Tên học viên thực hiện: Ứng Thị Lý Nguyễn Thị Hồng Mận Lớp: Cao học hóa lý k17 ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH OXY HOÁ TIÊN TIẾN: QUÁ TRÌNH FENTON VÀ OZON HOÁ TRONG TIỀN XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC TỪ BÃI CHÔN LẤP RÁC Xử lí Fenton (Fe2+/H2O2) trình oxy hóa tiên tiến ozone (AOPs) (O 3, O3/OH- O3 /H2O2) để phân hủy phần, chuyển chất khó phân hủy sinh học thành chất có khả phân hủy sinh học để tiếp tục dùng trình xử lý sinh học tiếp sau Pha loãng hai lần nước thải, điều kiện thí nghiệm tối ưu hóa (pHban đầu = 3, tỷ lệ mol H2O2/Fe2+là 3, lượng Fe2+ mmol/l thời gian phản ứng 40 phút).Quá trình Fenton loại bỏ khoảng 46% nhu cầu oxy hóa học (COD), tỉ lệ nhu cầu oxy sinh hóa BOD COD (BOD5 / COD) tăng từ 0,01 đến 0,15 Năng suất loại bỏ cao trình phân hủy sinh học ozone giá trị pH cao đạt kết hợp với H 2O2 , thành phần giúp tăng cường sản xuất gốc hydroxyl Sau 60 phút trình ozone cần 5,6 g O h-1, pHban đầu= 7, 400 mg/L hydrogen peroxide, hiệu suất loại bỏ COD 72% BOD 5/COD tăng từ 0,01 tới 0,24 Ước tính tổng chi phí trình AOPs theo nghiên cứu cho thấy Fe 2+/H2O2 hệ thống kinh tế (8.2 € m-3 g-1 loại COD) để xử lí nước rỉ rác Tuy nhiên nghiên cứu kinh tế nên xem xét cẩn thận không xem xét đến vốn đầu tư ban đầu, giá quy mô nhà máy, bảo trì chi phí lao động Giới thiệu Trong trình xử lý bãi chôn lấp rác hình thành nước rỉ rác tất yếu (Wang et al., 2010) Nước thải rỉ rác từ bãi chôn lấp rác thường đặc trưng độ cao ion amoni (NH4+), phân hủy sinh học thấp (tỷ lệ BOD/ C 5OD thấp) chứa phần lớn phân tử hữu khó phân hủy axit humic fulvic (de Morais and Zamora, 2005; Deng and Englehardt, 2006) Trong nhiều trường hợp, sau xử lí qua nhiều trình oxy hóa, Nước thải rỉ rác hợp chất khó phân hủy hợp chất chứa nitơ nồng độ cao nên quy trình phân hủy sinh học hiệu cho loại nước thải Trong hai thập kỷ qua, AOPs coi quy trình có ý nghĩa việc loại bỏ màu, giảm tải chất hữu cải thiện phân hủy sinh học chất ô nhiễm khó phân hủy từ hố chôn rác (Deng and Englehardt, 2006; Kochany and Lipczynska-Kochany, 2009; Renou et al., 2008) Các trình liên quan đến việc sản xuất gốc tự do, chủ yếu gốc tự hydroxyl (OH ●) Các gốc hydroxyl sản xuất từ chất oxi hóa đơn giản ozone (O3), từ kết hợp chất oxi hóa mạnh O3 (OH●) ion kim loại màu O3 hydrogen peroxide (H2O2), hydroxide Fe 2+ với H2O2 (Renou et al., 2008; Rosenfeldt et al., 2006) Sự kết hợp Fe 2+ với H2O2 gọi trình oxy hóa Fenton Quá trình oxy hóa Fenton nghiên cứu rộng rãi xử lý nước thải rỉ rác từ bãi chôn lấp rác Trong công nghệ oxy hóa tiên tiến pH tối ưu, ion kim loại phản ứng với hydrogen peroxide để tạo gốc tự hydroxyl cách đơn giản mang lại lợi nhuận (Deng Englehardt, 2006) Ozone (không phân hủy, pH < 6) chất oxi hóa mạnh, có phản ứng mạnh tính chọn lọc chất ô nhiễm hữu hợp chất thơm (Lucas et al,2010; Lin et al, 2009) Khả oxy hóa gốc hydroxyl (E0 = 2,80 V) cao nhiều so với ozone (E 0= 2,07 V), việc sử dụng ozone pH cao (O3 / OH●) kết hợp với H2O2 (O3 / H2O2) tăng việc sản xuất gốc hydroxyl tăng tốc việc loại bỏ chất hữu khó phân hủy từ nước rỉ rác (Lucas et al, 2010; Tizaoui et al, 2007) Ozon hóa điều kiện có tính kiềm kết hợp ozone với hydrogen peroxide chứng minh trình oxy hóa tiên tiến hiệu để xử lí nước rỉ rác (Haapea et al., 2002; Tizaoui et al., 2007) Mặc dù AOPs tỏ hiệu việc xử lí chất hữu khó phân hủy sinh học, chúng áp dụng trình xử lí, chúng tốn Một thay kinh tế đầy hứa hẹn để hoàn thiện trình oxy hóa hợp chất khó phân hủy việc sử dụng công nghệ oxy hóa tiên tiến tiền xử lý để chuyển đổi hợp chất khó phân hủy vi sinh ban đầu thành chất dễ phân hủy sinh học trung gian, trình oxy hóa sinh học chất để tạo sinh khối nước (Lin Kiang, 2003) Nghiên cứu tiến hành để kiểm tra tính hiệu tính khả thi trình oxy hóa tiên tiến hệ Fenton hệ ozone, hai trình tiền xử lí nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác, để cải thiện phân hủy sinh học Ảnh hưởng pH ban đầu, nồng độ chất oxy hóa thời gian, hiệu suất phản ứng AOP đánh giá qua COD, tổng carbon hữu (TOC), BOD 5, hợp chất chứa nitơ chất thơm Một ước tính sơ chi phí hoạt động liên quan đến loại tiền xử lý thực để so sánh tính khả thi kinh tế chúng Vật liệu phương pháp 2.1 Nước rỉ rác hố trôn rác Nước rỉ rác thu gom từ nhiều hố chôn rác phía Bắc Bồ Đào Nha, hoạt động từ năm 1998 Hệ thống xử lí hố chôn rác gồm bể kị khí, bể thiếu oxi, bể hiếu khí ngăn lắng gạn sinh học, với bể oxy hóa hai bể chứa chất kết tủa Tuy nhiên sau xử lý, nước thải không đáp ứng hàm lượng nitơ tối đa cho phép nồng độ chất hữu xả trực tiếp, theo DL 236/1998 vào ngày 01 tháng (Portuguese Ministry of Environment, 1998) Các đặc tính nước thải không bị pha loãng liệt kê Bảng Bảng Bảng đặc biểu nước rỉ rác hố trôn rác Thông số Giá trị Giá trị giới hạn thoát Giá trị thấp tỷ lệ BOD5 / COD (0.01) lượng Nitơ – Amoni cao(N - NH4+), Điều thành phần nước rỉ rác giàu hợp chất khó phân hủy sinh học Mặt khác, tính chất quan trọng nước rỉ rác lượng nitơ-nitrate cao (NNO3-) Một cách tiếp cận kinh tế để xử lí nước thải đạt cách kết hợp trình oxy hóa tiên tiến làm giảm hợp chất hữu khó phân hủy sinh học, sử dụng sản phẩm nguồn carbon cho việc loại bỏ hợp chất chứa nitơ trình sinh học Tất thí nghiệm thực với việc pha loãng nước thải hai lần nồng độ nitrate cao nước rỉ rác ban đầu Xử lí Fenton oxy hóa tiên tiến ozon (O3, O3/OH- O3 /H2O2) áp dụng vào bước tiền xử lí, để cải thiện phân hủy sinh học nước thải cho trình xử lý sinh học 2.2 Cách tiến hành xử lí Fenton Thí nghiệm oxy hóa Fenton thực nhiệt độ phòng (22± oC) áp suất khí Độ pH nước rỉ rác điều chỉnh cách sử dụng H 2SO4 9597% Nồng độ Fe2+ cần thiết định trước FeSO4.7H2O Một lượng dung dịch H2O2 35% thêm vào lần Sau cố định thời gian trình oxy hóa khoảng (120 phút), dung dịch hydroxide thêm vào để tăng độ pH 10 phút Tắt khuấy bùn kết tủa khoảng giờ.Cuối kết tủa li tâm 10 phút 10.000 rpm mẫu phân tích Các thí nghiệm tiến hành hai lần kết tính trung bình 2.3 Cách tiến hành ozon hóa Thí nghiệm ozon hóa thực cột acrylic cao 69,5 cm đường kính 8,2 cm Ozone tạo thành từ oxy tinh khiết, sử dụng máy sinh ozone (AnserosCom-AD-02) Hỗn hợp ozone oxy liên tục đưa vào cột thông qua khuếch tán gốm đặt đáy thùng L nước thải pha loãng hai lần xử lý 60 phút.Nồng độ đầu vào đầu ozone pha khí đo λ = 254 nm cách sử dụng máy phân tích ozone (Anseros OzomatGM-6000-OEM) suốt thí nghiệm Tốc độ dòng khí 50 L/h ozone đầu vào nồng độ khoảng 0,112 g O3 L-1 Mẫu nước sau xử lí lấy thường xuyên phân tích Thí nghiệm ozon hóa thực giá trị pH điều chỉnh từ 7,9 đến 11 Giá trị pH điều chỉnh natrihydroxide (NaOH).Quá trình oxy hóa tiên tiến kết hợp hydrogen peroxide ozone nghiên cứu.Trong thí nghiệm trên, nước rỉ rác có pH điều chỉnh đến ((Staehelin and Hoigné, 1982), trước ozone cho vào cột, H 2O2 nồng độ 100, 200 400 mg/L cho vào trước Các mẫu thu từ thí nghiệm xử lí NaOH để trung hòa lượng H2O2 dư Tất thí nghiệm thực nhiệt độ phòng kết tính trung bình 2.4 Phương pháp phân tích Các thông số đặc trưng nước rỉ rác trước sau thí nghiệm COD, BOD 5, nồng độ nitơ-nitrite (N-NO2-), nitơ - amoni (N-NH4+) xác định theo phương pháp đường chuẩn (APHA et al., 1989) Điều quan trọng cần lưu ý phân tích, môi trường có tính axit có ảnh hưởng đến hoạt động vi sinh vật, đo BOD5 thực sau trung hòa axit mẫu, theo khuyến cáo phương pháp chuẩn (APHA et al.,1989) Nồng độ nitrate (NO3-) đo sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), sử dụng cột Varian Metacarb (loại 67H, mm, dài 300 mm, đường kính 6.5 mm) pha động axit sulfuric (H2SO4) 0.005 M 0.7 mL/phút Nhiệt độ đặt 60oC nitrat phát UV 210 nm Tia cực tím hấp thụ 254 nm (UV254) thu máy đo quang Jasco V-560 sử dụng tế bào cm Phân tích TOC thực cách sử dụng hệ thống phân tích DOHRMANNDC190 TOC Kết thảo luận Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác xử lý hợp chất khó phân hủy tăng khẳ phân hủy sinh học cách sử dụng hệ thống oxy hóa tiên tiến: Xử lí Fenton, ozone, ozone pH kiềm ozone kết hợp với H 2O2 Hiệu suất phương pháp lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm diện chất vô hữu nước thải, pH, thời gian phản ứng nồng độ oxy hóa Các nghiên cứu tiến hành xác định điều kiện tối ưu trình ảnh hưởng đến phân hủy sinh học Loại bỏ cacbon hợp chất chứa nitơ, hấp thụ tia cực tím 254 nm Các kết thu hữu ích để chọn điều kiện tối ưu Quá trình oxy hóa tiên tiến điều kiện tối ưu để áp dụng để tiền xử lí nước rỉ rác trước tiến hành xử lý sinh học Những liệu dẫn đến hiểu biết tốt chất oxy Fenton ozon, vai trò pH, ion sắt nồng độ hydrogen peroxide thời gian trình xử lí nước thải khó phân hủy 3.1 Xử lí Fenton Quá trình Fenton tỏ hiệu việc xử lí chất ô nhiễm môi trường axit sản sinh lượng lớn gốc tự hydroxyl gọi ●OH (de Morais and Zamora, 2005; Kochany and Lipczynska-Kochany, 2009) Giá trị pH tối ưu trình Fenton để xử lý nước rỉ rác hố chôn rác thường nằm khoảng từ đến 4.5 (Deng Englehardt, 2006) Điều chứng minh Bảng Bảng Phù hợp với báo cáo (Deng, 2007; Lopez et al., 2004), pH [...]... N-NO3- Sự vận hành và thiết kế đơn giản cũng như vốn và chi phí của phương pháp xử lý Fenton đang rất hấp dẫn hơn so với các quá trình oxi hoá tiên tiến khác chẳng hạn như quá trình ozon hóa Tuy nhiên, quá trình này cũng có một số hạn chế như các điều kiện của quá trình axit hóa và trung hòa liên tiếp sau quá trình oxy hóa được hoàn thành, trong đó làm tăng độ mặn của nước rỉ rác được xử lý và sản xuất bùn,với... những cải thiện trong BOD 5 và phân hủy sinh học sau xử lý nước rỉ rác của nước rỉ rác bằng ozon và hydrogen peroxide (Hagman et al, 2008; Tizaoui et al, 2007) Bảng 7 trình bày về việc loại bỏ các chất ô nhiễm như là một hàm của quá trình ozon hóa áp dụng cho các nước rỉ bãi rác Bảng 7 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả loại bỏ COD và UV 254 trong ozon hóa của một nước rỉ rác (điều kiện:... COD, TOC và UV 254, nồng độ N-NO2-, N-NO3- vàN-NH4+ trong quá trình ozon hóa một nước rỉ rác (điều kiện: phản ứngthời gian là 60 phút; 5,6 g O3 h-1; có nghĩa ban đầu COD = 340 mg L-1) Các kết quả của hiệu quả loại bỏ COD, TOC và UV 254 chỉ ra rằng quá trình ozon hóa là hiệu quả hơn trong việc làm giảm các chất ô nhiễm có trong nước rỉ rác dưới pH cơ bản Trong điều kiện pH thấp, quá trình ozon hóa xảy... TOC và UV 254 tốt nhất và tỷ lệ BOD5 / COD cao hơn đã đạt được bằng ứng dụng phương pháp ozone kết hợp với hydrogen peroxide, ở nồng độ 200 và 400 mg L-1 H2O2 Có lẽ, việc kết hợp xử lý Fenton và ozon hóa với các công nghệ xử lý khác sẽ đảm bảo một tỷ lệ BOD5 / COD cao hơn 0,4 trước khi xử lý sinh học, mà không làm tăng đáng kể chi phí hoạt động Trong xử lý nước rỉ rác, Goi et al (2009) đã áp dụng xử lý. .. COD tăng từ 18% ở pH 5.5 đến 49% ở pH 11 Goi et al.(2009) đã thu được kết quả tương tự khi xử lý một nước rỉ ở bãi rácvới hiệu quả loại bỏ COD của tương ứng là 24, 29 và 41% ở pH ban đầu 4.5, 8.1 và 11 với 2,5 g O 3/ h và sau 240 phút quá trình ozon hóa Loại bỏ TOC thấp hơn COD nhưng có cùng xu hướng Do đó, dữ liệu liên quan đến TOC của quá trình ozon hóa sẽ không được trình bày Vì khi xử lý Fenton, ... hóa xảy ra bởi ozone phân tử oxy hoá trực tiếp, trong khi ở giá trị pH cao hơn, quá trình oxy hóa ít chọn lọc và quá trình oxi hoá gốc nhanh hơn (chủ yếu là gốc hydroxyl) sẽ chiếm ưu thế hơn, đó là kết quả của việc OH- là suy giảm nhanh O3 và sự tạo ra gốc OH (Langlais et al., 1991) Vì thế oxy hóa của gốc hydroxyl cao hơn nhiều so với các phân tử ozone, nên oxy hóa gián tiếp là mạnh hơn oxy hóa trực... € L-1 H-3 2O2 (35%) và 0,08 € m O2; và thời gian phản ứng là 40 và 30 phút tương ứng đối với phản ứng Fenton (tạiđiều kiện tối ưu xác định) và ozone hoá Những con số chi phí tính toán được tóm tắt trong Bảng 8 Bảng 8 Chi phí hoạt động cho các AOPs được nghiên cứu Kết quả cho thấy rằng quá trình Fenton có chi phí vận hành thấp nhất cho việc xử lý nước rỉ bãi rác Xem xét quá trình ozone, các kết quả... đáng kể trong phân hủy sinh học nhưng tỷ lệ BOD 5 / COD cao hơn 0.4, do đó không đạt cho tất cả các quá trình thử nghiệm (0.4 là giá trị tối thiểu thích hợp cho xử lý sinh học một cách hiệu quả, Tchobanoglous và Burton, 1991), như vậy nước rỉ rác đó có tính chất bền vững Việc xử lý Fenton và ozon tại điều chỉnh pH = 9 và pH =11cho thấy kết quả rất giống nhau, ngoại trừ một thực tế rằng trong ozon hóa... 120 phút xử lý Fenton tại pH ban đầu bằng 3, H2O2 / Fe2+ là 3, Fe2+ = 4 mmol L-1 Hình 4 Ảnh hưởng của pH đến COD ( ), BOD5 ( ) và tỷ lệ BOD5 / COD ( ) sau 60 phút ozon hóa tại 5,6 g O3 h-1 và ban đầu COD = 340 mg L-1 Sự kết hợp ozone và hydro peroxit trong xử lý nước thải đã được khám phá bởi việc thêm vào các lượng khác nhau của H 2O2 trước khi bắt đầu quá trình ozon hóa, được trình bày trong Bảng... ô nhiễm nitơ, được cho trong Bảng 6, nitơ-nitrat tăng và nitơamoni giảm sau 60 phút xử lý, điều này xác nhận rằng amoni đã bị oxy hóa thành nitrat Không có sự khác biệt đáng kể giữa các phương pháp xử lý chỉ với O 3 và O3 kết hợp với H2O2.Wanget al (2004) đã sử dụng ozone, ozone kết hợp với hydroperoxide để xử một nước rỉ bãi rác và thấy tương tự.Nồng độ nitơ-nitrit sau khi ozon hóa được chứng minh