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  - - Hồng Đức Thắng NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI ĐƠ 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, tơi hồn 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, ngồi cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ vô quý báu thầy cô, gia đình bạn bè Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Quy PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải – Cán giảng dạy Bộ mơn Cơng nghệ mơi trường tận tình quan tâm, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn 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 tơi 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 Phịng thí nghiệm Phân tích Mơi trường – Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN người thân gia đình, bạn bè ln ủng hộ, góp ý giúp đỡ tơi 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 1.1.3 Tác động bùn thải đến người môi trường 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 hố 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 q 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 mơi trường 71 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 81 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BTNMT CEC KLN MPCN EU HHV ICP-MS MPN MTV NĐ-CP Bộ Tài nguyên Môi trường NMXLNT Uỷ ban Cộng đồng châu Âu (Commission of European Community) OC QCVN SBR TB TCVN TNHH Cộng đồng chung Châu Âu (European Union) Giá trị nhiệt trị cao (Higher heating value) Phương pháp phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively - Coupled Plasma - Mass Spectrometry) Kim loại nặng TSP Số lượng gây bệnh tế bào (Most Probable Cytopathic Number) UBND Số lượng (Most Probable Number) US EPA Một thành viên Nghị định Chính phủ Nhà máy xử lý nước thải Hợp chất hữu (Organic Compounds) Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Bể phản ứng dạng mẻ liên tục (Sequency Batch Reactor) Viên than sản xuất từ bùn thải than cám Tiêu chuẩn Việt Nam Trách nhiệm hữu hạn Bụi lở lửng tổng số (Total Suspended Solids) Uỷ ban nhân dân Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (United States Environmental Protection Agency) i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính lý – hố 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 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 Bảng 1.7 Phương pháp xử lý bùn thải số quốc gia Bảng 2.1 Các vị trí lấy mẫu bùn Bảng 2.2 Tỷ lệ phối trộn bùn thải than cám 6bHG Bảng 2.3 Các phương pháp phân tích mẫu Bảng 3.1 Tính chất lý - hoá mẫu bùn Bảng 3.2 Hàm lượng KLN tổng số mẫu bùn lựa chọn Bảng 3.3 Ký hiệu viên than-bùn theo tỷ lệ phối trộn với than cám Bảng 3.4 Hàm lượng KLN tổng số tro viên TB Bảng 3.5 Hàm lượng KLN khí thải đốt viên than Bảng 3.6 Hàm lượng KLN linh động xỉ viên than Bảng 3.7 Chi phí lợi ích kinh tế thu sản xuất than tổ ong sử dụng bùn thải thay cho than bùn 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 hố 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 cơng 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 mơi 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 đơ), Báo cáo trình bày Cơng 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, Cơng ty TNHH MTV cấp nước Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh Nguyễn Quang Tiến (2014), Nghiên cứu xác định chi phí vận hành bảo dưỡng cho nhà máy XLNT 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 khơng khí xung quanh QCVN 06:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số chất độc hại khơng 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 codigestion 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 supercritical 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-cohydroxyvalerate) 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: http://cuiep.divivu.com/Tin-tuc/234991/8093/Nhiet-tri-cua-motso-nguyen-lieu-dot-thong-dung.html 47 http://timtailieu.vn/tai-lieu/de-tai-tan-dung-bun-thai-tu-cong-ngheche-bien-nong-san-thuc-pham-va-thuy-hai-san-de-san-xuat-phan-huu-cosinh-hoc-bang-7200/ 48 49 http://www.donre.hochiminhcity.gov.vn/tintuc/Lists/Posts/Post.aspx? List=f7 3cebc3-9669-400e-b5fd-9e63a89949f0&ID=4952 http://www.epe.edu.vn/quan-ly-bun-thai-o-viet-nam-nhungthach-thuc-va-de-xuat-cac-giai-phap-64.html 50 http://www.hoahocngaynay.com/vi/tin-tuc-hoa-hoc/hoa-hoc-vietnam/138-san-xuat-vat-lieu-xay-dung-tu-bun-thai.html 51 http://www.khoahocphothong.com.vn/news/detail/12498/tai-chebun-thai-sinh-hoc-thanh-nguyen-lieu-tao-ra-che-pham-vi-sinh-vat.html 52 53 http://www.netd.vn/newscontent.aspx?cateid=16&contentid=44 http://www.royalceramic.vn/crown/NewsDetail.aspx? CategoryID=4&Conten tID=163&ContentIDExt=1 54 79 55 http://www.unep.or.jp/ietc/Publications/Freshwater/FMS1/3.asp 56 https://vi.wikipedia.org/wiki/Than_n%C3%A2u https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment _data/fil e/69592/pb13811-waste-water-2012.pdf 57 80 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH LIÊN QUAN KHẢO SÁT THỰC ĐỊA VÀ THỰC NGHIỆM Hình PL1 Buổi làm việc với Cơng ty TNHH MTV cấp nước Bắc Ninh Hình PL2 Tham quan hệ thống XLNT nhà máy XLNT Bắc Ninh 81 Hình PL3 Lấy mẫu bùn nhà máy XLNT Bắc Ninh Hình PL4 Khảo sát lấy mẫu bùn trạm XLNT Viêm Xá, Bắc Ninh 82 Hình PL5 Các viên TB chế tạo phịng thí nghiệm Hình PL6 Xỉ thu sau đốt viên TB phịng thí nghiệm 83 Hình PL7 Các viên TB dạng than tổ ong chế tạo thực tế từ mẫu bùn B2 phối trộn với than cám 6bHG Hình PL8 Đốt viên than ngồi thực tế 84 Hình PL9 Quá trình thu mẫu bụi phát sinh đốt viên than thực tế Hình PL10 Quá trình thu mẫu khí thải phát sinh đốt viên than thực tế 85 ... ? ?Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị Bắc Ninh làm chất đốt? ?? cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu: Có giải pháp khả thi nhằm tận dụng bùn thải đô thị thành phố Bắc Ninh làm chất đốt. .. khái quát bùn thải sau: Bùn thải hỗn hợp dạng rắn, bán rắn, chất lỏng hay bùn cặn sinh sau trình xử lý nước thải công nghiệp hay đô thị Bùn thải đô thị bùn tạo từ trình xử lý nước thải đô thị, chủ... Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài: ? ?Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị Bắc Ninh làm chất đốt? ?? Trong q trình thực luận văn, ngồi