Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)

Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ LÊN MEN ẤM Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nướ

Vũ Thị Hoài Ân

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM)

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải

Mã số: 9520320-2

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – Năm 2021

Vũ Thị Hoài Ân

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM)

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải

ấm)” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện Các kết quả, số liệu của luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, tháng năm 2021

Tác giả luận án

Vũ Thị Hoài Ân

Cấp thoát nước của trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu

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

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

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

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

Tác giả luận án

Vũ Thị Hoài Ân

MỤC LỤC…… ……… ………… ……… i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iv

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2

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

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

5 Cơ sở khoa học của luận án 4

6 Nội dung nghiên cứu của luận án 4

7 Tính mới của luận án 5

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

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

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

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

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

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

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

1.2.1 Lượng bùn bể tự hoại 16

1.2.2 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại 17

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

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

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới 24

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 26

Nhận xét chương 1 31

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

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

kiện kị khí 32

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

2.3 Các bể phân hủy kị khí bùn 40

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

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

2.4.2 Các yếu tố liên quan đến thí nghiệm BMP 43

2.5 Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn 48

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

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

3.1 Mục đích thí nghiệm 52

3.2 Mô tả thí nghiệm 52

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

3.2.2 Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm 53

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

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

3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá thí nghiệm 58

3.4 Thực hiện thí nghiệm 60

3.4.1 Thí nghiệm BMP1 đánh giá tiềm năng sinh khí CH 4 của bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng 62

3.4.2 Thí nghiệm BMP2 đánh giá tiềm năng sinh khí CH 4 của bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị khi xử lý kết hợp 63

3.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 67

3.5.1 Thí nghiệm BMP1 67

3.5.2 Thí nghiệm BMP2 72

Nhận xét chương 3 77

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHU VỰC ĐÔ THỊ TRUNG TÂM HÀ NỘI CŨ PHÍA NAM SÔNG HỒNG 78

4.1 Xác định nội dung tính toán, lựa chọn và đề xuất công nghệ xử lý bùn khu vực đô thị trung tâm Hà Nội 78

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

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

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

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

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

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

4.5.1 Tính toán xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b 90

4.5.2 Tính toán xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a và TT1b 93

4.5.3 Tính toán xử lý bùn theo phương án HT 99

4.5.4 Tính toán xử lý bùn theo phương án TT2 101

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

Nhận xét chương 4 111

KẾT LUẬN 112

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC A

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Ký hiệu,

các chữ

viết tắt

A2O Kị khí/ Thiếu khí/ Hiếu khí Anaerobic/Anoxic/Oxic

BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential

CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge

EAWAG Viện Khoa học và Công nghệ Nước

(Thụy Sỹ)

Institute of Water Science and Technology

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

HTTN Hệ thống thoát nước

IESE Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi

trường, Trường Đại học Xây dựng

Institute of Environmental Science and Engineering

PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất

thải đô thị

Project on Urban Resource Recovery from Waste

Sequencing Batch Reactor

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TLTK Tài liệu tham khảo

TSS Tổng lượng cặn lơ lửng Total Suspended Solids

VSS Chất rắn lơ lửng bay hơi Volatile Suspended Solids XLNT Xử lý nước thải

WAS1 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT có

bể lắng sơ cấp

Waste sctivated sludge from wastewater treatment plant with primary sedimentation tank

WAS2 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT

không có bể lắng sơ cấp

Waste sctivated sludge in wastewater treatment plant without primary sedimentation tank

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

Danh mục các bảng

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

không xử lý kết hợp với FS 104 Bảng 4.19 Tổng hợp so sánh các phương án xử lý bùn 105

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

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

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

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

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

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

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

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

Hình 3.2 Thí nghiệm BMP 53

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2 76

Hình 4.1 Vị trí các trạm xử lý nước thải ở Hà Nội 79 Hình 4.2 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b 85 Hình 4.3 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a 86 Hình 4.4 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1b 87 Hình 4.5 Sơ đồ xử lý bùn sau tách nước tại các trạm XLNT theo phương án HT 87 Hình 4.6 Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT2 88 Hình 4.7 Lượng bùn trạm XLNT đô thị và FS sau xử lý của các phương án 107 Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ, sinh ra và thu hồi khi xử lý bùn theo các phương án 108 Hình 4.9 Giá thành xử lý và suất vốn đầu tư xây dựng theo các phương án 109

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, hệ thống đô thị được mở rộng cả về quy mô và số lượng Việt Nam đang phải đối mặt với sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở các thành phố lớn, dẫn đến sức ép lớn đối với hệ thống cơ sở hạ tầng và dịch vụ công cộng như năng lượng, cấp thoát nước và bảo vệ môi trường

Hệ thống thoát nước (HTTN) và trạm xử lý nước thải (XLNT) đang được xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị Việt Nam từ 17 trạm XLNT tập trung vận hành với tổng công suất 540.000m3/ngày năm 2012 [19] tăng lên 46 trạm XLNT tập trung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000m3/ngày, xử lý tương đương 14% lượng nước thải đô thị phát sinh, và hơn 50 trạm XLNT tập trung đang ở giai đoạn thiết kế, xây dựng và chuẩn bị chuyển giao để vận hành [8] Bùn phát sinh từ các trạm XLNT

đô thị sẽ trở thành mối quan tâm lớn Lượng bùn trạm XLNT đô thị đã tách nước dự tính đến năm 2050 khoảng 14.473 m3/ngày [73] Nước thải đầu vào các nhà máy XLNT tập trung có hàm lượng giá trị các thông số ô nhiễm như BOD, COD, TSS thấp và lượng bùn phát sinh tại các nhà máy XLNT này cũng nghèo về BOD, COD, TSS

Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trò quan trọng trong thoát nước đô thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các hộ gia đình, trường học,

cơ quan, … Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật (2017), lượng bùn bể tự hoại phát sinh cũng khá nhiều, từ 50.000 m3 tới 218.490 m3 [7] Tuy nhiên, tại các đô thị lượng bùn này thu gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình đạt 32% và khoảng 4% lượng bùn bể tự hoại được xử lý [7] Việc quản lý bể tự hoại và xử lý bùn của các

bể tự hoại còn nhiều tồn tại và bất cập như bùn cặn bể tự hoại chủ yếu hiện nay do tư nhân tổ chức dịch vụ một cách tự phát và đổ xả tùy tiện ra môi trường, việc hút cặn không đúng quy trình kỹ thuật: hút cả cặn mới lẫn cặn đã hoàn thành phân hủy Bùn

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

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 [55] 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

Xu hướng xử lý để thu hồi tài nguyên từ bùn ngày càng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, để giảm lượng bùn thải đưa đi chôn lấp, tiết kiệm quỹ đất vốn ngày càng khan hiếm, và tạo các sản phẩm có giá trị kinh tế như sinh năng lượng (điện, nhiệt), phân bón hay chất cải tạo đất, vật liệu xây dựng, vv…Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về giải pháp quản lý và xử lý bùn từ HTTN và bể tự hoại, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về xử lý kết hợp các loại bùn thải bằng phân hủy kị khí 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 tiêu nghiên cứu của luận án

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

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

- Đề xuất được công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và 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 của luận án

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và bùn nén); + 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 của luận án

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

về bùn bể tự hoại, bùn trạm XLNT đô thị như khối lượng, thể tích bùn; thành phần

và tính chất; các công nghệ xử lý bùn trạm XLNT và bùn bể tự hoại ở Việt Nam Phương pháp này cũng dùng để thu thập số liệu đối chiếu với các nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến đề tài, phục vụ cho nghiên cứu

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

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

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

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

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc một số thông số ngoài hiện trường và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Xây dựng theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế Các thí nghiệm về phân hủy kị khí theo mẻ thực hiện trong phòng thí nghiệm

ở chế độ lên men ấm (35oC), để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng 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 chi phí và lợi ích của các giải pháp kỹ thuật xử lý bùn đề xuất

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

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

5 Cơ sở khoa học của luận án

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 [1] 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 [5]

Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp 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 [51] 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 [61]

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

lý nước thải đô thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để xử lý ổn 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 Tính 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, luận án gồm 4 chương:

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

bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT đô thị

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

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

XLNT đô thị

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

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

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

BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1 Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị

1.1.1 Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị

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

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

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

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

Nước thải sinh hoạt

Nước mưa chảy tràn

Nước thải công nghiệp, dịch vụ

Xử lý tiếp hoặc xả ra nguồn Tái sử dụng hoặc thải bỏ

Bể tự hoại

Bùn nạo vét từ MLTN

Bùn bể

tự hoại

Nước thải đô thị

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

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

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

xử lý bậc 1 [12] Lượng bùn phát sinh trong bể lắng sơ cấp vào khoảng 100 – 300 mg/L nước thải, chứa khoảng 70% chất hữu cơ [129]

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

Lượng bùn thải phát sinh phụ thuộc vào quá trình XLNT được trình bày ở bảng 1.1 đã cho thấy lượng bùn trung bình sinh ra từ bể lắng hai vỏ hay bể lắng sơ cấp bằng 0,15 kg/m3nước thải, từ hệ thống bùn hoạt tính 0,08 kg/m3nước thải, từ hồ sinh học xử lý hiếu khí 0,01 kg/m3nước thải

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

Khối công trình xử lý Bùn khô (kg/1000 m

3 ) Giá trị (min –max) Giá trị thường gặp

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

thải ước tính bằng 5% đến 25% thể tích nước thải xử lý [5], nhưng quản lý bùn rất phức tạp, chi phí thường từ 20% đến 60% tổng chi phí vận hành cho toàn trạm XLNT [39]

Trong tương lai gần, khi nước thải tại các đô thị Việt Nam được thu gom và vận chuyển đến trạm XLNT, cũng như khi các trạm XLNT theo quy hoạch thoát nước được đưa vào vận hành hết công suất, lượng bùn phát sinh cần phải xử lý sẽ lớn hơn rất nhiều Nếu tính lượng chất rắn lơ lửng sinh ra cho một người là 60 g/người.ngày [32], 80% tổng lượng nước thải phát sinh được thu gom xử lý tại các đô thị đến năm

2025 tầm nhìn đến năm 2050 [26]; dân số Việt Nam năm 2019 là 96,21 triệu người với tỷ lệ đô thị hóa là 34,4%, theo dự báo dân số Việt Nam 2014 -2049 [31] thì khối lượng bùn phát sinh dự báo ở các đô thị Việt Nam được tính toán phụ thuộc vào số dân đô thị đấu nối nước thải với HTTN trình bày ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Dự báo khối lượng bùn phát sinh của các đô thị Việt Nam

phụ thuộc vào % số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN

TT Thông số Đơn vị

Số liệu năm

2019

Số liệu năm

2024

Số liệu năm

2034

Số liệu năm

2044

Số liệu năm

6 Nước thải được

TT Thông số Đơn vị

Số liệu năm

2019

Số liệu năm

2024

Số liệu năm

2034

Số liệu năm

2044

Số liệu năm

Kết quả phân tích thành phần, tính chất bùn của 2 trạm XLNT đô thị điển hình Kim Liên và Trúc Bạch ở thành phố Hà Nội, có so sánh với kết quả trung bình của

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

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

Bảng 1.3 cho thấy bùn phát sinh từ các công đoạn xử lý khác nhau có thành phần, tính chất khác nhau Tại các trạm XLNT đô thị với công nghệ bùn hoạt tính, bùn sơ cấp có độ ẩm dao động lớn từ 91% đến 99,7%, tỷ lệ VS/TS dao động là 56,32%

- 80,0%; bùn thứ cấp có độ ẩm 98,8% – 99,6%, tỷ lệ VS/TS dao động là 53,49% - 88,0% Do thành phần chủ yếu là sinh khối của vi sinh vật, bùn thứ cấp có chứa hàm lượng ni tơ, phốt pho và đạm cao hơn bùn sơ cấp, còn hàm lượng hydro cácbon, chất béo thấp hơn bùn sơ cấp

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

bùn sơ cấp tại các trạm XLNT trên thế giới chỉ nằm từ 91- 95%, tỷ lệ VS/TS của bùn

sơ cấp ở Việt Nam nằm trong khoảng 56,32% – 65,03% thấp hơn so với số liệu ở các nước trên thế giới 60%-80% Bùn tích lũy nhiều năm trong hồ kị khí ở Đà Nẵng có hàm lượng hữu cơ thấp, VS/TS = 28,19% [75] Đặc điểm này đòi hỏi phải cân nhắc

kỹ các yếu tố kinh tế - kỹ thuật, quy mô công suất của trạm xử lý, để đảm bảo rằng việc áp dụng các hướng xử lý bùn, thu hồi tài nguyên là có hiệu quả Mặt khác, đặc điểm này cũng cho thấy cần cân nhắc cả hướng xử lý kết hợp bùn với các loại chất thải giàu hữu cơ khác để tăng hiệu quả kinh tế

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

đô thị đã khảo sát ở Hà Nội, Đà Nẵng so sánh với giới hạn quy định đối với đất nông nghiệp nằm trong ngưỡng cho phép Bùn cặn còn chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh Mỗi gam chất khô bùn có thể chứa 106 vi khuẩn E Coli, 102-103 vi khuẩn Salmonella,

102-104 virus Entero, 102-103 đơn bào Giardia, 102-103 trứng giun, sán các loại [6] Bùn trạm XLNT đô thị 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 Việc sử dụng bùn tươi làm phân bón hay thải bỏ đều không an toàn Do đó, cần phải

xử lý bùn để ổn định, giảm mùi khó chịu và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, giảm lượng nước và khối lượng bùn ở mức tối thiểu

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

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

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

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

Phương pháp làm đặc bùn (tách nước sơ bộ) nhằm giảm độ ẩm bùn để các khâu xử lý tiếp theo diễn ra được ổn định, giảm khối tích các công trình cũng như tiết

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

- Phân hủy hiếu khí

- Ly tâm

- Ép băng tải

- Ép dạng tấm

- Sân phơi

- Bãi lọc trồng cây

- Hồ phơi, ổn định bùn

- Ủ compost

- Sấy trực tiếp

- Sấy gián tiếp

- Sấy bằng năng lượng mặt trời

- Đốt đa vùng

- Đốt tầng sôi

- Đốt cùng chất khác

- Lò nung

Phương pháp phân hủy hiếu khí và phân hủy kị khí vẫn đang được áp dụng phổ biến trên thế giới Ở Châu Âu, 24/27 (89%) quốc gia xử lý bùn bằng phân hủy kị khí và 20/27 (74%) quốc gia sử dụng phương pháp hiếu khí [76] Phân hủy kị khí được sử dụng phổ biến ở Tây Ban Nha, Anh, Ý, Phần Lan và Slovakia Cộng hòa Czech và Ba Lan đang sử dụng phổ biến công nghệ phân hủy hiếu khí Ổn định bùn bằng hóa chất nói chung ít phổ biến Bên cạnh đó, ủ compost cũng được áp dụng ở 25/27 (93%) quốc gia Châu Âu [76] Một số quốc gia như Đức, Pháp, Thụy Điển, Ý, Bulgari, vv áp dụng kết hợp phân hủy kị khí với ổn định bằng vôi Từ năm 1990, trên 20 trạm XLNT ở Đức đã áp dụng phương pháp phân hủy kị khí nhiều bậc, kết hợp chế độ lên men ấm và nóng [76]

Phương pháp khử nước nhằm giảm độ ẩm, giảm thể tích bùn để dễ vận chuyển

và sử dụng Sử dụng sân phơi bùn là phương pháp khử nước bùn cặn trong điều kiện

tự nhiên, nhờ cơ chế nén, bay hơi, thấm xuống đất Bùn sau khi phơi chứa 20% - 25% chất rắn khô [131] Đối với các trạm có công suất lớn, không đủ diện tích đất xây dựng sân phơi bùn hoặc những vùng khí hậu mưa nhiều, thường áp dụng các phương pháp làm khô bùn bằng cơ học Chất rắn khô chứa trong bùn đã tách nước có thể đạt 25% – 35%, đôi khi lên đến hơn 50% [91], [131]

Hình 1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý bùn tại các trạm xử lý nước thải [5]

Xử lý sơ

Đốt và thu nhiệt

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

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

Ở Châu Âu, tỷ lệ phân bố giữa các mục đích sử dụng bùn năm 2010 là 42% cho nông nghiệp, 27% đốt, 14% chôn lấp và 16% cho các mục đích khác Dự kiến đến năm 2020, các tỷ lệ tương ứng sẽ là 44%, 32%, 7% và 16% [81] Như vậy, tỷ lệ bùn sử dụng trong nông nghiệp không thay đổi lớn, trong khi tỷ lệ bùn chôn lấp sẽ giảm, và đốt bùn sẽ trở nên phổ biến hơn Trên thực tế, phương pháp đốt đang được

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

1999 và lên tới 450 trạm năm 2012 [76] Công nghệ đốt chủ yếu được áp dụng là lò đốt tầng sôi Ngoài ra, có thể dùng phương pháp đốt bùn ở lò đốt riêng, hay kết hợp với lò đốt chất thải rắn, lò nung xi măng, nhà máy nhiệt điện, ổn định và sấy bùn bằng năng lượng mặt trời Tuy nhiên, giải pháp công nghệ cao này đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, và sẽ không có hiệu quả kinh tế nếu không có mô hình tổ chức tốt để tận thu nhiệt sau đốt cung cấp cho các tổ hợp công nghiệp liền kề

Hiện nay, HTTN ở các đô thị Việt Nam chủ yếu là hệ thống thoát nước chung với XLNT bằng phương pháp sinh học trong đó công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính

là thông dụng hơn cả và phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng tại các trạm XLNT

đô thị vẫn là khử nước và chở đi chôn lấp (hình 1.3)

Nhiều thành phố hiện nay đang gặp khó khăn trong việc bố trí diện tích chôn lấp bùn thải từ trạm XLNT 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), sau khi làm khô bùn cơ học (trạm XLNT Bình Hưng, thành phố Hồ Chí Minh) Tuy nhiên thị trường tiêu thụ phân vi sinh, cũng như ô nhiễm không khí do mùi, là các vấn đề nan giải của giải pháp này

Bùn từ trạm XLNT đô thị chứa một lượng lớn chất hữu cơ, có thể phân hủy được bằng phương pháp sinh học, cũng như các hợp chất chứa N và P có thể là tài nguyên có giá trị Thu gom, xử lý bùn bằng phương pháp kị khí để thu hồi biogas, tiến tới xử lý kết hợp bùn của trạm XLNT với các dòng chất thải giàu hữu cơ, là hướng đi cần cân nhắc khi lựa chọn công nghệ và định hướng quy hoạch quản lý chất thải đô thị Khí tạo thành có thể sử dụng làm nhiên liệu, như dùng để phát điện, đảo

Kênh ôxy hóa

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

Nén bùn

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

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

1.2.1 Lượng bùn bể tự hoại

Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trò quan trọng trong thoát nước đô thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các khu vệ sinh (nước đen) của các hộ gia đình, cơ quan, … trước khi xả vào HTTN đô thị Phần lớn các chất ô nhiễm của nước thải sinh hoạt chứa trong nước đen, chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh

và cặn lơ lửng Lượng cặn thải ra theo đầu người thường dao động trong khoảng 100

÷ 400 gam trọng lượng ướt/người/ngày, tùy theo tập quán sinh hoạt và chế độ dinh dưỡng Lượng bùn tích lũy trong bể tự hoại 30 ÷ 40 L/người/năm [1]

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

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

Hồ Chí Minh và Hải Phòng cho thấy: lượng bùn bể tự hoại được hút tại các hộ 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 [2] Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật

(2017) [7] khi xây dựng cơ sở dữ liệu quốc gia về phát sinh, thu gom và xử lý bùn thải tại Việt Nam cho thấy lượng bùn bể tự hoại phát sinh ở các đô thị khá nhiều, từ 50.000 m3/năm tới 218.490 m3/năm Tuy nhiên, lượng bùn bể tự hoại thu gom ở các

đô thị cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình chỉ đạt 32% và khoảng 4% lượng

bùn bể tự hoại được xử lý [7]

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

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

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

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

1.2.2 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại

Trong bể tự hoại diễn ra quá trình lắng cặn và lên men cặn lắng Các chất hữu

cơ trong nước thải và bùn cặn đã lắng, chủ yếu là các hydrocacbon, đạm, béo, … được phân hủy bởi các vi khuẩn kị khí và các loài nấm men Chất không tan chuyển thành chất tan và chất khí Hiệu suất xử lý chất hữu cơ theo BOD và COD trong bể

tự hoại thường đạt trung bình 25% ÷ 45% [1]

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

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

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

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

Nhật Bản *

Thái Lan * Việt Nam **

-32.000

5.000 - 25.400

1.720 - 74.850

19.300

1.010 - 50.900

4 TSS mg/L 12.862 45.000 18.000

-24.000

3.700 - 24.100

1.380 - 66.970

5 VSS mg/L 0,027 29.900 50 - 70%

của TSS

3.000 18.000

-890 – 43.660

6 COD mg/L 31.900 28.975 8.000 -

15.000

5.000 - 32.000

2.833 - 83.833

Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Phương Thảo (2016) [34] cho thấy thành phần, tính chất của bùn bể tự hoại ở Hà Nội năm 2012, giá trị COD dao động rất lớn

từ 15.600 mg/L đến 79.500 mg/L, TN từ 80 mg/L đến 1.689 mg/L và TP dao động từ

82 mg/L đến 678 mg/L Như vậy, bùn bể tự hoại ở Việt Nam có hàm lượng COD và VS/TS cao, mặc dù bùn trong bể tự hoại có khi hơn 10 năm mới hút, họ chỉ hút khi gặp các vấn đề như tắc, tràn nước, mùi hôi, sửa nhà (hình 1.4)

Hình 1.4 Giá trị COD, TN và TP (mg/L) của bùn bể tự hoại với

chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội

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

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

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

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

bể tự hoại vẫn còn cao, COD trong bể có chu kỳ hút từ 10 đến 20 năm là 47.693 mg/L, trong bể có chu kỳ hút đến 10 năm là 30.606 mg/L; tỷ lệ VS/TS của bùn bể tự hoại

có chu kỳ hút đến 5 năm là 70,45%, chu kỳ hút đến 10 năm là 72,61% và chu kỳ hút đến 20 năm là 71,37% Hàm lượng VS của bùn bể tự hoại vẫn còn cao, tỷ lệ VS/TS cao và không thay đổi nhiều so với các chu kỳ hút khác nhau (hình 1.5)

Hình 1.5 Giá trị TS và VS (g/L), VS/TS (%) của bùn bể tự hoại với

chu kỳ hút khác nhau ở Hà Nội

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

án PURR năm 2015 – 2017 giữa IESE, trường Đại học Xây dựng với EAWAG, Thụy

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

Nhiều nghiên cứu đã cho thấy chất thải có thành phần hữu cơ cao có thể xử lý bằng phương pháp sinh học kị khí [22], [18], [61], [91] Bùn bể tự hoại với thành phần chất hữu cơ cao như trên, có thể áp dụng phương pháp sinh học kị khí để ổn định, phân hủy chất hữu cơ trong phân bùn, đồng thời thu hồi khí CH4 sinh ra Bên cạnh đó, cần lưu ý, bùn bể tự hoại cũng chứa nhiều chất rắn, hàm lượng TN cao, và nhiều vi sinh vật gây bệnh Bùn bể tự hoại chứa 600 – 6.000 trứng giun sán/L, Coliforms 1x 105 CFU/100 mL [83]

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

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

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

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

từ trạm XLNT

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

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

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 bùn bể tự hoại được xử

lý [19] Công ty Urenco có thu gom và xử lý kết hợp một phần bùn bể tự hoại và rác hữu cơ (ủ phân compost) để sản xuất phân vi sinh 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 (bảng 1.5)

Bảng 1 5 Xử lý bùn bể tự hoại tại một số thành phố ở Việt Nam [19]

Thành phố Công trình, quy trình xử lý Hiện trạng

Hà Nội

Trạm xử lý Cầu Diễn: chủ yếu

xử lý rác thải

Xử lý bùn bể tự hoại: hiện có 2 giải pháp xử lý: (1) phối trộn với chất thải hữu cơ để sản xuất phân vi sinh; (2) phân hủy yếm khí/ Lắng

Xử lý được 10 - 30 m3/ngày (hầu hết

là phân bùn nhà vệ sinh công cộng do công ty Môi trường Đô thị Hà Nội nạo vét) trên tổng số 500m3 phát sinh mỗi ngày Phương án (1) không hiệu quả, phương án (2) có hiệu quả thấp Bùn thải sau khi lắng được mang đi chôn lấp

Bùn bể trự hoại mà các đơn vị tư nhân nạo vét bị đổ trái phép vào cống thoát nước hoặc ra môi trường

Hải Phòng

Trạm xử lý bùn Tràng Cát: xử

lý bùn bể tự hoại và bùn mương/ cống thoát nước

Quy trình xử lý: phơi bùn - ủ vi sinh (với thiết bị trộn cơ khí) – sàng – bổ sung phụ gia – đóng gói để bán Chất thải còn lại được chôn lấp ở bãi chôn lấp

Công ty Thoát nước Hải Phòng thu gom 30 – 50 m3 bùn/ngày bao gồm cả nạo vét định kỳ bể tự hoại hộ gia đình

và nạo vét theo yêu cầu của khách hàng

Bùn thải sau xử lý/ ủ vi sinh được giữ lại ở trạm Hiệu quả thương mại thấp Bùn bể tự hoại mà các đơn vị tư nhân nạo vét đổ vào cống thoát nước hoặc

ra môi trường

Thành phố Công trình, quy trình xử lý Hiện trạng

Đà Nẵng

Bài chôn lấp Khánh Sơn: xử lý bùn bể tự hoại

Quy trình xử lý: Lắng Bùn thải sau khi lắng được bơm vào bãi chôn lấp

Công suất tiếp nhận hiện nay là 50 m3bùn bể tự hoại mỗi ngày

Công suất xử lý: 150 m3 phân bùn từ nhà vệ sinh/ ngày

ra thị trường để cải tạo đất

Lượng bùn tiếp nhận từ 2 - 3 xe (tải trọng 5 – 9 m3)/ ngày được xử lý ở nhà máy XLNT

Buôn Ma

Thuột

Bùn bể tự hoại được xử lý ở nhà máy XLNT

Một phần bùn bể tự hoại được

ủ ở các vườn cà phê

Lượng bùn tiếp nhận từ 2 – 3 xe (tải trọng 5 – 9 m3)/ ngày được xử lý ở nhà máy XLNT

Các trạm thu gom và xử lý bùn bể tự hoại không đủ đáp ứng khối lượng rất lớn hiện nay ở các đô thị Trên thực tế ở nhiều đô thị, bùn bể tự hoại sau khi hút thường được đổ thẳng ra bãi chôn lấp cùng với các loại rác thải đô thị và các loại bùn cặn cống khác hoặc xả trực tiếp vào các hồ nuôi cá, sử dụng trực tiếp để bón cho các loại rau quả Nhiều doanh nghiệp tư nhân sau khi hút bùn bể tự hoại còn xả thẳng vào cống thoát nước thành phố Điều này không những gây ô nhiễm môi trường mà còn

là nguy cơ tác động trực tiếp tới sức khoẻ cộng đồng

Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại có những ưu, nhược điểm riêng được trình bày ở bảng 1.6

Bảng 1 6 Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại

trên thế giới và ở Việt Nam [1], [33], [83], [134]

Thi công đơn giản Ô nhiễm môi trường

Yêu cầu bảo trì thấp - Tốn diện tích

- Ô nhiễm môi trường không khí

Ủ compost kết hợp cùng chất thải thực phẩm

Sản phẩm tạo thành làm phân bón cho cây trồng

- Vận hành phức tạp (tỷ lệ phối trộn bùn bể tự

hoại:chất thải thực phẩm; sục khí vào đống ủ )

- Chưa tiêu diệt được triệt

để mầm bệnh

- Tốn năng lượng để sục khí

- Ô nhiễm môi trường không khí

Ủ kị khí

- Tạo ra biogas để sản xuất điện, nhiệt năng

- Sản phẩm tạo thành làm phân bón cho cây trồng

- Vận hành phức tạp (khó thu gom biogas so với các

bể phân hủy kị khí)

Phân hủy kị khí kết hợp với bùn

từ trạm XLNT, rác hữu cơ,

- Tạo ra biogas để sản xuất điện năng, nhiệt năng

- Sản phẩm sau xử lý làm phân bón cho cây trồng

- Công nghệ còn mới, cần nghiên cứu làm chủ công nghệ

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 Công nghệ ủ compost ở chế độ hiếu khí có chi phí đầu tư xây dựng cao, chi phí vận hành cao là do tiền điện (thổi khí cưỡng bức) và máy móc thiết bị đảo trộn, chi phí vận chuyển cao và sản phẩm đầu ra vẫn chưa được thị trường đón nhận rộng rãi 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

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong môi trường kị khí (AD) để tận thu năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ IXX và được nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỷ XX [49] Phương pháp phân hủy kị khí xử lý được cả chất thải dạng rắn và dạng lỏng, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng xanh là khí mê tan Vì vậy phương pháp này được áp dụng ở nhiều nhà máy XLNT trên thế giới khi kết hợp xử lý hai hay nhiều cơ chất khác nhau [51] Ứng dụng công nghệ phân hủy kị khí các chất thải đã mang lại hiệu quả thu hồi năng lượng cao, giảm thể tích bùn [55]

Phân hủy kị khí kết hợp không chỉ đẩy nhanh quá trình thủy phân và sản sinh khí sinh học mà nó còn mang lại nhiều lợi ích khác như pha loãng các hợp chất độc hại của cơ chất; cung cấp các chất dinh dưỡng còn thiếu; hiệu ứng đồng vận của vi sinh vật; tăng tải trọng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học; lợi ích kinh tế của việc chia sẻ thiết bị; và tăng năng suất khí sinh học [96], [115] Theo tính toán tiềm năng sinh khí sinh học, bất kỳ loại sinh khối nào chứa các thành phần chính như carbohydrate, protein, chất béo, cellulose và hemicellulose đều có thể làm cơ chất cho AD [56], [132] hay các cơ chất có hàm lượng VS cao và hàm lượng các chất không có khả năng phân hủy sinh học thấp là các cơ chất phù hợp cho xử lý bằng phân hủy kị khí [53]

Trên Thế giới, đã có nhiều công trình và nghiên cứu về xử lý kị khí chất hữu

cơ từ các nguồn khác nhau: nghiên cứu về xử lý kị khí từ nhiều nguồn chất thải hữu

cơ khác nhau ở chế độ lên men ấm [52]; nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn trạm XNLT và rác hữu cơ [66]; nghiên cứu sự ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ (OLR) khi phân hủy kị khí kết hợp giữa rác thải đô thị và bùn hoạt tính của trạm XLNT, quá trình vận hành khi OLR bằng 8,0 kgVS/m3.ngày sinh khí mê tan nhiều nhất là 2,94m3/m3.ngày với thời gian lưu thủy lực 15 ngày [85]; hệ thống kị khí đã được sử dụng để phân hủy kết hợp bùn trạm XLNT đô thị với nước hành từ quá trình chế biến hành [110]; nghiên cứu xử lý kị khí bùn từ trạm XLNT ở chế độ lên men ấm cho thành phần khí mê tan sinh ra chiếm tỷ lệ 59% trong biogas với bùn tươi và 46,1% với bùn lưu giữ lâu ngày, và khi xử lý kết hợp bùn trạm XLNT với chất thải nông nghiệp sẽ làm tăng sản lượng biogas [124]; nghiên cứu phân hủy kị khí bùn sơ cấp, loại bỏ 50 – 55% chất hữu cơ và thu được 0,85 – 1,2 Nm3 biogas trên 1kg chất hữu

cơ [81]; xử lý kết hợp bùn trạm XLNT với chất thải rắn hữu cơ trên mô hình pilot tại Đức, Thụy Sỹ [59]; và tại Đan Mạch cũng tiến hành nghiên cứu đầu tiên về xử lý kị khí kết hợp bùn trạm XLNT với chất thải nông nghiệp [4]; xử lý kết hợp kị khí bùn trạm XLNT với chất thải từ chế biến gia cầm (có hàm lượng lipids và ammonia cao); các kết quả nghiên cứu tại trạm xử lý kị khí kết hợp bùn trạm XLNT và rác hữu cơ quy mô công nghiệp tại Velenje, Slovenia cho thấy năng lượng sinh ra và hiệu suất quá trình xử lý cao hơn so với xử lý riêng rẽ từng loại chất thải [137]

Labatut và các cộng sự (2011) [80] đã thực hiện hơn 175 thí nghiệm về tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phân hủy sinh học ở điều kiện lên men ấm (35±10C) với hơn 30 cơ chất hữu cơ, bao gồm cả mẫu đơn và mẫu đồng phân hủy Kết quả cho thấy khi đồng phân hủy kị khí với các cơ chất có khả năng phân hủy dễ sẽ tăng hiệu suất sinh khí mê tan so với sự phân hủy của các cơ chất riêng biệt

Theo U.S EPA (1994) [119] các nghiên cứu được thực hiện ở Lebanon, Ohio

đã thí nghiệm để đánh giá hiệu quả sự phân hủy kị khí của phân bùn riêng, cũng như

sự phối trộn của phân bùn với bùn sơ cấp: Kết quả của nghiên cứu khi phối trộn phân bùn với bùn sơ cấp không có ảnh hưởng bất lợi đến quá trình phân hủy Quá trình

phân hủy kị khí trong điều kiện lên men ấm 32 - 350C, với SRT 30 ngày, sản lượng trung bình biogas sinh ra từ quá trình phân hủy kị khí của phân bùn thấp hơn 9% so với bùn sơ cấp, sự giảm chất rắn dễ bay hơi của phân bùn được phân hủy cũng thấp hơn 25% so với bùn sơ cấp trong quá trình thí nghiệm, điều này có thể do phân bùn

đã được ổn định một phần nhờ quá trình kị khí xảy ra khi được lưu giữ trong bể tự hoại

Xử lý kết hợp các dòng chất thải bằng phân hủy kị khí đã mang lại hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ cao, tăng hiệu suất sinh khí mê tan so với khi chỉ xử lý riêng rẽ từng loại chất thải

Như vậy, 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

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam

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, đồng thời bán chứng chỉ giảm phát thải từ việc thu lượng khí CO2; 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 [4] Bên cạnh đó cũng đã có một số tác giả, nhóm nghiên cứu thực hiện các nghiên cứu về xử lý kị khí:

Nghiên cứu của Trần Đức Hạ và Nguyễn Văn Tín (2005) [14] về XLNT các

nhà máy bia theo mô hình lọc ngược kị khí – Aeroten hoạt động gián đoạn cho thấy

hiệu quả khử BOD trong nước thải có thể đạt tới 95%, hệ thống hoạt động ổn định, giá thành hạ và tiết kiệm diện tích đất xây dựng

Nghiên cứu của Nguyễn Việt Anh (2007) [1] về xử lý kị khí nước thải bằng

bể Bastaf cho các loại nước thải khác nhau, hiệu suất xử lý cao, ổn định Hiệu suất

xử lý trung bình theo COD, BOD5 và TSS tương ứng là 75-90%, 70-85% và 75-95%

Nghiên cứu của Nguyễn Thu Huyền (2010) [17] nghiên cứu giải pháp nâng

cao hiệu quả quản lý phân bùn bể tự hoại cho các đô thị Việt Nam – nghiên cứu điển hình cho thành phố Hà Nội, nghiên cứu đã đưa ra giải pháp ủ hiếu khí phối trộn phân bùn với chất rắn hữu cơ để sản xuất phân compost, cụ thể như tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa chất thải rắn hữu cơ và phân bùn bể tự hoại sau tách nước là 4:1, nhiệt độ đống ủ đạt 600C – 800C từ 6 – 8 ngày Tuy nhiên phương pháp ủ compost, phân bùn

bể tự hoại cần được tách nước trước khi ủ phối trộn và cần cấp khí trong quá trình ủ, ngoài ra còn phát sinh nước rỉ rác, mùi và khí CO2 ra môi trường xung quanh

Nghiên cứu của Nguyễn Phước Dân và Lê Hoàng Nghiêm (2011) [10]

nghiên cứu các giải pháp công nghệ và quản lý bùn thải từ các trạm XLNT sinh hoạt tập trung trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, trong đó thí nghiệm phân hủy kị khí bùn để xác định sản lượng khí sinh học sinh ra được thực hiện trong điều kiện nhiệt

độ phòng thí nghiệm và khuấy trộn rất ít (1 phút một ngày), kết quả nghiên cứu đã thu được sau 60 ngày phân hủy kị khí của bùn lấy tại bể lắng thứ cấp của trạm XLNT sinh hoạt Công viên phần mềm Quang Trung với độ ẩm của bùn 96,5-96,6%, VS của bùn 53,1-59,6% thì hiệu suất giảm VS là 22,84% và thu được 1378,0 mL biogas/L bùn, trong đó thể tích khí CH4 là 870,5 mL/L bùn chiếm 63,2% tương ứng thu được 45,82 mL khí CH4/gVS bùn vào Kết quả nghiên cứu phân hủy kị khí của bùn lấy tại

bể chứa của trạm XLNT sinh hoạt khách sạn New World có độ ẩm 96,3 - 96,7%, VS của bùn 65,3 - 69,6%, sau 28 ngày phân hủy kị khí thì hiệu suất VS giảm 10,16%, và sau 38 ngày phân hủy thu được 2227,0 mL biogas/L bùn với thể tích khí CH4 là 1493,5 mL/L bùn chiếm 62,5% tương ứng thu được 67,3 mL khí CH4/gVS bùn vào

Nghiên cứu của Trần Văn Quang và cộng sự (2012) [23], nghiên cứu hiện

trạng sử dụng, quản lý bể tự hoại và phân bùn bể phốt ở các hộ gia đình tại thành phố