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.PDF

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.. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất đề tài: “Nghiên cứ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN VIẾT THOÀN

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60.52.03.20

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Đà Nẵng – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ VĂN MẠNH

Phản biện 1: TS TRẦN MINH THẢO

Phản biện 2: TS ĐẶNG QUANG HẢI

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Kỹ thuật môi trường tại Trường Đại học Bách khoa vào

ngày 26 tháng 04 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu và Truyền thông tại Trường Đại học Bách

khoa – Đại học Đà Nẵng

 Thư viện Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm qua, Đà Nẵng 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 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

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

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

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

- 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

- 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;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

- Bùn phát sinh từ trạm XLNT Sơn Trà;

- 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 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 chất hữu cơ hòa tan (SCOD) và Hiệu suất sinh biogas

- 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

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 ô nhiễm môi trường

6 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương I Tổng quan

Chương II Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương III Kết quả nghiên cứu

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I 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

Tại quy định 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, 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

- Phương pháp phân hủy kỵ khí

1.2 Hiện trạng quản lý, xử lý bùn thải tại Việt Nam

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 dựa vào hệ số phát sinh bùn

1.2.2 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

1.2.3 Quản lý nhà nước về bùn thải từ HTTN, công trình vệ sinh

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

1.2.4 Hiện trạng quản lý và xử lý bùn thải tại Đà Nẵng

- Phân bùn bể phốt: lượng thu gom chỉ chiếm khoảng 40% tổng lượng hằng năm của thành phố Phân bùn bể phốt 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

30 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

1.3 Tổng quan về siêu âm

1.3.1 Khái niệm sóng siêu âm

Siêu âm bao gồm một loạt các sóng âm với tần số cao, bắt đầu tại 16 kHz, gần giới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người

1.3.2 Thiết bị siêu âm

- Bộ phát điện (Electrical Generator)

- Bộ chuyển đổi (Transducer)

- Bộ phận phát (Emitter)

1.3.3 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm

- Hiện tượng xâm thực khí

- Hiện tượng vi xoáy

1.4 Tổng quan về siêu âm

1.4.1 Khái niệm sóng siêu âm

Siêu âm bao gồm một loạt các sóng âm với tần số cao, bắt đầu tại 16 kHz, gần giới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người

1.4.2 Thiết bị siêu âm

- Bộ phát điện (Electrical Generator)

- Bộ chuyển đổi (Transducer)

- Bộ phận phát (Emitter)

1.4.3 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm

- Hiện tượng xâm thực khí

- Hiện tượng vi xoáy

1.5 Tổng quan về tiền xử lý bùn

1.5.1 Tình hình nghiên cứu tiền xử lý bùn tại Việt Nam

Ở Việt Nam, bùn thải chủ yếu được xử lý bằng cách ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần rất nhỏ được sử dụng làm phân bón Hiện mới chỉ có một số công bố bước đầu về phương pháp tiền xử lý bùn trước khi đưa đi phân hủy yếm khí

1.5.2 Tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm

Siêu âm (Ultrasonication) là một kỹ thuật công nghệ được ứng dụng phù hợp cho sự phân hủy bùn Sóng siêu âm gây ra sự giãn nén

theo chu kỳ và truyền qua môi trường tạo lực cắt cơ học thủy lực góp phần phá vỡ các khối bùn và giải phóng các tế bào chất

1.6 Tổng quan về khí sinh học

Biogas hay khí sinh học là sản phẩm bay hơi được của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ Thành phần của Biogas gồm có CH4, CO2, H2S, H2, O2, N2,… Tỉ lệ CH4 trong Biogas thường dao động từ 40 - 70%

1.7 Tổng quan về TXL Sơn Trà

- TXLNT Sơn Trà được đầu tư xây dựng để xử lý nước thải sinh hoạt cho quận Sơn Trà và nước thải của 21 công ty thành viên trong khu công nghiệp thủy sản Đà Nẵng

- Công suất xử lý tối đa theo thiết kế: 31.650 m3/ngày, trong đó: Nước thải sinh hoạt khoảng 26.650 m3/ngày và nước thải chế biến thủy sản khoảng 5.000 m3/ngày

- Công nghệ xử lý hiện tại của TXLNT Sơn Trà là công nghệ sinh học (bể Aerotank) phát sinh lượng lớn bùn sinh học (bùn dư từ

bể Aerotank) Hiện nay, biện pháp xử lý lượng bùn này đang được nhà máy áp dụng là nén, ép bùn tách nước trước khi đưa đi chôn lấp

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Bùn phát sinh từ quá trình xử lý của trạm XLNT Sơn Trà;

- Mô hình tiền xử lý bùn bằng siêu âm;

- Mô hình phân hủy bùn bằng phương pháp yếm khí;

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

- Bùn sau bể nén bùn của Trạm xử lý nước thải Sơn Trà

- Thông số của tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm ở tần

số 26 kHz: sự thay đổi thông số COD, SCOD

- Các thông số: tốc độ phân hủy bùn; hiệu suất phân hủy chất hữu cơ; sản lượng CH4 thu được

- Thời gian nghiên cứu: 6/2018 đến 12/2018

- Địa điểm tiến hành mô hình thực nghiệm: Trung tâm Công nghệ môi trường tại Đà Nẵng - Viện Công nghệ môi trường

2.2 Nội dung nghiên cứu

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

+ Tài liệu thống kê khối lượng bùn phát sinh

+ Số liệu được thu thập trong 1 năm

+ Khảo sát hiện trạng công tác quản lý, xử lý bùn tại nhà máy + Lấy mẫu, đánh giá chất lượng bùn

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

- Thu thập số liệu, khảo sát tại nhà máy:

- Xác định tính chất, thành phần bùn tại TXLNT Sơn Trà: Lấy mẫu bùn thải tại 2 vị trí: bùn sau bể nén bùn và bùn sau máy ép bùn

2.2.2 Nội dung 2: Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn

- Thiết lập mô hình thí nghiệm xác định tốc độ phân hủy yếm khí

+ Lựa chọn chế độ lên men ấm (35 oC), Bình phân hủy: sử dụng chai thủy tinh kín khí 1000 ml

+ Lấy bùn sau bể nén bùn của TXLNT Sơn Trà

+ Nạp bùn kỵ khí trộn với bùn nghiên cứu với tỉ lệ bùn kỵ khí chiếm lần lượt là: 0, 10, 20 và 30%

- Vận hành mô hình

2.2.3 Nội dung 3: Xác định thông số của quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm

- Thiết lập mô hình tiền xử lý bằng siêu âm:

+ Sử dụng thiết bị siêu âm dạng bể của hãng QUAVA mini Table top ultrasonic, Nhật Bản Tần số 26 kHz và công suất 100 W; + Thiết bị đo nhiệt độ, đồng hồ đo thời gian

+ Lấy bùn sau bể nén bùn của TXLNT Sơn Trà

bị đo khí tự động; các van xả khí và đồng hồ đo áp suất của buồng phản ứng

+ Thí nghiệm được tiến hành tại 02 buồng phản ứng, trong đó

01 buồng phản ứng được sử dụng để làm mẫu đối chứng (không áp dụng phương pháp tiền xử lý)

+ Tiền xử lý bùn: sử dụng mô hình tại nội dung 3

+ Tổng thể tích mô hình là 150 lít

- Vận hành mô hình

2.2.5 Đề xuất phương án công nghệ:

+ Từ các kết quả nghiên cứu kết hợp với các tài liệu thu thập liên quan, đề tài đi đến đề xuất phương án công nghệ xử lý bùn phát sinh từ xử lý nước thải tại nhà máy kết hợp thu hồi biogas

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.4 Phương pháp tính toán, xử lý số liệu và đánh giá kết quả

- Kết quả phân tích được thống kê và xử lý biểu đồ, đồ thị bằng phần mềm Microsoft Exel

- Toàn bộ kết quả của quá trình thực nghiệm đều được lấy giá trị trung bình và có độ lặp lại 3 lần

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Thực trạng phát sinh, xử lý và tính chất, thành phần bùn thải trạm xử lý nước thải sơn trà

Với công nghệ sinh học sử dụng trong quá trình xử lý nước thải (công nghệ bùn hoạt tính) tại Trạm xử lý nước thải Sơn Trà thì lượng bùn phát sinh phụ thuộc vào tính chất và lưu lượng nước thải đầu vào Trạm xử lý Trong quá trình xử lý nước thải của TXL Sơn Trà phát sinh: Cát từ bể lắng cát và bùn sinh học sau bể nén bùn + Cát tách ra với khối lượng trung bình 0,5 - 1,0 m3/ngày + Bùn tại bể nén bùn: bao gồm bùn cặn phát sinh từ bể tuyển nổi và Bùn hoạt tính hiếu khí dư từ bể lắng II Trong đó bùn hoạt tính hiếu khí dư (từ bể lắng II) chiếm 98 - 99% tổng lượng bùn tại bể nén +Bùn sau khi được tác nước tại bể nén sẽ được bơm qua máy

ép bùn ly tâm Bùn sau ép được công ty Cổ phần môi trường Đô thị

Đà Nẵng vận chuyển lên bãi rác Khánh Sơn để chôn lấp

Lượng bùn phát sinh tại TXL có sự biến động và khác biệt lớn giữa các tháng trong năm, cụ thể như sau:

+ Từ tháng 4 đến tháng 9: bùn lỏng (sau bể nén) phát sinh trung bình khoảng 427 m3/ngày; bùn khô trung bình 145 tấn/tháng + Từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau: bùn lỏng (sau bể nén) phát sinh trung bình khoảng 209 m3/ngày; bùn khô (sau máy ép) được vận chuyển đi chôn lấp trung bình 75 tấn/tháng

- Bùn chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học: đối với bùn lỏng (COD 12,01 - 12,93 g/l; độ tro: 20,6 - 28,1%), độ ẩm từ 97,92 - 98,17%

- Bùn sau ép ở trạng thái vón cục (bổ sung thêm polyme) và độ

ẩm thấp (76,15 - 79,53%), rất thuận tiện cho việc vận chuyển, nhưng gây khó khăn trong việc đảo trộn bùn khi phân hủy

3.2 Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn

Thông số vận hành của mô hình xác định khả năng phân hủy yếm khí bùn ở chế độ lên men ấm được thể hiện tại

- Sản lượng biogas sinh ra tính trên 1 gam chất hữu cơ trung bình 235 ml

- Đối với mô hình MH1 không có bùn mồi kỵ khí, thì thời gian phân hủy dài 26 ngày, thời gian thích nghi dài (5 ngày)

- Đối với mô hình MH2 có tỉ lệ bùn mồi 10% thì thời gian phân hủy giảm còn 19 ngày, thời gian thích nghi 3 ngày

- Đối với mô hình MH3 có tỉ lệ bùn mồi 20% thời gian phân hủy giảm còn 15 ngày, thời gian thích nghi bùn 2 ngày

- Đối với mô hình MH4 có tỉ lệ bùn mồi 30% thời gian phân hủy giảm còn 12 ngày, thời gian thích nghi bùn 2 ngày

3.3 Xác định ảnh hưởng của tiền xử lý siêu âm đến khả năng hòa tan bùn ở tần số 26 kHz

Thông số chất lượng bùn sau bể nén bùn TXL Sơn Trà trước khi tiền xử lý bằng siêu âm ở tần số 26kHz có hàm lượng TS là 18,28 g/l, chất hữu cơ hòa tan SCODrất thấp 0,072 g/l

- Nồng độ chất hữu cơ hòa tan SCOD tăng dần theo thời gian siêu âm từ 72 mg/l lên đến 1.447 mg/l ứng với mức năng lượng 13 KJ/g TS Điều này chứng tỏ khi thời gian siêu âm dài hoặc mức năng lượng siêu âm cung cấp lớn dần sẽ làm phá vỡ cấu trúc phức tạp của bông bùn, cụ thể như các hợp chất màng tế bào tạo điều kiện giải phóng chất nội bào vào pha nước dẫn đến SCOD tăng lên

3.4 Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn sau siêu âm ở chế độ gián đoạn (lên men ấm)

Kết quả theo dõi tổng lượng khí sinh ra tại mô hình phân hủy yếm khí AF-10-2 khi kết thúc thí nghiệm như sau: