Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khóa luận tốt nghiệp đại học "Nghiên cứu đánh giá chất lượng bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải công ty xử lý nước thải Bắc Thăng Long - Vân Trì" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Văn Hạ (Chuyên ngành Khoa học Môi trường, Khoa Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên) dưới sự hướng dẫn của Th.S Đặng Thị Hồng Phương vào năm 2015.
Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn
Quá trình xử lý nước thải đô thị và công nghiệp luôn tách các chất ô nhiễm lơ lửng, hòa tan ra khỏi pha lỏng và cô đặc lại dưới dạng bùn thải. Cùng với tốc độ đô thị hóa và phát triển công nghiệp nhanh chóng, khối lượng bùn thải phát sinh ngày càng lớn, trong khi quỹ đất cho các bãi chôn lấp ngày càng thu hẹp. Bùn thải đô thị và công nghiệp chứa hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng cao, có tiềm năng cải tạo đất hoặc làm phân bón, nhưng đồng thời cũng tiềm ẩn nhiều chất độc hại, đặc biệt là kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh. Nếu không được kiểm soát và xử lý đúng kỹ thuật, việc đổ thải bùn sẽ gây ô nhiễm đất, thẩm thấu làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, ô nhiễm nước mặt và phát tán khí độc vào không khí. Để có cơ sở khoa học cho việc tái sử dụng và quản lý an toàn bùn thải, việc phân tích, đánh giá toàn diện chất lượng bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý tập trung là yêu cầu cấp thiết.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài xác định 03 mục tiêu cụ thể:
- Tìm hiểu về tổng quan quy trình vận hành và hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì.
- Đánh giá các tính chất lý - hóa, hàm lượng dinh dưỡng, kim loại nặng và mật độ vi sinh vật của bùn thải sinh ra sau quá trình xử lý.
- Đề xuất các giải pháp xử lý, tái sử dụng bùn thải đạt hiệu quả cao nhằm giảm thiểu chi phí và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì (huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội).
- Phạm vi không gian: Thu mẫu tại Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì; tiến hành phân tích các chỉ tiêu hóa lý, dinh dưỡng, độc chất kim loại và vi sinh vật tại Trung tâm Thực hành Thực nghiệm, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên.
- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu được thực hiện từ ngày 06/01/2015 đến ngày 20/05/2015.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và phân loại bùn thải
Khóa luận tổng hợp cơ sở khoa học về bùn thải theo định nghĩa của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và phân loại bùn dựa trên nguồn gốc phát sinh cùng tính chất cơ lý - hóa học:
- Bùn hữu cơ ưa nước: Điển hình từ quá trình xử lý sinh học nước thải, hàm lượng chất bay hơi có thể đạt tới 90% chất khô, khó làm khô do sự hiện diện của keo ưa nước.
- Bùn vô cơ ưa nước: Chứa hydroxit kim loại tạo thành từ quá trình keo tụ hóa lý (muối Al, Fe, Zn, Cr).
- Bùn chứa dầu: Chứa mỡ khoáng hoặc dầu động vật dạng nhũ tương kết hợp bùn hoạt tính.
- Bùn vô cơ kị nước, bùn vô cơ ưa nước - kị nước và bùn có sợi: Đặc trưng bởi các hạt cát, bùn phù sa, xỉ khoáng hoặc sợi hữu cơ/vô cơ.
Hệ thống tiêu chuẩn và văn bản pháp lý tham chiếu
- Văn bản pháp luật Việt Nam: Luật Bảo vệ Môi trường năm 2014; Thông tư số 36/2010/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn quy định về sản xuất phân bón hữu cơ; QCVN 07:2009/BTNMT (Ngưỡng chất thải nguy hại); QCVN 50:2013/BTNMT (Ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước); QCVN 43:2012/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng trầm tích); QCVN 03:2008/BTNMT (Giới hạn kim loại nặng trong đất); QCVN 24:2009/BTNMT (Nước thải công nghiệp); TCVN 5945-2005.
- Tiêu chuẩn quốc tế: Chỉ thị châu Âu Council Directive 86/278/EEC về bảo vệ môi trường và sử dụng bùn thải trong nông nghiệp; các quy định giới hạn kim loại và vi sinh vật của Pháp, Ý, Đan Mạch, Ba Lan, Luxembourg.
Phương pháp nghiên cứu và phân tích
Tác giả kết hợp các phương pháp điều tra thực địa, thu thập số liệu kế thừa, lấy mẫu thực tế và phân tích thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.
| STT |
Chỉ tiêu phân tích |
Phương pháp phân tích |
Tiêu chuẩn / Thiết bị áp dụng |
| 1 |
pH |
Đo điện thế |
Máy đo pH |
| 2 |
Độ ẩm (%) |
Sấy khô khối lượng không đổi |
Tủ sấy phòng thí nghiệm |
| 3 |
Chất hữu cơ tổng số (%) |
Phương pháp Walkley - Black |
Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT |
| 4 |
Nitơ tổng số ($N_{ts}$, %) |
Phương pháp Kjeldahl |
Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT |
| 5 |
Photpho tổng số ($P_2O_5$, %) |
Phương pháp so màu xanh Molipđat |
Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT |
| 6 |
Kali tổng số ($K_2O$, %) |
Quang phổ hấp thụ nguyên tử |
Máy đo AAS (Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT) |
| 7 |
Kim loại tổng số: Kẽm (Zn), Asen (As) |
Quang phổ hấp thụ nguyên tử |
TCCS/PTTH theo QCVN 43:2008/BTNMT |
| 8 |
Sắt tổng số (Fe) |
Phương pháp trích ly Olson |
Phương pháp so màu quang phổ |
| 9 |
Vi sinh vật (E. coli, Salmonella, Clostridium perfringens) |
Nuôi cấy, đếm khuẩn lạc |
Quy trình phân tích vi sinh vật chuẩn |
Nội dung chính theo từng phần
Phần 1: Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của việc quản lý bùn thải đô thị trong bối cảnh công nghiệp hóa, đô thị hóa; xác lập 03 mục tiêu nghiên cứu, yêu cầu khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài đối với công tác bảo vệ môi trường tại địa phương.
Phần 2: Tổng quan tài liệu
- Cơ sở khoa học về bùn thải: Khái niệm, cơ chế hình thành bùn từ hệ thống cống rãnh đô thị và trạm xử lý; các hợp chất độc hại trong bùn (thuốc trừ sâu clo hữu cơ, dioxin, PAH, kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh) theo các báo cáo của EPA và CHEJ.
- Tác động môi trường: Cơ chế gây ô nhiễm nước ngầm qua thẩm thấu mùa mưa, ô nhiễm nước mặt do hoàn tan ngược, phát tán mùi hôi ($H_2S, CH_4, NH_3$) và tích lũy sinh học kim loại nặng qua chuỗi thức ăn.
- Quy chuẩn quản lý: Giới hạn nồng độ kim loại nặng, hợp chất hữu cơ và vi sinh vật theo Council Directive 86/278/EEC, các quy chuẩn Việt Nam (QCVN 07:2009/BTNMT, QCVN 50:2013/BTNMT).
- Công nghệ xử lý và kinh nghiệm quốc tế: Đánh giá ưu nhược điểm của 04 phương pháp: thiêu đốt, chôn lấp hợp vệ sinh, ủ sinh học (compost) và tái chế (thu hồi kim loại mạ điện, làm nguyên liệu phát điện 3200–3500 kcal tại Trung Quốc/Nhật Bản, đóng rắn làm vật liệu xây dựng/gạch nhẹ). Khái quát các nghiên cứu trong nước của Nguyễn Văn Chiến (thu hồi niken), Lê Thanh Hải (hóa rắn bùn kim loại), Trần Yên (bùn mạ điện), Phùng Huy Tuấn (cố định đạm từ bùn thải).
Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Mô tả chi tiết vị trí lấy mẫu tại Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì; thiết lập quy trình lấy mẫu bùn lỏng và bùn đặc (dụng cụ vô trùng, dán nhãn, bảo quản lạnh, gửi mẫu vi sinh trong vòng 2–6 giờ); trình bày chi tiết nguyên lý các phương pháp phân tích hóa lý, phương pháp xử lý và so sánh số liệu với quy chuẩn hiện hành.
Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
- Hệ thống xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì: Diện tích 64.000 $m^2$, công suất trung bình 37.000 $m^3$/ngày đêm (16 giếng đang hoạt động). Tiếp nhận nước thải sinh hoạt và nước thải từ Khu công nghiệp Thăng Long (67 nhà máy Nhật Bản, lưu lượng khoảng 18.000 $m^3$/ngày đêm). Dây chuyền công nghệ xử lý nước áp dụng công nghệ sinh học AAO (Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí); cụm xử lý bùn sử dụng bể chứa bùn dư, định lượng hóa chất keo tụ Polymer, máy tách nước và thiết bị ép bùn tạo bánh bùn khô.
- Tính chất hóa lý và dinh dưỡng của bùn: Phân tích độ ẩm, pH, hàm lượng chất hữu cơ, $N_{ts}, P_2O_5, K_2O$.
- Hàm lượng kim loại nặng và vi sinh vật: Đánh giá hàm lượng Fe, Zn, As và mật độ E. coli, Salmonella, Clostridium perfringens so với các quy chuẩn Việt Nam và quốc tế.
- Đề xuất giải pháp: Đề xuất 04 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm xử lý và tái sử dụng bùn thải phù hợp với điều kiện Hà Nội.
Phần 5: Kết luận và kiến nghị
Tổng hợp các chỉ số thực nghiệm, đối chiếu các giá trị đạt và vượt ngưỡng theo quy chuẩn, đưa ra khuyến nghị an toàn khi định hướng tái sử dụng bùn thải làm phân bón hoặc vật liệu san lấp.
Kết quả và đóng góp
Kết quả phân tích thực nghiệm các chỉ tiêu trong bùn thải
1. Tính chất hóa lý và hàm lượng dinh dưỡng
Bùn thải sau hệ thống ép bùn của nhà máy có độ ẩm 11%, phản ứng môi trường trung tính với pH = 6,8 (nằm trong ngưỡng tối ưu 5,0–7,0 đối với phân bón hữu cơ).
| STT |
Chỉ tiêu |
Đơn vị |
Kết quả phân tích |
Quy định tham chiếu / Đánh giá |
| 1 |
Độ ẩm |
% |
11,0 |
Bánh bùn sau thiết bị ép |
| 2 |
pH |
- |
6,8 |
Trung tính, phù hợp sản xuất phân bón |
| 3 |
Chất hữu cơ |
% |
38,20 |
Đạt quy định Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT ($\ge 22%$) |
| 4 |
Nitơ tổng số ($N_{ts}$) |
% |
1,60 |
Chưa đạt ngưỡng Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT ($\ge 2,5%$) |
| 5 |
Photpho tổng số ($P_2O_5$) |
% |
16,00 |
Rất giàu photpho |
| 6 |
Kali tổng số ($K_2O$) |
% |
1,10 |
Thuộc mức nghèo kali |
Ghi chú: Tại phần Kết luận của khóa luận, số liệu chi tiết được ghi nhận: Hữu cơ = 38,22%; $N_{ts} = 1,62%$; $P_2O_5 = 16,097%$; $K_2O = 1,167%$.
2. Hàm lượng kim loại nặng
Hàm lượng các nguyên tố kim loại trong bùn thải khô được phân tích và so sánh với QCVN 43:2012/BTNMT (trầm tích nước ngọt) và Chỉ thị châu Âu 86/278/EEC:
| STT |
Thông số kim loại |
Kết quả phân tích (mg/kg bùn khô) |
QCVN 43:2012/BTNMT (mg/kg) |
Giới hạn 86/278/EEC (mg/kg) |
Đánh giá mức độ vượt ngưỡng |
| 1 |
Sắt tổng số (Fe) |
36.831,74 |
- |
- |
Hàm lượng rất cao, dễ oxy hóa tạo kết tủa $Fe(OH)_3$ |
| 2 |
Kẽm (Zn) |
786,80 |
315,0 |
2.500 - 4.000 |
Vượt ~2,5 lần QCVN 43:2012; đạt chuẩn 86/278/EEC |
| 3 |
Asen (As) |
41,40 (KL: 41,70) |
17,0 |
- |
Vượt ~2,4 lần QCVN 43:2012 |
Nguyên nhân hàm lượng kẽm (Zn) cao được tác giả nhận định là do nước thải tiếp nhận từ các cơ sở sản xuất công nghiệp và sự ăn mòn, hòa tan kẽm từ hệ thống đường ống cấp nước bằng thép tráng kẽm trong đô thị.
3. Mật độ vi sinh vật gây bệnh
Mẫu bùn thải ghi nhận mật độ vi sinh vật gây hại ở mức cao:
- Escherichia coli: 1.000 vi khuẩn/g.
- Salmonella: 3.800 vi khuẩn/g (vượt hoàn toàn tiêu chuẩn an toàn vi sinh của nhiều quốc gia châu Âu, vốn cấm tuyệt đối sự hiện diện của Salmonella trong bùn dùng cho nông nghiệp).
- Clostridium perfringens: 7 vi khuẩn/g.
Giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất
- Sản xuất phân bón hữu cơ, cải tạo đất: Tận dụng hàm lượng hữu cơ (38,2%) và photpho ($P_2O_5 = 16,0%$) cao; bắt buộc phải phối trộn bổ sung đạm ($N$) và kali ($K$), đồng thời áp dụng các biện pháp xử lý sơ bộ để cố định kim loại nặng và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh.
- Đồng xử lý trong lò nung xi măng: Phối trộn bùn thải với dầu nhớt thải làm nhiên liệu thứ cấp cho lò nung công nghiệp nhiệt độ cao, tận dụng hàm lượng khoáng và tro xỉ để đóng rắn vào clinker, triệt tiêu vi sinh vật và giảm thể tích chôn lấp.
- Ủ sinh học hiếu khí tại bãi đổ: Bổ sung vôi bột để nâng pH và cố định kim loại độc hại; sàng lọc loại bỏ rác thô vô cơ; phối trộn phân ủ tạo độ xốp; điều chỉnh độ ẩm và cấp khí cưỡng bức qua hệ thống ống dẫn khí hoặc máy đảo trộn.
- Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation): Trồng các loài thực vật chống chịu độc tính cao tại bãi tiếp nhận bùn nhằm hạn chế xói mòn, giữ và cố định kim loại nặng ở tầng mặt, ngăn chặn phát tán vào nguồn nước ngầm.
Đóng góp của đề tài
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết về các thông số hóa lý, dinh dưỡng, độc tính kim loại và vi sinh vật của bùn thải từ một trong những trạm xử lý nước thải tập trung quy mô lớn nhất Hà Nội thời điểm 2015.
- Chỉ rõ thực trạng bùn thải đô thị tuy giàu tiềm năng dinh dưỡng nông nghiệp nhưng chứa hàm lượng Zn, As và vi khuẩn Salmonella vượt ngưỡng trầm tích an toàn, từ đó cảnh báo rủi ro môi trường nếu sử dụng trực tiếp mà không qua tiền xử lý.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu thực hiện lấy mẫu trong một giai đoạn thời gian giới hạn (tháng 01/2015 đến tháng 05/2015), chưa theo dõi được sự biến động thành phần bùn theo chu kỳ mùa khô - mùa mưa; chưa tiến hành thử nghiệm mô hình thực nghiệm xử lý tách chiết kim loại nặng hoặc ủ phân compost quy mô pilot trong phòng thí nghiệm.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng quan trắc chu kỳ lấy mẫu trong cả năm để đánh giá chính xác dao động nồng độ kim loại nặng theo mùa xả thải.
- Nghiên cứu thực nghiệm các công nghệ chiết tách, cố định kẽm (Zn) và asen (As) bằng tác nhân hóa - sinh học.
- Thử nghiệm phối trộn bùn thải với các phế phẩm nông nghiệp (tro trấu, mùn cưa, phụ gia đạm, kali) để đánh giá hiệu quả sinh trưởng trên cây trồng thực tế.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích đối với:
- Sinh viên, học viên ngành Môi trường: Chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường có thể tham khảo quy trình phân tích chỉ tiêu bùn thải (theo Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT và các phương pháp Walkley-Black, Kjeldahl, AAS).
- Cán bộ kỹ thuật và đơn vị quản lý vận hành: Các trạm xử lý nước thải đô thị và khu công nghiệp có thêm tư liệu thực tế về đặc tính bùn ép từ công nghệ AAO, hỗ trợ định hướng lựa chọn giải pháp quản lý chất thải rắn sau xử lý nước (đồng xử lý clinker xi măng, ủ hiếu khí bổ sung vôi).
Câu hỏi thường gặp
1. Bùn thải của Nhà máy Bắc Thăng Long – Vân Trì có đủ điều kiện làm phân bón hữu cơ không?
Theo kết quả phân tích, bùn thải có hàm lượng chất hữu cơ đạt 38,2% (vượt tiêu chuẩn tối thiểu $\ge 22%$ theo Thông tư 36/2010/TT-BNNPTNT), pH = 6,8 ở mức tối ưu và rất giàu photpho ($P_2O_5 = 16,0%$). Tuy nhiên, hàm lượng nitơ tổng số ($N_{ts} = 1,6%$) chưa đạt ngưỡng quy định ($\ge 2,5%$) và hàm lượng kali nghèo ($K_2O = 1,1%$). Do đó, bùn thải chỉ có thể làm nguyên liệu phân bón khi được phối trộn bổ sung đạm, kali và phải qua xử lý triệt để kim loại nặng cùng vi sinh vật gây bệnh.
2. Những chỉ tiêu nào trong bùn thải vượt ngưỡng quy chuẩn môi trường?
- Kim loại nặng: Hàm lượng Kẽm ($Zn = 786,8\text{ mg/kg}$) vượt khoảng 2,5 lần và Asen ($As = 41,4\text{ mg/kg}$) vượt hơn 2,4 lần so với QCVN 43:2012/BTNMT về chất lượng trầm tích nước ngọt. Hàm lượng Sắt ($Fe = 36.831,74\text{ mg/kg}$) rất cao, có thể gây hại cho cây trồng nếu dùng trực tiếp.
- Vi sinh vật: Mật độ Salmonella lên tới 3.800 vi khuẩn/g và E. coli đạt 1.000 vi khuẩn/g, vi phạm các khuyến cáo an toàn vi sinh đối với bùn bón đất nông nghiệp.
3. Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì áp dụng công nghệ xử lý nước và bùn nào?
Nhà máy áp dụng công nghệ sinh học AAO (Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí) kết hợp bùn hoạt tính tuần hoàn để xử lý nước thải. Đối với bùn thải, bùn dư từ bể lắng thứ cấp được bơm vào bể chứa bùn, hòa trộn hóa chất keo tụ Polymer, đưa qua máy tách nước ly tâm/khuấy lắng nén và dẫn vào thiết bị ép bùn để tạo thành bánh bùn khô (độ ẩm 11%).
4. Tại sao hàm lượng kẽm (Zn) trong bùn thải của nhà máy lại ở mức cao?
Tác giả giải thích nguyên nhân xuất phát từ hai nguồn chính: nước thải công nghiệp từ 67 nhà máy trong Khu công nghiệp Thăng Long đấu nối về trạm, và nước thải sinh hoạt đô thị vận chuyển qua hệ thống đường ống cấp thoát nước bằng thép tráng kẽm bị ăn mòn, oxy hóa hòa tan kẽm theo thời gian rồi tích tụ vào bùn lắng.
5. Những phương án nào được đề xuất để xử lý bùn tại bãi đổ tập trung?
Tác giả đề xuất phương pháp sinh học hiếu khí (bổ sung vôi bột để cố định độc chất, sàng lọc rác thô, trộn phân ủ tăng độ xốp, sục khí cưỡng bức) và phương pháp xử lý bằng thực vật (Phytoremediation) sử dụng các loài cây chống chịu tốt để cố định kim loại nặng tại tầng mặt, ngăn xói mòn và chống thẩm thấu vào mạch nước ngầm.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Văn Hạ đã cung cấp bức tranh chi tiết về đặc tính hóa lý, dinh dưỡng và mức độ ô nhiễm của bùn thải tại Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long – Vân Trì năm 2015. Kết quả thực nghiệm khẳng định bùn thải có tiềm năng hữu cơ và photpho dồi dào nhưng đồng thời chứa hàm lượng Zn, As và vi sinh vật gây bệnh vượt ngưỡng an toàn trầm tích. Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật có tính thực tiễn cao như đồng xử lý trong lò nung xi măng, ủ hiếu khí bổ sung vôi và xử lý bằng thực vật nhằm định hướng quản lý bùn thải an toàn, bền vững.
