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 Kết đánh giá Bảng 3.8 cho thấy, so sánh với yêu cầu kỹ thuật viên than tổ ong quy định TCVN 4600:1994 có viên than ứng với tỷ lệ phối trộn bùn theo mức 5% 15% đạt phần lớn yêu cầu kỹ thuật theo quy định Theo đó, viên than chứa 5% 15% bùn có số tiêu đạt yêu cầu tương ứng 8/11 7/11 tiêu chí Do vậy, xem xét tiêu chí mặt kỹ thuật có hai viên than chứa 5% 15% bùn khả thi để triển khai sản xuất làm chất đốt thực tế 3.5.3 Tính khả thi mặt môi trường Các yếu tố tác động, ảnh hưởng xấu đến môi trường thường quan tâm yếu tố giữ vai trò định liệu giải pháp hay dự án đưa có nhà quản lý xã hội chấp thuận hay không Giải pháp tận dụng bùn thải nguồn lượng đem lại nhiều lợi ích cho cộng đồng môi trường so với phương pháp khác như: - Xử lý lượng lớn bùn thải; - Giảm ô nhiễm môi trường giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch; - Tạo nguồn lượng dạng nhiệt, điện hữu ích; - Tiết kiệm diện tích đất dùng cho chôn lấp; - Tránh rủi ro nguy hại liên quan tới việc bổ sung bùn vào đất nông nghiệp; - Phần tro bùn sử dụng để sản xuất vật liệu xây dựng gạch, gốm, xi măng Mặt khác, tính khả thi mặt môi trường tận dụng bùn thải làm chất đốt đánh giá thông qua kết nghiên cứu mục 3.4.2 3.4.3 Theo đó, kết nghiên cứu phát thải bụi, số khí vô NO2, SO2, CO đặc tính tro sau đốt viên than cho thấy: 71 - Hàm lượng bụi lơ lửng tổng số phát sinh đốt viên than (có tỷ lệ phối trộn bùn từ 5% đến 45%) cao đốt viên than ĐC thấp giới hạn cho phép hàm lượng bụi lơ lửng tổng số quy định QCVN 05:2013/BTNMT (300 µg/m3) TCVN 4600:1994 (500 µg/m3) - Nồng độ khí NO2, SO2 CO phát thải đốt viên than có xu hướng giảm tăng tỷ lệ bùn phối trộn thấp nồng độ khí thải phát sinh đốt viên than ĐC, xu thể rõ viên than chứa 15%, 30%, 40% 45% bùn - Hàm lượng KLN (Zn, Pb, Cd, Cr, Ni, Cu) khí thải phát sinh đốt viên than thấp giá trị giới hạn cho phép tương ứng quy định QCVN 06:2009/BTNMT - Tro viên than có giá trị pH từ trung tính đến kiềm tăng tỷ lệ phối trộn bùn từ 5% lên 45% (giá trị pH tăng tương ứng từ 7,23 đến 8,11) cao giá trị pH tro viên than ĐC - Hầu hết hàm lượng số KLN linh động (Zn, Pb, Cd, Cr, Ni Cu) tro viên than cao viên than ĐC có xu hướng tăng tăng tỷ lệ bùn phối trộn từ 5% lên 45% Như vậy, việc phân tích, đánh giá tổng hợp dựa tiêu chí - tính khả thi mặt kinh tế, kỹ thuật môi trường kết luận rằng: việc nghiên cứu lựa chọn tận dụng bùn thải đô thị nói chung tận dụng bùn thải đô thị Bắc Ninh nói riêng làm chất đốt với mục đích thu hồi lượng có giá trị thực tiễn cao công tác quản lý, xử lý giảm thiểu tác động xấu đến môi trường ô nhiễm bùn thải gây Nghiên cứu cho thấy việc phối trộn mẫu bùn thải B2 với than cám theo tỷ lệ 5%, 15%