Tài liệu Nghiên cứu tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm và phân hủy yếm khí bùn thải từ trạm xử lý nước thải sơn trà đà nẵng kết hợp thu hồi biogas

ii NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ BÙN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM VÀ PHÂN HỦY YẾM KHÍ BÙN THẢI TỪ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SƠN TRÀ – ĐÀ NẴNG KẾT HỢP THU HỒI BIOGAS Tóm tắt - Mục đích của nghiên cứu này là xác định thành phần, tính chất và lượng bùn phát sinh từ quá trình xử lý nước thải của trạm xử lý (TXL) Sơn Trà; Và xác định khả năng phân hủy của bùn; khảo sát ảnh hưởng siêu âm đến độ hòa tan chất hữu cơ trong bùn, hiệu suất phân hủy và lượng biogas thu được từ quá trình phân hủy yếm khí; làm cơ sở cho đề xuất giải pháp xử lý bùn tại nhà máy. Kết quả nghiên cứu cho thấy: bùn bể nén bùn của TXL Sơn Trà chứa lượng lớn chất hữu cơ (CHC) dễ phân hủy sinh học, tỷ lệ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (C:N:P) phù hợp cho quá trình xử lý bằng phương pháp phân hủy yếm khí. Thực hiện siêu âm tiền xử lý bùn với mức năng lượng SE = 3.282 kJ/kg TS tại tần số 26 kHz và phân hủy yếm khí ở chế độ lên men ấm 35oC cho thấy: Sản lượng khí sinh ra là 0,27 lít/g CHC, cao hơn bùn đối chứng là 0,22 lít/g CHC. Ở chế độ vận hành liên tục: tải trọng 0,9 gCHC/lít.ngày hiệu suất phân hủy CHC là 35,18%, sản lượng khí thu được 306 ml/g CHC. Thành phần CH4 trong biogas thu được từ 58-70,3 %. Áp dụng công nghệ tiền xử lý bùn bằng siêu âm kết hợp với phân hủy yếm khí bùn thải của các TXLNT đô thị tại Đà Nẵng là cần thiết hướng đến thu hồi tài nguyên và giảm phát thải khí nhà kính trong tương lai. Từ khóa – Bùn thải, Phân hủy yếm khí, Tiền xử lý bùn, siêu âm, khí sinh học. STUDY OF ULTRASONIC PRETREATMENT ON SLUDGE FROM SON TRA MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS, ANAEROBIC DISGESTION AND BIOGAS RECOVERY Abstract - The purpose of this study is to determine the composition, properties and amount of sludge from Son Tra municipal wastewater treatment plant (MWTPs); And determine the decomposition ability of sludge; effects of ultrasonic pre-treatment on solubilisation of sludge; as a basis for proposing solutions for sludge treatment at the factory. Research results show that: waste sludge from Son Tra MWTPs has high concentration of organic matter and nutrients. The experimental conditions were fixed at specific ultrasonic energy (SE) of 3.282 kJ/kgTS, anaerobic sequencing batch reactor in warm fermentation mode of 35oC showed that biogas yield of 0,27 l/gram(Organic matter), control sample of 0,22l/gram(Organic matter). The parameter of optimal continuous process is at load of 0,9 g(Organic matter)/l.day with biogas yield of 0,306l/gram(Organic matter) and CH4 of 58-70,3%. Treating sludge from Son Tra MWTPs by ultrasonic pre-treatment with the anaerobic process is necessary in the future to recover resources and reduce greenhouse gas emissions in the future. Keywords - Sludge, Anaerobic, Pretreatment on sludge, Ultrasonic, biogas. iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..................................................................... 3 6. Cấu trúc của luận văn .................................................................................................. 4 Chương 1 - TỔNG QUAN ............................................................................................ 5 1.1. Bùn thải..................................................................................................................... 5 1.1.1. Khái niệm, nguồn gốc phát sinh ............................................................................ 5 1.1.2. Đặc điểm và tính chất [12,13] ............................................................................... 5 1.1.3. Các phương pháp xử lý bùn [15] ........................................................................... 6 1.2. Hiện trạng quản lý, xử lý bùn thải tại việt nam [14] .............................................. 10 1.2.1. Hiện trạng phát sinh............................................................................................. 10 1.2.1. Thu gom và xử lý................................................................................................. 10 1.2.3. Quản lý nhà nước về bùn thải từ HTTN và các công trình vệ sinh [2] ............... 11 1.2.4. Hiện trang quản lý và xử lý bùn thải tại Đà Nẵng [16] ....................................... 12 1.3. Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam và trên thế giới ........................ 13 1.3.1. Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam .............................................. 13 1.3.2. Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn trên thế giới ............................................... 15 1.4. Tổng quan về siêu âm ............................................................................................. 16 1.4.1. Khái niệm sóng siêu âm [17] ............................................................................... 16 1.2.2. Tổng quan thiết bị siêu âm [17] ........................................................................... 18 1.4.3. Nguyên lý tác động của sóng siêu âm [17] ......................................................... 19 1.5. Tổng quan về tiền xử lý bùn ................................................................................... 20 1.5.1. Tình hình nghiên cứu về tiền xử lý bùn tại Việt Nam ......................................... 22 1.5.2. Tổng quan về tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm.................................... 23 iv 1.6. Tổng quan về khí sinh học...................................................................................... 24 1.6.1. Biogas và quá trình sản xuất Biogas ................................................................... 24 1.6.2. Cơ sở sinh học của quá trình lên men tạo khí sinh học [6] ................................. 25 1.7. Tổng quan trạm xử lý nước thải sơn trà. ................................................................ 26 1.7.1. Trạn xử lý nước thải Sơn Trà - Đà Nẵng [8] ....................................................... 26 1.7.2. Quy mô công suất, công nghệ xử lý [8] .............................................................. 26 Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 31 2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 31 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 31 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 31 2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 31 2.2.1. Nội dung 1: Khảo sát hiện trạng phát sinh, quản lý và tính chất thành phần bùn thải của TXLNT Sơn Trà............................................................................................... 31 2.2.2. Nội dung 2: Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn ............................... 32 2.2.3. Nội dung 3: Xác định thông số của quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm ........ 33 2.2.4. Nội dung 4: Xác định hiệu suất phân hủy bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm ....... 34 2.2.5. Nội dung 5. Xác định hiệu suất phân hủy bùn sau quá trình tiền xử lý bằng siêu âm ở chế độ liên tục ....................................................................................................... 36 2.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 38 2.3.1. Phương pháp thống kê ......................................................................................... 38 2.3.2. Phương pháp quan trắc và phân tích ................................................................... 38 2.3.3. Phương pháp mô hình .......................................................................................... 40 2.3.4. Phương pháp tính toán, xử lý số liệu và đánh giá kết quả................................... 40 Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................... 42 3.1. Thực trạng phát sinh, xử lý và tính chất, thành phần bùn thải trạm xử lý nước thải Sơn Trà .......................................................................................................................... 42 3.1.1. Thực trạng phát sinh và xử lý bùn tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà .................. 42 3.1.2. Thành phần và tính chất bùn phát sinh tại trạm xử lý Sơn Trà ........................... 48 3.2. Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn....................................................... 49 3.3. Xác định ảnh hưởng của tiền xử lý siêu âm đến khả năng hòa tan bùn ở tần số 26 kHz................................................................................................................................. 52 3.4. Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn sau siêu âm ở chế độ gián đoạn (lên men ấm) ................................................................................................................................. 56 3.5. Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn sau siêu âm ở chế độ liên tục .................. 59 3.6. Đề xuất phương án công nghệ xử lý bùn phát sinh tại trạm xử lý Sơn Trà ........... 65 v KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 69 1. Kết luận...................................................................................................................... 69 2. Kiến nghị ................................................................................................................... 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 72 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT - Bộ Tài nguyên & Môi trường CH4 - Khí mêtan CHC - Chất hữu cơ CO2 - Khí cacbonic (Carbon dioxit) COD - Nhu cầu ôxi hoá học H2S - Khí Hydro sunfua HRT - Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) HTXL - Hệ thống xử lý HTXLNT - Hệ thống xử lý nước thải NH3 - Khí Amoniac N-NH4 - Amôni P-PO4 - Phosphate QCVN - Quy chuẩn Việt Nam SCR - Song chắn rác SS - Chất rắn lơ lửng (Suspendex Solid) TXLNT - Trạm xử lý nước thải UASB - Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược (Upflow anaerobic sludge blanket) XLNT - Xử lý nước thải vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Bảng Tên Bảng Trang 1.1 Lượng bùn cặn phát sinh từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước tại đô thị trên cả nước giai đoạn 2013 - 2016 10 1.2 Khối lượng phân bùn bể phốt phát sinh và thu gom trong năm 2007-2015 12 1.3 Khối lượng bùn cặn từ quá trình thông tắc và nạo vét HTTN (2010-2014) 13 2.1 Các phương pháp phân tích được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 38 2.2 Một số thiết bị được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 39 3.1 Lưu lượng nước thải thu gom về TXL Sơn Trà trong năm 2018 42 3.2 Thành phần tích chất bùn phát sinh tại trạm Sơn Trà 48 3.3 Tỷ lệ bùn kỵ khí: bùn thí nghiệm và tải trọng thể tích trong mô hình xác định khả năng phân hủy của bùn ở chế độ lên men ấm 50 3.4 Kết quả phân tích bùn trước và sau khi kết thúc thí nghiệm 50 3.5 Thông số thực nghiệm và sản lượng khí sinh ra trên gam chất hữu cơ được phân hủy 52 3.6 Tính chất thành phần bùn trước khi tiền xử lý bằng siêu âm 53 3.7 Thông số thực nghiệm, sản lượng khí của quá trình phân hủy yếm khí bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm và đối chứng 58 3.8 Thông số vận hành mô hình phân hủy yếm khí liên tục 59 3.9 Kết quả phân tích bùn đầu vào và đầu ra mô hình phân hủy vận hành liên tục 60 3.10 Kết quả phân tích các thông số của nước ra khỏi mô hình 60 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Sơ đồ phát sinh bùn thải từ hệ thống thu gom và xử lý nước thải 5 1.2 Cấu tạo sân phân phơi bùn 7 1.3 Máy tách nước bùn bằng phương pháp chân không 7 1.4 Máy tách nước bùn bằng phương pháp ly tâm 8 1.5 Máy ép bùn băng tải 8 1.6 Bể metan 9 1.7 Xe hút bùn bể phốt 11 1.8 Trạng thái của sóng siêu âm McClements (1995) 17 1.9 Biểu đồ thể hiện khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm 18 1.10 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ bọt khí 20 1.11 Số lượng các bài báo gia tăng trong những năm gần đây về lĩnh vực nghiên cứu tiền xử lý bùn để phân hủy bùn yếm khí 21 1.12 Các kỹ thuật tiền xử lý bùn thải tương ứng với các loại bùn 22 1.13 Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan 25 1.14 Sơ đồ dây chuyền công nghệ Trạm xử lý nước thải Sơn Trà 27 2.1 Khảo sát, lấy mẫu bùn tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà 31 2.2 Mô hình thí nghiệm xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn 32 2.3 Vận hành mô hình xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn 33 2.4 Thiết bị siêu âm tiền xử lý bùn tại tần số 26kHz 33 2.5 Mô hình tiền xử lý bằng máy siêu âm và vận hành mô hình 34 2.6 Thiết bị phân hủy bùn yếm khí AF-10-2 35 2.7 Vận hành mô hình thiết bị phân hủy yếm khí AF-10-2 35 2.8 Bản vẽ thiết kế mô hình phân hủy yếm khí 150 lít 36 2.9 Mô hình phân hủy yếm khí 150 lít và vận hành mô hình 37 2.10 Thiết bị đo lưu lượng biogas 39 2.11 Máy GC - FID 39 3.1 Biểu đồ lưu lượng nước trung bình đầu vào TXL Sơn Trà 43 ix Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 3.2 Khu vực tuyển nổi (a), máy ép bùn (b) tại TXL Sơn Trà 45 3.3 Bể aerotank (c), bể nén bùn(b) tại TXL Sơn Trà 46 3.4 Biểu đồ lượng bùn phát sinh và bùn đưa đi xử lý tại TXL Sơn Trà 46 3.5 Bùn lỏng - sau bể nén (a) và bùn khô - sau máy ép bùn (b) tại TXL Sơn Trà 48 3.6 Tổng lượng khí sinh ra ở các mô hình phân hủy bùn 1000 ml 50 3.7 Ảnh hưởng của mức năng lượng siêu âm lên sự biến thiên nồng độ chất hữu cơ hòa tan của bùn 53 3.8 Mẫu bùn trước và sau siêu âm ở thời gian 120 phút 54 3.9 Mối liên hệ giữa thời gian siêu âm và hàm lượng TS 55 3.10 Ảnh chụp SEM mẫu bùn trước siêu âm (a), bùn siêu âm 30 phút (b), bùn siêu âm 60 phút (c), bùn siêu âm 120 phút (d) 56 3.11 Tổng lượng khí thu được tại mô hình phân hủy bùn tiền xử lý bằng siêu âm (ở tần số 26 kHz, mức năng lượng SE=3.282 kJ/kg TS) và mô hình đối chứng 57 3.12 Sự khác biệt giữa lượng khí sinh ra tại mô hình AF-10-2 (ngày thứ 5) 58 3.13 Thành phần CH4 trong khí biogas thu được: (a) mô hình bùn tiền xử lý siêu âm với SE = 3.282 kJ/kg TS, (b) mô hình đối chứng 59 3.14 Bùn trước siêu âm (a), bùn sau siêu âm (b), bùn đầu ra (c), nước ra (d) 61 3.15 Hiệu suất phân hủy chất hữu cơ theo tải trọng 62 3.16 Lượng khí thu được theo tải trọng vận hành 62 3.17 Sản lượng khí biogas thu được tính trên đơn vị 63 3.18 Thu biogas sinh ra tại mô hình vận hành liên tục 64 3.19 Thành phần CH4 trong biogas thu được trong thời gian vận hành 64 3.20 Đốt kiểm nghiệm sự cháy của biogas thu được từ quá trình vận hành 65 3.21 Sơ đồ quy trình phương án xử lý bùn tại TXL Sơn Trà 66 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thành phố Đà Nẵng là trung tâm kinh tế, khoa học, giáo dục và công nghệ của khu vực Miền Trung - Tây Nguyên, là đô thị loại 1 trực thuộc Trung ương. Trong những năm qua Thành phố đã có bước phát triển vượt bậc về tăng trưởng kinh tế và xây dựng đô thị để trở thành một trong những đô thị hiện đại nhất ở Việt Nam. Đi kèm với sự phát triển kinh tế xã hội, mở rộng không gian đô thị của thành phố là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải sinh hoạt [1]. Việc xây dựng các trạm xử lý nước thải là điều kiện bắt buộc đối với thành phố để đảm bảo nước thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên, càng nhiều các trạm xử lý nước thải được xây dựng và hoạt động thì lượng bùn thải hữu cơ thải ra từ các trạm này càng nhiều, việc xử lý lượng lớn bùn thải mỗi năm lại là yêu cầu rất cấp thiết. Bùn thải đang sản sinh với khối lượng lớn trong các quá trình xử lý nước thải (XLNT) bằng phương phương sinh học. Ngành XLNT đang phải đối mặt với những vấn đề hạn chế chưa từng thấy về kinh tế và môi trường, do không chỉ ngày càng phải tuân thủ nghiêm ngặt về những quy định xả thải, mà còn phải đối mặt với một lượng lớn bùn thải sinh ra hàng ngày từ quá trình xử lý [2]. Và Trạm xử lý nước thải Sơn Trà – Đà Nẵng là một trong số đó. Bùn cặn phát sinh từ các quá trình xử lý nước thải có độ ẩm cao, chứa nhiều chất hữu cơ có thể phân hủy được bằng phương pháp sinh học. Ở Việt Nam, Bùn thải chủ yếu được xử lý bằng ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một lượng nhỏ được làm phân bón. Việc đổ bỏ, chôn lấp bùn thải đã đang gây ô nhiễm môi trường, lãng phí tài nguyên môi trường. Trước những thách thức ngày càng gia tăng về nhu cầu năng lượng, nguồn dinh dưỡng cho nông nghiệp và ô nhiễm môi trường, hướng tiếp cận xử lý bùn giàu hữu cơ bằng phương pháp phân hủy kỵ khí để thu hồi khí sinh học sản xuất điện năng, nhiệt năng và tận thu các chất có ích khác ngày càng phổ biến trên thế giới. Hướng đi này cần thiết được xem xét, cân nhắc khi ngày càng có nhiều dự án thoát nước và xử lý nước thải được thực hiện ở Việt Nam [3]. Theo “Kế hoạch hành động quốc gia thực hiện Chương trình nghị sự 2030 vì sự phát triển bền vững” của Thủ tướng Chính phủ ký ban hành ngày 10/05/2017 sẽ tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng năng lượng tiêu thụ năng lượng sơ cấp của quốc gia đạt 31% vào năm 2020, và 32,3% vào năm 2030 (mục tiêu 7.2 ) [4]. Tại Đà Nẵng, chính sách khuyến khích hình thành và phát triển công nghiệp tái chế chất thải để tái sử dụng, phấn đấu 50% chất thải thu gom được tái chế là một những mục tiêu thực hiện đề án "Xây dựng Đà Nẵng - thành phố môi trường" [5]. Chính vì vây, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (biogas) có tiềm năng rất lớn và được xem là một trong 2 những nguồn năng lượng sạch; đang được nhà nước và chính quyền địa phương khuyến khích đầu tư khai thác, sử dụng. Trong lĩnh vực xử lý bùn thải, Giai đoạn tiền xử lý là giai đoạn rất quan trọng, liên quan chặt chẽ đến hiệu suất phân hủy, hiệu suất tạo biogas và thời gian lưu của toàn bộ quá trình. Quá trình phân hủy yếm khí liên quan tới hàng loạt các bước như thủy phân, lên men axít, hình thành axít và mêtan. Rất nhiều nhà nghiên cứu đều cho rằng quá trình thủy phân là một bước hạn chế trong phân hủy bùn yếm khí bởi vì cấu trúc phức tạp của bông bùn (như các hợp chất màng tế bào, polymer) và thành phần rắn của thành tế bào, dẫn đến cần kéo dài thời gian xử lý, phần chất rắn hữu cơ dễ phân hủy thấp và hiệu suất hình thành tạo biogas không như kỳ vọng. Để gia tăng tốc độ thủy phân và nâng cao sản lượng biogas ở công đoạn sau, rất nhiều lựa chọn cho quá trình tiền xử lý bùn như cơ học, nhiệt, hóa học, sinh học [6],[7]. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất đề tài: “Nghiên cứu tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm và phân hủy yếm khí bùn thải từ trạm xử lý nước thải Sơn Trà – Đà Nẵng kết hợp thu hồi Biogas” nhằm xác định các thông số của quá trình phân hủy yếm khí bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm, hiệu quả thu hồi biogas; làm cơ sở cho các giải pháp xử lý bùn thải tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà. 2. Mục tiêu nghiên cứu a) Mục tiêu tổng quát - Hoàn thiện quy trình công nghệ xử lý bùn thải hữu cơ kết hợp thu hồi khí sinh học phù hợp với điều kiện thực tế và khả năng nhân rộng. - Hình thành và phát triển các mô hình tái chế chất thải, tái sử dụng năng lượng, hướng đến mục tiêu phát triển bền vững của thành phố Đà Nẵng, xây dựng Đà Nẵng – Thành phố Môi trường. b) Mục tiêu cụ thể - Khảo sát về hiện trạng phát sinh, quản lý, thành phần và tính chất bùn tại Trạm XLNT Sơn Trà. - Khảo sát khả năng tác dụng của sóng siêu âm trong quá trình tiền xử lý bùn đến hàm lượng hữu cơ hòa tan (SCOD) tại tần số 26 kHz với các mức năng lượng khác nhau. Hiệu suất sinh biogas sau quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm; - Hoàn thiện quá trình phân hủy yếm khí bùn kết hợp tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm tại trạm XLNT Sơn Trà; Các thông số của quá trình: khả năng phân hủy; thời gian lưu; hiệu suất phân hủy chất hữu cơ; sản lượng CH4 thu được. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Bùn phát sinh từ quá trình xử lý nước thải của trạm XLNT Sơn Trà; 3 - Mô hình tiền xử lý bùn bằng siêu âm; - Mô hình phân hủy bùn bằng phương pháp yếm khí; b) Phạm vi nghiên cứu - Bùn sau bể nén bùn của trạm xử lý nước thải Sơn Trà - Đà Nẵng; - Các thông số của quá trình công nghệ tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm: mức năng lượng siêu âm; Sự thay đổi thông số (SCOD) và Hiệu suất sinh biogas sau quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm; - Các thông số của quá trình phân hủy yếm khí bùn thải sau tiền xử lý bằng phương pháp siêu âm: tốc độ phân hủy bùn; hiệu suất phân hủy chất hữu cơ; sản lượng CH4 thu được. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê, thu thập thông tin: thu thập các thông tin tư liệu liên quan đến nội dung của đề tài: hiện trạng phát sinh, quản lý và xử lý bùn thải tại Việt Nam và Đà Nẵng; Hiện trạng phát sinh và quản lý bùn tại Trạm XLNT Sơn Trà;… - Phương pháp quan trắc và phân tích: khảo sát và lấy mẫu bùn tại Trạm XLNT Sơn Trà, phân tích mẫu bùn trong phòng thí nghiệm. - Phương pháp mô hình: Xây dựng mô hình tại phòng thí nghiệm và mô hình vận hành liên tục để xác định các thông số quá trình sinh hóa yếm khí; quá trình tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm; - Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu đo đạc thực nghiệm được thống kê, tính toán, trình bày trong các Bảng biểu và vẽ đồ thị bằng phần mềm Microsoft Excel. Toàn bộ kết quả thực nghiệm đều được lấy giá trị trung bình và có độ lặp lại 3 lần. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Số liệu và kết quả có được có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu và là cơ sở tính toán, thiết kế các công trình liên quan đến xử lý bùn thải tại các trạm XLNT đô thị. b) Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả đề tài là cơ sở thiết thực hỗ trợ cho việc tính toán, thiết kế và vận hành HTXL bùn tại trạm XLNT Sơn Trà đạt hiệu quả cao, thu hồi khí sinh học, giảm thiểu tác động đến môi trường. - Góp phần giải quyết được vấn đề thực tế ở Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung trong xử lý bùn phát sinh từ các trạm xử lý nước thải đô thị. 4 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn có cấu trúc như sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 5 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. Bùn thải 1.1.1. Khái niệm, nguồn gốc phát sinh Bùn thải là bùn hữu cơ hoặc vô cơ được nạo vét, thu gom từ các bể tự hoại, mạng lưới thu gom và chuyển tải, hồ điều hòa, kênh mương, cửa thu, giếng thu nước mưa, trạm bơm nước mưa, nước thải, cửa xả và nhà máy xử lý nước thải [11]. Được quy định rõ tại Điều 25 Nghị định số 80/2014/NĐ-CP ngày 6/8/2014 của Chính phủ về thoát nước và xử lý nước thải. Theo đó, bùn thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh, mức độ ô nhiễm và theo ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải. - Theo nguồn gốc bùn thải: Bùn thải từ hệ thống thoát nước (mạng lưới thoát nước và nhà máy xử lý nước thải) và bùn thải từ bể tự hoại. - Theo mức độ ô nhiễm của từng loại bùn thải; - Theo ngưỡng nguy hại với bùn thải từ quá trình xử lý nước: Bùn thải nguy hại và bùn thải không nguy hại (QCVN 50:2013/BTNMT). Nước thải đen từ hộ gia đình Bể tự hoại Bùn bể phốt Nước thải xám từ hộ gia đình Nước thải sản xuất từ các cơ sở sản xuất và dịch vụ Nước mưa và nước bề mặt Rác, Bùn nạo vét từ cống thoát nước Cống thoát nước thành phố Giếng tách nước thải Kênh hồ Rác, Bùn từ kênh hồ Cặn Trạm Xử lý nước thải Bùn, cặn thải Hình 1.1: Sơ đồ phát sinh bùn thải từ hệ thống thu gom và xử lý nước thải 1.1.2. Đặc điểm và tính chất [12,13] Thành phần của các loại bùn thải rất khác nhau, bùn thải từ mạng lưới thoát nước và bùn nạo vét kênh rạch chứa chủ yếu là cát và đất trong khi bùn thải từ các trạm/ nhà máy XLNT và từ bể tự hoại chứa chủ yếu là các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, có các vi khuẩn có thể gây độc cho môi trường vì thế cần có biện pháp xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận [14]. Thành phần, tính chất hóa lý của bùn cặn phát sinh từ nhà máy xử lý nước thải phụ thuộc vào nước thải ban đầu và phương pháp xử lý nước thải: 6 - Cặn và rác giữ lại ở song chắn rác có kích thước lớn với số lượng thay đổi tùy thuộc vào hiệu quả quản lý mạng lưới thu gom và vận chuyển. Cặn rác có độ ẩm 85 – 95 %, chứa 50 – 80 % chất hữu cơ, có mùi hôi thối, có khả năng phân hủy. - Cát và cặn nặng kích thước lớn hơn 0,2mm có tỉ trọng cặn khô 2,65, độ ẩm cặn khi đã ráo hết nước 14 – 35%, chứa 30 – 50 % chất hữu cơ. - Cặn tươi: hình thành từ công trình lắng I, có mùi khó chịu, nguy hiểm về phương diện vệ sinh vì chứa nhiều trứng giun sán, do đó hạn chế việc sử dụng. Song nếu chúng được xử lý trong các bể phản ứng phân hủy thì sẽ làm mất mùi, dễ làm khô, đảm bảo vệ sinh và bảo tồn được các thành phần phân bón rất có lợi cho cây trồng. Thành phần chủ yếu: 80 – 85% hydratcacbon, các chất béo và protein, còn 15 – 20% là lignin phức chất đất mùn. Độ ẩm cặn 92 – 98%. - Bùn sinh học: hình thành từ quá trình xử lý bậc II (quá trình sinh học), được giữ lại ở bể lắng II, thường ở dạng huyền phù chứa keo bông vô định hình, gồm các vi sinh vật hiếu khí và những chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải. Bùn hoạt tính sau aerotank có độ ẩm cao 99,2 – 99,7%, màng sinh vật sau biofill có độ ẩm 96 – 96,5%. 1.1.3. Các phương pháp xử lý bùn [15] Để xử lý, loại bỏ các loại cặn thường sử dụng các quá trình sinh hoá yếm khí như bể tự hoại, bể lắng hai vỏ và bể lên men mêtan. Bể lắng hai vỏ, bể mêtan có hai chức năng chính là tách các chất không tan ở dạng lắng và lên men cặn lắng. Để loại bỏ nước, giảm thể tích thường sử dụng các công trình như: bể nén cặn, sân phơi bùn, máy ép bùn cặn... a) Mục tiêu của xử lý bùn Giảm khối lượng của hỗn hợp bùn bằng cách tách một phần hay phần lớn lượng nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình xử lý và giảm thể tích cặn phải vận chuyền tới nơi tiếp nhận. Phân hủy các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các chất hữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ để dễ dàng tách nước và không gây tác động xấu đến môi trường nơi tiếp nhận. Các phương pháp xử lý: làm khô và phân hủy kỵ khí. b) Phương pháp làm khô bùn Làm khô cặn trên sân phơi bùn: Sân phơi bùn là một công trình có mặt bằng hình chữ nhật dễ thấm nước, xung quanh xây bờ chắn. Sau khi đã làm khô ở sân phơi bùn, cặn có độ ẩm đạt dưới 75 %, thể tích giảm xuống 2 - 5 lần. Công dụng của sân phơi bùn là giảm thể tích và khối lượng của cặn để sử dụng làm phân bón. Ưu điểm của sân phơi bùn là tiết kiệm năng lượng do quá trình làm khô bùn bằng quá trình thấm và bốc hơi tự nhiên, chi phí đầu tư và vận hành thấp, tuy nhiên sân phơi bùn không thuận lợi ở những vùng ít nắng, mưa nhiều, vì thế người ta thường xây dựng sân phơi bùn có mái che bằng kính, nền bằng atphan bêtông. 7 Hình 1.2: Cấu tạo sân phân phơi bùn Ở Việt Nam có nhiệt đô cao, nhưng lại có mưa nhiều và độ ẩm lớn, do đó việc sử dụng sân phơi bùn trên nền đất tự nhiên cũng gặp khó khăn. Ở nước ngoài đối với những vùng mưa nhiều, người ta thường xây dựng các sân phơi bùn có mái che bằng kính (tải trọng lên tới 10 m3/m2.năm) hoặc các sân phơi trên nền atphan betong (tải trọng đến 4 - 5 m3/m2.năm. Làm khô bằng lọc chân không: Thiết bị lọc chân không là một khung trụ quay bằng thép đặt nằm ngang, bên ngoài bọc tấm vải thô thấm lọc. Trụ quay đặt ngập trong thùng chứa cặn khoảng 1/3 đường kính. Khi trụ quay và máy bơm chân không làm việc cặn bị ép vào vải lọc với lớp dày khoảng 10 – 12cm. Khi mặt tiếp xúc với cặn ra khỏi phần ngập thì dưới tác động của chân không nước được rút ra khỏi cặn. Nhờ bản dao đặc biệt gần ở khung sườn ngoài sẽ cạo sạch lớp cặn ra khỏi bề mặt vải lọc. Phương pháp này có ưu điểm giảm được độ ẩm cặn tới 78 – 80%, áp dụng tốt cho các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ. Tuy nhiên dây chuyền công nghệ phức tạp vì cần nhiều công trình; công tác chuẩn bị cặn phức tạp do phải dùng hóa chất rửa cặn; hóa chất đắt tiền và điều chế định lượng khó khăn. Hình 1.3: Máy tách nước bùn bằng phương pháp chân không 8 Làm khô cặn bằng quay ly tâm: Đây là phương pháp dùng thiết bị quay ly tâm trục ngang, có thiết bị xả cặn xoắn ốc. Dưới tác động của lực ly tâm các phần rắn của cặn và đập vào thành tường của roto và được dồn lăn tới khe hở, đổ ra thùng chứa bên ngoài. Nước bùn chảy qua khe hở của phía đối diện. Hiệu suất giữa pha rắn và độ ẩm của cặn phụ thuộc vào đặc tính của cặn ban đầu. Hình 1.4: Máy tách nước bùn bằng phương pháp ly tâm Nhược điểm của thiết bị là nước bùn sau làm khô có nồng độ chất hữu cơ cao và phải tiếp tục xử lý; công suất giới hạn 13 m3/h, thích hợp với trạm xử lý công suất nhỏ hơn 40.000 m3/ngày. Làm khô cặn bằng lọc ép: Là phương pháp được sử dụng rộng rãi hơn cả bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó, đặc biệt là máy lọc ép bằng băng tải. Nồng độ cặn sau khi làm khô trên máy lọc ép băng tải đạt được từ 15 – 25%. Máy thường có chiều rộng băng từ 0,5 – 3,5 m Tải trọng trên 1m rộng của băng tải từ 90 – 680 kg/m.giây tùy thuộc vào loại cặn và loại máy. Lượng nước được lọc qua băng từ 1,6 – 6,3 l/m.giây. Ưu điểm của máy lọc ép băng tải là bởi tính đơn giản và hiệu quả sau lọc, độ ẩm cặn tới 70 - 75%, tuy nhiên nhược điểm của thiết bị là chi phí đầu từ ban đầu cao; khó khăn cho công nhân trong vận hành, đặc biệt khâu lấy cặn. Hình 1.5: Máy ép bùn băng tải 9 c) Phương pháp phân hủy kỵ khí - Bể lắng 2 vỏ: Diện tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn, không thuận lợi tại những nơi mực nước ngầm cao, đất xấu. Quá trình phân hủy cặn diễn ra trong điều kiện tự nhiên, nên chậm và không kiểm soát được. Bể lắng 2 vỏ thường được sử dụng trên những trạm xử lý nước thải công suất nhỏ và trung bình (q < 10000 m3/ngày). Khuyết điểm chính của bể lắng 2 vỏ là dung tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn nên không thể xây dựng tại những nơi mực nước ngầm cao và đất xấu. Mặt khác quá trình lên men của cặn diễn ra trong điều kiện tự nhiên, nên chậm chạp và không kiểm soát được. Vì vậy trong nhiều trường hợp cần thiết phải xây dựng bể mêtan. - Bể mêtan: Là kết quả của quá trình phát triển công nghệ xử lý cặn lắng, đó là công trình thường có mặt bằng hình tròn hay hình chữ nhật, đáy hình nón hay hình chóp đa giác và có nắp đậy kín. Ở trên cùng của nắp đậy làm chóp mũ để thu hơi khí. Cặn trong bể mêtan được khuấy trộn đều và được sấy nóng nhờ những thiết bị đặc biệt. Căn cứ vào nhiệt độ của quá trình phân hủy chất hữu cơ mà người ta phân biệt thành quá trình lên men ấm (10 - 43 0C) và quá trình lên men nóng (>43 0C). Trên các công trình xử lý hiện nay người ta thường cho lên men hỗn hợp cặn tươi với bùn hoạt tính dư. Sự khoáng hóa trong quá trình lên men có quan hệ mật thiết với các sản phẩm phân hủy tách thành hơi khí và nước bùn. Hiệu suất công tác của bể mêtan được đánh giá theo giá trị phân hủy các chất mà đặc trưng hoặc là mức độ tách hơi khí Pr (%) hoặc là độ hao hụt các chất không tro (hữu cơ) Pkt (%). Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình phân hủy các chất hữu cơ là sức tải cặn. Sức tải cặn tính theo thể tích và theo các chất không tro. Hình 1.6: Bể metan 10 Đối với những bể mêtan có dung tích đến 1000 m3 thì việc khuấy trộn ở trong bể thực hiện bằng máy bơm cặn. Bể có dung tích 1000 - 4000 m3 máy thủy lực và đối với những bể lớn hơn 4000m3 dùng thiết bị khuấy chân vịt. Công suất của thiết bị khuấy trộn tính với thời gian 5 -10 giờ. Đối với công nghệ kỵ khí trong phân hủy bùn cặn có nhiều ưu điểm như: Chi phí đầu tư thấp; ít tốn kém năng lượng khi vận hành vì chỉ cần năng lượng khi xáo trộn; lượng hóa chất bổ sung vào quá trình không có; bùn kỵ khí có thể phục hồi hoạt động sau một thời gian; sản phẩm cuối cùng là khí sinh học có thể tận dụng thu hồi. Tuy nhiên hạn chế của công nghệ này đó là: Thời gian khởi động lâu; sinh ra mùi hôi khó chịu; không giải quyết được nito, photpho; nhạy cảm với cơ chất độc. 1.2. Hiện trạng quản lý, xử lý bùn thải tại việt nam [14] 1.2.1. Hiện trạng phát sinh Hiện nay, chưa có số liệu thống kê đầy đủ về phát sinh bùn thải trên phạm vi cả nước, các số liệu về bùn thải thường tập trung liên quan đến bùn thải từ bể tự hoại và bùn thải từ hệ thống thoát nước tại các đô thị. Khối lượng bùn thải được dự báo ngày càng gia tăng cùng với mức tăng dân số và các nhu cầu sinh hoạt của người dân. Hệ số phát sinh bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) tại đô thị là 0,04 - 0,07m3/người.năm (QCVN 07:2016/BXD). Chỉ số phát sinh bùn cặn từ hệ thống thoát nước tại các đô thị khoảng 0,146 - 0,365m3/người.năm. Bảng 1.1: Lượng bùn cặn phát sinh từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước tại đô thị trên cả nước giai đoạn 2013 - 2016 TT Năm Lượng bùn cặn phát sinh từ bể tự hoại (m3/năm) Lượng bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước (m3/năm) 1 2013 1.154.996 - 2.021.243 4.215.735 - 10.539.339 2 2014 1.201.416 - 2.102.478 4.385.168 - 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 Ghi chú: Lượng bùn cặn được ước tính từ số dân đô thị và hệ số phát sinh. 1.2.1. Thu gom và xử lý Hiện nay, bùn thải từ hoạt động nạo vét cống rãnh, kênh rạch và bùn bể tự hoại được vận chuyển bằng xe chuyên dụng và xà lan (bùn nạo vét kênh rạch). Công tác nạo vét bùn từ mạng lưới thoát nước nhiều đô thị vừa và nhỏ vẫn còn sử dụng phương pháp thủ công, nhiều đô thị lớn bước đầu sử dụng cơ giới hóa. Phương pháp thủ công có năng suất thấp, không an toàn và gây nguy hại đến sức khỏe công nhân thoát nước. Phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng tại các trạm XLNT đô thị Việt Nam là khử nước và chở đi chôn lấp. Một số ít trạm xử lý có sản xuất phân vi sinh từ bùn sau 11 khi làm khô và ổn định bùn bằng sân phơi bùn (trạm XLNT Đà Lạt), sản xuất phân vi sinh sau khi làm khô bùn cơ học (trạm XLNT Bình Hưng, Tp.Hồ Chí Minh). Đầu ra của sản phẩm phân vi sinh và ô nhiễm không khí do mùi là các vấn đề nan giải của giải pháp này. Hình 1.7: Xe hút bùn bể phốt Hiện nay pháp luật đã điều chỉnh và quy định tại nghị định số 80/2014/NĐ- CP. Cụ thể, theo điều 25 quy định như sau: “Căn cứ để lựa chọn công nghệ xử lý bùn thải: Xử lý tập trung, phân tán hoặc tại chỗ; Khối lượng bùn phát sinh; Các đặc tính của bùn; Sự ổn định của công nghệ xử lý; Các yêu cầu về bảo vệ môi trường, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật; Khuyến khích áp dụng công nghệ tái sử dụng bùn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng, thu hồi nhiệt”. 1.2.3. Quản lý nhà nước về bùn thải từ HTTN và các công trình vệ sinh [2] Ở Việt Nam, các vấn đề liên quan đến bùn thải đã được quy định cụ thể trong Luật Bảo vệ môi trường và một số văn bản quy phạm pháp luật liên quan. Trong thời gian qua, một số văn bản quy phạm pháp luật đã được ban hành như Luật BVMT 2014 có hiệu lực từ 1/1/2015; các tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trường bao gồm: QCVN 07: 2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCKTQG) về ngưỡng chất thải nguy hại, trong đó có những quy định được áp dụng với bùn thải; QCVN 50:2013/BTNMT QCKTQG về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước; TCVN 5298 1995: Các yêu cầu chung đối với việc sử dụng nước thải và bùn lắng của chúng để tưới và làm phân bón... Đặc biệt, Nghị định số 80/2014/NĐ-CP ngày 6/8/2014 của Chính phủ về Thoát nước và XLNT đã có một số điều quy định chi tiết về quản lý bùn thải từ HTTN; quản lý bùn thải từ bể tự hoại cũng như các quy định về tái sử dụng bùn thải. Đây là văn bản pháp lý quan trọng để quản lý lĩnh vực này. Tuy nhiên, nhiều vấn đề còn thiếu cần phải được tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện là: Cụ thể hóa các tiêu chí lựa chọn công nghệ xử lý bùn thải; Các quy chuẩn kỹ thuật liên quan trực tiếp đến bùn thải (kể cả sản phẩm được sản xuất, tái sử dụng bùn 12 thải…); Các cơ chế, chính sách ưu đãi, hỗ trợ...; Các chỉ tiêu và các định mức kinh tế, kỹ thuật cho thu gom, vận chuyển, xử lý bùn thải; Đầu tư, tài chính (giá xử lý, chi phí quản lý, khai thác, vận hành…). 1.2.4. Hiện trang quản lý và xử lý bùn thải tại Đà Nẵng [16] a) Phân bùn bể phốt Theo số liệu tổng hợp từ Công ty CP MTĐT Đà Nẵng, tổng khối lượng phân bùn bể phốt được thu gom và xử lý qua các năm từ 2007 đến 2014 được tổng hợp và thể hiện tại Bảng 1.2. Bảng 1.2: Khối lượng bùn bể phốt phát sinh và thu gom trong năm 2007-2015 Năm KL phát sinh (tấn/năm) KL thu gom (tấn/năm) 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 48.661 49.571 54.357 56.724 59.614 61.184 63.344 66.900 73.033 732 8.296 11.482 16.766 22.616 19.688 29.200 24.700 21.495 Các số liệu tổng hợp cho thấy, lượng phân bùn được thu gom và xử lý tăng lên từ 2007 là 732 tấn đến năm 2015 là 21.495 tấn. Tuy nhiên, lượng phân bùn thu gom so với lượng phát sinh còn chênh lệch khá lớn, chỉ chiếm khoảng 30-40% tổng lượng phân bùn phát sinh hằng năm của thành phố. Việc thông hút phân bùn tại hộ gia đình chỉ diễn ra khi các hộ dân có nhu cầu hoặc các trường hợp khi bể tự hoại bị tắc. Phân bùn sau khi thu gom tại các hộ gia đình được vận chuyển bằng các xe bồn kín đưa về khu xử lý chất thải Khánh Sơn để xử lý do Công ty CP MTĐT Đà Nẵng quản lý. Công nghệ xử lý phân bùn bể phốt hiện nay tại Đà Nẵng là tách các chất rắn từ pha lỏng, nước sau khi tách được đưa vào hệ thống xử lý nước rỉ và cặn được ổn định và chôn lấp cùng với CTR sinh hoạt mà chưa có nhà máy xử lý quy mô lớn và công nghệ phù hợp để giải quyết bùn thải phát sinh. b) Bùn thải thoát nước Hiện tại, bùn thải thoát nước của thành phố Đà Nẵng chủ yếu do Công ty TN&XLNT Đà Nẵng thu gom, vận chuyển về khu xử lý CTR Khánh Sơn. Công tác thu gom bùn cặn từ HTTN chưa triệt để, còn phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng giao khoán từ UBND thành phố. Bùn thải thoát nước được thu gom từ các nguồn chủ yếu như: bùn nạo vét hệ thống cống, bùn thải từ các trạm XLNT đô thị và từ các trạm XLNT công nghiệp. - Bùn thải từ khơi thông, nạo vét HTTN: công tác nạo vét khơi thông HTTN đô thị do Công ty TN&XLNT thực hiện. Quá trình nạo vét được triển khai chủ yếu tại các hố ga và hệ thống cống thoát theo khối lượng được giao hằng năm, trừ một vài trường hợp đặc biệt sẽ tiến hành nạo vét tại các điểm nóng, điểm ngập úng khi có sự cố xảy