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 LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ BÙN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM VÀ PHÂN HỦY YẾM KHÍ BÙN THẢI TỪ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SƠN TRÀ – ĐÀ NẴNG KẾT HỢP THU HỒI BIOGAS Tóm tắt - Mục đích của nghiên cứu này l

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Đà Nẵng – Năm 2019

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

NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ BÙN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

VÀ PHÂN HỦY YẾM KHÍ BÙN THẢI TỪ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI

SƠN TRÀ – ĐÀ NẴNG KẾT HỢP THU HỒI BIOGAS

Tóm tắt - Mục đích của nghiên cứu này là xác định thành phần, tính chất và lượng bùn phát

sinh từ quá trình xử lý nước thải của trạm xử lý (TXL) Sơn Trà; Và xác định khả năng phân hủy của bùn; khảo sát ảnh hưởng siêu âm đến độ hòa tan chất hữu cơ trong bùn, hiệu suất phân hủy và lượng biogas thu được từ quá trình phân hủy yếm khí; làm cơ sở cho đề xuất giải pháp xử lý bùn tại nhà máy Kết quả nghiên cứu cho thấy: bùn bể nén bùn của TXL Sơn Trà chứa lượng lớn chất hữu cơ (CHC) dễ phân hủy sinh học, tỷ lệ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (C:N:P) phù hợp cho quá trình xử lý bằng phương pháp phân hủy yếm khí Thực hiện siêu âm tiền xử lý bùn với mức năng lượng S E = 3.282 kJ/kg TS tại tần số 26 kHz và phân hủy yếm khí ở chế độ lên men ấm 35 o C cho thấy: Sản lượng khí sinh ra là 0,27 lít/g CHC, cao hơn bùn đối chứng là 0,22 lít/g CHC Ở chế độ vận hành liên tục: tải trọng 0,9 gCHC/lít.ngày hiệu suất phân hủy CHC là 35,18%, sản lượng khí thu được 306 ml/g CHC Thành phần CH4 trong biogas thu được từ 58-70,3 % Áp dụng công nghệ tiền xử lý bùn bằng siêu âm kết hợp với phân hủy yếm khí bùn thải của các TXLNT đô thị tại Đà Nẵng là

cần thiết hướng đến thu hồi tài nguyên và giảm phát thải khí nhà kính trong tương lai

Từ khóa – Bùn thải, Phân hủy yếm khí, Tiền xử lý bùn, siêu âm, khí sinh học

STUDY OF ULTRASONIC PRETREATMENT ON SLUDGE FROM SON TRA MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PLANTS, ANAEROBIC

DISGESTION AND BIOGAS RECOVERY

Abstract - The purpose of this study is to determine the composition, properties and amount

of sludge from Son Tra municipal wastewater treatment plant (MWTPs); And determine the decomposition ability of sludge; effects of ultrasonic pre-treatment on solubilisation of sludge; as a basis for proposing solutions for sludge treatment at the factory Research results show that: waste sludge from Son Tra MWTPs has high concentration of organic matter and nutrients The experimental conditions were fixed at specific ultrasonic energy (SE) of 3.282 kJ/kgTS, anaerobic sequencing batch reactor in warm fermentation mode of 35 o C showed that biogas yield of 0,27 l/gram(Organic matter), control sample of 0,22l/gram(Organic matter) The parameter of optimal continuous process is at load of 0,9 g(Organic matter)/l.day with biogas yield of 0,306l/gram(Organic matter) and CH 4 of 58-70,3% Treating sludge from Son Tra MWTPs by ultrasonic pre-treatment with the anaerobic process is necessary in the future to recover resources and reduce greenhouse gas emissions

in the future

Keywords - Sludge, Anaerobic, Pretreatment on sludge, Ultrasonic, biogas

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận văn 4

Chương 1 - TỔNG QUAN 5

1.1 Bùn thải 5

1.1.1 Khái niệm, nguồn gốc phát sinh 5

1.1.2 Đặc điểm và tính chất [12,13] 5

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn [15] 6

1.2 Hiện trạng quản lý, xử lý bùn thải tại việt nam [14] 10

1.2.1 Hiện trạng phát sinh 10

1.2.1 Thu gom và xử lý 10

1.2.3 Quản lý nhà nước về bùn thải từ HTTN và các công trình vệ sinh [2] 11

1.2.4 Hiện trang quản lý và xử lý bùn thải tại Đà Nẵng [16] 12

1.3 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam và trên thế giới 13

1.3.1 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam 13

1.3.2 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn trên thế giới 15

1.4 Tổng quan về siêu âm 16

1.4.1 Khái niệm sóng siêu âm [17] 16

1.2.2 Tổng quan thiết bị siêu âm [17] 18

1.4.3 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm [17] 19

1.5 Tổng quan về tiền xử lý bùn 20

1.5.1 Tình hình nghiên cứu về tiền xử lý bùn tại Việt Nam 22

1.5.2 Tổng quan về tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm 23

1.6 Tổng quan về khí sinh học 24

1.6.1 Biogas và quá trình sản xuất Biogas 24

1.6.2 Cơ sở sinh học của quá trình lên men tạo khí sinh học [6] 25

1.7 Tổng quan trạm xử lý nước thải sơn trà 26

1.7.1 Trạn xử lý nước thải Sơn Trà - Đà Nẵng [8] 26

1.7.2 Quy mô công suất, công nghệ xử lý [8] 26

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 31

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 31

2.2 Nội dung nghiên cứu 31

2.2.1 Nội dung 1: Khảo sát hiện trạng phát sinh, quản lý và tính chất thành phần bùn thải của TXLNT Sơn Trà 31

2.2.2 Nội dung 2: Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn 32

2.2.3 Nội dung 3: Xác định thông số của quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm 33

2.2.4 Nội dung 4: Xác định hiệu suất phân hủy bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm 34

2.2.5 Nội dung 5 Xác định hiệu suất phân hủy bùn sau quá trình tiền xử lý bằng siêu âm ở chế độ liên tục 36

2.3 Phương pháp nghiên cứu 38

2.3.1 Phương pháp thống kê 38

2.3.2 Phương pháp quan trắc và phân tích 38

2.3.3 Phương pháp mô hình 40

2.3.4 Phương pháp tính toán, xử lý số liệu và đánh giá kết quả 40

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Thực trạng phát sinh, xử lý và tính chất, thành phần bùn thải trạm xử lý nước thải Sơn Trà 42

3.1.1 Thực trạng phát sinh và xử lý bùn tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà 42

3.1.2 Thành phần và tính chất bùn phát sinh tại trạm xử lý Sơn Trà 48

3.2 Xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn 49

3.3 Xác định ảnh hưởng của tiền xử lý siêu âm đến khả năng hòa tan bùn ở tần số 26 kHz 52

3.4 Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn sau siêu âm ở chế độ gián đoạn (lên men ấm) 56

3.5 Xác định thông số tốc độ phân hủy bùn sau siêu âm ở chế độ liên tục 59

3.6 Đề xuất phương án công nghệ xử lý bùn phát sinh tại trạm xử lý Sơn Trà 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Kết luận 69

2 Kiến nghị 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTNMT - Bộ Tài nguyên & Môi trường

CH4 - Khí mêtan

CHC - Chất hữu cơ

CO2 - Khí cacbonic (Carbon dioxit)

COD - Nhu cầu ôxi hoá học

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1

Lượng bùn cặn phát sinh từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và

bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước tại đô thị trên cả nước

3.3 Tỷ lệ bùn kỵ khí: bùn thí nghiệm và tải trọng thể tích trong mô

hình xác định khả năng phân hủy của bùn ở chế độ lên men ấm 50 3.4 Kết quả phân tích bùn trước và sau khi kết thúc thí nghiệm 50

3.5 Thông số thực nghiệm và sản lượng khí sinh ra trên gam chất hữu

3.6 Tính chất thành phần bùn trước khi tiền xử lý bằng siêu âm 53

3.7 Thông số thực nghiệm, sản lượng khí của quá trình phân hủy yếm

khí bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm và đối chứng 58 3.8 Thông số vận hành mô hình phân hủy yếm khí liên tục 59

3.9 Kết quả phân tích bùn đầu vào và đầu ra mô hình phân hủy vận

3.10 Kết quả phân tích các thông số của nước ra khỏi mô hình 60

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Sơ đồ phát sinh bùn thải từ hệ thống thu gom và xử lý nước thải 5

1.3 Máy tách nước bùn bằng phương pháp chân không 7

1.8 Trạng thái của sóng siêu âm McClements (1995) 17 1.9 Biểu đồ thể hiện khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm 18 1.10 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ bọt khí 20

1.11 Số lượng các bài báo gia tăng trong những năm gần đây về lĩnh

vực nghiên cứu tiền xử lý bùn để phân hủy bùn yếm khí 21 1.12 Các kỹ thuật tiền xử lý bùn thải tương ứng với các loại bùn 22 1.13 Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan 25 1.14 Sơ đồ dây chuyền công nghệ Trạm xử lý nước thải Sơn Trà 27 2.1 Khảo sát, lấy mẫu bùn tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà 31

2.2 Mô hình thí nghiệm xác định khả năng phân hủy yếm khí của

2.3 Vận hành mô hình xác định khả năng phân hủy yếm khí của bùn 33 2.4 Thiết bị siêu âm tiền xử lý bùn tại tần số 26kHz 33 2.5 Mô hình tiền xử lý bằng máy siêu âm và vận hành mô hình 34

2.7 Vận hành mô hình thiết bị phân hủy yếm khí AF-10-2 35 2.8 Bản vẽ thiết kế mô hình phân hủy yếm khí 150 lít 36 2.9 Mô hình phân hủy yếm khí 150 lít và vận hành mô hình 37

3.1 Biểu đồ lưu lượng nước trung bình đầu vào TXL Sơn Trà 43

3.6 Tổng lượng khí sinh ra ở các mô hình phân hủy bùn 1000 ml 50

3.7 Ảnh hưởng của mức năng lượng siêu âm lên sự biến thiên nồng

3.8 Mẫu bùn trước và sau siêu âm ở thời gian 120 phút 54 3.9 Mối liên hệ giữa thời gian siêu âm và hàm lượng TS 55

3.10 Ảnh chụp SEM mẫu bùn trước siêu âm (a), bùn siêu âm 30 phút

(b), bùn siêu âm 60 phút (c), bùn siêu âm 120 phút (d) 56

3.11

Tổng lượng khí thu được tại mô hình phân hủy bùn tiền xử lý

bằng siêu âm (ở tần số 26 kHz, mức năng lượng SE=3.282 kJ/kg

TS) và mô hình đối chứng

57

3.12 Sự khác biệt giữa lượng khí sinh ra tại mô hình AF-10-2 (ngày

3.13 Thành phần CH4 trong khí biogas thu được: (a) mô hình bùn tiền

xử lý siêu âm với SE = 3.282 kJ/kg TS, (b) mô hình đối chứng 59

3.14 Bùn trước siêu âm (a), bùn sau siêu âm (b), bùn đầu ra (c), nước

3.15 Hiệu suất phân hủy chất hữu cơ theo tải trọng 62 3.16 Lượng khí thu được theo tải trọng vận hành 62 3.17 Sản lượng khí biogas thu được tính trên đơn vị 63 3.18 Thu biogas sinh ra tại mô hình vận hành liên tục 64 3.19 Thành phần CH4 trong biogas thu được trong thời gian vận hành 64

3.20 Đốt kiểm nghiệm sự cháy của biogas thu được từ quá trình vận

3.21 Sơ đồ quy trình phương án xử lý bùn tại TXL Sơn Trà 66

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Đà Nẵng là trung tâm kinh tế, khoa học, giáo dục và công nghệ của khu vực Miền Trung - Tây Nguyên, là đô thị loại 1 trực thuộc Trung ương Trong những năm qua Thành phố đã có bước phát triển vượt bậc về tăng trưởng kinh tế và xây dựng đô thị để trở thành một trong những đô thị hiện đại nhất ở Việt Nam Đi kèm với sự phát triển kinh tế xã hội, mở rộng không gian đô thị của thành phố là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nước thải sinh hoạt [1] Việc xây dựng các trạm

xử lý nước thải là điều kiện bắt buộc đối với thành phố để đảm bảo nước thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn cho phép Tuy nhiên, càng nhiều các trạm xử lý nước thải được xây dựng và hoạt động thì lượng bùn thải hữu cơ thải ra từ các trạm này càng nhiều, việc xử lý lượng lớn bùn thải mỗi năm lại là yêu cầu rất cấp thiết

Bùn thải đang sản sinh với khối lượng lớn trong các quá trình xử lý nước thải (XLNT) bằng phương phương sinh học Ngành XLNT đang phải đối mặt với những vấn đề hạn chế chưa từng thấy về kinh tế và môi trường, do không chỉ ngày càng phải tuân thủ nghiêm ngặt về những quy định xả thải, mà còn phải đối mặt với một lượng lớn bùn thải sinh ra hàng ngày từ quá trình xử lý [2] Và Trạm xử lý nước thải Sơn Trà – Đà Nẵng là một trong số đó

Bùn cặn phát sinh từ các quá trình xử lý nước thải có độ ẩm cao, chứa nhiều chất hữu cơ có thể phân hủy được bằng phương pháp sinh học Ở Việt Nam, Bùn thải chủ yếu được xử lý bằng ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một lượng nhỏ được làm phân bón Việc đổ bỏ, chôn lấp bùn thải đã đang gây ô nhiễm môi trường, lãng phí tài nguyên môi trường Trước những thách thức ngày càng gia tăng về nhu cầu năng lượng, nguồn dinh dưỡng cho nông nghiệp và ô nhiễm môi trường, hướng tiếp cận xử lý bùn giàu hữu cơ bằng phương pháp phân hủy kỵ khí để thu hồi khí sinh học sản xuất điện năng, nhiệt năng và tận thu các chất có ích khác ngày càng phổ biến trên thế giới Hướng đi này cần thiết được xem xét, cân nhắc khi ngày càng có nhiều

dự án thoát nước và xử lý nước thải được thực hiện ở Việt Nam [3]

Theo “Kế hoạch hành động quốc gia thực hiện Chương trình nghị sự 2030 vì sự phát triển bền vững” của Thủ tướng Chính phủ ký ban hành ngày 10/05/2017 sẽ tăng

tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng năng lượng tiêu thụ năng lượng sơ cấp của quốc gia đạt 31% vào năm 2020, và 32,3% vào năm 2030 (mục tiêu 7.2 ) [4] Tại Đà Nẵng, chính sách khuyến khích hình thành và phát triển công nghiệp tái chế chất thải để tái

sử dụng, phấn đấu 50% chất thải thu gom được tái chế là một những mục tiêu thực hiện đề án "Xây dựng Đà Nẵng - thành phố môi trường" [5] Chính vì vây, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (biogas) có tiềm năng rất lớn và được xem là một trong

những nguồn năng lượng sạch; đang được nhà nước và chính quyền địa phương khuyến khích đầu tư khai thác, sử dụng

Trong lĩnh vực xử lý bùn thải, Giai đoạn tiền xử lý là giai đoạn rất quan trọng, liên quan chặt chẽ đến hiệu suất phân hủy, hiệu suất tạo biogas và thời gian lưu của toàn bộ quá trình Quá trình phân hủy yếm khí liên quan tới hàng loạt các bước như thủy phân, lên men axít, hình thành axít và mêtan Rất nhiều nhà nghiên cứu đều cho rằng quá trình thủy phân là một bước hạn chế trong phân hủy bùn yếm khí bởi vì cấu trúc phức tạp của bông bùn (như các hợp chất màng tế bào, polymer) và thành phần rắn của thành tế bào, dẫn đến cần kéo dài thời gian xử lý, phần chất rắn hữu cơ dễ phân hủy thấp và hiệu suất hình thành tạo biogas không như kỳ vọng Để gia tăng tốc

độ thủy phân và nâng cao sản lượng biogas ở công đoạn sau, rất nhiều lựa chọn cho quá trình tiền xử lý bùn như cơ học, nhiệt, hóa học, sinh học [6],[7]

Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất đề tài: “Nghiên cứu tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm và phân hủy yếm khí bùn thải từ trạm xử lý nước thải Sơn Trà –

Đà Nẵng kết hợp thu hồi Biogas” nhằm xác định các thông số của quá trình phân

hủy yếm khí bùn sau tiền xử lý bằng siêu âm, hiệu quả thu hồi biogas; làm cơ sở cho các giải pháp xử lý bùn thải tại trạm xử lý nước thải Sơn Trà

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Hoàn thiện quá trình phân hủy yếm khí bùn kết hợp tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm tại trạm XLNT Sơn Trà; Các thông số của quá trình: khả năng phân hủy; thời gian lưu; hiệu suất phân hủy chất hữu cơ; sản lượng CH4 thu được

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

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

- Mô hình tiền xử lý bùn bằng siêu âm;

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

b) Phạm vi nghiên cứu

- Bùn sau bể nén bùn của trạm xử lý nước thải Sơn Trà - Đà Nẵng;

- Các thông số của quá trình công nghệ tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm: mức năng lượng siêu âm; Sự thay đổi thông số (SCOD) và Hiệu suất sinh biogas sau quá trình tiền xử lý bùn bằng siêu âm;

- Các thông số của quá trình phân hủy yếm khí bùn thải sau tiền xử lý bằng phương pháp siêu âm: tốc độ phân hủy bùn; hiệu suất phân hủy chất hữu cơ; sản lượng

CH4 thu được

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê, thu thập thông tin: thu thập các thông tin tư liệu liên quan đến nội dung của đề tài: hiện trạng phát sinh, quản lý và xử lý bùn thải tại Việt Nam và Đà Nẵng; Hiện trạng phát sinh và quản lý bùn tại Trạm XLNT Sơn Trà;…

- Phương pháp quan trắc và phân tích: khảo sát và lấy mẫu bùn tại Trạm XLNT Sơn Trà, phân tích mẫu bùn trong phòng thí nghiệm

- Phương pháp mô hình: Xây dựng mô hình tại phòng thí nghiệm và mô hình vận hành liên tục để xác định các thông số quá trình sinh hóa yếm khí; quá trình tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm;

- Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu đo đạc thực nghiệm được thống kê, tính toán, trình bày trong các Bảng biểu và vẽ đồ thị bằng phần mềm Microsoft Excel Toàn bộ kết quả thực nghiệm đều được lấy giá trị trung bình và có độ lặp lại 3 lần

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

Số liệu và kết quả có được có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu và là

cơ sở tính toán, thiết kế các công trình liên quan đến xử lý bùn thải tại các trạm XLNT

đô thị

b) Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả đề tài là cơ sở thiết thực hỗ trợ cho việc tính toán, thiết kế và vận hành HTXL bùn tại trạm XLNT Sơn Trà đạt hiệu quả cao, thu hồi khí sinh học, giảm thiểu tác động đến môi trường

- Góp phần giải quyết được vấn đề thực tế ở Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung trong xử lý bùn phát sinh từ các trạm xử lý nước thải đô thị

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn có cấu trúc như sau:

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Bùn thải

1.1.1 Khái niệm, nguồn gốc phát sinh

Bùn thải là bùn hữu cơ hoặc vô cơ được nạo vét, thu gom từ các bể tự hoại, mạng lưới thu gom và chuyển tải, hồ điều hòa, kênh mương, cửa thu, giếng thu nước mưa, trạm bơm nước mưa, nước thải, cửa xả và nhà máy xử lý nước thải [11]

Được quy định rõ tại Điều 25 Nghị định số 80/2014/NĐ-CP ngày 6/8/2014 của Chính phủ về thoát nước và xử lý nước thải Theo đó, bùn thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh, mức độ ô nhiễm và theo ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải

- Theo nguồn gốc bùn thải: Bùn thải từ hệ thống thoát nước (mạng lưới thoát nước và nhà máy xử lý nước thải) và bùn thải từ bể tự hoại

- Theo mức độ ô nhiễm của từng loại bùn thải;

- Theo ngưỡng nguy hại với bùn thải từ quá trình xử lý nước: Bùn thải nguy hại

và bùn thải không nguy hại (QCVN 50:2013/BTNMT)

Hình 1.1: Sơ đồ phát sinh bùn thải từ hệ thống thu gom và xử lý nước thải

1.1.2 Đặc điểm và tính chất [12,13]

Thành phần của các loại bùn thải rất khác nhau, bùn thải từ mạng lưới thoát nước

và bùn nạo vét kênh rạch chứa chủ yếu là cát và đất trong khi bùn thải từ các trạm/ nhà máy XLNT và từ bể tự hoại chứa chủ yếu là các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, có các vi khuẩn có thể gây độc cho môi trường vì thế cần có biện pháp xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận [14]

Thành phần, tính chất hóa lý của bùn cặn phát sinh từ nhà máy xử lý nước thải phụ thuộc vào nước thải ban đầu và phương pháp xử lý nước thải:

Cống thoát nước thành phố

Giếng tách nước thải

Kênh

hồ

Trạm Xử lý nước thải

Bùn bể phốt

Rác, Bùn nạo vét từ cống thoát nước

Rác, Bùn từ kênh hồ

Bùn, cặn thải

- Cặn và rác giữ lại ở song chắn rác có kích thước lớn với số lượng thay đổi tùy thuộc vào hiệu quả quản lý mạng lưới thu gom và vận chuyển Cặn rác có độ ẩm 85 –

95 %, chứa 50 – 80 % chất hữu cơ, có mùi hôi thối, có khả năng phân hủy

- Cát và cặn nặng kích thước lớn hơn 0,2mm có tỉ trọng cặn khô 2,65, độ ẩm cặn khi đã ráo hết nước 14 – 35%, chứa 30 – 50 % chất hữu cơ

- Cặn tươi: hình thành từ công trình lắng I, có mùi khó chịu, nguy hiểm về phương diện vệ sinh vì chứa nhiều trứng giun sán, do đó hạn chế việc sử dụng Song nếu chúng được xử lý trong các bể phản ứng phân hủy thì sẽ làm mất mùi, dễ làm khô, đảm bảo vệ sinh và bảo tồn được các thành phần phân bón rất có lợi cho cây trồng Thành phần chủ yếu: 80 – 85% hydratcacbon, các chất béo và protein, còn 15 – 20% là lignin phức chất đất mùn Độ ẩm cặn 92 – 98%

- Bùn sinh học: hình thành từ quá trình xử lý bậc II (quá trình sinh học), được giữ lại ở bể lắng II, thường ở dạng huyền phù chứa keo bông vô định hình, gồm các vi sinh vật hiếu khí và những chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải Bùn hoạt tính sau aerotank có độ ẩm cao 99,2 – 99,7%, màng sinh vật sau biofill có độ ẩm 96 – 96,5%

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn [15]

Để xử lý, loại bỏ các loại cặn thường sử dụng các quá trình sinh hoá yếm khí như

bể tự hoại, bể lắng hai vỏ và bể lên men mêtan Bể lắng hai vỏ, bể mêtan có hai chức năng chính là tách các chất không tan ở dạng lắng và lên men cặn lắng Để loại bỏ nước, giảm thể tích thường sử dụng các công trình như: bể nén cặn, sân phơi bùn, máy

ép bùn cặn

a) Mục tiêu của xử lý bùn

Giảm khối lượng của hỗn hợp bùn bằng cách tách một phần hay phần lớn lượng nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình xử lý và giảm thể tích cặn phải vận chuyền tới nơi tiếp nhận

Phân hủy các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các chất hữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ để dễ dàng tách nước và không gây tác động xấu đến môi trường nơi tiếp nhận Các phương pháp xử lý: làm khô và phân hủy kỵ khí

b) Phương pháp làm khô bùn

Làm khô cặn trên sân phơi bùn: Sân phơi bùn là một công trình có mặt bằng hình

chữ nhật dễ thấm nước, xung quanh xây bờ chắn Sau khi đã làm khô ở sân phơi bùn, cặn có độ ẩm đạt dưới 75 %, thể tích giảm xuống 2 - 5 lần

Công dụng của sân phơi bùn là giảm thể tích và khối lượng của cặn để sử dụng làm phân bón Ưu điểm của sân phơi bùn là tiết kiệm năng lượng do quá trình làm khô bùn bằng quá trình thấm và bốc hơi tự nhiên, chi phí đầu tư và vận hành thấp, tuy nhiên sân phơi bùn không thuận lợi ở những vùng ít nắng, mưa nhiều, vì thế người ta thường xây dựng sân phơi bùn có mái che bằng kính, nền bằng atphan bêtông

Hình 1.2: Cấu tạo sân phân phơi bùn

Ở Việt Nam có nhiệt đô cao, nhưng lại có mưa nhiều và độ ẩm lớn, do đó việc sử dụng sân phơi bùn trên nền đất tự nhiên cũng gặp khó khăn Ở nước ngoài đối với những vùng mưa nhiều, người ta thường xây dựng các sân phơi bùn có mái che bằng kính (tải trọng lên tới 10 m3/m2.năm) hoặc các sân phơi trên nền atphan betong (tải trọng đến 4 - 5 m3/m2.năm

Làm khô bằng lọc chân không: Thiết bị lọc chân không là một khung trụ quay

bằng thép đặt nằm ngang, bên ngoài bọc tấm vải thô thấm lọc Trụ quay đặt ngập trong thùng chứa cặn khoảng 1/3 đường kính Khi trụ quay và máy bơm chân không làm việc cặn bị ép vào vải lọc với lớp dày khoảng 10 – 12cm Khi mặt tiếp xúc với cặn ra khỏi phần ngập thì dưới tác động của chân không nước được rút ra khỏi cặn Nhờ bản dao đặc biệt gần ở khung sườn ngoài sẽ cạo sạch lớp cặn ra khỏi bề mặt vải lọc

Phương pháp này có ưu điểm giảm được độ ẩm cặn tới 78 – 80%, áp dụng tốt cho các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ Tuy nhiên dây chuyền công nghệ phức tạp

vì cần nhiều công trình; công tác chuẩn bị cặn phức tạp do phải dùng hóa chất rửa cặn; hóa chất đắt tiền và điều chế định lượng khó khăn

Hình 1.3: Máy tách nước bùn bằng phương pháp chân không

Làm khô cặn bằng quay ly tâm: Đây là phương pháp dùng thiết bị quay ly tâm

trục ngang, có thiết bị xả cặn xoắn ốc Dưới tác động của lực ly tâm các phần rắn của cặn và đập vào thành tường của roto và được dồn lăn tới khe hở, đổ ra thùng chứa bên ngoài Nước bùn chảy qua khe hở của phía đối diện Hiệu suất giữa pha rắn và độ ẩm của cặn phụ thuộc vào đặc tính của cặn ban đầu

Hình 1.4: Máy tách nước bùn bằng phương pháp ly tâm

Nhược điểm của thiết bị là nước bùn sau làm khô có nồng độ chất hữu cơ cao và phải tiếp tục xử lý; công suất giới hạn 13 m3/h, thích hợp với trạm xử lý công suất nhỏ hơn 40.000 m3/ngày

Làm khô cặn bằng lọc ép: Là phương pháp được sử dụng rộng rãi hơn cả bởi tính

đơn giản và hiệu quả của nó, đặc biệt là máy lọc ép bằng băng tải

Nồng độ cặn sau khi làm khô trên máy lọc ép băng tải đạt được từ 15 – 25% Máy thường có chiều rộng băng từ 0,5 – 3,5 m

Tải trọng trên 1m rộng của băng tải từ 90 – 680 kg/m.giây tùy thuộc vào loại cặn

và loại máy Lượng nước được lọc qua băng từ 1,6 – 6,3 l/m.giây

Ưu điểm của máy lọc ép băng tải là bởi tính đơn giản và hiệu quả sau lọc, độ ẩm cặn tới 70 - 75%, tuy nhiên nhược điểm của thiết bị là chi phí đầu từ ban đầu cao; khó khăn cho công nhân trong vận hành, đặc biệt khâu lấy cặn

Hình 1.5: Máy ép bùn băng tải

c) Phương pháp phân hủy kỵ khí

- Bể lắng 2 vỏ: Diện tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn, không thuận

lợi tại những nơi mực nước ngầm cao, đất xấu Quá trình phân hủy cặn diễn ra trong điều kiện tự nhiên, nên chậm và không kiểm soát được

Bể lắng 2 vỏ thường được sử dụng trên những trạm xử lý nước thải công suất nhỏ

và trung bình (q < 10000 m3/ngày) Khuyết điểm chính của bể lắng 2 vỏ là dung tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn nên không thể xây dựng tại những nơi mực nước ngầm cao và đất xấu Mặt khác quá trình lên men của cặn diễn ra trong điều kiện

tự nhiên, nên chậm chạp và không kiểm soát được Vì vậy trong nhiều trường hợp cần thiết phải xây dựng bể mêtan

- Bể mêtan: Là kết quả của quá trình phát triển công nghệ xử lý cặn lắng, đó là

công trình thường có mặt bằng hình tròn hay hình chữ nhật, đáy hình nón hay hình chóp đa giác và có nắp đậy kín Ở trên cùng của nắp đậy làm chóp mũ để thu hơi khí Cặn trong bể mêtan được khuấy trộn đều và được sấy nóng nhờ những thiết bị đặc biệt Căn cứ vào nhiệt độ của quá trình phân hủy chất hữu cơ mà người ta phân biệt thành quá trình lên men ấm (10 - 43 0C) và quá trình lên men nóng (>43 0C) Trên các công trình xử lý hiện nay người ta thường cho lên men hỗn hợp cặn tươi với bùn hoạt tính dư Sự khoáng hóa trong quá trình lên men có quan hệ mật thiết với các sản phẩm phân hủy tách thành hơi khí và nước bùn

Hiệu suất công tác của bể mêtan được đánh giá theo giá trị phân hủy các chất mà đặc trưng hoặc là mức độ tách hơi khí Pr (%) hoặc là độ hao hụt các chất không tro (hữu cơ) Pkt (%) Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình phân hủy các chất hữu

cơ là sức tải cặn Sức tải cặn tính theo thể tích và theo các chất không tro

Hình 1.6: Bể metan

Đối với những bể mêtan có dung tích đến 1000 m3

thì việc khuấy trộn ở trong bể thực hiện bằng máy bơm cặn Bể có dung tích 1000 - 4000 m3

máy thủy lực và đối với những bể lớn hơn 4000m3

dùng thiết bị khuấy chân vịt Công suất của thiết bị khuấy trộn tính với thời gian 5 -10 giờ

Đối với công nghệ kỵ khí trong phân hủy bùn cặn có nhiều ưu điểm như: Chi phí đầu tư thấp; ít tốn kém năng lượng khi vận hành vì chỉ cần năng lượng khi xáo trộn; lượng hóa chất bổ sung vào quá trình không có; bùn kỵ khí có thể phục hồi hoạt động sau một thời gian; sản phẩm cuối cùng là khí sinh học có thể tận dụng thu hồi Tuy nhiên hạn chế của công nghệ này đó là: Thời gian khởi động lâu; sinh ra mùi hôi khó chịu; không giải quyết được nito, photpho; nhạy cảm với cơ chất độc

1.2 Hiện trạng quản lý, xử lý bùn thải tại việt nam [14]

1.2.1 Hiện trạng phát sinh

Hiện nay, chưa có số liệu thống kê đầy đủ về phát sinh bùn thải trên phạm vi cả nước, các số liệu về bùn thải thường tập trung liên quan đến bùn thải từ bể tự hoại và bùn thải từ hệ thống thoát nước tại các đô thị

Khối lượng bùn thải được dự báo ngày càng gia tăng cùng với mức tăng dân số và các nhu cầu sinh hoạt của người dân.Hệ số phát sinh bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) tại đô thị là 0,04 - 0,07m3/người.năm (QCVN 07:2016/BXD) Chỉ số phát sinh bùn cặn từ hệ thống thoát nước tại các đô thị khoảng 0,146 - 0,365m3/người.năm

Bảng 1.1: Lượng bùn cặn phát sinh từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và bùn cặn phát

sinh từ hệ thống thoát nước tại đô thị trên cả nước giai đoạn 2013 - 2016

từ bể tự hoại (m 3 /năm)

Lượng bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước (m 3 /năm)

có năng suất thấp, không an toàn và gây nguy hại đến sức khỏe công nhân thoát nước Phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng tại các trạm XLNT đô thị Việt Nam là khử nước và chở đi chôn lấp Một số ít trạm xử lý có sản xuất phân vi sinh từ bùn sau

khi làm khô và ổn định bùn bằng sân phơi bùn (trạm XLNT Đà Lạt), sản xuất phân vi sinh sau khi làm khô bùn cơ học (trạm XLNT Bình Hưng, Tp.Hồ Chí Minh) Đầu ra của sản phẩm phân vi sinh và ô nhiễm không khí do mùi là các vấn đề nan giải của giải pháp này

Hình 1.7: Xe hút bùn bể phốt

Hiện nay pháp luật đã điều chỉnh và quy định tại nghị định số 80/2014/NĐ- CP

Cụ thể, theo điều 25 quy định như sau: “Căn cứ để lựa chọn công nghệ xử lý bùn thải:

Xử lý tập trung, phân tán hoặc tại chỗ; Khối lượng bùn phát sinh; Các đặc tính của bùn; Sự ổn định của công nghệ xử lý; Các yêu cầu về bảo vệ môi trường, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật; Khuyến khích áp dụng công nghệ tái sử dụng bùn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng, thu hồi nhiệt”

1.2.3 Quản lý nhà nước về bùn thải từ HTTN và các công trình vệ sinh [2]

Ở Việt Nam, các vấn đề liên quan đến bùn thải đã được quy định cụ thể trong Luật Bảo vệ môi trường và một số văn bản quy phạm pháp luật liên quan Trong thời gian qua, một số văn bản quy phạm pháp luật đã được ban hành như Luật BVMT 2014

có hiệu lực từ 1/1/2015; các tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trường bao gồm: QCVN 07: 2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCKTQG) về ngưỡng chất thải nguy hại, trong đó có những quy định được áp dụng với bùn thải; QCVN 50:2013/BTNMT - QCKTQG về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước; TCVN 5298 - 1995: Các yêu cầu chung đối với việc sử dụng nước thải và bùn lắng của chúng để tưới

thải…); Các cơ chế, chính sách ưu đãi, hỗ trợ ; Các chỉ tiêu và các định mức kinh tế,

kỹ thuật cho thu gom, vận chuyển, xử lý bùn thải; Đầu tư, tài chính (giá xử lý, chi phí quản lý, khai thác, vận hành…)

1.2.4 Hiện trang quản lý và xử lý bùn thải tại Đà Nẵng [16]

a) Phân bùn bể phốt

Theo số liệu tổng hợp từ Công ty CP MTĐT Đà Nẵng, tổng khối lượng phân bùn

bể phốt được thu gom và xử lý qua các năm từ 2007 đến 2014 được tổng hợp và thể hiện tại Bảng 1.2

Bảng 1.2: Khối lượng bùn bể phốt phát sinh và thu gom trong năm 2007-2015

từ 2007 là 732 tấn đến năm 2015 là 21.495 tấn Tuy nhiên, lượng phân bùn thu gom so với lượng phát sinh còn chênh lệch khá lớn, chỉ chiếm khoảng 30-40% tổng lượng phân bùn phát sinh hằng năm của thành phố Việc thông hút phân bùn tại hộ gia đình chỉ diễn ra khi các hộ dân có nhu cầu hoặc các trường hợp khi bể tự hoại bị tắc

Phân bùn sau khi thu gom tại các hộ gia đình được vận chuyển bằng các xe bồn kín đưa về khu xử lý chất thải Khánh Sơn để xử lý do Công ty CP MTĐT Đà Nẵng quản lý Công nghệ xử lý phân bùn bể phốt hiện nay tại Đà Nẵng là tách các chất rắn

từ pha lỏng, nước sau khi tách được đưa vào hệ thống xử lý nước rỉ và cặn được ổn định và chôn lấp cùng với CTR sinh hoạt mà chưa có nhà máy xử lý quy mô lớn và công nghệ phù hợp để giải quyết bùn thải phát sinh

b) Bùn thải thoát nước

Hiện tại, bùn thải thoát nước của thành phố Đà Nẵng chủ yếu do Công ty TN&XLNT Đà Nẵng thu gom, vận chuyển về khu xử lý CTR Khánh Sơn Công tác thu gom bùn cặn từ HTTN chưa triệt để, còn phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng giao khoán từ UBND thành phố Bùn thải thoát nước được thu gom từ các nguồn chủ yếu như: bùn nạo vét hệ thống cống, bùn thải từ các trạm XLNT đô thị và từ các trạm XLNT công nghiệp

- Bùn thải từ khơi thông, nạo vét HTTN: công tác nạo vét khơi thông HTTN đô

thị do Công ty TN&XLNT thực hiện Quá trình nạo vét được triển khai chủ yếu tại các

hố ga và hệ thống cống thoát theo khối lượng được giao hằng năm, trừ một vài trường hợp đặc biệt sẽ tiến hành nạo vét tại các điểm nóng, điểm ngập úng khi có sự cố xảy

ra Các số liệu thống kê về lượng bùn cặn được nạo vét từ 2010 đến 2014 của Công ty TN&XLNT Đà Nẵng được thể hiện tại Bảng 1.3

Bảng 1.3: Khối lượng bùn cặn từ quá trình thông tắc và nạo vét HTTN (2010-2014)

Bùn cặn từ HTTN

- Bùn thải từ TXLNT đô thị: Hiện nay, các trạm XLNT đô thị ở thành phố Đà

Nẵng hiện đang sử dụng công nghệ hồ kỵ khí dạng đơn giản trừ trạm XLNT Hòa Xuân, trạm XLNT Sơn Trà - Giai đoạn 1, trạm XLNT Phú Lộc - Giai đoạn 1 áp dụng công nghệ hiếu khí (Aeroten theo mẻ dạng cải tiến) Bùn cặn từ quá trình xử lý được đưa đến bể nén bùn sau đó được làm khô bằng máy ép bùn và vận chuyển lên bãi chôn lấp chất thải Khánh Sơn để xử lý

- Bùn thải từ TXLNT khu công nghiệp: Đà Nẵng các trạm XLNT tập trung tại các

KCN Hòa Khánh, Liên Chiểu, Hòa Cầm, An Đồn và DVTS Thọ Quang vẫn hoạt động bình thường Công nghệ xử lý đang được áp dụng tại các trạm XLNT là công nghệ hiếu khí với các công trình chính: Bể Aerotank, SBR, Bể kỵ khí, Hồ kỵ khí, Hồ sinh học,… Lượng bùn thải phát sinh phụ thuộc vào mỗi dây chuyền công nghệ xử lý, quá trình quản lý và vận hành,… Thực tế, tại các trạm XLNT công nghiệp, với lượng bùn phát sinh rất ít nên đến thời điểm hiện tại, các đơn vị chưa hợp đồng thu gom và xử lý với các đơn vị chức năng trong thành phố mà chỉ xử lý tạm thời bằng cách đắp kè, bón cây hoặc lưu giữ trong bể chứa thuộc khuôn viên nhà máy Công tác xử lý bùn thải do Công ty CP MTĐT Đà Nẵng phụ trách Toàn bộ lượng bùn thải từ HTTN được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh sau khi đã phun hóa chất khử trùng và dung dịch chế phẩm EM (2,65 ml EM nguyên chất/1 tấn phế thải), sau đó dùng vật liệu phủ

bề mặt (vật liệu phủ bề mặt có thể được sử dụng là đất, cát hoặc phế thải xây dựng có kích cỡ nhỏ) Trừ một vài trường hợp bùn thải từ các KCN sẽ qua bể lắng bùn trước khi đưa vào các ô chôn lấp Với phương pháp này, so với điều kiện hiện nay là tạm đáp ứng được yêu cầu của thành phố Tuy nhiên, các loại bùn thải chưa được phân loại

và đánh giá trước khi lựa chọn công nghệ xử lý Bên cạnh đó, công nghệ này đòi hỏi diện tích đất chôn lấp lớn và không xử lý được triệt để các chất nguy hại trong bùn thải Vì vậy, trong tương lai cần thiết từng bước tăng cường công tác quản lý thu gom bùn thải và thay thế bằng công nghệ mới phù hợp

1.3 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam và trên thế giới

1.3.1 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn tại Việt Nam

Về công nghệ xử lý bùn thải, ở Việt Nam bước đầu đã áp dụng một số công nghệ

xử lý bùn thải chi phí thấp Nhiều sản phẩm được sản xuất ra từ bùn thải ví dụ sử dụng làm vật liệu xây dựng, sử dụng trong nông nghiệp và trồng trọt (phân bón), ngoài ra

việc tái sử dụng bùn thải nhằm tiết kiệm năng lượng được tận thu từ quá trình xử lý bùn thải cũng đang được quan tâm… tuy nhiên việc lựa chọn công nghệ nào cho phù hợp, các sản phẩm sản xuất từ bùn thải phải đáp ứng các yêu cầu gì, tuân thủ theo tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật nào và chi phí xử lý là bao nhiêu hiện đang còn để ngỏ Dưới đây là một số nghiên cứu, hướng phát triển cụ thể đã được công bố tại nước ta + Xử lý sinh học kỵ khí kết hợp bùn và rác hữu cơ ở chế độ lên men nóng Kết quả xử lý sinh học kỵ khí kết hợp bùn và rác hữu cơ ở chế độ lên men nóng 55oC được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học & Kỹ thuật Môi trường (Đại học Xây dựng), Viện Kỹ thuật Nước thải (Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Darmstadt) và Khoa

Kỹ thuật Môi trường (Đại học Tổng hợp Kitakyushu) đưa ra được xem là giải pháp giúp tận thu tài nguyên và bảo vệ môi trường đô thị Kết quả bước đầu nghiên cứu của nhóm cho thấy, với mô hình này, tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ đạt 80%, với 70% thành phần khí sinh học thu được là biogas Đáng chú ý là mầm bệnh bị tiêu diệt hết khi lưu trong bể xử lý chỉ sau vài giờ

+ Tái chế bùn thải sinh học thành nguyên liệu tạo ra chế phẩm vi sinh vật

Thử nghiệm trên đối tượng bùn thải ở Việt Nam của nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ môi trường với kết quả bước đầu khá khả quan Một số chủng

vi sinh vật hữu ích như Bacillus thuringiensis (dùng để sản xuất thuốc trừ sâu sinh học), Rhizobium (vi khuẩn cố định đạm) đã được thử nghiệm và cho thấy có khả năng

phát triển tốt trên môi trường bùn thải của nhà máy bia (với nồng độ của bùn thải là 20

g MLSS/l) Mật độ tế bào và nồng độ độc tính delta-endotoxin của vi khuẩn Bacillus

thuringiensis khi nuôi trên môi trường bùn thải đạt lần lượt là 4,7×108 CFU/ml và 619

mg/l Vi khuẩn Rhizobium cũng phát triển tốt trên môi trường bùn thải với mật độ tế

bào đạt 2,6×108 CFU/ml Bên cạnh đó, nhóm các nhà khoa học cũng hợp tác nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng của chất keo tụ sinh học dựa trên việc nuôi cấy một số chủng vi sinh vật EPS (hợp chất polymer ngoại bào) trên môi trường bùn thải Đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải và ổn định bùn thải

- Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường (Cementa) Thành phố Hồ Chí Minh đã xử lý theo hướng bùn thải được làm khô, tách riêng các thành phần vô cơ (cát) và hữu cơ (bùn) bằng phương pháp thuỷ lực Phần bùn sau khi được xử lý bằng vi sinh vật để tách kim loại sẽ được dùng làm phân bón hữu cơ

- Tận dụng bùn thải từ công nghệ chế biến nông sản thực phẩm và thuỷ hải sản

để sản xuất phân hữu cơ sinh học bằng phương pháp ủ men vi sinh của Viện Ứng dụng Công nghệ tại thành phố Hồ Chí Minh Quy trình công nghệ sản xuất phân hữu cơ từ nguyên liệu bùn thải Phân hữu cơ sinh học được sản xuất từ bùn thải bằng công nghệ

ủ men vi sinh và bổ sung khoáng chất đạt tiêu chuẩn chất lượng quy định đối với phân

hữu cơ sinh học của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (theo Quyết định 100/2008/QĐ-BNN 15/10/2008)

- Sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ bùn đáy ao cá tra nuôi thâm canh (công nghiệp) của nhóm tác giả trường Đại học Cần Thơ đã sử dụng chất thải ao nuôi cá tra lấy từ trại cá tra bằng cách bơm từ đáy ao cá lên kết hợp với các chủng nấm Trichoderma, vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn hòa tan lân được sử dụng trong thí nghiệm thực hiện tại 3 địa điểm với 3 loại xác thực vật khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy: Sử dụng bùn đáy ao cá tra nuôi thâm canh cùng với xác bã thực vật có sẵn

như rơm rạ, bèo lục bình, bổ sung nấm Trichoderma sp và khoáng apatit để sản xuất

phân hữu cơ vi sinh đạt tiêu chuẩn của Bộ NN&PTNT (TCVN 6169:1996) về pH, độ

ẩm, tỉ lệ C/N, hàm lượng P dễ tiêu và mật số tế bào vi sinh vật có ích (>106 tế bào/g phân)

Viện Môi trường nông nghiệp đã kết hợp với Trung tâm Thông tin ứng dụng

khoa học Công nghệ Đăk Lăk thực hiện dự án SXTN: “Xây dựng mô hình xử lý phế

thải sau chế biến tinh bột sắn làm phân bón hữu cơ sinh học tại Đăk Lăk” và xử lý

thành công nguồn phế thải (vỏ, bã sắn), bùn thải sau biogas của một số nhà máy chế biến tinh bột sắn tại Đăk Lăk làm nguồn phân bón hữu cơ sinh học phục vụ tại địa phương

1.3.2 Tổng quan về nghiên cứu xử lý bùn trên thế giới

Cách đây khoảng một thập kỷ trước, chôn lấp là phương pháp xử lý chính tại châu Âu Trong năm 1999, khoảng 57% bùn thải đô thị (MSW) được chôn lấp, so với 67% năm 1995 ở Tây Âu, và 83% ở miền Trung và Đông Châu Âu (DHV CR, 2001) Trong nửa thập niên 90 và cho đến sau này, những nghiên cứu quan trọng, phát triển

và thương mại hóa hệ thống ủ biogas đã xuất hiện ở châu Âu Đồng thời, những nhà thiết kế và những nhà cung cấp hệ thống ủ biogas đang kết hợp quá trình xử lý sơ bộ rác thải, ủ biogas và kỹ thuật sản xuất compost để giảm đồng thời khối lượng và tỉ lệ chất hữu cơ của rác thải đưa đi chôn lấp

Ý tưởng tái sử dụng bùn thải làm môi trường thay thế cho môi trường nhân tạo

để nuôi cấy vi sinh vật nhằm nâng cao giá trị của bùn thải lần đầu tiên được phát triển bởi giáo sư R.D.Tyagi thuộc Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia, Quebec, Canada (INRS) Ưu điểm nổi bật của hướng nghiên cứu này là tận dụng thành phần dinh dưỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trường nhân tạo đắt tiền (thường được sử dụng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm sinh học có ích) như các loại chế phẩm ứng dụng cho nông lâm nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học và các vi khuẩn kháng nấm bệnh trên cây công nghiệp, chế phẩm, phân bón hữu cơ dùng trong cải tạo đất trồng cây) Việc tận dụng bùn thải vừa giúp giảm giá thành vừa góp phần bảo vệ môi trường

Một phương pháp ứng dụng triệt để và kết hợp các công nghệ xử lý bùn hiệu quả

đó là phương pháp xử lý bùn tổng hợp Bùn sẽ được tách các thành phần hữu cơ và vô

cơ bằng phương pháp thủy lực Chất vô cơ nặng sẽ lắng xuống đáy bồn trong khi chất hữu cơ nhẹ hơn sẽ nổi lên trên Các chất vô cơ được tách ra sẽ được tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng, trong khi các chất hữu cơ được xử lý tiếp bằng phương pháp sinh học để tách riêng các kim loại nặng với phần bùn hữu cơ sạch Phần bùn hữu cơ sạch sẽ được tận dụng để trồng cây và cải tạo đất nông nghiệp

Ở Mỹ, bùn thải là những phế liệu rắn sinh ra từ quá trình xử lý nước thải Mỹ sử dụng khoảng 60% của các chất rắn sinh học được tạo ra cho mục đích nông nghiệp

- Bùn thải làm đất trồng trọt, chôn lấp và đốt chiếm 80% việc sử dụng bùn thải của Mỹ trong năm 2004 (Nebra, 2007)

- Ứng dụng làm phân bón hay một loại đất bổ sung cho trồng trọt ở Bắc Mỹ là một lựa chọn được ưa thích vì ít chi phí

- Một trong những công nghệ phổ biến ở các nhà máy xử lý bùn thải ở Mỹ là áp dụng xử lý bùn thải ở trong những thiết bị ủ kín nhưng không thổi khí Phương pháp ủ

kỵ khí này tuân thủ theo các trình tự sau: bùn được tiếp nhận và đưa vào các thiết bị ủ kín dưới dạng các lò ủ kín có phối hợp các chủng loại vi sinh vật khử mùi, thúc đẩy quá trình lên men, sau đó được đưa ra sấy khô, nghiền và đóng bao Ưu điểm phương pháp là xử lý triệt để bảo vệ được môi trường, thu hồi phân bón (có tác dụng cải tạo đất) Nhược điểm là đòi hỏi kinh phí đầu tư lớn, kinh phí duy trì cao, chất lượng phân bón thu hồi không cao, công nghệ phức tạp (phải qua sấy)

Ở Nhật Bản, bùn thải được tài nguyên hóa và việc tái sử dụng bùn thải nhằm mục đích làm phân bón compost dựa vào cách phân giải, ổn định hóa sinh học đối với các chất hữu cơ trong bùn thải Ngoài ra, với việc phát sinh nhiệt khi tạo thành phân compost thì có khả năng loại bỏ được các tác nhân vi sinh vật gây hại nên đây được coi là phương pháp rất thích hợp ở vùng nông thôn

1.4 Tổng quan về siêu âm

1.4.1 Khái niệm sóng siêu âm [17]

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 Khi cho một nguồn bức xạ âm thanh vào một môi trường gần đó có khối lượng (không khí, chất lỏng, hoặc chất rắn), âm thanh lan truyền dạng sóng hình sin Môi trường phản hồi lại sự lan truyền của các sóng này và cũng có thể duy trì chúng bằng cách dao động đàn hồi Những sự rung

động đàn hồi của môi trường có hai dạng: sự ngưng tụ và sự làm thoáng (Hecht, 1996)

Trong thời gian ngưng tụ, những phần tử của môi trường bị nén, gây nên sức ép và mật

độ của môi trường tăng Trong thời gian có sự làm thoáng, những phần tử trong môi

trường chuyển dịch một phần, vì thế mật độ và áp lực của môi trường giảm (American

Heritage, 2002)

Theo McClements (1995), trạng thái cải sóng siêu âm được quan sát sóng từ hai góc nhìn: thời gian và khoảng cách được thể hiện ở Hình 1.8 Tại một vị trí cố định trong môi trường, sóng âm có dạng hình sin theo thời gian Khoảng thời gian từ một biên độ đỉnh cao đến biên độ đỉnh cao khác là khoảng thời gian τ của sóng hình sin Điều này theo vật lý có nghĩa là mỗi phần tử tại độ sâu nào đó trong môi trường (dọc theo đường cách đều nào đó) phải chờ khoảng thời gian τ trước khi trải qua sóng âm khác bằng với một sóng âm vừa trải qua Tần số f của đường sin đại diện cho số lần hoàn tất một dao động trong một đơn vị thời gian và là nghịch đảo của khoảng thời gian như trong phương trình f= 1 /τ

Khoảng cách xem xét hiệu ứng của sóng âm tại bất kỳ thời điểm cố định nào trên các phần tử trong môi trường đều sâu hơn Tại bất kỳ thời điểm nào, biên độ của sóng

âm được nhận thấy lớn ở các phần tử gần nguồn sóng âm, các phần tử sâu hơn trong môi trường trải qua sóng âm thì nhỏ dần Sự giảm biên độ sóng âm thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường Đường biểu diễn của khoảng cách biên độ sóng âm thật sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần như thể hiện trong Hình 1.9 Khoảng cách giữa những đỉnh biên độ liên tiếp là bước sóng (λ) Bước sóng liên quan đến tần số xuyên qua vận tốc ánh sáng c: λ = c/f

Hình 1.8: Trạng thái của sóng siêu âm McClements (1995)

Khoảng cách xem xét hiệu ứng của sóng âm tại bất kỳ thời điểm cố định nào trên các phần tử trong môi trường đều sâu hơn Tại bất kỳ thời điểm nào, biên độ của sóng

âm được nhận thấy lớn ở các phần tử gần nguồn sóng âm, các phần tử sâu hơn trong môi trường trải qua sóng âm thì nhỏ dần Sự giảm biên độ sóng âm thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường Đường biểu diễn của khoảng cách biên độ sóng âm thật sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần như thể hiện trong Hình 1.10

Khoảng cách giữa những đỉnh biên độ liên tiếp là bước sóng (λ) Bước sóng liên quan đến tần số xuyên qua vận tốc ánh sáng c: λ = c/f

Hình 1.9: Biểu đồ thể hiện khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm

Điều khác biệt giữa sóng siêu âm với ánh sáng là chỉ có sóng âm không chứa những phần tử (hạt) của chính nó Sóng âm chỉ làm gián đoạn sự yên tĩnh của môi trường để tạo dao động các phần tử thuộc môi trường Không như âm thanh, các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một điều bí ẩn chưa được giải quyết, sóng âm lan truyền đồng thời cả hai dòng là dòng tập trung năng lượng giống phần tử (hạt) và những sóng không tập trung Sự khác biệt này trở nên hiển nhiên trong một khoảng không Khi những khoảng không không chứa những phần tử (hạt) môi trường , những sóng âm không tập trung không thể truyền bởi vì chúng không thể tạo sự tập trung hay phân tác các phần tử (hạt)

Áp lực tác dụng lên tai người bởi âm thanh lớn là rất nhỏ (<10Pa) nhưng áp lực

từ sóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài MPa) đủ để hỗ trợ việc khởi đầu một hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính (inertial cavitation), hiện tượng này có thể phá hủy môi trường (Hecht, 1996; Povey và Mason , 1998) Sự xâm thực khí quán tính do hoạt động của bong bóng trong chất lỏng và được tạo ra bởi những sóng siêu

âm cường độ rất cao, chúng có thể phá vỡ một phần những vi cấu trúc của môi trường

và sinh ra những gốc tự do Hiện tượng xâm thực khí chủ yếu hướng đến việc phá hủy các tế bào vi sinh vật và tạo ra các gốc tự do và các âm hóa học (sonochemicals) phản ứng hóa học với môi trường lỏng (Chemat et al., 2004; Knorr et al., 2004)

1.2.2 Tổng quan thiết bị siêu âm [17]

Bất cứ ngành công nghiệp hoặc ứng dụng nào liên quan đến sóng siêu âm, Thiết

bị siêu âm gồm có bộ phát điện (electrical power generator), bộ chuyển đổi (transducer) và máy phát (emitter) có nhiệm vụ phát sóng siêu âm vào môi trường (Povey và Mason, 1998) Hai loại hệ thống siêu âm thường được sử dụng: một loại sử dụng thanh siêu âm (horn) và loại khác sử dụng bể (bath)

- Bộ phát điện (Electrical Generator): Bộ phát điện là một nguồn cung cấp năng

lượng cho hệ thống siêu âm, nó phải làm cho bộ chuyển đổi (transducer) hoạt động Bộ

phát điện sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định rõ, và được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (V) và cường độ dòng điện (I)

Và mức năng lượng được tạo ra từ bộ phát điện P = I.V (W)

- Bộ chuyển đổi (Transducer): Bộ chuyển đổi chuyển điện năng thành năng

lượng âm thanh bằng việc rung động cơ học tại những tần số siêu âm Có ba kiểu bộ chuyển đổi chính: dẫn động chất lỏng (liquiddriven), từ giảo (magnetostrictive), và áp điện (piezoelectric- pzt) Những bộ chuyển đổi được điều khiển bởi chất lỏng dựa trên năng lượng cơ học thuần túy để tạo ra siêu âm, nhưng những bộ chuyển đổi từ giảo và những bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi điện năng và từ tính thành cơ năng, năng lượng siêu âm

- Bộ phận phát (Emitter): Mục đích của bộ phận phát là tỏa ra sóng siêu âm từ bộ

chuyển đổi vào trong môi trường Hai dạng chính của những bộ phận phát là bộ phận phát dạng bể và bộ phận phát dạng thanh (đầu kim phát) Những bộ phận phát dạng bể thông thường gồm có một bể (tank) với một hoặc nhiều bộ chuyển đổi được gắn liền

1.4.3 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm [17]

a) Hiện tượng xâm thực khí

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời

- Bọt khí ổn định: là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của

chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén Sau hàng ngàn chu trình, chúng tăng thêm về kích thước Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng Bọt khí ổn định có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ

- Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình

chúng bị vỡ ra Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng “sốc sóng” trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành

những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (5.000oC và 5x104kPa) với vận tốc rất nhanh 106 oC/s

Hình 1.10: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ bọt khí

Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự do trong dung dịch; thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau; tăng cường phản ứng polymer hoá và depolymer hóa bằng cách phân tán tạm thời các phần tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer; tăng hiệu suất đồng hoá; hỗ trợ trích ly các chất tan như enzyme từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hay vi khuẩn; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm; loại bỏ các phần tử nhạy cảm bao gồm cả vi sinh vật

b) Hiện tượng vi xoáy

Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán

ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được

1.5 Tổng quan về tiền xử lý bùn

Trong quá trình phân hủy bùn, vai trò và lợi ích của công việc TXL đã thu hút được rất nhiều sự chú ý của cộng đồng khoa học trong thập kỷ qua, thúc đẩy những tiến bộ to lớn ở cả xuất bản và nghiên cứu Tra cứu từ trang Science Direct cho thấy số lượng ấn phẩm đồ sộ về TXL bùn hàng năm và quá trình phân hủy yếm khí gia tăng một cách ấn tượng như: chỉ có 36 công trình được công bố trong năm 2000, nhưng vào năm 2006 con số này đã vượt qua 100 và tiếp tục gia tăng vào năm 2015 là 609 ấn phẩm Tương đương với tỷ lệ % về lĩnh vực này cho thấy các bài báo tăng từ 24,5% trong năm 2000 và tăng hơn gấp đôi trong năm 2015 là 43,6%, điều này được minh chứng và chỉ ra trong Hình 1.11

Hình 1.11: Số lượng các bài báo gia tăng trong những năm gần đây về lĩnh vực nghiên

cứu tiền xử lý bùn để phân hủy bùn yếm khí

Hiện tại trên thế giới, có rất nhiều phương pháp tiền xử lý bùn thải như [23]:

- Phương pháp siêu âm;

- Phương pháp vi sóng;

- Phương pháp điện động lực;

- Phương pháp đồng nhất áp suất cao (HPH);

- Phương pháp thủy phân nhiệt;

- Phương pháp tiền xử lý bằng axit và kiềm;

- Phương pháp tiền xử lý bằng ozon;

- Phương pháp ôxy hóa Fenton;

- Phương pháp sinh học

Năm loại bùn thải chính được xem xét trong quá trình tiền xử lý và phân hủy yếm khí bao gồm:

- Chất thải hữu cơ đô thị;

- Chất thải hữu cơ từ công nghiệp thực phẩm;

- Chất thải từ ngành nông nghiệp, trồng trọt;

- Phân chuồng;

- Bùn thải từ các trạm xử lý nước thải

Hình 1.13 dưới đây cho thấy bùn từ các trạm xử lý nước thải là đối tượng phổ biến nhất để nghiên cứu các phương pháp tiền xử lý

Hình 1.12: Các kỹ thuật tiền xử lý bùn thải tương ứng với các loại bùn [23]

1.5.1 Tình hình nghiên cứu về 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 tại Việt Nam như:

- Đề tài của tác giả Phan Thị Hoài Thu và các cộng sự trong nghiên cứu [18] thuộc nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh về ứng dụng sóng siêu âm trong tiền xử lý bùn thải Trong nghiên cứu này các tác giả tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các mức năng lượng sóng siêu âm ở 20 kHz lên hiệu quả tiền xử lý bằng cách kiểm tra nồng độ hữu cơ hòa tan trước và sau xử lý

- Nghiên cứu của Trần Sỹ Nam và nhóm cộng sự thuộc Đại học Cần Thơ lại sử dụng phương pháp sử dụng nước và bùn để tiền xử lý chất thải từ cây Lục bình để phân hủy yếm khí thu hồi biogas [19] Nghiên cứu này đã áp dụng phương pháp đơn giản bằng cách sử dụng liều lượng nước máy, nước thải sau quá trình biogas, nước ao

và bùn đáy ao bổ sung vào đống ủ sau đó đánh giá bằng lượng biogas thu được Đây là một phương pháp tiền xử lý đơn giản, dễ thực hiện nhưng hiệu quả sẽ không cao và khó đánh giá so sánh

- Tác giả Nguyễn Minh Hòa lại ứng dụng những kỹ thuật tiền xử lý bùn thải thành bùn nguyên liệu để nuôi cấy vi sinh vật bằng những kỹ thuật tách và làm giàu

Bùn thải từ TXLNT

Chất thải HC đô thị Phân chuồng Chất thải HC từ CN thực phẩm Chất thải trồng trọt

trong phòng thí nghiệm, đây là nghiên cứu mang tính cơ bản và có nhiều ý nghĩa trong thực tiễn [20] Kết quả đã tìm ra được một số điều kiện thích hợp trong bước tiền xử lý như nhiệt độ, pH, thời gian, chủng loại bùn và các tác nhân khác như môi trường nuôi cấy… Trong khi đó các phương pháp hóa, lý như thủy phân bằng kiềm và nhiệt độ lại được hai tác giả Thanh Phương và Văn Phước [24] áp dụng để tiền xử bùn bùn hữu cơ

từ hệ thống nước thải công nghiệp Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã khảo sát pH

từ 7-11 và nhiệt độ từ 55-170 oC, kết quả cho thấy lượng COD hòa tan (SCOD) thu được

ở mức pH =11 và nhiệt độ 170 oC là cao nhất

Nghiên cứu của nhóm tác giả Hòa và các cộng sự, 2016 [10] đã áp dụng một số

kỹ thuật tiền xử lý đối với bùn từ quá trình xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản bằng phương pháp sóng siêu âm và ôzon Những kết quả bước đầu được nhóm nghiên cứu khảo sát ở nhiều khía cạnh khác nhau như ảnh hưởng của năng lượng sóng; thời gian lưu, liều lượng ôzon…trên đơn vị chất rắn, nồng độ hữu cơ tổng số, hòa tan…

1.5.2 Tổng quan về 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 Các vi tăm khí hình thành trong quá trình này được phá vỡ một cách cưỡng ép trong vòng vài micro giây sau khi đạt đến một kích thước giới hạn, tạo ra sự xuất hiện của các bong bóng Sự phá vỡ đột ngột và cưỡng ép đó tạo ra lực cắt cơ học thủy lực rất mạnh và các phản ứng hoàn toàn rất lớn (H• và OH) Cả hai, lực cắt cơ học thủy lực

và sự ôxy hóa hóa của H và OH góp phần phá vỡ các khối bùn và giải phóng các tế bào chất So với các lực cắt cơ học thủy lực, dù sao sẽ mạnh hơn trong việc phá vỡ khối bùn hơn là gốc tự do [25]

Siêu âm tần số thấp (20-40 kHz) lần đầu tiên được áp dụng để phân ly tế bào trong phòng thí nghiệm trong những năm 1960, đã được thường xuyên áp dụng trong phòng thí nghiệm, pilot và hệ thống thực tiễn để phá vỡ cấu trúc của bùn [6,7] Martin

và các cộng sự [28] đã công bố rằng ảnh hưởng của sóng siêu âm làm cải thiện quá trình phân hủy yếm khí bùn thải Hiệu quả lượng bùn hòa tan phụ thuộc vào năng lượng riêng (SE-specific energy) đầu vào cụ thể (SE = PUS × t/V × TS), J/kgTS) [29] Mặc dù việc giảm bớt các hợp chất không hòa tan thành các chất lơ lửng, liều lượng siêu âm nhỏ cho phép các chất hữu cơ dễ dàng bị tấn công bởi enzyme thủy phân Cần lưu ý rằng đối với một chế độ năng lượng riêng, thì công suất lớn thì hiệu quả cao hơn so với chế độ năng lượng thấp mà cần thời gian xử lý lâu [30] Đó là những báo cáo ứng dụng sóng siêu âm để tiền xử lý bùn cho ít nhất 20 hệ thống thực tế

và 17 quy mô pilot chủ yếu ở Đức Thiết đặt hệ thống sử dụng sóng siêu âm có thể gây

ra sự phá hủy chất rắn dễ bay hơi 15-35% và sản xuất khí sinh học tăng 15-35% [26] Bên cạnh việc sử dụng trong quá trình phân hủy yếm khí bùn thải, siêu âm cũng đã được sử dụng để tăng cường khả năng tách nước của bùn [32,33]

1.6 Tổng quan về khí sinh học

1.6.1 Biogas và quá trình sản xuất Biogas

a) Bản chất hóa học của Biogas

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,… Trong đó, CH4 là thành phần chủ yếu và là một loại khí cháy được Tỉ lệ CH4trong Biogas thường dao động từ 40 - 70%, tỉ lệ CO2 dao động từ 25 – 45% và hỗn hợp các khí H2S, H2, O2, N2 và các khí khác chiếm tỉ lệ rất nhỏ [6]

Biogas cháy cho ngọn lửa màu xanh, không sinh khói Nhiệt trị dao động từ 5.200 - 5.900 Kcal/m3, phụ thuộc vào hàm lượng mêtan trong hỗn hợp

b) Nguồn nguyên liệu sản xuất khí sinh học

Tất cả phế liệu, phế thải có nguồn gốc thực vật trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, trong công nghiệp chế biến nông lâm sản (bã rượu, bia, nước thải của các xí nghiệp giấy…) và sinh hoạt gia đình đều có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất khí sinh học Nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học phải đảm bảo các yêu cầu: giàu xenluloza, ít lignin Nồng độ N-NH4 ban đầu khoảng 2000 mg/l, tỷ lệ C:N gần 30:1, hàm lượng chất khô trong nguyên liệu khoảng 9 - 9,4% [13]

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo khí

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo khí sinh học như sau:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ tối ưu để lên men là 35 oC và 55

oC, thấp hơn nhiệt độ tối ưu này tốc độ sinh khí giảm dần Ở nhiệt độ 55 oC, các loại vi khuẩn ưa nhiệt sẽ hoạt động mạnh hơn và tốc độ sinh khí sẽ tăng, thời gian lưu giữ sẽ

giảm

- Ảnh hưởng của độ pH: Độ pH thích hợp nhất cho quá trình lên men giới hạn từ

6,5 - 7,5, pH nhỏ hơn 6,4 có nghĩa là axit nhẹ được sinh ra nên vượt quá khả năng sử dụng của vi khuẩn sinh mêtan, nếu pH tiếp tục giảm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh

trưởng và phát triển của loại vi khuẩn này

- Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N: Quá trình phân hủy kỵ khí tốt nhất khi nguyên liệu có

tỷ lệ C:N là 30:1, Ngược lại, khi nitơ quá thừa thì cacbon sẽ nhanh chóng bị sử dụng hết và sự lên men cũng bị ngừng lại

- Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng: Tỷ lệ pha loãng ảnh hưởng rất mạnh đến tốc độ

sinh khí và tháo bỏ nguyên liệu đã sử dụng ra khỏi bể phân hủy Nồng độ chất khô 9 - 10% vừa thích hợp cho khả năng tạo khí lẫn tháo bỏ nguyên liệu đã sử dụng

- Ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực (HRT): Thời gian lưu thủy lực cũng giữ

một vai trò quan trọng đối với quá trình lên men sản xuất khí sinh học, phụ thuộc rất mạnh vào chất lượng nguyên liệu Trong thực tế, giới hạn thời gian lưu từ 10 – 60

ngày [7]

- Ảnh hưởng của đặc tính nguyên liệu: Tốc độ lên men phụ thuộc vào loại nguyên

liệu Nguyên liệu chứa nhiều lignin thường khó phân hủy nên không có lợi cho lên

men

- Tốc độ bổ sung nguyên liệu: Bể phân hủy phải được duy trì được điều kiện vận

hành ổn định Càng bổ sung nguyên liệu vào bể đều đặn bao nhiêu thì bể càng được

duy trì tốt bấy nhiêu và sản lượng khí thu được càng cao

- Sự có mặt của không khí và độc tố: Bể phân hủy phải kín tuyệt đối và không có

không khí ở bên trong, vì vi khuẩn sinh mêtan mẫn cảm cao với ôxy Nếu hoạt động lâu, trong bể có thể tích lũy các ion NH4+, Ca2+, K+, SO42-… Ở nồng độ quá cao, các

ion này có thể ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh mêtan

1.6.2 Cơ sở sinh học của quá trình lên men tạo khí sinh học [6]

Lên men kỵ khí là quá trình vi sinh vật với sự tham gia của hàng trăm chủng loại

vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Các sinh vật này tiến hành hàng chục phản ứng hóa sinh để phân hủy và biến đổi các hợp chất hữu cơ phức tạp thành khí sinh học Quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan gồm 03 giai đoạn được thể hiện trong hình 1.14

Hình 1.13: Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan

* Giai đoạn I: dưới tác dụng của men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất

hữu cơ phức tạp như chất béo, các hydrat cacbon (chủ yếu là xenluloza và tinh bột), protein bị phân hủy và biến thành các hợp chất tan Có thể nói ở giai đoạn I là quá trình hòa tan các chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glyerin, axit amin

* Giai đoạn II: dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit, các chất tan nói trên sẽ biến

thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axit propionic, axit

butyric ), các aldehyt, alcol và một ít khí cacbonic, hydro, ammoniac, nitơ Nhờ các phản ứng phân hủy và các phản ứng ôxy hóa - khử xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ nên các quá trình xảy ra ở hai giai đoạn trên thực sự chỉ là sự sắp xếp các phân tử không có ôxy tham gia, do đó nhu cầu ôxy sinh học (DO) gần như bằng không Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh

* Giai đoạn III: là giai đoạn sinh mêtan Đây là giai đoạn quan trọng nhất của

toàn bộ quá trình Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan, các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác biến thành khí mêtan, cacbonic, hydro sunfua,

Sự phân chia quá trình lên men kỵ khí sinh mê tan thành 3 giai đoạn như trên thực ra chỉ mang tính chất lý thuyết Thực tế, trong bể phân hủy không bao giờ có sự phân chia rõ ràng như vậy

1.7 Tổng quan trạm xử lý nước thải sơn trà

1.7.1 Trạm xử lý nước thải Sơn Trà - Đà Nẵng [8]

- Vị trí địa lý: Trạm xử lý nước thải Sơn Trà được xây dựng tại khu vực phường

Thọ Quang, thành phố Sơn Trà, tỉnh Đà Nẵng Phía bờ Bắc Giáp với khu công nghiệp dịch vụ thủy sản Thọ Quang Phía Nam giáp với đường quy hoạch B=18,5m Phía Tây giáp với đường Phạm Văn Xảo Phía Đông giáp với đường Trần Nhân Tông Khu đất xây dựng Trạm có tổng diện tích là 29.090 m2

- Đơn vị quản lý: Ban Quản lý các dự án đầu tư cơ sở hạ tầng ưu tiên thành phố

Đà Nẵng là đơn vị quản lý, điều hành hoạt động của Trạm xử lý nước thải Sơn Trà

- Đơn vị vận hành: Liên danh Công ty TNHH Kỹ Thuật Môi Trường UPL &

Công ty TNHH Cơ Sở Hạ Tầng KHILARI

- Lưu vực thu gom, xử lý: TXLNT Sơn Trà được đầu tư xây dựng để xử lý nước

thải sinh hoạt cho quận Sơn Trà (bao gồm hai tiểu lưu vực là Tây Sơn Trà và Đông Sơn Trà) với tổng diện tích thu gom 6.339 ha, tổng số dân năm 2016 là 159.689 người Đồng thời, Trạm xử lý nước thải cũng tiếp nhận nước thải của 21 công ty thành viên trong khu công nghiệp thủy sản Đà Nẵng, các Công ty trước khi đấu nối vào hệ thống thu gom nước thải của Trạm xử lý sẽ làm hợp đồng và cam kết xử lý nước thải của cơ

sở mình đạt tiêu chuẩn theo ngưỡng quy định của Trạm xử lý Sơn Trà mới được đấu nối vào hệ thống thu gom nước thải và đưa nước thải về xử lý

- Chất lượng nước thải sau xử lý: Nước thải sau xử lý của Trạm xử lý Sơn Trà

đạt cột A - QCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp trước khi xả nước thải ra vùng biển ven bờ của vịnh Đà Nẵng (khu vực âu thuyền Thọ Quang)

1.7.2 Quy mô công suất, công nghệ xử lý [8]

a) Quy mô công suất

- 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 suất xử lý trung bình theo thiết kế: 25.500 m3/ngày, trong đó: Nước thải sinh hoạt khoảng 20.500 m3/ngày và nước thải thủy sản khoảng 5.000 m3/ngày

b) Dây chuyền công nghệ

Hình 1.15: Sơ đồ dây chuyền công nghệ Trạm xử lý nước thải Sơn Trà

Nước thải sinh hoạt

từ trạm bơm đầu vào

Nước thải thủy sản từ trạm bơm đầu vào

Bùn cặn

Ghi chú:

Đường nước Đường khí Đường bùn Đường nước hồi lưu

Thuyết minh quy trình:

1 Xử lý sơ bộ Nước thải thủy sản

Nước thải thủy sản được bơm tới Trạm XLNT vào công trình đầu mối qua song chắn rác cơ khí loại bỏ rác và các tạp chất vô cơ có kích thước lớn ra khỏi nước thải rồi chảy về bể điều hòa Tại bể điều hòa nước thải được ổn định về lưu lượng, nồng

độ Để nước thải được hòa trộn đồng nhất về nồng độ chất ô nhiễm trong bể điều hòa

và hạn chế quá trình yếm khí, hệ thống sục khí thô dạng ống được lắp đều dưới đáy bể Sau thời gian lưu nước, nước thải được bơm chuyển lên hệ thống tuyển nổi Dissolve Air Float (DAF) Để bể tuyển nổi đạt hiệu quả cao nhất, hệ thống cung cấp

và khuấy trộn hóa chất được lắp đặt Nước thải trước khi đến bể tuyển nổi được bổ sung hóa chất để đạt pH tối ưu, chất trợ keo, polimer để tăng kích thước bông bùn lơ lửng tăng hiệu quả tách lại chất lơ lửng; tăng cường khả năng loại bỏ SS, dầu mỡ, ngoài ra còn có tác dụng loại bỏ P - có nhiều trong nước thải thủy sản Nước thải và hóa chất bơm vào nước thải sẽ được khuấy trộn đồng nhất tại hệ thống khuấy trộn thủy lực sau đó chảy sang bể tuyển nổi thực hiện quá trình loại váng nổi và cặn lắng

Bể Tuyển Nổi là một thiết bị dùng để tách và loại bỏ các chất rắn hòa tan (TDS)

từ chất lỏng dựa trên những thay đổi trong độ tan của khí áp khác nhau, làm giảm nồng

độ các chất ô nhiễm có trong nước thải như COD, T-N, T-P, SS, dầu mỡ,… hiệu suất lên đến 90% Tại bể DAF, dưới tác dụng của các bọt khí rất nhỏ, mịn (sinh ra sau khi bọt khí bão hòa được giải phóng), các cặn, chất dầu mỡ, bông keo sẽ bám vào bề mặt các bọt khí nổi lên trên bề mặt thiết bị và được thu gom về ngăn chứa bởi một thiết bị gạt bọt rồi được bơm bùn bơm sang bể chứa và nén bùn Nước trong ở phần phía dưới

sẽ được dẫn ra ngoài Nguyên tắc hoạt động như sau: Nguyên lý hoạt động: bể DAF tách loại chất rắn lơ lửng trong chất lỏng dựa trên những thay đổi trong độ tan của khí

áp khác nhau Không khí được hòa tan dưới áp suất cao (6atm) trong một chất lỏng sạch và bơm trực tiếp vào đường ống cấp cho bể Tuyển nổi (ở công trình Sơn Trà sử dụng nước sạch là nguồn nước sau xử lý tại bể tuyển nổi) Sau khi vào DAF, áp suất không khí được tạo ra và kết hợp với chất lỏng, mà sẽ trở thành siêu bão hòa với các bong bóng khí có kích thước micro Các bóng khí li ti tạo ra một lực bám dính vào các phân tử rắn lơ lửng trong nước và nâng các hạt lơ lửng nổi lên trên bề mặt chất lỏng, tạo thành một lớp bùn nổi được loại bỏ ra ngoài bởi dàn cào váng bùn mặt Chất rắn nặng lắng xuống đáy bể và cũng được hút ra ngoài

Kết thúc quá trình xử lý sơ bộ, nước thải thủy sản được hòa trộn với nước thải sinh hoạt trước khi chảy vào kênh đo lưu lượng

2 Xử lý sơ bộ Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt theo đường ống thu gom tự chảy về trạm bơm nước thải đầu vào, tiếp đó được bơm nâng tới công trình đầu vào (HEAD WORKING BUILDING) Tại công trình đầu vào có bố trí song chắn rác cơ khí, với chiều rộng giữa hai thanh

song chắn là < 6 mm, đảm bảo tách loại các rác nhỏ, mịn và không làm ảnh hưởng tới hoạt động của công trình xử lý tiếp sau Trong thiết kế cũng bố trí một ngăn chắn rác thủ công cho phép nước thải chảy thẳng không cần qua song chắn rác cơ khí trong trường hợp song chắn rác bị hỏng, quá tải, hoặc 1 số trường hợp đặc biệt khác Rác được song chắn tự động thu gom, được nén và đùn tới thùng chứa rác đặt sẵn ở dưới công trình bởi thiết bị vít tải rác Nước thải đi qua song chắn rác chảy tràn vào bể lắng cát đứng Votex loại xoáy Tại bể lắng cát đứng, dưới tác dụng của trọng lực và lực xoay do thiết bị Votex tạo ra, các hạt cát hay chất rắn có khối lượng nặng hơn sẽ có vận tốc lắng cao hơn và do đó sẽ lắng xuống đáy bể, trong khi đó những hạt chất rắn

có khối lượng nhẹ hơn vẫn ở trạng thái lơ lửng và sẽ theo nước thải đi sang bước xử lý tiếp theo Cặn lắng từ hố thu cát được bơm trực tiếp tới một thiết bị rửa cát Tại thiết bị rửa cát, cát được tách ra ngoài bằng trục vít cát rồi xả ra thùng chứa đem thải bỏ, phần nước sẽ chảy tuần hoàn về bể lắng

Nước thải sinh hoạt sau khi được tách rác, tách cát được hòa trộn với nước thải thủy sản trước khi đi vào kênh đo lưu lượng

3 Xử lý hỗn hợp nước thải

Nước thải thủy sản và nước thải sinh hoạt sau khi được xử lý sơ bộ phải được đảm bảo lưu lượng và nồng độ trong mức cho phép trước khi đưa về kênh đo lưu lượng Hoạt động xử lý sơ bộ 2 dòng nước thải được thực hiện và theo dõi chặt chẽ từ công đoạn đầu vào hệ thống xử lý như trình bày ở trên Kênh đo lưu lượng có kích cỡ LxRxH(m)=27,35x1,2x1,6(m) đảm bảo 2 dòng nước thải được hòa trộn tốt

Sau kênh đo lưu lượng, nước thải được dẫn về cụm bể xử lý sinh học Hệ thống được thiết kế thành 02 đơn nguyên riêng rẽ, cho phép dễ dàng vận hành ở các lưu lượng khác nhau khi thấp tải, hoặc khi sửa chữa bảo dưỡng các đơn nguyên này

Trước tiên, nước thải được đưa vào bể thiếu khí, tại bể thiếu khí có lắp đặt thiết

bị khuấy trộn cơ khí dạng chìm, tại đây nước thải được trộn đều với bùn tuần hoàn từ

bể lắng thứ cấp và dòng bùn tuần hoàn từ bể hiếu khí Các quá trình xử lý quan trọng diễn ra ở bể thiếu khí là: dòng bùn tuần hoàn chứa nitrat được trộn lẫn với nước thải đầu vào - có hàm lượng hữu cơ/nguồn cacrbon cao, trong điều kiện thiếu ôxy, các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng nguồn carbon này và ôxy trong nitrat cho hoạt động sống của mình, kết quả là Nitrat được chuyển hóa thành N2, quá trình xử lý Nitơ được hoàn tất ở công đoạn này Đồng thời, tại bể thiếu khí, bùn thải được trộn đều với nước thải đầu vào, chất hữu cơ dễ dàng hấp phụ lên bông bùn hoạt tính, giúp quá trình xử lý BOD diễn ra nhanh hơn, hàm lượng chất hữu cơ đầu vào cao cũng khiến tỉ số F/M tại

bể thiếu khí rất cao, (lớn hơn nhiều so với tại bể hiếu khí), đây là yếu tố rất quan trọng cho việc lựa chọn sinh học, bùn dạng sợi sẽ không có điều kiện phát triển, kết quả là SVI của hệ thống được giảm thấp (<120), hiệu quả lắng và chất lượng nước sau xử lý được ổn định hơn, ngăn chặn các sự cố sinh học do sự phát triển của vi sinh dạng sợi