Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí hỗn hợp bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí Metan

Chia sẻ: Mao A Mẫn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí hỗn hợp bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí Metan" nên lên mục đích đánh giá một số đặc điểm của bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ và khả năng phân hủy sinh học kỵ khí khi phối trộn các loại chất thải này lại với nhau để sinh khí metan. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí hỗn hợp bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí Metan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------***------------ Nguyễn Trƣờng Phú “ NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ BÙN BỂ PHỐT, BÙN HOẠT TÍNH DƢ VÀ CHẤT THẢI GIÀU HỮU CƠ ĐỂ SINH KHÍ METAN” LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà nội – năm 2020 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------***------------ Nguyễn Trƣờng Phú “ NGHIÊN CỨU ĐỒNG PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ BÙN BỂ PHỐT, BÙN HOẠT TÍNH DƢ VÀ CHẤT THẢI GIÀU HỮU CƠ ĐỂ SINH KHÍ METAN” Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THỊ HUYỀN NGA Hà nội – năm 2020 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dƣ và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí metan” là một nghiên cứu không có sự sao chép của ngƣời khác. Đề tài là một sản phẩm mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu có sự kết hợp với đề tài “Nghiên cứu đặc trƣng các chỉ tiêu hóa lý của bùn thải đô thị trƣớc và sau phân hủy kỵ khí”, cùng các tác giả Đỗ Quang Trung, Bùi Duy Cam, Nguyễn Thị Nhâm, Nguyễn Quang Minh; cùng với đó là sự hƣớng dẫn tận tình của các thầy cô trong quá trình học tập tại trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên TS. Trần Thị Huyền Nga, cũng nhƣ tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại trạm xử lý phân bùn bể phốt UGRENCO 7 Cầu Diễn. Trong quá trình viết luận văn tôi có sự tham khảo ở một số tài liệu đã đƣợc công bố và có nguồn gốc rõ ràng. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và trích dẫn thông tin trong luận văn. Tôi xin cam đoan nếu có vấn đề gì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2020 Học viên Nguyễn Trƣờng Phú 3
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, trƣớc tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS. Trần Thị Huyền Nga, ngƣời đã tận tụy hƣớng dẫn, chỉ bảo cho tôi những kiến thức quý báu trong quá trình nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đỗ Quang Trung, cảm ơn anh Nguyễn Quang Minh - Nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa môi trƣờng, Khoa Hóa Học - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên cùng các anh chị học viên, các bạn sinh viên cùng thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc trƣng các chỉ tiêu hóa lý của bùn thải đô thị trƣớc và sau phân hủy kỵ khí”. Tôi xin gửi lời cảm ơn, lời chúc sức khoẻ và thành công tới các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Môi trƣờng, các thầy cô trong Khoa Môi trƣờng và trong Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, những ngƣời đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn và cho tôi những bài học, kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống cũng nhƣ trong suốt quá trình làm luận văn. Xin cảm ơn các anh chị ở Phòng thí nghiệm - Trung tâm phân tích và Chuyển giao Công nghệ môi trƣờng – Viện Môi trƣờng Nông Nghiệp, đã hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu, cảm ơn Công ty Môi trƣờng đô thị Hà Nội - URENCO 7 Cầu Diễn và Trạm xử lý nƣớc thải Kim Liên đã đồng ý cung cấp mẫu bùn thải và các thông tin về quy trình công nghệ trong suốt quá trình thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Trƣờng Phú 4
LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………..1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……………………………………………...3 1.1. Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam 3 1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị.......................................................................... 3 1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị ............................................................................... 5 1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị ............................................................... 8 1.2. Tổng quan về tình hình phát sinh và xử lý chất thải rắn sinh hoạt ở đô thị Việt Nam……………………………………………………………………………….....11 1.2.3. Các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị ở Việt Nam .................. 15 1.4. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí 19 1.4.1. Cơ sở quá trình phân hủy yếm khí .................................................................... 19 1.4.2. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí - biogas.......................................... 21 1.4.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy yếm khí .................................... 22 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 31 2.1.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 31 2.1.2. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 34 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ………………………………………………………..35 2.2.1. Thu thập, tổng hợp và xử lý số liệu ................................................................... 35 2.2.2. Thực nghiệm ...................................................................................................... 35 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 44 3.1. Đặc tính hóa lý của bùn bể phốt, bùn hoạt tính dƣ ……………………………..44 3.2. Kết quả đồng phân hủy sinh học kỵ khí giữa Bùn bể phốt và Bùn hoạt tính dƣ. 45 3.3. Kết quả đồng phân hủy sinh học kỵ khí giữa Bùn bể phốt, Bùn hoạt tính dƣ và chất thải giàu hữu cơ……………………………………………………………….. 56 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………. 70 Tiếng Việt …………………………………………………………………………...70 Tiếng Anh …………………………………………………………………………...71 5
DANH MỤC PHỤ LỤC …………………………………………………………...73 Một số hình ảnh peak sắc ký khí đợt phân tích thứ 5- thí nghiệm 2 …………….....73 Phụ lục 1: Thể tích khí biogas sinh ra theo ngày của thí nghiệm 1 ………………...73 Phụ lục 2: Thể tích khí biogas sinh ra theo ngày của thí nghiệm 2………………...74 Phụ lục 3: Kết quả thành phần khí của NT - thí nghiệm 1 …………………………77 Phụ lục 4: Kết quả thành phần khí của NT - thí nghiệm 2………………………… 79 Phụ lục 5: Một số hình ảnh peak sắc ký khí đợt phân tích thứ 5- thí nghiệm 2 …...82 6
BẢNG VIẾT TẮT STT Ký hiệu Giải thích 1 BBP Bùn bể phốt 2 BHTD Bùn hoạt tính dƣ 3 BHTT Bùn hoạt tính thải 4 BOD Nhu cầu oxy sinh học 5 COD Nhu cầu oxy hóa học 6 CPSH Chế phẩm sinh học 7 CTR Chất thải rắn 8 CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt 9 LCFAs Các axit béo mạch dài 10 NT Nghiệm thức 11 OFMSW Phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị 12 TLRL Tỷ lệ rắn/lỏng 13 TN Tổng Nitơ 14 TN1 Thí nghiệm 1 15 TN2 Thí nghiệm 2 16 TP Tổng Photpho 17 TVS Tổng chất rắn bay hơi 18 VK Vi khuẩn 19 VS Chất rắn bay hơi 20 VSV Vi sinh vật 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng biểu Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1 Lƣợng bùn cặn từ các công trình vệ sinh và từ hệ thống thoát nƣớc 4 tại đô thị trên cả nƣớc giai đoạn 2013-2016 Bảng 1.2 Một số đặc điểm hóa lý điển hình của bùn giai đoạn xử lý sơ bộ 6 Bảng 1.3 Một số đặc điểm hóa lý của bùn giai đoạn xử lý sinh học 6 Bảng 1.4 Thành phần có trong sản phẩm bài tiết của con ngƣời 7 Bảng 1.5 Thành phần hữu cơ của phân bùn từ một số công trình vệ sinh 7 Bảng 1.6 Các loại CTR đô thị ở Hà Nội năm 2011 12 Bảng 1.7 Khối lƣợng riêng và hàm lƣợng ẩm có trong rác thải sinh hoạt 14 Bảng 1.8 Một số đặc trƣng điển hình của bùn hoạt tính 17 Bảng 1.9 Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí 22 Bảng 1.10 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan 27 Bảng 1.11 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của phân hủy yếm khí so với hiếu khí 29 Bảng 2.1 Bố trí các nghiệm thức của thí nghiệm 1 40 Bảng 2.2 Bố trí các nghiệm thức của thí nghiệm 2 40 Bảng 3.1 Một số đặc điểm hóa lý của BBP và BHTD 41 Bảng 3.2 Đặc điểm hóa lý của nguyên liệu sau phối trộn của các NT-TN1 42 Bảng 3.3 Kết quả phân tích TS trƣớc và sau phân hủy của các NT- TN1 42 Bảng 3.4 Kết quả phân tích TVS trƣớc và sau phân hủy của các NT- TN1 44 Bảng 3.5 Kết quả phân tích TP trƣớc và sau phân hủy của các NT- TN1 46 Bảng 3.6 Kết quả phân tích TN trƣớc và sau phân hủy của các NT- TN1 48 Bảng 3.7 Thể tích khí biogas sinh ra ở các NT-TN1 49 Bảng 3.8 Tỷ lệ thành phần các khí sinh ra ở Thí nghiệm 1 52 Bảng 3.9 Thể tích khí CH4 sinh ra ở các NT- thí nghiệm 1 53 Bảng 3.10 Một số đặc điểm hóa lý sau phối trộn của các nghiệm thức –TN2 53 Bảng 3.11 Sự thay đổi hàm lƣợng TS ở các nghiệm thức –TN2 54 Bảng 3.12 Sự thay đổi hàm lƣợng TVS ở các nghiệm thức –TN2 55 Bảng 3.13 Sự thay đổi hàm lƣợng TP ở các nghiệm thức –TN2 57 8
Bảng 3.14 Sự thay đổi hàm lƣợng TN ở các nghiệm thức –TN2 58 Bảng 3.15 Tổng thể tích khí biogas sinh ra ở các nghiệm thức –TN2 60 Bảng 3.16 Tỷ lệ thành phần trung bình của các loại khí sinh ra ở TN2 61 Bảng 3.17 Tổng thể tích khí CH4 sinh ra ở các NT- thí nghiệm 2 62 9
DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí 20 Hình 1.2 Nhiệt độ và các nhóm VSV tƣơng ứng trong phân hủy yếm khí 24 Hình 1.3 Nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo axit 25 Hình 1.4 Nhóm vi sinh vật tạo Metan 26 Hình 1.5 Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí 30 Hình 2.1 Phân bùn bể phốt tại Trạm xử lý phân bùn bể phốt Cầu Diễn 33 Hình 2.2 BHTD từ trạm xử lý nƣớc thải Kim Liên 33 Hình 2.3 Rác thải sinh hoạt khu vực chợ Mễ Trì Hạ- Nam Từ Liêm 34 Hình 2.4 Hệ thống thiết bị phân hủy yếm khí AKIZ 36 Hình 2.5 Cấu tạo bộ thiết bị phân hủy yếm khí AKIZ 37 Hình 2.6 Một số dụng cụ đong mẫu và đựng mẫu 37 Hình 2.7 Đấu nối chạc 3 vào thiết bị phân hủy yếm khí để lấy mẫu khí 38 Hình 2.8 Thiết bị phân tích khí 43 Hình 3.1 Sự thay đổi giá trị TVS các NT- TN1 trƣớc và sau phân hủy yếm khí. 45 Hình 3.2 Sự thay đổi giá trị TP của các NT-TN1 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 47 Hình 3.3 Sự thay đổi giá trị TN của các NT- TN1 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 48 Hình 3.4 Biểu đồ thể tích khí sinh ra ở các NT thí nghiệm 1 50 Hình 3.5 Diễn biến sinh khí trong quá trình phân hủy yếm khí các NT - TN1 50 Hình 3.6 Biểu đồ thành phần các loại khí trung bình của các NT-TN1 52 Hình 3.7 Sự thay đổi giá trị TS của các NT–TN2 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 54 Hình 3.8 Sự thay đổi giá trị TVS của các NT-TN2 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 56 Hình 3.9 Sự thay đổi giá trị TP của các NT-TN2 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 57 Hình 3.10 Sự thay đổi giá trị TN của các NT-TN2 trƣớc và sau phân hủy yếm khí 58 Hình 3.11 Diễn biến sinh khí biogas của các NT trong phân hủy yếm khí TN2 60 Hình 3.12 Biểu đồ thể tích khí sinh ra ở các NT thí nghiệm 2 61 Hình 3.13 Biểu đồ thành phần các loại khí trung bình của các NT-TN2 62 10
LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm qua nƣớc ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nƣớc, song song với đó là quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ khá nhanh. Tuy nhiên bên cạnh sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều các vấn đề về kinh tế xã hội và đặc biệt là vấn đề bảo vệ môi trƣờng. Việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt bùn thải từ các công trình vệ sinh trong đô thị, bùn hoạt tính dƣ thừa từ các công trình xử lý nƣớc thải và rác thải sinh hoạt giàu hữu cơ dễ phân hủy gây ra mùi hôi thối đã và đang trở thành bài toán khó. Trong các loại chất thải đô thị, bùn thải đô thị là loại chất thải đặc thù đƣợc phát sinh chủ yếu từ các hoạt động nạo vét xử lý bùn bể tự hoại, bùn dƣ thừa từ các các hệ thống xử lý nƣớc thải, rác thải sinh hoạt là một loại rác giàu hữu cơ phát sinh từ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của các hộ gia đình, khu dân cƣ, các nhà hàng, trung tâm thƣơng mại, trƣờng học, cơ quan nghiên cứu, các cơ sở dịch vụ ăn uống ..v.v.. Hiện nay có nhiều phƣơng pháp khác nhau để xử lý bùn thải và rác thải khác nhau nhƣ phƣơng pháp hóa lý, hóa học, sinh hóa ..v.v....với đặc điểm đặc trƣng của bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính dƣ và chất thải rắn sinh hoạt là giàu hợp chất hữu cơ, bùn hoạt tính dƣ thừa đƣợc sinh ra sau quá trình xử lý sinh học hiếu khí phần dầu mỡ có hàm lƣợng khá cao từ 5-12% với thành phần chủ yếu là lipit, chất thải giàu lipit đƣợc biết đến là có tiềm năng sinh khí metan cao trong 3 nguyên liệu chính của quá trình sản sinh khí metan là lipit, protein và cacbonhydrat. Hiện nay phƣơng pháp chôn lấp là phƣơng pháp phổ biến đƣợc áp dụng để xử lý bùn thải và rác thải sinh hoạt…. Tuy nhiên việc chôn lấp trực tiếp mà chƣa qua xử lý tồn tại rất nhiều những hạn chế nhƣ: cần diện tích chôn lấp lớn, không xử lý đƣợc triệt để các tác nhân nguy hại đối với cộng đồng, lãng phí một lƣợng lớn các chất hữu cơ có thể tái sử dụng đƣợc vì thế hiện nay xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp sinh học đang đƣợc các nhà khoa học và quản lý quan tâm nhiều, bởi vì bản chất của phƣơng pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong bùn thải. Phƣơng pháp phân hủy yếm khí có các ƣu điểm đó là tiêu thụ rất ít năng lƣợng trong quá 1
trình vận hành và có thể thu hồi đƣợc một lƣợng lớn khí metan (CH4) nhƣ một nguồn năng lƣợng tái tạo, bùn sau xử lý có thể đƣợc sử dụng vào mục đích nông nghiệp. Với bản chất các loại chất thải này là giàu hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và tiềm năng sinh khí biogas tốt tạo ra nguồn năng lƣợng thay thế nhƣ khí đốt, phát điện để phục vụ sinh hoạt sản xuất đồng thời góp phần xử lý chất thải giảm thiểu ô nhiễm bảo vệ môi trƣờng. Từ những lý do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài:“Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí hỗn hợp bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí Metan”. Nhằm mục tiêu đánh giá một số đặc điểm của bùn bể phốt, bùn hoạt tính dƣ và chất thải giàu hữu cơ và khả năng phân hủy sinh học kỵ khí khi phối trộn các loại chất thải này lại với nhau để sinh khí metan vì vậy tiến hành nghiên cứu 02 nội dung đó là đồng phân hủy sinh học kỵ giữu 02 loại bùn bể phốt kết hợp bùn hoạt tính dƣ và đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dƣ kết hợp chất thải giàu hữu cơ để sinh khí metan. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam 1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị Bùn thải đô thị là thành phần chính của quá trình thoát nƣớc đô thị. Bùn thải đô thị đƣợc sinh ra trong các công đoạn của quá trình thoát nƣớc và xử lý nƣớc thải. Bùn thải đô thị là sản phẩm của quá trình thoát nƣớc đô thị. Nguồn phát sinh chủ yếu bao gồm: bùn phát sinh từ hệ thống bể phốt, bùn từ các trạm xử lý nƣớc thải trong thành phố và bùn nạo vét hệ thống thoát nƣớc. Tỷ trọng của các loại bùn nêu trên phụ thuộc vào đặc điểm riêng của hệ thống thoát nƣớc đô thị [7]. - Phân bùn bể tự hoại hay còn có cách gọi khác là phân bùn bể phốt: có nguồn gốc từ các bể tự hoại, các nhà vệ sinh công cộng, có thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ và các loại vi sinh vật (chủ yếu là các vi khuẩn đƣờng ruột, trứng giun sán...). Do có chứa hàm lƣợng chất hữu cơ cao nên phân bùn có thể đƣợc dùng trong mục đích nông nghiệp, việc xử dụng phân bùn chƣa qua xử lý cũng trở thành một nguy cơ lớn gây ra các bệnh về đƣờng ruột [12]. Bùn thải từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại): Theo số liệu của Cục Hạ tầng kỹ thuật, Bộ Xây dựng (2017), lƣợng bùn thải từ bể tự hoại tại các đô thị dao động từ vài trăm m3/năm đến trên 200.000 m3/năm. Tuy nhiên lƣợng bùn thu gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom có biên độ dao động lớn, từ 3% đến 97%, tỷ lệ thu gom trung bình chỉ đạt khoảng 32%. Lƣợng bùn bể tự hoại đƣợc thu gom có thể lớn hơn do có nhiều doanh nghiệp, đơn vị cung cấp dịch vụ hút bùn vể tự hoại ở quy mô nhỏ lẻ [4]. - Bùn nạo vét: phát sinh từ công tác nạo vét cống rãnh, sông, hồ, ao nằm trong hệ thống thoát nƣớc đô thị. Tại Việt Nam còn nhiều bất cập trong công tác quản lý nƣớc thải đô thị, nƣớc thải sinh hoạt không đƣợc xử lý hoặc xử lý chƣa triệt để mà xả thải trực tiếp ra môi trƣờng với lƣợng rất lớn. Do vậy lƣợng bùn cặn từ nƣớc thải 3
phát sinh với lƣợng cực kì lớn, không tập trung và có thành phần hết sức đa dạng, phức tạp [9]. - Bùn thải từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt hay còn có thể gọi với tên gọi khác bùn hoạt tính dƣ: Bùn hoạt tính dƣ là một trong những sản phẩm phụ lớn nhất của quá trình xử lý nƣớc thải sinh học. Phần lớn bùn hoạt tính dƣ là lƣợng sinh khối từ các quá trình sinh hóa của vi sinh vật. Một phần đáng kể các chất ô nhiễm đƣợc tìm thấy trong BHTD, vì vậy không nên thải bỏ trực tiếp với lƣợng lớn ra ngoài môi trƣờng. Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ công tác xử lý nƣớc thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lƣợng bùn thải cần phải có quy định về quản lý riêng và không nằm trong tập hợp bùn thải đô thị [17]. Hệ số phát sinh bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) tại đô thị là 0,04 - 0,07m3/ngƣời/năm. Chỉ số bùn cặn từ hệ thống thoát nƣớc tại các đô thị 0,146 - 0,365 m3/ngƣời/năm. Hiện nay phƣơng thức xử lý bùn chủ yếu tại các trạm xử lý nƣớc thải đô thị Việt Nam là khử nƣớc và chở đi chôn lấp [3]. Bảng 1.1. Lƣợng bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và từ hệ thống thoát nƣớc tại đô thị trên cả nƣớc giai đoạn 2013-2016 [3]. TT Năm Lƣợng bùn cặn phát sinh Lƣợng bùn cặn phát sinh từ hệ từ bể tự hoại (m3/năm) thống thoát nƣớc (m3/năm) 1 2013 1.154.996 - 2.021.243 4.215.735 - 10.539.339 2 2014 1.201.416 - 2.102.478 4.383.168 - 10.962.921 3 2015 1.242.700 - 2.174.725 4.535.855 - 11.339.638 4 2016 1.279.440 - 2.239.020 4.669.956 - 11.674.890 Nguồn: TCMT,2017 Thông thƣờng, tỷ trọng của bùn bể phốt, bùn nạo vét, bùn xử lý nƣớc thải trong bùn thải đô thị khác nhau phụ thuộc vào mô hình thoát nƣớc, trình độ phát triển hạ tầng đô thị của mỗi một quốc gia. Tại một số quốc gia châu Âu phát triển thƣờng sử dụng mô hình thoát nƣớc và xử lý nƣớc thải tập trung nên thành phần bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn dƣ và bùn nạo vét, còn đối với bùn bể 4
phốt thì chiếm tỷ trọng nhỏ [9]. Ở Việt Nam bùn thải đƣợc phân chia thành 6 loại nhƣ sau: bùn thải trong hệ thống thoát nƣớc thải đô thị, bùn thải trong hệ thống thoát nƣớc thải công nghiệp, bùn thải từ các hoạt động nạo vét kênh rạch định kỳ, bùn thải từ bể tự hoại (bùn hầm cầu), bùn thải từ trạm/ nhà máy xử lý nƣớc cấp và bùn thải từ các công trình xây dựng trong đó tập trung chủ yếu là bùn bể tự hoại và bùn thải từ hệ thống thoát nƣớc thải đô thị [3]. Hiện nay, việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt từ bùn thải ở các hệ thống thoát nƣớc và các công trình vệ sinh trong đô thị đã và đang trở thành bài toán khó đối với các nhà quản lý hầu hết các nƣớc trên thế giới, đặc biệt ở các nƣớc có nền kinh tế đang phát triển trong đó có Việt Nam. Bùn thải đang rơi vào hiện trạng thừa thu gom thiếu xử lý, thực tế không phải tất cả các bùn thải này đều đƣợc xử lý theo quy chuẩn kỹ thuật đã đƣợc ban hành. Các cơ sở sản xuất kinh doanh thƣờng thu gom sau đó xả bỏ tại một nơi vô định, thƣờng là những khu vực hẻo lánh, dân cƣ thƣa thớt nhằm giảm bớt chi phí xử lý bùn thải cho doanh nghiệp, mặc kệ hệ quả nghiêm trọng xảy ra cho môi trƣờng cững nhƣ sức khỏe con ngƣời [3;11]. 1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị Với đặc điểm sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cƣ, trình độ dân trí, trình độ phát triển đô thị cũng nhƣ sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải đô thị tại mỗi quốc gia, mỗi khu vực dân cƣ có những đặc điểm khác biệt. Hơn thế nữa, tính chất của bùn thải phụ thuộc theo đặc trƣng thời tiết khí hậu, theo mùa nên sự khác biệt giữa các vùng miền càng thể hiện rõ rệt hơn. Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nƣớc thải còn thể hiện ở công nghệ xử lý nƣớc thải đang đƣợc áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn xử lý khác nhau có đặc điểm riêng biệt. Bùn thải phát sinh trong giai đoạn xử lý sơ bộ của các trạm xử lý nƣớc thải đô thị tập trung tại Châu Âu thƣờng có các chỉ tiêu hóa lý nhƣ Bảng 1.2 [17;25]. 5
Bảng 1.2. Một số đặc điểm hóa lý điển hình của bùn giai đoạn xử lý sơ bộ [17;25] STT Chỉ tiêu hóa lý Hàm lƣợng (%) 1 pH 5–8 2 Tổng chất rắn (%) 2–8 3 Tổng chất rắn bay hơi (Tính theo %TS) 60 – 80 4 Tổng Nitơ (tính theo % TS) 1,5 – 4 5 Tổng Phốt pho (tính theo % TS) 0,8 - 2,8 Trong khi đó, bùn thải phát sinh từ giai đoạn xử lý sinh học có đặc điểm hóa lý nhƣ Bảng 1.3. Bảng 1.3. Một số đặc điểm hóa lý của bùn giai đoạn xử lý sinh học [7,17]. STT Chỉ tiêu hóa lý Hàm lƣợng (%) 1 pH 6,5 – 8 2 Tổng chất rắn (%) 0,83 – 1,16 3 Tổng chất rắn bay hơi (Tính theo%TS) 59 – 88 4 Tổng Nitơ (Tính theo %TS) 2,4 – 5 5 Tổng Phốt pho (Tính theo %TS) 2,8 – 11 “Phân bùn” là hỗn hợp của bùn, phân và chất lỏng, hình thành nên từ các công trình vệ sinh tại chỗ…Phân bùn đƣợc coi là một dạng của bùn cặn [6]. Bể tự hoại tiếp nhận các sản phẩm bài tiết của ngƣời (phân, nƣớc tiểu) từ các công trình vệ sinh. Trong bể tự hoại diễn ra đồng thời hai quá trình: lắng chất rắn và lên men cặn lắng. Nƣớc thải sau khi xử lý sơ bộ từ bể tự hoại đƣợc xả vào hệ thống cống chung hoặc trong nhiều trƣờng hợp đƣợc xả trực tiếp vào kênh mƣơng, sông ngòi. Phần chất rắn trong bùn cặn có tỷ trọng là 660 g/kg, tỷ trọng điển hình của cặn lắng đáy dạng bùn là 1,4-1,5 t/m3 [6;12]. Các cặn lắng hữu cơ đƣợc chuyển hoá ở phần đáy của bể tự hoại nhờ quá trình phân huỷ yếm khí. 6
Bảng 1.4. Thành phần có trong sản phẩm bài tiết của ngƣời [12;26]. Các chất (gam/ngƣời - ngày đêm) Nƣớc tiểu phân Phân + Nƣớc tiểu Ni tơ 11,0 1,5 12,5 Tự hoại phốt pho 1,0 0,5 1,5 Ka li 2,5 1,0 3,5 Cacbon hữu cơ 6,6 21,4 30 Phân bùn bể phốt có thành phần các chất hữu cơ ở mức cao và có tiềm năng phân hủy sinh học. Thành phần hữu cơ có trong bùn bể tự hoại tùy theo thời gian lƣu giữ phân bùn trong bể, thời gian lƣu giữ trong bể càng lâu thì các chất hữu cơ trong bể càng giảm. Bảng 1.5. Thành phần hữu cơ của phân bùn từ một số công trình vệ sinh [12;26]. Chất hữu cơ Loại bùn cặn Nitơ(%TS) Photpho(%TS) (%TS) Bể tự hoại thời gian 1-3 năm 71-81 2,4 – 3,0 2,7 – 2,9 Bể tự hoại thời gian > 3 năm 30,4 0,97 – 1 0,71–0,85 Phân tƣơi 85 – 88 3,2 – 3,7 2,6 – 2,8 Một số đặc điểm hóa lý của bùn thải có sự khác nhau giữa các loại bùn thải cũng nhƣ sự khác nhau giữa các vùng miền và quốc gia nhƣng điểm chung là bùn thải đô thị có chứa thành phần các chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khác . Dựa vào đặc điểm dễ bị phân hủy do vi sinh vật có trong nƣớc, ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm: - Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: Đó là các hợp chất protein, cacbohydrat, chất béo nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong bùn thải sinh hoạt, bùn thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. 7
- Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm, các chất đa vòng ngƣng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phốt pho hữu cơ … Trong số các chất này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp. Hầu hết chúng đều có độc tính đối với con ngƣời và sinh vật. Chúng tồn tại lâu dài trong môi trƣờng và trong cơ thể sinh vật. Với hàm lƣợng dinh dƣỡng có ích cao nhƣ nitơ, phốt pho và các chất hữu cơ khác. Các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực sử dụng nguồn bùn thải để tái sử dụng trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu lƣợng chất thải mang đi chôn lấp. Tuy nhiên, do đặc điểm tích tụ nhiều chất gây ô nhiễm mà các phƣơng án quản lý bùn thải đô thị tại các quốc gia trở nên hết sức khó khăn. Các tác nhân gây ô nhiễm tồn tại trong bùn thải đô thị với hàm lƣợng cao là rào cản trong việc sử dụng bùn thải đô thị cho mục đích nông nghiệp [9]. Tiềm năng thu hồi tài nguyên, tái sử dụng bùn thải là rất lớn, cần chú trọng nghiên cứu ứng dụng, triển khai công nghệ phù hợp để xử lý và tận dụng hiệu quả bùn thải. 1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị Hiện nay, việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt bùn cặn thải từ hệ thống thoát nƣớc và các công trình vệ sinh ở đô thị đang trở thành bài toán khó đối với hầu hết các nƣớc trên thế giới, đặc biệt là đối với các nƣớc có nền kinh tế đang phát triển trong đó có Việt Nam. Trong tất cả các loại bùn cặn trên, bùn cặn trong mạng lƣới thoát nƣớc (cống thoát nƣớc, kênh mƣơng và hồ) không tập trung, rất khó thu gom và có thành phần phức tạp nhất. Các loại bùn cặn này dễ gây ô nhiễm môi trƣờng sông hồ, làm sụt giảm hàm lƣợng oxy và mất cân bằng sinh thái trong nguồn nƣớc mặt. Trên thế giới hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị khác nhau. Sự lựa chọn áp dụng phƣơng pháp xử lý nào là phụ thuộc vào đặc điểm bùn thải, đặc điểm về văn hóa, lịch sử, không gian vị trí địa lý, luật pháp, chính trị và tình hình kinh tế của mỗi quốc gia, mỗi vùng miền. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị phổ biến hiện nay bao gồm một số phƣơng pháp chủ yếu sau [9]. 8
- Chôn lấp tại bãi chôn lấp tập trung chất thải. - Xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt. - Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp. - Phƣơng pháp sinh học. Do thành phần chủ yếu của bùn thải là các vi sinh vật cùng với hàm lƣợng chất hữu cơ, nito và photpho cao. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là tận dụng đƣợc thành phần dinh dƣỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trƣờng nhân tạo đắt tiền thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm sinh học có ích nhƣ chế phẩm sinh học cho cải tạo đất, thuốc trừ sâu sinh học, mạng PE, hóa chất keo tụ ..v.v Phƣơng pháp sinh học có thể đƣợc chia thành hai loại phổ biến là phƣơng pháp phân hủy trong điều kiện hiếu khí và trong điều kiện yếm khí: +/ Phƣơng pháp phân hủy hiếu khí là phƣơng pháp có thời gian phân hủy nhanh và triệt để các hợp chất hữu cơ Theo báo cáo của Cục bảo vệ môi trƣờng liên bang Hoa Kỳ. +/ Phân hủy yếm khí là phƣơng pháp xử lý đã đƣợc chứng minh là có hiệu quả làm giảm hàm lƣợng hữu cơ trong bùn, cải thiện khả năng tách nƣớc của bùn, giảm thiểu mầm bệnh cao, giảm khối lƣợng bùn. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong việc ổn định bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nƣớc thải cũng nhƣ bùn thải đô thị nói chung . Phƣơng pháp phân hủy yếm khí là phƣơng pháp phân giải triệt để các tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ trong bùn thải. Hơn nữa, phƣơng pháp phân giải yếm khí tại nhiệt độ 55ºC có khả năng tiêu diệt triệt để mầm gây bệnh nguy hại [14;15]. Ngoài mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm trong bùn thải, phƣơng pháp phân hủy trong điều kiện yếm khí còn sinh ra sản phẩm biogas cung cấp nhƣ nguồn năng lƣợng tái sinh. Vì vậy, trong xử lý bùn thải đô thị thƣờng kết hợp xử lý các loại chất thải khác chủ yếu là rác thải hữu cơ nhằm tối ƣu quá trình sinh biogas cũng nhƣ hỗ trợ quá trình phân hủy yếm khí diễn ra trong điều kiện tối ƣu nhất. 9
Ngày nay, có nhiều nghiên cứu đƣợc triển khai nhằm phát triển các phƣơng pháp, kỹ thuật mới hoặc kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau trên một mô hình xử lý bùn thải đô thị bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nhằm đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, để đạt đƣợc hiệu quả nhƣ mong muốn, các mô hình cần đƣợc xác lập dựa trên điều kiện cụ thể của từng vùng miền, từng quốc gia khác nhau trên thế giới. Quản lý bùn thải là một trong những hạng mục tốn kém nhất trong các nhà máy xử lý nƣớc thải nhỏ. Việc xử lý và loại bỏ các loại bùn thải chiếm khoảng một nửa tổng chi phí xử lý nƣớc thải. Sự lựa chọn phƣơng pháp xử lý bùn đƣợc sử dụng, trong thực tế, ảnh hƣởng mạnh mẽ bởi các yếu tố phi công nghệ nhƣ vị trị và chi phí vận chuyển. Hầu hết các trạm xử lý nƣớc thải nhỏ sử dụng công nghệ bùn hoạt tính không đƣợc trang bị một thiết bị lắng sơ cấp. Do đó, bùn thải từ những trạm xử lý nƣớc thải này chỉ gồm có bùn hoạt tính thải. Phân hủy yếm khí của bùn thải là một công nghệ đƣợc biết đến rộng rãi, cho phép giảm đƣợc hàm lƣợng chất rắn trong bùn thải, thu hồi đƣợc một phần năng lƣợng giảm lƣợng mầm bệnh và cải thiện đƣợc khả năng lắng tách nƣớc của bùn. Tuy nhiên, bùn hoạt tính dƣ ít phân huỷ sinh học hơn bùn sơ cấp (bùn lắng từ quá trình xử lý sơ bộ nƣớc thải đô thị) và tiềm năng khí metan sinh học (biochemical methane potential - BMP) của bùn hoạt tính dƣ thấp hơn đáng kể so với bùn thải sơ cấp [16]. Do tiềm năng khí metan thấp và chi phí xây dựng và vận hành cao nên các hệ thống phân hủy yếm khí cho bùn hoạt tính dƣ không đem lại lợi nhuận, do đó biện pháp xử lý này đƣợc sử dụng khá ít trong các công trình xử lý nƣớc thải nhỏ. Các phƣơng pháp tiền xử lý có thể đƣợc sử dụng để tối ƣu hóa quá trình này phân hủy này và tăng sản lƣợng khí sinh học, nhƣng chúng liên quan đến việc sử dụng thêm năng lƣợng và hóa chất. Giải pháp đƣợc nhiều ngƣời hƣớng tới là đồng phân hủy yếm khí kết hợp bùn hoạt tính dƣ với một hoặc nhiều chất nền với giá trị tiềm năng khí sinh học cao hơn, và phân bùn bể phốt là mục tiêu đƣợc hƣớng đến. Phân bùn bể phốt có tiềm năng khí sinh học lớn, cùng với các thành phần dinh dƣỡng nhƣ nitơ, photpho ở mức cao là sự lựa chọn thích hợp để làm bùn nguyên liệu kết hợp sử dụng trong đồng phân hủy yếm khí với một 10