Xử lý nước rỉ rác bằng lọc sinh học

Quá trình đô thị hóa và phát triển công nghiệp tại Việt Nam đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng rác thải sinh hoạt và sản xuất. Phương pháp xử lý rác thải thông dụng nhất là bãi chôn lấp, tuy nhiên phần lớn các bãi chôn lấp hiện nay không đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường. Điều này gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng, trong đó đáng chú ý là sự hình thành nước rỉ rác. Nước rỉ rác, mặc dù lượng không quá lớn, nhưng lại chứa hàm lượng chất ô nhiễm rất cao, chủ yếu là chất hữu cơ. Nếu không được xử lý triệt để, nước rỉ rác sẽ xâm nhập vào đất, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và làm biến đổi tính chất của đất. Tình trạng này đòi hỏi việc xử lý nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp phải được đặt lên hàng đầu, trở thành một vấn đề cấp thiết cần giải quyết.

Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Sự phát triển này đi kèm với việc áp dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến vào xây dựng cơ sở hạ tầng và sản xuất. Tuy nhiên, quá trình này cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là môi trường nước. Mọi hoạt động công nghiệp đều tiêu thụ một lượng lớn nước và thải ra một lượng lớn nước thải và rác thải. Điều này làm gia tăng áp lực lên hệ thống xử lý nước thải hiện hữu và đòi hỏi những giải pháp tiên tiến hơn để bảo vệ nguồn nước sạch. Sự gia tăng ô nhiễm nguồn nước do hoạt động công nghiệp cũng góp phần làm trầm trọng thêm vấn đề ô nhiễm nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp, tạo thành một vòng luẩn quẩn cần được giải quyết toàn diện.

Chất thải rắn, đặc biệt là trong bối cảnh đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng như hiện nay, đang là một vấn đề nhức nhối đối với toàn xã hội. Tại các đô thị lớn của Việt Nam, rác thải gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc lựa chọn công nghệ xử lý rác thải hiệu quả, không gây hậu quả xấu về môi trường lâu dài và tiết kiệm chi phí luôn là một thách thức lớn đối với các nhà quản lý. Không chỉ các đô thị đông dân cư mà cả những khu vực khác cũng cần những giải pháp xử lý rác thải phù hợp. Cụ thể, vấn đề xử lý nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp cần được ưu tiên hàng đầu vì nó gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước ngầm và đất. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý hiện đại, hiệu quả và thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết để giải quyết vấn đề này một cách bền vững.

Nước rỉ rác có thành phần rất phức tạp, với sự ô nhiễm chất hữu cơ là chủ yếu. Mặc dù lượng nước rỉ rác không lớn, nhưng hàm lượng chất ô nhiễm lại rất cao. Thành phần cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn gốc và thành phần rác thải (rác thải sinh hoạt, công nghiệp, y tế…), mùa vụ, điều kiện tự nhiên, khí hậu của khu chôn lấp, và thời gian lưu trữ rác thải. Sau khoảng 2-3 năm chôn lấp, nồng độ nước rỉ rác đạt mức tối đa rồi giảm dần theo thời gian do quá trình phân hủy sinh học. Quá trình này trải qua các giai đoạn: hiếu khí ngắn (vài tuần đến vài tháng), kị khí tạo axit, và cuối cùng là tạo khí metan. Trong giai đoạn axit, các hợp chất đơn giản như axit dễ bay hơi, amino axit, và một phần fulvic được hình thành. Nguồn nước trong rác thải rất nhỏ, chủ yếu đến từ nước mưa và nước ngấm từ khu vực xung quanh, cần được thu gom bằng hệ thống thoát nước để tránh xói mòn và ô nhiễm môi trường.

Do đặc điểm phức tạp và hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước rỉ rác, việc xử lý đòi hỏi các phương pháp hiệu quả. Văn bản đề cập đến phương pháp lọc sinh học, bao gồm cả lọc sinh học hiếu khí và kị khí. Lọc sinh học là một quá trình sinh hóa quan trọng xảy ra trong bể lọc, với sự tham gia của vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn). Vi sinh vật hình thành màng sinh học, phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và H2O. Trong bể lọc kị khí, các chất hữu cơ được vi khuẩn hấp thụ và chuyển hóa thành CH4 và các chất khí khác. Bể lọc hiếu khí cung cấp oxy để vi sinh vật phát triển tốt hơn, tăng hiệu suất xử lý. Tuy nhiên, một số chất hữu cơ như xenlulozo và lignin rất khó bị thủy phân, cần được xử lý bằng các phương pháp khác. Quá trình lọc sinh học có thể trải qua các pha: phân hủy, axit hóa (tạo ra axit hữu cơ bậc thấp, axit béo, rượu…), và tạo khí metan. Vật liệu lọc cần có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ bền cao, giá thành rẻ và không bị tắc nghẽn. Các loại vật liệu lọc được đề cập đến bao gồm đá dăm, đá cuội, đá ong, vòng kim loại, vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo….

Ngoài lọc sinh học, phương pháp keo tụ cũng được đề cập như một phương pháp xử lý quan trọng. Keo tụ giúp loại bỏ chất rắn lơ lửng và các hạt keo bằng cách trung hòa điện tích của chúng và kết hợp chúng lại thành các bông cặn lớn hơn, dễ dàng loại bỏ bằng lắng cặn hoặc lọc. Quá trình này sử dụng các chất keo tụ như phèn nhôm, phèn sắt, và các chất trợ keo tụ tổng hợp (polyacrylamit, copolymer…). Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ bao gồm liều lượng và loại chất keo tụ, thời gian lắng, nhiệt độ, và pH. pH tối ưu cho quá trình keo tụ phụ thuộc vào loại chất keo tụ sử dụng. Cuối cùng, phương pháp oxi hóa nâng cao được nhắc đến như một công nghệ mới, dựa trên gốc hydroxyl tự do (HO•) để phân hủy chất hữu cơ khó phân hủy, có hiệu quả cao trong việc xử lý các chất ô nhiễm bền vững, và khử trùng an toàn hơn so với clo.

Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp lọc sinh học kị khí như giai đoạn tiền xử lý để phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử trong nước rỉ rác thành các chất hữu cơ đơn giản hơn, giúp tăng hiệu quả của giai đoạn xử lý hiếu khí tiếp theo. Nước rỉ rác được đưa vào bể lọc kị khí theo chiều từ dưới lên, đảm bảo phân bố đều trên diện tích lớp vật liệu lọc. Quá trình này kéo dài 24 giờ, và mẫu nước được lấy định kỳ sau mỗi 4 giờ để phân tích chỉ số COD và nồng độ NH4+. Kết quả cho thấy sau 24 giờ xử lý kị khí, hàm lượng chất hữu cơ đã giảm đáng kể (trên 51%), chủ yếu là các chất hữu cơ cao phân tử đã được chuyển hóa thành các chất đơn giản hơn, sẵn sàng cho quá trình xử lý hiếu khí tiếp theo. Việc sử dụng bể lọc kị khí đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm tải lượng chất hữu cơ phức tạp trước khi tiến hành xử lý bằng phương pháp hiếu khí, nâng cao hiệu suất tổng thể của quá trình.

Sau khi xử lý kị khí, nước rỉ rác được chuyển sang bể lọc sinh học hiếu khí để tiếp tục phân hủy các chất hữu cơ đơn giản được tạo ra ở giai đoạn trước. Quá trình này được theo dõi thông qua sự thay đổi chỉ số COD theo thời gian. Kết quả cho thấy tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong bể hiếu khí khá hiệu quả, thể hiện qua sự giảm COD đáng kể. Sau 24 giờ xử lý liên tục ở cả bể kị khí và hiếu khí, hiệu suất xử lý chất hữu cơ đạt được là 76,71%, hàm lượng amoni giảm từ 39 xuống 21 mg/l. Điều này chứng tỏ sự kết hợp giữa hai phương pháp lọc sinh học kị khí và hiếu khí mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ chất hữu cơ và giảm nồng độ amoni trong nước rỉ rác. Hiệu quả xử lý này cho thấy tiềm năng của phương pháp xử lý sinh học trong việc cải thiện chất lượng nước rỉ rác.

Sau khi xử lý bằng phương pháp lọc sinh học, nước rỉ rác được xử lý tiếp bằng phương pháp keo tụ nhằm loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các chất hữu cơ còn lại. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiệu suất keo tụ, bao gồm liều lượng PAC, liều lượng A101 (chất trợ keo tụ), và điều kiện pH. Kết quả cho thấy, khi sử dụng PAC, hiệu suất xử lý COD tăng dần khi tăng liều lượng PAC đến 1,0 g/lít, sau đó giảm khi vượt quá liều lượng này. Liều lượng PAC tối ưu là 1,0 g/lít, giúp giảm COD từ 1196 mg/l xuống 804 mg/l (hiệu suất 32,78%). Với A101, nồng độ tối ưu là 0,02 g/l, kết hợp với liều lượng PAC tối ưu và pH tối ưu là 6, hiệu suất xử lý COD đạt cao nhất là 46,98%, giảm COD từ 1196 mg/l xuống 634 mg/l. Kết quả này cho thấy sự kết hợp giữa lọc sinh học và keo tụ có hiệu quả đáng kể trong việc làm giảm COD trong nước rỉ rác, và việc tối ưu hóa liều lượng hóa chất và điều kiện pH rất quan trọng để đạt hiệu quả cao nhất.

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp xử lý nước rỉ rác kết hợp lọc sinh học (kị khí và hiếu khí) và keo tụ. Cụ thể, quá trình lọc sinh học, sử dụng xỉ than làm vật liệu lọc, đạt hiệu suất xử lý chất hữu cơ rất khả quan. Sau 24 giờ xử lý liên tục trong bể kị khí và hiếu khí, hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ đạt 76,71%, và hàm lượng amoni giảm từ 39 mg/l xuống còn 21 mg/l. Phương pháp keo tụ, sử dụng PAC và A101 với điều kiện pH tối ưu là 6, cũng cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm COD. Nồng độ PAC tối ưu được xác định là 1,0 g/lít, giúp giảm COD từ 1196 mg/l xuống 804 mg/l (hiệu suất 32,78%). Việc kết hợp A101 ở nồng độ 0,02 g/l với PAC tối ưu và pH=6 đạt hiệu suất xử lý COD cao nhất là 46,98%, giảm COD từ 1196 mg/l xuống 634 mg/l. Các kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp xử lý kết hợp này trong việc giảm thiểu ô nhiễm từ nước rỉ rác.

Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề tài kiến nghị việc ứng dụng rộng rãi công nghệ xử lý nước rỉ rác kết hợp lọc sinh học và keo tụ vào thực tiễn tại các bãi chôn lấp ở Việt Nam. Việc này đòi hỏi đầu tư xây dựng các bãi chôn lấp hiện đại, đáp ứng tiêu chuẩn về thu gom và xử lý nước rỉ rác. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình xử lý, đặc biệt là tìm kiếm các giải pháp tối ưu hơn nữa về liều lượng hóa chất, điều kiện pH, và loại vật liệu lọc phù hợp với điều kiện cụ thể tại từng bãi chôn lấp. Bên cạnh đó, cần nghiên cứu thêm về các phương pháp xử lý khác như oxi hóa nâng cao để xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác. Việc quản lý chặt chẽ các bãi chôn lấp, đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường, cũng là yếu tố quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm từ nước rỉ rác và bảo vệ môi trường.