MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong các loại hình chất thải đô thị, bùn thải đô thị là một loại hình chất thải đặc thù đƣợc phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nƣớc thải và nạo vét hệ thống thoát nƣớc đô thị. Bùn thải đô thị có hàm lƣợng chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khá cao. Mặt khác, quá trình hình thành bùn thải cũng tích lũy nhiều chất gây ô nhiễm nguy hiểm.
Bùn thải đô thị có thể chứa tới hơn 300 các hợp chất hữu cơ khác nhau. Các hợp chất vô cơ và các vi sinh vật gây bệnh cũng tồn tại với thành phần đa dạng trong bùn thải đô thị. Các chất hữu cơ ô nhiễm chủ yếu phát hiện đƣợc trong bùn thải bao gồm các hợp chất hydrocacbon đơn vòng thơm (MAHs), các hợp chất hydrocacbon đa vòng thơm (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), phthalic acid esters (PAEs), polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans (PCDD/Fs), chlorobenzens (CBs), amins, nitrosamins, phenols [22, 23, 82, 103]. Chính sự tồn tại của kim loại nặng cũng nhƣ các chất ô nhiễm hữu cơ nêu trên trong bùn thải đã làm hạn chế khả năng tái chế bùn thải và sử dụng sản phẩm tái chế cho mục đích nông nghiệp [61, 79, 96].
Tại Việt Nam, công tác quản lý nƣớc thải đô thị còn nhiều bất cập. Nƣớc thải sinh hoạt tại các đô thị không đƣợc xử lý vẫn xả thải ra môi trƣờng với lƣợng rất lớn. Do đó, bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn nạo vét hệ thống thoát nƣớc với số lƣợng lên tới hàng triệu tấn mỗi năm. Báo cáo của Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Thoát nƣớc Hà Nội, trong năm 2012 lƣợng bùn thải đô thị thu gom trên toàn thành phố đạt 167.200 tấn trong đó chỉ có 2.140 tấn phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt.
Trƣớc thực trạng này, đã có một số nghiên cứu đƣợc triển khai nhằm tìm ra lời giải cho bài toán quản lý bùn thải đô thị. Do năng lƣợng ngày một khan hiếm cộng với sức ép phải xử lý bùn thải đô thị mà việc phát triển phƣơng pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải, thu hồi biogas nhƣ nguồn năng lƣợng tái tạo là xu hƣớng tất yếu. Tại châu Âu hiện nay, lƣợng biogas thu đƣợc trong xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp lên men yếm khí đã vƣợt 200 tỷ m3 khí mỗi năm [12]. Hơn nữa, ổn định bùn thải đô thị bằng 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phƣơng pháp lên men yếm khí là giải pháp phù hợp để sử dụng sản phẩm sau xử lý cho mục đích nông nghiệp.
Phƣơng pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải đô thị đã và đang trở thành một phƣơng án tối ƣu trong hệ thống quản lý chất thải đô thị. Thời gian gần đây, ổn định bùn thải kết hợp với rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng với ƣu thế nhƣ: thời gian ổn định ngắn, hiệu suất sinh CH4 cao và tiêu diệt triệt để mầm bệnh đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu ứng dụng. Tuy nhiên, để có thể áp dụng phƣơng pháp xử lý nêu trên một cách hiệu quả đối với bùn thải đô thị tại Việt Nam cần thiết phải triển khai những nghiên cứu cụ thể. Nhằm góp phần vào việc hoàn thiện các phƣơng pháp, quy trình xử bùn thải đô thị Việt Nam nói chung và bùn thải của thành phố Hà Nội nói riêng, chúng tôi đã chọn đề tài là “Nghiên cứu sự chuyển hóa của PAHs và một số kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng”.
Mục tiêu của đề tài - Xác định hàm lƣợng và đánh giá mức độ ô nhiễm một số kim loại nặng và PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu, thành phố Hà Nội. - Nghiên cứu ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng. - Nghiên cứu sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng. - Đề xuất quy trình xử lý và đánh giá khả năng áp dụng để xử lý bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ theo hƣớng giảm thiểu tối đa kim loại nặng và PAHs trong sản phẩm để sử dụng sản phẩm sau xử lý vào mục đích nông nghiệp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học - Góp phần đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng, PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu (một trong những con sông tiếp nhận nƣớc thải điển hình của Hà Nội). 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Tìm đƣợc điều kiện thích hợp để ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng. - Đánh giá đƣợc khả năng tích tụ, vận chuyển của kim loại nặng và sự phân hủy của các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lƣợng của một số kim loại nặng và hợp chất PAH cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn đất nông nghiệp.
Thông tin về mức độ ô nhiễm bùn thải sông Kim Ngƣu giúp cho các nhà quản lý có cơ sở khoa học để hoạch định chính sách về quản lý bùn thải đô thị nói chung. - Kết quả nghiên cứu sự chuyển hóa của các kim loại nặng và các hợp chất PAH trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng cho phép đƣa ra đƣợc quy trình định hƣớng xử lý bùn thải để thu hồi khí biogas và sử dụng bùn thải vào mục đích nông nghiệp. Bằng việc nghiên cứu bổ sung có thể đƣa ra đƣợc quy trình xử lý hoàn chỉnh cho phép ứng dụng vào thực tiễn xử lý bùn thải đô thị của Việt Nam. Những đóng góp mới của đề tài - Lần đầu tiên xác định hàm lƣợng của 16 hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs) trong bùn thải sông Kim Ngƣu của thành phố Hà Nội.
- Đã xác định hàm lƣợng một số kim loại nặng Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn trong bùn thải sông Kim Ngƣu và đánh giá khả năng tích tụ, vận chuyển của chúng trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng. - Đã đánh giá mức độ phân hủy của các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng và ảnh hƣởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80 đến sự phân hủy của PAHs trong điều kiện nói trên. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái quát về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội 1.
Nguồn phát sinh bùn thải đô thị Bùn thải đô thị (BTĐT) là sản phẩm của quá trình thoát nƣớc đô thị [44]. Bùn thải đô thị đƣợc sinh ra trong các công đoạn của quá trình thoát nƣớc và xử lý nƣớc thải. Do vậy, bùn thải đô thị bao gồm các loại nhƣ sau: - Bùn thải từ bể phốt: phát sinh từ hệ thống bể phốt (septick tank) sử dụng xử lý nƣớc đen, vệ sinh tại công trình xây dựng trong các đô thị. - Bùn nạo vét: phát sinh từ công tác nạo vét cống rãnh, sông, hồ, ao nằm trong hệ thống thoát nƣớc đô thị.
- Bùn từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt: phát sinh từ các công đoạn trong quy trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt đô thị. Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ công tác xử lý nƣớc thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lƣợng bùn thải có quy định và quản lý riêng và không nằm trong tập hợp bùn thải đô thị. Thông thƣờng tỷ trọng của bùn bể phốt, bùn nạo vét, bùn xử lý nƣớc thải trong bùn thải đô thị phụ thuộc vào mô hình thoát nƣớc, trình độ phát triển hạ tầng đô thị của mỗi một quốc gia. Tại một số quốc gia châu Âu phát triển thƣờng sử dụng mô hình thoát nƣớc và xử lý nƣớc thải tập trung nên thành phần bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn xử lý nƣớc thải và bùn nạo vét, bùn phát sinh từ bể phốt chiếm tỷ trọng rất nhỏ.
Do có hệ thống thoát nƣớc đồng bộ nên lƣợng bùn nạo vét tại các quốc gia này cũng không quá lớn cùng với quy định về việc xử lý triệt để nƣớc thải đô thị nên lƣợng bùn phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải chiếm tỷ trọng cao nhất. Ƣớc tính tại châu Âu, trung bình một ngƣời dân đô thị thải ra 90 g bùn khô/ngày, khối lƣợng bùn thải đã tăng lên 50% và vào khoảng xấp xỉ 10 triệu tấn trong năm 2005 sau khi quy định số: 91/271/EEC quy định việc xử lý nƣớc thải sinh hoạt đô thị ra đời [44]. Tại Việt Nam, lƣợng nƣớc thải sinh hoạt qua xử lý trƣớc khi thải ra môi trƣờng rất thấp, riêng thành phố Hà Nội lƣợng nƣớc thải sinh hoạt đô thị đƣợc xử lý tính đến năm 2007 đạt khoảng 2% [78]. Sau khi nhà máy xử lý nƣớc thải Bắc Thăng Long -Vân Trì đi vào hoạt động, thì lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý đạt 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khoảng 8% tính tới hết năm 2012.
Do tỷ lệ nƣớc thải đƣợc xử lý thấp nên lƣợng bùn thải phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải chiếm tỷ trọng nhỏ trong bùn thải đô thị. Hơn nữa, hệ thống thoát nƣớc đô thị không đồng bộ dẫn tới bùn nạo vét phát sinh với lƣợng lớn và là thành phần chính trong bùn thải đô thị tại Hà Nội cũng nhƣ các đô thị khác trên cả nƣớc. Ngoài ra, bùn bể phốt cũng chiếm một tỷ trọng nhất định trong bùn thải đô thị tại Hà Nội cũng nhƣ các đô thị khác tại Việt Nam. Đặc điểm của bùn thải đô thị Với sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cƣ, trình độ phát triển đô thị cũng nhƣ sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải đô thị tại mỗi quốc gia, mỗi đô thị có những đặc điểm khác biệt.
Hơn nữa, tính chất của bùn thải phụ thuộc theo đặc trƣng thời tiết, theo mùa nên sự khác biệt về vùng miền càng thể hiện rõ rệt hơn.