Ứng dụng công nghệ SEWER PLUS kết hợp xử lý nước thải và rác thải sinh hoạt cho cộng đồng dân cư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TỔNG KẾT Ứng dụng công nghệ SEWER PLUS kết hợp xử lý nước thải rác thải sinh hoạt cho cộng đồng dân cư Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Phước Dân Đơn vị thực hiện: Khoa Môi trường – Đại học Bách Khoa TP.HCM Đơn vị chủ quản: Đại học Quốc gia TP.HCM 09/2015 TP.Hồ Chí Minh TỔ CHỨC THỰC HIỆN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI PGS TS Nguyễn Phước Dân THÀNH VIÊN THAM GIA PGS.TS Nguyễn Phước Dân Th.S Phan Thị Hải Vân ThS Phạm Hoàng Lâm KS Phan Thanh Lâm KS Nguyễn Lê Hồng Trung KS Nguyễn Thị Tuyết KS Nguyễn Cơng Vũ Phạm Minh Quang Prof Ludo Diels Heleen De Wever Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM Học viên cao học - Khoa Môi Trường Tài nguyên Học viên cao học - Khoa Môi Trường Tài nguyên Khoa Môi Trường Tài nguyên -Trường ĐHBK-ĐHQG TPHCM University of Antwerp VITO CƠ QUAN CHỦ TRÌ Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh CƠ QUAN THỰC HIỆN Phịng Thí nghiệm Xử lý Chất thải Bậc Cao – ĐHQG TP.Hồ Chí Minh Khoa Môi trường Tài nguyên – Trường Đại học Bách Khoa LỜI NÓI ĐẦU Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS (SW+) kết hợp xử lý nước thải rác thải hữu sinh hoạt cho cộng đồng dân cư nhằm sử dụng hiệu lượng xử lý nước thải, thu hồi tối đa lượng sinh khối đồng thời tái sử dụng chất thải hữu có giá trị dinh dưỡng cao từ bùn thải rác sinh hoạt Những lợi ích mang lại kết hợp xử lý nước thải sinh hoạt đạt yêu cầu chất lượng xả thải với sản xuất khí methane, tái sử dụng nước chất dinh dưỡng Để tránh việc đầu tư hệ thống nước chi phí cao hành trình vận chuyển chất thải dài, giải pháp xử lý phân tán áp dụng cho địa phương, quy mô nhỏ thân thiện với mơi trường Từ đó, ý tưởng xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt cộng đồng dân cư đề nghị nghiên cứu dựa kết hợp vừa xử lý nước thải chất thải rắn sinh hoạt phù hợp với yêu cầu tái sử dụng cho trồng trọt, chăn nuôi đồng thời tận dụng nguồn lượng từ q trình kỵ khí để phục vụ phát điện cho hộ gia đình Do khơng lường trước khó khăn năm nhận màng UF, tìm kiếm thiết bị phân tích phù hợp, nhóm thực đề tài nhiều thời gian cơng tác lắp đặt mơ hình Chắc chắn báo cáo còn nhiều thiếu sót phát sinh nghiên cứu Các thành viên tham gia đề tài cố gắng hồn thành tốt với thời gian ngắn Nhóm thực đề tài xin trân trọng cám ơn ủng hộ kinh phí Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh Xin gởi lời chân thành cảm ơn đến giáo sư Ludo Diels (Đại học Antwerp) cô Heleen De Wever (Viện nghiên cứu công nghệ Flemish, VITO) hỗ trợ kỹ thuật cung cấp trang thiết bị thực đề tài Chủ nhiệm đề tài xin gởi lời cám ơn trân trọng đến các đồng nghiệp Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Xử lý Chất thải Bậc Cao ĐHQG TP.HCM thực đề tài Chủ nhiệm đề tài đánh giá rât cao học viên cao học Nguyễn Thị Tuyết Nguyễn Công Vũ nỗ lực thực luận văn cao học phần nội dung nghiên cứu đề tài MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC, TÍNH MỚI TỔNG QUAN 2.1 HIỆN TRẠNG CHẤT THẢI TẠI CÁC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Nước thải sinh hoạt Chất thải rắn đô thị 2.2 CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS 10 Tiềm nước thải quan điểm chất chuyển tải lượng thu hồi lượng chu trình sử dụng nước 10 Thu hồi lượng carbon 11 2.3 Cô đặc nước thải công nghệ màng nhắm đến thu hồi nguồn lượng 13 Tổng quan màng 13 Quá trình lọc màng 14 Bẩn màng 14 Lọc màng trực tiếp nước thải 16 Ứng dụng màng UF xử lý nước thải 17 2.4 ĐỒNG PHÂN HỦY KỴ KHÍ 18 Các nghiên cứu nước bể biogas 18 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1 THỰC NGHIỆM QUI MÔ PTN 20 Mơ hình quy mơ PTN 20 Nguyên vật liệu 21 Điều kiện vận hành 22 3.2 THÍ NGHIỆM QUY MƠ PILOT 22 Mô hình 22 Nguyên vật liệu 23 Điều kiện vận hành 24 Phương pháp phân tích 24 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25 4.1 THÍ NGHIỆM QUI MÔ PTN 25 Hiệu suất cô đặc 25 Bẩn màng 29 Hiệu suất phân hủy kỵ khí 31 4.2 THỬ NGHIỆM QUY MÔ PILOT 32 Cô đặc nước thải 32 Bẩn màng 35 Đồng phân hủy kỵ khí 37 4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - MÔI TRƯỜNG CỦA CÔNG NGHỆ SEWAGE PLUS 39 Thu hồi lượng 40 Lợi ích kinh tế: 43 Công nghệ SW+ kết hợp với tái sử dụng nước 50 Thu hồi dinh dưỡng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 5.1 Kết luận 53 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Công nghệ xử lý thông số nước thải nhà máy XLNT tập trung Việt Nam Bảng 2.2 Thành phần CTR bãi chôn lấp Việt Nam Bảng 2.3 Chỉ số phát thải CTR bình quân đầu người đô thị Việt Nam Bảng 3.1 Thành phần tính chất bể phân huỷ 23 Bảng 3.2 Phương pháp thiết bị phân tích 24 Bảng 4.1 So sánh hiệu DMF nghiên cứu nghiên cứu trước 26 Bảng 4.2 Chất lượng dịng hệ thống đặc màng qui mô pilot 34 Bảng 4.3 Tính chất dịng vào dịng bể đồng phân hủy kỵ khí 38 Bảng 4.4 So sánh phân tích cơng nghệ phân huỷ kị khí compost (Chongrak, 2000) 47 Bảng 4.5 Thuận lợi khó khăn áp dụng cơng nghệ kị khí xử lý chất thải hữu 48 Bảng 4.6 So sánh tiêu thụ phát thải lượng* từ bể phân hủy kị khí (AD), ủ compost luống (WC) chơn lấp (LF) khơng có thu hồi lượng (Haight, 2005) 48 Bảng 4.7 So sánh mức độ tác động BĐKH phương pháp quản lý chất thải hữu (CTHC), (tấn cacbonic tương đương/tấn chất thải hữu cơ) (Jeffrey, 2011) 49 Bảng 4.8 Bảng phân tích lợi ích công nghệ xử lý 49 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt dựa quan điểm SEWAGE PLUS thu hồi tối đa tài nguyên Hình 1.2 Nội dung thực Hình 2.1 Hiện trạng nước thải đô thị Việt Nam Hình 2.2 Sản sinh thu hồi lượng chu trình sử dụng nước 10 Hình 2.3 Sơ đồ chức số loại màng 14 Hình 2.4 Nguyên lý phương thức lọc màng 14 Hình 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến bẩn màng trình MBR 15 Hình 3.1 Sơ đồ đơn vị quy mơ phịng thí nghiệm 20 Hình 3.2 Bể phân hủy kỵ khí 21 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống pilot SEWAGE PLUS 23 Hình 4.1 Sự biến thiên COD tổng thí nghiệm HC (a) LC (b) theo thời gian 26 Hình 4.2 Cân COD thí nghiệm HC (a) LC (b) 27 Hình 4.3 Nồng độ COD dòng đậm đặc thí nghiệm HC (a) LC (b) 28 Hình 4.4 Phân bố kích thước hạt thời điểm khởi động thí nghiệm HC (a) sau 72 h hoạt động (b) 28 Hình 4.5 Sự thay đổi chất dinh dưỡng thí nghiệm HC (a) LC (b) 29 Hình 4.6 Mối quan hệ TMP, thơng lượng dịng thấm, trở lực màng thí nghiệm HC (a) LC (b) 30 Hình 4.7 Trở lực màng thí nghiệm HC (a) LC (b) 31 Hình 4.8 Năng suất sản sinh biogas bể phân hủy 32 Hình 4.9 Nồng độ TS, VS TKN nước thải đầu vào đầu bể phân hủy 32 Hình 4.10 Diễn biến thành phần tCOD (a) pCOD (b) dòng mơ hình đặc quy mô pilot 33 Hình 4.11 Cân COD q trình đặc màng qui mô pilot 34 Hình 4.12 Sự biến thiên TKN (a), ammonia (b) tổng P (c) bể cô đặc màng qui mô pilot theo thời gian 35 Hình 4.13 Thay đổi TMP thơng lượng theo thời gian bể cô đặc màng qui mô pilot 36 Hình 4.14 Phân phối kích thước hạt vào ngày thứ (a) thứ 10 (b) bể cô đặc màng qui mô pilot 37 Hình 4.15 Mối liên hệ lượng VS phân hủy lượng khí sinh mơ hình bể kị khí qui mơ pilot 39 Hình 4.16 Sản lượng biogas từ bể phân huỷ kị khí qui mơ pilot 39 Hình 4.17 Cân COD trình đặc đồng phân hủy kỵ khí 41 Hình 4.18 Thành phần carbon qua trình 41 Hình 4.19 Cân COD trình đặc đồng phân hủy kỵ khí 43 Hình 4.20 Thành phần carbon qua trình 43 Hình 4.21 Bùn hoạt tính truyền thống CAS xử lý nước thải 44 Hình 4.22 Quá trình A2O kết hợp lọc cát tái sinh nước thải 44 Hình 4.23 Quá trình compost xử lý rác thải hữu 44 Hình 4.24 Quá trình SW+ kết hợp xử lý nước thải rác thải hữu 45 Hình 4.25 Cơng nghệ sinh học A-A-O khử nitơ photpho 51 Hình 4.26 Các cơng nghệ điển hình loại bỏ đục cặn lơ lững lại sau xử lý II để tái sử dụng 51 MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU Biến đổi khí hậu đặt thách thức việc tối ưu hóa hiệu sử dụng lượng giảm phát thải khí nhà kính q trình vận hành xử lý nước thải Với yêu cầu ngày cao tiêu chuẩn xả thải, vấn đề đặt vừa đạt yêu cầu tiêu chuẩn xả thải vừa tiêu thụ lượng hiệu Vì vậy, tối ưu hóa hiệu tiêu thụ lượng cho tổng thể trình cách tiếp cận bền vững phát triển công nghệ xử lý chất thải Trong nước thải xem xét chất mang lượng có tiềm thu hồi Hầu hết đô thị nước phát triển có đầu tư nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung phương pháp sinh học hiếu khí quy mơ lớn để loại bỏ tất thành phần hữu dinh dưỡng nhằm tạo chất lượng nước phù hợp cho xả thải vào nguồn tiếp nhận Cách tiếp cận “xử lý cuối đường ống” xem không bền vững lượng lớn lượng chất dinh dưỡng sẵn có nước thải bị qua trình xử lý Trên thực tế, lượng chất dinh dưỡng tài nguyên khan Hơn nữa, công nghệ xử lý nước thải nay, trình sinh học hiếu khí, tiêu thụ lượng lớn nguồn lượng bên (cụ thể điện năng) để vận chuyển xử lý nước thải Thách thức tương lai tìm cách tiếp cận cho hệ thống xử lý nước thải kết hợp ba yếu tố: tái sử dụng tài nguyên sẵn có dòng nước thải, vận hành hệ thống nước thải hợp tiêu chuẩn vệ sinh với chi phí hợp lý Bên cạnh nước thải, dịng thải khác chất thải rắn hữu phát sinh từ hoạt động sinh hoạt người rác nhà bếp, rác sân vườn, rác chợ, v.v…là nguồn lượng sinh khối cần quan tâm Ở vùng chưa có hệ thống thu gom, chất thải hữu thường kết hợp với chất thải khác mang đốt làm compost Trong trường hợp có hệ thống thu gom vận chuyển, phần lớn rác hữu mang đến bãi chôn lấp vận chuyển đến nhà máy compost, khơng thu hồi khí sinh học tạo Thêm vào đó, việc thu gom chất thải hữu phương tiện vận tải vùng nông thơn gặp khó khăn, vùng thị việc thu gom chất thải hữu phương tiện vận tải gây tắt nghẽn giao thông gây vấn đề nghiêm trọng phát sinh mùi Trong khuôn khổ dự án SEWAGE PLUS, hiệp hội đối tác nghiên cứu đối tác công nghiệp khảo sát số khái niệm kỹ thuật sáng tạo từ năm 2007 để thu hồi lượng tối đa từ dòng nước thải sinh hoạt cô đặc dòng bùn sinh học từ trạm XLNT Các khái niệm kỹ thuật Verstraete cộng công bố vào năm 2009 Q trình làm giàu/cơ đặc nước thải dựa công đoạn cô đặc nước thải ly tâm, lọc màng, tạo sinh học hóa học, dựa việc trộn nước thải đặc (hoặc bùn sinh học) với dịng chất thải rắn hữu có khả phân hủy sinh học Dịng chất thải làm giàu sau xử lý bể phân hủy kỵ khí sinh methane để thu hồi lượng (Schiettecatte et al., 2013) Hình 1.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt dựa quan điểm SEWAGE PLUS thu hồi tối đa tài ngun Một quy trình có khả thu hồi tối đa nước, lượng, phân bón vơ hữu từ nước thải sinh hoạt trình bày Hình 1.1 Nước thải sinh hoạt ban đầu tiền xử lý biện pháp học (chắn rác, lắng cát) để loại cát hạt kích thước lớn nước thải Để đặc nước thải áp dụng lọc cát áp lực, tuyển nổi, lọc màng, hấp thụ bùn sinh học, nhờ tạo dịng sau xử lý có cặn lơ lửng keo thấp Điểm cốt yếu chất lượng dòng phải phù hợp với yêu cầu đầu vào màng UF RO Do đó, nước sản phẩm quy trình thu hồi Qua việc áp dụng kỹ thuật đặc, dịng chứa chất nhiễm cao tạo Dịng xem có giá trị trường hợp áp dụng giải pháp biến chất thải thành lượng Chất lượng phân hủy kỵ khí xét đến qua yếu tố thu hồi lượng khả xử lý bùn phân hủy Bể phân hủy kỵ khí xáo trộn hồn tồn lựa chọn ưu tiên vận hành điều kiện ưa ấm để đảm bảo tốt trình ổn định chất hữu kiểm soát vi sinh vật gây bệnh Hơn nữa, chất thải rắn sinh hoạt hữu chất thải nhà bếp hay chất thải xanh từ việc tỉa cành đường phố nạp kết hợp vào bể phân hủy kỵ ... Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SEWAGE PLUS (SW+) kết hợp xử lý nước thải rác thải hữu sinh hoạt cho cộng đồng dân cư nhằm sử dụng hiệu lượng xử lý nước thải, thu hồi tối đa lượng sinh khối đồng thời... chất thải dài, giải pháp xử lý phân tán áp dụng cho địa phương, quy mô nhỏ thân thiện với môi trường Từ đó, ý tưởng xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt cộng đồng dân cư. .. chất thải dài, giải pháp xử lý phân tán áp dụng cho địa phương, quy mơ nhỏ thân thiện với mơi trường Từ đó, ý tưởng xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp xử lý chất thải rắn sinh hoạt cộng đồng dân cư