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

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu tính khả thi và hiệu quả về mặt kỹ thuật của công nghệ phân hủy sinh học kỵ khí lên men nóng để xử lý hỗn hợp

LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU SINH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỲ KHÍ

Ở CHẾ ĐỘ LÊN MEN NÓNG

NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 62.52.03.20

NĂM 2015

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hàng ngày, lượng chất thải phỏt sinh tại cỏc đụ thị rất lớn Tại khu vực đụ thị, hầu hết cỏc gia đỡnh sử dụng bể tự hoại để xử lý nước thải của hộ gia đỡnh trước khi đổ vào hệ thống thoỏt nước chung của thành phố Lượng bựn được hỳt từ bể tự hoại phỏt sinh hàng năm tại cỏc hộ gia đỡnh rất lớn, tại thành phố Hà Nội ước tớnh

/ngày [2] Một phần lượng bựn bể tự hoại được cụng ty Urenco thu

gom và xử lý kết hợp với rỏc hữu cơ để xử lý phõn vi sinh, phần cũn lại được cỏc cụng ty tư nhõn thu gom, vận chuyển

Bờn cạnh đú, chất thải rắn sinh hoạt phỏt sinh tại cỏc đụ thị hàng ngày rất lớn Tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt ở cỏc đụ thị phỏt sinh trờn toàn quốc tăng trung bỡnh 10-16% mỗi năm, trong đú tỉ lệ rỏc hữu cơ chiếm > 51% trong rỏc thải sinh hoạt [24] Biện phỏp xử lý rỏc hữu cơ hiện nay chủ yếu là chụn lấp, gõy ụ nhiễm mụi trường và quỏ tải bói chụn lấp

Theo chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 do Thủ tướng Chính phủ ban hành ngày 17 tháng 12 năm

2009 sẽ phỏt triển chương trỡnh thỳc đẩy phân loại chất thải rắn tại nguồn nhằm mục

đích tách riêng rác vô cơ và hữu cơ, tái chế, tái sử dụng chất thải để giảm thiểu diện tích bãi chôn lấp Theo mục tiêu cụ thể của Chiến lược quốc gia đến năm 2015: 85% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt đụ thị phát sinh được thu gom, 60% lượng chất thải được tái chế, tái sử dụng, thu hồi năng lượng hoặc sản xuất phân hữu cơ; 30% bùn bể phốt của các đô thị từ loại II trở lên và 10% của các đô thị còn lại được thu gom và xử lý đảm bảo mụi trường; 50% rác được phân loại tại nguồn Các giải pháp được đưa ra để thực hiện Chiến lược quốc gia bao gồm: phòng ngừa và giảm thiểu phát sinh chất thải rắn; thúc đẩy phân loại chất thải rắn tại nguồn trong đó phát triển cơ sở hạ tầng, thu gom và xử lý riêng đối với từng loại chất thải rắn sau khi đã phân loại; tăng c-ờng tái sử dụng, tái chế chất thải rắn; xử lý chất thải rắn

Tại nhiều nước trờn thế giới, cụng nghệ xử lý kỵ khớ cỏc chất thải giàu hữu

cơ ở chế độ nhiệt khỏc nhau: lờn men ấm hoặc lờn men núng đó được ỏp dụng ở quy

mô lớn, quy mô công nghiệp để giảm thiểu lượng chất thải đưa đến bãi chôn lấp, giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra sản phẩm biogas phục vụ cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy xử lý

kỵ khí chất thải ở chế độ lên men nóng cho ưu điểm hơn chế độ lên men ấm về lượng khí metan sinh ra cao hơn, thời gian phân hủy ngắn hơn và bùn sau xử lý được tiêu diệt hoàn toàn mầm bệnh, có thể được sử dụng làm phân bón cho cây trồng Giải pháp xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng đối với các loại chất thải có nhiều tiềm năng, vì vậy có thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam

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

hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỳ khí ở chế độ lên men nóng” là rất cần

thiết, để đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường, phù hợp với định hướng chiến lược phát triển trong tương lai về việc lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý cho các đô thị lớn tại Việt Nam, hướng tới phát triển bền vững

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Nghiên cứu tính khả thi và hiệu quả về mặt kỹ thuật của công nghệ phân hủy sinh học kỵ khí lên men nóng để xử lý hỗn hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ (chất thải thực phẩm) trong điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng tới hiệu quả sinh metan: tỷ lệ bùn bể tự hoại: chất thải thực phẩm, tải lượng hữu cơ của chất thải

Xác định thông số động học đặc trưng của quá trình xử lý kỵ khí hai loại chất thải nói trên ở chế độ lên men nóng

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: tại các thành phố lớn, lấy Hà Nội làm ví dụ nghiên cứu

Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng được thực hiện trong phòng thí nghiệm (thí nghiệm theo mẻ) và ứng dụng thử nghiệm trên mô hình Pilot (thí nghiệm liên tục)

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung chính của luận án

Tổng quan về số lượng, thành phần, tính chất của bùn cặn bể tự hoại, rác hữu cơ và cơ sở lý thuyết quá trình phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng

Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm: Thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm liên tục – mô hình pilot Thí nghiệm theo mẻ nghiên cứu xử

lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm với các tỉ lệ phối trộn Bùn

bể tự hoại: chất thải thực phẩm khác nhau ở các chế độ lên men ấm và lên men nóng Thí nghiệm theo mẻ cho phép so sánh giữa 2 chế độ lên men về lượng khí metan sinh ra, hiệu suất quá trình xử lý theo COD và hiệu suất sinh khí metan Đồng thời xác định được tỉ lệ phối trộn tối ưu là cơ sở để thực hiện thí nghiệm liên tục Thí nghiệm liên tục trong mô hình Pilot 1000 lít được thực hiện dựa trên tỉ lệ phối trộn của thí nghiệm theo mẻ, cho phép xác định lượng khí biogas và thành phần khí biogas, xác định được thông số vận hành tối ưu - tải lượng hữu cơ tối đa nạp vào hệ và chất lượng hỗn hợp bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm sau xử lý Kết quả thực nghiệm của thí nghiệm theo mẻ được sử dụng để nghiên cứu

mô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm bằng bằng phần mềm GPS-X Kết quả phần mềm GPS-X cho phép xác định được các

phẩm bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng Từ đó giúp cho việc tính toán, thiết kế được công trình trong nhà máy xử lý chất thải

Thảo luận, nhận xét kết quả nghiên cứu và kết luận

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu tổng hợp tài liệu

Thu thập tài liệu liên quan về thành phần, tính chất, các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại, rác hữu cơ…

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

lên men ấm và lên men nóng

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

toán và tổng hợp các số liệu thu được

hoại và chất thải thực phẩm

thực phẩm

C) được thực hiện trong mô hình Pilot 1000l với tỉ lệ phối trộn tối ưu từ thí nghiệm theo mẻ

Phương pháp sử dụng mô hình toán học để mô phỏng

phỏng quá trình xử lý kỵ khí kết hợp giữa bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm ở chế độ lên men nóng, để xác định thông số động học cơ bản của bùn bể tự hoại và chất thải thực phẩm

Phương pháp so sánh, phân tích

độ lên men ấm và lên men nóng Phân tích, nhận xét kết quả thu được So sánh với các nghiên cứu phân hủy kỵ khí sinh metan của các nghiên cứu khác

Phương pháp thống kê – xác suất

Phương pháp tổng hợp

Phương pháp chuyên gia

Tham khảo ý kiến, kinh nghiệm của các chuyên gia có chuyên môn sâu về lĩnh vực liên quan

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

Cơ sở khoa học

Chất thải thực phẩm giàu cacbon có tiềm năng sinh khí metan cao, có thể xử

lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí để tận thu năng lượng và phân bón Để xử lý rác hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí, cần kiểm soát tốt quá trình bằng cách điều chỉnh tải lượng nguyên liệu nạp phù hợp, tiền xử lý,

cao

có tiềm năng sinh khí biogas để thu hồi năng lượng lớn Chất thải thực phẩm giàu nguồn C, trong khi bùn bể tự hoại lại giàu nguyên tố dinh dưỡng N Việc kết hợp hai nguồn thải này để xử lý bằng phương pháp lên men kỵ khí là hợp lý để tối ưu hóa việc cân bằng các nguyên tố trong quá trình xử lý và thu hồi khí biogas Việc bổ sung chất thải thực phẩm vào bùn bể tự hoại với tỷ lệ thích hợp cho phép tăng hàm lượng metan trong sản phẩm khí biogas thu được, hệ hoạt động ổn định hơn, dễ sinh khí mêtan hơn và cho phép quá trình khởi động bể kỵ khí thuận lợi hơn

Việc xử lý kết hợp các chất thải khác giàu hữu cơ, giàu vi sinh vật sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy và đạt hiệu suất xử lý cao hơn Quá trình xử

lý kỵ khí đồng thời hỗn hợp bùn thô từ lắng I và bùn hoạt tính dư trong trạm xử lý nước thải với chất thải thực phẩm đã được nghiên cứu và khẳng định tại Đức, Nhật Bản và nhiều nước khác trên thế giới Khí biogas thu gom được từ quá trình xử lý được tận dụng vào sản xuất năng lượng điện năng hoặc nhiệt năng

Ở các đô thị Việt Nam, bùn bể tự hoại và rác hữu cơ từ các đô thị hàng ngày thải ra với một lượng rất lớn Tuy nhiên chưa có biện pháp xử lý hữu hiệu để đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh và môi trường Biện pháp xử lý hiện nay chủ yếu là chôn lấp gây quá tải bãi chôn lấp, đồng thời gây ô nhiễm môi trường

Quá trình phân hủy hỗn hợp bùn bằng phương pháp kỵ khí gặp phải những vấn đề về hiệu suất và độ ổn định, một trong những nguyên nhân chính là do bùn bể

tự hoại có chứa hàm lượng Nitơ (N) lớn Giải pháp cho kỹ thuật này là trộn rác hữu

cơ giàu Cacbon vào bùn để tạo môi trường thích hợp cho quá trình xử lý kỵ khí

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra hướng đi tiềm năng để xử lý chất hữu cơ,

đó là phương pháp phân hủy kỵ khí để phân hủy chất hữu cơ và thu hồi mêtan Xử

lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí tạo môi trường phân hủy, quẩn thể vi sinh vật tốt hơn do trong bùn bể tự hoại có sẵn hệ vi sinh vật kỵ khí, gấp nhiều lần trong rác hữu cơ Đối với xử lý kỵ khí chất thải có 2 chế độ lên men: lên men ấm và lên men nóng Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra quá trình xử lý kỵ khí chất thải ở chế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm hơn chế độ lên men ấm: sẽ tạo ra nhiều khí biogas, rút ngắn thời gian phân hủy, đồng thời tiêu diệt hết các mầm bệnh Chất thải sau xử lý có thể được tận dụng làm phân bón cho cây trồng

Vì vậy, luận án này tiến hành nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ (lấy chất thải thực phẩm làm đại diện) bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng để xử lý chất thải và thu hồi tài nguyên

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu cho thấy việc xử lý kết hợp chất thải thực phẩm và bùn bể tự hoại đảm bảo quá trình sinh khí biogas diễn ra ổn định, cho hiệu suất xử lý theo COD cao hơn nhiều so với chỉ xử lý riêng bùn bể tự hoại Kết quả nghiên cứu đã cho thấy thành phần, tính chất của bùn bể tự hoại, của chất thải thực phẩm và khả năng sinh khí biogas của chúng khi xử lý kỵ khí Bùn bể tự hoại có giá trị COD cao (dao động 12.600-79.500 mg/l), tỉ lệ VS/TS 63%-82%; chất thải thực phẩm có COD dao động 118.450-241.000 mg/l, tỉ lệ VS/TS dao động 79%-95%, cho thấy hai loại chất thải trên có khả năng phân hủy bằng phương pháp sinh học kỵ khí Tỉ lệ COD/N của bùn bể tự hoại dao động 9-18/1, chất thải thực phẩm có tỉ lệ COD/N cao hơn, từ 85-179/1 Theo một số nghiên cứu, để bể phản ứng hoạt động ổn định, tỉ

lệ COD/N là 70-200/1 [86] Do vậy, xử lý kết hợp hai nguồn này để tạo môi trường thuận lợi cho quá trình xử lý kỵ khí là cách tiếp cận hợp lý Trong thí nghiệm theo

mẻ ở chế độ lên men nóng, khi xử lý kết hợp hai nguồn chất thải nói trên, hiệu suất

xử lý theo COD với tỉ lệ phối trộn bùn bể tự hoại: chất thải thực phẩm khác nhau dao động 42,7%-86,2% so với xử lý riêng bùn bể tự hoại chỉ đạt 24,9% Trong thí nghiệm liên tục xử lý kỵ khí ở chế độ lên men nóng, tỉ lệ phối trộn tối ưu bùn bể tự hoại:chất thải thực phẩm theo thể tích 9:1 (tương ứng tỉ lệ phối trộn theo COD 1:1) cho hiệu suất xử lý theo COD đạt 58%-75% Kết quả nghiên cứu cũng đã khẳng định sự phù hợp của cách tiếp cận này, có thể xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ, thu hồi khí biogas ở chế độ lên men nóng

Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn bùn bể tự hoại: chất thải thực phẩm tới lượng khí metan sinh ra, hiệu suất sinh khí metan Cụ thể nghiên cứu

đã xác định được tỉ lệ phối trộn bùn bể tự hoại: chất thải thực phẩm tối ưu tương ứng theo COD là 1:1, theo tỉ lệ thể tích là 9:1 cho hiệu suất sinh khí metan cao nhất đạt 80% Với tỉ lệ phối trộn tối ưu theo COD 1:1, theo thể tích 9:1, lượng khí metan sinh ra ở chế độ lên men nóng là 264-278 Nml/gCOD

Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa lượng khí biogas sinh ra và tải lượng hữu cơ nạp vào bể Bể phản ứng pilot vận hành với tải lượng hữu cơ 0,5-

đồng với một số nghiên cứu khác trên Thế giới xác định đối với bùn hoạt tính từ

phù hợp với các báo cáo của Hech và Griehl (2009) khi thí nghiệm trên chất thải thực phẩm [76] Mức giá trị này thấp hơn so với giá trị trong các tài liệu tổng quan của Chernicharo [52] trong khoảng 2,5 8 gCOD/L.ngày do hệ vi sinh bổ sung vào

mô hình thí nghiệm chưa thật ổn định

Xác định thông số động học quá trình phân hủy và xử lý số liệu bằng phần mềm GPS-X mô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí, xác định được hệ số phân hủy

(1/ngày) Kết quả hệ số phân hủy nội sinh của chất thải thực phẩm nằm trong

0,1-10 (1/ngày) với thí nghiệm liên tục trong 234 ngày, thực hiện trên 51 mẫu chất thải thực phẩm, thời gian lưu thủy lực 20-25 ngày với tải lượng hữu cơ 2-11g COD/l/ngày [119]

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

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

Xử lý được bùn bể tự hoại, giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

Xử lý được rác hữu cơ, một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, giảm diện tích bãi chôn lấp, giúp bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng

Thu hồi được tài nguyên Khí biogas sinh ra từ quá trình xử lý kỵ khí được tận thu sử dụng làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện hoặc nhiệt năng Bên cạnh đó, tận dụng được các chất dinh dưỡng trong bùn sau xử lý làm phân bón cho cây trồng

- Việc xử lý kết hợp các loại chất thải đô thị, bên cạnh tăng hiệu suất của quá trình

xử lý, còn cho phép tận dụng các công trình của hệ thống hạ tầng kỹ thuật, nâng cao hiệu quả khai thác các công trình đó

- Kết quả nghiên cứu cũng đóng góp phần quan trọng, làm cơ sở tham khảo khi thiết

kế và vận hành các hệ thống xử lý chất thải đô thị Các thông số động học xác định được từ nghiên cứu cho phép áp dụng để tính toán, thiết kế bể phản ứng và các công trình của hệ thống xử lý chất thải

- Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong định hướng quy hoạch, lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn và bùn cặn cho các đô thị ở Việt Nam

Tính mới của luận án

- Đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình

chất thải thực phẩm trong đô thị để thu khí metan, chất lượng sản phẩm hỗn hợp bùn sau xử lý đảm bảo tiêu diệt hết mầm bệnh, phục vụ cho mục đích

làm phân bón tái sử dụng trong nông nghiệp

- Xác định được tỉ lệ hỗn hợp bùn bể tự hoại: chất thải thực phẩm tối ưu đối với thành phố Hà Nội là 9:1 theo thể tích, (tương ứng tỉ lệ 1:1 theo COD) cho hiệu suất sinh khí metan cao nhất, đạt 80% ở chế độ lên men nóng, cho

- Xây dựng được mối quan hệ giữa lượng khí metan thu được và tải lượng hữu cơ: Bể phản ứng kỵ khí hoạt động ổn định với tải lượng hữu cơ là 1,5kg

hiệu suất xử lý theo COD đạt 75%

- Đã ứng dụng phần mềm GPS-X để mô phỏng quá trình phân hủy kỵ khí ở

điều kiện cho ứng dụng tính toán thiết kế công nghệ phân hủy kỵ khí hỗn

Chương 2: Cơ sở khoa học xử lý chất thải hữu cơ (bùn bể tự hoại và rác hữu cơ)

bằng phương pháp phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng

Ch-¬ng 3: Nghiên cứu thực nghiệm và kết quả

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Các công trình nghiên cứu đã công bố của tác giả có liên quan đến luận án Phụ lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỐ LƯỢNG,

THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÙN BỂ TỰ HOẠI, RÁC HỮU CƠ;

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỲ KHÍ

1.1 SỐ LƯỢNG, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÙN BỂ TỰ HOẠI 1.1.1 Tổng quan chung về bể tự hoại và lượng bùn phát sinh

Nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia ra làm hai loại chính: nước đen và nước xám Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh; còn nước xám là nước thải

từ quá trình tắm, rửa bếp, rửa sàn, Trong dòng nước đen từ các khu vệ sinh, lượng cặn thải ra theo đầu người thường dao động trong khoảng 100-400g trọng lượng

ướt/người.ngày, tùy theo tập quán sinh hoạt và chế độ dinh dưỡng [1] Bể tự hoại

thường được xây dựng tại các hộ gia đình và công trình công cộng, văn phòng, có chức năng xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt trước khi xả ra mạng lưới thoát nước đô thị (Hình 1.1) Quá trình xử lý trong bể tự hoại bao gồm quá trình lắng và phân hủy

kỵ khí Các chất hữu cơ trong nước thải và bùn cặn đã lắng, chủ yếu là các hydratcacbon, đạm, béo, được phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí Nhờ vậy, cặn lên men, bớt mùi hôi, giảm thể tích Chất không tan chuyên thành chất tan và chất

trên, lớp nước ở giữa và lớp bùn dưới đáy bể (Hình 1.2)

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

Sông

Hình 1.1 Vị trí bể tự hoại trong sơ đồ hệ thống thoát nước chung (Nguồn:

[15])

Hình 1.2 Cấu tạo của bể tự hoại

Hàng năm, lượng bùn bể tự hoại được công ty URENCO hoặc các công ty tư nhân thu gom, vận chuyển và xử lý Một số đề tài nghiên cứu đã thu thập thông tin

về lượng bùn bể tự hoại phát sinh và lượng bùn bể tự hoại được thu gom tại các thành phố lớn như thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Bảng

Nước đen

Nước xám Nước mưa

Bể tự hoại

Trạm xử lý nước thải tập trung

Nước thải công nghiệp, dịch vụ Nước thải sinh hoạt

Giếng tách nước mưa

tổng hợp 1.1 cho thấy tổng lượng bùn cặn bể tự hoại được hút hiện nay tại khu vực

Hòa Bình, Sơn La, Lạng Sơn và Bà Rịa, 94-100% các hộ gia đình sử dụng bể tự hoại Phần lớn bể tự hoại (73%) có tần suất hút trung bình 9,5 năm/lần [3’] Lượng bùn bể tự hoại cần hút sẽ tăng nhanh trong 5-10 năm tới do lượng bùn tích lũy trong các bể tự hoại Mỗi thành phố có biện pháp xử lý bùn bể tự hoại khác nhau Tại thành phố Bắc Ninh phân bùn được đưa ra bãi chôn lấp, một phần tư nhân hút và thải trực tiếp ra môi trường Tại Sơn La, bùn bể tự hoại được xử lý sơ bộ và được sử dụng làm phân bón cho cây trồng Đối với thành phố Bà Rịa, phân bùn được xử lý làm compost hoặc đưa ra bãi chôn lấp Số liệu thống kê cho thấy khối lượng bùn cặn bể tự hoại được hút hiện nay là rất lớn Biện pháp xử lý bùn bể tự hoại hiện nay chủ yếu là chôn lấp Nếu lượng bùn cặn bể tự hoại này không được xử lý sẽ là nguồn ô nhiễm môi trường; là nguồn phát tán các mầm bệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng [110] Tuy nhiên, nếu lượng bùn cặn bể tự hoại này được xử lý sẽ cho phép thu hồi một lượng tài nguyên đáng kể là khí biogas phục vụ sản xuất điện năng, nhiệt năng và bùn sau xử lý có thể được sử dụng làm phân bón cho cây trồng

Bảng 1.1 Lƣợng bùn bể tự hoại cần hút tại các thành phố lớn

Phòng

TP Hồ Chí Minh

(Nguồn: [2] )

1.1.2 Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại

Thành phần và tính chất của bùn bể tự hoại rất khác nhau, tùy thuộc vào các yếu tố như: loại nước thải được xử lý, kích cỡ và cấu tạo thiết kế bể, chế độ sinh hoạt, dinh dưỡng của người sử dụng, chế độ hút, khí hậu và thời tiết,

Bùn bể tự hoại có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao như nitơ, phốtpho dễ sử dụng làm phân bón cho cây trồng Tuy nhiên, trong bùn cặn chứa nhiều trứng giun sán, vi khuẩn dễ gây bệnh Nhiều tài liệu, nghiên cứu đã thu thập

và 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 tự hoại tại một số nước được trình bày trong bảng 1.2

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 trị COD phân tích tại các nước khác (COD của bùn bể tự hoại tại các nước khác từ 5000-32.000 mg/l) Giá trị VS của bùn bể tự hoại khá cao, dao động trong khoảng lớn từ 2.860-22.400 mg/l Tỉ lệ VS/TS của bùn bể tự hoại tại Việt Nam dao động trong khoảng 63%-82% chứng tỏ bùn bể tự hoại có khả năng phân hủy bằng phương pháp sinh học

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại

Trên thế giới có nhiều công nghệ được áp dụng để xử lý bùn bể tự hoại như: sân phơi bùn, bãi lọc trồng cây, ủ kỵ khí (ủ riêng hoặc kết hợp với chất thải thực phẩm), compost hoặc hết hợp các loại trên (Hình 1.3) Mỗi công nghệ xử lý bùn bể

tự hoại có những ưu, nhược điểm riêng (Bảng 1.3) Trong các biện pháp xử lý bùn

bể tự hoại, biện pháp xử lý bùn bể bằng chôn lấp không tận dụng được các nguồn tài nguyên trong bùn cặn, không tạo ra sản phẩm mà còn gây quá tải các bãi chôn lấp và gây ô nhiễm môi trường Các biện pháp xử lý bùn bể tự hoại khác hầu hết đều tạo ra sản phẩm là phân bón cho cây trồng Riêng biện pháp xử lý bùn bể tự hoại kết hợp với chất thải thực phẩm trong điều kiện kỵ khí có nhiều ưu điểm hơn cả: sản phẩm không chỉ là phân bón cho cây trồng mà còn tạo ra sản phẩm là năng lượng khí biogas phục vụ cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng Hiện nay, trên thế giới các nguồn nhiên liệu ngày một cạn kiệt, việc xử lý bùn cặn để tái sử dụng làm khí biogas cần được đẩy mạnh để hướng tới phát triển bền vững

Bảng 1.3 Bảng thống kê các biện pháp xử lý bùn bể tự hoại Phương pháp

cây

Đơn giản Giá thành rẻ

Tốn diện tích

Ô nhiễm môi trường không khí

Hồ sinh học ổn định bùn

Ô nhiễm môi trường

Sân phơi bùn

Bể nén bùn

Bãi lọc trồng cây

Hồ sinh học

ổn định bùn

Ủ compost với CTTP

Xử lý kỵ khí với chất thải thực phẩm

Hình 1.3 Các biện pháp xử lý bùn bể tự hoại

- Sản phẩm tạo thành được sử dụng làm phân bón cho cây trồng

- Vận hành phức tạp (tỷ lệ phối trộn bùn bể

tự hoại:chất thải thực phẩm; sục khí vào đống ủ ),

- Chưa tiêu diệt được triệt để mầm bệnh

- Tốn năng lượng để sục khí

Xử lý kỵ khí kết hợp với bùn từ trạm xử

lý nước thải, chất thải thực phẩm,

- Tạo ra năng lượng: khí biogas để sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng

- Sản phẩm sau xử lý được sử dụng làm phân bón cho cây trồng

- Công nghệ còn mới, cần nghiên cứu làm chủ công nghệ

1.2 SỐ LƢỢNG, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA RÁC HỮU CƠ

1.2.1 Nguồn phát sinh và lƣợng phát sinh chất thải rắn (CTR)

Chất thải rắn là chất thải ở thể rắn, được thải ra từ quá trình sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác Chất thải rắn bao gồm chất thải rắn thông thường và chất thải rắn nguy hại

Chất thải rắn sinh hoạt chiếm tỷ lệ lớn trong chất thải rắn ở đô thị Lượng chất thải rắn sinh hoạt (phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, các khu tập thể, chất thải đường phố, chợ, các trung tâm thương mại, văn phòng, trường học, ) chiếm 60-70% lượng chất thải rắn phát sinh Thực tế cho thấy, tổng lượng CTR sinh hoạt

ở các đô thị phát sinh trên toàn quốc tăng trung bình 10-16% mỗi năm [24]

Theo dự báo của Bộ Xây dựng và Bộ Tài nguyên và Môi trường, đến năm

2015, khối lượng CTR phát sinh ước tính khoảng 42 triệu tấn/năm (Bảng 1.4) Dự báo tỷ trọng chất thải rắn đô thị sẽ tăng dần cùng với quá trình đô thị hóa Tỷ trọng

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

thải rắn đô thị tăng lên 50,8% [24]

Bảng 1.4 CTR đô thị phát sinh các năm tại Việt Nam

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

thị ngày càng tăng do số lượng dân cư di chuyển từ nông thôn ra thành thị ngày càng tăng bởi quá trình đô thị hóa cao, do mức sống ngày càng cao Chỉ số phát sinh CTR đô thị bình quân đầu người tăng theo mức sống Năm 2008, chỉ số CTR sinh hoạt phát sinh bình quân đầu người tính trung bình cho các đô thị trên phạm vi toàn quốc vào khoảng 0,85 kg/người/ngày, tăng lên 1,1 kg/người/ngày vào năm 2013 Ước tính lượng CTR đô thị trung bình ở Việt Nam năm 2015, 2020 và 2025 tương

ứng vào khoảng 1,2; 1,4 và 1,6 kg/người/ngày [24]

Cùng với sự gia tăng dân số, sự phát triển kinh tế và chất lượng cuộc sống được nâng cao, lượng chất thải rắn tạo ra cũng sẽ tăng lên Kết quả dự báo lượng

CTR phát sinh bảng 1.4 cho thấy: lượng CTR đô thị năm 2015 tăng gấp 1,6 lần, năm 2020 gấp 2,3 lần và năm 2025 gấp 3,2 so với năm 2010 Đây sẽ trở thành mối

đe dọa nghiêm trọng đối với các bãi chôn lấp và ô nhiễm môi trường

Đối với thành phố Hà Nội, khối lượng CTR trên địa bàn Thủ đô tăng trung bình 15% năm Tổng lượng CTR sinh hoạt của Hà Nội chiếm 68,7% tổng lượng rác thải của thành phố Tính bình quân lượng chất thải sinh hoạt tạo ra trên đầu người là

1.1-1.2 kg/ngày [25]

1.2.2 Thành phần, tính chất của chất thải rắn đô thị

Thành phần CTR sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, thu nhập, phong tục tập quán, khác nhau giữa các đô thị Tại một số đô thị lớn, số liệu thành phần CTR sinh hoạt tại các bãi chôn lấp cho thấy thành phần rác hữu cơ rất cao, chiếm 53,8-68,5% tổng lượng rác thải sinh hoạt đô thị [24] (Bảng 1.5)

Bảng 1.5 Thành phần CTR sinh hoạt tại đầu vào của các bãi chôn lấp

của một số địa phương năm 2010

(Nam Sơn)

Hà Nội (Xuân Sơn)

Hải Phòng (Tràng Cát)

Hải Phòng (Đình Vũ)

Đà Nẵng (Hòa Khánh)

HCM (Đa Phước)

Đối với thành phố Hà Nội, tổng lượng chất thải rắn phát sinh tại thành phố

Hà Nội ước tính 9.500 tấn/ngày, trong đó lượng chất thải sinh hoạt là 6.500 tấn [25] Tỉ lệ thành phần chất thải sinh hoạt chiếm 68,7% trong chất thải đô thị Thành phần lượng rác hữu cơ chiếm tỉ lệ trung bình 57,3% trong chất thải rắn sinh hoạt và

biện pháp xử lý rác hữu cơ chủ yếu vẫn là chôn lấp [24]

Hình 1.4 Thành phần chất thải rắn khu vực Hà Nội [25]

1.2.3 Xu hướng xử lý, thu hồi tài nguyên từ CTR đô thị

1.2.3.1 Xử lý chất thải rắn trên thế giới

Vấn đề ô nhiễm môi trường gây ra bởi chất thải rắn là vấn đề toàn cầu trong những năm gần đây Quản lý chất thải rắn bao gồm: giảm lượng chất thải rắn hàng

ngày, tái sử dụng, tái chế và xử lý rác thải Các biện pháp xử lý rác thải hiện nay

bao gồm: chôn lấp, ủ compost, xử lý kỵ khí, hóa nhiệt, khí hóa và đốt (hình 1.5)

Tại một số nước châu Âu và châu Á đã ban hành các luật về quản lý CTR: tại Đức ban hành lệnh cấm chôn lấp chất thải có khả năng phân hủy sinh học từ 1/6/2005; tại Nauy cấm chôn lấp chất thải sinh hủy từ năm 2011, tại Úc cấm chôn

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

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

lý trên, biện pháp xử lý kỵ khí có nhiều ưu điểm hơn cả: sinh khí biogas phục vụ

lý kỵ khí không lớn Nhược điểm của biện pháp xử lý kỵ khí là cần thời gian để khởi động hệ kỵ khí, cần kiểm soát tốt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy

kỵ 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 phản ứng[16] Tuy nhiên, giá thành vận hành thấp và khí biogas tạo thành có giá trị năng lượng [13]

Hình 1.5 Các biện pháp xử lý rác thải đô thị

Chất

thải

Phân loại

Phương pháp xử lý

Sản phẩm

Năng lượng

Chất

thải

rắn

Phân loại

Rác hữu

cơ ướt

Rác tái chế

Rác hữu

cơ khô

Ủ compost

Xử lý kỵkhí

Chai lọ thủy tinh,

SX

Phân bón

Đối tượng

xử lý

1.2.3.2 Xử lý chất thải rắn tại Việt Nam

Tại Việt Nam, công tác quản lý CTR đô thị bao gồm: phân loại, thu gom, tái chế - tái sử dụng và xử lý và tiêu hủy CTR

Công tác phân loại và thu gom

Một số thành phố như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh triển khai thí điểm chương trình phần loại CTR tại nguồn Tuy nhiên hiện nay, chương trình phân loại rác tại nguồn vẫn chưa được áp dụng, triển khai rộng rãi do chưa đủ nguồn lực tài chính để mua sắm trang thiết bị, đầu tư cơ sở hạ tầng, nguồn nhân lực thực hiện và thói quen của người dân Tỉ lệ thu gom trung bình ở các đô thị từ 72% năm 2004, tăng lên 80-82% năm 2008, đạt khoảng 83-85% năm 2010 Lượng rác còn lại không được thu gom,xả ra môi trường, gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí Đối với khu vực Hà Nội, tỷ lệ thu gom CTR sinh hoạt năm 2010 ở các quận nội thành đạt khoảng 95%, các huyện ngoại thành đạt 60%; lượng CTR công nghiệp được thu

gom đạt 85-90% và CTNH chỉ đạt 60-70% [24]

Tái chế và tái sử dụng

CTR đô thị có thể tái sử dụng, tái chế thành sản phẩm: rác hữu cơ tái chế làm phân hữu cơ, làm thức ăn chăn nuôi; tái chế giấy, kim loại, nhựa, thủy tinh, Tỷ lệ tái chế các chất thải làm phân hữu cơ và tái chế giấy, nhựa, thủy tinh, kim loại như sắt, đồng, chì nhôm, chỉ đạt 8-15% CTR đô thị thu gom được Năm 2009, lượng chất thải được tái chế của Hà Nội là 348 tấn/ngày; TP Hồ Chí Minh: 554 tấn/ngày;

Hải Phòng 86,5 tấn/ngày [24]

Xử lý phần rác hữu cơ thành phân hữu cơ là phương pháp hiện đang sử dụng tại Việt Nam Mặc dù CTR chở đến các nhà máy làm phân hữu cơ cơ thành phần hữu cơ từ 60-65% nhưng do CTR đô thị chưa được phân loại tại nguồn nên lượng CTR thải ra sau xử lý từ các nhà máy này phải mang đi chôn lấp vào khoảng 35-40% lượng chất thải đầu vào

Xử lý và tiêu hủy CTR đô thị

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

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

hướng giảm thiểu tối đa lượng rác thải chôn lấp và tăng cường tỷ lệ tái chế, tái sử

dụng Tại Việt Nam, lượng rác hữu cơ được ủ compost chiếm 2-5%, còn phần lớn được đưa đến bãi chôn lấp Ngoài ra một số địa phương cũng đã áp dụng công nghệ

xử lý kỵ khí rác hữu cơ để thu hồi biogas phát điện và sản xuất phân bón: dự án thu hồi biogas phát điện và sản xuất phân bón từ rác tại An Giang với công suất 200-

300 tấn rác mỗi ngày

Để thực hiện mục tiêu của Chiến lược quốc gia đến năm 2015: 60% lượng chất thải được tái chế, tái sử dụng, thu hồi năng lượng hoặc sản xuất phân hữu cơ thì cần phải xử lý, thu hồi năng lượng từ chất thải rắn hữu cơ do rác hữu cơ chiếm

tỷ lệ lớn trong CTR đô thị 54-77%[24] Trong các biện pháp xử lý rác hữu cơ: biện pháp xử lý kỵ khí rác hữu cơ có nhiều ưu điểm hơn cả, vừa thu hồi được khí biogas phục vụ cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt năng, đổng thời sản xuất phân bón cho cây trồng Trong thành phần chất thải rắn hữu cơ, chất thải thực phẩm chiếm tỷ lệ lớn, ước tính 20% trong chất thải rắn hữu cơ, có khả năng phân hủy nhanh bằng phương pháp sinh học kỵ khí [113] Vì vậy trong khuôn khổ của luận án, để có thể nghiên cứu được trong phòng thí nghiệm, tác giả chọn loại chất thải thực phẩm (thực phẩm thừa) giàu hữu cơ đại diện cho chất thải rắn hữu cơ, có lượng đáng kể làm đối tượng nghiên cứu khi nghiên cứu công nghệ xử lý kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ

1.2.4 Thành phần tính chất và biện pháp xử lý rác hữu cơ có nguồn gốc từ chất thải thực phẩm

1.2.4.1 Thành phần, tính chất của rác hữu cơ có nguồn gốc từ chất thải thực phẩm

Rác hữu cơ dễ phân hủy có nguồn gốc từ thức ăn thừa, lá cây, rau, củ, quả, xác động vật Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là chất thải thực phẩm Chất thải thực phẩm bao gồm thức ăn thừa (cọng rau thừa, thịt, cá trứng, cơm, ), có khả năng phân hủy sinh học cao, chiếm tỷ lệ 9% trong thành phần chất thải rắn đô thị và ước tính thực phẩm thừa chiếm 20% trong rác hữu cơ [113] Tại Việt Nam, tỉ lệ chất thải thực phẩm chiếm tỉ lệ 20-30% trong thành phần rác thải sinh hoạt sinh hoạt của

hộ gia đình [16] , đặc biệt tại các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm, tỉ lệ này lên tới 46% [17]

Thành phần chất thải thực phẩm từ các đơn vị phục vụ ăn uống có đặc trưng sau: độ ẩm chiếm 70% khối lượng, dễ phân hủy bằng phương pháp sinh học, có tỉ lệ thành phần Cacbon cao chiếm 48% khối lượng tính theo chất khô, có khả năng tồn tại các mầm bệnh, vi khuẩn và vi sinh vật gây bệnh [113] Chất thải thực phẩm nếu không được xử lý thích đáng sẽ tạo điều kiện cho mầm bệnh lây lan, nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng

Hiện nay tại khu vực Hà Nội, phần lớn CTR chưa được phân loại tại nguồn, rác thải hữu cơ không được xử lý và đưa đến bãi chôn lấp gây ô nhiễm môi trường nặng nề, là nguyên nhân gây nên nhiều dịch bệnh Chất thải thực phẩm chiếm tỉ lệ đáng kể trong rác hữu cơ, gây ra các tác động tiêu cực về môi trường

Thành phần, tính chất của chất thải thực phẩm khác nhau tùy thuộc vào tập tục sinh hoạt, điều kiện sống của từng khu vực Kết quả phân tích chất thải thực phẩm cho thấy: giá trị COD/N của chất thải thực phẩm cao hơn nhiều so với bùn bể

tự hoại, dao động trong khoảng 85-179/1 (COD/N của bùn bể tự hoại dao động trong khoảng 9-18/1) Giá trị COD của chất thải thực phẩm tại Hà Nội dao động trong khoảng 135.000-241.000 mg/l, cao hơn nhiều so với COD của bùn bể tự hoại (COD của bùn bể tự hoại dao động trong khoảng 12.600-79.500 mg/l) Giá trị VS của chất thải thực phẩm cao hơn 6,5-51 lần giá trị VS của bùn bể tự hoại VS/TS của chất thải thực phẩm có giá trị 79-95%, cho thấy chất thải thực phẩm có khả

năng dễ phân hủy hơn bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học (Kết quả phân tích chất thải thực phẩm thành phố Hà Nội tham khảo Phụ lục 1, bảng 1.2)

1.2.4.2 Giải pháp xử lý chất thải thực phẩm

Trên thế giới

Trên thế giới, chất thải thực phẩm có thể được xử lý dưới 4 hình thức: Tận dụng làm thức ăn chăn nuôi, tận dụng làm phân bón, tận dụng làm nhiên liệu và chôn lấp (hình 1.6) Biện pháp biến chất thải thực phẩm thành phân bón gồm có ủ compost và phân hủy kỵ khí, trong đó biện pháp phân hủy kỵ khí vừa sản xuất ra phân bón lại vừa tạo ra năng lượng khí biogas So với ủ compost, xử lý chất thải

thực phẩm bằng phương pháp kỵ khí có nhiều ưu điểm: xử lý được chất thải có độ

ẩm cao, sinh năng lượng metan, yêu cầu ít diện tích, ít mùi và khí nhà kính [40] [73]

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

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

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

bùn từ trạm xử lý, bùn từ bể tự hoại Jokaso và chất thải thực phẩm từ nhà hàng đã làm giảm lượng rác hữu cơ đưa đến bãi chôn lấp, đồng thời tạo khí metan phục vụ cho sản xuất phát điện Lượng rác hữu cơ giảm đến bãi chôn lấp năm 2010 giảm 47% so với năm 2005 Đồng thời, chất thải sau xử lý tại bể phản ứng kỵ khí được

sử dụng làm phân bón cho cây trồng [56]

Hình 1.6 Các biện pháp xử lý chất thải thực phẩm

Tại Việt Nam

Tại các đô thị của Việt Nam, phương thức xử lý chất thải thực phẩm của các

hộ gia đình tại các đô thị của Việt Nam chủ yếu là chôn lấp, chỉ một phần nhỏ được

xử lý, ủ compost thành phân vi sinh bón cho cây trồng Trước đây, một phần nhỏ chất thải thực phẩm này được thu gom để chăn nuôi gia súc, gia cầm Nhưng hiện nay thói quen đó không nhiều do đã có thức ăn công nghiệp cho gia súc và gia cầm

Hình 1.7 Các biện pháp xử lý chất thải tại Việt Nam

179/1 (Kết quả thí nghiệm tham khảo phụ lục 1, bảng 1.2)

Giá trị VS/TS của bùn bể tự hoại 63%-82%, của chất thải thực phẩm 95% Giá trị VS của chất thải thực phẩm cao, gấp 6,5-51 lần giá trị VS của bùn bể

79-tự hoại Kết quả phân tích thực nghiệm cho thấy bùn bể 79-tự hoại và chất thải thực

phẩm đều có khả năng phân hủy bằng phương pháp sinh học (Kết quả phân tích tham khảo Phụ lục 1, bảng 1.2)

Nhựa, Kim loại Thủy tinh, chai lọ

Cơ sở chế biến phân vi sinh

Cơ sở tái chế

Bãi chôn lấp

Lò đốt Chất thải sản xuất

Thức ăn chăn nuôi

Xử lý riêng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ (BÙN BỂ

TỰ HOẠI VÀ RÁC HỮU CƠ) BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỲ KHÍ

đã bị phân hủy, bùn đang được phân hủy tích cực, nước chắt, lớp váng và khí

Hệ xử lý kỵ khí đôi gồm hai bể phản ứng nối với nhau, trong đó bể thứ nhất được gia nhiệt và khuấy liên tục nhằm ổn định nguyên liệu còn bể thứ hai dành cho quá trình lắng và xả bùn sau khi xử lý (Hình 2.1b)

a

Bể chứa bùn trung gian Bùn vào

Cấp nhiệt

b

2.1.2 Bản chất của quá trình xử lý chất thải bằng phương pháp kỳ khí

Trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi

được thể hiện bằng phương trình như sau:

: năng lượng kJ/gCOD

Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủ yếu diễn ra qua các quá trình sau:

Quá trình thủy phân:

Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối khác Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động Thủy phân là bước đầu tiên trong các quá trình phân hủy kỵ khí Trong bước này, các hợp chất hữu cơ phức tạp như carbohydrate, protein và lipid bị thủy phân thành các phân tử hữu cơ hòa tan trong nước như đường, amino axit và các axit béo bởi các enyme như cellulase, amylase,

protease hay lipase [102] Vi khuẩn thủy phân là các vi khuẩn kỵ khí Quá trình

thủy phân có thể là bước quyết định tốc độ phản ứng nếu chất nền chứa các phân tử

lớn hoặc các hạt có tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn [94] Trong khi đó nếu các chất dễ phân hủy bước xác định tốc độ phản ứng là axetat và metan hóa [43] Sau khi các

tiền chất được thủy phân, giai đoạn tiếp theo là chuyển chất đến tế bào và phân hủy bằng các vi khuẩn lên men trong giai đoạn axit hóa

Quá trình axit hóa

Trong giai đoạn axit hóa, các phân tử hữu cơ hòa tan sẽ được vi khuẩn lên men hoặc ôxi hóa kỵ khí [67] Các vi khuẩn này có thể là các vi khuẩn bắt buộc hoặc tùy nghi Trong hệ thống kỵ khí ổn định, quá trình phân hủy chính cho sản phẩm là acetate, carbon dioxide và hydrogen Các hợp chất trung gian, như là các axit béo, cồn không có nhiều Hướng phân hủy này có hiệu suất tạo năng lượng cao hơn cho vi khuẩn và sản phẩm của quá trình có thể được sử dụng trực tiếp bởi các vi

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

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

phẩm có tính khử, chẳng hạn như VFA, rượu hoặc lactat [35] Bước axit hóa thường được coi là bước nhanh nhất trong phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ phức tạp

[94]

Quá trình axetat hóa

Các chất trung gian được tạo thành trong gian đoạn axit hóa, bao gồm axit béo chứa hơn hai nguyên tử carbon, rượu có hơn một nguyên tử cacbon và các axit béo thơm phân nhánh Những sản phẩm này không sử dụng được trực tiếp trong

vi khuẩn khử proton kết hợp với nguồn sử dụng hydro Các sản phẩm từ axetat hóa trở thành các chất nền cho các bước cuối cùng của xử lý hóa kỵ khí, được gọi là quá trình metan hóa

Quá trình sinh metan

Các nhóm vi khuẩn kỵ khí lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men metan như methanosarcina và methanothrix) đã chuyển hóa axit axetic và

Hình 2.2 Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỳ khí

(Nguồn: [112]) Giai đoạn đầu là thủy phân, thực chất đây là quá trình hai bước nối tiếp thủy phân và axit hóa Trong quá trình này các hợp chất hữu cơ cao phân tử (carbonhyđrat, lipit, protein) trước hết được thủy phân để tạo các monomers thấp phân tử (đường, axit béo, amino axit tương ứng), sau đó được axit hóa thành các

axetat hóa, các chủng Acetogens chuyển hóa các chất trung gian này thành axetat

Thành phần khí này được gọi là biogas và năng lượng quy đổi phụ thuộc vào thành

phần đầu vào và được cho ở bảng 2.1 [7]

Bảng 2.1 Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lƣợng biogas vào

thành phần thải (dựa trên [7] )

Giai đoạn sinh metan được thực hiện bởi vi khuẩn sinh metan Đặc điểm của loại vi khuẩn mêtan là có tính lựa chọn nghiêm khắc đối với chất dinh dưỡng

Các nhóm vi sinh, hầu hết là vi khuẩn, đều tham gia vào việc chuyển hoá các hợp chất hữu cơ cao phân tử phức hợp thành khí metan Thêm vào đó là sự tương

chất thải Mặc dù có thể có sự hiện diện của một số nấm và nguyên sinh động vật,

ngẫu nhiên tham gia vào quá trình thủy phân và lên men các hợp chất hữu cơ Có bốn nhóm vi khuẩn liên quan đến việc chuyển hóa các chất phức hợp thành những phân tử đơn giản như metan và dioxit cacbon Những nhóm vi khuẩn này hoạt động trong một mối quan hệ đồng bộ, nhóm này phải thực hiện việc trao đổi chất của nó trước khi chuyển phần việc còn lại cho nhóm khác v.v

Phân hủy kỵ khí là một hệ cân bằng sinh thái, trong đó các nhóm vi sinh vật khác nhau thực hiện các chức năng khác nhau Trong giai đoạn thứ nhất, một nhóm các vi khuẩn kỵ khí chuyển hóa (qua thủy phân và lên men) các hợp chất carbon hữu cơ (như hydrat carbon, protein và lipid) thành các phân tử hữu cơ đơn giản, chủ

trình chuyển hóa này do một nhóm vi sinh vật đặc biệt có tên gọi là methanogen đảm nhiệm Đây là các vi sinh vật nhân sơ (Prokaryotes) sinh trưởng kỵ khí, và phụ thuộc vào cơ chất do các vi sinh vật tạo axit cung cấp, do vậy thiết lập mối quan hệ cộng sinh

Vi khuẩn sinh metan thực hiện 2 chức năng tối quan trọng trong hệ sinh thái

kỵ khí là tạo ra chất khí không tan trong nước (metan), qua đó loại bỏ chất hữu cơ ra

khuẩn lên men và sinh axit có thể tạo ra càng nhiều sản phẩm có mức oxy hóa cao

là các axit hữu cơ bay hơi (như axit acetic) Do methanogen chiếm vị trí cuối cùng trong môi trường kỵ khí của quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, mức sinh trưởng thấp của chúng thường là yếu tố hạn chế ảnh hưởng toàn bộ quá trình phân

hủy [52]

2.1.3 Vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỳ khí

Xử lý kỵ khí có thể được coi như một hệ sinh thái, trong đó nhiều nhóm vi sinh vật cùng tham gia chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các sản

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

với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật có đặc điểm sinh lý khác biệt [9]

Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ trong xử lý kỵ khí gồm có nhóm vi khuẩn có hoạt tính thủy phân, nhóm vi khuẩn lên men sinh axit, nhóm vi khuẩn sinh acetate và nhóm vi sinh vật sinh metan Các nhóm vi khuẩn này hoạt động dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt

tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi chất của nhau [39]

Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân

Nhóm này bao gồm các vi khuẩn kỵ khí thực hiện chức năng bẻ gãy các phân

tử hữu cơ phức hợp (như protein, cellulose, lignin, lipid) thành các đơn phân có khả

năng tan trong nước như axit amin, glucose, axit béo và glycerol [42] Các đơn

phân này trực tiếp là nguồn cơ chất cho nhóm vi khuẩn tiếp theo tham gia quá trình phân hủy Thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử được thực hiện nhờ các enzyme thủy phân ngoại bào như cellulase, protease và lipase Tuy nhiên giai đoạn thủy phân thường có thể kéo dài và trở thành bước quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình xử lý, ví dụ như trong trường hợp nguồn thải cần xử lý chứa nhiều lignin

Nhóm 2 – Vi khuẩn lên men sinh axit

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

amin và axit béo thành các axit hữu cơ (như axit acetic, propionic, formic, butyric hay succinic), rượu và keton (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate,

hợp chất carbohydrat Sản phẩm lên men thay đổi phụ thuộc vào loài vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong bể phản ứng

Nhóm 3 – Vi khuẩn sinh acetate (acetogens)

Syntrophomonas [94] chuyển hóa các axit béo (như axit propionic, butyric) và rượu

chất trực tiếp cho nhóm vi sinh vật sinh metan hoạt động Để có thể chuyển hóa

môi trường ở mức rất thấp, do vậy quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các vi sinh vật

sinh metan là nhằm duy trì điều kiện này [42] Ethanol, axit propionic và axit

butyric được vi khuẩn acetogen chuyển hóa thành axit acetic theo các phương trình phản ứng như sau:

Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với methanogen (khoảng

25 lần) [69] , tuy nhiên methanogen lại sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra ít

năng lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy có thể giúp duy trì nồng độ sản phẩm

acetogen tiếp tục sinh trưởng

Nhóm 4 – Vi sinh vật sinh metan (methanogen)

Vi sinh vật sinh metan mẫn cảm với oxygen và có cấu trúc màng tế bào đặc biệt đã được biết đến từ lâu nhưng đến cuối những năm 1970 chúng mới được nhìn nhận như đại diện của một dạng sống thứ ba trên trái đất cạnh vi khuẩn và sinh vật nhân thật, gọi là cổ khuẩn Trong hệ xử lý nước thải các vi sinh vật này sinh trưởng

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

[42] Vi sinh vật sinh metan được chia thành hai nhóm lớn:

Nhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ xử lý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảm bảo các axit béo và rượu được chuyển thành acetate

Các chi thường gặp thuộc nhóm này gồm có Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium

Trong bể xử lý kỵ khí hai chi thường gặp thuộc nhóm này là Methanosarcina

và Methanothrix (hình 1.10) Trong hệ xử lý kỵ khí, gần 2/3 metan được sinh ra từ

Hình 2.3 Methanosarcina sp và Methanothrix sp thường gặp trong các hệ xử

lý kỳ khí Nguồn: [9]

Song song với quá trình phát triển của công nghệ xử lý kỵ khí, các phương pháp xác định số lượng và hoạt tính của methanogen trong các bể phản ứng cũng được tối ưu dần Các phương pháp đếm thông thường đối với vi sinh vật không phù hợp đối với methanogen vì các vi sinh vật này yêu cầu điều kiện sinh trưởng đặc thù khó kiểm soát trong phòng thí nghiệm, đồng thời thường sống cộng sinh trong một

quần thể với nhiều loài vi sinh vật khác Một số phương pháp sinh học phân tử hiện nay như điện di biến tính (DGGE), lai trực tiếp bằng đầu dò hu nh quang (FISH) cho phép xác định số lượng methanogen trong môi trường một cách trực tiếp dựa trên các phân tử DNA và RNA mà không cần qua bước phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm [33]

Hoạt tính sinh học trong bể xử lý kỵ khí thường được đánh giá thông qua lượng axit béo bay hơi (VFA) hay metan sinh ra Ngoài ra, hoạt tính sinh học còn có thể xác định thông qua hàm lượng ATP, tỷ lệ thuận với lượng khí sinh ra và thay đổi rất nhạy khi nạp liệu hay có mặt các độc tố Sinh khối vi sinh vật, cấu trúc quần thể và trạng thái trao đổi chất được xác định tương ứng thông qua phân tích lipid

Các loài sinh metan trong cổ khuẩn làm thành một nhóm lớn và đa dạng với các đặc điểm chung là (1) tạo khí metan như sản phẩm cuối cùng của chu trình trao đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí Cổ khuẩn sinh metan thu năng lượng cho quá trình sinh trưởng từ việc chuyển hoá một số chất thành khí metan Nguồn cơ chất chủ yếu của các vi sinh vật này là hydro, format và acetat

Quá trình sinh metan ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp kỵ khí, trong đó chất nhận điện tử là CO2 hoặc nhóm methyl trong các hợp chất C1 (như metanol, trimethylamin, dimethylsulfid va rượu như isopropanol, isobutanol, cyclopentanol, etanol) và acetat Là những sinh vật duy nhất có khả năng tạo ra khí metan, cổ khuẩn sinh metan có những enzyme và coenzyme thiết yếu cho quá trình tổng hợp metan và đóng vai trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F420 và coenzyme M

Sự hiện diện của coenzyme F420 khiến cho các tế bào của cổ khuẩn sinh metan có tính tự phát sáng dưới ánh đèn hu nh quang (bước sóng 350-420 nm) Mặc dù hiện tượng tự phát sáng này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi mất hẳn, tu thuộc vào các pha sinh trưởng của tế bào, nhưng đó vẫn là một đặc điểm đơn giản và tiện lợi để nhận biết cổ khuẩn sinh metan dưới kính hiển vi

Bảng 2.2 Phản ứng tạo metan trên các cơ chất khác nhau

và năng lƣợng đƣợc giải phóng từ đó Nguồn: [7]

Phản ứng sinh metan Năng lượng được giải

là hydro và acetat, với các nhóm vi sinh vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điện

khuẩn sinh metan sẽ chiễm lĩnh các môi trường nơi không có nhiều các loại chất nhận điện tử tiềm năng này Do không có khả năng sử dụng rộng rãi các loại cơ chất khác nhau, trong tự nhiên cổ khuẩn sinh metan thường phải phụ thuộc vào các loài

vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá đa dạng chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, hydro, format và acetate, trong đó hydro, format và acetate là nguồn thức ăn trực tiếp cho cổ khuẩn sinh metan, còn các axit hữu cơ sản phẩm của quá trình lên men như propyonat, butyrate thì cần phải được một nhóm vi khuẩn khác chuyển hoá thành cơ chất thích hợp rồi mới đến lượt cổ khuẩn chuyển thành khí metan

Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh metan được biết đến là 50 loài thuộc 19 chi, sáu họ và ba lớp (Bảng 2.3) Sự phân loại này dựa trên trình tự 16S rARN hiện có

Bảng 2.3 Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh metan Nguồn: [7]

T = họ/ chi chuẩn; -nt- như trên

Về hình thái, cổ khuẩn sinh metan rất đa dạng, trong đó một số loài có hình

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

Methanospirillum hay Methanothrix

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

mầu Gram (+) Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi là Methanobacterium, Methanobrevibacter và Methanosphaera Các loài thuộc chi Methanobacterium có

tế bào hình que hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm gồm nhiều tế bào Tất cả các loài

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

Methanothrix là nhóm methanogen thường xuất hiện trong các quá trình sinh metan

ở nhiệt độ cao [126] , [78] , quẩn thể methanogens sinh trưởng và phát triển tốt ở

nhóm chiếm ưu thế [39] Trong quá trình tạo khíbiogas, trên 70% lượng metan sinh

ra là do các nhóm sử dụng acetate như Methanosarcina hay Methanothrix đảm

nhiệm [39] , [42]

2.1.4 Các thông số quan trọng liên quan đến xử lý kỳ khí

2.1.4.1 Độ pH

Độ pH là chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và điều kiện làm việc

7,0 – 7,2, quá trình bị dừng khi pH ở mức gần 6,0 Các vi khuẩn sinh axit tạo axit hữu cơ và là nguyên nhân làm giảm độ pH trong hệ xử lý Trong trường hợp pH của

hệ xử lý giảm xuống dưới mức cho phép cần có biện pháp hỗ trợ để pH có thể phục hồi bằng cách bổ sung một số hóa chất có tính kiềm cao như vôi (CaO), ammonium

Hầu hết các vi khuẩn tạo mêtan hoạt động trong phạm vi pH từ 6.7 – 7.4, tối

ưu là từ 7- 7.2, sự phân hủy có thể thất bại nếu pH gần ở mức 6.0 Nghiên cứu xử

lý kỵ khí chất thải thực phẩm của Zang et el (2005) cho thấy khi pH = 7 cho hiệu suất quá trình xử lý theo COD hòa tan cao đạt 82% Vi khuẩn tạo axít tạo ra những axít hữu cơ có khuynh hướng làm giảm độ pH trong bồn phản ứng Dưới điều

kiện bình thường sự giảm pH này sẽ được giảm đi do chất đệm (bicarbonate) tạo

ra bởi nhóm vi khuẩn tạo mêtan Trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt, khả năng tạo chất đệm có thể không xảy ra và cuối cùng làm ngưng việc tạo ra mêtan Axít gây cản trở nhiều hơn cho nhóm vi khuẩn tạo mêtan so với nhóm vi khuẩn tạo axít Sự tăng axít dễ bay hơi như thế sẽ là dấu hiệu cho thấy hệ thống không còn hoạt động hiệu quả

Phải chú ý vận hành để bể phản ứng kỵ khí có thể giữ cân bằng số vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo metan Chất hữu cơ cho vào bể sẽ được nhanh chóng

cơ thì sẽ tạo quá nhiều axit, pH giảm và làm hoạt tính của vi khuẩn cũng giảm Vi khuẩn metan rất nhạy cảm với việc giảm pH Vì vậy phải theo dõi tỷ lệ tổng mức axít dễ bay hơi (như axít acetic) so với tổng độ kiềm (như cácbonat canxi) để bảo đảm rằng tỷ lệ này luôn dưới 0,1

2.1.4.2 Nhiệt độ

Trong các hệ xử lý kỵ khí, quá trình sinh metan được thực hiện ở nhiệt độ

trưởng chậm, methanogen rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ trong

môi trường [91]

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ sinh trưởng

của vi khuẩn sinh metan (Nguồn: [90] )

trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra mạnh hơn, tốc độ sinh khí biogas cao hơn và loại

bỏ được vi sinh vật gây bệnh So với quá trình phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men

ấm, phân hủy kỵ khí ở chế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm hơn: thời gian phân huỷ của quá trình lên men nóng ngắn hơn 10 ngày (chế độ lên men nóng thời gian phân hủy 10 ngày, chế độ lên men ấm thời gian phân hủy 20 ngày) [123] , lượng khí

biogas sinh ra cao hơn 33% [47] , [118] Ngoài ra, quá trình phân hủy kỵ khí ở

chế độ lên men nóng có nhiều ưu điểm hơn về tiêu hủy triệt để hơn virus gây bệnh

và vi khuẩn, chế độ lên men nóng tiêu diệt 98,5-99,6% vi sinh vật gây bệnh, [123]

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

(chất thải thực phẩm) bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng

So sánh xử lý kỵ khí ở 2 chế độ lên men ấm và chế độ lên men nóng được thể hiện trong bảng 2.4