Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ MBR

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Học viên

Nguyễn Thị Hòa

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận
đƣợc sự ủng hộ, giúp đỡ và sự hƣớng dẫn của các thầy giáo, cô giáo, gia đình và bạn
bè.
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS.Đặng Xuân
Hiển và TS. Đặng Minh Hằng đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về mọi
mặt nhất để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong khoảng thời gian qua,
thầy và cô là ngƣời truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm vận hành hệ thống và là ngƣời
theo sát quá trình thực nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa Học và Công Nghệ
Môi Trƣờng, các cán bộ hƣớng dẫn thí nghiệm đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian
vừa qua.
Xin cảm ơn các bạn cùng nhóm nghiên cứu về nƣớc rỉ rác cũng nhƣ các bạn lớp
Kỹ thuật Môi Trƣờng đã cùng đồng hành trong thời gian thí nghiệm nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, 10/2015
Học viên

Nguyễn Thị Hòa

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT ................................................................. viii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 3
1.1.

NƢỚC RỈ RÁC. ................................................................................................ 3

1.1.1. Sự hình thành nƣớc rỉ rác trong bãi chôn lấp .............................................................. 3
1.1.2. Đặc điểm chung của nƣớc rỉ rác thô............................................................................ 3
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc rỉ rác ............................................................................. 6
1.1.4. Xử lý sinh học ............................................................................................................. 10
1.1.5. Các công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác ở Việt Nam ........................................................... 13
1.2.

BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC MÀNG (MBR) ................................................ 14

1.2.1. Các loại vi sinh vật trong xử lý sinh học ................................................................... 14
1.2.2. Thiết kế các quá trình và hoạt động........................................................................... 15
1.2.3. Cơ sở các quá trình màng trong bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng .... 18
1.2.4. Cấu hình MBR............................................................................................................ 22
1.2.5. Ƣu, nhƣợc điểm của MBR ......................................................................................... 24

1.2.6. Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật sinh học kết hợp lọc màng (MBR) trong xử lý
nƣớc thải ................................................................................................................................ 25
1.2.7. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBR trong xử lý nƣớc rỉ rác.............................. 27
1.2.8. Những yếu tố ảnh hƣởng tới hoạt động của MBR trong xử lý nƣớc rỉ rác............. 29
CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 31
2.1. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 31
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................... 31
2.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 31
iii


2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 32
2.2.1. Xử lý hóa lý trƣớc khi đƣa nƣớc rỉ rác vào hệ thống MBR .................................... 32
2.2.2. Mô hình MBR ............................................................................................................. 33
2.2.3. Các bƣớc nghiên cứu .................................................................................................. 36
2.2.4. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ nghiên cứu và phƣơng pháp phân tích.......................... 38
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 41
3.1. KẾT QUẢ SAU XỬ LÝ HÓA LÝ NƢỚC RỈ RÁC KIÊU KỴ ......................... 41
3.2. QUÁ TRÌNH THÍCH NGHI CỦA BÙN HOẠT TÍNH VỚI NƢỚC RỈ RÁC .. 42
3.3. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ HOẠT ĐỘNG TỚI HIỆU SUẤT XỬ LÝ
CỦA HỆ THỐNG MBR ............................................................................................ 46
3.3.1. Ảnh hƣởng của thời gian lƣu thủy lực (HRT) tới hiệu quả xử lý của hệ thống MBR
…………………………………………………………………………………....46
3.3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ bùn (MLSS) tới hiệu quả xử lý của hệ thống MBR........ 51
3.3.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ tuần hoàn bùn tới hiệu quả xử lý của hệ thống MBR............ 56
3.3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ hữu cơ đầu vào tới hiệu quả xử lý của hệ thống MBR ... 59
3.3.5. Ảnh hƣởng của nồng độ DO tới hiệu quả xử lý của hệ thống MBR....................... 62
3.3.6. Xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ, nito và photpho dƣới các điều kiện thích hợp
đã khảo sát ............................................................................................................... 65
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 66

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại và thành phần nƣớc rỉ rác theo tuổi ............................................ 4
Bảng 1.2. So sánh các điều kiện lọc đối với hệ thống MBR dạng ống và nhúng chìm .... 22
Bảng 2.1. Kết quả một số thông số chính trong nƣớc rỉ rác Kiêu Kỵ thô ................ 32
Bảng 3.1. Hiệu suất xử lý của các công đoạn hóa lý ................................................ 41
Bảng 3.2. Các thông số của nƣớc rỉ rác Kiêu Kỵ đầu vào và sau xử lý hóa lý ........ 41

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.3. MBR đặt cạnh .............................................................................................. 22
Hình 1.4. MBR đặt nhúng chìm………………………………………………………22
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống MBR.........................................................................33
Hình 2.2. (a) Hệ thống MBR thực nghiệm; (b) Màng MF ............................................36
Hình 3.1. Nƣớc rỉ rác qua các bƣớc xử lý hóa lý .......................................................... 42
Hình 3.2. Bùn hoạt tính ttrong giai đoạn thích nghi ......................................................42
Hình 3.3. Bông bùn trong .............................................................................................. 42
ngăn hiếu khí .................................................................................................................42
Hình 3.4. Thể tích bùn lắng trong ống đong theo thời gian (phút) qua các ngày thích
nghi ................................................................................................................................ 43
Hình 3.5. Sự thay đổi MLSS và SVI trong giai đoạn thích nghi ...................................44
Hình 3.6. Sự thay đổi MLSS và hiệu suất xử lý COD qua 22 ngày thích nghi.............45
Hình 3.7. Sự thay đổi thông lƣợng dòng thấm qua màng tại các HRT khác nhau ........46
Hình 3.8. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý COD dƣới các thời gian lƣu thủy lực
khác nhau .......................................................................................................................47

Hình 3.9. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý nito dƣới các thời gian lƣu thủy lực
khác nhau .......................................................................................................................49
Hình 3.10 thể hiện sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý photpho dƣới các thời gian
lƣu thủy lực khác nhau. .................................................................................................50
Hình 3.10. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý photpho dƣới các thời gian lƣu thủy
lực khác nhau .................................................................................................................50
Hình 3.11. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 và SS dƣới các thời gian lƣu
thủy lực khác nhau .........................................................................................................51
Hình 3.12. Sự thay đổi thông lƣợng dòng thấm qua màng tại các nồng độ bùn khác
nhau ............................................................................................................................... 52
Hình 3.13. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý COD tại các nồng độ bùn khác nhau ......53
Hình 3.14. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý nito tại các nồng độ bùn khác nhau ......54
Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý photpho tại các nồng độ bùn khác
nhau ............................................................................................................................... 55
Hình 3.16. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 và SS tại các nồng độ bùn
khác nhau .......................................................................................................................56
Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý COD tại các tỷ lệ tuần hoàn bùn
khác nhau .......................................................................................................................56
vi


Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý nito tại các tỷ lệ tuần hoàn bùn khác
nhau ............................................................................................................................... 57
Hình 3.19. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý photpho tại các tỷ lệ tuần hoàn bùn
khác nhau .......................................................................................................................58
Hình 3.20. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý COD tại các nồng độ hữu cơ đầu
vàokhác nhau ..................................................................................................................59
Hình 3.21.Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý nito tại các nồng độ hữu cơ đầu vào khác
nhau. ............................................................................................................................... 60
Hình 3.22. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý TP tại các nồng độ hữu cơ đầu vàokhác

nhau ................................................................................................................................ 61
Hình 3.23. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý COD tại các nồng độ DO khác nhau ......62
Hình 3.24. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý nito tại các nồng độ DO khác nhau ......63
Hình 3.25. Sự thay đổi nồng độ và hiệu suất xử lý TP tại các nồng độ DO khác nhau .......64
Hình 3.26. Nồng độ đầu ra và hiệu suất xử lý các thông số chính tại các điều kiện vận
hành đã khảo sát………………………………………………………………………65

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
TT
1
2

Ký hiệu
Tiếng Anh
COD
Chemical oxygen demand
BOD
Biochemical oxygen

Tiếng Việt
Nhu cầu oxy hóa học
Nhu cầu oxy sinh hóa

demand
3

TP

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Total phosphorus

Tổng photpho

TKN
SS
SVI

Total Kjeldahl nitrogen
Suspended solid
Sludge volume index

Tổng nitơ Kendan
Chất rắn lơ lửng
Chỉ số thể tích lắng của bùn

SV
MLSS

Sludge volume
Mixed liquor suspended

Thể tích bùn lắng
Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng trong

solid
MLVSS Mixed liquor volatile
suspended solid
F/M
HRT
DO
AOPs

hỗn hợp lỏng
Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng bay hơi

Food/ microorganism ratio
Hydraulic retention time
Dissolved oxygen
Advanced oxidation

Tỷ lệ thức ăn và vi sinh
Thời gian lƣu của nƣớc thải
Hàm lƣợng oxy hòa tan
Phƣơng pháp oxy hóa nâng cao

processes
14

15

UV Vis
CAS

16

MBR

17
18

QCVN
BTNMT

19

HDTN

Ultraviolet radiation
Visible
Conventional activated
sludge
Membrane Bioreactor

Máy quang phổ tử ngoại khả kiến
Bùn hoạt tính thông thƣờng
Bể phản ứng sinh học kết hợp lọc
màng
Quy chuẩn Việt Nam

Bộ Tài nguyên Môi trƣờng
Hƣớng dẫn thí nghiệm

viii


LỜI MỞ ĐẦU
Nƣớc rỉ rác là nƣớc thải phức tạp với những thay đổi đáng chú ý cả về chất và
lƣợngtheo tuổi của bãi chôn lấp. Nhìn chung, nƣớc rỉ rác thƣờng chứa các chất ô
nhiễm hữu cơ cao, đƣợc thể hiện qua các thông số nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu
cầu oxy sinh hóa (BOD), và nồng độ nito amoni cao. Các quá trình sinh học thƣờng
không xảy ra hiệu quả trong các bãi chôn lấp tƣơng đối già. Nƣớc rỉ rác có chứa nồng
độ các chất hữu cơ và nito cao gây ra những vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng tới khu
vực gần bãi chôn lấp.
Nhiều phƣơng pháp xử lý sinh học đã đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc rỉ rác.
Các hệ thống hiếu khí làm thoáng kéo dài, các bể phản ứng sinh học hoạt động theo
mẻ và các ao sục khí có thể đóng vai trò nhƣ các phƣơng tiện xử lý nƣớc rỉ rác. Những
hệ thống này có thể không hiệu quả khi xử lý nƣớc rỉ rác có chứa các chất hữu cơ và
amoni nồng độ rất cao. Do nồng độ amoni trong nƣớc rỉ rác cao và độc tính của amoni,
vì thế các đặc tính của bùn trong các hệ thống xử lý sinh học dễ bị ảnh hƣởng. Các quá
trình xử lý sinh học riêng lẻ đều không đạt đƣợc hiệu quả xử lý cao. Do vậy, xử lý
nƣớc rỉ rác cần một số các công nghệ xử lý tiên tiến, đảm bảo nƣớc đầu ra đạt các tiêu
chuẩn cần thiết.
Công nghệ bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng (MBR) là công nghệ kết hợp
giữa quá trình bùn hoạt tính và lọc màng. Công nghệ MBR cũng đƣợc sử dụng trong
nhiều trƣờng hợp cần chất lƣợng lƣợng nƣớc đầu ra vƣợt quá khả năng xử lý của CAS.
MBR tạo ra quá trình lắng hiệu quả và nƣớc thải đầu ra đƣợc khử trùng hiệu quả.
Ngoài ra, nó cho phép giảm kích thƣớc bể cần thiết và làm tăng hiệu quả của quá trình
xử lý sinh học. Vì thế, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công
nghệ MBR” là cần thiết nhằm tìm kiếm công nghệ khả thi để xử lý hiệu quả đƣợc

nhiều thành phần phức tạp trong nƣớc rỉ rác
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác già từ bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ bằng
công nghệ bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng (MBR). Nƣớc rỉ rác đã đƣợc tiền xử

1


lý bằng các phƣơng pháp keo tụ, kết tủa thích hợp để đạt đƣợc tiêu chuẩn đầu vào của
một hệ thống sinh học.
Mục tiêu của đề tài
 Tổng quan đƣợc công nghệ MBR ứng dụng để xử lý nƣớc rỉ rác và động học
của các quá trình sinh học xảy ra trong quá trình xử lý;
 Tiền xử lý hoá lý nƣớc rỉ rác già bằng các phƣơng pháp thích hợp để đạt tới
điều kiện đƣa vào hệ thống xử lý sinh học;
 Xác định đƣợc một số thông số chính ảnh hƣởng đến hoạt động xử lý nƣớc rỉ
rác trong hệ thống MBR: quá trình thích nghi bùn, thời gian lƣu thủy lực, tải trọng hữu
cơ, tỷ lệ tuần hoàn bùn, nồng độ oxy hòa tan;
 Lựa chọn một số thông số công nghệ MBR phù hợp ứng dụng trong xử lý nƣớc
rỉ rác.
Nội dung nghiên cứu
 Tiền xử lý nƣớc rỉ rác bằng phƣơng pháp hóa lý thích hợp để đảm bảo chất
lƣợng nƣớc đầu vào cho hệ thống MBR. Xác định đƣợc các đặc tính của nƣớc rỉ rác
thô và nƣớc rỉ rác sau quá trình tiền xử lý.
 Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số chính đến hoạt động xử lý nƣớc rỉ rác
trong hệ thống MBR: quá trình thích nghi bùn, thời gian lƣu thủy lực, nồng độ hữu cơ
đầu vào, tỷ lệ tuần hoàn bùn, nồng độ oxy hòa tan.
 Đánh giá hiệu quả xử lý của các thành phần ô nhiễm (COB, BOD5, NH4+, NO3NO2-, TKN, TP) và các quá trình diễn ra trong hệ thống. Từ đó, phân tích lựa chọn ra
một số điều kiện về công nghệ MBR phù hợp để ứng dụng xử lý nƣớc rỉ rác đã qua
quá trình tiền xử lý.

2


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1.

NƢỚC RỈ RÁC.

1.1.1. Sự hình thành nƣớc rỉ rác trong bãi chôn lấp
Nƣớc rỉ rác (nƣớc rác) là lớp nƣớc thấm qua lớp chất thải rắn mang nhiều chất ô
nhiễm hòa tan hoặc các chất lơ lửng, đƣợc hình thành do các quá trình lý, hóa và sinh
học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp. Nƣớc rỉ rác có chứa nhiều hợp chất, phụ thuộc vào
loại chất thải đƣợc chôn trong bãi. Nƣớc rỉ rác có thể là chất độc đối với sự sống hoặc
có thể làm thay đổi hệ sinh thái của một dòng sông nếu nó không đƣợc xử lý.
Nƣớc rác đƣợc hình thành trong bãi chôn lấp chủ yếu do các quá trình sau:
-

Nƣớc từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ

-

Nƣớc từ bên ngoài đi vào bãi chôn lấp: nƣớc mặt, nƣớc ngầm, nƣớc mƣa.

-

Nƣớc từ rác thoát ra do nƣớc có độ ẩm, trong quá trình nén rác nƣớc thoát ra và

gia nhập vào nƣớc rác.
1.1.2. Đặc điểm chung của nƣớc rỉ rác thô

Các hợp phần chính trong nƣớc rỉ rác là:
-

Các ion lớn, nhƣ: canxi, magie, kali, sắt, natri, amoni, bicacbonat, sunphat và

clo…
-

Các kim loại dạng vết nhƣ: kẽm, đồng, crom, niken, chì, cadimi…

-

Các hợp chất hữu cơ đƣợc xác định dƣới dạng: tổng cacbon hữu cơ (TOC), nhu

cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD)…
-

Các hợp phần vi sinh vật.
Thành phần của nƣớc rỉ rác chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố chính sau: (a)

tuổi bãi chôn lấp, (b) chất và lƣợng của chất thải, (c) các quá trình sinh học và hóa học
xảy tra trong bãi chôn lấp và (d) lƣợng nƣớc mƣa [34].
Thành phần hoá học của nƣớc rác trƣớc hết phụ thuộc vào mức độ phân huỷ của
rác (nhiệt độ, độ ẩm, tuổi, điều kiện môi trƣờng), chúng khác nhau rất rõ rệt đối với
từng bãi cụ thể. Nƣớc thải từ các bãi rác với mức độ phân huỷ thấp (mới, mùa khô,
lạnh) đang trong giai đoạn axit hoá thì 80-90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ
dễ bay hơi có khả năng sinh huỷ cao. Ngƣợc lại nƣớc thải từ bãi rác có độ phân huỷ

3

sâu (giai đoạn tạo khí metan đang và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu
là các chất trơ, khó sinh huỷ nhƣ axit humic, fulvic, lignin với hàm lƣợng rất cao [1].
Thành phần hóa học của nƣớc rỉ rác sẽ thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào tuổi của
bãi chôn lấp. Tuổi của bãi chôn lấp thƣờng đƣợc phân chia thành 3 loại nhƣ sau: mới
(ít hơn 5 năm), trung bình (5 – 10 năm) và cũ (lớn hơn 10 năm). Trong số các thành
phần của nƣớc rỉ rác, tỷ lệ BOD/COD thƣờng đƣợc thừa nhận là đặc điểm đặc trƣng
cho nƣớc rỉ rác bởi nó liên quan trực tiếp tới khả năng phân hủy sinh học của nƣớc rỉ
rác. Nƣớc rỉ rác mới thƣờng có nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao nhƣ
các axit béo bay hơi (VFA) và do đó tỷ lệ BOD/COD cao, tỷ lệ BOD/COD > 0,5 khi
nƣớc rỉ rác ở giai đoạn mới hình thành. Hầu hết lƣợng BOD này sẽ đƣợc phân hủy
trong quá trình ổn định bãi. Do đó, tỷ lệ BOD/COD giảm dần theo thời gian bởi các
hợp chất không có khả năng phân hủy sinh học trong COD không bị ảnh hƣởng trong
quá trình phân hủy này. Tỷ lệ nƣớc rác mới, trung bình, cũ thƣờng nằm tƣơng ứng
trong khoảng lớn hơn 0,5; 0,1 – 0,5 và thấp hơn 0,1. Tuy nhiên, ranh giới phân biệt
giữa nƣớc rác cũ và trung bình đôi khi vẫn chƣa rõ ràng. Các loại nƣớc rác có tỷ lệ
BOD/COD thấp hơn 0,2 cũng có thể đƣợc xử lý nhƣ đối với nƣớc rác cũ. Nƣớc rác đã
ổn định cũng có hàm lƣợng NH3-N và các vật chất khó phân hủy cao [34].
Bảng 1.1. Phân loại và thành phần nƣớc rỉ rác theo tuổi [7]
Thông số

Mới

Trung bình

Cũ

Tuổi (năm)

<5

5 – 10

> 10

pH

< 6,5

6,5 – 7,5

> 7,5

BOD/COD

> 0.5

0,1 – 0,5

< 0,1

COD (mg/l)

> 10.000

4.000 – 10.000

< 4.000

NH3-N (mg/l)

< 400

–

> 400

Các kim loại nặng

Thấp – trung bình

Thấp

Thấp

Khả năng phân hủy sinh học

Cao

Trung bình

Thấp

Nƣớc rác đƣợc tách ra khỏi bãi chôn, thƣờng đƣợc gom về các hồ chứa trƣớc
khi đƣợc xử lý và thải ra môi trƣờng. Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD,
COD) và hợp chất nitơ trong nƣớc thải dƣới sự tƣơng tác của vi sinh vật, điều kiện vật
4


lý (gió, mƣa, khô, hanh, nóng, lạnh) và thực vật là đối tƣợng đáng quan tâm khi đánh

giá đặc trƣng của nƣớc rác [1].
Thành phần, tính chất nước rỉ rác ở Việt Nam:
Việt Nam vẫn chƣa áp dụng các phƣơng pháp phân loại rác tại nguồn nên thành
phần nƣớc rỉ rác rất phức tạp. Thành phần nƣớc rỉ rác có thể biến động rất lớn, tùy
thuộc vào tuổi của bãi chôn lấp, thời gian lấy mẫu – mùa mƣa hay mùa khô và theo
những xu hƣớng khá nhau. Một số kết quả phân tích nƣớc rỉ rác từ bãi chôn lấp rác
Nam Sơn - Hà Nội (2005), Xuân Sơn - Hà Nội (2012), bãi chôn lấp Thủy Phƣơng Huế (2009) đã chỉ ra ra rằng:
Dựa vào các đặ

đƣợ

ại: nƣớc rỉ

rác mới (2 – 3 năm sau khi bãi chôn lấp đi vào hoạt động) và n

ừ năm

thứ 4 – 5 trở đi), có thể nhận thấy n

ại khác nhau:

trong giai đoạn 3 – 6 tháng đầu, n

xít, với nồng độ COD,

BOD, các kim loại nặng đều từ cao đến rất cao, pH và NH4+ tƣơng đối thấp. Giai đoạn
tiếp theo, nồng độ các ion tự do giảm nhiều, pH trung tính, NH4+ bắt đầu tăng, nhƣng
COD và BOD vẫn còn rất cao [2, 3].
-

pH của nƣớc rỉ rác dao động trong khoảng từ 6,5 – 8,5

-

Giá trị COD tại ô chôn lấp cao, từ 327 – 22.783 mg/l

-

Nồng độ nito dao động lớn: 62 – 2.427 mg/l

-

Các đặc trƣng về hàm lƣợng TDS, BOD5, COD, tổng nito cao và dao

động rất lớn theo thời gian. Nồng độ TDS dao động từ 4,47 – 19.875 mg/l, BOD5 từ
148 – 12.320 mg/l. Nồng độ COD, BOD5 ở bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội tƣơng ứng
có thể lên tới 22.783 mg/l và 12.320 mg/l.
Nhìn chung, ở nhiều nƣớc trên thế giới, nhiều bãi chôn lấp đã áp dụng việc
phân loại rác tại nguồn và áp dụng các công nghệ thu hồi, tái chế chất thải rắn nên
thành phần và tính chất nƣớc rỉ rác ít phức tạp hơn các bãi chôn lấp ở Việt Nam. Hầu
hết chất thải rắn ở nƣớc ta không đƣợc phân loại. Vì thế, thành phần nƣớc rỉ rác ở Việt
Nam không những thay đổi theo thời gian mà còn phức tạp hơn so với một số nƣớc
khác. Thành phần nƣớc rỉ rác ở nƣớc ta cao và phức tạp cũng do ảnh hƣởng của việc
vận hành bãi chôn lấp chƣa đảm bảo một bãi chôn lấp hợp vệ sinh và điều kiện khí hậu
5


ẩm ƣớt, mƣa nhiều. Do vậy, việc lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác phù hợp ở nƣớc
ta cũng gặp nhiều khó khăn.
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc rỉ rác

Các phƣơng pháp xử lý nƣớc rỉ rác thông thƣờng có thể đƣợc phân chia thành 3
nhóm chính: (a) chuyển nƣớc rỉ rác sang dòng thải khác: tuần hoàn và xử lý kết hợp
với dòng thải sinh hoạt, (b) các phƣơng pháp hóa học và cơ học: oxy hóa hóa học, hấp
phụ, kết tủa hóa học, đông/keo tụ, lắng/tuyển nổi và đuổi khí, (c) phân hủy sinh học:
các quá trình hiếu khí và yếm khí.
1.1.3.1. Chuyển nước rỉ rác sang dòng thải khác
Xử lý kết hợp với dòng thải sinh hoạt
Trƣớc đây, biện pháp thƣờng đƣợc sử dụng để sử xử lý nƣớc rỉ rác là hòa trộn
nƣớc rỉ rác với nƣớc thải sinh hoạt trong nhà máy xử lý nƣớc thải sinh hoạt. Phƣơng
pháp này khá đƣợc ƣa chuộng do có thể dễ dàng duy trì và chi phí hoạt động thấp. Tuy
nhiên, sự có mặt của các hợp chất gây ức chế hữu cơ với khả năng phân hủy sinh học
thấp và các kim loại nặng có thể làm giảm hiệu quả xử lý và làm tăng nồng nồng độ
nƣớc đầu ra. Đặc điểm của phƣơng pháp thay thế này là nito (trong nƣớc rác) và
photpho (trong nƣớc thải sinh hoạt) không cần thiết phải bổ sung thêm tại nhà máy.
Phƣơng pháp xử lý kết hợp sử dụng bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR) bao gồm các
giai đoạn dẫn nƣớc vào, thiếu khí, hiếu khí và lắng. Khi tỷ lệ nƣớc thải sinh hoạt so với
nƣớc rác là 9/1, hiệu quả xử lý BOD và nito đạt đƣợc là 95% và 50% tại thời điểm kết
thúc của các chu kỳ ngày. Hiệu quả khử COD và NH4+ - N cũng giảm khi tăng tỷ lệ
nƣớc rỉ rác/nƣớc thải sinh hoạt. Hơn nữa, chất lƣợng nƣớc đầu ra cũng đƣợc cải thiện
khi bổ sung thêm cacbon hoạt tính dạng bột (PAC), đặc biệt nếu đầu vào nƣớc rỉ rác
vƣợt quá 10% [7].
Tuần hoàn
Tuần hoàn nƣớc rỉ rác trở lại phía trên bãi chôn lấp đƣợc sử dụng khá nhiều
trong thập kỷ qua bởi nó là một trong những công cụ hiện hữu tốn ít chi phí nhất. Tuần
hoàn nƣớc rác làm tăng hàm lƣợng ẩm trong hệ thống phản ứng đƣợc kiểm soát, cung
cấp sự phân bố dinh dƣỡng và enzyme giữa các loài vi sinh vật metan hóa và pha
rắn/lỏng. Tuần hoàn nƣớc rỉ rác không chỉ tăng cƣờng chất lƣợng nƣớc đầu ra, mà còn
6

rút ngắn thời gian cần thiết để ổn định bãi chôn lấp từ vài thập kỷ xuống 2-3 năm. Tuy
nhiên, tốc độ tuần hoàn cao có thể gây ảnh hƣởng bất lợi tới quá trình phân hủy yếm
khí chất thải rắn. Tuần hoàn nƣớc rỉ rác có thể dẫn tới sự ức chế quá trình metan hóa
do nó có thể tạo ra hàm lƣợng các axit hữu cơ cao (pH<5) gây độc cho các vi sinh vật
metan hóa. Hơn nữa, nếu thể tích nƣớc rỉ rác đƣợc tuần hoàn rất cao, các vấn đề nhƣ
bão hòa, ngƣng đọng nƣớc và các điều kiện axit hóa có thể xuất hiện [7].
1.1.3.1.

Xử lý cơ học/hóa học

Các quá trình cơ học và hóa học bao gồm khử các chất rắn lơ lửng, các vật chất
dạng keo, vật liệu nổi, đông/keo tụ, hấp phụ, oxy hóa hóa học và đuổi khí. Các quá
trình xử lý cơ học/hóa học đối với nƣớc rỉ rác đƣợc sử dụng bổ sung trong dòng xử lý
(tiền xử lý hoặc tinh sạch sau cùng) hoặc để xử lý một chất ô nhiễm cụ thể (đuổi khí
amoni).
Tuyển nổi
Trong nhiều năm, tuyển nổi đã đƣợc sử dụng rộng rãi và tập trung xử lý các hạt
keo, ion, các đại phân tử, vi sinh vật và các dạng sợi. Gần đây, Zouboulis và các cộng
sự đã đánh giá việc sử dụng quá trình tuyển nổi trong cột, nhƣ một bƣớc sau lý sau
cùng để loại bỏ các axit mùn tồn dƣ (các hợp chất không có khả năng phân hủy sinh
học) khỏi nƣớc rỉ rác đã xử lý. Dƣới các điều kiện tối ƣu, gần nhƣ 60% axit humic đã
đƣợc loại bỏ [51].
Đông – keo tụ
Đông tụ và keo tụ có thể đƣợc sử dụng thành công trong xử lý các nƣớc rỉ rác ở
bãi chôn lấp đã ổn định và già. Nó đƣợc sử dụng nhƣ một bƣớc tiền xử lý, trƣớc bƣớc
xử lý sinh học hoặc bƣớc thẩm thấu ngƣợc, hoặc nhƣ một bƣớc xử lý tinh sạch cuối
cùng để loại bỏ các vật chất hữu cơ không có khả năng phân hủy sinh học. Al2(SO4)3,
Fe2(SO4)3, FeCl2 và FeCl(SO4)3 là những chất keo tụ thƣờng đƣợc sử dụng. Hơn nữa,
sự kết hợp của các chất đông tụ và các chất keo tụ có thể tăng cƣờng tốc độ lắng keo
[13].

Tuy nhiên, phƣơng pháp này hiện vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm: sinh ra một
lƣợng lớn bùn đặc và có thể làm tăng nồng độ nhôm hoặc sắt trong pha lỏng.
Kết tủa hóa học
7


Trong xử lý nƣớc rỉ rác, kết tủa hóa học đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ một bƣớc
tiền xử lý để loại bỏ nito dạng amoni nồng độ cao. Các ion amoni đƣợc kết tủa bằng
cách

bổ

sung

Magie-nhôm-photphat

(MAP)

cùng

với

MgCl2.6H2O

và

Na2HPO4.12H2O với tỷ lệ Mg:NH4:PO4 là 1:1:1 tại pH 8,5 – 9. Nồng độ amoni giảm
từ 560 xuống 110 mg/l trong 15 phút bởi phƣơng pháp này. Gần đây, kết tủa struvite
(Mg:NH4:PO4 = 1:1:1) đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý amoni. Nồng độ nito
amoni tƣơng ứng giảm 72 và 20% tại pH 12 và 10-11 [26].

Đuổi khí
Ngày nay, một trong những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng nhất để loại bỏ
NH4+ nồng độ cao đuổi khí. Để phƣơng pháp này có hiệu quả, pH cả nƣớc thải phải
cao và các pha khí ô nhiễm phải đƣợc xử lý bằng H2SO4 hoặc HCl. Marttinen và các
cộng sự đã ghi nhận hiệu quả loại bỏ amoni đạt 89% tại pH = 11 và nhiệt độ 20°C
trong thời gian lƣu 24 giờ [35]. Tuy nhiên, một vấn đề lớn liên quan tới đuổi khí amoni
là sự giải phóng NH3 vào trong khí quyển, gây ra ô nhiễm không khí nếu amoni không
đƣợc hấp thụ bằng H2SO4 hoặc HCl. Các hạn chế khác là vùng canxi cacbonat của
tháp đuổi khí, khi vôi đƣợc sử dụng để điều chỉnh pH, và vấn đề sinh ra bọt xuất hiện
trong tháp đuổi khí lớn.
Hấp phụ
Quá trình hấp phụ đƣợc sử dụng nhƣ một bậc tích hợp các quá trình hóa học –
vật lý – sinh học để xử lý nƣớc rỉ rác, hoặc có thể sử dụng đồng thời với một quá trình
xử lý sinh học. Chất hấp phụ thƣờng đƣợc sử dụng nhất là cacbon hoạt tính dạng hạt
hoặc dạng bột (PAC). Hấp phụ của cacbon cho phép loại bỏ từ 50 – 70% cả COD và
nito dạng amoni. Do đó, mục đích của hấp thụ cacbon hoạt tính là để (i) đảm bảo hàm
lƣợng cuối cùng của các kim loại nặng hoặc các chất hữu cơ độc, nhƣ AOX, PCB đạt
tiêu chuẩn chép (ii) hỗ trợ các vi sinh vật.
Một số nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác đồng thời bằng hấp phụ và sinh học đã
đƣợc thực hiện. Ví dụ, nƣớc rác đã tiền xử lý (đông-keo tụ hoặc đuổi khí amoni) đƣợc
sử dụng để xử lý sinh học trong bể hiếu khí với chế độ hoạt động theo mẻ lặp lại, bể
đƣợc bổ sung các chất hấp phụ (PAC và zeolite dạng bột). Hiệu quả xử lý COD đạt
gần 87% và 77% khi sử dụng tƣơng ứng PAC và zeolite ở nồng độ 2 g/l. Hiệu quả loại
8


bỏ BOD và amoni gần nhƣ đạt 100%, và hiệu quả loại bỏ COD đạt 69%. Hơn nữa, tốc
độ xử lý là 36 gBOD/m2ngày và 11 g amoni/m2ngày, tƣơng đồng với những kết quả
thu đƣợc khi xử lý bằng các hệ thống hiếu khí chi phí cao [7].
Hạn chế chính của phƣơng pháp là sự tái sinh thƣờng xuyên các cột hoặc lƣợng

bột cacbon hoạt tính (PAC) sử dụng tƣơng đối lớn. Hấp phụ bằng cacbon hoạt tính
đƣợc sử dụng cùng với quá trình xử lý sinh học để xử lý nƣớc rỉ rác hiệu quả hơn. Các
chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, COD trơ và độ màu có thể đƣợc khử tới các mức
có thể chấp nhận trong quá trình xử lý nƣớc rỉ rác bằng phƣơng pháp sinh học.
Oxy hóa hóa học
Oxy hóa hóa học là phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong xử lý nƣớc rỉ
rác. Các quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) đang nhận đƣợc nhiều sự chú ý. Ngoại trừ
quá trình ozon hóa đơn giản (O3), hầu hết các quá trình AOP sử dụng kết hợp các chất
oxy hóa mạnh, ví dụ O3 và H2O2, bức xạ; tia cực tím (UV), siêu âm (US) hoặc các
chùm tia điện (EB), và các chất xúc tác; chuyển vị các ion kim loại hoặc xúc tác quang
học. AOP đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc rác già hoặc đã đƣợc ổn định:
- Oxyt hóa các hợp chất hữu cơ thành trạng thái oxy hóa ổn định cao nhất của nó
là cacbon dioxit hoặc/và nƣớc (nghĩa là đạt sự khoáng hóa hoàn toàn),
- Cải tiện khả năng có thể phân hủy sinh học của các chất ô nhiễm hữu cơ khó
phân hủy tới giá trị thích hợp để xử lý sinh học một cách hiệu quả về mặt kinh tế.
Nhiều nghiên cứu đã sử dụng quá trình ozon hóa nhƣ bƣớc xử lý nƣớc thải bậc
ba trƣớc khi xả thải ra môi trƣờng, hiệu quả loại bỏ COD khoảng 50 – 70% trong hầu
hết các trƣờng hợp. Đôi khi, hiệu quả xử lý các nƣớc rác đã ổn định đạt mức trung
bình. Theo một số nghiên cứu, sau 1 giờ ozon hóa (1.3 – 1.5 g O3/g COD phân hủy),
chỉ 30% COD đƣợc xử lý. Hiệu quả COD đƣợc tăng cƣờng rất nhiều khi kết hợp các
chất oxy hóa (H2O2/O3) hoặc bổ dung thêm hệ thống bức xạ (H2O2/UV). Hiệu quả loại
bỏ các vật chất hữu cao khoảng 90% khi sử dụng quá trình H2O2/O3. Các quá trình
Fenton và quang – Fenton cho phép giảm lƣợng COD tƣơng ứng 45 – 75% và 70 –
78%. Theo mục tiêu cải thiện khả năng phân hủy sinh học, tỷ lệ BOD/COD đạt gần 0,5
sau quá trình oxy hóa sử dụng quá trình Fenton. Những công nghệ này đã đƣợc áp
dụng để xử lý hoặc phân hủy chủ yếu các hợp chất mùn [7].
9


Tuy nhiên, các hạn chế chung của AOP là nhu cầu về năng lƣợng điện cao cho

các thiết bị nhƣ thiết bị ozon hóa, đèn UV, máy siêu âm, dẫn tới chi phí xử lý cao hơn.
Để phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm, liều lƣợng chất oxy hóa cao là cần thiết, làm
cho quá trình đắt hơn về mặt kinh tế. Bên cạnh đó, một vài sản phẩm oxy hóa trung
gian có thể làm tăng độc tính của nƣớc rỉ rác.
1.1.4. Xử lý sinh học
Do tính khả thi, đơn giản và chi phí – hiệu quả cao, nên xử lý sinh học (sinh
trƣởng lơ lửng/bám dính) thƣờng đƣợc sử dụng để loại bỏ khối nƣớc rỉ rác có chứa
nồng độ BOD cao. Các quá trình sinh học xử lý hiệu quả các vật chất hữu cơ và nito từ
nƣớc rỉ rác của bãi chôn lấp tuổi trung bình khi tỷ lệ BOD/COD cao (>0,5).
1.1.4.1. Xử lý hiếu khí
Các quá trình sinh khối sinh trưởng lơ lửng
Các bể sục khí đƣợc xem nhƣ một phƣơng pháp hiệu quả và chi phí thấp để loại
bỏ các mầm bệnh, các vật chất hữu cơ và vô cơ. Chi phí vận hành và duy trì thấp làm
cho chúng trở thành sự lựa chọn phổ biến khi xử lý nƣớc thải, đặc biệt tại các nƣớc
dang phát triển do không cần nhiều kỹ năng đặc biệt khi vận hành hệ thống. Hiệu quả
loại bỏ N, P trong hệ thống này thƣờng hơn 70% đối với nƣớc rỉ rác đã pha loãng.
Orupold và các cộng sự đã nghiên cứu tính khả thi của các bể hiếu khí trong xử lý các
hợp chất phenol cũng nhƣ các vật chất hữu cơ [39]. Hiệu quả xử lý COD đạt 55 – 64%
và phenol đạt 80 – 88%. Tuy nhiên, do các yêu cầu nghiêm ngặt đƣợc đặt ra, các bể
hiếu khí không thể là công cụ xử lý hoàn toàn thích hợp để xử lý nƣớc rỉ rác mặc dù
chi phí của nó khá thấp.
Thậm chí ngay cả khi hiệu quả xử lý cacbon hữu cơ, các chất dinh dƣỡng và
amoni đƣợc cải thiện, công nghệ vẫn còn rất nhiều nhƣợc điểm nhƣ sau:
Khả năng lắng bùn không đủ và thời gian sục khí chƣa đủ dài
Nhu cầu năng lƣợng cao và sản sinh nhiều bùn thải
Ức chế vi sinh vật do hàm lƣợng nito dạng amoni quá cao
Đặc biệt, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các bể hiếu khí là một hạn chế lớn bởi
nó ảnh hƣởng chính tới hoạt động của các vi sinh vật. Do đó, gần đây chỉ một số
nghiên cứu liên quan đến xử lý nƣớc rỉ rác bằng bùn hoạt tính đƣợc thực hiện.
10

Bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR) khá thích hợp đối với các quá trình nitrat
hóa – khử nitrat do nó cung cấp một chế độ hoạt động phù hợp với quá trình oxy hóa
cacbon hữu cơ đồng thời với quá trình nitrat hóa. Nhiều tác giả đã ghi nhận hiệu quả
loại bỏ COD lên tới 75%. Hiệu quả loại bỏ NH3-N lên tới 99% cũng đƣợc nhận thấy
bởi Lo trong quá trình xử lý hiếu khí nƣớc rỉ rác sinh hoạt trong SBR với thời gian lƣu
từ 20 – 40 ngày [34].
Các hệ thống sinh khối sinh trưởng bám dính
Do những vấn đề chính của bùn là sự kết khối hoặc không đủ khả năng phân
tách trong các hệ thống hiếu khí thông thƣờng, nên một số quá trình hiếu khí cải tiến,
đƣợc gọi là hệ thống sinh khối sinh trƣởng bám dính, gần đây đã đƣợc phát triển.
Những hệ thống này có ƣu điểm là không mất mát sinh khối hoạt tính. Quá trình nitrat
cũng ít bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ thấp hơn so với trong các hệ thống sinh trƣởng lơ
lửng, và bởi quá trình ức chế do hàm lƣợng nito cao.
Các thiết bị lọc nhỏ giọt. Các thiết bị lọc nhỏ giọt có hiệu quả xử lý nito sinh
học trong nƣớc rỉ rác từ bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt khá thấp. Các thiết bị lọc sinh
học vẫn là một công cụ đƣợc ƣu tiên ứng dụng cho quá trình nitrat hóa bởi phƣơng tiện
lọc chi phí thấp. Trong nghiên cứu của Jokela và các cộng sự, quá trình nitrat hóa nƣớc
rỉ rác đạt hơn 90% trong các thiết bị lọc bằng gạch nghiền hiếu khí ở khu thử nghiệm
và trong phòng thí nghiệm với các tải trọng NH3-N nằm trong khoảng 100 và 130
mg/l.ngày tại 25°C và thậm chí 50 mg/l.ngày NH3-N tại các nhiệt độ thấp từ 5 – 10°C
[28].
Bể phản ứng sinh học đệm chuyển động (MBBR) (hay bể phản ứng sinh học vật
mang lơ lửng (SCBR) hay bể phản ứng đệm tầng sôi). Quá trình MBBR dựa trên việc
sử dụng các vật mang bằng nhựa lỗ rỗng lơ lửng, đƣợc giữ chuyển động liên tục trong
bể hiếu khí, trong khi sinh khối hoạt tính sinh trƣởng nhƣ một màng sinh học trên các
bề mặt của chúng. Những ƣu điểm chính của phƣơng pháp này so với các quá trình
sinh trƣởng lơ lửng thông thƣờng là: hàm lƣợng sinh khối cao hơn, thời gian lắng bùn
không dài, mức độ nhạy với các hợp chất độc thấp hơn và loại bỏ đƣợc cả chất hữu cơ

và lƣợng amoni cao trong một quá trình đơn. Trong trƣờng hợp xử lý nƣớc rỉ rác chứa
hàm lƣợng amoni cao, quá trình ức chế nitrat hóa không đƣợc tính đến [26].
11


1.1.4.2.

Xử lý yếm khí

Xử lý yếm khí nƣớc rỉ rác cho phép kết thúc quá trình xảy ra trong phần trên
của bãi chôn lấp, do đó nó đặc biệt thích hợp để xử lý nƣớc thải có hàm lƣợng chất
hữu cơ cao, nhƣ dòng thải rỉ rác từ bãi chôn lấp trẻ. Ngƣợc với các quá trình hiếu khí,
quá trình phân hủy yếm khí tiết kiệm năng lƣợng và sinh ra một số dạng chất rắn,
nhƣng tốc độ phản ứng của nó thấp. Hơn nữa, CH4 sinh ra có thể đƣợc sử dụng để làm
ấm các thiết bị phân hủy yếm khí, thƣờng hoạt động ở 35°C và, dƣới các điều kiện
thích hợp, đƣợc sử dụng cho các mục đích bên ngoài.
Các quá trình sinh khối sinh trưởng lơ lứng
Bể phản ứng theo mẻ yếm khí. Trong nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác sử dụng SBR
phạm vi phòng thí nghiệm đƣợc thực hiện bởi bởi Uygur và Kargi, hiệu quả xử lƣ
COD, NH4+ - N và PO43- - P tƣơng ứng là 62%, 31% và 19%. Trong thời kỳ hoạt động
ban đầu của bãi chôn lấp, các chất hữu cơ đủ cho quá trình metan hóa và khử nitrat hóa
trong bể yếm khí, quá trình nitrat có thể đƣợc cải thiện tốt hơn ở bể hiếu khí sau đó.
Do đó, hệ thống yếm khí – hiếu khí đƣợc khuyến nghị có thể xử lý đồng thời các vật
chất hữu cơ và nito [49].
Bể bùn yếm khí dòng chảy ngược (UASB). Quá trình UASB là quá trình xử lý
yếm khí hiện đại, có thể đạt hiệu quả xử lý cao và thời gian lƣu thủy lực ngắn. Các bể
UASB đƣợc hoạt động tại các giá trị tải trọng hữu cơ thể tích cao, hiệu quả xử lý của
nó cao hơn so với các dạng bể yếm khí khác. Nhiệt độ quá trình xử lý yếm khí trong
bể UASB từ 20 - 35°C. Trong những điều kiện này, hiệu quả xử lý COD trung bình
luôn cao hơn 70% so tại nhiệt độ xung quanh (20 - 23°C) và 80% tại 35°C. Nhƣợc

điểm chính của quá trình xử lý này là độ nhạy cảm lớn trƣớc các hợp chất độc [26].
Quá trình sinh khối sinh trưởng bám dính
Lọc yếm khí. Lọc yếm khí là một hệ thống tốc độ cao tập trung những ƣu điểm
của các hệ thống yếm khí khác và giảm thiểu nhƣợc điểm. Trong thiết bị lọc yếm khí
dòng chảy ngƣợc, sinh khối đƣợc giữ lại nhƣ các màng sinh học trên vật liệu giá đỡ,
nhƣ các vòng nhựa. Ví dụ, Henry và các cộng sự đã chứng minh rằng thiết bị lọc yếm
khí có thể giảm COD xuống tới 90%, tại các tải trọng thay đổi từ 1,26 tới 1,45
kgCOD/m3ngày đối với các bãi chôn lấp có tuổi khác nhau. Tổng lƣợng khí sinh học
12


sinh ra nằm trong khoảng 400 tới 500 L khí/kg COD phân hủy và hàm lƣợng metan
chiếm khoảng 75 tới 85% [22].
Kết luận về các phương pháp xử lý thông thường:
Các phƣơng pháp xử lý sinh học thông thƣờng và các phƣơng pháp lý – hóa học
đang đƣợc xem là các công nghệ thích hợp nhất để xử lý và quản lý các dòng thải nồng
độ cao nhƣ nƣớc rỉ rác. Đối với nƣớc rỉ rác mới, các kỹ thuật sinh học có thể xử lý
hiệu quả COD, NH3-N. Đối với nƣớc rác đã ổn định (khả năng phân hủy sinh học thấp
hơn), các quá trình xử lý hóa-lý đƣợc xem là thích hợp hơn, và đƣợc xem nhƣ một
bƣớc tinh sạch cho nƣớc rỉ rác đã xử lý sinh học, để loại bỏ các hợp chất hữu cơ khó
phân hủy. Các quá trình hóa-lý-sinh học kết hợp giúp cải thiện những hạn chế của từng
quá trình riêng lẻ để đạt hiệu quả xử lý cao hơn cho toàn quá trình.
Tuy nhiên, với các tiêu chuẩn xả thải nghiêm ngặt ở hầu hết các quốc gia và sự
già hóa các bãi chôn lấp với lƣợng nƣớc rỉ rác đã ổn định ngày càng nhiều, các quá
trình xử lý thông thƣờng (sinh học hoặc hóa-lý) không đủ để đạt đƣợc mức tinh sạch
cần thiết để giảm hoàn toàn những tác động bất lợi của nƣớc rỉ rác lên môi trƣờng. Do
vậy, công cụ xử lý thay thế mới là cần thiết. Trong những năm qua, nhiều quá trình xử
lý hiệu quả hơn dựa trên công nghệ màng đƣợc xem nhƣ một công nghệ xử lý thay thế
hiệu quả để đạt đƣợc các quy chuẩn về chất lƣợng nƣớc ở hầu hết các quốc gia.
1.1.5. Các công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác ở Việt Nam

Nhiều công nghệ xử lý nƣớc rác đã đƣợc áp dụng ở Việt Nam. Các hệ thống xử
lý đƣợc thiết lập dƣới áp lực của cộng đồng dân cƣ khu vực chôn lấp, bởi vậy những
công nghệ xử lý nƣớc rỉ rác này cũng phụ thuộc vào vị trí khu vực, khả năng sử dụng
công nghệ và các điều kiện của khu vực. Một vài hệ thống xử lý (ví dụ, Thái Nguyên
và Nam Định) rất đơn giản (chỉ có quá trình phân tách chất rắn lơ lửng). Các hệ thống
ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh lớn hơn và đƣợc trang bị đầy đủ thiết bị hơn.
Hệ thống xử lý nước rỉ rác ở bãi chôn lấp Nam Sơn, Hà Nội
Hệ thống xử lý sinh học
Hệ thống này đƣợc thiết lập bởi Trung tâm Nghiên cứu, Đào tạo và Tƣ vấn Môi
trƣờng (thuộc Viện Cơ học), các quá trình công nghệ nhƣ sau:

13


Ao thu → Trạm bơm → Tuyển nổi → UASB → Bể hiếu khí → Lắng → Hồ
sinh học → Xả thải
Hệ thống chủ yếu xử lý COD. Sau 2 tháng hoạt động, hệ thống cho thấy hiệu quả
khá thấp. Sau đó, hệ thống đƣợc điều chỉnh nhƣng hiệu quả không đƣợc cải thiện, và bị
dừng hoạt động cho tới này. Lý do là tại thời điểm hoạt động ban đầu, hệ thống xử lý hiệu
quả COD đầu vào nƣớc rác khoảng 1.500 – 2.000 mg/l, nhƣng khi COD đầu vào giảm
xuống 700 – 1.000 mg/l thì hệ thống hầu nhƣ không làm việc [6].
Hệ thống được thiết lập bởi Công ty Cơ học và Nông nghiệp
Nƣớc rác → Hồ sinh học → Trạm bơm → Keo tụ → các bể hiếu khí và thiếu
khí → Ao ổn định → Xả thải
Hệ thống này đã tận dụng đƣợc ƣu điểm của các ao hồ sinh học. Sau những ao
hồ này, nồng độ các chất ô nhiễm giảm đáng kể, COD còn 300 – 1.200 mg/l, BOD còn
lại trong nƣớc thải thấp: 30 – 350 mg/l phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và thể tích
nƣớc rác đầu vào. Do đó, hệ thống tập trung vào xử lý nito. Nồng độ TN trong nƣớc xả
thải khoảng 60 mg/l, không đạt TCVN 5945: 2005 cột B, COD không đạt tiêu chuẩn
và nƣớc thải vẫn phải pha loãng trƣớc khi xả ra ngoài môi trƣờng [6].

Nhận xét chung: mặc dù nhiều công nghệ xử lý đã đƣợc đƣa ra và áp dụng
trong thực tế xử lý nƣớc rỉ rác, nhƣng chất lƣợng nƣớc sau xử lý vẫn chƣa đạt các tiêu
chuẩn xả thải nên cần phải có một quy trình xử lý tiên tiến hơn.
1.2. BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC KẾT HỢP LỌC MÀNG (MBR)
Công nghệ bể phản ứng sinh học kết hợp lọc màng (MBR) là công nghệ kết hợp
giữa quá trình bùn hoạt tính và lọc màng. Ý tƣởng về sự kết hợp giữa quá trình bùn
hoạt tính và quá trình phân tách màng đƣợc ghi nhận lần đầu tiên bởi nghiên cứu đƣợc
thực hiện tại Viện Công nghệ Rensselaer, Troy, New York và Dorr-Oliver, Inc.
Milford, Connecticut, Mỹ. Trƣớc những năm 1990, hầu hết các hệ thống MBR thƣờng
đƣợc sử dụng trong các quá trình xử lý nƣớc công nghiệp. Hiện tại rất nhiều loại MBR
đã đƣợc ứng dụng trong xử lý các loại nƣớc thải [29].
1.2.1. Các loại vi sinh vật trong xử lý sinh học
Quần xã vi sinh trong hệ bất kỳ hệ thống sinh học nào cũng bao gồm một lƣợng
lớn các loài vi khuẩn khác nhau. Trong hệ thống MBR, thời gian lƣu bùn dài giữ cho
14


quần thể vi sinh tách biệt khỏi các loài vi khuẩn phân giải protein. Nitrosomonas và
Nitrosospira là vi khuẩn thực hiện quá trình oxy hóa amoni trong bùn hoạt tính,
Nitrobacter và Nitrospira là vi khuẩn thực hiện quá trình oxy hóa nitrit. Sofia và các
cộng sự [46] đã phát hiện ra các vi khuẩn nitrat chiếm ƣu thế là Nitrosospira và
Nitrospira, trong khi đó Witzig và các cộng sự [55] không nhận thấy sự có mặt của
Nitrosomonas, Nitrobacter hoặc Nitrosospira trong bùn đƣợc lọc qua màng. Điều này
cho thấy rằng vi khuẩn oxy hóa amoni là đặc hiệu cho hệ thống và Nitrosospiralà vi
khuẩn chính thực hiện quá trình khử nitrat. Các loài tự dƣỡng nitrit hóa là vi khuẩn
sinh trƣởng chậm. Vì vậy, SRT dài trong một hệ thống MBR đƣợc xem là một thuận
lợi lớn cho quá trình nitrat hóa.
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier bao gồm ít
nhất là 14 loại vi sinh vật, ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Thiobacillus.
Phần lớn loại vi sinh trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc

nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất
năng lƣợng [1].
Các yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng và giới hạn sự sinh trƣởng là nhiệt độ và pH,
ví dụ, tính axit và kiềm trong môi trƣờng nƣớc. Nhiệt độ không chỉ ảnh hƣởng tới tốc
độ xử lý mà còn ảnh hƣởng tới thành phần vi khuẩn. Khoảng nhiệt độ tối ƣu cho hoạt
động của MBR là từ 15 đến 25 °C, hiệu quả xử lý giảm khi nhiệt độ giảm xuống 10°C.
pH cũng là một yếu tố ảnh hƣởng, quá trình chuyển hóa tự dƣỡng đƣợc xem là suy
giảm khi nằm ngoài khoảng pH tối ƣu (7,2 – 8,5) [41].
1.2.2. Thiết kế các quá trình và hoạt động
Các động học Monod có thể đƣợc sử dụng để thiết kế các hệ thống sinh học đối
với một nguồn cơ chất giới hạn (S kg/m3), cacbon hữu cơ thƣờng đƣợc cung cấp dƣới
dạng BOD hoặc COD. Sử dụng các hằng số động học đã biết, các động học hệ thống
và cân bằng khối hệ thống có thể đƣợc sử dụng để xác định tốc độ phân hủy cơ chất,
sự tăng trƣởng sinh khối và quá trình hình thành bùn.
1.2.2.1.

Quá trình phân hủy cơ chất

Cơ chất hòa tan trong nƣớc thải Se tính theo g/m3 [29]:

15


S

K s (1 ke x )
ke ) 1
x (Yk

(1.1)

Trong đó Ks là hệ số bão hòa (g/m3), θx là SRT hay tuổi bùn (ngày) và ke (ngày1

) là hằng số tốc độ chết. SRT là một thông số thiết kế quan trọng đƣợc sử dụng cho

các hệ thống sinh trƣởng lơ lửng. Một trong những ƣu điểm của một hệ thống MBR là
tất cả các chất rắn đƣợc giữ lại bởi màng, là yếu tố kiểm soát hoàn toàn hoạt động của
hệ thống thông qua SRT. Hằng số tốc độ chết đối với chuyển hóa nội sinh, là quá trình
sử dụng bởi các tế bào dự trữ vật chất và sự có mặt của các polyme ngoại bào liên
quan tới sinh khối. ke đối với bùn hoạt tính thông thƣờng và quá trình yếm khí thƣờng
nằm trong khoảng 0,04 – 0,75 ngày-1, và tƣơng đồng đối với MBR. Các thí nghiệm
đƣợc thực hiện bởi Huang và các cộng sự đã chỉ ra rằng sự phân hủy nội bào trong
MBR cao (0,05 – 0,32 /ngày) hơn so với hệ bùn hoạt tính thông thƣờng (0,04 – 0,075
ngày-1) [23].
1.2.2.2.

Sản lượng bùn

Theo nguyên tắc, bùn hình thành từ quá trình phân hủy sinh học trong MBR có
thể giảm xuống 0 bằng cách kiểm soát SRT (θx), ke và Y. Thay đổi θx tác động lớn
nhất tới quá trình hình thành bùn và MLSS. MLSS ảnh hƣởng tới khả năng sinh bùn,
nhu cầu sục khí và sự tắc màng cũng nhƣ sự bít kín màng. Sử dụng MLSS và SRT
thiết kế, thể tích bể có thể đƣợc tính toán theo công thức [29]:
V

1.2.2.3.

( Px

X0)

X

(1.2)

x

Tuổi của bùn và tỷ số F:M

SRT đƣợc kiểm soát bởi quá trình xả thải các chất rắn (bùn) trƣớc đó từ quá
trình [29]:
VX
x

(1.3)

Qw X x Qe X e

Trong đó V và X là thể tích bể sục khí (m3) và MLSS (g/m3).Qw và Xw là tốc độ
thải bùn (m3/ngày) và nồng độ chất rắn lơ lửng (g/m3), Qe và Xe tƣơng ứng là các giá
trị trong nƣớc đầu ra. Do đó, theo lý thuyết xác định chất lƣợng nƣớc đầu ra cuối cùng,
thông qua chất lƣợng nƣớc đầu ra trong thực tế, SRT đƣợc xác định bởi khả năng lắng
của bùn.
16


Trong một hệ thống MBR, các chất rắn bị giữ lại trong bể (nghĩa là Xe=0), do
đó SRT đƣợc xác định chỉ bởi lƣợng chất rắn đƣợc thải bỏ. Nếu các chất rắn thải bỏ
khỏi bể tại các nồng độ tƣơng tự với nồng độ trong bể, thì Xw = X, SRT trở thành [29]:
V
Qw

SRT

(1.4)

Tỷ lệ thức ăn trên vi sinh vật (F:M – các đơn vị thời gian nghịch đảo) xác định
leu lƣợng mà tại đó cơ chất đƣợc bổ sung vào bể (Q là lƣu lƣợng dòng đầu vào tính
theo thể tích, m3/ngày) so với lƣợng chất rắn trong bể phản ứng [29]:
F :M

SQ
VX

(1.5)

Tỷ lệ này liên quan tới SRT và hiệu quả quá trình E (%) bởi biểu thức[29]:
1

Y (F : M )

x

E
ke
100

(1.6)

Các giá trị SRT trong các nhà máy bùn hoạt tính xử lý nƣớc thải đô thị thƣờng
nằm trong khoảng từ 5 – 15 ngày tƣơng ứng với các giá trị F:M từ 0,2 – 0,4 ngày-1. Sự

gia tăng SRT làm tăng nồng độ sinh khối trong bể, thƣờng đƣợc tính theo nồng độ
MLSS. Các hệ thống MBR thƣờng hoạt động tại SRT khoảng 40 ngày với MLSS từ 8
– 12 g/l. Tỷ lệ F:M thấp thƣờng dẫn tới MLSS cao và sản lƣợng bùn sinh ra thấp, do
sự gia tăng SRT là một thuận lợi trƣớc các quá trình phát sinh chất thải. Đây là một
trong những ƣu điểm chính của MBR, hầu hết các MBR, trong đó SRT có thể đƣợc
kéo dài dễ dàng, hoạt động tại tỷ lệ F:M< 0,12.
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng rằng mối quan hệ giữa cơ chất và sinh khối
trong MBR thƣờng lớn hơn, và tốc độ sinh trƣởng ít bị ảnh hƣởng bởi nồng độ cơ chất.
1.2.2.4.

Động học quá trình nitrat hóa

Thực tế, SRT và HRT thƣờng đƣợc kéo dài trong các bể hiếu khí để đạt đƣợc
quá trình phân hủy amoni (NH4-N). Nồng độ N trong nƣớc đầu ra (Neg/m3) có thể
đƣợc ƣớc lƣợng bằng [29]:
Ne

Kn (
n,m

n

ke,n

ke , n )

(1.7)

n

Quá trình sản sinh bùn từ quá trình nitrat hóa đƣợc tính nhƣ sau [29]:

17