Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… i BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LÊ THỊ KIM OANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN CẶN SINH HỌC TỪ CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM TRONG GIAI ðOẠN TIỀN XỬ LÝ YẾM KHÍ CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mà SỐ : 60.44.03.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ðỖ NGUYÊN HẢI HÀ NỘI, NĂM 2013 i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… ii LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác. Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Lê Thị Kim Oanh i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi còn nhận ñược sự quan tâm, giúp ñỡ tận tình từ phía Nhà trường, gia ñình và bạn bè. Tôi xin ñược bày tỏ sự cảm ơn trân trọng nhất tới giáo viên hướng dẫn khoa học Thầy giáo PGS.TS ðỗ Nguyên Hải ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự góp ý chân thành của thầy giáo TS. Trịnh Quang Huy và thầy, cô giáo trong khoa Tài nguyên và Môi trường, Viện ðào tạo sau ñại học, nhà trường ðại học Nông Nghiệp - Hà Nội ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn ñến thầy cô và cán bộ phòng phân tích Jica, phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ môi trường - khoa Tài nguyên và Môi trường ñã tạo ñiều kiện thuận lợi, giúp ñỡ tôi trong thời gian thực hiện ñề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới gia ñình, ñồng nghiệp và bạn bè ñã tạo ñiều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện ñề tài. Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Ngày 30 tháng 10 năm 2013 Tác giả luận văn Lê Thị Kim Oanh i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… iv MỤC LỤC Lời cam ñoan I Lời cảm ơn III Mục lục IV Danh mục các chữ viết tắt VI Danh mục bảng VII Danh mục hình VIII Phần I 1 MỞ ðẦU 1 1.1. Tính cấp thiết của ñề tài. …………………………………………………… 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.3. Yêu cầu 2 Phần II. 3 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 3 2.1. Khái quát về bùn thải và các vấn ñề môi trường phát sinh từ bùn thải 3 2.1.1. Khái niệm bùn thải và bùn thải sinh học 3 2.1.2. Một số tính chất cơ bản của bùn thải 4 2.1.3. Các vấn ñề về quản lý và xử lý môi trường phát sinh từ bùn thải 6 2.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy bùn thải trong ñiều kiện yếm khí và sự chuyển hóa thành CH 4 9 2.2.1. Khái niệm và cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí 9 2.2.2. Những yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình phân hủy yếm khí 12 2.3. Giới thiệu chung về sóng siêu âm 14 2.3.1. Khái quát chung về sóng siêu âm 14 2.3.2. Cơ sở khoa học tác ñộng của sóng siêu âm 17 2.3.3. Những nghiên cứu về sự biến ñổi vật lý, hóa học của bùn thải dưới tác ñộng của sóng siêu âm 20 2.3.3.1. Sự biến ñổi về các ñặc tính vật lý của bùn thải 20 2.3.3.2. Sự biến ñổi về các ñặc tính hóa học của bùn thải 23 2.3.4. Nghiên cứu về tác dụng của sóng siêu âm ñến quá trình phân hủy yếm khí . 28 Phần III 31 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 31 3.1.1. ðối tượng nghiên cứu 31 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu 31 i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… v 3.2. Nội dung nghiên cứu 31 3.3. Phương pháp nghiên cứu 31 3.3.1. Phương pháp ñiều tra thu thập số liệu thứ cấp 31 3.3.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 32 3.3.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm 32 3.3.4. Phương pháp tiến hành thí nghiệm 35 3.3.5. Phương pháp phân tích mẫu 36 3.3.6. Phương pháp so sánh 36 3.3.7. phương pháp xử lý số liệu 36 Phần IV 37 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 37 4.1. Một số ñặc tính của bùn cặn trong nghiên cứu 37 4.2. Ảnh hưởng của quá trình xử lý bằng sóng siêu âm tới thành phần và tính chất bùn thải sinh học 38 4.2.1. Biến ñổi tính chất vật lý của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm 38 4.2.1.1. Sự phân tán cấu trúc bùn dưới tác ñộng của sóng siêu âm 38 4.2.1.2. Sự gia tăng ñộ ñục dưới tác dụng của sóng siêu âm 45 4.2.2. Biển ñổi tính chất hóa học của bùn thải dưới tác dụng của sóng siêu âm 47 4.3. ðánh giá hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí bùn thải sinh học dưới tác ñộng của sóng siêu âm 51 4.3.1. Giá trị COD 51 4.3.2. Sự chuyển hóa thành CH4 57 Phần V 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 5.1. Kết luận 64 5.2. Kiến nghị 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC …………………………………………………….………………… 71 i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Ý nghĩa 1 CB Mẫu bùn thải nhà máy chế biến thực phẩm 3 CDM Cơ chế phát triển sạch 3 CN Mẫu bùn thải chăn nuôi 4 CN-SH Mẫu bùn thải chăn nuôi – sinh hoạt 5 COD Nhu cầu ôxy hóa hóa học chất hữu cơ khó phân hủy 6 DD ðộ phẫn rã của bùn thải 7 sCOD Nhu cầu oxy hóa hóa học chất hữu cơ khó phân hủy dạng hòa tan 8 TS Tổng chất thải rắn 9 VS Chất béo dễ bay hơi 10 UNFCCC Công ước khung của Liên hợp quốc về biến ñổi khí hậu 11 WHO Tổ chức y tế Thế giới i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Một số ñặc tính của bùn sơ cấp và thứ cấp 6 Bảng 2.2: Các chất dinh dưỡng cho hoạt ñộng sống của vi sinh vật 13 Bảng 2.3: Một số nghiên cứu ñiển hình về tác dụng của sóng siêu âm ñến sự phân hủy bùn thải 30 Bảng 3.1: Các công thức thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu 34 Bảng 4.1: Một số tính chất của bùn thải trong nghiên cứu 37 Bảng 4.2: Sự biến ñổi kích thước bông bùn trung bình dưới tác ñộng của sóng siêu âm 39 Bảng 4.3: Kết quả phân tích ñộ ñục của bùn thải trước và sau khi tác ñộng bằng sóng siêu âm 45 Bảng 4.4: Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học trước và sau siêu âm 47 Bảng 4.5: Kết quả phân tích COD trước và sau ủ 51 Bảng 4.6: Hiệu suất xử lý COD sau quá trình phân hủy yếm khí với các thời gian siêu âm khác nhau trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải sinh học 53 Bảng 4.7: Nồng ñộ và hiệu suất chuyển hóa CH 4 trước và sau ủ với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau 58 i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… viii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Quá trình phát sinh Mêtan từ các hợp chất cao phân tử 12 Hình 2.2: Phân loại theo dải tần số sóng 16 Hình 2.3: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bóng khí trong môi trường lỏng 19 Hình 3.1: Sơ ñồ bố trí thí nghiệm 34 Hình 4.1: Cấu trúc bùn thải trước khi siêu âm 43 Hình 4.2: Mẫu bùn thải sau 15 phút siêu âm 44 Hình 4.3: Mẫu bùn thải sau 30 phút siêu âm 44 Hình 4.4: Mẫu bùn thải sau 45 phút siêu âm 45 Hình 4.5: Sự gia tăng ñộ ñục của mẫu qua các khoảng thời gian siêu âm khác nhau 46 Hình 4.6: Sự gia tăng nồng ñộ sCOD sau tác ñộng sóng siêu âm 48 Hình 4.7: Sự gia tăng nồng ñộ NH 4 + sau khi tác ñộng bởi sóng siêu âm 49 Hình 4.8: Sự gia tăng nồng ñộ PO 4 3- sau khi tác ñộng bởi sóng siêu âm 50 Hình 4.9: Sự suy giảm nồng ñộ COD sau ủ tại các thời gian siêu âm khác nhau trong giai ñoạn tiền xử lý 52 Hình 4.10: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CB 54 Hình 4.11: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN 55 Hình 4.12: Nồng ñộ COD và hiệu suất xử lý COD với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN-SH 56 Hình 4.13: Nồng ñộ CH 4 và hiệu suất chuyển hóa CH 4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CB 59 Hình 4.14: Nồng ñộ CH 4 và hiệu suất chuyển hóa CH 4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN 61 Hình 4.15. Nồng ñộ CH 4 và hiệu suất chuyển hóa CH 4 với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau sau khi ủ yếm khí của mẫu bùn thải CN-SH 62 i Trư ờ ng ð ạ i h ọ c Nông nghi ệ p Hà N ộ i – Lu ậ n v ă n th ạ c s ỹ khoa h ọ c N ô ng nghi ệ p ……………………… 1 PHẦN I. MỞ ðẦU 1.1. Tính cấp thiết của ñề tài Hiệu ứng nhà kính, biến ñối khí hậu ñã và ñang trở thành một vấn ñề nóng của toàn cầu. ðứng trước những mối hiểm họa này, hàng loạt các chính sách, văn bản pháp lý, ñã ñược nhiều nước trên thế giới ñề xuất và thực thi, với mục tiêu chung nhằm giảm thiểu lượng khí nhà kính, ñẩy mạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Tại Hội nghị thượng ñỉnh của Liên hợp quốc về Môi trường và Phát triển ở Rio de Janeiro, Braxin, tháng 6 năm 1992, Công ước khung của Liên hợp quốc về biến ñổi khí hậu (UNFCCC) ñã ñược 155 nước trên thế giới, trong ñó có Việt Nam ký kết tham gia. Vào ngày 25 tháng 9 năm 2002, Việt Nam ñã tham gia ký kết vào Nghị ñịnh thư Kyoto. Là nước ñang phát triển, Việt Nam có cơ hội tham gia vào thị trường khí thải toàn cầu thông qua Cơ chế phát triển sạch (CDM), ñã ñược quy ñịnh cụ thể trong Nghị ñịnh thư Kyoto. Hiện nay, Việt Nam ñang là 1 trong 10 nước ñược ñánh giá là có tiềm năng về CDM với 10 dự án CDM ñăng ký. ðể tiếp tục phát huy thế mạnh này cũng như vì mục tiêu chung của toàn xã hội, nước ta cần cải tiến các công nghệ hiện thời, nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, ñồng thời tích cực sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch. ðiều này ñặt ra những yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu trong việc tìm ra phương thức ñúng ñắn và phù hợp với ñiều kiện nước nhà, vừa ñảm bảo nguồn năng lượng cho phát triển kinh tế, vừa giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tạo tiền ñề cho việc thương mại “quota khí thải” trên thị trường quốc tế. Hàng năm, trên cả nước một lượng lớn bùn thải sinh học từ các hệ thống xử lý nước thải ñược tạo ra. Biện pháp xử lý lượng bùn thải này chủ yếu là chôn lấp, một phần nhỏ ñược tái sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp. Song các phương pháp xử lý này làm lãng phí một nguồn cung cấp nhiên liệu khí ñốt không nhỏ vì trong quá trình phân hủy bùn thải giải phóng ra một lượng lớn khí CH 4 , trong khi lại làm tăng các áp lực tới môi trường do phát sinh lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính cũng như về diện tích không gian chôn lấp tại các bãi i Trư ờ ng ð ạ i h ọ c Nông nghi ệ p Hà N ộ i – Lu ậ n v ă n th ạ c s ỹ khoa h ọ c N ô ng nghi ệ p ……………………… 2 rác. Trước những vấn ñề này, tôi tiến hành thực hiện ñề tài: “Nghiên cứu phương pháp xử lý bùn cặn sinh học từ các hệ thống xử lý nước thải dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý yếm khí.” 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - ðánh giá khả năng phân hủy bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải thực phẩm và chăn nuôi dưới tác ñộng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý yếm khí bùn thải. - ðề xuất giải pháp ứng dụng sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải bằng phương pháp yếm khí. 1.3. Yêu cầu - Xây dựng phương pháp bố trí thí nghiệm phù hợp ñể ñánh giá ñúng tác ñộng hiệu quả của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý bùn thải và hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí bùn thải sinh học. - Các số liệu phân tích ñặc tính lý - hóa học và kết quả xử lý ñảm bảo tính chính xác và trung thực. [...]... v i sóng cơ, có th t o ra sóng âm b ng cách tác ñ ng m t l c cơ h c vào môi trư ng truy n âm Phân lo i sóng âm: Sóng âm ñư c phân lo i theo phương dao ñ ng ho c t ns Phân lo i theo phương dao ñ ng: Sóng âm ñư c chia ra 02 lo i là sóng d c và sóng ngang - Sóng ngang là sóng mà phương dao ñ ng c a các ph n t c a môi trư ng vuông góc v i tia sóng Sóng ngang xu t hi n trong các môi trư ng có tính ñàn... i không nghe th y là sóng siêu âm Vì v y Sóng siêu âm là sóng cơ h c có t n s l n hơn 20 kHz” ð c tính c a sóng siêu âm: Cũng theo Kranj, ông ñã ch ra hai ñ c tính quan tr ng c a sóng siêu âm: ð c tính ñ u tiên c a sóng siêu âm là có tính ñ nh hư ng Do t n su t c a sóng siêu âm r t cao, cho nên bư c sóng r t ng n b i v y nó có th truy n theo ñư ng th ng như ánh sáng Sóng siêu âm khi va vào v t c n... c ti p nh hư ng t i s n lư ng khí biogas trong quá trình phân h y y m khí Nhi u tác gi ñã ñánh giá tác ñ ng c a các ch s sóng siêu âm lên quá trình phân rã sinh h c c a bùn và s tăng khí biogas Năm 1999, Quarmby và cs ñã ñánh giá nh hư ng c a ngu n vào năng lư ng siêu âm ñ i v i s phân h y y m khí bùn th i S s n sinh khí biogas tăng thêm 15% trong bùn ñã ñư c x lý siêu âm 356 Wmin so v i công th c ñ... sóng siêu âm ñ i v i nh ng chuy n hóa hóa h c không ph i là k t qu c a b t kỳ s liên k t tr c ti p gi a sóng âm v i các d ng hóa h c m c ñ phân t (t n s - ñ dài sóng âm khác nhau, t n s dao ñ ng c a các liên k t gi a các nguyên t trong m t phân t , t n s sóng siêu âm n m trong kho ng kHz hay MHz so v i GHz ñ i v i các liên k t gi a các nguyên t trong phân t ) Sóng siêu âm có kh năng t o ra các tác ñ... phân h y và kh năng ti p xúc c a vi sinh v t v i các h p ch t c n phân h y càng l n thì hi u qu x lý, chuy n hóa các ch t càng cao 2.3 Gi i thi u chung v sóng siêu âm 2.3.1 Khái quát chung v sóng siêu âm ð có m t cái nhìn t ng quát v sóng siêu âm, trư c h t ta c n n m khái ni m v sóng âm, b i sóng siêu âm là m t thành ph n c a sóng âm Các môi trư ng ch t ñàn h i (khí, l ng hay r n) có th coi là nh ng... x lý nư c th i Bùn c n ch a các h p ch t ñư c kh t nư c th i và nh ng h p ch t ñư c b sung trong quá trình x lý Bùn c n phát sinh t các công ño n trong dây chuy n x lý nư c th i bao g m bùn sơ c p và bùn th c p Hai lo i bùn này có các ñ c tính khác nhau do s khác nhau v b n ch t c a các thành ph n ch t r n trong bùn - Bùn sơ c p t o thành t quá trình x lý sơ c p, như t b l ng ñư c thi t k ñ lo i b các. .. n tương t 2.3.4 Nghiên c u v tác d ng c a sóng siêu âm ñ n quá trình phân h y y m khí Sóng siêu âm thông qua quá trình hình thành các vi bóng khí mang năng lư ng l n giúp phân gi i thành t bào vi sinh v t và gi i phóng các thành ph n n i bào vào môi trư ng dung d ch Vì v y, các thông s nh hư ng t i vi c t o các vi bóng khí s tác ñ ng ñ n quá trình phân h y bùn Vi c tăng hàm lư ng các ch t r n d bay... x lý ch t th i chi phí th p ) Bùn sinh h c là lo i bùn phát sinh ch y u và gây nhi u tác ñ ng ñ n môi trư ng do giàu h p ch t h u cơ và ch a nhi u m m b nh ð l a ch n bi n pháp x lý bùn sinh h c hi u qu nh t c n n m rõ b n ch t hay chính là tính ch t hóa h c c a bùn th i 2.1.3 Các v n ñ v qu n lý và x lý môi trư ng phát sinh t bùn th i V qu n lý Qu n lí bùn th i trên ñ a bàn c nư c nói chung và các. .. y m khí ñư c hi u là quá trình phân h y chuy n hóa các h p ch t h u cơ thành cacbon diôxit và khí Mêtan (khí sinh h c) Trong các tr m x lý nư c th i thư ng có các công trình phân h y (b Mêtan) ñ x lý y m ng d ng ñư c ti n hành nh m tìm ra nhi u phương pháp x lý nh m tăng hi u qu tái sinh năng lư ng ñ ng th i x lý tri t ñ ch t ô nhi m trong nư c th i cũng như bùn th i Cơ ch quá trình phân h y y m khí: ... khi va vào v t c n s ph n x tr l i, b ng cách ti p nh n và phân tích sóng ph n x , ngư i ta có th d ñoán phương hư ng và kho ng cách c a v t c n Trong th gi i t nhiên, m t s loài ñ ng v t như dơi, cá voi cũng có kh năng phát hi n ra sóng siêu âm ð c tính th hai c a sóng siêu âm là nó có th truy n trong nư c v i kho ng cách r t xa Trong không khí, sóng siêu âm có t n s 30kHz có th truy n v phía trư . hiện ñề tài: Nghiên cứu phương pháp xử lý bùn cặn sinh học từ các hệ thống xử lý nước thải dưới tác dụng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý yếm khí. ” 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - ðánh. hủy bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải thực phẩm và chăn nuôi dưới tác ñộng của sóng siêu âm trong giai ñoạn tiền xử lý yếm khí bùn thải. - ðề xuất giải pháp ứng dụng sóng siêu âm trong. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN CẶN SINH HỌC TỪ CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM TRONG GIAI ðOẠN TIỀN XỬ LÝ YẾM KHÍ CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ