Luận án Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học

ờ quá trình hấp phụ. Như vậy để xử lý TSS bằng điện cực sắt ta có thể chọn thời gian điện phân không quá 60 phút vì thời gian sau đó hiệu suất xử lý TSS tăng không đáng kể. 3.1.1.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu thể hiện ở hình 3.4: Quan sát hiện tượng xảy ra trong suốt quá trình điện phân cho thấy, màu của nước thải thay đổi rõ rệt từ đen sang xám và cuối cùng chuyển sang màu xám xanh. Điều này có thể giải thích được rằng các chất ô nhiễm gây màu trong nước thải giảm rõ rệt qua thời gian điện phân. 71 Xử lý độ màu được giải thích là do các chất màu hữu cơ cũng được xử lý tương tự như COD nhờ quá trình keo tụ điện phân. Theo phương trình (3.2), Fe3+ được tạo ra và oxy có trong hệ có thể oxi hóa các chất tạo màu hoặc bẻ gẫy các nhóm tạo màu làm cho chất tạo màu được loại bỏ. Fe(OH)3, Fe2O3, Fe3O4 tạo ra trong quá trình điện phân là tác nhân tốt hấp phụ chất màu. Từ hình 3.4, khi mật độ dòng tăng từ 1,298 lên 5,194 mA/cm2, sau 80 phút xử lý hiệu suất tăng nhanh từ 47,8 lên 81,8%. Điều này hoàn toàn phù hợp với định luật Faraday là khi tăng mật độ dòng thì ion kim loại tạo ra nhiều làm tăng chất keo tụ nên hiệu suất xử lý tăng. Mặt khác tại giá trị mật độ dòng J= 3,896; 4,545 và 5,194 mA/cm2 hiệu suất xử lý độ màu thu được khác nhau không đáng kể tương ứng là 79,4; 80,2 và 81,9% ở 80 phút. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 1,298 mA/cm 2 2,597 mA/cm 2 3,246 mA/cm 2 3,896 mA/cm 2 4,545 mA/cm 2 5,194 mA/cm 2 H iÖ u s u Êt x ö l ý ® é m µu ( % ) Thêi gian (phót) Hình 3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý độ màu Ngoài ra, khi thời gian điện phân diễn ra càng dài thì màu của nước trở nên trong hơn, trong thời gian 40 phút đầu tiên đồ thị của hiệu suất xử lý độ màu là một hàm tăng nhanh theo thời gian, hiệu suất lên tới gần 60% ứng với mật độ dòng 72 3,896 mA/cm2. Hiệu suất tăng chậm hơn ở 20 phút kế tiếp (71,6%) và tăng chậm ở thời gian 80 phút điện phân (79,4%). Điều này có thể giải thích, sau một thời gian điện phân lớp hydroxit kim loại hình thành bám trên bề măt điện cực làm cho phản ứng trên các điện cực bị chậm lại. 3.1.1.5. Ảnh hưởng của mật độ dòng và thời gian điện phân đến sự biến đổi pH trong quá trình EC Sự biến đổi pH trong quá trình EC được thể hiện ở hình 3.5: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 1,298 mA/cm 2 2,597 mA/cm 2 3,246 mA/cm 2 3,896 mA/cm 2 4,545 mA/cm 2 5,194 mA/cm 2 p H Thêi gian (phót) Hình 3.5. Biểu đồ biến đổi pH của NRR trong quá trình EC theo thời gian Từ hình 3.5 cho thấy khi tăng thời gian điện phân pH của NRR trong hệ tăng. Mật độ dòng lớn hơn làm tăng pH nhanh hơn và cao hơn trong quá trình điện phân. Điều này cũng được giải thích là do sự hình thành nhóm OH- và các hydroxit kim loại. Sự cân bằng trong điện phân dung dịch khi mất đi 1 H+ sinh ra 1 OH- (sinh ra 1 H2 cũng sinh ra 1 Fe(OH)2 theo phương trình (1.4) và (1.5)). Như vậy thì không có sự thay đổi về pH. Nhưng ở đây pH lại tăng, có thể giải thích theo hướng là do NRR là một hỗn hợp phức tạp nên có quá trình oxi hóa xảy ra ở điện cực, nhưng không hòa tan được Fe ra thành Fe2+ hay cả quá trình điện phân nước làm mất cân bằng. Phản ứng (1.5) mất 1 H2 tạo ra 1 OH-, pH tăng là do H2 mất đi mà Fe ở phản ứng 73 (1.3) tan ra không được. Sở dĩ Fe khó tan ra cũng có thể là do sau một thời gian phản ứng hydroxit kim loại tạo ra bán vào cực anot cản trở quá trình điện cực. Ngoài ra sau một thời gian phản ứng các axit hữu cơ bị chuyển hóa làm giảm tính axit dẫn tới pH tăng. Mật độ dòng J = 1,298 mA/cm2, pH thay đổi từ 8,0 đến 8,8 và khi mật độ dòng là 5,194 mA/cm2, pH thay đổi từ 8,0 đến 9,3 khi thời gian điện phân được 80 phút. Sự gia tăng độ pH chứng tỏ rằng không chỉ số lượng chất keo tụ sắt hydroxit được tạo ra đáng kể mà còn tạo ra bọt khí hydro lớn. Đó có thể là lý do tại sao hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu tăng lên liên tục do sự gia tăng thời gian điện phân và mật độ dòng. Sau thời gian 60 phút hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu tăng không đáng kể là do sau một thời gian điện phân lớp hydroxit kim loại hình thành bám trên bề măt điện cực làm cho phản ứng trên các điện cực bị chậm lại. Khi pH tăng oxy tác dụng với điện cực sắt tạo ra lớp oxit trên bề mặt điện cực làm cho điện cực dương khó tan ra, dẫn tới lượng chất keo tụ tạo ra ít làm cho hiệu suất xử lý COD, TSS và độ màu gần như tăng không đáng kể. pH tăng dần theo thời gian phản ứng và mật độ dòng đặt vào các điện cực cao thì pH lớn hơn điều này giúp giải thích tại sao khi tăng thời gian phản ứng và tăng mật độ dòng điện thì hiệu suất xử lý amoni tăng. Do pH tăng thúc đẩy quá trình tạo ra amoniac (theo giản đồ 1.8) bay lên theo cân bằng (3.8). Từ kết quả 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 ta thấy mật độ dòng tăng trong khoảng nghiên cứu thì hiệu suất xử lý tăng, khi tăng thời gian điện phân thì hiệu suất tăng nhanh từ 0 phút đến khoảng 60 phút. Tiếp tục tăng thời gian điện phân thì cơ bản hiệu suất xử lý gần như không tăng. Với các mật độ dòng 3,896; 4,545 và 5,194 mA/cm2 thì hiệu suất xử lý khác nhau không nhiều ở các khoảng thời gian phản ứng. Mật độ dòng thấp nhất J = 1,298 mA/cm2 không những hiệu suất xử lý thấp nhất mà theo thời gian điện phân hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu tăng chậm. Ở điều kiện mật độ dòng 3,896 mA/cm2 và thời gian điện phân 60 phút cho hiệu quả xử lý tốt và phù hợp với chi phí điện năng mà hiệu suất xử lý không kém nhiều ở điều kiện J = 74 4,545 và 5,194 mA/cm2 có chi phí điện năng cao hơn. Càng tăng thời gian điện phân thì chi phí điện năng càng tăng. Ảnh hưởng của thời gian điện phân từ 10 - 80 phút đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR với điều kiện J = 3,896 mA/cm2 thể hiện ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR (J = 3,896 mA/cm2) Thời gian phản ứng (phút) Hiệu suất xử lý (%) COD Amoni TSS Độ màu 10 42,86 8,75 9,83 27,90 20 58,93 12,29 15,95 46,75 30 69,64 17,50 23,98 54,56 40 73,21 19,36 30,46 59,10 60 76,79 23,64 38,61 71,67 80 79,29 24,38 38,97 79,39 Khi J = 3,896 mA/cm2 thì theo bảng 3.1 ta có thể lựa chọn thời gian điện phân 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo mặc dù với thời gian này hiệu suất chưa phải là cao nhất, nhưng sau 60 phút hiệu suất tăng không nhiều. 3.1.1.6. Đánh giá sự tiêu thụ năng lượng xử lý NRR bằng quá trình EC Năng lượng tiêu thụ được tính theo công thức 3.2. . t .I W 1000. v V  3.2 Trong đó: W – Năng lượng tiêu thụ, KWh/m3; ν - Hiệu điện thế đặt vào các điện cực, vol; t – Thời gian điện phân, giờ; I – Cường độ dòng đặt vào các điện cực; 75 V – Thể tích mẫu nước thải mang điện phân, m3. Từ bảng 3.2 cho thấy, khi mật độ dòng tăng thì năng lượng điện tiêu thụ tăng. Ở mật độ dòng J = 1,298 mA/cm2 (I = 1A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 1,05 KWh/m3 NRR. Khi tăng J = 5,194 mA/cm2 (I = 4A) thì năng lượng điện tiêu thụ tăng đến 24,67 KWh/m3 NRR. Ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 (I = 3A) thì năng lượng điện tiêu thụ là 12,83 KWh/m3 NRR, khi tăng mật độ dòng lên 4,545 và 5,194 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ tăng rất nhanh lên tương ứng đến 18,08 và 24,67 KWh/m3 NRR. Kết quả bảng 3.2 cũng cho thấy hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu khi mật độ đòng điện J = 3,896 mA/cm2 thấp hơn không nhiều so với J = 4,545 và 5,194 mA/cm2. Năng lượng tiêu thụ để xử lý 1 m3 NRR với J = 5,194 mA/cm2 gần gấp đôi với J = 3,896 mA/cm2. Như vậy chọn mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 là phù hợp về mặt năng lượng trong khi đó hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lại không thấp hơn mấy so với J = 4,545 và 5,194 mA/cm2. Bảng 3.2. cho thấy, nếu chọn mật độ dòng < 3,896 mA/cm2 thì năng lượng điện tiêu thụ thấp nhưng hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu lại thấp hơn nhiều ở mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2. Vậy mật độ dòng đặt vào các điện cực J = 3,896 mA/cm2 được chọn cho các nghiên cứu tiếp theo. Bảng 3.2. Năng lượng tiêu thụ và hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR (thời gian điện phân 60 phút) Cường độ dòng điện (A) Mật độ dòng (mA/cm2) Hiệu điện thế (V) Năng lượng tiêu thụ (KWh/m3 NRR) Hiệu suất xử lý COD (%) Hiệu suất xử lý amoni (%) Hiệu suất xử lý TSS (%) Hiệu suất xử lý độ màu (%) 1,0 1,298 1,9 1,05 53,33 14,03 6,85 42,2 2,0 2,597 4,4 4,89 62,50 15,03 20,79 56,5 2,5 3,246 5,5 7,64 69,64 18,32 26,57 59,6 3,0 3,896 7,7 12,83 76,79 23,64 38,61 71,67 3,5 4,545 9,3 18,08 78,71 24,32 39,04 74,27 4,0 5,194 11,1 24,67 80,36 24,99 40,16 74,91 76 Từ công thức 3.2 cho thấy khi thời gian điện phân tăng thì càng tiêu tốn năng lượng. Kết hợp giữa hiệu suất xử lý ở bảng 3.1 và năng lượng tiêu thụ ở bảng 3.2 chọn thời gian phản ứng 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo. 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 Giá trị pH là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu suất xử lý của quá trình EC. Để kiểm tra sự ảnh hưởng của nó, các giá trị pH đầu vào được điều chỉnh bằng H2SO4 0,1M, hoặc NaOH 0,1M đến các giá trị pH = 5, 6, 7, 8, 9 và 10. Mẫu được phân tích các thông số COD, amoni, TSS và độ màu dưới các điều kiện thời gian là 60 phút điện phân, mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2. 3.1.2.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD Ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý COD thể hiện ở hình 3.6: 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iÖ u s u Êt x ö l ý C O D ( % ) pH Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý COD Từ hình 3.6 cho thấy hiệu suất xử lý COD tại các giá trị pH khác nhau biến đổi theo một đường cong đỉnh hiệu suất đạt được hai giá trị pH = 7 và 8 với các hiệu suất tương ứng là 73,91 và 72,00%. Ngược lại, khi dung dịch nước thải có tính 77 axit hoặc bazơ thì hiệu suất đạt được đều thấp hơn. Cụ thể, tại pH = 5, màu của dung dịch sau điện phân có màu hơi xám trắng, lượng chất kết tủa tạo thành không nhiều. Khi pH được điều chỉnh lên 6 nhận thấy màu của dung dịch sau điện phân thay đổi khá rõ ràng với hiệu suất thu được lên đến 69,62%. Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ tốt nhất tại pH = 7. Trong bể điện phân có phản ứng thủy phân: Fe + 2H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2H+ (3.9) Theo công thức 3.1 với thời gian điện phân 60 phút và cường độ dòng điện 3A (3,896 mA/cm2) thì nồng độ Fe2+ tạo ra là 0,029 g/l tưng ứng 5,18.10-4 mol/l. Theo giản đồ 1.3 với nồng độ Fe2+ tạo ra là 5,18.10-4 mol/l thì phải khoảng từ pH = 8 mới có kết tủa của Fe(OH)2. Theo hình 3.5 trong quá trình điện phân pH tăng theo thời gian. Khi thời giam điện phân 60 phút với mật độ dòng là 3,896 mA/cm2 thì pH tăng khoảng 1 đơn vị so với pH đầu vào của NRR. Như vậy khi pH của NRR đầu vào là 7 thì sau 60 phút điện phân thì pH trong bể điện phân khoảng là 8, ở pH này có cả kết tủa của Fe(OH)2 và Fe(OH)3 là chất keo tụ. Điều này giúp giải thích khi pH của NRR đầu vào là 7 hiệu suất xử lý COD là cao nhất. Khi pH đầu vào của NRR < 7 với thời gian điện phân 60 phút pH trong bể điện phân khoảng < 8. Như vậy nếu pH trong bể điện phân < 8 Fe(OH)2 chưa tạo ra, quá trình keo tụ điện phân chỉ do một lượng Fe(OH)3 tạo ra theo phương trình (3.3). Điều này giúp giải thích khi pH của NRR đầu vào < 7 hiệu suất xử lý COD thấp. Ở pH thấp = 5 và 6 (nồng độ H+ cao) làm cho phản ứng thủy phân (3.9) khó diễn ra. Nghĩa là lượng chất keo tụ tạo ra thấp làm cho hiệu suất xử lý COD bằng keo tụ chỉ đạt 50,0 và 69,62%. Mặt khác, nồng độ OH- cao (pH > 8) tạo điều kiện cho phản ứng 3.1 diễn ra làm tăng lượng oxy trong dung dịch. Do khả năng oxy hóa mạnh của oxy, phản ứng với Fe trên bề mặt các điện cực tạo ra lớp oxit sắt làm thụ động một phần bề mặt điện cực làm giảm khả năng tạo ion sắt, làm giảm lượng chất keo tụ dẫn tới hiệu suất xử lý chất gây ô nhiễm giảm. Ngoài ra khi pH cao (nồng độ OH- cao) làm chậm quá trình oxi hóa nước ở phản ứng (1.5) do đó giá trị pH > 8 làm giảm hiệu suất xử lý. Ở pH = 8, nó có thể đạt hiệu quả cao trên 70% vì Fe(OH)3 được tạo thành trong dung dịch ổn định, không bị hòa tan và có thể hấp thụ chất ô 78 nhiễm lơ lửng trong nước thải. Tuy nhiên, tại 2 giá trị pH đầu vào = 7 và 8 thì hiệu suất xử lý COD khi pH = 7 chỉ cao hơn 1,91% so với hiệu suất tại pH = 8. Mohammad Al-Shannag và cộng sự (2012) nghiên cứu về vấn đề này cho thấy hiệu suất xử lý COD bằng điện cực sắt cao nhất ở pH = 7,5 [158]. Li và cộng sự (2011) cũng làm nghiên cứu tương tự xử lý NRR bằng điện cực sắt với mật độ dòng 2,98 mA/cm2 cho kết quả hiệu suất xử lý COD cao nhất ở pH = 6,7 [37]. Nghiên cứu của Kobya và cộng sự (2003) chỉ ra hiệu suất xử lý COD trong nước thải khi dùng quá trình EC với điện cực sắt cao nhất ở pH = 7 [159]. Trong dung dịch khả năng phân ly của các chất hữu cơ ở các pH khác nhau là khác nhau. Do đó đối với COD, chất màu hữu cơ khi có sự thay đổi pH làm cho quá trình phân ly thay đổi dẫn tới hiệu suất xử lý phụ thuộc vào pH. Như vậy để xử lý COD bằng điện cực sắt ta có thể chọn pH của NRR đầu vào khoảng từ 7 - 8. 3.1.2.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni Ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý amoni thể hiện ở hình 3.7: Hình 3.7 cho thấy, khi giá trị pH đầu vào của nước thải thay đổi từ 5 đến 10 thì hiệu suất xử lý amoni đạt được thay đổi theo hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất: khi pH đầu vào dao động từ 5 đến 8 thì hiệu suất xử lý tăng dần từ 14,33 lên 24,88%. Tại giá trị pH = 8, hiệu suất xử lý NH4+ tốt nhất. Khi qua ngưỡng pH = 8 thì hiệu suất xử lý bắt đầu giảm dần (từ 24,88 xuống 11,23%). Như vậy, hiệu suất xử lý amoni đạt đỉnh ở pH đầu vào từ 7 đến 8, tại pH = 7 là 22,63 và pH = 8 là 24,88%. Kết quả hiệu suất xử lý amoni thay đổi theo sự thay đổi pH được giải thích như sau: Theo giản đồ 1.8, trong cân bằng (3.8) nếu pH thấp tồn tại ở dạng NH4+ chiếm ưu thế, nhưng do cạnh tranh với H+ nên kém hiệu quả trong quá trình điện phân. Khi pH cao tồn tại ở dạng NH3. Khi ở dạng NH3 không tích điện nên không xử lý bằng điện hóa. Khi pH thấp làm cho phản ứng (3.1) khó diễn ra dẫn tới lượng oxy tạo ra ít làm giảm quá trình oxi hóa NH4+. 79 Ngoài ra pH thấp còn làm giảm lượng Fe(OH)3, Fe2O3, Fe3O4 là tác nhân hấp phụ amoni mặc dù khả năng hấp phụ của chúng kém. Li và cộng sự (2011) làm nghiên cứu tương tự xử lý NRR bằng điện cực sắt với mật độ dòng 2,98 mA/cm2 cho kết quả hiệu suất xử lý amoni cao nhất ở pH = 7,5 là 25,3% [37]. Như vậy để xử lý amoni bằng điện cực sắt ta có thể chọn pH của NRR đầu vào là khoảng từ 7 - 8. 5 6 7 8 9 10 5 10 15 20 25 30 35 H iÖ u s u Êt x ö l ý a m o n i (% ) pH Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý amoni 3.1.2.3. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS Ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý TSS thể hiện ở hình 3.8: Hình 3.8 cho thấy hiệu suất xử lý TSS cao nhất đạt được là 39,09% ở pH = 8. Ngoài ra, khi giá trị pH quá thấp, phản ứng khử nước trên điện cực âm bị giảm, khiến cho lượng khí H2 và lượng OH- giảm. Điều này đồng nghĩa lượng kết tủa, tạo bông và quá trình nổi lên trên mặt dung dịch của TSS sẽ bị giảm một cách đáng kể, làm giảm hiệu suất xử lý TSS. 80 Ơ pH = 5 và 6 hiệu xuất xử lý TSS chỉ đạt 13,44 và 15,75%. Mặt khác, nồng độ OH- cao trong dung dịch dẫn đến khả năng oxy hóa mạnh của oxy, phản ứng với Fe trên bề mặt các điện cực và ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm. Do đó giá trị pH tăng làm giảm hiệu quả xử lý. Ở pH = 8, nó có thể đạt hiệu suất cao nhất với khoảng 39,09% vì Fe(OH)3 được tạo thành trong dung dịch ổn định, không bị hòa tan và có thể hấp thụ chất ô nhiễm lơ lửng trong nước thải. Điều này giúp cho phần lớn các chất rắn lơ lửng có thể loại bỏ sau quá trình xử lý. Kết quả nghiên cứu của Mohammad Al-Shannag và cộng sự (2012) cho thấy hiệu suất xử lý TSS của điện cực sắt cao nhất ở pH = 7,5 [158]. 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 H iÖ u s u Êt x ö l ý T S S ( % ) pH Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý TSS Hiệu suất xử lý TSS thay đổi theo sự thay đổi pH có thể còn được giải thích là do khi pH thay đổi các hạt chất rắn lơ lửng sẽ tích điện âm hay dương tùy thuộc vào khoảng pH. Như vậy khi được tích điện khác nhau cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Như vậy để xử lý TSS bằng điện cực sắt ta có thể chọn pH của NRR đầu vào khoảng từ 7,5 - 8. 3.1.2.4. Ảnh hưởng của các pH đến hiệu suất xử lý độ màu 81 Ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR đến hiệu suất xử lý độ màu thể hiện ở hình 3.9: 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 H iÖ u s u Êt x ö l ý ® é m µu ( % ) pH Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý độ màu Từ hình 3.9 trên cho thấy hiệu suất xử lý độ màu tại các giá trị pH khác nhau biến đổi theo một đường cong đỉnh hiệu suất đạt được tại giá trị pH = 8 với hiệu suất là 72,2%. Khi dung dịch NRR có tính axit hoặc bazơ thì hiệu suất đạt được thấp hơn. Cụ thể, tại pH = 5, màu của dung dịch sau điện phân có màu tối. Khi pH được điều chỉnh lên 6 nhận thấy màu của dung dịch sau điện phân thay đổi khá rõ ràng với hiệu suất thu được lên đến 40%. Các chất gây màu được loại bỏ tốt nhất tại pH = 8. Tuy nhiên, khi pH càng cao thì hiệu suất xử lý lại đi xuống với độ dốc lớn. Đặc biệt, tại pH = 10 hiệu suất đạt được chỉ còn xấp xỉ 35%. Hiện tượng này là do các hạt keo tụ (hydroxit kim loại, polyme hydroxit kim loại) được tạo thành nhiều và ít tan trong môi trường trung tính. Trái lại, trong môi trường axit các hydroxit kim loại bị thủy phân, còn trong môi trường có tính kiềm, oxy trong dung dịch tham gia phản ứng với kim loại sắt tạo thành một lớp màng oxit cản trở phản ứng điện phân diễn ra. Kết quả là lượng chất keo tụ bị ít đi, hiệu suất của xử lý đạt được không cao. 82 Khả năng phân ly của chất màu hữu cơ ở các pH khác nhau là khác nhau. Do đó khi có sự thay đổi pH làm cho quá trình phân ly thay đổi dẫn tới hiệu suất xử lý thay đổi. Như vậy để xử lý độ màu bằng điện cực sắt ta có thể chọn pH của NRR đầu vào khoảng là 7 - 8. Trong phần này, đã nghiên cứu về ảnh hưởng của các giá trị pH đầu vào khác nhau của nước thải đến khả năng xử lý NRR bằng phương pháp EC với điện cực sắt. Kết quả cho thấy, khi môi trường nước thải có tính axit hoặc bazơ thì khả năng loại bỏ chất ô nhiễm đều không cao. Lakshmi và cộng sự (2011 và 2013) [51, 52] cũng chỉ ra rằng các điều kiện pH có ý nghĩa khác nhau về tính chất hóa lý của các chất keo tụ như: độ hòa tan của các hydroxit kim loại, độ dẫn điện của hydroxit kim loại và kích thước của các hạt keo của các phức chất keo tụ. Nghiên cứu cũng chỉ ra môi trường trung tính và hơi kiềm tạo ra các hydroxit kim loại có khả năng keo tụ tốt. Vì vậy, môi trường trung tính và kiềm yếu thích hợp hơn cho quá trình EC. Kết quả nghiên cứu luận án cũng cho thấy, tại môi trường trung tính (pH = 7 - 8) hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều đạt hiệu suất cao nhất. Cụ thể ở bảng 3.3: Bảng 3.3. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR tại các giá trị pH khác nhau (J = 3,896 mA/cm2, thời gian điện phân 60 phút, khoảng cách điện cực 1 cm) pH Hiệu suất xử lý (%) COD Amoni TSS Độ màu 5 50,00 14,33 16,65 24,11 6 69,62 22,02 18,95 40,99 7 73,91 22,63 30,55 67,1 8 72,00 24,88 39,93 72,2 9 62,90 19,22 19,26 50,71 10 43,75 11,23 15,74 34,58 83 Từ bảng 3.3 có thể thấy rằng: hiệu suất xử lý đạt cao nhất tại hai giá trị pH = 7 và 8. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đầu vào của NRR cũng chỉ ra là khi pH > 8 thì hiệu suấ xử lý COD, amoni, TSS và độ màu đều giảm. Thời gian điện phân càng tăng thì pH càng tăng (theo hình 3.5) dẫn tới hiệu suất xử lý giảm. Đây cũng là cơ sở để giải thích khi thời gian điện phân lớn hơn 60 phút thì hiệu suất xử lý tăng ít hoặc không tăng. Mặt khác, pH đầu vào vào NRR của BCL Nam Sơn vào khoảng 8 vì vậy lựa chọn pH đầu vào là khoảng 7 - 8 cho nghiên cứu này để tiết kiệm hóa chất điều chỉnh pH và chi phí. 3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực sắt đến hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu Để nghiên cứu ảnh hưởng của các khoảng cách giữa hai bản điện cực đến hiệu suất xử lý NRR bằng quá trình EC. Các thí nghiệm được tiến hành nhằm khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến khả năng loại bỏ COD, amoni, TSS và độ màu với hệ EC được sử dụng bằng các điện cực sắt. Các giá trị khoảng cách thay đổi được lựa chọn là: 1, 3, 5, và 7 cm. Lấy mẫu tại thời điểm 60 phút phản ứng, mật độ dòng 3,896 mA/cm2, pH là pH đầu vào của NRR. 3.1.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD thể hiện ở hình 3.10: Từ hình 3.10 cho thấy hiệu suất xử lý COD tỷ lệ nghịch với độ lớn khoảng cách điện cực. Hiệu suất xử lý COD đạt được tốt nhất tại khoảng cách điện cực là 1cm với 76,79% lượng chất hữu cơ được loại bỏ. Khi khoảng cách giữa hai bản điện cực càng xa thì hiệu suất xử lý càng thấp. Cụ thể, hiệu suất xử lý COD chỉ còn 50,00 và 45,65% tương ứng với d = 5 cm và d = 7 cm. Trên thực tế, trong suốt quá trình EC, khi hiệu điện thế đặt trên các bản điện cực bắt đầu hình thành một lớp màng hydroxit kim loại được tạo ra cản trở phản ứng trên bề mặt các điện cực. Khi khoảng cách điện cực tăng, để duy trì được một mật độ dòng là hằng số trong suốt quá trình này thì hiệu điện thế đặt giữa các bản điện cực phải tăng lên đồng nghĩa điện trở suất tăng. Tuy nhiên điện trở suất tăng làm cho tốc độ phản ứng trên bề mặt điện cực bị giảm xuống đồng nghĩa với việc 84 các chất keo tụ, kết tủa bông và tuyển nổi tạo thành ít đi, hiệu suất xử lý COD cũng bị giảm. 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 50 60 70 80 H iÖ u s u Êt x ö l ý C O D ( % ) Kho¶ng c¸ch ®iÖn cùc (cm) Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý COD Sự tăng lên của hiệu điện thế trên các điện cực tuân theo công thức 3.3 [58]: . IR d I A k   3.3 Trong đó: ղIR - Hiệu điện thế đặt vào điện cực; I – Cường độ dòng, A; d - Khoảng cách giữa các bản điện cực, m; A - Bề mặt hoạt động của các điện cực, m2; k - Độ dẫn điện Từ phương trình trên có thể thấy rằng: khi diện tích bề mặt điện cực và độ dẫn điện của dung dịch nước thải không thay đổi, độ lớn của hiệu điện thế tỷ lệ thuận với khoảng cách của các điện cực. Mà hiệu điện thế tăng lên sẽ làm tiêu tốn nhiều năng lượng do đó không được khuyến khích trong phương pháp EC xử lý chất ô nhiễm. 85 Bên cạnh đó khi khoảng cách điện cực càng xa các phản ứng trên bề mặt điện cực trở nên khó khăn hơn do tính kháng trở khi điện trở tăng lên. Do đó, phản ứng khử nước trên điện cực âm và phản ứng hòa tan kim loại trên điện cực dương bị giảm (phản ứng (1.2)), khiến cho lượng khí H2 và lượng OH- (phản ứng (1.5)) giảm. Đồng nghĩa lượng kết tủa, tạo bông (phản ứng (1.4)) và tuyển nổi (phản ứng (1.5)) sẽ bị giảm một cách đáng kể. Dẫn đến khoảng cách điện cực lớn hiệu suất xử lý COD nhỏ. Rodríguez và cộng sự (2012) [57], cũng chỉ ra khoảng cách điện cực ảnh hưởng đến sự hình thành các bông keo và hạt keo tụ của phản ứng. Solanki và cộng sự (2008) cho rằng khoảng cách quá lớn giữa các điện cực làm giảm đáng kể sự hình thành của bông keo [58]. Cho nên, khoảng cách điện cực nhỏ là lựa chọn tốt cho quá trình keo tụ điện hóa. Ngoài ra khi khoảng cách điện cực lớn cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển của các sản phẩm điện phân dẫn tới hiệu suất xử lý thay đổi. Trong quá trình nghiên cứu khi thử nghiệm với khoảng cách cách điện cực < 1 cm thấy quá trình điện phân không ổn định (đôi khi còn có hiện tượng đoản mạch) nguyên nhân là do trong NRR có TSS cao. Vì vậy, không thể tiến hành ở khoảng cách điện cực < 1 cm. Như vậy để xử lý COD bằng điện cực sắt ta có thể chọn khoảng cách giữa các điện cực là 1 cm. 3.1.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến hiệu suất xử lý amoni thể hiện ở hình 3.11: Hình 3.11 cho thấy, hiệu suất xử lý amoni tỷ lệ nghịch với độ lớn khoảng cách điện cực. Tại khoảng cách điện cực là 1 cm NH4+ được xử lý tốt nhất với hiệu suất đạt được là 23,64%. Khi khoảng cách điện cực bắt đầu dao động lớn hơn lên 3, 5 và cuối cùng là 7 cm thì các hiệu suất xử lý giảm dần. Như vậy, rõ ràng là tại khoảng cách điện cực d = 1 cm, hiệu suất xử lý amoni là cao nhất. 86 1 2 3