5. Nghiên cứu xử lý NRR bằng phương pháp EC với các điện cực khác nhau
44
Bảng 2.1. Một số đặc tính của NRR dùng cho nghiên cứu......................................50
Bảng 2.2. Mật độ dòng và thời gian điện phân của một số nghiên cứu....................54
Bảng 2.3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm..............................60
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS
và độ màu trong NRR.............................................................................................. 74
Bảng 3.2. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu
trong NRR............................................................................................................... 75
Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị
pH khác nhau........................................................................................................... 82
Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị
khoảng cách giữa các điện cực khác nhau............................................................... 88
Bảng 3.5. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở thời gian phản ứng khác nhau................................................................ 95
Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở các pH khác nhau.................................................................................101
Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở các khoảng cách điện cực khác nhau...................................................106
Bảng 3.8. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của các
nghiên cứu khác nhau ở điều kiện lựa chọn...........................................................107
Bảng 3.9. Một số đặc tính của NRR sau quá trình EC dùng cho đầu vào của quá
trình BF.................................................................................................................109
Bảng 3.10. Hiệu suất xử COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ sục

COD

Chemical O

DO

Dissolved

DON

Dissolved

EC

Electrocoa

NRR
RTSH
S/D
TDS

Total Disso

TKN

Total Kjeld

TN

Total Nitro

nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo vệ môi trường.
Mặc dù theo quy định mỗi bãi chôn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR
nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi
chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng
nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và
nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa
chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý, ... Nguyên nhân là do NRR
có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL. Việc lựa
chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn
môi trường thải ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng NRR tại các bãi
chôn lấp thì tiếp tục tăng lên. Do đó, vấn đề tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử
lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang
hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết.
Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học
(BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR.
Khác với quá trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó
tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, quá trình EC có khả năng loại
bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol,
hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh,... là những thành phần khó
phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong
các quá trình sinh học. Ngoài ra, quá trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm
thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra. Trong khi đó, quá
trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD 5


2

cao. Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo
có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thông thường do các giá thể hữu cơ rất
xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú

nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR tại Việt Nam bằng EC.


3

2/ Kết hợp thành công quá trình EC với BF để xử lý hiệu quả chất ô nhiễm
(COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR ở quy mô phòng thí nghiệm.
Kết quả và ý nghĩa thực tiễn của luận án:
1/ Xác định được các giá trị thích hợp: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH,
khoảng cách điện cực để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải
thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR bằng EC.
2/ Xác định được hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ
BOD5/COD trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm. Trong khi đó hiệu
quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt.
3/ Xác định được mức tiêu thụ năng lượng xử lý chất ô nhiễm trong NRR
bằng EC.
4/ Xác định được chế độ sục khí, tải lượng đầu vào thích hợp để đánh giá
hiệu quả xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý
EC bằng BF.
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để hoàn thiện công nghệ
xử lý NRR bằng EC kết hợp BF. Kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng xử lý
NRR trong thực tế.
Những nội dung chính trong luận án được bảo vệ:
1/ Nghiên cứu mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực
thích hợp xử lý NRR bằng EC. Xác định được mật độ dòng J = 3,896 mA/cm 2 ; thời
gian điện phân 60 phút; pH NRR đầu vào = 8; khoảng cách điện cực là 1cm là phù
hợp khi điện năng tiêu thụ hợp lý để xử lý là 12,83 KWh/m3 NRR.
2/ Nghiên cứu xác định được hiệu quả xử lý COD, TSS và độ màu trong
NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm lần lượt là 31,96; 11,51 và 4,35%.
Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt là


Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm vào rác;

-

Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn lấp;

-

Nước từ khu vực khác chảy qua có thể thấm vào ô chôn lấp;

Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp trước khi được phủ đất và sau khi ô chôn

lấp được đóng lại, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn lấp bùn.

Lượng NRR 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 NRR được
trình bày trong hình 1.1. và lượng NRR được tính theo công thức [4]:



LC=R+RI–RO–E- V
trong đó:

LC - NRR;
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;

chuyển hóa các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường… thành các axit
béo bay hơi, ancol, CO2 và N2. Trong giai đoạn này, pH giảm xuống ≤ 5. Giai đoạn
này kéo dài từ một vài năm đến hàng chục năm. Trong giai đoạn này BOD có giá trị
cao thường > 10000 mg/l.
Giai đoạn lên men metan
Giai đoạn này vi khuẩn metan hình thành dần và chuyển hóa các hợp chất đơn giản,
tạo ra CO2 và CH4 và một số khí khác. Giai đoạn này nhạy cảm hơn giai đoạn chuyển tiếp.


6

NRR tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD 5 /COD thấp. Quá trình lên
men axit tạo NH3 thoát ra. Các ion như Fe 3+, Na+, K+, SO42- và Cl- tiếp tục được tạo
ra trong nhiều năm.
Giai đoạn chín
Giai đoạn này tiếp tục phân hủy sinh học các chất hữu cơ thành khí metan và
cacbonic. Tốc độ sinh khí giảm do phần lớn các chất dinh dưỡng đã bị khử ở các
giai đoạn trước. Giai đoạn này NRR thường chứa axit humic và fulvic rất khó xử lý
bằng phương pháp sinh học.
Thành phần của NRR bao gồm hai nhóm chính [5]
Các chất hữu cơ: các chất hữu hòa tan, axit humic, axit fulvic, các axit béo,
các hợp chất của tanin và các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo.
Các chất vô cơ: là các hợp chất của nitơ, lưu huỳnh, photpho, các ion kim loại hòa tan.

Các hợp chất khác có thể được tìm thấy trong NRR từ các bãi chôn lấp như:
borat, sunfua, arsenat, selenat, bari, liti, thủy ngân và coban. Tuy nhiên, các hợp
chất này có nồng độ rất thấp.
Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp và
thời gian chôn lấp [4]. Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp
chất thải rắn cao hơn rất nhiều so với BCL chất thải rắn lâu năm. Vì trong BCL lâu

NRR mới có pH, amoni thấp, có hàm lượng các chất hữu cơ cao. Ngược lại
NRR cũ lại có pH, amoni cao hơn và có hàm lượng các chất hữu cơ thấp. Đây cũng
là cơ sở quan trọng để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cho từng loại NRR.
Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ thể hiện ở bảng 1.2.
Theo số liệu bảng 1.2 thì Thổ Nhĩ Kỳ là quốc gia mà NRR mới có thành phần COD,
TSS và amoni cao. Hy Lạp là quốc gia NRR có hàm lượng COD rất cao tới 70900 mg/l.

Trong các nước Châu Á thì Hồng Kông Trung Quốc là nơi NRR mới có
COD, nitơ cao. NRR của Đài Loan có BOD 5 thấp.
Thành phần của NRR Việt Nam
Thành phần NRR ở Việt Nam thể hiện ở bảng 1.4.


Nước ta chưa có hệ thống phân loại rác tại nguồn nên thành phần rác đến bãi
chôn lấp rất đa dạng kéo theo thành phần NRR rất phức tạp. NRR chứa nhiều chất
độc hại hữu cơ, vô cơ, kim loại nặng.
Thành phần NRR biến động mạnh theo mùa, tuổi bãi chôn lấp, cách thức
chôn và thu gom NRR của từng bãi. Cần phải có các quan trắc để có thông tin về
thành phần NRR là cơ sở để chọn phương pháp xử lý phù hợp.


8

Bảng 1.2: Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ
T
T

Nước

1


7,1– 7,6

Trung
bình
Mới

5

pH

Trung
bình

8,0

5,6– 8,2

8,15

Cũ

8,6

Mới

8,0– 8,2


6

BCL
Mới

1

2

Hàn Quốc

Cũ

Hồng Kông

Trung

(TQ)

bình
Trung
bình

3

Nepal
Cũ

4

Đài Loan


N-NH4+
N-NO3Tổng P
TDS
TSS
SS
Độ đục
Độ màu
Độ dẫn
Độ cứng CaCO3
Cl
Fe
As
Pb
Cd
Hg
Tuổi BCL
Nguồn trích dẫn

mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
PCU/