1m3 bùn thải trong trạm xử lý nước thải có thể tạo ra 15 m3 biogas và 90 kW năng lượng, đây là một nguồn năng lượng hữu ích và có thể thu hồi để cung cấp cho bản thân trạm xử lý nước thải. Phân hủy bùn kỵ khí là một giải pháp để xử lý bùn thải trong các trạm xử lý nước thải, đồng thời cũng là phương pháp tận dụng được năng lượng.
Nghiên cứu GIẢI PHÁP TĂNG SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ BÙN BẰNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỊ KHÍ TẠI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI YÊN SỞ Phùng Thị Linh, Trần Thùy Chi Trường Đại học Tài nguyên Mơi trường Hà Nội Tóm tắt 1m3 bùn thải trạm xử lý nước thải tạo 15 m3 biogas 90 kW lượng, nguồn lượng hữu ích thu hồi để cung cấp cho thân trạm xử lý nước thải Phân hủy bùn kỵ khí giải pháp để xử lý bùn thải trạm xử lý nước thải, đồng thời phương pháp tận dụng lượng Khí biogas sinh trình xử lý bùn phương pháp thu hồi cung cấp lượng trở lại cho trạm xử lý tiết kiệm phần chi phí vận hành Để nâng cao hiệu tạo khí biogas q trình phân hủy kỵ khí bùn thải từ trạm xử lý nước thải hệ thống thoát nước chung, cụ thể trạm xử lý nước thải Yên Sở, giải pháp đưa bao gồm: giải pháp mơ hình cân vật chất trạm xử lý hướng tới thu hồi lượng giải pháp tăng hiệu cho cơng trình thu hồi khí sinh học Đối với giải pháp hiệu cơng trình, ngồi biện pháp cải thiện kỹ thuật, điều kiện vận hành cơng trình tại, bổ sung trực tiếp chất thải hữu bên ngồi nhằm tăng hàm lượng khí sinh học thu hồi Từ khóa: Thu hồi khí sinh học, phân hủy kị khí, xử lý bùn, xử lý nước thải, trạm xử lý nước thải Yên Sở Enhanced biogas production from anaerobic digestion of wastewater treatment sludge in Yen So treatment plant Abstract 1m3 of sewage sludge from waste water treatment plant (WWTP) can produce 15m3 of biogas and 90 kW of energy This is renewable energy source and can be used to generate energy for WWTP Anaerobic digestion of wastewater sludge is the most widely used sludge treatment method and it’s also the effective way to recover energy In order to enhance biogas production, the solutions proposed include: Material balance model in the treatment plant towards energy recovery and efficiency improvement solutions for biogas recovery equipments In addition to the improvement of technical measures and the operating conditions of Yen So waste water treatment plant the efficiency solution also directly provide extra EMO organic substances in order to enhance biogas recovery Keywords: Biogas recovery, anaerobic digestion, sludge treatment, wastewater treatment Đặt vấn đề cần thiết cho TXL thường dao động Cung cấp lượng cách đầy từ 0,3 - 0,9 kWh/m nước thải tùy thuộc đủ bền vững trở thành mối dây chuyền cơng nghệ tính chất quan tâm đề xuất cơng nghệ nước thải [6] Trong đó, 1m3 bùn cho trạm xử lý (TXL) Năng lượng thải với độ ẩm 95% tạo 15 m3 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 27 Nghiên cứu biogas (với thành phần 67% CH4, mức lượng kWh/m3 biogas) cho 90 kW lượng (Svenskt Gastekniskt CentreAB, 2012) Nếu tận dụng nguồn lượng để cung cấp lượng cho TXL tiết kiệm phần chi phí vận hành giảm tải cho hệ thống cung cấp lượng thành phố Phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng TXL đô thị Việt Nam khử nước chở chơn lấp Một số TXL có sản xuất phân vi sinh từ bùn sau làm khô ổn định bùn sân phơi bùn Công nghệ phân hủy kỵ khí để ổn định bùn công nghệ phổ biến giới áp dụng TXL Yên Sở Khí biogas sinh từ trình xử lý bùn phương pháp thu hồi để cấp lại cho TXL Phân hủy bùn kỵ khí coi giải pháp phù hợp để cải thiện điều kiện môi trường chất thải rắn đồng thời tận dụng lượng Tuy nhiên, TXL n Sở, lượng bùn cịn ít, bể phân hủy bùn để tạo khí biogas khơng hoạt động Do vậy, cần thiết phải có giải pháp nhằm nâng cao hiệu tạo khí biogas (năng lượng) trình phân hủy kỵ khí bùn thải từ TXL nước thải Yên Sở để thu hồi tận dụng nguồn tài nguyên lượng Điều giúp TXL Yên Sở giảm thiểu lượng cần thiết, góp phần bảo vệ mơi trường giảm chi phí hoạt động cho trạm cơng trình trước đầu vào cơng trình sau Cân sinh khối chất rắn tính tốn theo phương pháp tính vịng lặp Với vịng lặp đầu tiên, giả định tổng lưu lượng dịng nước thải tuần hồn Tính tốn cho kết dịng nước thải tuần hồn theo lý thuyết Cân chỉnh dòng nước thải giả định để khơng sai số dịng giả định dịng tính tốn - Phương trình cân tải lượng cho ngăn tiếp nhận: + Cân lưu lượng: Q1+Q2+Q3+Q15+Q16 = Q4 (m3/ngày) + Cân TSS: TSS1+TSS2+TSS3+TSS15+TSS16 = TSS4 (m3/ngày) Trong đó: • Q1, TSS1là lưu lượng tải lượng TSS dịng nước thơ; • Q2, TSS2 lưu lượng tải lượng TSS dòng rửa song chắn rác; • Q3, TSS3 lưu lượng tải lượng TSS dịng rửa cát; • Q15, TSS15 lưu lượng tải lượng TSS dòng nước bể nén bùn; • Q16, TSS16 lưu lượng tải lượng TSS dịng nước máy ép bùn; • Q4, TSS4 lưu lượng tải lượng TSS dòng vào bể SBR; - Phương trình cân tải lượng cho cơng trình hiếu khí (SBR): + Cân lưu lượng: Q4+Q4a+Q4b = Q5+Q7 (m3/ngày) Xây dựng mơ hình cân vật chất trạm xử lý nước thải Yên Sở hướng tới thu hồi lượng TSS4+ TSS4a+ TSS4b +Px = TSS5+ TSS7 2.1 Cơ sở tính tốn cân tải lượng (kg/ngày) Việc tính tốn thực cho cơng trình theo thứ tự dây chuyền cơng nghệ, lưu lượng tải lượng đầu Trong đó: • Q4a, TSS4a lưu lượng tải lượng TSS dòng cac bon; 28 + Cân TSS: Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu • Q4b, TSS4b lưu lượng tải lượng TSS dịng kiềm; • Q5, TSS5 lưu lượng tải lượng TSS dòng nước sau SBR; • Q7, TSS7 lưu lượng tải lượng TSS dịng bùn thải; • Px sinh khối tạo thành, Px = Q[Yobs ( S0 − S )] 103 (kg/ngày) Q9 = Q10 + Q11 (m3/ngày) + Cân tải lượng: TSS9 = TSS10 + TSS11 (m3/ngày) Trong đó: • Q10 lưu lượng dịng khí biogas; Q10 = TSS10 * 0,9 • Tỷ trọng sản phẩm biogas 0,9 m /m3VSS suy giảm; • So, S - Chất (BOD) dòng đầu vào, đầu kg; • 103- Hệ số chuyển đổi thứ nguyên, g/kg; • Yobs - Hệ số tăng trưởng sinh khối, kg sinh khối/kg chất nền; Tra biểu đồ hình với trường hợp TXL khơng có lắng 1, thời gian lưu bùn từ 15-20 ngày, Yobs = 0,7 kg/kg - Phương trình cân tải lượng cho bể nén bùn: + Cân lưu lượng: • TSS10 tải lượng VSS suy giảm bể ổn định, Q7 + Q8 = Q9 + Q15 (m3/ngày) TSS11 + TSS12 = TSS13 + TSS16 (m3/ngày) + Cân tải lượng: Trong đó: Q12, TSS12 lưu lượng tải lượng TSS dòng polymer; TSS7 + TSS8 = TSS9 + TSS15 (kg/ngày) Trong đó: • Q8, TSS8 lưu lượng tải lượng TSS dịng polyme; • TSS9 tải lượng TSS dòng bùn sau nén: TSS9 = (TSS7 + TSS8)*k với k hiệu nén bùn k=0,95; • Q9 lưu lượng dòng bùn sau nén, Q9 = TSS9 / (*N9) (m3/ngày) với tỷ trọng bùn, 1000 kg/m3; N9 nồng độ bùn - Phương trình cân tải lượng cho bể ổn định kị khí + Cân lưu lượng: TSS10 = TSS9 * 0,65 * 0,45 với tỷ lệ VSS 65%; Tỷ lệ suy giảm VSS: RRVSS = 45%; - Phương trình cân tải lượng cho máy ép bùn + Cân lưu lượng: Q11 + Q12 = Q13 + Q16 (m3/ngày) + Cân tải lượng: • Q13, thể tích dịng bùn khơ; Q13=TSS13/(1,05*20%*1000) • Q16, TSS16 lưu lượng tải lượng TSS dịng nước từ máy ép bùn; • TSS13 tải lượng TSS bùn khô; TSS13 = (TSS11 + TSS12)*0,95 • Tỷ lệ thể tích bùn cặn 20%, hiệu nén bùn nhỏ 95% 2.2 Tính toán cân tải lượng cho trạm xử lý nước thải n Sở Tính tốn cân tải lượng với thành phần nước thải thực tế: BOD=55 mg/l, TSS=50 mg/l Kết tính tốn thể hình Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 29 Nghiên cứu Hình Sơ đồ cân tải lượng với nồng độ trạng 30 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 17 - năm 2017 Nghiên cứu Từ sơ đồ cân tải lượng ta thấy, lượng khí biogas tạo thành ít, tạo 769 m3/ngày nên lượng nhiệt tạo thành không đủ bù đắp cho lượng để trì mơi trường cho bể kỵ khí hoạt động ổn định Vì vậy, cần có giải pháp để gia tăng lượng khí sinh học tạo thành điều kiện nồng độ nước thải thực tế Giải pháp thêm chất thải hữu (EMO) nhằm tăng hiệu thu hồi khí sinh học cơng trình ổn định kị khí bùn, tram xử lý nước thải n Sở Sản lượng khí sinh học tăng lên cách bổ sung chất hữu Như nhận xét đặc tính nước thải đầu vào nhận thấy nguyên nhân chủ yếu sản lượng khí thấp TXL Yên Sở tải lượng chất hữu bùn thấp Hình 2.Biểu đồ cân sinh khối bổ sung thêm EOM Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 31 Nghiên cứu Có thể bổ sung thêm EOM cho dòng đầu vào TXL, bổ sung thêm EOM cho giai đoạn xử lý bùn cặn Giải pháp bổ sung EOM cho dịng bùn kết hợp để xử lý lượng hữu lớn có bùn thải nhà vệ sinh rác thải sinh hoạt, mặt khác không ảnh hưởng tới chất lượng nước thải đầu TXL Khi đó, q trình phân hủy đồng thời chất thải hữu bùn có lợi cho q trình phân hủy kỵ khí đảm bảo yếu tố vi lượng cần thiết cho vi sinh vật phân hủy bùn Tỷ lệ bổ sung bùn tự hoại chất hữu tính tốn vào tỷ lệ nghiên cứu, theo thể tích 65% bùn TXL, 24% bùn bể tự hoại 11% chất hữu [1] Khi đó, TXL Yên Sở vận hành theo kịch tính tốn nồng độ cao ứng với BOD=250 mg/l, TSS=300 mg/l Kết tính tốn thể hình Như vậy, theo tính tốn lượng khí biogas tạo thành 6998 m3/ngày, gấp 9,1 lần lượng khí tạo thành điều kiện nồng độ Như thấy phương pháp bổ sung EOM giải pháp có tính khả thi cao Kết luận Qua tính tốn sản lượng khí sinh học trạm xử lý nước thải Yên Sở với điều kiện nước thải thực tế lượng khí sinh học 769 m3/ ngày Giá trị nhỏ nhiều so với 6998 m3/ ngày bổ sung EOM vào dòng bùn Qua kết tính tốn nâng cao sản lượng khí sinh học cho TXL Yên Sở cho thấy nhiều giải pháp áp dụng, giải pháp ổn định phân hủy kỵ khí, có bổ sung hỗn hợp chất thải hữu (bùn bể tự hoại 24%, rác hữu 11%) chế độ lên men nóng có nhiều điểm ưu việt Sau phân loại rác nhà máy, thành phần vô vận chuyển đến bãi chôn lấp, thành phần hữu ủ kỵ khí kết hợp với bùn bể tự hoại, bùn từ TXL nước thải để thu hồi biogas, bã bùn sử dụng làm phân bón nơng nghiệp, làm khơ đốt để phát điện Giải pháp giảm thiểu lượng khí nhà kính sử dụng cơng nghệ lên men compost áp dụng Kết tính toán xử lý bùn cặn phương pháp kỵ khí để thu hồi khí sinh học, tiến tới xử lý kết hợp bùn TXL nước thải với dòng chất thải giàu hữu cơ, hướng cần cân nhắc lựa chọn công nghệ định hướng quy hoạch quản lý chất thải đô thị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Việt Anh cộng (2014), Đánh giá khả xử lý kết hợp để nâng cao hiệu khai thác công trình hạ tầng kỹ thuật thu hồi tài nguyên từ chất thải thị, Tạp chí Cấp nước Việt Nam Số 1+2(93+94), 2014 Trang 62 - 67.; [2] Trần Đức Hạ (2009), Xử lý nước thải đô thị, NXB Khoa học Kỹ thuật; [3] Cao Vũ Hưng (2014), 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 hố học, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội; [4] MetCaft, Eddy (2003), Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, McGraw Hill Higher Education; [5] Biogasmax, Integrated project no 019795 (2010), Increased Biogas Production at The Henriksdal WWTP; [6] Christoph Brepols (2011), Operation of big scale membranes in municipal wastewater treatment plant; [7] SANDEC (2014), Anaerobic digestion of Bowaste in developing country, Eawag - Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology Department of Water and Sanitation in Developing Countries (Sandec); BBT nhận bài: 15/7/2017; Phản biện xong: 20/8/2017 32 Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 17 - năm 2017 ... sinh học cơng trình ổn định kị khí bùn, tram xử lý nước thải Yên Sở Sản lượng khí sinh học tăng lên cách bổ sung chất hữu Như nhận xét đặc tính nước thải đầu vào nhận thấy nguyên nhân chủ yếu sản. .. lần lượng khí tạo thành điều kiện nồng độ Như thấy phương pháp bổ sung EOM giải pháp có tính khả thi cao Kết luận Qua tính tốn sản lượng khí sinh học trạm xử lý nước thải Yên Sở với điều kiện nước. .. cho giai đoạn xử lý bùn cặn Giải pháp bổ sung EOM cho dịng bùn kết hợp để xử lý lượng hữu lớn có bùn thải nhà vệ sinh rác thải sinh hoạt, mặt khác không ảnh hưởng tới chất lượng nước thải đầu TXL