Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải hiện nay một phần nhỏ được ủ để làm phân compost, hoặc tách nước làm phân bón còn chủ yếu bùn thải được chôn lấp. Trong khi đó, bùn thải có chứa nhiều chất có khả năng thu hồi như sợi trong công nghiệp giấy – cacton và chế biến gỗ; Zn, Cu, Cr trong bùn từ các trạm lọc nước xử lý bề mặt kim loại,…đặc biệt là P trong bùn thải của quá trình xử lý nước thải giàu P. Như vậy, việc chôn lấp bùn thải một mặt gây lãng phí nguồn tài nguyên nhất là nguồn tài nguyên không tái tạo được như P, mặt khác khối lượng bùn thải lớn gây tốn chi phí xử lý bùn.
Một trong những ví dụ về cải tiến và phối hợp các đơn vị công nghệ khác nhau được thực hiện ở Mỹ (Virginia) là thu hồi photpho từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt. Sinh khối thải từ quá trình xử lý hiếu khí được phân huỷ yếm khí, khi đó photpho trong sinh khối và amoniac được thải ra vào nước với nồng độ cao (73% trong sinh khối). Amoniac và photphat được thu hồi dưới dạng chất kết tủa struvite (MgNH4PO4). Sự có mặt của struvite và canxi photphat làm tăng giá trị sử dụng của phân vi sinh. Sinh khối qua xử lý như trên được dùng làm phân bón, đóng thành gói 18,2 kg với tên thương phẩm “Nutra Green” với giá thành 1 USD [6].
Tại Đan Mạch chương trình hành động giảm thiểu ô nhiễm chất dinh dưỡng được quốc hội thông qua vào năm 1987 và có hiệu lực thi hành đối với các hệ thống xử lý từ tháng 1/1993. Chương trình hành động của Đan Mạch qui định chỉ tiêu thải
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
25
chung cho nước thải sinh hoạt về BOD, tổng nitơ và tổng photpho. Các chỉ tiêu thải liên quan đến qui mô của hệ thống xử lý tính theo số người được phục vụ, hệ thống xây mới và các hệ thống đang tồn tại (bảng 1.5). Trong chương trình hành động có tới 289 hệ thống xử lý nước thải phải hạ thấp nồng độ photpho xuống dưới 1,5 mg/l, 165 hệ xử lý phải giảm nồng độ nitơ xuống dưới 8 mg/l. Thời gian dành cho chương trình hành động không dài: 138 hệ xử lý phải hoàn thành ngay trong năm 1993, 25 hệ được phép hoàn thành chậm hơn một năm, 25 hệ khác được phép hoàn thành chậm hơn hai năm, chỉ duy nhất một hệ xử lý (lớn nhất tại Lynetten) được phép kéo dài 4 năm.
Bảng 1.5. Tiêu chuẩn thải chung đối với nƣớc thải sinh hoạt của Đan Mạch Qui mô hệ xử lý (số ngƣời đƣợc phục vụ) T - N mg/l T - P mg/l BOD mg O2/l < 5000 - - - Hệ thống mới > 5000 8 1,5 15 Hệ thống hiện có 5000 - 15.000 >15.000 - 8 1,5 1,5 - 15 Nguồn: [6]
Để thực hiện chiến lược giảm thiểu ô nhiễm do chất dinh dưỡng, chính phủ Na Uy đã chi 9 triệu NOK cho chương trình nghiên cứu trên. Mục đích chính của dự án nghiên cứu là tìm các biện pháp xử lý dinh dưỡng thích hợp với điều kiện của Na Uy là có khí hậu lạnh và nước thải bị pha loãng, sao cho có thể giảm 50 - 80% hàm lượng dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt với chi phí xây dựng và vận hành hợp lý.
Dự án cấu trúc lại và phục hồi nguồn nước mặt thuộc lưu vực sông Ruhr (CHLB Đức) bằng các giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm bởi các chất dinh dưỡng do nước thải sinh hoạt tiêu tốn 2 tỉ Mark. Lưu vực trên có diện tích 4488 km2
với dân số khoảng 2,2 triệu người. Vùng nước có hiện tượng phú dưỡng do nguồn nước thải chứa nhiều chất dinh dưỡng, hiệu quả xử lý của các hệ thống chỉ đạt khoảng 25% đối với hợp chất nitơ và 10% đối với photpho. Sau nhiều năm thực hiện, cho đến
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
26
năm 1999 nồng độ amoniac giảm xuống còn 2,3 mg/l (năm 1972 là 20 mg/l), của photpho là 0,15 mg/l (vào những năm 70 là 0,8 mg/l) [14].
Ở Việt Nam, công nghệ xử lý nươc thải, đặc biệt là xử lý hợp chất dinh dưỡng mới chỉ ở giai đoạn đầu, chủ yếu ở khu vực sản xuất công nghiệp mà chưa chú trọng đến nước thải sinh hoạt.
Tuy nhiên trong giai đoạn này các dự án đều hướng tới mục tiêu loại bỏ các chất dinh dưỡng trong nước thải nhằm bảo vệ nguồn nước. Thực hiện các mục tiêu này rất tốn kém, không phải nước nào cũng có khả năng đáp ứng đủ kinh phí do khi xử lý chất dinh dưỡng cần đến năng lượng và hóa chất với chi phí không nhỏ. Mặt khác, các chất dinh dưỡng lại là nguồn nguyên liệu quí của con người mà nhiều nơi trên thế giới (như những nước nghèo) còn đang thiếu và một trong số đó như P, S, K không có khả năng tái tạo và có lượng dự trữ hạn chế. Do vậy, hiện nay các nhà khoa học đang khởi động các nghiên cứu hướng vào việc thu hồi và tái sử dụng các chất dinh dưỡng từ phế thải.
Quặng photphat là nguồn tài nguyên không phục hồi được. Tổng trữ lượng quặng photphat trên thế giới ước tính khoảng 7.355 triệu tấn (tính theo hàm lượng P2O5). Cho đến nay, tổng sản lượng quặng đã được khai thác là 1.955 triệu tấn P2O5. Như vậy với tốc độ khai thác 64 triệu tấn/năm như hiện nay thì đến năm 2040 lượng quặng photphat sẽ cạn kiệt [3]. Như vậy, việc thu hồi và tái sử dụng chất dinh dưỡng vừa đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng và hóa chất đồng thời cũng góp phần tiết kiệm tài nguyên.
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
27
Bảng 1.6. Một số quy trình tận thu P từ nƣớc thải và bùn thải
Công nghệ Quy trình Đặc điểm Dạng P
thu hồi Thu hồi P từ bùn thải
Xử lý hóa lý, thủy phân
Bùn ly tâm ở 1500C, thêm H2SO4 đến pH=1-2, khi đó chất hữu cơ và kim loại nặng lắng xuống. Lọc lấy dung dịch, thêm muối sắt II thì FePO4 nổi trên bề mặt và lượng sắt dư được coi như chất keo tụ
Chất hữu cơ trong bùn có thể sử dụng như nguồn cacbon để khử nitơ. Giảm thể tích bùn và chi phí xử lý bùn. Chi phí keo tụ và nhiệt độ thủy phân là cần thiết. FePO4
Phươg pháp hóa học NaHS được thêm vào trước khi đông tụ bùn tại bể lắng sơ cấp sử dụng FeCl2, FeS và H3PO4. Muối canxi được thêm vào để tạo kết tủa thu hồi dạng Ca3(PO4)2.Axit phản ứng FeS thu hồi H2S
Giảm chất hữu cơ, năng lượng, thể tích bể và có thể giảm lượng chất đông tụ. Chỉ muối canxi và axit không tái sử dụng được. H2S là khí độc Ca3(PO4)2 Thu hồi P từ bùn đã tách nƣớc
Phân bón Bùn sau khi sấy có thể sử dụng làm phân bón và chất đốt loại kém
Thu hồi được hầu hết các chất trừ tro bụi. Thích hợp cho bùn đã loại nước có độ ẩm 15-40%
Phân bón
Axit hóa cho than bùn H2SO4 được thêm vào than bùn, chiết photpho, nhôm và kim loại nặng ở 900C. Thêm kiềm để tách chiết.
Photpho, Al, Fe, Mn có thể được xử lý. Tăng khả năng hấp thụ bằng axit
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
28
Công nghệ Quy trình Đặc điểm Dạng P
thu hồi
thu hồi được photpho và kim loại nặng
hóa trên 10 phút. Phương pháp gia nhiệt
cho than bùn
NaOH được thêm vào than bùn và được gia nhiệt lên 8000C, thu hồi được Na3PO4 và zeolit
Than bùn có thể sử dụng để đốt như nhiên liệu, thu hồi thì có thể dùng ở nhiệt độ thấp hơn
Na3PO4
Thu hồi P từ nƣớc thải
Điện phân Nhúng điện cực sắt vào sâu trong nước thải và cho dòng điện 1 chiều đi qua, sau đó Fe2+ tách ra khỏi điện cực và bị oxi hóa thành Fe3+ và photphat kết tủa Công nghệ đơn giản, dễ thực hiện có thể áp dụng tại từng hộ gia đình hay ở những qui mô nhỏ. FePO4
Hấp thụ Nước thải được đưa vào tháp lọc với Zr và nhôm hoạt động để hấp thụ photphat và được tách ra. Chất hấp thụ được tái sử dụng Tạo bùn. Chất hấp thụ có khả năng hấp thụ tốt với photphat, hypophotphat và polyphotphat. Dễ bị ảnh hưởng bởi có nhiều chất cùng tồn tại H3PO4 và Ca3(PO4)2 Nguồn:[12]
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
29
CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận văn này là chất thải (nước thải, CTR) liên quan đến sản xuất tinh bột sắn tại làng nghề Dương Liễu.
Đây là một loại nước thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do tải lượng chất hữu cơ cao, độ pH thấp, hàm lượng chất rắn lơ lửng và dinh dưỡng cao, khi thải ra môi trường không qua bất kỳ một khâu xử lý nào gây nguy hại trực tiếp cho hệ động vật thủy sinh, giảm hàm lượng oxi hòa tan, gây mùi hôi thối do phân hủy kỵ khí.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong giới hạn của đề tài này, phạm vi nghiên cứu là tại làng nghề chế biến tinh bột sắn Dương Liễu – Hoài Đức – Hà Nội. Dương Liễu là một trong những làng nghề chế biến tinh bột sắn lớn ở khu vực phía Bắc và đồng thời đây cũng là làng nghề ô nhiễm nhất khu vực Hà Nội.
2.2.1. Điều kiện tự nhiên làng nghề xã Dương Liễu
Hoài Đức là một vùng ở phía Tây Hà Nội bên dòng sông Đáy. Xã Dương Liễu nằm ở phía Tây Bắc huyện Hoài Đức cách trung tâm Hà Nội khoảng 20 km (xem hình 2.1). Dương Liễu tiếp giáp các xã:
Phía Bắc: xã Minh Khai Phía Đông: xã Đức Thượng Phía Nam: xã Cát Quế Phía Tây: sông Đáy
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
30
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí xã Dương Liễu – Hoài Đức – Hà Nội
Dương Liễu có diện tích 410,54 ha trong đó đất nông nghiệp là 295,25 ha chiếm 72% diện tích đất tự nhiên.
Dương Liễu thuộc vùng đồng bằng bắc bộ nên địa hình khá bằng phẳng, độ dốc khoảng 5-70, cao ở phía đông, thấp dần ở phía tây.
Khí hậu đặc trưng của miền Bắc Việt Nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa, có một mùa đông lạnh.
Nhiệt độ trung bình khoảng 230C
Độ ẩm tương đối giao động trong khoảng 80-87% Tổng số giờ nắng trong năm: 1600-1700 giờ Lượng mưa trong năm: 1500-1700mm
Tổng lượng nước bốc hơi cao nhất về mùa hè (tháng 5 – 6). Thấp nhất vào cuối mùa đông khoảng tháng 2-3.
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
31
Nguồn nước cấp cho nông nghiệp chủ yếu bởi sông Hồng thông qua hệ thống kênh Đan - Hoài và sông Đáy. Nước cấp cho sinh hoạt và một số hoạt động thủ công nghiệp là nước ngầm người dân tự khai thác.
2.2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội làng nghề xã Dương Liễu
Dân số toàn xã là 12.801 người với 3.035 hộ (tính đến thời điểm tháng 12/2010), tổng thu nhập của xã là 96,5 tỷ đồng. trong đó thu nhập chủ yếu là từ sản xuất tiểu thủ công nghiệp là 50,5 tỷ đồng (chiếm 52,3%), bình quân thu nhập đầu người là khoảng 6 triệu đồng/người.năm.
Tỷ lệ tăng dân số 0,946%, mật độ dân số là 2.755 người/km2. Đến năm 2010 có 2600 hộ tham gia sản xuất chiếm khoảng 90% dân số tham gia chế biến nông sản và các nghề phụ khác liên quan.
Xã có tổng lao động 6.825 người trong đó có 3.549 là nữ, phân bố như sau: lao động nông nghiệp 1.300 người, lao động công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp 4.300 người, lao động thương mại, dịch vụ 800 người.
Trong những năm trở lại đây (2001-2006) tỷ trọng cơ cấu kinh tế xã Dương Liễu tăng trung bình 8-10% theo hướng tăng trưởng các ngành công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và thương mại dịch vụ. Với cơ cấu năm 2005: ngành nông nghiệp đạt 20,3 tỷ đồng chiếm 20,8%; ngành công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp đạt 50,2 tỷ đồng chiếm 52,3%; ngành thương mại và dịch vụ đạt 26 tỷ đồng chiếm 26,9%.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp tổng quan thu thập tài liệu
Thu thập các thông tin, tài liệu từ các phương tiện thông tin, các loại sách tham khảo, các số liệu thống kê của các nhóm nghiên cứu trước hoặc ở địa phương, ở trong nước, ngoài nước và các cơ quan ban ngành gồm:
- Sơ đồ, bản đồ vị trí nghiên cứu.
- Các tài liệu có liên quan đến kinh tế - xã hội, tài nguyên môi trường của địa phương.
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
32
2.3.2. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa, phỏng vấn bán chính thức
Điều tra thực địa để lấy được thông tin một cách chính xác về những vấn đề cần quan tâm, bổ sung thêm được những vấn đề mới.
Việc phỏng vấn bán chính thức giúp có được thông tin một cách xác thực và mang tính khách quan. Công việc này được tiến hành ngay tại hiện trường và các câu hỏi đặt ra tùy thuộc vào thông tin cần lấy.
2.3.3. Phương pháp lấy mẫu
Dụng cụ lấy mẫu sử dụng chai, can nhựa đựng nước. Trước khi lấy mẫu tráng, rửa sạch bằng nước sau đó mẫu nước thải từ 2 – 3 lần. Mẫu nước được lấy vào buổi sáng trong khoảng thời gian từ 7 – 8 giờ. Nước sau khi nghiền để lắng sau 10 – 12 giờ được thải bỏ ta có thể phân tích được các chỉ tiêu, COD, BOD, pH, P tổng, nitơ tổng… Vào thời điểm này, cũng là lúc bắt đầu ngày sản xuất mới ta có thể lấy được nước khi các chất có trong đó chưa phân hủy. Mẫu lấy gồm: nước thải từ công đoạn rửa, nước thải từ công đoạn ngâm, nước bột đen, nước từ rãnh, cống thải. Tổng lượng mẫu cho mỗi loại là 25 mẫu Quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu theo đúng TCVN 4556 - 1988, Tiêu chuẩn Việt Nam - nước thải - phương pháp lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu.
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Quá trình thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Môi Trường, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên. Nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ và tận thu P trong bùn thải từ quá trình keo tụ.
Hóa chất, dụng cụ:
+ Hóa chất điều chỉnh pH: H2SO4, NaOH.
+ Hóa chất xác định BOD5, COD, SS, N tổng, P tổng… + Hóa chất bổ sung nguồn N và P: (NH4)2SO4, KH2SO4
+ Các dụng cụ dùng trong phân tích: máy đo pH, máy đo quang, ống nung COD, bếp nung COD, …
2.3.5. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu
Trần Bá Thạch Luận văn tốt nghiệp
33
+ Phân tích BOD: Xác định theo Standard method và được đo oxy trên thiết bị YSI – 5000 của Mỹ.
+ Phân tích COD: Xác định theo phương pháp Kalibicromat, phản ứng được thực hiện trên thiết bị phản ứng Thermoreactor TR 320 (Merck, Đức).
+ Phân tích nitơ tổng: Được xác định theo phương pháp so màu (theo Standard Method 1995), so màu trên máy UV – 2450 (Shimazu, Nhật Bản).
+ Phân tích CN theo phương pháp so màu sử dụng hệ thuốc thử của hãng Hanna và so màu trên máy Hanna – HI 83200 Multiparameter Ion Specific Meter của Hungary.
+ Phân tích photpho tổng theo phương pháp đo quang.
2.3.6. Phương pháp phân tích dòng vật chất
Phân tích dòng vật chất là định lượng và đánh giá các dòng vật chất (thực phẩm, nước, nước thải...) hay các chất chỉ thị như nitơ, photpho, carbon ... trong một hệ thống như một nước, một thành phố hay một khu vực nào đó trong một khoảng thời gian xác định. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp phân tích dòng vật chất là dựa vào định luật bảo toàn khối lượng; dòng vật chất được tính bằng kg/năm hoặc kg/người.năm. Phương pháp này cho phép xác định lượng, xác định các tác động tiềm tàng đối với ô nhiễm môi trường làm cơ sở đề xuất các giải pháp mang tính khả thi.
Phân tích dòng vật chất bao gồm các bước chủ yếu sau đây [9]: 1. Xác định các vấn đề cơ bản (dòng vật chất liên quan);