157
TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012
PHÁT TRIỂN BỂ LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ CÓ LỚP ĐỆM NGẬP NƯỚC VỚI SỢI LEN LÀM VẬT LIỆU BÁM ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
Phạm Khắc Liệu, Hoàng Thị Mỹ Hằng, Trịnh Thị Giao Chi Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
Tóm tắt. Bể lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước (SAFB) sử dụng vật liệu bám dạng sợi có khả năng ứng dụng tốt cho xử lý loại COD, nitơ trong nước thải nhờ vào khả năng bám giữ sinh khối cao. Trong nghiên cứu này, bể SAFB với vật liệu sợi len thương phẩm đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào xử lý nước rỉ rác. Giai đoạn khởi động bể SAFB sợi len diễn ra khá nhanh, với kết quả bùn bám dính và sinh trưởng tốt chỉ trong vòng 20 ngày và hiệu suất loại COD đạt ổn định gần 97% ở tải trọng 0,3 kg COD/m3/ngày. Khi khảo sát hiệu quả xử lý của bể ở các tải trọng hữu cơ tăng dần với đầu vào là môi trường tổng hợp, hệ thống đạt khả năng xử lý COD khoảng 82% ở tải trọng 1,8 kg COD/m3/ngày. Khi sử dụng bể SAFB xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Thủy Phương, thu được hiệu suất loại COD khoảng 65% ở cùng tải trọng. Tuy nhiên, với kỹ thuật châm hỗ trợ H2O2 ở nồng độ 200 mg/L trước khi vào bể, đã nâng được hiệu suất xử lý COD lên gần 80% ở tải trọng khoảng 4,0 kg COD/m3/ngày. Nước thải sau xử lý có COD đạt loại B1 theo QCVN 25:2009/BTNMT.
Từ khóa: nước rỉ rác, SAFB, vật liệu bám sợi len, xử lý sinh học hỗ trợ bởi H2O2.
1. Mở đầu
Chôn lấp là phương pháp phổ biến để xử lý sau cùng chất thải rắn (CTR) đô thị ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Quá trình vận hành các bãi chôn lấp (BCL) thường phát sinh nhiều vấn đề môi trường, trong đó đáng quan tâm nhất là tạo ra nước rỉ rác (NRR). Với nồng độ rất cao các hợp chất hữu cơ, nitơ, nhất là sự có mặt các chất hữu cơ độc hại, kim loại nặng,... NRR tiềm ẩn nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường và tác động xấu đến sức khỏe con người. Xử lý nước rỉ rác trên thực tế vẫn là bài toán khó, nhất là ở các nước có trình độ công nghệ chưa cao và hạn chế về khả năng tài chính. Để xử lý hiệu quả NRR trong dây chuyền công nghệ xử lý nhiều công đoạn, thường người ta phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau như hóa học, hóa lý, sinh học,…[1], [2].
Thành phần hữu cơ của NRR, đặc biệt là NRR “già”, thường gồm các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học như các axit humic và fulvic. Đặc điểm này làm cho quá trình xử lý sinh học giảm COD bị hạn chế, chỉ đạt hiệu quả thấp khi áp dụng trực tiếp với
158
NRR. Để nâng cao hiệu quả xử lý sinh học NRR, cần có quá trình oxy hóa hóa học nhằm chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học thành dễ phân hủy sinh học.
Một trong các kỹ thuật oxy hóa đã được sử dụng là quá trình oxy hóa nâng cao với tác nhân Fenton (H2O2/Fe(II)) trong một giai đoạn tách biệt và đứng trước xử lý sinh học [3]. Có thể nhận thấy nước rỉ rác thường chứa Fe(II) với nồng độ khá lớn, có thể lợi dụng để thực hiện phản ứng Fenton khi chỉ thêm H2O2. Ngoài ra, H2O2 còn dư dễ bị phân hủy và khi phân hủy sẽ tạo thành O2, có thể sử dụng cho vi sinh vật hiếu khí. Do đó, có thể nghĩ đến việc kết hợp bổ sung H2O2 vào quá trình oxy hóa sinh học hiếu khí để hỗ trợ, tăng cường cho xử lý sinh học theo kiểu không tiến hành giai đoạn oxy hóa trong thiết bị phản ứng riêng.
Trong một số nghiên cứu trước đây, bể lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước (SAFB) đã được phát triển và áp dụng vào xử lý loại chất hữu cơ trong nước thải lò mổ gia súc [4], [5], nước thải nuôi trồng thủy sản [6], hay xử lý nitơ trong nước NRR [7]. Tuy nhiên, vật liệu sợi acrylic (tên thương mại BX hay BIOFIX) sử dụng trong các nghiên cứu này là sản phẩm chuyên dụng của Nhật Bản, khó kiếm và đắt tiền. Sợi len thương phẩm, bề ngoài có các tính chất tương tự sợi BX, nhưng lại dễ kiếm và rẻ tiền hơn.
Xuất phát từ cơ sở trên, trong nghiên cứu này, hệ thống SAFB với sợi len được phát triển và ứng dụng để xử lý chất hữu cơ trong nước rỉ rác có sự hỗ trợ của H2O2
nhằm đưa ra một hướng mới trong xử lý NRR, góp phần bảo vệ môi trường.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Nước rỉ rác
Nước rỉ rác sử dụng trong thí nghiệm xử lý được lấy trực tiếp từ đầu ra của khu chôn lấp CTR Thủy Phương, tỉnh Thừa Thiên Huế. NRR từ 2 BCL gồm bãi số 1 ( đã đóng cửa vào năm 2007) và bãi số 2 ( đ a ng hoạt động) được thu gom về hố thu chung trước khi chảy vào hệ thống hồ xử lý. Mẫu NRR được lấy từ hố thu gom chung, tức là hỗn hợp của NRR cũ và mới. Nghiên cứu gần đây cho thấy NRR này có mức độ ô nhiễm hữu cơ và nitơ khá cao: pH = 7,7 0,1, COD = 2422 962 mg/L, BOD5 = 398 200 mg/L, NH4-N = 543 222 mg/L và Fe tổng = 26,3 6,8 mg/L [8]. Mẫu được lấy hai đợt: đợt 1 vào ngày 01/3/2011 và đợt 2 vào ngày 09/05/2011. Mẫu được bảo quản lạnh ở 0 - 40C để chuẩn bị đầu vào cho các lần thí nghiệm.
Bể SAFB Bơm khí
Bơm nhu động
Bình chứa dung dịch
H2O2
Ống đưa H2O2 trộn với NRR vào
NRR đầu vào
Hình 1. Ảnh hệ thống thí nghiệm.
159 2.2. Hệ thống thí nghiệm
Sử dụng hệ thống lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập trong nước (SAFB) cho thí nghiệm. Bể phản ứng làm bằng nhựa mica có thể tích làm việc là 4,8 L. Vật liệu bám làm bằng sợi len thông thường (Jinpai, Trung Quốc), khối lượng 39 g, được đan kết thành dạng tấm lưới. Nguyên tắc hoạt động và quy trình khởi động của hệ thống như được mô tả trong các công bố trước đây [4], [5]. Ở giai đoạn xử lý NRR, một hệ thống gồm ống nhựa và kim truyền dịch y tế có thể điều chỉnh được lưu lượng đã được lắp thêm để đưa dung dịch H2O2 0,43% trộn với NRR ngay trong ống dẫn trước khi vào bể xử lý (Hình 1).
Ở giai đoạn nghiên cứu phát triển hệ thống SAFB, môi trường tổng hợp pha chế từ dịch chiết thịt bò-pepton được sử dụng làm nước thải đầu vào. Thời gian lưu thủy lực và lưu lượng cấp khí được duy trì tương ứng ở mức 24 giờ và 1,0 L/phút trong suốt các pha. Tải trọng hữu cơ nạp vào được tăng dần bằng cách tăng nồng độ COD, như trình bày ở Bảng 1.
Bảng 1. Nồng độ và tải trọng COD ở các pha thí nghiệm giai đoạn phát triển hệ thống SAFB
Pha Ngày thí nghiệm
Nồng độ COD vào (mg/L)
Tải trọng COD trung bình (kg/m3/ngày)
Khởi động 1 - 30 295 - 338 0,32
32 - 40 493 - 520 0,51
42 - 50 747 - 762 0,75
52 - 60 970 - 015 0,99
71 - 80 1225 - 1260 1,25
82 - 92 1488 - 1527 1,51
Thay đổi tải trọng
94 - 107 1775 - 1810 1,79
Ở giai đoạn áp dụng xử lý NRR, thời gian lưu thủy lực được giảm xuống 10 giờ nhằm tăng lưu lượng bơm NRR đủ lớn để có thể chỉnh được lưu lượng dung dịch H2O2
bổ sung. Trong 10 ngày đầu, bể được nạp NRR pha loãng đến COD khoảng 693 - 830 mg/L (ứng với tải trọng COD trung bình 1,8 kg/m3/ngày). Sau đó, bắt đầu mở van truyền H2O2 và lần lượt khảo sát hiệu quả xử lý NRR ở các tải trọng hữu cơ tăng dần bằng cách giảm mức pha loãng NRR. Bảng 2 trình bày các điều kiện vận hành của hệ thống ở các pha của giai đoạn này.
Bảng 2. Điều kiện vận hành của hệ thống trong giai đoạn xử lý NRR
Điều kiện Pha 1 Pha 2 Pha 3 Pha 4 Pha 5
HRT (giờ) 10 10 10 10 10
Nồng độ H2O2 (mg/L) 0 200 200 200 200
160
Qkhí (L/phút) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5
COD vào (mg/L) 693-830 693-830 1080-1173 1633-1800 2730-3290 Tải trọng hữu cơ vào
(kg COD/ m3/ngày) 1,7 - 2,0 1,7 - 2,0 2,6 - 2,8 3,9 - 4,3 6,6 - 7,9 2.3. Lấy mẫu và phân tích mẫu
Trong quá trình thí nghiệm, mẫu đầu vào và đầu ra hệ thống xử lý được lấy với tần suất 2 ngày/lần. Tiến hành phân tích COD bằng phương pháp hồi lưu kín-trắc quang [9]. Với các mẫu đầu ra trong nghiên cứu xử lý có thêm H2O2,lượng dư H2O2 được xác định bằng phương pháp Na2S2O3 - chuẩn độ iôt rồi hiệu chỉnh vào kết quả phân tích COD [10].
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Khởi động hệ thống SAFB
Kết quả vận hành của hệ thống SAFB với vật liệu sợi len trong pha khởi động được trình bày ở hình 2. Hiệu suất loại COD tăng nhanh từ khoảng 86% ban đầu đến khoảng 97% sau 10 ngày vận hành. So sánh các ảnh chụp bể phản ứng ban đầu và 20 ngày sau khởi động ở hình 3 cho thấy khả năng bám giữ sinh khối của sợi len là rất tốt.
Theo thành phần trên nhãn, sợi len Jinpai có thành phần gồm 70% sợi len tự nhiên và 30% sợi nhân tạo. Với bản chất polypeptid, sợi len có các nhóm chức phân cực tạo khả năng bám dính các vi sinh vật tốt. Với ưu điểm của sợi len, cùng với nguồn bùn hoạt tính đã khá ổn định, thời gian đạt đến hiệu quả xử lý cao và ổn định khá ngắn, chỉ mất khoảng 20 ngày.
85 90 95 100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Thời gian thí nghiệm (ngày)
Hiệu quả loại COD (%)
Hình 2. Hiệu quả loại COD trong pha khởi động.
161
Hình 3. Bể SAFB sợi len lúc ban đầu và 20 ngày sau khởi động.
3.2. Khả năng xử lý COD trong môi trường tổng hợp ở các tải trọng hữu cơ khác nhau
Sự thay đổi hiệu suất xử lý COD của hệ thống ở các tải trọng hữu cơ tăng dần khi chạy với môi trường pha chế được trình bày ở hình 4. Theo quy luật chung, ở tải trọng hữu cơ cao, hiệu quả xử lý giảm dần. Từ giá trị cao đến 92% ở tải trọng 0,5 kg/m3/ngày, hiệu suất loại COD giảm dần và còn 82% ở tải trọng 1,8 kg/m3/ngày. Từ ngày 58, hiệu suất xử lý giảm bất thường xuống còn 76%, đồng thời sinh khối được quan sát thấy phát triển dày đặc. Do đó, một lượng bùn không bám dính tốt đã được hút ra khỏi bể, nhằm tạo sự thông khí và lưu thông dòng chảy bình thường trở lại. Lượng bùn hút ra là 4,3 g-SS. Do điều kiện thời gian và xét thấy có sự ổn định tương đối, tải trọng được dừng ở mức 1,8 kg/m3/ngày và cho chạy ổn định để chuyển hệ thống sang giai đoạn nghiên cứu khả năng xử lý NRR.
60 65 70 75 80 85 90 95 100
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Thời gian thí nghiệm (ngày)
Hiệu suất loại COD (%)
0,5 kg/m3/ngày
0,75 kg/m3/ngày
1,0 kg/m3/ngày
1,25 kg/m3/ngày
1,5 kg/m3/ngày
1,8 kg/m3/ngày
Hình 4. Khả năng xử lý COD của bề SAFB ở các tải trọng hữu cơ khác nhau.
So với bể SAFB sử dụng vật liệu sợi acrylic chuyên dụng [4], hiệu quả loại COD ở cùng tải trọng 1,0 - 1,2 kg COD/m3/ngày có thấp hơn khoảng 10% (85% so với
162
95%), tuy nhiên bể sợi len lại có thể vận hành ở nồng độ cao hơn (1000 – 1200 mg/L) và đến tải trọng cao hơn (1,8 kg COD/m3/ngày). Có thể, các điều kiện để cải thiện hiệu quả xử lý với bể sợi len còn phụ thuộc vào các yếu tố: tốc độ thông khí, việc hút bùn dư định kỳ,.. do hạn chế về thời gian nên chưa được khảo sát.
3.3. Khả năng xử lý COD trong nước rỉ rác
Dữ liệu về hiệu quả xử lý COD trong NRR của hệ thống ở các pha không và có bổ sung H2O2 và ở các tải trọng COD khác nhau được trình bày trong hình 5. Hiệu quả xử lý màu NRR ở một số pha thí nghiệm được minh họa trong hình 6.
Ở cùng một mức tải trọng COD đầu vào, sự hỗ trợ của H2O2 ở pha 2 đã làm tăng hiệu quả xử lý COD so với pha 1 (không có H2O2) lên khoảng 10%. Nhìn chung, hiệu quả xử lý trong các pha 2 đến pha 4 (tức tải trọng từ 1,7 đến 4,2 kg COD/m3/ngày) vẫn duy trì ở mức xấp xỉ 80%. NRR đầu ra ở pha 3 có COD trung bình 250 mg/L, đạt loại B2 và ở pha 4 là 340 mg/L, đạt loại B1 theo QCVN 25:2009/BTNMT.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
174 178 182 186 190 194 198 202 206 210 214 218 222 Thời gian thí nghiệm (ngày)
Nồng độ COD (mg/L)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Hiệu suất loại COD(%)
COD ra Hiệu suất loại COD Tải trọng COD
Pha 1 Pha 2 Pha 3 Pha 4 Pha 5
1,8 kg/m3/ngày
2,7 kg/m3/ngày
4,2 kg/m3/ngày
7,1 kg/m3/ngày
Hình 5. Khả năng xử lý COD trong NRR ở các pha thí nghiệm khác nhau.
Hình 6. Hiệu quả xử lý màu NRR ở các pha thí nghiệm 2 và 4.
(cốc bên trái: trước xử lý, cốc bên phải: sau xử lý).
Pha 2 Pha 4
163
Ở pha 5, hiệu suất xử lý giảm khi tăng tải trọng lên cao trên 7,0 kg COD/m3/ngày. Mặc dù ở các ngày tiếp theo của pha 5, tốc độ sục khí có tăng lên (từ 1,0 đến 1,5 L/phút) để khắc phục hiện tượng sinh khối phát triển cản trở thông khí nhưng hiệu suất xử lý vẫn giảm mạnh về dưới 50%. Như vậy, có thể nhận định bể phản ứng SAFB với sự hỗ trợ của H2O2, có khả năng xử lý khá hiệu quả COD trong nước rỉ rác đến tải trọng cỡ 4 kg COD/m3/ngày (với COD khoảng 1600 – 1800 mg/L). Hơn nữa, với sự tiếp xúc ngắn của NRR với H2O2 trước khi vào bể xử lý, khả năng giảm màu của NRR được cải thiện nhờ đóng góp của phản ứng oxy hóa Fenton.
4. Kết luận
Mặc dù hiệu quả xử lý thấp hơn một ít so với bể SAFB dùng vật liệu sợi acrylic (sản phẩm đắt tiền chuyên dụng cho xử lý nước thải), bể SAFB với vật liệu sợi len có thể là một thay thế khả thi do sợi len rẻ tiền và dễ kiếm hơn. Ở tải trọng đến 1,8 kg COD/m3/ngày, bể SAFB có thể cho hiệu quả xử lý đến 82% COD. Sử dụng bể SAFB sợi len với sự hỗ trợ của H2O2 bước đầu đã đem lại những kết quả khả quan trong xử lý NRR. Với tải trọng đầu vào cao 4 kg COD/m3/ngày, hiệu suất xử lý COD đạt trung bình khoảng 80%. và nước thải sau xử lý đạt loại B1, xấp xỉ loại B2 theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cho NRR. Vai trò hỗ trợ của H2O2 bước đầu cho thấy ở sự gia tăng hiệu suất xử lý COD và làm giảm màu của NRR. Tuy nhiên, những nghiên cứu chi tiết hơn cần được thực hiện tiếp tục về các điều kiện vận hành tốt nhất, về ngưỡng ảnh hưởng của H2O2 với bể lọc sinh học,...
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tchobanoglous, G., Theisen H., and Vigil, S., Integrated Solid Waste Management:
Engineering Principles and Management Issues, McGraw-Hill, Inc. New York, New York, 1993.
2. Trần Hiếu Nhuệ, Kinh nghiệm xử lý nước rác tại một số đô thị Việt Nam, Kỷ yếu Hội nghị Quản lý Chất thải rắn Đô thị, Bộ Xây dựng, Hà Nội, 2005.
3. Wang, F., Smith, D.W. and El-Din, M.G., Application of advanced oxidation methods for landfill leachate treatment – A review, J. Environ. Eng. Sci., 2(6), (2003), 413-427.
4. Pham Khac Lieu, Trinh Thi Giao Chi and Kenji Fukukawa, Treatment of coagulated slaughterhouse wastewater using a novel submerged aerated fix bed (SAFB) reactor, Proceedings of the 8th General Seminar of Core University Program, organized by Osaka University and Hanoi National University, Osaka, Japan, (2008), 295-302.
5. Ngô Thị Phương Nam, Phạm Khắc Liệu, Trịnh Thị Giao Chi, Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng quá trình sinh học hiếu khí thể bám trên vật liệu polymer tổng hợp, Tạp chí Khoa học Đại học Huế, số14(48), (2008), 125-134.
6. Pham Khac Lieu and Duong Thanh Chung, Lab-scale application of combined partial
164
nitritation - anammox process for nitrogen removal from landfill leachate, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 4(45), (2011), 99-106.
7. Trương Quý Tùng, Lê Văn Tuấn, Nguyễn Thị Khánh Tuyền, Phạm Khắc Liệu, Xử lý nước rỉ rác bằng tác nhân UV-Fenton trong điều kiện gián đoạn, Tạp chí Khoa học Đại học Huế, số 19(53), (2009), 165-174.
8. APHA, AWWA, WBEF, Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th Edition. Washington DC, USA, 1999.
9. Talinli I. and Anderson G.K. Interference of hydrogen peroxide on the standard COD test, War. Res., 1(26), (1992), 107-110.
DEVELOPMENT OF A SUBMERGED AERATED FIXED BED REACTOR USING WOOL AS BIOMASS CARRIER AND APPLICATION FOR THE
TREATMENT OF LANDFILL LEACHATE Pham Khac Lieu, Hoang Thi My Hang, Trinh Thi Giao Chi
College of Sciences, Hue University
Abstract. Submerged aerated fixed bed bioreactor (SAFB) using fibrous biomass carrier possesses high capability of COD and nitrogen removal from wastewater due to its highly biomass-retaining property. In this study, an SAFB with commercial wool as the carrier material was developed and applied in the treatment of landfill leachate. Start-up phase of the reactor was successful after 20 days with a good attachment and growth of seeding sludge and a rapid increase in COD removal to nearly 97% at OLR of 0,3 kg COD/m3/d. Treatment performance at gradually increasing OLRs was investigated using a synthetic medium as influent and a COD removal of about 82% was achieved at the highest OLR of 1,8 kg COD/m3/d. Using the developed reactor for treating leachate from Thuy Phuong Landfill, 65% COD removal could be obtained at the same OLR of 1,8 kg COD/m3/d. However, with the in-flow injection of H2O2 at the concentration of 200 mg/L, COD removal was improved significantly to 80% at much higher OLR of about 4,0 kg COD/m3/d. Effluent COD concentrations were lower than the limit value in National Technical Regulation for Leachate (QCVN 25:2009/BTNMT, class B1).
Keywords: H2O2-assisted biological treatment, landfill leachate, SAFB, wool biomass carrier.
