Nghiên cứu các giải pháp nhằm giảm thiểu bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Giảm thiểu bùn thải theo hướng tiếp cận chủ động có thể giúp phòng ngừa ô nhiễm từ chất thải phát sinh trong các quá trình xử lý, vận hành, sản xuất với mục đích giảm phát thải vào môi t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn đã được hoàn thành bằng sự nghiên cứu nghiêm túc của tôi và tôi chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Đỗ Khắc Uẩn đã quan tâm hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Viện Khoa học và Công nghệ môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Trân trọng cảm ơn

Hà Nội, tháng 3 năm 2014 Học viên

Bùi Thái Bạch Dương

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

CÁC TỪ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN CHUNG 4

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 4

1.1.1 Vấn đề ô nhiễm nước thải 4

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 4

1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ 9

1.2.1 Sơ đồ công nghệ 9

1.2.2 Động học quá trình 10

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình bùn hoạt tính 11

1.2.4 Vi sinh vật trong bùn hoạt tính 13

CHƯƠNG 2.TIẾP CẬN GIẢM THIỂU BÙN THẢI CHỦ ĐỘNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 15

2.1 VẤN ĐỀ BÙN THẢI TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC 15

2.1.1 Thành phần, tính chất, hiện trạng bùn thải 15

2.1.2 Xử lý bùn thải 18

2.2 TIẾPCẬNGIẢMTHIỂU BÙN THẢIMỘT CÁCH CHỦĐỘNG 24

2.2.1 Vai trò của việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu bùn thải một cách chủ động 24

2.2.2 Các nhóm giải pháp giảm thiểu bùn thải trong hệ thống xử lý nước thải sinh học 25

CHƯƠNG 3.GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU BÙN THẢI 26

3.1 KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH 26

3.1.1 Ảnh hưởng của thông số vận hành tới lượng bùn dư sinh ra 26

3.1.2 Biện pháp kiểm soát bùn dư 42

3.2 QUẢN LÝ NỘI VI 45

3.2.1 Quan sát hiện tượng/ sự cố 45

3.2.2 Kiểm tra các thông số vận hành hàng ngày 47

3.3 SẢN XUẤT SẢN PHẨM PHỤ 50

3.3.1 Nuôi cấy vi sinh vật 51

3.3.2 Chất keo tụ sinh học 51

3.3.3 Sản xuất năng lượng từ bùn thải (khí hóa) 52

3.3.4 Sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn thải 53

3.3.5 Vật liệu thô làm phân vi sinh cố định đạm 58

3.3.6 Tận thu P từ bùn thải 59

3.4 ĐÁNH GIÁ MỘTSỐBIỆN PHÁP KHÁC 61

3.4.1 Tuần hoàn, tái sử dụng và tiền xử lý ổn định bùn 61

3.4.2 Thay thế nguyên, nghiên, vật liệu, hóa chất 65

3.4.3 Cải tiến thiết bị 68

KẾT LUẬN 75

1 KẾT LUẬN 75

2 ĐỀ XUẤT 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số vi khuẩn và chức năng của chúng trong bùn hoạt tính 14

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất của bùn cặn nước thải đô thị như sau 15

Bảng 2.3 Khối lượng bùn thải tại các trạm xử lý tập trung ở các khu công nghiệp 18 Bảng 2.4 Đơn giá xử lý chất thải 18

Bảng 2.5 Khối lượng bùn thải tại Trạm xử lý nước thải cục bộ tại một số các nhà máy thành viên khu công nghiệp 19

Bảng 2.6 Kinh phí xử lý bùn thải 19

Bảng 2.7 Tác hại của bùn thải 20

Bảng 3.1 Mối quan hệ tỷ lệ F/M và hiệu suất xử lý 28

Bảng 3.2 Điều kiện vận hành 29

Bảng 3.2 Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư 35

Bảng 3.4 Lượng bùn thải phát sinh 35

Bảng 3.5 Xử lý sự cố bể lắng thứ cấp 42

Bảng 3.6 Nguyên nhân gây ra vi khuẩn dạng sợi và các bước kiểm soát được đề nghị 43

Bảng 3.7 Một số chủng loại vi sinh và nguyên nhân hình thành 48

Bảng 3.8 Thành phần cơ bản của nước thải nghiên cứu 59

Bảng 3.9 So sánh thuộc tính bùn hạt hiếu khí và bùn hoạt tính 67

Bảng 3.10 Tổng hợp các biện pháp để giảm thiểu bùn thải trong hệ thống xử lý sinh học 69

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Công nghệ hiếu khí 6

Hình 1.2 Công nghệ xử lý kỵ khí 8

Hình 1.3 Quy trình xử lý nước thải 9

Hình 2.1 Công trình xử lý bùn 22

Hình 2.2 Xử lý bùn thải 23

Hình 2.3 Các nhóm giải pháp giảm thiểu bùn thải 25

Hình 3.1 Hiện tượng váng bọt màu trắng do thời gian lưu bùn ngắn 28

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa thời gian lưu bùn và sản lượng bùn dư 30

Hình 3.3 Sản lượng bùn dư theo thời gian lưu bùn 30

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa hệ số sản lượng sinh khối và sản lượng bùn dư (thời gian lưu thủy lực 6 h, lưu bùn 40 ngày, hệ số phân hủy nội bào 0,04 ngày-1) 32

Hình 3.5 Sản lượng bùn dư theo hệ số sản lượng sinh khối 32

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hệ số phân hủy nội bào và sản lượng bùn dư (thời gian lưu thủy lực 6 h, lưu bùn 40 ngày, sản lượng sinh khối 0,3 mgVSS/mgCOD 33

Hình 3.7 Sản lượng bùn dư theo hệ số phân hủy nội bào 34

Hình 3.8 Hiện tượng bùn nổi trong bể lắng 1 38

Hình 3.9 Hiện tượng bung bùn có sợi 46

Hình 3.10 Hiện tượng bọt và váng 46

Hình 3.11 Hiện tượng nổi bọt do hình thành H2S 47

Hình 3.12 Sơ đồ sản xuất năng lượng từ bùn thải 52

Hình 3.13 Sơ đồ công nghệ FEBUSS SMP 56

Hình 3.14 Ảnh hưởng thời gian lưu bùn đến tải lượng bùn thải, hàm lượng T-P trong bùn và tải lượng T-P thải theo bùn 61

Hình 3.15 Ảnh hưởng của Ca(OH)2 đến thời gian lọc tách nước ra khỏi bùn 66

CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên môi trường

BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học (mgO2/l)

COD Nhu cầu oxy hóa hóa học (mgO2/l)

MLSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng MLVSS Hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi

SVI Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index)

Ở Việt Nam, bùn thải chủ yếu được xử lý bằng cách ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, một phần nhỏ được sử dụng làm phân bón Việc đổ bỏ, chôn lấp bùn thải đã và đang gây ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do bùn thải sinh học có chứa hàm lượng các chất ô nhiễm như chất hữu cơ, nitơ và phốt pho cao; đặc biệt với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải sản xuất, công nghiệp còn có thể chứa hàm lượng kim loại nặng hay các chất nguy hại khác Bùn thải, do vậy có thể được coi như một loại chất thải nguy hại cần có biện pháp giảm thiểu, quản lý một cách chặt chẽ

Giảm thiểu bùn thải theo hướng tiếp cận chủ động có thể giúp phòng ngừa ô nhiễm

từ chất thải phát sinh trong các quá trình xử lý, vận hành, sản xuất với mục đích giảm phát thải vào môi trường tại nguồn, giảm tiêu thụ nguyên liệu, năng lượng, loại bỏ tối đa các vật liệu độc hại, giảm lượng và mức độ độc hại của tất cả các dòng thải trước khi ra khỏi quá trình xử lý Việc nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý sinh học cho chúng ta một hướng đi hiệu quả trong vấn đề quản lý và xử lý một nguồn chất thải có khả năng gây ra ô nhiễm môi trường cao

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Chưa có nhiều nghiên cứu về vấn đề giảm thiểu bùn thải trong các trạm xử lý nước thải Hiện nay hướng tiếp cận giải quyết bùn thải phát sinh từ các hệ thống này thường chỉ tiếp cận theo hướng xử lý cuối đường ống Đối với các nhà máy sản xuất, khu công nghiệp hay trạm xử lý nước thải tập trung, lượng bùn cặn phát sinh

- Quá trình nén chặt làm đặc bùn: thực hiện bằng thiết bị nén ly tâm

- Quá trình ổn định bùn: thực hiện bằng phương pháp hóa học, nhiệt hoặc sinh học, nhằm phân hủy các chất hữu cơ thành CO2, CH4, H2O, giảm mùi hoặc

sự thối rữa của bùn cặn Bùn cũng có thể được sấy khô sau đó chế biến thành phân bón NPK, thiêu đốt để lấy nhiệt hoặc chôn lấp tại vùng trũng tạo mặt bằng xây dựng

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, đã có một số nghiên cứu về việc tận dụng lượng bùn thải này để làm một số sản phẩm phụ Ý tưởng tái sử dụng bùn thải làm môi trường thay thế cho môi trường nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật nhằm nâng cao giá trị của bùn thải lần đầu tiên được phát triển bởi giáo sư R.D Tyagi thuộc Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia, Quebec, Canada (INRS) Ưu điểm nổi bật của hướng nghiên cứu này là tận dụng thành phần dinh dưỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trường nhân tạo đắt tiền thường được sử dụng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm sinh học có ích như chế phẩm sinh học cho cải tạo đất, thuốc trừ sâu sinh học, màng PE, hóa chất keo tụ, Việc tận dùng bùn thải vừa giúp giảm giá thành vừa góp phần bảo vệ môi trường

Như vậy, hầu như chưa có nghiên cứu về vấn đề giảm thiểu lượng phát sinh bùn thải một cách chủ động trong quá trình xử lý mà các biện pháp áp dụng thường thiên về việc tận dụng lượng bùn thải phát sinh để làm nguồn nguyên liệu đầu vào

để tạo ra các sản phẩm có ích khác Đây cũng có thể coi là một phương án khả dĩ và hiệu quả để giảm thiểu lượng bùn thải phát sinh ra ngoài môi trường

3 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

A Mục đích

3

Phân tích, đề xuất một số giải pháp giảm thiểu bùn thải trong quá trình xử lý nước thải theo một cách chủ động, dựa trên phân tích quá trình công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, tổng hợp các nguồn tài liệu nghiên cứu về xử lý bùn thải

B Đối tượng nghiên cứu:

Bùn thải phát sinh trong hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí Trong quá trình xử lý hiếu khí, vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ tạo khí

CO2, nước và tạo sinh khối Do đó quá trình này tạo ra lượng bùn thứ cấp (các bông bùn hoặc màng sinh vật) khá lớn, có thể lớn gấp 10-20 lần lượng bùn thải từ hệ thống

xử lý nước thải theo phương pháp yếm khí [10]

C Phạm vi nghiên cứu:

Do lượng bùn thải của quá trình kỵ khí là thấp nên trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu sẽ tập trung tìm hiểu giải pháp để giảm thiểu lượng bùn phát sinh trong hệ thống sinh học hiếu khí

Các giải pháp đề xuất dựa vào điều chỉnh thông số tại thiết bị nhằm giảm thiểu bùn thải hoặc chi phí phát sinh do xử lý chất thải rắn được dựa trên sự xem xét, phân tích các công đoạn xử lý, ảnh hưởng của của thông số vận hành đến lượng bùn thải sinh ra

Đề tài cũng dựa trên việc tổng hợp các nghiên cứu sẵn có về xử lý bùn thải phát sinh trong hệ thống xử lý sinh học để tìm ra các cơ hội giảm thiểu bùn thải, đánh giá tiềm năng giảm thiểu bùn thải

4

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

1.1.1 Vấn đề ô nhiễm nước thải

Hiện nay, ô nhiễm nước thải là một vấn đề nghiêm trọng, gây ảnh hưởng lớn tới đời sống con người và sự phát triển bền vững Các nguồn nước thải không được xử lý triệt để gây ra những biến đổi tiêu cực về môi trường như ô nhiễm nước mặt (các nguồn nước được sử dụng làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản), phát sinh các mùi hôi thối Các nguồn phát sinh nước thải chính là từ khu dân cư và các khu công nghiệp

Nguồn nước thải từ khu dân cư là một nhân tố không nhỏ góp phần gây ô nhiễm nguồn nước mặt Trong khi đó một bộ phận không nhỏ cộng đồng dân cư không quan tâm đến việc xử lý nước thải sinh hoạt, dẫn đến chất lượng nước kênh rạch hay sông hồ càng ngày càng ô nhiễm Kết quả quan trắc các đoạn sông chính trong

cả nước, nhiều chất ô nhiễm trong nư ớc có nồng đô ̣ vư ợt quá QCVN 08:2008/BTNMT loại A1 từ 1,5 – 3 lần [2] Còn tại các khu vực hồ, ao, kênh rạch

và các sông trong khu vực nội thành các thành phố đều b ị ô nhiễm nghiêm tr ọng, vượt quá mức QCVN 08:2008/BTNMT loại B2, vấn đề ô nhiễm chủ yếu là ô nhiễm hữu cơ và coliforms[2]

Bên cạnh đó, vấn đề ô nhi ễm môi trường nước do nước thải từ KCN trong những năm gần đây là rất lớn, tốc độ gia tăng này cao hơn rất nhiều so với tổng nước thải

từ các lĩnh vực khác Nước thải từ các khu công nghiệp có thành phần đa dạng, chủ yếu là các chất lơ lửng, chất hữu cơ, dầu mỡ và một số kim loại nặng

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải khá đa dạng, với nhiều các phương pháp khác nhau như xử lý bằng phương pháp hóa lý, xử lý bằng phương pháp sinh học, sử dụng màng lọc Trong đó xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học tỏ rõ sự ưu

- Công nghệ sinh học là công cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, không cần thiết có sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên Thuận tiện trong công tác vận hành và quản lý

- Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác Bên cạnh đó chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn

- Những chất không bị phân hủy trong nước thải công nghiệp trước hết là trong công nghiệp hóa học Người ta phân lập và tạo ra những chủng có thể phân hủy các chất đó trong điều kiện tự nhiên

- Các phương pháp khử kim loại nặng trong bùn vừa xử lý được ô nhiễm vừa thu lại được các kim loại quý

Phân hủy kỵ khí xử lý được nguồn nước thải nồng độ cao, đặc biệt là BOD, COD, SS… trong đó nước thải dễ xử lý sinh học có nồng độ BOD từ 4 – 5 g/l [8]

- Phân hủy hiếu khí sử dụng bể aerotank được ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải có hàm lượng BOD5 trung bình (khoảng 500 mg/l với bể aerotank thông thường và dưới 1 g/l với bể aerotank thông khí và khuấy đảo tích cực) [8]

Hồ sinh học dùng xử lý các loại nước thải công nghiệp, sinh hoạt và cả nước thải chăn nuôi có hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm cao ( nồng độ BOD5 từ 1-5 g/l) [8]

Cơ sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hoá vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật

dị dưỡng và tự dưỡng có trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hoá được rất nhiều

6

nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải Các cơ chất được khuếch tán, chuyển dịch lên bề mặt tế bào vi khuẩn, nhờ xúc tác của men ngoại bào sẽ bị oxy hóa tạo năng lượng Một phần chất bẩn được vận chuyển qua màng tế bào vào bên trong sẽ tiếp tục bị oxy hóa để tổng hợp tế bào chất và giải phóng năng lượng, sinh khối sẽ tăng lên Trong điều kiện thiếu dưỡng chất, tế bào chất lại bị oxy hóa nội bào tạo năng lượng cần thiết cho hoạt động sống

Vi khuẩn oxy hóa các chất hữu cơ bằng cách: hô hấp và lên men Trong quá trình hô hấp, cơ chất được oxy hóa bằng oxy tự do nhờ các vi khuẩn hiếu khí hoặc tùy tiện để sinh ra năng lượng và tạo CO2 và H2O Khi môi trường không đủ hay không có oxy

tự do, vi khuẩn kỵ khí sẽ tách oxy trong liên kết nitrat, nitrit hoặc sunfat để oxy hóa chất hữu cơ, tạo ra H2S, CH4, hay nitơ phân tử

Một số phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học như sau:

Công nghệ hiếu khí:

Hình 1.1 Công nghệ hiếu khí Các vi sinh vật thường tồn tại ở trạng thái huyền phù Bể được sục khí để đảm bảo yêu cầu oxy và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng Huyền phù lỏng của các vi sinh vật trong bể thông khí được gọi chung là chất lỏng hỗn hợp và sinh khối

Công nghệ hiếu khí

Sinh trưởng

lơ lửng

Sinh trưởng bám dính

Đĩa quay

sinh học

Hồ hiếu khí sinh học

Lọc sinh học nhỏ giọt

Lọc hiếu khí

Aerotank Hiếu khí

tiếp xúc

Xử lý sinh học theo mẻ

7

(MLSS) Khi nước thải đi vào bể thổi khí, các bông bùn hoạt tính được hình thành

mà hạt nhân của nó là các phần tử cặn lơ lửng

Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ

Nếu trong nước thải đậm đặc chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian để chuyển hóa thì phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải được tách riêng và sục khí oxy cho chúng tiêu hóa thức ăn đã hấp thụ Quá trình này gọi là tái sinh bùn hoạt tính

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan, có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)nNS + O2  CO2 + H2O + NH4+ + H2S + TB vi sinh vật

Trong điều kiện hiếu khí, NH4+, H2S cũng bị phân hủy nhờ nitrat hóa, sunfat hóa bởi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O H2S + 2O2  SO42- + 2 H+

Đối với công nghệ hiếu khí, tải trọng hữu cơ thường thấp, nồng độ các chất bẩn hữu

cơ vào hệ thống xử lý hiếu khí thường nhỏ hơn 1 g/l, và cần đủ các nguyên tố vi lượng dinh dưỡng cho VSV phát triển Thông thường, cần duy trì dinh dưỡng theo tỷ

lệ BOD : N : P = 100:5:1 Do công nghệ hiếu khí cần đảm bảo lượng oxy hòa tan trong nước thải nên chi phí vận hành cho năng lượng sục khí tương đối cao

Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ Vi khuẩn và vi sinh vật sống

cơ chất làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành

tế bào mới, dẫn đến trong bể aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ra tại bể lắng đợt 2 Do đó công nghệ hiếu khí thường phát sinh lượng bùn thải khá lớn

Bùn hoạt tính dư sau bể aeroten hoặc bùn màng sinh vật sau bể lọc sinh học được gọi

là bùn thứ cấp Lượng bùn dư này có thể từ 8-32 g/ người/ngày.đêm phụ thuộc vào dây chuyền XLNT, độ ẩm 96-99,2%, thể tích bùn có thể đạt 2,5 l/ người/ngày.đêm,

CO2, CH4), theo sơ đồ tổng quát như sau:

(CHO)nNS  CO2 + H2O + CH4 + H2 + H2S Quá trình kỵ khí này sản sinh khí metan, là nguồn năng năng lượng dùng để đốt và cung cấp nhiệt nên có khả năng thu hồi năng lượng – biogas cao Nguồn năng lượng này có thể sử dụng để cung cấp lại một phần cho vận hành hệ thống nên có thể giảm được chi phí về năng lượng

Hệ thống xử lý kỵ khí tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành Trong trường hợp nước thải được xử lý ở nhiệt độ từ 25-35oC thì năng lượng yêu cầu trong khoảng từ 0.05-0.1 kWh/m3 nước thải (0.18-0.36 MJ/m3) (Lettinga và ctv., 1998) Đó là năng lượng cung cấp cho máy bơm để bơm nước thải từ công trình đơn vị này đến công trình đơn vị khác hoặc để bơm tuần hoàn nước thải

UASB

9

Nhu cầu dinh dưỡng trong nước thải không cao, nồng độ tối thiểu của các chất dinh dưỡng (N:P:S) theo tỷ lệ N:P:S = 5:1:1 Quá trình kỵ khí tải trọng thấp thường xử lý nước thải có nồng độ dao động lớn, thường COD từ 10-20 g/l Còn quá trình kỵ khí tải trọng cao thường để xử lý nước thải có nồng độ ổn định hơn, thường COD nhỏ hơn 20 g/l

Có thể thấy bùn thải trong quá trình xử lý sinh học chủ yếu là sinh khối vi sinh vật Trong quá trình hiếu khí, vi sinh vật sử dụng cơ chất trong nước thải để tổng hợp nên sinh khối làm lượng bùn thải tăng nhanh; còn trong quá trình kỵ khí, cơ chất, chất ô nhiễm trong nước thải chủ yếu tạo thành CH4, H2S, CO2…Do đó lượng bùn thải trong quá trình xử lý hiếu khí lớn hơn rất nhiều lượng bùn thải trong quá trình

kỵ khí Lượng bùn sinh ra từ hệ thống này ít hơn khoảng 10-20 lần so với phương pháp hiếu khí [10] Do đó, trong phạm vi luận văn sẽ tập trung phân tích, đề xuất biện pháp giảm thiểu lượng bùn thứ cấp tạo ra trong quá trình xử lý sinh học hiếu khí aerotank

1.2 Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

sinh học

Bùn lắng 1

Xử lý bùn

Bùn lắng 2

Khử trùng

10

Nước thải qua công đoạn tiền xử lý (song chắn rác) sẽ được loại bỏ cặn thô, chủ yếu

là rác, vỏ nilong hay cành cây…Sau đó sẽ được dẫn qua bể xử lý hóa lý Tại bể này, bằng các tác nhân hóa học, các chất rắn lơ lửng sẽ tạo thành các bông cặn lớn theo nước thải sang bể lắng 1 Các bông cặn nhờ trọng lực sẽ lắng xuống đáy bể Bùn được tạo thành tại quá trình gọi là cặn sơ cấp Sau khi loại bỏ chất lơ lửng tới giới hạn cho phép (thường là nhỏ hơn 150 mg/l), nước thải sẽ được dẫn sang bể xử lý sinh học, tại đây vi sinh vật sẽ sử dụng cơ chất đầu vào làm thức ăn, tạo sinh khối

và cặn trơ không tan, H2O, CO2 Bùn được tạo thành ở đây có thành phần hữu cơ cao (chiếm khoảng 70-75%), gồm nhiều lớp vi sinh vật Khi qua bể lắng 2, các bông bùn này sẽ lắng xuống, nước trong sẽ được khử trùng và thải ra môi trường Bùn ở

bể lắng 2 là bùn sinh học, một phần được tuần hoàn trở lại bể xử lý sinh học, một phần sẽ được thải bỏ

Đề tài nghiên cứu sẽ đề xuất các giải pháp để giảm thiểu lượng bùn thải bỏ này và giảm thiểu chi phí xử lý chất thải rắn

1.2.2 Động học quá trình

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn sau:

(i) Oxy hóa các chất hữu cơ

)

Q : Lưu lượng nước thải vào (m3/h)

Thời gian lưu bùn :

Enzyme

Enzyme

Enzyme

/h)

QW : Lưu lượng nước chứa bùn được thải ra (m3/h)

XW : Hàm lượng bùn hoạt tính trong nước chứa bùn được thải ra, nếu được thải ra từ bể phản ứng thì XW = X (mg/m3)

X0 : Hàm lượng bùn hoạt tính nước thải vào; (mg/m3)

rg’ : Tốc độ phát triển thực của vi khuẩn;

Y : Hệ số sản lượng sinh khối, mgVSS/mgCOD;

Kd : Hệ số tự phân huỷ, ngày-1;

S0: Lượng cơ chất đầu vào (mg)

S: Lượng cơ chất dòng thải ra (mg)

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình bùn hoạt tính

(i) Ảnh hưởng của sự tăng pH lên quá trình bùn hoạt tính

Trong quá trình bùn hoạt tính giá trị pH thông thường nằm trong khoảng 6,5 ÷ 8 Khi pH tăng lên (> 9) thì tốc độ trao đổi chất sẽ bị chậm và có thể bị ngừng hẳn

(ii) Các hợp chất hoá học

12

Nhiều hợp chất hóa học có tác dụng gây độc đối với hệ vi sinh vật của bùn hoạt tính, ảnh hưởng đến hoạt động sống của chúng, thậm chí làm chúng bị chết Với nồng độ cao các chất phenol, formaldehyt và các chất sát khuẩn cũng như các chất bảo vệ thực vật sẽ làm biến tính protein của tế bào chất hoặc tác dụng xấu lên thành

tế bào

(iii) Kim loại

Các kim loại có ảnh hưởng đến sự sống của vi khuẩn theo thứ tự sau: Sb, Ag, Cu,

Hg, Co, Ni, Pb, Cr, Zn, Fe Các ion kim loại này thường ở nồng độ vi lượng có tác dụng tích cực đến sinh trưởng vi sinh vật và các động thực vật, nếu cao hơn nữa sẽ xuất hiện tác dụng tiêu cực, riêng Ag ở nồng độ vi lượng cũng có tác dụng sát khuẩn Tác dụng sát khuẩn còn thấy ở các hợp chất Hg, còn với chì là một chất độc tích lũy trong cơ thể sinh vật Các ion kim loại thường ở dạng muối vô cơ Nồng độ muối vô cơ có trong nước thải có ảnh hưởng đến khả năng hình thành và chất lượng của bùn Ví dụ: nồng độ muối clorit tăng đến 30 g/L sẽ làm giảm chất lượng làm sạch của nước thải

(iv) Nhiệt độ

Nhiệt độ tăng sẽ làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước và có ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa Cứ tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng sinh hoá tăng lên gấp đôi

- Nồng độ muối hoặc các chất hữu cơ cao sẽ làm giảm tốc độ vận chuyển oxi

13

- Chất dinh dưỡng: nếu hàm lượng N > 30  60 mg/L, P > 4  8 mg/L sẽ xảy ra hiện tượng phú dưỡng hoá, nghĩa là N và P tạo nguồn thức ăn cho rong rêu, tảo và vi sinh vật nước phát triển làm bẩn trở lại nguồn nước Tỷ lệ BOD5 : N :

P tối ưu là 100 : 5 :1

- pH ảnh hưởng đến quá trình bùn hoạt tính, pH tối ưu trong khoảng 6,5  7,5

- Thế oxi hoá khử (là thế năng giữa những tác nhân oxi hoá và khử, chưa kể tới lượng của từng loại chất đó hoặc tính sinh học của chúng) rất quan trọng đối với việc vận hành hệ thống Nó không phải là nguyên nhân mà là kết quả của phản ứng sinh học

- Lượng bùn tuần hoàn

1.2.4 Vi sinh vật trong bùn hoạt tính [10]

Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tuỳ tiện như : Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium

và hai giống ô nhiễm từ phân Euterobacterium và Streptococcus Trong số này, giống Pseudomonas thường gặp ở hầu hết nước thải, sau đó là Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium Pseudomonas hầu như có thể đồng hoá được mọi chất hữu cơ, kể cả hợp chất hữu cơ tổng hợp, như polyvinyl alcohol, và sống khá lâu trong môi trường nước Giống vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân hủy được nhiều dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột Các giống vi khuẩn Alcaligenes, Flavobacterium cũng khá quan trọng gần giống như hai giống trên, ở nơi nào có sự phân huỷ protein là có mặt hai giống này Trong khi các vi khuẩn là những vi sinh vật làm phân rã thực sự các chất thải hữu

cơ trong nước thải, thì hoạt động trao đổi chất của các vi sinh vật khác cũng quan

trọng trong hệ thống bùn hoạt tính Ví dụ : Protozoa tiêu thụ những vi khuẩn phân tán không kết bông còn Rotifers tiêu thụ phần bông bùn sinh học nhỏ không lắng Ngoài ra các loài Zooglea, đặc biệt là Z ramigoza, rất giống Pseudomonas Chúng

có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào Bao nhầy này là một polymer

Phân hủy protein

Phản nitrat hoá (khử nitrat thành N2) Khử sulfat, khử nitrat

15

CHƯƠNG 2 TIẾP CẬN GIẢM THIỂU BÙN THẢI CHỦ ĐỘNG TRONG XỬ

LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 2.1 VẤN ĐỀ BÙN THẢI TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG

NGHỆ SINH HỌC

2.1.1 Thành phần, tính chất, hiện trạng bùn thải

Trong quá trình xử lý nước thải sinh học, vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng cơ chất làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới dẫn đến trong bể, lượng bùn hoạt tính tăng dần lên Sau đó bùn được tách ra tại

bể lắng, một phần được quay trở lại đầu bể xử lý sinh học để tham gia xử lý nước thải theo chu trình mới Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải thường ở dạng lỏng

có chứa từ 0,25 - 12% chất rắn tính theo khối lượng tùy thuộc vào công nghệ xử lý nước thải được áp dụng Trong quá trình xử lý sinh học, hệ số chuyển hóa bùn thường nằm trong khoảng 0,40 - 0,70 mg VSS/mgCOD

Trong những thành phần cần xử lý, bùn chiếm thể tích lớn nhất và kỹ thuật xử lý cũng như thải bỏ bùn là một trong những vấn đề phức tạp nhất trong quá trình xử lý nước thải Các thiết bị xử lý bùn chiếm từ 40-60% tổng chi phí xây dựng hệ thống

xử lý nước thải và chi phí xử lý chiếm khoảng 50% chi phí vận hành toàn hệ thống

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất của bùn cặn nước thải đô thị như sau [5]

Đối với các khu đô thị, khu dân cư vẫn tồn tại khá nhiều những cơ sở sản xuất, cửa hàng sửa chữa, hay làm nghề thủ công, xả nước thải trực tiếp chưa qua xử lý hay xử

lý chưa triệt để vào hệ thống thu gom với những thành phần phức tạp như chứa kim loại nặng, chất hữu cơ rất khó kiểm soát Khi qua hệ thống xử lý tập trung, các thành phần độc hại này không thể xử lý triệt để, và tích tụ trong bùn thải của hệ thống xử lý, do đó phát sinh loại bùn thải chứa các thành phần độc hại

Đối với nước thải tại các khu công nghiệp, làng nghề: xử lý nước thải ở các khu công nghiệp, các làng nghề, các bãi rác, các trại chăn nuôi hay từ khu dân cư… hết sức khó khăn và tốn kém Song “xử lý bùn thải” sau khi đã xử lý nước thải (được gọi là chất bùn thải nguy hại) còn khó khăn, phức tạp bội phần bởi thành phần bùn thải có thể khá đa dạng, phức tạp Với nước thải từ khu công nghiệp có thể có kim loại nặng lắng đọng trong bùn thải

Các mẫu bùn thải của các doanh nghiệp, KCX-KCN, cụm công nghiệp được lấy để phân tích thành phần chất thải cho thấy, có đến 60% lượng bùn thải chứa các chất thải nguy hại Bùn thải của KCN Lê Minh Xuân và KCX Tân Thuận được xếp vào loại nguy hại hỗn hợp, do chứa hàm lượng kim loại nặng và các chất hữu cơ độc hại vượt ngưỡng tiêu chuẩn chất thải nguy hại Còn bùn thải từ KCX-KCN Hiệp Phước, Tân Tạo, Tây Bắc-Củ Chi, Linh Trung 2, Cát Lái 2 lại nguy hại là do có hàm lượng

17

các chất hữu cơ độc hại vượt tiêu chuẩn.Riêng bùn thải tại các KCX-KCN Tân Thới Hiệp, Tân Bình, Vĩnh Lộc, Linh Trung 1 và Bình Chiểu thì không nguy hại Trước đây bùn thải từ khu công nghiệp này thường được sử dụng để bón cây, song với hàm lượng Cr, Ni vượt tiêu chuẩn, hiện không thể sử dụng lượng bùn này như phân bón

Theo khảo sát về chất thải toàn cầu của Tổ chức Hàng hải quốc tế: Cứ tạo ra sản phẩm quốc nội (GDP) 1 tỷ đô la thì sẽ làm phát sinh 4.500 tấn chất thải công nghiệp, trong đó 20% là chất thải nguy hại Ở Tp Hồ Chí Minh phát sinh khoảng 1,2 triệu tấn bùn thải/tháng Dự báo đến năm 2015 số lượng bùn thải sẽ tăng lên khoảng 3 triệu tấn/tháng, năm 2020 sẽ không dưới 4 triệu tấn/tháng Trong đó, bùn thải nguy hại hiện nay có khoảng từ 250 – 300 tấn/ngày, chưa kể đến bùn thải từ các tỉnh lân cận đưa về thành phố để xử lý từ 150 – 200 tấn/ngày

Tổng hợp phân loại và lượng bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nước thải ở các khu công nghiệp như sau:

Bảng 2.2 Kết quả phân loại bùn và mức phát thải bùn tại các nhà máy xử lý nước thải tập

trung KCN [15]

(m 3 /ngày)

Mức phát thải (kg/m 3 )

Đánh giá mức

độ ô nhiễm

hợp

18

Bảng 2.3 Khối lượng bùn thải tại các trạm xử lý tập trung ở các khu công nghiệp Khối lượng Bùn thải không nguy hại

Bình Chiểu

Tân Thới Hiệp

Lê Minh Xuân

Hiệp Phước

Cát Lái 2

Tân Thuận

Linh Trung

2

Tây bắc

Củ Chi

Tân Tạo

Bảng 2.4 Đơn giá xử lý chất thải

Giá xử lý Bùn thải không nguy

hại phát sinh tại các KCN

1

Bình Chiểu

Tân Thới Hiệp

Lê Minh Xuân

Hiệp Phước

Cát Lái

2

Tân Thuận

Linh Trung

2

Tây bắc

Củ Chi

Tân Tạo

600

19

Với khối lượng bùn thải nguy hại từ các trạm xử lý nước thải tập trung như vậy, nếu

xử lý đúng quy trình, các khu công nghiệp phải tiêu tốn từ hàng trăm triệu đến hàng

tỷ đồng/tháng Nếu không xử lý, sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường

Bảng 2.5 Khối lượng bùn thải tại Trạm xử lý nước thải cục bộ tại một số các nhà máy

thành viên khu công nghiệp [15]

Hầu hết số lượng bùn thải của các hệ thống xử lý nước thải tập trung (HTXLNTTT) tại các KCX-KCN chưa được coi là chất thải nguy hại và không được xử lý đúng cách Bùn đã được ép hoặc phơi khô và sau đó bón trực tiếp cho cây xanh trong phạm vi KCN (KCN Lê Minh Xuân); được ủ tại chỗ làm phân compost (KCN Vĩnh

20

Lộc); hoặc bán cho cơ sở làm phân vi sinh (KCN Tân Tạo), hoặc giao cho đơn vị có chức năng thu gom, xử lý (KCN Bình Chiểu, KCN Tân Bình, KCX Tân Thuận) Tại Nhà máy XLNT Bình Hưng khu vực xử lý bùn còn phát sinh mùi hôi thối ảnh hưởng tới dân cư Mùi hôi thối phát sinh từ nhà máy ra khu vực dân cư là do nhà máy xử lý bùn theo công nghệ ủ hiếu khí, các nhà lên men thứ cấp của nhà máy không phải kho chứa dạng kín mà dạng hở Tại nhà máy còn tồn đọng hơn 4000 tấn, chưa kể mỗi ngày lượng bùn phát sinh thêm khoảng 35 tấn

Lượng bùn thải này khi thải ra môi trường gây những ảnh hưởng nghiêm trọng tới con người và tự nhiên như gây thoái hóa đất, giảm độ phì nhiêu cho đất, ảnh hưởng

hệ sinh vật trong đất, ảnh hưởng năng suất cây trồng, động vật nuôi và tích tụ trong môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Thống kê một số tác hại của các thành phần độc hại trong bùn thải đối với con người khi tích tụ trong môi trường tự nhiên:

Bảng 2.7 Tác hại của bùn thải

Các yếu tố

độc hại

Hg Luyện kim, khai thác mỏ, sản

xuất sơn, đóng tàu, sản xuất hoá chất,…

Độc với hệ thần kinh, suy thận, viêm đường hô hấp

Pb Luyện kim, sản xuất sơn, men,

bột màu,…

Độc với hệ tạo máu, hệ thần kinh, ảnh hưởng đến khả năng sinh sản

Cd Mạ điện, sản xuất pin, sản xuất

sơn, luyện chì và kẽm, khai thác

mỏ, sản xuất nhựa, men,…

Loãng xương, giảm chức năng thận, ung thư, tăng huyết áp

Cr Luyện kim, khai khoáng, xi

mạ,…

Ăn mòn da, hoại từ, ung thư

As Khai thác than, quặng kim loại

màu, sản xuất giấy, sản xuất xi măng, sản xuất thuốc bảo vệ thực

Rối loạn tiêu hoá, bệnh da (da có màu, sừng hoá, ung thư da)

Ung thư các cơ quan nội tạng

Ung thư tuyến tiền liệt, quái thai, rối loạn chức năng gan, suy giảm miễn dịch, đột biến gen, giảm khả năng sinh sản

PCBs Công nghiệp điện, điện tử sản xuất

keo dán plastic, mực in, sơn,…

Ảnh hưởng hệ thần kinh, suy giảm men gan dẫn đến sơ gan và viêm gan mãn tính, ảnh hưởng tuyến giáp, ung thư,…

PAHs Khai thác than, dầu mỏ,… Ung thư, đột biến gen, suy giảm

miễn dịch, độc gan, độc tuỷ xương, độc tim mạch

Quy trình chung của phương pháp này bao gồm:

Bùn thải từ công trình xử lý được thu gom lại, được tách nước nhờ sử dụng lực cơ học từ các thiết bị, làm khô, và sau đó được thu gom vận chuyển xử lý các bước tiếp theo

Máy ép cặn lý tâm: làm khô cặn theo nguyên tắc lắng và ép bằng lực ly tâm Dung

dịch cặn được bơm vào máy theo ống cố định đặt dịch theo tâm máy, nằm trong lõi của trục bánh vít chuyển động chậm và ngược chiều với thùng quay để dồn cặn khô đến cửa xả cặn Cặn đi ra khỏi đầu ống đặt cuối thúng quay, cặn chịu tác động của lực ly tâm dính vào mặt trong thùng, nước trào ra được tháo qua lỗ đặt ở cuối thùng quay

Máy lọc ép băng tải: Làm khô cặn bằng lọc ép trên băng tải Hệ thống lọc ép băng

tải gồm máy bơm bùn để cô đặc đến thùng hóa chất keo tụ và định lượng cặn, hệ thống băng tải trục ép, thùng đựng và xe vận chuyển cặn khô, bơm nước sạch rửa băng tải, thùng thu nước lọc và bơm nước lọc về khu xử lý

Phương pháp xử lý bùn cặn bằng phương pháp lên men kỵ khí:

Cơ chế của phương pháp như sau:

Công trình

phát sinh bùn

Sân phơi bùn

Hệ thống xả bùn bơm cặn

Các công trình xử lý cơ học lý học

Lọc ép Bể nén

bùn

Lọc chân không

Quay ly tâm

23

Hình 2.2 Xử lý bùn thải

Phương pháp đốt: mục đích là đưa chất thải về dạng cuối cùng là CO2 và H2O Việc này yêu cầu tiêu tốn rất nhiều O2 trong không khí và tạo ra một lượng CO2 không nhỏ có hại cho môi trường

Tại các nhà máy bùn phát sinh có thể ở dạng lỏng, đặc hay khô Tuỳ theo từng dạng, bùn được lưu chứa tạm trong các dụng cụ khác nhau: dạng lỏng – trong hồ hoặc thùng phuy; dạng đặc và khô - trong các bao bì…Sau đó, các cơ sở sản xuất sẽ hợp đồng với các đơn vị có chức năng đưa đi xử lý Các đơn vị thu gom sẽ vận chuyển bùn từ doanh nghiệp bằng các loại xe tải chuyên dùng khác nhau

Tại một số cơ sở sản xuất, bùn được ép hoặc phơi khô sau đó bón trực tiếp cho cây xanh Nguy cơ rò rỉ các chất độc hại trong bùn thải đến nước ngầm, nước mặt và lan truyền vào môi trường là có thể xảy ra

Hiện tại khu KCN Tân Bình xử lý bùn định kỳ bằng phương pháp thu gom, thuê đơn vị chuyên trách xử lý bùn khác tiếp nhận và xử lý Bùn thải sau khi được lấy ra khỏi máy ép bùn có độ khô cao, các bánh bùn sau khi ép được chứa vào bao và được thu gom định kỳ

Chất hữu cơ phức tạp (Protein, HC, Chất

béo) Thủy phân

Sản phẩm đơn giản hơn

CH4, CO2, H2O

Acid hữu cơ

Lên men acid

Lên men metan

Giai đoạn 1: Lên men Acid

Giai đoạn 2: Lên men metan

24

Tại khu công nghiệp Tân Tạo, bùn hóa lý sinh ra từ bể lắng sơ bộ và bùn sinh hoạt

dư từ quá trình xử lý sinh học được bơm vào bể nén bùn và sau đó là máy ép bùn băng tải Bánh bùn sau đó sẽ được chứa vào bao và thu gom định kỳ

Khu công nghiệp Lê Minh Xuân quy trình xử lý bùn tại nhà máy xử lý nước thải cũng tương tự như trên, sau đó sẽ được một đơn vị chuyên trách xử lý thu gom đi

xử lý cuối cùng

Như vậy hiện nay xử lý bùn thải mới chỉ dừng lại ở mức xử lý đầu cuối, không hoặc

ít quan tâm tới việc có thể tận dụng lượng bùn dư hoặc tìm cách giảm khối lượng bùn phát sinh Mặt khác việc các hệ thống xử lý hoạt động thiếu hiệu quả cũng khiến chi phí xử lý bùn phát sinh thêm rất nhiều Thêm vào đó, thực tế tại các nhà máy, khu công nghiệp, việc xử lý bùn thải cũng thiếu hiệu quả, gây mùi hôi thối, ô nhiễm môi trường Điều này vô hình chung gây ra những thiệt hại cả về kinh tế lẫn môi trường sống

2.2 TIẾP CẬN GIẢM THIỂU BÙN THẢI MỘT CÁCH CHỦ ĐỘNG

2.2.1 Vai trò của việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu bùn thải một cách chủ động

Hiện nay, các chi phí đầu vào như nguyên nhiên liệu, công lao động gia tăng liên tục trong khi môi trường cạnh tranh giữa các doanh nghiệp ngày càng khốc liệt trước yêu cầu ngày càng cao của khách hàng về chất lượng và giá thành sản phẩm Vì vậy, chọn lựa giải pháp có thể giảm thiểu lượng bùn thải giúp giảm chi phí xử lý chính là cách

để doanh nghiệp đạt được mục tiêu nâng cao năng lực sản xuất, khả năng cạnh tranh, nâng cao hiệu suất sinh thái, giảm thiểu rủi ro cho con người và môi trường và phát triển bền vững

Nói một cách tổng quát, việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu bùn thải một cách chủ động vừa là công cụ quản lý, công cụ kinh tế, công cụ bảo vệ môi trường và là công

cụ nâng cao chất lượng sản phẩm Nó giúp tiết kiệm tài chính, giảm chi phí xử lý cuối đường ống, chi phí loại bỏ các chất thải rắn, nâng cao hiệu suất hoạt động của nhà máy, nâng cao mức ổn định sản xuất và chất lượng sản phẩm; giảm sử dụng tài

25

nguyên thiên nhiên thông qua các biện pháp thu hồi và tái sử dụng chất thải; cải thiện môi trường làm việc có liên quan đến sức khoẻ và an toàn lao động cho công nhân; giảm ô nhiễm và tạo nên hình ảnh tốt hơn về doanh nghiệp, nâng cao tính linh hoạt và khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp

Nó cũng giúp cơ sở sản xuất chấp hành tốt hơn các qui định về môi trường, giúp các ngành công nghiệp xuất khẩu đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc tế về môi trường, tiếp cận tài chính dễ dàng hơn; nâng cao hiểu biết về các vấn đề về môi trường trong nội bộ doanh nghiệp và nâng cao nhận thức, tinh thần trách nhiệm của công và tái sử được các bán thành phẩm có giá trị

Nó chỉ ra ý nghĩa giải quyết các thách thức môi trường là trách nhiệm của toàn thể mọi người, cho thấy rằng chất lượng có nghĩa là sản xuất ra các sản phẩm đáp ứng yêu cầu của khách hàng và có tác động thấp nhất đến sức khỏe và môi trường

Việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu bùn thải một cách chủ động giúp cải thiện môi trường theo một quá trình làm việc liên tục để đạt đến tiêu chuẩn ngày một cao hơn bao gồm cả giải pháp kỹ thuật và phi kỹ thuật

2.2.2 Các nhóm giải pháp giảm thiểu bùn thải trong hệ thống xử lý nước thải sinh học

Cải tiến thiết bị

Giải pháp giảm thiểu bùn thải

Tuần hoàn tái sử dụng

Cải tiến sản phẩm

Thay thế nguyên vật liệu

Kiểm soát quy trình tốt

Sản xuất sản phẩm phụ

26

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU BÙN THẢI

3.1 KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

3.1.1 Ảnh hưởng của thông số vận hành tới lượng bùn dư sinh ra

Các nguyên nhân gây ra bông bùn dư nhiều là do thiếu hợp chất cần thiết, thiếu hụt chất dinh dưỡng, nồng độ oxy hòa tan thấp, nồng độ cơ chất thấp, sự hình thành khí

H2S hoặc thời gian lưu bùn

Những nguyên nhân này có thể khiến một số vi sinh vật phát triển làm tăng lượng bùn dư hay làm bùn khó lắng, khó xử lý và mất nhiều chi phí cho hóa chất để xử lý lượng bùn này Những hiện tượng có thể làm bùn khó xử lý hay tăng lượng bùn cụ thể như sau:

i Ảnh hưởng của thời gian lưu bùn, tỷ lệ F/M tới sản lượng bùn dư

Tỷ lệ F/M (tỉ lệ giữa khối lượng vi sinh và tải lượng bùn trong bể aerotank, kg BOD5/kg MLSS/ngày đêm) đóng vai trò quan trọng trong hình thành bùn hoạt tính Khi bắt đầu làm thoáng, tỷ lệ này rất cao nên vi sinh vật ở trạng thái dư thức ăn Sự sinh trưởng ban đầu theo qui luật Logarit

Thông thường khi đạt được tới pha hô hấp nội bào thì phải tích bông bùn đã hình thành bằng cách lắng Bông đậm đặc lại được tuần hoàn nuôi dưỡng ở bể bùn hoạt tính giàu chất hữu cơ Vì lượng vi sinh vật cao hơn lúc ban đầu nên tỷ lệ F/M thấp hơn và vi khuẩn lại bắt đầu phát triển nhưng ở điểm cao hơn trong chu trình sinh trưởng Thời gian làm thoáng không đổi sẽ cho phép hệ cứ tăng tiến dần đến pha hô hấp nội bào theo từng chu trình Kết quả sẽ tạo được bông tốt hơn và nước ra khỏi

hệ trong hơn Như vậy tốc độ khử chất hữu cơ sẽ nhanh nhất ở pha sinh trưởng, còn việc tạo bông bùn sẽ tốt nhất ở pha hô hấp nội bào

Khi tỷ lệ F/M cao, tình trạng dư thừa thức ăn khiến vi sinh vật sẽ phát triển mạnh dẫn tới lượng sinh khối sẽ tạo ra nhiều Điều này đồng nghĩa với việc lượng bùn dư

sẽ tăng nhanh Như vậy, để giảm lượng bùn dư, có thể giảm tỷ lệ F/M Tỷ lệ F/M được tính như sau:

27

F/M = Qv 𝑩𝑶𝑫𝟓

𝑽 MLVSS Trong đó: Qv lưu lượng nước thải đầu vào (l/ngày), BOD5 (mg/l) là hàm lượng BOD5 trong nước thải đầu vào, V(l) thể tích bể sinh học, MLVSS (mg/l) hàm lượng chất rắn bay hơi

Có hai hướng để giảm tỷ lệ này:

(i) Tìm cách khống chế lượng thức ăn vi sinh vật ( có nghĩa là giảm lượng cơ

chất đầu vào) Đối với nước thải khu đô thị, thông thường dinh dưỡng cho vi sinh vật khá dư thừa, do vậy để khống chế lượng thức ăn cho vi sinh vật có thể bằng cách pha loãng nước thải Tuy nhiên, phương án này sẽ tốn chi phí thiết kế xây dựng và duy trì lượng nước bổ sung để pha loãng nước thải Về mặt kỹ thuật, phương pháp này có thể thực hiện nhưng sẽ mất thêm chi phí xây dựng, mặt khác nó sẽ làm phức tạp thêm về mặt vận hành cho hệ thống: cần phải kiểm soát lưu lượng, hàm lượng các chất ô nhiễm đầu vào của lượng nước bổ sung để đảm bảo pha loãng nước thải ở tỷ lệ thích hợp, có thể đảm bảo cho vi sinh vật hoạt động Mặt khác nguồn nước để bổ sung vào nước thải cũng là một vấn đề cần xem xét Nếu lấy nguồn nước tại sông hồ, sẽ phải thêm các công đoạn xử lý kiểm soát các chất rắn lơ lửng và các thông số ô nhiễm khác Phương án này tiềm ẩn nhiều yếu tố có thể gây ức chế cho hoạt động của vi sinh vật khiến hiệu quả xử lý suy giảm Phương án này có thể xem là không hiệu quả và khả thi về mặt kinh tế

(ii) Duy trì lượng sinh khối trong bể xử lý sinh học ở nồng độ cao, đồng nghĩa với

việc giảm lượng sinh khối rút ra hàng ngày Khi đó thời gian lưu bùn sẽ tăng lên Trong vận hành, chúng ta có thể kéo dài thời gian lưu bùn Đây là giải pháp dễ thực hiện và khả thi hơn so với phương án trên Việc tăng thời gian lưu bùn cũng là một giải pháp thực tế vì thời gian lưu bùn quá ngắn có thể dẫn tới hiện tượng cạn kiệt vi sinh vật trong bể sinh học, váng bọt màu trắng, cứng, cuồn cuộn hoặc sủi bọt trắng xóa phủ một vùng lớn hoặc toàn bộ bể hiếu khí Tuy nhiên, việc thời gian lưu bùn quá dài, dẫn tới tỷ lệ F/M quá thấp

Hình 3.1 Hiện tượng váng bọt màu trắng do thời gian lưu bùn ngắn [24, 25]

Đối với sự ảnh hưởng của thời gian lưu bùn tới sản lượng bùn dư trong hệ thống sinh học, một nghiên cứu đối với hệ thống bể yếm khí-hiếu khí cho thấy [15]:

Hệ thống thiết bị ( bể yếm khí 1,5 l kích thước 100*100*150 mm; bể hiếu khí 4,8 l kích thước 240*100*200 mm) Nước thải được cấp vào hệ thống có lưu lượng 0,9 l/h, thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí, hiếu khí, bể lắng là 1,6 5,4 h và 3 h DO ở bể hiếu khí khoảng 2,0 mg/l, trong bể yếm khí nhỏ hơn 0,1mg/l; hàm lượng MLSS 2000-2200 mg/l Bùn tuần hoàn lại bể yếm khí 0,45 l/h Kết quả cho thấy khi tăng thời gian lưu bùn từ 5, 10, 15, 20 ngày, tỷ

lệ F/M suy giảm 0,58; 0,38; 0,32; 0,29 mgCOD/mgMLVSS/ngày Khi đó lượng bùn thải giảm đi đáng kể, từ 2600 mgSS/ngày xuống còn 1400 mg SS/ngày, có nghĩa là lượng bùn dư giảm gần 50% khi thời gian lưu bùn tăng

từ 5 đến 20 ngày Theo đó, biện pháp này có thể giảm được chi phí xử lý bùn thải khoảng 50%

Mặt khác, sự phụ thuộc tỷ lệ F/M và hiệu suất xử lý BOD như sau :

Bảng 3.1 Mối quan hệ tỷ lệ F/M và hiệu suất xử lý

Một nghiên cứu khác đối với hệ thống xử lý sinh học kết hợp lọc màng cũng cho thấy

rõ vai trò của thời gian lưu bùn tới sản lượng bùn dư [16]:

Bảng 3.2 Điều kiện vận hành [16]

kd (1/ngày): hệ số phân hủy nội bào 0,01-0,08 0,04

Y(mgVSS/mgCOD): hệ số sản lượng

sinh khối

30

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa thời gian lưu bùn và sản lượng bùn dư [16]

Lượng bùn dư suy giảm đột ngột khi Tb tăng từ 1 đến 50 ngày, khi tăng Tb từ 50-200 ngày, lượng bùn dư giảm chậm dần, khi Tb tăng hơn 200 ngày, lượng bùn dư giảm không đáng kể Lượng bùn dư tiến tới 0 khi Tb tăng đến hơn 400 ngày Nhìn vào đồ thị cũng có thể thấy, trong khoảng thời gian lưu 50 ngày, lượng bùn thải cũng giảm được hơn 50%

Có thể áp dụng công thức tính toán đối với lưu lượng nước thải 20000 m3/ngđ, hàm lượng chất ô nhiễm 500 mg/l (nước thải ô nhiễm trung bình), tính toán lượng bùn dư phát sinh khi tăng thời gian lưu bùn lên 100 ngày như sau:

Hình 3.3 Sản lượng bùn dư theo thời gian lưu bùn

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

31

Dựa trên đồ thị có thể thấy, trong khoảng thời gian từ 10 - 40 ngày, lượng bùn dư giảm nhiều nhất: Thời gian lưu bùn tăng từ 1-10 ngày, lượng bùn dư sinh ra giảm từ 3 tấn xuống còn khoảng 1,8 tấn (giảm 40%); thời gian lưu bùn tăng lên 20 ngày, lượng bùn giảm còn 1,5 tấn (giảm 50%) Tuy càng kéo dài thời gian lưu bùn, lượng bùn thải càng giảm, nhưng thời gian để lượng bùn giảm đi khoảng 50% tăng lên rất nhiều (để lượng bùn giảm còn một nửa so với điểm lưu bùn 20 ngày, thời gian lưu bùn là 100 ngày)

Mặt khác, khi thời gian lưu bùn quá cao (tỷ lệ F/M thấp) sẽ dẫn tới một số hiện tượng bùn có đặc tính không tốt Nó có thể dẫn tới sự phát triển quá mức vi sinh vật hình sợi tạo nên những cấu trúc mạng cho chất rắn bám vào và nước liên kết làm cho các tế bào vi khuẩn trương phồng và giảm trọng lượng riêng Điều này sẽ khiến bùn khó lắng Hoặc bùn lắng xuống đáy bể lắng lại nổi trở lên mặt bể là do quá trình khử nitrat xảy ra ở đáy bể lắng 2, NO3-

và NO2- chuyển thành N2, khí này bám vào các hạt bùn đẩy các hạt bùn nổi lên bề mặt bể

Nó cũng có thể dẫn tới sự hiện diện của vi khuẩn Norcadia và Microthrix khiến trên mặt bể BHT và bể lắng có một lớp bùn nhớt, màu nâu, gây mùi hôi

Bùn chứa quá nhiều polymer ngoại bào làm cho lớp bùn xốp, dẫn đến hiện tượng tăng SS và BOD đầu ra

Với một lượng lớn, các vi khuẩn sợi nội tại có khả năng hình thành một loại bông bùn trông giống như một miếng bọt biển Chúng có khả năng cần một lượng lớn chất polymer để hình thành bông bùn và lắng xuống trong bể lắng Điều này làm tăng lượng tiêu thụ polymer Nó làm cho chi phí xử lý chất rắn tăng lên và thêm vào đó là chi phí xử lý sự cố do bùn nổi, tạo váng hay bọt trên bể lắng, bể bùn hoạt tính

Việc giảm tỷ lệ F/M sẽ khống chế sự phát triển thêm của vi sinh vật (đẩy nhanh vi sinh vật vào giai đoạn ở pha phát triển chậm và pha hô hấp nội bào), điều này cũng có nghĩa là hệ số sản lượng sinh khối Y (mgVSS/mgCOD) sẽ giảm, và hệ số phân hủy nội bào sẽ tăng lên Theo nghiên cứu đối với hệ thống sinh học kết hợp lọc màng [16], khi hệ số sản lưởng sinh khối giảm, lượng bùn dư cũng sẽ giảm Nếu Y giảm từ 0,4 ngày-1 xuống 0,1 ngày-1 thì lượng bùn dư giảm 60% Khi hệ số phân hủy nội bào

32

tăng, lượng bùn dư sẽ giảm: hệ số phân hủy nội bào tăng từ 0,1 đến 0,4 ngày-1, lượng bùn dư theo đó cũng giảm 50%

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa hệ số sản lượng sinh khối và sản lượng bùn dư (thời gian lưu

thủy lực 6 h, lưu bùn 40 ngày, hệ số phân hủy nội bào 0,04 ngày-1[16]

Áp dụng công thức tính toán đối với lưu lượng nước thải 20000 m3/ngđ, hàm lượng chất ô nhiễm 500 mg/l (nước thải ô nhiễm trung bình), thời gian lưu thủy lực 6 h, lưu bùn 40 ngày, hệ số phân hủy nội bào 0,04 ngày-1, tính toán lượng bùn dư phát sinh khi thay đổi hệ số sản lượng sinh khối như sau:

Hình 3.5 Sản lượng bùn dư theo hệ số sản lượng sinh khối

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

33

Sản lượng bùn dư và hệ số sản lượng sinh khối có thể coi là phụ thuộc tuyến tính theo hàm bậc nhất trong khoảng từ 0,4 đến 0,1, do đó trong khoảng này, khi giảm hệ số sản lượng sinh khối, lượng bùn dư cũng không có sự suy giảm đột biến, lượng bùn dư giảm từ 1,5 tấn/ngày xuống 0,4 tấn/ngày khi hệ số sản lượng sinh khối giảm từ 0,4 xuống còn 0,1 mgVSS/mgCOD

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hệ số phân hủy nội bào và sản lượng bùn dư(thời gian lưu

thủy lực 6h, lưu bùn 40 ngày, sản lượng sinh khối 0,3 mgVSS/mgCOD [16]

Áp dụng công thức tính toán đối với lưu lượng nước thải 20000 m3/ngđ, hàm lượng chất ô nhiễm 500 mg/l (nước thải ô nhiễm trung bình), thời gian lưu thủy lực 6h, lưu bùn 40 ngày, hệ số sản lượng sinh khối 0,3 mgVSS/mgCOD, tính toán lượng bùn dư phát sinh khi thay đổi hệ số phân hủy nội bào như sau:

34

Hình 3.7 Sản lượng bùn dư theo hệ số phân hủy nội bào

Khi hệ số phân hủy nội bào tăng từ 0,01 đến 0,06, lượng bùn giảm từ 2,1 tấn/ngày xuống 0,8 tấn (giảm khoảng 68%) Khi hệ số phân hủy tiếp tục tăng, lượng bùn giảm, tuy nhiên không nhiều và không hiệu quả

Từ những phân tích trên có thể thấy đảm bảo thời gian lưu bùn (đảm bảo tỷ lệ F/M) là một thông số kỹ thuật quan trọng trong việc giảm thiểu bùn dư trong hệ thống xử lý Việc thực hiện biện pháp này không gặp khó khăn về mặt kỹ thuật và hoàn toàn khả thi, thông qua điều chỉnh thời gian lưu bùn Điều quan trọng cần lưu ý trong thực tế khi điều chỉnh thông số này là cần phải quan sát thường xuyên để phát hiện những biểu hiện bất thường trên các bể lắng, bể bùn hoạt tính (những biểu hiện này biểu thị những hệ quả xấu khi lượng thức ăn cho sinh vật không đầy đủ, khiến hệ thống xử lý không đạt hiệu quả hoặc gặp sự cố) để có thể điều chỉnh thời gian lưu bùn tối ưu

ii Lượng SS đầu vào

Lượng bùn dư sinh ra trong hệ thống có thể được tính theo TCVN 7957-2008 [1]:

M = 0,8[SS] + 0,3[BOD5v]

Từ biểu thức này ta có thể dễ dàng nhận ra, lượng bùn dư sinh ra trong hệ thống phụ thuộc vào hàm lượng SS và hàm lượng BOD5 đầu vào của bể xử lý sinh học hiếu khí Như vậy, việc tối ưu hóa vận hành hệ thống xử lý nước thải thực sự có ý nghĩa

0 0.5

1 1.5

2 2.5