Xét trên khía cạnh kỹ thuật thì kỹ thuật keo tụ bằng PAC có hiệu quả xử lý cao hơn kỹ thuật keo tụ điện hóa.
Tóm tắt
Kỹ thuật keo tụ điện hóa với điện cực thép (CT3) tại các mật độ dòng điện và các khoảng thời gian lưu trong buồng phản ứng khác nhau và kỹ thuật keo tụ hóa học với PAC đối với mẫu nước thải tại hồ chứa tập trung của Nhà máy xử lý rác huyện Định Quán. Kết quả keo tụ điện hóa với điện cực thép CT3 tại giá trị tối ưu mật độ dòng điện là 116mA/cm2 (tương ứng cường độ dòng điện 5A) và thời gian lưu là 40 giây, hiệu suất xử lý COD đạt 61.98%, BOD5 56%, TN 26.6%, TP 98.4% và N-NH3 19%. Kết quả keo tụ hóa học bằng PAC tại giá trị tối ưu ghi nhận với liều lượng quy đổi tương đương 9g PAC/L, với hiệu suất xử lý COD đạt 75.9%, BOD5 66.6%, TN 21.8%, TP 98.4% và N-NH3 13.8%. Ước tính chi phí xử lý trực tiếp, thông qua kết quả của mô hình thí nghiệm bằng keo tụ điện hóa với giá trị trung bình 12,000 VNĐ/m3 và kỹ thuật keo tụ hóa học được xác định giá trị trung bình là 117,000 VNĐ/m3. Xét trên khía cạnh kỹ thuật thì kỹ thuật keo tụ bằng PAC có hiệu quả xử lý cao hơn kỹ thuật keo tụ điện hóa. Tuy nhiên với hiệu quả xử lý bằng keo tụ điện hóa cũng đáp ứng được điều kiện áp dụng kỹ thuật xử lý bằng phương pháp sinh học ở bước tiếp theo, đánh giá kèm theo ý nghĩa mặt kinh tế thì kỹ thuật keo tụ điện hóa được đề xuất nghiên cứu thực tiễn áp dụng vào cải tạo hệ thống xử lý nước thải tập trung hiện hữu tại nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt.
Từ khoá: Keo tụ điện hóa, keo tụ hóa học, phèn PAC.
Đặt vấn đề
Nhà máy (NM) xử lý rác huyện Định Quán, tỉnh Đồng Nai hình thành là nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý chất thải rắn trên phạm vi địa bàn các huyện lân cận trong tỉnh. Hoạt động của NM phát sinh đa dạng các nguồn nước thải phát sinh: từ quá trình vệ sinh nhà xưởng, vệ sinh trang thiết bị, nước thải từ khu xử lý khí thải lò đốt, nước rỉ từ rác, nước thải từ hố chôn lấp chất trơ, nước thải từ khu ủ compost, nước thải từ khu vực xử lý lốp xe và nước thải sinh hoạt công nhân. Các nguồn nước thải tập trung về hồ chứa và sau đó được xử lý trước khi xả thải ra môi trường. Do công nghệ xử lý đã đầu tư gần 10 năm và tình hình thành phần nước thải và qui chuẩn xả thải nghiêm ngặt hơn nên việc xử lý vẫn còn mặt hạn chế, nhất là chi phí vận hành. Trước thực trạng trên, việc nghiên cứu giải pháp công nghệ hướng đến mục tiêu là hỗ trợ kỹ thuật cho công nghệ hiện hữu đáp ứng với loại nước thải luôn đảm bảo yêu cầu xả thải và đặc biệt là giảm tối đa chi phí vận hành xử lý thì quá trình keo tụ điện hóa và keo tụ hóa học với PAC được tiến hành nghiên cứu song song, hướng đến ứng dụng kết quả nghiên cứu tối ưu vào xử lý nước thải NM xử lý rác sinh hoạt.
Đối tượng và nội dung nghiên cứu chính
Nước thải áp dụng vào các mô hình nghiên cứu là nước thải trong hồ tập trung từ các nguồn thải tại nhà máy xử lý rác Định Quán tỉnh Đồng Nai và tiến hành nghiên cứu từ tháng 12/2021- 7/2022. Mô hình được bố trí vận hành tại công ty TNHH MTV DV MT Phú Khánh, các kết quả phân tích thông số được phân tích tại PTN Môi Trường đại học KHTN, Viện Môi Trường&Tài Nguyên thuộc ĐHQG TP.Hồ Chí Minh.
Nghiên cứu và khảo sát giá trị tối ưu về điều kiện phản ứng của quá trình keo tụ PAC bằng thiết bị Jartest và quá trình keo tụ điện hóa bằng điện cực thép CT3 với dòng thủy lực liên tục, giám sát và so sánh hiệu quả xử lý đối với các thông số pH, TSS, TDS, Độ màu, TN, TP, COD, BOD5 giữa 2 kỹ thuật xử lý keo tụ. Đối với mô hình keo tụ điện hóa dòng thủy lực liên tục với các giới hạn của nghiên cứu sau: Loại điện cực sử dụng trong mô hình là thép CT3, cố định diện tích bản điện cực, cố định khoảng cách giữa các điện cực, thực hiện thí nghiệm với giá trị pH trung tính với các trường hợp sau: (a) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trong buồng phản ứng 20, 30, 40 giây, để xác định giá trị thời gian tối ưu. (b) Khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện 23, 46, 70, 93, 116, 127, 139 mA/cm2 (tương ứng với cường độ dùng điện 1, 2, 3, 4, 5, 5.5, 6 A) để xác định giá trị mật độ dòng tối ưu. Công thức quy đổi cường độ dòng điện sang mật độ dòng điện: J= I/S. Với J là mật độ dòng điện (mA/cm2), I là cường độ dòng điện (Ampe) và S là diện tích bề mặt phản ứng của điện cực (cm2).
Mô hình nghiên cứu và quy trình
Thiết bị keo tụ điện hóa
Thành phần thiết bị: Buồng phản ứng thể tích phần phản ứng là 0.56 lít; Bộ 19 tấm điện cực (2 điện cực tiếp nguồn từ máy tạo dòng điện, 17 điện cực giải phóng ion); Bộ biến điện; Bơm định lượng nước thải; Đường ống dẫn nước ra vào mô hình. Quy trình: Bơm nước thải theo lưu lượng điều chỉnh của trường hợp khảo sát, điều chỉ cường độ dòng điện từ thiết bị biến dòng, quan sát quá trình điện phân diễn ra, quan sát chất lượng nước đầu ra. Tiến hành lấy mẫu nước thải đầu ra, để lắng yên 45 phút, thu mẫu nước sau lắng phân tích các thông số giám sát.
Thiết bị Jartest
Mô hình Jartest là thiết bị gồm 4 cánh khuấy, tốc độ quay có thể điều chỉnh 0 – 120 rpm. Cánh khuấy có dạng turbine gồm hai bảng phẳng nằm trong cùng một mặt phẳng thẳng đứng, được đặt trong beaker dung tích 500-1000mL chứa cùng mẫu nước cho một đợt thí nghiệm. Thay đổi lượng PAC và môi trường pH khác nhau cho các đợt thí nghiệm để xác định giá trị tối ưu pH phản ứng keo tụ bằng PAC và lượng PAC _nồng độ 32% tiêu thụ trong một thể tích mẫu nước thí nghiệm.
Kết quả và đánh giá
Kết quả đối với keo tụ hóa học bằng PAC
Thực hiện thí nghiệm Jartest khảo sát pH tối ưu và liều lượng phèn PAC tối ưu đối với nước thải Nhà máy xử lý rác Định Quán tại các khoảng giá trị pH khảo sát: 5.0; 5,5; 6.0; 6,5; 7.0; 7,5; 8.0 và dãy liều lượng PAC khảo sát tương ứng từ 6000mg/L đến 12000mg/L. Kết quả thí nghiệm tối ưu xác định tại giá trị pH là 6,5 và lượng PAC là 9000mg/L. Tiến hành phu mẫu nước đã tách cặn để phân tích các thông số giám sát trong nghiên cứu.
Kết quả keo tụ điện hóa bằng điện cực thép CT3
Hình kết quả thí nghiệm khảo sát keo tụ điện hóa tại các mật độ dòng điện 23, 46, 70, 93, 116, 127, 139 mA/cm2 (tương ứng cường độ dòng điện 1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 5.5A, 6A) tại thời gian lưu 20 giây (hình a), 30 giây (hình b), 40 giây (hình c)
Thực hiện các lần thí nghiệm khảo sát với các mật độ dòng điện tại thời gian lưu khác nhau, ta quan sát đánh giá bằng giác quan xác định được các khoảng giá trị mật độ dòng điện ứng thời gian lưu nước có diễn ta phản ứng rõ rệt là: (*) tại thời gian lưu 40 giây với các mật độ dòng điện 116mA/cm2 (tương ứng I = 5A), 127mA/cm2 (I = 5.5A), 139mA/cm2 (I = 6A) và (**) và tại thời gian lưu 40 giây với mật độ dòng điện 139mA/cm2 (I = 6A). Tiến hành thu mẫu nước sau khi tách cặn để phân tích các thông số giám sát trong nghiên cứu.
Hình kết quả thí nghiệm khảo sát keo tụ điện hóa tại các mật độ dòng điện 23, 46, 70, 93, 116, 127, 139 mA/cm2 (tương ứng cường độ dòng điện 1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 5.5A, 6A) tại thời gian lưu 20 giây (hình a), 30 giây (hình b), 40 giây (hình c).
Bảng so sánh quả hiệu quả xử lý đối với thành phần chất rắn và độ màu của thí nghiệm keo tụ điện hóa và keo tụ PAC
Sau quá trình keo tụ điện hóa, pH nước thải đầu ra tăng từ 6.8 lên 8.3 do điều này cũng được giải thích là do sự hình thành nhóm OH- và các hydroxit kim loại, ngoài ra sau một thời gian phản ứng các axit hữu cơ bị chuyển hóa làm giảm tính axit dẫn tới pH tăng về tính bazơ. Bên cạnh đó, sau quá trình keo tụ hóa học với phèn PAC, pH nước thải thiên về tính axit, cụ thể là từ 6.5 giảm còn 5.5. Ngoài ra, sau quá trình keo tụ điện hóa, hiệu suất xử lý tại thời gian lưu 40 giây với mật độ dòng điện 139mA/cm2 (I = 6A): TDS > 25,8%, TSS > 74 % và hiệu suất xử lý độ màu > 98 %. Đối với kỹ thuật keo tụ hóa học, hiệu suất xử lý TDS đạt 43.6%, TSS đạt 71.5% và hiệu suất xử lý độ màu đạt 99.1%. Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý thành phần chất rắn và độ màu của kỹ thuật PAC cao hơn so với kỹ thuật keo tụ điện hóa.
Bảng so sánh hiệu quả xử lý đối thông số COD và BOD _thí nghiệm keo tụ điện hóa và thí nghiệm keo tụ hóa học bằng PAC
Giá trị kết quả phân tích cho thấy khi thời gian lưu càng dài và mật độ dòng điện càng tăng khả năng loại bỏ COD trong nước thải càng tốt vì khi thời gian xảy ra phản ứng điện phân diễn ra càng dài thì lượng ion sắt được sinh ra từ bên trên điện cực dương sẽ càng nhiều dẫn tới lượng chất keo tụ tạo ra càng lớn. Cụ thể tại thời gian lưu 40 giây, hiệu suất xử lý COD đạt 62,44%. Đối với kỹ thuật keo tụ hóa học với phèn PAC tại điều kiện tối ưu hiệu quả xử lý COD đạt ~ 76%, cao hơn 16% so với kỹ thuật keo tụ điện hóa.
Bên cạnh đó, hiệu suất xử lý BOD5 càng tăng khi tăng mật độ dòng thì ion kim loại tạo ra nhiều làm tăng chất keo tụ. Cụ thể, tại thời gian lưu 40 giây, khi tăng mật độ dòng điện từ 116mA/cm2 lên 139mA/cm2 thì hiệu suất xử lý BOD5 cũng tăng từ 56.0% lên 65.8%. Bên cạnh đó, đối với kỹ thuật keo tụ hóa học với phèn PAC tại điều kiện tối ưu hiệu quả xử lý BOD5 cũng đạt 66.6%, cao hơn không đáng kể so với kỹ thuật keo tụ hóa học.
Trong quá trình keo tụ điện hóa, COD được xử lý cơ bản bằng quá trình keo với điện cực thép CT3 mà chất keo tụ được tạo ra từ quá trình điện phân. Trong buồng điện phân, theo thời gian phản ứng lượng cation Fe2+ trên cực anode được sinh ra tăng lên sẽ phản ứng với các ion OH- có mặt trong nước hình thành các hydroxit sắt. Ngoài ra, trong quá trình điện phân một phần Fe2+ bị oxy hóa lên Fe3+ tạo kết tủa Fe(OH)3. Ngoài ra, các hydroxit sắt này sẽ tham gia vào các phản ứng polyme hóa tạo thành các chuỗi polyme có kích thước và khối lượng lớn, các polyme này chính là nhân tố chính làm giảm COD. Còn đối với quá trình keo tụ PAC, điểm nổi bật của PAC là khả năng dễ hòa tan tạo ra các hợp chất nhôm, khi hoà tan trong nước sẽ sinh ra phần lớn các hạt polyme Al13O4(OH)247+ đây là tác nhân keo tụ chính và tốt nhất.
Bảng so sánh hiệu quả xử lý đối thông số TN (tổng Ni Tơ) và TP (tổng Phốt Pho) _thí nghiệm keo tụ điện hóa và thí nghiệm keo tụ hóa học bằng PAC
Nitơ được loại bỏ chủ yếu nhờ Nitrat hóa/khử nitrate và sự bay hơi của ammoniac (NH3). Trong quá trình điện hóa, nước điện phân tạo ra oxy và oxy sẽ oxi hóa Amoni và các dạng nitơ hữu cơ thành Nitrat. Sau đó Nitrat được xử lý bằng quá trình điện phân chuyển hóa Nitrat thành khí Nitơ. Thí nghiệm cho thấy khi tăng mật độ dòng điện và thời gian lưu nước thì hiệu suất xử lý TN cũng tăng, cụ thể tại thời gian lưu nước 40s và mật độ dòng điện 139mA/cm2 thì hiệu suất xử lý đạt 30%, còn đối với kỹ thuật keo tụ hóa học với phèn PAC hiệu suất xử lý TN chỉ đạt 22%.
Trạng thái tồn tại của Photpho trong dung dịch thường là muối Orthophotphat (PO43-), polyphotphat và photphat hữu cơ. Các muối polyphotphat thường bị thuỷ phân trong dung dịch và tạo thành muối orthophotphat. TP được loại bỏ cơ bản là do quá trình keo tụ điện hóa giải phóng ra các cation kim loại tại cực anode, cation kim loại này khi gặp muối orthophotphat sẽ kết tủa thành bông bùn và lắng xuống đáy. Hiệu suất xử lý TP của kỹ thuật keo tụ điện hóa và keo tụ hóa học đều đạt 98%. Điều này cho thấy rõ ràng rằng việc loại bỏ các ion photphat phụ thuộc vào việc tạo ra liều lượng chất keo tụ sinh ra từ anode và hàm lượng phèn PAC tối ưu.
Kết luận và đề xuất ứng dụng
(1) Nghiên cứu có sự khác biệt so với các nghiên cứu khác về keo tụ điện hóa về các đặc điểm chính: (a) Mô hình vận hành với dòng thủy lực liên tục, khác với nghiên cứu khác là vận hành theo từng mẻ; (b) Nước thải thí nghiệm không phải là nước rỉ rác từ bãi chôn lấp như các nghiên cứu khác, nước thải là tổng hợp từ nhiều nguồn thải khác nhau trong khu xử lý; (c) Các thông số giám sát là tổng hợp nhiều thông số trong thành phần nước thải, so với các nghiên cứu khác thường là đơn lẻ thông số; (e) Kết quả nghiên cứu xét trên khía cạnh chi phí vận hành trực tiếp thì kỹ thuật keo tụ điện hóa chiếm ưu thế vì chi phí thấp hơn so với keo tự hóa học bằng PAC.
(2) Về mặt hiệu suất xử lý: Kỹ thuật keo tụ điện hóa bằng điện cực thép CT3 và keo tụ hóa học bằng PAC trong nghiên cứu này đã xử lý được những thông số nhất định của giai đoạn xử lý sơ cấp và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh học tiếp theo để xử lý các thành phần ô nhiễm còn lại.
(3) Về mặt chi phí trực tiếp: Lượng PAC tiêu hao trong keo tụ hóa học quá nhiều, qui đổi gần tương đương 9kg/m3 nước thải, chi phí hóa chất trên 100.000 đồng/m3 nước thải. Đối với keo tụ điện hóa thì tổng chi phí tiêu hao điện cực thép và điện năng tương đương 12.000 đồng/m3 nước thải.
(4) Xét trên khía cạnh kỹ thuật, kinh tế và môi trường và hiện trạng công nghệ xử lý đang vận hành tại nhà máy thì kỹ thuật keo tụ điện hóa được đề xuất áp dụng vào cải tạo hệ thống xử lý nước thải với các quy trình sau: Nước từ thải hồ thu gom tập trung —› Cụm kẹo tụ điện hóa —› Lắng bùn keo tụ —› UASB —› Công nghệ sinh học hiếu khí (SBR/Anoxic + Aerotank + Lắng bùn sinh học) —› Khử trùng —› Hồ sinh học —› Nguồn tiếp nhận. Nhằm tạo điều kiện tốt hơn cho cụm công nghệ sinh học kỵ khí và hiếu khí, đồng thời giảm chi phí vận hành, an toàn trong công tác BVMT trong xử lý nước thải.
Tài liệu tham khảo
[1] Báo cáo tình hình xả thải năm 2021 – Nhà máy xử lý rác Định Quán.
[2] Hoàng Văn Huệ (1994). Thoát nước II. Đại học kiến trúc Hà nội, 325 – 330.
[3] Lê Cao Khải (2019). “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp với lọc sinh học”. Luận án Tiến sĩ, Học viện Khoa học và Công nghệ Hà Nội.
[4] Lê Văn Cát, Nguyễn Hồng Khánh, Tạ Đăng Toàn, Phạm Tuấn Linh (2009). Môi trường bãi chôn lấp chất thải và kỹ thuật xử lý nước rác. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[5] Nguyễn Thị Lan Phương (2017). Nghiên cứu xử lý nâng cao nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng phương pháp điện hóa với điện cực chọn lọc. Luận án Tiến sĩ. Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Hà Nội.
[6] Trần Thị Đức (2021). Cải Thiện Chất Lượng Nước Thải Sau Xử Lý Tại Trạm Xử Lý Nước thải Tập Trung Của Khu Công Nghiệp Dệt May Nhơn Trạch Bằng Keo Tụ Điện Hóa. Luận văn Thạc sĩ, Viện Môi Trường Tài Nguyên – Ngành Kỹ Thuật Môi Trường, Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh.
[7] Bharath M*, Krishna B M and Manoj Kumar B. A Review of Electrocoagulation Process for Wastewater Treatment. International Journal of ChemTech Research. Vol.11 No.03, 289-302.
Ths. Nguyễn Ngọc Thiệp
Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP. Hồ Chí Minh
Cn.Nguyễn Thị Thu Diễm
Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
