Luận án nghiên cứu sinh: Nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỳ khí ở chế độ lên men nóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG<br /> <br /> LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU SINH<br /> <br /> ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ<br /> HOẠI VÀ RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC KỲ KHÍ<br /> Ở CHẾ ĐỘ LÊN MEN NÓNG<br /> <br /> NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG<br /> Mà SỐ: 62.52.03.20<br /> <br /> NĂM 2015<br /> <br /> 2<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hàng ngày, lượng chất thải phát sinh tại các đô thị rất lớn. Tại khu vực đô<br /> thị, hầu hết các gia đình sử dụng bể tự hoại để xử lý nước thải của hộ gia đình trước<br /> khi đổ vào hệ thống thoát nước chung của thành phố. Lượng bùn được hút từ bể tự<br /> hoại phát sinh hàng năm tại các hộ gia đình rất lớn, tại thành phố Hà Nội ước tính<br /> khoảng 517 m3/ngày [2] . Một phần lượng bùn bể tự hoại được công ty Urenco thu<br /> gom và xử lý kết hợp với rác hữu cơ để xử lý phân vi sinh, phần còn lại được các<br /> công ty tư nhân thu gom, vận chuyển.<br /> Bên cạnh đó, chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại các đô thị hàng ngày rất<br /> lớn. Tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt ở các đô thị phát sinh trên toàn quốc tăng<br /> trung bình 10-16% mỗi năm, trong đó tỉ lệ rác hữu cơ chiếm > 51% trong rác thải<br /> sinh hoạt [24] . Biện pháp xử lý rác hữu cơ hiện nay chủ yếu là chôn lấp, gây ô<br /> nhiễm môi trường và quá tải bãi chôn lấp.<br /> Theo chiến lược quốc gia vÒ qu¶n lý tæng hîp chÊt th¶i r¾n ®Õn n¨m 2025,<br /> tÇm nh×n ®Õn n¨m 2050 do Thủ tướng ChÝnh phñ ban hµnh ngµy 17 th¸ng 12 n¨m<br /> 2009 sẽ phát triển chương trình thúc ®Èy ph©n lo¹i chÊt th¶i r¾n t¹i nguån nh»m môc<br /> ®Ých t¸ch riªng r¸c v« c¬ vµ h÷u c¬, t¸i chÕ, t¸i sö dông chÊt th¶i ®Ó gi¶m thiÓu diÖn<br /> tÝch b·i ch«n lÊp. Theo môc tiªu cô thÓ cña Chiến lược quèc gia ®Õn n¨m 2015: 85%<br /> tổng lượng chÊt th¶i r¾n sinh ho¹t ®ô thÞ ph¸t sinh được thu gom, 60% lượng chÊt<br /> th¶i được t¸i chÕ, t¸i sö dông, thu håi năng lượng hoÆc s¶n xuÊt ph©n h÷u c¬; 30%<br /> bïn bÓ phèt cña c¸c ®« thÞ tõ lo¹i II trë lªn vµ 10% cña c¸c ®« thÞ cßn l¹i được thu<br /> gom vµ xö lý ®¶m b¶o môi trường; 50% r¸c được ph©n lo¹i t¹i nguån. C¸c gi¶i ph¸p<br /> được đưa ra ®Ó thùc hiÖn Chiến lược quèc gia bao gåm: phßng ngõa vµ gi¶m thiÓu<br /> ph¸t sinh chÊt th¶i r¾n; thóc ®Èy ph©n lo¹i chÊt th¶i r¾n t¹i nguån trong ®ã ph¸t triÓn<br /> c¬ së h¹ tÇng, thu gom vµ xö lý riªng ®èi víi tõng lo¹i chÊt th¶i r¾n sau khi ®· ph©n<br /> lo¹i; t¨ng c-êng t¸i sö dông, t¸i chÕ chÊt th¶i r¾n; xö lý chÊt th¶i r¾n.<br /> Tại nhiều nước trên thế giới, công nghệ xử lý kỵ khí các chất thải giàu hữu<br /> cơ ở chế độ nhiệt khác nhau: lên men ấm hoặc lên men nóng đã được áp dụng ở quy<br /> <br /> 3<br /> <br /> mô lớn, quy mô công nghiệp để giảm thiểu lượng chất thải đưa đến bãi chôn lấp,<br /> giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra sản phẩm biogas phục vụ<br /> cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy xử lý<br /> kỵ khí chất thải ở chế độ lên men nóng cho ưu điểm hơn chế độ lên men ấm về<br /> lượng khí metan sinh ra cao hơn, thời gian phân hủy ngắn hơn và bùn sau xử lý<br /> được tiêu diệt hoàn toàn mầm bệnh, có thể được sử dụng làm phân bón cho cây<br /> trồng. Giải pháp xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men<br /> nóng đối với các loại chất thải có nhiều tiềm năng, vì vậy có thể áp dụng trong điều<br /> kiện Việt Nam.<br /> Đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác<br /> hữu cơ bằng phƣơng pháp sinh học kỳ khí ở chế độ lên men nóng” là rất cần<br /> thiết, để đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường, phù hợp với định hướng chiến lược<br /> phát triển trong tương lai về việc lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý cho các đô thị<br /> lớn tại Việt Nam, hướng tới phát triển bền vững.<br /> 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN<br /> Mục tiêu nghiên cứu của luận án:<br /> Nghiên cứu tính khả thi và hiệu quả về mặt kỹ thuật của công nghệ phân hủy<br /> sinh học kỵ khí lên men nóng để xử lý hỗn hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ (chất<br /> thải thực phẩm) trong điều kiện Việt Nam.<br /> Nghiên cứu đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh học kỵ<br /> khí ở chế độ lên men nóng tới hiệu quả sinh metan: tỷ lệ bùn bể tự hoại: chất thải<br /> thực phẩm, tải lượng hữu cơ của chất thải.<br /> Xác định thông số động học đặc trưng của quá trình xử lý kỵ khí hai loại chất<br /> thải nói trên ở chế độ lên men nóng.<br /> 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU<br /> Đối tƣợng nghiên cứu<br /> Đối tượng nghiên cứu là bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm.<br /> Phạm vi nghiên cứu<br /> Phạm vi nghiên cứu: tại các thành phố lớn, lấy Hà Nội làm ví dụ nghiên cứu.<br /> <br /> 4<br /> <br /> Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng phương pháp<br /> sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng được thực hiện trong phòng thí nghiệm (thí<br /> nghiệm theo mẻ) và ứng dụng thử nghiệm trên mô hình Pilot (thí nghiệm liên tục).<br /> 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> Nội dung chính của luận án<br /> Tổng quan về số lượng, thành phần, tính chất của bùn cặn bể tự hoại, rác<br /> hữu cơ và cơ sở lý thuyết quá trình phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng.<br /> Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm: Thí nghiệm<br /> theo mẻ và thí nghiệm liên tục – mô hình pilot. Thí nghiệm theo mẻ nghiên cứu xử<br /> lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm với các tỉ lệ phối trộn Bùn<br /> bể tự hoại: chất thải thực phẩm khác nhau ở các chế độ lên men ấm và lên men<br /> nóng. Thí nghiệm theo mẻ cho phép so sánh giữa 2 chế độ lên men về lượng khí<br /> metan sinh ra, hiệu suất quá trình xử lý theo COD và hiệu suất sinh khí metan.<br /> Đồng thời xác định được tỉ lệ phối trộn tối ưu là cơ sở để thực hiện thí nghiệm liên<br /> tục. Thí nghiệm liên tục trong mô hình Pilot 1000 lít được thực hiện dựa trên tỉ lệ<br /> phối trộn của thí nghiệm theo mẻ, cho phép xác định lượng khí biogas và thành<br /> phần khí biogas, xác định được thông số vận hành tối ưu - tải lượng hữu cơ tối đa<br /> nạp vào hệ và chất lượng hỗn hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm sau xử lý.<br /> Kết quả thực nghiệm của thí nghiệm theo mẻ được sử dụng để nghiên cứu<br /> mô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng<br /> bằng phần mềm GPS-X. Kết quả phần mềm GPS-X cho phép xác định được các<br /> thông số đặc trưng hệ số phân hủy nội sinh kd của bùn bể tự hoại và chất thải thực<br /> phẩm bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng. Từ đó giúp cho<br /> việc tính toán, thiết kế được công trình trong nhà máy xử lý chất thải.<br /> Thảo luận, nhận xét kết quả nghiên cứu và kết luận<br /> 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Phương pháp nghiên cứu tổng hợp tài liệu.<br /> <br /> 5<br /> <br /> Thu thập tài liệu liên quan về thành phần, tính chất, các phương pháp xử lý<br /> bùn bể tự hoại, rác hữu cơ…<br /> Phương pháp nghiên cứu lý thuyết<br /> Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí chất thải trong các chế độ<br /> lên men ấm và lên men nóng.<br /> Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm<br /> Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc một số thông số ngoài hiện trường, phân tích tính<br /> toán và tổng hợp các số liệu thu được.<br /> Tiến hành thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục, xử lý kết hợp bùn bể tự<br /> hoại và chất thải thực phẩm.<br /> Thí nghiệm theo mẻ thực hiện trong phòng thí nghiệm với 2 hệ thí nghiệm<br /> (mỗi hệ thí nghiệm gồm 6 bình dung tích 500ml) ở chế độ lên men ấm (35oC) và lên<br /> men nóng (55oC) với các tỉ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn bể tự hoại và chất thải<br /> thực phẩm.<br /> Thí nghiệm liên tục ở chế độ lên men nóng (55oC) được thực hiện trong mô<br /> hình Pilot 1000l với tỉ lệ phối trộn tối ưu từ thí nghiệm theo mẻ.<br /> Phương pháp sử dụng mô hình toán học để mô phỏng<br /> Các kết quả thí nghiệm theo mẻ được sử dụng để chạy phần mềm GPS-X mô<br /> phỏng quá trình xử lý kỵ khí kết hợp giữa bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm ở<br /> chế độ lên men nóng, để xác định thông số động học cơ bản của bùn bể tự hoại và<br /> chất thải thực phẩm.<br /> Phương pháp so sánh, phân tích<br /> So sánh xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm ở hai chế<br /> độ lên men ấm và lên men nóng. Phân tích, nhận xét kết quả thu được. So sánh với<br /> các nghiên cứu phân hủy kỵ khí sinh metan của các nghiên cứu khác.<br /> Phương pháp thống kê – xác suất<br /> Áp dụng phương pháp thống kê, xác suất để xử lý kết quả thu được.<br /> Phương pháp tổng hợp<br /> Tổng hợp, liên kết các thông tin lại với nhau một cách có hệ thống.<br /> Phương pháp chuyên gia<br /> <br />