Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp bằng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn thủy phân bằng kiềm hóa và methane hóa

Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí Bảng 2.1 Thành phần, tính chất bùn thải từ trạm xử lý nước thải tập trung KCX Linh Trung 1 Bảng 2.2: Bảng quy hoạch thực

KHOA MÔI TRƯỜNG -o0o -

NGUYỄN HÙNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN SINH HỌC TỪ TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ HAI GIAI ĐOẠN: THỦY PHÂN

BẰNG KIỀM HÓA VÀ METHANE HÓA

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường

Mã số : 60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HCM, Tháng 01/201

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét1: ………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

Luận văn Thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng…….năm……

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HÙNG CƯỜNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01/02/1984 Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành :Công nghệ Môi trường MSHV: 02507600 Khoá (Năm trúng tuyển): 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN SINH HỌC TỪ TRẠM

XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ HAI GIAI ĐOẠN: THỦY PHÂN BẰNG KIỀM HÓA VÀ METHANE HÓA

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Nghiên cứu tổng quan quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học

• Nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa để nâng cao hiệu quả xử lý bùn thải

• Đề xuất quy trình xử lý

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Phước

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

QL CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng kính gửi sự biết ơn và lòng cảm tạ sâu sắc đến:

– Công ơn sinh thành và dưỡng dục của cha mẹ

– Công dạy dỗ và sự giúp đỡ tận tuỵ của Thầy Nguyễn Văn Phước, Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng trong quá trình học tập nghiên cứu, đặc biệt trong thời gian thực hiện luận văn

– Sự dìu dắt, hướng dẫn của tập thể Thầy, Cô thuộc bộ môn Kỹ thuật Môi trường nói riêng và Thầy, Cô khoa Môi trường nói chung

– Sự quan tâm và giúp đỡ ân cần của bạn bè, đồng nghiệp, cơ quan tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

– Sự hỗ trợ của Ths Đặng Diệp Yến Nga và các bạn sinh viên khóa 2007, khóa

2008 trong quá trình thực hiện nghiên cứu

– Tất cả Cô, Chú, Anh, Chị, những người mà tôi đã từng gặp, những người mà tôi không thể liệt kê hết ở đây, đã giúp đỡ, chỉ bảo cho tôi những kinh nghiệm quý báu

Trong sự cố gắng và nổ lực của bản thân, do sự hạn chế về trình độ cũng như kinh nghiệm và cùng nhiều nguyên nhân khách quan khác, luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm Kính mong sự chỉ dẫn của quý thầy cô góp

ý và sửa chữa để đề tài được hoàn thiện hơn

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2011

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học, bùn thải sẽ bị thủy phân, acid hóa trong giai đoạn chính thứ nhất và hình thành khí methane trong giai đoạn kế tiếp Để tăng lượng khí methane sinh ra, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào việc tăng khả năng thủy phân của bùn thải sinh học

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát mức pH và thời gian phản ứng tối ưu cho quá trình tiền xử lý bùn thải bằng NaOH và Ca(OH)2 Kết quả cho thấy, khi tiền xử lý bùn thải sinh học ở mức pH=10 trong 16 giờ bằng NaOH 5% cho lượng khí methane sinh ra tốt nhất (412ml CH4/g VS) Thời gian phân hủy kỵ khí (thủy phân, acid hóa, methane hóa) là khoảng 9.7 ngày

ABSTRACT

During waste activated sludge anaerobic digestion, sludge is usually hydrolyzed and acidified in first stage, then methane is produced in second stage To get more methane from sludge, most studies in literature focused on the increase of sludge hydrolysis

In this paper, optimum pH and reaction time when sludge pretreatment with NaOH and Ca(OH)2 were investigated Retreating sludge at pH 10 for 16 hours with NaOH 5% will produced optimum methane yield ((412ml CH4/g VS) Nevertheless, its total time involved in two stage (hydrolysis, acidification and methanogenesis) was 9.7 days

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9

MỞ ĐẦU 10

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 10

2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 11

2.1 Mục tiêu của luận văn 11

2.2 Nội dung của luận văn 11

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 12

3.1 Phương pháp 12

3.2 Phạm vi nghiên cứu 12

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 13

4.1 Ý nghĩa khoa học 13

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 13

4.3 Tính mới của đề tài 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙN THẢI SINH HỌC, CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI, QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÙN THẢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ GẦN ĐÂY 14

1.1 BÙN THẢI SINH HỌC VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG 14

1.1.1 Nguồn gốc bùn thải sinh học 14

1.1.2 Tác động môi trường của bùn thải sinh học 15

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI SINH HỌC 16

1.2.1 Ép bùn 16

1.2.2 Ổn định bùn 16

1.2.3 Điều hòa cặn 17

1.2.4 Xử lý bằng nhiệt 18

1.2.5 Oxi hóa pha lỏng 19

1.3.1 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng nhiệt 21

1.3.2 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng sóng siêu âm 23

1.3.3 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng cơ học 24

1.3.4 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa 25

1.3.5 Cơ chế thủy phân của phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa 30

1.3.5.1 Hình dạng và đặc điểm cấu tạo của vi sinh vật 30

1.3.5.1.1 Vỏ nhày (caspule) 30

1.3.5.1.2 Thành tế bào (cell wall) 31

1.3.5.1.3 Màng tế bào chất (màng cytoplasme) 33

1.3.5.1.4 Chất nguyên sinh (Cytoplasma) 33

1.3.5.1.5 Các chất dự trữ và các thể ẩn nhập trong tế bào 34

1.3.5.1.6 Nhân của tế bào vi khuẩn 34

1.3.5.1.7 Tiêm mao và sự di động (flagella) 34

1.3.5.1.8 Bào tử và sự hình thành bào tử 35

1.3.5.2 Đặc điểm chung của tế bào 35

1.3.5.2.1 Tương tác giữa tế bào với môi trường qua màng tế bào 36

1.3.5.2.2 Sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu 37

1.3.5.2.3 Sự khuếch tán 38

1.3.5.3 Cơ chế thủy phân của phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa 38

1.3.6 Tình hình ngiên cứu trong nước 39

1.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÙN THẢI SINH HỌC 40

1.4.1 Tổng quan về quá trình kỵ khí 40

1.4.2 Động học quá trình kỵ khí 42

1.4.3.3 Ẩm độ 44

1.4.3.4 pH 44

2.4.3.5 Thời gian ủ 44

1.4.3.6 Hàm lượng chất rắn (Vật chất khô) 44

1.4.3.7 Thành phần dinh dưỡng 45

1.4.3.8 Các chất gây trở ngại quá trình lên men 45

1.4.3.9 Một số yếu tố khác 46

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 47

2.1 THIẾT BỊ - VẬT LIỆU VÀ HÓA CHẤT 47

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ đo 47

2.1.2 Hóa chất cho nghiên cứu 47

2.1.3 Tính chất của bùn thải 47

2.2 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50

2.2.1 Mô hình nghiên cứu: 50

2.2.2 Cách thức tiến hành nghiên cứu 53

2.2.3 Phương pháp phân tích 56

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

3.1 KHẢO SÁT KẾT QUẢ CỦA VIỆC TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIỀM HÓA: 58

3.1.1 Kết quả tiền xử lý bùn thải bằng NaOH 58

3.1.2 Kết quả tiền xử lý bùn thải bằng Ca(OH)2 68

3.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG KIỀM HÓA ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ HỖN HỢP SAU THỦY PHÂN 69

3.2.1 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân – VS và TS 69

phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Lượng khí methane sinh ra: 73

3.2.4 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Số lượng Fecal coliform: 76

3.2.5 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Nồng độ các kim loại trong bùn thải sinh học: 78

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 85

PHỤ LỤC A 85

1 KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH 85

PHỤ LỤC B: MỘT SỐ HÌNH ẢNH 90

CÔNG TÁC LẤY MẪU: 90

SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI LINH TRUNG 1

CÔNG SUẤT 5.000 M3/NGÀY ĐÊM 92 

Hình 1.3 Cấu tạo thành tế bào vi khuẩn

Hình 1.4 Hiện tượng khuếch tán

Hình 1.5 Sơ đồ các quá trình trong phân hủy kị khí

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mô hình nghiên cứu

Hình 2.2: Mô hình điều chỉnh pH của bùn thải

Hình 2.3 Mô hình phân hủy kỵ khí bùn thải và đo lượng khí methane sinh ra

Hình 2.4 Mô hình đo lượng khí methane sinh ra

Hình 3.1 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 4 giờ ở các mức pH

Hình 3.2 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 8 giờ ở các mức pH

Hình 3.3 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 12 giờ ở các mức pH

Hình 3.4 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 16 giờ ở các mức pH

Hình 3.5 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 20 giờ ở các mức pH

Hình 3.6 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 24 giờ ở các mức pH

Hình 3.7 Kết quả COD hòa tan (sCOD) theo thời gian ở các mức pH

Hình 3.8 Diễn biến COD hòa tan/ COD tổng (sCOD/tCOD) theo thời gian ở các mức pH

Hình 3.9 Diễn biến pH của các mẫu bùn theo thời gian thủy phân

Hình 3.10 Diễn biến chất rắn bay hơi (VS) theo thời gian ở các mức pH

Hình 3.11 Biểu đồ so sánh COD hòa tan (sCOD) giữa NaOH và Ca(OH)2 tại thời điểm 16h

Hình 3.12 Biểu đồ diễn biến chất rắn bay hơi VS theo thời gian phân hủy kỵ khí Hình 3.13 Biểu đồ diễn biến hiệu quả loại chất rắn bay hơi (% VS giảm)

Hình 3.14 Biểu đồ diễn biến tổng chất rắn (TS) theo thời gian phân hủy kỵ khí Hình 3.15 Biểu đồ COD tổng (tCOD) sau 10 ngày phân hủy kỵ khí ở các mức pH Hình 3.16 Biểu đồ thể tích tích lũy khí methane theo thời gian

Hình 3.17 Biểu đồ thành phần khí biogas tại ngày thứ 4

Hình P3 Công tác lấy mẫu

Hình P4 Mô hình đo lượng khí methane sinh ra

Hình P5 Mô hình đo lượng khí methane sinh ra và máy GCMS

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh hoạt

Bảng 1.2 Tỷ lệ C/N trong một số loại phân

Bảng 1.3 Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

Bảng 2.1 Thành phần, tính chất bùn thải từ trạm xử lý nước thải tập trung KCX Linh Trung 1

Bảng 2.2: Bảng quy hoạch thực nghiệm thí nghiệm thủy phân bùn thải

Bảng 2.3: Bảng quy hoạch thực nghiệm thí nghiệm methane hóa

Bảng 2.4: Bảng tóm tắt một số phương pháp phân tích

Bảng 3.1 Kết quả COD tổng của các mẫu sau 10 ngày phân hủy kỵ khí

Bảng 3.2 Thành phần phần trăm các khí trong biogas

Bảng 3.3 Kết quả phân tích Fecal coliform trong các mẫu bùn

Bảng 3.4 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu kim loại có trong bùn thải

Bảng P1: Kết quả COD hòa tan (sCOD – mg/L) của các mẫu bùn theo thời gian ở các mức pH

Bảng P2: Kết quả tính toán phần trăm COD hòa tan/COD tổng (%sCOD/tCOD) Bảng P3: Kết quả COD hòa tan của các mẫu bùn ở các mức pH khi được kiềm hóa bằng NaOH và Ca(OH)2 tại thời điểm 16h

Bảng P4: Kết quả hàm lượng chất rắn bay hơi (VS – g/L) của các mẫu bùn theo thời gian ở các mức pH

Bảng P5: Kết quả hàm lượng tổng chất rắn (TS – g/L) của các mẫu bùn theo thời gian ở các mức pH

Bảng P6: Kết quả diễn biến pH của các mẫu bùn theo thời gian thủy phân

Bảng P7: Kết quả hàm lượng chất rắn bay hơi (VS – g/L) của các mẫu bùn theo thời gian phân hủy kỵ khí

Bảng P8: Kết quả hàm lượng tổng chất rắn (TS – g/L) của các mẫu bùn theo thời gian phân hủy kỵ khí

Bảng P9: Kết quả theo dõi lượng khí methane sinh ra theo thời gian phân hủy kỵ khí

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên & Môi trường

F/M Food to micro organism ratio

Tỷ số thức ăn và vi sinh vật QCVN Quy chuẩn Việt nam

RNA Ribonucleic acid

sCOD Soluble chemical oxygen demand

Nhu cầu oxy hóa học hòa tan tCOD Total chemical oxygen demand

Tổng nhu cầu oxy hóa học hòa tan

TS Total Solid

Tổng chất rắn

Tp HCM Thành phố Hố Chí Minh

TKN Total Kjeldahl Nitrogen

UBKHKT Ủy ban Khoa học kỹ thuật

VS (VSS) Volatile solid/ Volatile suspended solid

Chất rắn bay hơi/ Chất rắn lơ lửng bay hơi VFA Volatile Fatty Acid

Acid béo bay hơi

và kênh rạch, từ các trạm xử lý nước sinh hoạt của thành phố, từ các khu công nghiệp tập trung, các nhà máy lớn, bể tự hoại sẽ tăng lên 2 – 2,5 triệu m³ bùn

Bùn thải sinh học là vấn đề cấp thiết do ảnh hưởng của nó đến môi trường xung quanh, gây ô nhiễm không khí và nhất là thẩm thấu làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt dẫn đến chất lượng nguồn nước bị suy giảm Do đó, đề tài nghiên cứu xử

lý bùn thải sinh học từ các trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp được đề xuất như một giải pháp cho một phần công tác quản lý bùn thải hiện nay

Bùn thải chứa nhiều thành phần khác nhau ở dạng lơ lửng và hòa tan Các thành phần nguy hại như kim loại nặng, chất ô nhiễm hữu cơ, vi khuẩn gây bệnh cần phải được xử lý trước khi thải bỏ Các thành phần hữu cơ, nitơ, photpho, kali, canxi trong bùn có giá trị nông nghiệp cao nên có thể được sử dụng để cải tạo đất, trồng rừng, làm phân bón…

Mặt khác, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hoá thạch từ xăng dầu, khí gas và than đá của xã hội hiện nay làm cho trái đất ngày càng ấm dần lên Nhu cầu thay đổi nguồn nhiên liệu, từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích như bảo vệ môi trường, phát triển kinh tế và đảm bảo an toàn năng lượng quốc gia Có nhiều nghiên cứu về tìm nguồn nhiên liệu thay thế sử dụng phương pháp sinh học vì những lợi ích tích cực về mặt môi trường mà phương pháp này mang lại

Một giải pháp tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học là sử dụng nguồn nguyên liệu từ các chất hữu cơ trong bùn thải sinh học để sản xuất biogas Biogas là

khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường kỵ khí Đây là hướng đi tích cực trong

xử lý bùn thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thu hồi biogas làm nguồn nhiên liệu phục vụ cho sản xuất

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu

“Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp bằng công nghệ phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn: thủy phân bằng kiềm hóa và methane hóa”

Các nghiên cứu trước đây cho thấy giai đoạn thủy phân các chất hữu cơ lơ lửng thành các chất hòa tan trong quá trình phân hủy kỵ khí là giai đoạn quyết định

đến toàn bộ thời gian phân hủy kỵ khí ( Eastman and Fergson, 1981) Vì vậy, việc

áp dụng một số phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học sẽ giúp phá vỡ thành tế bào vi sinh và cải thiện khả năng phân hủy của bùn thải sinh học Mục đích của giai đoạn tiền xử lý bùn thải sinh học là gây nứt gãy lớp thành tế bào, tạo điều kiện cho

tế bào chất được giải phóng dưới dạng hòa tan diễn ra nhanh hơn Một số phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học đã được nghiên cứu như: cơ học (nghiền, sóng siêu âm ); nhiệt; sinh học (thủy phan bằng enzyme); hóa học (ozone, oxy già, acid

và kiềm hóa) Trong đó, đề tài nghiên cứu này tập trung nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn sinh học bằng phương pháp kiềm hóa với NaOH và Ca(OH)2 trước khi đưa vào giai đoạn methane hóa

2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

2.1 Mục tiêu của luận văn

Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp bằng công nghệ phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn: thủy phân bằng kiềm hóa và methane hóa Áp dụng cho bùn thải sinh học tập của trạm xử lý nước thải tập trung khu chế xuất Linh Trung 1 – công suất 5000m3/ngày đêm

2.2 Nội dung của luận văn

● Nghiên cứu tổng quan quá trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học

● Nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa để nâng cao hiệu quả xử lý bùn thải:

+ Xác định ảnh hưởng của việc nâng pH đến khả năng thủy phân của bùn thải thông qua chỉ tiêu COD hòa tan (sCOD), COD tổng (tCOD) với dung dịch NaOH và Ca(OH)2

+ Khảo sát thời gian lưu của phản ứng kiềm hóa tương ứng với các mức pH khảo sát

+ Khảo sát lượng biogas thu hồi theo thời gian, thành phần khí biogas

+ Khảo sát thời gian phân hủy bùn

● Đề xuất công nghệ xử lý trong thực tế

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

3.1 Phương pháp

+ Mô hình tĩnh trong phòng thí nghiệm

+ Phương pháp phân tích sCOD, tCOD (bichromate)

+ Phương pháp phân tích chuẩn độ với các chỉ tiêu khác

+ Phương pháp sắc ký lỏng xác định thành phần khí biogas

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu xử lý bùn thải sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu chế xuất Linh Trung 1

Đề tài thực hiện nghiên cứu:

+ Xác định ảnh hưởng của việc nâng pH đến khả năng thủy phân của bùn thông qua chỉ tiêu sCOD, tCOD với dung dịch NaOH và Ca(OH)2

+ Khảo sát thời gian lưu của phản ứng kiềm hóa tương ứng với các mức pH khảo sát

+ Khảo sát lượng biogas thu hồi theo thời gian, thành phần khí biogas

+ Khảo sát thời gian phân hủy bùn

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

+ Là tiền đề cho các nghiên cứu quy mô pilot lớn và triển khai thực tế

+ Có thể áp dụng để xử lý lượng bùn thải sinh học hiện có của TPHCM

4.3 Tính mới của đề tài

+ Đưa ra giải pháp để xử lý bùn thải sinh học

+ Thu hồi biogas làm nhiên liệu phục vụ cho đời sống và sản xuất

+ Nâng cao hiệu quả thu hồi biogas từ bùn thải sinh học bằng cách tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa với dung dịch NaOH và Ca(OH)2

+ Xác định pH kiềm hóa thích hợp, thời gian lưu cho phản ứng kiềm hóa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙN THẢI SINH HỌC, CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI, QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÙN THẢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ

LÝ GẦN ĐÂY 1.1 BÙN THẢI SINH HỌC VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG

1.1.1 Nguồn gốc bùn thải sinh học

Trong quá trình xử lý nước, các thành phần ô nhiễm được giữ lại, còn nước đã

xử lý thì được cho ra môi trường Các thành phần bị giữ lại có thể được chia ra thành các nhóm sau:

+ Các hạt sa lắng tự nhiên hoặc từ quá trình xử lý hóa lý

+ Sinh khối dư thừa của vi sinh vật từ quá trình xử lý chất hữu cơ hòa tan

+ Các chất khoáng không phân hủy sinh học

Tất cả các sản phẩm này lơ lửng ở trạng thái lỏng tập trung nhiều hay ít được gọi là bùn Còn trong tự nhiên, bùn thường là thành phần sa lắng ở đáy ao, sông, hồ…bao gồm các hạt sét, phù sa, bông cặn…có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ

Có nhiều loại bùn khác nhau:

+ Bùn sơ cấp: là bùn từ quá trình lắng Vì thế có thể dễ dàng gạn lắng các hạt lơ lửng, các hạt lớn hoặc dày đặc Có thành phần vi sinh thấp (khoảng 55 – 60%) và khả năng khử nước tốt Loại bùn này dễ dàng đưa vào máy li tâm tách nước Nhưng nhược điểm là rất dễ lên men

+ Bùn sinh học: là loại bùn từ quá trình xử lý sinh học nước thải Là hỗn hợp của các sinh khối vi sinh vật Những vi sinh vật này, chủ yếu là vi khuẩn, trộn lẫn trong các hạt bông vi khuẩn khi đi qua giai đoạn châm polymer vào bùn Bộ phận thu gạn cặn trong bể lắng dễ dàng tách các hạt bông vi khuẩn khỏi nước đã xử lý Một phần bùn sẽ được cho tách nước, phần bùn dư sẽ được cho tuần hoàn để duy trì sinh khối trong bể Loại bùn này có tính chất chính sau: thành phần vi sinh cao (70 – 80%); hàm lượng chất rắn thấp (7 – 10g/L); khả năng tách nước trung bình, phụ thuộc vào

vi sinh, khi vi sinh cao thì khó tách nước khỏi bùn

+ Bùn hỗn hợp: là hỗn hợp của bùn sơ cấp và bùn sinh học Tỉ lệ pha trộn thường là:

35 – 45% bùn sơ cấp, 65 – 55% bùn sinh học Sự pha trộn cho phép khả năng tách nước tốt hơn, và tính chất của bùn là tính chất giữa cả hai loại bùn

+ Bùn bị phân hủy: là loại bùn từ giai đoạn ổn định bùn của quá trình phân hủy bùn Quá trình phân hủy được thực hiện với cả bùn sinh học hay bùn hỗn hợp Được thực hiện ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau (mesophilic và thermophilic) mà không có

sự hiện diện của oxy Tính chất loại bùn này là: hàm lượng VS thấp (khoảng 50%), hàm lượng chất rắn khoảng 20 – 40g/L, khả năng khử nước tốt

Ngoài ra còn có các loại bùn khác như: bùn hóa lý, bùn khoáng…

1.1.2 Tác động môi trường của bùn thải sinh học

Hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn quy định phân loại thế nào là bùn thải sinh học, bùn thải công nghiệp, hay bùn thải nguy hại Trên thực tế, việc không thực hiện phân loại xử lý bùn thải đã khiến tổng lượng bùn thải phát sinh trong sản xuất công nghiệp cần được xử lý như bùn có chất thải nguy hại đã vượt xa năng lực xử lý của các đơn vị có chức năng Hậu quả là những đơn vị này đã mang chất thải nguy hại đổ phát tán khắp nơi, khiến cho môi trường sống của cộng đồng dân cư, nguồn nước ngầm, nước mặt, đều có nguy cơ bị nhiễm chất thải nguy hại Bùn thải là một môi trường yếm khí, do vậy là nơi phát sinh các khí độc như H2S, CH4, NH3…gây khó chịu cho con người và có thể gây độc cho các loài thủy sinh vật sống trong nguồn nước Mặt khác do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ sẽ làm cho các hợp chất nitơ và phosphor khuếch tán trở lại trong nước, sự gia tăng nồng độ các chất dinh dưỡng này trong nước có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa Hơn nữa, với tính độc hại cao của kim loại nặng trong thành phần chất thải như: Cr(VI), Ni,

Zn, Pb, Hg…dễ dàng xâm nhập vào môi trường đất, nước mặt, nước ngầm và dễ tích tụ vào cơ thể các sinh vật Nếu quản lý lượng chất thải không hiệu quả thì người dân đô thị và những sinh vật trong môi trường khi tiếp xúc với nguồn chất thải sẽ gây ra những hậu quả lớn

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI SINH HỌC

1.2.1 Ép bùn

Ép cặn liên quan đến việc tách ẩm tự do và là giai đoạn cần thiết của tất cả các

sơ đồ công nghệ xử lí cặn Khi ép trung bình tách được 60% ẩm và khối lượng cặn giảm 2,5 lần Độ ẩm của bùn hoạt tính là 99,2 – 99,5% Các hạt bùn lơ lửng có kích thước không lớn và có đám mây hydrate dày đặc, làm cản trở sự ép cặn

Để ép cặn người ta sử dụng các phương pháp trọng lực, tuyển nổi, li tâm và rung Phương pháp ép cặn bằng trọng lực là phổ biến nhất và được áp dụng để ép bùn hoạt tính cũng như cặn lên men Phương pháp này dựa trên sự lắng của các hạt

lơ lửng cao trong nước được tách và độ ẩm cặn ép lớn, do đó làm cho việc xử lý tiếp theo trở nên tốn kém Để thúc đẩy quá trình, người ta sử dụng: chất đông tụ cặn (ví dụ xử lý cặn bằng chlorua sắt); khuấy trộn; ép chung cặn ướt từ bể lắng chính và bùn hoạt tính; phương pháp nhiệt – trọng lực, dựa trên sự đun nóng bùn lỏng Khi

đó, đám mây hydrate bao quanh hạt bùn hoạt tính bị phá vỡ, một phần nước liên kết chuyển thành tự do và quá trình ép tốt hơn Nhiệt độ nung nóng tối ưu là 80 – 90oC Phương pháp tuyển nổi để ép cặn dựa trên sự kết dính hạt bùn hoạt tính với bọt không khí và nổi lên bể mặt cùng với nó Để tạo bọt không khí có thể áp dụng phương pháp tuyển nổi áp suất, tuyển nổi chân không, tuyển nổi điện và tuyển nổi sinh học (nhờ sự phát triển và hoạt động sống của vi sinh vật khi đun nóng cặn đến

35 – 55oC) Ưu điểm của phương pháp này là giảm thời gian thực hiện quá trình và mức độ ép cao hơn

Phổ biến nhất trong thực tế là tuyển nổi áp suất Theo phương pháp này, người

ta cho vào cặn bùn hoạt tính một lượng nước xác định, đã được bão hòa không khí dưới áp suất đến 0,4 Mpa Khi giảm áp suất, không khí hòa tan tách ra ở dạng các bọt khí nhỏ li ti

1.2.2 Ổn định bùn

Quá trình này được tiến hành để phân hủy sinh học phần chất hữu cơ phân rã thành CO2, CH4 và H2O Ổn định được tiến hành nhờ các vi sinh vật trong các điều kiện hiếu khí và kị khí Sự lên men thường được tiến hành trong bể methane

Độ ẩm cao và nồng độ protit lớn trong bùn hoạt tính làm cho chất lượng khí thấp trong lên men yếm khí Vì vậy, trong bể methane lên men cặn ướt từ bể lắng chính

có lợi hơn, còn bùn hoạt tính nên cho ổn định hiếu khí Ổn định hiếu khí là xử lí bùn lâu trong công trình thông gió với sự sục khí bằng cơ học hay khí động học Kết quả của việc xử lí này là phần lớn chất hữu cơ bị phân rã sinh học phân hủy thành: CO2,

CH4 và NH3 Tiêu hao không khí cho quá trình ổn định cặn gần bằng 0,7 kg/kg chất hữu cơ

Ổn định cặn hiếu khí còn có thể được thực hiện cho hỗn hợp cặn của bể lắng chính và bùn hoạt tính dư Hiệu quả của quá trình ổn định hiếu khí phụ thuộc vào thời gian, cường độ thông khí, nhiệt độ, thành phần và tính chất của cặn bị oxi hóa

Sự phân hủy các tế bào vi sinh vật trong bùn diễn ra theo phản ứng:

C H NO5 7 2+5O2→5CO2 +2H O NH2 + 3

Sau đó, NH3 bị oxi hóa đến NO3-…Nhược điểm của quá trình so với sự lên men là chi phí lớn cho sự thông khí Năng suất tối đa của thiết bị ổn định hiếu khí không lớn hơn 80,000 – 100,000 m3/ngày đêm

Thời gian ổn định bùn hoạt tính chưa ép là 7 – 10 ngày đêm, lưu lượng riêng phần của thông khí 1 m3/m3.h Đối với hỗn hợp cặn mới – thời gian ổn định 10 – 12 ngày đêm, còn lượng không khí cần dùng là 1.2 – 1.5 m3/m3.h

1.2.3 Điều hòa cặn

Là quá trình chuẩn bị trước khi khử nước hoặc tái sử dụng, nó được tiến hành

để giảm trợ lực riêng phần và làm tăng tính nhả nước của cặn nhờ sự thay đổi cấu trúc và hình thức liên kết của nước Năng suất của thiết bị khử nước, độ sạch của nước được tách ra và độ ẩm của cặn được tiến hành theo phương thức tác chất và không tác chất

Trong xử lí cặn bằng tác chất diễn ra sự đông tụ - quá trình kết dính các hạt phân tán cao và các hạt keo Sự hình thành các bông lớn cùng với sự phá vỡ các đám mây nước và sự thay đổi hình thức liên kết nước thúc đẩy sự thay đổi cấu trúc cặn và tăng khả năng nhả nước của nó Chất đông tụ được dùng là các muối sắt, nhôm: FeSO4, Fe2(SO4)3, FeCl3, Al2(SO4)3 và đá vôi Các muối này được cho vào

cặn dưới dạng dung dịch 10% Cũng có thể sử dụng phế thải chứa FeCl3,

Al2(SO4)3…Hiệu quả nhất là áp dụng FeCl3 cùng với đá vôi Liều lượng FeCl3 là 5 – 8%, đá vôi 15 – 30% khối lượng chất khô trong cặn Nhược điểm của xử lí bằng hóa chất là giá thành cao, ăn mòn hóa học vật liệu, khó vận chuyển và lưu trữ cũng như khó định lượng tác chất

Thay cho chất đông tụ có thể sử dụng chất keo tụ Đối với cặn có nồng độ hữu

cơ cao (độ tro 25 – 30%) nên sử dụng chất keo tụ cation, đối với cặn có độ tro 55 – 85% nên kết hợp chất keo tụ cation và anion; đối với cặn có độ tro 65 – 70% nên dùng chất keo tụ anion

Trên thực tế, người ta sử dụng rộng rãi polyacrylamit Chất keo tụ được cho vào cặn dưới dạng dung dịch 0,01 – 0,5% Lượng chất keo tụ trong khử nước bằng phương pháp lọc là 0,2 – 1,5%, còn bằng li tâm là 0,15 – 0,4% (theo chất khô) Tiêu hao chất keo tụ ít hơn đáng kể, nên giá thành xử lí giảm gần 30%

Phương pháp xử lý không dùng tác chất là xử lí bằng nhiệt, đóng băng kết hợp với lắng, oxi hóa pha lỏng, đông tụ bằng điện và bức xạ nhiệt

1.2.4 Xử lý bằng nhiệt

Xử lý bằng nhiệt có thể sử dụng phương pháp đốt, đun cặn và đóng băng: Một trong những phương pháp là sử dụng bùn như nguyên liệu để đốt khi không thể tận dụng được nó cũng như không có điều kiện lưu trữ nó, các thành phần hữu cơ ô nhiễm hoàn toàn biến mất bởi quá trình oxi hóa ở nhiệt độ cao Bước khử nước đầu tiên là cần thiết để xử lý ban đầu nhằm giảm chi phí năng lượng cho quá trình đốt Quá trình đốt đặc biệt phù hợp với các loại bùn có chứa thành phần hữu cơ dễ cháy hoặc các loại bùn bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ độc hại như PAHs, PCBs, thuốc diệt sâu bọ, dioxin và hợp chất clo hữu cơ Trong quá trình đốt, nếu bùn chứa hợp chất chlorine hữu cơ cần kiểm soát sự thoát ra của các chất hữu cơ độc hại ra môi trường không khí Kim loại nặng được cố định trong bùn bởi vi sinh vật, ngoại trừ bùn chứa Hg hay các kim loại As, Mo và V dễ dàng thoát ra ngoài

Hg, As và Cd và những hợp chất có thể hóa hơi ở nhiệt độ 800oC với hệ thống kiểm soát ô nhiễm không khí Một số kim loại vẫn còn tồn tại trong chất rắn và có

thể được chôn lấp Nhiệt độ thấp hơn vào khoảng 500oC sẽ không đủ để phá hủy hết các thành phần hữu cơ và kim loại Lò nung thùng quay là thiết bị chính dùng để xử

lý bùn bằng phương pháp này Nhược điểm của phương pháp này là tạo ra một dòng chất ô nhiễm khác và cần thiết phải xây dựng hệ thống xử lý các loại bùn này Tuy nhiên, có rất nhiều vấn đề phát sinh từ quá trình xử lý bùn thải Thông thường các thiết bị thường không có kích cỡ đủ lớn để xử lý lượng bùn này cũng như độ ẩm có trong bùn cũng không phù hợp với hoạt động của các thiết bị trên

Ngoài ra có thể đun cặn trong nồi hơi đến 170 – 200oC trong 1h Trong thời gian này cấu trúc keo của cặn bị phá vỡ, một phần chuyển vào dung dịch, phần còn lại dễ ép và lọc Mức độ phân ra chất hữu cơ phụ thuộc vào dạng cặn và nhiệt độ Phương pháp phân hủy đóng băng và lắng được ứng dụng hạn chế Bản chất của nó là khi đóng băng phần ẩm liên kết s4 chuyển thành tự do, diễn ra sự đông tụ các hạt cặn và giảm trở lực Khi lắng, cặn tạo thành cấu trúc hạt, khả năng nhả ẩm của nó tăng Đóng băng được thực hiện ở nhiệt độ -5oC – -10oC trong vòng 50 –

120 phút

1.2.5 Oxi hóa pha lỏng

Bản chất của phương pháp là oxi hóa phần hữu cơ của cặn bằng oxi không khí

ở nhiệt độ cao và áp suất cao Hỗn hợp cặn mới và bùn hoạt tính được đun nóng đến

45 – 50oC Sau đó, cặn qua thiết bị truyền nhiệt, đi vào thiết bị phản ứng Từ thiết bị phản ứng, hỗn hợp sản phẩm oxi hóa, không khí và tro đi qua thiết bị truyền nhiệt, quay trở lại bể chứa, rồi sau đó được ép và khử nước Khi xử lý cặn độ ẩm 96% nhiệt sinh ra đủ để giữ chế độ làm việc Khi tách ra trong thiết bị phân riêng được

sử dụng trong máy tái sinh

1.2.6 Khử nước của cặn

Cặn được khử nước trên các bãi bùn và bằng phương pháp cơ học Các bãi bùn – đó là khoảng đất mà các phía được bao quanh bởi các mô đất Nếu đất lọc nước tốt và nước ngầm ở độ sâu lớn, thì bãi bùn được thiết lập trên đất tự nhiên Nếu nước ngầm ở độ sâu dưới 1,5m thì nước lọc phải được thoát qua các ống dẫn hoặc

phải làm nền nhân tạo Chiều sâu của bãi bùn 0,7 – 1m phụ thuộc vào đặc tính đất

và điều kiện khí hậu Nước bùn sau ép được đưa đi xử lí

Các bãi ép bùn được xây dựng đến độ sâu 2m với đáy và thành không thấm nước Nguyên lí hoạt động dựa trên sự phân lớp của cặn khi lắng Chất lỏng được lấy ra theo chu kỳ từ các độ sâu khác nhau trên lớp bùn, còn cặn được lấy ra bằng máy

Khử nước của cặn bằng cơ khí được tiến hành trên máy lọc chân không, lọc tấm, lọc ép, lọc li tâm và lọc nung Máy lọc chân không có thể loại 80%, máy đĩa lọc 90% và lọc ép có thể loại 98% lượng ẩm liên kết cơ học

Để tăng hiệu quả khử nước, cặn được xử lí bằng tác chất hóa học (CaO, FeCl3) Liều lượng tác chất xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào trở lực cặn: trở lực càng lớn tác chất càng cần nhiều để giảm trở lực của cặn Khi khử nước trên máy lọc chân không liều lượng CaO (% khối lượng chất khô của cặn) được xác định theo công thức:

Liều lượng FeCl3 là 30 – 40% liều lượng CaO tính theo công thức trên

Cặn từ bể chứa bùn nhờ bơm qua ống định lượng cho vào máy lọc cùng tác chất Trên bề mặt trống quay cặn ép tạo thành được tách ra bằng không khí nén Nước vào máy phân riêng để tách không khí Nước lọc chứa cặn từ 50 – 1000mg/L được trộn với nước thải ban đầu và chịu xử lí chung Vải lọc được phục hồi bằng không khí nén

Khử nước trên máy li tâm có ưu điểm là đơn giản, kinh tế, độ ẩm của cặn thấp,

dễ điều khiển Để khử cặn sử dụng máy li tâm vít tải, năng suất khi xử lí cặn của bể lắng chính là 8 – 30 m3/h, còn cặn lên men là 12 – 40 m3/h Độ ẩm của cặn sau khử

phụ thuộc vào độ tro của bùn hoạt tính Ví dụ khi độ tro của bùn hoạt tính là 28 – 35% thì độ ẩm của cặn là 70 – 80%, độ tro 38 – 42% thì độ ẩm của cặn là 44 – 47%,

độ tro 65 – 75% thì độ ẩm cặn là 50 – 70%

1.3 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI SINH HỌC

1.3.1 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng nhiệt

Bùn thải được xử lý nhiệt độ cao dưới điều kiện áp suất cao là một phương pháp có hiệu quả cho việc phân hủy tế bào nhằm giảm thời gian của quá trình thủy

phân Brook, (1970) đã sớm cung cấp một trong những tài liệu tham khảo của việc

xử lý bằng nhiệt cho bùn nước thải sinh hoạt nhằm tăng cường khả năng xử lý kỵ khí sau đó Gần đây, những thí nghiệm với bùn thải từ ngành công nghiệp thực phẩm dưới nhiệt độ vừa phải (50 – 90oC) cho thấy hiệu quả hòa tan nhưng kéo dài

số lần tiếp xúc (10%) (Vlyssides and Karlis, 2004) Những thí nghiệm được thực

hiện với việc có và không có thêm chất kiềm, được đề nghị để làm cho thành tế bào

dễ phá vỡ hơn Trong nghiên cứu này, bùn thải từ công nghiệp thực phẩm được xử dụng cho các thí nghiệm BMP, đã phát hiện rằng tiền xử lý ở 90oC (pH = 11) có thể giảm 46% VSS và tăng sản phẩm methane lên 0,28 L/kg VSS

Hầu hết các điều tra liên quan đến việc tiền xử lý nhiệt bằng cách cho tiếp xúc nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ 150 – 200oC Jolis và cộng sự (2004) đã phát hiện

việc thủy phân nhiệt của bùn thải từ lắng sơ cấp và thứ cấp ở 270oC (trong 25 phút) cho phép tải lượng hữu cơ cao hơn và tăng khả năng phân hủy VS và tạo sản phẩm

khí Ferrer và cộng sự (2006) đã phát hiện rằng việc tiền xử lý nhiệt độ thấp có

nhiều thuận lợi so với tiền xử lý nhiệt độ cao, theo quan điểm của sản phẩm khí từ phân hủy kị khí mesophilic Trong nghiên cứu của họ, bùn từ nước thải thành thị được đưa vào điều kiện 110 – 134oC (trong 20 – 90 phút) và 70oC (trong 9h – 72h) trước khi cho phân hủy kị khí mesophilic Ngoài ra một số mẫu bùn cho xử lý trong điều kiện sóng siêu âm (300W ở 20kHz) và sóng radio (800W ở 2450MHz) để so sánh với xử lý nhiệt Tất cả các phương pháp tiền xử lý đều tăng hàm lượng hữu cơ

hòa tan của bùn, chỉ có xử lý ở nhiệt độ thấp cho thấy ảnh hưởng tích cực của việc sản sinh biogas

Valo và cộng sự (2004) phát hiện rằng mức độ hòa tan của bùn thải trong suốt

quá trình thủy phân nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ tiền xử lý COD hòa tan tăng 25%, 44% và 60% tương ứng với nhiệt độ 130oC, 150oC và 170oC Thời gian tiền xử lý

có tác dụng không lớn đến khả năng hòa tan COD, chỉ cần 15 phút là đã đạt được mức độ hòa tan cần thiết thay vì 60 phút như trong thí nghiệm Có 2 kịch bản tối ưu

đã được xác định là tiền xử lý ở 170oC trong 15 phút với pH trung tính (độ hòa tan 80%) và tiền xử lý ở 130oC trong 15 phút với pH = 10 (độ hòa tan là 60%) Các mô hình kị khí mesophilic được nhập liệu liên tục để đánh giá 2 điều kiện tiền xử lý tối

ưu Hệ thống kị khí với tiền xử lý ở 170oC đã làm giảm tCOD (71%) và TS (59%) hơn hệ thống kị khí có kiềm hóa ở 130oC (tương ứng là 60% và 36%); tuy nhiên, cả

2 đều cao hơn việc khử tCOD (44%) và TS (27%) được tìm thấy ở hệ thống kị khí mesophilic thông thường, mà tiếp nhận bùn thải đã được tiền xử lý Các nghiên cứu

đã kết luận rằng tiền xử lý với nhiệt độ cao có nhiều thuận lợi hơn tiền xử lý ở nhiệt

độ thấp có kiềm hóa nhưng gây tốn kém chi phí và tạo kết tủa chất rắn

Trái với kết luận của Valo và cộng sự (2004), Tanaka và cộng sự (1997) đã

chứng minh rằng tiền xử lý nhiệt có kiềm hóa tạo nhiều thuận lợi cho độ hòa tan VSS và sản sinh khí methane Họ đánh giá 2 loại mẫu bùn thải, bùn thải đô thị cũng như bùn thải từ hệ thống bùn hoạt tính xử lý kết hợp nước thải công nghiệp và đô thị Sau khi tiền xử lý, các chai serum được cho ủ ở 37oC trong 20 ngày ở tỉ số F/M (VSS bùn thải/VSS giống) vào khoảng 0,45 – 0,5 Các kiểm tra ban đầu là liều lượng kiềm 0,05 – 1,5 g/gVSS, nhiệt độ từ 115 – 180oC và thời gian tiếp xúc là 15 –

200 phút Với bùn thải đô thị/công nghiệp, liều lượng xút là 0,3 g/gVSS ở 130oC trong 5 phút là cho kết quả tốt nhất, tăng sản lượng khí lên 2,2 lần Độ hòa tan tăng lên đáng kể khi thời gian tiếp xúc dài hơn 5 phút Độ hòa tan của bùn thải đô thị/công nghiệp là 50% so với của bùn thải đô thị Quá trình phân hủy kị khí sau đó cho kết quả là việc sản sinh khí methane tăng 2,06 lần khi bùn thải được tiền xử lý bằng nhiệt so với bùn thải không được tiền xử lý sinh ra 12,8 mL CH4/gVSS.ngày

Gavala và cộng sự (2003) đã báo cáo rằng nhiệt độ và thời gian tiền xử lý

nhiệt cần thiết để đạt độ hòa tan có thể chấp nhận phụ thuộc vào trạng thái của bùn, đặc biệt, phụ thuộc vào tỉ số bùn thứ cấp/sơ cấp Quá trình thủy phân bùn sinh học càng khó, thì cường độ tiền xử lý càng phải đạt đến độ hòa tan thích hợp

Tiền xử lý bùn thải có thể tăng lượng methane ở cả quá trình phân hủy kị khí mesophilic (43 – 145%) và thermophilic (4 – 58%) Phân hủy thermophilic có hiệu quả hơn ở việc giảm VS và sinh khí methane so với phân hủy mesophilic

Lợi ích của việc hòa tan bùn đối với xử lý kị khí gồm 2 phần: thứ nhất, tăng đáng kể lượng cơ chất hòa tan nhằm làm tạo ra nhiều VFA cho việc sinh khí sau này trong quá trình phân hủy kị khí; thứ hai, tiền xử lý làm giảm độ nhớt của bùn, cho phép lượng chất rắn lớn hơn đi vào mô hình kị khí Nguồn cấp liệu lớn hơn vừa tăng thời gian phân hủy trong mô hình hiện tại vừa cho phép thể tích mô hình nhỏ hơn

1.3.2 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng sóng siêu âm

Sự phân rã bùn có thể tạo bằng cách cho tiếp xúc với sóng âm tần số cao được tạo bởi máy tạo rung động, thường là kèn Sự phá hủy thành tế bào xảy ra khi áp lực cục bộ trong pha lỏng giảm thấp hơn áp lực bốc hơi, kết quả là hình thành các bong bóng khí Các bong bóng nhỏ dễ hình thành và biến mất nhanh gây ra áp lực và nhiệt độ cao cục bộ trong pha lỏng, giải phóng vật chất trong lượng lớn dung dịch Như vậy, sóng siêu âm tạo ra các lực cắt thông qua sự hình thành các bong bóng nước Dụng cụ tạo sóng siêu âm cường độ cao giữa 20 – 40kHz cũng thông dụng để tạo sóng tần số cao Các yếu tố như độ nhớt, áp lực xung quanh, chất rắn, và nồng

độ khí hòa tan có thể ảnh hưởng đến mức độ rỗng tạo bởi quá trình sonication (De Silva, 2005; Roxburgh và cộng sự, 2005) Việc sử dụng bùn đã qua sử lý bằng sóng

âm đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm và mô hình xử lý nước thải đô thị

(Muller và cộng sự, 2005; Sandino và cộng sự, 2005; Xie và cộng sự, 2005) Tuy

nhiên lại có rất ít thông tin về việc phân hủy bùn thải từ xử lý nước thải công

nghiệp Theo nghiên cứu của Rai và cộng sự (2004) phát hiện rằng việc xử lý bằng

sóng âm có ảnh hưởng đến việc hòa tan bùn từ nước thải thuộc da

Khanal và cộng sự (2006) chỉ ra rằng thành phần chất rắn của bùn và đầu vào

năng lượng có ảnh hưởng lớn đến khả năng phân hủy, sóng siêu âm cần có mức năng lượng lớn hơn khi thành phần rắn cao Theo nghiên cứu này, mô hình có nhận bùn thải đã xử lý âm khử được 11 – 39% sCOD so với bùn thải không được xử lý sóng Tiền xử lý với sóng tăng khả năng khử VS hơn 54%, và chất rắn sinh học được đem ủ mà có xử lý sóng siêu âm thì có tính chất sinh học ổn định hơn

Braguglia và cộng sự (2006) nghiên cứu động học của phân hủy kị khí của bùn

thông thường và đã được xử lý bằng sóng siêu âm Xử lý bằng sóng siêu âm được báo cáo là làm tăng tốc độ phản ứng, như là tăng các giá trị hằng số của thủy phân

từ 30% lên 80%

Còn nghiên cứu của Muller và cộng sự (2005) sử dụng mô hình mesophilic

(38L với thời gian lưu 15 ngày) nhằm xác định tác động của tiền xử lý bằng sóng siêu âm và các điểm ứng dụng vào việc tiến hành xử lý Có nhiều phương án được xem xét, bao gồm tiền xử lý bùn thải trước khi đưa vào mô hình kị khí, và tái sử dụng bùn bên trong mô hình phân hủy kị khí Kết quả là sản sinh khí tăng 17% và tăng 6,2% khả năng khử TS

1.3.3 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng cơ học

Sự thủy phân màng tế bào cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng phương pháp cơ khí Hai kĩ thuật chủ yếu là sử dụng máy nghiền Kady, là 2 cánh dao quay ngược chiều nhau dùng để cắt, và máy xay ướt, được biết đến là phương pháp xay

Sử dụng máy nghiền Kady để nghiền nhỏ bùn thải của mô hình xử lý bùn đô thị

hoạt tính hiếu khí được mô tả trong nghiên cứu của Springer và Higgins (1999) Sau

khi bùn thải được nghiền, sCOD tăng 25% Kĩ thuật này cũng có thể được sử dụng

để tiền xử lý bùn cho phân hủy kị khí Máy nghiền ướt sử dụng các hạt nhỏ để phá hủy thành tế bào Kích thước những hạt này là yếu tố quyết định cho việc phân rã

bùn tối đa (Baier và Schmidheiny, 1997) Một vài máy xay xát đã được kiểm tra, với

hiệu suất tốt nhất là sử dụng bi có đường kính nhỏ (0,2 – 0,25mm) Sau 9 phút nghiền bùn đô thị, sCOD trong pha lỏng tăng từ 1 – 5% lên 47% Tuy nhiên, một

vài loại bùn sinh học gặp thất bại khi áp dụng kĩ thuật này (Baier và Schimdheiny,

1997) Sau đó, toàn bộ COD phân hủy và sản sinh khí từ phân hủy kị khí ưa nhiệt

trung bình tăng lên 1,2 – 1,5 lần Năng lượng cần thiết cho phương pháp tiền xử lý này là 1 đến 1,25kW/m3 bùn được xử lý trong ngày

1.3.4 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa

Hầu hết các tài liệu liên quan đến xử lý kiềm mô tả cho thêm kiềm như thế nào

để nâng cao kĩ thuật phân rã bùn bằng cách kiềm hóa bùn để thủy phân dễ hơn Các thí nghiệm được thực hiện với bùn được lấy từ việc xử lý nước thải sản xuất thức ăn tổng hợp, có hàm lượng chất rắn 3% Sau 4h tiếp xúc với kiềm có nồng độ 45 meq NaOH/L ở 25, 35 và 55oC thì đạt được kết quả giá trị COD hòa tan tương ứng là 28,

31 và 38% Tiền xử lý bằng kiềm hóa có ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí, lượng khí sinh ra tăng 66, 73 và 88% tương ứng với mẫu bùn được tiền xử lý ở 25,

35 và 55oC

Bùn thải được ủ kị khí trong 4 ngày dưới môi trường kiềm và nhiệt độ nâng

cao đã đạt độ hòa tan bùn là 40% (Saiki và cộng sự, 1999) Nồng độ NaOH sử dụng

là 0,01N Một lợi ích quan sát được của việc ủ bùn thải dưới điều kiện kiềm là bong bóng khí nhỏ được sinh ra do bùn thải được làm ngập Hiện tượng này làm cho lớp bùn dày lên, có lợi cho phân hủy kị khí sau này

Bảng so sánh các phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học được trình bày trong Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh hoạt (Perez- Elvira et al., 2006)

STT

Phương

pháp tiền xử lý

bùn

COD hòa tan ( Số lần cao hơn so với không tiền

xử lý)

Hiệu quả

xử lý bùn sau phân hủy kỵ khí(%)

Lượng biogas (% cao hơn phương pháp truyền thống)

Khả năng giảm mầm bệnh

Khả năng tách nước của bùn

Ưu điểm Nhược điểm

1 Áp suất cao 18-20 23-64 Đạt tới 300 Thấp Cao

+ Không phát sinh mùi + Dễ áp dụng + Khả năng tách nước tốt

+ Khả năng giảm mầm bệnh thấp

+ Cần không gian lớn + Khả năng ăn mòn bơm

và van cao

2 Sóng siêu

+ Không phát sinh mùi + Gọn, ít chiếm không gian

+ Dễ áp dụng

+ Khả năng tách nước tốt

3 Thủy phân

bằng nhiệt 10-20 60-80 Đạt tới 400 Tuyệt đối Rất cao

+ Tiết kiệm năng lượng + Khả năng tách nước rất tốt

+ Khử trùng bùn tốt nhất

+ Thất thoát nhiệt + Có mùi hôi

4 Khuấy bằng

+ Vận hành ổn định

+ Không phát sinh mùi

+ Khả năng ăn mòn cánh khuấy lớn cao

+ Thất thoát năng lượng lớn

+ Cần không gian lớn + Khả năng khử trùng thấp

+ Thay đổi thành phần của bùn

+ Ảnh hưởng đến hoạt

+ Khả năng tách nước rất tốt

động của vi sinh + Phát sinh mùi hôi + Gây ăn mòn và tắc nghẽn thiết bị

+ COD cao ở đầu ra

tách nước tốt

+ Tiêu thụ năng lượng lớn + Nhạy cảm với thành phần kim loại trong bùn ban đầu (Fe, Zn, Ag, Cu)

7 Enzyme

hoạt tính - - - - - + Không ảnh

hưởng đến thiết bị

+ Ít tiêu hao năng lượng

+ Chi phí cao + Hiệu quả của phương pháp tiền xử lý bằng enzyme chưa được nghiên cứu kỹ

+ Phát sinh mùi hôi

8 Nhiệt + Gây

-+ Sản phẩm có thể là nhiện liệu sinh học + Sinh ra Phosphate + Khử N và kim loại nặng

+ Khả năng ăn mòn cao + Chi phí vận hành và bảo dưỡng cao

1.3.5 Cơ chế thủy phân của phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa

1.3.5.1 Hình dạng và đặc điểm cấu tạo của vi sinh vật

Tế bào vi khuẩn bao gồm: lớp vỏ nhày, thành tế bào, màng nguyên sinh, chất nguyên sinh, vật thể ẩn nhập trong chất nguyên sinh, nhân của tế bào vi khuẩn, tiêm mao và khả năng di động, bào tử và sự hình thành bào tử

Màng tế bào chất Chất nguyên sinh

Thành tế bào

DNA

Ribôxôm Pili

Đối với vi khuẩn, sự tạo thành nang là sự thích nghi tự vệ trong môi trường sống không thuận lợi Đồng thời đó cũng là dấu hiệu gây bệnh hay sự xâm nhập của

vi khuẩn vào cơ thể sinh vật

Giải thích: Các loại vi khuẩn này vào cơ thể khác gây bệnh, do sự đối kháng

cơ thể nên tạo nang và chất nhày

Vỏ nhày là sản phẩm của hoạt động sống của màng tế bào, một số ý kiến cho

là nó xuất hiện do sự trương phồng lên và hoá nhày của màng tế bào chất Về thành phần hoá học, ở một số loài nang và chất nhày đồng nhất với màng của tế bào chất

còn một số loài vi khuẩn khác không có Ví dụ: Ở loài Aerobacter nang có chứa

polysaccharide, còn chất nhày là galactan (dẫn xuất của galactose) Ngoài ra nang còn có dextran, polyfructosan, cellulan, polypeptid

1.3.5.1.2 Thành tế bào (cell wall)

Thành tế bào được cấu tạo mỏng nhưng có độ dày dày hơn tế bào chất, trong suốt, không màu, không cứng mà co dãn Thành tế bào chiếm 20% trọng lượng khô,

độ dày 10 -20µm, có tính chất cơ học bền vững nên giữ được hình dạng tế bào Cấu trúc thành tế bào có cấu trúc mạng lưới được tạo thành bởi nhiều sợi Giữa những sợi có những lỗ cực nhỏ để cho chất dinh dưỡng từ môi trường đi vào tế bào hoặc từ tế bào thải ra ngoài thải ra ngoài Về thành phần hoá học thì không đồng nhất giữa các vi sinh vật , rất phức tạp và bao gồm các chất chủ yếu sau: polysaccharide, lipoid, hemicellulose, glucid, pectin, protein, acid amin Một số loài

có chứa một chất gần giống với kitin (có ở côn trùng) gọi là hexosamin (dẫn xuất của kitin)

Đặc biệt, trong thành tế bào có một chất mà trong thiên nhiên không có là acid muramic và các polymer của ribitolphosphat

Chức năng của acid muramic là gắn các peptid với đường amin hoặc các

đường khác Về thành phần acid amin thường gặp: alanin, lixin, glyxin acid

glutamic và acid diaminopymelic

Lipoid có vai trò như cầu nối giữa các phần tử protein với nhau Số lượng các thành phần trên không ổn định mà luôn thay đổi theo tuổi sinh trưởng, thành phần dinh dưỡng môi trường và điều kiện sống

* Murein: được xem là khung nâng đỡ của thành tế bào Murein được cấu tạo

từ gốc N-acetyl muramic và chúng được gắn với nhau bởi nối 1,4 β-glucosid Do cấu tạo đặc biệt của lớp murein liên quan chặt chẽ đến tính chất bắt màu khi nhuộm

tế bào vi khuẩn

Vi khuẩn gram + Vi khuẩn gram -

Đỏ: màng tế bào Đen: peptidoglycan Xanh: Màng ngoài tế bào

Hình 1.2 Tế bào vi khuẩn khi nhuộm

- Ở gram (+): 2 lớp mucocomplex quay ra bên ngoài tế bào và trên mucôcmplex có các phần tử màu Æ quan sát dưới kính hiển vi

- Ở gram (-): chỉ có một lớp và mucocomplex nằm bên trong tế bào và quan sát dưới kính hiển vi không thấy phân tử màu

Các phân tử màu rất dễ trôi nên sau khi nhuộm không thể nhìn rõ tế bào nào là gram (+) phân tử nào là gram (-)

* Chức năng của thành tế bào:

Bảo vệ tế bào, giữ cho tế bào có hình dạng xác định và tham gia một phần vào quá trình trao đổi chất, được coi là vật cản thứ nhất đối với các chất protein, polysaccharide từ ngoài vào Do thành tế bào bào có tính thấm rất tốt và đảm bảo cho sự xâm nhập có tính chọn lọc của các chất dinh dưỡng từ môi trường vào trong

tế bào

Khác với thành tế bào là thành phần cấu tạo màng tế bào chất không có glucid

và không bị hoà tan bởi lizosime

Virus tấn công được vào vi khuẩn là do thành vi khuẩn bị hoà tan bởi lizosime Còn màng tế bào chất thì không bị hoà tan

Hình 1.3 Cấu tạo thành tế bào vi khuẩn

1.3.5.1.4 Chất nguyên sinh (Cytoplasma)

Cytoplasma là một chất keo lỏng có đến 20% nước Độ nhớt của chất keo này tùy thuộc vào tuổi tế bào Trong cytoplasma chứa các chất dự trữ có cấu trúc hoá

học khác nhau, có các riboxom và nhiều hệ enzym, phân tử ARN riboxom (60%ARN và 40% protein)

Cytoplasma đảm bảo sự vận chuyển sản phẩm trao đổi chất từ bào quan này đến bào quan khác trong tế bào Cytoplasma là môi trường thuận lợi để thực hiện các phản ứng sinh hoá của tế bào

1.3.5.1.5 Các chất dự trữ và các thể ẩn nhập trong tế bào

Các chất dự trữ là sản phẩm trao đổi chất của tế bào, chúng được tạo thành sau thời kỳ sinh trưởng mạnh như: polysaccharide, chất béo, polyphosphate, tinh thể vô cơ… Khi điều kiện chất dinh dưỡng thiếu hoặc cạn kiệt thì các chất này sẽ là nguồn dinh dưỡng tạo năng lượng để kéo dài sự sống của tế bào

Đối với các loài vi khuẩn có khả năng tạo bào tử thì các chất này còn là chất liệu để đảm bảo cho việc tạo bào tử

+ Polysaccharide: là glucid dự trữ của tế bào ở dạng tinh bột hay glycogen từ glucose

1.3.5.1.6 Nhân của tế bào vi khuẩn

Chưa có cấu trúc nhân, chưa có màng nhân mà chỉ là một vùng keo đặc của chất nguyên sinh gọi là vùng hạch tập trung giữa tế bào được cấu tạo bởi những sợi chỉ cực mạnh và vô số phân tử DNA Chức năng của vùng hạch giống như hạch của Eukaryote

1.3.5.1.7 Tiêm mao và sự di động (flagella)

Là một bộ phận nằm bên ngoài tế bào và gắn với tế bào

Một số hình thái tiêm mao trên một số loài vi khuẩn

+ Nhóm I: Một tiêm mao đính một đầu của vi khuẩn giống Vibrio