1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN THU HUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI CHO CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM – NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI MÃ SỐ: 62.58.70.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2010 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN THU HUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI CHO CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM – NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI MÃ SỐ: 62.58.70.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ng−êi h−íng dÉn khoa häc 1. PGS. TS. NguyÔn ThÞ Kim Th¸i 2. PGS. TS. øng quèc dòng HÀ NỘI – NĂM 2010 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào. NGHIÊN CỨU SINH 4 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Thi Kim Thái, PGS.TS. Ứng Quốc Dũng ñã hết lòng chỉ bảo, giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận án. Xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất tới các thầy cô thuộc Bộ môn Cấp thoát nước, Bộ môn Quản lý môi trường, Trung tâm MTDT và Khu công nghiệp, Viện Khoa học Môi trường, Đại học XD, ñặc biệt thầy GS. TS. Trần Hiếu Nhuệ, PGS. TS. Trần Thi Hường, PGS. TS. Trần Đức Hạ ñã tận tình giúp ñỡ, chỉ bảo, giành nhiều thời gian trao ñổi ñể tác giả hoàn thành công trình này ñồng thời góp ý những ý kiến quý báu giúp tác giả xác ñịnh hướng nghiên cứu một cách ñúng ñắn. Xin chân thành cám ơn tòan thể các thầy cô giáo ñồng nghiệp thuộc Bm CTGTCC và Viện KHMT GT trường ĐH GTVT ñã ñộng viên, giúp ñỡ, tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu này. Đặc biệt, tôi xin trân trọng cám ơn ba mẹ và gia ñình tôi ñã hết lòng , hết sức giúp tôi có ñược hậu phương vững chắc , ñã tạo ñiều kiện thuận lợi, ñộng viên tinh thần, giúp tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. 5 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC BẢNG 9 DANH MỤC HÌNH 10 MỞ ĐẦU 12 1. Sự cấp thiết của luận án 12 2. Đối tượng, phạm vi, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án 12 3. Những ñóng góp mới của luận án 14 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 14 5. Bố cục của luận án 14 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 16 1.1 Quá trình Hình thành và tính chất phân bùn bể tự hoại 16 1.2 Quản lý phân bùn bể tự hoại tại các ñô thị trên thế giới 19 1.2.1 Tổng quan về thu gom phân bùn bể tự hoại trên thế giới 19 1. 2.2 Các biện pháp xử lý phân bùn bể tự hoại 20 1.3 Quản lý phân bùn bể tự hoại tại Việt Nam 33 1.3.1 Tổng quan chung về hệ thống quản lý phân bùn ở các ñô thị của Việt Nam 33 1.3. 2 Mô hình quản lý phân bùn từ bể tự hoại ở Việt Nam 50 1.3.3 Các vấn ñề vệ sinh môi trường liên quan ñến quản lý phân bùn bể tự hoại 53 1.4 Kết luận chương I 60 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 62 2.1. Nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm của quá trình ủ phối trộn chất thải rắn hữu cơ với phân bùn bể tự hoại 62 2.1.1 Nguyên liệu của quá trình ủ 62 2.1.2 Yêu cầu chất lượng phân hữu cơ 66 2.2. Khái niệm cơ bản về quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí chất hữu cơ 67 2.3 Cơ chế của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ 68 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ 72 2.4.1 Nhiệt ñộ và thời gian 72 2.4.2 Độ ẩm 74 2.4.3 Ảnh hưởng của pH 74 2.4.4 Độ thoáng khí và phân phối Oxy 75 2.4.5 Thành phần vật liệu ủ 77 2.4.6 Kích thước vật liệu ủ 79 2.4.7 Hệ sinh thái trong ñống ủ 79 2.5 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ 85 2.5.1 Phản ứng chuyển hóa sinh học 85 2.5.2 Mô hình chuyển hóa chất thải rắn hữu cơ 86 2.5.3 Phương trình ñộng học của quá trình tiêu thụ oxy 93 2.6. Cân bằng vật chất trong quá trình ủ hiếu khí: 95 2.7 Kết luận chương II 98 Chương 3: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHỐI TRỘN PHÂN BÙN VỚI CHẤT THẢI HỮU CƠ TẠI NHÀ MÁY SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ CẦU DIỄN 100 3.1. Mục ñích thí nghiệm 100 3.2 Mô hình thí nghiệm 101 3.2.1 Vị trí xây dựng mô hình 101 6 3.2.2 Mô hình bể ủ 101 3.2.3 Mô hình thùng ủ 102 3.3 Nội dung thí nghiệm 103 3.3.1 Thí nghiệm xác ñịnh tỷ lệ phối trộn tối ưu 103 3.3.2 Thí nghiệm xác ñịnh chế ñộ thổi khí tối ưu 104 3.3.3 Nguyên liệu thí nghiệm 104 3.3.4 Trình tự thí nghiệm 105 3.4 Phương pháp lấy mẫu và phân tích trong các thí nghiệm 106 3.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 107 3.5.1 Thí nghiệm xác ñịnh tỷ lệ phối trộn tối ưu 107 3.5.2 Thí nghiệm xác ñịnh chế ñộ thổi khí tối ưu 110 3.5.3 So sánh giữa phân hữu cơ hiện ñang sản xuất tại Cầu Diễn với phân hữu cơ sản xuất theo tỷ lệ phối trộn và chế ñộ thổi khí ñã lựa chọn 130 3.6. Nghiên cứu phương trình ñộng học quá trình ủ sinh học 132 3.7 Kết luận chương 3 136 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 138 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC 7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu ô-xy sinh hoá COD Nhu cầu ô-xy hoá học DONRE Sở Tài nguyên và Môi trường EMP Kế hoạch quản lý môi trường EAWAG Viện Liên Bang Thuỵ Sỹ về khoa học và công nghệ môi trường ESTNV II Dự án Tăng cường năng lực cho công tác giáo dục, ñào tạo và nghiên cứu trên lĩnh vực khoa học và công nghệ môi trường tại miền Bắc Việt Nam – Giai ñoạn II EU Cộng ñồng Châu Âu FWS Bãi lọc ngập nước bề mặt GIS Hệ thống thông tin ñịa lý HSDC Công ty Thoát nước Hà Nội MFA Phân tích dòng luân chuyển vật chất ODA Trợ giúp từ nước ngoài SANDEC Khoa nước và vệ sinh ở các nước ñang phát triển SadCo Công ty thoát nước Hải Phòng SAN TreCycling Hệ thống xử lý và tái chế phân bùn công nghệ cao SS Chất rắn lơ lửng TOC Tổng cácbon hữu cơ 8 TS Tổng chất rắn TVS Tổng chất rắn dễ bay hơi/không ổn ñịnh TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCCP Tiêu chuẩn cho phép URENCO Công ty Môi trường ñô thị UBND Uỷ ban nhân dân WHO Tổ Chức Y tế Thế giới 9 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần có trong sản phẩm bài tiết của người . 17 Bảng 1.2. Khối lượng phân bùn tạo thành theo ñầu người trong một ngày từ các loại công trình vệ sinh tại chỗ khác nhau 17 Bảng 1.3 Thành phần hữu cơ của phân bùn từ các công trình vệ sinh khác nhau 18 Bảng 1.4. Phân bùn từ các hệ thống vệ sinh tại chỗ ở những nước có khí hậu nhiệt ñới: ñặc tính, phân loại và so sánh với nước thải sinh hoạt vùng nhiệt ñới 18 Bảng 1.5 Tỷ lệ dân cư ñô thị ñược phục vụ bởi các hệ thống vệ sinh tại chỗ 19 Bảng:1.6. Cơ chế xử lý phân bùn trong bãi lọc trồng cây 25 Bảng:1.7. Các thông số của hệ thống SAN-TreCycling sau các công ñoạn khác nhau 29 Bảng:1.8. Khả năng khử một số mầm bệnh có nguồn gốc từ phân 31 Bảng 1.10. Các dạng công trình vệ sinh tại Thành phố Thái nguyên 36 Bảng 1.11 Năng lực thiết bị thu gom phân bùn hiện có của Công ty 38 Bảng 1.12. Mô tả ñặc ñiểm của khu xử lý phân bùn tại Nam Định 38 Bảng 1.13. Số lượng và ñặc ñiểm của chất thải sinh học ñược qua xử lý ở khu xử lý bãi lọc trồng cây 39 Bảng 1.14. Lượng phân bùn dự kiến ñược thu gom tới năm 2010 41 Bảng 1.15. Hệ thống vệ sinh ở Thành phố Hà Nội 45 Bảng 1. 16. Khối lượng phân bùn do Công ty MTĐT thu gom từ 2000 ñến 2007 47 Bảng 1. 17. Lượng bùn bể tự hoại ñược ñưa ñến khu xử lý tại Cầu diễn 48 Bảng 1.18. Các số liệu về tỷ lệ công trình vệ sinh ñến năm 2010 51 Bảng 2.1 Thành phần chất thải rắn tại một số ñô thị ñiển Hình ở Việt nam 63 Bảng 2.2: Thành phần của các cấu tử hữu cơ rác ñô thị. 64 Bảng 2.4 Tiêu chuẩn ngành cho phân hữu cơ vi sinh chế biến từ rác thải sinh hoạt 67 Bảng 2.5. Một số loài vi sinh vật gây bệnh trong chất thải hữu cơ 81 Bảng2.6. Phân loại sinh vật theo cấu trúc tế bào 82 Bảng 2.7. Phân loại vi sinh theo cơ chất và năng lượng 83 Bảng 2.8. Thành phần hóa học của một số vi sinh vật (%) 84 Bảng 2.9. Bảng thống kê các thông số vật chất trong quá trình ủ 98 10 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Quá trình hình thành phân bùn trong bể tự hoại 16 Hình 1.2. Xử lý phân bùn với các phương án chi phí thấp và vừa. 21 Hình1.3. Sơ ñồ sân phơi bùn . 21 Hình1.5. Sơ ñồ nguyên tắc hoạt ñộng của bãi lọc ngập nước bề mặt 24 Hình1.6. Sơ ñồ nguyên tắc hoạt ñộng của bãi lọc ngầm dòng chảy ngang 24 Hình1.7. Sơ ñồ nguyên tắc hoạt ñộng của bãi lọc dòng chảy thẳng ñứng 24 Hình1.8. Sơ ñồ công nghệ xử lý sơ bộ phân bùn tại trạm xử lý phân bùn tại Achimota Accra/Ghana. 26 Hình1.9. Sơ ñồ một số bể ổn ñịnh và nén bùn 27 Hình1.10. Sơ ñồ Xử lý bằng bể phân huỷ kị khí 27 Hình1.11. Sơ ñồ hệ thống xử lý và tái chế phân bùn ( hệ thống SAN TreCycling) 28 Hình1.12. Khả năng tiêu diệt trứng giun sán trong quá trình ủ 32 Hình 1.13. Sơ ñồ xử lý phân bùn bể tự hoại tại Cầu Diễn 49 Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống thu gom phân bùn bể tự hoại 51 Hình 1.15. Các vấn ñề liên quan tới quản lý phân bùn không hợp lý 55 Hình 1.16. Con ñường lây nhiễm bệnh tật qua một số loại giun sán ñiển hình 58 Hình 1.18. Mối quan hệ giữa mầm bệnh với vật chủ và các hướng có khả năng lây lan của bệnh tật qua phân 59 Hình 2.1. Cơ chế quá trình phân giải hợp chất hữu cơ 69 Hình 2.2. Quá trình phân hủy chất thải hữu cơ 71 Hình 2.3. Biểu ñồ các giai ñoạn phát triển của các vi sinh vật trong ñống ủ theo thời gian và nhiệt ñộ 74 Hình 2.4: Biểu ñồ sự biến ñổi pH trong ñống ủ theo thời gian 75 Hình 2.5 : Biểu ñồ lượng oxy tiêu thụ theo thời gian 76 Hình 2.6: Biểu ñồ quan hệ giữa tỷ lệ C/N và nhiệt ñộ ñống ủ theo thời gian 78 Hình 2.6: Chuỗi thức ăn trong ñống ủ 80 Hình 2.7: Biểu ñồ tốc ñộ tăng trưởng của vi sinh theo thời gian 92 Hình 2.8: Sơ ñồ các pha rắn – lỏng – khí trong ñống ủ. 93 Hình 2.9: Sơ ñồ khuếch tán pha lỏng – khí trong ñống ủ 94 Hình 2.10. Sơ ñồ mô phỏng các sản phẩm ñầu vào và ñầu ra và các quá trình gốc, ñích khi phân tích 1 hệ thống 95 Hình 2.11. Sơ ñồ mô tả sự phân phối khối lượng ñầu vào trong các sản phẩm của một quá trình 96 Hình 2.12. Các yếu tố trong quá trình ủ vi sinh hiếu khí 97 Hình. 3.1. Thiết kế mô hình bể ủ 101 Hình 3.2 Mô hình bể ủ ñược xây dựng ngoài hiện trường 102 Hình 3.3. Sân phơi bùn 102 Hình 3.4. Thiết kế Mô hình thùng ủ 103 Hình 3.5. Đĩa ñỡ vật liệu ủ nhìn từ trên xuống 103 Hình 3.6. Thiết bị ño lưu lượng khí 103 Bảng 3. Chế ñộ thổi khí áp dụng trong các thí nghiệm 104 Hình 3.7. Sự thay ñổi chiều cao lớp rác với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 107 Hình 3.8 Sự thay ñổi nhiệt ñộ trong quá trình ủ với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 108 Hình 3.9 Sự biến ñổi về ñộ ẩm trong quá trình ủ với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 108 Hình 3.10 Sự biến ñổi C/N trong quá trình ủ với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 109 Hình 3.11. Sự dao ñộng của nhiệt ñộ trong ñống ủ theo thời gian ủ khi thổi khí theo chế ñộ nhà sản xuất hướng dẫn (chế ñộ thổi khí 1)với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 111 [...]... nh m nõng cao hi u qu x lý v lm c s ph c v cho vi c thi t k , v n hnh cỏc cụng trỡnh trong dõy chuy n x lý ph i tr n 2.3 N i dung chớnh c a ủ ti: - Nghiờn c u t ng quan v thu gom v x lý phõn bựn trờn th gi i v Vi t Nam lm c s ủ l a ch n cụng ngh x lý phự h p v i ủi u ki n thnh ph H N i; - Nghiờn c u c s lý thuy t c a quỏ trỡnh chuy n húa sinh h c c a cỏc ch t th i r n h u c ; - Nghiờn c u x lý ph i tr... t x lý ph i tr n phõn bựn b t ho i v i ch t th i r n h u c t i cỏc nh mỏy ch bi n phõn h u c l m t trong nh ng nghiờn c u ủ u tiờn ủ c th c hi n t i Vi t Nam X lý ph i tr n phõn bựn b t ho i b i cỏc lý do sau ủõy: + T n d ng v thu h i cỏc ch t dinh d ng cú trong phõn bựn nh m ph c v cho nụng nghi p; + K t h p gi i quy t x lý phõn bựn t i cỏc c s x lý ch t th i r n l m t trong nh ng phng th c x lý tri... thu t khỏc X lý ph i tr n v i bựn c ng rónh X lý n c th i X lý ph i tr n v i n c th i Ngu n n c N c th i Hỡnh 1.2 X lý phõn bựn v i cỏc phng ỏn chi phớ th p v v a [48] Cụng ngh x lý phõn bựn cú th k t h p hai hay nhi u phng phỏp x lý khỏc nhau ph thu c vo ủi u ki n v m c tiờu x lý c a t ng vựng 1.2.2.1 Lm khụ t i sõn phi bựn v bói l c tr ng cõy Sõn phi bựn ( Hỡnh 1 3) v bói l c tr ng cõy cho phộp tỏch... nguyờn li u cho quỏ trỡnh phõn hu k khớ, quỏ trỡnh ny lm phỏt sinh ra khớ sinh h c CH4 cú th thu h i lm nhiờn li u Tuy nhiờn vi c x lý b ng b phõn hu k khớ cú nh c ủi m: xõy d ng t n kộm, qu n lý ph c t p Ngoi CH4, quỏ trỡnh k khớ cũn sinh ra r t nhi u ch t th i l ng, yờu c u ph i x lý Hỡnh1.10 S ủ X lý b ng b ti p t c phõn hu k khớ 27 1.2.2.4 X lý v tỏi ch phõn bựn cụng ngh cao H th ng x lý v tỏi ch... kộm v yờu c u trỡnh ủ qu n lý cao kh c ph c c n tr trờn, hi n nay cỏc phng phỏp x lý phõn bựn chi phớ th p ủang ủ c nghiờn c u, g m cú cỏc phng phỏp ủ c mụ t 20 Hỡnh 1.2 Nụng nghi p nghi p Phõn mựn Quy trỡnh x lý ch t th i r n X lý ph i tr n compost v i CTHC X lý ph i tr n compost v i CTHC Bói l c cú tr ng cõy Bói l c cú tr ng cõy Sõn phi bựn Sõn phi bựn B l ng nộn bựn X lý ph i tr n n c th i H l... - a ra ủ c gi i phỏp x lý phõn bựn b t ho i phự h p v i ủi u ki n c a cỏc ủụ th Vi t Nam núi chung v cho thnh ph H N i núi riờng - Xỏc ủ nh ủ c cỏc thụng s c b n c a quỏ trỡnh x lý ph i tr n phõn bựn v ch t th i r n h u c: t l ph i tr n, ch ủ c p khớ, h ng s t c ủ phõn h y - ng d ng ủ c k t qu nghiờn c u ủ nõng cao hi u qu x lý phõn bựn t b t ho i ỏp d ng c th ủ i v i vi c x lý t i nh mỏy Phõn h u... d ng ủ c ủ x lý phõn ti, phõn cú th i gian lu gi ng n Cỏc lo i phõn ny ch a hm l ng Nit cao, ngn c n quỏ trỡnh ho t ủ ng c a cỏc vi sinh v t Nh c ủi m c a vi c x lý b ng b n ủ nh v nộn bựn l c n cú bi n phỏp x lý th c p cho c n v n c ra, th i gian lu n c di ( t i thi u l 1 thỏng) do ủú d n ủ n yờu c u di n tớch ủ t ủ x lý cng tng ủ i l n Hỡnh1.9 S ủ m t s b n ủ nh v nộn bựn 1.2.2.3 X lý b ng b phõn... thỏch th c ủ i v i chớnh quy n v ng i dõn t i cỏc ủụ th V i nh ng lý do trờn, Lu n ỏn ti n s NGHIấN C U GI I PHP NNG CAO HI U QU QU N Lí PHN BN B HO I CHO CC ễ TH VI T NAM T NGHIấN C U I N HèNH CHO THNH PH H N I mang tớnh c p thi t nh m gúp ph n nghiờn c u lm rừ nh ng c s khoa h c ph c v cụng tỏc qu n lý phõn bựn b t ho i cỏc ủụ th Vi t Nam 2 i t ng, ph m vi, m c tiờu, n i dung v phng phỏp nghiờn c... cụng ngh cao (H th ng SAN Tre-Cycling) ủang ủ c ỏp d ng t i Nh t b n l h th ng t ng h p cú th x lý cỏc lo i bựn h u c t tr ng cao bao g m: Phõn ti t cỏc cụng trỡnh v sinh, bựn Jokaso, bựn b t ho i, bựn c ng, bựn th c n cụng nghi p, rỏc nh b p v ph th i ủ ng v t Tr m x lý c a h th ng SAN TreCycling cú th x lý bựn ủó thu gom, phõn b c ti, ph th i t th c ph m, v ph th i ủ ng v t S ủ cụng ngh x lý ủ c th... pha + Bựn ho t tớnh 20 l n 20 l n Ni t 10 l n Kh Ni Kh Ni t t t c ủ t c ủ cao cao ho t tớnh 20 l n Kh cú mng 1,5 3 1,5 l n l n loóng N c x ra 60 20 20 20 20 10 SS (mg/l) 100 70 70 70 40 5 T-N (mg/l) - - - 20 20 20 BOD (mg/l) H th ng x lý phõn bựn b c cao ủ kh Nit n ng ủ cao b ng mng bao g m: Thi t b ti p nh n v sng l c ti n x lý, Thi t b ph n ng sinh h c ủ u tiờn bao g m kh Nit, Nitrat húa v phõn tỏch . ñược phục vụ bởi các hệ thống vệ sinh tại chỗ [49] . Đô thị Tỷ lệ % Manila Phipippines (Thị trấn) Bangkok Ghana Tanzania Latin America Metro Buenos Aires 78 98 65 85 >85 . ủ theo thời gian và nhiệt ñộ 74 Hình 2.4: Biểu ñồ sự biến ñổi pH trong ñống ủ theo thời gian 75 Hình 2.5 : Biểu ñồ lượng oxy tiêu thụ theo thời gian 76 Hình 2.6: Biểu ñồ quan hệ giữa tỷ. mình. 5 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC BẢNG 9 DANH MỤC HÌNH 10 MỞ ĐẦU 12 1. Sự cấp thiết của luận án 12 2. Đối tượng, phạm vi, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên