Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị tại bắc ninh làm chất đốt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Hoàng Đức Thắng

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI ĐÔ THỊ
TẠI BẮC NINH LÀM CHẤT ĐỐT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Đức Thắng

NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG BÙN THẢI ĐÔ THỊ
TẠI BẮC NINH LÀM CHẤT ĐỐT

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Trần Văn Quy
PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của
mình với đề tài: “Nghiên cứu tận dụng bùn thải đô thị tại Bắc Ninh làm chất đốt”.
Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ vô cùng quý báu của các thầy cô, gia đình và bạn bè.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Văn Quy và
PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải – Cán bộ giảng dạy tại Bộ môn Công nghệ môi trường
đã tận tình quan tâm, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt
luận văn này.
Thêm nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Khoa
Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã bổ trợ và truyền đạt
cho tôi kiến thức, cùng những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu tại trường.
Tôi xin cảm ơn đề tài Nhiệm vụ bảo vệ Môi trường QMT.12.03 do PGS.TS
Trần Văn Quy chủ trì đã hỗ trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các anh, chị làm việc
tại Bộ môn Thổ nhưỡng & môi trường đất và Phòng thí nghiệm Phân tích Môi
trường – Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN cùng
những người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, góp ý và giúp đỡ tôi trong
quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2015

Hoàng Đức Thắng


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. i

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... iii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................3
1.1 . Những vấn đề chung về bùn thải ...................................................................3
1.1.1. Khái niệm, phân loại bùn thải ........................................................................3
1.1.2. Nguồn gốc, đặc điểm và tính chất của bùn thải .............................................4
1.1.3. Tác động của bùn thải đến con người và môi trường .....................................6
1.2. Quy chuẩn, tiêu chuẩn về bùn thải .................................................................8
1.2.1. Trên thế giới ....................................................................................................8
1.2.2. Tại Việt Nam .................................................................................................10
1.3. Các phƣơng pháp xử lý và tận dụng bùn thải .............................................11
1.3.1. Phương pháp ổn định ....................................................................................12
1.3.2. Phương pháp ủ phân (Compost) ...................................................................13
1.3.3. Phương pháp Pasteur....................................................................................14
1.3.4. Cô đặc ...........................................................................................................14
1.3.5. Khử nước .......................................................................................................14
1.3.6. Làm khô .........................................................................................................15
1.3.7. Thiêu đốt và các công nghệ nhiệt khác .........................................................15
1.3.8. Phương pháp thu hồi tái chế .........................................................................16
1.3.9. Phương pháp chôn lấp ..................................................................................17
1.4. Tiềm năng tái sử dụng và thu hồi năng lƣợng từ bùn thải.........................17
1.4.1. Phân huỷ kỵ khí bùn thải ...............................................................................18


1.4.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ bùn thải .......................................................19
1.4.3. Sản xuất điện trực tiếp từ bùn thải trong các tế bào nhiên liệu vi khuẩn .....20
1.4.4. Đốt bùn thải thu hồi năng lượng ...................................................................22
1.4.5. Đốt bùn thải cùng với than trong các nhà máy nhiệt điện ............................23
1.4.6. Nhiệt phân và khí hoá bùn thải .....................................................................23

1.4.7. Sử dụng tích hợp bùn thải như một nguồn năng lượng và vật liệu để sản xuất
vật liệu xây dựng .....................................................................................................25
1.4.8. Oxy hoá ướt siêu tới hạn ...............................................................................25
1.4.9. Xử lý thuỷ nhiệt bùn thải ...............................................................................27
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................30
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ....................................................................................30
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu...............................................................................32
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu .....................................................................32
2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực tế ....................................................32
2.2.3. Phương pháp lấy, bảo quản và xử lý mẫu bùn .............................................32
2.2.4. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................32
2.2.5. Phương pháp phân tích .................................................................................34
2.2.6. Phương pháp thu mẫu khí thải phát sinh trong quá trình đốt các viên than bùn ...........................................................................................................................35
2.2.7. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu ........................................................36
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................37
3.1. Đặc điểm hệ thống thoát nƣớc Thành phố Bắc Ninh..................................37
3.2. Đặc tính của các mẫu bùn thải nghiên cứu liên quan đến khả năng tận
dụng làm chất đốt ..................................................................................................40
3.2.1. Một số tính chất lý - hoá cơ bản của các mẫu bùn .......................................40
3.2.2. Nhiệt trị của các mẫu bùn được lựa chọn .....................................................42


3.2.3. Độ tro và hàm lượng chất bốc ......................................................................43
3.2.4. Hàm lượng kim loại nặng..............................................................................44
3.3. Đặc tính của các viên than-bùn ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau .................46
3.3.1. Độ ẩm của các viên than-bùn .......................................................................46
3.3.2. Độ hụt khối của các viên than-bùn ...............................................................47
3.3.3. Độ tro và hàm lượng chất bốc của các viên than-bùn ..................................49
3.3.4. Nhiệt trị của các viên than-bùn .....................................................................50
3.3.5. Hàm lượng kim loại nặng trong tro của các viên than-bùn ..........................51

3.4. Thử nghiệm chế tạo và đốt viên than ngoài thực tế theo các tỷ lệ phối trộn
đã lựa chọn .............................................................................................................52
3.4.1. Đánh giá chất lượng các viên than ...............................................................53
3.4.2. Khí thải phát sinh trong quá trình đốt các viên than ....................................60
3.4.3. Đặc điểm tro xỉ của các viên than.................................................................66
3.5. Đánh giá giải pháp công nghệ tận dụng bùn thải làm chất đốt ................68
3.5.1. Ước tính sơ bộ hiệu quả kinh tế ....................................................................68
3.5.2. Tính khả thi về mặt kỹ thuật ..........................................................................69
3.5.3. Tính khả thi về mặt môi trường .....................................................................71
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .......................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................75
PHỤ LỤC ...............................................................................................................81


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

CEC

Uỷ ban của Cộng đồng châu Âu (Commission of European
Community)

EU

Cộng đồng chung Châu Âu (European Union)

HHV

Giá trị nhiệt trị cao (Higher heating value)

ICP-MS

Phương pháp phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively
- Coupled Plasma - Mass Spectrometry)

KLN

Kim loại nặng

MPCN

Số lượng gây bệnh ở tế bào có thể nhất (Most Probable
Cytopathic Number)

MPN

Số lượng có thể nhất (Most Probable Number)

MTV

Một thành viên

NĐ-CP

Nghị định Chính phủ

NMXLNT Nhà máy xử lý nước thải
OC

Hợp chất hữu cơ (Organic Compounds)

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

SBR

Bể phản ứng dạng mẻ liên tục (Sequency Batch Reactor)

TB

Viên than được sản xuất từ bùn thải và than cám

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

TSP

Bụi lở lửng tổng số (Total Suspended Solids)

UBND

Uỷ ban nhân dân

US EPA

Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (United States
Environmental Protection Agency)

i


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc tính lý – hoá học của một số loại bùn thải ..........................................5
Bảng 1.2. Giá trị trung bình các thành phần trong bùn tại 7 Bang (Mỹ) ....................6
Bảng 1.3. Giới hạn cho phép của một số kim loại trong bùn thải theo mục đích sử
dụng ............................................................................................................................. 8
Bảng 1.4. Giới hạn hàm lượng kim loại nặng trong bùn thải ở các nước Châu Âu ...9
Bảng 1.5. Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng các hợp chất hữu cơ đối với bùn
thải .............................................................................................................................. 9
Bảng 1.6. Giá trị giới hạn của một số vi sinh vật gây bệnh trong bùn ......................10
Bảng 1.7. Phương pháp xử lý bùn thải tại một số quốc gia ......................................12
Bảng 2.1. Các vị trí lấy mẫu bùn ...............................................................................31
Bảng 2.2. Tỷ lệ phối trộn bùn thải và than cám 6bHG .............................................33
Bảng 2.3. Các phương pháp phân tích mẫu ..............................................................34
Bảng 3.1. Tính chất lý - hoá cơ bản của các mẫu bùn ..............................................41
Bảng 3.2. Hàm lượng KLN tổng số trong các mẫu bùn được lựa chọn ...................45
Bảng 3.3. Ký hiệu các viên than-bùn theo các tỷ lệ phối trộn với than cám ............46
Bảng 3.4. Hàm lượng KLN tổng số trong tro của các viên TB ................................51
Bảng 3.5. Hàm lượng các KLN trong khí thải khi đốt các viên than .......................65
Bảng 3.6. Hàm lượng các KLN linh động trong xỉ của các viên than ...................... 67
Bảng 3.7. Chi phí và lợi ích kinh tế thu được khi sản xuất than tổ ong sử dụng bùn
thải thay thế cho than bùn ......................................................................................... 68

Bảng 3.8. Chất lượng của các viên than so với yêu cầu kỹ thuật của TCVN
4600:1994 .................................................................................................................. 70

ii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Tế bào nhiên liệu vi sinh vật ......................................................................21
Hình 1.2. Oxy hoá siêu tới hạn bùn thải ...................................................................26
Hình 2.1. Sơ đồ các vị trí lấy mẫu bùn .....................................................................30
Hình 2.2. Thiết kế chụp lò được sử dụng trong nghiên cứu .....................................35
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tại Nhà máy xử lý nước thải Bắc Ninh 38
Hình 3.2. Sơ đồ dây chuyền trạm xử lý nước thải phi tập trung Viêm Xá ...............39
Hình 3.3. Lượng bùn phát sinh biến động theo năm từ 2000 – 2013 .......................40
Hình 3.4. Giá trị nhiệt trị của các mẫu bùn được lựa chọn .......................................43
Hình 3.5. Độ tro và hàm lượng chất bốc của các mẫu bùn được lựa chọn ...............44
Hình 3.6. Độ ẩm của các viên TB sau khi phối trộn .................................................47
Hình 3.7. Độ hụt khối của các viên TB .....................................................................48
Hình 3.8. Độ tro và hàm lượng chất bốc của các viên TB ........................................49
Hình 3.9. Giá trị nhiệt trị của các viên TB ................................................................50
Hình 3.10. Khối lượng trung bình của các viên than ................................................53
Hình 3.11. Chiều cao trung bình của các viên than ..................................................54
Hình 3.12. Độ ẩm của các viên than .........................................................................55
Hình 3.13. Nhiệt trị của các viên than .......................................................................56
Hình 3.14. Độ tro và hàm lượng chất bốc của các viên than ....................................57
Hình 3.15. Thời gian bén cháy trung bình của các viên than....................................58
Hình 3.16. Thời gian sử dụng trung bình của các viên than .....................................59
Hình 3.17. Hàm lượng bụi khi đốt các viên than ......................................................61
Hình 3.18. Nồng độ trung bình khí NO2 phát thải khi đốt các viên than ..................62

iii


Hình 3.19. Nồng độ trung bình khí SO2 phát thải khi đốt các viên than ..................63
Hình 3.20. Nồng độ khí Co trung bình phát thải khi đốt các viên than ....................64
Hình 3.21. Giá trị pH của tro các viên than .............................................................. 66

iv


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Chương trình môi trường Liên hợp quốc (2006), Hướng dẫn sử dụng năng
lượng

hiệu

quả

trong

ngành

công

nghiệp

Châu

Á

–

www.energyefficiencyasia.org.
2. Đinh Quang Hiệp (2012), Hiện trạng thoát nước Thành phố Bắc Ninh (Khu
vực nội đô), Báo cáo trình bày của Công ty TNHH MTV Cấp thoát nước Bắc
Ninh.
3. Phạm Thị Vương Linh (2014), Quan trắc khí thải theo phương pháp đẳng
động lực (isokinetic), Trung tâm quan trắc môi trường – Tổng cục Môi
trường.
4. Nguyễn Xuân Quyết (2014), Giới thiệu Xí nghiệp quản lý nước thải thành
phố Bắc Ninh, Công ty TNHH MTV cấp thoát nước Bắc Ninh, tỉnh Bắc
Ninh.
5. Nguyễn Quang Tiến (2014), Nghiên cứu xác định chi phí vận hành và bảo
dưỡng cho các nhà máy XLNT đô thị. Nghiên cứu điển hình tại NMXLNT
Bắc Ninh, Luận văn Thạc sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng cơ sở hạ tầng, Đại học
Xây Dựng.
6. QCVN 03:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn cho phép
của kim loại nặng trong đất.
7. QCVN 05:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không
khí xung quanh.
8. QCVN 06:2009/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất độc
hại trong không khí xung quanh.
9. QCVN 50:2013/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy hại
đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước.
10. TCVN 1790:1999: Than Hòn Gai – Cẩm Phả - Yêu cầu kỹ thuật.

75

11. TCVN 4600:1994: Viên than tổ ong – Yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh môi
trường.
12. TCVN 7557-3:2005: Lò đốt chất thải rắn y tế - Xác định kim loại nặng trong
khí thải – Phần 3: Phương pháp xác định nồng độ Cadimi và chì bằng quang
phổ hấp thụ nguyên từ ngọn lửa và không ngọn lửa.
Tiếng Anh
13. Alexandros

Kelessidis,

Athanasios

S.Stasinakis

(2012),

Review:

Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of
sewage sludge in European countries, University of the Aegean, University
Hill, Waste Management.
14. Babel S. , Sae-Tang J., Pecharaply A. (2009), “Anaerobic co-digestion of
sewage and brewery sludge for biogas production and land application”,
International Journal of Environmental Science & Technology, 6(1), pp.131140.
15. Benjamin Wiechmann, Claudia Dienemann, Christian Kabbe, Simone
Brandt, Ines Vogel, Andrea Roskosch (2015), Sewage sludge management in
Germany, Umweltbundesamt, Germany.
16. CEC-Council of the European Communities (1986): Council Directive of 12
June 1986 on the protection of the environment, and in particular of the soil,
when sewage sludge is used in agriculture(86/278/EEC), Official J. of the

European Communities, 4 July 1986, No. L 181/6-No. L 181/12.
17. Chen Y., Guo L., Jin H., Yin J., Lu Y., Zhang X. (2013), “An experimental
investigation of sewage sludge gasification in near and super-critical water
using a batch reactor”, International journal of hydrogen energy, 38,
pp.12912-12920.
18. David Butler, Paul Docx, Martin Hession (2001), Pollutants in Urban Waste
Water and Sewage Sludge, Final report by I C Consultants Ltd London,
United Kingdom.
19. Davis and Hall J.E (1997), “Production, treatment, and disposal of
wastewater sludge in Europe from a UK perspective”, European Water
Pollution Control, Volume 7, Issue 2, pp. 9-17.

76


20. Department for Environment Food and Rural Affair (2012), Implementation
of the European Union urban waste water treatment Direction –
91/271/EEC, Waste water treatment in the United Kingdom.
21. EC - European Commission (2006), Report from the Commission to the
Council and the European Parliament on the implementation of community
waste legislation for the period 2001–2003, COM 406 final, European
Commission, Brussels.
22. Ellilot, L.F and Stevenson F.J. (1977), “Soils for management of organic
wastes and wastewaters”, Soils Science Society of America, Madison,
Wisconsin.
23. Fonts I., Gea G., Azuara M., et al. (2012), “Sewage sludge pyrolysis for
liquid production: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews,
16, pp.2781– 2805.
24. Goldsteim N. (1985), “Biocycle survey sewage sludge composting as a
medium amendment for chrysanthemum culture”, J. Am. Soc. Hort. Sci, 100,

pp.213–216.
25. Gosset J, Belser R. (1982), “Anaerobic digestion of waste activated sludge.”,
J Env Eng, 108, pp.1101–20.
26. Hu W.F. (1997), “Synthesis of poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)
from activated sludge”, Biotechnol. Lett, 19, pp.695–698.
27. ISWA’s Working Group on Sewage & Waterworks Sludge, European
Environment Agency (1997), Sludge Treatment and Disposal- Management
Approaches and Experiences, Environmental Issues Series, no.7.
28. Jane Hope (1986), Sewage Sludge Disposal and Utilization Study,
Washington State Institute for Public Policy, Washington.
29. Jenifer M.J Mathney, Features (2011), Acrtical review of the USEPA’s Risk
assessment for the land application of sewage sludge, New solution, vol.21.
30. Josephine Treacy (2006), Present and Future Technology For The Treatment
of Sewage Sludge in Ireland, Limerick Institute of Technology, Ireland.

77


31. Kanchanapiya P., Sakano T., Kanaoka C., et al. (2006), “Characteristics of
slag, fly ash and deposited particles during melting of dewatered sewage
sludge in a pilot plant”, Journal of Environmental Management, 79, pp.163–
172.
32. Magdziarz A. , Werle S. (2014), “Analysis of the combustion and pyrolysis
of dried sewage sludge by TGA and MS”, Waste Management, 34, pp.174–
179.
33. Malerius O., Werther J. (2003), “Modeling the adsorption of mercury in the
flue gas of sewage sludge incineration”, J. Chem. Eng., 96, pp.197–205.
34. Manara, P., Zabaniotou, A. (2012), “Renewable and Sustainable Energy”,
Reviews, 16, pp.2566–2582.
35. McGhee TJ. (1991), Water supply and sewerage, NewYork: MC Graw –

Hill.
36. Nasrin R.K., Marta C., Giselle (2000), “Production of micro-and mesoporous
activated carbon from paper mill sludge”, Carbon, 38, pp.1905–1915.
37. Paul D. Fericelli (2011), Comparison of Sludge Treatment by Gasification vs.
Incineration, University of Central Florida, United States.
38. Samolada M.C. , Zabaniotou A.A. (2014), “Comparative assessment of
municipal sewage sludge incineration, gasification and pyrolysis for a
sustainable sludge-to-energy management in Greece”, Waste Management,
34, pp.411–420.
39. Sebastian Werle, Ryszard K. Wilk (2010), “A review of methods for the
thermal utilization of sewage sludge:The Polish perspective”, Renewable
Energy, 35, pp.1914–1919.
40. Tim Evans (2011), Sewage sludge: Operational and Environmental Issues,
Foundation for Water Research, UK.
41. Vigneswaran S. and Kandasamy J., Sludge treatment technologies, Faculty
of Engineering and Information Technology, University of Technology,
Sydney.

78


42. Weather J. , Ogada T. (1997), Sewage sludge combustion, progress in energy
and combustion, Deparment of Production Engineering, Progress in Energy
and Combustion Science 25.
43. Werther J. , Ogada T. (1999), “Sewage sludge combustion”, Progress in
Energy and Combustion Science, 25, pp.55–116.
44. Whitacre David M. (2011), Reviews of Environmental Contamination and
Toxicology, North Carolina, USA.
45. Willson G.B., Dalmat D. (1983), “Sewage sludge composting in the USA”,
Biocycle , 24, pp.20–23.

46. Wim Rulkens (2008), “Sewage Sludge as a Biomass Resource for the
Production of Energy: Overview and Assessment of the Various Options”,
Energy & Fuels, 22, pp.9–15.
Websites:
47. />48. />49. />3cebc3-9669-400e-b5fd-9e63a89949f0&ID=4952
50. />51. />52. />53. />54. />tID=163&ContentIDExt=1

79


55. />56. />57. />e/69592/pb13811-waste-water-2012.pdf

80