Luận án Tiến sĩ Môi trường: Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:179

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm đề xuất được công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm xử lý nước thải đô thị cho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Môi trường: Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM) Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số: 9520320-2 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM) Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số: 9520320-2 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. Nguyễn Việt Anh Hà Nội – Năm 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu của luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng năm 2021 Tác giả luận án Vũ Thị Hoài Ân
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Xây dựng nơi tôi học tập, Khoa Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Bộ môn Cấp thoát nước của trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến GS. TS. Nguyễn Việt Anh đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cục Kinh tế Liên bang Thụy Sỹ (SECO), Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng và Viện Khoa học và Công nghệ Nước (EAWAG), Thụy Sỹ đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà khoa học, các chuyên gia đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu cho luận án trong quá trình thực hiện. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng công trình đô thị nơi tôi công tác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình đã hết sức giúp tôi có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, động viên tinh thần, giúp tôi hoàn thành luận án Tiến sỹ này. Tác giả luận án Vũ Thị Hoài Ân
i MỤC LỤC……..…………………….....…………...……………………………...i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................................iv Danh mục các bảng ....................................................................................................vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................. viii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ............................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ....................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án ..................................................................... 3 5. Cơ sở khoa học của luận án..................................................................................... 4 6. Nội dung nghiên cứu của luận án ............................................................................ 4 7. Tính mới của luận án ............................................................................................... 5 8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án ................................................ 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ .......................................................................................... 7 1.1. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị .............................................................................................. 7 1.1.1. Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị................................................7 1.1.2. Thành phần, tính chất bùn của trạm XLNT đô thị ...................................10 1.1.3. Các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị trên thế giới và ở Việt Nam.....................................................................................................................12 1.2. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại ................................................................................................................ 16 1.2.1. Lượng bùn bể tự hoại ...............................................................................16 1.2.2. Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại ......................................................17 1.2.3. Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam .......20 1.3. Tổng quan các nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT và bùn bể tự hoại ..................................................................................................................... 24 1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ....................................................................24 1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................26 Nhận xét chương 1 ................................................................................................. 31 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ, THU KHÍ SINH HỌC ........................................................................................................ 32
ii 2.1. Các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong điều kiện kị khí ............................................................................................................... 32 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí...................................... 35 2.3. Các bể phân hủy kị khí bùn ......................................................................... 40 2.4. Phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí (BMP) cho công nghệ phân hủy kị khí ........................................................................................................................... 43 2.4.1. Khái niệm về phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan BMP ....43 2.4.2. Các yếu tố liên quan đến thí nghiệm BMP ...............................................43 2.5. Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn ................................................................. 48 2.6. Cân bằng năng lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm XLNT . 49 Nhận xét chương 2 ................................................................................................. 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ ............................... 52 3.1. Mục đích thí nghiệm........................................................................................ 52 3.2. Mô tả thí nghiệm ............................................................................................. 52 3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP.................................................52 3.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm ..............................................................53 3.3. Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích và đánh giá trong thí nghiệm ................ 56 3.3.1. Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích thí nghiệm .....................................56 3.3.2. Các chỉ tiêu đánh giá thí nghiệm .............................................................58 3.4. Thực hiện thí nghiệm ...................................................................................... 60 3.4.1. Thí nghiệm BMP1 đánh giá tiềm năng sinh khí CH4 của bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng ................................................................62 3.4.2. Thí nghiệm BMP2 đánh giá tiềm năng sinh khí CH4 của bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị khi xử lý kết hợp .............................................................63 3.5. Kết quả thí nghiệm và thảo luận...................................................................... 67 3.5.1. Thí nghiệm BMP1 .....................................................................................67 3.5.2. Thí nghiệm BMP2 .....................................................................................72 Nhận xét chương 3 ................................................................................................. 77 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHU VỰC ĐÔ THỊ TRUNG TÂM HÀ NỘI CŨ PHÍA NAM SÔNG HỒNG ........................................................................ 78 4.1. Xác định nội dung tính toán, lựa chọn và đề xuất công nghệ xử lý bùn khu vực đô thị trung tâm Hà Nội ................................................................................... 78
iii 4.2. Các trạm XLNT đô thị trong khu vực tính toán .............................................. 78 4.3. Lượng bùn thải của các trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong khu vực tính toán .................................................................................................................. 81 4.3.1. Lượng bùn thải phát sinh tại các trạm XLNT đô thị ................................81 4.3.2. Lượng bùn bể tự hoại phát sinh trong khu vực tính toán .........................83 4.4. Các giải pháp xử lý bùn cho khu vực tính toán ............................................... 83 4.5. Tính toán các phương án xử lý bùn cho khu vực tính toán ............................. 88 4.5.1. Tính toán xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b ............................................................................................................................90 4.5.2. Tính toán xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a và TT1b ....................................................................................................................93 4.5.3. Tính toán xử lý bùn theo phương án HT ..................................................99 4.5.4. Tính toán xử lý bùn theo phương án TT2 ...............................................101 4.6. Nhận xét kết quả tính toán và đề xuất công nghệ xử lý bùn ......................... 103 Nhận xét chương 4 ............................................................................................... 111 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 115 PHỤ LỤC ................................................................................................................... A
iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Ký hiệu, các chữ Tiếng Việt Tiếng Anh viết tắt AD Phân hủy kị khí Anaerobic digestion AO Thiếu khí/ Hiếu khí Anoxic/Oxic A2O Kị khí/ Thiếu khí/ Hiếu khí Anaerobic/Anoxic/Oxic BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential BOD Nhu cầu ôxi sinh hóa Biological Oxygen Demand CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge CHP Nhiệt điện kết hợp Combined Heat and Power CH4 Mê tan Methane CO2 Cacbonic Carbon dioxide COD Nhu cầu ôxi hóa học Chemical Oxygen Demand DCCN Dây chuyền công nghệ - DS Chất rắn khô Dry solids EAWAG Viện Khoa học và Công nghệ Nước Institute of Water Science and (Thụy Sỹ) Technology FS Bùn bể tự hoại Faecal sludge F/M Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật Food to Microorganism ratio HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time HTTN Hệ thống thoát nước Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi Institute of Environmental IESE trường, Trường Đại học Xây dựng Science and Engineering OLR Tải trọng hữu cơ Organic Loading Rates N2 Ni tơ Nitrogen PS Bùn sơ cấp Primary sludge PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất Project on Urban Resource thải đô thị Recovery from Waste
v Ký hiệu, các chữ Tiếng Việt Tiếng Anh viết tắt SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động Sequencing Batch Reactor theo mẻ SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time SS Chất rắn lơ lửng Suspended Solids TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK Tài liệu tham khảo TN Tổng nitơ Total Nitrogen TP Tổng phốt pho Total Phosphorus TS Tổng chất rắn Total Solids TSS Tổng lượng cặn lơ lửng Total Suspended Solids VFA Axit béo bay hơi Volatile Fatty Acid VNĐ Đồng Việt Nam VS Chất rắn bay hơi Volatile Solids VSS Chất rắn lơ lửng bay hơi Volatile Suspended Solids XLNT Xử lý nước thải WAS1 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT có Waste sctivated sludge from bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant with primary sedimentation tank WAS2 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT Waste sctivated sludge in không có bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant without primary sedimentation tank WAS Bùn nén (Bùn sau bể nén bùn) Thickened Sludge
vi Danh mục các bảng Bảng 1.1. Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải ......................................................8 Bảng 1.2. Dự báo khối lượng bùn phát sinh của các đô thị Việt Nam phụ thuộc vào % số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN ............................................................9 Bảng 1.3. Thành phần, tính chất bùn của các trạm XLNT .......................................11 Bảng 1.4. Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại tại một số nước .............................18 Bảng 1. 5. Xử lý bùn bể tự hoại tại một số thành phố ở Việt Nam ...........................21 Bảng 1. 6. Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam .........................................................................................................23 Bảng 3.1. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP1 .......62 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP1......................63 Bảng 3.3. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP2 .......65 Bảng 3. 4. Tỷ lệ phối trộn của các bùn cơ chất trong thí nghiệm BMP2 ..................65 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP2......................66 Bảng 3.6. Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP1 ........................67 Bảng 3.7. Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP2 ........................72 Bảng 4.1. Các trạm XLNT đô thị thuộc khu vực tính toán đến năm 2030 ...............80 Bảng 4.2. Thông số nước thải đầu vào và đầu ra một số trạm XLNT ở Hà Nội ....81 Bảng 4.3. Tổng lượng bùn nén và bùn tách nước của các trạm XLNT đô thị trong khu vực tính toán .......................................................................................................81 Bảng 4.4. Lượng bùn phát sinh của trạm XLNT Yên Sở .........................................82 Bảng 4.5. Lượng bùn bể tự hoại trong khu vực tính toán đến năm 2030 .................83 Bảng 4.6. Nguyên liệu nạp vào bể mê tan của trạm XLNT Yên Sở .........................90 Bảng 4.7. Tổng hợp tính toán bể mê tan và thể tích biogas thu được khi xử lý bùn trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b ................................................91 Bảng 4.8. Nhu cầu năng lượng trạm XLNT Yên Sở khi xử lý bùn theo phương án YS1a và YS1b ...........................................................................................................92
vii Bảng 4. 9. Nguyên liệu nạp vào bể mê tan tại trạm xử lý bùn tập trung ..................93 Bảng 4.10. Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1a....94 Bảng 4.11. Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1b ...96 Bảng 4.12. Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án TT1a và phương án TT1b 99 Bảng 4.13. Tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án HT ....................100 Bảng 4.14. Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án HT ..................................100 Bảng 4.15. Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT2 ...101 Bảng 4.16. Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án TT2 ................................103 Bảng 4.17. Thể tích bể mê tan và lượng biogas sinh ra của trạm XLNT Yên Sở khi WAS không xử lý kết hợp với FS ...........................................................................103 Bảng 4.18. Thể tích biogas sinh ra khi WAS của trạm XLNT Yên Sở xử lý và không xử lý kết hợp với FS. ....................................................................................104 Bảng 4.19. Tổng hợp so sánh các phương án xử lý bùn .........................................105
viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đô thị. ................................................7 Hình 1.2. Tổng quan các phương pháp xử lý bùn tại các trạm xử lý nước thải. .......13 Hình 1.3. Công nghệ xử lý bùn tại các trạm XLNT đô thị ở Việt Nam....................15 Hình 1.4. Giá trị COD, TN và TP (mg/L) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội. ..........................................................................................................19 Hình 1.5. Giá trị TS và VS (g/L), VS/TS (%) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội. ..........................................................................................................19 Hình 2.1. Các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí.........32 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm BMP hệ Water Bath.....................................52 Hình 3.2. Thí nghiệm BMP. ......................................................................................53 Hình 3.3. Thùng Inox 40 lít nuôi bùn kị khí (bùn nuôi cấy). ....................................54 Hình 3.4. Dụng cụ ống lấy mẫu bùn bể tự hoại. .......................................................55 Hình 3.5. Sục khí N2 các bình phản ứng thí nghiệm BMP. ......................................61 Hình 3.6. Bộ hấp thụ biogas và đo khí mê tan. .........................................................61 Hình 3.7. Khối lượng bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị phát sinh của khu vực đô thị trung tâm Hà Nội giai đoạn 2019-2044. ..................................................64 Hình 3.8. Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của các mẫu trong thí nghiệm BMP1. .............................................................................69 Hình 3.9. Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP1. ..........................................................................................................70 Hình 3.10. Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL) do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP1. .......................................................70 Hình 3.11. Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của các mẫu trong thí nghiệm BMP2. .............................................................................74 Hình 3.12. Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2. ..........................................................................................................75
ix Hình 3.13. Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL) do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2. .......................................................76 Hình 4.1. Vị trí các trạm xử lý nước thải ở Hà Nội . ................................................79 Hình 4.2. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b. ...................................................................................................................................85 Hình 4.3. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a. .......86 Hình 4.4. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1b. .......87 Hình 4.5. Sơ đồ xử lý bùn sau tách nước tại các trạm XLNT theo phương án HT. .87 Hình 4.6. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT2. .........88 Hình 4.7. Lượng bùn trạm XLNT đô thị và FS sau xử lý của các phương án. .......107 Hình 4.8. Năng lượng tiêu thụ, sinh ra và thu hồi khi xử lý bùn theo các phương án. .................................................................................................................................108 Hình 4.9. Giá thành xử lý và suất vốn đầu tư xây dựng theo các phương án. ........109
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong những năm qua, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, hệ thống đô thị được mở rộng cả về quy mô và số lượng. Việt Nam đang phải đối mặt với sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở các thành phố lớn, dẫn đến sức ép lớn đối với hệ thống cơ sở hạ tầng và dịch vụ công cộng như năng lượng, cấp thoát nước và bảo vệ môi trường. Hệ thống thoát nước (HTTN) và trạm xử lý nước thải (XLNT) đang được xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị Việt Nam từ 17 trạm XLNT tập trung vận hành với tổng công suất 540.000m3/ngày năm 2012 [19] tăng lên 46 trạm XLNT tập trung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000m3/ngày, xử lý tương đương 14% lượng nước thải đô thị phát sinh, và hơn 50 trạm XLNT tập trung đang ở giai đoạn thiết kế, xây dựng và chuẩn bị chuyển giao để vận hành [8]. Bùn phát sinh từ các trạm XLNT đô thị sẽ trở thành mối quan tâm lớn. Lượng bùn trạm XLNT đô thị đã tách nước dự tính đến năm 2050 khoảng 14.473 m3/ngày [73]. Nước thải đầu vào các nhà máy XLNT tập trung có hàm lượng giá trị các thông số ô nhiễm như BOD, COD, TSS thấp và lượng bùn phát sinh tại các nhà máy XLNT này cũng nghèo về BOD, COD, TSS. Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trò quan trọng trong thoát nước đô thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các hộ gia đình, trường học, cơ quan, …. Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật (2017), lượng bùn bể tự hoại phát sinh cũng khá nhiều, từ 50.000 m3 tới 218.490 m3 [7]. Tuy nhiên, tại các đô thị lượng bùn này thu gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình đạt 32% và khoảng 4% lượng bùn bể tự hoại được xử lý [7]. Việc quản lý bể tự hoại và xử lý bùn của các bể tự hoại còn nhiều tồn tại và bất cập như bùn cặn bể tự hoại chủ yếu hiện nay do tư nhân tổ chức dịch vụ một cách tự phát và đổ xả tùy tiện ra môi trường, việc hút cặn không đúng quy trình kỹ thuật: hút cả cặn mới lẫn cặn đã hoàn thành phân hủy. Bùn bể tự hoại có độ ẩm lớn, thành phần dinh dưỡng như chất hữu cơ, ni tơ, phot pho, kali,… cao, có mùi khó chịu và còn nhiều vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán. Do
2 đó bùn bể tự hoại cần được thu gom, vận chuyển và xử lý để tránh ô nhiễm môi trường và lây lan mầm bệnh. Phương pháp phân hủy kị khí đã được sử dụng rộng rãi để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học mang lại hiệu quả giảm thể tích bùn thải và thu hồi năng lượng cao ở nhiều trạm XLNT trên thế giới [55]. Phân hủy kị khí lên men ấm được coi là ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn ở chế độ lên men nóng. Điều kiện khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho xử lý bùn các trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong điều kiện lên men ấm. Xu hướng xử lý để thu hồi tài nguyên từ bùn ngày càng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, để giảm lượng bùn thải đưa đi chôn lấp, tiết kiệm quỹ đất vốn ngày càng khan hiếm, và tạo các sản phẩm có giá trị kinh tế như sinh năng lượng (điện, nhiệt), phân bón hay chất cải tạo đất, vật liệu xây dựng, vv…Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về giải pháp quản lý và xử lý bùn từ HTTN và bể tự hoại, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về xử lý kết hợp các loại bùn thải bằng phân hủy kị khí lên men ấm. Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thải phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)” đã được nghiên cứu, thực hiện để đánh giá khả năng sinh khí mê tan khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm từ đó đề xuất công nghệ xử lý bùn cho các trạm XLNT đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị khi xử lý phân hủy kị khí lên men ấm (350C), để loại bỏ chất hữu cơ (theo COD, VS) và thu được lượng khí mê tan (CH4) cao nhất. - Đề xuất được công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thị cho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp.
3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: + Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và bùn nén); + Bùn bể tự hoại từ hộ gia đình. - Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thị trong HTTN chung có sử dụng công nghệ bùn hoạt tính cho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực Tả Nhuệ) bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (350C), có thu hồi năng lượng. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: thu thập thông tin, dữ liệu về bùn bể tự hoại, bùn trạm XLNT đô thị như khối lượng, thể tích bùn; thành phần và tính chất; các công nghệ xử lý bùn trạm XLNT và bùn bể tự hoại ở Việt Nam. Phương pháp này cũng dùng để thu thập số liệu đối chiếu với các nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến đề tài, phục vụ cho nghiên cứu. Phương pháp này cũng được sử dụng để thu thập số liệu trong chạy mô hình thí nghiệm. Các số liệu thu thập được từ kết quả phân tích, quan sát và xử lý bằng các phần mềm máy tính để vẽ các biểu đồ, tính toán các công thức. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng; và thí nghiệm BMP để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của các nguồn bùn. - Phương pháp kế thừa: kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đã thực hiện, và của dự án mà nghiên cứu sinh trực tiếp tham gia lấy mẫu, phân tích thí nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc một số thông số ngoài hiện trường và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Xây dựng theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế. Các thí nghiệm về phân hủy kị khí theo mẻ thực hiện trong phòng thí nghiệm ở chế độ lên men ấm (35oC), để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phân hủy chất hữu cơ của bùn bể tự hoại và bùn từ trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng rẽ,
4 và khi xử lý kết hợp với các tỉ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị. - Phương pháp so sánh, phân tích: phân tích, nhận xét kết quả thí nghiệm thu được, và so sánh với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ở cùng lĩnh vực nghiên cứu về phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm. - Phương pháp tính toán, phân tích để so sánh chi phí và lợi ích của các giải pháp kỹ thuật xử lý bùn đề xuất. - Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến chuyên gia thông qua trao đổi trực tiếp, tổ chức hội thảo khoa học lấy ý kiến, nhận xét phản biện của các chuyên gia. 5. Cơ sở khoa học của luận án Bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị còn chứa hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy được bằng phương pháp sinh học kị khí. Bùn bể tự hoại có hàm lượng VS từ 3,3 g/L đến 31,6 g/L, hàm lượng COD từ 8,0g/L đến 42,85 g/L, hàm lượng TN từ 0,10 g/L đến 0,34 g/L, hàm lượng TP từ 0,16g/L đến 1,20 g/L [1]. Bùn của trạm XLNT đô thị có hàm lượng VS từ 1,79 g/L đến 17,47 g/L, hàm lượng COD từ 2,22g/L đến 24,97g/L, hàm lượng TN từ 0,16 g/L đến 1,24 g/L, hàm lượng TP từ 0,06 g/L đến 0,72 g/L [5]. Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp được áp dụng ở nhiều nhà máy XLNT trên thế giới để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học khi kết hợp xử lý hai hay nhiều loại bùn khác nhau [51]. Kết quả một số nghiên cứu quá trình ổn định bùn bằng phân hủy kị khí đã sản xuất biogas, làm nguồn nhiên liệu để sản sinh ra năng lượng điện và nhiệt. Phân hủy kị khí bùn ở các trạm XLNT và thu khí CH4 thường được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm, với nhiệt độ tối ưu 350C [61]. Vì vậy, luận án nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để xử lý ổn định bùn, giảm lượng bùn thải chôn lấp và thu hồi năng lượng. 6. Nội dung nghiên cứu của luận án - Tổng quan về lượng bùn, thành phần tính chất và các phương pháp xử lý bùn
5 bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học. - Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm: thí nghiệm theo mẻ về phân hủy kị khí lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý riêng bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị; thí nghiệm theo mẻ về phân hủy kị khí ở chế lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau. - Tính toán và đề xuất lựa chọn công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm. 7. Tính mới của luận án - Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý FS:WAS để cho phép đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ (theo COD và VS) và thu được lượng khí mê tan cao nhất. Cụ thể FS:WAS=1:1 (theo khối lượng VS) cho phép đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tính theo COD và VS tương ứng là 43,40% và 42,55%, hiệu suất sinh khí CH4 đạt 294,8 NmL/gVSbùn vào. - Đề xuất công nghệ xử lý kị khí kết hợp FS với WAS của các trạm XLNT đô thị trong điều kiện lên men ấm (350C) có thu hồi khí sinh học sản xuất năng lượng cho khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng, cũng như phương án sử dụng bùn sau xử lý đạt hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường. 8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: + Luận án đã tổng quan được các thông tin có giá trị về số lượng, thành phần, tính chất và các công nghệ xử lý bùn của trạm XLNT đô thị, bùn bể tự hoại, cũng như tiềm năng thu hồi tài nguyên từ các loại bùn này. + Luận án đã xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý cho quá trình phân hủy kị khí lên men ấm (350C) thu khí CH4 khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị. + Luận án đã tính toán công nghệ xử lý bùn bằng phương pháp phân hủy kị khí
6 lên men ấm, góp phần bổ sung vào kiến thức tham khảo, làm cơ sở cho việc tìm kiếm, lựa chọn các giải pháp xử lý bùn phù hợp với các điều kiện ở Việt Nam. - Ý nghĩa thực tiễn: + Góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do bùn thải gây ra như ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường đất và không khí. + Tiết kiệm tài nguyên đất do giảm được diện tích đất bãi chôn lấp bùn. + Thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện, nhiệt. Bùn sau phân hủy kị khí được xử lý, tái sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo đất, làm vật liệu trong xây dựng, v.v ... + Luận án đã chỉ ra được, có thể áp dụng cho các trạm XLNT tại các đô thị trong điều kiện Việt Nam: xử lý cùng lúc hai loại bùn thải, tận dụng các công trình của trạm XLNT đô thị, nhất là khi trạm hoạt động chưa đủ công suất thiết kế. 9. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình đã công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT đô thị. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân hủy kị khí bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị Chương 4: Đề xuất công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm xử lý nước thải khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng.
7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị 1.1.1. Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị Trong quá trình thu gom, vận chuyển và xử lý nước thải đều phát sinh bùn. Sơ đồ nguồn phát sinh bùn từ HTTN đô thị được trình bày trong hình 1.1. Nước thải Nước thải công Nước mưa sinh hoạt nghiệp, dịch vụ chảy tràn Bể tự hoại Tiền xử lý Bùn bể Nước thải đô thị tự hoại Mạng lưới thoát nước Bùn nạo vét từ MLTN Xử lý sơ bộ Rác, cát, ... Xử lý bậc 1 Bùn sơ cấp Nước thải sau bậc 1 Xử lý bậc 2, 3 Bùn thứ cấp Nước thải sau xử lý Xử lý bùn Xử lý tiếp hoặc xả ra nguồn Tái sử dụng hoặc thải bỏ Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đô thị. Bùn phát sinh từ xử lý nước thải đô thị tại trạm xử lý gồm các loại bùn thải từ xử lý sơ bộ, xử lý bậc 1 và xử lý bậc 2, 3.