Giải pháp tăng sản lượng khí sinh học trong xử lý bùn bằng công nghệ phân hủy kị khí tại trạm xử lý nước thải Yên Sở

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 27 GIẢI PHÁP TĂNG SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ BÙN BẰNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỊ KHÍ TẠI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI YÊN SỞ Phùng Thị Linh, Trần Thùy Chi Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt 1m3 bùn thải trong trạm xử lý nước thải có thể tạo ra 15 m3 biogas và 90 kW năng lượng, đây là một nguồn năng lượng hữu ích và có thể thu hồi để cung cấp cho bản thân trạm xử lý nước thải. Phân hủy bùn kỵ khí là một giải pháp để xử lý bùn thải trong các trạm xử lý nước thải, đồng thời cũng là phương pháp tận dụng được năng lượng. Khí biogas sinh ra trong quá trình xử lý bùn bằng phương pháp này sẽ được thu hồi và cung cấp năng lượng trở lại cho trạm xử lý sẽ tiết kiệm được một phần chi phí vận hành. Để nâng cao hiệu quả tạo khí biogas của quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải từ các trạm xử lý nước thải của hệ thống thoát nước chung, cụ thể tại trạm xử lý nước thải Yên Sở, giải pháp được đưa ra bao gồm: giải pháp về mô hình cân bằng vật chất trong trạm xử lý hướng tới thu hồi năng lượng và các giải pháp tăng hiệu quả cho công trình thu hồi khí sinh học. Đối với giải pháp về hiệu quả công trình, ngoài các biện pháp cải thiện kỹ thuật, điều kiện vận hành của công trình hiện tại, còn bổ sung trực tiếp chất thải hữu cơ bên ngoài nhằm tăng hàm lượng khí sinh học thu hồi. Từ khóa: Thu hồi khí sinh học, phân hủy kị khí, xử lý bùn, xử lý nước thải, trạm xử lý nước thải Yên Sở. Enhanced biogas production from anaerobic digestion of wastewater treatment sludge in Yen So treatment plant Abstract 1m3 of sewage sludge from waste water treatment plant (WWTP) can produce 15m3 of biogas and 90 kW of energy. This is renewable energy source and can be used to generate energy for WWTP. Anaerobic digestion of wastewater sludge is the most widely used sludge treatment method and it’s also the eff ective way to recover energy. In order to enhance biogas production, the solutions proposed include: Material balance model in the treatment plant towards energy recovery and effi ciency improvement solutions for biogas recovery equipments. In addition to the improvement of technical measures and the operating conditions of Yen So waste water treatment plant the effi ciency solution also directly provide extra EMO organic substances in order to enhance biogas recovery. Keywords: Biogas recovery, anaerobic digestion, sludge treatment, wastewater treatment. 1. Đặt vấn đề Cung cấp năng lượng một cách đầy đủ và bền vững đã và đang trở thành mối quan tâm chính khi đề xuất công nghệ cho các trạm xử lý (TXL). Năng lượng cần thiết cho một TXL thường dao động từ 0,3 - 0,9 kWh/m3 nước thải tùy thuộc dây chuyền công nghệ và tính chất nước thải [6]. Trong khi đó, 1m3 bùn thải với độ ẩm 95% có thể tạo ra 15 m3 Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201728 biogas (với thành phần 67% CH 4 , mức năng lượng 6 kWh/m3 biogas) sẽ cho 90 kW năng lượng (Svenskt Gastekniskt CentreAB, 2012). Nếu có thể tận dụng được nguồn năng lượng này để cung cấp năng lượng cho TXL sẽ tiết kiệm được một phần chi phí vận hành cũng như giảm tải cho hệ thống cung cấp năng lượng của thành phố. Phương thức xử lý bùn chủ yếu áp dụng tại các TXL đô thị Việt Nam là khử nước và chở đi chôn lấp. Một số ít TXL có sản xuất phân vi sinh từ bùn sau khi làm khô và ổn định bùn bằng sân phơi bùn. Công nghệ phân hủy kỵ khí để ổn định bùn là một công nghệ phổ biến trên thế giới và hiện nay đã được áp dụng tại TXL Yên Sở. Khí biogas sinh ra từ quá trình xử lý bùn bằng phương pháp này sẽ được thu hồi để cấp lại cho TXL. Phân hủy bùn kỵ khí có thể coi là một giải pháp phù hợp để cải thiện điều kiện môi trường do chất thải rắn và đồng thời cũng tận dụng được năng lượng. Tuy nhiên, tại TXL Yên Sở, lượng bùn còn ít, bể phân hủy bùn để tạo khí biogas hầu như không hoạt động. Do vậy, cần thiết phải có các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả tạo khí biogas (năng lượng) của quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải từ TXL nước thải Yên Sở để thu hồi và tận dụng nguồn tài nguyên và năng lượng này. Điều này sẽ giúp TXL Yên Sở giảm thiểu được năng lượng cần thiết, góp phần bảo vệ môi trường cũng như giảm được chi phí hoạt động cho trạm. 2. Xây dựng mô hình cân bằng vật chất trong trạm xử lý nước thải Yên Sở hướng tới thu hồi năng lượng 2.1. Cơ sở tính toán cân bằng tải lượng Việc tính toán thực hiện cho từng công trình theo thứ tự trong dây chuyền công nghệ, lưu lượng và tải lượng đầu ra của công trình trước sẽ là đầu vào của công trình sau. Cân bằng sinh khối chất rắn được tính toán theo phương pháp tính vòng lặp. Với vòng lặp đầu tiên, giả định tổng lưu lượng dòng nước thải tuần hoàn. Tính toán sẽ cho kết quả dòng nước thải tuần hoàn theo lý thuyết. Cân chỉnh dòng nước thải giả định để không sai số giữa dòng giả định và dòng tính toán. - Phương trình cân bằng tải lượng cho ngăn tiếp nhận: + Cân bằng lưu lượng: Q 1 +Q 2 +Q 3 +Q 15 +Q 16 = Q 4 (m3/ngày) + Cân bằng TSS: TSS 1 +TSS 2 +TSS 3 +TSS 15 +TSS 16 = TSS 4 (m3/ngày) Trong đó: • Q 1 , TSS 1 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng nước thô; • Q 2 , TSS 2 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng rửa song chắn rác; • Q 3 , TSS 3 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng rửa cát; • Q 15 , TSS 15 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng nước bể nén bùn; • Q 16 , TSS 16 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng nước máy ép bùn; • Q 4 , TSS 4 là lưu lượng và tải lượng TSS dòng vào bể SBR; - Phương trình cân bằng tải lượng cho công trình hiếu khí (SBR): + Cân bằng lưu lượng: Q 4 +Q 4a +Q 4b = Q 5 +Q 7 (m3/ngày) + Cân bằng TSS: TSS 4 + TSS 4a + TSS 4b +P x = TSS 5 + TSS 7 (kg/ngày) Trong đó: • Q 4a , TSS 4a là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng cac bon; Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 29 • Q 4b , TSS 4b là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng kiềm; • Q 5 , TSS 5 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng nước sau SBR; • Q 7 , TSS 7 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng bùn thải; • P x sinh khối tạo thành, 0 310 s x obQ[Y ( S )P ]S −= (kg/ngày) • So, S - Chất nền (BOD) dòng đầu vào, và đầu ra kg; • 103- Hệ số chuyển đổi thứ nguyên, g/kg; • Y obs - Hệ số tăng trưởng sinh khối, kg sinh khối/kg chất nền; Tra biểu đồ hình 4 với trường hợp TXL không có lắng 1, thời gian lưu bùn từ 15-20 ngày, Yobs = 0,7 kg/kg. - Phương trình cân bằng tải lượng cho bể nén bùn: + Cân bằng lưu lượng: Q 7 + Q 8 = Q 9 + Q 15 (m3/ngày) + Cân bằng tải lượng: TSS 7 + TSS 8 = TSS 9 + TSS 15 (kg/ngày) Trong đó: • Q 8 , TSS 8 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng polyme; • TSS 9 là tải lượng TSS của dòng bùn sau nén: TSS 9 = (TSS 7 + TSS 8 )*k với k là hiệu quả nén bùn k=0,95; • Q 9 là lưu lượng của dòng bùn sau nén, Q 9 = TSS 9 / (*N 9 ) (m3/ngày) với tỷ trọng bùn, 1000 kg/m3; N 9 nồng độ bùn - Phương trình cân bằng tải lượng cho bể ổn định kị khí + Cân bằng lưu lượng: Q 9 = Q 10 + Q 11 (m3/ngày) + Cân bằng tải lượng: TSS 9 = TSS 10 + TSS 11 (m3/ngày) Trong đó: • Q 10 là lưu lượng của dòng khí biogas; Q 10 = TSS 10 * 0,9 • Tỷ trọng sản phẩm biogas là 0,9 m3/m3VSS suy giảm; • TSS 10 là tải lượng VSS suy giảm trong bể ổn định, TSS 10 = TSS 9 * 0,65 * 0,45 với tỷ lệ VSS 65%; Tỷ lệ suy giảm VSS: RR VSS = 45%; - Phương trình cân bằng tải lượng cho máy ép bùn + Cân bằng lưu lượng: Q 11 + Q 12 = Q 13 + Q 16 (m3/ngày) + Cân bằng tải lượng: TSS 11 + TSS 12 = TSS 13 + TSS 16 (m3/ngày) Trong đó: Q 12 , TSS 12 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng polymer; • Q 13 , là thể tích của dòng bùn khô; Q 13 =TSS 13 /(1,05*20%*1000) • Q 16 , TSS 16 là lưu lượng và tải lượng TSS của dòng nước từ máy ép bùn; • TSS 13 là tải lượng TSS của bùn khô; TSS 13 = (TSS 11 + TSS 12 )*0,95 • Tỷ lệ thể tích bùn cặn 20%, hiệu quả nén bùn nhỏ nhất 95% 2.2. Tính toán cân bằng tải lượng cho trạm xử lý nước thải Yên Sở Tính toán cân bằng tải lượng với thành phần nước thải thực tế: BOD=55 mg/l, TSS=50 mg/l. Kết quả tính toán được thể hiện trong hình dưới đây Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201730 H ình 1. Sơ đồ cân bằng tải lư ợng với nồng độ hiện trạng Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 2017 31 Từ sơ đồ cân bằng tải lượng trên ta thấy, lượng khí biogas tạo thành ít, chỉ tạo ra 769 m3/ngày nên năng lượng nhiệt tạo thành không đủ bù đắp cho năng lượng để duy trì môi trường cho bể kỵ khí hoạt động ổn định. Vì vậy, cần có giải pháp để gia tăng lượng khí sinh học tạo thành trong điều kiện nồng độ nước thải thực tế. 3. Giải pháp thêm chất thải hữu cơ (EMO) nhằm tăng hiệu quả thu hồi khí sinh học công trình ổn định kị khí bùn, tram xử lý nước thải Yên Sở Sản lượng khí sinh học có thể được tăng lên bằng cách bổ sung các chất hữu cơ. Như các nhận xét về đặc tính nước thải đầu vào có thể nhận thấy rằng nguyên nhân chủ yếu của sản lượng khí thấp ở TXL Yên Sở là tải lượng chất hữu cơ trong bùn thấp. H ình 2.Biểu đồ cân bằng sinh khối khi bổ sung thêm EO M Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 17 - năm 201732 Có thể bổ sung thêm EOM cho dòng đầu vào TXL, cũng có thể bổ sung thêm EOM cho giai đoạn xử lý bùn cặn. Giải pháp bổ sung EOM cho dòng bùn có thể kết hợp để xử lý lượng hữu cơ lớn có trong bùn thải nhà vệ sinh hoặc rác thải sinh hoạt, mặt khác không ảnh hưởng tới chất lượng nước thải đầu ra của TXL. Khi đó, quá trình phân hủy đồng thời chất thải hữu cơ và bùn sẽ có lợi cho quá trình phân hủy kỵ khí do đảm bảo được các yếu tố vi lượng cần thiết cho vi sinh vật phân hủy bùn. Tỷ lệ bổ sung bùn tự hoại và chất hữu cơ được tính toán căn cứ vào tỷ lệ đã được nghiên cứu, theo thể tích lần lượt là 65% bùn TXL, 24% bùn bể tự hoại và 11% chất hữu cơ [1]. Khi đó, TXL Yên Sở sẽ vận hành theo kịch bản đã tính toán nồng độ cao nhất ứng với BOD=250 mg/l, TSS=300 mg/l. Kết quả tính toán được thể hiện trong hình 2. Như vậy, theo tính toán thì lượng khí biogas tạo thành là 6998 m3/ngày, gấp 9,1 lần lượng khí tạo thành ở điều kiện nồng độ hiện tại. Như vậy có thể thấy phương pháp bổ sung EOM là một giải pháp có tính khả thi cao. 4. Kết luận Qua tính toán sản lượng khí sinh học của trạm xử lý nước thải Yên Sở với điều kiện nước thải thực tế hiện nay lượng khí sinh học là 769 m3/ ngày. Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với 6998 m3/ ngày khi bổ sung EOM vào dòng bùn. Qua kết quả tính toán nâng cao sản lượng khí sinh học cho TXL Yên Sở cho thấy nhiều giải pháp có thể áp dụng, trong đó giải pháp ổn định phân hủy kỵ khí, có bổ sung hỗn hợp chất thải hữu cơ (bùn bể tự hoại 24%, rác hữu cơ 11%) ở chế độ lên men nóng có nhiều điểm ưu việt. Sau khi phân loại rác tại nhà máy, thành phần vô cơ được vận chuyển đến bãi chôn lấp, thành phần hữu cơ được ủ kỵ khí kết hợp với bùn bể tự hoại, bùn từ TXL nước thải để thu hồi biogas, bã bùn sử dụng làm phân bón nông nghiệp, hoặc làm khô rồi đốt để phát điện. Giải pháp này cũng giảm thiểu lượng khí nhà kính khi sử dụng công nghệ lên men compost hiện đang được áp dụng. Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng xử lý bùn cặn bằng phương pháp kỵ khí để thu hồi khí sinh học, tiến tới xử lý kết hợp bùn của TXL nước thải với các dòng chất thải giàu hữu cơ, là hướng đi cần cân nhắc khi lựa chọn công nghệ và định hướng quy hoạch quản lý chất thải đô thị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Việt Anh và cộng sự (2014), Đánh giá khả năng xử lý kết hợp để nâng cao hiệu quả khai thác các công trình hạ tầng kỹ thuật và thu hồi tài nguyên từ chất thải đô thị, Tạp chí Cấp thoát nước Việt Nam Số 1+2(93+94), 2014. Trang 62 - 67.; [2]. Trần Đức Hạ (2009), Xử lý nước thải đô thị, NXB Khoa học và Kỹ thuật; [3]. Cao Vũ Hưng (2014), Nghiên cứu sự chuyển hóa một số yếu tố gây ô nhiễm trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng, Luận án tiến sỹ hoá học, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội; [4]. MetCaft, Eddy (2003), Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, McGraw Hill Higher Education; [5]. Biogasmax, Integrated project no. 019795 (2010), Increased Biogas Production at The Henriksdal WWTP; [6]. Christoph Brepols (2011), Operation of big scale membranes in municipal wastewater treatment plant; [7]. SANDEC (2014), Anaerobic digestion of Bowaste in developing country, Eawag - Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology Department of Water and Sanitation in Developing Countries (Sandec); BBT nhận bài: 15/7/2017; Phản biện xong: 20/8/2017