Nghiên cứu xử lý bùn cặn từ trạm xử lý nước thải đô thị bằng quá trình phân hủy kỵ khí kết hợp thu hồi biogas

- Xác định được thành phần và sản lượng biogas sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các loại bùn cặn của hệ thống XLNT và các thông số của quá trình công nghệ.. * Phạm vi nghiên cứu: Do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

KẾT HỢP THU HỒI BIOGAS

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

Mã số: 60 52.03.20

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2015

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN VĂN QUANG

Phản biện 1: PGS.TS TRẦN CÁT

Phản biện 2: TS NGUYỄN ĐÌNH HUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 11 tháng 8 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự phát triển kinh tế - xã hội, dân số thành thị tăng nhanh cùng với đó đời sống được nâng cao dẫn tới nhu cầu sử dụng nước ngày càng nhiều Sau khi sử dụng nước thải theo hệ thống thu gom dẫn về trạm xử lý Trong quá trình xử lý sẽ phát sinh lượng bùn cặn dư thừa và bùn cặn này đang trở thành một gánh nặng cho các đô thị không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả ở các nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới Theo cục bảo vệ môi trường Mỹ (US-EPA), chi phí xử lý bùn cặn chiếm tới 50% chi phí vận hành của toàn hệ thống

Hiện nay đối với các trạm XLNT chưa quan tâm xem xét vấn đề

xử lý bùn, cặn Cách xử lý bùn cặn phát sinh từ trạm XLNT đơn giản

và phổ biến nhất ở Việt Nam chỉ là làm khô để giảm thể tích và vận chuyển đi chôn lấp Nhưng nhiều thành phố đang gặp khó khăn trong việc thu gom, vận chuyển, xử lý bùn cặn do chi phí vận chuyển cao và gây lãng phí

Mặc dù vậy khả năng thu hồi năng lượng từ bùn cặn là rất lớn, bùn cặn có tiềm năng để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau Việc tận dùng bùn cặn vừa giúp giảm thiểu chất thải, giảm chi phí để

xử lý các chất thải, tạo ra nguồn năng lượng sạch vừa góp phần bảo vệ môi trường

Xuất phát từ những cơ sở trên, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu

xử lý bùn cặn từ trạm xử lý nước thải đô thị bằng quá trình phân huỷ

kỵ khí kết hợp thu hồi Biogas”

2 Mục đích nghiên cứu

- Xác định tính chất, thành phần bùn cặn phát sinh từ hệ thống xử

lý nước thải đô thị

- Xác định được thành phần và sản lượng biogas sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các loại bùn cặn của hệ thống XLNT và các thông số của quá trình công nghệ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu :

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: (1) Cặn từ quá trình xử lý cơ học (2) Bùn hoạt tính và màng vi sinh vật từ quá trình xử lý sinh học (3) Quá trình phân hủy kỵ khí bùn cặn từ HTXLNT đô thị

* Phạm vi nghiên cứu:

Do hiện tại Đà nẵng chưa có hệ thống XLNT hoàn thiện (công nghệ hồ kỵ khí) nên các loại bùn cặn phát sinh từ hệ thống được xác định bằng cách sử dụng mô hình trình diễn xử lý nước thải chi phí thấp của Metawater (công nghệ lọc xốp nổi và lọc sinh học) và thiết lập mô hình vật lý mô phỏng quá trình lắng tĩnh và sinh hóa hiếu khí Aerotank (SBR) để tiến hành thí nghiệm

Từ đó xác định tốc độ phân hủy kỵ khí bùn cặn ở quy mô phòng thí nghiệm với cặn từ quá trình lắng tĩnh, lọc xốp nổi, bùn hoạt tính SBR và màng vi sinh vật sau lọc sinh học, thực nghiệm được tiến hành trong trường hợp nạp liệu gián đoạn Đối với cặn từ quá trình xử

lý cơ học, được tiến hành tiếp tục ở quy mô bán thực nghiệm với điều kiện nạp liên tục

Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 12/2014 đến 6/2015

4 Phương pháp nghiên cứu

Nơi tiến hành thực nghiệm: Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ môi trường, Đại học Đà Nẵng và trạm xử lý nước thải Phú Lộc – thành phố Đà Nẵng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của đề tài có thể được ứng dụng để giải quyết các vấn đề tồn tại của các trạm xử lý nước thải đô thị: (1) Giảm thiểu khối lượng bùn, cặn thải; (2) Giảm chi phí để xử lý các chất thải; (3) Tận thu nguồn khí sinh học và góp phần bảo vệ môi trường

6 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm có 03 Chương và trình bày theo bố cục sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.1.1 Nước thải đô thị

a Định nghĩa

Nước thải đô thị là nước thải sinh hoạt từ các hoạt động của con

người và nước thải từ các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như cơ quan, chợ, bệnh viện, trường học trong khu dân cư

b Lưu lượng, tính chất, thành phần nước thải

Lưu lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư được xác định trên

cơ sở nước cấp Thông thường tiêu chuẩn thải lấy bằng 60 – 80% tiêu chuẩn cấp nước Ngoài ra, lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư còn phụ thuộc vào trang thiết bị vệ sinh, đặc điểm khí hậu thời tiết và tập quán sinh hoạt của người dân Lượng nước thải tại các cơ sở dịch

vụ công trình công cộng phụ thuộc vào loại công trình, chức năng, số người tham gia phục vụ trong đó

Thành phần và đặc tính nước thải: Các chất chứa trong nước thải xét theo bản chất bao gồm: Các chất vô cơ, hữu cơ, vi sinh vật

Bảng 1.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

Nồng độ (mg/l) STT Các chỉ số

Khi thiết kế các công trình xử lý nước thải cho khu dân cư và khu

đô thị, nồng độ các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt được xác định

theo tải lượng chất bẩn tính cho một người trong ngày đêm và được quy định trong TCVN 7957:2008 như bảng 1.2

Bảng 1.2 Tải lượng chất bẩn tính cho một người trong ngày đêm

(g/người.ngày)

2 BOD5 của nước thải đã lắng 30 - 35

4 Nitơ của các muối amôni (N-NH4) 8

1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải

Xử lý nước thải là quá trình tách các tạp chất ra khỏi nước thải trước khi thải vào nguồn tiếp nhận đảm bảo các tiêu chuẩn, quy chuẩn của cơ quan quản lý Để xử lý nước thải thường ứng dụng các phương pháp xử lý như sau: xử lý cơ học, sinh học và hóa học

a Phương pháp cơ học

Nhằm loại bỏ các tạp chất không hòa tan trong nước thải:

- Chất trôi nổi có kích thước lớn: rác, lá cây, giẻ lau, nilon, …

- Khoáng chất vô cơ, cát, mảnh kim loại, thủy tinh, mảnh xương

- Chất hữu cơ lơ lửng, phân tán (một phần các chất dạng keo )

b Phương pháp sinh học hiếu khí\

Xử lý sinh học thường áp dụng sau khi nước thải đã được xử lý

sơ bộ bằng các biện pháp cơ học Quá trình này bao gồm giai đoạn: hoạt hoá sinh học và tách, hồi lưu bùn hoạt tính từ bể lắng II

Dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu

cơ, một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình trao đổi chất, vi sinh vật nhận cơ chất làm vật liệu xây

dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản dẫn đến sinh khối được tăng lên, chất hữu cơ giảm

Các công trình dạng này được chia thành 2 loại:

Sinh hoá trong điều kiện tự nhiên hoặc gần với các điều kiện tự nhiên: hồ sinh vật, đất ngập nước, cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, Sinh hoá trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh vật thấp tải, cao tải, mương oxy hoá tuần hoàn, bể aeroten (bùn hoạt tính), oxyten (bùn hoạt tính cao tải)

c Phương pháp hóa học và hóa lý

d Sơ đồ dây tổng quát chuyền công nghệ xử lý nước thải

1.2 TỔNG QUAN VỀ BÙN CẶN VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Định nghĩa: Bùn thải là bùn hữu cơ hoặc vô cơ được nạo vét, thu

gom từ các bể tự hoại, mạng lưới thu gom và chuyển tải, hồ điều hòa, kênh mương, cửa thu, giếng thu nước mưa, trạm bơm nước mưa, nước thải, cửa xả và nhà máy xử lý nước thải

Số lượng, thành phần, tính chất hóa lý của bùn cặn phụ thuộc vào nước thải ban đầu và phương pháp xử lý nước thải

1.2.1 Số lượng bùn cặn thải

Bảng 1.3 Khối lượng và tỉ trọng cặn sinh ra khi xử lý nước thải

Cặn khô (kg/1000m 3 ) STT đoạn xử lý Các công

Tỉ trọng cặn khô (t/m 3 )

Tỉ trọng cặn lắng (t/m 3 )

Khoảng dao động

Giá trị trung bình

chuyển Cặn rác có độ ẩm 85 – 95 %, chứa 50 – 80 % chất hữu cơ, có mùi hôi thối

Cát và cặn nặng kích thước lớn hơn 0,2mm từ bể lắng cát, độ ẩm cặn khi đã ráo hết nước 14 – 35%, chứa 30 – 50 % chất hữu cơ Cặn tươi: hình thành từ công trình lắng I Thành phần chủ yếu: 80 – 85% hydratcacbon, các chất béo và protein, còn 15 – 20% là lignin phức chất đất mùn Độ ẩm cặn khoảng 92 – 98%

Bùn sinh học: hình thành từ quá trình xử lý bậc II bằng quá trình sinh học và được giữ lại ở bể lắng II, thường ở dạng huyền phù chứa keo bông vô định hình, gồm các vi sinh vật hiếu khí có cấu tạo đơn giản và những chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải Bùn hoạt tính sau aerotank có độ ẩm cao 99,2 – 99,7 %, màng sinh vật sau biofill có độ ẩm 96 – 96,5%

1.2.3 Phương pháp xử lý bùn cặn

a Mục đích của xử lý bùn cặn

Giảm khối lượng của hỗn hợp bùn cặn bằng cách tách một phần lượng nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình

xử lý và giảm thể tích cặn phải vận chuyền tới nơi tiếp nhận

Các phương pháp xử lý: làm khô và phân hủy kỵ khí

b Phương pháp làm khô bùn cặn

- Làm khô cặn trên sân phơi bùn

- Làm khô cặn bằng lọc chân không

- Làm khô cặn bằng quay ly tâm

- Làm khô cặn bằng lọc ép

- Làm khô bằng phương pháp nhiệt

c Phương pháp phân hủy kỵ khí

- Bể lắng 2 vỏ

- Bể mêtan

1.3 TỔNG QUAN VỀ KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

1.3.1 Bioagas và quá trình sản xuất khí biogas

a Bản chất hóa học của Biogas

Biogas là sản phẩm bay hơi được của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ Thành phần của Biogas gồm có CH4,

CO2, H2S, H2, O2, N2,… Trong đó, CH4 là thành phần chủ yếu và là một loại khí cháy được

b Nguồn nguyên liệu sản xuất khí sinh học

Tất cả phế liệu, phế thải có nguồn gốc thực vật trong sản xuất nông - lâm nghiệp, chế biến nông lâm sản và sinh hoạt gia đình đều có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất khí sinh học

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo khí

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo khí sinh học như nhiệt độ môi trường, độ pH của hỗn hợp trong bể phân hủy, tỉ lệ C/N của nguyên liệu, tỉ lệ pha loãng, thời gian lưu thủy lực, đặc tính nguyên liệu, tốc độ bổ sung nguyên liệu vào bể phân hủy, mức độ kỵ khí và độc tố…

1.3.2 Cơ sở sinh học của quá trình lên men tạo khí sinh học

Quá trình lên men kỵ khí sinh metan gồm 03 giai đoạn là: thủy phân, lên men axit và lên men metan

1.4 THỰC TRẠNG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI, BÙN CẶN TẠI ĐÀ NẴNG

1.4.1 Hệ thống thu gom và xử lý nước thải ở Thành phố Đà Nẵng

Hệ thống thoát nước thải hiện có tại Đà Nẵng là hệ thống cống chung Các đặc điểm chính của hệ thống thoát nước thải được trình bày như hình 1.13

Hình 1.13: Hệ thống cống bao thu gom nước thải tại Đà Nẵng

1.4.2 Trạm xử lý nước thải Phú Lộc - Thành phố Đà Nẵng

Trạm XLNT Phú Lộc nằm trên đường Lý Thái Tông, tổ 58, phường Hòa Minh, Quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng

Trạm được xây dựng năm 1999 với diện tích là 5 ha và công suất

xử lý là 30,000 m3/ngđ Trạm là nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt của hai Quận Thanh Khê và Hải Châu

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

* Đối tượng nghiên cứu:

- Bùn cặn của hệ thống xử lý nước thải đô thị Đà nẵng

- Qúa trình phân hủy kỵ khí bùn cặn

Từ đó thiết lập và vận hành mô hình tốc độ phân hủy kỵ khí bùn cặn ở quy mô phòng thí nghiệm với cặn từ quá trình lắng tĩnh, lọc xốp nổi, bùn hoạt tính SBR và màng vi sinh vật sau lọc sinh học, thực nghiệm được tiến hành trong trường hợp nạp liệu gián đoạn (ở 2 chế

độ lên men ấm và lên men nóng) Đối với cặn từ quá trình xử lý cơ học, được tiến hành tiếp tục ở quy mô bán thực nghiệm với điều kiện nạp liên tục (ở chế độ lên men ấm)

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1 Xác định lưu lượng, tính chất, thành phần rác, bùn, cặn của hệ thống xử lý nước thải

- Khảo sát hệ thống XLNT của trạm Phú lộc (xác định lưu lượng, lượng rác tách ra từ các song chắn rác)

- Hệ thống xử lý nước thải chi phí thấp của Metawater (xác định lượng bùn cặn từ quá trình lọc xốp nổi và lọc sinh học)

- Mô hình lắng tĩnh và SBR (xác định lượng bùn cặn từ lắng 1 và aertank theo mẻ)

- Lấy mẫu nước thải và cặn của các công trình phân tích các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải và cặn:

+ Nước thải: pH, SS, COD

+ Cặn: độ ẩm, độ tro, độ kiềm, COD, N-NH4, P-PO4

a Xác định lượng cặn, bùn giữ lại tại song chắn rác

b Xác định lượng cặn, bùn phát sinh từ quá trình lọc xốp nổi - FSF và lọc sinh học – HTF

Hình 2.3: Sơ đồ XLNT bằng công nghệ lọc xốp nổi và lọc sinh học

c Xác định lượng cặn, bùn phát sinh từ quá trình lắng và aerotank – SBR

Hình 2.4: Sơ đồ xử lý nước thải bằng công nghệ lắng tĩnh và SBR

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

a Mô hình khảo sát khả năng sinh khí, tốc độ phân hủy bùn cặn ở chế độ lên men ấm và lên men nóng – chế độ gián đoạn

Cấu tạo mô hình gồm: Thiết bị ổn định nhiệt độ (bếp cách thủy), bình phản ứng hình trụ (500ml), Hệ thống đường ống thu khí, thiết bị khuấy trộn (máy khuấy từ)

Các loại bùn, cặn nạp: cặn từ lọc xốp nổi - FSF, bùn từ lắng 2 của quá trình lọc sinh học - HTF, bùn dư từ quá trình aerotank – SBR

Hình 2.5: Mô hình phân hủy 500 ml

b Mô hình xác định tốc độ phân hủy bùn cặn ở chế độ liên tục

Hình 2.7: Mô hình phân hủy 160 lít

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU & THẢO LUẬN

3.1 TÍNH CHẤT, THÀNH PHẦN TẠP CHẤT TỪ HỆ THỐNG XLNT

3.1.1 Lưu lượng nước thải

Hình 3.1: Biểu đồ lưu lượng nước thải theo giờ

Lưu lượng nước thải về không điều hòa trong ngày, lưu lượng thấp nhất là 886,7 m3/h và lưu lượng lớn nhất là 1760,9 m3/h, tổng lưu lượng nước thải dao động trong khoảng 37.000 - 39.000m3/ngđ

3.1.2 Lượng tạp chất giữ lại tại song chắn rác

Tạp chất từ song chắn rác bao gồm: Túi ni lon, vỏ chai nhựa, cỏ cây, bùn cặn, mỡ Trong đó các bao bì, túi nilong tại song chắn có khối lượng lớn nhất, còn lại tồn tại ở dạng mảng kết dính, có màu đen

và nổi lên trên bề mặt

Hình 3.2: Lượng rác tách ra tại mỗi song chắn rác theo ngày Bảng 3.3: Thành phần rác tại song chắn rác

(%)

1 Hữu cơ khó phân hủy Túi ni lon, Nhựa 86,4

2 Hữu cơ có khả năng phân

3.1.3 Khối lượng bùn cặn phát sinh từ hệ thống

Các loại bùn cặn phát sinh từ hệ thống XLNT được xác định bằng cách sử dụng mô hình trình diễn xử lý nước thải chi phí thấp của Metawater (công nghệ lọc xốp nổi và lọc sinh học) và thiết lập mô hình vật lý mô phỏng quá trình lắng tĩnh và sinh hóa hiếu khí Aerotank (SBR) Lượng bùn cặn tách ra tại các công trình được thể hiện tại hình 3.8

Hình 3.8: Tổng hợp lượng tạp chất tách ra tại các công trình

- Bùn cặn tách ra từ công trình cơ học có số lượng lớn hơn công trình sinh học từ 1,7 - 2,6 lần, bùn phát sinh từ quá trình lắng tĩnh lớn nhất: 38 kg/1000 m3, cặn phát sinh từ công trình lọc sinh học - HTF nhỏ nhất: 13 kg/1000 m3

- Tổng lượng bùn cặn phát sinh từ quá trình lắng tĩnh và quá trình làm thoáng aeroten theo mẻ là 56 g/m3 nước thải, lớn hơn so với bùn cặn phát sinh từ quá trình lọc xốp nổi và quá trình lọc sinh học tốc độ cao là 47 g/m3 nước thải

Độ kiềm

COD (mg/l)

11800 -

16300

295 - 407,5

98,3 - 135,8 Bùn từ quá

25585 266,5