Nghiên cứu đặc trưng các chỉ tiêu hóa lý của bùn thải đô thị trước và sau khi phân hủy kỵ khí

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 30-34 Nghiên cứu đặc trưng tiêu hóa lý bùn thải thị trước sau phân hủy kỵ khí Đỗ Quang Trung1,*, Bùi Duy Cam1, Nguyễn Thị Nhâm1, Nguyễn Quang Minh1,2 Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 19 Lê Thánh Tông, Hà Nội, Việt Nam Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Hải Phòng Nhận ngày 20 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 09 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2016 Tóm tắt: Nghiên cứu đặc trưng tiêu hóa lý trình phân hủy bùn thải thị (bùn thải sơng Kim Ngưu, Hồ Gươm plaza) kết hợp rác hữu phương pháp lên men yếm khí Nghiên cứu cho thấy với mẫu bùn thải kết hợp rác hữu theo tỷ lệ 2:1 cho hiệu suất loại bỏ tổng chất rắn tổng chất rắn bay cao 12,47% 20,03% Tổng hàm lượng photpho, tổng nito giảm đáng kể tương ứng 69,4% 56,1% Với tiêu COD, nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ COD bùn thải – rác hữu cao 66,67% Các tiêu sở khoa học cho nghiên cứu Từ khóa: Bùn thải, bùn thải thị, yếm khí, xử lý bùn thải khoảng 494 - 522 mg/L PO43-, chứa thành phần chất dinh dưỡng nitơ, phốt cao khoảng 192 - 212 mg/L [1] Trên giới, lượng khí sinh học thu xử lý bùn thải phương pháp lên men yếm khí vượt 200 tỷ m3 khí năm [2] Phương pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải thị trở thành phương án tối ưu hệ thống quản lý chất thải đô thị [3, 4] Từ thực trạng tiến hành nghiên cứu thay đổi thành phần bùn thải đô thị trước sau phân hủy yếm khí, nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực việc sử dụng hợp lý tài nguyên bảo vệ môi trường cách bền vững Mở đầu* Theo báo cáo Công ty trách nhiệm hữu hạn thành viên Thoát nước Hà Nội, năm 2012 lượng bùn thải đô thị thu gom toàn thành phố đạt 167.200 có 2.140 phát sinh từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt[1] Bùn thải đô thị Việt Nam với thành phần chủ yếu bùn thải nạo vét hệ thống nước, vùng miền có đặc điểm riêng đặc trưng Như bùn thải sơng Kim Ngưusơng nước thải thị điển hình Hà Nội lại có thơng số hóa lý như: pH khoảng 7,04 - 7,41, CODt khoảng 79.910 - 83.033 mg/L, TS khoảng19,2 - 23,5%, VS khoảng 24,5 - 26,2%, NO3-trong _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-912120780 Email: doquangtrung@hus.edu.vn 30 Đ.Q Trung nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 30-34 Thực nghiệm phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên liệu Bùn thải cung cấp trạm xử lý nước thải Hoàn Kiếm Plaza, bùn thải sông Kim Ngưu, Hà Nội - rác hữu cung cấp Urenco, Hà Nội Các hóa chất phân tích: Axit salixilic, CuSO4.5H2O, Na2S2O3 5H2O, H3PO3, Ag2SO4, NaHCO3, (NH4)6Mo7O24.4H2O, H2SO4, NaOH có độ tinh khiết 98% - 99 % cung cấp Cơng ty TNHH Hóa chất Đức Giang, Long Biên, Hà Nội 2.2 Thực nghiệm Hỗn hợp phân hủy gồm: bùn thải, rác hữu Hỗn hợp cho vào thiết bị phân hủy yếm khí AD-W8, khoa Hóa, Đại học Khoa học tự nhiên, Hà Nội nhằm giữ hỗn hợp phân hủy điều kiện kỵ khí Khảo sát hàm lượng bùn thải: rác hữu với tỷ lệ 1: 1, thời gian phân hủy - 25 ngày Nhiệt độ phân hủy theo nhiệt độ phịng Với thí nghiệm: thí nghiệm (TN1): bùn thải sông Kim Ngưu: nước vo gạo (tỉ lệ 1: 1); thí nghiệm (TN2): bùn thải sơng Kim Ngưu : nước vo gạo (tỉ lệ 1:0); thí nghiệm (TN3): bùn thải Hồ Gươm plaza: nước vo gạo (tỉ lệ 1:1); thí nghiệm (TN4): bùn thải Hồ Gươm plaza : nước vo gạo (tỉ lệ 1: 0); thí nghiệm (TN5): bùn thải sơng Kim Ngưu: rác hữu (tỉ lệ 1:1); thí nghiệm (TN6): bùn thải sông Kim Ngưu: Rác hữu (tỉ lệ 2:1) 2.3 Phương pháp nghiên cứu Hỗn hợp bùn thải phân hủy phương pháp yếm khí thiết bị phân hủy AD-W8 Đức với mẫu khác Thời gian phân hủy 25 ngày, trình phân hủy mẫu rút để tiến hành khảo sát tổng chất rắn tan TS tổng chất rắn bay TVS, hàm lượng Photpho tổng (T- P) [5], hàm lượng Nito tổng ( T- N) [6] thay đổi giá trị COD theo thời gian phản ứng Khảo sát thay đổi tiêu TS, VTS, T-P, T-N cho biết thành phần ban đầu khả phân hủy sau tiến hành phân hủy bùn thải Từ đưa mẫu cho khả phân hủy nhanh hiệu nhất, làm tảng sở cho nghiên cứu Kết thảo luận 3.1 Sự thay đổi tổng chất rắn tan TS tổng chất rắn bay TVS Sự thay đổi theo xu hướng giảm giá trị tổng chất rắn (TS) tổng chất rắn dễ bay (TVS) hai thông số quan trọng đánh giá hoạt động trình phân hủy yếm khí hệ nguyên liệu đầu vào định Tùy khả hoạt động vi sinh vật (VSV) hệ phân hủy mà hai giá trị có thay đổi khác suốt q trình Trong đó, hoạt động VSV lại phụ thuộc nhiều vào thành phần nguyên liệu đầu vào nên khả loại bỏ tổng chất rắn chất rắn bay phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu đầu vào Bảng Hiệu suất loại bỏ TS, TVS hỗn hợp bùn 25 ngày, (%) TT TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6 TS (%) Đầu vào Đầu 14,8 13,79 12,45 11,34 10,37 9,43 9,56 8,57 14,8 13,2 18,77 16,43 31 TVS (%) Đầu vào Đầu 22,93 20,46 14,52 13,2 31,5 26,97 13,98 12,37 32,93 28,46 37,15 29,71 Hiệu suất loại bỏ (%) TS TVS 5,6 10,77 8,92 9,09 9,06 14,38 10,35 11,52 10,8 13,57 12,47 20,03 32 Đ.Q Trung nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 32, Số (2016) 30-34 Dựa vào bảng cho thấy: Hiệu suất loại bỏ TS, TVS TN6 cao đem lại hiệu ổn định với hợp chất hữu Qua ta thấy việc phối trộn thêm rác hữu với bùn thải có xu hướng làm tăng hiệu hoạt động hệ lên men phân hủy yếm khí Đối với thí nghiệm bùn thải Hồ Gươm plaza khả loại bỏ TS, TVS cao so với thí nghiệm dùng bùn sơng Kim Ngưu 3.2 Sự thay đổi hàm lượng Photpho tổng (T- P) Sự thay đổi tỷ lệ phối trộn bùn thải, nước thải hữu giàu chất dinh dưỡng rác thải hữu làm cho hàm lượng Photpho tổng tăng lên Đối với TN1 TN3 kết hợp bùn thải sông Kim Ngưu bùn thải Hồ Gươm plaza với nước vo gạo tiêu thụ photpho tăng cao so với TN2 TN4 Với TN5 TN6 số photpho tổng tăng cao làm cho thành phần nguyên liệu đầu vào cân số dinh dưỡng [7] Điều cho thấy hoạt động hệ VSV thúc đẩy Hoạt động hệ VSV diễn mạnh mẽ giúp phân hủy triệt để hợp chất hữu bao gồm hợp chất hữu khó phân hủy có thành phần bùn thải nguyên liệu đầu vào Hoạt động mạnh hệ VSV yếm khí thể qua tiêu thụ photpho biểu diễn hình 1: cân nguyên liệu ban đầu hệ phản ứng, giúp cho hoạt động VSV diễn mạnh hiệu 3.3 Sự thay đổi hàm lượng Nito tổng (T- N) Trong trình lên men yếm khí, giá trị hàm lượng nitơ tổng có xu hướng giảm xuống theo thời gian Giá trị nitơ tổng giảm thể cụ thể hình Do hoạt động hệ VSV lên men yếm khí sử dụng nitơ trình hình thành nên sinh khối nitơ giải phóng dạng khí N2 NH3 Sự giảm hàm lượng nitơ tổng tính từ bắt đầu nạp nguyên liệu đến ngày thứ 25 TN1, TN2, TN3, TN4,TN5 TN6 20,86%, 27,05%, 22,22%, 32,25%, 50,29% 56,1% TN5 TN6 tổng nitơ hệ phản ứng có giảm mạnh theo thời gian Điều này, giải thích hoạt động VSV TN5 TN6 mạnh nhất, dẫn đến khả tiêu thụ nitơ lớn Hình Tổng nito đầu vào đầu thí nghiệm sau 25 ngày phân hủy 3.4 Sự thay đổi COD theo thời gian phản ứng Hình Tổng photpho đầu vào đầu thí nghiệm sau 25 ngày phân hủy Hàm lượng phốt thí nghiệm TN1, TN2, TN3, TN4, TN5 TN6 bắt đầu nạp liệu đến ngày thứ 25 giảm 16,84%, 26,98%, 18,4%, 40,7%, 56,62% 69,4% Điều chứng tỏ với thành phần dinh dưỡng Bảng cho thấy COD có ảnh hưởng khơng nhỏ tới q trình phân hủy yếm khí Thơng qua đại lượng đánh giá hoạt động hệ VSV qua đánh giá tổng thể hoạt động trình phân hủy yếm khí.Trong q trình theo dõi phân tích với tần suất lấy mẫu 03 ngày/lần cho kết phân tích hàm lượng COD theo thời gian cho thấy: thời gian ngày đầu trình phân hủy, COD thí nghiệm có xu hướng tăng lên Đ.Q Trung nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 30-34 33 Bảng Hiệu suất loại bỏ COD theo thời gian TT Ngày 12 15 18 21 25 Hiệu suất loại bỏ COD (%) TN1 (mg/l) 84.000 83.000 79.800 74.000 61.000 59.500 56.000 55.000 51.500 38,7 TN2 (mg/l) 93.000 98.800 86.700 80.000 78.000 70.600 68.000 65.500 63.500 39,8 Thời gian giá trị COD tăng lên trùng với giai đoạn thủy phân q trình phân hủy yếm khí Trong q trình phân hủy, hợp chất hữu với khối lượng phân tử lớn bị cắt mạch tạo thành hợp chất mạch ngắn thuận lợi cho hấp thu VSV Do làm giá trị COD tăng giai đoạn thủy phân Sau đó, VSV thích ứng với môi trường bắt đầu phát triển nhanh Trong giai đoạn từ ngày 18 đến ngày 25 nồng độ COD giảm chậm không thay đổi Điều xảy giai đoạn cuối phát triển VSV đạt đến trạng thái cân giữ mức ổn định (số lượng vi khuẩn sinh sô lượng vi khuẩn chết đi) giai đoạn chất dinh dưỡng cần thiết dần cạn kiệt nên khả hoạt động VSV giảm dần Khả loại bỏ COD tổng trình phân hủy yếm khí trường hợp TN1, TN2, TN3, TN4, TN5 TN6 38,7%; 39,8%; 41,7%; 36,5%; 50,3% 66,67% tính tới thời điểm ổn định q trình phân hủy với thí nghiệm Khi hệ VSV hoạt động dẫn đến trình ổn định hợp chất hữu khó phân hủy chúng cần thiết phải loại bỏ Hiệu loại bỏ CODt trường hợp TN5 TN6 đạt cao nhất, hoạt động hệ VSV hai trường hợp hiệu TN3 (mg/l) 28.300 30.200 27.500 21.000 19.200 18.900 17.400 17.300 16.500 41,7 TN4 (mg/l) 37.500 35.000 31.200 28.000 26.100 25.900 25.100 24.600 23.800 36,5 TN5 (mg/l) 90.000 105.000 76.000 69.500 58.000 56.000 50.000 46.000 45.000 50,3 TN6 (mg/l) 87.000 90.000 84.000 70.000 68.000 50.500 47.400 33.500 29.000 66,67 Sự có mặt rác hữu kết hợp với bùn thải hệ VSV TN5 TN6 bị ảnh hưởng chất gây ức chế kim loại nặng hợp chất hữu độc hại có nguyên liệu đầu vào Kết luận Qua thời gian nghiên cứu cách nghiêm túc đặc trưng hóa lý q trình phân hủy bùn thải sông Kim Ngưu, bùn thải Hồ Gươm plaza kết hợp với nước thải hữu giàu chất dinh dưỡng rác thải hữu với tỷ lệ phối trộn khác phương pháp phân hủy yếm khí Nghiên cứu thu kết sau: Hỗn hợp bùn thải có kết hợp rác hữu cho kết khả quan khả loại bỏ thành phần T-N, T-P, TS TVS cao Hiệu suất loại bỏ TS, TVS TN5, TN6 10,8%, 13,57% 12,47%, 20,03% Hiệu suất xử lý hàm lượng T-N, T-P TN5, TN6 56,62%, 50,29% 69,4%, 56,1% Khả loại bỏ COD trường hợp TN5 TN6 đạt cao (50,3% 66,67%) Đây sở khoa học ban đầu cho nghiên cứu để xử lý bùn thải cách hiệu quả, thu hồi nguồn lượng, góp phần tạo mơi trường bền vững Đ.Q Trung nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 30-34 34 Lời cảm ơn Nghiên cứu hoàn thành với hỗ trợ đề án 911 Bộ Giáo dục Đào tạo, mẫu bùn thải cung cấp trạm xử lý nước thải Hồ Gươm plaza Tài liệu tham khảo [1] Cao Vũ Hưng, Nghiên cứu chuyển hóa số yếu tố gây nhiễm q trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu phương pháp lên men nóng, Luận án tiến sỹ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014 [2] Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge”, Progress in Energy and Combustion Science, 34, pp 755-781 [3] Bravo A.D., Polanco M.F., (2013), “Anaerobic co-digestion of sewage sludge and grease trap: Assessment of enzyme Addition”, Process Biochemistry, 48, pp 936-940 [4] Fuerhacker M., Measho H.T., (2010), Treatment and Reuse of Sludge, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [5] Tiêu chuẩn Việt Nam, Chất Lượng Đất - Xác Định Phốt Pho - Phương Pháp Quang Phổ Xác Định Phốtpho - Hòa Tan Trong Dung Dịch Natri Hidro Cacbonat, TCVN 6499-1999 (1999) [6] Tiêu chuẩn Việt Nam, Phân urê - phương pháp thử, TCVN 2620:2014 (2014) [7] Tran Thi Nguyet (2007), Processing and evaluation of practical investigations in percolation and elution of biowaste and digestion of the leachate, Master thesis, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment, TU Dresden Study of the Characterized Physicochemical Parameters of Urban Sewage Sludge before and after the Anaerobic Degradation Do Quang Trung1, Bui Duy Cam1, Nguyen Thi Nham1, Nguyen Quang Minh1,2 Faculty of Chemistry, VNU University of Science, 19 Le Thanh Tong, Hoan Kiem, Hanoi, Vietnam Faculty of Natural Sciences, Hai Phong University Abstract: The characterized physicochemical parameters of the decomposition of urban sewage sludge combining with organic waste by anaerobic fermentation methods were studies The combination of sludge with organic waste in proportion to 2: shows the highest performance for total solid and total volatile solid removal of 12.47% and 20.03%, respectively The total amount of phosphorus and nitrogen were also reduced significantly of 69,4% and 56.1% The study also showed that the highest performance of COD removal was 66.67% Keywords: Sewage sludge, urban sewage sludge, anaerobic, sewage sludge treatmeat  ... phân hủy bùn thải sông Kim Ngưu, bùn thải Hồ Gươm plaza kết hợp với nước thải hữu giàu chất dinh dưỡng rác thải hữu với tỷ lệ phối trộn khác phương pháp phân hủy yếm khí Nghiên cứu thu kết sau: ... (TN5): bùn thải sơng Kim Ngưu: rác hữu (tỉ lệ 1:1); thí nghiệm (TN6): bùn thải sông Kim Ngưu: Rác hữu (tỉ lệ 2:1) 2.3 Phương pháp nghiên cứu Hỗn hợp bùn thải phân hủy phương pháp yếm khí thiết bị phân. .. sát thay đổi tiêu TS, VTS, T-P, T-N cho biết thành phần ban đầu khả phân hủy sau tiến hành phân hủy bùn thải Từ đưa mẫu cho khả phân hủy nhanh hiệu nhất, làm tảng sở cho nghiên cứu Kết thảo luận