luận án tiến sĩ nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Vũ Thị Hoài Ân

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI
BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM)

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải
Mã số: 9520320-2

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Vũ Thị Hoài Ân

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VỚI
BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ (LÊN MEN ẤM)

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải
Mã số: 9520320-2

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS. TS. Nguyễn Việt Anh

Hà Nội – Năm 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án Tiến sỹ “Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại
với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men
ấm)” là cơng trình do tơi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu của luận án
là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, tháng

năm 2021

Tác giả luận án

Vũ Thị Hoài Ân


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Xây
dựng nơi tôi học tập, Khoa Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Mơi trường, Bộ
mơn Cấp thốt nước của trường đã giúp đỡ tơi trong suốt q trình tơi học tập và
nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến GS. TS. Nguyễn
Việt Anh đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất trong thời gian tôi thực hiện và hồn thành luận án.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cục Kinh tế Liên bang Thụy Sỹ (SECO),
Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng và Viện
Khoa học và Công nghệ Nước (EAWAG), Thụy Sỹ đã hỗ trợ, giúp đỡ tơi trong q

trình thực hiện nghiên cứu. Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà
khoa học, các chuyên gia đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến
quý báu cho luận án trong q trình thực hiện.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng
cơng trình đô thị nơi tôi công tác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tơi trong suốt q
trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia
đình đã hết sức giúp tơi có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, động
viên tinh thần, giúp tơi hồn thành luận án Tiến sỹ này.
Tác giả luận án

Vũ Thị Hoài Ân


i

MỤC LỤC……..…………………….....…………...……………………………...i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.................................................................... iv
Danh mục các bảng.................................................................................................. vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.................................................................................viii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận án......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án...........................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án......................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án....................................................................3
5. Cơ sở khoa học của luận án...................................................................................4
6. Nội dung nghiên cứu của luận án..........................................................................4
7. Tính mới của luận án.............................................................................................5
8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án...............................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA TRẠM XỬ
LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ........................................................................................7
1.1. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn
của trạm XLNT đô thị.............................................................................................7
1.1.1. Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đô thị............................................... 7
1.1.2. Thành phần, tính chất bùn của trạm XLNT đơ thị................................... 10
1.1.3. Các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị trên thế giới và ở Việt
Nam.................................................................................................................. 12
1.2. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý bùn
bể tự hoại.............................................................................................................. 16
1.2.1. Lượng bùn bể tự hoại.............................................................................. 16
1.2.2. Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại..................................................... 17
1.2.3. Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam.......20
1.3. Tổng quan các nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT và bùn bể
tự hoại................................................................................................................... 24
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới................................................................... 24
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam.................................................................. 26
Nhận xét chương 1................................................................................................ 31
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ, THU
KHÍ SINH HỌC...................................................................................................... 32


ii

2.1. Các q trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong điều
kiện kị khí............................................................................................................. 32
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí..................................... 35
2.3. Các bể phân hủy kị khí bùn........................................................................ 40
2.4. Phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí (BMP) cho cơng nghệ phân hủy kị
khí......................................................................................................................... 43

2.4.1. Khái niệm về phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan BMP. . .43
2.4.2. Các yếu tố liên quan đến thí nghiệm BMP.............................................. 43
2.5. Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn................................................................ 48
2.6. Cân bằng năng lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm XLNT . 49
Nhận xét chương 2................................................................................................ 51
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN BỂ TỰ
HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐƠ THỊ................................52
3.1. Mục đích thí nghiệm...................................................................................... 52
3.2. Mơ tả thí nghiệm............................................................................................ 52
3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP............................................... 52
3.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm............................................................ 53
3.3. Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích và đánh giá trong thí nghiệm................56
3.3.1. Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích thí nghiệm....................................56
3.3.2. Các chỉ tiêu đánh giá thí nghiệm............................................................ 58
3.4. Thực hiện thí nghiệm..................................................................................... 60
3.4.1. Thí nghiệm BMP1 đánh giá tiềm năng sinh khí CH4 của bùn bể tự hoại
và
bùn trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng............................................................... 62
3.4.2. Thí nghiệm BMP2 đánh giá tiềm năng sinh khí CH4 của bùn bể tự hoại
và
bùn trạm XLNT đơ thị khi xử lý kết hợp............................................................ 63
3.5. Kết quả thí nghiệm và thảo luận.................................................................... 67
3.5.1. Thí nghiệm BMP1................................................................................... 67
3.5.2. Thí nghiệm BMP2................................................................................... 72
Nhận xét chương 3................................................................................................ 77
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN
CỦA CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHU VỰC ĐÔ THỊ TRUNG TÂM HÀ
NỘI CŨ PHÍA NAM SƠNG HỒNG....................................................................... 78
4.1. Xác định nội dung tính tốn, lựa chọn và đề xuất công nghệ xử lý bùn khu

vực đô thị trung tâm Hà Nội................................................................................. 78


iii

4.2. Các trạm XLNT đơ thị trong khu vực tính tốn............................................. 78
4.3. Lượng bùn thải của các trạm XLNT đơ thị và bùn bể tự hoại trong khu vực
tính tốn................................................................................................................ 81
4.3.1. Lượng bùn thải phát sinh tại các trạm XLNT đô thị...............................81
4.3.2. Lượng bùn bể tự hoại phát sinh trong khu vực tính tốn........................83
4.4. Các giải pháp xử lý bùn cho khu vực tính tốn.............................................. 83
4.5. Tính tốn các phương án xử lý bùn cho khu vực tính tốn............................88
4.5.1. Tính toán xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b
90
4.5.2. Tính tốn xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a và
TT1b................................................................................................................. 93
4.5.3. Tính tốn xử lý bùn theo phương án HT................................................. 99
4.5.4. Tính tốn xử lý bùn theo phương án TT2.............................................. 101
4.6. Nhận xét kết quả tính tốn và đề xuất công nghệ xử lý bùn.........................103
Nhận xét chương 4..............................................................................................111
KẾT LUẬN...........................................................................................................112
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN....................................................................................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................115
PHỤ LỤC.................................................................................................................A


iv

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Ký hiệu,
các chữ
viết tắt
AD
AO
A2O
BMP
BOD
CAS
CHP
CH4
CO2
COD
DCCN
DS
EAWAG
FS
F/M
HRT
HTTN
IESE
OLR
N2
PS
PURR


v

Ký hiệu,
các chữ
viết tắt
SBR
SRT
SS
TCVN
TLTK
TN
TP
TS
TSS
VFA
VNĐ
VS
VSS
XLNT
WAS1

WAS2

WAS


vi

Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải....................................................... 8
Bảng 1.2. Dự báo khối lượng bùn phát sinh của các đô thị Việt Nam phụ thuộc vào
% số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN........................................................... 9

Bảng 1.3. Thành phần, tính chất bùn của các trạm XLNT....................................... 11
Bảng 1.4. Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại tại một số nước.............................18
Bảng 1. 5. Xử lý bùn bể tự hoại tại một số thành phố ở Việt Nam..........................21
Bảng 1. 6. Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới
và ở Việt Nam......................................................................................................... 23
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP1.......62
Bảng 3.2. Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP1.....................63
Bảng 3.3. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP2.......65
Bảng 3. 4. Tỷ lệ phối trộn của các bùn cơ chất trong thí nghiệm BMP2.................65
Bảng 3.5. Các chỉ tiêu đầu vào của các mẫu trong thí nghiệm BMP2.....................66
Bảng 3.6. Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP1........................67
Bảng 3.7. Các chỉ tiêu đầu ra của các mẫu trong thí nghiệm BMP2........................72
Bảng 4.1. Các trạm XLNT đô thị thuộc khu vực tính tốn đến năm 2030...............80
Bảng 4.2. Thơng số nước thải đầu vào và đầu ra một số trạm XLNT ở Hà Nội......81
Bảng 4.3. Tổng lượng bùn nén và bùn tách nước của các trạm XLNT đô thị trong
khu vực tính tốn..................................................................................................... 81
Bảng 4.4. Lượng bùn phát sinh của trạm XLNT Yên Sở......................................... 82
Bảng 4.5. Lượng bùn bể tự hoại trong khu vực tính tốn đến năm 2030.................83
Bảng 4.6. Ngun liệu nạp vào bể mê tan của trạm XLNT Yên Sở........................90
Bảng 4.7. Tổng hợp tính tốn bể mê tan và thể tích biogas thu được khi xử lý bùn
trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b............................................... 91
Bảng 4.8. Nhu cầu năng lượng trạm XLNT Yên Sở khi xử lý bùn theo phương án
YS1a và YS1b......................................................................................................... 92


vii

Bảng 4. 9. Nguyên liệu nạp vào bể mê tan tại trạm xử lý bùn tập trung..................93
Bảng 4.10. Tổng hợp tính tốn năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1a. . .94
Bảng 4.11. Tổng hợp tính tốn năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT1b. . .96

Bảng 4.12. Khái tốn chi phí xử lý bùn theo phương án TT1a và phương án TT1b 99

Bảng 4.13. Tính toán năng lượng cho xử lý bùn theo phương án HT....................100
Bảng 4.14. Khái tốn chi phí xử lý bùn theo phương án HT................................. 100
Bảng 4.15. Tổng hợp tính tốn năng lượng cho xử lý bùn theo phương án TT2. . .101
Bảng 4.16. Khái tốn chi phí xử lý bùn theo phương án TT2................................ 103
Bảng 4.17. Thể tích bể mê tan và lượng biogas sinh ra của trạm XLNT Yên Sở khi
WAS không xử lý kết hợp với FS.......................................................................... 103
Bảng 4.18. Thể tích biogas sinh ra khi WAS của trạm XLNT Yên Sở xử lý và
không xử lý kết hợp với FS................................................................................... 104
Bảng 4.19. Tổng hợp so sánh các phương án xử lý bùn........................................105


viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đơ thị................................................ 7
Hình 1.2. Tổng quan các phương pháp xử lý bùn tại các trạm xử lý nước thải.......13
Hình 1.3. Cơng nghệ xử lý bùn tại các trạm XLNT đô thị ở Việt Nam...................15
Hình 1.4. Giá trị COD, TN và TP (mg/L) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác
nhau ở Hà Nội......................................................................................................... 19
Hình 1.5. Giá trị TS và VS (g/L), VS/TS (%) của bùn bể tự hoại với chu kỳ hút khác
nhau ở Hà Nội......................................................................................................... 19
Hình 2.1. Các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí........32
Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý thí nghiệm BMP hệ Water Bath.................................... 52
Hình 3.2. Thí nghiệm BMP..................................................................................... 53
Hình 3.3. Thùng Inox 40 lít ni bùn kị khí (bùn ni cấy)....................................54
Hình 3.4. Dụng cụ ống lấy mẫu bùn bể tự hoại....................................................... 55
Hình 3.5. Sục khí N2 các bình phản ứng thí nghiệm BMP....................................... 61
Hình 3.6. Bộ hấp thụ biogas và đo khí mê tan......................................................... 61

Hình 3.7. Khối lượng bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị phát sinh của khu
vực đô thị trung tâm Hà Nội giai đoạn 2019-2044.................................................. 64
Hình 3.8. Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của
các mẫu trong thí nghiệm BMP1............................................................................. 69
Hình 3.9. Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí
nghiệm BMP1......................................................................................................... 70
Hình 3.10. Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL)
do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP1....................................................... 70
Hình 3.11. Thể tích khí CH4 (NmL/gCODloại bỏ) và hiệu suất sinh khí CH4 (%) của
các mẫu trong thí nghiệm BMP2............................................................................. 74
Hình 3.12. Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí
nghiệm BMP2......................................................................................................... 75


ix

Hình 3.13. Thể tích khí CH4 (NmL/gVSbùn cơ chất vào) và tổng thể tích khí CH4 (NmL)
do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm BMP2....................................................... 76
Hình 4.1. Vị trí các trạm xử lý nước thải ở Hà Nội ................................................ 79
Hình 4.2. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm XLNT Yên Sở theo phương án YS1a và YS1b.
85
Hình 4.3. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1a........86
Hình 4.4. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT1b........87
Hình 4.5. Sơ đồ xử lý bùn sau tách nước tại các trạm XLNT theo phương án HT. . 87

Hình 4.6. Sơ đồ xử lý bùn tại trạm xử lý bùn tập trung theo phương án TT2..........88
Hình 4.7. Lượng bùn trạm XLNT đô thị và FS sau xử lý của các phương án........107
Hình 4.8. Năng lượng tiêu thụ, sinh ra và thu hồi khi xử lý bùn theo các phương án.
108
Hình 4.9. Giá thành xử lý và suất vốn đầu tư xây dựng theo các phương án.........109

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước,
hệ thống đô thị được mở rộng cả về quy mô và số lượng. Việt Nam đang phải đối
mặt với sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đơ thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở các
thành phố lớn, dẫn đến sức ép lớn đối với hệ thống cơ sở hạ tầng và dịch vụ cơng
cộng như năng lượng, cấp thốt nước và bảo vệ mơi trường.
Hệ thống thốt nước (HTTN) và trạm xử lý nước thải (XLNT) đang được
xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị Việt Nam từ 17 trạm XLNT tập trung vận
3

hành với tổng công suất 540.000m /ngày năm 2012 [19] tăng lên 46 trạm XLNT tập
3

trung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000m /ngày, xử lý tương đương
14% lượng nước thải đô thị phát sinh, và hơn 50 trạm XLNT tập trung đang ở giai
đoạn thiết kế, xây dựng và chuẩn bị chuyển giao để vận hành [8]. Bùn phát sinh từ
các trạm XLNT đô thị sẽ trở thành mối quan tâm lớn. Lượng bùn trạm XLNT đô thị
3

đã tách nước dự tính đến năm 2050 khoảng 14.473 m /ngày [73]. Nước thải đầu vào
các nhà máy XLNT tập trung có hàm lượng giá trị các thơng số ô nhiễm như BOD,
COD, TSS thấp và lượng bùn phát sinh tại các nhà máy XLNT này cũng nghèo về
BOD, COD, TSS.
Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trị quan trọng

trong thốt nước đô thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các hộ gia đình, trường học, cơ quan,
…. Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật (2017), lượng bùn bể tự hoại phát sinh cũng
3

3

khá nhiều, từ 50.000 m tới 218.490 m [7]. Tuy nhiên, tại các đô thị lượng bùn này thu
gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình đạt 32% và khoảng 4% lượng bùn bể tự
hoại được xử lý [7]. Việc quản lý bể tự hoại và xử lý bùn của các bể tự hoại còn nhiều
tồn tại và bất cập như bùn cặn bể tự hoại chủ yếu hiện nay do tư nhân tổ chức dịch vụ
một cách tự phát và đổ xả tùy tiện ra môi trường, việc hút cặn không đúng quy trình kỹ
thuật: hút cả cặn mới lẫn cặn đã hồn thành phân hủy. Bùn bể tự hoại có độ ẩm lớn,
thành phần dinh dưỡng như chất hữu cơ, ni tơ, phot pho, kali,… cao, có mùi khó chịu
và còn nhiều vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán. Do


2

đó bùn bể tự hoại cần được thu gom, vận chuyển và xử lý để tránh ô nhiễm môi
trường và lây lan mầm bệnh.
Phương pháp phân hủy kị khí đã được sử dụng rộng rãi để ổn định chất hữu
cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học mang lại hiệu quả giảm thể tích bùn thải
và thu hồi năng lượng cao ở nhiều trạm XLNT trên thế giới [55]. Phân hủy kị khí
lên men ấm được coi là ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn ở chế độ
lên men nóng. Điều kiện khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho xử lý bùn các trạm
XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong điều kiện lên men ấm.
Xu hướng xử lý để thu hồi tài nguyên từ bùn ngày càng phổ biến ở nhiều
nước trên thế giới, để giảm lượng bùn thải đưa đi chôn lấp, tiết kiệm quỹ đất vốn
ngày càng khan hiếm, và tạo các sản phẩm có giá trị kinh tế như sinh năng lượng
(điện, nhiệt), phân bón hay chất cải tạo đất, vật liệu xây dựng, vv…Ở Việt Nam đã

có nhiều cơng trình nghiên cứu về giải pháp quản lý và xử lý bùn từ HTTN và bể tự
hoại, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về xử lý kết hợp các loại bùn thải bằng phân
hủy kị khí lên men ấm.
Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thải
phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợp
bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí
(lên men ấm)” đã được nghiên cứu, thực hiện để đánh giá khả năng sinh khí mê tan
khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương pháp
phân hủy kị khí lên men ấm từ đó đề xuất cơng nghệ xử lý bùn cho các trạm XLNT
đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT
0

đô thị khi xử lý phân hủy kị khí lên men ấm (35 C), để loại bỏ chất hữu cơ (theo
- Đề xuất được công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thị

cho khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng (thuộc lưu vực Tơ Lịch và
một phần lưu vực Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp.


3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và bùn nén);
+ Bùn bể tự hoại từ hộ gia đình.
- Phạm vi nghiên cứu:

Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của các trạm XLNT đô thị

trong HTTN chung có sử dụng cơng nghệ bùn hoạt tính cho khu vực trung tâm Hà
Nội cũ phía Nam sơng Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và một phần lưu vực Tả Nhuệ)
0

bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (35 C), có thu hồi năng lượng.
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: thu thập thông tin, dữ liệu

về bùn bể tự hoại, bùn trạm XLNT đô thị như khối lượng, thể tích bùn; thành phần
và tính chất; các công nghệ xử lý bùn trạm XLNT và bùn bể tự hoại ở Việt Nam.
Phương pháp này cũng dùng để thu thập số liệu đối chiếu với các nghiên cứu trong
nước và trên thế giới liên quan đến đề tài, phục vụ cho nghiên cứu.
Phương pháp này cũng được sử dụng để thu thập số liệu trong chạy mô hình
thí nghiệm. Các số liệu thu thập được từ kết quả phân tích, quan sát và xử lý bằng
các phần mềm máy tính để vẽ các biểu đồ, tính tốn các công thức.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các quá

trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng; và thí nghiệm BMP
để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của các nguồn bùn.
- Phương pháp kế thừa: kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đã thực hiện, và

của dự án mà nghiên cứu sinh trực tiếp tham gia lấy mẫu, phân tích thí nghiệm.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, lấy mẫu, đo đạc một số thơng

số ngồi hiện trường và phân tích mẫu tại phịng thí nghiệm của trường Đại học Xây
dựng theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế.

Các thí nghiệm về phân hủy kị khí theo mẻ thực hiện trong phịng thí nghiệm
o

ở chế độ lên men ấm (35 C), để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phân

hủy chất hữu cơ của bùn bể tự hoại và bùn từ trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng rẽ,


4

và khi xử lý kết hợp với các tỉ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn bể tự hoại và bùn của
trạm XLNT đô thị.
- Phương pháp so sánh, phân tích: phân tích, nhận xét kết quả thí nghiệm thu
được, và so sánh với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ở cùng lĩnh vực
nghiên cứu về phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm.
- Phương pháp tính tốn, phân tích để so sánh chi phí và lợi ích của các giải

pháp kỹ thuật xử lý bùn đề xuất.
- Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến chuyên gia thông qua trao đổi trực tiếp,

tổ chức hội thảo khoa học lấy ý kiến, nhận xét phản biện của các chuyên gia.
5. Cơ sở khoa học của luận án

Bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đô thị còn chứa hàm lượng chất hữu cơ và
các chất dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy được bằng phương pháp sinh học kị
khí. Bùn bể tự hoại có hàm lượng VS từ 3,3 g/L đến 31,6 g/L, hàm lượng COD từ
8,0g/L đến 42,85 g/L, hàm lượng TN từ 0,10 g/L đến 0,34 g/L, hàm lượng TP từ
0,16g/L đến 1,20 g/L [1]. Bùn của trạm XLNT đơ thị có hàm lượng VS từ 1,79 g/L
đến 17,47 g/L, hàm lượng COD từ 2,22g/L đến 24,97g/L, hàm lượng TN từ 0,16 g/L
đến 1,24 g/L, hàm lượng TP từ 0,06 g/L đến 0,72 g/L [5].
Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp được áp dụng ở nhiều nhà máy XLNT
trên thế giới để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học khi kết
hợp xử lý hai hay nhiều loại bùn khác nhau [51]. Kết quả một số nghiên cứu quá

trình ổn định bùn bằng phân hủy kị khí đã sản xuất biogas, làm nguồn nhiên liệu để
sản sinh ra năng lượng điện và nhiệt. Phân hủy kị khí bùn ở các trạm XLNT và thu
khí CH4 thường được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm, với nhiệt độ tối
0

ưu 35 C [61].
Vì vậy, luận án nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử
lý nước thải đô thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để xử lý ổn định
bùn, giảm lượng bùn thải chôn lấp và thu hồi năng lượng.
6. Nội dung nghiên cứu của luận án
- Tổng quan về lượng bùn, thành phần tính chất và các phương pháp xử lý bùn


5

bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình phịng thí nghiệm: thí nghiệm theo mẻ
0

về phân hủy kị khí lên men ấm (35 C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý
riêng bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị; thí nghiệm theo mẻ về phân hủy
0

kị khí ở chế lên men ấm (35 C) để đánh giá khả năng sinh khí CH 4 khi xử lý kết
hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau.
- Tính tốn và đề xuất lựa chọn công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của

các trạm XLNT đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng dựa trên kết quả
nghiên cứu thực nghiệm.

7. Tính mới của luận án
- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý FS:WAS để cho phép đạt hiệu suất loại

bỏ chất hữu cơ (theo COD và VS) và thu được lượng khí mê tan cao nhất. Cụ thể

FS:WAS=1:1 (theo khối lượng VS) cho phép đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tính
theo COD và VS tương ứng là 43,40% và 42,55%, hiệu suất sinh khí CH 4 đạt 294,8
NmL/gVSbùn vào.
- Đề xuất cơng nghệ xử lý kị khí kết hợp FS với WAS của các trạm XLNT đô
0

thị trong điều kiện lên men ấm (35 C) có thu hồi khí sinh học sản xuất năng lượng
cho khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng, cũng như phương án
sử dụng bùn sau xử lý đạt hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường.
8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học:
+ Luận án đã tổng quan được các thơng tin có giá trị về số lượng, thành phần,

tính chất và các công nghệ xử lý bùn của trạm XLNT đô thị, bùn bể tự hoại, cũng như

tiềm năng thu hồi tài nguyên từ các loại bùn này.
+ Luận án đã xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý cho q trình phân hủy kị khí
0

lên men ấm (35 C) thu khí CH4 khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm
XLNT đô thị.
+ Luận án đã tính tốn cơng nghệ xử lý bùn bằng phương pháp phân hủy kị khí


6

lên men ấm, góp phần bổ sung vào kiến thức tham khảo, làm cơ sở cho việc tìm
kiếm, lựa chọn các giải pháp xử lý bùn phù hợp với các điều kiện ở Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do bùn thải gây ra như ô

nhiễm nguồn nước, ô nhiễm mơi trường đất và khơng khí.
+ Tiết kiệm tài ngun đất do giảm được diện tích đất bãi chơn lấp bùn.
+ Thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện, nhiệt.

Bùn sau phân hủy kị khí được xử lý, tái sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo đất,
làm vật liệu trong xây dựng, v.v ...
+ Luận án đã chỉ ra được, có thể áp dụng cho các trạm XLNT tại các đô thị trong

điều kiện Việt Nam: xử lý cùng lúc hai loại bùn thải, tận dụng các cơng trình của
trạm XLNT đơ thị, nhất là khi trạm hoạt động chưa đủ công suất thiết kế.
9. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục các cơng trình đã công bố,
tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử
lý bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT đô thị.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân hủy kị khí bùn bể tự hoại và bùn của trạm
XLNT đô thị
Chương 4: Đề xuất công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm xử lý nước
thải khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng.


7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA
TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ
1.1. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử lý
bùn của trạm XLNT đô thị
1.1.1. Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đơ thị
Trong q trình thu gom, vận chuyển và xử lý nước thải đều phát sinh bùn.
Sơ đồ nguồn phát sinh bùn từ HTTN đơ thị được trình bày trong hình 1.1.

Bể tự hoại

Bùn bể
tự hoại
Mạng lưới thoát nước

Bùn nạo vét từ MLTN

Xử lý sơ bộ
Xử lý bậc 1
Nước thải sau bậc 1
Xử lý bậc 2, 3

Nước thải sau xử lý

Xử lý tiếp hoặc xả ra nguồn
Hình 1.1. Sơ đồ phát sinh bùn xử lý nước thải đô thị.

Bùn phát sinh từ xử lý nước thải đô thị tại trạm xử lý gồm các loại bùn thải
từ xử lý sơ bộ, xử lý bậc 1 và xử lý bậc 2, 3.

8

Bùn từ quá trình xử lý sơ bộ như từ song chắn rác và bể lắng cát có thành
phần tương tự như trong bùn thải từ mạng lưới cống thoát nước chung, được xử lý
cùng với bùn cặn nạo vét của mạng lưới thoát nước.
Cặn lơ lửng trong nước thải lắng trong các bể lắng sơ cấp tạo thành bùn sơ
cấp. Lượng bùn sơ cấp phát sinh được tính tốn thơng qua hàm lượng cặn lơ lửng có
trong nước thải và hiệu suất xử lý. Tổng lượng cặn lơ lửng trong nước thải tính cho
một người trong một ngày theo TCVN 7957-2008 [32] là 60÷65g/người/ngày, lượng
bùn khơ chiếm 1% - 3%. Khoảng 25÷50 g cặn/người/ngày được giữ lại trong khâu
xử lý bậc 1 [12]. Lượng bùn phát sinh trong bể lắng sơ cấp vào khoảng 100 – 300
mg/L nước thải, chứa khoảng 70% chất hữu cơ [129].
Bùn từ quá trình xử lý bậc 2, 3 như bùn hoạt tính dư sau aeroten hoặc màng
sinh vật sau bể lọc sinh học, … bùn phát sinh này gọi là bùn thứ cấp. Bùn này được
giữ lại tại bể lắng đợt 2 với khối lượng là 8 ÷ 32g/người/ngày, thể tích bùn có thể
đạt tới 2,5 L/người/ngày phụ thuộc vào dây chuyền xử lý nước thải [20].20
Lượng bùn thải phát sinh phụ thuộc vào quá trình XLNT được trình bày ở
bảng 1.1 đã cho thấy lượng bùn trung bình sinh ra từ bể lắng hai vỏ hay bể lắng sơ
3

3

cấp bằng 0,15 kg/m nước thải, từ hệ thống bùn hoạt tính 0,08 kg/m nước thải, từ
3

hồ sinh học xử lý hiếu khí 0,01 kg/m nước thải.
Bảng 1.1. Bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải [91]
Khối cơng trình xử lý
Bể lắng sơ cấp hoặc bể lắng hai vỏ

Bể lắng đợt 2 sau bể aeroten
Bể lắng đợt 2 sau bể lọc sinh học
nhỏ giọt
Bùn hoạt tính từ hồ sinh học
Sục khí mở rộng
Lọc


Như vậy, bùn phát sinh từ quá trình xử lý sơ cấp có khối lượng lớn hơn so với
các quá trình xử lý khác. Tổng lượng bùn cặn sinh ra từ các công đoạn xử lý nước


9

thải ước tính bằng 5% đến 25% thể tích nước thải xử lý [5], nhưng quản lý bùn rất
phức tạp, chi phí thường từ 20% đến 60% tổng chi phí vận hành cho toàn trạm
XLNT [39].
Trong tương lai gần, khi nước thải tại các đô thị Việt Nam được thu gom và
vận chuyển đến trạm XLNT, cũng như khi các trạm XLNT theo quy hoạch thoát
nước được đưa vào vận hành hết công suất, lượng bùn phát sinh cần phải xử lý sẽ
lớn hơn rất nhiều. Nếu tính lượng chất rắn lơ lửng sinh ra cho một người là 60
g/người.ngày [32], 80% tổng lượng nước thải phát sinh được thu gom xử lý tại các
đô thị đến năm 2025 tầm nhìn đến năm 2050 [26]; dân số Việt Nam năm 2019 là
96,21 triệu người với tỷ lệ đơ thị hóa là 34,4%, theo dự báo dân số Việt Nam 2014
-2049 [31] thì khối lượng bùn phát sinh dự báo ở các đơ thị Việt Nam được tính
tốn phụ thuộc vào số dân đô thị đấu nối nước thải với HTTN trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Dự báo khối lượng bùn phát sinh của các đô thị Việt Nam
phụ thuộc vào % số dân đô thị đấu nối nước thải vào HTTN
TT

Thơng số

1

Tỷ suất tăng dân
số bình qn
hàng năm

2

Dân số cả nước

3
4

5

6

Dân số đô thị
(4=2*3/100)
Chất rắn lơ lửng
sinh ra
Nước thải được
thu gom xử lý
Khối lượng bùn


7

phát sinh khi
100% dân số đô
thị đấu nối vào
HTTN
(7=4*5*6*/100)