Luận án tiến sĩ - Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

Nước rỉ rác là sản phẩm của quá trình phân hủy chất thải hữu cơ và vô cơ trong bãi chôn lấp, kết hợp với nước mưa thấm qua. Nước thải bãi chôn lấp này có đặc tính phức tạp. Hàm lượng COD, BOD5, amoni, TSS và độ màu thường rất cao. Ngoài ra, nước rỉ rác còn chứa các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Sự biến động về chất lượng nước rỉ rác theo thời gian và giai đoạn của bãi chôn lấp cũng là một thách thức lớn. Nước rỉ rác không được xử lý có thể gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước mặt. Chất độc hại thấm vào đất, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và chuỗi thức ăn. Mùi hôi thối và khí độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc xử lý nước rỉ rác là yếu tố then chốt trong quản lý môi trường bãi chôn lấp.

Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước rỉ rác. Các phương pháp vật lý như keo tụ lắng, tuyển nổi, lọc màng được dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng và một phần chất hữu cơ. Phương pháp hóa học bao gồm oxy hóa nâng cao (Fenton, Ozone) giúp phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy. Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn kém và tạo ra nhiều bùn thải. Phương pháp sinh học được ứng dụng rộng rãi nhờ chi phí vận hành thấp và thân thiện môi trường. Các hệ thống như aerotank, UASB, MBR đều có thể xử lý nước rỉ rác. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý amoni và các chất hữu cơ khó phân hủy vẫn còn hạn chế. Đặc biệt, nước rỉ rác 'già' có tỷ lệ BOD/COD thấp, khó xử lý bằng sinh học đơn thuần. Việc kết hợp các phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu nhằm tăng cường hiệu quả xử lý. Các công nghệ xử lý nước rỉ rác cần được tối ưu hóa cho từng loại nước thải cụ thể.

Cơ chế của quá trình keo tụ điện hóa bao gồm ba giai đoạn chính. Đầu tiên là tạo ra các chất keo tụ từ điện cực tan trong quá trình điện phân. Khi dòng điện chạy qua, các điện cực kim loại (thường là sắt hoặc nhôm) bị oxy hóa. Ví dụ, điện cực sắt tạo ra ion Fe2+ hoặc Fe3+. Các ion kim loại này sau đó thủy phân trong nước. Chúng tạo thành các hydroxit kim loại không tan, như Fe(OH)2 hoặc Fe(OH)3. Thứ hai là sự loại bỏ chất ô nhiễm qua quá trình keo tụ và hấp phụ. Các hydroxit kim loại tạo thành đóng vai trò là các hạt keo tụ. Chúng hấp phụ các hạt lơ lửng, chất hữu cơ, kim loại nặng và vi khuẩn. Các hạt ô nhiễm kết dính lại với nhau tạo thành các bông cặn lớn hơn. Cuối cùng, là sự tách pha các bông cặn ra khỏi nước. Các bông cặn này dễ dàng lắng xuống đáy hoặc nổi lên bề mặt. Quá trình này giúp làm sạch nước rỉ rác hiệu quả, giảm độ đục, COD, TSS và độ màu. Phản ứng tại các điện cực cũng góp phần vào việc phá vỡ một số liên kết hóa học. Điều này làm tăng khả năng phân hủy sinh học của nước sau xử lý.

Keo tụ điện hóa có nhiều ưu điểm nổi bật trong xử lý nước rỉ rác. Nó không cần bổ sung hóa chất keo tụ từ bên ngoài, giảm chi phí hóa chất và quản lý kho. Lượng bùn thải tạo ra thường ít hơn và dễ xử lý hơn so với keo tụ hóa học. Thiết bị EC nhỏ gọn, dễ vận hành và tự động hóa. Công nghệ này cũng có hiệu quả cao đối với nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau. Tuy nhiên, EC cũng có một số nhược điểm. Chi phí điện năng có thể cao, đặc biệt với nước thải có độ dẫn điện thấp. Điện cực bị ăn mòn và cần được thay thế định kỳ. Sự hình thành lớp oxit trên bề mặt điện cực có thể làm giảm hiệu suất. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình EC bao gồm: mật độ dòng điện, thời gian điện phân, pH đầu vào của nước rỉ rác, khoảng cách giữa các điện cực và vật liệu điện cực. Tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất xử lý tốt nhất và tiết kiệm chi phí vận hành.

Cơ sở của lọc sinh học là sự hoạt động của các quần thể vi sinh vật. Chúng chuyển hóa chất hữu cơ và vô cơ thành các sản phẩm không độc hại. Trong xử lý nước rỉ rác, cơ chế chính bao gồm phân hủy chất hữu cơ và quá trình nitrat hóa/khử nitrat. Vi sinh vật hiếu khí sẽ oxy hóa chất hữu cơ (BOD, COD) thành CO2 và nước. Quá trình nitrat hóa diễn ra trong điều kiện hiếu khí. Amoniac (NH4+) được chuyển hóa thành nitrit (NO2-) và sau đó thành nitrat (NO3-) bởi vi khuẩn nitrat hóa. Tiếp theo, trong điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí, nitrat được khử thành khí nitơ (N2) và thoát ra khỏi nước. Đây là quá trình khử nitrat. Vật liệu lọc cung cấp bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính và phát triển. Hệ thống này có khả năng chịu tải cao và ít nhạy cảm với sự thay đổi của nồng độ chất ô nhiễm so với hệ bùn hoạt tính. Tuy nhiên, nước rỉ rác có BOD/COD thấp hoặc chứa các chất ức chế sinh học có thể làm giảm hiệu quả của quá trình lọc sinh học.

Lọc sinh học đóng vai trò trung tâm trong nhiều hệ thống xử lý nước thải hiện đại. Đặc biệt trong xử lý nước rỉ rác, nó chịu trách nhiệm chính trong việc giảm tải lượng chất hữu cơ và loại bỏ nitơ. Sau giai đoạn tiền xử lý bằng keo tụ điện hóa, tải lượng ô nhiễm trong nước rỉ rác giảm đáng kể. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật trong hệ thống lọc sinh học hoạt động hiệu quả hơn. Lọc sinh học giúp đạt các tiêu chuẩn xả thải nghiêm ngặt về BOD, COD và tổng nitơ. Công nghệ này cũng ít sản sinh bùn thải hơn so với các quá trình hóa lý. Nó giúp tối ưu chi phí vận hành và bảo trì. Các loại hình lọc sinh học khác nhau như lọc sinh học hiếu khí, thiếu khí hoặc kỵ khí đều có thể được áp dụng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào đặc điểm cụ thể của nước rỉ rác và mục tiêu xử lý. Lọc sinh học là một giải pháp bền vững và kinh tế cho các nhà máy xử lý nước thải. Nó góp phần bảo vệ môi trường lâu dài.

Phương pháp xử lý kết hợp mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Keo tụ điện hóa giúp giảm nhanh tải lượng ô nhiễm ban đầu. Nó loại bỏ hiệu quả các chất gây ức chế sinh học cho quá trình sau. Điều này tạo ra một dòng nước đầu vào phù hợp hơn cho lọc sinh học. Lọc sinh học sau đó có thể hoạt động ổn định và hiệu quả hơn. Sự kết hợp này giúp đạt được hiệu suất loại bỏ COD, BOD, amoni, TSS và độ màu rất cao. Chất lượng nước sau xử lý đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường. Quá trình EC giúp tăng tỷ lệ BOD/COD. Nước rỉ rác trở nên dễ phân hủy sinh học hơn. Điều này tối ưu hóa hoạt động của hệ lọc sinh học. Hệ thống kết hợp này cũng linh hoạt hơn trong việc xử lý nước rỉ rác có tính chất biến đổi. Nó giúp giảm thiểu rủi ro vận hành và tăng cường độ tin cậy của toàn bộ hệ thống. Đây là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm từ nước thải bãi chôn lấp.

Hệ thống xử lý nước rỉ rác kết hợp được thiết kế theo module. Đầu tiên, nước rỉ rác thô được đưa vào bể điều hòa. Sau đó, nước được xử lý sơ bộ bằng keo tụ điện hóa. Giai đoạn EC sử dụng các điện cực sắt hoặc nhôm. Mật độ dòng điện và thời gian điện phân được điều chỉnh tối ưu. Nước sau khi qua EC sẽ được chuyển sang hệ thống lọc sinh học. Hệ thống lọc sinh học có thể bao gồm các bể hiếu khí, thiếu khí hoặc kỵ khí tùy thuộc vào yêu cầu xử lý. Vật liệu lọc sinh học cung cấp bề mặt cho vi sinh vật bám dính và phát triển. Các quy trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra ở đây. Nước sau lọc sinh học có thể được qua bể lắng hoặc lọc tinh nếu cần. Bùn thải từ quá trình EC và sinh học được xử lý riêng. Hệ thống này đảm bảo nước rỉ rác được xử lý toàn diện. Nó đáp ứng các quy định về xả thải. Sự linh hoạt trong thiết kế cho phép điều chỉnh hệ thống theo quy mô và đặc điểm cụ thể của từng bãi chôn lấp.

Các thử nghiệm về keo tụ điện hóa cho thấy hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu tối ưu. Với điện cực sắt, mật độ dòng 30 mA/cm2 và thời gian điện phân 60 phút mang lại hiệu quả cao nhất. Độ pH ban đầu của nước rỉ rác cũng ảnh hưởng lớn. pH tối ưu nằm trong khoảng 6-8. Khoảng cách điện cực 1.5 cm cho kết quả tốt. So sánh điện cực sắt và nhôm, điện cực sắt thường cho hiệu suất loại bỏ amoni và COD tốt hơn trong điều kiện nhất định. Đối với lọc sinh học, chế độ sục khí liên tục và tải lượng đầu vào hợp lý rất quan trọng. Khi kết hợp EC với lọc sinh học, nước sau EC có tỷ lệ BOD/COD tăng. Điều này thúc đẩy hoạt động của vi sinh vật. Tổng thể, hệ thống đạt hiệu suất loại bỏ COD trên 90%, amoni trên 85% và TSS trên 95%. Độ màu cũng giảm đáng kể. Kết quả này chứng minh sự hiệp đồng của hai công nghệ.

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một quy trình xử lý nước rỉ rác hiệu quả đã được đề xuất. Quy trình này bao gồm bể điều hòa, sau đó là giai đoạn keo tụ điện hóa (EC) sử dụng điện cực sắt. Nước sau EC được chuyển sang hệ thống lọc sinh học hiếu khí/thiếu khí. Quá trình này đảm bảo nước thải đạt chuẩn trước khi xả ra môi trường. Kiến nghị cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về tối ưu hóa chi phí điện năng cho EC. Cần phát triển các vật liệu điện cực có tuổi thọ cao hơn. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết hợp này trên quy mô lớn hơn (pilot hoặc thực tế) là cần thiết. Điều này giúp đánh giá chính xác hơn các yếu tố vận hành và kinh tế. Ứng dụng công nghệ xử lý nước rỉ rác này sẽ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm. Nó bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng từ nước thải bãi chôn lấp.