LuanVanCaoHoc_TranTrongKhai_NghienCuuTaiSuDungBTCN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÙN THẢI CÔNG NGHIỆP
CHO MỤC ĐÍCH THU HỒI NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÙN THẢI CÔNG NGHIỆP
CHO MỤC ĐÍCH THU HỒI NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành:

Quản lý tài nguyên và môi trường

Mã số chuyên ngành:

60 85 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. TRƯƠNG THANH CẢNH

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn này, học viên đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình của
nhiều cá nhân. Nếu thiếu một trong những sự giúp đỡ đó, có lẽ học viên đã không hoàn
thành luận văn đúng tiến độ.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cô giáo Khoa Môi trường,
trường Đại học Khoa học tự nhiên TP.HCM đã trang bị cho em kiến thức và kinh
nghiệp nghề nghiệp.
Em xin chân thành tri ân PGS. TS. Trương Thanh Cảnh. Thầy đã giúp em định
hướng ngay từ lúc bắt đầu chọn đề tài nghiên cứu. Trong suốt quá trình nghiên cứu, em
cũng nhận được sự quan tâm và hỗ trợ cả về mặt tinh thần lẫn về mặt vật chất từ Thầy.
Học viên chân thành cảm ơn nhóm sinh viên Trần Nhật Sang, Nguyễn Duy Tài,
Nguyễn Hoàng Thịnh và Nguyễn Thị Như Ý đã cùng học viên nghiên cứu đề tài thú vị
này. Trong thời gian nghiên cứu, có lúc nhóm đồng lòng, cũng có lúc nhóm bất đồng.
Nhưng sau tất cả, nhóm cũng đạt được mục tiêu nghiên cứu và tạo ra những thông tin
vừa mới vừa có ý nghĩa cả về mặt khoa học lẫn thực tế.
Học viên xin cảm ơn anh Phạm Thanh Trực (Hepza), anh Phạm Đức Phương
(KCN Tân Bình), chị Lê Trần Bích Hằng (KCN Vĩnh Lộc) và quý anh chị quản lý môi
trường ở hai nhà máy đã giúp học viên thu thập dữ liệu và lấy mẫu phân tích.
Học viên xin chân thành cảm ơn sự góp ý và hỗ trợ to lớn của chú Sáu - chủ cơ
sở sản xuất và phân phối than. Thật khó có thể hoàn thành nghiên cứu này mà thiếu đi
sự hỗ trợ chuyên môn về phối trộn và các thiết bị kỹ thuật ép than của chú.
Xin chân thành cảm ơn sự động viên của người thân, của bạn bè lớp Cao học
Quản lý tài nguyên và môi trường Khóa 23 và của đồng nghiệp đã tiếp thêm nghị lực
cho học viên. Nhờ vậy mà cứ sau mỗi lần thất bại thì phương pháp nghiên cứu của tác
giả lại được cải thiện và củng cố thêm. Học viên xin chân thành cảm ơn mọi người.

1


LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng học viên. Các kết
quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
được sử dụng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Học viên xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cám ơn, các thông tin được trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 9 năm 2016
Tác giả luận án

Trần Trọng Khải

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A

Ash
Tro

AAE

Average absolute error
trung bình trị tuyệt đối của sai số tương đối

ad

air-dried bias
Trạng thái khô không khí

ar

as received basis
Trạng thái như được nhận

BOD

Biochemical oxygen demand
Nhu cầu oxy sinh hóa

BTCN

Bùn thải công nghiệp

CI95%

Khoảng tin cậy 95%

COD

Chemical oxygen demand
Nhu cầu oxy hóa học

CTR

Chất thải rắn

DAF

dry ash-free basis
Trạng thái khô không tro

db

dry basis
Trạng thái khô

FC

Fixed carbon
Carbon cố định

GCV

Gross calorific value
Nhiệt trị tổng

GHV

Gross heating value
Nhiệt trị tổng

Hepza

Hochiminhcity export processing and industrial zones authority
Ban quản lý các khu chế xuất và công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

HHV

Higher heating value
Nhiệt trị toàn phần

HTXLNTT
T
KCN

Hệ thống xử lý nước thải tập trung

NCV

Net calorific value
Nhiệt trị thuần

NHV

Net heating value
Nhiệt trị thuần

NTCN

Nước thải công nghiệp

Khu công nghiệp

3

SBR

Sequencing Batch Reactor
Phản ứng theo mẻ

TSS

Total Suspended Solids
Tổng chất rắn lơ lửng

VM

Volatile matter
Chất bốc

XLNT

Xử lý nước thải

XLNTTT

Xử lý nước thải tập trung

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số mô hình tiên lượng HHV cho các nguyên liệu (trạng thái khô)...............7
Bảng 1.2 Các phương pháp xử lý bùn được sử dụng ở châu Âu.......................................12

Bảng 2.1 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích các mẫu nguyên liệu...................................22
Bảng 2.2 Công thức phối trộn cho từng tỷ lệ bước 1........................................................23
Bảng 2.3 Công thức phối trộn cho từng tỷ lệ bước 2........................................................25
Bảng 3.1 Thống kê số lượng doanh nghiệp theo các ngành nghề ở 2 KCN......................27
Bảng 3.2 Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau xử lý của 2 KCN.............29
Bảng 3.3 Kết quả phân tích thành phần của các nguyên liệu............................................30
Bảng 3.4 Nhiệt trị HHV của các nguyên liệu (trạng thái khô)..........................................31
Bảng 3.5 Khối lượng viên nhiên liệu sau ép (n=5)...........................................................33
Bảng 3.6 Kết quả đánh giá khả năng cháy ở bước 1 (n=5)...............................................34
Bảng 3.7 Kết quả phân tích boostrap cho từng tiêu chí.....................................................34
Bảng 3.8 Đánh giá khả năng cháy của viên nhiên liệu ở bước 2 (n=5).............................37

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Các công đoạn phát sinh bùn trong quá trình xử lý nước thải..............................3
Hình 1.2 Các phương pháp thải bỏ bùn được sử dụng ở châu Âu.....................................13
Hình 1.3 Các phương pháp thải bỏ bùn qua các năm ở châu Âu.......................................14
Hình 1.4 Tỷ lệ thải bỏ bùn theo từng phương pháp tại mỗi quốc gia ở châu Âu...............15
Hình 1.5 Lượng bùn công nghiệp phát sinh theo tỉnh ở Trung Quốc năm 2013................16
Hình 1.6 Bảy tuyến xử lý và thải bỏ bùn công nghiệp tại Trung Quốc.............................17
Hình 1.7 Vị trí địa lý của KCN Vĩnh Lộc và KCN Tân Bình............................................19
Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu của đề tài...............................................................................21
Hình 2.2 Công đoạn lấy và vận chuyển mẫu bùn..............................................................22
Hình 2.3 Công đoạn trộn hỗn hợp.....................................................................................23
Hình 2.4 Máy ép viên than và công đoạn rây than cám....................................................24
Hình 2.5 Sân phơi bùn......................................................................................................24
Hình 2.6 Mô hình đánh giá khả năng cháy của viên nhiên liệu.........................................25
Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ xử lý NTCN ở 2 nhà máy.......................................................28

Hình 3.2 Thành phần gần đúng của các nguyên liệu.........................................................31
Hình 3.3 Kết quả ép viên nhiên liệu tại hiện trường.........................................................33
Hình 3.4 Kết quả ép viên nhiên liệu tại các tỷ lệ ở bước 2................................................37

6


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH.......................................................................................................... vii
MỤC LỤC....................................................................................................................... viii
TÓM TẮT........................................................................................................................ ixx
GIỚI THIỆU CHUNG........................................................................................................1
1. Lý do nghiên cứu.........................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...............................................................................2
Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................3
1.1. Tổng quan về bùn thải công nghiệp..........................................................................3
1.1.2. Nguồn phát sinh và phân loại.............................................................................3
1.1.2. Thành phần và tính chất.....................................................................................4
1.1.3. Nhiệt trị của BTCN.............................................................................................5
1.2. Các phương pháp xử lý BTCN.................................................................................7
1.2.1. Chôn lấp.............................................................................................................7
1.2.2. Sấy, phơi khô......................................................................................................8
1.2.3. Ứng dụng cho đất...............................................................................................8
1.2.4. Ủ......................................................................................................................... 9
1.2.5. Phân hủy kỵ khí..................................................................................................9

1.2.6. Thiêu đốt..........................................................................................................10
1.2.7. Oxy hóa ướt......................................................................................................10
1.2.8. Khí hóa.............................................................................................................11
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước.......................................................................11
1.4. Giới thiệu KCN Vĩnh Lộc và KCN Tân Bình.........................................................19
Chương 2 - NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................21
7


2.1. Nội dung nghiên cứu..............................................................................................21
2.2. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................22
2.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát........................................................................22
2.2.2. Phương pháp lấy, bảo quản và phân tích mẫu.................................................22
2.2.3. Phương pháp đánh giá nhiệt trị........................................................................22
2.2.4. Phương pháp phối trộn vật liệu và sản xuất viên than.....................................23
2.2.5. Phương pháp đánh giá khả năng cháy của viên đốt.........................................25
2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu................................................................................26
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................................27
3.1. Một số đặc điểm sản xuất và hoạt động XLNT ở 2 KCN.......................................27
3.2. Kết quả phân tích thành phần và đánh giá nhiệt trị của các nguyên liệu.................30
3.3. Kết quả phối trộn và đánh giá khả năng cháy của viên than ở bước 1....................32
3.4. Kết quả phối trộn và đánh giá khả năng cháy của viên than ở bước 2....................36
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................41
PHỤ LỤC......................................................................................................................... 46

8


NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÙN THẢI CÔNG NGHIỆP CHO

MỤC ĐÍCH THU HỒI NĂNG LƯỢNG
Trần Trọng Khải
TÓM TẮT: Bùn thải công nghiệp (BTCN) là một vấn đề khá nan giải trong công tác
quản lý môi trường ở các khu công nghiệp (KCN) Việt Nam. Phần lớn lượng BTCN
phát sinh hiện nay được thải bỏ bằng phương pháp chôn lấp. Nhiều nghiên cứu cho
thấy BTCN có thể được tái sử dụng với nhiều mục đích, trong đó có khả năng được
tận dụng làm nhiên liệu đốt. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm tái sử dụng BTCN
sản xuất viên đốt cho mục đích năng lượng. BTCN được phối trộn với các nguyên liệu
ở các tỷ lệ khác nhau (0, 5, 10, 15, 20 % ở bước 1 và 0, 10, 30, 50 % ở bước 2) rồi
được ép thành viên nhiên liệu và sau cùng được đánh giá khả năng cháy bằng lò đốt
dân dụng. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt trị của BTCN tương đối thấp (8,2-13,2
MJ/kg khô) và tỷ lệ thuận với hàm lượng chất bốc (các hợp chất hữu cơ dễ cháy) và
hàm lượng carbon cố định có trong bùn. Loại bùn có hàm lượng tro thấp thì có khả
năng cháy tốt hơn. Khi tỷ lệ bùn đã phơi (hàm lượng ẩm ngoài giảm còn 74%) được
phối trộn trong viên nhiên liệu tăng lên 10% thì viên nhiên liệu có khối lượng giảm 82
gam (p<0,0001), thời gian tỏa nhiệt giảm 4,5 phút (p<0,10), lượng nước được đun sôi
giảm 1 lít (p<0,05), mức độ bốc khói và mùi tăng dần trong khi % lượng xỉ không
khác giữa các tỷ lệ. Nghiên cứu này cho thấy BTCN của nhà máy xử lý nước thải tập
trung (XLNTTT) có thể được tái sử dụng bằng cách phối trộn với các nguyên liệu
khác để sản xuất viên than đốt. Tuy nhiên, để tránh ảnh hưởng của khói và mùi, loại
nguyên liệu này cần phải được đốt trong các hệ thống có kiểm soát khí thải.
Từ khóa: tái sử dụng, bùn thải công nghiệp, viên đốt năng lượng.
TÓM TẮT:

9


RESEARCH ON REUSE OF INDUSTRIAL SLUDGE FOR
THE PURPOSE OF RECOVERING ENERGY
Tran Trong Khai

ABSTRACT: Industrial sludge (IS) is a fairly intractable problem in environmental
management at Vietnam industrial parks. The majority of currently generated IS is
disposed by landfilling. Many studies showed that IS can be reused for many purposes,
including the ability to be utilized as fuel. This study was conducted to produce pellets
for energy purpose. IS is mixed with ingredients in different proportions (0, 5, 10, 15,
20% in step 1 and 0, 10, 30, 50% in step 2) and pressed into pellets and then evaluated
the possibility of fire by civil incinerators. The study results showed that the heating
value of IS is relatively low (8.2 to 13.2 MJ/kg dry bias) and proportional to the
content of volatile material (combustible organic compounds) and fixed carbon in the
sludge. IS has the low content of ash has the ability to burn better. When the
proportion of dried IS (air-dried moisture content decreased to 74%) is mixed in the
pellets increased to 10%, the weight of pellets fell 82 grams (p <0.0001), while heating
time reduced 4.5 minutes (p <0.10), the amount of water to be boiled reduced 1 liter (p
<0.05), the degree of fuming and odor ascended while % slag was not significantly
different between proportions. This study showed that IS of centralised wastewater
treatment plants can be reused by mixing with other ingredients to produce energy
pellets. However, to avoid the effects of smoke and smell, this material should be
burned in the system with emission control.
Key words: Reuse, Industrial sludge, Energy pellets.

10


GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lý do nghiên cứu
Xử lý nước thải (XLNT) công nghiệp là một hoạt động quan trọng của các khu
công nghiệp (KCN). Nước thải công nghiệp (NTCN) có thành phần và tính chất tùy
thuộc vào các loại hình sản xuất trong các KCN. Để bảo vệ môi trường, trước khi được
thải vào nguồn tiếp nhận, NTCN được xử lý tại các nhà máy xử lý tập trung bằng các
giải pháp công nghệ thích hợp. Về nguyên lý, các giải pháp này chủ yếu chuyển hóa và

keo tụ các chất thải công nghiệp thành bùn (Hong et al., 2009). Do quá trình công
nghiệp hóa và dân số ngày càng tăng, tốc độ đô thị hóa ngày càng nhanh, nhu cầu sử
dụng nước của xã hội nói chung và của các KCN nói riêng ngày càng tăng. Điều đó
dẫn đến lượng bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải, hay còn gọi là BTCN, cũng
tăng tương ứng (Jorge et al., 2012).
Hiện nay, các giải pháp thường được sử dụng để xử lý và thải bỏ BTCN bao
gồm: chôn lấp, ủ, xử lý kỵ khí, ứng dụng trong nông nghiệp và tận dụng trong xây
dựng (Hong et al., 2009; Kelessidis et al., 2012; Yang et al., 2015).

1


Tại Việt Nam, trong những năm qua, bùn thải nói chung và BTCN nói riêng đã
thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và các nhà quản lý. Tuy
nhiên, phạm vi của các nghiên cứu chỉ mới tập trung ở các thành phố lớn như TP. Hà
Nội và TPHCM. So với cả nước, TPHCM là một trong những đơn vị hành chính dẫn
đầu trong công tác nghiên cứu khoa học và thực tiễn quản lý về các loại bùn, bao gồm:
bùn hầm cầu (Nguyễn Trung Việt và cs, 2008); bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải
trong KCN (Nguyễn Ngọc Linh, 2005; Nguyễn Nhật Linh, 2008; Nguyễn Văn Phước
và cs, 2009; Nguyễn Văn Phước và cs, 2010; Lê Thị Trầm Hương, 2013); bùn thải từ
các nhà máy cấp nước (Lâm Minh Triết và cs, 2010); bùn thải từ các trạm xử lý nước
thải sinh hoạt tập trung (Nguyễn Phước Dân và cs, 2011; Nguyễn Quang Khải, 2012);
bùn nạo vét, bùn cống rãnh và kênh rạch (Đinh Hải Hà, 2008; Đồng Thị Minh Hậu,
2008; Văn Hồng Ngọc, 2008; Vưu Ngọc Dung, 2009; Nguyễn Tấn Phong và cs, 2011)
và các loại bùn đặc thù (Trần Minh Hải, 2002; Nguyễn Đăng Anh Thi, 2002; Trần Thị
Liên, 2005; Nguyễn Ngọc Diễm Tiên, 2005). Năm 2009, TPHCM đã phát sinh 13.846
tấn BTCN và phần lớn lượng BTCN được xử lý bằng hình thức chôn lấp. Dự đoán
khối lượng BTCN được phát sinh ở TPHCM vào năm 2015, 2020 và 2025 lần lượt đạt
36.912, 53.754 và 67.641 tấn (Nguyễn Văn Phước và cs, 2009). Theo xu hướng chung,
chính sách quản lý bùn nên hướng tới việc giảm lượng bùn phát sinh, tạo ra các vật

liệu an toàn và hợp vệ sinh, cũng như áp dụng các lựa chọn tái sử dụng thay vì thải bỏ
(Spinosa, 2007); trong đó, thu hồi năng lượng là một phương pháp ngày càng được
ứng dụng rộng bởi vì BTCN là một nguồn nguyên liệu có thể tái chế cho mục đích
năng lượng. Ở Việt Nam hiện nay, trong khi lượng BTCN đang gia tăng đáng kể, các
nghiên cứu tái sử dụng BTCN cho mục đích năng lượng còn hạn chế. Xuất phát từ
thực tế đó, học viên tiến hành đề tài “Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải công nghiệp
cho mục đích thu hồi năng lượng”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này nhằm các mục tiêu sau:
- Nghiên cứu tỷ lệ phối trộn BTCN và các nguyên liệu khác nhằm sản xuất viên
đốt năng lượng dân dụng.

2


- Đánh giá khả năng tái sử dụng BTCN từ các nhà máy XLNTTT của các KCN
cho mục đích năng lượng;
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải tập trung (XLNTTT) của KCN Tân Bình
và KCN Vĩnh Lộc.

3


Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về bùn thải công nghiệp
BTCN được tạo ra từ hoạt động XLNTTT của các KCN và là hỗn hợp bùn thải
hóa học và sinh học được tạo ra do quá trình xử lý hóa lý và xử lý sinh học. Đây là sản
phẩm phụ tất yếu bởi vì mục đích của xử lý nước thải là loại bỏ các chất rắn bằng cách
keo tụ các chất ô nhiễm từ dạng lỏng thành bùn để loại thải.

1.1.2. Nguồn phát sinh và phân loại
BTCN được phát sinh từ các nhà máy XLNTTT, chủ yếu từ các quá trình lắng
1, lắng 2 và các quá trình lọc (Hình 1.1).
Tiền xử
lý

Xử lý hóa
lý

Xử lý
sinh học

Lắng 1
Bùn lắng
1

Cặn

Lắng 2

Xử lý
N&P

Bùn lắng
2

Bùn

Bùn hỗn
hợp

CHÚ
THÍCH
Tuyến chảy của

Bể chứa
bùn lỏng

nước
Tuyếnthải
phát sinh
bùn

Hình 1.1 Các công đoạn phát sinh bùn trong quá trình xử lý nước thải
(Nguyễn Văn Phước và cs, 2009)
Giai đoạn tiền xử lý bao gồm các quy trình vận hành có bản chất hóa lý khác
nhau, như: sàng lọc, làm sạch, tách dầu và mỡ. Tiền xử lý cho phép khử các chất ô
nhiễm có kích thước lớn như cát và dầu mỡ. Chất thải từ quá trình tiền xử lý không
được coi là bùn và được đem chôn lấp.

4


Bùn sơ cấp phát sinh từ quá trình lắng sơ bộ, xử lý hóa lý để khử các chất lơ
lửng. Phương pháp lắng là phương pháp xử lý phổ biến nhất, được sử dụng để tách các
chất lơ lửng trong nước thải dưới tác dụng của trọng lực. Lắng luôn được xem là công
đoạn xử lý đầu tiên loại bỏ một phần các chất rắn, tránh các ảnh hưởng tiêu cực đến
hoạt động của các công đoạn sau. Phương pháp lắng khá đơn giản, hiệu quả và chi phí
thấp. Một biện pháp khác là tuyển nổi. Không khí được đưa vào nước thải và được đẩy
lên bề mặt và chất thải được tách bằng việc vớt váng bọt nổi lên. Trong giai đoạn xử lý

cơ học, 50÷70% chất rắn lơ lửng và 25÷40% BOD5 có thể được loại bỏ.
Bùn thứ cấp được gọi là bùn sinh học, sinh ra từ quá trình sử dụng, phân hủy cơ
chất dưới tác dụng của vi khuẩn. Có nhiều công nghệ khác nhau phát sinh bùn thứ cấp
như: hồ sinh học, bùn hoạt tính, đĩa quay sinh học cũng như các quá trình lọc sinh học.
Bùn hóa học phát sinh do quá trình keo tụ để loại bỏ P, giảm độ màu và các chất
lơ lửng trong thành phần nước thải.
Bùn sơ cấp và bùn thứ cấp ở trên có thể được trộn lẫn chung với nhau tạo ra
hỗn hợp bùn và được đưa về bể chứa.
1.1.2. Thành phần và tính chất
BTCN có thành phần và tính chất rất khác nhau, phụ thuộc vào loại hình sản
xuất của các doanh nghiệp trong các KCN và kỹ thuật XLNT của nhà máy XLNT.
Chính vì vậy, các phương pháp xử lý BTCN hay tái chế rất phụ thuộc vào tính chất
bùn thải.
Bùn thải có bản chất hóa học hoặc sinh học tùy thuộc vào đơn vị vận hành
XLNT nơi mà nó phát sinh (Jorge et al., 2012). Dựa vào đặc tính, Khan et al. (2009)
xếp bùn thải cùng với chất thải rắn đô thị nằm trong nhóm sinh khối bị ô nhiễm và
sinh khối công nghiệp.

5


Tùy vào mục đích nghiên cứu mà có nhiều phương pháp phân tích để mô tả đặc
điểm của BTCN. Các phương pháp đó có thể được phân chia một cách tương đối
thành phương pháp phân tích chất, phương pháp phân tích nguyên tố và phương pháp
phân tích gần đúng. Phương pháp phân tích chất chủ yếu để xác định hàm lượng từng
chất và các mầm bệnh có trong BTCN. Phương pháp này thường được sử dụng trong
các đánh giá độc tính của bùn. Trong khi đó, hai phương pháp sau thường được sử
dụng trong các nghiên cứu về xử lý BTCN bằng phương pháp nhiệt.
Phương pháp phân tích nguyên tố nhằm xác định phần trăm về trọng lượng của
sáu nguyên tố chính trong pha hữu cơ, trong đó năm nguyên tố C, H, N, O và S được

nhiều nghiên cứu xét đến, một số tác giả xét thêm Cl và các nguyên tố trong pha vô cơ
như Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, Na, K, S và P cùng một số kim loại nặng (Vargas-Moreno
et al., 2012).
Phương pháp phân tích gần đúng dùng để xác định phần trăm trọng lượng của
độ ẩm, chất bay hơi/chất bốc (volatile materials, VM), carbon cố định (fixed carbon,
FC) và tro (ash, A). Chất bốc là sản phẩm của quá trình phân hủy nhiệt các hợp chất
hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Thành phần chủ yếu của chất bốc gồm có hydro,
carbon oxid, hydrocarbon. Carbon cố định là nhiên liệu rắn còn lại trong lò sau khi các
chất bốc đã bay hơi. Nó bao gồm chủ yếu là carbon ở trạng thái tự do và các chất kết
hợp như hydro, oxy, lưu huỳnh và nitơ không bay hơi với khí. Tro là sản phẩm không
bay hơi và là phần còn lại của nhiên liệu sau khi đốt ở nhiệt độ khoảng 800 oC trong
điều kiện có đủ oxy. Tro chủ yếu gồm các chất vô cơ.
1.1.3. Nhiệt trị của BTCN

6


Trong các nghiên cứu xử lý BTCN bằng phương pháp nhiệt, một đặc điểm quan
trọng của BTCN cần được mô tả là nhiệt trị (heating value, HV). Nhiệt trị là một thông
số quan trọng cho việc quy hoạch, thiết kế và kiểm soát các nhà máy năng lượng có sử
dụng loại nhiên liệu này (Friedl, 2005). Nó xác định hàm lượng năng lượng của sinh
khối (Channiwala et al., 2002) và là cơ sở để đánh giá sinh khối có khả năng làm nhiên
liệu hay không (Meraz et al., 2003). Nhiệt trị HV thường được thể hiện dưới hai mức
độ chủ yếu: nhiệt trị cao (higher heating value, HHV) hoặc nhiệt trị thấp (lower
heating value, LHV) (Yin, 2010) và được tính bằng MJ/kg, hoặc kcal/kg hoặc Btu/lb.
Các đơn vị này có thể chuyển đổi bằng các công thức sau: kcal/kg=238,846*MJ/kg;
Btu/lb=429,923*MJ/kg; hoặc Btu/lb=1,8*kcal/kg. Nhiệt trị cao HHV còn được gọi là
nhiệt trị tổng (gross heating value - GHV hay gross calorific value - GCV) đề cập đến
lượng nhiệt được giải phóng bởi quá trình đốt cháy hoàn toàn một đơn vị thể tích nhiên
liệu dẫn đến việc tạo ra hơi nước và sự ngưng tụ sau cùng của nó; năng lượng tổng

được giải phóng được đo tại điểm này. Nhiệt trị thấp LHV còn được gọi là nhiệt trị
thuần (net heating value - NHV hay net calorific value - NCV) không bao gồm nhiệt
ẩn hóa hơi của nước có trong nhiên liệu. HHV và LHV thường được thể hiện trên
trạng thái khô (dry basis - db) hoặc trạng thái khô không tro (dry ash-free basis - DAF)
bởi vì chúng có thể rất khác nhau tùy thuộc vào độ ẩm. Đôi khi, các giá trị này được
thể hiện trên trạng thái “như được nhận” (“as received” basis - ar). Tại Hoa Kỳ, HHV
thường được sử dụng và LHV thường chỉ được dùng cho khí tự nhiên và dầu khí;
trong khi đó, ở các nước châu Âu, LHV được dùng phổ biến cho những ứng dụng
trong công nghiệp năng lượng (Nhuchhen et al., 2012). HHV được chuyển đổi sang
LHV theo Công thức (1):
LHV = HHV – 24,41.H2O

(1)

Trong đó: LHV và HHV tính bằng kJ/kg; H2O là % của độ ẩm có trong lượng mẫu
được cho vào nhiệt lượng kế; 24,41 (kJ/kg) là nhiệt hóa hơi của nước (Núñez-Regueira
et al., 2005).

7


Nhiệt trị của BTCN được xác định bằng hai cách, hoặc bằng thực nghiệm - dựa
trên việc phân tích bằng nhiệt lượng kế đẳng tích (bomb calorimeter), hoặc bằng mô
hình toán - dựa trên các thành phần của nó (Thipkhunthod et al., 2005). Phương pháp
xác định nhiệt trị bằng nhiệt lượng kế tuy cho kết quả chính xác nhưng lại không có đủ
thông tin để có thể dự đoán nhiệt trị cho BTCN cùng loại hoặc tương đương. Hơn nữa,
phương pháp này phức tạp, tốn nhiều thời gian và có chi phí cao (Demirbaş, 1997).
Trong khi đó, phương pháp xác định nhiệt trị bằng mô hình toán lại cho phép người
nghiên cứu, nhà quản lý và kỹ thuật viên dự đoán nhiệt trị một cách nhanh chóng, dễ
dàng và tiết kiệm về mặt chi phí mà vẫn đảm bảo kết quả nằm trong một khoảng dao

động chấp nhận được. Do đó, phương pháp này được xem như một phương pháp để
thay thế (Demirbaş, 1998; Yin, 2010).
Các mô hình được xây dựng bằng cách phân tích dữ liệu đa biến dựa vào các
kết quả phân tích thực nghiệm. Một vấn đề phát sinh là với số lượng biến được sử
dụng thì cỡ mẫu cần quan sát là bao nhiêu. Theo Joseph et al. (2009), tỷ số giữa cỡ
mẫu cần quan sát và số lượng biến tối thiểu là 5:1 và cần tăng lên khi ước lượng
stepwise được sử dụng. Điều đó có nghĩa là cứ thêm một biến độc lập thì số lượng
quan sát phải tăng ít nhất 5 đơn vị.
Mô hình dự đoán được phân thành ba loại, bao gồm: mô hình tính dựa trên
thành phần nguyên tố, mô hình tính dựa trên thành phần tương đối và mô hình hỗn hợp
được xây dựng trên thành phần nguyên tố và tương đối. Trong đó, mô hình tính dựa
trên thành phần tương đối được áp dụng rộng do không đòi hỏi phải phân tích nhiều
nguyên tố mà chỉ cần phân tích ba chỉ tiêu (chất bốc, carbon cố định và tro) và tiên
lượng tốt so với giá trị thực (sai số dưới 10%). Vài mô hình tính nhiệt trị dựa trên
thành phần tương đối ở trạng thái khô cho BTCN và cho các nguyên liệu khác được sử
dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Một số mô hình tiên lượng HHV cho các nguyên liệu (trạng thái khô)

8


Mô hình
Nhuchhen 1
Nhuchhen 2
Parikh
Thipkhuntho
d

Phương trình tính HHV (MJ/kg)
19,2880 -0,2135V/C -1,9584A/V +0,0234C/A

20,7999 -0,3214V/C +0,0051(V/C)2
-11,2277A/V +4,4953(A/V)2 -0,7223(A/V)3
+0,0383(A/V)4 +0,0076C/A
0,3536C +0,1559V -0,0078A
0,25575V +0,28388C -2,38638

A: tro (%); C: carbon cố định (%); V: chất bốc (%).

9

Nguồn
Nhuchhen et al. (2012)
Nhuchhen et al. (2012)
Parikh et al. (2005)
Thipkhunthod et al. (2005)


Các mô hình Nhuchhen1, Nhuchenhen 2, Parikh và Thipkhunthod lần lượt có
trung bình trị tuyệt đối sai số tương đối (AAE) lần lượt là 9,4; 5,9; 3,7 và 9,1 %. Trong
giới hạn sai số 10%, các mô hình trên đều có thể sử dụng được trong nghiên cứu này.
Tuy nhiên, mô hình Nhuchhen 2 và mô hình Parikh được ưu tiên sử dụng hơn do hai
mô hình này có AAE thấp. Mô hình Parikh ngắn gọn và đơn giản trong khi mô hình
Nhuchhen2 dài và phức tạp hơn do mô hình này chứa nhiều biến trung gian và sử dụng
thêm phép chia và lũy thừa.
1.2. Các phương pháp xử lý BTCN
Trước đây, bùn được coi là một loại chất thải. Tuy nhiên, ngày nay, bùn thải
được quan niệm là một tài nguyên tiềm năng. Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng,
có rất nhiều công nghệ có thể được lựa chọn để xử lý và thải bỏ bùn. Những công nghệ
này khác nhau về tính phức tạp và tính mới. Việc ứng dụng các công nghệ tùy thuộc
vào mức hỗ trợ về kỹ thuật và kinh tế. Kỹ thuật được chọn nên phù hợp với các yêu

cầu pháp lý có liên quan trong phạm vi được ứng dụng.
1.2.1. Chôn lấp
Phương pháp chôn lấp được chia thành hai loại: chon lấp đơn giản và chôn lấp
có kỹ thuật. Chôn lấp đơn giản được xem như một trong các phương pháp thải bỏ lạc
hậu nhất. Trong phương pháp này, bùn được chôn trực tiếp vào đất mà không có sự
cách ly nào. Trái lại, chôn lấp có kỹ thuật được bố trị ở nơi thích hợp và được trang bị
với các hệ thống bảo vệ để làm giảm các tác động môi trường. Tuy nhiên, phương
pháp này đòi hỏi chi phí tương đối cao và không tận dụng được giá trị nào từ bùn nếu
nó không sử dụng hệ thống thu hồi khí. Chôn lấp có sự ưu tiên thấp trong hệ thống thứ
bậc quản lý và chỉ nên được chọn khi không có giải pháp nào thay thế.
1.2.2. Sấy, phơi khô
Để ứng dụng bùn thải cho đất và chôn lấp, phương pháp sấy có thể làm giảm
thể tích bùn và do đó làm giảm chi phí vận chuyển và thải bỏ bùn. Tuy nhiên, do mối
quan ngại về tài nguyên và môi trường mà việc ứng dụng bùn đã được sấy cho nông
nghiệp và chôn lấp ngày càng giảm.

10


Sấy bùn hiện nay được xem là một giải pháp tiền xử lý khi bùn được thiêu đốt
bởi vì nó có thể làm tăng nhiệt trị và làm giảm hàm lượng ẩm của bùn.
Sấy bùn có thể được thực hiện bằng nhiều công nghê khác nhau. Dựa vào loại
truyền nhiệt giữa môi trường nhiệt và bùn, các công nghệ có thể được chia thành:
- Công nghệ sấy tiếp xúc: bùn được sấy gián tiếp với môi trường nhiệt, bùn và
môi trường nhiệt được ngăn cách bằng tường trao đổi nhiệt. Hiện nay, loại công nghệ
sấy tiếp xúc phổ biến nhất là sấy đĩa.
- Công nghệ sấy đối lưu: bùn tiếp xúc trực tiếp với môi trường sấy (thông
thường là không khí). Công nghệ này thỉnh thoảng được sử dụng.
- Công nghệ sấy bức xạ: bùn được sấy bằng năng lượng mặt trời. Đây là công
nghệ có chi phí đầu tư và vận hành thấp nhất.

1.2.3. Ứng dụng cho đất
Mục đích của việc sử dụng bùn cho đất một phần để tận dụng chất dinh dưỡng
cho sự tăng trưởng của cây trồng, và một phần để tận dụng các chất hữu cơ cho việc
cải tạo đất. Ứng dụng cho đất là một giải pháp hậu xử lý của hệ thống xử lý bùn. Khác
với giải pháp chôn lấp, giải pháp này tái sử dụng giá trị của bùn và thường ứng dụng
trong nông nghiệp, lâm nghiệp và khu vực cây xanh đô thị.
Về lý thuyết, bất kỳ loại bùn có thể tràn trên đất nếu nó đáp ứng các yêu cầu
chất lượng về kim loại nặng, tác nhân gây bệnh, tiền xử lý, v.v… Thông thường, lượng
bùn có thể chấp nhận được kiểm soát theo các tiêu chí rõ ràng theo lượng các chất dinh
dưỡng và tổng lượng chất rắn khô của bùn.
1.2.4. Ủ
Ủ bùn là quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong bùn nhờ vai trò của vi khuẩn
hiếu khí và tạo ra phân hữu cơ (mùn). Ủ bùn nhằm mục đích ổn định bùn thải về mặt
sinh học, kiểm soát các rủi ro ô nhiễm và phát triển nông nghiệp hoặc các ngành có sử
dụng phân hữu cơ.

11


Có nhiều hệ thống ủ khác nhau và chúng có khuynh hướng được phân chia
thành hai loại: hệ thống đóng và hệ thống mở. Quá trình ủ có thể xuất hiện trong một
hệ thống đóng, chẳng hạn như ống xy lanh xoay nghiêng, được nạp nguyên liệu vào
một đầu ống và sản phẩm được thu ở đầu ống còn lại. Bên trong ống, nguyên liệu được
trộn và nạp khí. Quá trình phân hủy của vi khuẩn tạo ra nhiệt và nhiệt độ bên trong ống
có thể dễ dàng đạt 55 oC (nhiệt độ tối ưu). Sau đó, phân non tiếp tục được nạp khí
trong khoảng 3 tháng để tạo điều kiện cho quá trình ủ xảy ra hoàn toàn.
Ngoài ra, ủ phân có thể được thực hiện đơn giản hơn trong một hệ thống mở
như các luống thẳng. Việc đảo trộn các luống thường xuyên à cần thiết để giúp pha
trộn các thành phần và quan trọng hơn là để cung cấp oxy cho vi khuẩn. Bởi vì phân
compost có thuộc tính cách nhiệt tốt, nhiệt độ có thể tăng lên đến nhiệt độ tối ưu cho

quá trình ủ. Hơn nữa, việc đảo trộn cũng đảm bảo rằng tất cả các phần của luống đạt
nhiệt độ cần thiết cho việc tiêu diệt mầm bệnh. Đảo trộn là việc cần thiết mỗi 2 đến 3
ngày trong nửa tháng đầu tiên. Sau thời gian này, việc thường xuyên đảo là không cần
thiết vì ít nhiệt được tạo ra và ít oxy được yêu cầu trong khi phân đã trưởng thành.
1.2.5. Phân hủy kỵ khí
Phân hủy kỵ khí bùn là quá trình phân hủy bùn của vi khuẩn trong điều kiện
thiếu oxy để ổn định các chất hữu cơ và tạo ra biogas (một hỗn hợp gồm khí methane
và carbon dioxide). Nhiệt trị của methane gần tương đương với nhiệt trị của khí tự
nhiên, do đó khí sinh học được xem như một tài nguyên năng lượng có giá trị.

12


Quá trình phân hủy kỵ khí được chia thành bốn giai đoạn chính: thủy phân, acid
hóa, aceton hóa và methane hóa. Thủy phân là giai đoạn đầu tiên. Trong giai đoạn này,
các đại phân tử như carbonhydrate, chất béo và protein bị phân hủy và dần hình thành
các chất có phân tử nhỏ hơn từ các hoạt động của vi khuẩn thủy phân như đường, acid
béo và amino acid. Giai đoạn thứ hai là giai đoạn acid hóa. Sản phẩm từ quá trình thủy
phân bị phân hủy tiếp bởi vi khuẩn lên men thành acid hữu cơ, carbon dioxide, nước
và đôi khi có ammonia. Giai đoạn aceton hóa và methane hóa thường xảy ra cùng lúc.
Giai đoạn aceton hóa sử dụng vi khuẩn để phân hủy acid hữu cơ thành acid acetic và
hydrogen. Giai đoạn sau cùng sử dụng vi khuẩn sinh methane để phân hủy acid acetic
thành methane và carbon dioxide. Tại cùng thời điểm, methane được tạo ra từ
hydrogen và carbon dioxide nhiều hơn bất cứ loại vi khuẩn sinh methane nào khác.
Phân hủy kỵ khí thường được thực hiện trong một lò phân hủy. Tại đó, hỗn hợp
được trộn và lò phân hủy được duy trì ở 35 oC (nhiệt độ tối ưu). Sau khi phân hủy, khí
sinh học được thu từ lò. Sản phẩm khác (bùn thô – raw digestate) được khử nước để
hình thành bùn trưởng thành (mature digestate). Khí sinh học có thể được sử dụng trực
tiếp như một nhiên liệu trong nhà máy nhiệt và năng lượng kết hợp hoặc được nâng
cấp thành khí tự nhiên. Ngoài ra, bùn giàu dinh dưỡng có thể được sử dụng như phân

bón hoặc chất ổn định đất.
1.2.6. Thiêu đốt
Thiêu đốt bùn làm giảm đáng kể trọng lượng và thể tích của bùn. Tro được tạo
ra như một phụ phẩm sau khi thiêu đốt là một nguyên liệu trơ mà không có thành phần
gây bệnh và phân hủy sinh học, vì vậy nó có thể được thải bỏ dễ dàng trong bãi chôn
lấp. Ngoài ra, tro có thể được sử dụng như một vật liệu cho xây dựng nếu nó đáp ứng
được các quy định. Khí được phát sinh trong quá trình thiêu đốt chứa vài loại chất
nguy hại, chẳng hạn như sulphur dioxide, các nitrogen oxide và dioxin. Do đó, một
nhà máy thiêu đốt bùn phải được trang bị một hệ thống xử lý khí thải hiệu quả.

13