Nghiên cứu xử lý bùn thải Sơn Trà bằng siêu âm và thu hồi biogas

Nghiên cứu xử lý bùn thải tại TXL Sơn Trà. Áp dụng phương pháp siêu âm và phân hủy yếm khí giúp tăng hiệu quả thu hồi biogas, giảm phát thải.

• Tác giả: Nguyễn Viết Thoàn
• Người hướng dẫn: Đỗ Văn Mạnh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tiền xử lý bùn bằng phương pháp siêu âm và phân hủy yếm khí bùn thải từ trạm xử lý nước thải Sơn Trà – Đà Nẵng kết hợp thu hồi Biogas
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý bùn bằng siêu âm và thu hồi biogas

Trong bối cảnh đô thị hóa và công nghiệp hóa mạnh mẽ, quản lý bùn thải từ các trạm xử lý nước thải (TXLNT) đang trở thành một thách thức lớn. Bùn thải, đặc biệt là bùn hoạt tính, chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nhưng khó phân hủy, đòi hỏi các giải pháp xử lý tiên tiến và bền vững. Phương pháp kết hợp tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm và phân hủy yếm khí để thu hồi biogas nổi lên như một hướng đi đột phá, không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn tạo ra năng lượng tái tạo từ bùn thải. Công nghệ này hướng tới mục tiêu của một nền kinh tế tuần hoàn, biến chất thải thành tài nguyên có giá trị. Nghiên cứu của Nguyễn Viết Thoàn (2019) tại TXLNT Sơn Trà, Đà Nẵng đã chứng minh tiềm năng to lớn của giải pháp này, khi ứng dụng siêu âm giúp tăng đáng kể hiệu suất phân hủy và sản lượng khí metan. Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ môi trường, mở ra cơ hội tối ưu hóa các hệ thống xử lý hiện có, giảm chi phí vận hành và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, phù hợp với định hướng phát triển bền vững quốc gia.

1.1. Khái niệm công nghệ siêu âm xử lý bùn thải là gì

Công nghệ tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm là một phương pháp cơ học tiên tiến, sử dụng sóng âm tần số cao (thường từ 20-40 kHz) để phá vỡ cấu trúc vật lý của bùn thải. Nguyên lý cốt lõi của phương pháp này dựa trên hiện tượng xâm thực khí (cavitation). Khi sóng siêu âm truyền qua môi trường lỏng của bùn, nó tạo ra các chu kỳ nén và giãn liên tiếp, hình thành hàng triệu bọt khí siêu nhỏ. Các bọt khí này lớn dần và sau đó vỡ tung một cách đột ngột, giải phóng năng lượng cực lớn dưới dạng sóng xung kích, tia vi lỏng và tạo ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ và áp suất rất cao. Năng lượng này có tác dụng phá vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật và các cụm bông bùn (floc) phức tạp. Kết quả là các chất hữu cơ nội bào và các polymer ngoại bào (EPS) được giải phóng vào pha lỏng, chuyển hóa các chất hữu cơ phức tạp, khó phân hủy thành dạng hòa tan, dễ tiếp cận hơn cho các vi sinh vật trong giai đoạn phân hủy yếm khí tiếp theo. Quá trình này giúp đẩy nhanh giai đoạn thủy phân, vốn là bước giới hạn tốc độ trong toàn bộ chu trình phân hủy.

1.2. Tầm quan trọng của phân hủy kỵ khí và thu hồi biogas

Phân hủy kỵ khí (hay phân hủy yếm khí) là một quá trình sinh học phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, nhờ hoạt động của các tập đoàn vi sinh vật chuyên biệt. Quá trình này không chỉ giúp ổn định bùn, giảm thể tích bùn thải đáng kể mà còn tạo ra sản phẩm giá trị là khí sinh học (biogas). Biogas chủ yếu bao gồm khí metan (CH4), một loại khí có khả năng cháy và có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng để phát điện, cung cấp nhiệt hoặc làm nhiên liệu. Việc thu hồi và tận dụng biogas từ bùn thải đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy an ninh năng lượng. Hơn nữa, bùn sau phân hủy yếm khí giàu dinh dưỡng, có thể được xử lý tiếp để làm phân bón hữu cơ, góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất. Do đó, tối ưu hóa quá trình yếm khí không chỉ là giải pháp xử lý chất thải mà còn là một mắt xích quan trọng trong mô hình kinh tế tuần hoàn.

II. Thách thức khi quản lý bùn thải và phân hủy yếm khí

Việc xử lý và quản lý bùn thải từ các trạm XLNT đô thị đang đối mặt với nhiều trở ngại. Lượng bùn phát sinh ngày càng tăng, trong khi các phương pháp truyền thống như chôn lấp, phơi khô đang dần bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí, diện tích đất và nguy cơ ô nhiễm môi trường thứ cấp. Bùn hoạt tính dù giàu chất hữu cơ nhưng có cấu trúc rất bền vững, được bao bọc bởi các hợp chất polymer ngoại bào (EPS), gây khó khăn cho quá trình khử nước của bùn và phân hủy sinh học. Đối với phương pháp phân hủy yếm khí, thách thức lớn nhất nằm ở giai đoạn thủy phân. Đây được xem là "nút thắt cổ chai" của toàn bộ quá trình, diễn ra chậm chạp do vi sinh vật khó tiếp cận và phá vỡ các cấu trúc hữu cơ phức tạp trong bùn. Điều này dẫn đến thời gian lưu bùn trong bể phân hủy yếm khí kéo dài, yêu cầu thể tích bể lớn, và hiệu suất chuyển hóa thành khí sinh học không cao. Theo nghiên cứu của Nguyễn Viết Thoàn (2019), bùn thải tại TXL Sơn Trà có tiềm năng phân hủy nhưng nếu không qua tiền xử lý, hiệu quả thu hồi năng lượng sẽ bị hạn chế, chưa khai thác hết giá trị tài nguyên có trong bùn.

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý bùn hoạt tính truyền thống

Các phương pháp xử lý bùn hoạt tính truyền thống như chôn lấp hợp vệ sinh, ủ compost hoặc sử dụng làm vật liệu san lấp đang gặp nhiều thách thức. Chôn lấp đòi hỏi diện tích đất lớn, một nguồn tài nguyên ngày càng khan hiếm tại các đô thị, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ nước rỉ rác và phát thải khí metan, một loại khí nhà kính có tác động mạnh. Phương pháp ủ compost tuy thân thiện hơn nhưng quy trình phức tạp, tốn thời gian và có thể bị hạn chế bởi sự hiện diện của kim loại nặng hoặc mầm bệnh trong bùn. Hơn nữa, các phương pháp này chủ yếu xem bùn thải như một chất thải cần loại bỏ thay vì một nguồn tài nguyên. Chúng chưa khai thác được tiềm năng năng lượng khổng lồ chứa trong các chất rắn hữu cơ dễ bay hơi (VS) của bùn. Việc chỉ tập trung vào việc giảm thể tích bùn thải mà bỏ qua cơ hội thu hồi năng lượng là một sự lãng phí tài nguyên, đi ngược lại xu thế phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn.

2.2. Bước thủy phân Nút thắt cổ chai trong quá trình yếm khí

Trong chuỗi bốn giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí (thủy phân, axit hóa, acetat hóa, và metan hóa), giai đoạn thủy phân được công nhận rộng rãi là bước giới hạn tốc độ, đặc biệt đối với các chất nền phức tạp như bùn hoạt tính. Ở giai đoạn này, các đại phân tử hữu cơ như carbohydrate, protein và lipid phải được các enzyme ngoại bào phân cắt thành các phân tử đơn giản hơn (đường đơn, axit amin, axit béo) trước khi chúng có thể được vi khuẩn axit hóa hấp thụ. Tuy nhiên, cấu trúc bền vững của bông bùn và màng tế bào vi sinh vật tạo ra một rào cản vật lý, làm chậm đáng kể tốc độ thủy phân. Hệ quả là quá trình phân hủy tổng thể cần thời gian lưu thủy lực (HRT) dài, hiệu suất phân hủy chất hữu cơ (COD, BOD trong bùn) thấp và sản lượng khí sinh học không đạt mức tối ưu. Để vượt qua "nút thắt cổ chai" này, các phương pháp tiền xử lý, như công nghệ siêu âm xử lý bùn, là cần thiết để phá vỡ các cấu trúc phức tạp và đẩy nhanh tốc độ thủy phân.

III. Bí quyết tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm tăng hiệu quả

Giải pháp tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm được xem là một bí quyết công nghệ giúp khai phá tiềm năng của quá trình phân hủy yếm khí. Công nghệ này tác động trực tiếp vào "nút thắt cổ chai" của quá trình bằng cách sử dụng năng lượng cơ học cực mạnh từ hiện tượng xâm thực khí (cavitation). Khi các bọt khí vỡ tung, chúng tạo ra lực cắt thủy động lực học phá vỡ các liên kết vật lý và hóa học trong cấu trúc bùn. Quá trình này không chỉ làm tan rã các bông bùn mà còn trực tiếp phá vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật, giải phóng một lượng lớn vật chất hữu cơ nội bào ra môi trường. Điều này được thể hiện qua sự gia tăng đáng kể nồng độ COD hòa tan (SCOD), một chỉ số quan trọng cho thấy sự sẵn có của chất nền cho vi sinh vật yếm khí. Nghiên cứu tại TXLNT Sơn Trà đã chỉ ra mối tương quan trực tiếp giữa năng lượng siêu âm cung cấp và mức độ hòa tan chất hữu cơ. Việc áp dụng công nghệ siêu âm xử lý bùn giúp chuyển đổi bùn từ trạng thái khó phân hủy sang dạng dễ phân hủy sinh học, tạo tiền đề vững chắc để tăng hiệu suất sinh khí ở giai đoạn sau.

3.1. Cơ chế hoạt động của hiện tượng xâm thực khí cavitation

Hiện tượng xâm thực khí (cavitation) là trái tim của công nghệ siêu âm xử lý bùn. Khi sóng âm tần số cao lan truyền trong bùn lỏng, nó tạo ra các vùng áp suất thấp và cao xen kẽ. Trong vùng áp suất thấp (pha giãn), áp suất có thể giảm xuống dưới áp suất hơi của chất lỏng, tạo điều kiện cho sự hình thành các bọt khí vi mô. Các bọt khí này hoạt động như những "lò phản ứng" siêu nhỏ. Chúng dao động và phát triển qua nhiều chu kỳ sóng âm cho đến khi đạt đến kích thước cộng hưởng và không thể hấp thụ thêm năng lượng, dẫn đến việc chúng vỡ tung một cách dữ dội trong pha áp suất cao (pha nén). Sự kiện sụp đổ này tạo ra các hiệu ứng vật lý cực đoan: sóng xung kích mạnh, lực cắt thủy động lực học và các tia vi lỏng có vận tốc cao. Chính những lực cơ học này tác động lên các hạt bùn, làm tan rã các cụm vi sinh vật và phá vỡ thành tế bào, giải phóng vật chất hữu cơ bên trong.

3.2. Tác động phá vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật trong bùn

Tác động chính của siêu âm lên bùn hoạt tính là khả năng phá vỡ cấu trúc tế bào vi sinh vật. Thành tế bào của vi khuẩn và các vi sinh vật khác là một lớp màng bền vững, bảo vệ các thành phần nội bào. Lực cắt mạnh mẽ sinh ra từ hiện tượng xâm thực khí có thể vượt qua sức bền của thành tế bào, gây ra sự phân rã cơ học. Nghiên cứu của Nguyễn Viết Thoàn (2019) đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát sự thay đổi hình thái của bùn trước và sau khi siêu âm. Kết quả cho thấy rõ ràng bề mặt bùn sau khi xử lý trở nên gồ ghề, rỗ và cấu trúc tế bào bị phá hủy. Quá trình này giải phóng các thành phần quý giá như protein, enzyme, lipid và carbohydrate từ bên trong tế bào ra môi trường lỏng, làm tăng đáng kể lượng chất nền dễ phân hủy sinh học. Đây chính là yếu tố then chốt giúp tăng tốc độ và hiệu quả của quá trình phân hủy yếm khí.

IV. Phương pháp tối ưu hóa phân hủy yếm khí và sinh biogas

Sau khi được tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm, bùn thải trở thành nguồn nguyên liệu lý tưởng cho quá trình phân hủy yếm khí. Việc tối ưu hóa quá trình yếm khí lúc này tập trung vào việc tận dụng nguồn chất hữu cơ hòa tan dồi dào vừa được giải phóng. Quá trình thủy phân được rút ngắn đáng kể, cho phép vi khuẩn sinh axit và sinh metan hoạt động hiệu quả hơn. Điều này không chỉ giúp tăng hiệu suất sinh khí mà còn cải thiện chất lượng của khí sinh học bằng cách tăng tỷ lệ khí metan (CH4). Theo kết quả thực nghiệm tại TXLNT Sơn Trà, sản lượng biogas của bùn đã qua siêu âm cao hơn đáng kể so với bùn đối chứng. Cụ thể, trong thí nghiệm theo mẻ, sản lượng khí tăng từ 0,22 lít/g CHC lên 0,27 lít/g CHC. Khi vận hành ở chế độ liên tục với tải trọng 0,9 gCHC/lít.ngày, hiệu suất phân hủy CHC đạt 35,18% và sản lượng khí thu được là 306 ml/g CHC. Những con số này minh chứng rõ ràng rằng tiền xử lý siêu âm là một phương pháp hiệu quả để mở khóa tiềm năng năng lượng của bùn thải, biến bể phân hủy yếm khí thành một nhà máy sản xuất năng lượng thực thụ.

4.1. Đẩy nhanh quá trình phân hủy trong bể phân hủy yếm khí

Bằng cách cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ dễ tiêu hóa (SCOD), tiền xử lý siêu âm giúp đẩy nhanh đáng kể động học của các phản ứng trong bể phân hủy yếm khí. Các vi sinh vật không còn phải tốn nhiều thời gian và năng lượng để tiết ra enzyme ngoại bào để phá vỡ các cấu trúc phức tạp. Thay vào đó, chúng có thể trực tiếp hấp thụ và chuyển hóa các chất nền đơn giản, giúp tăng tốc các giai đoạn axit hóa và metan hóa. Kết quả là thời gian lưu bùn cần thiết để đạt được mức độ phân hủy mong muốn được rút ngắn. Điều này mang lại lợi ích kinh tế đáng kể: có thể xử lý một lượng bùn lớn hơn với cùng một thể tích bể phản ứng, hoặc thiết kế các bể UASB tăng cường với kích thước nhỏ gọn hơn, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành cho hệ thống xử lý bùn hoạt tính.

4.2. Tăng sản lượng và chất lượng khí metan CH4 thu được

Mục tiêu cuối cùng của việc tối ưu hóa quá trình yếm khí là tối đa hóa sản lượng và chất lượng của biogas. Việc tăng cường hòa tan các chất rắn hữu cơ dễ bay hơi (VS) thông qua siêu âm trực tiếp làm tăng hiệu suất sinh khí. Luận văn của Nguyễn Viết Thoàn (2019) đã ghi nhận sản lượng biogas ở mô hình tiền xử lý siêu âm cao hơn 22.7% so với mô hình đối chứng. Quan trọng hơn, chất lượng biogas cũng được cải thiện. Kết quả phân tích cho thấy thành phần khí metan (CH4) trong biogas thu được từ bùn đã siêu âm dao động trong khoảng 58-70,3%, một tỷ lệ cao cho thấy quá trình metan hóa diễn ra hiệu quả. Lượng khí sinh học giàu metan này là một nguồn năng lượng tái tạo từ bùn thải có giá trị, có thể được thu hồi để phục vụ nhu cầu năng lượng của chính nhà máy xử lý nước thải hoặc cung cấp cho các mục đích khác, hiện thực hóa mô hình nhà máy tài nguyên.

V. Kết quả ứng dụng xử lý bùn siêu âm tại TXLNT Sơn Trà

Nghiên cứu điển hình tại Trạm xử lý nước thải (TXLNT) Sơn Trà, Đà Nẵng đã cung cấp những bằng chứng thực tiễn thuyết phục về hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý bùn bằng sóng siêu âm và phân hủy yếm khí. Luận văn của Nguyễn Viết Thoàn (2019) đã tiến hành các thí nghiệm chi tiết, từ việc xác định đặc tính bùn ban đầu cho đến vận hành các mô hình phản ứng theo mẻ và liên tục. Kết quả cho thấy, khi áp dụng mức năng lượng siêu âm riêng (SE) là 3.282 kJ/kg TS tại tần số 26 kHz, nồng độ COD hòa tan tăng lên đáng kể, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy. Mô hình vận hành liên tục đã chứng minh hiệu suất phân hủy chất hữu cơ đạt trên 35% và sản lượng biogas thu được lên tới 306 ml/g CHC, với hàm lượng khí metan (CH4) cao. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính khả thi của công nghệ mà còn cho thấy tiềm năng to lớn trong việc biến bùn thải thành một nguồn năng lượng tái tạo, góp phần vào mục tiêu kinh tế tuần hoàn và giảm phát thải khí nhà kính cho thành phố Đà Nẵng.

5.1. Nghiên cứu thực nghiệm tại Trạm xử lý nước thải Sơn Trà

Nghiên cứu đã lấy mẫu bùn trực tiếp sau bể nén bùn của TXLNT Sơn Trà để đảm bảo tính thực tiễn. Các thí nghiệm được thiết lập một cách khoa học, bao gồm cả mô hình đối chứng (không siêu âm) và mô hình thí nghiệm (có siêu âm) để so sánh hiệu quả. Các thông số vận hành như mức năng lượng siêu âm, tải trọng hữu cơ, thời gian lưu đều được kiểm soát và theo dõi chặt chẽ. Cụ thể, thí nghiệm xác định được rằng ở mức năng lượng SE = 3.282 kJ/kg TS, hiệu quả hòa tan chất hữu cơ là tối ưu. Trong chế độ vận hành liên tục, bể phân hủy yếm khí được nạp bùn đã qua tiền xử lý với tải trọng 0,9 gCHC/lít.ngày, mô phỏng điều kiện vận hành thực tế. Các chỉ số quan trọng như COD, BOD trong bùn, TS, VS, và thành phần khí sinh ra được phân tích định kỳ, cung cấp một bộ dữ liệu toàn diện và đáng tin cậy về hiệu quả của công nghệ.

5.2. Biogas Nguồn năng lượng tái tạo từ bùn thải tiềm năng

Kết quả nghiên cứu đã lượng hóa được tiềm năng năng lượng tái tạo từ bùn thải. Với sản lượng biogas đạt 306 ml/g CHC và hàm lượng khí metan (CH4) lên tới 70,3%, bùn thải từ TXLNT Sơn Trà có thể trở thành một nguồn cung cấp năng lượng tại chỗ. Lượng biogas này có thể được sử dụng để chạy máy phát điện, cung cấp điện năng cho các thiết bị của nhà máy như máy thổi khí, máy bơm, hoặc được dùng để gia nhiệt cho chính bể phân hủy yếm khí (ở chế độ lên men ấm 35°C), giúp duy trì nhiệt độ tối ưu và giảm chi phí năng lượng từ bên ngoài. Việc tận dụng nguồn năng lượng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp mà còn giúp giảm gánh nặng cho lưới điện quốc gia và tăng cường tính tự chủ về năng lượng cho các cơ sở xử lý nước thải. Đây là một minh chứng rõ nét cho việc chuyển đổi từ mô hình xử lý tuyến tính sang mô hình kinh tế tuần hoàn.

VI. Triển vọng tương lai của công nghệ xử lý bùn bền vững

Sự kết hợp giữa công nghệ siêu âm xử lý bùn và phân hủy yếm khí mở ra một chương mới cho ngành xử lý nước thải tại Việt Nam, hướng tới một tương lai bền vững hơn. Công nghệ này không chỉ giải quyết triệt để vấn đề quản lý bùn thải mà còn biến các trạm xử lý nước thải từ nơi tiêu thụ năng lượng thành các nhà máy tài nguyên, sản xuất năng lượng sạch. Các ưu điểm vượt trội như tăng hiệu suất sinh khí, giảm thể tích bùn thải cuối cùng, và rút ngắn thời gian xử lý làm cho giải pháp này trở nên hấp dẫn cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Trong tương lai, hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình yếm khí hơn nữa, chẳng hạn như kết hợp siêu âm với các phương pháp tiền xử lý khác (hóa học, nhiệt học) để đạt hiệu quả синергетический, hoặc nghiên cứu ứng dụng công nghệ cho các loại bùn thải khác nhau. Việc nhân rộng mô hình thành công tại TXLNT Sơn Trà sẽ là một bước đi chiến lược, góp phần thực hiện các mục tiêu quốc gia về năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường, đóng góp tích cực vào nền kinh tế tuần hoàn.

6.1. Tổng kết những ưu điểm vượt trội của công nghệ kết hợp

Công nghệ kết hợp tiền xử lý siêu âm và phân hủy yếm khí mang lại nhiều lợi ích đa chiều. Về mặt môi trường, nó giúp giảm đáng kể lượng bùn cần chôn lấp, hạn chế ô nhiễm đất và nước ngầm, đồng thời thu hồi khí metan (CH4), giảm phát thải khí nhà kính. Về mặt kinh tế, việc sản xuất năng lượng tái tạo từ bùn thải giúp giảm chi phí vận hành cho nhà máy, và việc giảm thể tích bùn cũng làm giảm chi phí vận chuyển và xử lý cuối cùng. Về mặt kỹ thuật, công nghệ giúp tối ưu hóa quá trình yếm khí, tăng hiệu suất phân hủy chất hữu cơ, cho phép thiết kế các hệ thống xử lý nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Tóm lại, đây là một giải pháp công nghệ môi trường toàn diện, giải quyết đồng thời các thách thức về chất thải, năng lượng và biến đổi khí hậu.

6.2. Hướng phát triển và tối ưu hóa công nghệ trong tương lai

Để tối ưu hóa hơn nữa, các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc xác định tần số và cường độ siêu âm tối ưu cho từng loại bùn thải cụ thể. Việc tích hợp hệ thống điều khiển tự động dựa trên các thông số thời gian thực như nồng độ SCOD hoặc tiềm năng sinh metan (BMP) có thể giúp điều chỉnh năng lượng siêu âm một cách linh hoạt, tiết kiệm năng lượng mà vẫn đảm bảo hiệu quả. Ngoài ra, việc nghiên cứu các mô hình bể UASB tăng cường hoặc các cấu hình bể phản ứng yếm khí hiệu suất cao khác sau khi tiền xử lý siêu âm cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng một quy trình hoàn chỉnh, khép kín, không chỉ thu hồi năng lượng mà còn tận dụng phần bã rắn sau phân hủy để sản xuất phân bón hữu cơ chất lượng cao, hiện thực hóa hoàn toàn các nguyên tắc của một nền kinh tế tuần hoàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Khái niệm, nguồn gốc phát sinh Bùn thải là bùn hữu cơ hoặc vô cơ được nạo vét, thu gom từ các bể tự hoại, mạng lưới thu gom và chuyển tải, hồ điều hòa, kênh mương, cửa thu, giếng thu nước mưa, trạm bơm nước mưa, nước thải, cửa xả và nhà máy xử lý nước thải [11]. Được quy định rõ tại Điều 25 Nghị định số 80/2014/NĐ-CP ngày 6/8/2014 của Chính phủ về thoát nước và xử lý nước thải. Theo đó, bùn thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh, mức độ ô nhiễm và theo ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước thải.

- Theo nguồn gốc bùn thải: Bùn thải từ hệ thống thoát nước (mạng lưới thoát nước và nhà máy xử lý nước thải) và bùn thải từ bể tự hoại. - Theo mức độ ô nhiễm của từng loại bùn thải; - Theo ngưỡng nguy hại với bùn thải từ quá trình xử lý nước: Bùn thải nguy hại và bùn thải không nguy hại (QCVN 50:2013/BTNMT). Bể tự Nước thải đen từ hộ gia Bùn bể phốt đình hoại Nước thải xám từ hộ gia đình Rác, Bùn nạo Nước thải sản xuất từ các Cống thoát vét từ cống cơ sở sản xuất và dịch vụ nước thành thoát nước phố Nước mưa và nước bề mặt Kênh Rác, Bùn từ Giếng tách hồ kênh hồ nước thải Cặn Trạm Xử lý nước thải Bùn, cặn thải Hình 1.1: Sơ đồ phát sinh bùn thải từ hệ thống thu gom và xử lý nước thải 1. Đặc điểm và tính chất [12,13] Thành phần của các loại bùn thải rất khác nhau, bùn thải từ mạng lưới thoát nước và bùn nạo vét kênh rạch chứa chủ yếu là cát và đất trong khi bùn thải từ các trạm/ nhà máy XLNT và từ bể tự hoại chứa chủ yếu là các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, có các vi khuẩn có thể gây độc cho môi trường vì thế cần có biện pháp xử lý trước khi thải ra nguồn tiếp nhận [14].

Thành phần, tính chất hóa lý của bùn cặn phát sinh từ nhà máy xử lý nước thải phụ thuộc vào nước thải ban đầu và phương pháp xử lý nước thải: 6 - Cặn và rác giữ lại ở song chắn rác có kích thước lớn với số lượng thay đổi tùy thuộc vào hiệu quả quản lý mạng lưới thu gom và vận chuyển. Cặn rác có độ ẩm 85 – 95 %, chứa 50 – 80 % chất hữu cơ, có mùi hôi thối, có khả năng phân hủy. - Cát và cặn nặng kích thước lớn hơn 0,2mm có tỉ trọng cặn khô 2,65, độ ẩm cặn khi đã ráo hết nước 14 – 35%, chứa 30 – 50 % chất hữu cơ. - Cặn tươi: hình thành từ công trình lắng I, có mùi khó chịu, nguy hiểm về phương diện vệ sinh vì chứa nhiều trứng giun sán, do đó hạn chế việc sử dụng.

Song nếu chúng được xử lý trong các bể phản ứng phân hủy thì sẽ làm mất mùi, dễ làm khô, đảm bảo vệ sinh và bảo tồn được các thành phần phân bón rất có lợi cho cây trồng. Thành phần chủ yếu: 80 – 85% hydratcacbon, các chất béo và protein, còn 15 – 20% là lignin phức chất đất mùn. - Bùn sinh học: hình thành từ quá trình xử lý bậc II (quá trình sinh học), được giữ lại ở bể lắng II, thường ở dạng huyền phù chứa keo bông vô định hình, gồm các vi sinh vật hiếu khí và những chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải. Bùn hoạt tính sau aerotank có độ ẩm cao 99,2 – 99,7%, màng sinh vật sau biofill có độ ẩm 96 – 96,5%.

Các phương pháp xử lý bùn [15] Để xử lý, loại bỏ các loại cặn thường sử dụng các quá trình sinh hoá yếm khí như bể tự hoại, bể lắng hai vỏ và bể lên men mêtan. Bể lắng hai vỏ, bể mêtan có hai chức năng chính là tách các chất không tan ở dạng lắng và lên men cặn lắng. Để loại bỏ nước, giảm thể tích thường sử dụng các công trình như: bể nén cặn, sân phơi bùn, máy ép bùn cặn. a) Mục tiêu của xử lý bùn Giảm khối lượng của hỗn hợp bùn bằng cách tách một phần hay phần lớn lượng nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình xử lý và giảm thể tích cặn phải vận chuyền tới nơi tiếp nhận.

Phân hủy các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các chất hữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ để dễ dàng tách nước và không gây tác động xấu đến môi trường nơi tiếp nhận. Các phương pháp xử lý: làm khô và phân hủy kỵ khí. b) Phương pháp làm khô bùn Làm khô cặn trên sân phơi bùn: Sân phơi bùn là một công trình có mặt bằng hình chữ nhật dễ thấm nước, xung quanh xây bờ chắn. Sau khi đã làm khô ở sân phơi bùn, cặn có độ ẩm đạt dưới 75 %, thể tích giảm xuống 2 - 5 lần.

Công dụng của sân phơi bùn là giảm thể tích và khối lượng của cặn để sử dụng làm phân bón. Ưu điểm của sân phơi bùn là tiết kiệm năng lượng do quá trình làm khô bùn bằng quá trình thấm và bốc hơi tự nhiên, chi phí đầu tư và vận hành thấp, tuy nhiên sân phơi bùn không thuận lợi ở những vùng ít nắng, mưa nhiều, vì thế người ta thường xây dựng sân phơi bùn có mái che bằng kính, nền bằng atphan bêtông.2: Cấu tạo sân phân phơi bùn Ở Việt Nam có nhiệt đô cao, nhưng lại có mưa nhiều và độ ẩm lớn, do đó việc sử dụng sân phơi bùn trên nền đất tự nhiên cũng gặp khó khăn. Ở nước ngoài đối với những vùng mưa nhiều, người ta thường xây dựng các sân phơi bùn có mái che bằng 3 2 kính (tải trọng lên tới 10 m /m .năm) hoặc các sân phơi trên nền atphan betong (tải 3 2 trọng đến 4 - 5 m /m. Làm khô bằng lọc chân không: Thiết bị lọc chân không là một khung trụ quay bằng thép đặt nằm ngang, bên ngoài bọc tấm vải thô thấm lọc.

Trụ quay đặt ngập trong thùng chứa cặn khoảng 1/3 đường kính. Khi trụ quay và máy bơm chân không làm việc cặn bị ép vào vải lọc với lớp dày khoảng 10 – 12cm. Khi mặt tiếp xúc với cặn ra khỏi phần ngập thì dưới tác động của chân không nước được rút ra khỏi cặn. Nhờ bản dao đặc biệt gần ở khung sườn ngoài sẽ cạo sạch lớp cặn ra khỏi bề mặt vải lọc.

Phương pháp này có ưu điểm giảm được độ ẩm cặn tới 78 – 80%, áp dụng tốt cho các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ. Tuy nhiên dây chuyền công nghệ phức tạp vì cần nhiều công trình; công tác chuẩn bị cặn phức tạp do phải dùng hóa chất rửa cặn; hóa chất đắt tiền và điều chế định lượng khó khăn.3: Máy tách nước bùn bằng phương pháp chân không 8 Làm khô cặn bằng quay ly tâm: Đây là phương pháp dùng thiết bị quay ly tâm trục ngang, có thiết bị xả cặn xoắn ốc. Dưới tác động của lực ly tâm các phần rắn của cặn và đập vào thành tường của roto và được dồn lăn tới khe hở, đổ ra thùng chứa bên ngoài. Nước bùn chảy qua khe hở của phía đối diện.

Hiệu suất giữa pha rắn và độ ẩm của cặn phụ thuộc vào đặc tính của cặn ban đầu.4: Máy tách nước bùn bằng phương pháp ly tâm Nhược điểm của thiết bị là nước bùn sau làm khô có nồng độ chất hữu cơ cao và 3 phải tiếp tục xử lý; công suất giới hạn 13 m /h, thích hợp với trạm xử lý công suất nhỏ 3 hơn 40. Làm khô cặn bằng lọc ép: Là phương pháp được sử dụng rộng rãi hơn cả bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó, đặc biệt là máy lọc ép bằng băng tải. Nồng độ cặn sau khi làm khô trên máy lọc ép băng tải đạt được từ 15 – 25%. Máy thường có chiều rộng băng từ 0,5 – 3,5 m Tải trọng trên 1m rộng của băng tải từ 90 – 680 kg/m.giây tùy thuộc vào loại cặn và loại máy.

Lượng nước được lọc qua băng từ 1,6 – 6,3 l/m. Ưu điểm của máy lọc ép băng tải là bởi tính đơn giản và hiệu quả sau lọc, độ ẩm cặn tới 70 - 75%, tuy nhiên nhược điểm của thiết bị là chi phí đầu từ ban đầu cao; khó khăn cho công nhân trong vận hành, đặc biệt khâu lấy cặn.5: Máy ép bùn băng tải 9 c) Phương pháp phân hủy kỵ khí - Bể lắng 2 vỏ: Diện tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn, không thuận lợi tại những nơi mực nước ngầm cao, đất xấu. Quá trình phân hủy cặn diễn ra trong điều kiện tự nhiên, nên chậm và không kiểm soát được. Bể lắng 2 vỏ thường được sử dụng trên những trạm xử lý nước thải công suất nhỏ 3 và trung bình (q < 10000 m /ngày).

Khuyết điểm chính của bể lắng 2 vỏ là dung tích buồng tự hoại và chiều cao xây dựng lớn nên không thể xây dựng tại những nơi mực nước ngầm cao và đất xấu. Mặt khác quá trình lên men của cặn diễn ra trong điều kiện tự nhiên, nên chậm chạp và không kiểm soát được. Vì vậy trong nhiều trường hợp cần thiết phải xây dựng bể mêtan. - Bể mêtan: Là kết quả của quá trình phát triển công nghệ xử lý cặn lắng, đó là công trình thường có mặt bằng hình tròn hay hình chữ nhật, đáy hình nón hay hình chóp đa giác và có nắp đậy kín.

Ở trên cùng của nắp đậy làm chóp mũ để thu hơi khí. Cặn trong bể mêtan được khuấy trộn đều và được sấy nóng nhờ những thiết bị đặc biệt. Căn cứ vào nhiệt độ của quá trình phân hủy chất hữu cơ mà người ta phân 0 0 biệt thành quá trình lên men ấm (10 - 43 C) và quá trình lên men nóng (>43 C). Trên các công trình xử lý hiện nay người ta thường cho lên men hỗn hợp cặn tươi với bùn hoạt tính dư.

Sự khoáng hóa trong quá trình lên men có quan hệ mật thiết với các sản phẩm phân hủy tách thành hơi khí và nước bùn. Hiệu suất công tác của bể mêtan được đánh giá theo giá trị phân hủy các chất mà đặc trưng hoặc là mức độ tách hơi khí P r (%) hoặc là độ hao hụt các chất không tro (hữu cơ) Pkt (%). Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình phân hủy các chất hữu cơ là sức tải cặn. Sức tải cặn tính theo thể tích và theo các chất không tro.6: Bể metan 10 3 Đối với những bể mêtan có dung tích đến 1000 m thì việc khuấy trộn ở trong bể 3 thực hiện bằng máy bơm cặn.