Đánh giá hiệu quả của điện cực nhôm và sắt trong xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa

TÓM TẮT:

Nghiên cứu này thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý chất ô nhiễm trong nước rỉ rác lâu năm (Gò Cát) bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng điện cực hòa tan Fe và Al. Kết quả nghiên cứu cho thấy cả 2 điện cực đều có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm có trong nước rỉ rác. Các thông số tối ưu cho quá trình điện phân là: pH ban đầu ~ 6, độ dẫn không chỉnh, mật độ dòng điện 72 mA/cm², và thời gian điện phân 60 phút. Tại điều kiện này, hiệu suất xử lý COD là 54% cho điện cực Al và 59% cho điện cực Fe. Điện cực Fe có chi phí xử lý rẻ hơn điện cực Al. Bùn Fe có khả năng lắng tốt hơn rất nhiều so với bùn Al. Kết luận, điện cực Fe phù hợp hơn điện cực Al trong phương pháp keo tụ điện hóa xử lý nước rỉ rác.

Từ khóa: bãi chôn lấp rác thải, nước rỉ rác, keo tụ điện hóa, điện cực Fe.

1. Đặt vấn đề

Chôn lấp chất thải rắn là phương pháp xử lý chất thải rắn phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam nói chung và các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng. Quá trình này tạo ra một lượng lớn nước rỉ rác gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và đang gây ra các vấn đề bức xúc cho xã hội. Nước rỉ rác là loại nước thải có tải lượng chất ô nhiễm rất cao, thành phần phức tạp và độc tính cao. Ví dụ hàm lượng COD của bãi chôn lấp chất thải rắn mới có thể lên tới 20000 mg/l, còn bãi chôn lấp lâu năm COD nằm trong khoảng 5000 mg/l nhưng lại chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy. Nước rỉ rác là nguồn ô nhiễm rất nghiêm trọng nếu không được xử lý và quản lý phù hợp. Trong các công trình xử lý nước rỉ rác thì công đoạn tiền xử lý có vị trí rất quan trọng, quá trình này giúp cho các công trình xử lý sinh học phía sau đạt hiệu quả. Các phương pháp tiền xử lý, như: keo tụ - tạo bông, air stripping, trung hòa,... Nhìn chung, các phương pháp này sẽ được phối hợp với nhau nhằm tăng hiệu quả xử lý do đặc tính phức tạp và dễ thay đổi của nước rỉ rác.

Phương pháp keo tụ điện hóa nằm trong nhóm phương pháp điện hóa, đã được chứng minh là có hiệu quả trong quá trình xử lý chất ô nhiễm [1]. Rất nhiều đối tượng nước thải đã ứng dụng phương pháp này để loại bỏ chất ô nhiễm: nước thải dệt nhuộm [2, 3], nước thải nhà hàng [4], nước thải luyện thép [5].

Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh hiệu quả xử lý của 2 điện cực Fe và Al trong tiền xử lý nước rỉ rác lâu năm bằng phương pháp keo tụ điện hóa.

2. Thực nghiệm

Mô hình sơ đồ bình phản ứng điện phân được trình bày trong Hình 1. Điện cực hòa tan Fe và Al được sử dụng trong nghiên cứu này. Kích thước điện cực là rộng × dài = 30×120 (mm), và có chiều dày 1 mm. Trước khi sử dụng điện cực được ngâm trong HNO₃ 15% khoảng 20 giây, rửa sạch bằng nước cất và phơi khô. Điện cực khô sạch được cân trước và sau khi xử lý.

Nước rỉ rác thô được lấy trực tiếp từ hố thu của bãi chôn lấp rác Gò Cát vào giai đoạn mùa khô ở TP. Hồ Chí Minh (tháng 3/2018). Chất lượng nước rỉ rác được trình bày trong Hình 1.

Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm keo tụ điện phân

Để khảo sát các thông số ảnh hưởng lên quá trình keo tụ điện phân mỗi thí nghiệm được thực hiện như sau: Chỉnh pH của nước rỉ rác đến giá trị yêu cầu rồi lấy 500 ml nước rỉ rác cho vào bình phản ứng. Nhúng hệ điện cực vào trong bình phản ứng, chỉnh cường độ dòng lên giá trị yêu cầu và bắt đầu tính thời gian điện phân. Các thông số quá trình bao gồm: pH đầu vào, độ dẫn của nước rỉ rác, mật độ dòng điện và thời gian điện phân sẽ lần lượt được khảo sát nhằm xác định giá trị tối ưu.

Các thông số chất lượng của nước rỉ rác trước và sau xử lý như COD, BOD₅, Màu 420 nm, UV254 và ammonia được đo bằng các phương pháp tiêu chuẩn theo hướng dẫn trong Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005).

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Nghiên cứu tối ưu các thông số quá trình

A - Ảnh hưởng của pH ban đầu:

pH là thông số quan trọng trong quá trình keo tụ điện hóa. Ngoài ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất xử lý của quá trình pH dung dịch còn ảnh hưởng lên quá trình thụ động hóa điện cực [2]. Do đó, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu lên hiệu quả xử lý chất ô nhiễm (COD (Hình 2A), BOD₅, độ màu, UV254 và ammonia), lượng tiêu thụ năng lượng (Hình 3A), và sự tiêu hoa điện cực (Hình 4A). Trong khoảng pH (3 - 6) hiệu quả xử lý COD của điện cực Fe tăng nhẹ và cao nhất tại pH = 6, còn điện cực Al thì hiệu quả xử lý giảm khi pH tăng. Khi pH > 6, cả 2 điện cực đều có hiệu quả xử lý giảm. Trong khi đó, lượng năng lượng tiêu thụ (Hình 3A) và lượng điện cực tiêu hao (Hình 4A) có xu hướng tăng khi pH của nước rỉ rác tăng. Dựa trên các kết quả này nước rỉ rác sẽ được chỉnh về pH ~ 6 trước khi tiến hành quá trình keo tụ điện phân.

B - Ảnh hưởng của độ dẫn:

Độ dẫn điện của nước rỉ rác được điều chỉnh bằng cách thêm một lượng chính xác muối NaCl. Việc thêm NaCl vào mẫu nước rỉ rác thì ít làm thay đổi giá trị pH ban đầu của mẫu. Kết quả ảnh hưởng của độ dẫn (theo hàm lượng NaCl) lên hiệu quả xử lý được trình bày trong Hình 2B, lên điện năng tiêu thụ (Hình 3B) và lên lượng tiêu hao điện cực (Hình 4B). Nhìn chung, khi tăng độ dẫn điện của nước rỉ rác không làm thay đổi làm thay đổi hiệu quả xử lý, cũng như lượng tiêu hao điện cực đối với cả 2 loại điện cực. Nguyên nhân do nước rỉ rác lâu năm chứa rất nhiều thành phần chất hòa tan, điều này làm cho độ dẫn điện ban đầu (29.6 mS/cm) của nước rỉ rác đủ lớn và việc bổ sung thêm NaCl không có nhiều ý nghĩa. Kết quả này tương tự với kết quả nghiên cứu của Lin and Peng, (1994) [3] đối với nước thải dệt nhuộm. Mặc dù lượng tiêu thụ điện năng giảm khi độ dẫn tăng (Hình 3B), nhưng việc bổ sung thêm muối NaCl làm tăng chi phí và tăng tải lượng chất ô nhiễm đối với nước thải đầu ra. Do đó, chúng ta không cần phải bổ sung thêm chất điện li vào nước rỉ rác trong phương pháp keo tụ điện hóa.

C - Ảnh hưởng của mật độ dòng:

Mật độ dòng điện là thông số quan trọng trong hệ điện phân. Để khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng lên quá trình keo tụ điện hóa, chúng tôi thay đổi cường độ dòng điện áp vào hệ sao cho mật độ dòng tương ứng trong khoảng 24, 48, 60, 72, 96 mA/cm². Kết quả được trình bày trong các Hình 2C (hiệu quả loại bỏ COD), Hình 3C (lượng năng lượng tiêu thụ) và Hình 4C (lượng điện cực tiêu hao). Nhìn chung hiệu quả xử lý tăng khi mật độ dòng điện tăng (Hình 2C) và hiệu quả loại bỏ COD đạt 59% cho điện cực Fe và 54% cho điện cực Al khi mật độ dòng đạt 72 mA/cm², sau đó khi tăng mật độ dòng điện lên 96 mA/cm² thì hiệu không tăng đáng kể. Ngoài ra lượng năng lượng tiêu thụ và lượng điện cực tiêu hao tăng đáng kể khi chúng ta tăng mật độ dòng từ 72 lên 96 mA/cm². Do đó, mật độ dòng phù hợp để xử lý nước rỉ rác là 72 mA/cm².

D - Ảnh hưởng của thời gian điện phân:

Thời gian điện phân dài làm tăng hiệu quả xử lý chất ô nhiễm, nhưng cũng làm tăng năng lượng tiêu thụ và tăng lượng tiêu hao điện cực. Do đó, tối ưu thông số thời gian có ý nghĩa quan trọng lên đánh giá hiệu quả tổng thể của quá trình keo tụ điện hóa trong xử lí nước rỉ rác. Từ Hình 2D cho thấy, khi tăng thời gian điện phân lên đến 60 phút thì hiệu quả loại bỏ COD gần như đạt bão hòa, trong khi đó lượng điện tiêu thụ (Hình 3D) và lượng kim loại tiêu hao (Hình 4D) tăng liên tục khi thời gian điện phân tăng. Do đó, thời gian điện phân tối ưu trong quá trình này là 60 phút.

Hình 2: Ảnh hưởng của các thông số quá trình lên hiệu suất xử lý COD:

A - pH; B - Độ dẫn; C - Mật độ dòng điện, và D - Thời gian điện phân

Bảng 1. So sánh hiệu quả xử lý giữa điện cực Al và Fe

trong phương pháp keo tụ điện hóa

so-sanh-hieu-qua-xu-ly-giua-dien-cuc-al-va-fe-trong-phuong-phap-keo-tu-dien-hoa Ghi chú: * giá trị Màu 420 nm và UV254 là giá trị độ hấp thu đo tại bước sóng 420 nm và 254 nm, sau khi mẫu đã pha loãng 20 lần.

Hình 3: Ảnh hưởng của các thông số quá trình lên lượng tiêu thụ năng lượng: A - pH; B - Độ dẫn; C - Mật độ dòng điện, và D - Thời gian điện phân

anh-huong-cua-cac-thong-so-qua-trinh-len-luong-tieu-thu-nang-luong

3.2. So sánh hiệu quả kinh tế

Chúng tôi đánh giá hiệu quả kinh tế giữa 2 điện cực thông qua việc tính chi phí dựa trên khả năng loại bỏ 1 kg COD chất ô nhiễm. Để đơn giản, chúng tôi chỉ tính cho 2 chi phí quan trọng là lượng điện tiêu hao và lượng điện cực tiêu hao. Giá điện tại thời điểm nghiên cứu là 1720.65 đồng/kWh, còn giá điện cực Al và Fe lần lượt là 51900 đồng/kg và 15400 đồng/kg. Chi phí tính dựa trên hiệu quả xử lý tại điều kiện tối ưu của 2 điện cực. Cuối cùng, chi phí cho việc xử lý nước rỉ rác ứng với điện cực Fe và Al lần lượt là 38600 đồng và 43900 đồng trên 1 kg COD loại bỏ. Điện cực Fe tiết kiệm 5300 đồng trên 1 kg COD loại bỏ so với điện cực Al.

3.3. Đánh giá khả năng lắng của bùn

Khả năng lắng của bùn sau quá trình keo tụ là yếu tố quan trọng trong quá trình keo tụ -tạo bông. Vận tốc lắng và thể tích bùn là 2 thông số đánh giá khả năng lắng của bùn. Hình 5 cho thấy vận tốc lắng của bùn Fe nhanh hơn rất nhiều so với bùn Al. Để đạt được thể tích bùn khoảng 200 ml thì bùn Al cần tới 54034 giây (15 giờ), trong khi đó bùn Fe chỉ cần 257 giây (4.3 phút). Hình 5 cũng cho thấy thể tích bùn cuối cùng (để lắng hoàn toàn 24 giờ) của bùn Fe khoảng 80 ml, ít hơn của bùn Al 120 ml (thể tích bùn Al là 200 ml). Những kết quả này cho thấy điện cực Fe cho kết quả tốt hơn rất nhiều so với điện cực Al trên khía cạnh khả năng lắng của bùn.

Hình 4: Ảnh hưởng của các thông số quá trình lên lượng tiêu hoa điện cực: A - pH; B - Độ dẫn; C - Mật độ dòng điện, và D - Thời gian điện phân

Hình 5: Khả năng lắng của bùn sau quá trình điện phân

4. Kết luận và kiến nghị

Phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng điện cực hòa tan (Fe và Al) cho phép loại bỏ hiệu quả chất ô nhiễm có trong nước rỉ rác lâu năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy điện cực Fe tỏ ra hiệu quả hơn rõ rệt so với điện cực Al trong quá trình keo tụ điện hóa. Ngoài ra, sử dụng điện cực Fe cho chi phí loại bỏ chất ô nhiễm (tính theo1 kg COD) thấp hơn khoảng 5300 đồng. Đặc biệt, khả năng lắng của bùn sau xử lý khi sử dụng điện cực Fe tốt hơn rất nhiều so với điện cực Al. Do vậy, điện cực Fe được đề xuất sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa tiền xử lý rỉ rác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Mollah, M.Y.A., et al. (2001). Electrocoagulation (EC) - Science and applications. Journal of Hazardous Materials, 84(1), 29-41.
Chafi, M., et al. (2011). Comparison of electrocoagulation using iron and aluminium electrodes with chemical coagulation for the removal of a highly soluble acid dye. Desalination, 281, 285-292.
Lin, S.H. and C.F. Peng (1994). Treatment of textile wastewater by electrochemical method. Water Research, 28(2), 277-282.
Chen, G., X. Chen, and P.L. Yue (2000). Electrocoagulation and Electroflotation of Restaurant Wastewater. Journal of Environmental Engineering, 126(9), 858-863.
Balasubramanian, N., K.J.C.E. Madhavan, and T.I.C.P.E.P. (2001). Engineering‐Biotechnology, Arsenic removal from industrial effluent through electrocoagulation. Chemical Engineering & Technology, 24(5), 519-521.

THE EVALUATION OF FE AND AL ELECTRODES IN ELECTROCOAGULATION FOR MANURE LANDFILL LEACHATE TREATMENT

PhD. DUONG HUU HUY ¹

Msc. NGUYEN XUAN THANH NAM ²

Msc. NGUYEN THI NGOC BICH ²

¹ Ho Chi Minh City University of Food Industry

² Ho Chi Minh Vocational College of Technology

ABSTRACT:

This study is to evaluate the efficiency of electrocoagualtion method with Fe and Al electrodes in removing pollutants in the mature landfill leachate (Go Cat). The study’s results show that both electrodes can be used to effectively remove pollutants in leachate. Optimized conditions in the electrocoagulation process are the initial pH of ~ 6, unadjusted conductivity, current density of 72 mA/cm², and operating time of 60 minutes. At these conditions, the COD removal efficiencies were 54% and 59% for Al and Fe electrodes, respectively. A Fe electrode was cheaper than that of an Al electrode. In addition, sluges produced from a Fe electrode settled better than that from an Al electrode. Conclusion, it is suggested that a Fe electrode could be used in electrocoagualtion method to treat mature landfill leachate.

Keywords: municipal solid waste landfills, leachate, electrocoagulation, Fe electrode.