LỜI MỞ ĐẦU Trong các loại chất thải đô thị, bùn thải đô thị là loại 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. 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 hoặc xử lý chƣa triệt để mà xả thải trực tiếp 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. Xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp sinh học đang đƣợc quan tâm nhiều, bản chất của phƣơng pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nƣớc thải. Trong phƣơng pháp này bao gồm xử lý hiếu khí (có sự tham gia của oxi không khí) và phƣơng pháp yếm khí (sự phân hủy các chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong điều kiện không có không khí).
Sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy yếm khí chủ yếu là CH4, H2S, CO2.Những khí này đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn cung cấp năng lƣợng sạch. Một số ƣu điểm của xử lý yếm khí là tiêu thụ rất ít năng lƣợng trong quá trình vận hành, nó còn là một hệ thống sản sinh ra năng lƣợng, vì trong quá trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ bị phân hủy sẽ chuyển thành khí metan. Bên cạnh đó chất thải sinh hoạt hiện đang là một trong những nguồn lớn gây ra ô nhiễm môi trƣờng. Quản lý rác thải là một trong những vấn đề bức xúc tại khu vực đô thị và công nghiệp tập trung ở nƣớc ta.
Hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trƣờng và quản lý rác thải sinh hoạt ngày càng đƣợc nhà nƣớc, xã hội và cộng đồng quan tâm. Tuy nhiên, nếu quản lý và tái sử dụng hợp lý thì rác thải sinh hoạt cũng là nguồn nguyên liệu đầu vào rẻ, phong phú, mang lại hiệu quả kinh tế và góp phần rất lớn trong việc bảo vệ môi trƣờng và tiết kiệm tài nguyên. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chính ví vậy để đƣa ra các giải pháp xử lý các loại chất thải đặc thù này dựa trên các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn thải và rác thải hữu cơ sao cho vừa thích ứng với điều kiện kinh tế và trình độ của ngƣời sử dụng, vừa thu hồi đƣợc lƣợng khí sinh học tạo ra trong quá trình lên men, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ môi trƣờng sống chúng tôi đã chọn đề tài là “Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải”. Để tăng hiệu quả xử lý, việc tìm hiểu ảnh hƣởng của các thông số liên quan đến quá trình xử lý là rất quan trọng nhằm kiểm soát và tối ƣu hóa hoạt động phân hủy.
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng mô hình yếm khí AD-W8 tại phòng thí nghiệm Hóa môi trƣờng – trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên là một dạng thu nhỏ của nhà máy xử lý yếm khí trong thực tế. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan 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 thành phần chính của quá trình thoát nƣớc đô thị [20].
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 để 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 cần phải có quy định về 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 khác nhau 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 90g bùn khô/ngày, khối lƣợng bùn thải đã tăng lên 50% và 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 [20]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 độ thị đƣợc xử lý tính đến năm 2007 đạt khoảng 2% [22]. 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 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 thành phố 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 khu vực dân cƣ 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.
Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nƣớc thải còn thể hiện ở công nghệ xử lý nƣớc thải đƣợc áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn xử lý khác nhau có đặc điểm riêng biệt. Bùn thải phát sinh trong giai đoạn xử lý sơ bộ của các trạm xử lý nƣớc thải đô thị tập trung tại châu Âu thƣờng có các chỉ tiêu hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 5,0 - 8, tổng chất rắn (TS) trong khoảng 2,0 - 8%, chất rắn bay hơi (VS) trong khoảng 60 - 80%, tổng nitơ tính theo % TS trong khoảng 1,5 - 4%, tổng phốt pho tính theo % TS trong khoảng 0,8 - 2,8% [20]. Trong khi đó, bùn thải phát sinh từ giai đoạn xử lý sinh học (activated sludge) có đặc điểm hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 6,5 - 8, TS trong khoảng 0,83 - 1,16%, VS trong khoảng 59 - 88%, tổng nitơ trong khoảng 2,4 - 5%, tổng phốt pho trong khoảng 2,8 - 11% [20]. Bùn thải đô thị tại Việt Nam với thành phần chủ yếu là bùn thải nạo vét hệ thống thoát nƣớc nên có những đặc điểm riêng đặc trƣng.
Bùn thải sông Kim Ngƣu sông thoát nƣớc thải đô thị điển hình của Hà Nội lại có các thông số hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 7,04 - 7,41, CODt trong khoảng 79.033 mg/L, TS trong khoảng 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 19,2 - 23,5%, VS trong khoảng 24,5 - 26,2%, NO3- trong khoảng 192 - 212 mg/L, PO43- trong khoảng 494 - 522 mg/L [2]. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải có sự khác nhau giữa các loại bùn thải cũng nhƣ sự khác nhau giữa các vùng miền và quốc gia nhƣng điểm chung là bùn thải đô thị có chứa thành phần các chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khá cao. Các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc vô cơ: Chủ yếu gồm các kim loại nặng và một số nguyên tố xạ hiếm khác. Chúng tồn tại trong bùn thải đô thị phát sinh từ phân và nƣớc tiểu của bệnh nhân trị xạ [12].
Kim loại nặng nhƣ: Pb, Cd, Zn, As, Cr, Ni, Cu, là những kim loại phổ biến đƣợc phát hiện trong bùn thải đô thị. Hàm lƣợng các kim loại này trong bùn thải đô thị có sự dao động khá lớn và phụ thuộc vào các yếu tố vùng miền, thời tiết, công nghệ xử lý nƣớc thải. Hàm lƣợng của Pb trong khoảng 13 - 26.000 mg/kg DS (Dry Substance) (trung bình 500 mg/kg DS), hàm lƣợng Cd trong khoảng 1 - 410 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS), hàm lƣợng Zn trong khoảng 101 - 49,000 mg/kg DS (trung bình 1700 mg/kg DS). As trong khoảng 1,1 - 230 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS).
Cr trong khoảng 10 - 990.000 mg/kg DS (giá trị trung bình 500 mg/kg DS), Ni trong khoảng 2 - 5300 mg/kg DS (trung bình 80 mg/kg DS), Cu trong khoảng 84 - 17.000 mg/kg DS (trung bình 800 mg/kg DS) [19, 20]. Các chất ô nhiễm nguồn gốc hữu cơ: Trong bùn thải đô thị có chứa tới hơn 300 loại hợp chất hữu cơ khác nhau [13, 16, 25, 26]. Tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ tiêu biểu nhất gồm: Polychlorinated biphenyls (PCBs), Polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs), Polyaromatic hydrocacbons (PAHs) và các chất hoạt động bề mặt. Hàm lƣợng PCBs dao động trong khoảng 65 - 157 mg/kg DS, PCDD/Fs trong khoảng 330 - 4245 mg/kg DS, PAHs trong khoảng <0,1 - 2000 mg/kg DS [16, 19].
Tác nhân gây bệnh: Tác nhân gây bệnh trong bùn thải chủ yếu là vi khuẩn, virus và ký sinh trùng.