Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị tại bắc ninh làm chất đốt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - Hoàng Đức Thắng NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI ĐÔ THỊ TẠI BẮC NINH LÀM CHẤT ĐỐT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Đức Thắng NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI ĐÔ THỊ TẠI BẮC NINH LÀM CHẤT ĐỐT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trần Văn Quy PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị Bắc Ninh làm chất đốt” Trong trình thực luận văn, cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ vô quý báu thầy cô, gia đình bạn bè Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Quy PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải – Cán giảng dạy Bộ môn Công nghệ môi trường tận tình quan tâm, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành tốt luận văn Thêm nữa, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN bổ trợ truyền đạt cho kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập, nghiên cứu trường Tôi xin cảm ơn đề tài Nhiệm vụ bảo vệ Môi trường QMT.12.03 PGS.TS Trần Văn Quy chủ trì hỗ trợ kinh phí để thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, anh, chị làm việc Bộ môn Thổ nhưỡng & môi trường đất Phòng thí nghiệm Phân tích Môi trường – Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN người thân gia đình, bạn bè ủng hộ, góp ý giúp đỡ trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2015 Hoàng Đức Thắng MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH iii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Những vấn đề chung bùn thải 1.1.1 Khái niệm, phân loại bùn thải 1.1.2 Nguồn gốc, đặc điểm tính chất bùn thải .4 1.1.3 Tác động bùn thải đến người môi trường .6 1.2 Quy chuẩn, tiêu chuẩn bùn thải 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Tại Việt Nam 10 1.3 Các phƣơng pháp xử lý tận dụng bùn thải .11 1.3.1 Phương pháp ổn định 12 1.3.2 Phương pháp ủ phân (Compost) 13 1.3.3 Phương pháp Pasteur 14 1.3.4 Cô đặc 14 1.3.5 Khử nước .14 1.3.6 Làm khô 15 1.3.7 Thiêu đốt công nghệ nhiệt khác 15 1.3.8 Phương pháp thu hồi tái chế 16 1.3.9 Phương pháp chôn lấp 17 1.4 Tiềm tái sử dụng thu hồi lƣợng từ bùn thải .17 1.4.1 Phân huỷ kỵ khí bùn thải .18 1.4.2 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ bùn thải .19 1.4.3 Sản xuất điện trực tiếp từ bùn thải tế bào nhiên liệu vi khuẩn .20 1.4.4 Đốt bùn thải thu hồi lượng 22 1.4.5 Đốt bùn thải với than nhà máy nhiệt điện 23 1.4.6 Nhiệt phân khí hoá bùn thải .23 1.4.7 Sử dụng tích hợp bùn thải nguồn lượng vật liệu để sản xuất vật liệu xây dựng .25 1.4.8 Oxy hoá ướt siêu tới hạn .25 1.4.9 Xử lý thuỷ nhiệt bùn thải .27 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 30 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu .32 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu .32 2.2.2 Phương pháp điều tra khảo sát thực tế 32 2.2.3 Phương pháp lấy, bảo quản xử lý mẫu bùn .32 2.2.4 Phương pháp thực nghiệm 32 2.2.5 Phương pháp phân tích 34 2.2.6 Phương pháp thu mẫu khí thải phát sinh trình đốt viên than bùn 35 2.2.7 Phương pháp tổng hợp xử lý số liệu 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .37 3.1 Đặc điểm hệ thống thoát nƣớc Thành phố Bắc Ninh 37 3.2 Đặc tính mẫu bùn thải nghiên cứu liên quan đến khả tận dụng làm chất đốt 40 3.2.1 Một số tính chất lý - hoá mẫu bùn .40 3.2.2 Nhiệt trị mẫu bùn lựa chọn .42 3.2.3 Độ tro hàm lượng chất bốc 43 3.2.4 Hàm lượng kim loại nặng 44 3.3 Đặc tính viên than-bùn tỷ lệ phối trộn khác 46 3.3.1 Độ ẩm viên than-bùn .46 3.3.2 Độ hụt khối viên than-bùn .47 3.3.3 Độ tro hàm lượng chất bốc viên than-bùn 49 3.3.4 Nhiệt trị viên than-bùn .50 3.3.5 Hàm lượng kim loại nặng tro viên than-bùn 51 3.4 Thử nghiệm chế tạo đốt viên than thực tế theo tỷ lệ phối trộn lựa chọn .52 3.4.1 Đánh giá chất lượng viên than .53 3.4.2 Khí thải phát sinh trình đốt viên than 60 3.4.3 Đặc điểm tro xỉ viên than .66 3.5 Đánh giá giải pháp công nghệ tận dụng bùn thải làm chất đốt 68 3.5.1 Ước tính sơ hiệu kinh tế 68 3.5.2 Tính khả thi mặt kỹ thuật 69 3.5.3 Tính khả thi mặt môi trường .71 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC .81 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường CEC Uỷ ban Cộng đồng châu Âu (Commission of European Community) EU Cộng đồng chung Châu Âu (European Union) HHV Giá trị nhiệt trị cao (Higher heating value) ICP-MS Phương pháp phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively - Coupled Plasma - Mass Spectrometry) KLN Kim loại nặng MPCN Số lượng gây bệnh tế bào (Most Probable Cytopathic Number) MPN Số lượng (Most Probable Number) MTV Một thành viên NĐ-CP Nghị định Chính phủ NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải OC Hợp chất hữu (Organic Compounds) QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia SBR Bể phản ứng dạng mẻ liên tục (Sequency Batch Reactor) TB Viên than sản xuất từ bùn thải than cám TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn TSP Bụi lở lửng tổng số (Total Suspended Solids) UBND Uỷ ban nhân dân US EPA Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (United States Environmental Protection Agency) i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính lý – hoá học số loại bùn thải Bảng 1.2 Giá trị trung bình thành phần bùn Bang (Mỹ) Bảng 1.3 Giới hạn cho phép số kim loại bùn thải theo mục đích sử dụng Bảng 1.4 Giới hạn hàm lượng kim loại nặng bùn thải nước Châu Âu Bảng 1.5 Đề xuất tiêu chuẩn EU hàm lượng hợp chất hữu bùn thải Bảng 1.6 Giá trị giới hạn số vi sinh vật gây bệnh bùn 10 Bảng 1.7 Phương pháp xử lý bùn thải số quốc gia 12 Bảng 2.1 Các vị trí lấy mẫu bùn .31 Bảng 2.2 Tỷ lệ phối trộn bùn thải than cám 6bHG .33 Bảng 2.3 Các phương pháp phân tích mẫu 34 Bảng 3.1 Tính chất lý - hoá mẫu bùn 41 Bảng 3.2 Hàm lượng KLN tổng số mẫu bùn lựa chọn 45 Bảng 3.3 Ký hiệu viên than-bùn theo tỷ lệ phối trộn với than cám 46 Bảng 3.4 Hàm lượng KLN tổng số tro viên TB 51 Bảng 3.5 Hàm lượng KLN khí thải đốt viên than .65 Bảng 3.6 Hàm lượng KLN linh động xỉ viên than 67 Bảng 3.7 Chi phí lợi ích kinh tế thu sản xuất than tổ ong sử dụng bùn thải thay cho than bùn 68 Bảng 3.8 Chất lượng viên than so với yêu cầu kỹ thuật TCVN 4600:1994 70 ii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tế bào nhiên liệu vi sinh vật 21 Hình 1.2 Oxy hoá siêu tới hạn bùn thải 26 Hình 2.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu bùn .30 Hình 2.2 Thiết kế chụp lò sử dụng nghiên cứu .35 Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Nhà máy xử lý nước thải Bắc Ninh 38 Hình 3.2 Sơ đồ dây chuyền trạm xử lý nước thải phi tập trung Viêm Xá .39 Hình 3.3 Lượng bùn phát sinh biến động theo năm từ 2000 – 2013 .40 Hình 3.4 Giá trị nhiệt trị mẫu bùn lựa chọn .43 Hình 3.5 Độ tro hàm lượng chất bốc mẫu bùn lựa chọn .44 Hình 3.6 Độ ẩm viên TB sau phối trộn 47 Hình 3.7 Độ hụt khối viên TB .48 Hình 3.8 Độ tro hàm lượng chất bốc viên TB 49 Hình 3.9 Giá trị nhiệt trị viên TB 50 Hình 3.10 Khối lượng trung bình viên than 53 Hình 3.11 Chiều cao trung bình viên than 54 Hình 3.12 Độ ẩm viên than 55 Hình 3.13 Nhiệt trị viên than .56 Hình 3.14 Độ tro hàm lượng chất bốc viên than 57 Hình 3.15 Thời gian bén cháy trung bình viên than 58 Hình 3.16 Thời gian sử dụng trung bình viên than .59 Hình 3.17 Hàm lượng bụi đốt viên than 61 Hình 3.18 Nồng độ trung bình khí NO2 phát thải đốt viên than 62 iii Hình 3.19 Nồng độ trung bình khí SO2 phát thải đốt viên than 63 Hình 3.20 Nồng độ khí Co trung bình phát thải đốt viên than 64 Hình 3.21 Giá trị pH tro viên than 66 iv TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Chương trình môi trường Liên hợp quốc (2006), Hướng dẫn sử dụng lượng hiệu ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org Đinh Quang Hiệp (2012), Hiện trạng thoát nước Thành phố Bắc Ninh (Khu vực nội đô), Báo cáo trình bày Công ty TNHH MTV Cấp thoát nước Bắc Ninh Phạm Thị Vương Linh (2014), Quan trắc khí thải theo phương pháp đẳng động lực (isokinetic), Trung tâm quan trắc môi trường – Tổng cục Môi trường Nguyễn Xuân Quyết (2014), Giới thiệu Xí nghiệp quản lý nước thải thành phố Bắc Ninh, Công ty TNHH MTV cấp thoát nước Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh Nguyễn Quang Tiến (2014), Nghiên cứu xác định chi phí vận hành bảo dưỡng cho nhà máy XLNT đô thị Nghiên cứu điển hình NMXLNT Bắc Ninh, Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng sở hạ tầng, Đại học Xây Dựng QCVN 03:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia giới hạn cho phép kim loại nặng đất QCVN 05:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng không khí xung quanh QCVN 06:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số chất độc hại không khí xung quanh QCVN 50:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia ngưỡng nguy hại bùn thải từ trình xử lý nước 10 TCVN 1790:1999: Than Hòn Gai – Cẩm Phả - Yêu cầu kỹ thuật 75 11 TCVN 4600:1994: Viên than tổ ong – Yêu cầu kỹ thuật vệ sinh môi trường 12 TCVN 7557-3:2005: Lò đốt chất thải rắn y tế - Xác định kim loại nặng khí thải – Phần 3: Phương pháp xác định nồng độ Cadimi chì quang phổ hấp thụ nguyên từ lửa không lửa Tiếng Anh 13 Alexandros Kelessidis, Athanasios S.Stasinakis (2012), Review: Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries, University of the Aegean, University Hill, Waste Management 14 Babel S , Sae-Tang J., Pecharaply A (2009), “Anaerobic co-digestion of sewage and brewery sludge for biogas production and land application”, International Journal of Environmental Science & Technology, 6(1), pp.131140 15 Benjamin Wiechmann, Claudia Dienemann, Christian Kabbe, Simone Brandt, Ines Vogel, Andrea Roskosch (2015), Sewage sludge management in Germany, Umweltbundesamt, Germany 16 CEC-Council of the European Communities (1986): Council Directive of 12 June 1986 on the protection of the environment, and in particular of the soil, when sewage sludge is used in agriculture(86/278/EEC), Official J of the European Communities, July 1986, No L 181/6-No L 181/12 17 Chen Y., Guo L., Jin H., Yin J., Lu Y., Zhang X (2013), “An experimental investigation of sewage sludge gasification in near and super-critical water using a batch reactor”, International journal of hydrogen energy, 38, pp.12912-12920 18 David Butler, Paul Docx, Martin Hession (2001), Pollutants in Urban Waste Water and Sewage Sludge, Final report by I C Consultants Ltd London, United Kingdom 19 Davis and Hall J.E (1997), “Production, treatment, and disposal of wastewater sludge in Europe from a UK perspective”, European Water Pollution Control, Volume 7, Issue 2, pp 9-17 76 20 Department for Environment Food and Rural Affair (2012), Implementation of the European Union urban waste water treatment Direction – 91/271/EEC, Waste water treatment in the United Kingdom 21 EC - European Commission (2006), Report from the Commission to the Council and the European Parliament on the implementation of community waste legislation for the period 2001–2003, COM 406 final, European Commission, Brussels 22 Ellilot, L.F and Stevenson F.J (1977), “Soils for management of organic wastes and wastewaters”, Soils Science Society of America, Madison, Wisconsin 23 Fonts I., Gea G., Azuara M., et al (2012), “Sewage sludge pyrolysis for liquid production: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, pp.2781– 2805 24 Goldsteim N (1985), “Biocycle survey sewage sludge composting as a medium amendment for chrysanthemum culture”, J Am Soc Hort Sci, 100, pp.213–216 25 Gosset J, Belser R (1982), “Anaerobic digestion of waste activated sludge.”, J Env Eng, 108, pp.1101–20 26 Hu W.F (1997), “Synthesis of poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) from activated sludge”, Biotechnol Lett, 19, pp.695–698 27 ISWA’s Working Group on Sewage & Waterworks Sludge, European Environment Agency (1997), Sludge Treatment and Disposal- Management Approaches and Experiences, Environmental Issues Series, no.7 28 Jane Hope (1986), Sewage Sludge Disposal and Utilization Study, Washington State Institute for Public Policy, Washington 29 Jenifer M.J Mathney, Features (2011), Acrtical review of the USEPA’s Risk assessment for the land application of sewage sludge, New solution, vol.21 30 Josephine Treacy (2006), Present and Future Technology For The Treatment of Sewage Sludge in Ireland, Limerick Institute of Technology, Ireland 77 31 Kanchanapiya P., Sakano T., Kanaoka C., et al (2006), “Characteristics of slag, fly ash and deposited particles during melting of dewatered sewage sludge in a pilot plant”, Journal of Environmental Management, 79, pp.163– 172 32 Magdziarz A , Werle S (2014), “Analysis of the combustion and pyrolysis of dried sewage sludge by TGA and MS”, Waste Management, 34, pp.174– 179 33 Malerius O., Werther J (2003), “Modeling the adsorption of mercury in the flue gas of sewage sludge incineration”, J Chem Eng., 96, pp.197–205 34 Manara, P., Zabaniotou, A (2012), “Renewable and Sustainable Energy”, Reviews, 16, pp.2566–2582 35 McGhee TJ (1991), Water supply and sewerage, NewYork: MC Graw – Hill 36 Nasrin R.K., Marta C., Giselle (2000), “Production of micro-and mesoporous activated carbon from paper mill sludge”, Carbon, 38, pp.1905–1915 37 Paul D Fericelli (2011), Comparison of Sludge Treatment by Gasification vs Incineration, University of Central Florida, United States 38 Samolada M.C , Zabaniotou A.A (2014), “Comparative assessment of municipal sewage sludge incineration, gasification and pyrolysis for a sustainable sludge-to-energy management in Greece”, Waste Management, 34, pp.411–420 39 Sebastian Werle, Ryszard K Wilk (2010), “A review of methods for the thermal utilization of sewage sludge:The Polish perspective”, Renewable Energy, 35, pp.1914–1919 40 Tim Evans (2011), Sewage sludge: Operational and Environmental Issues, Foundation for Water Research, UK 41 Vigneswaran S and Kandasamy J., Sludge treatment technologies, Faculty of Engineering and Information Technology, University of Technology, Sydney 78 42 Weather J , Ogada T (1997), Sewage sludge combustion, progress in energy and combustion, Deparment of Production Engineering, Progress in Energy and Combustion Science 25 43 Werther J , Ogada T (1999), “Sewage sludge combustion”, Progress in Energy and Combustion Science, 25, pp.55–116 44 Whitacre David M (2011), Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, North Carolina, USA 45 Willson G.B., Dalmat D (1983), “Sewage sludge composting in the USA”, Biocycle , 24, pp.20–23 46 Wim Rulkens (2008), “Sewage Sludge as a Biomass Resource for the Production of Energy: Overview and Assessment of the Various Options”, Energy & Fuels, 22, pp.9–15 Websites: 47 http://cuiep.divivu.com/Tin-tuc/234991/8093/Nhiet-tri-cua-mot-so-nguyenlieu-dot-thong-dung.html 48 http://timtailieu.vn/tai-lieu/de-tai-tan-dung-bun-thai-tu-cong-nghe-che-biennong-san-thuc-pham-va-thuy-hai-san-de-san-xuat-phan-huu-co-sinh-hocbang-7200/ 49 http://www.donre.hochiminhcity.gov.vn/tintuc/Lists/Posts/Post.aspx?List=f7 3cebc3-9669-400e-b5fd-9e63a89949f0&ID=4952 50 http://www.epe.edu.vn/quan-ly-bun-thai-o-viet-nam-nhung-thach-thuc-vade-xuat-cac-giai-phap-64.html 51 http://www.hoahocngaynay.com/vi/tin-tuc-hoa-hoc/hoa-hoc-viet-nam/138san-xuat-vat-lieu-xay-dung-tu-bun-thai.html 52 http://www.khoahocphothong.com.vn/news/detail/12498/tai-che-bun-thaisinh-hoc-thanh-nguyen-lieu-tao-ra-che-pham-vi-sinh-vat.html 53 http://www.netd.vn/newscontent.aspx?cateid=16&contentid=44 54 http://www.royalceramic.vn/crown/NewsDetail.aspx?CategoryID=4&Conten tID=163&ContentIDExt=1 79 55 http://www.unep.or.jp/ietc/Publications/Freshwater/FMS1/3.asp 56 https://vi.wikipedia.org/wiki/Than_n%C3%A2u 57 https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/fil e/69592/pb13811-waste-water-2012.pdf 80 [...]... trường – Tổng cục Môi trường 4 Nguyễn Xuân Quyết (2014), Giới thiệu Xí nghiệp quản lý nước thải thành phố Bắc Ninh, Công ty TNHH MTV cấp thoát nước Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh 5 Nguyễn Quang Tiến (2014), Nghiên cứu xác định chi phí vận hành và bảo dưỡng cho các nhà máy XLNT đô thị Nghiên cứu điển hình tại NMXLNT Bắc Ninh, Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng cơ sở hạ tầng, Đại học Xây Dựng 6 QCVN 03:2008/BTNMT:... 1 Chương trình môi trường Liên hợp quốc (2006), Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org 2 Đinh Quang Hiệp (2012), Hiện trạng thoát nước Thành phố Bắc Ninh (Khu vực nội đô) , Báo cáo trình bày của Công ty TNHH MTV Cấp thoát nước Bắc Ninh 3 Phạm Thị Vương Linh (2014), Quan trắc khí thải theo phương pháp đẳng động lực (isokinetic), Trung tâm quan... hạn cho phép của kim loại nặng trong đất 7 QCVN 05:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh 8 QCVN 06:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất độc hại trong không khí xung quanh 9 QCVN 50:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước 10 TCVN 1790:1999: Than Hòn Gai – Cẩm Phả - Yêu cầu kỹ thuật 75 11... lý nước 10 TCVN 1790:1999: Than Hòn Gai – Cẩm Phả - Yêu cầu kỹ thuật 75 11 TCVN 4600:1994: Viên than tổ ong – Yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh môi trường 12 TCVN 7557-3:2005: Lò đốt chất thải rắn y tế - Xác định kim loại nặng trong khí thải – Phần 3: Phương pháp xác định nồng độ Cadimi và chì bằng quang phổ hấp thụ nguyên từ ngọn lửa và không ngọn lửa Tiếng Anh 13 Alexandros Kelessidis, Athanasios S.Stasinakis