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) TT

Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thải phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm

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

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Việt Anh

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Ngọc Dung

Phản biện 2: PGS TS Hoàng Thị Thu Hương

Phản biện 3: TS Nguyễn Thu Huyền

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng

Vào hồi …… giờ ……ngày … tháng ……năm

Có thể tìm hiểu thêm luận án tại Thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

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 540.000 m3/ngày năm 2012 tăng lên 46 trạm XLNT tập trung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000 m3/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 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 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 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 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 môi trường 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 Phân hủy kị khí lên men ấm được coi là ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn ở chế

độ lên men nóng Điều kiện khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho xử lý bùn các trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong điều kiện lên men ấm

Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thải phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn 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 tan khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp phân 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

2 Mục đích nghiên cứu

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

đô thị khi xử lý bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (350C), để loại bỏ chất hữu cơ (theo COD, VS) và thu được lượng khí mê tan (CH4) cao nhất

- Đề xuất được công nghệ xử lý bùn của các trạm XLNT đô thị cho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực

Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và

bùn nén) và bùn bể tự hoại từ hộ gia đình

- Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của các

trạm XLNT đô thị trong HTTN chung có sử dụng công nghệ bùn hoạt tính cho khu vực trung tâm Hà Nội 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

4 Phương pháp nghiên cứu

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

vụ nghiên cứu Kế thừa các thành quả nghiên cứu trước đây có liên quan

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các quá trình phân hủy kỵ 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 nghiên cứu thực nghiệm: các thí nghiệm về phân hủy kỵ khí theo

mẻ thực hiện trong phòng thí nghiệm ở chế độ lên men ấm (350C), để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phân hủy 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 của trạm XLNT đô thị

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

- Phương pháp tính toán, phân tích để so sánh các giải pháp 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

5 Cơ sở khoa học

Bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị còn chứa hàm lượng chất hữu cơ

và các chất dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy được bằng phương pháp sinh học kị khí Bùn bể tự hoại có hàm lượng VS từ 3,3 g/L đến 31,6 g/L, hàm lượng COD từ 8,0g/L đến 42,85 g/L, hàm lượng TN từ 0,10 g/L đến 0,34 g/L, hàm lượng

TP từ 0,16g/L đến 1,20 g/L Bùn của trạm XLNT đô thị có hàm lượng VS từ 1,79 g/L đến 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

Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp đã được áp dụng ở nhiều nhà máy XLNT trên thế giới để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học khi kết hợp xử lý hai hay nhiều loại bùn khác nhau Kết quả một số nghiên cứu quá trình ổn định bùn bằng phân hủy kị khí đã sản xuất biogas, làm nguồn nhiên liệu để sản sinh ra năng lượng điện và nhiệt Phân hủy kị khí bùn ở các trạm XLNT và thu khí CH4 thường được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm, với nhiệt độ tối ưu 350C

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

định bùn, 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 lý riêng 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 kết hợp 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 của các trạm XLNT đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng dựa trên kết quả

nghiên cứu thực nghiệm

7 Những đóng góp mới của luận án

- 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 tính theo COD và VS tương ứng là 43,40% và 42,55%, hiệu suất sinh khí CH4 đạt 294,8 NmL/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 năng lượng cho khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sông Hồng, cũng như phương 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

- Ý nghĩa khoa học:

+ 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 khí lên 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

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do bùn thải gây ra như

ô nhiễm 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, làm vật liệu trong xây dựng, v.v

+ Luận án đã chỉ ra được, có thể áp dụng cho các trạm XLNT tại các đô thị trong điều 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, nội dung 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 (25 trang)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học (20 trang)

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân hủy kị khí bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị (26 trang)

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 (34 trang)

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

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

Tại các trạm XLNT với công nghệ bùn hoạt tính, bùn sơ cấp có độ ẩm dao động lớn từ 91% - 99,7%, bùn thứ cấp có độ ẩm 98,8% - 99,6% Hàm lượng chất hữu cơ trong bùn sơ cấp và thứ cấp tương ứng là 56,3 - 80,0% TS và 53,5 - 88,0%

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

so sánh với giới hạn quy định đối với đất nông nghiệp nằm trong ngưỡng cho phép Bùn có thành phần hữu cơ phân hủy được bằng phương 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 quá trình ổn định kị khí

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

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

hộ gia đình 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

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

Trên thế giới 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 kỵ 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

Ở Việt Nam, tại các đô thị, 94% dân số có công trình vệ sinh hộ gia đình Khoảng 90% hộ gia đình sử dụng bể tự hoại và chỉ 4% lượng phân bùn bể tự hoại được xử lý và chôn lấp hợp vệ sinh Công ty Urenco có thu gom và xử lý kết hợp một phần phân bùn bể phốt và rác hữu cơ (ủ phân compost) để sản xuất phân vi sinh Phân bùn bể tự hoại được đưa về xử lý cùng rác thải hữu cơ để làm phân compost (nhà máy chế biến phân hữu cơ Cầu Diễn, Hà Nội, nhà máy Thụy Phương, thành phố Huế,…), xử lý cùng bùn trạm XLNT (trạm XLNT Bình Hưng, thành phố Hồ Chí Minh; trạm XLNT Bãi Cháy, Quảng Ninh;…) hoặc cùng bùn thải HTTN đô thị (khu xử lý bùn thải Tràng Cát, Hải Phòng), tuy nhiên số lượng này không nhiều

Phương pháp xử lý bùn bằng chôn lấp không tận dụng được các nguồn tài nguyên trong bùn mà còn gây quá tải các bãi chôn lấp và gây ô nhiễm môi trường Phương pháp xử lý kị khí, là giải pháp đầy hứa hẹn, không chỉ cho phép xử lý bùn

mà còn tạo ra sản phẩm là biogas, phục vụ cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng Đồng thời, phương pháp này không tốn diện tích, cho phép giảm thiểu thể tích bùn và tiêu diệt các mầm bệnh

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

Trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu nhưng phần lớn là nghiên cứu

xử lý kị khí các loại bùn của trạm XLNT, xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT với rác hữu cơ, phân gia súc, chất thải nông nghiệp, ; nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn bể tự hoại với rác hữu cơ ở cả chế độ lên men ấm và lên nóng Các báo cáo kết quả nghiên cứu về phân hủy kị khí kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT để thu hồi năng lượng khí sinh học còn hạn chế

Ở Việt Nam, phương pháp phân hủy kị khí được nghiên cứu và thực hiện trong khoảng 50 năm qua để xử lý chất thải, thu hồi biogas được thực hiện chủ yếu với quy mô hộ gia đình và hiện nay đã được triển khai ở quy mô lớn hơn tại một số địa phương, sử dụng nguồn thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm: hệ thống XLNT sử dụng phương pháp phân hủy kị khí được áp dụng tại nhà máy sản xuất tinh bột mỳ Sơn Hải, tỉnh Quảng Ngãi để thu biogas phục vụ để đốt lò cấp nhiệt cho sấy sản phẩm; xử lý nước thải thủy sản thu hồi biogas tại nhà máy sản xuất thủy sản Thuận An tại An Giang tạo năng lượng từ biogas; xử lý rác bằng công nghệ kị khí tại An Giang để thu hồi biogas phát điện 1,551 MWh/năm và sản xuất phân bón Bên cạnh đó cũng đã có một số tác giả, nhóm nghiên cứu thực hiện các nghiên cứu về lượng bùn phát sinh, thành phần, tính chất của bùn cặn từ HTTN đô thị và bùn bể tự hoại; các nghiên cứu về đề xuất những giải pháp quản

lý và xử lý bùn cặn HTTN, phân bùn bể tự hoại Các nghiên cứu đã chỉ rõ lượng bùn phát sinh từ XLNT và từ bể tự hoại ngày càng gia tăng với thành phần chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, … trong bùn còn khá cao nên bùn cặn từ XLNT và từ

bể tự hoại cần được thu gom, xử lý trước khi đưa ra môi trường

Một số nghiên cứu cũng đã chỉ ra hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp sinh học kị khí lên men ấm để xử lý bùn của trạm XLNT cũng như xử lý bùn bể

tự hoại phù hợp hơn so với lên men nóng do hệ phân hủy kị khí lên men ấm hoạt động ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn so với hệ phân hủy kị khí lên men nóng mặc dù phân hủy kị khí ở nhiệt độ cao hơn tạo điều kiện cho tốc độ phản ứng nhanh hơn và sinh khí nhanh hơn hệ ưa ấm, nhưng việc duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định cho lên men nóng rất phức tạp Tuy nhiên chưa có nghiên cứu

cụ thể về xử lý kết hợp bùn của trạm XLNT đô thị với bùn bể tự hoại bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để đánh giá hiệu quả sinh khí mê tan, thu hồi năng lượng Do đó luận án sẽ tập trung nghiên cứu xử lý phân hủy kị khí lên men

ấm kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị để đánh giá khả năng sinh khí mê tan từ đó áp dụng tính toán, lựa chọn công nghệ xử lý bùn cho các trạm XLNT đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng

Nhận xét chương 1

Bùn trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại với khối lượng phát sinh lớn, độ

ẩm cao, chứa nhiều chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, và các vi sinh vật gây bệnh Bùn bể tự hoại có hàm lượng chất hữu cơ, ni tơ cao hơn bùn của trạm XLNT đô thị Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp phân hủy kị khí để xử lý bùn của trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại Tuy nhiên

hiện nay bùn trạm XLNT đô thị vẫn chủ yếu là tách nước và chở đi chôn lấp Bùn

bể tự hoại vẫn đang bị buông lỏng trong quản lý và xử lý, phần lớn sau khi hút được đổ thẳng ra sông hồ, kênh mương thoát nước hoặc ra bãi chôn lấp

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra phương pháp phân hủy kị khí lên men

ấm khi xử lý kết hợp với nhiều loại chất thải khác nhau đã mang lại hiệu quả giảm thể tích bùn và thu hồi năng lượng cao Do đó, cần nghiên cứu về phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm xử lý kết hợp bùn của các trạm XLNT đô thị và bùn

bể tự hoại để thu hồi khí sinh học, giảm lượng bùn thải, và với chi phí xử lý chấp nhận được mà luận án sẽ tập trung vào những nghiên cứu này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ,

THU KHÍ SINH HỌC 2.1 Các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong điều kiện kị khí

Quá trình chuyển

hóa chất hữu cơ nhờ

vi sinh vật kị khí

diễn ra qua các bước:

thủy phân, axit hóa,

axetat hóa và mê tan

hóa như hình 2.1

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

Quá trình phân hủy kị khí trong bể phân hủy bị tác động bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, thành phần của nguyên liệu nạp, thời gian lưu thủy lực và thời

gian lưu bùn, khuấy trộn, vv …

2.2.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ cho điều kiện phân hủy tối ưu đối với việc sinh khí CH4 trong các

bể phân hủy kị khí là các khoảng lên men ấm (hệ ưa ấm) ở nhiệt độ từ 200C đến

450C (tối ưu ở 350C) và lên men nóng (hệ ưa nóng) khoảng 450C - 650C (tối ưu ở

550C) Phạm vi dưới 20°C được gọi là ưa lạnh và không thích hợp cho phân hủy

2.2.2 Thời gian lưu thủy lực và thời gian lưu bùn

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

Thời gian lưu thủy lực thường được thực hiện trong khoảng 10 – 30 ngày, HRT tối thiểu khi vận hành ở 350C là 10 ngày Để cổ khuẩn sinh mê tan lớn nhanh cần tối thiểu SRT = 3 - 5 ngày trong điều kiện lên men ấm Ở nhiệt độ phân hủy

350C thì giá trị SRT tối thiểu là 10 ngày để tránh hiện tượng rửa trôi các vi sinh vật, và HRT vượt quá 12 ngày thì sự phân hủy các chất rắn bay hơi là không đáng

kể

2.2.3 pH

Giá trị pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ, quá trình phân hủy kị khí đạt hiệu quả cao ở giá trị pH là 6,5 ÷ 7,5 Theo Bitton (2005), giá trị pH thích hợp cho cổ khuẩn sinh mê tan hoạt động dao động

từ 6,7 đến 7,4 và giá trị pH tối ưu khoảng 7,0 ÷ 7,2 Trong quá trình phân hủy, các quá trình thủy phân và quá trình sinh axit xảy ra ở mức pH có tính axit (pH 5,5 ÷ 6,5) so với giai đoạn sinh mê tan (pH 6,5 ÷ 8,5) Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra khi pH ở giá trị thấp hơn 6,5 hoặc lớn hơn 8,5 sẽ gây cản trở cho sự hoạt động của các cổ khuẩn sinh mê tan và làm giảm lượng khí tạo thành

2.2.4 Thành phần của nguyên liệu nạp vào bể phản ứng

Quá trình phân hủy kị khí xảy ra thuận lợi khi nguyên liệu nạp (hay cơ chất)

có đầy đủ nguồn cacbon, nitơ, photpho và một số nguyên tố vi lượng với tỷ lệ thích hợp Mỗi chủng loại vi sinh vật đều có những nhu cầu về hàm lượng các bon, ni tơ và phốt pho Quá trình phân hủy kị khí có hiệu quả khi tỷ lệ COD:N trong khoảng 350:7 – 1000:7 Nếu tỷ lệ COD:N lớn hơn hoặc nhỏ hơn phạm vi

này, sự phát triển của vi sinh vật của bể phân hủy sẽ bị cản trở Tỷ lệ ni tơ và phốt

pho thích hợp cho quá trình tạo khí trong khoảng 5:1 đến 7:1

là độc tố của quá trình này Một số dẫn xuất của mê tan như CHCl3, CHCl2 và một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn,…), các chất như HCHO, SO2, H2S cũng gây độc cho vi sinh vật kị khí, sulfid được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan hóa ở nồng độ > 200 mg/L Các ion amôni được sử dụng như một nguồn dinh dưỡng ni tơ cho vi sinh vật trong bể phân hủy kị khí Nồng độ amoniac (NH3) > 50mg/L gây độc tố cho cổ khuẩn sinh khí CH4, và có thể được cổ khuẩn sinh khí

CH4 dung nạp nếu cổ khuẩn đã được thích nghi Nếu cổ khuẩn sinh khí CH4 không thể thích nghi được với amoniac, có thể giảm pH của bể hoặc pha loãng thức ăn

để có thể ngăn ngừa độc tính của amoniac

2.3 Các bể phân hủy kị khí bùn

- Bể phân hủy kị khí khô và ướt: Phân hủy kị khí khô có nguyên liệu đầu vào

với độ ẩm dưới 80 – 85% (chất rắn TS trên 15 – 20%); phân hủy kị khí ướt có nguyên liệu đầu vào với độ ẩm > 80 – 85%, TS < 15 – 20%

- Bể phân hủy kị khí hoạt động theo mẻ, liên tục và bán liên tục: Bể hoạt động

theo mẻ, chất thải chỉ được nạp vào 1 lần duy nhất và quá trình phân hủy kị khí diễn ra đến ngừng sinh khí Bể phân hủy hoạt động liên tục, nguyên liệu được nạp

vào liên tục và bùn cũng được lấy ra liên tục trong suốt quá trình xử lý

- Bể phân hủy kị khí trong điều kiện lên men ấm và lên men nóng: Bể phân hủy

kị khí trong điều kiện lên men ấm thường được vận hành ở nhiệt độ trong khoảng

30 – 380C, bể phân hủy kị khí lên men nóng vận hành ở nhiệt độ ưa nhiệt trong khoảng 50 – 570C

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

Phương pháp BMP (Biochemical Methane Potential) được sử dụng để đánh giá khả năng phân hủy kị khí và tiềm năng sinh khí mê tan giữa các cơ chất khác nhau Nguyên tắc cơ bản trong các thí nghiệm BMP là lấy cơ chất trộn với chất cấy phân hủy kị khí trong một bình kín ở nhiệt độ xác định, đo sản lượng khí và thành phần khí sinh ra Các bình phản ứng nên được lặp lại 2-3 lần trong cùng thí nghiệm Các thí nghiệm BMP gồm có mẫu trắng, mẫu đối chứng và mẫu cơ chất thí nghiệm Tỷ lệ giữa chất cấy (vi sinh vật, M) và cơ chất (thức ăn, F) được sử dụng trong các thí nghiệm là F/M=0,5 (tính theo khối lượng VS)

Để đạt được hiệu suất sinh khí tối ưu của thí nghiệm BMP cần duy trì điều kiện môi trường phù hợp cho vi sinh vật và các điều kiện hóa sinh trong quá trình phân hủy kị khí Các thí nghiệm BMP cần phải có (1) môi trường được kiểm soát nhiệt độ, (2) khuấy trộn thích hợp và (3) thời gian phân hủy đủ để phân hủy sinh học các chất

Sản lượng khí sinh học là yếu tố chính để xác định tiềm năng sinh khí CH4

và khả năng phân hủy sinh học của cơ chất Sản lượng khí sinh học được đo bằng phương pháp đo thể tích Thể tích khí CH4 được biểu diễn ở điều kiện nhiệt độ và

áp suất tiêu chuẩn tính cho 1 gVS của cơ chất vào (NmL CH4/gVScơ chất)

2.5 Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn

Năng lượng cho xử lý bùn được dùng cho các mục đích chính như điện năng

sử dụng cho các quá trình vận chuyển bùn bằng bơm, tuần hoàn, trộn bùn với hóa chất, các thiết bị cơ khí trong hệ thống xử lý bùn (để đảo trộn bể phản ứng cơ khí cần 0,005 – 0,008 kW/m3 dung tích bể); nhiệt năng để ổn nhiệt bể mêtan, gia nhiệt cho bùn thô (4.200 J/kg bùn để tăng 10C), sấy bùn đã phân hủy, ủ bùn, v.v… Trong hệ phân hủy kị khí bùn, lượng nhiệt dùng trong quá trình phân hủy được

sử dụng cho các quá trình (1) tăng nhiệt độ của bùn đến mức nhiệt độ của bể phân hủy, (2) bù lại lượng nhiệt bị thất thoát qua thành, nền và mái bể, và (3) lượng nhiệt bị mất đi trên hệ thống đường ống

2.6 Cân bằng năng lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm XLNT

Năng lượng sinh ra từ hệ phân hủy kị khí bùn thải hữu cơ là năng lượng thu được từ hệ đốt biogas dưới dạng tận thu kết hợp nhiệt và điện năng (CHP) Năng lượng (điện năng và nhiệt năng) sinh ra từ CHP của trạm xử lý bùn còn cung cấp điện năng sử dụng cho các quá trình tuần hoàn nước tách từ cô đặc bùn bằng bơm, tuần hoàn hơi nước từ quá trình sấy bùn, các thiết bị cơ khí trong

hệ thống xử lý bùn, …; nhiệt năng còn sử dụng trong quá trình sấy bùn, ủ bùn

Nhận xét chương 2

Bản chất của phương pháp sinh học trong điều kiện kị khí là quá trình phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ của bùn diễn ra trong điều kiện không có ôxi, sản phẩm cuối cùng của quá trình là khí sinh học và sinh khối của vi sinh vật Phương pháp này thích hợp với các loại bùn có độ ẩm cao như bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, pH, tỷ lệ dinh dưỡng C/N, sự có mặt các chất ức chế, loại bể phản ứng, thông số thiết kế

và ứng dụng của các thiết bị, v.v…

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các kết quả nghiên cứu đã có và điều kiện thực tế của Việt Nam, để nghiên cứu thực nghiệm xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị trong quy mô phòng thí nghiệm, luận án chọn nghiên cứu xử lý sinh học kị khí trong điều kiện lên men ấm (350C), phân hủy một bậc (một giai đoạn) và chế độ hoạt động theo mẻ để đánh giá khả năng sinh khí CH4

của bùn xử lý theo phương pháp BMP

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN

BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 3.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm 350C đánh giá khả năng sinh khí mê tan (BMP) của bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị trong HTTN chung Các thí nghiệm được thực hiện gồm có:

- Thí nghiệm BMP1: thí nghiệm đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý riêng các loại bùn của trạm XLNT đô thị gồm bùn sơ cấp (PS), bùn thứ cấp trong trạm XLNT đô thị có bể lắng sơ cấp (WAS1), bùn thứ cấp trong trạm XLNT đô thị không có bể lắng sơ cấp (WAS2), bùn sau bể nén bùn (WAS) và bùn bể tự hoại (FS) để lựa chọn bùn của trạm XLNT đô thị kết hợp với bùn bể tự hoại làm bùn

cơ chất cho thí nghiệm BMP2

- Thí nghiệm BMP2: thí nghiệm đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý phân hủy kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT đô thị với bùn bể tự hoại để xác định các thông số đặc trưng cho quá trình xử lý: thể tích khí CH4 sinh ra NmL/gVSbùn vào, hiệu suất xử lý chất hữu cơ theo VS và COD, tỷ lệ phối trộn hợp lý của bùn bể tự hoại với bùn trạm XLNT đô thị cho hiệu suất sinh khí CH4 cao nhất

3.2 Mô tả thí nghiệm

3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP

Hệ Water Bath được sử dụng làm thí nghiệm BMP cho nghiên cứu này, bao gồm 12 bình phản ứng là các bình tam giác dung tích 500mL đặt ngập trong bồn nước có đế từ duy trì ở nhiệt độ 350C (±0,50C) và một bộ thu, đo thể tích khí mê