Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải

Xử lý bùn thải bằng phương pháp sinh học đang được quan tâm nhiều, bản chất của phương pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và cá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

NGUYỂN THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS TRẦN MẠNH TRÍ

HDP: PGS.TS ĐỖ QUANG TRUNG

Hà Nội – Năm 2015

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu bảng

Bảng 1.1 Lượng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012 7

Bảng 1.2

Khối lượng riêng và hàm lượng ẩm của các chất thải có

Bảng 1.5 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan 23 Bảng 1.6 Ưu điểm và nhược điểm của ủ yếm khí so với hiếu khí 24

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sông Kim Ngưu 41 Bảng 3.2 Bảng kết quả theo dõi hàm lượng CODt theo thời gian 43

ra

Bảng 3.7 Bảng theo dõi giá trị pH theo thời gian ủ 51

Bảng 3.8 Bảng theo dõi lƣợng khí sinh ra theo thời gian 52

Bảng 3.9

Tỷ lệ thành phần trung bình của các khí trong khí sinh

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh ô nhiễm thực tế sông Kim Ngưu 7

Hình 2.4 Quá trình thực nghiệm phối trộn BT và RTHC 36

Hình 3.1 Độ sụt giảm hàm lượng T-N sau 30 ngày ủ 44

Hình 3.2 Độ sụt giảm hàm lượng T-P sau 30 ngày ủ 45

Hình3.3

Mô tả sự thay đổi giá trị COD-t theo thời gian của hỗn hợp phản ứng trong các thí nghiệm với thành phần nguyên liệu đầu vào khác

đầu vào

Hình 3.6

Kết quả phân tích thành phần phần trăm TS và TVS

Hình 3.7 Sự dao động của pH theo thời gian ủ 52

Hình 3.8 Khả năng tạo khí theo thời gian ở các thí nghiệm 54

VS Volatiled Solids (Tổng chất rắn dễ bay hơi)

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Trần Mạnh Trí đã giao đề tài và nhiệt tinh giúp đỡ, cho em những kiến thức quý báu trong quá trình nghiên cứu Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Đỗ Quang Trung, thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn bộ môn hóa Môi trường, cô giáo PGS TS Tạ Thị Thảo bộ môn hóa Phân tích cùng các thầy các cô trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn

Cảm ơn các phòng Thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, phòng Thí nghiệm chất thải rắn 709 – trường Đại học Xây dựng Hà nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên Nguyễn Thị Trang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội 3 1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải đô thị 3

1.1.2 Đặc điểm của bùn thải đô thị 4

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị 6

1.2 Tổng quan về rác thải sinh hoạt 8

1.2.1 Nguốn gốc phát sinh và đặc điểm rác thải sinh hoạt 9

1.2.2 Các phương pháp xử lý rác thải sinh hoạt 12

1.3 Phương pháp lên men phân hủy yếm khí 13

1.3.1 Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí 14

1.3.1.1 Giai đoạn thủy phân 15

1.3.1.2 Giai đoạn lên men axít 15

1.3.1.3 Giai đoạn sinh khí metan 16

1.3.2 Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas 18

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí 19

1.3.3.1 Nguyên liệu đầu vào 19

1.3.3.2 PH, độ kiềm và tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm 20

1.3.3.3 Nhiệt độ 21

1.3.3.4 Thời gian lưu trong lên men phân hủy yếm khí 22

1.3.3.5 Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu 22

1.3.3.6 Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn metan 23

1.3.3.7 Tính chất của chất nền và các chất gây độc 24

1.4 So sánh quá trình xử lý yếm khí và hiếu khí 24

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28

2.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 28

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.1.1.1 Cơ sở lựa chọn phạm vi và đối tượng nghiên cứu 28

2.1.1.2 Đối tựợng và phạm vi nghiên cứu 28

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.1.2.1 Mục đích nghiên cứu 29

2.1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 30

2.2 Lấy và chuẩn bị mẫu 30

2.3 Thiết bị nghiên cứu 31

2.4 Chuẩn bị nguyên liệu nạp 33

2.5 Nạp mẫu vào bể phản ứng 35

2.6 Chuẩn bị hóa chất và thiết bị máy móc cho quá trình phân tích mẫu 36

2.7 Các thông số theo dõi và phân tích trong quá trình thực hiện phản ứng và kết thúc 38

2.8 Xác định thành phần khí sinh ra 39

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

3.1 Đặc điểm bùn thải sông Kim Ngưu 41

3.2 Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí 42

3.2.1 Sự giảm hàm lượng Nitơ tổng (T-N) 43

3.2.2 Sự giảm hàm lượng Phốt pho tổng (T-P) 44

3.2.3 Khả năng loại bỏ COD tổng (CODt) 46

3.2.4 Khả năng loại bỏ tổng chất rắn và tổng chất rắn bay hơi 48

3.2.5 Sự thay đổi giá trị pH theo thời gian phản ứng 51

3.2.6 Khả năng sinh khí sinh học và thành phần khí CH4 52

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Tại Việt Nam, công tác quản lý nước thải đô thị còn nhiều bất cập Nước thải sinh hoạt tại các đô thị không được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để mà xả thải trực tiếp ra môi trường với lượng rất lớn Do đó, bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn nạo vét hệ thống thoát nước với số lượng lên tới hàng triệu tấn mỗi năm

Xử lý bùn thải bằng phương pháp sinh học đang được quan tâm nhiều, bản chất của phương pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải

Trong phương pháp này bao gồm xử lý hiếu khí (có sự tham gia của oxi không khí) và phương pháp yếm khí (sự phân hủy các chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong điều kiện không có không khí) Sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy yếm khí chủ yếu là CH4, H2S, CO2 Những khí này được sử dụng như một nguồn cung cấp năng lượng sạch Một số ưu điểm của xử lý yếm khí là tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá trình vận hành, nó còn là một hệ thống sản sinh ra năng lượng, vì trong quá trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ bị phân hủy sẽ chuyển thành khí metan

Bên cạnh đó chất thải sinh hoạt hiện đang là một trong những nguồn lớn gây

ra ô nhiễm môi trường Quản lý rác thải là một trong những vấn đề bức xúc tại khu vực đô thị và công nghiệp tập trung ở nước ta Hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường

và quản lý rác thải sinh hoạt ngày càng được nhà nước, xã hội và cộng đồng quan tâm Tuy nhiên, nếu quản lý và tái sử dụng hợp lý thì rác thải sinh hoạt cũng là nguồn nguyên liệu đầu vào rẻ, phong phú, mang lại hiệu quả kinh tế và góp phần rất lớn trong việc bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên

Chính ví vậy để đưa ra các giải pháp xử lý các loại chất thải đặc thù này dựa trên các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn thải và rác thải hữu cơ sao cho vừa thích ứng với điều kiện kinh tế và trình độ của người sử dụng, vừa thu hồi được lượng khí sinh học tạo ra trong quá trình lên men, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm, bảo

vệ môi trường sống chúng tôi đã chọn đề tài là “Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải”

Để tăng hiệu quả xử lý, việc tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số liên quan đến quá trình xử lý là rất quan trọng nhằm kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động phân hủy Trong luận văn này chúng tôi sử dụng mô hình yếm khí AD-W8 tại phòng thí nghiệm Hóa môi trường – trường Đại học Khoa học Tự nhiên là một dạng thu nhỏ của nhà máy xử lý yếm khí trong thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội

1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải đô thị

Bùn thải đô thị (BTĐT) là thành phần chính của quá trình thoát nước đô thị [20] Bùn thải đô thị được sinh ra trong các công đoạn của quá trình thoát nước và

xử lý nước thải Do vậy, bùn thải đô thị bao gồm các loại như sau:

- Bùn thải từ bể phốt: phát sinh từ hệ thống bể phốt (septick tank) sử dụng để

xử lý nước đen, vệ sinh tại công trình xây dựng trong các đô thị

- Bùn nạo vét: phát sinh từ công tác nạo vét cống rãnh, sông, hồ, ao nằm trong

hệ thống thoát nước đô thị

- Bùn từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt: phát sinh từ các công đoạn trong quy trình xử lý nước thải sinh hoạt đô thị Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ công tác xử lý nước thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lượng bùn thải cần phải

có quy định về quản lý riêng và không nằm trong tập hợp bùn thải đô thị

Thông thường, tỷ trọng của bùn bể phốt, bùn nạo vét, bùn xử lý nước thải trong bùn thải đô thị khác nhau phụ thuộc vào mô hình thoát nước, trình độ phát triển hạ tầng đô thị của mỗi một quốc gia Tại một số quốc gia châu Âu phát triển thường sử dụng mô hình thoát nước và xử lý nước thải tập trung nên thành phần bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn xử lý nước thải và bùn nạo vét, bùn phát sinh từ bể phốt chiếm tỷ trọng rất nhỏ Do có hệ thống thoát nước đồng bộ nên lượng bùn nạo vét tại các quốc gia này cũng không quá lớn cùng với quy định về việc xử lý triệt để nước thải đô thị nên lượng bùn phát sinh từ trạm xử lý nước thải chiếm tỷ trọng cao nhất Ước tính tại châu Âu, trung bình một người dân đô thị thải

ra 90g bùn khô/ngày, khối lượng bùn thải đã tăng lên 50% và khoảng xấp xỉ 10 triệu tấn trong năm 2005 sau khi quy định số: 91/271/EEC quy định việc xử lý nước thải sinh hoạt đô thị ra đời [20]

Tại Việt Nam, lượng nước thải sinh hoạt qua xử lý trước khi thải ra môi trường rất thấp, riêng thành phố Hà Nội lượng nước thải sinh hoạt độ thị được xử lý tính đến năm 2007 đạt khoảng 2% [22] Sau khi nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long -Vân Trì đi vào hoạt động, thì lượng nước thải được xử lý đạt khoảng 8% tính tới hết năm 2012 Do tỷ lệ nước thải được xử lý thấp nên lượng bùn thải phát sinh

từ trạm xử lý nước thải chiếm tỷ trọng nhỏ trong bùn thải đô thị Hơn nữa, hệ thống thoát nước đô thị không đồng bộ dẫn tới bùn nạo vét phát sinh với lượng lớn và là thành phần chính trong bùn thải đô thị tại Hà Nội cũng như các đô thị khác trên cả nước Ngoài ra, bùn bể phốt cũng chiếm một tỷ trọng nhất định trong bùn thải đô thị tại Hà Nội cũng như các thành phố khác tại Việt Nam

1.1.2 Đặc điểm của bùn thải đô thị

Với sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cư, trình độ phát triển đô thị cũng như sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải đô thị tại mỗi quốc gia, mỗi khu vực dân cư có những đặc điểm khác biệt Hơn nữa, tính chất của bùn thải phụ thuộc theo đặc trưng thời tiết, theo mùa nên sự khác biệt về vùng miền càng thể hiện rõ rệt hơn Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nước thải còn thể hiện ở công nghệ xử lý nước thải được áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn

xử lý khác nhau có đặc điểm riêng biệt Bùn thải phát sinh trong giai đoạn xử lý sơ

bộ của các trạm xử lý nước thải đô thị tập trung tại châu Âu thường có các chỉ tiêu hóa lý như: pH trong khoảng 5,0 - 8, tổng chất rắn (TS) trong khoảng 2,0 - 8%, chất rắn bay hơi (VS) trong khoảng 60 - 80%, tổng nitơ tính theo % TS trong khoảng 1,5

- 4%, tổng phốt pho tính theo % TS trong khoảng 0,8 - 2,8% [20] Trong khi đó, bùn thải phát sinh từ giai đoạn xử lý sinh học (activated sludge) có đặc điểm hóa lý như: pH trong khoảng 6,5 - 8, TS trong khoảng 0,83 - 1,16%, VS trong khoảng 59 - 88%, tổng nitơ trong khoảng 2,4 - 5%, tổng phốt pho trong khoảng 2,8 - 11% [20] Bùn thải đô thị tại Việt Nam với thành phần chủ yếu là bùn thải nạo vét hệ thống thoát nước nên có những đặc điểm riêng đặc trưng Bùn thải sông Kim Ngưu sông thoát nước thải đô thị điển hình của Hà Nội lại có các thông số hóa lý như: pH trong khoảng 7,04 - 7,41, CODt trong khoảng 79.910 - 83.033 mg/L, TS trong khoảng

19,2 - 23,5%, VS trong khoảng 24,5 - 26,2%, NO3- trong khoảng 192 - 212 mg/L,

PO43- trong khoảng 494 - 522 mg/L [2] Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải có sự khác nhau giữa các loại bùn thải cũng như sự khác nhau giữa các vùng miền và quốc gia nhưng điểm chung là bùn thải đô thị có chứa thành phần các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho khá cao

Các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc vô cơ: Chủ yếu gồm các kim loại nặng và một số nguyên tố xạ hiếm khác Chúng tồn tại trong bùn thải đô thị phát sinh từ phân và nước tiểu của bệnh nhân trị xạ [12] Kim loại nặng như: Pb, Cd, Zn, As, Cr,

Ni, Cu, là những kim loại phổ biến được phát hiện trong bùn thải đô thị Hàm lượng các kim loại này trong bùn thải đô thị có sự dao động khá lớn và phụ thuộc vào các yếu tố vùng miền, thời tiết, công nghệ xử lý nước thải Hàm lượng của Pb trong khoảng 13 - 26.000 mg/kg DS (Dry Substance) (trung bình 500 mg/kg DS), hàm lượng Cd trong khoảng 1 - 410 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS), hàm lượng Zn trong khoảng 101 - 49,000 mg/kg DS (trung bình 1700 mg/kg DS) As trong khoảng 1,1 - 230 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS) Cr trong khoảng 10 - 990.000 mg/kg

DS (giá trị trung bình 500 mg/kg DS), Ni trong khoảng 2 - 5300 mg/kg DS (trung bình 80 mg/kg DS), Cu trong khoảng 84 - 17.000 mg/kg DS (trung bình 800 mg/kg DS) [19, 20]

Các chất ô nhiễm nguồn gốc hữu cơ: Trong bùn thải đô thị có chứa tới hơn

300 loại hợp chất hữu cơ khác nhau [13, 16, 25, 26] Tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ tiêu biểu nhất gồm: Polychlorinated biphenyls (PCBs), Polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs), Polyaromatic hydrocacbons (PAHs) và các chất hoạt động bề mặt Hàm lượng PCBs dao động trong khoảng 65

- 157 mg/kg DS, PCDD/Fs trong khoảng 330 - 4245 mg/kg DS, PAHs trong khoảng

<0,1 - 2000 mg/kg DS [16, 19]

Tác nhân gây bệnh: Tác nhân gây bệnh trong bùn thải chủ yếu là vi khuẩn, virus và ký sinh trùng Với hàm lượng dinh dưỡng có ích cao như nitơ, phốt pho và các chất hữu cơ khác, bùn thải đô thị có tiềm năng sử dụng cho việc cải tạo đất nông

nghiệp Các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực sử dụng nguồn bùn thải để tái sử dụng trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu lượng chất thải mang đi chôn lấp Tuy nhiên, do đặc điểm tích tụ nhiều chất gây ô nhiễm mà các phương án quản lý bùn thải đô thị tại các quốc gia trở nên hết sức khó khăn Các tác nhân gây ô nhiễm tồn tại trong bùn thải đô thị với hàm lượng cao là rào cản trong việc sử dụng bùn thải đô thị cho mục đích nông nghiệp [21, 23, 24] Tiềm năng thu hồi tài nguyên, tái sử dụng bùn thải là rất lớn, cần chú trọng nghiên cứu ứng dụng, triển khai công nghệ phù hợp để xử lý và tận dụng hiệu quả bùn thải

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị

Hiện nay, thế giới đã và đang áp dụng nhiều phương pháp xử lý bùn thải đô thị khácnhau Sự lựa chọn áp dụng phương pháp xử lý nào là phụ thuộc vào đặc điểm bùn thải, đặc điểm về văn hóa, lịch sử, địa lý, luật pháp, chính trị và tình hình kinh

tế của mỗi quốc gia, mỗi vùng miền Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị phổ biến hiện nay bao gồm:

- Chôn lấp tại bãi chôn lấp tập chung chất thải

- Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp

- Xử lý bằng phương pháp nhiệt

Ngoài ra, lượng bùn bể phốt phát sinh vào khoảng 300 m3/ngày, được Công ty Môi trường đô thị Hà Nội thu gom, vận chuyển và xử lý tại nhà máy chế biến phân hữu cơ Cầu Diễn [8]

Hình 1.1: Hình ảnh ô nhiễm thực tế sông Kim Ngưu Bảng 1.1 Lượng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012

STT Loại hình bùn thải Lượng thu

gom đã thực hiện

Lượng tiếp nhận tại bãi chôn lấp

4 Nạo vét bùn sông, hồ bằng cơ giới 42.000 m3

5 Khối lượng nạo vét cống ngang 16.050 m3

môi trường xung quanh và lãng phí nguồn dinh dưỡng có ích trong bùn thải đô thị Hơn nữa, khi nhà máy xử lý nước thải Yên Sở đi vào hoạt động ổn định, với công suất xử lý 200.000 m3/ngày đêm, ước tính lượng bùn phát sinh tại nhà máy vào khoảng 2.000 m3 bùn lỏng/ngày (ước tính lượng bùn phát sinh chiếm 1% lượng nước thải đầu vào) [20] Bùn thải đô thị phát sinh với khối lượng lớn, đa dạng về thành phần đang tạo ra sức ép với thành phố Hà Nội cũng như các thành phố khác trên cả nước Vì vậy, cần thiết phải tạo ra hành lang pháp lý nhằm khuyến khích việc tái chế bùn thải đô thị, tạo cơ sở cho các nhà khoa học tiến hành những nghiên cứu chuyên sâu tìm ra giải pháp thích hợp nhất cho vấn đề bùn thải đô thị trong tổng thể công tác quản lý bùn thải tại Hà Nội cũng như tại các đô thị khác trên cả nước

Để thực hiện được mục tiêu trên cần xem xét tới các yếu tố gây ô nhiễm điển hình đang tồn tại với hàm lượng cao trong bùn thải đô thị

1.2 Tổng quan về rác thải sinh hoạt

Rác là phần thải bỏ đi trong các hoạt động của cuộc sống, không một hoạt động nào của cuộc sống không sinh ra rác Xã hội ngày càng phát triển, lượng rác ngày càng nhiều và dần trở thành mối đe dọa thực sự đối với môi trường sống [3] Hiện nay tổng lượng rác sinh hoạt thải ra hàng ngày ở các đô thị nước ta vào khoảng trên 9000m3, nhưng mới thu gom được 45% - 50% Điều kiện chủ yếu để đảm bảo tốt trạng thái vệ sinh ở khu dân cư đô thị là phải có kế hoạch làm sạch, quét dọn thường xuyên các loại chất thải rắn ở các khu tập chung dân cư Đó là các loại rác sinh hoạt, thức ăn dư thừa , các loại rác đường phố,… Các loại chất thải rắn

sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi trường bao quanh con người: đất, không khí, nước, các nhà ở và công trình công cộng Rác thải thu gom được chủ yếu đổ vào các bãi rác một cách tạm thời, đại khái mà không được xử lý, chôn lấp theo quy hoạch và hợp vệ sinh gây ảnh hưởng xấu tới môi trường, nguồn nước mặt và nước ngầm Thiết bị thu gom và vận chuyển rác thải ở hầu hết các đô thị Việt Nam còn lạc hậu và không đủ đáp ứng được nhu cầu thu gom hiện tại [5]

1.2.1 Nguốn gốc phát sinh và đặc điểm rác thải sinh hoạt

Chất thải rắn (CTR) sinh hoạt hay còn gọi là rác thải sinh hoạt sinh ra từ hoạt động hàng ngày của con người Rác sinh hoạt thải ra ở mọi nơi, mọi lúc trong phạm

vi thành phố hoặc khu dân cư, từ các hộ gia đình, khu thương mại, chợ và các tụ điểm buôn bán, nhà hàng, khách sạn, công viên, khu vui chơi giải trí, trường học Rác thải sinh hoạt có thể được phân loại theo các cách sau:

+ Theo thành phần hóa học và theo tính chất vật lý

+ Theo vị trí hình thành

+ Theo bản chất nguồn tạo ra chất thải rắn

+ Theo mức độ nguy hại

Thành phần của rác thải sinh hoạt: Thành phần lý, hóa học của chất thải rắn đô thị rất khác nhau, tùy thuộc vào từng địa phương, vào các mùa khí hậu, vào điều kiện kinh tế và nhiều yếu tố khác

 Tính chất vật lý của chất thải rắn sinh hoạt

Những tính chất lí học quan trọng của chất thải rắn sinh hoạt bao gồm khối lượng riêng, độ ẩm, kích thước, khả năng giữ nước và độ xốp (độ rỗng) của rác đã nén

a Khối lượng riêng

Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng vật chất trên một đơn vị thể tích, tính bằng kg/m3 Điều quan trọng cần ghi nhớ rằng, khối lượng riêng của chất thải rắn sinh hoạt sẽ rất khác nhau tùy từng trường hợp: rác để tự nhiên không chứa trong thùng, rác chứa trong thùng và không nén, rác chứa trong thùng và nén Do

đó, số liệu khối lượng riêng của chất thải rắn sinh hoạt chỉ có ý nghĩa khi được ghi chú kèm theo phương pháp xác định khối lượng riêng Khối lượng riêng của một số thành phần chất thải có trong rác sinh hoạt chứa trong thùng, có nén, hoặc không nén Khối lượng riêng của rác sẽ rất khác nhau tùy theo vị trí địa lí, mùa trong năm, thời gian lưu trữ,… Do đó, khi xác định giá trị khối lượng riêng cần phải xem xét cả những yếu tố để giảm bớt sai số kéo theo cho các phép tính toán Khối lượng riêng

của rác sinh hoạt ở các khu đô thị lấy từ các xe ép rác thường giao động trong khoảng từ 178kg/m3 đến 415kg/m3 và giá trị đặc trưng thường vào khoảng 297 kg/m3 [1]

b Độ ẩm

Độ ẩm của chất thải rắn thường được biểu diễn theo một trong hai cách: tính theo thành phần phần trăm khối lượng ướt và thành phần phần trăm khối lượng khô Trong lĩnh vực quản lý chất thải rắn, phương pháp khối lượng ướt thông dụng hơn

Bảng 1.2: Khối lượng riêng và hàm lượng ẩm của các chất thải có trong rác thải sinh hoạt [1]

Loại chất thải

Khối lượng riêng (Lb/yd 3 ) Độ ẩm (% khối

lượng) Khoảng dao

động trưng Đặc

Khoảng dao động trưng Đặc

Rác khu dân cư (không

c Kích thước và sự phân bố kích thước

Kích thước và sự phân bố kích thước của các thành phần có trong chất thải rắn đóng vai trò quan trọng đối với quá trình thu hồi vật liệu, nhất là khi sử dụng phương pháp cơ học như sàng quay và các thiết bị tách loại từ tính

d Khả năng tích ẩm (Field Capacity)

Khả năng tích ẩm của chất thải rắn là tổng lượng ẩm mà chất thải có thể tích trữ được Đây là thông số có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định lượng rò rỉ sinh

ra từ bãi chôn lấp phần nước dư vượt quá khả năng tích trữ của chất thải rắn sẽ thoát

ra ngoài thành nước rò rỉ Khả năng tích ẩm sẽ thay đổi tùy theo điều kiện nén ép rác và trạng thái phân hủy của chất thải Khả năng tích ẩm của chất thải rắn sinh hoạt của khu dân cư và khu thương mại trong trường hợp không nén ra được có thể dao động trong khoảng 50-60% [1]

 Tính chất hóa học của chất thải rắn sinh hoạt

Tính chất hóa học của chất thải rắn đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương án xử lý và thu hồi nguyên liệu Ví dụ, khả năng cháy phụ thuộc vào tính chất hóa học của chất thải rắn, đặc biệt trong trường hợp chất thải là hỗn hợp của các thành phần cháy được và không cháy được Nếu muốn xử lí chất thải rắn làm nhiên liệu, cần xác định bốn đặc tính quan trọng sau:

Những tính chất cơ bản cần phải xác định đối với thành phần cháy được trong chất thải rắn bao gồm:

+ Độ ẩm (phần nước mất đi khi sấy ở 105o

C trong thời gian 1 giờ) + Thành phần các chất cháy bay hơi (phần khối lượng mất đi khi nung ở

950oC trong lò nung kín)

+ Thành phần carbon cố định (thành phần có thể cháy được còn lại sau khi thải các chất có thể bay hơi)

+ Tro (phần khối lượng còn lại khi đốt trong lò hở)

Các nhân tố cơ bản trong chất thải rắn sinh hoạt: Các thành phần cơ bản trong chất thải rắn trong sinh hoạt cần phân tích bao gồm C (carbon), H (hydro), O (oxy),

N (nitơ), S (lưu huỳnh) và tro Thông thường, các nguyên tố thuộc nhóm halogen cũng được xác định do các dẫn xuất của clo tồn tại trong thành phần khí thải khi đốt rác Kết quả xác định các nguyên tố cơ bản này được sử dụng để xác định công thức hóa học của thành phần chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt cũng như xác định tỷ lệ C/N thích hợp cho quá trình làm phân compost

1.2.2 Các phương pháp xử lý rác thải sinh hoạt [3]

Phương pháp phân loại rác trước khi được đem xử lý cần được phân loại ngay tại hộ gia đình Cách nhận biết:

Rác hữu cơ: là các loại rác dễ bị thối rữa trong điều kiện tự nhiên dễ sinh ra mùi hôi thối như: các loại thức ăn thừa, thức ăn hư hỏng (rau, cá chết ), vỏ trái cây, các chất thải tách ra do làm bếp, Rác vô cơ được chia làm hai loại đó là rác vô cơ tái chế và không tái chế (rác khô)

- Rác vô cơ tái chế: là các loại rác có thể sử dụng lại nhiều lần trực tiếp hoặc chế biến lại như: giấy, các tông, kim loại (khung sắt, máy tàu hỏng, ), các loại nhựa

- Rác vô cơ không tái chế: là chất thải rắn vô cơ không có khả năng sử dụng hoặc chế biến lại như: giấy ăn đã sử dụng, thủy tinh (bóng đèn, cốc vỡ, ), quần áo

cũ, xỉ than, xương động vật, vỏ trứng,

Phương pháp thu gom rác:

Thu gom rác có thể phân loại thành 2 loại là rác tái chế và rác không tái chế (rác khô) Thu gom rác tái chế: Rác tái chế bao gồm kim loại, giấy, cao su, nhựa, đồ điện phần lớn đã được những người đồng nát thu nhặt, phần còn lẫn trong rác vô cơ người thu gom đựng riêng trong túi nilon hoặc túi vải để bán lại cho cơ sở tái chế Thu gom rác khô: Các thành phần rác không có khả năng tái chế sẽ được thu gom, đựng trong thùng, xô màu đỏ hoặc chứa trong các vật dụng có sẵn ở gia đình như thúng, sọt, bao tải, túi nilon

Thu gom rác hữu cơ (rác ướt) bao gồm thức ăn thừa, rau, hoa quả, bã chè, vỏ tôm cua, hải sản nói chung dễ thối rữa nên phải thu gom hàng ngày

1.3 Phương pháp lên men phân hủy yếm khí

Quá trình phân huy sinh học yếm khí là quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy với sự tham gia tích cực của các vi sinh vật kỵ khí Sản phẩm của quá trình này là các loại khí metan, khí cacbonic, khí hydrosunfua, khí hydro và một số sản phẩn trung gian khác Trong quá trình phân hủy, một phần chất hữu cơ được các vi sinh vật sử dụng vào các hoạt động sinh trưởng và phát triển của chúng Bản chất quá trình phân hủy sinh học kỵ khí rất phức tạp vì có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình tạo khí metan và dồng thời cũng có nhiều loại cơ chất hữu cơ có khả năng bị chuyển hóa thành khí sinh học Quá trình phân hủy khị khí đã được phát hiện và nghiên cứu cùng với quá trình sinh học hiếu khí Từ nửa thế kỷ 20, công nghệ sinh học kỵ khí được ứng dụng

để xử lý cặn bã thải cũng như các loại nước thải có hàm lượng chất bẩn cao với các công trình bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể tạo khí sinh học metan, các loại bể lọc kỵ khí [9]

Trong tự nhiên, vi khuẩn sinh khí CH4 được tìm thấy tại những nơi có sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ trong điều kiện thiếu O2 như khu vực đầm lầy hay trầm tích sông, hồ, biểnNgoài ra, vi khuẩn sinh khí CH4 cũng được tìm thấy trong dạ dày của loài động vật nhai lại Hệ vi sinh vật phân giải chất hữu cơ sinh khí CH4 là

hệ vi sinh vật kỵ khí Do chúng chỉ sống, sinh trưởng và hoạt động trong môi trường không có mặt của O2 [9]

Khi năng lượng được giải phóng trong quá trình phân hủy của chất hữu cơ trong điều kiện thiếu O2, nếu trong hỗn hợp tồn tại 1/7 tỷ lệ vi sinh vật hiếu khí so với vi sinh vật kỵ khí sẽ làm cho tốc độ phát triển của hệ vi sinh vật kỵ khí bị chậm lại [11] Quá trình phân hủy yếm khí là một quá trình phức tạp, đòi hỏi khắt khe điều kiện không có mặt O2 trong hệ phân Ngoài ra, quá trình này cũng phụ thuộc

hoàn toàn vào sự hoạt động tương hỗ và kết hợp phức tạp của tập đoàn vi sinh vật trong việc chuyển hóa tối đa chất hữu cơ thành CO2 và CH4

1.3.1 Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 +H2 + NH3 + H2S

Hình 1.2 Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau:

+ Giai đoạn 1: Thủy phân

+ Giai đoạn 2: Lên men axit

+ Giai đoạn 3: Metan hóa

Lên men yếm khí

1.3.1.1 Giai đoạn thủy phân

Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohiđrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Các hợp chất này có thể tồn tại ở dạng hòa tan hoặc không hòa tan Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử

bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn) Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn tiếp theo

Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz, pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất không hòa tan) thành các đường đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài Tuy nhiên các chất hữu cơ như xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3 Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu nạp, mật độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi trường như: pH và nhiệt độ [10]

1.3.1.2 Giai đoạn lên men axít

Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít axetic, hyđro và cacbonic bởi vi khuẩn lên men axit Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohiđrat Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại vi khuẩn cũng như điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử hóa

Vi khuẩn tạo axit axetic chuyển các axít no như axít propionic và butyric và rượu thành axit axetic, hiđro và CO2, những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm vi khuẩn tạo metan

Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất khác như: rượu, anđehit, axeton, các chất khí NH3, H2S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có một phần rất nhỏ chuyển thành

CO2 và NH3, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm Ví dụ như đối với glucozơ quá trình lên men axit xảy ra theo phương trình sau:

2C6H12O6  2CH3CHOHCOOK + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H20 +Q Các vi sinh vật chính tham gia vào quá trình lên men axit được thống kê trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Vi sinh vật sinh axit hữu cơ

sucxinic, etanol

1.3.1.3 Giai đoạn sinh khí metan [10]

Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH4 và các sản phẩm khác bởi nhóm vi khuẩn metan Vi khuẩn metan là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 Các

vi khuẩn metan sử dụng axít axetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất metan, trong

đó axít axetic là nguyên liệu chính với 70% metan được sinh ra từ nó Phần metan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ axít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí,

pH của giai đoạn này lớn hơn 7

Các vi khuẩn tham gia quá trình sinh khí metan gồm những loại chính đƣợc thống kê trong Bảng 1.4

Bảng 1.4: Vi sinh vật sinh metan

Methanobacterium omelianskii 6.5-8.0 37-40 CO2, H2, ancol I và II

Methanopropionicum axit propionic

Methanoformicum CO2, H2, axit fomic

Methanosochngenii axit axetic

Methanosuboxydans axit butyric,valeric, caprionic

Methanoruminanticum H2, axit fomic

Methanococcus vanirielli 1.4-9.0 H2, axit fomic

Methanococcus mazei 30-37 axit axetic, butyric

Methanosarcina methanica 35-37 axit axetic, butyric

Methanosarcina barkerli 7.0 30 CO2, H2, axit axetic, metanol

1.3.2 Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas

Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí Thành phần chủ yếu của Biogas:

Khí CH4 là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí CH4 ở 20

0C, 1atm thì 1 m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg Khi đốt hoàn toàn 1m3 khí CH4cho ra khoảng 9000 kcal Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 kg/m3, trọng lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp

Khí H2S chiếm một lượng ít đây chính là khí có mùi đặc trưng nên có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng của hệ thống để sửa chữa

Năng suất tạo khí sinh học

Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí có liên quan thực tiếp đến việc tạo ra khí metan Sản lượng khí sinh học có thể được dự báo từ phương trình sau:

CnHaOb + (n-a/4-b/2) H2O  (n/2-a/8+b/4)CO2 + (n/2+a/8+b/4)CH4

Sản lượng thực tế của khí sinh học luôn nhỏ hơn sản lượng tính toán theo phương trình vì chỉ có 1 phần các chất dễ bị phân hủy sinh học thậm chí còn có một

số chất ngăn cản quá trình phân hủy trong bể Theo các số liệu kinh nghiệm, lượng khí tạo ra lớn nhất từ các nguyên liệu nạp là phân gia súc và là những chất dễ bị phân hủy sinh học vào khoảng 0,83m3/kgVS Khả năng phân hủy sinh học của các loại phân nạp vào trong các điều kiện lên men ấm là 30% đến 48% Như vậy lượng khí tạo thành từ nguyên liệu phân gia súc khoảng 0,25 đến 0,40 m3/kgVS nạp vào

Để nâng cao sản lượng khí tạo thành, người ta thường trộn hỗn hợp các loại phế thải khác nhau [6,7]

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí

1.3.3.1 Nguyên liệu đầu vào

Trong quá trình phân hủy yếm khí, khi có đủ thành phần hữu cơ dễ phân hủy

sẽ tạo điều kiện cho quá trình phân hủy diễn ra ổn định Sự phân hủy yếm khí xảy ra nhanh hơn đối với các chất hữu cơ có khối lượng phân tử nhỏ hay dễ phân hủy và chậm hơn đối với các chất có khối lượng phân tử lớn hay khó phân hủy Ví dụ: rác nhà bếp và rác vườn sẽ khác nhau về khả năng phân hủy bởi rác vườn chủ yếu là cành lá cây với thành phần lignocenlulô khá lớn sẽ khó phân hủy hơn so với rác nhà bếp có độ ẩm cao, chứa nhiều chất dinh dưỡng và có cấu trúc xốp hơn Hơn nữa, các chất ức chế có trong thành phần nguyên liệu đầu vào có thể làm giảm sự sinh trưởng của hệ vi sinh vật hoặc làm ngừng toàn bộ hoạt động của chúng Trong quá trình lên men yếm khí xử lý chất thải hữu cơ, các chất ức chế như: chất kháng khuẩn và khử trùng, muối ăn, kim loại nặng ở nồng độ cao cần phải được loại bỏ nếu có thể Tuy nhiên, trong quá trình phân hủy yếm khí vi sinh vật vẫn cần sử dụng các yếu tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển của chúng nên trong một số trường

hợp cần bổ sung thêm các yếu tố vi lượng như các kim loại thiết yếu cho sự hoạt động của vi sinh vật nếu nguyên liệu đầu vào bị hạn chế quá mức các yếu tố này

Tỷ lệ cacbon và nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25-30 lần Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng

đến

là tối ưu Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm Ngược lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc

tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao, ngoài ra cần có những nguyên tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động của các vi sinh vật

Nguồn cacbon của vi sinh vật yếm khí chính là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như các axit fomic, butiric, propionic, axetic, metanol, khí CO2, CO….còn nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn là amoni cacbonat và amoni clorua Đặc biệt là

vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin

1.3.3.2 PH, độ kiềm và tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm

Mỗi một nhóm vi khuẩn thường chỉ thích nghi trong một khoảng giá trị pH tối

ưu Vi khuẩn sinh CH4 rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, giá trị pH trong khoảng 6,6 - 7,2 là thích hợp nhất đối với nhóm vi khuẩn này Nhóm vi khuẩn lên men ít nhạy cảm hơn và có thể hoạt động trong khoảng pH rộng hơn từ 4,0 đến 8,5 Khi

pH của hệ phản ứng xuống thấp có nghĩa sản phẩm trong giai đoạn axít chủ yếu là axít axetic và axít butyric Trong khi đó tại giá trị pH = 8, sản phẩm tạo thành lại chủ yếu là axít axetic và axít propionic Các axít béo bay hơi (Volatile Fatty Acid) tạo thành trong quá trình phân hủy yếm khí là nguyên nhân làm giảm pH pH giảm thường làm giảm khả năng hoạt động của vi khuẩn sinh CH4, NH3, CO32- và HCO3-

là những yếu tố có tính kiềm giúp điều chỉnh cân bằng pH của hệ phân hủy pH của

hệ phân hủy được điều chỉnh bằng nồng độ của CO2 trong pha khí và nồng độ HCO3- trong pha lỏng Nếu nồng độ CO2 trong pha khí không đổi, sự bổ sung HCO3- sẽ làm tăng pH của hệ phân hủy và tăng khả năng sinh khí CH4 Với một tỷ

lệ tối thiểu 1,4:1 của HCO3-/VFA (axít béo bay hơi) mới có thể duy trì tốt một hệ đệm trong quá trình phân hủy qua đó duy trì ổn định toàn hệ thống [10]

1.3.3.3 Nhiệt độ

Một số nhóm vi khuẩn sinh CH4 khác nhau, trong quá trình tiến hóa đã phát triển và tách thành các nhóm thích hợp với các điều kiện nhiệt độ khác nhau Có ba khoảng nhiệt độ mà tại đó tương ứng với hiệu quả sinh khí CH4 cao được xác định bao gồm:

- Xung quanh khoảng nhiệt độ 10oC (psychrophilic)

- Trong khoảng từ 32 - 50oC (mesophilic)

- Trong khoảng nhiệt độ từ 50 - 70oC (thermophilic)

Tăng nhiệt độ đối với phản ứng phân hủy yếm khí thu được nhiều ích lợi Khi tiến hành lên men ở điều kiện nhiệt độ cao (thermophilic) sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các hợp chất hữu cơ, tăng tốc độ các phản ứng sinh hóa và tăng cường khả năng tiêu diệt mầm bệnh Theo nghiên cứu của tác giả Bolzonella và cộng sự (2012), khi tiến hành phân hủy yếm khí bùn hoạt tính trong điều kiện mesophilic (35oC) và thermophilic (55oC), kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 35% trong điều kiện mesophilic lên đến 45% trong điều kiện thermophilic [12] Nghiên cứu của tác giả Cecchiet và cộng sự (1991), khi tiến hành xử lý bùn thải trong hai điều kiện phân hủy yếm khí với quá trình nạp liệu liên tục (thời gian thí nghiệm là

20 ngày) cho thấy tổng lượng chất rắn (VS) bị loại bỏ tăng từ 20% trong điều kiện mesophilic lên 44% trong điều kiện thermophilic [17] Tuy nhiên, tiến hành phản ứng phân hủy yếm khí ở điều kiện nhiệt độ cao cũng có một số yếu tố bất lợi như làm tăng nồng độ NH3 tự do dẫn đến ức chế khả năng hoạt động của vi sinh vật; các axít béo dễ bay hơi (VFA) được sinh ra làm tăng pKa sẽ gây ức chế cho hệ phản ứng Tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao (thermophilic) thường phải duy trì nhiệt độ

ổn định nên khó khống chế hơn so với tiến hành ở nhiệt độ trung bình (mesophilic) [18] Điều quan trọng trong tiến hành xử lý bằng phương pháp phân hủy yếm khí cả trong điều kiện thermophilic hay mesophilic là phải duy trì một nhiệt độ ổn định, sự

thay đổi nhiệt độ đột ngột hay dao động đều đặn lên xuống trong một khoảng rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn sinh CH4 [10]

1.3.3.4 Thời gian lưu trong lên men phân hủy yếm khí

Thời gian lưu của chất rắn (SRT) là thời gian lưu trung bình của chất hữu cơ rắn trong thiết bị phản ứng Thời gian lưu thủy lực (HRT) là thời gian lưu của hỗn hợp bùn lỏng trong thiết bị phản ứng

Thời gian lưu trong phân hủy yếm khí phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng hỗn hợp nguyên liệu trong thiết bị phản ứng, hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy và mức độ phân hủy mong muốn đạt được

Sự phát triển chậm của hệ vi sinh vật dẫn đến khó rút ngắn thời gian lưu trong thiết bị phản ứng Lượng sinh khối đã hoạt hóa cần được giữ lại và bổ sung vào hệ phản ứng để bù đắp lại lượng đã bị lấy ra nhằm giữ ổn định cho toàn bộ hệ phản ứng Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu suất phân hủy thường được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhằm tìm hiểu mối tương quan giữa sự sinh khí và thời gian bán phân hủy (CSRT) của chất rắn trong hệ phản ứng Nghiên cứu đã chỉ ra rằng: thời gian lưu < 5 ngày là không đủ ổn định quá trình phân hủy vì nồng độ axít béo

dễ bay hơi tăng lên làm hạn chế vi khuẩn sinh CH4 Thời gian phân giải chất rắn (SRT) từ 5 - 8 ngày sẽ dẫn đến sự phân giải không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ đặc biệt như lipit (mỡ) Phân giải ổn định đạt được sau khoảng 8 - 10 ngày Khi nồng độ của các axít béo dễ bay hơi giảm xuống và quá trình phân giải lipit bắt đầu xảy ra Thời gian lưu chất rắn (SRT) là đại lượng quan trọng trong tính toán thiết kế

hệ thống phân hủy yếm khí

1.3.3.5 Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu

Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí metan Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác Hiện tượng đối kháng là hiện

tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác Một

số chất gây ức chế trong quá trình sinh khí metan được chỉ ra như ở bảng 1.5

Bảng 1.5 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan

(a)Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK

có thể chịu được nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/L

(b)Nikel ở nồng độ thấp làm tăng quá trình sinh khí metan

1.3.3.6 Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn metan

Vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn metan có thể cạnh tranh các chất cho điện tử như axetat và hiđro Các nghiên cứu về động thái học của 2 nhóm vi khuẩn này cho thấy vi khuẩn khử lưu huỳnh có ái lực với axetat cao hơn vi khuẩn metan, điều này

có nghĩa là vi khuẩn lưu huỳnh sẽ thắng thế so với vi khuẩn metan ở nồng độ axetat thấp Vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn metan cạnh tranh mạnh ở tỷ lệ COD/SO42- từ 1,7 – 2,7 Khi tỉ lệ này tăng vi khuẩn metan sẽ thắng thế và ngược lại [10]

1.4 So sánh quá trình xử lý yếm khí và hiếu khí

Với cùng mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, so sánh với xử lý hiếu khí, xử lý yếm khí có những lợi thế như ít tốn kém năng lượng vận hành, lượng bùn thải thấp, nhu cầu về thành phần dinh dưỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở dạng khí metan Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trưng: tốc độ chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hôi, tính ăn mòn cao và không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu được

pH thấp Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với xử lý hiếu khí được tóm tắt trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Ưu điểm và nhược điểm của ủ yếm khí so với hiếu khí

- Giá thành vận hành thấp

- Lượng bùn hình hành thấp

- Ít gây phát tán dạng sol khí

- Bùn có tính bền cao

- Sản phẩm metan sử dụng làm nhiên liệu

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp do tốc độ phát

triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh cao

- Có thể hoạt động theo mùa do khả năng

tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói

- Giá thành xây dựng cao

- Thường phải cấp thêm nhiệt

- Thời gian lưu thủy lực dài

- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi

và ăn mòn cao

- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém

- Hình thành khí H2S

- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo dài thời gian khởi động hệ xử lý

- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử lý

Qua bảng ta thấy rõ ưu điểm của xử lý yếm khí là tạo ra một lượng khí sinh học là nguồn năng lượng có ích mới với chi phí vận hành thấp quy mô có thể áp dụng với các hộ dân

Ngoài các tiêu chí so sánh liệt kê trong bảng 1.6, hình ảnh tổng quát về kỹ thuật hiếu khí và yếm khí trong xử lý chất hữu cơ được thể hiện trong hình 1.3

Hình 1.3 Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí

Với cùng một nguồn COD đầu vào mô hình xử lý hiếu khí tạo ra sản phẩm khí

là CO2 và lượng bùn thải ra là 50 - 60% nhưng với yếm khí thì lại tạo ra 70 - 90% khí biogas và lượng bùn thải ra rất thấp 5 - 15% Do đó xử lý yếm khí có ưu thế về mặt thực hiện cũng như hiệu quả kinh tế cao hơn xử lý hiếu khí

Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí thực hiện trong không gian kín, môi trường khí do chính hoạt động của chúng tạo thành và có thành phần khác hẳn so với không khí Sản phẩm chính hình thành

từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan Trong quá trình phân hủy hiếu khí, khí cacbonic hình thành được nhanh chóng chuyển vào không khí, trong khi khí cacbonic trong xử lý yếm khí thì chịu trạng thái cân bằng giữa pha khí và pha lỏng do tồn tại ở trong vùng không gian cô lập Trong pha nước, khí cacbonic tồn tại dưới dạng một axit yếu Nồng độ của axit cacbonic trong nước tỷ lệ thuận với nồng độ của cacbonic trong pha khí Vì vậy so với môi trường nước trong xử lý hiếu khí thì nồng độ axit cacbonic trong môi trường yếm khí cao hơn nhiều Cụ thể về một số tiêu chí thể hiện ở bảng 1.7 bên

dưới:

Bảng 1.7 So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kỳ khí và phương pháp

hiếu khí

Các đặc điểm Phương pháp kỳ khí Phương pháp hiếu khí

Nguồn nước thải Thích hợp cho các loại

nước thải ô nhiễm nặng, COD và BOD cao tới hàng ngàn mg/L, nhưng nồng độ các ion kim loại cần phải thấp

Thích hợp với các loại nước thải

Ô nhiễm trung bình hoặc nhẹ, nếu nồng độ ô nhiễm cao phải

pha loăng

Hiệu quả xử lý Loại bỏ được BOD kém

hơn (85%), thời gian dài hơn Nước ra từ kỵ khí nên tiếp tục xử lý hiếu khí

Loại bỏ được BOD nhiều hơn trong thời gian ngắn hơn và còn loại bỏ được Nitơ cũng như Phốt pho Hiệu quả khử BOD cao nhất có thể đạt

Khả năng bị ức

chế

Các vi sinh vật rất nhạy cảm đối với các chất có tác dụng ức chế như kim loại

Phụ thuộc vào oxi cấp liên tục vào

thối: H2S từ nước thải có chứ sunfat, scatol từ các

Sản phẩm sinh ra chủ yếu

CO2nên gây ít mùi hơn

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1.1 Cơ sở lựa chọn phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Thành phố Hà Nội là một trong hai đô thị lớn nhất cả nước, trải qua nhiều thời

kỳ lịch sử, đặc điểm của đô thị tại Hà Nội có những điểm rất riêng biệt nhưng kết cấu hạ tầng đô thị lại mang nét đặc trưng cho các đô thị tại Việt Nam Với thành phần nước thải bao gồm cả nước thải công nghiệp và nước thải tại các bệnh viện nên tính chất của bùn thải tại các con sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt như: sông Kim Ngưu, sông Tô Lịch tại Hà Nội rất phức tạp với nồng độ một số tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng ở mức cao [22] Khối lượng bùn thải đô thị của Hà Nội khá lớn, trung bình lượng bùn thải phát sinh khoảng 500 tấn/ngày chủ yếu là bùn nạo vét từ hệ thống thoát nước thành phố Nếu chỉ thu gom, vận chuyển về các bãi đổ và

xử lý đơn giản như cách làm của Công ty TNHH NN MTV thoát nước Hà Nội đang thực hiện chưa giải quyết dứt điểm được những ảnh hưởng đến môi trường, tốn diện tích chôn lấp và lãng phí nguồn dinh dưỡng có ích trong bùn thải

Trước thực trạng nêu trên, việc tiến hành nghiên cứu bùn thải đô thị tại Hà nội

là hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả các nghiên cứu sẽ góp phần giúp các nhà quản lý môi trường hoạch định chính sách quản lý và các phương

án xử lý thích hợp đối với bùn thải đô thị trên địa bàn thành phố Hà Nội làm cơ sở

để nghiên cứu triển khai trên quy mô toàn quốc

2.1.1.2 Đối tựợng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu giải pháp tổng thể quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam cần triển khai nhiều nghiên cứu quy mô hơn nữa và đòi hỏi có sự tham gia của nhiều nhà khoa học, nhà quản lý trong thời gian dài Trong khuôn khổ của Luận văn này chúng tôi tập chung nghiên cứu quá trình tạo khí metan và sự chuyển hóa của chúng

trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp với rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí trong điều kiện phòng thí nghiệm

Với tổng chiều dài 11 km, sông Kim Ngưu chảy qua khu vực có mật độ dân số rất cao của thành phố Hà Nội Sông tiếp nhận nước thải trực tiếp trong khu vực có diện tích hơn 6 km2 với lượng nước thải chiếm 1/3 tổng lượng nước thải toàn thành phố [22] Ngoài ra, lượng nước thải sông Kim Ngưu tiếp nhận bao gồm nước thải chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để của một số nhà máy, xí nghiệp dệt may và các xưởng sản xuất cơ khí nhỏ lẻ còn tồn tại và hoạt động trong khu vực

Trong nghiên cứu này, có hai điểm đại diện lấy mẫu với vị trí cụ thể là Khu đô thị Minh Khai và cầu Lạc Trung dọc theo bờ sông Kim Ngưu được lựa chọn để lấy mẫu xác định và đánh giá đặc điểm ô nhiễm của bùn thải và triển khai nghiên cứu

ổn định kết hợp với rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí trong phòng thí nghiệm

Để thực hiên nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, nguồn rác hữu cơ với thành phần chủ yếu là rau quả thực vật lấy từ xe thu gom rác đô thị tập trung kết hợp với bùn thải nhằm điều chỉnh thành phần đầu vào trong các thí nghiệm

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

2.1.2.1 Mục đích nghiên cứu

Bằng thực nghiệm, nghiên cứu quá trinh phân hủy kỵ khí diễn ra trong mô hình yếm khí AD – W8 tại phòng thí nghiệm Hóa môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học quốc gia Hà nội với nguồn nguyên liệu nạp vào mô hình yếm khí là bùn thải sông Kim Ngưu và rác thải sinh hoạt đã được xử lý sơ bộ trong

đó rác thải sinh hoạt đã được phân loại và lấy chủ yếu là thành phần rác hữu cơ Mô hình lên men yếm khí trong điều kiện không gia nhiệt với các tỷ lệ phối trộn về khối lượng bùn thải và rác thải hữu cơ khác nhau, cụ thể các tỷ lệ đó là:

Thí nghiệm 1: Bùn thải : Rác hữu cơ = 1:0 (BT:RHC = 1:0)

Thí nghiệm 2: Bùn thải : Rác hữu cơ = 3:1 (BT:RHC = 3:1)

Thí nghiệm 3: Bùn thải : Rác hữu cơ = 1:1 (BT:RHC = 1:1)

Thí nghiệm 4: Bùn thải : Rác hữu cơ = 1:3 (BT:RHC = 1:3)

Thời gian lên men: 30 ngày

Trong thời gian nghiên cứu sẽ tiến hành xác định các thành phần sau:

- Xác định hiệu suất giảm nhu cầu oxi hóa học (COD), pH, tổng hàm lượng cacbon (TC), tổng hàm lượng chất rắn (TS), tổng hàm lượng chất hay hơi (TVS) tổng hàm lượng nitơ (T-N theo %TS) và tổng hàm lượng phốt pho (T-P theo %TS) trong quá trình lên men kỵ khí ứng với lượng nạp là 5kg hỗn hợp/ 1 lần nạp để từ đó đánh giá ảnh hưởng đến quá trình sinh khí sinh học, đặc biệt là quá trình tạo khí metan

- Khảo sát hàm lượng khí sinh học và thu hồi khí sinh ra trong quá trình lên men, với thời gian lên men là 30 ngày

2.1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tìm hiểu các tài liệu có liên quan, kế thừa kết quả nghiên cứu từ các công trình đã công bố trước đây

- Chuẩn bị mô hình phản ứng yếm khí AD – W8

- Phân tích các chỉ tiêu lý, hoá tại phòng thí nghiệm

- Theo dõi các thông số trên mô hình thí nghiệm bao gồm thành phần hỗn hợp trong hệ phản ứng và khí sinh ra

2.2 Lấy và chuẩn bị mẫu

a) Lấy mẫu bùn thải

Mẫu tại các điểm lựa chọn là cầu Lạc Trung và khu đô thị Minh Khai được lấy mẫu bằng các dụng cụ như xô nhựa có thể tích 10 lít, ca lấy mẫu, can đựng mẫu có thể tích 10 lít với các bước tiến hành lấy mẫu như sau: