Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.09 MB, 205 trang )
9
Thành phần NRR ở các nước Châu Á thể hiện ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thành phần NRR ở các nước Châu Á
T
T
Nước
1
Hàn Quốc
2
Hồng Kơng
(TQ)
3
Nepal
-N mg/l
TN
mg/l
TP
mg/l
SO42mg/l
Clmg/l
Nguồn
trích
dẫn
2400
1682
1766
31,2
162
3160
[15]
404
-
1522
141
-
-
-
[16]
0,19
784
-
-
-
-
-
-
[17]
-
-
-
-
-
-
-
-
COD
BOD5
BOD5/
mg/l
mg/l
7,3
24400
Cũ
8,57
Trung
bình
Tuổi
BCL
pH
Mới
NH4+
COD
SS
mg/l
TSS
mg/l
10800
0,44
-
1.409
62
0,04
8,22
7439
1436
Trung
bình
6,4 –
7,8
2500 –
4000
-
Cũ
7,9 –
8,8
100 320
80 350
-
-
-
-
-
-
-
-
8,1
6500
500
0,08
-
-
5500
-
-
-
-
[19]
1533 –
2580
48 105
0,03 –
0,04
159 233
-
-
-
-
-
-
[20]
4820
1300
-
-
718
-
-
-
-
360
[21]
4
Đài Loan
Trung
bình
5
Malaysia
Cũ
6
Ân độ
5,8
[18]
10
Bảng 1.4. Thành phần NRR Việt Nam
Thơng số
Đơn vị
pH
DO
mg/l
COD
mg/l
BOD5
mg/l
BOD5/COD
Tổng N
mg/l
N-NH4+
mg/l
N-NO3
mg/l
Tổng P
mg/l
TDS
mg/l
TSS
mg/l
SS
mg/l
Độ đục
mg/l
Độ màu
PCU/
Độ dẫn
µS/cm
Độ cứng CaCO3
mg/l
Clmg/l
Fe
mg/l
As
mg/l
Pb
mg/l
Cd
mg/l
Hg
mg/l
Tuổi BCL
năm
Nguồn trích dẫn
BCL Phước Thới
(Cần Thơ)
7,3 - 7,36
5315 – 5889
1008 - 1208
0,19 – 0,20
520 - 556
144 - 270
8333 – 10695
415 - 538
169 - 235
6922 - 7193
17444 – 21794
10,75 – 11,62
[22]
BCL Gò Cát (Hồ
Chí Minh)
7,4 – 7,6
13655 – 16814
6272 – 9200
0,46 – 0,55
1680 – 2427
1821 – 2887
0 – 6,2
10,3 – 19,8
700 – 2020
7
[23]
BCL Thủy
Phương (Huế)
7,7 – 8,5
623 – 2442
148 - 398
0,16 – 0,23
184 - 543
42 - 84
1419 – 4874
518 – 1199
9
[24]
BCL Tràng Cát
1 (Hải Phòng)
7,63 – 8,01
327 - 701
120 - 340
178,5 – 433,6
3,92 – 8,56
4,47 – 8,87
21 - 57
7,21 – 14,31
0,061 – 0,086
< 0,05
< 0,01
0,0001
6
[4]
BCL Xuân Sơn
(Hà Nội)
7,7
1,9
3.540
2150
0,607
62
17,2
12,5
4,31
986
0,2
0,34
0,14
10
[25]
BCL Nam Sơn
(Hà Nội)
6,81 – 7,98
1020 – 22783
495 – 12302
0,45 - 0,54
423 – 2253
6,51 – 24,80
6913 – 19875
120 – 2.240
9875 – 26967
0,001 – 0,003
0,050 - 0,086
0,010 – 0,025
0,0001 – 0,0009
7
[4]
11
Vấn đề khó của hầu hết các bãi chơn lấp ở nước ta đó là xử lý NRR. Hiện tại
chưa có phương hướng giải quyết phù hợp cho vấn đề này.
Tổng hợp từ các nguồn [4, 22-25] trong bảng cho thấy pH khoảng 6,5 – 8,5.
Hàm lượng COD cao từ 327 – 22783 mg/l, tổng N từ 62 – 2427 mg/l, BOD5 từ 120
– 12302 mg/l.
Thành phần, đặc trưng của NRR ở nước ta cơ bản là giống với thế giới ở các
chỉ số: COD, BOD, TN, TDS, TSS, độ màu cao và thay đổi theo thời gian chôn lấp
rác.
So sánh với các loại NRR trên thế giới thì hàm lượng COD, BOD/COD, TSS
và độ màu của NRR Việt Nam thường cao hơn. Nguyên nhân là chúng ta chưa áp
dụng được phân loại rác tại nguồn, cách thức chôn lấp và vận hành bãi chưa được
hợp vệ sinh, cộng với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều. Dẫn đến
thành phần NRR của Việt Nam thay đổi theo thời gian, đa dạng, phức tạp hơn các
nước khác. Cho nên, việc lựa chọn công nghệ phù hợp để xử lý loại nước thải này là
công việc cần thiết của các nhà khoa học, các bãi chôn lấp và của ngành môi trường
quốc gia và cũng là nhiệm vụ của luận án này.
1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người
NRR có nồng độ các chất ơ nhiễm cao như: COD = 2000 – 70000 mg/l, BOD
= 1200 – 27000 mg/l và nhiều chất độc hại khác khi thấm vào đất gây ơ nhiễm
nguồn nước ngầm, thốt vào hệ thống nước mặt gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Mùi
bốc lên từ NRR gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí. Như vậy khi NRR phát tán vào
môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nặng nề và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng
đồng [4]. L. Koshi (2007) đã có nghiên cứu về độc hại của NRR tới môi trường và
thấy rằng lộ trình phơi nhiễm và độc tính trong NRR thường rất khó xác định [26].
Cụ thể hơn, nó là các hợp chất hữu cơ và các khống chất hòa tan được hình thành
khi nước xâm nhập vào các lớp rác, hình thành lên một loạt các chất gây ơ nhiễm do
ảnh hưởng của các chế độ thủy văn, điều kiện sinh hóa… [27].
Trong NRR có hàm lượng các chất hữu cơ cao, một số tác động nguy hiểm
liên quan đến ô nhiễm hữu cơ như: độc tính cao, tác dụng gây ung thư và gây đột
biến gen [28]. Nhóm các chất nitrat, photphat gây hiện tượng phú dưỡng khi thải ra
môi trường. Xianua trong NRR là một chất gây ô nhiễm và độc hại cho hệ sinh thái nước.
12
Kim loại nặng có nhiều trong NRR là chất ơ nhiễm độc hại, gây đột biến và
gây ung thư cao [29]. Sự nhiễm độc kim loại nặng dẫn đến một số bệnh tâm thần và
ảnh hưởng tiêu cực tới cơ thể sinh vật [30].
1.2. Tổng quan q trình keo tụ điện hóa
1.2.1. Cơ chế của q trình keo tụ điện hóa
“EC là phương pháp điện hóa học để xử lý nước bị ô nhiễm, sử dụng dòng
điện một chiều để ăn mòn điện cực dương (thường là nhôm hoặc sắt) để giải phóng
ra các chất có khả năng keo tụ (thường là ion nhôm hoặc ion sắt) vào dung dịch” [31].
Khi điện phân điện cực nhôm hoặc sắt xảy ra các quá trình sau:
Al → Al3+ + 3e-
(1.1)
Fe → Fe2+ + 2e-
(1.2)
Các cation nhôm và sắt tạo ra kết hợp với các ion OH- có mặt trong nước tạo
thành các hydroxit nhơm hay sắt [32] theo các phương trình phản ứng sau:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
(1.3)
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2
(1.4)
Ở cực catot trong bể điện phân xảy ra q trình oxy hóa nước tạo thành các
bọt khí hydro [32]:
H2O + 2e- → H2 + 2OH-
(1.5)
Các hydroxit kim loại này sẽ tham gia vào các phản ứng polyme hóa:
Al(OH)3 → (OH)2Al-O-Al(OH)2 + H2O
(1.6)
Fe(OH)2 → (OH)Fe-O-Fe(OH) + H2O
(1.7)
Các polyme này có thể loại bỏ các chất ơ nhiễm bởi q trình hấp phụ, tạo
phức hay kết tủa [33].
Hiệu quả của quá trình EC phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của điện cực,
thời gian điện phân, mật độ dòng, pH, độ dẫn điện của dung dịch:
13
Hình 1.2. Các phản ứng cơ bản trong hệ EC [34]
Các dạng điện cực được sử dụng phổ biến là sắt và nhơm, trong đó theo các
kết quả nghiên cứu của Bouhezila và cộng sự [35], Ilhan và cộng sự [36] điện cực
Al xử lý độ đục, chất màu và NH4+ hiệu quả hơn điện cực Fe. Kết quả nghiên cứu
của Li và cộng sự [37] cho thấy điện cực Fe lại xử lý COD hiệu quả hơn điện cực Al.
Theo định luật Faraday, thời gian điện phân càng lớn, lượng ion kim loại sinh
ra ở điện cực càng nhiều, do đó khả năng loại bỏ chất ơ nhiễm của quá trình EC
càng cao, tuy nhiên thời gian điện phân càng lâu càng tiêu tốn năng lượng [37].
Cũng theo định luật Faraday, lượng ion kim loại tạo ra ở anot tỷ lệ thuận với
mật độ dòng đặt giữa 2 điện cực, do đó khi tăng mật độ dòng, q trình EC sẽ càng
hiệu quả.
Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch mà các ion Al3+, Fe2+ cũng có thể hình
thành các dạng tồn tại khác nhau. Sự thủy phân của ion Al3+ hình thành các ion
Al(H2O)63+, Al(H2O)52+ và Al(H2O)42+, sau đó từ các ion này hình thành các
monome và polyme như: Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al2(OH)24+, Al(OH)4-, Al6(OH)153+,
14
Al7(OH)174+,… [35]. Tương tự, sự thủy phân của ion Fe2+ hình thành monome
Fe(OH)3 và các polyme như Fe(H2O)63+, Fe(H2O)5(OH)2+, Fe(H2O)4(OH)2+,
Fe2(H2O)8(OH)24+ và Fe2(H2O)6(OH)44+,… [38].
Hình 1.3. Nồng độ của các sản phẩm thủy phân của Fe (II), Fe (III) và Al (III)
trong trạng thái cân bằng với các hydroxit vơ định hình
ở thời điểm khơng ion, 25°C [39]
15
Theo nghiên cứu của Ilhan và cộng sự [36], Khandegar và Saroha [40], sự
tăng độ dẫn điện của dung dịch điện phân sẽ tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và giảm
thời gian xử lý bằng EC.
Như vậy trong “quá trình EC bao gồm rất nhiều các phương thức hóa lý, các
phản ứng hóa học khác nhau. Sự kết hợp các phương thức khác nhau này làm cho
quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước rất hiệu quả” [33].
Ngoài ra EC cũng loại bỏ hiệu quả các chất có phân tử lượng lớn, là các chất thường
có mặt trong NRR, rất khó bị phân hủy bằng các quá trình sinh học.
1.2.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải
Ưu điểm
EC là một kỹ thuật hiệu quả tạo ra hydroxit trên bề mặt cực dương của hệ
điện phân dùng làm chất keo tụ thay cho bổ sung chất keo tụ vào hệ. Không bổ sung
hoặc bổ sung ít hóa chất tránh tạo ra các chất độc hại từ ngồi vào nước thải. Q
trình EC có các ưu điểm sau: [41]
- EC thiết bị đơn giản, dễ vận hành, ít phải bảo dưỡng.
- So với các quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học, công
nghệ EC tạo ra lượng nước thải chứa hàm lượng TDS rất thấp. Do đó, có thể sử
dụng nước thải để tái sử dụng, TDS thấp giúp giảm chi phí thu hồi nước.
- Quy trình EC có thể làm ổn định các hạt keo lớn hơn và tạo ra lượng bùn
thấp hơn so với các quá trình keo tụ khác. Lượng bùn thải tạo ra trong suốt quá trình
xử lý nước bằng công nghệ EC nhỏ hơn (50-70%) khi so sánh với các q trình keo
tụ thơng thường. Mặt khác, bùn được hình thành khi sử dụng phương pháp EC với
điện cực Fe chứa hàm lượng chất khô và kỵ nước cao hơn so với q trình keo tụ
hóa học có sử dụng chất trợ keo là FeCl3 có bổ sung thêm NaOH hoặc vôi.
- Tách chất hữu cơ bằng quá trình EC hiệu quả và nhanh hơn so với q
trình keo tụ hóa học.
- Q trình EC tạo ra bọt khí kéo các chất cặn bẩn trong nước thải nổi lên
mặt nước giúp thuận lợi cho quá trình tách nổi.
- Khơng cần kiểm sốt độ pH trong suốt quá trình điện phân ngoại trừ một
số trường hợp đặc biệt.
16
- Chi phí vận hành thấp hơn nhiều so với hầu hết các công nghệ xử lý nước
thông thường.
- EC khơng sử dụng hóa chất và do đó khơng cần trung hòa hóa chất dư
thừa và khơng có khả năng gây ơ nhiễm thứ cấp do các chất hóa học được thêm vào
ở nồng độ cao khi sử dụng keo tụ hóa học trong xử lý nước thải.
- Kỹ thuật EC có thể sử dụng được thuận tiện ngay cả ở các khu vực nơng
thơn khơng có điện, có thể dùng pin mặt trời.
Nhược điểm
Có nhiều ưu điểm song EC cũng có các nhược điểm sau:
- Việc sử dụng điện có thể gây ra tốn kém trong q trình xử lý nước thải
khi dùng công nghệ EC ở những nới có giá điện cao.
- Do điện cực bị ăn mòn nên phải thay thế thường xuyên.
- Các điện cực bị ảnh hưởng trong suốt quá trình EC do sự ăn mòn điện cực
dương và q trình thụ động trên các bề mặt điện cực do các chất keo tụ cũng như
lớp màng hydroxit được tạo thành bám vào bề mặt điện cực.
- Qúa trình EC đòi hỏi độ dẫn điện của nước thải đủ cao để quá trình dịch
chuyển điện tích giữa các điện cực xảy ra. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi
độ dẫn điện của nước thải quá thấp không thể thắng được điện trở của hệ cần có sự
hỗ trợ bổ sung chất dẫn điện như NaCl hoặc Na2SO4. Tuy nhiên, việc sử dụng chất
trợ dẫn lại có thể gây ra ơ nhiễm thứ cấp và tăng chi phí xử lý. Ion clorua mặc dù rất
có lợi trong việc trợ dẫn và oxi hóa các chất ô nhiễm hữu cơ, phá vỡ lớp thụ động
điện cực dương thơng qua cơ chế ăn mòn rỗ bề mặt điện cực. Ngồi ra, nó có thể
làm giảm hiện tượng quá áp và tăng diện tích của các điện cực và bằng cách giảm
khoảng cách giữa chúng.
- Nồng độ cao của các ion sắt và nhôm trong nước thải phải được loại bỏ
sau khi xử lý.
- Trong một số trường hợp đặc biệt hydroxit dạng gel có thể có xu hướng
hòa tan khơng tạo ra q trình keo tụ.
- Các hydroxit khơng có kích thước hạt thủy lực thích hợp, khiến việc phân
tách gặp rất nhiều khó khăn khi tiến hành tách chúng ra khỏi nước và không thể thu
hồi được.
17
Những hạn chế chính là EC chỉ hiệu quả để loại bỏ các chất khơng hòa tan
(chất keo) và một số loại ion nhất định. EC không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất
hòa tan như amoni, đường, axit hữu cơ, dung môi, phenol, rượu, vv…
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình keo tụ điện hóa
Hiệu suất của quá trình EC phụ thuộc vào nhiều tham số vận hành như mật độ
dòng, thời gian diễn ra phản ứng điện phân, pH đầu vào của nước thải, vật liệu điện cực,
hình dạng điện cực, khoảng cách giữa các bản điện cực, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu...
Mật độ dòng
Mật độ dòng điện đặt trên các điện cực quyết định các phản ứng điện phân
diễn ra trong dung dịch như: hòa tan anot, tạo thành khí, tạo chất kết tủa, phản ứng
điện phân nước, ... [42] cũng như q trình động học của chúng. Do đó, mật độ
dòng điện hay tiêu thụ năng lượng điện ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng
của quá trình điện phân. Nói chung, dòng điện một chiều là loại dòng điện được sử
dụng rộng rãi hơn trong EC [43].
Tuy nhiên, bề mặt anot có thể bị thụ động do sự hình thành của một lớp oxit
ổn định từ các phản ứng oxi hóa nhằm thúc đẩy các hiện tượng ăn mòn, tạo ra các
hiệu ứng thụ động. Sự thụ động của anot làm tăng điện trở, và do đó, hiệu điện thế
tăng, làm lượng điện năng tiêu thụ tăng, nhưng sự thụ động làm giảm đáng kể hiệu
quả xử lý của q trình EC [44]. Việc sử dụng dòng xoay chiều có thể được coi là
một thay thế vì những thay đổi liên tục của cực tránh hoặc giảm sự hình thành các
lớp thụ động và tăng tuổi thọ hoạt động của các cực anot hòa tan [45].
pH nước thải
Độ pH của dung dịch đóng vai trò quan trọng trong q trình EC và keo tụ
hóa học [46, 47]. Ảnh hưởng đầu tiên liên quan đến chất keo tụ trong dung dịch thể
hiện ở trạng thái cân bằng phụ thuộc vào độ pH: các ion kim loại, các hydroxit và
các hợp chất polyme hydroxit. Sự phân bố của các ion kim loại này như một hàm
của pH thường được thông qua giá trị âm của biểu thức nồng độ logarit dưới dạng
hàm của pH như hình 1.4. [48], cung cấp thơng tin giá trị về sự phân bố của các ion
kim loại ở trạng thái cân bằng [49].
Bouhezila F. và cộng sự 2011[35], Mollah M. Y. và cộng sự 2004 [38] đã chỉ
ra sự tạo thành các dạng hydroxit khác nhau của nhơm và sắt phụ thuộc vào pH.
18
Hình 1.4. Sơ đồ E-pH của sắt và nhôm ở 25 ° C, 1 bar [34]
Mỗi loại ion kim loại và lượng của chúng có liên quan đến hiệu suất xử lý chất ơ
nhiễm bởi vì mỗi loại trong số chúng có sự tương tác hồn tồn khác nhau với các chất
ơ nhiễm, cho các hiệu quả keo tụ khác nhau. Ví dụ, các ion kim loại trong điều kiện
kiềm cao cho hydroxit nhôm và hydroxit sắt tương ứng là Al(OH)4và Fe(OH)4.
19
Những hydroxit này có hoạt động keo tụ kém [50], sau đó, thơng thường (trừ một số
sản phẩm polyaluminum) q trình keo tụ khó được thực hiện ở mơi trường có tính axit
(Fe: pH = 4 - 5 và Al: pH = 5 - 6).
Các điều kiện pH có ý nghĩa khác nhau về tính chất hóa lý của các chất keo tụ,
như: độ hòa tan của các hydroxit kim loại, độ dẫn điện của hydroxit kim loại và kích
thước của các hạt keo của các phức chất keo tụ [51, 52]. Vì vậy, mơi trường trung tính
và kiềm thích hợp hơn cho quá trình EC.
Hiệu ứng đáng chú ý thứ hai liên quan đến những thay đổi về cấu trúc hóa
học của các chất gây ô nhiễm do ảnh hưởng của pH. Do đó, sẽ làm thay đổi các lớp,
đồng thời ảnh hưởng đến việc hình thành các chất keo tụ. Do đặc tính hóa lý khác
nhau của các chất gây ô nhiễm dựa vào pH, thông số này phải được tối ưu hóa theo
tính chất ơ nhiễm và các điều kiện nước thải [53].
Tuy nhiên, các ảnh hưởng khác cũng có thể liên quan đến độ pH, chẳng hạn
như, ảnh hưởng của các ion kim loại khác hiện diện trong nước thải thực tế. Đây là
trường hợp của các anion khác nhau có thể bị ảnh hưởng bởi pH, ảnh hưởng đến
điện tích của chúng do đó ảnh hưởng lên lớp che chắn của các chất keo tụ [51, 54]
hoặc tính chất oxy hóa của chúng [55]. Do đó, nhóm này có ảnh hưởng đến điều
kiện pH tối ưu của quá trình EC.
Vật liệu điện cực
Vật liệu điện cực là một trong các thông số không chỉ ảnh hưởng trực tiếp
đến phản ứng điện phân diễn ra bên trong dung dịch mà còn liên quan trực tiếp đến
chi phí của phương pháp khi xử lý nước thải. Trong mỗi phản ứng EC, anot hòa tan,
tỷ lệ chất ơ nhiễm được loại bỏ và chất keo tụ đóng vai trò là yếu tố quan trọng
quyết định hiệu quả của phương pháp. Trong khí đó, các vật liệu anot từ các kim
loại khác nhau liên quan trực tiếp đến lượng ion kim loại tạo thành trong dung dịch.
Các chất keo tụ từ ion kim loại có hóa trị cao hơn được ưu tiên dùng do chúng có
khả năng tăng cường q trình keo tụ và loại bỏ chất ô nhiễm. Thông thường, các
điện cực nhơm và sắt được sử dụng nhiều vì các đặc tính keo tụ đa dạng của ion hai
kim loại này [56]. Nhiều nghiên cứu về EC cho thấy các vật liệu sử dụng rộng rãi
nhất làm các cực dương là sắt hoặc nhôm [35], trong khi các cực dương khơng phải
là nhơm và sắt thì phải là kim loại đi sau Al và Fe trong dãy điện hóa. Tuy nhiên,