Luận án Tiến sĩ Môi trường: 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).pdf (Luận án Tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM) Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải Mã số: 9520320-2 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. Nguyễn Việt Anh Hà Nội – Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ “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)” 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 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Xây dựng nơi tôi học tập, Khoa Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Bộ môn 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 và Viện 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 i 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 ii 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 CH4 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 CH4 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 iii 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 iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Ký hiệu, các chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AD Phân hủy kị khí Anaerobic digestion AO Thiếu khí/ Hiếu khí Anoxic/Oxic A2O Kị khí/ Thiếu khí/ Hiếu khí Anaerobic/Anoxic/Oxic BMP Tiềm năng sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential BOD Nhu cầu ôxi sinh hóa Biological Oxygen Demand CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge CHP Nhiệt điện kết hợp Combined Heat and Power CH4 Mê tan Methane CO2 Cacbonic Carbon dioxide COD Nhu cầu ôxi hóa học Chemical Oxygen Demand DCCN Dây chuyền công nghệ - DS Chất rắn khô Dry solids EAWAG Viện Khoa học và Công nghệ Nước Institute of Water Science and (Thụy Sỹ) Technology FS Bùn bể tự hoại Faecal sludge 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 Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi Institute of Environmental trường, Trường Đại học Xây dựng Science and Engineering OLR Tải trọng hữu cơ Organic Loading Rates N2 Ni tơ Nitrogen PS Bùn sơ cấp Primary sludge PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất Project on Urban Resource thải đô thị Recovery from Waste IESE v Ký hiệu, các chữ Tiếng Việt Tiếng Anh viết tắt SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động Sequencing Batch Reactor theo mẻ SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time SS Chất rắn lơ lửng Suspended Solids TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK Tài liệu tham khảo TN Tổng nitơ Total Nitrogen TP Tổng phốt pho Total Phosphorus TS Tổng chất rắn Total Solids TSS Tổng lượng cặn lơ lửng Total Suspended Solids VFA Axit béo bay hơi Volatile Fatty Acid VNĐ Đồng Việt Nam VS Chất rắn bay hơi Volatile Solids VSS Chất rắn lơ lửng bay hơi Volatile Suspended Solids XLNT Xử lý nước thải WAS1 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT có Waste sctivated sludge from bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant with primary sedimentation tank WAS2 Bùn thứ cấp trong trạm XLNT Waste sctivated sludge in không có bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant without primary sedimentation tank WAS Bùn nén (Bùn sau bể nén bùn) Thickened Sludge vi 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