Luận án Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2016 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HƯƠNG QUỲNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC THEO HƯỚNG THU HỒI NITƠ VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường MS: 62520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Thị Sơn 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân Hà Nội - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án. Tác giả Phạm Hương Quỳnh ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Sơn, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân - Viện khoa học và Công nghệ Môi trường đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Triển khai công nghệ môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Trong thời gian qua tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần vật chất của gia đình và người thân. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giả Phạm Hương Quỳnh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1 Sự hình thành và đặc trưng của nước rác ....................................................... 4 1.1.1 Sự hình thành nước rác ................................................................................. 4 1.1.1.1 Lượng nước rác phát sinh ...................................................................... 4 1.1.1. n n ng n ấp ........................................... 5 1.1.1. ếu tố n ư ng ến ượng ặ ưng nướ ...................... 6 1.1.2 Đặc trưng nước rác ....................................................................................... 7 1.1. .1 Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp trên thế giới .................... 7 1.1. . Đặ ưng nước rác của một số bãi chôn lấp Việt Nam ................... 10 1.2 Phương pháp xử lý nước rác .......................................................................... 11 1.2.1 Phương pháp xử lý sơ bộ ............................................................................ 11 1. .1.1 P ương p p ng ke ụ ..................................................................... 11 1. .1. P ương p p ó ........................................................................... 12 1.2.1.3 Công nghệ Stripping khử n ơ ............................................................... 14 1.2.1.4 P ương p p kết tinh Magnesium Ammonium Phosphat (MAP) ......... 15 1.2.2 Xử lý sinh học ............................................................................................. 19 1.2.2.1 Xử lý yếm khí ........................................................................................ 19 1.2.2.2 Xử lý thiếu khí ...................................................................................... 26 1.2.2.3 Xử lý bằng bãi l c trồng cây ................................................................ 28 1.3 Tình hình nghiên cứu xử lý nước rác ............................................................ 34 1.3.1 Một số công nghệ xử lý nước rác trên thế giới ........................................... 34 1.3.2 Công nghệ xử lý nước rác ở Việt Nam ....................................................... 38 1.3.2.1 Một số công nghệ xử ý nước ã ược nghiên cứu ........................ 38 1.3.2.2 Một số công nghệ xử ý nướ ã ược áp dụng ............................. 39 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 46 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 46 2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp xử lý nước rác với công nghệ đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thấp ................................................................... 47 2.3 Thiết bị và vật liệu nghiên cứu ....................................................................... 48 2.3.1 Thiết bị nghiên cứu tách MAP .................................................................... 48 2.3.2 Thiết bị tích hợp yếm khí, thiếu khí ............................................................ 50 2.3.2.1 Kết cấu và nguyên lý hoạ ộng của thiết bị tích hợp yếm khí - thiếu khí ........................................................................................................................... 50 iv 2.3.2.2 P ương p p và vật liệu nghiên cứu .................................................... 52 2.3.2.3 Kh ộng thiết bị yếm - thiếu khí ........................................................ 54 2.3.3 Thiết bị mô phỏng bãi lọc trồng cây ........................................................... 56 2.3.3.1 Kết cấu thiết bị ..................................................................................... 56 2.3.3.2 Lựa ch n thực vật cho bãi l c trồng cây ........................................... 57 2.3.3.3 Hoạt hóa bãi l c trồng cây ................................................................. 58 2.3.4 Thiết kế thí nghiệm ...................................................................................... 60 2.3.5 Một số thông số quan trọng trong vận hành hệ thống xử lý ........................ 60 2.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm ......................................... 60 2.4.1 Phương pháp thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm ......................... 60 2.4.2 Xác định hệ số hồi quy ................................................................................ 61 2.4.3 Kiểm tra độ phù hợp .................................................................................... 63 2.4.4 Ngôn ngữ lập trình R .................................................................................. 63 2.5 Phương pháp phân tích ................................................................................... 64 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 65 3.1 Tách nitơ tạo tinh thể MAP (bước 1) .............................................................. 65 3.1.1 Nghiên cứu quá trình tạo MAP trong môi trường giả định ........................ 66 3.1.1.1 Ản ư ng của nồng ộ Am n b n ầu ............................................. 66 3.1.1.2 Ản ư ng củ ộ pH tới quá trình tạo MAP ...................................... 67 3.1.1.3 Ản ư ng của thời gian ph n ứng tới quá trình tạo MAP ................ 69 3.1.1.4 Ản ư ng của tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tạo MAP .................... 70 3.1.1.5 Thiết lập p ương n ồi quy mô t mối quan hệ của nồng ộ amoni b n ầu, pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấy trộn tới hiệu qu tách Amoni tạo MAP ............................................................................................................ 72 3.1.1.6 Ản ư ng của pH, thời gian ph n ứng và tố ộ khuấ ến kí ước tinh thể MAP ng m ường gi ịnh .......................................................... 73 3.1.1.7 Kết qu phân tích MAP trong m ường gi ịnh ............................. 76 3.1.2 Nghiên cứu tách nitơ trong nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ....................... 78 .1. .1 Đố ượng nghiên cứu ........................................................................... 78 3.1.2.2 Ản ư ng củ m ượng NH4 + b n ầu ........................................... 79 3.1.2.3 Ản ư ng của việc bổ xung mầm tinh thể. .......................................... 80 .1. .4 T n ơ ng nước rác bằng kết tinh MAP ...................................... 81 3.1.2.5 Kết qu p ân í MAP ược từ nước rác ..................................... 81 3.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học (bước 2) ......................... 83 3.2.1 Nghiên cứu xử lý yếm khí nước rác ........................................................... 83 3.2.1.1 Ản ư ng của nồng ộ COD dòng vào .............................................. 84 v 3.2.1.2 Ản ư ng của thờ g n ư ............................................................... 86 3.2.1.3 Ản ư ng của các nguyên tố ượng ................................................ 87 3.2.2 Nghiên cứu xử lý nước rác bằng lọc sinh học thiếu khí ............................. 88 3.2.2.1 Nghiên cứu n ư ng của COD dòng vào .......................................... 89 3.2.2.2 Nghiên cứu n ư ng của thờ g n ư ............................................ 91 3.2.2.3 Nghiên cứu n ư ng của thể í ệm ............................................. 92 3.2.3 Nghiên cứu xử lý bằng bãi lọc trồng cây .................................................... 93 3.2.3.1 Ản ư ng của thờ g n ư ............................................................... 93 3.2.3.2 Ản ư ng của COD dòng vào ............................................................ 94 3.2.3.3 Ản ư ng của tổng n ơ dòng ..................................................... 95 3.3 Nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp tách MAP- sinh học (yếm khí - lọc sinh học thiếu khí - bãi lọc trồng cây) ..................................... 98 3.3.1 Đặc trưng nước rác dòng vào .................................................................. 98 3.3.2 Kết quả nghiên cứu xử lý với dòng liên tục bằng công nghệ kết hợp ....... 99 3.4 Đề xuất công nghệ xử lý nước rác theo hướng thu hồi nitơ và tiết kiệm năng lượng ................................................................................................................................ 100 3.4.1 Công nghệ xử lý nước rác được đề xuất .................................................... 100 .4.1.1 Sơ ồ quy trình công nghệ (Hình 3.17) .............................................. 100 3.4.1.2 Thuyết minh công nghệ ....................................................................... 100 3.4.2 Tính toán sơ bộ các hạng mục chính trong hệ thống xử lý nước rác .. 101 3.4.2.1 Các tiêu chuẩn sử dụng ơ tính toán trong thiết kế .................. 101 3.4.2.2 Tính toán các hạng mục chính ............................................................ 102 3.4.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế và nhu cầu năng lượng của công nghệ đề suất ..................................................................................................................... 104 3.4.3.1 Hiệu qu kinh tế m ường của công nghệ .................................. 104 3.4.3.2 So sánh với một số công nghệ hiện hành ............................................ 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 114 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 122 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng về sự hình thành nước rác ................................................. 4 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể struvite ........................................................................ 15 Hình 1.3 Cơ chế của quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí metan ............................ 21 Hình 1.4 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến tốc độ tăng trưởng riêng ............... 23 Hình 1.5 Mô hình khuếch tán của lọc sinh học ....................................................... 27 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bãi lọc trồng cây ngập nước ........................................... 31 Hình 1.7 Sơ đồ hệ lọc ngang (lọc ngầm) với thảm lau sậy .................................... 32 Hình 1.8 Sơ đồ hệ lọc đứng (lọc ngầm) với thảm lau sậy ..................................... 33 Hình 1.9 Công nghệ xử lý nước rác tại bãi Ammasuo (Phần Lan) ......................... 34 Hình 1.10 Công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Deepmoor Anh ........................ 35 Hình 1.11 Công nghệ xử lý sinh học kết hợp oxy hóa bằng Ozon ......................... 36 Hình 1.12 Công nghệ xử lý nước ríc rác bãi chốn lấp Sudokwon ......................... 37 Hình 1.13 Công nghệ xử lý nước rác của Viện Cơ học tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội ............................................................................................................... 40 Hình 1.14 Công nghệ xử lý nước rác của công ty SEEN tại bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội ............................................................................................................... 40 Hình 1.15 Công nghệ của trạm xử lý nước rác bãi chôn lấp Gò Cát ..................... 41 Hình 1.16 Công nghệ xử lý nước rác sau hoàn thiện tại bãi chôn lấp Gò Cát ....... 42 Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác bãi chốn lấp Phước Hiệp.................... 43 Hình 1.18 Hệ thống hồ xử lý nước rác của công ty Quốc Việt tại bãi chốn lấp Phước Hiệp ....................................................................................................... 44 Hình 2.1 (a) Sơ đồ thiết bị tách MAP .................................................................... 49 Hình 2.1 (b) Mô hình thiết bị tách MAP ................................................................ 49 Hình 2.2(a) Sơ đồ thiết bị xử lý tích hợp yếm khí - thiếu khí ............................... 51 Hình 2.2(b) Mô hình thiết bị tích hợp xử lý yếm khí - thiếu khí trong phòng thí nghiệm ............................................................................................................... 51 Hình 2.3 Giá thể sinh học trong bể thiếu khí .......................................................... 53 Hình 2.4 Vi sinh vật trong thiết bị phản ứng ........................................................... 54 Hình 2.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây ............................................................................ 56 Hình 2.6 Thiết bị mô phỏng bãi lọc khi chưa trồng cây ......................................... 57 Hình 2.7 Cây riềng hoa (Canna lily) ....................................................................... 58 Hình 2.8 (a) Thiết bị mô phỏng giai đoạn hoạt hóa ................................................. 59 Hình 2.8 (b) Thiết bị mô phỏng giai đoạn vận hành ............................................... 59 Hình 2.9 Sơ đồ mô hình thuật toán .......................................................................... 61 Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu tới hiệu quả tách amoni ........... 67 vii Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại NH4 + , PO4 3- và Mg 2+ ................... 68 Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả loại bỏ amoni ....................... 70 Hình 3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình kết tinh MAP ..................... 71 Hình 3.5 Sơ đồ nghiên cứu tách nitơ tạo MAP ........................................................ 72 Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đến kích thước tinh thể MAP .................................... 73 Hình 3.7 Tinh thể MAP sau (a) 1 phút, (b) 30 phút, (c) 60 phút, (d) 180 phút ....... 75 Hình 3.8 Kích thước tinh thể ở vận tốc khuấy (a) 100 (b)50vòng/phút ................ 76 Hình 3.9 Ảnh SEM của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+:NH4 + : PO4 3- ........ 77 Hình 3.10 Phổ XRay của MAP từ chất chuẩn ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4 + :PO4 3- pH . 77 Hình 3.11 Ảnh SEM của MAP từ nước rác ở tỷ lệ mol Mg2+: NH4 + :PO4 3- =1:1,9:1 ........................................................................................................................... 82 Hình 3.12 Phổ XRD của MAP thu được từ nước rác .............................................. 82 Hình 3.13 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý ................................ 85 Hình 3.14 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý bằng lọc thiếu khí .. 90 Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây . 94 Hình 3.16 Ảnh hưởng COD dòng vào đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây .... 95 Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước rác bãi chôn lấp Đá Mài .......... 100 bằng công nghệ tiết kiệm năng lượng ................................................................... 100 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng của nước rỉ rác ở một số quốc gia trên thế giới. ...................... 9 Bảng 1.2 Đặc trưng của nước rác tại các bãi chôn lấp khác nhau ở Việt Nam ..... 10 Bảng 1.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hệ thực vật ............. 30 Bảng 1.4 So sánh ưu, nhược điểm bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng và dòng chảy ngang ......................................................................................... 33 Bảng 1.5 Hiệu quả xử lý N- NH4 + và COD bằng quá trình yếm khí – hiếu khí kết hợp tại bãi rác Ammasuo – Phần Lan ........................................................ 35 Bảng 1.6 Kết quả vận hành hệ thống xử lý bằng công nghệ SBR tại Deepmoor (Anh) và Gairtloch (Scotlen) .......................................................... 35 Bảng 1.7 Hiệu quả xử lý qua các công đoạn ............................................................ 36 Bảng 1.8 Nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý ......................................... 37 Bảng 1.9 Thành phần nước rác bãi chốn lấp Gò Cát trước và sau xử lý ............... 43 Bảng 1.10 Đặc trưng nước rác trước và sau hệ thống xử lý của bãi chốn lấp Phước Hiệp .................................................................................................................. 45 Bảng 2.1 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ................................................ 46 Bảng 2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọc trồng cây ........................................... 56 Bảng 2.3 Hiệu quả xử lý trong giai đoạn hoạt hoá của bể lọc trồng cây ................ 58 Bảng 3.1 Kết quả thăm dò khả năng kết tinh của MAP .......................................... 66 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách MAP ở các tỷ lệ khác nhau ......................................................................................... 68 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới kích thước tinh thể MAP ........... 74 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến quá trình kết tinh MAP .................... 75 Bảng 3.5 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài ................................................ 79 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ NH4 + đến hiệu quả tách N,P ............................ 80 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mầm tinh thể .................................................................. 80 Bảng 3.8 Hiệu quả tách nitơ tạo MAP trong nước rác ............................................ 81 Bảng 3.9. Kết quả phân tích thành phần MAP thu được từ nước rác ...................... 83 Bảng 3.10 Đặc trưng nước rác bãi chôn lấp Đá Mài sau tách MAP ...................... 84 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của COD dòng vào đến hiệu quả xử lý .............................. 85 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý .................................... 87 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến hiệu quả xử lý .................. 88 Bảng 3.14 Đặc