Tài liệu Nghiên cứu khả năng thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Thủy NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THU HỒI KHÍ SINH HỌC TỪ BÙN THẢI ĐÔ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Thủy NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THU HỒI KHÍ SINH HỌC TỪ BÙN THẢI ĐÔ THỊ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình với đề tài: “ Nghiên cứu khả năng thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị”. Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô và bạn bè. Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô trong Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã giúp đỡ và bồi dưỡng cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Tôi xin cảm ơn đề tài Nhiệm vụ bảo vệ Môi trường QMT.12.03 do PGS.TS. Trần Văn Quy chủ trì đã tài trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày ..........tháng.......năm.......... Bùi Thị Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 3 1.1. Tổng quan về bùn thải đô thị................................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm bùn thải ............................................................................................ 3 1.1.2. Phân loại bùn thải ............................................................................................. 4 1.1.3. Nguồn gốc của bùn thải .................................................................................... 4 1.1.4. Đặc điểm, tính chất của bùn thải ...................................................................... 5 1.1.5. Tác động của bùn thải đến môi trường ............................................................ 7 1.1.6. Quy chuẩn, tiêu chuẩn về bùn thải và quy định quản lý bùn thải .................. 9 1.1.7. Công nghệ xử lý bùn thải đô thị ........................................................................ 15 1.2. Tổng quan về khí sinh học ...................................................................................... 20 1.2.1. Định nghĩa về biogas ....................................................................................... 20 1.2.2. Công nghệ sản xuất biogas.............................................................................. 21 1.2.3. Khả năng sinh khí từ quá trình ủ biogas........................................................ 26 1.2.4. Lợi ích từ biogas .............................................................................................. 28 1.3. Nghiên cứu và ứng dụng thu hồi khí sinh học từ quá trình xử lý bùn thải đô thị29 1.3.1. Các nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới ..................................................... 29 1.3.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam và các vấn đề còn tồn tại................................... 33 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................ 34 2.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 34 2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 35 2.2.1 Thu thập, tổng hợp tài liệu thứ cấp................................................................. 35 2.2.2 Điều tra, khảo sát thực địa .............................................................................. 35 2.2.3 Lấy và xử lý mẫu.............................................................................................. 35 2.2.4 Các phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm................................. 35 2.2.5 Phương pháp phân tích, xử lý số liệu ............................................................. 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................... 38 3.1. Kết quả khảo sát, nghiên cứu bùn thải và thực trạng quản lý, xử lý bùn thải .. 38 3.1.1. Thực trạng quản lý, xử lý bùn thải tại Hà Nội............................................... 38 3.1.2. Kết quả phân tích bùn...................................................................................... 41 3.2. Kết quả thực nghiệm xây dựng mô hình thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị49 3.2.1. Đầu vào cho mô hình ủ ................................................................................... 49 3.2.2. Tổng lượng biogas thu được sau thời gian ủ 35 ngày ................................... 51 3.2.3. Các kết quả và đánh giá đầu ra của quá trình ............................................... 58 3.2.4. Đánh giá năng suất sinh biogas...................................................................... 64 3.3. Thảo luận tiềm năng công nghệ biogas ở Việt Nam ............................................. 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 74 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 : Bảng giá trị trung bình các thành phần trong bùn tại 7 Bang (Mỹ) ............. 6 Bảng 2: Quy định của US-EPA đối với bùn thải tùy theo mục đích sử dụng............. 9 Bảng 3: Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng của các hợp chất hữu cơ đối với bùn thải áp dụng cho nông nghiệp ............................................................................. 10 Bảng 4: Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng các kim loại nặng đối với bùn thải áp dụng cho nông nghiệp ........................................................................................... 10 Bảng 5: Giá trị giới hạn của một số kim loại trong bùn theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới ................................................................................................................ 11 Bảng 6: Giá trị giới hạn của một số vi sinh vật trong bùn theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới ....................................................................................................... 13 Bảng 7: Hàm lượng tuyệt đối cơ sở (H) của các thông số trong bùn thải................. 14 Bảng 8: Thành phần chính của biogas ...................................................................... 20 Bảng 9: Chất lượng biogas theo các nguồn nguyên liệu đầu vào ............................. 21 Bảng 10: Tổng kết quá trình phân giải kỵ khí........................................................... 22 Bảng 11: Sản lượng khí thu được từ phân hủy các chất thông thường.................... 27 Bảng 12: Các phương pháp phân tích mẫu ............................................................... 35 Bảng 13: Một số đặc điểm dinh dưỡng của bùn ....................................................... 43 Bảng 14: Số lượng vi sinh vật trong bùn thải ........................................................... 44 Bảng 15: Hàm lượng kim loại nặng trong bùn thải .................................................. 46 Bảng 16: Bảng giá trị các ngưỡng nguy hại đối với Zn, Cd, Cr, Ni theo hàm lượng tổng chất rắn ............................................................................................................... 47 Bảng 17: Các thông số đầu vào cho quá trình ủ........................................................ 49 Bảng 18: Thời gian đạt năng suất cực trị của các mẫu bùn ủ ................................... 58 Bảng 19: Hàm lượng các kim loại nặng trong các mẫu bùn thải sau ủ .................... 63 Bảng 20: Tổng kết một số kết quả nghiên cứu phân giải kỵ khí bùn thải đô thị ...... 65 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Công nghệ xử lý bùn thải điển hình.............................................................. 16 Hình 2: Bản đồ khu vực lấy mẫu ............................................................................... 34 Hình 3: Mô hình ủ bùn thải ........................................................................................ 36 Hình 4: Hàm lượng chất hữu cơ của bùn ................................................................... 42 Hình 5: Diễn biến lượng khí sinh ra theo thời gian ủ của mẫu bùn NMXLNT......... 51 Hình 6: Tổng lượng khí theo thời gian ủ của mẫu bùn NMXLNT............................ 52 Hình 7: Diễn biến lượng khí sinh ra theo thời gian ủ của mẫu bùn hồ ...................... 53 Hình 8: Tổng lượng khí theo thời gian ủ của mẫu bùn hồ ......................................... 54 Hình 9: Diễn biến lượng khí sinh ra theo thời gian ủ của mẫu bùn cống .................. 55 Hình 10: Tổng lượng khí theo thời gian ủ của mẫu bùn cống ................................... 56 Hình 11: Giá trị pH trước và sau ủ............................................................................. 59 Hình 12: Hàm lượng phần trăm TKN trước và sau ủ ................................................ 60 Hình 13: Hàm lượng phần trăm TOM trước và sau ủ................................................ 61 Hình 14: Sản lượng biogas theo khối lượng bùn tươi................................................ 66 Hình 15: Sản lượng biogas theo lượng chất hữu cơ................................................... 66 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BNN BTNMT BYds BYfs CDM CTR CP DHV CR Dw EU HTXLNT MSS NRC QCVN QĐ TCCP TCVN TNHH NN US - EPA MTV UWWTD WHO Bộ Nông nghiệp Bộ Tài nguyên Môi trường Năng suất biogas theo lượng phân giải vật chất hữu cơ Năng suất biogas theo khối lượng bùn tươi Clean Development Mechanism - Cơ chế phát triển sạch Chất thải rắn Chế phẩm Thành viên tổ chức quốc tế về kỹ thuật Trung & Đông Âu Dry weight – Khối lượng khô European Union - Liên minh Châu Âu Hệ thống xử lý nước thải Municipal sewage sludge – Bùn thải đô thị United States National Research Council - Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ Quy chuẩn Việt Nam Quyết định Tiêu chuẩn cho phép Tiêu chuẩn Việt Nam Trách nhiệm hữu hạn Nhà nước một thành viên US Environmental Protection Agency - Cơ Quan Bảo Vệ Môi Sinh Hoa Kỳ Urban Waste Water Treatment Directive - Chỉ thị về xử lý nước thải đô thị Tổ chức Y tế Thế giới Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Bùn thải đô thị phát sinh ngày càng nhiều đang là vấn đề đáng quan tâm, đặc biệt với đô thị của các nước đang phát triển. Các trầm tích sông hồ, bùn đáy trong hệ thống kênh rạch – cống rãnh, bùn thải từ các nhà máy xử lý nước cấp, nước thải sinh hoạt, bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy, các cơ sở công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp có chứa nhiều thành phần chất ô nhiễm, bùn thải từ hoạt động xây dựng... thải vào môi trường ngày càng nhiều cả về lượng và thành phần. Tại các thành phố lớn của nước ta hiện nay, mỗi ngày ước tính có hàng trăm tấn bùn thải phát sinh từ hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đô thị, công nghiệp, từ các hoạt động nạo vét kênh rạch, các trạm/nhà máy xử lý nước cấp, các công trình xây dựng… Nhu cầu của con người ngày càng phát triển kéo theo lượng chất thải phát sinh ra hàng ngày càng tăng, thải vào hệ thống thoát nước và là nguồn tạo thành bùn thải. Bùn bao gồm chủ yếu là nước, khoáng chất và chất hữu cơ, ngoài ra bùn thải có thể chứa các chất dễ bay hơi, gây bệnh sinh vật gây bệnh, vi khuẩn, kim loại nặng, các ion vô cơ cùng với hóa chất độc hại từ chất thải công nghiệp, hóa chất gia dụng và thuốc trừ sâu... gây nguy cơ ô nhiễm cho môi trường nếu không được xử lý tốt. Việc xử lý lượng bùn thải này còn nhiều bất cập, chưa có hướng giải quyết triệt để. Ở Việt Nam, chỉ một phần rất nhỏ bùn thải được tái chế và sử dụng hợp lý. Những biện pháp xử lý như chôn lấp không kiểm soát, ép khô, đổ bỏ tại các khu vực xa dân cư, thải vào đại dương lại là những biện pháp không mấy có lợi và được áp dụng chủ yếu. Thực tế này đã thúc đẩy các nhà khoa học, những người làm công nghệ môi trường tìm kiếm những công nghệ, cách thức mới trong việc xử lý bùn thải, việc ứng dụng này cần thực hiện theo hướng tái sử dụng cao nhất để giảm phần nào 1 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học lượng bùn thải ra ngoài môi trường, vừa đảm bảo chất lượng xử lý vừa ứng dụng hợp lý trong điều kiện nước ta. Áp dụng các công nghệ sinh học trong xử bùn thải đã có nhiều bước tiến mới, đặc biệt công nghệ xử lý kỵ khí với nhiều ưu điểm vượt trội so với xử lý hiếu khí như làm tăng tải lượng xử lý của hệ thống, giảm diện tích mặt bằng để xây dựng, giảm chi phí xây dựng, vận hành hệ thống, khối lượng bùn thải ra từ quá trình xử lý kỵ khí là rất thấp, trong khi bùn lại được loại nước rất tốt. Phương pháp xử lý kỵ khí còn có đặc điểm là tạo ra khí sinh học (biogas) nếu thu hồi và tận dụng tốt có thể sử dụng làm năng lượng khiến quy trình sản xuất thân thiện với môi trường hơn đồng thời hấp dẫn về mặt kinh tế. Do đó, việc thu hồi và tái sử dụng các lượng khí thoát ra từ quá trình xử lý trên cần quan tâm đặc biệt để tránh gây ô nhiễm môi trường và lãng phí lượng khí đốt sinh ra. Xuất phát từ những lí do trên, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị” với mục tiêu tìm giải pháp khả thi để thu hồi và đánh giá sự thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị. Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu công nghệ phân hủy kỵ khí bùn thải trên thế giới và ở Việt Nam, trong đó khoanh vùng khu vực nghiên cứu thí điểm là nội thành Hà Nội để khảo sát hiện trạng quản lý, xử lý bùn, phân tích tính chất, đặc điểm bùn và xây dựng, đánh giá một số mô hình ủ kỵ khí bùn thải lấy từ khu vực nghiên cứu. Luận văn được hoàn thành sẽ cung cấp các giá trị thông tin bổ sung liên quan đến bùn thải đô thị và thu hồi khí sinh học từ bùn thải đô thị. Kết quả của đề tài có thể được phát triển để ứng dụng giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong xử lý và tái sử dụng bùn thải đô thị. 2 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về bùn thải đô thị 1.1.1. Khái niệm bùn thải Bùn thải được định nghĩa như sản phẩm thải cuối cùng hay là các vật chất còn lại được tạo ra từ quá trình xử lý nước thải dân dụng và nước thải công nghiệp, cũng có thể bao gồm cả quá trình xử lý nước sạch và một số quá trình khác. Bùn có thể ở dạng rắn, hỗn hợp bán rắn, lỏng tùy theo công nghệ quy trình xử lý. Thuật ngữ này đôi khi cũng được sử dụng như một thuật ngữ chung cho chất rắn được tách biệt với huyền phù trong nước, hỗn hợp vật chất này thường chứa một lượng đáng kể nước giữa các khoảng trống của các hạt rắn, có thành phần đồng nhất trong toàn bộ thể tích, có kích thước hạt nhỏ hơn 2mm và có độ ẩm lớn hơn 70% [31]. Các quá trình xử lý nước thải dẫn đến việc tách các chất gây ô nhiễm và chuyển chúng sang pha có thể tích nhỏ hơn (bùn). Như vậy sau quá trình xử lý và làm sạch nước thải, nước sạch có thể được tái sử dụng lại còn bùn tạo thành sẽ được thải đi. Xử lý bùn thải rất khó do lượng bùn lớn, thành phần khác nhau, độ ẩm cao và bùn rất khó lọc. Giá thành xử lý và thải bùn chiếm khoảng 25 - 50% tổng giá thành quản lý chất thải. Bùn thải đô thị (MSS) : là bùn thải tạo ra từ các quá trình xử lý nước đô thị, chủ yếu là nước thải sinh hoạt, kết hợp với một số loại nước thải khác. Có nhiều dạng bùn phát sinh cùng với hoạt động của các đô thị hiện nay là bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, bùn bể tự hoại, bùn sông hồ, cống rãnh thoát nước, có thể bao gồm cả bùn thải từ hoạt động công nghiệp trong khu vực đô thị [36]. Hiện nay khái niệm về “bùn thải” đã được xác định trong các văn bản pháp luật Việt Nam theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước QCVN 50: 2013/BTNMT. Theo đó định nghĩa bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý nước là hỗn hợp các chất rắn, được tách, lắng, tích tụ và thải ra từ quá trình xử lý nước [3]. 3 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 1.1.2. Phân loại bùn thải Người ta có thể phân loại bùn dựa vào nguồn gốc và thành phần của chúng. Theo vào nguồn gốc của bùn, có thể phân loại bùn thành các loại như bùn thải từ trạm / nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt; bùn từ trạm / nhà máy xử lý nước thải công nghiệp; bùn hệ thống thoát nước: bùn cống rãnh, kênh rạch, bùn nạo vét sông, hồ; bùn hố ga, bể phốt... [4].Theo thành phần của bùn thải (phụ thuộc vào bản chất ô nhiễm ban đầu của nước thải, bùn thải và phương pháp làm sạch (nếu có) như xử lý vật lý, hoá lý, sinh học), có thể phân thành một số loại bùn chính như sau [26, 36]: - Bùn hữu cơ ưa nước: Là loại bùn phổ biến nhất, có hàm lượng chất hữu cơ cao, chất bay hơi có thể đạt đến 90% toàn bộ chất khô. Tính ưa nước của bùn do sự có mặt của lượng lớn các chất keo ưa nước. - Bùn vô cơ ưa nước: Bùn này có hàm lượng chất hữu cơ thấp, chứa hydroxyt kim loại do quá trình xử lý sử dụng phương pháp hoá lý làm kết tủa ion kim loại có trong nước xử lý (Al, Fe, Zn, Cr) hoặc do sử dụng kết bông vô cơ (muối ferreux hoặc ferit, muối nhôm). - Bùn chứa dầu: Trong bùn có một lượng dầu nhỏ hoặc mỡ khoáng chất (hoặc động vật). Các chất này ở dạng nhũ hoặc hấp thụ các phần tử bùn ưa nước. - Bùn vô cơ kị nước: Thành phần chủ yếu của bùn này là các chất vô cơ có tính giữ nước thấp như cát, bùn phù sa, xỉ, muối đã kết tinh... - Bùn vô cơ ưa nước – kị nước - Bùn có sợi 1.1.3. Nguồn gốc của bùn thải Bùn thải được phát sinh từ nhiều nguồn [4, 36]: - Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải đô thị: Nước thải sinh hoạt đô thị được chuyển tới các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, qua các quy trình xử lý nước thải, các vật chất rắn được tách biệt với huyền phù trong nước, tạo thành bùn. 4 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học Bùn thải từ hệ thống thoát nước: các chất thải lỏng, nước thải xuất phát từ nhà vệ sinh, nhà bếp, bồn rửa và cống rãnh khu vực công nghiệp, nước mưa dư thừa (có nghĩa là không hấp thụ bởi mặt đất) được thu thập, vận chuyển thông qua hệ thống thoát nước thành phố là các cống rãnh, kênh rạch, sông hồ chảy tới nơi tiếp nhận nước, bùn sinh ra từ quá trình này, là kết quả của các vật chất được nước thải mang lắng đọng trong các hệ thống cống thoát và hoạt động của các vi sinh vật sống trong các hệ thống này. - Bùn thải từ hố ga, bể phốt: là chất thải và nước thải từ con người hoặc các hoạt động hộ gia đình được thải ra chứa trong các hố ga bể phốt. Ngoài ra còn một lượng bùn thải nhỏ phát sinh từ công nghiệp, xây dựng và một số nguồn khác trong hoạt động và phát triển của đô thị. 1.1.4. Đặc điểm, tính chất của bùn thải Hơn 60.000 chất và hợp chất đã được tìm thấy trong bùn thải và nước thải, được đặc trưng bởi sáu nhóm chính: (1) hợp chất hữu cơ, (2) các thành phần có chứa nitơ và phốt pho, (3) các chất ô nhiễm độc hại vô cơ và hữu cơ, (4) tác nhân gây bệnh và các chất ô nhiễm vi sinh vật khác, (5) các hợp chất vô cơ, như silicat, aluminat, các hợp chất có chứa canxi và magiê, và (6) nước [24, 26]. Stephen Lester (CHEJ) đã tổng hợp thông tin từ các nhà nghiên cứu Đại học Cornell và Hiệp hội các kỹ sư xây dựng đã xác định rằng bùn thải có chứa các độc tố sau đây: - Polychlorinated biphenyls (PCBs). - Clo thuốc trừ sâu bao gồm DDT, dieldrin, aldrin, endril, chlordane, heptachlor, Lindane, mirex, kepone, 2,4,5-T, 2,4-D. - Clo hóa các hợp chất như dioxin. - Polynuclear hydrocacbon thơm. - Kim loại nặng: arsenic, cadmium, chromium, chì và thủy ngân. - Vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh, giun ký sinh và nấm. - Các độc tố khác như: amiang, sản phẩm dầu mỏ, dung môi công nghiệp... 5 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Năm 2009, EPA công bố báo cáo quốc gia về nghiên cứu bùn nước thải, mà các báo cáo về mức độ kim loại, hóa chất và các tài liệu khác có trong một mẫu thống kê của cặn của nước thải [31]. EPA phân chia các chất ô nhiễm độc hại thành hai loại chính: kim loại và hữu cơ. Một số điểm nổi bật bao gồm: - Ag: 20 mg / kg bùn, một số cặn có hàm lượng đặc biệt cao có đến 200 mg Ag / kg bùn, Ba: 500 mg / kg, trong khi Mg có mặt với tỷ lệ 1 g / kg bùn. - Pb , As , Cr , và Cd với các hàm lượng khác nhau ước tính của EPA có mặt với số lượng phát hiện trong 100% cặn của nước thải ở Mỹ. - Mức độ cao của hợp chất hữu cơ, trong đó có thuốc trừ sâu, dung môi và biphenyl đã polyclo hóa (PCBs) được phát hiện, với mức trung bình trong phạm vi lên đến 1.000.000 mg / kg bùn. Các loại bùn thải có thành phần, tính chất rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào nguồn gốc của bùn thải. Nghiên cứu về đặc điểm, thành phần bùn thải tiến hành trên 7 bang lớn của Mỹ theo nghiên cứu của Elliott, L.F và F.J.Stevenson (1977) kết quả như sau: Bảng 1 : Bảng giá trị trung bình các thành phần trong bùn tại 7 Bang (Mỹ) Hàm lượng Thông số Hàm lượng (%) Thông số OC 30,4 Al 4000 Tổng N 2,5 Cu 850 + NH4 - N 0,13 Ni 190 NO3 – N 0,019 Mn 200 Tổng P 1,8 Zn 1800 Tổng S 1,1 Pb 650 K 0,24 Cr 910 Na 0,12 Cd 20 Ca 3,8 Hg 6 Mg 0,46 Fe 8000 6 (mg.kg-1) Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Cùng với những nghiên cứu độc lập khác đã ghi nhận trung bình bùn thải có chứa khoảng 50 % chất hữu cơ và 1- 4% cacbon vô cơ. N hữu cơ và P vô cơ là thành phần chủ yếu của N và P trong bùn. Cacbon hữu cơ và vô cơ hiện diện tương đối ổn định trong thời gian lấy mẫu. Tuy nhiên, sự dao động lớn nhất đó chính là thành phần vi sinh vật và các kim loại nặng như Cd, Zn, Cu, Ni, Pb, Hg trong bùn thải (Sommers et al., 1976). 1.1.5. Tác động của bùn thải đến môi trường Bùn được xác định bởi EPA như một chất gây ô nhiễm. Trong năm 2011, EPA đưa một nghiên cứu tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ (NRC) để xác định các nguy cơ tới sức khỏe của con người và sinh vật do bùn thải. Trong tài liệu này, NRC đã chỉ ra rằng bùn thải chứa các chất có độc tính có thể làm tăng nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe của con người, động vật và thực vật. Theo WHO (1981), báo cáo về nguy cơ đối với sức khỏe đã xác định các vi sinh vật gây bệnh chủ yếu là Salmonella và E.coli là mối quan tâm lớn nhất. Các nghiên cứu khác kết luận rằng thực vật hấp thu một lượng lớn kim loại nặng và các chất ô nhiễm độc hại được lưu giữ sản phẩm, sau đó được tiêu thụ bởi con người (Turek et al, 2005). Bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải tuy được xử lý qua các quy trình phức tạp, mức độ ô nhiễm giảm nhưng không loại bỏ hết được tác nhân gây bệnh và các chất nguy hại ở mức độ thấp của các thành phần như PAHs, PCB, dioxin, kim loại nặng. Bùn thải tác động đến sức khỏe con người có thể được chia thành ảnh hưởng nhìn thấy ngay sau khi tiếp xúc (như: mùi hôi, nhiễm trùng do hít/ nuốt vi khuẩn) hoặc phát sinh do tiếp xúc dài hạn (tiếp xúc với kim loại phát tán từ quá trình xử lý bùn), ảnh hưởng từ từ, không thấy ngay được hậu quả. Những người có nguy cơ bị ảnh hưởng nhiều nhất là người thường xuyên tiếp xúc với bùn thải như nhân viên xử lý nước thải, công nhân nạo vét bùn, công nhân tại các cơ sở ủ phân, nông dân canh tác trên đất từ bùn thải và các hộ gia đình có sự tiếp xúc [37, 49]. 7 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Ở Việt Nam, hiện nay chưa có thống kê cụ thể về những tác hại của bùn thải đối với môi trường.Tuy nhiên, trên thực tế với lượng bùn thải lớn được nạo hút từ hệ thống cống rãnh thoát nước thải ra môi trường gây hậu quả nghiêm trọng. Bùn thải từ hệ thống thoát nước và từ các nhà máy xử lý nước thải được xử lý sơ bộ hoặc không được xử lý, vận chuyển tới các bãi chôn lấp hoặc được đổ tại các địa điểm không xác định, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, gây ô nhiễm không khí và nhất là thẩm thấu làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt dẫn đến chất luợng nguồn nuớc bị suy giảm. Các tác động tiềm tàng của bùn thải đến môi trường có thể kể đến bao gồm: - Gây ô nhiễm nước ngầm: Trong thành phần bùn nạo vét có chứa một lượng nước khá lớn, vào mùa khô lượng nước này không đủ để thấm đến tầng nước ngầm và dễ dàng bốc hơi. Tuy nhiên, vào mùa mưa có thể hòa trộn các chất độc hại có trong bùn và thấm xuống mạch nước ngầm, làm ô nhiễm nước ngầm. - Gây ô nhiễm nước mặt: Giữa môi trường bùn lắng và môi trường nước có một cân bằng nhất định, khi tính chất môi trường thay đổi, các chất ô nhiễm tích trữ trong bùn lắng có thể hòa trộn trở lại trong nước gây ô nhiễm nước. - Gây ô nhiễm không khí: Quá trình phân hủy kị khí của bùn sẽ tạo ra các khí có mùi như H2S, CH4, NH3… gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến con người. - Gây ô nhiễm môi trường đất: Ô nhiễm đất chủ yếu gây ra bởi các thành phần độc hại có trong bùn với nồng độ cao, bao gồm chất hữu cơ, các kim loại nặng và cả những chất khó phân hủy như bao nylon, lon sắt trong bùn nạo vét sẽ gây ô nhiễm đất và khó khắc phục. - Tác động đến hệ sinh thái: Làm mất mỹ quan đô thị, ảnh hưởng đến thủy sinh sống trong nước. - Tích lũy sinh học: bùn đáy là môi trường sống của hàng nghìn loài sinh vật, vi sinh vật…và thông qua chuỗi thức ăn, các thành phần chất độc hại trong bùn như kim loại nặng có thể tác động đến các động vật bậc cao hơn trong đó có con người. 8 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 1.1.6. Quy chuẩn, tiêu chuẩn về bùn thải và quy định quản lý bùn thải Ở Mỹ, EPA xây dựng quy chế đầu tiên quản lý bùn thải năm 1972, theo yêu cầu của Đạo luật nước sạch sửa đổi năm 1987, EPA phát triển các quy định, các tiêu chuẩn cho việc xử dụng hoặc xử lý bùn thải và cho tới nay thường xuyên có sự bổ sung, cải tiến theo từng năm, chất lượng bùn thải sau xử lý được quản lý nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn đề ra, phù hợp với từng mục đích sử dụng bùn thải [47]. Châu Âu cũng đã đưa ra các tiêu chuẩn chung có đề cập tới quản lý xử lý đối với bùn thải, sử dụng trong nông nghiệp (CEC, 1986), đổ thải, chôn lấp (CEC,1999), tiêu hủy, đốt (CEC, 2000), mỗi quốc gia thành viên có nghĩa vụ đáp ứng bằng các quy định cụ thể trong pháp luật quốc gia [31]. 1.1.6.1. Quy định của US EPA [47] Quy định của US EPA (Mục 40 của Bộ luật liên bang [CFR], Phần 503) đối với bùn thải sử dụng cho các mục đích như áp dụng cho nông nghiệp, chôn lấp hay thiêu đốt được quy định chi tiết trong bảng 2: Bảng 2: Quy định của US-EPA đối với bùn thải tùy theo mục đích sử dụng Yếu tố Giới hạn nồng độ trần Giới hạn nồng Giới hạn nồng độ áp dụng cho nông nghiệp độ cho chôn cho thiêu đốt As CCL (mg/kg) 75 lấp (mg/kg) 73 (µg/m3) 0,023 Cd 85 - 0,057 Cu 4300 - - Pb 840 - - Ag 57 - - Mo 75 - - Ni 420 420 2,0 Se 100 - - Zn 7500 - - Cr - 600 - 9 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội 1.1.6.2. - Luận văn thạc sĩ khoa học Đề xuất tiêu chuẩn của EU [23] Đối với các hợp chất hữu cơ: Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng trung bình và hàm lượng tối đa các hợp chất hữu cơ mà bùn thải được áp dụng vào nông nghiệp đối với các hợp chất hữu cơ được trình bày trong bảng 3: Bảng 3: Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng của các hợp chất hữu cơ đối với bùn thải áp dụng cho nông nghiệp Hàm lượng trung bình Đề xuất tối đa (mg/kg) (mg/kg) Các chất hữu cơ halogen (AOX) 200[1] 500 Liner alkylbenzen sulfonate (LAS) 6500 2600 Di(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP) 20 – 60 100 Nonylphenol and ethoxylates (NPE) 26 (UK: 330 – 640) 50 Hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) 0.5 – 27.8 6 Polychlorinated biphenyls (PCB) 0.09 0.8 36[2] 100[2] Hợp chất hữu cơ Polychlorinateddibenzo-dioxins and furans (PCDD/Fs) - [1] Chỉ đối với bùn ở Đức [2] Đơn vị: ng/kg TEQ (lượng độc hại tương đương) Đối với kim loại nặng: Đề xuất của EU về khoảng giá trị, hàm lượng tối đa các kim loại nặng đối với bùn thải áp dụng vào nông nghiệp được trình bày trong bảng 4: Bảng 4: Đề xuất tiêu chuẩn của EU về hàm lượng các kim loại nặng đối với bùn thải áp dụng cho nông nghiệp 86/278/EEC Đề xuất tối đa Giá trị trung bình (khoảng giá trị) của EU (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) Zn 863[2] 2500 – 4000 2500 Cu 337 1000 – 17500 1000 Yếu tố 10 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội [1] Luận văn thạc sĩ khoa học Ni 37 300 – 400 300 Cd 2.2[3] 20 – 40 10 Pb 124 750 – 1200 750 Cr 79[4] _ 1000 Hg 2.2 16 – 25 10 Dữ liệu được báo cáo cho 13 quốc gia: Áo, Đan Mạch, Phần Lan, Pháp, Đức,Hy Lạp (đại diện là HTXLNT Athens), Ireland, Luxembourg, Na Uy, Ba Lan, Thụy Điển, Hà Lan và Anh. [2] Không bao gồm Ba Lan và Hy Lạp (Athena WWTS). Zn trung bình trong bùn Ba Lan và bùn từ HTXLNT Athens tương ứng là 3641 và 2752 mg/kg. Giá trị trung bình của châu Âu bao gồm cả Ba Lan và Hy Lạp là 1222 mg Zn/kg. [3] Không bao gồm Ba Lan, giá trị trung bình của Cd trong bùn Ba Lan là 9.9 mg/kg. Giá trị trung bình của châu Âu bao gồm Ba Lan là 2.8 mg Cd/kg. [4] Không bao gồm Hy Lạp, giá trị trung bình của Cr trong bùn từ HTXLNT Athens là 886 mg/kg. Giá trị trung bình của châu Âu bao gồm Hy Lạp là 141 mg Cr/kg. 1.1.6.3. Quy định của một số nước trên thế giới [29, 31] Giá trị giới hạn của kim loại nặng trong bùn theo quy định của một số quốc gia được trình bày trong bảng dưới đây. Trong đó, hầu hết các giá trị giới hạn thấp hơn nhiều so với yêu cầu của Quy định 86/278/EEC. Bảng 5: Giá trị giới hạn của một số kim loại trong bùn theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới (mg/kg) Nước Austria Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) 2a 50a 300a 2a 25a 100a 1500a 10b 500b 500b 10b 100b 400b 2000b 10c 500c 500c 10c 100c 500c 2000c 4d 300d 500d 4d 100d 150d 1800d 10e 500e 500e 10e 100e 500e 2000e 0.7 – 70 – 70 – 0.4 – 25 – 45 – 200 – 11 20e Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Phần Lan Luận văn thạc sĩ khoa học 2,5f 100f 300f 2.5f 80f 150f 1800f 3 300 600 2 100 150 1500 _ 1.5g 1g 100g Pháp 20h 1000 1000 10 200 800 3000 _ Đức 10 900 800 8 200 900 2500 _ 20 – 500 1000 16 - 25 300 - 750 - 2500 – _ 400 1200 4000 Hy Lạp 40 1750 Ai-len 20 _ 1000 16 300 750 2500 _ Italy 20 _ 1000 10 300 750 2500 _ 20 - 1000 - 1000 16 - 25 300 - 750 - 2500 – _ 40 1750 - 400 1200 4000 Luxembourg 1750 Hà Lan 1.25 75 75 0.75 30 100 300 _ Bồ Đào 20 1000 1000 16 300 750 2500 _ Thụy Điển 2 100 600 2.5 50 100 800 _ UK _ _ _ _ _ _ _ _ Latvia 20 2000 1000 160 300 750 2500 _ Ba Lan 10 500 800 5 100 500 2500 _ Nha a Lower Austria (cấp II) b Upper Austria c Vorarlberg d Steiermark e Carinthia f Những giá trị này giảm xuống còn 125 (Cu) và 300 (Zn) từ ngày 31/12/2007. g Mục tiêu giá trị giới hạn cho năm 1998. h 15 mg/kg chất khô từ tháng 1/2001 và 10 mg/kg từ ngày 1/1/2004. Quy định 86/278/EEC không bao gồm các tiêu chuẩn cụ thể đối với vi sinh vật trong bùn. Tuy nhiên để giảm thiểu rủi ro của vi sinh vật gây bệnh đối với sức 12 Khoa Môi trường – ĐHKHTN Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học khỏe, một số quốc gia đã bổ sung thêm quy định giới hạn của một số vi sinh vật trong tiêu chuẩn về chất lượng bùn thải. Các vi sinh vật gây bệnh phổ biến nhất được quy định trong điều luật là vi khuẩn Salmonella và Enterovirus. Các giá trị giới hạn này ở mỗi quốc gia là khác nhau và được trình bày ở bảng dưới đây. Ngoài ra, theo quy định tại Ba Lan, bùn không được sử dụng nếu chứa vi khuẩn Salmonella và các yếu tố gây bệnh khác. Bảng 6: Giá trị giới hạn của một số vi sinh vật trong bùn theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới (mg/kg) Salmonella Vi sinh vật khác Enterovirus: 3 MPCN/10g Pháp 8 MPN/10g Italy 1000 MPN/g Luxembourg - Vi khuẩn đường ruột: 100/g Bùn không được sử dụng nếu chứa Ký sinh trùng: 10/ kg Ba Lan Salmonella Bùn không được sử dụng nếu chứa Đan Mạch 1.1.6.4. Trứng giun sán: 3 MPCN/10g Salmonella Liên cầu khuẩn <100/g Tại Việt Nam Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải được quản lý theo quy định về quản lý chất thải rắn (từ điều 77 đến điều 80, Mục 3, Chương VIII, Luật Bảo vệ môi trường năm 2005) [9]. Bùn thải có yếu tố nguy hại phải được quản lý theo quy định về chất thải nguy hại (từ điều 70 đến điều 76, Mục 2, Chương VIII, Luật Bảo vệ môi trường) [9]. Việt Nam đã ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại QCVN 07: 2009/BTNMT, trong đó có những quy định được áp dụng với bùn thải. Hiện nay quy chuẩn riêng QCVN 50: 2013/BTNMT đã được ban hành theo thông tư 32/2013/TT-BTNMT ngày 25/10/2013 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và 13