nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng từ quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng trong quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học, kết hợp đánh giá hiệu quả sin

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng trong quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học, kết hợp đánh giá hiệu quả sinh khí biogas của hỗn hợp bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ Thí nghiệm được thực hiện trong bể phản ứng 2,7 lít, nhiệt độ phòng Nghiên cứu này được thực hiện qua 2 thí nghiệm:

Thí nghiệm 1 được thực hiện 16 ngày đối với bốn tỉ lệ pha trộn giữa bùn và rác: 100% bùn: 0%rác (S100), 75% bùn: 25% rác (S75), 50% bùn : 50% rác (S50), 25% bùn: 75% rác (S25) Kết quả cho thấy S50 đạt hiệu quả tốt nhất trong các tỉ lệ thí nghiệm với hàm lượng COD loại bỏ là 6760 mgCOD/l, hàm lượng photpho loại bỏ là 130,9 mg/l, hàm lượng nitơ loại bỏ là 49,1 mg/l, hiệu quả xử lý VS lên đến 51060 mg/l Ở tỉ lệ này, lượng biogas tích lũy lên đến 32480 ml, năng suất metan trung bình

350 mlCH4/gVS

Thí nghiệm 2, tiến hành chọn tỉ lệ phối trộn hiệu quả cao nhất ở giai đoạn thí nghiệm 1 để tiến hành thí nghiệm liên tục lần lượt với các tải lượng hữu cơ 2 kgVS/m3.ngày, 4 kgVS/m3.ngày, 6 kgVS/m3.ngày Các bình kỵ khí có tỉ lệ phối trộn S50 và S100 (đối chứng) được chọn để tiến hành thí ngiệm này Kết quả cho thấy, ở mức tải lượng 2 kgVS/m3.ngày và tải lượng 4 kgVS/m3.ngày bể phản ứng hoạt động

ổn định hơn so với tải lượng 6 kgVS/m3.ngày Ở tải lượng 4 kgVS/m3.ngày có hàm lượng COD đầu ra từ 10600 – 12760 mg/l, hàm lượng nitơ khoảng 433,44 – 476 mg/l (gấp 1,3 lần tải lượng 2 kgVS/m3.ngày), hàm lượng photpho trong khoảng 453,49 – 483,18 mg/l (gấp 1,2 lần tải lượng 2 kgVS/m3.ngày), hàm lượng VS ổn định ở 0,38 g/ml, lượng biogas sinh ra hằng ngày từ 860 – 1220 ml, năng suất metan từ 334,46 – 521,12 ml/gVS đem lại hiệu quả cao hơn so với tải lượng 2 kgVS/m3.ngày về xử lý chất hữu cơ và năng suất khí

Tóm lại, nghiên cứu đưa ra kết luận tỉ lệ phối trộn nguyên liệu phù hợp là S50 với tải lượng ô nhiễm 4 kgVS/m3.ngày đem lại hiệu quả cao cho xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng, thu được năng suất biogas cao

The objective of this study was to evaluate treatment efficiency of organic matter and nutrients in the process of co-anaerobic treatment of sludge biology, combines evaluate the effectiveness of birth biogas of mixed sludge biological and organic waste The experiment was conducted in a 2.7 liters reactor, room temperature This study was conducted in two experiments:

Experiment 1 was conducted for 16 days with four mixing ratios of sludge (S) and food waste (FW): 100% S: 0% FW (S100), 75% S: 25% FW (S75), 50% S : 50%

FW (S50), 25% S: 75% FW (S25) The results show that the S50 performs best in laboratory rates with the COD removal was 6760 mgCOD/l, the amount of phosphorus removed was 130.9 mg/l, the nitrogen content removed was 49.1 mg/l, effective handling of VS up to 51060 mg/l

In experiment 2, the optimum mixing ratio was chosen at the experimental stage

1 for continuous experimentation with organic loading of 2 kgVS/m3.day, 4 kgVS/m3.day, 6 kgVS/m3.day The anaerobic mixing ratios S50 and S100 (verify) were selected for this experiment Results showed that at the loading rate of 2 kgVS/m3.day and 4 kgVS/m3.day load, the reaction tank was more stable than the 6 kgVS/m3.day load At a load of 4 kgVS/m3.day, the COD content is from 10600 -

12760 mg / l, the nitrogen content is about 433.44 - 476 mg/l (1.3 times the load of 2 kgVS/m3.day) The phosphorus content in the range of 453.49 - 483.18 mg/l (1.2 times the load of 2 kgVS/m3.day, VS content is stable at 0.38 g/ml, daily biogas production

is from 860 - 1220 ml, the methane yield from 334.46 to 521.12 ml/gVS gave higher efficiency than the 2 kgVS/m3.day load on organic matter and gas yield

In conclusion, the study concludes that the appropriate mixing ratio of S50 with a pollutant load of 4 kgVS/m3.day is highly effective for treating organic matter and nutrients, resulting in high biogas yield

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN i

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.2.2 Những nội dung cần nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi của đề tài 3

1.4 Thời gian thực hiện 3

1.5 Ý nghĩa và tính mới của đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

2.1 Tổng quan về bùn thải 5

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh bùn thải 5

2.1.2 Đặc điểm bùn thải 6

2.1.3 Phương pháp xử lý bùn thải 6

2.1.4 Bùn thải sinh học 8

2.2 Tổng quan về rác thải sinh hoạt 9

2.2.1 Nguồn gốc phát sinh CTR 10

2.2.2 Thành phần, tính chất CTR 10

2.2.3 Phương pháp xử lý CTR 16

2.2.4 Rác thải sinh hoạt hữu cơ 21

2.3 Tổng quan về quá trình sinh học kỵ khí 22

2.3.1 Bản chất về quá trình sinh học kỵ khí 22

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kỵ khí 24

2.3.3 Lợi ích của công nghệ biogas 25

2.4 Quá trình đồng xử lý kỵ khí 26

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.1 Vật liệu nghiên cứu 27

3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 28

3.3 Mô hình nghiên cứu 33

3.4 Lấy mẫu và phân tích 34

3.5 Phương pháp xử lý số liệu 35

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 36

4.1 Kết quả vận hành mô hình xử lý kị khí theo mẻ 36

4.1.1 Kết quả phân tích pH 36

4.1.2 Kết quả phân tích VS 37

4.1.3 Kết quả phân tích COD 38

4.1.4 Kết quả phân tích TP 39

4.1.5 Kết quả phân tích TN 40

4.1.6 Kết quả phân tích VFAs 41

4.1.7 Các chỉ tiêu khác 42

4.1.8 Nhận xét phần thí nghiệm theo mẻ 45

4.2 Kết quả vận hành mô hình xử lý kị khí bán liên tục 46

4.2.1 Kết quả phân tích pH 46

4.2.2 Kết quả phân tích VS 47

4.2.3 Kết quả phân tích COD 48

4.2.4 Kết quả phân tích TP 49

4.2.5 Kết quả phân tích TN 50

4.2.6 Kết quả phân tích VFAs 51

4.2.7 Kết quả phân tích khác 52

4.2.8 Nhận xét phần thí nghiệm liên tục 56

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Tách rác bằng phương pháp thủ công 17

Hình 2.2 Máy ép rác thành kiện 18

Hình 2.3 Xử lý rác bằng phương pháp ủ sinh học 19

Hình 2.4 Lò đốt rác thải sinh hoạt 20

Hình 2.5 Đặc điểm của quá trình sinh học kỵ khí 24

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu bùn tại nhà máy Bình Hưng 27

Hình 3.2 Nội dung của thí nghiệm 29

Hình 3.3 Quy trình thí nghiệm theo mẻ 31

Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm theo mẻ 31

Hình 3.5 Quy trình thí nghiệm liên tục 33

Hình 3.6 Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm 33

Hình 3.7 Mô hình thực tế thí nghiệm 34

Hình 4.1 Kết quả phân tích pH thí nghiệm theo mẻ 36

Hình 4.2 Kết quả phân tích hàm lượng VS thí nghiệm theo mẻ 37

Hình 4.3 Kết quả phân tích COD thí nghiệm theo mẻ 38

Hình 4.4 Kết quả phân tích photpho thí nghiệm theo mẻ 39

Hình 4.5 Kết quả phân tích nitơ thí nghiệm theo mẻ 40

Hình 4.6 Kết quả phân tích hàm lượng VFAs trong thí nghiệm theo mẻ 41

Hình 4.7 Thể tích biogas tích lũy thí nghiệm theo mẻ 42

Hình 4.8 Hàm lượng %CH4 trong biogas ở thí nghiệm theo mẻ 43

Hình 4.9 Hàm lượng %CO2 trong biogas ở thí nghiệm theo mẻ 43

Hình 4.10 Hàm lượng % các khí khác trong biogas ở thí nghiệm theo mẻ 44

Hình 4.11 Năng suất CH4 từ thí nghiệm theo mẻ 45

Hình 4.12 Kết quả phân tích pH thí nghiệm liên tục 46

Hình 4.13 Biểu đồ kết quả phân tích VS từ thí nghiệm liên tục 47

Hình 4.14 Biểu đồ kết quả phân tích COD từ thí nghiệm liên tục 48

Hình 4.15 Biểu đồ kết quả phân tích TP từ thí nghiệm liên tục 49

Hình 4.16 Biểu đồ kết quả phân tích TN từ thí nghiệm liên tục 50

Hình 4.17 Kết quả phân tích VFAs trong thí nghiệm liên tục 51

Hình 4.18 Biểu đồ kết quả phân thể tích Biogas tích lũy từ thí nghiệm liên tục 52

Hình 4.19 Biểu đồ kết quả phân tích thể tích Biogas hằng ngày từ thí nghiệm liên tục 53

Hình 4.20 Biểu đồ kết quả phân tích %CH4 từ thí nghiệm liên tục 54

Hình 4.21 Biểu đồ kết quả phân tích % CO2 từ thí nghiệm liên tục 54

Hình 4.22 Biểu đồ kết quả năng suất mlCH4/gVS từ thí nghiệm liên tục 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần bùn của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt 9

Bảng 2.2 Thành phần chất thải rắn đô thị 11

Bảng 2.3 Kết quả phân tích các thành phần cơ bản của rác thải đô thị 13

Bảng 2.4 Tỷ trọng rác thải theo các nguồn phát sinh 14

Bảng 3.1 kết quả phân tích mẫu bùn và rác hữu cơ 28

Bảng 3.2 Lượng bùn và rác cần lấy cho thí nghiệm liên tục 32

Bảng 3.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 35

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển theo hướng công nghiệp hoá và hiện đại hoá Cùng với sự phát triển trên, quá trình đô thị hoá ở Việt Nam cũng đang phát triển không ngừng cả về tốc độ lẫn quy mô, về số lượng lẫn chất lượng Bên cạnh những mặt tích cực, những tiến bộ vượt bậc nói trên vẫn còn tồn tại những mặt tiêu cực, những hạn chế mà không một nước đang phát triển nào không phải đối mặt, đó là tình trạng môi trường ngày càng bị ô nhiễm, cụ thể đó là ô nhiễm về đất, nước, không khí và tình trạng tài nguyên thiên nhiên ngày càng trở nên cạn kiệt, cũng như hàng loạt các vấn đề môi trường khác cần được giải quyết

Để giải quyết các vấn đề về môi trường thì số lượng các nhà máy xử lý chất thải ngày càng gia tăng làm nảy sinh vấn đề đó là lượng bùn thải sinh học từ các công trình

xử lý sinh học ngày càng gia tăng, việc xử lý lượng bùn thải chưa hiệu quả, tốn kém, gây ô nhiễm môi trường

Bên cạnh đó, dân số tăng nhanh, đô thị ngày càng phát triển còn dẫn đến lượng rác phát sinh ngày càng gia tăng Lượng rác này thành phần chủ yếu là chất hữu cơ thường được đem chôn lấp gây ô nhiễm môi trường, quá tải bãi chôn lấp

Tại nhiều nước trên thế giới, công nghệ xử lý kỵ khí các chất thải quy mô công nghiệp được áp dụng 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, bùn sau xử lý được tiêu diệt hoàn toàn mầm bệnh, có thể được sử dụng làm phân bón cho cây trồng

Vi vậy, đề tài: “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh

dưỡng từ quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ.”

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 chất thảicho các đô thị tại Việt Nam, hướng tới phát triển bền vững

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu chung: Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ Mục tiêu cụ thể:

 Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ khi thay đổi tỉ lệ phối trộn nguyên liệu

 Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ khi thay đổi tải trọng ô nhiễm

1.2.2 Những nội dung cần nghiên cứu

Nội dung 1: Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

Thu thập các bài báo khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ

Tìm hiểu về nguồn gốc, thành phần, tính chất của bùn thải sinh học, rác thải hữu

cơ

Tìm hiểu vể quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ

Nội dung 2: Lắp đặt mô hình thí nghiệm

Chuẩn bị nguyên vật liệu thí nghiệm:

 Bùn thải sinh học từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, rác thải đô thị

 Các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm

Lắp đặt mô hình thí nghiệm

Nội dung 3: Tiến hành thí ngiệm

Thí nghiệm 1: Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh

dưỡng quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải sinh hoạt hữu cơ khi thay đổi tỉ lệ phối trộn (mô hình xử lý theo mẻ)

Lắp đặt thí nghiệm với các tỉ lệ phối trộn như sau:

Thí nghiệm 2: Tiến hành thí nghiệm thay đổi tải trọng ô nhiễm (mô hình xử lý

Ghi nhận kết quả thí nghiệm, xử lý số liệu

Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng

Địa điểm thực hiện: Trường Đại Học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM

1.5 Ý nghĩa và tính mới của đề tài

 Ý nghĩa:

Đề tài nghiên cứu cho thấy ưu điểm: xử lý được bùn thải sinh học, rác thải hữu

cơ là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, giảm tải bãi chôn lấp, bảo vệ môi trường

Thu hồi được tài nguyên là khí biogas từ quá trình kỵ khí được tận thu dùng làm năng lượng cho phát điện và nhiệt năng, tận dụng bùn sau xử lý làm phân bón

Xử lý kết hợp các loại chất thải có thể làm tăng hiệu quả xử lý chất thải, làm cơ

sở thiết kế hệ thống xử lý chất thải, tạo tiền đề xây dựng mô hình xử lý chất thải mới

 Tính mới của đề tài:

Đây là nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ Sản phẩm sau quá trình xử lý có thể dùng làm phân bón Xác định tỉ lệ phối trộn nguyên liệu để đạt hiệu quả xử lý tối ưu nhất cho quá trình xử lý chất hữu cơ và chất dinh dưỡng, tỉ lệ tối ưu nhất cho quá trình sinh khí

Xác định tải lượng hữu cơ thích hợp để đạt hiệu quả xử lý tối ưu cho quá trình xử

lý chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng, tải lượng tối ưu cho quá trình sinh khí metan

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về bùn thải

Bùn là hỗn hợp chất rắn và nước có thành phần đồng nhất trong toàn bộ thể tích,

có kích thước hạt nhỏ hơn 2 mm và có hàm lượng nước (độ ẩm) lớn hơn 70% Có nhiều dạng bùn phát sinh cùng với hoạt động của các đô thị hiện nay là bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, bùn bể tự hoại, bùn sông hồ, cống rãnh thoát nước, bùn thải từ hoạt động công nghiệp

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh bùn thải

 Bùn thải được phát sinh từ nhiều nguồn:

 Bùn thải từ hệ thống thoát nước, kênh rạch:

 Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải đô thị:

 Bùn thải sinh học:

Bùn thải sinh học là bùn thải phát sinh từ các hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp sinh học Có mùi hôi thối song không độc hại, có hàm lượng chất hữu cơ cao Có thể dùng để sản xuất phân hữu cơ bằng cách cho thêm vôi bột để khử chua; than bùn; cấy vi sinh, dùng chế phẩm EM… để khử mùi sẽ thành phân hữu cơ tổng hợp

 Bùn thải công nghiệp không độc hại:

Phát sinh từ các công đoạn khác nhau của quá trình xử lý nước thải, chứa chủ yếu các chất trơ, ít hàm lượng hữu cơ Không cần xử lý, có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau

 Bùn thải công nghiệp nguy hại:

Có chứa các kim loại nặng như: Cu, Mn, Zn, Ni, Cd, Pb, Hg, Se, Al, As… nhất thiết phải được xử lý trước khi thải ra môi trường, nếu không sẽ gây nên hiểm họa cho nhiều thế hệ mai sau

2.1.2 Đặc điểm bùn thải

Các loại bùn thải có tính chất rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào nguồn gốc của bùn thải Nhìn chung, bùn thải bao gồm các hợp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, một số loại các vi chất dinh dưỡng không cần thiết, dấu vết kim loại, chất gây ô nhiễm

vi sinh hữu cơ và vi sinh vật Nước thải bùn cũng có thể chứa chất độc hại khác như chất tẩy rửa, các muối khác nhau và thuốc trừ sâu, chất hữu cơ độc hại…

Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải thường ở dạng lỏng có chứa từ 0,25 – 12% chất rắn tính theo khối lượng khô tùy thuộc vào công nghệ xử lý nước thải được

áp dụng Trong những thành phần cần xử lý, bùn chiếm thể tích lớn nhất và kỹ thuật

xử lý cũng như thải bỏ bùn là một trong những vấn đề phức tạp nhất trong quá trình xử

lý nước thải Các thiết bị xử lý bùn chiếm từ 40 – 60% tổng chi phí đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải và khoảng 50% chi phí vận hành toàn hệ thống

cơ ưa nước (Ví dụ: bùn hidroxy) cần được xử lý sơ bộ là điều hòa phù hợp để cho phép làm việc tốt ở các thiết bị điều hòa cơ khí loại nước khác nhau Mức độ loại nước trước hết phụ thuộc vào loại bùn cần xử lý, nhưng cũng phụ thuộc vào phương pháp điều hòa phù hợp, cũng như cơ năng sử dụng Thường loại nước từ bùn thải được lựa chọn bởi công nghệ lọc băng tải hoặc ly tâm

 Phương pháp thiêu đốt

Phương pháp thiêu đốt là phương pháp khá phổ biến trên thế giới hiện nay để xử

lý chất thải rắn nói chung, đặc biệt là chất thải rắn độc hại và bùn thải công nghiệp Đây là phương pháp xử lý triệt để nhất so với các phương pháp khác Thiêu đốt là giai đoạn oxy hóa nhiệt độ cao với sự có mặt của oxy trong không khí, các thành phần rác độc hại được chuyển hóa thành khí và các thành phần không cháy được (tro, xỉ) Xử lý chất thải bằng phương pháp thiêu đốt có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tối đa chất thải cho khâu xử lý cuối cùng là đóng rắn hoặc tái sử dụng tro xỉ

Ưu điểm của phương pháp thiêu đốt là xử lý triệt để các chỉ tiêu ô nhiễm của chất thải rắn, giảm tối đa thể tích của chất thải rắn, hơn nữa xử lý được toàn bộ chất thải rắn

mà không cần nhiều diện tích như biện pháp chôn lấp Tuy nhiên, giá thành đầu tư, chi phí tiêu hao năng lượng cao và chi phí xử lý lớn

 Phương pháp chôn lấp

Chôn lấp là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất trong xử lý chất thải rắn Chôn lấp hợp vệ sinh là một phương pháp tiêu hủy sinh học có kiểm soát các thông số chất lượng môi trường (mùi, không khí, nước rò rỉ bãi rác) trong qua trình phân hủy Chi phí đầu tư và xử lý cho chôn lấp không lớn Bùn thải các ngành điện tử cũng có thể chôn lấp cùng với bùn thải các ngành khác.Tuy nhiên, những bãi chôn lấp chiếm diện tích lớn, thời gian phân hủy chậm và gây ô nhiễm cho các vùng xung quanh Hiện nay ở Việt Nam, các bãi chôn lấp bùn thải thường là bãi chôn lấp hở, gây ô nhiễm môi trường và mất mỹ quan

 Phương pháp ủ sinh học

Ủ sinh học là quá trình ổn định sinh học các chất hữu cơ để thành các chất thải mùn Quá trình ủ thực hiện theo hai phương pháp: ủ yếm khí và ủ hiếu khí (thổi khí cưỡng bức) Việc ủ chất thải với thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ có thể phân hủy được Đối với nguồn bùn chưa tập trung thì có thể áp dụng phương pháp này, do lượng chất hữu cơ chứa nhiền trong bùn Tuy nhiên đối với bùn thải công nghiệp nói riêng chứa nhiều kim loại nặng là không phù hợp

 Công nghệ xử l hiếu hí

Phân hủy bùn hiếu khí được sử dụng để xử lý bùn từ các công trình xử lý sinh học hiếu khí có công suất nhỏ hơn 0,2 m3/s So với quá trình phân hủy bùn kỵ khí, quá trình phân hủy hiếu khí có những ưu điểm sau:

- Mức độ phân hủy chất rắn bay hơi trong hệ thống phân hủy hiếu khí tương đương với phân hủy kỵ khí;

- Nồng độ BOD trong nước bề mặt thấp hơn;

- Quá trình phân hủy ít hay không gây mùi hôi, tạo ra sản phẩm ổn định và dạng mùn;

- Thu hồi được nguyên liệu có giá trị để sản xuất phân bón từ bùn;

- Vận hành đơn giản;

- Chi phí đầu tư thấp hơn

Những nhược điểm chính của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm:

- Chi phí vận hành cao hơn do phải duy trì hệ thống cấp oxy;

- Bùn sau xử lý khó tách nước bằng phương pháp cơ học;

- Quá trình bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ, vị trí và vật liệu chế tạo bể;

- Không thể thu hồi được khí CH4

Hai quá trình thường được áp dụng gồm: (1) phân hủy hiếu khí cổ điển và (2) phân hủy hiếu khí với lượng oxy tinh khiết cao

 Công nghệ xử l ị hí

Việc thiết kế hệ thống phân hủy bùn kỵ khí dựa trên các thông số chính sau đây: (1) thời gian lưu bùn, (2) tải trọng thể tích và (3) độ giảm thể tích bùn theo thời gian Các bể phân hủy kỵ khí có thể có dạng tròn, hình chữ nhật hay dạng hình trứng Trong đó, thông dụng nhất vẫn là dạng hình trụ tròn và dạng hình trứng Bể có dạng hình trụ tròn ít khi có đường kính nhỏ hơn 6 m và lớn hơn 40 m Chiều dày của lớp nước trong bể lớn hơn 8 m và độ sau của bể từ 15 m hoặc hơn Việc sử dụng bể có dạng hình trứng chủ yếu để hạn chế công tác vệ sinh bể, tạo điều kiện khuấy trộn tốt hơn, dễ dàng khống chế lớp cặn bề mặt và giảm diện tích cần thiết

Ở Việt Nam, bùn thải chủ yếu được xử lý bằng cách ép loại nước, phơi khô, đổ

bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần rất nhỏ được sử dụng làm phân bón Việc đổ bỏ, chôn lấp bùn thải đã và đang gây ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Theo các nghiên cứu trong những năm gần đây, bùn thải sinh học có tiềm năng

để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau bởi thành phần chủ yếu của bùn thải là các

vi sinh vật dư thừa của công đoạn xử lý sinh học với hàm lượng chất hữu cơ, nitơ và phốt pho cao

2.1.4 Bùn thải sinh học

Bùn thải sinh học là bùn thải phát sinh từ các hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp sinh học Có mùi hôi thối song không độc hại, có hàm lượng chất hữu cơ cao

Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý sinh học ví dụ từ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí thường có dạng màu nâu và mịn Nếu màu sắc của bùn tối có nghĩa bùn đang tiến gần đến giai đoạn tự hoại, ngược lại bùn có màu sáng hơn Bùn ở điều kiện phát triển tốt sẽ không có mùi hôi Nhiều thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn giải pháp thải bỏ bùn sau xử lý và nước thải sinh ra từ quá trình xử lý bùn Thành phần của bùn thải sinh học được thể hiện hiện ở bảng:

Bảng 2.1 Thành phần bùn của nhà máy xử l nước thải sinh hoạt

Tổng chất rắn khô % khối lượng

ướt

0,83 – 1,16

Chất rắn bay hơi

% khối lượng ướt

0,49 – 1,02

% khối lượng khô

23.200

(Nguồn [4])

Ở Việt Nam, bùn thải sinh học chủ yếu được xử lý bằng cách ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần rất nhỏ được sử dụng làm phân bón Việc đổ

bỏ, chôn lấp bùn thải đã và đang gây ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Theo các nghiên cứu trong những năm gần đây, bùn thải sinh học có tiềm năng

để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau bởi thành phần chủ yếu của bùn thải là các

vi sinh vật dư thừa của công đoạn xử lý sinh học với hàm lượng chất hữu cơ, nitơ và photpho cao

2.2 Tổng quan về rác thải sinh hoạt

Chất thải rắn (solid waste) là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt động kinh tế – xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng,…) trong đó, quan trọng nhất là các

Chất thải rắn sinh hoạt là chất thải liên quan đến các hoạt động của con người, nguồn tạo thành chủ yếu từ khu dân cư, các cơ quan trường học, các trung tâm dịch vụ thương mại

2.2.1 Nguồn gốc phát sinh CTR

Chất thải rắn sinh hoạt phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, có thể ở nơi này hay nơi khác; chúng khác nhau về số lượng, kích thước, phân bố về không gian Việc phân loại các nguồn phát sinh CTR đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý CTR CTRSH có thể phát sinh trong hoạt động cá nhân cũng như trong hoạt động xã hội như

từ các khu dân cư, chợ, nhà hàng, khách sạn, công ty, văn phòng và các nhà máy công nghiệp Một cách tổng quát CTRSH được phát sinh từ các nguồn sau:

 Từ các khu dân cư (rác thải sinh hoạt);

 Từ các khu thương mại, dịch vụ;

 Từ các hoạt động xây dựng đô thị;

 Từ các cơ sở, trường học, khu công cộng;

 Từ các khu công nghiệp, nông nghiệp

2.2.2 Thành phần, tính chất CTR

a) Thành phần CTR:

Thành phần CTR của các đô thị Việt Nam theo điều tra của đề tài KC - 11 - 09

"Nâng cao hiệu quả công tác thu gom, vận chuyển, chứa và xử lý rác, phân ở các đô

thị Việt Nam" được trình bày như sau:

Vỏ ốc, xương,…

Thủy tinh Kim loai Gạch, đá, sành sứ, đất Tạp chất khó phân loại (< 10 mm)

50,27 2,72 6,27 0,71 1,06 0,31 1,02 7,43 30,21

Vỏ ốc, xương,…

Thủy tinh Kim loại Gạch, đá, sành sứ, đất Tạp chất khó phân loại (< 10mm)

50,39 5,42 2,69 1,19 4,78 1,03 0,75 27,79 5,78

Thức ăn, củ, quả, xác súc vật 62,22

Tp Hồ Chí Minh

Giấy các loại Giẻ rách, cây que, gỗ Nhựa, cao su, da Vỏ ốc, xương

Thủy tinh Kim loại Gạch, đá, sành sứ, đất Tạp chất khó phân loại (< 10mm)

0,59 4,25 0,48 0,5 0,02 0,27 16,40 15,27

Các đô thị còn

lại

Rác hữu cơ Giấy các loại Nhựa, cao su, da Giấy vải và các thành phần khác Gạch, đá, sành sứ, đất, thủy tinh Tạp chất khó phân loại (<10mm)

Bảng 2.3 Kết quả phân tích các thành phần cơ bản của rác thải đô thị

Tỷ trọng của rác được xác định bằng phương pháp cân trọng lượng để xác định tỷ

lệ giữa trọng lượng của mẫu với thể tích của nó, có đơn vị là kg/m3 (hoặc lb/yd3) Tỷ trọng được dùng để đánh giá khối lượng tổng cộng và thể tích CTR Tỷ trọng rác phụ thuộc vào các mùa trong năm, thành phần riêng biệt, độ ẩm không khí Đối với nước ta

do khí hậu nóng ẩm nên độ ẩm của CTR rất cao, tỷ trọng của rác khá cao, khoảng 1100

- 1300 kg/m3

Bảng 2.4 Tỷ trọng rác thải theo các nguồn phát sinh

- Trong xe ép

- Trong bãi chôn lấp (nén thường)

- Trong bãi chôn lấp (nén tốt)

thải rắn là một chỉ tiêu quan trọng trong việc tính toán xác định lượng nước rò rỉ từ bãi rác Nước đi vào mẫu chất thải rắn vượt quá khả năng giữ nước sẽ thoát ra tạo thành nước rò rỉ Khả năng giữ nước thực tế thay đổi phụ thuộc vào áp lực nén và trạng thái phân huỷ của chất thải Khả năng giữ nước của hỗn hợp chất thải rắn (không nén) từ các khu dân cư và thương mại dao động trong khoảng 50-60%

 Tính chất hóa học:

- Chất hữu cơ:

Chất hữu cơ được xác định bằng cách lấy mẫu rác đã làm phân tích xác định độ

ẩm đem đốt ở 950o

C Phần bay hơi đi là chất hữu cơ hay còn gọi là tổn thất khi nung,

thông thường chất hữu cơ dao động trong khoảng 40 – 60%, giá trị trung bình là 53%

- Hàm lượng carbon cố định:

Hàm lượng carbon cố định là hàm lượng carbon còn lại sau khi đã loại bỏ các phần vô cơ khác không phải là cacbon trong tro khi nung ở 950oC Hàm lượng này thường chiếm khoảng 5 – 12%, giá trị trung bình là 7% Các chất vô cơ chiếm khoảng

15 – 30%, giá trị trung bình là 20%

- Tính chất sinh học:

Các thành phần hữu cơ (không kể các thành phần như plastic, cao su, da của hầu hết CTR có thể phân loại về phương diện sinh học như sau:

- Các phân tử có thể hòa tan trong nước như: đường, tinh bột, amino acid

và nhiều acid hữu cơ;

- Bán cellulose: sản phẩm ngưng tụ của đường glucosa 6 carbon;

- Cellulose: sản phẩm ngưng tụ của đường glucosa 6 carbon;

- Dầu mỡ, và sáp: là những ester của alcohols và acid béo mạch dài;

- Lignin: một polymer chứa các vòng thơm với nhóm methoxyl (-OCH3);

- Protein: chất tạo thành từ sự kết hợp chuỗi các amino acid;

Tính chất quan trọng nhất trong thành phần hữu cơ của CTR đô thị là hầu hết các thành phần hữu cơ có thể được chuyển hóa sinh học thành khí, các chất vô cơ và các chất trơ khác

Khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ trong CTR được đánh giá bằng chỉ số sau:

BF = 0,83 – 0,028LC

(Nguồn [10])

Trong đó:

• BF: tỷ lệ phần phân hủy sinh học biểu diễn trên cơ sở vi sinh;

• 0,83 và 0,028 là hằng số thực nghiệm;

• LC: hàm lượng lignin của vi sinh biểu diễn bằng % trọng lượng khô

Sự phát triển của ruồi: sự nhân giống và sinh sản của ruồi là vấn đề quan trọng cần quan tâm tại nơi lưu trữ CTR

2.2.3 Phương pháp xử lý CTR

a) Xử lý sơ bộ chất thải rắn

 Giảm thể tích bằng phương pháp cơ học:

Nén rác là một khâu quan trọng trong quá trình xử lý CTR Ở nhiều đô thị, một

số phương tiện vận chuyển CTR được trang bị thêm bộ phận cuốn ép và nén ép, điều này góp phần làm tăng sức chứa của xe và tăng hiệu suất chuyên chở cũng như kéo dài thời gian phục vụ cho BCL Các thiết bị nén ép có thể là các máy nén cố định và di dộng hoặc các thiết bị nén ép cao áp

 Giảm thể tích bằng phương pháp hóa học:

Chủ yếu bằng phương pháp trung hòa, hóa rắn kết hợp với các chất phụ gia đông cứng, khi đó thể tích các chất thải có thể giảm đến 95%

 Giảm kích thước bằng phương pháp cơ học:

Chủ yếu là dùng phương pháp cắt hoặc nghiền

 Tách, phân chia các hợp phần của chất thải rắn:

Để thuận tiện cho việc xử lý, cần phải tách, phân chia các hợp phần của CTR Đây là quá trình cần thiết trong công nghệ xử lý để thu hồi tài nguyên từ CTR, dùng cho quá trình chuyển hóa biến thành sản phẩm hoặc cho các quá trình thu hồi năng lượng sinh học Hiện nay người ta áp dụng các phương pháp tách, phân chia các hợp phần trong CTR bằng thủ công hoặc bằng cơ giới:

 Bằng phương pháp thủ công: Dùng sức người

 Bằng phương pháp cơ giới: Trong công nghệ có sấy khô, nghiền sau đó mới dùng thiết bị tách (quạt gió, xyclon)

Vị trí tách, phân chia các hợp phần có thể như sau:

- Tách ngay từ nguồn CTR;

- Tách tại trạm trung chuyển;

- Tách ở các trạm tập trung khu vực;

- Tách tại trạm xử lý CTR: phục vụ cho việc xử lý sao cho có hiệu quả;

- Tách kim loại ra khỏi CTR, tách các loại giấy, carton, polyetylen

c) Xử lý bằng công nghệ ép kiện

Phương pháp ép kiện được thực hiện trên cở sở toàn bộ rác thải tập trung thu gom vào nhà máy Rác được phân loại bằng phương pháp thủ công trên băng tải, các chất trơ và các chất có thể tận dụng được như: kim loại, nilon, giấy, thủy tinh, plastic… được thu hồi để tái chế Những chất còn lại sẽ được băng tải chuyền qua hệ thống ép nén rác bằng thủy lực với mục đích làm giảm tối đa thể tích khối rác và tạo thành các kiện với tỷ số nén rất cao

Các kiện rác đã ép nén này được sử dụng vào việc đắp các bờ chắn hoặc san lấp những vùng đất trũng sau khi được phủ lên các lớp đất cát

Trên diện tích này, có thể sử dụng làm mặt bằng để xây dựng công viên, vườn hoa, các công trình xây dựng nhỏ và mục đích chính là giảm tối đa mặt bằng khu vực

Ưu điểm: tái sử dụng rác ở dạng phân hủy, có thể kiểm soát sự phát tán ô nhiễm không khí

Nhược điểm: dạng xử lý rác này khá tốn kém, đòi hỏi đầu tư công nghệ cao, công nhân có trình độ chuyên môn cao Rác được phân loại ngay tại nguồn (thành phần hữu cơ)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ sinh học:

- Độ ẩm: vật liệu quá khô không đủ cho vi sinh vật phân hủy Độ ẩm tối ưu: 52 – 58%

- Nhiệt độ: 40 – 50oC mới phân hủy được

- Kích thước hạt: nhỏ hơn 25 mm

- Vật liệu nghiền: 55 – 70 mm Vật liệu phải có tỷ lệ C : N = 50 : 1

- Xáo trộn nhẹ nhàng, phải giữ độ pH không tăng để khỏi làm mất hàm lượng nitơ trong phân

Công nghệ đốt có những ưu điểm: xử lý triệt để các chỉ tiêu ô nhiễm của chất thải

đô thị Công nghệ này cho phép xử lý được toàn bộ chất thải đô thị mà không cần nhiều diện tích đất sử dụng làm bãi chôn lấp rác

Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là: vận hành dây chuyền phức tạp, đòi hỏi năng lực kỹ thuật và tay nghề cao; giá thành đầu tư lớn, chi phí tiêu hao năng lượng và chi phí xử lý cao

Hình 2.4 Lò đốt rác thải sinh hoạt

(Nguồn:[7])

f) Bãi chôn lấp hợp vệ sinh

Trong các phương pháp xử lý và tiêu hủy CTR, chôn lấp là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất Phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở các nước trên Thế giới Về thực chất, chôn lấp là phương pháp lưu giữ chất thải trong một bãi và có phủ đất lên trên

Chôn lấp hợp vệ sinh là một phương pháp kiểm soát sự phân hủy của CTR khi chúng được chôn nén và phủ lấp bề mặt CTR trong BCL sẽ bị tan rữa nhờ quá trình phân hủy sinh học bên trong để tạo ra sản phẩm cuối cùng là các chất giàu dinh dưỡng như axit hữu cơ, nitơ, các hợp chất amon và một số khí như CO2, CH4 Như vậy về thực chất chôn lấp hợp vệ sinh CTR đô thị vừa là phương pháp tiêu hủy sinh học, vừa

là biện pháp kiểm soát các thông số chất lượng môi trường trong quá trình phân hủy chất thải khi chôn lấp

Theo quy định của TCVN 6696 – 2000, bãi chôn lấp CTR hợp vệ sinh được định nghĩa là: khu vực được quy hoạch thiết kế, xây dựng để chôn lấp các chất thải phát sinh từ các khu dân cư, đô thị và các khu Công nghiệp BCL chất thải bao gồm các ô chôn lấp chất thải, vùng đệm, các công trình phụ trợ khác như trạm xử lý nước, trạm

xử lý khí thải, trạm cung cấp điện nước, văn phòng làm việc,…

 Bãi rác vệ sinh có những ưu điểm sau:

- Ơ những nơi có đất trống, bãi rác vệ sinh thường là phương pháp kinh tế nhất cho việc đổ bỏ chất thải rắn

- Đầu tư ban đầu và chi phí hoạt động của bãi rác vệ sinh thấp so với các phương pháp khác (đốt, làm ủ phân)

- Bãi rác vệ sinh có thể nhận tất cả các loại chất thải rắn mà không cần thiết phải thu gom riêng lẻ hay phâ loại từng loại

- Bãi rác vệ sinh rất linh hoạt trong khi sử dụng Ví dụ, khi khối lượng rác gia tăng

có thể tăng cường thêm công nhân và thiết bị cơ giới, trong khi đó các phương pháp khác phải mở rộng nhà máy để tăng công suất

- Do bị nén chặt và phủ đất lên trên nên các côn trùng, chuột bọ, ruồi muỗi khó có thể sinh sôi nẩy nở

- Các hiện tượng cháy ngầm hay cháy bùng khó có thể xảy ra, ngoài ra giảm thiểu được các mùi hôi thối gây ô nhiễm không khí

- Góp phần làm giảm nạn ô nhiễm nước ngầm và nước mặt

- Các bãi rác vệ sinh khi bị chôn lấp đầy, chúng ta có thể xây dựng chúng thành các công viên, các sân chơi, sân vận động, công viên giáo dục, sân golf, hay các công trình phục vụ nghỉ ngơi giải trí (recreational facilities) Ví dụ ở Hoa Kỳ có các sân vận động Denver, Colorado, Mout Transhmore có nguồn gốc là các bãi chôn lấp

 Tuy nhiên việc hình thành các bãi chôn rác vệ sinh cũng có một số

nhược điểm:

- Các bãi rác vệ sinh đòi hỏi diện tích đất đai lớn, một thành phố đông dân có số lượng rác thải càng nhiều thì diện tích bãi thải càng lớn Người ta ước tính một thành phố có quy mô 10.000 dân thì trong một năm thải ra một lượng rác có thể lấp đầy diện tích 1 hecta với chiều sâu 3m

- Các lớp đất phủ ở các bãi rác vệ sinh thường hay bị gió thổi mòn và phát tán đi xa

- Các bãi rác vệ sinh thường tạo ra các khí CH4 hoặc khí H2S độc hại có khả năng gây cháy nổ hay gây cháy nổ hay gây ngạt Tuy nhiên khí CH4 có thể được thu hồi

để làm khí đốt

- Nếu không xây dựng và quản lý tốt có thể gây ra ô nhhiễm nước ngầm và ô nhiễm không khí

2.2.4 Rác thải sinh hoạt hữu cơ

Rác thải sinh hoạt hữu cơ là loại rác thải có nguồn gốc từ thiên nhiên, dễ phân hủy có thành phần chính là C, H, O Đây là đối tượng nghiên cứu của đồ án này Tỉ lệ rác thải hữu ở các đô thị ở Việt Nam tương đối cao khoảng 50 -60% thành phần rác thải đô thị, đây là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất phân vi sinh và các loại chế phẩm khác đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trương

Nguồn gốc:

- Phần bỏ đi của thực phẩm sau khi lấy đi phần chế biến được thức ăn cho con người như các loại rau, củ quả đã bị hư, thối…

- Phần thực phẩm thừa hoặc hư hỏng không thể sử dụng cho con người như Cơm, canh, thức ăn còn thừa hoặc bị thiu… Các loại bã chè, bã cafe

- Các loại hoa, lá cây, cỏ không được con người sử dụng sẽ trở thành rác thải trong môi trường như cỏ cây bị xén/ chặt bỏ, hoa rụng…

Hiện nay tại Việt Nam phần lớn rác thải hữu cơ không được phân loại tại nguồn, không được xử lý và đưa về bãi chôn lấp gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề, gây nhiều dịch bệnh

Phương thức xử lý rác thải hữu cơ 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 rác thải hữu cơ 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

2.3 Tổng quan về quá trình sinh học kỵ khí

2.3.1 Bản chất về quá trình sinh học kỵ khí

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

và sản phẩm cuối cùng là khí biogas (CH4 + CO2) Quá trình xử lý kỳ khí được thể hiện bằng phương trình như sau:

CaHbOcNdSe + 1/4(4a–b–2c+3d+2e)H2O → 1/8(4a –b+2c+3d-2e)CO2 + 1/8(4a +

b – 2c – 3d – 2e)CH4 + dNH3 + eH2S + Sinh khối vi sinh vật + ΔG0

Ghi chú: ΔG0: 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

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 Trong khi đó nếu các chất dễ phân hủy bước xác định tốc độ phản

ứng là axetat và metan hóa 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 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 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 Các sản phẩm từ bước axit hóa bao gồm khoảng 51% acetat, 19% H2/CO2, và 30% các sản phẩm có tính khử, chẳng hạn như VFA, rượu hoặc lactat Bước axit hóa thường được coi là bước nhanh nhất trong phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ phức tạp

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 metan hóa

và cần tiếp tục bị oxy hóa thành acetat và H2 trong bước axetat hóa bằng 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 hydro thành

CH4, CO2

Hình 2.5 Đặc điểm của quá trình sinh học ỵ hí

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 khan, NaOH, NaHCO3, Na2CO3 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

b) Nhiệt độ

Trong các hệ xử lý kỵ khí, quá trình sinh metan được thực hiện ở nhiệt độ thường, nhiệt độ ấm (30 – 370C, tối ưu ở 350C) hay nhiệt độ cao (50 – 550C, tối ưu ở

550C), tùy thuộc vào loại công nghệ áp dụng

Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí metan rất nhạy cảm với nhiệt độ, biên độ nhiệt độ thay đổi cho phép là 10oC trong mỗi ngày Nhiệt độ dưới 10oC làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ không được sinh

ra hoặc rất ít Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 32oC là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí metan

c) Ẩm độ

Ẩm độ đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm độ lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp

d) Thành phần dinh dưỡng (Hàm lượng chất khô):

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cấp là C và N; với cacbon ở dạng là cacbohydrate, còn nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của

tế bào Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N = 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy kỵ khí xảy ra tốt

2.3.3 Lợi ích của công nghệ biogas

a) Tạo ra nguồn năng lượng

Quá trình tạo ra nguồn năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm khí của các chất thải hữu cơ là lợi ích cao nhất của công nghệ biogas Thực tiễn sản xuất biogas trong khu vực nông thôn có một số thuận lợi như bù đắp nhiên liệu, than , dầu,

gỗ và các vấn đề liên quan đến việc quản lý và hệ thống mạng lưới phân phối năng lượng Lượng chất thải hữu cơ cần thiết cho quá trình sản xuất biogas thì dồi dào Giảm nhu cầu sử dụng gỗ trong rừng và những nổ lực trồng cây rừng trong tương lai

b) Ổn định chất thải

Các phản ứng sinh học xuất hiện trong quá trình phân hủy yếm khí sẽ làm giảm nồng độ của các chất hữu cơ từ 30 - 60% và ổn định bùn có thể dùng để làm phân bón

và cải tạo đất

c) Cung cấp chất dinh dưỡng

Các chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong chất thải thường tồn tại dưới dạng phức chất và rất khó hấp phụ bởi cây trồng Sau khi phân hủy ít nhất 50%, N hiện diện dưới dạng ammonia hòa tan, có thể thực hiện hóa trình nitrate hóa tạo thành NO3- Vì vậy quá trình phân hủy sẽ tăng đô hữu dụng của N trong các chất hữu cơ từ 30 - 60% Hàm lượng P, K không thay đổi trong quá trình phân hủy Quá trình phân hủy không phân hủy hay dịch chuyển bất cứ thành phần nào trong các dạng dinh dưỡng của chất thải đô thị và trong các trại và làm cho nó hữu dụng thích hợp cho việc hấp thụ của cây trồng Bùn lắng từ quá trình phân hủy được xem như là chất làm ổn định và cải tạo đặc

d) Ức chế hoạt tính của mầm bệnh

Trong thời gian ủ phân yếm khí chất thải được phân hủy trong thời gian khoảng

15 - 50 ngày, nhiệt độ 35oC Những điều kiện này thích hợp cho việc ức chế một số mầm bệnh như là vi khuẩn, virus, động vật nguyên sinh, trứng giun sán

Kỹ thuật biogas có một vài trở ngại Khi so sánh với các giải pháp lựa chọn khác như là ủ phân compost thì các yếu tố như là ổn định chất thải và ức chế mầm bệnh thì phương pháp ủ phân compost tốt hơn nhiều Một giới hạn khác bao gồm chi phí cao, sản phẩm biogas biến đổi theo mùa, cũng như các vấn đề như là vận hành và bảo trì Bởi vì việc ức chế mầm bệnh trong phân hủy yếm khí không hoàn chỉnh và bùn hình thành từ quá trình phân hủy tồn tại dưới dạng dung dịch, do đó cần lưu ý khi lưu trữ và sử dụng lại bùn từ quá trình phân hủy Có lẻ đây là lý do làm cho việc sử dụng bùn từ các hầm tự hoại bị hạn chế

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Vật liệu nghiên cứu

 Bùn thải sinh học:

Mẫu bùn thải được thu nhận tại nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng, TP Hồ Chí Minh (Ấp 5 – Xã Bình Hưng – Huyện Bình Chánh) Nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng: nước thải sinh hoạt ở địa bàn các quận 1, một phần quận 3, 5, 10, 11 nằm trong lưu vực kênh Tàu Hủ - Bến Nghé - kênh Đôi - kênh Tẻ sẽ được thu gom qua một hệ thống cống thu nước thải riêng, hoàn toàn tách biệt với hệ thống thoát nước mưa hiện nay Nước thải sẽ được thu gom qua tuyến cống bao dài gần 6.600 m chạy dọc theo đường Tôn Đức Thắng - Hàm Nghi - Trần Hưng Đạo - Trần Tuấn Khải và đi ngầm xuống kênh Tàu Hủ qua khu Đồng Diều, quận 8 về trạm bơm Đồng Diều Từ đây, nước thải được bơm về nhà máy để xử lý

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu bùn tại nhà máy Bình Hưng

Bể lắng sơ cấp Bể sục khí Bể lắng thứ cấp Nước thải

Bể bùn dư (1% bùn)

Máy cô đặc ly tâm

Bể cô đặc

trọng lực

Bể bùn hỗn hợp (4% bùn)

Máy tách nước

ly tâm

Bánh bùn

(Vị trí lấy mẫu bùn thải)

 Rác thải hữu cơ:

Mẫu rác thải hữu cơ được lấy từ rác thải thực phẩm tại các hộ gia đình Thành phần chính của rác thải hữu cơ bao gồm: cơm, cá, rau, vỏ,

Mẫu rác và mẫu bùn sau khi thu thập được đem đi phân tích các thành phần tại phòng thí nghiệm môi trường

Bảng 3.1 ết quả phân tích mẫu bùn và rác hữu cơ

3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Thu thập các bài báo khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến quá trình xử

lý kỵ khí bùn thải sinh học

Tìm hiểu về nguồn gốc, thành phần, tính chất của bùn thải sinh học

Tìm hiểu vể quá trình lý kỵ khí bùn thải sinh học

Chuẩn bị nguyên vật liệu: lấy mẫu bùn, rác hữu cơ, chuẩn bị dụng cụ: bình ủ, ống đong, ống dẫn khí, cánh khấy, chậu chứa,…

Hình 3.2 Nội dung của thí nghiệm

Thu nhận mẫu bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ

Phân tích các thành phần và chỉ tiêu của mẫu

Đánh giá khả năng tạo khí sinh học, xử lý các chất dinh dưỡng từ bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ

bằng phương pháp xử lý kỵ khí

Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học,

xử lý chất dinh dưỡng của hỗn hợp bùn thải sinh học

và rác thải hữu cơ bằng phương pháp đồng xử lý kỵ khí

Thí nghiệm theo mẻ:

Nghiên cứu và đánh giá

khả năng tạo khí sinh

học, xử lý chất dinh

dưỡng khi thay đổi tỷ lệ

phối trộn nguyên liệu

Thí nghiệm liên tục: Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học, xử lý chất dinh dưỡng khi thay đổi tải trọng ô nhiễm

Thu mẫu hỗn hợp bùn thải sinh học và rác

thải hữu cơ sau xử lý Thu khí biogas

Phân tích các chỉ tiêu: COD, TS, VS, Tổng

nito, Tổng phosphor, VFAs

So sánh kết quả và kết luận Phân tích thành phần và

thể tích biogas

sẽ pha thành 1 ml dung dịch, 0,5 g rác sẽ pha thành 1 ml dung dịch

Sau khi trộn thành hỗn hợp bùn và rác, tiến hành điều chỉnh pH của hỗn hợp bằng cách cho thêm NaOH hoặc H2SO4, pH ở đây được điều chỉnh về 7,5 Cho hỗn hợp vào các bình thí nghiệm đậy nắp chặt, dùng khí Nitơ để đẩy hết khí Oxy còn trong bình ra ngoài, sau đó lắp vào mô hình như hình 3.6 mục 3.3 Khí nitơ dùng để cấp khí lấy từ bình nitơ lỏng

Hằng ngày, lấy mẫu bùn từ ống xả để tiến hành đo pH, ghi lại thể tích khí biogas sinh ra ở ống thu khí (bằng với thể tích nước bị đẩy ra khỏi ống đong), tiến hành thay cột nước lắp lại vào mô hình Sau đó lượng bùn được lấy ra sẽ được thêm NaOH,

H2SO4 đề điều chỉnh pH và cho vào lại trong bình thí nghiệm, khuấy trộn đều hỗn hợp Lượng hóa chất cho vào bình thí nghiệm sao cho pH trong bình thí nghiệm là khoảng 7,5 ± 0,3

Cứ 3 ngày sẽ lấy một ít bùn đem phân tích các chỉ tiêu COD, TN, TP, TS, VS,

Hình 3.3 Quy trình thí nghiệm theo mẻ

Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm theo mẻ

 Thí nghiệm liên tục:

Dựa trên kết quả thí nghiệm từ thí nghiệm theo mẻ, tiến hành chọn ra tỉ lệ phối trộn giữa bùn và rác cho năng suất sinh khí biogas cao, ổn định và khả năng xử lý chất dinh dưỡng cao để tiến hành thí nghiệm liên tục Từ kết quả thu được của thí nghiệm theo mẻ mục 4.1, chọn bình thí nghiệm S50 để tiến hành thí nghiệm liên tục và bình S100 làm bình đối chứng

Rác hữu cơ

Phối trộn, điều chỉnh tỉ lệ

Lấy mẫu bùn

tích (3 ngày/lần) Bùn thải tách nước

Sục khí Nito