Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM) Chun ngành: Cơng nghệ mơi trường nước nước thải Mã số: 9520320-2 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Thị Hoài Ân NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐƠ THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM) Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước nước thải Mã số: 9520320-2 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Nguyễn Việt Anh Hà Nội – Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn trạm xử lý nước thải đô thị phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)” cơng trình tơi nghiên cứu thực Các kết quả, số liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2021 Tác giả luận án Vũ Thị Hoài Ân LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Xây dựng nơi học tập, Khoa Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Mơi trường, Bộ mơn Cấp nước trường giúp đỡ tơi suốt q trình tơi học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc, kính trọng đến GS TS Nguyễn Việt Anh tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thời gian tơi thực hồn thành luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cục Kinh tế Liên bang Thụy Sỹ (SECO), Viện Khoa học Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng Viện Khoa học Công nghệ Nước (EAWAG), Thụy Sỹ hỗ trợ, giúp đỡ q trình thực nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô, nhà khoa học, chuyên gia dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp ý kiến quý báu cho luận án q trình thực Tơi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng cơng trình thị nơi tơi cơng tác hỗ trợ, tạo điều kiện cho suốt trình thực luận án Cuối cùng, tơi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ, động viên, chia sẻ gia đình giúp tơi có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, động viên tinh thần, giúp tơi hồn thành luận án Tiến sỹ Tác giả luận án Vũ Thị Hoài Ân i MỤC LỤC…… …………………… ………… …………………………… i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ, đồ thị viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu luận án Cơ sở khoa học luận án Nội dung nghiên cứu luận án Tính luận án Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1.1 Tổng quan lượng bùn, thành phần, tính chất phương pháp xử lý bùn trạm XLNT đô thị 1.1.1 Lượng bùn trạm xử lý nước thải đô thị 1.1.2 Thành phần, tính chất bùn trạm XLNT đô thị 10 1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn trạm XLNT đô thị giới Việt Nam 12 1.2 Tổng quan lượng bùn, thành phần, tính chất phương pháp xử lý bùn bể tự hoại 16 1.2.1 Lượng bùn bể tự hoại .16 1.2.2 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại 17 1.2.3 Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại giới Việt Nam .20 1.3 Tổng quan nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn trạm XLNT bùn bể tự hoại 24 1.3.1 Các nghiên cứu giới 24 1.3.2 Các nghiên cứu Việt Nam 26 Nhận xét chương 31 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ, THU KHÍ SINH HỌC 32 ii 2.1 Các trình chuyển hóa chất hữu phương pháp sinh học điều kiện kị khí 32 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy kị khí 35 2.3 Các bể phân hủy kị khí bùn 40 2.4 Phương pháp đánh giá tiềm sinh khí (BMP) cho cơng nghệ phân hủy kị khí 43 2.4.1 Khái niệm phương pháp đánh giá tiềm sinh khí mê tan BMP 43 2.4.2 Các yếu tố liên quan đến thí nghiệm BMP .43 2.5 Nhu cầu lượng cho xử lý bùn 48 2.6 Cân lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm XLNT 49 Nhận xét chương 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 52 3.1 Mục đích thí nghiệm 52 3.2 Mơ tả thí nghiệm 52 3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP .52 3.2.2 Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm 53 3.3 Các tiêu, phương pháp phân tích đánh giá thí nghiệm 56 3.3.1 Các tiêu, phương pháp phân tích thí nghiệm .56 3.3.2 Các tiêu đánh giá thí nghiệm .58 3.4 Thực thí nghiệm 60 3.4.1 Thí nghiệm BMP1 đánh giá tiềm sinh khí CH4 bùn bể tự hoại bùn trạm XLNT đô thị xử lý riêng 62 3.4.2 Thí nghiệm BMP2 đánh giá tiềm sinh khí CH4 bùn bể tự hoại bùn trạm XLNT đô thị xử lý kết hợp .63 3.5 Kết thí nghiệm thảo luận 67 3.5.1 Thí nghiệm BMP1 .67 3.5.2 Thí nghiệm BMP2 .72 Nhận xét chương 77 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHU VỰC ĐÔ THỊ TRUNG TÂM HÀ NỘI CŨ PHÍA NAM SƠNG HỒNG 78 4.1 Xác định nội dung tính tốn, lựa chọn đề xuất công nghệ xử lý bùn khu vực đô thị trung tâm Hà Nội 78 iii 4.2 Các trạm XLNT thị khu vực tính tốn 78 4.3 Lượng bùn thải trạm XLNT đô thị bùn bể tự hoại khu vực tính tốn 81 4.3.1 Lượng bùn thải phát sinh trạm XLNT đô thị 81 4.3.2 Lượng bùn bể tự hoại phát sinh khu vực tính tốn 83 4.4 Các giải pháp xử lý bùn cho khu vực tính tốn 83 4.5 Tính tốn phương án xử lý bùn cho khu vực tính tốn 88 4.5.1 Tính tốn xử lý bùn trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a YS1b 90 4.5.2 Tính tốn xử lý bùn trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a TT1b 93 4.5.3 Tính toán xử lý bùn theo phương án HT 99 4.5.4 Tính tốn xử lý bùn theo phương án TT2 .101 4.6 Nhận xét kết tính tốn đề xuất công nghệ xử lý bùn 103 Nhận xét chương 111 KẾT LUẬN 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC A iv Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Ký hiệu, chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AD Phân hủy kị khí Anaerobic digestion AO Thiếu khí/ Hiếu khí Anoxic/Oxic A2O Kị khí/ Thiếu khí/ Hiếu khí Anaerobic/Anoxic/Oxic BMP Tiềm sinh khí mê tan Biochemical Methane Potential BOD Nhu cầu ơxi sinh hóa Biological Oxygen Demand CAS Bùn hoạt tính truyền thống Conventional Activated Sludge CHP Nhiệt điện kết hợp Combined Heat and Power CH4 Mê tan Methane CO2 Cacbonic Carbon dioxide COD Nhu cầu ơxi hóa học Chemical Oxygen Demand DCCN Dây chuyền công nghệ - DS Chất rắn khô Dry solids EAWAG Viện Khoa học Công nghệ Nước Institute of Water Science and (Thụy Sỹ) Technology FS Bùn bể tự hoại Faecal sludge F/M Tỷ lệ thức ăn/ vi sinh vật Food to Microorganism ratio HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time HTTN Hệ thống thoát nước Viện Khoa học Kỹ thuật Môi Institute of Environmental trường, Trường Đại học Xây dựng Science and Engineering OLR Tải trọng hữu Organic Loading Rates N2 Ni tơ Nitrogen PS Bùn sơ cấp Primary sludge PURR Dự án thu hồi tài nguyên từ chất Project on Urban Resource thải đô thị Recovery from Waste IESE v Ký hiệu, chữ Tiếng Việt Tiếng Anh viết tắt SBR Bể phản ứng sinh học hoạt động Sequencing Batch Reactor theo mẻ SRT Thời gian lưu bùn Sludge Retention Time SS Chất rắn lơ lửng Suspended Solids TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLTK Tài liệu tham khảo TN Tổng nitơ Total Nitrogen TP Tổng phốt Total Phosphorus TS Tổng chất rắn Total Solids TSS Tổng lượng cặn lơ lửng Total Suspended Solids VFA Axit béo bay Volatile Fatty Acid VNĐ Đồng Việt Nam VS Chất rắn bay Volatile Solids VSS Chất rắn lơ lửng bay Volatile Suspended Solids XLNT Xử lý nước thải WAS1 Bùn thứ cấp trạm XLNT có Waste sctivated sludge from bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant with primary sedimentation tank WAS2 Bùn thứ cấp trạm XLNT Waste sctivated sludge in khơng có bể lắng sơ cấp wastewater treatment plant without primary sedimentation tank WAS Bùn nén (Bùn sau bể nén bùn) Thickened Sludge vi Danh mục bảng Bảng 1.1 Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải Bảng 1.2 Dự báo khối lượng bùn phát sinh đô thị Việt Nam phụ thuộc vào % số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN Bảng 1.3 Thành phần, tính chất bùn trạm XLNT .11 Bảng 1.4 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại số nước .18 Bảng Xử lý bùn bể tự hoại số thành phố Việt Nam 21 Bảng Ưu, nhược điểm phương pháp xử lý bùn bể tự hoại giới Việt Nam 23 Bảng 3.1 Các tiêu nguyên liệu ban đầu cho thí nghiệm BMP1 .62 Bảng 3.2 Các tiêu đầu vào mẫu thí nghiệm BMP1 63 Bảng 3.3 Các tiêu nguyên liệu ban đầu cho thí nghiệm BMP2 .65 Bảng Tỷ lệ phối trộn bùn chất thí nghiệm BMP2 65 Bảng 3.5 Các tiêu đầu vào mẫu thí nghiệm BMP2 66 Bảng 3.6 Các tiêu đầu mẫu thí nghiệm BMP1 67 Bảng 3.7 Các tiêu đầu mẫu thí nghiệm BMP2 72 Bảng 4.1 Các trạm XLNT đô thị thuộc khu vực tính tốn đến năm 2030 .80 Bảng 4.2 Thông số nước thải đầu vào đầu số trạm XLNT Hà Nội 81 Bảng 4.3 Tổng lượng bùn nén bùn tách nước trạm XLNT thị khu vực tính tốn .81 Bảng 4.4 Lượng bùn phát sinh trạm XLNT Yên Sở 82 Bảng 4.5 Lượng bùn bể tự hoại khu vực tính tốn đến năm 2030 83 Bảng 4.6 Nguyên liệu nạp vào bể mê tan trạm XLNT Yên Sở 90 Bảng 4.7 Tổng hợp tính tốn bể mê tan thể tích biogas thu xử lý bùn trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a YS1b 91 Bảng 4.8 Nhu cầu lượng trạm XLNT Yên Sở xử lý bùn theo phương án YS1a YS1b 92 AA TT 36 37 38 39 40 41 42 43 44 Thơng số tính tốn Năng lượng sinh từ q trình đốt bùn Công thức - Ký hiệu Đơn vị Giá trị TLTK Eđốt/3,6 kWh/ngày 58.317,8 Tổng lượng tiêu thụ cho trình vận chuyển bùn trạm XLNT đến trạm xử lý bùn Yên Mỹ Evc= (ΣGibn*Xivcb)* ediesel kWh/ngày 20.417,5 Evc*3,6 MJ/ngày 73.503,0 Năng lượng thu hồi sau trình xử lý bùn theo phương án TT1b Edư=Esinhra-Etiêuthu-Evc MJ/ngày 519.456,2 Edư/3,6 kWh/ngày 144.293,4 Nhu cầu lượng cho trạm XNLT với tổng công suất Q = 590.100 m3/ngày Năng lượng vận chuyển bùn bể tự hoại trạm xử lý bùn Yên Mỹ ewwtp kWh/m3 Tỷ lệ thu hồi lượng R= (Edư - EvcBTH)*100/ theo phương án TT1b EXLNT 0,53 [91] [5] EXLNT=Q*ewwtp kWh/ngày 312.753,0 EvcBTH kWh/ngày 3.425,8 % [5] 45,0 Bảng PL8.3 Tính tốn lượng cho xử lý bùn theo phương án TT2 TT Thơng số tính tốn Công thức - Ký hiệu Đơn vị Giá trị Thể tích bùn vào máy sấy Vtn=Wbvs m3/ngày 855,1 Khối lượng bùn vào máy sấy mtn=Gbvs tấn/ngày 896,6 Khối lượng bùn vào máy sấy (tính theo chất khơ) Độ ẩm bùn trước sấy Pbvs TS/ ngày % Độ ẩm bùn sau sấy Pbss % 40,0 Lượng nước tách từ bùn sấy Gnsb = Gbvs*(PbvsPbss)/(100-Pbss) tấn/ngày 597,7 Gbss=Gbvs-Gnsb tấn/ngày 298,9 Sbk tấn/ m3 1,14 Khối lượng bùn lại sau sấy Tỷ trọng bùn khô Gkbvs TLTK Phụ lục 6, bảng PL6.1 169,8 80,0 [5] [91] BB TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Thông số tính tốn Thể tích bùn sau sấy Nhiệt độ nước sau trình sấy Lượng nước sinh sấy Lượng nước tuần hoàn từ trình làm lạnh nước sau trình sấy (giả sử hiệu suất làm lạnh nước đạt 90%) Nhiệt sử dụng cho trình sấy để tạo thành kg nước Năng lượng cung cấp cho trình sấy bùn Cơng thức - Ký hiệu Wbss= Gkbvs*100/ Sbk *(100- Pbss) Thn o C TLTK 249,1 [5] 300 [69] tấn/ngày 597,7 mhnth= mhn*0,9 tấn/ngày 537,9 J/kg 5000 [69] 2.689,6 [5] edry Esấy= edry*mhnth /1000 Esấy/3,6 Lượng tro sinh sau trình đốt kg bùn mash Lượng tro tạo thành sau đốt bùn Gbsđ = mash*Gbss Năng lượng cung cấp cho trình đốt bùn m3/ngày Giá trị mhn=Gnsb Nhiệt trị sinh đốt kg einci chất hữu % thành phần hữu có Fhc bùn khơ Eđbs= einci*Fhc*1000* Năng lượng sinh từ Gbss*(1-0,95) trình đốt bùn Eđbs/3,6 Lượng nước tách từ trình đốt bùn Nhiệt sử dụng cho trình đốt để bay kg nước bùn Đơn vị mhnđb = Gbss-Gbsđ eđốt Eđốt= eđốt* mhnđb/ 3600 Eđốt= eđốt* mhnđb/ 1000 MJ/ngày kWh/ngày 747,1 MJ/kg 26,9 [69] % 0,65 MJ/ngày 261.482,4 kWh/ngày 72.634,0 g/kg 350 kg/ngày 104.598,7 tấn/ngày 104,6 tấn/ngày 194,3 kJ/kg 3900 kWh/ngày 210,4 MJ/ngày 757,6 [69] [69] [69] [5] CC TT 27 28 29 30 31 32 Thơng số tính tốn Điện bơm cho q trình tuần hồn Điện cung cấp cho bơm bùn Trọng lượng riêng nước Năng lượng cho tuần hoàn nước Năng lượng cho bơm bùn Công thức - Ký hiệu 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Tỷ lệ thu hồi lượng theo phương án TT2 Giá trị TLTK eth W/m3 15 [46] Ɵ kJ/m3 1.800 [87] dn t/m3 [91] Eth= eth*(mhnth+ mhnđb)/dn kWh/ngày 11,0 Eth*3,6 MJ/ngày 39,5 Ep=Pp* Ɵ/1000 MJ/ngày 1.539,3 33 Năng lượng sử dụng cho động diesel vận chuyển bùn Tổng quãng đường vận chuyển bùn từ trạm XLNT đến trạm sấy + đốt tập trung (theo đồ vệ tinh) Tổng lượng để vận chuyển bùn từ trạm XLNT đến trạm xử lý bùn Yên Mỹ Năng lượng thu hồi sau trình xử lý bùn trạm xử lý bùn Yên Mỹ Nhu cầu lượng cho trạm XNLT với tổng công suất Q = 590.100 m3/ngày Đơn vị ediesel Xvc Etvcb*3,6 Etvcb=Σmtn*Xvc* ediesel Edư= Eđbs - Esấy - Eđốt Eth - Ep - Etvcb ewwtp EXLNT=Q*ewwtp R= Edư*100/EXLNT [5] [5] kWh/ngày 427,6 kWh/ tấn.km 0,40 [5] km 87,8 Phụ lục MJ/ngày 17.341,2 kWh/ngày 4.817,0 MJ/ngày 239.115,2 kWh/ngày 66.420,9 kWh/m3 0,53 kWh/ngày 312.753,0 % 21,3 [5] [91] [5] DD Phụ lục 9: Quãng đường đơn giá vận chuyển bùn từ trạm XLNT theo phương án tính tốn TT I 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 II 2.1 2.2 Thông số Đơn vị Ký hiệu Kim Liên Trúc Bạch Yên Sở Hồ Tây Bảy Mẫu Yên Xá Phú Đô Tổng Phương án TT1a Khối lượng bùn sau cô đặc tấn/ngày trạm XLNT Quãng đường vận chuyển bùn cô đặc từ trạm XLNT đến km trạm xử lý bùn tập trung Yên Mỹ (theo đồ vệ tinh) Đơn giá vận chuyển bùn từ trạm XLNT đến trạm xử lý bùn tập trung Yên Mỹ VNĐ/ Khối lượng bùn sau tách tấn/ngày nước Quãng đường vận chuyển bùn km tách nước từ Yên Mỹ đến Cầu Diễn để ủ compost Đơn giá vận chuyển bùn từ VNĐ/ Yên Mỹ đến Cầu Diễn để ủ compost mcđ 11,7 7,3 59,0 56,57 48,25 3.245,27 329,27 X1 10,1 14,6 3,9 18,8 10,3 13,3 16,8 gtvc1 136.558 (đơn giá X