Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.81 MB, 205 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
LÊ CAO KHẢI
ận
Lu
án
n
tiế
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA
KẾT HỢP LỌC SINH HỌC
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Hà Nội, 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
LÊ CAO KHẢI
ận
Lu
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA
KẾT HỢP LỌC SINH HỌC
án
tiế
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
n
sĩ
Mã số: 9.52.03.20
Kĩ
th
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
t
uậ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên
2. TS. Lê Thanh Sơn
Hà Nội, 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng
phương pháp keo tụ điện phân kết hợp lọc sinh học” là do tôi thực hiện với sự
hướng dẫn của PGS.TS. Trịnh Văn Tuyên và TS. Lê Thanh Sơn. Luận án không
trùng lặp và sao chép với bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả
cho phép sử dụng và chưa được tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2019
ận
Lu
NGHIÊN CỨU SINH
án
n
tiế
Lê Cao Khải
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
ii
LỜI CẢM ƠN
Bằng tấm lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trịnh Văn
Tuyên, TS. Lê Thanh Sơn (Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học
và Cơng nghệ Việt Nam) đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi những hướng
nghiên cứu quan trọng trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể: Học viện Khoa học và Công nghệ
(GUST) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST); Khoa Công
nghệ môi trường – GUST; Viện Công nghệ môi trường (IET) – VAST; Hướng
Lu
Cơng nghệ xử lý ơ nhiễm và Phịng Hóa lý mơi trường - IET đã hỗ trợ và tạo điều
ận
kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực hiện luận án.
án
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phan Đỗ Hùng đã hỗ trợ về mặt khoa học cho
tiế
tơi trong q trình làm nghiên cứu sinh tại Viện Công nghệ môi trường.
n
NGHIÊN CỨU SINH
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
Lê Cao Khải
Lê Cao Khải
iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về nước rỉ rác .................................................................................. 4
1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác ......................................................... 4
1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến môi trường và con người ............................ 11
1.2. Tổng quan q trình keo tụ điện hóa ............................................................... 12
1.2.1. Cơ chế của quá trình keo tụ điện hóa ........................................................ 12
1.2.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải
........................................................................................................................... 15
Lu
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ điện hóa ................................. 17
ận
1.2.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng keo tụ điện hóa trong xử lý mơi trường
án
........................................................................................................................... 24
1.3. Tổng quan về lọc sinh học ................................................................................. 29
tiế
1.3.1. Cơ chế của quá trình lọc sinh học ............................................................. 29
n
1.3.2. Cơ sở lí thuyết của các q trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải ........ 32
sĩ
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc sinh học ...................................... 35
Kĩ
1.3.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phương pháp lọc sinh học trong xử lý môi
th
trường................................................................................................................. 38
t
uậ
1.3.5. Kết hợp keo tụ điện hóa với các q trình lọc sinh học trong xử lý môi
trường ................................................................................................................ 40
1.4. Tổng quan về phương pháp xử lý nước rỉ rác .................................................. 41
1.4.1. Phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước rỉ rác ......................................... 43
1.4.2. Phương pháp sinh học xử lý nước rỉ rác .................................................... 45
1.4.3. Phương pháp oxi hóa nâng cao xử lý nước rỉ rác ...................................... 46
1.4.4. Kết hợp các phương pháp trong xử lý nước rỉ rác ..................................... 48
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 50
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 50
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 50
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 50
2.2.1. Phương pháp phân tích chất lượng nước thải ............................................ 51
iv
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 51
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm keo tụ điện hóa ............................................... 51
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm lọc sinh học .................................................... 58
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 63
3.1. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng keo tụ điện hóa ......................................... 63
3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
COD, amoni, TSS và độ màu với điện cực sắt .................................................... 63
3.1.2. Ảnh hưởng pH đầu vào của nước rỉ rác đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS
và độ màu với điện cực sắt ................................................................................... 76
3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni,
Lu
TSS và độ màu ................................................................................................... 83
ận
3.1.4. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi sử dụng điện cực
án
sắt và nhôm ........................................................................................................ 89
3.2. Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng quá trình lọc sinh học ............................. 108
tiế
3.2.1. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ
n
màu bằng quá trình BF ..................................................................................... 109
sĩ
3.2.2. Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat,
Kĩ
TSS và độ màu của quá trình lọc sinh học ........................................................ 118
th
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 127
t
uậ
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
............................................................................................................................ 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 130
PHỤ LỤC............................................................................................................ 148
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chơn lấp .................................... 5
Hình 1.2. Các phản ứng cơ bản trong hệ EC .......................................................... 13
Hình 1.3. Nồng độ của các sản phẩm thủy phân của Fe (II), Fe (III) và Al (III) .... 14
Hình 1.4. Sơ đồ E-pH của sắt và nhôm ở 25 ° C, 1 bar .......................................... 18
Hình 1.5. Đơn cực nối song song ........................................................................... 21
Hình 1.6. Đơn cực nối tiếp..................................................................................... 21
Hình 1.7. Lưỡng cực nối song song ....................................................................... 22
Hình 1.8. Giản đồ ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến cân bằng amoniac – amoni
trong dung dịch ..................................................................................................... 43
Lu
Hình 2.1. Sơ đồ xử lý NRR bằng phương pháp EC kết hợp BF.............................. 51
ận
Hình 2.2. Sơ đồ hệ EC trong phịng thí nghiệm...................................................... 52
án
Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian
điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ................ 55
tiế
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào đến hiệu suất xử
n
lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR .......................................................... 56
sĩ
Kĩ
Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến
hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ....................................... 58
th
t
uậ
Hình 2.6. Sơ đồ hệ BF trong phịng thí nghiệm ...................................................... 59
Hình 2.7. Sơ đồ vận hành một chu kỳ trong hệ BF ................................................. 59
Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian sục khí và tải lượng
đầu vào đến hiệu suất xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR ......... 61
Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
COD ...................................................................................................................... 66
Hình 3.2. Ảnh hưởng của mật độ dịng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
amoni .................................................................................................................... 67
Hình 3.3. Ảnh hưởng của mật độ dịng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý
TSS ....................................................................................................................... 69
Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dịng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ
màu ....................................................................................................................... 71
Hình 3.5. Biểu đồ biến đổi pH của NRR trong quá trình EC theo thời gian ............ 72
vi
Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD ......................................... 76
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni ........................................ 79
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS ........................................... 80
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu ...................................... 81
Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD ........... 84
Hình 3.11. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni ......... 86
Hình 3.12. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS ............ 87
Hình 3.13. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu ....... 88
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhơm và sắt đến hiệu
suất xử lý COD...................................................................................................... 91
Lu
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhơm và sắt đến hiệu
ận
suất xử lý amoni .................................................................................................... 92
án
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
suất xử lý TSS ....................................................................................................... 93
tiế
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian điện phân với điện cực nhôm và sắt đến hiệu
n
suất xử lý độ màu .................................................................................................. 94
sĩ
Hình 3.18. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD với điện cực nhôm và sắt 97
Kĩ
Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni với điện cực nhơm và sắt
th
.............................................................................................................................. 98
t
uậ
Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS với điện cực nhơm và sắt . 99
Hình 3.21. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu với điện cực nhơm và sắt
............................................................................................................................ 100
Hình 3.22. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD giữa điện
cực nhơm và sắt ................................................................................................... 102
Hình 3.23. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni với điện
cực nhơm và sắt ................................................................................................... 103
Hình 3.24. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý TSS với điện
cực nhơm và sắt ................................................................................................... 104
Hình 3.25. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý độ màu với
điện cực nhôm và sắt ........................................................................................... 105
Hình 3.26. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD .................... 111
vii
Hình 3.27. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý amoni .................. 112
Hình 3.28. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến nồng độ nitrat đầu ra .................... 115
Hình 3.29. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý TSS ............................ 116
Hình 3.30. Ảnh hưởng chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý độ màu ....................... 117
Hình 3.31. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý COD ............................ 119
Hình 3.32. Ảnh hưởng của tải lượng đầu vào đến hiệu suất xử lý amoni .............. 120
Hình 3.33. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý nitrat ............................ 121
Hình 3.34. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý TSS .............................. 122
Hình 3.35. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý độ màu ......................... 123
Hình 3.36. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng phương
ận
Lu
pháp EC kết hợp với BF ...................................................................................... 125
án
n
tiế
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp .......................................... 7
Bảng 1.2. Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ ................................ 8
Bảng 1.3. Thành phần NRR ở các nước Châu Á ...................................................... 9
Bảng 1.4. Thành phần NRR Việt Nam................................................................... 10
Bảng 1.5. Nghiên cứu xử lý NRR bằng phương pháp EC với các điện cực khác nhau
.............................................................................................................................. 44
Bảng 2.1. Một số đặc tính của NRR dùng cho nghiên cứu ..................................... 50
Bảng 2.2. Mật độ dòng và thời gian điện phân của một số nghiên cứu ................... 54
Lu
Bảng 2.3. Dung tích hữu ích các ngăn trong thiết bị thí nghiệm ............................. 60
ận
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS
án
và độ màu trong NRR ............................................................................................ 74
Bảng 3.2. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu
tiế
trong NRR ............................................................................................................. 75
n
Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị
sĩ
pH khác nhau ........................................................................................................ 82
Kĩ
Bảng 3.4. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị
th
khoảng cách giữa các điện cực khác nhau .............................................................. 88
t
uậ
Bảng 3.5. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở thời gian phản ứng khác nhau ............................................................... 95
Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở các pH khác nhau ............................................................................... 101
Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt
và nhôm ở các khoảng cách điện cực khác nhau .................................................. 106
Bảng 3.8. So sánh hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR của các
nghiên cứu khác nhau ở điều kiện lựa chọn ......................................................... 107
Bảng 3.9. Một số đặc tính của NRR sau quá trình EC dùng cho đầu vào của quá
trình BF ............................................................................................................... 109
Bảng 3.10. Hiệu suất xử COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ sục
khí khác nhau ...................................................................................................... 117
ix
Bảng 3.11. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR ở các chế độ
tải lượng khác nhau ............................................................................................. 123
Bảng 3.12. So sánh quá trình kết hợp EC với BF xử lý COD, amoni, TSS và độ màu
trong NRR với các nghiên cứu khác ở điều kiện lựa chọn .................................... 124
Bảng 3.13. Thông số nước đầu ra sau quá trình EC và BF ở điều kiện lựa chọn... 126
ận
Lu
án
n
tiế
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BF
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Bio-Filter
Lọc sinh học
Bãi chơn lấp
BCL
BOD
Nhu cầu oxy sinh hóa
Biochemical Oxygen Demand
CĐ
COD
Chế độ
Nhu cầu oxy hóa học
Chemical Oxygen Demand
Lu
DON
Dissolved Organic Nitrogen
Nitơ hữu cơ hịa tan
Keo tụ điện hóa
Electrocoagulation
tiế
NRR
Oxy hịa tan
án
EC
Dissolved oxygen
ận
DO
Nước rỉ rác
n
Rác thải sinh hoạt
sĩ
RTSH
Kĩ
S/D
Sục khí/dừng sục khí
th
Tổng chất rắn hịa tan
Total Dissolved Solids
TKN
Total Kjeldahl Nitrogen
TN
Total Nitrogen
Tổng nitơ
TP
Total Phosphorus
Tổng phốt pho
TOC
Total Organic Carbon
Tổng cacbon hữu cơ
TSS
Total Suspended Solids
Tổng chất rắn lơ lửng
VSV
t
uậ
TDS
Tổng nitơ Kendal
Vi sinh vật
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được
cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày
càng nhiều, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH) tính trung bình mỗi năm tăng
khoảng 12% [1]. Lượng RTSH tăng dần theo thời gian dẫn đến lượng nước rỉ rác
(NRR) sinh ra ngày càng tăng. NRR sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh
tại trạm trung chuyển có mức độ ơ nhiễm cao với chỉ số COD lên đến 70000 mg/l
[2], chất rắn hòa tan tới 50000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng đến 2000 mg/l và hàm
lượng nitơ cao tới hơn 3000 mg/l, ... NRR bốc mùi hơi nặng lan tỏa nhiều kilomet,
có thể ngấm xun qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ơ
Lu
nhiễm nguồn nước mặt. Do đó, ơ nhiễm môi trường bởi NRR từ lâu đã là vấn đề
ận
nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo vệ môi trường.
Mặc dù theo quy định mỗi bãi chơn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR
án
nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi
chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng
tiế
n
nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và
nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa
chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý, ... Nguyên nhân là do NRR
có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL. Việc lựa
sĩ
Kĩ
t
uậ
th
chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn
môi trường thải ra sơng, rạch vẫn cịn rất hạn chế trong khi lượng NRR tại các bãi
chơn lấp thì tiếp tục tăng lên. Do đó, vấn đề tìm ra cơng nghệ thích hợp để có thể xử
lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang
hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết.
Phương án kết hợp q trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học
(BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR.
Khác với q trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó
tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, q trình EC có khả năng loại
bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol,
hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh,... là những thành phần khó
phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong
các q trình sinh học. Ngồi ra, q trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm
thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra. Trong khi đó, q
trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD5
2
cao. Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo
có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thơng thường do các giá thể hữu cơ rất
xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú
trên đó, đồng thời các q trình hóa lý khác cũng tham gia vào quá trình xử lý, dẫn
đến quá trình khử nitrat diễn ra rất mạnh. Việc kết hợp 2 công nghệ này cho phép
tối ưu hóa q trình xử lý NRR, nước sau xử lý có thể đạt QCVN25:2009/BTNMT
cột B2.
Trước thực trạng trên việc nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng công
nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học là hết sức cần thiết cho xử lý NRR.
Chính vì lý do trên tơi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương
pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học.
ận
Lu
Mục tiêu nghiên cứu:
Luận án đặt ra mục tiêu nắ m bắ t đươc̣ các công nghê ̣ tiên tiế n để xử lý NRR,
đă ̣c biê ̣t trong đó là công nghê ̣ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này. Thông
qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau:
1/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong
án
n
tiế
NRR bằng EC.
2/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong
NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF.
Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu quá trình EC kết hợp với quá trình BF
sĩ
hiệu
quả
xử
lý
QCVN25:2009/BTNMT cột B2.
NRR,
đảm
bảo
quy
chuẩn
môi
trường
t
uậ
th
tăng
Kĩ
để
Nội dung nghiên cứu:
Giai đoạn xử lý NRR bằng EC
1/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số: mật độ dịng, thời
gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và
độ màu trong NRR bằng điện cực sắt và bằng điện cực nhôm.
Giai đoạn xử lý NRR bằng BF sau q trình EC
2/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí và tải lượng đầu vào
đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau q trình xử lý EC
bằng BF.
Những đóng góp mới của luận án về khoa học và cơng nghệ:
1/ Xác định hiệu quả của điện cực sắt so với điện cực nhôm để xử lý chất ô
nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR tại Việt Nam bằng EC.
3
2/ Kết hợp thành cơng q trình EC với BF để xử lý hiệu quả chất ô nhiễm
(COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR ở quy mơ phịng thí nghiệm.
Kết quả và ý nghĩa thực tiễn của luận án:
1/ Xác định được các giá trị thích hợp: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH,
khoảng cách điện cực để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải
thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR bằng EC.
2/ Xác định được hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ
BOD5/COD trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm. Trong khi đó hiệu
quả xử lý amoni của điện cực nhơm lại cao hơn điện cực sắt.
3/ Xác định được mức tiêu thụ năng lượng xử lý chất ô nhiễm trong NRR
bằng EC.
ận
Lu
4/ Xác định được chế độ sục khí, tải lượng đầu vào thích hợp để đánh giá
hiệu quả xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý
án
EC bằng BF.
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để hồn thiện công nghệ
xử lý NRR bằng EC kết hợp BF. Kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng xử lý
tiế
NRR trong thực tế.
n
Những nội dung chính trong luận án được bảo vệ:
1/ Nghiên cứu mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực
thích hợp xử lý NRR bằng EC. Xác định được mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 ; thời
sĩ
Kĩ
th
gian điện phân 60 phút; pH NRR đầu vào = 8; khoảng cách điện cực là 1cm là phù hợp
t
uậ
khi điện năng tiêu thụ hợp lý để xử lý là 12,83 KWh/m3 NRR.
2/ Nghiên cứu xác định được hiệu quả xử lý COD, TSS và độ màu trong
NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm lần lượt là 31,96; 11,51 và 4,35%.
Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt là
2,82%.
3/ Nghiên cứu xác định được chế độ sục/dừng sục khí và tải lượng thích hợp
cho xử lý NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF là 15/105 phút và với tải lượng
amoni đầu vào khơng vượt q 0,16 kg/m3/ngày thì nước thải hồn tồn đáp ứng
yêu cầu đầu ra của QCVN 25: 2009/BTNMT cột B2. Hiệu suất xử lý COD, amoni,
TSS và độ màu tương ứng là: 73,77 ± 0,65; 98,88 ± 0,01; 83,34 ± 0,53 và 16,70 ±
0,75%.
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nước rỉ rác
1.1.1. Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác
NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm
qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa
tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngồi bãi rác [3].
Các nguồn chính tạo ra NRR bao gồm nước từ phía trên BCL, độ ẩm của rác,
nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu chôn lấp bùn. Việc mất đi của nước được tích
trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác,
hơi nước bão hịa bốc hơi theo khí và nước thốt ra từ đáy BCL.
Lu
NRR được hình thành khi nước thấm vào các ơ chơn lấp theo các cách sau:
ận
- Nước sẵn có và sinh ra do quá trình phân hủy các chất hữu cơ;
án
- Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm vào rác;
- Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn lấp;
tiế
- Nước từ khu vực khác chảy qua có thể thấm vào ơ chơn lấp;
n
- Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp trước khi được phủ đất và sau khi ơ chơn
sĩ
lấp được đóng lại, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn lấp bùn.
Kĩ
Lượng NRR phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước
th
trong ô chôn lấp. Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng NRR được
t
uậ
trình bày trong hình 1.1. và lượng NRR được tính theo cơng thức [4]:
LC = R + RI – RO – E - V
trong đó:
LC - NRR;
R - Nước mưa thấm vào ô chôn lấp;
RI - Dịng chảy từ ngồi thâm nhập vào ơ chơn lấp (bao gồm dòng
chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngồi vào ơ chơn lấp);
RO - Dịng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp;
E - Nước bay hơi;
V - Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu
của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thốt
trong q trình hình thành khí; lượng nước thất thốt do bay hơi theo khí thải. lượng
nước thất thốt ra từ đáy bãi chơn lấp chất thải rắn.
5
Hình 1.1. Các thành phần cân bằng nước trong bãi chôn lấp
Lu
Thành phần của NRR thay đổi trong ô chôn lấp theo 5 giai đoạn như sau:
ận
Giai đoạn thích nghi
án
Ở giai đoạn này q trình phân hủy hiếu khí xảy ra, các chất hữu cơ dễ bị oxi
tiế
hóa thành dạng đơn giản như tinh bột, chất béo, protein và xenlulozơ… Giai đoạn
này kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.
n
sĩ
Giai đoạn chuyển tiếp
Kĩ
VSV hiếu khí tiêu thụ dần oxy thì các VSV kỵ khí bắt đầu xuất hiện và phát
th
triển. Trong các phản ứng chuyển hóa sinh học các gốc nitrat và sunfat đóng vai trị
t
uậ
là chất nhận electron và bị khử thành N2 và H2S. Ở giai đoạn này, bắt đầu có sự
giảm pH do sự có mặt của axit hữu cơ và CO2 gia tăng.
Giai đoạn axit
Axit hữu cơ và khí hydro được tạo ra do VSV kỵ khí gia tăng. Trong điều
kiện yếm khí nghiêm ngặt các VSV dị dưỡng tham gia vào quá trình lên men
chuyển hóa các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường… thành các axit
béo bay hơi, ancol, CO2 và N2. Trong giai đoạn này, pH giảm xuống ≤ 5. Giai đoạn
này kéo dài từ một vài năm đến hàng chục năm. Trong giai đoạn này BOD có giá trị
cao thường > 10000 mg/l.
Giai đoạn lên men metan
Giai đoạn này vi khuẩn metan hình thành dần và chuyển hóa các hợp chất đơn giản,
tạo ra CO2 và CH4 và một số khí khác. Giai đoạn này nhạy cảm hơn giai đoạn chuyển tiếp.
6
NRR tạo ra trong giai đoạn này có giá trị BOD5 /COD thấp. Q trình lên
men axit tạo NH3 thốt ra. Các ion như Fe3+, Na+, K+, SO42- và Cl- tiếp tục được tạo
ra trong nhiều năm.
Giai đoạn chín
Giai đoạn này tiếp tục phân hủy sinh học các chất hữu cơ thành khí metan và
cacbonic. Tốc độ sinh khí giảm do phần lớn các chất dinh dưỡng đã bị khử ở các
giai đoạn trước. Giai đoạn này NRR thường chứa axit humic và fulvic rất khó xử lý
bằng phương pháp sinh học.
Thành phần của NRR bao gồm hai nhóm chính [5]
Các chất hữu cơ: các chất hữu hòa tan, axit humic, axit fulvic, các axit béo,
Lu
các hợp chất của tanin và các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo.
ận
Các chất vô cơ: là các hợp chất của nitơ, lưu huỳnh, photpho, các ion kim loại hòa tan.
án
Các hợp chất khác có thể được tìm thấy trong NRR từ các bãi chôn lấp như:
borat, sunfua, arsenat, selenat, bari, liti, thủy ngân và coban. Tuy nhiên, các hợp
tiế
chất này có nồng độ rất thấp.
n
Thành phần NRR rất khác nhau phụ thuộc thành phần chất thải chôn lấp và
sĩ
thời gian chôn lấp [4]. Hàm lượng chất ô nhiễm trong NRR của bãi mới chôn lấp
Kĩ
chất thải rắn cao hơn rất nhiều so với BCL chất thải rắn lâu năm. Vì trong BCL lâu
th
năm hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy bị phân hủy gần hết. Nước rác BCL mới,
t
uậ
thường có pH thấp nhưng hàm lượng COD, BOD5, chất dinh dưỡng, TDS và kim
loại nặng rất cao. Trái ngược với BCL mới nước rác bãi chôn lấp lâu năm thường có
pH cao (do q trình metan hóa tăng lên) và hàm lượng COD, BOD5, chất dinh
dưỡng, TDS và kim loại nặng lại giảm vì hầu hết các kim loại chuyển sang trạng
thái kết tủa khi pH tăng. Đặc biệt, nước rác BCL lâu năm chứa nhiều hợp chất cao
phân tử nhiều hóa chất độc hại vừa gây màu tối vừa có mùi khó chịu rất khó phân
hủy bằng phương pháp sinh học [4].
Thành phần của NRR trên thế giới
Thành phần NRR trên thế giới được tổng hợp ở bảng 1.1:
7
Bảng 1.1. Đặc trưng của NRR theo độ tuổi bãi chôn lấp [6]
Tuổi BCL
Thông số
Đơn vị
pH
COD
BOD5/COD
Mới (0 – 5 năm)
Trung bình
(5 -10 năm)
Cũ (> 10
năm)
-
< 6,5
6,5 – 7,5
>7,5
mg/l
> 10000
4000 – 10000
< 4000
-
0,5 – 1,0
0,1 – 0,5
< 0,1
80% axit béo dễ bay
hơi
5 – 30% axit béo dễ
bay hơi + axit humic
và axit fulvic
Axit humic
và axit
fulvic
mg/l
< 400
-
> 400
-
< 0,3
0,3 – 0,5
> 0,5
mg/l
100 - 200
-
-
mg/l
Thấp đến trung bình
Thấp
Thấp
Trung bình
Thấp
Hợp chất hữu
cơ
Amoni
Kim loại nặng
-
án
Cao
n
tiế
Khả năng phân
hủy sinh học
ận
N (Kjeldahl)
Lu
TOC/COD
NRR mới có pH, amoni thấp, có hàm lượng các chất hữu cơ cao. Ngược lại
sĩ
Kĩ
NRR cũ lại có pH, amoni cao hơn và có hàm lượng các chất hữu cơ thấp. Đây cũng
là cơ sở quan trọng để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cho từng loại NRR.
th
t
uậ
Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ thể hiện ở bảng 1.2.
Theo số liệu bảng 1.2 thì Thổ Nhĩ Kỳ là quốc gia mà NRR mới có thành phần COD,
TSS và amoni cao. Hy Lạp là quốc gia NRR có hàm lượng COD rất cao tới 70900 mg/l.
Trong các nước Châu Á thì Hồng Kơng Trung Quốc là nơi NRR mới có COD,
nitơ cao. NRR của Đài Loan có BOD5 thấp.
Thành phần của NRR Việt Nam
Thành phần NRR ở Việt Nam thể hiện ở bảng 1.4.
Nước ta chưa có hệ thống phân loại rác tại nguồn nên thành phần rác đến bãi
chôn lấp rất đa dạng kéo theo thành phần NRR rất phức tạp. NRR chứa nhiều chất
độc hại hữu cơ, vô cơ, kim loại nặng.
Thành phần NRR biến động mạnh theo mùa, tuổi bãi chôn lấp, cách thức
chôn và thu gom NRR của từng bãi. Cần phải có các quan trắc để có thơng tin về
thành phần NRR là cơ sở để chọn phương pháp xử lý phù hợp.
8
Bảng 1.2: Thành phần NRR ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ
Nước
Tuổi
BCL
pH
COD
mg/l
BOD5
mg/l
BOD5/
COD
TOC
mg/l
SS
mg/l
TSS
mg/l
NH4+
-N mg/l
NO3mg/l
TN
mg/l
PO43mg/l
TP
mg/
l
Nguồn
trích
dẫn
1
Canada
Trung
bình
6,9– 9,0
3210 –
9190
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[7]
2
Brazin
Cũ
8,2
3460
150
0,04
-
-
-
800
-
-
-
-
[8]
3
Phần
Lan
Cũ
7,1– 7,6
340 - 920
0,09 –
0,25
-
-
-
159 560
-
192
-
-
[9]
4
Ba Lan
Trung
bình
8,0
1180
-
-
-
743
-
-
-
-
[10]
Mới
5,6– 8,2
1075050000
638025000
-
26303930
-
19462002
-
2370
-
-
[11]
Trung
bình
8,15
9500
-
-
21000
1270
7,3
1450
31
33
[8]
Cũ
8,6
10000
-
-
-
1590
-
1680
-
-
[12]
Mới
8,0– 8,2
1054019900
4000
0,20,22
-
-
39175210
-
-
-
-
[13]
Trung
bình
7,9-8,38
3840-5050
12001270
0,250,31
-
480
-
9401330
-
11001670
-
-
[14]
Mới
6,2
70900
26800
0,28
-
950
-
3100
-
3400
-
-
Trung
bình
7,9
5350
1050
0,2
-
-
-
940
-
1100
-
-
0,28
0,5 0,67
n
sĩ
3750
-
Kĩ
-
1600
th
1666
t
uậ
Hy Lạp
331
tiế
7
Italia
62 - 84
án
6
Thổ Nhĩ
Kỳ
ận
5
Lu
T
T
[2]
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
Hàn Quốc
mg/l
10800
-N mg/l
TP
mg/l
SO42mg/l
Clmg/l
Nguồn
trích
dẫn
2400
1682
1766
31,2
162
3160
[15]
404
-
1522
141
-
-
-
[16]
784
-
-
-
-
-
-
[17]
-
-
-
-
-
-
-
Mới
7,3
Cũ
8,57
1.409
Trung
bình
8,22
7439
Trung
bình
6,4 –
7,8
2500 –
4000
-
Cũ
7,9 –
8,8
100 320
80 350
-
8,1
6500
500
0,08
-
1533 –
2580
48 105
0,03 –
0,04
159 233
4820
1300
-
-
Malaysia
Cũ
6
Ân độ
0,19
-
-
[18]
-
-
-
-
-
-
5500
-
-
-
-
[19]
-
-
-
-
-
-
[20]
718
-
-
-
-
360
[21]
-
t
5
0,04
uậ
Trung
bình
-
th
Đài Loan
1436
0,44
NH4+
sĩ
4
62
TSS
mg/l
n
Nepal
24400
COD
SS
mg/l
tiế
3
Hồng Kơng
(TQ)
mg/l
TN
mg/l
pH
án
2
BOD5/
Kĩ
1
BOD5
ận
Nước
COD
Tuổi
BCL
Lu
T
T
5,8
10
Bảng 1.4. Thành phần NRR Việt Nam
Thơng số
Đơn vị
BCL Gị Cát (Hồ
Chí Minh)
BCL Thủy
Phương (Huế)
BCL Tràng Cát
1 (Hải Phịng)
BCL Xn Sơn
(Hà Nội)
BCL Nam Sơn
(Hà Nội)
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
-
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]
7,7 – 8,5
623 – 2442
148 - 398
0,16 – 0,23
184 - 543
42 - 84
1419 – 4874
518 – 1199
-
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]
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]
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]
ận
Lu
n
tiế
sĩ
Kĩ
t
9
[24]
uậ
th
[22]
án
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)
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
Lu
dụng được phân loại rác tại nguồn, cách thức chôn lấp và vận hành bãi chưa được
ận
hợp vệ sinh, cộng với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều. Dẫn đến
án
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
tiế
công việc cần thiết của các nhà khoa học, các bãi chôn lấp và của ngành môi trường
n
quốc gia và cũng là nhiệm vụ của luận án này.
sĩ
1.1.2. Tác động của nước rỉ rác đến mơi trường và con người
Kĩ
NRR có nồng độ các chất ô nhiễm cao như: COD = 2000 – 70000 mg/l, BOD
th
= 1200 – 27000 mg/l và nhiều chất độc hại khác khi thấm vào đất gây ô nhiễm
t
uậ
nguồn nước ngầm, thốt vào hệ thống nước mặt gây ơ nhiễm nguồn nước mặt. Mùi
bốc lên từ NRR gây ô nhiễm môi trường khơng khí. Như vậy khi NRR phát tán vào
mơi 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 mơi 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 hịa tan được hình thành
khi nước xâm nhập vào các lớp rác, hình thành lên một loạt các chất gây ô 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 quá 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 ơ nhiễm, sử dụng dịng
điện một chiều để ăn mịn điện cực dương (thường là nhơm 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:
(1.1)
Fe → Fe2+ + 2e-
(1.2)
Lu
Al → Al3+ + 3e-
ận
Các cation nhôm và sắt tạo ra kết hợp với các ion OH- có mặt trong nước tạo
án
thành các hydroxit nhơm hay sắt [32] theo các phương trình phản ứng sau:
Al3+ + 3OH- → Al(OH)3
(1.3)
tiế
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2
(1.4)
n
Ở cực catot trong bể điện phân xảy ra quá trình oxy hóa nước tạo thành các
sĩ
bọt khí hydro [32]:
Kĩ
H2O + 2e- → H2 + 2OH-
(1.5)
th
Các hydroxit kim loại này sẽ tham gia vào các phản ứng polyme hóa:
t
uậ
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
ận
Lu
án
n
tiế
sĩ
Hình 1.2. Các phản ứng cơ bản trong hệ EC [34]
Kĩ
Các dạng điện cực được sử dụng phổ biến là sắt và nhơm, trong đó theo các
th
kết quả nghiên cứu của Bouhezila và cộng sự [35], Ilhan và cộng sự [36] điện cực
t
uậ
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 dịng, 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+,
