Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu tính hiệu quả và khả thi của công nghệ phân hủy sinh học kỵ khí trong điều kiện lên men ấm để xử lý phân bùn bể tự hoại phù hợp áp dụng cho các đô thị vừa và nhỏ ở miền bắc Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Hoàng Lê Phƣơng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng chất thải rắn Mã số: 62.52.03.20-1 Hà Nội- Năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Hoàng Lê Phƣơng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng chất thải rắn Mã số: 62.52.03.20-1 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái 2. PGS.TS. Lều Thọ Bách Hà Nội- Năm 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ khoa học “Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu của luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận án Hoàng Lê Phƣơng
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây Dựng nơi Tôi học tập, Khoa Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Bộ môn Công nghệ và Quản lý Môi trường của Trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái và PGS.TS. Lều Thọ Bách đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các nhà khoa học, chyên gia đã có những ý kiến đóng góp cho luận án trong quá trình thực hiện. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên nơi tôi công tác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tác giả luận án Hoàng Lê Phƣơng
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................i DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ii DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................iv MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ........................................................1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ......................................3 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ........................3 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ...........................................3 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN .............................5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ TỪ CHỢ ..........................................................................................7 1.1. Tổng quan về phân bùn bể tự hoại..................................................................................... 7 1.1.1. Sự hình thành phân bùn bể tự hoại............................................................................. 7 1.1.2. Khối lượng, thành phần và tính chất phân bùn ......................................................... 7 1.2. Tổng quan về quản lý và xử lý phân bùn bể tự hoại....................................................... 11 1.2.1. Quản lý và xử lý phân bùn tại các đô thị trên thế giới............................................ 11 1.2.2. Quản lý và xử lý phân bùn tại Việt Nam ................................................................. 16 1.3. Tổng quan về chất thải hữu cơ từ chợ ............................................................................. 23 1.4. Đánh giá lựa chọn nghiên cứu phương pháp xử lý phân bùn bể tự hoại thích hợp với điều kiện Việt Nam .............................................................................................................. 24 1.4.1. Các yếu tố tác động đến việc lựa chọn công nghệ xử lý ........................................ 24 1.4.2. Đánh giá lựa chọn phương pháp sinh học xử lý phân bùn bể tự hoại .................. 27
1.5. Một số nghiên cứu có liên quan đến phân bùn bể tự hoại và công nghệ kỵ khí ........... 34 1.5.1. Một số nghiên cứu trên thế giới................................................................................ 34 1.5.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam .............................................................................. 36 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................39 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỲ KHÍ CHẤT HỮU CƠ THU KHÍ SINH HỌC ...............................................41 2.1. Cơ sở lý thuyết cơ bản về quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữu cơ.............. 41 2.1.1. Khái niệm quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí ................................................. 41 2.1.2. Cơ chế quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữu cơ .................................... 41 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữu cơ ... 45 2.1.4. Thiết lập cân bằng vật chất và phân tích động học quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ ...................................................................................................................... 52 2.2. Khả năng áp dụng quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí trong xử lý chất thải............ 59 2.3. Các phương pháp phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ ................................................ 61 2.3.1. Phương pháp phân hủy kỵ khí phân loại theo môi trường phản ứng ................... 61 2.3.2. Phương pháp phân hủy kỵ khí phân loại theo chế độ làm việc ............................. 62 2.4. Lựa chọn hướng nghiên cứu xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại ..................................... 63 Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................64 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................66 3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................................... 66 3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm............................................................................ 66 3.2.1. Thực nghiệm khảo sát đặc tính phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ 66 3.2.2. Thực nghiệm xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ trong phòng thí nghiệm ................................................................................... 67 3.2.3. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả quá trình và xác định liều lượng nạp thích hợp trên mô hình hiện trường ............................................................................ 71_Toc508886815 3.2.4. Phân tích mẫu thực nghiệm và xử lý số liệu ........................................................... 77 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .................................80
4.1. Đánh giá khả năng xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ tại khu vực miền Bắc Việt Nam ...................................................................................................... 80 4.1.1. Đặc tính phân bùn bể tự hoại .................................................................................... 80 4.1.2. Đặc tính chất thải rắn hữu cơ từ chợ ........................................................................ 83 4.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp trên mô hình phòng thí nghiệm .............................. 84 4.2.1. Xác định tỷ lệ phối trộn đợt thí nghiệm 1................................................................ 84 4.2.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp đợt thí nghiệm 2 và 3 ...................................... 90 4.2.3. Phân tích động học đối với mô hình phòng thí nghiệm ......................................... 98 4.3. Đánh giá hiệu quả quá trình và xác định liều lượng nạp thích hợp trên mô hình hiện trường .................................................................................................................................. 102 4.3.1. Kết quả nghiên cứu tại các đợt thí nghiệm 4, 5, 6 trong điều kiện mùa đông . 102 4.3.2. Kết quả nghiên cứu đợt thí nghiệm 7 trong điều kiện môi trường mùa hè ........ 113 4.4. Cân bằng vật chất và phân tích động học đối với mô hình hiện trường...................... 120 4.4.1. Cân bằng hàm lượng chất rắn bay hơi ................................................................... 121 4.4.2. Phân tích động học quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ trong quá trình nạp liệu.......................................................................... 122 Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................126 1. KẾT LUẬN........................................................................................................................ 126 2. KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ I PHỤ LỤC
i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AIT Asian Institute of Technology Viện nghiên cứu Châu Á BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học OLR Organic Loading Rate Tải lượng hữu cơ PB Faecal Sludge Phân bùn QCVN - Quy chuẩn Việt Nam RC - Chất thải hữu cơ từ chợ SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng TKN Total Kjeldahn Nitro Tổng nitơ Kjeldahl TNHH - Trách nhiệm hữu hạn TS Total Solid Tổng chất rắn TP Total Phosphorus Tổng phôtpho TVS Total Volatile Solid Tổng chất rắn bay hơi UBND - Ủy ban nhân dân UBNDTP - Ủy ban nhân dân thành phố URENCO - Công ty môi trường đô thị VFA Volatile Fatty Acid Axit béo bay hơi VS Volatile Solid Chất rắn bay hơi WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới
ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Khối lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh theo đầu người ở những nước khác nhau .............................................................................................................................8 Bảng 1.2. Thành phần một số chất trong sản phẩm bài tiết của con người .......................8 Bảng 1.3. Đặc điểm phân bùn từ các hệ thống vệ sinh tại chỗ so với nước thải sinh hoạt ..............................................................................................................................9 Bảng 1.4. Thành phần phân bùn bể tự hoại tại một số đô thị của Việt Nam ............10 Bảng 1.5. Sản phẩm thu được từ các loại hình công nghệ xử lý phân bùn [71] .......25 Bảng 1.6. Đánh giá tổng thể một số phương pháp sinh học xử lý phân bùn bể tự hoại trong điều kiện Việt Nam ..........................................................................................28 Bảng 2.1. Quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian lưu chất thải [98] ..............................45 Bảng 2.2. Ảnh hưởng của ammoni tự do đến quá trình kỵ khí [45] .........................51 Bảng 2.3. Các loại chất thải thích hợp với quá trình chuyển hóa kỵ khí [100] ........59 Bảng 2.4. Đặc điểm một số loại chất thải hữu cơ cho quá trình phân hủy kỵ khí [98] ....60 Bảng 2.5. Ưu nhược điểm của xử lý kỵ khí chất thải [11], [98] ...............................61 Bảng 3.1. Khối lượng nguyên liệu nạp vào các bình phản ứng trong phòng............70 thí nghiệm..................................................................................................................70 Bảng 3.2. Khối lượng nguyên liệu được nạp ban đầu vào bể phản ứng trên mô hình hiện trường ................................................................................................................75 Bảng 3.5. Phương pháp, thiết bị và hóa chất phân tích .............................................78 Bảng 4.1. Đặc tính của phân bùn bể tự hoại tại đợt khảo sát ban đầu ......................80 Bảng 4.2. Đặc tính phân bùn bể tự hoại tại các đợt thí nghiệm trong phòng ...........81 thí nghiệm..................................................................................................................81 Bảng 4.3. Đặc tính phân bùn bể tự hoại tại các đợt thí nghiệm trên mô hình ..........82 hiện trường ................................................................................................................82 Bảng 4.4. Thành phần cơ bản của chất thải hữu cơ tại các đợt thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.......................................................................................................83 Bảng 4.5. Thành phần cơ bản của chất thải hữu cơ tại các đợt thí nghiệm trên mô hình hiện trường ........................................................................................................84 Bảng 4.6. Thành phần khí tại các bình phản ứng ......................................................88 Bảng 4.7. Hiệu suất chuyển hóa VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng ..................89
iii Bảng 4.8. Thành phần khí tại các bình phản ứng ở điều kiện mùa hè ......................96 và mùa đông ..............................................................................................................96 Bảng 4.9. Hiệu suất chuyển hóa VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng trong ........97 điều kiện mùa hè và mùa đông ..................................................................................97 Bảng 4.10. Thông số động học mô hình Gompertz cải tiến của đợt thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.......................................................................................................99 Bảng 4.11. Thành phần khí tại 3 đợt thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm ngoài trời ...........................................................................................................................111 Bảng 4.12. Thành phần khí trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ...............................................................................................119 Bảng 4.13. Thông số động học mô hình Gompertz cải tiến của đợt thí nghiệm trên mô hình hiện trường trong điều kiện mùa hè ..........................................................122
iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Quá trình hình thành phân bùn trong bể tự hoại [1].................................... 7 Hình 1.2. Sơ đồ các phương án xử lý phân bùn có chi phí thấp và vừa [25], [79] ... 13 Hình 1.3. Phân bùn bể tự hoại được chôn lấp tại thành phố Thái Nguyên. .............. 19 Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ xử lý phân bùn tại Tràng Cát Hải Phòng [32] ............... 21 Hình 1.6. Sân phơi bùn tại bãi rác Khánh Sơn – Đà Nẵng [22] ................................ 22 Hình 2.1. Quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữu cơ [90] ........................... 42 Hình 2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ sinh khí ở ba chế độ lên men lạnh, lên men ấm và lên men nóng [98] ................................................................................... 46 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc cân bằng hàm lượng VS bể phản ứng kỵ khí ............... 53 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm ................. 68 Hình 3.2. Mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm ............................................ 69 Hình 3.3. Sơ đồ mô hình thực nghiệm hiện trường .................................................. 73 Hình 3.4. Mặt cắt đứng mô hình thực nghiệm hiện trường ...................................... 74 Hình 3.5. Bể biogas hình cầu bằng vật liệu composit ............................................... 76 Hình 3.6. Mô hình hiện trường đi vào hoạt động...................................................... 76 Hình 4.1. Sự thay đổi nhiệt độ tại các bình phản ứng ............................................... 85 Hình 4.2. Lượng khí sinh ra theo ngày tại các bình phản ứng .................................. 86 Hình 4.3. Lượng khí tích lũy tại các bình phản ứng ................................................. 87 Hình 4.4. Sự thay đổi nhiệt độ của các bình phản ứng trong điều kiện mùa hè ....... 91 Hình 4.5. Sự thay đổi nhiệt độ của các bình phản ứng trong điều kiện mùa đông ... 91 Hình 4.6. Lượng khí sinh ra theo ngày ở điều kiện nhiệt độ mùa hè ........................ 93 Hình 4.7. Lượng khí sinh ra theo ngày ở điều kiện nhiệt độ mùa đông ................... 93 Hình 4.8. Lượng khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa hè ....................................... 93 Hình 4.9. Lượng khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa đông ................................... 94 Hình 4.10. Hiệu suất sinh khí theo kết quả thí nghiệm và theo mô hình Gompertz ở tỷ lệ PB:RC = 3:1 .................................................................................................... 100 Hình 4.11. Quan hệ tuyến tính giữa 1/t(ln(dy/dt)) và 1/t ........................................ 101 Hình 4.12. Sự thay đổi nhiệt độ ở 3 đợt thí nghiệm với 3 chế độ nạp liệu khác nhau trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông ............................ 103
v Hình 4.13. Sự thay đổi pH ở 3 đợt thí nghiệm với 3 chế độ nạp liệu khác nhau trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông .................................... 105 Hình 4.14. Sự thay đổi độ kiềm ở 3 đợt thí nghiệm với 3 chế độ nạp liệu khác nhau trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông ............................ 106 Hình 4.15. Sự thay đổi hàm lượng COD ở 3 đợt thí nghiệm với 3 chế độ nạp liệu khác nhau trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông ........... 107 Hình 4.16. Lượng khí sinh ra theo ngày tại 3 đợt thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông .......................................................... 108 Hình 4.17. Lượng khí tích lũy tại 3 đợt thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa đông ................................................................................. 110 Hình 4.18. Sự thay đổi nhiệt độ ở đợt thí nghiệm 7 trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè ..................................................................................... 114 Hình 4.19. Sự thay đổi pH trong nước đầu ra trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ...................................................................... 114 Hình 4.20. Sự thay đổi độ kiềm trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ............................................................................................... 115 Hình 4.21. Sự thay đổi hàm lượng COD trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ................................................................................ 116 Hình 4.22. Lượng khí sinh ra theo ngày trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ................................................................................ 117 Hình 4.23. Lượng khí tích lũy trên mô hình thực nghiệm ngoài trời trong điều kiện mùa hè và mùa đông ............................................................................................... 118 Hình 4.24. Sơ đồ cân bằng hàm lượng VS trong bể phản ứng đợt thí nghiệm thứ 7 trên mô hình hiện trường trong điều kiện mùa hè ................................................... 121 Hình 4.25. Hiệu suất sinh khí từ thí nghiệm và tính toán từ mô hình Gompertz cải tiến giai đoạn nạp liệu trên mô hình ngoài trời ....................................................... 123 Hình 4.26. Quan hệ tuyến tính giữa 1/t và 1/t.ln(dyt/dt) trong giai đoạn nạp liệu trên mô hình ngoài trời ................................................................................................... 124
1 MỞ ĐẦU 1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Phân bùn bể tự hoại có nguồn gốc từ sản phẩm bài tiết của con người, do đó nó có thể chứa một lượng lớn chất ô nhiễm và các sinh vật gây bệnh. Theo một số nghiên cứu thành phần chất hữu cơ, tổng nitơ, tổng photpho, trứng giun sán trong phân bùn bể tự hoại thường cao hơn trong nước thải gấp 10 lần hoặc hơn [71]. Do đó nếu việc xử lý phân bùn không được thực hiện đúng cách sẽ gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Bên cạnh đó nếu bùn thải từ các bể tự hoại không được thông hút thường xuyên và không qua xử lý sẽ dẫn đến nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước và phát tán các bệnh truyền nhiễm trong cộng đồng rất cao. Trên thế giới chỉ tại một số nước phát triển phân bùn được quản lý và xử lý đúng mức còn tại hầu hết các nước có thu nhập thấp trong đó có Việt Nam việc quản lý và xử lý phân bùn đang là vấn đề thách thức đối với các nhà quản lý đô thị [25], [33], [55], [71]. Tại các đô thị của Việt Nam lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh ngày càng tăng do sự gia tăng tốc độ đô thị hóa nhanh chóng. Hiện chưa có số liệu thống kê rõ ràng về lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh, tuy nhiên theo ước tính tương đối lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh tại một số đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh là 500m3/ngày, trong tương lai có thể lên đến 700 – 900m3/ngày [4], [34]. Mặc dù Việt Nam hiện có một vài đô thị có hệ thống xử lý phân bùn bể tự hoại với phương pháp chủ yếu là tách nước khỏi bùn qua hệ thống bể lắng hoặc bãi lọc, phần bùn khô được ủ hiếu khí phối trộn với chất thải rắn hữu cơ hoặc đưa đi chôn lấp [3], [17], [30], [33], [65]. Thực tế cho thấy hầu hết các hệ thống xử lý này hoạt động không hiệu quả hoặc không hết công suất, còn lại phần lớn phân bùn thu gom được chôn lấp trực tiếp cùng chất thải rắn sinh hoạt tại các bãi chôn lấp hoặc được đổ bừa bãi ra ngoài môi trường không có sự quản lý. Xuất phát từ thực tế trên việc tìm kiếm lựa chọn phương pháp xử lý phân bùn bể tự hoại phù hợp với điều kiện của Việt Nam là rất cần thiết. Trong phân bùn bể
2 tự hoại có hàm lượng chất hữu cơ cao do đó xu hướng xử lý được khuyến khích là áp dụng xử lý bằng phương pháp sinh học điển hình là ủ sinh học hiếu khí và kỵ khí kết hợp với chất thải rắn hữu cơ. Phương pháp ủ hiếu khí có ưu điểm là tạo ra được chất dinh dưỡng cung cấp cho đất tuy nhiên có nhược điểm tiêu tốn năng lượng trong quá trình cấp khí, cần diện tích lớn, phát sinh mùi và khoảng 40% - 50% thành phần hữu cơ trong quá trình ủ hiếu khí chuyển hóa thành khí CO2, một trong những khí gây gia tăng hiệu ứng nhà kính [12], [96]. Bên cạnh đó cần phải tách nước đối với phân bùn bể tự hoại trước khi ủ mà việc tách nước đối với phân bùn từ nhà vệ sinh công cộng gặp nhiều khó khăn. Một phương pháp sinh học khác trong xử lý chất thải hữu cơ là xử lý kỵ khí, phương pháp này có thể áp dụng xử lý đối với nhiều loại chất thải khác nhau, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư thấp. Đồng thời một lượng lớn chất hữu cơ chuyển thành khí metan được thu hồi như nguồn năng lượng sinh học và lượng cặn không phân hủy có thể thu hồi sử dụng trong nông nghiệp. Phân bùn bể tự hoại là chất thải có hàm lượng chất rắn (TS) thấp
3 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Mục tiêu chung: Nghiên cứu tính hiệu quả và khả thi của công nghệ phân hủy sinh học kỵ khí trong điều kiện lên men ấm để xử lý phân bùn bể tự hoại phù hợp áp dụng cho các đô thị vừa và nhỏ ở miền bắc Việt Nam. Mục tiêu cụ thể: - Xác định một số thông số vận hành trong xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp phân hủy kỵ khí trong điều kiện lên men ấm để đạt được hiệu quả thu khí sinh học cao nhất. - Xác định một số thông số động học điển hình nhằm tối ưu hóa công nghệ xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ rau củ quả hỏng từ chợ 3.2. Phạm vi nghiên cứu Công nghệ xử lý phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ bằng phương pháp kỵ khí ấm trong điều kiện khí hậu miền Bắc Việt Nam. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Trên cơ sở các mục tiêu đề ra luận án đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp tổng quan tài liệu: Thu thập các tài liệu và số liệu liên quan đến công nghệ kỵ khí ấm, đến phân bùn bể tự hoại và chất thải rắn hữu cơ từ chợ đã có trong và ngoài nước. Phân tích tổng quan, đánh giá và kế thừa các kết quả nghiên cứu đã thực hiện. - Phương pháp khảo sát thực tế: khảo sát thực tế hoạt động tại một số địa điểm xử lý và đổ thải phân bùn bể tự hoại.
4 - Phương pháp nghiên cứu phân tích thực nghiệm: tiến hành chạy mô hình thực nghiệm phân hủy kỵ khí kết hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường. Lấy mẫu phân tích theo tiêu chuẩn hiện hành đồng thời theo dõi, đo đạc và kiểm soát các thông số trong quá trình thực nghiệm. Phân tích, nhận xét kết quả thu được. - Phương pháp phân tích thống kê: áp dụng phương pháp thống kê xử lý kết quả thí nghiệm - Phương pháp đối chiếu so sánh: đối chiếu so sánh các kết quả nghiên cứu giữa các đợt thí nghiệm và đối chiếu, so sánh với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ở cùng lĩnh vực nghiên cứu. - Phương pháp cân bằng vật chất: tính toán thông qua quá trình chuyển hóa, đánh giá hiệu quả của quá trình. - Phương pháp phân tích tổng hợp: tổng hợp và xâu chuỗi các thông tin một cách khoa học, nhất quán và có hệ thống. 5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Đánh giá khả năng xử lý phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ bằng phương pháp phân hủy kỵ khí - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và đề xuất một số thông số vận hành của phương pháp phân hủy kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ thông qua mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và quy mô hiện trường - Xây dựng mô hình động học của quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Luận án đã đề xuất được công nghệ xử lý phối trộn phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ bằng phương pháp kỵ khí trong điều kiện lên men ấm cho
5 hiệu quả thu khí sinh học cao và phù hợp với các đô thị vừa và nhỏ ở miền Bắc Việt Nam. - Là một trong những nghiên cứu đã xác định được một số thông số vận hành quan trọng trong xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ trong điều kiện lên men ấm, cụ thể: Tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ là 3:1 về khối lượng; Liều lượng nạp hàng ngày là 1,5±0,1kgVS/m3.ngày (tương đương 13kg hỗn hợp nguyên liệu/m3.ngày). - Luận án đã xác định được một số thông số động học theo mô hình Gompertz cải tiến làm cơ sở cho việc tối ưu hóa quá trình. Theo đó nghiên cứu đã đề xuất phương trình động học xác định lượng khí phát sinh: 29,81.𝑒 𝑦 = 549,67. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 25,57 − 𝑡 + 1 và hằng số phân hủy chất hữu cơ 549,67 k = - 0,027. 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Ý nghĩa khoa học: Nội dung nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung các kiến thức tham khảo về phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ trong điều kiện lên men ấm áp dụng cho những khu vực có mùa đông lạnh như miền Bắc Việt Nam. Luận án đã xác định được một số thông số thiết kế và vận hành đối với công trình xử lý phân bùn bể tự hoại phối trộn chất thải hữu cơ bằng phương pháp phân hủy kỵ khí ấm thu hồi khí sinh học. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tài liệu tham khảo giúp các nhà nghiên cứu, nhà quản lý có những định hướng, giải pháp trong việc xử lý phân bùn bể tự hoại phù hợp với điều kiện của miền Bắc Việt Nam.
6 8. KẾT CẤU LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, mục lục, tài liệu tham khảo, danh mục công trình công bố và phụ lục, nội dung chính của luận án gồm 4 chương Chương 1. Tổng quan về phân bùn bể tự hoại và chất thải rắn hữu cơ từ chợ Chương 2. Cở sở lý luận nghiên cứu công nghệ sinh học kỵ khí chất hữu cơ thu khí sinh học Chương 3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương 4. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ TỪ CHỢ 1.1. Tổng quan về phân bùn bể tự hoại 1.1.1. Sự hình thành phân bùn bể tự hoại “Phân bùn” được định nghĩa là hỗn hợp bùn, phân và chất lỏng được hình thành trong các hệ thống vệ sinh tại chỗ, riêng lẻ như: xí đào, xí dội nước, xí công cộng, xí nối với bể tự hoại [25], [55], [66]. Phân bùn được coi là một dạng của bùn cặn. Phân bùn bể tự hoại là một dạng bùn cặn hình thành trong bể tự hoại. Khi bể tự hoại tiếp nhận các sản phẩm bài tiết của con người quá trình lắng cặn tự nhiên diễn ra. Phần nước thải được xả vào hệ thống cống thoát nước công cộng hoặc xả trực tiếp vào hệ thống kênh mương, sông ngòi. Phần cặn lắng hữu cơ được chuyển hóa ở đáy của bể tự hoại nhờ quá trình phân hủy yếm khí hình thành phân bùn bể tự hoại. Quá trình hình thành phân bùn trong các bể tự hoại được thể hiện ở hình 1.1. Phân vào Nước ra Lớp váng Bùn cặn Hình 1.1. Quá trình hình thành phân bùn trong bể tự hoại [1] 1.1.2. Khối lƣợng, thành phần và tính chất phân bùn a. Khối lƣợng phân bùn Trên thế giới cũng như tại Việt Nam cùng với tốc độ đô thị hóa là sự gia tăng về dân số kéo theo đó là sự gia tăng các công trình vệ sinh tại chỗ, ước tính sẽ có khoảng 5 tỷ người sử dụng hệ thống vệ sinh tại chỗ vào năm 2030 [71]. Do đó lượng phân bùn phát sinh sẽ là rất lớn. Ở Việt Nam hiện chưa có con số thông kê cụ thể về lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh tại các đô thị. Tuy nhiên tại một số thành
8 phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh đã có những khảo sát, điều tra về lượng phân bùn, tại hai thành phố này lượng phân bùn bể tự hoại phát sinh khoảng 500m3/ngày [33], [35]. Lượng phân bùn hình thành trong bể tự hoại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng người sử dụng và tần suất sử dụng nhà vệ sinh, thói quen sinh hoạt, ăn uống của từng vùng, từng hộ gia đình. Ở những nơi có thói quen ăn thực phẩm chứa nhiều chất xơ lượng phân tạo thành sẽ nhiều hơn những nơi ăn thực phẩm chứa nhiều thịt, lượng phân bùn phát sinh ở một số nước được đưa ra ở bảng 1.1 Bảng 1.1. Khối lƣợng phân bùn bể tự hoại phát sinh theo đầu ngƣời ở những nƣớc khác nhau TT Nƣớc Khối lƣợng phân bùn ƣớt (g/ngƣời/ngày) 1 Những nước có thu nhập cao 100 – 200 2 Những nước có thu nhập thấp vùng nông thôn 350 3 Những nước có thu nhập thấp vùng đô thị 250 4 Trung Quốc 315 5 Kenya 520 6 Thái Lan 120 - 400 Nguồn: Linda và cộng sự, 2014 [71] b. Thành phần và tính chất phân bùn Phân bùn bể tự hoại là sản phẩm của quá trình lên men các cặn rắn chất bài tiết của con người trong bể tự hoại trong khi chất bài tiết của con người lại chứa rất nhiều các chất dinh dưỡng (được thể hiện ở bảng 1.2) do đó trong phân bùn có chứa một lượng lớn chất dinh dưỡng và các loại vi sinh vật. Bảng 1.2. Thành phần một số chất trong sản phẩm bài tiết của con ngƣời Thành phần Nƣớc tiểu Phân Phân + Nƣớc tiểu g/ngƣời/ngày đêm Ni tơ 11,0 1,5 12,5