Nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƢỜNGĐẠ IH Ọ C X  YD Ự N G LUẬNÁNNGHIÊNCỨUSINH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰHOẠIVÀRÁCHỮUCƠBẰNGPHƢƠNGPHÁPSINHHỌCKỲKHÍỞC HẾ ĐỘ LÊNMENNÓNG NGÀNH:K Ỹ T H U Ậ T M Ô I T R Ƣ Ờ N G MÃSỐ:62.5 2.03.20 NĂM2015 MỞĐẦU ĐẶTVẤNĐỀ Hàng ngày, lượng chấtthải phát sinh cácđ ô t h ị r ấ t l n T i k h u v ự c đ ô thị, hầu hết gia đình sử dụng bể tự hoại để xử lý nước thải hộ gia đình trướckhi đổ vào hệ thống thoát nước chung thành phố Lượng bùn hút từ bể tựhoại phát sinh hàng năm hộ gia đình lớn, thành phố Hà Nội ước tínhkhoảng 517 m 3/ngày[2].Một phần lượng bùn bể tự hoại công ty Urenco thugom xử lý kết hợp với rác hữu để xử lý phân vi sinh, phần cịn lại cáccơngtytư nhânthugom,vậnchuyển Bên cạnh đó, chất thảirắnsinh hoạt phát sinh đô thị hàngn g y r ấ t lớn Tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt đô thị phát sinh tồn quốc tăngtrung bình 10-16% năm, tỉ lệ rác hữu chiếm > 51% rác thảisinh hoạt[24] Biện pháp xử lý rác hữu chủ yếu chôn lấp, gây ônhiễmmôitrườngvàquátảibãichônlấp Theochiến lược quốc giavề quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025,tầm nhìn đến năm 2050 doTh tngChính phủ ban hành ngày 17 thỏng 12 năm2009sphỏttrinchngtrỡnhthỳcđẩyphânloạichấtthảirắntạinguồnnhằmmục đích tỏch riờng rỏc vô hữu cơ, tỏi chế, tỏi sử dụng chất thải để giảm thiểu diệntíchbÃichônlấp.TheomụctiờucụthểcủaChinlcquốcgiađếnnăm2015:85%tng lngchất thải rắn sinh hoạt đụthị phỏt sinhcthu gom, 60%lngchấtthảictỏichế,tỏisửdụng,thuhồinnglnghoặcsảnxuấtphânhữucơ; 30%bựnbểphốtcủacỏcđôthịtừloạiIItrở lờn 10% cỏc đô thị cònlạicthugom xử lý đảm bảomụi trng; 50% rỏccphân loại nguồn Cỏc giải phỏpc ara để thực hiệnChin lcquốc gia bao gồm: phòng ngừa giảm thiểuphỏtsinhchấtthảirắn; thúcđẩyphânloạichấtthảirắntạinguồntrongđóphỏttriểncơ sở hạ tầng, thu gom xử lý riờng đốivớitừng loại chất thải rắn sau đà phânloại;tăng cãờngtỏisử dụng, tỏichế chất thảirắn;xửlýchấtthảirắn Tinhiunctrờnthgii,cụngnghxlýkkhớcỏcchtthigiuhu c ch nhit khácnhau: lênmenấmhoặclên mennóngđãđượcápdụngở quy mơ lớn, quy mơ cơng nghiệp để giảm thiểu lượng chất thải đưa đến bãi chôn lấp,giảm nguy gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo sản phẩm biogas phục vụcho sản xuất điện nhiệt năng.Các nghiên cứu trước cho thấy xử lýkỵ khí chất thải chế độ lên men nóng cho ưu điểm chế độ lên men ấm vềlượngk h í m e t a n s i n h r a c a o h n , t h i g i a n p h â n h ủ y ngắ n h n v b ù n s a u x l ý đượctiêudiệthồntồnmầmbệnh,cóthểđượcsửdụnglàmphânbónchocâytrồng Giải pháp xử lý chất thải phương pháp sinh học kỵ khí chế độ lên mennóngđốivớicácloạichấtthảicónhiềutiềmnăng,vì vậycóthểápdụngtrongđiềukiệnViệtNam Đề tài luận án:“Nghiên cứu q trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại ráchữucơbằngphƣơngphápsinhhọckỳkhíởchếđộlênmennóng”là cầnthiết, để đáp ứng u cầu bảo vệ môi trường, phù hợp với định hướng chiến lượcphát triểntrong tương lai việc lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý cho đô thịlớntạiViệtNam,hướngtớipháttriểnbềnvững MỤCTIÊUNGHIÊNCỨU CỦALUẬN ÁN Mụctiêunghiêncứucủaluậnán: Nghiên cứu tính khả thi hiệu mặt kỹ thuật công nghệ phân hủysinh học kỵ khí lên men nóng để xử lý hỗn hợp bùn bể tự hoại rác hữu (chấtthảithựcphẩm)trongđiềukiệnViệtNam Nghiên cứu đánh giá số yếu tố ảnh hưởng tới q trình sinh học kỵkhí chế độ lên men nóng tới hiệu sinh metan: tỷ lệ bùn bể tự hoại: chất thảithựcphẩm, tảilượnghữucơcủachấtthải Xác định thông số động học đặc trưng q trình xử lý kỵ khí hai loại chấtthảinóitrênởchếđộlênmennóng ĐỐITƢỢNGVÀPHẠMVINGHIÊNCỨU Đốitƣợngnghiêncứu Đốitượngnghiêncứulà bùnbểtự hoạivàchấtthảithựcphẩm Phạmvinghiêncứu Phạmvinghiêncứu:tạicácthành phốlớn,lấyHàNộilàmvídụnghiêncứu Cơng nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại chất thải thực phẩm phương phápsinh học kỵ khí chế độ lên men nóng thực phịng thí nghiệm (thínghiệmtheomẻ) vàứngdụngthử nghiệmtrênmơhìnhPilot (thínghiệmliêntục) NỘI DUNG NGHIÊN CỨUNộidungchínhcủaluậnán Tổngqua nv ề s ố lư ợ n g, t h n h p h ầ n , t í n h c hấ t c ủ a b ù n c ặ n b ể t ự h oạ i , r c hữucơvàcơsởlýthuyếtqtrìnhphânhủykỵkhíởchếđộlên mennóng Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm: Thí nghiệmtheo mẻ thí nghiệm liên tục – mơ hình pilot Thí nghiệm theo mẻ nghiên cứu xửlýkỵkhíkếthợpbùnbểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmvớicáctỉlệphốitrộnBùnbể tự hoại:chấtthảithựcphẩmkhácnhauởcácchếđộlênmenấm lênm e n nóng Thí nghiệm theo mẻ cho phép so sánh chế độ lên men lượng khímetans i n h r a , h i ệ u s u ấ t q u t r ì n h x l ý t h e o C O D v h i ệ u s u ấ t s i n h k h í m e t a n Đồngthờixácđịnhđượctỉlệphốitrộntốiưulàcơsởđểthựchiệnthínghiệmliêntục Thí nghiệm liên tục mơ hình Pilot 1000 lít thực dựa tỉ lệphốit r ộ n c ủ a t h í n g h i ệ m t h e o m ẻ , c h o p h é p x c đ ị n h l ợ n g k h í b i o g a s v t h n h phần khí biogas, xác định thơng số vận hành tối ưu - tải lượng hữu tối đanạpvàohệvàchấtlượnghỗnhợpbùn bểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmsauxửlý Kếtq uả thựcnghiệ m củathí nghiệmt h e o mẻ đượcs dụ ng để nghiê ncứ umơphỏngqtrìnhphânhủykỵkhíbùnbểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmbằngbằng phần mềm GPS-X.Kết phần mềm GPS-X cho phép xác định cácthông số đặc trưng hệ số phân hủy nội sinh kdcủa bùn bể tự hoại chất thải thựcphẩm phương pháp sinh học kỵ khí chế độ lên men nóng Từ giúp choviệctínhtốn,thiếtkếđượccơng trìnhtrongnhàmáyxử lýchấtthải Thảo luận,nhậnxétkếtquảnghiêncứu vàkếtluận PHƢƠNGPH ÁP NG H IÊN C Ứ U Phươngphápnghiên cứutổnghợptàiliệu Thu thập tài liệu liên quan thành phần, tính chất, phương pháp xử lýbùnbểtự hoại,ráchữucơ… Phươngpháp nghiêncứulýthuyết Nghiên cứu sở lý thuyết trình xử lý kỵ khí chất thải chế độlên menấmvà lênmennóng Phươngphápnghiêncứuthựcnghiệm Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc số thơng số ngồi trường, phân tích tínhtốnvàtổnghợpcácsốliệuthuđược Tiến hành thí nghiệm theo mẻ thí nghiệm liên tục, xử lý kết hợp bùn bể tựhoạivàchấtthảithựcphẩm Thí nghiệm theo mẻ thực phịng thí nghiệm với hệ thí nghiệm(mỗi hệ thí nghiệm gồm bình dung tích 500ml) chế độ lên men ấm (35oC) lênmennóng(55oC) với tỉ lệ phối trộn khác bùn bể tự hoại chất thảithựcphẩm Thí nghiệm liên tục chế độ lên men nóng (55 oC)được thực mơhìnhPilot1000lvớitỉlệphốitrộntốiưutừthínghiệmtheomẻ Phươngphápsửdụngmơhìnhtốnhọcđểmơphỏng Các kết thí nghiệm theo mẻ sử dụng để chạy phần mềm GPS-X mơphỏngqtrìnhxửlýkỵkhíkếthợpgiữabùnbểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmởchế độ lên men nóng, để xác định thơng số động học bùn bể tự hoại vàchấtthảithực phẩm Phươngphápsosánh, phântích So sánh xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại chất thải thực phẩm hai chếđộ lên men ấm lên men nóng Phân tích, nhận xét kết thu So sánh vớicácnghiêncứuphânhủykỵkhísinhmetancủa nghiêncứu khác Phươngpháp thốngkê–xácsuất Ápdụngphươngpháp thốngkê,xácsuất đểxửlýkếtquảthuđược Phươngpháptổnghợp Tổnghợp, liênkết cácthôngtinlạivới nhaumộtcáchcóhệthống Phươngpháp chuyêngia Tham khảo ý kiến, kinh nghiệm chun gia có chun mơn sâu vềlĩnhvựcliênquan CƠ SỞ KHOA HỌC, TÍNH MỚI VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁNCơsở khoahọc Chất thải thực phẩm giàu cacbon có tiềm sinh khí metan cao, xửlý phương pháp sinh học kỵ khí để tận thu lượng phân bón Để xử lýrác hữu phương pháp kỵ khí, cần kiểm sốt tốt q trình cách điềuchỉnhtảilượng nguyênliệunạpphùhợp,tiềnxửlý, Bùn bể tự hoại giàu Cacbon đồng thời có hàm lượng Nitơ cao, nếuxử lý riêng biệt bùn bể tự hoại phương pháp sinh học kỳkhí khó đạt hiệu suấtcao Chất thải thực phẩm bùn bể tự hoại dòng chất thải giàu hữu cơ,có tiềm sinh khí biogas để thu hồi lượng lớn Chất thải thực phẩm giàunguồnC,trongkhibùnbểtựhoạilạigiàunguntốdinhdưỡngN.Việckếthợ phainguồnthảinàyđểxửlýbằngphươngpháplênmenkỵkhílàhợplýđểtốiưuhóa việc cân ngun tố q trình xử lý thu hồi khí biogas Việc bổsungchấtthảithựcphẩmvàobùnbểtựhoạivớitỷlệ thíchhợpchophéptănghàmlượng metan sản phẩm khí biogas thu được, hệ hoạt động ổn định hơn, dễ sinhkhímêtanhơnvàchophépqtrìnhkhởi độngbểkỵkhíthuậnlợihơn Việc xử lý kết hợp chất thải khác giàu hữu cơ, giàu vi sinh vật tạo điềukiệnthuậnlợichoqtrìnhphânhủyvàđạthiệusuấtxửlýcaohơn.Qtrìnhxửlý kỵkhíđồngthờihỗnhợpbùnthơtừlắngIvàbùnhoạttínhdưtrongtrạmxửlýnước thải với chất thải thực phẩm nghiên cứu khẳng định Đức, NhậtBản nhiều nước khác giới Khí biogas thu gom từ q trình xử lýđượctậndụngvàosảnxuấtnănglượngđiệnnănghoặcnhiệtnăng Ở đô thị Việt Nam, bùn bể tự hoại rác hữu từ đô thị hàng ngàythải với lượng lớn Tuy nhiên chưa có biện pháp xử lý hữu hiệu để đảmbảo an tồn mặt vệ sinh mơi trường Biện pháp xử lý chủ yếu chônlấpgâyquátảibãi chônlấp,đồngthờigâyônhiễmmôitrường Qtrìnhphânhủyhỗnhợpbùnbằngphươngphápkỵkhígặpphảinhữngvấ nđềvềhiệu suất vàđộ ổn định,mộttrongnhững ngun nhânchính dobùn bểtựhoạicóchứahàmlượngNitơ(N)lớn.Giảiphápchokỹthuậtnày làtrộnráchữucơgià u C a c b on ob ùn để tạ om ôi tr ườ ng t h í c h h ợ p c h oq uá tr ìn h xử l ý k ỵ khí.Cácnghiêncứutrướcđâyđãchỉrahướngđitiềmnăngđểxửlýchấthữucơ, đólàphươngphápphânhủykỵkhíđểphânhủychấthữucơvàthuhồimêtan.Xửlý kết hợp bùnbểtựhoạivàráchữucơbằngphươngphápsinhhọckỵkhítạomơitrường phân hủy, quẩn thể vi sinh vật tốt bùn bể tự hoại có sẵn hệ visinh vật kỵ khí, gấp nhiều lần rác hữu Đối với xử lý kỵ khí chất thải có 2chế độ lên men: lên men ấm lên men nóng Các nghiên cứu trước raquá trình xử lý kỵ khí chất thải chế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm chế độlênmenấm:sẽtạoranhiềukhíbiogas,rútngắnthờigianphânhủy, đồngthờitiêudiệt hết mầm bệnh Chất thải sau xử lý tận dụng làm phân bón chocâytrồng Vì vậy, luận án tiến hành nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại ráchữu (lấy chất thải thực phẩm làm đại diện) phương pháp sinh học kỵ khí ởchếđộ lênmen nóngđểxử lýchấtthảivàthuhồitàingun Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn Ýnghĩakhoahọc Nghiên cứu cho thấy việc xử lý kết hợp chất thải thực phẩmv b ù n b ể t ự hoại đảm bảo q trình sinh khí biogas diễn ổn định, cho hiệu suất xử lý theoCOD cao nhiều so với xử lý riêng bùn bể tự hoại.K ế t q u ả n g h i ê n c ứ u đ ã cho thấy thành phần, tính chất bùn bể tự hoại, chất thải thực phẩm khảnăng sinh khí biogas chúng xử lý kỵ khí Bùn bể tự hoại có giá trị COD cao(dao động 12.600-79.500 mg/l), tỉ lệ VS/TS 63%-82%; chất thải thực phẩm có CODdaođộng118.450-241.000mg/l,tỉlệVS/TSdaođộng79%-95%,chothấyhailoạichất thải có khả phân hủy bằngp h n g p h p s i n h h ọ c k ỵ k h í T ỉ l ệ COD/Ncủabùnbểtựhoạ idao động9-18/1, chấtthảithựcphẩ m cótỉlệCOD/ Ncaohơn,từ85-179/1.Theomộtsốnghiêncứu,đểbểphảnứnghoạtđộngổnđịnh,tỉlệCOD/Nlà70-200/1[86] Do vậy, xử lý kết hợp hai nguồn để tạo mơi trườngthuậnlợichoqtrìnhxửlýkỵkhílàcáchtiếpcậnhợplý.Trongthínghiệmtheo mẻ chế độ lên men nóng, xử lý kết hợp hai nguồn chất thải nói trên, hiệu suấtxửlýtheoCODvớitỉlệphốitrộnbùnbểtựhoại:chấtthảithựcphẩm khácnha udaođộng42,7%-86,2%sovớixửlýriêngbùnbểtựhoạichỉđạt24,9%.Trongthínghiệm liên tục xử lý kỵ khí chế độ lên men nóng,tỉ lệ phối trộn tối ưu bùn bể tựhoại:chất thải thực phẩm theo thể tích 9:1 (tương ứng tỉ lệ phối trộn theo COD 1:1)cho hiệu suất xử lý theo COD đạt 58%-75%.Kết nghiên cứu khẳngđịnh phù hợp cách tiếp cận này, xử lý kết hợp bùn bể tự hoại ráchữucơ,thuhồikhíbiogasởchếđộlênmennóng Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn bùn bể tự hoại: chất thảithực phẩm tới lượng khí metan sinh ra, hiệu suất sinh khí metan Cụ thể nghiên cứuđã xác định đượctỉ lệphối trộn bùn bể tự hoại:chất thảit h ự c p h ẩ m t ố i u t n g ứng theo COD 1:1, theo tỉ lệ thể tích 9:1 cho hiệu suất sinh khí metan cao nhấtđạt 80% Với tỉ lệ phối trộn tối ưu theo COD 1:1, theo thể tích 9:1, lượng khí metansinhraởchếđộlênmennónglà264-278 Nml/gCOD Kếtquảnghiêncứuchothấymốiquanhệgiữalượngkhíbiogassinhravàtải lượng hữu nạp vào bể Bể phản ứng pilot vận hành với tải lượng hữu 0,5-2kgCOD/ m3.ngày,hoạtđộngổnđịnhvớitảilượnghữucơtốiưu1,5kgCOD/m3.ngày,lưulượngnạpvà o40l/ngàytươngứngtảitrọngthủylực57l/m 3/ngày.Tỷ lệ sinh khí metan tối ưu 57,8%.K ế t q u ả n g h i ê n c ứ u n y t n g đồng với số nghiên cứu khác Thế giới xác định bùn hoạt tính từtrạm xử lý[38],[61].Ngưỡng COD hịa tan lớn bể kgCOD/m 3.ngày,phù hợp với báo cáo Hech Griehl (2009) thí nghiệm chất thảithực phẩm[76] Mức giá trị thấp so với giá trị tài liệu tổng quancủa Chernicharo[52]trong khoảng 2,5 gCOD/L.ngày hệ vi sinh bổ sung vàomơ hìnhthínghiệmchưathậtổnđịnh Xác định thơng số động học q trình phân hủy xử lý số liệu phầnmềm GPS-X mơ q trình phân hủy kỵ khí, xác định đượch ệ s ố p h â n h ủ y nội sinh kdcủa bùn bể tự hoại 0,4 (1/ngày), k dcủa chất thải thực phẩm 1,0(1/ngày).Kết hệsố phânhủy nội sinh chấtthải thực phẩmn ằ m t r o n g khoảng giá trị kết nghiên cứu chất thải thực phẩm k ddao động 0,1-10 (1/ngày) với thí nghiệm liên tục 234 ngày, thực 51 mẫu chất thảithựcphẩm,thờigianlưuthủylực20-25ngàyvớitảilượnghữucơ2-11gCOD/l/ ngày[119] Ýnghĩathựctiễncủa luậnán - Kết nghiên cứu cho thấy cách tiếp cận xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoạivới chất thải thực phẩm chế độ lên men nóng hồn tồn khả thi có số ưuđiểmsau: Xửlýđượcbùnbểtự hoại,giảmnguycơgânhiễmmơitrường Xử lý rác hữu cơ,m ộ t nguyên nhân c h í n h g â y n h i ễ m mơi trường, giảm diện tích bãi chơn lấp, giúp bảo vệ môi trường sức khỏe cộngđồng Thu hồi tài nguyên Khí biogas sinh từ q trình xử lý kỵ khí đượctận thu sử dụng làm nguồn lượng sử dụng cho phát điện nhiệt Bêncạnh đó, tận dụng chất dinh dưỡng bùn sau xử lý làm phân bón chocâytrồng - Việc xử lý kết hợp loại chất thải thị, bên cạnh tăng hiệu suất q trìnhxử lý, cịn cho phép tận dụng cơng trình hệ thống hạ tầng kỹ thuật,nâng caohiệuquảkhaitháccáccơngtrìnhđó - Kết nghiên cứu đóng góp phần quan trọng, làm sở tham khảo thiếtkếvàvậnhànhcáchệthốngxửlýchấtthảiđôthị.Cácthôngsốđộnghọcxácđịnhđược từ nghiên cứu cho phép áp dụng để tính tốn, thiết kế bể phản ứng cơngtrìnhcủahệthốngxử lýchấtthải - Kết nghiên cứu áp dụng định hướng quy hoạch, lựa chọncơngnghệxử lýchấtthải rắnvàbùn cặn cho thịởViệtNam Tínhmớicủaluậnán - Đây nghiên cứu Việt Nam xây dựng sở liệu trìnhphân hủy kỵ khí chế độ lên men nóng 55 oC với hỗn hợp bùn bể tựhoại vớichấtthảithựcphẩmtrongđơthịđểthukhímetan,chấtlượngsảnphẩmhỗnhợp bùn sau xử lý đảm bảo tiêu diệt hết mầm bệnh, phục vụ cho mục đíchlàmphânbón táisử dụngtrongnơngnghiệp - Xác định tỉlệ hỗn hợpbùn bểtự hoại:chất thảit h ự c p h ẩ m t ố i u đ ố i với thành phố Hà Nội 9:1 theo thể tích, (tương ứng tỉ lệ 1:1 theo COD) chohiệus u ấ t s i n h k h í m e t a n c a o n h ấ t , đ t % c h ế đ ộ l ê n m e n n ó n g , c h o lượngkhímetandaođộng264-278NmlCH4/gCOD - Xây dựng mối quan hệ lượng khí metan thu tải lượng hữucơ:Bểphảnứngkỵkhíhoạtđộngổnđịnhvớitảilượnghữucơlà1,5kgCOD/m3.ngày, với lượng khí metan hỗn hợp khí biogas đạt 57,8%, vớihiệusuấtxử lýtheoCODđạt75% - Đãứngdụngphần mềmGPSXđểmơ phỏngqtrình phâ nhủy kỵkhíở chếđộlênmennóngđểxácđịnh hệsốphânhủynộibàok d=0,4(1/ngày)đốivớibùnbểtựhoạivàkd= 1,0 (1/ngày) chất thải thực phẩm, tạođiềuk i ệ n c h o ứ n g d ụ n g t í n h t o n t h i ế t k ế c ô n g n g h ệ p h â n h ủ y kỵk h í h ỗ n hợpbùnbểtự hoạivà chấtthảithực phẩm BCCCALUNN Nộidungcalunỏngmcỏcchngsau: Mu Chng1:Tngquanvslng,thnhphn,tớnhchtcabựnbthoi,rỏch uc Chng2:Cskhoahcxlýchtthihuc(bựnbthoivrỏchuc)bngph ngphỏpphõnhykkhớchlờnmennúng Chãơng3:Nghiờncuthcnghim vktqu Kết luận kiến nghịTàiliệuthamkhảo Các cơng trình nghiên cứu cơng bố tác giả có liên quan đến luận ánPhụlục