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)

Vũ Thị Hoài ÂnNGHIÊN 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

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

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

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

môn Cấp thoát nước của trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập vànghiên cứu.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến GS TS NguyễnViệt Anh đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợinhất trong thời gian tôi thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cục Kinh tế Liên bang Thụy Sỹ (SECO),Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng và ViệnKhoa học và Công nghệ Nước (EAWAG), Thụy Sỹ đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quátrình thực hiện nghiên cứu Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhàkhoa học, các chuyên gia đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiếnquý báu cho luận án trong quá trình thực hiện

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựngcông trình đô thị nơi tôi công tác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quátrình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của giađình đã hết sức giúp tôi có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, độngviên tinh thần, giúp tôi hoàn thành luận án Tiến sỹ này

Tác giả luận án

Vũ Thị Hoài Ân

MỤC LỤC…… ……… ………… ……… i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iv

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

5 Cơ sở khoa học của luận án 4

6 Nội dung nghiên cứu của luận án 4

7 Tính mới của luận án 5

8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 7

1.1 Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị 7

1.1.1 Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị 7

1.1.2 Thành phần, tính chất bùn của trạm XLNT đô thị 10

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị trên thế giới và ở Việt Nam 12

1.2 Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại 16

1.2.1 Lượng bùn bể tự hoại 16

1.2.2 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại 17

1.2.3 Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam 20

1.3 Tổng quan các nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT và bùn bể tự hoại 24

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới 24

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 26

Nhận xét chương 1 31

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ, THU KHÍ SINH HỌC 32

2.1 Các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong điều

kiện kị khí 32

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí 35

2.3 Các bể phân hủy kị khí bùn 40

2.4 Phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí (BMP) cho công nghệ phân hủy kị khí 43

2.4.1 Khái niệm về phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan BMP 43

2.4.2 Các yếu tố liên quan đến thí nghiệm BMP 43

2.5 Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn 48

2.6 Cân bằng năng lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm XLNT 49 Nhận xét chương 2 51

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 52

3.1 Mục đích thí nghiệm 52

3.2 Mô tả thí nghiệm 52

3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP 52

3.2.2 Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm 53

3.3 Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích và đánh giá trong thí nghiệm 56

3.3.1 Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích thí nghiệm 56

3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá thí nghiệm 58

3.4 Thực hiện thí nghiệm 60

3.4.1 Thí nghiệm BMP1 đánh giá tiềm năng sinh khí 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

4.2 Các trạm XLNT đô thị trong khu vực tính toán 78

4.3 Lượng bùn thải của các trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong khu vực tính toán 81

4.3.1 Lượng bùn thải phát sinh tại các trạm XLNT đô thị 81

4.3.2 Lượng bùn bể tự hoại phát sinh trong khu vực tính toán 83

4.4 Các giải pháp xử lý bùn cho khu vực tính toán 83

4.5 Tính toán các phương án xử lý bùn cho khu vực tính toán 88

4.5.1 Tính toán xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b 90 4.5.2 Tính toán xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a và TT1b 93

4.5.3 Tính toán xử lý bùn theo phương án HT 99

4.5.4 Tính toán xử lý bùn theo phương án TT2 101

4.6 Nhận xét kết quả tính toán và đề xuất công nghệ xử lý bùn 103

Nhận xét chương 4 111

KẾT LUẬN 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC A

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Ký hiệu,

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 Institute of Water Science and

F/M Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật Food to Microorganism ratioHRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time

HTTN Hệ thống thoát nước

IESE Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi Institute of Environmental

trường, Trường Đại học Xây dựng Science and Engineering

PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất Project on Urban Resource

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 SolidsXLNT Xử lý nước thải

WAS1 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT có Waste sctivated sludge from

bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant

with primary sedimentationtank

WAS2 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT Waste sctivated sludge in

không có bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant

without primary sedimentationtank

WAS Bùn nén (Bùn sau bể nén bùn) Thickened Sludge

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải 8

Bảng 1.2 Dự báo khối lượng bùn phát sinh của các đô thị Việt Nam phụ thuộc vào % số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN 9

Bảng 1.3 Thành phần, tính chất bùn của các trạm XLNT 11

Bảng 1.4 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại tại một số nước 18

Bảng 1 5 Xử lý bùn bể tự hoại tại một số thành phố ở Việt Nam 21

Bảng 1 6 Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam 23

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP1 62

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP1 63

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP2 65

Bảng 3 4 Tỷ lệ phối trộn của các bùn cơ chất trong thí nghiệm BMP2 65

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP2 66

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP1 67

Bảng 3.7 Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP2 72

Bảng 4.1 Các trạm XLNT đô thị thuộc khu vực tính toán đến năm 2030 80

Bảng 4.2 Thông số nước thải đầu vào và đầu ra một số trạm XLNT ở Hà Nội 81

Bảng 4.3 Tổng lượng bùn nén và bùn tách nước của các trạm XLNT đô thị trong khu vực tính toán 81

Bảng 4.4 Lượng bùn phát sinh của trạm XLNT Yên Sở 82

Bảng 4.5 Lượng bùn bể tự hoại trong khu vực tính toán đến năm 2030 83

Bảng 4.6 Nguyên liệu nạp vào bể mê tan của trạm XLNT Yên Sở 90

Bảng 4.7 Tổng hợp tính toán bể mê tan và thể tích biogas thu được khi xử lý bùn trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b 91

Bảng 4.8 Nhu cầu năng lượng trạm XLNT Yên Sở khi xử lý bùn theo phương án YS1a và YS1b 92

Bảng 4 9 Nguyên liệu nạp vào bể mê tan tại trạm xử lý bùn tập trung 93Bảng 4.10 Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1a 94Bảng 4.11 Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1b 96Bảng 4.12 Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án TT1a và phương án TT1b 99Bảng 4.13 Tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án HT 100Bảng 4.14 Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án HT 100Bảng 4.15 Tổng hợp tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT2 101Bảng 4.16 Khái toán chi phí xử lý bùn theo phương án TT2 103Bảng 4.17 Thể tích bể mê tan và lượng biogas sinh ra của trạm XLNT Yên Sở khiWAS không xử lý kết hợp với FS 103Bảng 4.18 Thể tích biogas sinh ra khi WAS của trạm XLNT Yên Sở xử lý vàkhông xử lý kết hợp với FS 104Bảng 4.19 Tổng hợp so sánh các phương án xử lý bùn 105

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đô thị 7

Hình 1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý bùn tại các trạm xử lý nước thải 13

Hình 1.3 Công nghệ xử lý bùn tại các trạm XLNT đô thị ở Việt Nam 15

Hình 1.4 Giá trị COD, TN và TP (mg/L) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội 19

Hình 1.5 Giá trị TS và VS (g/L), VS/TS (%) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội 19

Hình 2.1 Các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí 32

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm BMP hệ Water Bath 52

Hình 3.2 Thí nghiệm BMP 53

Hình 3.3 Thùng Inox 40 lít nuôi bùn kị khí (bùn nuôi cấy) 54

Hình 3.4 Dụng cụ ống lấy mẫu bùn bể tự hoại 55

Hình 3.5 Sục khí N2 các bình phản ứng thí nghiệm BMP 61

Hình 3.6 Bộ hấp thụ biogas và đo khí mê tan 61

Hình 3.7 Khối lượng bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị phát sinh của khu vực đô thị trung tâm Hà Nội giai đoạn 2019-2044 64

Hình 3.8 Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của các mẫu trong thí nghiệm BMP1 69

Hình 3.9 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP1 70

Hình 3.10 Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL) do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP1 70

Hình 3.11 Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của các mẫu trong thí nghiệm BMP2 74

Hình 3.12 Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2 75

Hình 3.13 Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL)

do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2 76

Hình 4.1 Vị trí các trạm xử lý nước thải ở Hà Nội 79Hình 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 86Hình 4.4 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1b 87Hình 4.5 Sơ đồ xử lý bùn sau tách nước tại các trạm XLNT theo phương án HT 87Hình 4.6 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT2 88Hình 4.7 Lượng bùn trạm XLNT đô thị và FS sau xử lý của các phương án 107Hình 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

MỞ ĐẦU

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 đốimặt với sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở cácthành phố lớn, dẫn đến sức ép lớn đối với hệ thống cơ sở hạ tầng và dịch vụ côngcộng như năng lượng, cấp thoát nước và bảo vệ môi trường

Hệ thống thoát nước (HTTN) và trạm xử lý nước thải (XLNT) đang đượcxây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị Việt Nam từ 17 trạm XLNT tập trung vậnhành với tổng công suất 540.000m3/ngày năm 2012 [19] tăng lên 46 trạm XLNT tậptrung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000m3/ngày, xử lý tương đương14% lượng nước thải đô thị phát sinh, và hơn 50 trạm XLNT tập trung đang ở giaiđoạn thiết kế, xây dựng và chuẩn bị chuyển giao để vận hành [8] Bùn phát sinh từcác 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 vàocác 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 vềBOD, COD, TSS

Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trò quan trọngtrong 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 cũngkhá nhiều, từ 50.000 m3 tới 218.490 m3 [7] Tuy nhiên, tại các đô thị lượng bùn này thugom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình đạt 32% và khoảng 4% lượng bùn bể tựhoại được xử lý [7] Việc quản lý bể tự hoại và xử lý bùn của các bể tự hoại còn nhiềutồn tại và bất cập như bùn cặn bể tự hoại chủ yếu hiện nay do tư nhân tổ chức dịch vụmột cách tự phát và đổ xả tùy tiện ra môi trường, việc hút cặn không đúng quy trình kỹthuật: 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

đó bùn bể tự hoại cần được thu gom, vận chuyển và xử lý để tránh ô nhiễm môitrường và lây lan mầm bệnh.

Phương pháp phân hủy kị khí đã được sử dụng rộng rãi để ổn định chất hữu

cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học mang lại hiệu quả giảm thể tích bùn thải

và thu hồi năng lượng cao ở nhiều trạm XLNT trên thế giới [55] Phân hủy kị khílên men ấm được coi là ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn ở chế độlên men nóng Điều kiện khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho xử lý bùn các trạmXLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong điều kiện lên men ấm

Xu hướng xử lý để thu hồi tài nguyên từ bùn ngày càng phổ biến ở nhiềunước trên thế giới, để giảm lượng bùn thải đưa đi chôn lấp, tiết kiệm quỹ đất vốnngày càng khan hiếm, và tạo các sản phẩm có giá trị kinh tế như sinh năng lượng(điện, nhiệt), phân bón hay chất cải tạo đất, vật liệu xây dựng, vv…Ở Việt Nam đã

có nhiều công trình nghiên cứu về giải pháp quản lý và xử lý bùn từ HTTN và bể tựhoại, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về xử lý kết hợp các loại bùn thải bằng phânhủy kị khí lên men ấm

Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thảiphù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợpbùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí(lên men ấm)” đã được nghiên cứu, thực hiện để đánh giá khả năng sinh khí mê tankhi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương phápphân hủy kị khí lên men ấm từ đó đề xuất công nghệ xử lý bùn cho các trạm XLNT

đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng

- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT

đô thị khi xử lý phân hủy kị khí lên men ấm (350C), để loại bỏ chất hữu cơ (theo

- Đề xuất được công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thịcho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và mộtphần lưu vực Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

+ Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và bùn nén);+ Bùn bể tự hoại từ hộ gia đình

Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thịtrong HTTN chung có sử dụng công nghệ bùn hoạt tính cho khu vực trung tâm HàNội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực Tả Nhuệ)bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (350C), có thu hồi năng lượng

- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: thu thập thông tin, dữ liệu

về bùn bể tự hoại, bùn trạm XLNT đô thị như khối lượng, thể tích bùn; thành phần vàtính chất; các công nghệ xử lý bùn trạm XLNT và bùn bể tự hoại ở Việt Nam

Phương pháp này cũng dùng để thu thập số liệu đối chiếu với các nghiên cứu trongnước và trên thế giới liên quan đến đề tài, phục vụ cho nghiên cứu

Phương pháp này cũng được sử dụng để thu thập số liệu trong chạy mô hìnhthí nghiệm Các số liệu thu thập được từ kết quả phân tích, quan sát và xử lý bằngcác phần mềm máy tính để vẽ các biểu đồ, tính toán các công thức

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các quátrình phân hủy kị khí các chất hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng; và thí nghiệm BMP

để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của các nguồn bùn

- Phương pháp kế thừa: kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đã thực hiện, vàcủa dự án mà nghiên cứu sinh trực tiếp tham gia lấy mẫu, phân tích thí nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc một số thông

số ngoài hiện trường và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Xây dựngtheo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế

Các thí nghiệm về phân hủy kị khí theo mẻ thực hiện trong phòng thí nghiệm

ở chế độ lên men ấm (35oC), để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phânhủy chất hữu cơ của bùn bể tự hoại và bùn từ trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng rẽ,

và khi xử lý kết hợp với các tỉ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn bể tự hoại và bùn củatrạm XLNT đô thị.

- Phương pháp so sánh, phân tích: phân tích, nhận xét kết quả thí nghiệm thuđược, và so sánh với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ở cùng lĩnh vựcnghiên cứu về phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm

- Phương pháp tính toán, phân tích để so sánh chi phí và lợi ích của các giải pháp kỹ thuật xử lý bùn đề xuất

- Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến chuyên gia thông qua trao đổi trực tiếp,

tổ chức hội thảo khoa học lấy ý kiến, nhận xét phản biện của các chuyên gia

Bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị còn chứa hàm lượng chất hữu cơ vàcác chất dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy được bằng phương pháp sinh học kịkhí Bùn bể tự hoại có hàm lượng VS từ 3,3 g/L đến 31,6 g/L, hàm lượng COD từ8,0g/L đến 42,85 g/L, hàm lượng TN từ 0,10 g/L đến 0,34 g/L, hàm lượng TP từ0,16g/L đến 1,20 g/L [1] Bùn của trạm XLNT đô thị có hàm lượng VS từ 1,79 g/Lđến 17,47 g/L, hàm lượng COD từ 2,22g/L đến 24,97g/L, hàm lượng TN từ 0,16 g/

L đến 1,24 g/L, hàm lượng TP từ 0,06 g/L đến 0,72 g/L [5]

Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp được áp dụng ở nhiều nhà máy XLNTtrên thế giới để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học khi kếthợp xử lý hai hay nhiều loại bùn khác nhau [51] Kết quả một số nghiên cứu quátrình ổn định bùn bằng phân hủy kị khí đã sản xuất biogas, làm nguồn nhiên liệu đểsản sinh ra năng lượng điện và nhiệt Phân hủy kị khí bùn ở các trạm XLNT và thukhí CH4 thường được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm, với nhiệt độ tối

ưu 350C [61]

Vì vậy, luận án nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử

lý nước thải đô thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để xử lý ổn địnhbùn, giảm lượng bùn thải chôn lấp và thu hồi năng lượng

6 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Tổng quan về lượng bùn, thành phần tính chất và các phương pháp xử lý bùn

bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học

- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm: thí nghiệm theo mẻ

về phân hủy kị khí lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lýriêng bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị; thí nghiệm theo mẻ về phân hủy

kị khí ở chế lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý kếthợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau

- Tính toán và đề xuất lựa chọn công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn củacác trạm XLNT đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng dựa trên kết quả nghiêncứu thực nghiệm

- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý FS:WAS để cho phép đạt hiệu suất loại

bỏ chất hữu cơ (theo COD và VS) và thu được lượng khí mê tan cao nhất Cụ thể

FS:WAS=1:1 (theo khối lượng VS) cho phép đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tínhtheo COD và VS tương ứng là 43,40% và 42,55%, hiệu suất sinh khí CH4 đạt 294,8NmL/gVSbùn vào

- Đề xuất công nghệ xử lý kị khí kết hợp FS với WAS của các trạm XLNT

đô thị trong điều kiện lên men ấm (350C) có thu hồi khí sinh học sản xuất nănglượng cho khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng, cũng nhưphương án sử dụng bùn sau xử lý đạt hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường

8 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

+ Luận án đã tổng quan được các thông tin có giá trị về số lượng, thành phần,tính chất và các công nghệ xử lý bùn của trạm XLNT đô thị, bùn bể tự hoại, cũng như

tiềm năng thu hồi tài nguyên từ các loại bùn này

+ Luận án đã xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý cho quá trình phân hủy kị khílên men ấm (350C) thu khí CH4 khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị

+ Luận án đã tính toán công nghệ xử lý bùn bằng phương pháp phân hủy kị khí

lên men ấm, góp phần bổ sung vào kiến thức tham khảo, làm cơ sở cho việc tìm kiếm, lựa chọn các giải pháp xử lý bùn phù hợp với các điều kiện ở Việt Nam.

+ Góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do bùn thải gây ra như ônhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường đất và không khí

+ Tiết kiệm tài nguyên đất do giảm được diện tích đất bãi chôn lấp bùn

+ Thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện, nhiệt.Bùn sau phân hủy kị khí được xử lý, tái sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo đất, làmvật liệu trong xây dựng, v.v

+ Luận án đã chỉ ra được, có thể áp dụng cho các trạm XLNT tại các đô thị trongđiều kiện Việt Nam: xử lý cùng lúc hai loại bùn thải, tận dụng các công trình của trạm XLNT đô thị, nhất là khi trạm hoạt động chưa đủ công suất thiết kế

9 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục các công trình đã công bố,tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử

lý bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT đô thị

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân hủy kị khí bùn bể tự hoại và bùn của trạm

XLNT đô thịChương 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH

CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA

TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1 Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý

bùn của trạm XLNT đô thị

1.1.1 Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị

Trong quá trình thu gom, vận chuyển và xử lý nước thải đều phát sinh bùn

Sơ đồ nguồn phát sinh bùn từ HTTN đô thị được trình bày trong hình 1.1

Tái sử dụng hoặc thải bỏ

Xử lý tiếp hoặc xả ra nguồn

Hình 1.1 Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đô thị

Bùn phát sinh từ xử lý nước thải đô thị tại trạm xử lý gồm các loại bùn thải

từ xử lý sơ bộ, xử lý bậc 1 và xử lý bậc 2, 3

Bùn từ quá trình xử lý sơ bộ như từ song chắn rác và bể lắng cát có thànhphần tương tự như trong bùn thải từ mạng lưới cống thoát nước chung, được xử lýcùng với bùn cặn nạo vét của mạng lưới thoát nước.

Cặn lơ lửng trong nước thải lắng trong các bể lắng sơ cấp tạo thành bùn sơcấp Lượng bùn sơ cấp phát sinh được tính toán thông qua hàm lượng cặn lơ lửng cótrong nước thải và hiệu suất xử lý Tổng lượng cặn lơ lửng trong nước thải tính chomột người trong một ngày theo TCVN 7957-2008 [32] là 60÷65g/người/ngày,lượng bùn khô chiếm 1% - 3% Khoảng 25÷50 g cặn/người/ngày được giữ lại trongkhâu xử lý bậc 1 [12] Lượng bùn phát sinh trong bể lắng sơ cấp vào khoảng 100 –

300 mg/L nước thải, chứa khoảng 70% chất hữu cơ [129]

Bùn từ quá trình xử lý bậc 2, 3 như bùn hoạt tính dư sau aeroten hoặc màngsinh vật sau bể lọc sinh học, … bùn phát sinh này gọi là bùn thứ cấp Bùn này đượcgiữ lại tại bể lắng đợt 2 với khối lượng là 8 ÷ 32g/người/ngày, thể tích bùn có thểđạt tới 2,5 L/người/ngày phụ thuộc vào dây chuyền xử lý nước thải [20].20

Lượng bùn thải phát sinh phụ thuộc vào quá trình XLNT được trình bày ởbảng 1.1 đã cho thấy lượng bùn trung bình sinh ra từ bể lắng hai vỏ hay bể lắng sơcấp bằng 0,15 kg/m3 nước thải, từ hệ thống bùn hoạt tính 0,08 kg/m3 nước thải, từ

hồ sinh học xử lý hiếu khí 0,01 kg/m3 nước thải

Bảng 1.1 Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải [91]

3 )

Bể lắng sơ cấp hoặc bể lắng hai vỏ 110 - 170 150

thải ước tính bằng 5% đến 25% thể tích nước thải xử lý [5], nhưng quản lý bùn rất

phức tạp, chi phí thường từ 20% đến 60% tổng chi phí vận hành cho toàn trạm

XLNT [39]

Trong tương lai gần, khi nước thải tại các đô thị Việt Nam được thu gom và

vận chuyển đến trạm XLNT, cũng như khi các trạm XLNT theo quy hoạch thoát

nước được đưa vào vận hành hết công suất, lượng bùn phát sinh cần phải xử lý sẽ

lớn hơn rất nhiều Nếu tính lượng chất rắn lơ lửng sinh ra cho một người là 60

g/người.ngày [32], 80% tổng lượng nước thải phát sinh được thu gom xử lý tại các

đô thị đến năm 2025 tầm nhìn đến năm 2050 [26]; dân số Việt Nam năm 2019 là

96,21 triệu người với tỷ lệ đô thị hóa là 34,4%, theo dự báo dân số Việt Nam 2014

-2049 [31] thì khối lượng bùn phát sinh dự báo ở các đô thị Việt Nam được tính toán

phụ thuộc vào số dân đô thị đấu nối nước thải với HTTN trình bày ở bảng 1.2

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

thị đấu nối vào ngày

HTTN

(7=4*5*6*/100)

Số liệu Số liệu Số liệu Số liệu Số liệu

Bảng 1.2 cho thấy dân số đô thị tăng và tỷ lệ đấu nối nước thải từ các hộ dân

vào HTTN tăng lên thì khối lượng bùn phát sinh từ xử lý nước thải cũng tăng theo

1.1.2 Thành phần, tính chất bùn của trạm XLNT đô thị

Bùn phát sinh từ các quá trình XLNT có thành phần và tính chất khác nhau,

phụ thuộc vào loại HTTN, nguồn nước thải chảy đến trạm xử lý, dây chuyền công

nghệ XLNT đô thị và xử lý bùn của trạm xử lý Thực tế, nước thải đầu vào mà các

trạm XLNT ở các đô thị Việt Nam tiếp nhận từ HTTN chung có nồng độ BOD thấp,

dao động từ 31mg/L đến 135mg/L và TN từ 11mg/L đến 44mg/L, trong khi thiết kế

thường lấy nồng độ BOD là 150 - 200 mg/L và giá trị TN 40-60 mg/L [19], [117]

Các số liệu vận hành các trạm XLNT đô thị cho thấy hầu hết nước thải các đô thị

Việt Nam đa số có tỷ lệ BOD5/TN thấp và nằm trong khoảng 1,6 ÷ 3,8, trong đó

86% trạm XLNT đô thị có tỷ lệ BOD5/TN trong khoảng 1,6 ÷ 3 [100], nhỏ hơn mức

tối thiểu của nước thải đô thị nói chung BOD5/TN = 3÷8 [91] Dẫn đến lượng bùn

sinh ra trong quá trình xử lý nước thải khá thấp, công suất các công trình, thiết bị xử

lý bùn cặn của trạm XLNT đô thị bị quá thừa và dẫn đến đầu tư không hiệu quả

bùn lấy từ đáy hồ kị khí của trạm XLNT Hòa Cường, Đà Nẵng và khoảng giá trịthường gặp của các loại bùn sơ cấp, thứ cấp hay hỗn hợp bùn chưa xử lý tại cáctrạm XLNT đô thị trên thế giới được trình bày ở bảng 1.3.

Bảng 1.3 Thành phần, tính chất bùn của các trạm XLNT [5]

Bảng 1.3 cho thấy bùn phát sinh từ các công đoạn xử lý khác nhau có thànhphần, tính chất khác nhau Tại các trạm XLNT đô thị với công nghệ bùn hoạt tính,bùn sơ cấp có độ ẩm dao động lớn từ 91% đến 99,7%, tỷ lệ VS/TS dao động là56,32% - 80,0%; bùn thứ cấp có độ ẩm 98,8% – 99,6%, tỷ lệ VS/TS dao động là53,49% - 88,0% Do thành phần chủ yếu là sinh khối của vi sinh vật, bùn thứ cấp cóchứa hàm lượng ni tơ, phốt pho và đạm cao hơn bùn sơ cấp, còn hàm lượng hydrocácbon, chất béo thấp hơn bùn sơ cấp

Do đặc thù của HTTN chung ở Hà Nội, Đà Nẵng và nhiều đô thị khác ở ViệtNam (HTTN thu gom và vận chuyển chung nước thải sinh hoạt và nước mưa), trongkhi các đô thị trên thế giới chủ yếu dùng HTTN riêng nên độ ẩm của bùn sơ cấp tạicác trạm XLNT của Việt Nam có độ ẩm 96,9% - 99,7% cao hơn so với độ ẩm của

bùn sơ cấp tại các trạm XLNT trên thế giới chỉ nằm từ 91- 95%, tỷ lệ VS/TS củabùn sơ cấp ở Việt Nam nằm trong khoảng 56,32% – 65,03% thấp hơn so với số liệu

ở các nước trên thế giới 60%-80% Bùn tích lũy nhiều năm trong hồ kị khí ở ĐàNẵng có hàm lượng hữu cơ thấp, VS/TS = 28,19% [75] Đặc điểm này đòi hỏi phảicân nhắc kỹ các yếu tố kinh tế - kỹ thuật, quy mô công suất của trạm xử lý, để đảmbảo rằng việc áp dụng các hướng xử lý bùn, thu hồi tài nguyên là có hiệu quả Mặtkhác, đặc điểm này cũng cho thấy cần cân nhắc cả hướng xử lý kết hợp bùn với cácloại chất thải giàu hữu cơ khác để tăng hiệu quả kinh tế

Các chỉ tiêu kim loại nặng như Ni, Pb, Cu, Zn trong bùn của các trạm XLNT

đô thị đã khảo sát ở Hà Nội, Đà Nẵng so sánh với giới hạn quy định đối với đấtnông nghiệp nằm trong ngưỡng cho phép Bùn cặn còn chứa nhiều vi sinh vật gâybệnh Mỗi gam chất khô bùn có thể chứa 106 vi khuẩn E Coli, 102-103 vi khuẩnSalmonella, 102-104 virus Entero, 102-103 đơn bào Giardia, 102-103 trứng giun, sáncác loại [6] Bùn trạm XLNT đô thị có thành phần hữu cơ phân hủy được bằngphương pháp sinh học tương đối cao (thông qua giá trị COD, tỷ lệ VS/TS là 53,5%– 69,5%, thành phần hydrocarbon, đạm và chất béo), tỷ lệ C/N/P phù hợp cho quátrình ổn định kị khí Việc sử dụng bùn tươi làm phân bón hay thải bỏ đều không antoàn Do đó, cần phải xử lý bùn để ổn định, giảm mùi khó chịu và nguy cơ gây ônhiễm môi trường, giảm lượng nước và khối lượng bùn ở mức tối thiểu

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị trên thế giới và ở Việt Nam

Một trong những ảnh hưởng chính của việc xử lý bùn là khối lượng bùn thải

ra lớn, độ ẩm của bùn cao, ngoài ra thành phần của bùn còn chứa nhiều các hợp chấthữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng, do đó nên kết hợp các phương pháp xử lý bùnmột cách tối ưu để đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường và các chỉ tiêu về kinh tế, kỹthuật

Trên thế giới đã áp dụng nhiều phương pháp để xử lý bùn từ trạm XLNT.Tùy thuộc vào đặc tính và lượng bùn, trong các trạm XLNT thường áp dụng mộthoặc nhiều công đoạn xử lý nối tiếp nhau trình bày trên hình 1.2

Phương pháp làm đặc bùn (tách nước sơ bộ) nhằm giảm độ ẩm bùn để các khâu

xử lý tiếp theo diễn ra được ổn định, giảm khối tích các công trình cũng như tiết

kiệm hóa chất và năng lượng sử dụng trong quá trình xử lý Chất rắn khô trong bùnthường từ 1÷2% tăng lên 5÷6% sau khi làm đặc [131].

Đốt và

Xử lý sơ

- Băng tải hủy hiếu - Bãi lọc năng lượng chất khác

- Ủ compostHình 1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý bùn tại các trạm xử lý nước thải [5].Phương pháp phân hủy hiếu khí và phân hủy kị khí vẫn đang được áp dụngphổ biến trên thế giới Ở Châu Âu, 24/27 (89%) quốc gia xử lý bùn bằng phân hủy

kị khí và 20/27 (74%) quốc gia sử dụng phương pháp hiếu khí [76] Phân hủy kị khíđược sử dụng phổ biến ở Tây Ban Nha, Anh, Ý, Phần Lan và Slovakia Cộng hòaCzech và Ba Lan đang sử dụng phổ biến công nghệ phân hủy hiếu khí Ổn định bùnbằng hóa chất nói chung ít phổ biến Bên cạnh đó, ủ compost cũng được áp dụng ở25/27 (93%) quốc gia Châu Âu [76] Một số quốc gia như Đức, Pháp, Thụy Điển,

Ý, Bulgari, vv áp dụng kết hợp phân hủy kị khí với ổn định bằng vôi Từ năm

1990, trên 20 trạm XLNT ở Đức đã áp dụng phương pháp phân hủy kị khí nhiềubậc, kết hợp chế độ lên men ấm và nóng [76]

Phương pháp khử nước nhằm giảm độ ẩm, giảm thể tích bùn để dễ vậnchuyển và sử dụng Sử dụng sân phơi bùn là phương pháp khử nước bùn cặn trongđiều kiện tự nhiên, nhờ cơ chế nén, bay hơi, thấm xuống đất Bùn sau khi phơi chứa20% - 25% chất rắn khô [131] Đối với các trạm có công suất lớn, không đủ diệntích đất xây dựng sân phơi bùn hoặc những vùng khí hậu mưa nhiều, thường ápdụng các phương pháp làm khô bùn bằng cơ học Chất rắn khô chứa trong bùn đãtách nước có thể đạt 25% – 35%, đôi khi lên đến hơn 50% [91], [131]

Muốn tiếp tục giảm độ ẩm của bùn xuống thấp hơn nữa, có thể sử dụngphương pháp sấy bằng nhiệt Ưu điểm của phương pháp này là giảm chi phí vậnchuyển bùn, tiêu diệt mầm bệnh, tăng khả năng lưu trữ bùn và dễ tiêu thụ hơn Nănglượng cần thiết để làm bay hơi nước được truyền cho bùn cặn nhờ chất dẫn nhiệt,thường là hơi khí nóng Hàm lượng chất rắn trong bùn khô khoảng 65% đến 95%phụ thuộc vào bùn cấp vào và kỹ thuật sấy [39].

Những năm gần đây để giảm thiểu diện tích bãi chôn lấp, cũng như từ cácyêu cầu đối phó với tình trạng nóng lên của Trái đất thì phương pháp phân hủy kịkhí tạo sinh khối bùn ít và việc sử dụng lại bùn thải đang tăng dần Phương pháp sửdụng bùn thải hiệu quả chủ yếu như làm vật liệu xây dựng, nhiên liệu rắn, làm phânbón cho nông nghiệp hay làm chất cải tạo đất

Ở Châu Âu, tỷ lệ phân bố giữa các mục đích sử dụng bùn năm 2010 là 42%cho nông nghiệp, 27% đốt, 14% chôn lấp và 16% cho các mục đích khác Dự kiến

đến năm 2020, các tỷ lệ tương ứng sẽ là 44%, 32%, 7% và 16% [81] Như vậy, tỷ lệbùn sử dụng trong nông nghiệp không thay đổi lớn, trong khi tỷ lệ bùn chôn lấp sẽgiảm, và đốt bùn sẽ trở nên phổ biến hơn Trên thực tế, phương pháp đốt đang được

áp dụng phổ biến tại Châu Âu, với 110 trạm xử lý năm 1995, tăng lên 370 trạm năm

1999 và lên tới 450 trạm năm 2012 [76] Công nghệ đốt chủ yếu được áp dụng là lòđốt tầng sôi Ngoài ra, có thể dùng phương pháp đốt bùn ở lò đốt riêng, hay kết hợpvới lò đốt chất thải rắn, lò nung xi măng, nhà máy nhiệt điện, ổn định và sấy bùnbằng năng lượng mặt trời Tuy nhiên, giải pháp công nghệ cao này đòi hỏi vốn đầu

tư rất lớn, và sẽ không có hiệu quả kinh tế nếu không có mô hình tổ chức tốt để tậnthu nhiệt sau đốt cung cấp cho các tổ hợp công nghiệp liền kề

Hiện nay, HTTN ở các đô thị Việt Nam chủ yếu là hệ thống thoát nướcchung với XLNT bằng phương pháp sinh học trong đó công nghệ xử lý bằng bùnhoạt tính là thông dụng hơn cả và phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng tại cáctrạm XLNT đô thị vẫn là khử nước và chở đi chôn lấp (hình 1.3)

Bùn từ trạm XLNT đô thị chứa một lượng lớn chất hữu cơ, có thể phân hủyđược bằng phương pháp sinh học, cũng như các hợp chất chứa N và P có thể là tàinguyên có giá trị Thu gom, xử lý bùn bằng phương pháp kị khí để thu hồi biogas, tiếntới xử lý kết hợp bùn của trạm XLNT với các dòng chất thải giàu hữu cơ, là hướng đi

trộn bể phản ứng, nhiệt năng được dùng để ổn nhiệt bể mê tan, gia nhiệt cho bùnthô, sấy bùn đã phân hủy, cho phép tiết kiệm được tới 40% - 80% nhu cầu nănglượng của trạm xử lý [43] Bùn sau quá trình lên men có thể được sử dụng làm phânbón, chất cải tạo đất, sản xuất nhiên liệu đốt, vật liệu xây dựng sẽ đem lại lợi íchkinh tế hơn so với bùn được đem đi chôn lấp.

1.2 Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại

1.2.1 Lượng bùn bể tự hoại

Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trò quantrọng trong thoát nước đô thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các khu vệ sinh (nước đen)của các hộ gia đình, cơ quan, … trước khi xả vào HTTN đô thị Phần lớn các chất ônhiễm của nước thải sinh hoạt chứa trong nước đen, chất hữu cơ, các vi sinh vật gâybệnh và cặn lơ lửng Lượng cặn thải ra theo đầu người thường dao động trongkhoảng 100 ÷ 400 gam trọng lượng ướt/người/ngày, tùy theo tập quán sinh hoạt vàchế độ dinh dưỡng Lượng bùn tích lũy trong bể tự hoại 30 ÷ 40 L/người/năm [1]

Lượng bùn bể tự hoại thải ra môi trường hàng năm với số lượng lớn Một số

đề tài nghiên cứu đã thu thập thông tin về lượng bùn bể tự hoại phát sinh và lượngbùn bể tự hoại được thu gom tại các thành phố lớn như thành phố Hà Nội, thành phố

Hồ Chí Minh và Hải Phòng cho thấy: lượng bùn bể tự hoại được hút tại các hộ giađình chiếm 38% - 67% tổng lượng bùn cần hút và tần suất hút bùn bể tự hoại quá

lâu, trung bình các hộ gia đình từ 4 - 6 năm [2] Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ

thuật (2017) [7] khi xây dựng cơ sở dữ liệu quốc gia về phát sinh, thu gom và xử lýbùn thải tại Việt Nam cho thấy lượng bùn bể tự hoại phát sinh ở các đô thị khánhiều, từ 50.000 m3/năm tới 218.490 m3/năm Tuy nhiên, lượng bùn bể tự hoại thugom ở các đô thị cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình chỉ đạt 32% và khoảng4% lượng bùn bể tự hoại được xử lý [7]

Theo báo cáo của Hà Nội Urenco (2014) [11], tổng lượng phân bùn phát sinh từ

bể tự hoại ở Hà Nội là 500 - 700 tấn/ngày, trong đó khu vực nội thành khoảng 300 tấn/ngày, thu gom xử lý khoảng 10% Số liệu thống kê cho thấy khối lượng bùn bể

tự hoại được hút hiện nay là rất lớn Biện pháp xử lý bùn hiện nay chủ yếu là chônlấp hoặc xả thẳng ra HTTN chung Nếu lượng bùn bể tự hoại này không được xử lý,

xả thẳng ra môi trường sẽ là nguồn ô nhiễm môi trường, là nguồn phát tán các mầmbệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Tuy nhiên, nếu lượng bùn bể tự hoại nàyđược xử lý sẽ cho phép thu hồi một lượng tài nguyên đáng kể là biogas phục vụ sảnxuất điện năng, nhiệt năng hoặc phân bón cho cây trồng Nghiên cứu về thành phần,tính chất của bùn bể tự hoại sẽ làm rõ hơn những giá trị của nguồn tài nguyên này

Bùn được hút ra từ bể tự hoại có thành phần tính chất khác nhau, phụ thuộcvào các yếu tố như loại nước thải, kích cỡ và cấu tạo bể, chế độ dinh dưỡng và sinhhoạt của người sử dụng, chế độ hút bùn, đặc điểm trang thiết bị vệ sinh và dụng cụsinh hoạt trong gia đình,… Tuy nhiên đặc điểm chính của các loại bùn bể tự hoại là

độ ẩm lớn, thành phần dinh dưỡng như chất hữu cơ, ni tơ, phot pho, kali,… cao, cómùi khó chịu và còn nhiều vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới vẫn sử dụng bể tự hoại để xử lý cục bộnước thải Các chỉ tiêu đặc trưng của bùn bể tự hoại ở một số nước trên thế giớiđược thể hiện qua giá trị nhỏ nhất, lớn nhất và trung bình trình bày ở bảng 1.4

Bảng 1.4 cho thấy pH của bùn bể tự hoại ở các nước khác dao động trongkhoảng 7 - 9, giá trị COD thay đổi rất lớn từ 5.000 mg/L đến 32.000 mg/L, TN từ 97mg/L đến 340 mg/L và TP cũng dao động rất lớn từ 155 mg/L đến 1.200 mg/L TạiViệt Nam, kết quả phân tích thành phần, tính chất của 60 mẫu bùn bể tự hoại lấy tạikhu vực Hà Nội trong khuôn khổ dự án PURR năm 2015-2017 giữa IESE, Đại học Xâydựng với EAWAG, Thụy Sỹ cho thấy giá trị của TS dao động rất lớn từ 1.720 mg/Lđến 74.850 mg/L, tỷ lệ VS/TS dao động từ 47,48% đến 87,74%, COD từ 2.833

đã trực tiếp tham gia thực hiện và sử dụng kết quả cho luận án.

Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Phương Thảo (2016) [34] cho thấythành phần, tính chất của bùn bể tự hoại ở Hà Nội năm 2012, giá trị COD dao độngrất lớn từ 15.600 mg/L đến 79.500 mg/L, TN từ 80 mg/L đến 1.689 mg/L và TP dao

20000

10000

1201 1072 1590 340 382 7090

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

(Nguồn: kết quả phân tích thành phần, tính chất bùn bể tự hoại trong khuôn khổ dự án

PURR năm 2105 – 2017 giữa IESE, trường Đại học Xây dựng với EAWAG, Thụy Sỹ,

nghiên cứu sinh đã trực tiếp tham gia thực hiện và sử dụng kết quả cho luận án.)

Hình 1.4 cho thấy, với chu kỳ hút khác nhau, giá trị COD trung bình trong

bùn bể tự hoại vẫn còn cao, COD trong bể có chu kỳ hút từ 10 đến 20 năm là 47.693

mg/L, trong bể có chu kỳ hút đến 10 năm là 30.606 mg/L; tỷ lệ VS/TS của bùn bể tự

hoại có chu kỳ hút đến 5 năm là 70,45%, chu kỳ hút đến 10 năm là 72,61% và chu

kỳ hút đến 20 năm là 71,37% Hàm lượng VS của bùn bể tự hoại vẫn còn cao, tỷ lệ

VS/TS cao và không thay đổi nhiều so với các chu kỳ hút khác nhau (hình 1.5)

Chu kỳ hút T đến 5 năm80.00

24.75 26.5220.00

0.00

18.77 17.77

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

(Nguồn: kết quả phân tích thành phần, tính chất bùn bể tự hoại trong khuôn khổ dự ánPURR năm 2015 – 2017 giữa IESE, trường Đại học Xây dựng với EAWAG, Thụy Sỹ,nghiên cứu sinh đã trực tiếp tham gia thực hiện và sử dụng kết quả cho luận án.)

Nhiều nghiên cứu đã cho thấy chất thải có thành phần hữu cơ cao có thể xử

lý bằng phương pháp sinh học kị khí [22], [18], [61], [91] Bùn bể tự hoại với thànhphần chất hữu cơ cao như trên, có thể áp dụng phương pháp sinh học kị khí để ổnđịnh, phân hủy chất hữu cơ trong phân bùn, đồng thời thu hồi khí CH4 sinh ra Bêncạnh đó, cần lưu ý, bùn bể tự hoại cũng chứa nhiều chất rắn, hàm lượng TN cao, vànhiều vi sinh vật gây bệnh Bùn bể tự hoại chứa 600 – 6.000 trứng giun sán/L,Coliforms 1x 105 CFU/100 mL [83]

1.2.3 Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới, phương pháp xử lý bùn bể tự hoại có thể kết hợp hai hay nhiềuphương pháp xử lý khác nhau phụ thuộc vào điều kiện và mục tiêu xử lý của từngvùng Thông thường việc xử lý bùn bể tự hoại có thể thực hiện theo các phương thức:Sân phơi bùn không trồng cây; Bãi lọc có trồng cây; Ao phơi bùn; Bể lắng/ nén bùn;

Hồ sinh học ổn định bùn; Phân hủy kị khí; Xử lý chung với nước thải tại trạm XLNT;

Ủ kết hợp với rác thải hữu cơ; Đốt; Ổn định bằng hóa chất (vôi); Xử lý chung với bùn từ trạm XLNT

Xử lý bùn bể tự hoại có thể kết hợp hoặc tách riêng với XLNT đang được thựchiện ở các nước như Trung Quốc, Thái Lan, Indonesia, Argentina, Ghana, Benin,Bostwana, Nam Phi Các công nghệ xử lý đã sử dụng gồm có bể lắng bùn hoạt độnggián đoạn, ao ổn định kị khí, kết hợp ủ với rác sinh hoạt hữu cơ, sục khí tăng cườngtiếp theo là ao xử lý cuối cùng Ở Mỹ, đa số bùn bể tự hoại được xử lý cùng vớinước thải trong trạm XLNT

Tại Nhật Bản đã áp dụng hệ thống SAN Tre-Cycling để xử lý và tái chế phânbùn, có thể xử lý các loại bùn hữu cơ tỷ trọng cao bao gồm: phân tươi từ các côngtrình vệ sinh, bùn Jokaso, bùn bể tự hoại, bùn cống, bùn thức ăn công nghiệp, rácnhà bếp, phế thải động vật và bùn từ các trạm XLNT [33]