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[.]
Trang 1BỘ 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
Trang 2BỘ 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
Trang 3LỜI 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
Trang 4
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 vàViện 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
Trang 5MỤC 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
Trang 62.1 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 CH 4 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 CH 4 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
Trang 74.2 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
Trang 8Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Ký hiệu, các chữ viết tắt
A2O Kị khí/ Thiếu khí/ Hiếu khí Anaerobic/Anoxic/Oxic BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential
CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge
EAWAG Viện Khoa học và Công nghệ Nước
(Thụy Sỹ)
Institute of Water Science and Technology
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
IESE Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi
trường, Trường Đại học Xây dựng
Institute of Environmental Science and Engineering
PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất
thải đô thị
Project on Urban Resource Recovery from Waste
Trang 9Ký hiệu, các chữ viết tắt
SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động
theo mẻ
Sequencing Batch Reactor
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK Tài liệu tham khảo
TSS Tổng lượng cặn lơ lửng Total Suspended Solids
VSS Chất rắn lơ lửng bay hơi Volatile Suspended Solids XLNT Xử lý nước thải
WAS1 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT có
bể lắng sơ cấp
Waste sctivated sludge from wastewater treatment plant with primary sedimentation tank
WAS2 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT
không có bể lắng sơ cấp
Waste sctivated sludge in wastewater treatment plant without primary sedimentation tank
WAS Bùn nén (Bùn sau bể nén bùn) Thickened Sludge
Trang 10Danh 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
Trang 11Bảng 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
Trang 12Danh 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
Trang 13Hình 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
Trang 14MỞ 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