Nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng

Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng phươngphápsinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng được thực hiện trong phòng thí nghiệmthínghiệmtheomẻ vàứngdụngthử nghiệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNGĐẠIHỌC XÂYDỰ NG

MỞĐẦU

1 ĐẶTVẤNĐỀ

Hàng ngày, lượng chấtthải phỏt sinh tại cỏcđ ụ t h ị r ấ t l ớ n T ạ i

k h u v ự c đ ụ thị, hầu hết cỏc gia đỡnh sử dụng bể tự hoại để xử lý nước thải của

hộ gia đỡnh trướckhi đổ vào hệ thống thoỏt nước chung của thành phố Lượng bựnđược hỳt từ bể tựhoại phỏt sinh hàng năm tại cỏc hộ gia đỡnh rất lớn, tại thành phố

Hà Nội ước tớnhkhoảng 517 m3/ngày[2].Một phần lượng bựn bể tự hoại được cụng

ty Urenco thugom và xử lý kết hợp với rỏc hữu cơ để xử lý phõn vi sinh, phần cũnlại được cỏccụngtytư nhõnthugom,vậnchuyển

Bờn cạnh đú, chất thảirắnsinh hoạt phỏt sinh tại cỏc đụ thị hàngn g à y

r ấ t lớn Tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt ở cỏc đụ thị phỏt sinh trờn toàn quốctăngtrung bỡnh 10-16% mỗi năm, trong đú tỉ lệ rỏc hữu cơ chiếm > 51% trong rỏcthảisinh hoạt[24] Biện phỏp xử lý rỏc hữu cơ hiện nay chủ yếu là chụn lấp, gõyụnhiễmmụitrườngvàquỏtảibóichụnlấp

Theochiến lược quốc giavề quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm2025,tầm nhìn đến năm 2050 doThủ tướngChính phủ ban hành ngày 17 thỏng 12năm2009sẽphỏttriểnchươngtrỡnhthỳcđẩyphânloạichấtthảirắntạinguồnnhằmmục

đích tỏch riờng rỏc vô cơ và hữu cơ, tỏi chế, tỏi sử dụng chất thải để giảm thiểudiệntíchbãichônlấp.TheomụctiờucụthểcủaChiếnlượcquốcgiađếnnăm2015:85%tổnglượngchất thải rắn sinh hoạt đụthị phỏt sinhđượcthu gom,60%lượngchấtthảiđượctỏichế,tỏisửdụng,thuhồinănglượnghoặcsảnxuấtphânhữucơ;30%bựn bể phốt của cỏc đô thị từ loạiIItrở lờn và 10% của cỏc đô thị cònlạiđượcthugom và xử lý

đảm bảomụi trường; 50% rỏcđượcphân loại tại nguồn Cỏc giải phỏpđược đưara

để thực hiệnChiến lượcquốc gia bao gồm: phòng ngừa và giảm thiểuphỏt sinh chất thải rắn;thúc đẩy phân loại chất thải rắn tại nguồn trong đó phỏt triểncơ sở hạ tầng, thu gom và xử lý riờng đốivớitừng loạichất thải rắn sau khi đã phânloại;tăng c•ờngtỏisử dụng, tỏichế chấtthảirắn;xửlýchấtthảirắn

Tạinhiềunướctrờnthếgiới,cụngnghệxửlýkỵkhớcỏcchấtthảigiàuhữu

cơ ở chếđộ nhiệt khỏcnhau: lờnmenấmhoặclờn mennúngđóđượcỏpdụngở quy

mô lớn, quy mô công nghiệp để giảm thiểu lượng chất thải đưa đến bãi chônlấp,giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra sản phẩm biogas phụcvụcho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng.Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy xửlýkỵ khí chất thải ở chế độ lên men nóng cho ưu điểm hơn chế độ lên men ấmvềlượngkh ím e t a n s i n h r a cao hơn, th ời g i a n p h â n h ủy ngắnh ơn và b ù n sau x ử

l ý được tiêu diệt hoàn toàn mầm bệnh, có thể được sử dụng làm phân bón cho câytrồng Giải pháp xử lý chất thảibằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên mennóng đối với các loại chất thải có nhiều tiềm năng, vìvậy có thể áp dụng trong điềukiệnViệtNam

Đề tài luận án:“Nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và

ráchữu cơ bằng phương pháp sinh học kỳ khí ở chế độ lên men nóng”là rất cầnthiết, để đáp ứng yêu cầu

bảo vệ môi trường, phù hợp với định hướng chiến lượcphát triểntrong tương lai vềviệc lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý cho các đôthịlớntạiViệtNam,hướngtớipháttriểnbềnvững

2 MỤCTIÊUNGHIÊNCỨU CỦALUẬN ÁN

Mụctiêunghiêncứucủaluậnán:

Nghiên cứu tính khả thi và hiệu quả về mặt kỹ thuật của công nghệ phânhủysinh học kỵ khí lên men nóng để xử lý hỗn hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ(chấtthảithựcphẩm)trongđiềukiệnViệtNam

Nghiên cứu đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh họckỵkhí ở chế độ lên men nóng tới hiệu quả sinh metan: tỷ lệ bùn bể tự hoại: chấtthảithựcphẩm, tảilượnghữucơcủachấtthải

Xác định thông số động học đặc trưng của quá trình xử lý kỵ khí hai loạichấtthảinóitrênởchếđộlênmennóng

Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng phươngphápsinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng được thực hiện trong phòng thí nghiệm(thínghiệmtheomẻ) vàứngdụngthử nghiệmtrênmôhìnhPilot (thínghiệmliêntục).

4 NỘI DUNG NGHIÊN

xửlýkỵkhíkếthợpbùnbểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmvớicáctỉlệphốitrộnBùnbể tựhoại: chất thải thực phẩm khác nhau ở các chế độ lên menấm và lênm e n nóng Thí nghiệm theo mẻ chophép so sánh giữa 2 chế độ lên men về lượngkhímetans i n h r a , h i ệ u s u ấ t q u á t r ì n h x ử l ý t h e o C O D v à h i ệ u s u ấ t s i n h k h í

m e t a n Đồng thời xác định được tỉ lệ phối trộn tối ưu là cơ sở để thực hiện thí nghiệm liêntục Thí nghiệm liên tụctrong mô hình Pilot 1000 lít được thực hiện dựa trên tỉlệphốit r ộ n c ủ a t h í n g h i ệ m t h e o m ẻ , c h o p h é p x á c đ ị n h l ư ợ n g k h í b i o g a s v à t

h à n h phần khí biogas, xác định được thông số vận hành tối ưu - tải lượng hữu cơ tốiđanạpvàohệvàchấtlượnghỗnhợpbùn bểtựhoạivàchấtthảithựcphẩmsauxửlý

Kếtquảthựcnghiệmcủathínghiệmtheomẻ đượcsửdụngđểnghiêncứumô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằngbằng phần mềm GPS-X.Kết quảphần mềm GPS-X cho phép xác định được cácthông số đặc trưng hệ số phân hủynội sinh kdcủa bùn bể tự hoại và chất thải thựcphẩm bằng phương pháp sinh học kỵkhí ở chế độ lên men nóng Từ đó giúp choviệctínhtoán,thiếtkếđượccôngtrìnhtrongnhàmáyxử lýchấtthải

Thảo luận,nhậnxétkếtquảnghiêncứu vàkếtluận

5 PHƯƠNGPHÁPNGHIÊN CỨ U

Phươngphápnghiên cứutổnghợptàiliệu.

Thu thập tài liệu liên quan về thành phần, tính chất, các phương pháp xửlýbùnbểtự hoại,ráchữucơ…

Thí nghiệm liên tục ở chế độ lên men nóng (55oC)được thực hiện trongmôhìnhPilot1000lvớitỉlệphốitrộntốiưutừthínghiệmtheomẻ

Phươngphápsửdụngmôhìnhtoánhọcđểmôphỏng

Các kết quả thí nghiệm theo mẻ được sử dụng để chạy phần mềm GPS-Xmôphỏng quá trình xử lý kỵ khí kết hợp giữa bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm ởchế độ lên men nóng, để xácđịnh thông số động học cơ bản của bùn bể tự hoại vàchấtthảithực phẩm

Phươngphápsosánh, phântích

So sánh xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm ở haichếđộ lên men ấm và lên men nóng Phân tích, nhận xét kết quả thu được So sánhvớicácnghiêncứuphânhủykỵkhísinhmetancủa các nghiêncứu khác

Tham khảo ý kiến, kinh nghiệm của các chuyên gia có chuyên môn sâuvềlĩnhvựcliênquan.

6 CƠ SỞ KHOA HỌC, TÍNH MỚI VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN

ÁNCơsở khoahọc

Chất thải thực phẩm giàu cacbon có tiềm năng sinh khí metan cao, có thểxửlý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để tận thu năng lượng và phân bón Để xửlýrác hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí, cần kiểm soát tốt quá trình bằng cáchđiềuchỉnhtảilượng nguyênliệunạpphùhợp,tiềnxửlý,

Bùn bể tự hoại giàu Cacbon nhưng đồng thời có hàm lượng Nitơ rất cao,nếuxử lý riêng biệt bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh họckỳkhí khó đạt hiệusuấtcao

Chất thải thực phẩm và bùn bể tự hoại đều là các dòng chất thải giàu hữucơ,có tiềm năng sinh khí biogas để thu hồi năng lượng lớn Chất thải thực phẩmgiàunguồnC,trongkhibùnbểtựhoạilạigiàunguyêntốdinhdưỡngN.Việckếthợphai nguồn thải này để xử lý bằng phương pháp lên men kỵ khí là hợp lý để tối ưuhóa việc cân bằng các nguyên tốtrong quá trình xử lý và thu hồi khí biogas Việc bổsung chất thải thực phẩm vào bùn bể tự hoại với tỷ lệthích hợp cho phép tăng hàmlượng metan trong sản phẩm khí biogas thu được, hệ hoạt động

ổn định hơn, dễ sinhkhí mêtanhơnvàchophépquátrìnhkhởi độngbểkỵkhíthuậnlợihơn

Việc xử lý kết hợp các chất thải khác giàu hữu cơ, giàu vi sinh vật sẽ tạođiềukiệnthuậnlợichoquátrìnhphânhủyvàđạthiệusuấtxửlýcaohơn.Quátrìnhxửlý

kỵ khí đồng thời hỗn hợp bùn thô từ lắng I và bùn hoạt tính dư trong trạm xử lýnước thải với chất thải thực phẩm đãđược nghiên cứu và khẳng định tại Đức, NhậtBản và nhiều nước khác trên thế giới.Khí biogas thu gom được từ quá trình xửlýđượctậndụngvàosảnxuấtnănglượngđiệnnănghoặcnhiệtnăng

Ở các đô thị Việt Nam, bùn bể tự hoại và rác hữu cơ từ các đô thị hàngngàythải ra với một lượng rất lớn Tuy nhiên chưa có biện pháp xử lý hữu hiệu đểđảmbảo an toàn về mặt vệ sinh và môi trường Biện pháp xử lý hiện nay chủ yếu làchônlấpgâyquátảibãi chônlấp,đồngthờigâyônhiễmmôitrường

Quátrìnhphânhủyhỗnhợpbùnbằngphươngphápkỵkhígặpphảinhữngvấnđềvềhiệu suất vàđộ ổn định,mộttrongnhững nguyên nhânchính là dobùn

bểtựhoạicóchứahàmlượngNitơ(N)lớn.GiảiphápchokỹthuậtnàylàtrộnráchữucơgiàuCacbonvàobùnđểtạomôitrường thíchh ợ p choquátrìnhxửlýk ỵkhí.Cácnghiêncứutrướcđâyđãchỉrahướngđitiềmnăngđểxửlýchấthữucơ,đólàphươngphápphânhủykỵkhíđểphânhủychấthữucơvàthuhồimêtan.Xửlý kết hợpbùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí tạo môitrường phân hủy, quẩn thể vi sinh vậttốt hơn do trong bùn bể tự hoại có sẵn hệ visinh vật kỵ khí, gấp nhiều lần trong ráchữu cơ Đối với xử lý kỵ khí chất thải có 2chế độ lên men: lên men ấm và lên mennóng Các nghiên cứu trước đây đã chỉ raquá trình xử lý kỵ khí chất thải ở chế độlên men nóng có nhiều ưu điểm hơn chế độlên men ấm: sẽ tạo ra nhiều khí biogas, rút ngắn thời gian phân hủy,đồng thời tiêudiệt hết các mầm bệnh Chất thải sau xử lý có thể được tận dụng làm phânbón chocâytrồng

Vì vậy, luận án này tiến hành nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại vàráchữu cơ (lấy chất thải thực phẩm làm đại diện) bằng phương pháp sinh học kỵkhí ởchếđộ lênmen nóngđểxử lýchấtthảivàthuhồitàinguyên

Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn

Ýnghĩakhoahọc

Nghiên cứu cho thấy việc xử lý kết hợp chất thải thực phẩmv à b ù n b ể

t ự hoại đảm bảo quá trình sinh khí biogas diễn ra ổn định, cho hiệu suất xử lýtheoCOD cao hơn nhiều so với chỉ xử lý riêng bùn bể tự hoại.K ế t q u ả

n g h i ê n c ứ u đ ã cho thấy thành phần, tính chất của bùn bể tự hoại, của chấtthải thực phẩm và khảnăng sinh khí biogas của chúng khi xử lý kỵ khí Bùn bể tựhoại có giá trị COD cao(dao động 12.600-79.500 mg/l), tỉ lệ VS/TS 63%-82%; chấtthải thực phẩm có CODdao động 118.450-241.000 mg/l, tỉ lệ VS/TS dao động 79%-95%, cho thấy hai loạichất thảitrên có khả năng phân hủy bằngp h ư ơ n g p h á p s i n h h ọ c k ỵ k h í T ỉ

l ệ COD/Ncủabùnbểtựhoạidaođộng9-18/1,chấtthảithựcphẩmcótỉlệCOD/Ncao hơn, từ 85-179/1 Theo một số nghiên cứu, để bể phản ứng hoạt động ổn định, tỉlệ COD/N là 70-200/1[86] Do vậy, xử

trườngthuậnlợichoquátrìnhxửlýkỵkhílàcáchtiếpcậnhợplý.Trongthínghiệmtheo

mẻ ở chế độ lên men nóng, khi xử lý kết hợp hai nguồn chất thải nói trên, hiệusuấtxửlýtheoCODvớitỉlệphốitrộnbùnbểtựhoại:chấtthảithựcphẩmkhácnhaudao động 42,7%-86,2% so với xử lý riêng bùn bể tự hoại chỉ đạt 24,9% Trong thínghiệm liên tục xử lý kỵ khí ởchế độ lên men nóng,tỉ lệ phối trộn tối ưu bùn bể tựhoại:chất thải thực phẩm theothể tích 9:1 (tương ứng tỉ lệ phối trộn theo COD 1:1)cho hiệu suất xử lý theo CODđạt 58%-75%.Kết quả nghiên cứu cũng đã khẳngđịnh sự phù hợp của cách tiếp cậnnày, có thể xử lý kết hợp bùn bể tự hoại vàráchữucơ,thuhồikhíbiogasởchếđộlênmennóng.

Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn bùn bể tự hoại: chấtthảithực phẩm tới lượng khí metan sinh ra, hiệu suất sinh khí metan Cụ thể nghiêncứuđã xác định đượctỉ lệphối trộn bùn bể tự hoại:chất thảit h ự c p h ẩ m t ố i

ư u t ư ơ n g ứng theo COD là 1:1, theo tỉ lệ thể tích là 9:1 cho hiệu suất sinh khímetan cao nhấtđạt 80% Với tỉ lệ phối trộn tối ưu theo COD 1:1, theo thể tích 9:1,lượng khí metansinhraởchếđộlênmennónglà264-278 Nml/gCOD

Kếtquảnghiêncứuchothấymốiquanhệgiữalượngkhíbiogassinhravàtảilượng hữu cơ nạp vào bể Bể phản ứng pilot vận hành với tải lượng hữu cơ 0,5-2kgCOD/

m3.ngày,hoạtđộngổnđịnhvớitảilượnghữucơtốiưu1,5kgCOD/m3.ngày,lưulượngnạpvào40l/ngàytươngứngtảitrọngthủylực57l/m3/ngày.Tỷ lệ sinh khí metan tối ưu là57,8%.K ế t q u ả n g h i ê n c ứ u n à y t ư ơ n g đồng với một số nghiên cứu

khác trên Thế giới xác định đối với bùn hoạt tính từtrạm xử lý[38],[61].Ngưỡng

Hech và Griehl (2009) khi thí nghiệm trên chất thảithực phẩm[76] Mức giá trị nàythấp hơn so với giá trị trong các tài liệu tổng quancủa Chernicharo[52]trong khoảng2,5 8 gCOD/L.ngày do hệ vi sinh bổ sung vàomô hìnhthínghiệmchưathậtổnđịnh

Xác định thông số động học quá trình phân hủy và xử lý số liệu bằngphầnmềm GPS-X mô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí, xác định đượch ệ s ố

p h â n h ủ y nội sinh kdcủa bùn bể tự hoại là 0,4 (1/ngày), và kdcủa chất thải thựcphẩm là 1,0(1/ngày).Kết quả hệsố phânhủy nội sinh của chấtthải thực phẩmn ằ m

t r o n g khoảng giá trị của kết quả nghiên cứu đối với chất thải thực phẩm kddaođộng 0,1-10 (1/ngày) với thí nghiệm liên tục trong 234 ngày, thực hiện trên 51 mẫuchất thảithựcphẩm,thờigianlưuthủylực20-25ngàyvớitảilượnghữucơ2-11gCOD/l/ngày[119]

Ýnghĩathựctiễncủa luậnán

- Kết quả nghiên cứu đã cho thấy cách tiếp cận xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tựhoạivới chất thải thực phẩm ở chế độ lên men nóng hoàn toàn khả thi và có một sốưuđiểmsau:

Xửlýđượcbùnbểtự hoại,giảmnguycơgâyônhiễmmôitrường

Xử lý được rác hữu cơ,m ộ t t r o n g n h ữ n g n g u y ê n n h â n

c h í n h g â y ô n h i ễ m môi trường, giảm diện tích bãi chôn lấp, giúp bảo vệmôi trường và sức khỏe cộngđồng

Thu hồi được tài nguyên Khí biogas sinh ra từ quá trình xử lý kỵ khíđượctận thu sử dụng làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện hoặc nhiệt năng.Bêncạnh đó, tận dụng được các chất dinh dưỡng trong bùn sau xử lý làm phân bónchocâytrồng

- Việc xử lý kết hợp các loại chất thải đô thị, bên cạnh tăng hiệu suất của quátrìnhxử lý, còn cho phép tận dụng các công trình của hệ thống hạ tầng kỹthuật,nâng caohiệuquảkhaitháccáccôngtrìnhđó

- Kết quả nghiên cứu cũng đóng góp phần quan trọng, làm cơ sở tham khảo khithiếtkế và vận hành các hệ thống xử lý chất thải đô thị Các thông số động học xác địnhđược từ nghiên cứu cho phép

áp dụng để tính toán, thiết kế bể phản ứng và các côngtrìnhcủahệthốngxử lýchấtthải

- Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong định hướng quy hoạch, lựachọncôngnghệxử lýchấtthải rắnvàbùn cặn cho các đô thịởViệtNam

Tínhmớicủaluậnán

- Đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam xây dựng cơ sở dữ liệu về quátrìnhphân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng 55oC với hỗn hợp bùn bể tựhoạivớichất thải thực phẩm trong đô thị để thu khí metan, chất lượng sản phẩm hỗnhợp bùn sau xử lý đảm bảotiêu diệt hết mầm bệnh, phục vụ cho mục đíchlàmphânbón táisửdụngtrongnôngnghiệp

- Xác định được tỉlệ hỗn hợpbùn bểtự hoại:chất thảit h ự c p h ẩ m t ố i ư u

đ ố i với thành phố Hà Nội là 9:1 theo thể tích, (tương ứng tỉ lệ 1:1 theo COD)chohiệus u ấ t s i n h k h í m e t a n c a o n h ấ t , đ ạ t 8 0 % ở c h ế đ ộ l ê n m e n n ó n

g , c h o lượngkhímetandaođộng264-278NmlCH4/gCOD

- Xây dựng được mối quan hệ giữa lượng khí metan thu được và tải lượnghữucơ: Bể phản ứng kỵ khí hoạt động ổn định với tải lượng hữu cơ là 1,5kgCOD/m3.ngày, với lượng khímetan trong hỗn hợp khí biogas đạt 57,8%, vớihiệusuấtxửlýtheoCODđạt75%

- Xđểmôphỏngquátrìnhphânhủykỵkhíởchếđộlênmennóngđểxácđịnhhệsốphânhủynộibàokd=0,4(1/ngày)đối với bùn bể tự hoại và kd= 1,0 (1/ngày) đối

CHƯƠNG1:TỔNGQUANVỀSỐLƯỢNG, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÙN BỂ TỰ HOẠI, RÁC HỮU

quán sinh hoạt và chế độ dinh dưỡng[1].Bể tự hoạithường được xây dựng tại các hộ

gia đình và công trình công cộng, văn phòng, cóchức năng xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt trước khi xả ramạng lưới thoát nước đôthị (Hình 1.1) Quá trình xử lý trong bể tự hoại bao gồm quá trìnhlắng và phân hủykỵ khí Các chấthữu cơ trong nước thảivà bùn cặnđã lắng,chủyếu

là cáchydratcacbon, đạm, béo, được phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí Nhờvậy, cặnlên men, bớt mùi hôi, giảm thể tích Chất không tan chuyên thành chất tan

và chấtkhí (chủ yếu là CH4, CO2, H2S, ) Trong bể thường được chia 3 lớp: lớpváng phíatrên,lớpnướcởgiữavàlớpbùndướiđáybể(Hình1.2)

Mô hình bể tự hoại đầu tiên do kỹ sư Fosse Mouras phát minh tại Phápvàonăm 1860 Sau đó bể tự hoại được du nhập vào nước ta cùng với người Phápvàonhững năm cuối thế kỷ 19 Hiện nay bể tự hoại được sử dụng rộng rãi tại các đôthịcủa Việt Nam và trong tương lai bể tự hoại vẫn còn tồn tại song song với hệthốngthoátnướctạicácđôthịcủaViệtNam

Nước thải sinh hoạt

Bùn

Hình1.1.Vịtríbểtựhoạitrongsơđồhệthốngthoátnướcchung.(Nguồn:

[15]).

Hình1.2.Cấutạocủabểtựhoại

Hàng năm, lượng bùn bể tự hoại được công ty URENCO hoặc các công ty

tưnhân thu gom, vận chuyển và xử lý Một số đề tài nghiên cứu đã thu thập thông tinvề lượng bùn bể tự hoại phát

sinh và lượng bùn bể tự hoại được thu gom tại

cácthànhphốlớnnhưthànhphốHàNội,thànhphốHồChíMinh,HảiPhòng,.Bảng

tổng hợp 1.1 cho thấy tổng lượng bùn cặn bể tự hoại được hút hiện nay tại khuvựcHà Nội là 189.000 m3/năm, tại thành phố Hải Phòng là 80.569 m3/năm và tại

Ninh,Hòa Bình, Sơn La, Lạng Sơn và Bà Rịa, 94-100% các hộ gia đình sử dụng bểtựhoại Phần lớn bể tự hoại (73%) có tần suất hút trung bình 9,5 năm/lần[3’].Lượngbùn bể tự hoại cần hút sẽ tăng nhanh trong 5-10 năm tới do lượng bùn tíchlũy trongcác bể tự hoại Mỗi thành phố có biện pháp xử lý bùn bể tự hoại khác nhau Tạithành phố Bắc Ninh phânbùn được đưa ra bãi chôn lấp, một phần tư nhân hút vàthải trực tiếp ra môi trường.Tại Sơn La, bùn bể tự hoại được xử lý sơ bộ và được sửdụng làm phân bón cho cây trồng Đối với

lýlàmcomposthoặcđưara bãichônlấp.Số liệuthốngkêchothấykhốilượngbùncặn bể tự hoại được hút hiện nay là rất lớn Biện pháp xử lý bùn bể tự hoại hiện naychủy ế u l à c h ô n l ấ p

1.1.2 Thànhphần,tínhchấtbùnbểtựhoại

Thành phần và tính chất của bùn bể tự hoại rất khác nhau, tùy thuộc vàocácyếu tố như: loại nước thải được xử lý, kích cỡ và cấu tạo thiết kế bể, chế độsinhhoạt,dinhdưỡngcủangườisửdụng,chếđộhút,khíhậu vàthờitiết,

Bùn bể tự hoại có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao nhưnitơ,phốtpho dễ sử dụng làm phân bón cho cây trồng Tuy nhiên, trong bùn cặnchứanhiềutrứnggiunsán,vikhuẩndễgâybệnh.Nhiềutàiliệu,nghiêncứuđãthuthậpvà công bố các kết quả nghiên cứu về các chỉ tiêu đặc trưng của bùn bể tự hoại.Thành phần tính chất của bùn bể tựhoại tại một số nước được trình bày trong bảng1.2

Bảng1.2.Thànhphần,tínhchấtbùnbểtựhoạitạimộtsốnước

Canada1

NhậtBản1

TháiLan1

ViệtNam2

25.000-32.000

25.400

5.000-32.000

3.300-19.300

22.400

8.000-15.000

32.000

5.000-79.500

rất lớn từ 12.600 mg/l đến 79.500 mg/l Các giá trị max cao hơn so với giá trịCODphântíchtạicácnước khác(CODc ủ a bùnbểtựhoạitạicácnướckháctừ5000-

32.000 mg/l) Giá trị VS của bùn bể tự hoại khá cao, dao động trong khoảng lớntừ2.860-22.400 mg/l Tỉ lệ VS/TS của bùn bể tự hoại tại Việt Nam dao độngtrongkhoảng 63%-82% chứng tỏ bùn bể tự hoại có khả năng phân hủy bằng phươngphápsinhhọc

1.1.3 Cácphươngphápxửlýbùnbểtựhoại

Trên thế giới có nhiều công nghệ được áp dụng để xử lý bùn bể tự hoạinhư:sân phơi bùn, bãi lọc trồng cây, ủ kỵ khí (ủ riêng hoặc kết hợp với chất thảithựcphẩm), compost hoặc hết hợp các loại trên (Hình 1.3) Mỗi công nghệ xử lýbùn bểtự hoại có những ưu, nhược điểm riêng (Bảng 1.3) Trong các biện pháp xử

lý bùnbể tự hoại, biện phápx ử l ý b ù n b ể b ằ n g c h ô n l ấ p k h ô n g

t ậ n d ụ n g đ ư ợ c c á c n g u ồ n tài nguyêntrong bùn cặn, không tạo rasảnphẩm mà còng â y q u á t ả i c á c b ã i c h ô n lấp và gây ô nhiễm môitrường.Các biệnpháp xử lý bùnb ể t ự h o ạ i k h á c h ầ u

h ế t đềutạorasảnphẩmlà phânbónchocâytrồng.R iên g biệnphápxửlýbùnbểtựhoại kết hợp với chất thải thực phẩm trong điều kiện kỵ khí có nhiều ưu điểm hơncả: sản phẩm không chỉ làphân bón cho cây trồng mà còn tạo ra sản phẩm là nănglượng khí biogas phục vụcho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng.H i ệ n n a y , t r ê n thế giới các nguồnnhiên liệu ngày một cạn kiệt, việc xử lý bùn cặn để tái sử dụnglàmkhíb i o g a s

c ầ n đượcđẩymạnhđểhướng tớipháttriểnbềnvững

Bể nén bùnPhương pháp cơ học

Sân phơi bùnBãi chôn lấp

Phương pháp sinh họcBùn bể tự hoại

Khí Biogas

Nhiệt năngĐiện năng

Phân bónNhiên liệu để đốt

Xử lý kỵ khí với chất thải

Ủ compost với CTTP

Hồ sinh học ổn định bùnBãi lọc trồng cây

Chấtthải

Nhómphươngpháp xửlý

Hình1.3 Cácbiệnphápxửlýbùnbểtựhoại Bảng1.3 Bảngthốngkêcácbiệnphápxửlýbùnbể tựhoại Phươngpháp

TốndiệntíchÔnhiễmmôitrường khôngkhí

bùn

n gkhôngkhíBãi lọc

trồngcây

Đơn giảnGiáthànhrẻ

TốndiệntíchÔnhiễmmôitrường khôngkhí

Hồsinhhọcổnđịnhbùn

Ôn h i ễ m m ô i t r ư ờ

n g

nhhọc

khôngkhíỦcompostcùngc

- Chưa tiêu diệtđượctriệtđểmầmbệnh

- Tốnnăngl ư ợ n g đ ểsụckhí

Xửlýkỵkhíkếthợpv ớ i bùn từ trạmxửlýnướcthải,chấtthảithựcphẩm,

- Tạo ra năng lượng:

khíbiogas để sản xuấtđiệnnănghoặcnhiệtnăng

- Sảnphẩmsauxửlýđược

phânbónchocâytrồng

- Công nghệ cònmới,cầnnghiêncứul à

Chấtthảirắnsinh hoạtchiếmtỷlệlớntrong chấtthảirắnởđôthị Lượngchất thải rắn sinh hoạt (phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, các khu tập thể, chấtthải đường phố, chợ, các trung tâm

chiếm60-70%lượngchấtthảirắnphátsinh.Thựctếchothấy,tổnglượngCTRsinhhoạtởcácđôt

hịphátsinhtrêntoànquốctăngtrung bình10-16%mỗi năm[24].

Theo dự báo của Bộ Xây dựng và Bộ Tài nguyên và Môi trường, đếnnăm2015, khối lượng CTR phát sinh ước tính khoảng 42 triệu tấn/năm (Bảng 1.4).Dựbáotỷtrọngchấtthảirắnđôthịsẽtăngdầncùngvớiquátrìnhđôthịhóa.Tỷtrọng

chất thải rắn đô thị năm 2008 chiếm 45,9% và dự báo đến năm 2015, tỷ trọng

đãchiếm trên 45% lượng chất thải rắn đô thị phát sinh toàn quốc[24].Lượng CTR

đôthịn gày càngt ă n g d os ố lư ợn gd ân c ư d i c h u yể n t ừ n ô n g th ôn ra t h à n h t h ị n

gà y càng tăng bởi quá trình đô thị hóa cao, do mức sống ngày càng cao Chỉ số phát sinhCTR đô thị bình quân đầu người tăng theo mứcsống Năm 2008, chỉ số CTR sinhhoạt phát sinh bình quân đầu người tính trung bình cho các đôthị trên phạm vi toànquốc vào khoảng 0,85 kg/người/ngày, tăng lên 1,1kg/người/ngày vào năm 2013.Ước tính lượng CTR đô thị trung bình ở Việt Nam

năm 2015, 2020 và 2025 tươngứngvàokhoảng1,2;1,4và1,6kg/người/ngày[24].

Cùng với sự gia tăng dân số, sự phát triển kinh tế và chất lượng cuộcsốngđượcnângcao,lượngchấtthảirắntạoracũngsẽtănglên.Kếtquảdựbáolượng

CTRphâ ts in h b ả n g 1 4c ho t h ấ y : lư ợn gC TR đô th ịn ăm 2015tă ng gấp 1, 6 lầ

n, năm 2020 gấp 2,3 lần vă năm 2025 gấp 3,2 so với năm 2010 Đđy sẽ trở thănhmốiđedọanghiímtrọngđốivớicâcbêichônlấp vẵnhiễm môitrường

Đối với thănh phố Hă Nội, khối lượng CTR trín địa băn Thủ đô tăngtrungbình 15% năm Tổng lượng CTR sinh hoạt của Hă Nội chiếm 68,7% tổnglượng râcthải của thănh phố Tính bình quđn lượng chất thải sinh hoạt tạo ra trínđầu người lă1.1-1.2kg/ngăy[ 2 5 ]

1.2.2 Thănhphần,tínhchấtcủachấtthảirắnđôthị

Thănh phần CTR sinh hoạt phụ thuộc văođ i ề u k i ệ n s ố n g , t h u

n h ậ p , p h o n g tục tập quân, khâc nhau giữa câc đô thị Tại một số đô thị lớn,

số liệu thănh phầnCTR sinh hoạt tại câc bêi chôn lấp cho thấy thănh phần râc hữu

cơ rất cao, chiếm53,8-68,5%tổnglượngrâcthảisinhhoạtđôthị[24]( B ả n g 1 5 )

Bảng 1.5 Thănh phần CTR sinh hoạt tại đầu văo của câc bêi chôn

HảiPhòng(TrăngCât)

HảiPhòng(

ĐìnhVũ)

ĐăN ẵ n g (HòaKhânh)

HCM(ĐaPhước)

Phương phápxửlý

Sản phẩ

Phânbón

Xử lý kỵkhí

Ủ compost

Đối tượng xử lý

Phân loại Chất thải

cơ ướt

Chất

thải

Phânloại

Rác hữu

cơ khô

Rác táichế

Nhiệt phân

Chôn lấp

Nguyênvật liệu

Chai lọthủy tinh,ĐốtKhí hóa

Nănglượng

lấp rác chưa xử lý từ năm 2004 và tại Hàn Quốc cấm chôn lấp chất thải nhà bếp

từnăm 2005[8].Tại Châu Âu, mục tiêu phải xử lý chất thải nhằm giảm 35% lượngCTR đưa đến bãi chôn lấp vào năm 2020 so với năm[98].Trong các biện pháp

xửlýtrên,biệnphápxửlýkỵkhícónhiềuưuđiểmhơncả:sinhkhíbiogasphụcvụ

không lớn.Nhược điểm của biệnp h á p x ử l ý k ỵ k h í l à c ầ n t h ờ i g i a n

đ ể khởi động hệ kỵ khí, cần kiểm soát tốt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phânhủykỵ khí: pH, nhiệt độ, khuấy trộn, tải lượng hữu cơ, tỉ lệ C/N, các yếu tốc ức chế ,kiểm soát nguyên liệu đầu vào

để không ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật trong bể phảnứng[16] Tuy nhiên, giá thànhvận hành thấp và khí biogas tạo thành có giá trị nănglượng[13]

Ráchữu

Hình1.5 Cácbiệnphápxửlýrácthải đôthị

Táichếvàtáisửdụng

CTR đô thị có thể tái sử dụng, tái chế thành sản phẩm: rác hữu cơ tái chếlàmphân hữu cơ, làm thức ăn chăn nuôi; tái chế giấy, kim loại, nhựa, thủy tinh, Tỷ lệtái chế các chất thải làm phânhữu cơ và tái chế giấy, nhựa, thủy tinh, kim loại nhưsắt, đồng, chì nhôm, chỉ đạt8-15% CTR đô thị thu gom được Năm 2009, lượngchất thải được tái chế của Hà

Nội là 348 tấn/ngày; TP Hồ Chí Minh: 554 tấn/ngày;HảiPhòng86,5tấn/ngày[24].

Xử lý phần rác hữu cơ thành phân hữu cơ là phương pháp hiện đang sửdụngtại Việt Nam Mặc dù CTR chở đến các nhà máy làm phân hữu cơ cơ thànhphầnhữu cơ từ 60-65% nhưng do CTR đô thị chưa được phân loại tại nguồn nênlượngCTR thải ra sau xử lý từ các nhà máy này phải mang đi chôn lấp vào khoảng35-40%lượngchấtthảiđầuvào

XửlývàtiêuhủyCTR đôthị

Tỷ lệ CTR được chôn lấp hiện chiếm khoảng 76-82% lượng CTR được

thugom[24].Trong thời gian tới, công nghệ xử lý CTR tại Việt Nam sẽ phát triển

theohướnggiảmthiểutốiđalượngrácthảichônlấpvàtăngcườngtỷlệtáichế,táisử

dụng Tại Việt Nam, lượng rác hữu cơ được ủ compost chiếm 2-5%, còn phầnlớnđược đưa đến bãi chôn lấp Ngoài ra một số địa phương cũng đã áp dụng côngnghệxử lý kỵ khí rác hữu cơ để thu hồi biogas phát điện và sản xuất phân bón: dự

án thuhồi biogas phát điện và sản xuất phân bón từ rác tại An Giang với công suất200-300tấnrácmỗingày

Để thực hiện mục tiêu của Chiến lược quốc gia đến năm 2015: 60%lượngchấtthảiđượctáichế,táisửdụng,thuhồinănglượnghoặcsảnxuấtphânhữucơthìcầnphảixửlý,thuhồinănglượngtừchấtthảirắnhữucơdoráchữucơchiếmtỷ lệlớn trong CTR đô thị 54-77%[24] Trong các biện pháp xử lý rác hữu cơ: biệnpháp xử lý kỵkhí rác hữu cơ có nhiều ưu điểm hơn cả, vừa thu hồi được khí biogasphục vụ chosản xuất điện năng hoặc nhiệt năng, đổng thời sản xuất phân bón chocây trồng.Trong thành phần chất thải rắn hữu cơ, chất thải thực phẩm chiếm tỷ lệlớn, ướctính 20% trong chất thải rắn hữu cơ, có khả năng phân hủy nhanh bằngphươngpháp sinh học kỵ khí[113] Vì vậy trong khuôn khổ của luận án, để cóthểnghiênc ứ u đ ư ợ c t r o n g p h ò n g t h í n g h i ệ m , t á c g i ả c h ọ n l o ạ i c h ấ t t h ả i t h

ự c p h ẩ m (thực phẩm thừa) giàu hữu cơ đại diện cho chất thải rắn hữu cơ, có lượng đáng kểlàm đối tượng nghiêncứu khi nghiên cứu công nghệ xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tựhoạivàráchữucơ

có khảnăng phân hủy sinh học cao, chiếm tỷ lệ 9% trong thành phần chất thải rắn

đô thị vàước tính thực phẩm thừa chiếm 20% trong rác hữu cơ[113]Tại Việt Nam, tỉ lệ

sinhhoạtcủa

Hiện nay tại khu vực Hà Nội, phần lớn CTR chưa được phân loại tạinguồn,rác thải hữu cơ không được xử lý và đưa đến bãi chôn lấp gây ô nhiễm môitrườngnặng nề, là nguyên nhân gây nên nhiều dịch bệnh Chất thải thực phẩmchiếm tỉ lệđángkểtrongráchữucơ,gâyracáctácđộngtiêucựcvềmôitrường.

Thành phần, tính chất của chất thải thực phẩm khác nhau tùy thuộc vàotậptục sinh hoạt, điều kiện sống của từng khu vực.Kết quả phân tích chất thảithựcphẩm cho thấy: giá trị COD/N của chất thải thực phẩm cao hơn nhiều so vớibùn bểtựh o ạ i , d a o đ ộ n g t r o n g k h o ả n g 8 5 - 1 7 9 / 1 ( C O D /

N c ủ a b ù n b ể t ự h o ạ i d a o đ ộ n g trong khoảng 9-18/1) Giá trị COD của chất thải thực phẩm tại Hà Nội daođộngtrong khoảng 135.000-241.000 mg/l, cao hơn nhiều so với COD của bùn bể tựhoại(COD của bùn bể tự hoại dao độngtrong khoảng 12.600-79.500 mg/l) Giá trịVScủa chất thải thực phẩm cao hơn 6,5-51 lầngiá trị VS củabùn bểt ự h o ạ i

V S / T S của chất thải thực phẩmcó giátrị79-95%,cho thấy chấtthải thực phẩm

cók h ả năng dễ phân hủy hơn bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học.(Kết quả

Thức ăn chăn nuôi

thực phẩm bằng phương pháp kỵ khí có nhiều ưu điểm: xử lý được chất thải cóđộẩmcao, sinh nănglượngmetan,yêu cầuítdiệntích, ít mùi vàkhínhàkính[40][73]

.Sản phẩm sau phân hủy tại bể phản ứng kỵ khí đưa đến bãi chôn lấp sẽ giảm

đượcthể tích bãi chôn lấp, không còn quá trình sinh hóa nên giảm mùi và chất gây

ônhiễm môi trường[65].Tại thị trấn Okimachi, Nhật Bản, bằng cách xử lý kết

hợpbùn từ trạm xử lý, bùn từ bể tự hoại Jokaso và chất thải thực phẩm từ nhà hàngđãlàm giảm lượng rác hữu cơ đưa đến bãi chôn lấp, đồng thời tạo khí metan phụcvụcho sản xuất phát điện Lượng rác hữu cơ giảm đến bãi chôn lấp năm 2010giảm47% so với năm 2005 Đồng thời, chất thải sau xử lý tại bể phản ứng kỵ khí

Cơ sở tái chế

Lò đốtChất thải tái chế Giấy

Nhựa, Kim loạiThủy tinh, chai lọ

Các ngành công nghiệp, kinh doanh

Xử lý riêngChất thải sản xuất

Chất thải nguy hại

Thức ăn chăn nuôiChất thải khác

85-179/1(Kếtquảthí nghiệmthamkhảophụ lục1,bảng1.2).

Giá trị VS/TS của bùn bể tự hoại 63%-82%, của chất thải thực phẩm 95%.GiátrịVScủachấtthảithựcphẩmcao,gấp6,5-51lầngiátrịVScủabùnbểtự hoại.Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy bùn bể tự hoại và chất thải thựcphẩm đều có khả năng phân hủy bằng

79-phương pháp sinh học.(Kết quả phân tíchthamkhảoPhụlục1,bảng1.2).

Bể chứa bùn trung gian

b Cấp nhiệt

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ (BÙN BỂTỰHOẠIV À RÁCHỮUCƠ)BẰNGPHƯƠNGPHÁPPHÂNHỦYKỲKHÍỞC

Hệ xử lý kỵ khí đôi gồm hai bể phản ứng nối với nhau, trong đó bể thứnhấtđược gia nhiệt và khuấy liên tục nhằm ổn định nguyên liệu còn bể thứ hai dànhchoquátrìnhlắngvàxảbùnsaukhixửlý(Hình2.1b)

lipase[102].Vi khuẩnthủy phân là các vi khuẩnkỵ khí Quá trìnhthủy phân có thể là

bước quyết định tốc độ phản ứng nếu chất nền chứa các phân tửlớn hoặc các hạt có

tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn[94].Trong khi đó nếu các chất dễphân hủy bước xác định tốc độ phản ứng là axetat và metan hóa[43].Sau khi cáctiền chất được thủy

phân, giai đoạn tiếp theo là chuyển chất đến tế bào và phânhủybằngcácvikhuẩnlênmentrong giaiđoạnaxithóa

Quátrìnhaxit hóa

Trong giai đoạn axit hóa, các phân tử hữu cơ hòa tan sẽ được vi khuẩnlênmen hoặc ôxi hóa kỵ khí[67] Các vi khuẩn này có thể là các vi khuẩn bắtbuộchoặc tùy nghi Trong hệ thống kỵ khí ổn định, quá trình phân hủy chính chosảnphẩm là acetate, carbon dioxide và hydrogen Các hợp chất trung gian, như làcácaxit béo, cồn không có nhiều Hướng phân hủy này có hiệu suất tạo năng lượngcaohơnchovikhuẩn vàsảnphẩmcủaquátrìnhcóthểđượcsử dụngtrựctiếpbởicácvi

khuẩn metan hóa[105] Tuy nhiên, khi nồng độ hydro và format cao, các vi

khuẩnlên men sẽ thay đổi hướng để tạo các chất chuyển hóa dễ bị khử hơn[35].Các

sảnphẩm từ bước axit hóa bao gồm khoảng 51 % acetat, 19 % H2/CO2, và 30% cácsảnphẩm có tính khử, chẳng hạn nhưVFA, rượu hoặc lactat[35].B ư ớ c a x i t

h ó a thườngđượccoilà bướcnhanhnhấttrong phânhủykỵkhí cácchấthữucơphức tạp

[94].

Quátrìnhaxetathóa

Các chất trung gian được tạo thành trong gian đoạn axit hóa, bao gồmaxitbéo chứa hơn hai nguyên tử carbon, rượu có hơn một nguyên tử cacbon và cácaxitbéo thơm phân nhánh Những sản phẩm này không sử dụng được trực tiếptrongmetan hóa và cần tiếp tục bị oxy hóa thành acetat và H2trong bước axetat hóabằngvi khuẩn khử protonkết hợp với nguồn sử dụng hydro Các sản phẩm từ axetathóatrở thành các chất nền cho các bước cuối cùng của xử lý hóa kỵ khí, được gọi làquátrình metanhóa

Quátrìnhsinh metan

Các nhóm vi khuẩn kỵ khí lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩnlênmenm e t a n n h ư m e t h a n o s a r c i n a v à m e t h a n o t h r i x ) đ ã c h u y ể n h

ó a a x i t a x e t i c v à hydrothànhCH4,CO2

Hình2.2.Quátrìnhphânhủychấthữucơtrongđiều kiệnkỳkhí

(Nguồn:[112])Giai đoạn đầu là thủy phân, thực chất đây là quá trình hai bước nối tiếpthủyphânvàaxithóa.Trongquátrìnhnàycáchợpchấthữucơcaophântử(carbonhyđrat,lipit, protein) trước hết được thủy phân để tạo các monomers thấpphân tử (đường,axit béo, amino axit tương ứng), sau đó được axit hóa thành cácchất trung gian làaxit carboxylic, ancol, H2, CO2và N–amôni Trong giai đoạnaxetat hóa, các

chủngAcetogenschuyển hóa các chất trung gian này thành axetat.Giai đoạn cuối là

quá trình chuyển hóa các chất này thành metan (CH4) và CO2.Thành phần khí nàyđược gọi là biogas và năng lượng quy đổi phụ thuộc vào

thànhphầnđầuvàovàđượcchoởbảng2.1[7].

thànhphầnthải(dựa trên[7])

biogas,ml/g

aTínhchođườnghexoza;bTínhchotriglixeritvới3 mol axitpalmitic.

Giai đoạn sinh metan được thực hiện bởi vi khuẩn sinh metan Đặc điểmcủaloạivikhuẩn mêtanlà cótínhlựachọnnghiêmkhắcđốivớichấtdinhdưỡng

Các nhóm vi sinh, hầu hết là vi khuẩn, đều tham gia vào việc chuyển hoácáchợp chất hữu cơ cao phân tử phức hợp thành khí metan Thêm vàođ ó l à s ự t ư ơ n g tác đồng bộgiữa các nhóm vi khuẩn liên quan đến quá trình phân hủykỳkhí cácchất thải Mặc

dù có thể có sự hiện diện của một số nấm và nguyên sinh động vật,nhưng rõ ràng vikhuẩn luôn vượt trội về số lượng Một số lớn các vi khuẩnkỳkhíngẫu nhiên thamgia vào quá trình thủy phân và lên men các hợp chất hữu cơ.Cóbốn nhóm vi khuẩnliên quan đến việc chuyển hóa các chất phức hợp thành nhữngphân tử đơn giản nhưmetan và dioxit cacbon Những nhóm vi khuẩn này hoạt độngtrong một mối quan

hệ đồng bộ, nhóm này phải thực hiện việc trao đổi chất củanótrướckhichuyểnphầnviệccònlạichonhómkhácv.v

Phân hủy kỵ khí là một hệ cân bằng sinh thái, trong đó các nhóm vi sinhvậtkhác nhau thực hiện các chức năng khác nhau Trong giai đoạn thứ nhất, mộtnhómcácvikhuẩnkỵ khíchuyển hóa(quathủyphânvàlênmen)cáchợpchấtcarbon hữu cơ (như hydrat carbon, protein và lipid) thành các phân tử hữu cơ đơn giản, chủyếu làcácaxit hữucơcóphântửlượng nhỏ(volatilefattyacid,VFA),CO2vàH2

Ở giai đoạn 2, các axit hữu cơ và H2được chuyển thành metan và CO2.Quátrình chuyển hóa này do một nhóm vi sinh vật đặc biệt có tên gọi làmethanogenđảm nhiệm Đây là các vi sinh vật nhân sơ (Prokaryotes) sinh trưởng

kỵ khí, và phụthuộc vào cơ chất do các vi sinh vật tạo axit cung cấp, do vậy thiếtlập mối quan hệcộngsinh

Vi khuẩn sinh metan thực hiện 2 chức năng tối quan trọng trong hệ sinhtháikỵ khí là tạo ra chất khí không tan trong nước (metan), qua đó loại bỏ chất hữu

cơ rakhỏi môi trường, và giữ áp suất cục bộ của H2ở mức thấp, thích hợp cho cácvikhuẩnlênmenvàsinhaxitcóthểtạoracàngnhiềusảnphẩmcómứcoxyhóacaolà cácaxit hữu cơ bay hơi (như axit acetic) Do methanogen chiếm vị trí cuối cùngtrong môi trường kỵ khí của quá trìnhphân giải các hợp chất hữu cơ, mức sinhtrưởng thấp của chúng thường là yếu tố

hạn chế ảnh hưởng toàn bộ quá trình phânhủy[52].

2.1.3 Visinhvậtthamgiaquátrìnhxử lýkỳkhí

Xử lý kỵ khí có thể được coi như một hệ sinh thái, trong đó nhiều nhómvisinhv ậ t c ù n g t h a m g i a c h u y ể n h ó a c á c h ợ p c h ấ t h ữ u c ơ p h ứ c t ạ p t h à n h c á

c s ả n phẩm cuối cùng như CH4, CO2, H2S, H2O và NH3cùng với sinh khối vi sinh vật.Toàn

bộ quá trình có thể được phân chia thành nhiều bước trao đổi chất khác

nhauvớisựthamgiacủacácnhómvisinhvậtcóđặcđiểmsinh lýkhácbiệt[9].

Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa vật chất hữucơtrongxửlýkỵkhígồmcónhómvikhuẩncóhoạttínhthủyphân,nhómvikhuẩnlênmen sinh axit, nhóm vi khuẩn sinh acetate và nhóm vi sinh vật sinh metan Cácnhóm vi khuẩn này hoạt động dựatrên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào

hoạttínhsinhhọccũngnhưsảnphẩmtraođổichấtcủanhau[39].

Nhóm1-Vikhuẩncó hoạttính thủyphân

Nhóm này bao gồm các vi khuẩn kỵ khí thực hiện chức năng bẻ gãy cácphântử hữu cơ phức hợp (như protein, cellulose, lignin, lipid) thành các đơn phân có

khảnăngt a n t r o n g n ư ớ c n h ư a x i t a m i n , g l u c o s e , a x i t b é o v à g l y c e r o l [ 4 2 ]

C á c đ ơ n phân này trực tiếp là nguồn cơ chất cho nhóm vi khuẩn tiếp theo tham gia quá trìnhphân hủy Thủy phân

các hợp chất hữu cơ cao phân tử được thực hiện nhờ cácenzyme thủy phân ngoạibào như cellulase, protease và lipase Tuy nhiên giaiđoạnthủyphânthườngcóthểkéodàivàtrởthànhbướcquyếtđịnhtốcđộcủatoànbộquátrìnhxửlý,vídụ nhưtrongtrường hợpnguồnthảicầnxửlýchứanhiềulignin

Vi khuẩn lên men sinh axit (ví dụ nhưClostridium) chuyển hóa đường,

axitamin và axit béo thành các axit hữu cơ (như axit acetic, propionic, formic,butyrichays u c c i n i c ) , r ư ợ u v à k e t o n ( n h ư e t h a n o l , m e t h a n o l , g l y c e r o l, a c e t o n e ) , a c e t a t e , CO2và H2[42] Acetate là sản phẩm chính được tạo ra trongquá trình lên men cáchợp chất carbohydrat Sản phẩm lên men thay đổi phụ thuộc

cũngnhưđiềukiệnlýhóa(nhiệtđộ,pH,thếoxyhóakhử)trongbểphảnứng

Nhóm3–Vikhuẩnsinhacetate (acetogens)

Vikhuẩnacetogen(vikhuẩnsinhacetatevàH2)nhưSyntrobactervàSyntrophomo

nas[94]chuyển hóa các axit béo (như axit propionic, butyric) và rượuthành acetate,

H2và CO2 Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn acetogen là nguồn cơchất trực tiếp cho nhóm

vi sinh vật sinh metan hoạt động Để có thể chuyển hóađược các axit béo, vi khuẩn acetogen cần có điềukiện áp suất cục bộ của H2trongmôi trường ở mức rất thấp, do vậy quan hệ cộngsinh chặt chẽ với các vi sinh vậtsinh metan là nhằm duy trì điều kiện

này[42].Ethanol, axit propionic và axitbutyric được vi khuẩn acetogen chuyển hóa

thành axit acetic theo các phương trìnhphảnứngnhư sau:

CH3CH2OH (ethanol) + H2OCH3COOH (axit acetic) +

2H2CH3CH2COOH(axit propionic)+2H2OCH3COOH(axitacetic)+CO2+2H2

CH3CH2CH2COOH(axitbutyric)+2H2O2CH3COOH(axitacetic)+2H2

Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với methanogen

(khoảng25 lần)[69],tuy nhiên methanogen lại sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp

với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào khoảng 3 ngày ở điều kiện nhiệt

độ35C(sovớiE.colilàkhoảng 15phút)haytới50ngàyởđiềukiệnbất l ợ i 10C [42].Visinhvậtsinhmetanđượcchiathànhhainhómlớn:

CO2+4H2CH4+2H2ONhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ củahydrotrong hệ xử lý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảmbảo cácaxitbéovàrượuđượcchuyểnthànhacetate

CácchithườnggặpthuộcnhómnàygồmcóMethanobacterium,Methanobreviba

cter, Methanococcus,Methanomicrobium,Methanogenium.

CH3COOHCH4+ CO2Trong bể xử lý kỵ khí hai chi thường gặp thuộc nhóm này

làMethanosarcinavàMethanothrix(hình 1.10) Trong hệ xử lý kỵ khí, gần 2/3 metan

được sinh ra từviệcchuyểnhóaacetate,1/3cònlạicónguồngốctừ H2vàCO2[88].

Hình2.3.Methanosarcinasp.vàMethanothrixsp.thườnggặptrongcáchệxửlýkỳkhí.

Nguồn:[9]

Song song với quá trình phát triển của công nghệ xử lý kỵ khí, cácphươngpháp xác định số lượng và hoạt tính của methanogen trong các bể phản ứngcũngđược tối ưu dần Các phương pháp đếm thông thường đối với vi sinh vậtkhông phùhợp đối với methanogen vì các vi sinh vật này yêu cầu điều kiện sinh

thùkhókiểmsoáttrongphòngthínghiệm,đồngthờithườngsốngcộngsinhtrongmột

quần thể với nhiều loài vi sinh vật khác Một số phương pháp sinh học phân tửhiệnnaynhưđiệndibiếntính(DGGE),laitrựctiếpbằngđầudòhunhquang(FISH)cho phép xác định số lượng methanogen trong môi trường một cách trực tiếpdựatrên các phân tử DNA và RNA mà không cần qua bước phân lập và nuôi cấytrongphòngthínghiệm[33].

Hoạt tính sinh học trong bể xử lý kỵ khí thường được đánh giá thôngqualượng axit béo bay hơi (VFA) hay metan sinh ra Ngoài ra, hoạt tính sinh họccòn

cóthểxácđịnhthôngquahàmlượngATP,tỷlệthuậnvớilượngkhísinhravàthayđổi rất nhạy khi nạp liệu hay có mặt các độc tố Sinh khối vi sinh vật, cấu trúc quầnthể và trạng thái trao đổi chất đượcxác định tương ứng thông qua phân tích lipidtổngsố,axitbéocủaphospholipidvàaxit

poly--hydroxybutyric[78].

Các loài sinh metan trong cổ khuẩn làm thành một nhóm lớn và đa dạng với cácđặcđiểm chung là (1) tạo khí metan như sản phẩm cuối cùng của chu trình trao đổi nănglượng và (2) sống kỵ khí Cổ khuẩn sinh metanthu năng lượng cho quá trình sinhtrưởng từ việc chuyển hoá một số chất thành khí metan Nguồn

cơ chất chủ yếu củacácvi sinhvật nàylà hydro, format và acetat

Quá trình sinh metan ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp kỵ khí, trongđóchất nhận điện tử là CO2 hoặc nhóm methyl trong các hợp chất C1 (nhưmetanol,trimethylamin, dimethylsulfid va rượu như isopropanol, isobutanol,cyclopentanol,etanol) và acetat Là những sinh vậtduy nhất có khả năng tạo rakhím e t a n , c ổ khuẩn sinh metan có những enzyme và coenzyme thiết yếu choquá trình tổng hợpmetan và đóng vai trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzymeF420 và coenzyme M.Sự hiện diện của coenzyme F420 khiến cho các tế bào của cổkhuẩn sinh metan cótính tự phát sáng dưới ánh đèn hu nh quang (bước sóng 350-

420 nm) Mặc dù hiệntượng tự phátsáng này có thểmạnh,y ế u , h a y đ ô i

k h i m ấ t h ẳ n , t u t h u ộ c v à o c á c pha sinh trưởng của tế bào, nhưng đóvẫn là một đặc điểm đơn giản và tiện lợiđểnhậnbiếtcổkhuẩnsinhmetandướikínhhiểnvi

Bảng 2.2 Phản ứng tạo metan trên các cơ chất khác

nhauvànănglƣợngđƣợcgiảiphóngtừđó.Nguồn:[7]

Phảnứngsinh metan Nănglượngđượcgiải

Khiở d ạ n g c h ủ n g đ ơ n c ổ k h u ẩ n s i n h m e t a n r ấ t n h ạ y c ả m v ớ i o

x y g e n Trongmôitrườngkỵkhí,cổkhuẩnsinhmetanphảicạnhtranhvềcơchất,đặcbiệtlà hydro và acetat, với các nhóm vi sinh vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điệnthế khử dương tính hơn so với

CO2như là nitơrat, sulfat và ôxit sắt III Như vậy cổkhuẩn sinh metan sẽ chiễm lĩnhcác môi trường nơi không có nhiều các loại chấtnhận điện tử tiềm năng này Dokhông có khả năng sử dụng rộng rãi các loại cơchấtkhácnhau,trongtựnhiêncổkhuẩnsinhmetanthườngphảiphụthuộcvàocácloài

vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá đa dạng chất hữu cơ thành các axit hữucơ,hydro,formatvàacetate, trongđóhydro,format vàacetatelà nguồnthứcăntrực tiếp cho cổ khuẩn sinh metan, còn các axit hữu cơ sản phẩm của quá trình lên mennhư propyonat, butyrate thìcần phải được một nhóm vi khuẩn khác chuyển hoáthànhcơchấtthíchhợp rồimớiđếnlượtcổ khuẩnchuyểnthànhkhímetan

Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh metan được biết đến là 50 loài thuộc 19chi,sáuhọvàbalớp(Bảng2.3).Sựphânloạinàydựatrêntrìnhtự16SrARNhiệncó

đặc trưng dễ nhận biết dưới kính hiển vi như Methanosarcina,

Họ Methanobacteriaceae có thành tế bào cấu tạo từ pseudomurein, vì thế

bắtmầuGram(+).HọMethanobacteriaceaegồmcóbachilàMethanobacterium,Methanobrevi

bactervàMethanosphaera Các loài thuộc chiMethanobacteriumcótế bào hình que

hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm gồm nhiều tế bào Tất cả cácloàithuộcchinàyđềucókhảnăngsinhmetantừ H2+CO2

Theo một số nghiên cứu, ở chế độ lên men nóng nhiệt độ cao (45°Cđến 65°

C),Methanothrixlà nhóm methanogen thường xuất hiện trong các quá trình sinh

metanở nhiệt độ cao[126],[78], quẩn thể methanogens sinh trưởng và phát triển tốtởnhiệt độ từ 45oC – 65oC, tối ưu ở 55oC và có cùng quần thể methanogens[97]Trong

khi đó ở chế độ lên men ấm - nhiệt độ ấm (30 – 37C)Methanosarcinalại lànhóm chiếm

ưu thế[39] Trong quá trình tạo khíbiogas, trên 70% lượng metan sinhra là do các nhóm sử dụng

Hầu hết các vi khuẩn tạo mêtan hoạt động trong phạm vi pH từ 6.7 – 7.4,tốiưu là từ 7- 7.2, sự phân hủy có thể thất bại nếu pH gần ở mức 6.0.Nghiên cứu xửlý kỵ khí chất thải thựcphẩm của Zang et el (2005) cho thấy khi pH = 7 cho hiệusuất quá trình xử lý theoCOD hòa tan cao đạt 82% Vi khuẩn tạo axít tạo ranhữngaxíth ữ u c ơ c ó k h u y n h h ư ớ n g l à m g i ả m đ ộ p H t r o n g b ồ n p h ả n ứ n g Dướ

iđ i ề u

kiệnbìnhthườngsựgiảmpHnàysẽđượcgiảmđidochấtđệm(bicarbonate)tạorabởi nhóm vi khuẩn tạo mêtan Trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt,khả năng tạo chất đệm có thểkhông xảy ra và cuối cùng làm ngưng việc tạo ramêtan Axít gây cản trở nhiềuhơn cho nhóm vi khuẩn tạo mêtan so với nhóm vikhuẩn tạo axít Sự tăng axít dễbay hơi như thế sẽ là dấu hiệu cho thấy hệ thốngkhôngcònhoạtđộnghiệuquả.

Phải chú ý vận hành để bể phản ứng kỵ khí có thể giữ cân bằng số vikhuẩntạo axit và vi khuẩn tạo metan Chất hữu cơ cho vào bể sẽ được nhanhchóngchuyển hóa thành CH4và CO2 Khi đột ngột cho vào quá trình nhiều cặn bùnhữucơ thì sẽ tạo quá nhiều axit, pH giảm và làm hoạt tính của vi khuẩn cũnggiảm Vikhuẩn metan rất nhạy cảm với việc giảm pH Vì vậy phải theo dõi tỷ lệtổng mứcaxít dễ bay hơi (như axít acetic) so với tổng độ kiềm (như cácbonatcanxi) để bảođảmrằngtỷlệnàyluôndưới0,1

2.1.4.2 Nhiệtđộ

Trong các hệ xử lý kỵ khí, quá trình sinh metan được thực hiện ở nhiệtđộthường, nhiệt độ ấm (30 – 37C, tối ưu ở 35C) hay nhiệt độ cao (50 – 55C, tốiưuở 55C), tùy thuộc vào loại công nghệ áp dụng[90](Hình 2.4) Do có tốc độsinhtrưởng chậm, methanogen rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về nhiệt độtrongmôitrường[91]

Lên men thường Lên men ấm Lên men nóng

m, phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm hơn: thời gian phânhuỷ của quá trình lên men nóngngắn hơn 10 ngày (chế độ lên men nóng thời gianphân hủy 10 ngày, chế độ lên

men ấm thời gian phân hủy 20 ngày)[123], lượng khíbiogas sinh ra cao hơn 33%[47], [118].Ngoài ra, quá trình phân hủy kỵ khí ởchế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm

bệnhvàvikhuẩn,chếđộlênmennóngtiêudiệt98,5-99,6%visinhvậtgâybệnh,[123]

[75].Vì vậy, luận án đi vào nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu

cơ(chấtthảithực phẩm)bằngphươngphápsinh họckỵkhí ởchếđộlên mennóng

Sosánhxửlýkỵkhíở2chếđộlênmenấmvàchếđộlênmennóngđượcthểhiệntrongbảng2.4