Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí metan

Việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt bùn thải từ các công trình vệ sinh trong đô thị, bùn hoạt tính dư thừa từ các công trình xử lý nước thải và rác t

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí metan” là một nghiên cứu không có sự sao chép của người khác Đề tài là một sản phẩm mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu có sự kết hợp với đề tài “Nghiên cứu đặc trưng các chỉ tiêu hóa lý của bùn thải đô thị trước và sau phân hủy kỵ khí”, cùng các tác giả Đỗ Quang Trung, Bùi Duy Cam, Nguyễn Thị Nhâm, Nguyễn Quang Minh; cùng với đó là sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên

TS Trần Thị Huyền Nga, cũng như tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại trạm xử lý phân bùn bể phốt UGRENCO 7 Cầu Diễn Trong quá trình viết luận văn tôi có sự tham khảo ở một số tài liệu đã được công bố và có nguồn gốc rõ ràng Mọi sự giúp

đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và trích dẫn thông tin trong luận văn Tôi xin cam đoan nếu có vấn đề gì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2020

Học viên

Nguyễn Trường Phú

4

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo

TS Trần Thị Huyền Nga, người đã tận tụy hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những kiến

thức quý báu trong quá trình nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đỗ Quang Trung, cảm ơn anh

Nguyễn Quang Minh - Nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa môi trường, Khoa Hóa Học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên cùng các anh chị học viên, các bạn sinh viên cùng thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc trưng các chỉ tiêu hóa lý của bùn thải đô thị trước và sau phân hủy kỵ khí”

Tôi xin gửi lời cảm ơn, lời chúc sức khoẻ và thành công tới các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Môi trường, các thầy cô trong Khoa Môi trường và trong Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, những người

đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn và cho tôi những bài học, kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống cũng như trong suốt quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn các anh chị ở Phòng thí nghiệm - Trung tâm phân tích và Chuyển giao Công nghệ môi trường – Viện Môi trường Nông Nghiệp, đã hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu, cảm ơn Công ty Môi trường đô thị Hà Nội - URENCO 7 Cầu Diễn

và Trạm xử lý nước thải Kim Liên đã đồng ý cung cấp mẫu bùn thải và các thông tin

về quy trình công nghệ trong suốt quá trình thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Trường Phú

5

LỜI MỞ ĐẦU ……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……… 3

1.1.Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam 3 1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị 3

1.1.2.Đặc điểm của bùn thải đô thị 5

1.1.3.Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị 8

1.2.Tổng quan về tình hình phát sinh và xử lý chất thải rắn sinh hoạt ở đô thị Việt

Nam ……… 11

1.2.3.Các phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị ở Việt Nam 15

1.4. Phương pháp lên men phân hủy yếm khí 19 1.4.1.Cơ sở quá trình phân hủy yếm khí 19

1.4.2.Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí - biogas 21

1.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu 31 2.1.1.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 31

2.1.2.Nội dung nghiên cứu 34

2.2. Phương pháp nghiên cứu ……… 35

2.2.1.Thu thập, tổng hợp và xử lý số liệu 35

2.2.2.Thực nghiệm 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Đặc tính hóa lý của bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư ……… 44

3.2 Kết quả đồng phân hủy sinh học kỵ khí giữa Bùn bể phốt và Bùn hoạt tính dư 45 3.3 Kết quả đồng phân hủy sinh học kỵ khí giữa Bùn bể phốt, Bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ……… 56

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 70

Tiếng Việt ……… 70

Tiếng Anh ……… 71

6

DANH MỤC PHỤ LỤC ……… 73

Một số hình ảnh peak sắc ký khí đợt phân tích thứ 5- thí nghiệm 2 ……… 73

Phụ lục 1: Thể tích khí biogas sinh ra theo ngày của thí nghiệm 1 ……… 73

Phụ lục 2: Thể tích khí biogas sinh ra theo ngày của thí nghiệm 2……… 74

Phụ lục 3: Kết quả thành phần khí của NT - thí nghiệm 1 ………77

Phụ lục 4: Kết quả thành phần khí của NT - thí nghiệm 2……… 79

Phụ lục 5: Một số hình ảnh peak sắc ký khí đợt phân tích thứ 5- thí nghiệm 2 … 82

8 CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt

8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Lượng bùn cặn từ các công trình vệ sinh và từ hệ thống thoát nước

tại đô thị trên cả nước giai đoạn 2013-2016

4

Bảng 1.2 Một số đặc điểm hóa lý điển hình của bùn giai đoạn xử lý sơ bộ 6 Bảng 1.3 Một số đặc điểm hóa lý của bùn giai đoạn xử lý sinh học 6 Bảng 1.4 Thành phần có trong sản phẩm bài tiết của con người 7 Bảng 1.5 Thành phần hữu cơ của phân bùn từ một số công trình vệ sinh 7 Bảng 1.6 Các loại CTR đô thị ở Hà Nội năm 2011 12 Bảng 1.7 Khối lượng riêng và hàm lượng ẩm có trong rác thải sinh hoạt 14 Bảng 1.8 Một số đặc trưng điển hình của bùn hoạt tính 17 Bảng 1.9 Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí 22 Bảng 1.10 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan 27 Bảng 1.11 Ưu điểm và nhược điểm của phân hủy yếm khí so với hiếu khí 29 Bảng 2.1 Bố trí các nghiệm thức của thí nghiệm 1 40 Bảng 2.2 Bố trí các nghiệm thức của thí nghiệm 2 40

Bảng 3.1 Một số đặc điểm hóa lý của BBP và BHTD 41 Bảng 3.2 Đặc điểm hóa lý của nguyên liệu sau phối trộn của các NT-TN1 42 Bảng 3.3 Kết quả phân tích TS trước và sau phân hủy của các NT- TN1 42 Bảng 3.4 Kết quả phân tích TVS trước và sau phân hủy của các NT- TN1 44 Bảng 3.5 Kết quả phân tích TP trước và sau phân hủy của các NT- TN1 46 Bảng 3.6 Kết quả phân tích TN trước và sau phân hủy của các NT- TN1 48 Bảng 3.7 Thể tích khí biogas sinh ra ở các NT-TN1 49 Bảng 3.8 Tỷ lệ thành phần các khí sinh ra ở Thí nghiệm 1 52 Bảng 3.9 Thể tích khí CH4 sinh ra ở các NT- thí nghiệm 1 53 Bảng 3.10 Một số đặc điểm hóa lý sau phối trộn của các nghiệm thức –TN2 53 Bảng 3.11 Sự thay đổi hàm lượng TS ở các nghiệm thức –TN2 54 Bảng 3.12 Sự thay đổi hàm lượng TVS ở các nghiệm thức –TN2 55 Bảng 3.13 Sự thay đổi hàm lượng TP ở các nghiệm thức –TN2 57

9

Bảng 3.14 Sự thay đổi hàm lƣợng TN ở các nghiệm thức –TN2 58 Bảng 3.15 Tổng thể tích khí biogas sinh ra ở các nghiệm thức –TN2 60 Bảng 3.16 Tỷ lệ thành phần trung bình của các loại khí sinh ra ở TN2 61 Bảng 3.17 Tổng thể tích khí CH4 sinh ra ở các NT- thí nghiệm 2 62

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm qua nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, song song với đó là quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ khá nhanh Tuy nhiên bên cạnh sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều các vấn đề về kinh tế xã hội và đặc biệt là vấn đề bảo vệ môi trường Việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt bùn thải từ các công trình vệ sinh trong đô thị, bùn hoạt tính dư thừa từ các công trình xử lý nước thải và rác thải sinh hoạt giàu hữu cơ dễ phân hủy gây ra mùi hôi thối đã và đang trở thành bài toán khó Trong các loại chất thải đô thị, bùn thải đô thị là loại chất thải đặc thù được phát sinh chủ yếu từ các hoạt động nạo vét xử lý bùn bể tự hoại, bùn dư thừa từ các các hệ thống

xử lý nước thải, rác thải sinh hoạt là một loại rác giàu hữu cơ phát sinh từ cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của các hộ gia đình, khu dân cư, các nhà hàng, trung tâm thương mại, trường học, cơ quan nghiên cứu, các cơ sở dịch vụ ăn uống v.v Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý bùn thải và rác thải khác nhau như phương pháp hóa lý, hóa học, sinh hóa v.v với đặc điểm đặc trưng của bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính dư và chất thải rắn sinh hoạt là giàu hợp chất hữu cơ, bùn hoạt tính dư thừa được sinh ra sau quá trình xử lý sinh học hiếu khí phần dầu mỡ có hàm lượng khá cao từ 5-12% với thành phần chủ yếu là lipit, chất thải giàu lipit được biết đến là có tiềm năng sinh khí metan cao trong 3 nguyên liệu chính của quá trình sản sinh khí metan là lipit, protein và cacbonhydrat

Hiện nay phương pháp chôn lấp là phương pháp phổ biến được áp dụng để xử

lý bùn thải và rác thải sinh hoạt… Tuy nhiên việc chôn lấp trực tiếp mà chưa qua

xử lý tồn tại rất nhiều những hạn chế như: cần diện tích chôn lấp lớn, không xử lý được triệt để các tác nhân nguy hại đối với cộng đồng, lãng phí một lượng lớn các chất hữu cơ có thể tái sử dụng được vì thế hiện nay xử lý bùn thải bằng phương pháp sinh học đang được các nhà khoa học và quản lý quan tâm nhiều, bởi vì bản chất của phương pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong bùn thải Phương pháp phân hủy yếm khí có các ưu điểm đó là tiêu thụ rất ít năng lượng trong quá

2

trình vận hành và có thể thu hồi được một lượng lớn khí metan (CH4) như một nguồn năng lượng tái tạo, bùn sau xử lý có thể được sử dụng vào mục đích nông nghiệp

Với bản chất các loại chất thải này là giàu hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và tiềm năng sinh khí biogas tốt tạo ra nguồn năng lượng thay thế như khí đốt, phát điện để phục vụ sinh hoạt sản xuất đồng thời góp phần xử lý chất thải giảm thiểu ô nhiễm bảo vệ môi trường Từ những lý do nêu trên, chúng tôi chọn đề

tài:“Nghiên cứu đồng phân hủy sinh học kỵ khí hỗn hợp bùn bể phốt, bùn hoạt

tính dư và chất thải giàu hữu cơ để sinh khí Metan” Nhằm mục tiêu đánh giá một

số đặc điểm của bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư và chất thải giàu hữu cơ và khả năng phân hủy sinh học kỵ khí khi phối trộn các loại chất thải này lại với nhau để sinh khí metan vì vậy tiến hành nghiên cứu 02 nội dung đó là đồng phân hủy sinh học kỵ giữu 02 loại bùn bể phốt kết hợp bùn hoạt tính dư và đồng phân hủy sinh học kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư kết hợp chất thải giàu hữu cơ để sinh khí metan

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam

1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải đô thị

Bùn thải đô thị là thành phần chính của quá trình thoát nước đô thị Bùn thải

đô thị được sinh ra trong các công đoạn của quá trình thoát nước và xử lý nước thải Bùn thải đô thị là sản phẩm của quá trình thoát nước đô thị Nguồn phát sinh chủ yếu bao gồm: bùn phát sinh từ hệ thống bể phốt, bùn từ các trạm xử lý nước thải trong thành phố và bùn nạo vét hệ thống thoát nước Tỷ trọng của các loại bùn nêu trên phụ thuộc vào đặc điểm riêng của hệ thống thoát nước đô thị [7]

- Phân bùn bể tự hoại hay còn có cách gọi khác là phân bùn bể phốt: có nguồn gốc từ các bể tự hoại, các nhà vệ sinh công cộng, có thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ và các loại vi sinh vật (chủ yếu là các vi khuẩn đường ruột, trứng giun sán ) Do có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên phân bùn có thể được dùng trong mục đích nông nghiệp, việc xử dụng phân bùn chưa qua xử lý cũng trở thành một nguy cơ lớn gây ra các bệnh về đường ruột [12]

Bùn thải từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại): Theo số liệu của Cục Hạ tầng

kỹ thuật, Bộ Xây dựng (2017), lượng bùn thải từ bể tự hoại tại các đô thị dao động

từ vài trăm m3/năm đến trên 200.000 m3/năm Tuy nhiên lượng bùn thu gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom có biên độ dao động lớn, từ 3% đến 97%, tỷ lệ thu gom trung bình chỉ đạt khoảng 32% Lượng bùn bể tự hoại được thu gom có thể lớn hơn

do có nhiều doanh nghiệp, đơn vị cung cấp dịch vụ hút bùn vể tự hoại ở quy mô nhỏ

lẻ [4]

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

hệ thống thoát nước đô thị Tại Việt Nam còn nhiều bất cập trong công tác quản lý nước thải đô thị, nước thải sinh hoạt không được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để mà

xả thải trực tiếp ra môi trường với lượng rất lớn Do vậy lượng bùn cặn từ nước thải

từ các quá trình sinh hóa của vi sinh vật Một phần đáng kể các chất ô nhiễm được tìm thấy trong BHTD, vì vậy không nên thải bỏ trực tiếp với lượng lớn ra ngoài môi trường Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ công tác xử lý nước thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lượng bùn thải cần phải có quy định về quản lý riêng và không nằm trong tập hợp bùn thải đô thị [17]

Hệ số phát sinh bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) tại đô thị là 0,04

- 0,07m3/người/năm Chỉ số bùn cặn từ hệ thống thoát nước tại các đô thị 0,146 - 0,365 m3/người/năm Hiện nay phương thức xử lý bùn chủ yếu tại các trạm xử lý nước thải đô thị Việt Nam là khử nước và chở đi chôn lấp [3]

Bảng 1.1 Lượng bùn cặn từ các công trình vệ sinh (bể tự hoại) và từ hệ thống

thoát nước tại đô thị trên cả nước giai đoạn 2013-2016 [3]

TT Năm Lượng bùn cặn phát sinh

từ bể tự hoại (m 3 /năm)

Lượng bùn cặn phát sinh từ hệ thống thoát nước (m 3 /năm)

5

phốt thì chiếm tỷ trọng nhỏ [9] Ở Việt Nam bùn thải được phân chia thành 6 loại như sau: bùn thải trong hệ thống thoát nước thải đô thị, bùn thải trong hệ thống thoát nước thải công nghiệp, bùn thải từ các hoạt động nạo vét kênh rạch định kỳ, bùn thải từ bể tự hoại (bùn hầm cầu), bùn thải từ trạm/ nhà máy xử lý nước cấp và bùn thải từ các công trình xây dựng trong đó tập trung chủ yếu là bùn bể tự hoại và bùn thải từ hệ thống thoát nước thải đô thị [3]

Hiện nay, việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt từ bùn thải ở các hệ thống thoát nước và các công trình vệ sinh trong đô thị đã

và đang trở thành bài toán khó đối với các nhà quản lý hầu hết các nước trên thế giới, đặc biệt ở các nước có nền kinh tế đang phát triển trong đó có Việt Nam Bùn thải đang rơi vào hiện trạng thừa thu gom thiếu xử lý, thực tế không phải tất cả các bùn thải này đều được xử lý theo quy chuẩn kỹ thuật đã được ban hành Các cơ sở sản xuất kinh doanh thường thu gom sau đó xả bỏ tại một nơi vô định, thường là những khu vực hẻo lánh, dân cư thưa thớt nhằm giảm bớt chi phí xử lý bùn thải cho doanh nghiệp, mặc kệ hệ quả nghiêm trọng xảy ra cho môi trường cững như sức khỏe con người [3;11]

1.1.2 Đặc điểm của bùn thải đô thị

Với đặc điểm sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cư, trình độ dân trí, trình

độ phát triển đô thị cũng như sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải

đô thị tại mỗi quốc gia, mỗi khu vực dân cư có những đặc điểm khác biệt Hơn thế nữa, tính chất của bùn thải phụ thuộc theo đặc trưng thời tiết khí hậu, theo mùa nên

sự khác biệt giữa các vùng miền càng thể hiện rõ rệt hơn Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nước thải còn thể hiện ở công nghệ xử lý nước thải đang được áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn xử lý khác nhau có đặc điểm riêng biệt Bùn thải phát sinh trong giai đoạn xử lý sơ bộ của các trạm xử lý nước thải đô thị tập trung tại Châu Âu thường có các chỉ tiêu hóa lý như Bảng 1.2 [17;25]

[6;12] Các cặn lắng hữu cơ đƣợc chuyển hoá ở phần đáy của bể tự hoại nhờ quá trình phân huỷ yếm khí

Phân bùn bể phốt có thành phần các chất hữu cơ ở mức cao và có tiềm năng phân hủy sinh học Thành phần hữu cơ có trong bùn bể tự hoại tùy theo thời gian lưu giữ phân bùn trong bể, thời gian lưu giữ trong bể càng lâu thì các chất hữu cơ trong bể càng giảm

Bảng 1.5 Thành phần hữu cơ của phân bùn từ một số công trình vệ sinh

[12;26]

Loại bùn cặn Chất hữu cơ

(%TS) Nitơ(%TS) Photpho(%TS)

Bể tự hoại thời gian 1-3 năm 71-81 2,4 – 3,0 2,7 – 2,9

Bể tự hoại thời gian > 3 năm 30,4 0,97 – 1 0,71–0,85

Một số đặc điểm hóa lý của bùn thải có sự khác nhau giữa các loại bùn thải cũng như sự khác nhau giữa các vùng miền và quốc gia nhưng điểm chung là bùn thải đô thị có chứa thành phần các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho khác

Dựa vào đặc điểm dễ bị phân hủy do vi sinh vật có trong nước, ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm:

- Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: Đó là các hợp chất protein, cacbohydrat, chất béo nguồn gốc động vật và thực vật Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong bùn thải sinh hoạt, bùn thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm

8

- Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm, các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phốt pho hữu cơ … Trong số các chất này có nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp Hầu hết chúng đều có độc tính đối với con người và sinh vật Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường và trong cơ thể sinh vật Với hàm lượng dinh dưỡng có ích cao như nitơ, phốt pho và các chất hữu cơ khác

Các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực sử dụng nguồn bùn thải để tái sử dụng trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu lượng chất thải mang đi chôn lấp Tuy nhiên, do đặc điểm tích tụ nhiều chất gây ô nhiễm mà các phương án quản lý bùn thải đô thị tại các quốc gia trở nên hết sức khó khăn Các tác nhân gây ô nhiễm tồn tại trong bùn thải đô thị với hàm lượng cao là rào cản trong việc sử dụng bùn thải đô thị cho mục đích nông nghiệp [9] Tiềm năng thu hồi tài nguyên, tái sử dụng bùn thải là rất lớn, cần chú trọng nghiên cứu ứng dụng, triển khai công nghệ phù hợp để xử lý và tận dụng hiệu quả bùn thải

1.1.3 Các phương pháp xử lý bùn thải đô thị

Hiện nay, việc thu gom, vận chuyển, xử lý, tái chế, tái sử dụng chất thải đặc biệt bùn cặn thải từ hệ thống thoát nước và các công trình vệ sinh ở đô thị đang trở thành bài toán khó đối với hầu hết các nước trên thế giới, đặc biệt là đối với các nước có nền kinh tế đang phát triển trong đó có Việt Nam Trong tất cả các loại bùn cặn trên, bùn cặn trong mạng lưới thoát nước (cống thoát nước, kênh mương và hồ) không tập trung, rất khó thu gom và có thành phần phức tạp nhất Các loại bùn cặn này dễ gây ô nhiễm môi trường sông hồ, làm sụt giảm hàm lượng oxy và mất cân bằng sinh thái trong nguồn nước mặt

Trên thế giới hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phương pháp xử lý bùn thải

đô thị khác nhau Sự lựa chọn áp dụng phương pháp xử lý nào là phụ thuộc vào đặc điểm bùn thải, đặc điểm về văn hóa, lịch sử, không gian vị trí địa lý, luật pháp, chính trị và tình hình kinh tế của mỗi quốc gia, mỗi vùng miền Các phương pháp

xử lý bùn thải đô thị phổ biến hiện nay bao gồm một số phương pháp chủ yếu sau [9]

PE, hóa chất keo tụ v.v

Phương pháp sinh học có thể được chia thành hai loại phổ biến là phương pháp phân hủy trong điều kiện hiếu khí và trong điều kiện yếm khí:

+/ Phương pháp phân hủy hiếu khí là phương pháp có thời gian phân hủy nhanh và triệt để các hợp chất hữu cơ Theo báo cáo của Cục bảo vệ môi trường liên bang Hoa Kỳ

+/ Phân hủy yếm khí là phương pháp xử lý đã được chứng minh là có hiệu quả làm giảm hàm lượng hữu cơ trong bùn, cải thiện khả năng tách nước của bùn, giảm thiểu mầm bệnh cao, giảm khối lượng bùn Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong việc ổn định bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nước thải cũng như bùn thải đô thị nói chung Phương pháp phân hủy yếm khí là phương pháp phân giải triệt để các tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ trong bùn thải Hơn nữa, phương pháp phân giải yếm khí tại nhiệt độ 55ºC có khả năng tiêu diệt triệt để mầm gây bệnh nguy hại [14;15] Ngoài mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm trong bùn thải, phương pháp phân hủy trong điều kiện yếm khí còn sinh ra sản phẩm biogas cung cấp như nguồn năng lượng tái sinh Vì vậy, trong xử lý bùn thải đô thị thường kết hợp xử lý các loại chất thải khác chủ yếu là rác thải hữu cơ nhằm tối ưu quá trình sinh biogas cũng như hỗ trợ quá trình phân hủy yếm khí diễn ra trong điều kiện tối

ưu nhất

10

Ngày nay, có nhiều nghiên cứu được triển khai nhằm phát triển các phương pháp, kỹ thuật mới hoặc kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau trên một mô hình xử lý bùn thải đô thị bằng phương pháp lên men yếm khí nhằm đạt hiệu quả cao nhất Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả như mong muốn, các mô hình cần được xác lập dựa trên điều kiện cụ thể của từng vùng miền, từng quốc gia khác nhau trên thế giới Quản lý bùn thải là một trong những hạng mục tốn kém nhất trong các nhà máy xử lý nước thải nhỏ Việc xử lý và loại bỏ các loại bùn thải chiếm khoảng một nửa tổng chi phí xử lý nước thải Sự lựa chọn phương pháp xử lý bùn được sử dụng, trong thực tế, ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các yếu tố phi công nghệ như vị trị và chi phí vận chuyển Hầu hết các trạm xử lý nước thải nhỏ sử dụng công nghệ bùn hoạt tính không được trang bị một thiết bị lắng sơ cấp Do đó, bùn thải từ những trạm xử lý nước thải này chỉ gồm có bùn hoạt tính thải Phân hủy yếm khí của bùn thải là một công nghệ được biết đến rộng rãi, cho phép giảm được hàm lượng chất rắn trong bùn thải, thu hồi được một phần năng lượng giảm lượng mầm bệnh và cải thiện được khả năng lắng tách nước của bùn Tuy nhiên, bùn hoạt tính dư ít phân huỷ sinh học hơn bùn sơ cấp (bùn lắng từ quá trình xử lý sơ bộ nước thải đô thị) và tiềm năng khí metan sinh học (biochemical methane potential - BMP) của bùn hoạt tính dư thấp hơn đáng kể so với bùn thải sơ cấp [16] Do tiềm năng khí metan thấp và chi phí xây dựng và vận hành cao nên các hệ thống phân hủy yếm khí cho bùn hoạt tính

dư không đem lại lợi nhuận, do đó biện pháp xử lý này được sử dụng khá ít trong các công trình xử lý nước thải nhỏ Các phương pháp tiền xử lý có thể được sử dụng

để tối ưu hóa quá trình này phân hủy này và tăng sản lượng khí sinh học, nhưng chúng liên quan đến việc sử dụng thêm năng lượng và hóa chất Giải pháp được nhiều người hướng tới là đồng phân hủy yếm khí kết hợp bùn hoạt tính dư với một hoặc nhiều chất nền với giá trị tiềm năng khí sinh học cao hơn, và phân bùn bể phốt

là mục tiêu được hướng đến Phân bùn bể phốt có tiềm năng khí sinh học lớn, cùng với các thành phần dinh dưỡng như nitơ, photpho ở mức cao là sự lựa chọn thích hợp để làm bùn nguyên liệu kết hợp sử dụng trong đồng phân hủy yếm khí với một

Song song với lượng chất thải rắn phát sinh trong đó CTR sinh hoạt là chủ yếu thì phát sinh những vấn đề liên quan đến môi trường sống như ô nhiễm không khí, mùi hôi thối do quá trình phân hủy rác thải có đặc tính là các chất hữu cơ…v.v…

1.2.1 Nguồn gốc phát sinh CTR sinh hoạt ở đô thị Việt Nam

CTR sinh hoạt đô thị phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, các khu vực công cộng ( đường phố, chợ, các trung tâm thương mại, văn phòng, các cơ sở nghiên cứu, trường học…) CTR sinh hoạt đô thị có tỷ lệ hữu cơ vào khoảng 54 – 77%, chất thải

có thể tái chế ( thành phần nhựavà kim loại) chiếm khoảng 8-18% [2]

Chất thải rắn sinh hoạt có thể được phân loại theo các cách sau:

Theo thành phần hóa học và theo tính chất vật lý

Theo vị trí hình thành

Theo bản chất nguồn tạo ra chất thải rắn

Theo mức độ nguy hại

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

12

Tình hình phát sinh và xử lý CTR ở khu vực đô thị vẫn là một trong những vấn đề môi trường nổi cộm trong nhiều năm qua Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2017 lượng CTR sinh hoạt đô thị phát sinh phụ thuộc vào quy mô dân số của

đô thị Ước tính lượng CTR sinh hoạt ở các đô thị phát sinh trên toàn quốc mỗi năm một năm Chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt đô thị bình quân trên đầu người tăng theo mức sống, ở các đô thị có mức sống cao như các đô thị loại 1, chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt trung bình là 1,3kg/người/ngày [1]

Tại Hà Nội: tổng lượng CTR sinh hoạt phát sinh trên địa bàn thành phố năm

2017 khoảng 7.500 tấn/ngày Trong đó tỷ lệ thu gom của 12 quận và thị xã Sơn Tây đạt 98%, 17 huyện ngoại thành đạt 89% CTR sinh hoạt chủ yếu phát sinh từ các hộ gia đình, khu tập thể, chợ, trung tâm thương mại, văn phòng, cơ sở nghiên cưu,

trường học…(nguồn: URENCO Hà Nội,2017)

Bảng 1.6 Các loại CTR đô thị ở Hà Nội năm 2011 [2;3]

- Các chất hữu cơ: rau

củ quả, rác nhà bếp hư hỏng…

- Một số loại khác

- Chôn lấp hợp vệ sinh

- Sản xuất phân hữu

cơ vi sinh: 60 tấn/ngày

- Tái chế: 10%, tự phát tại các làng nghề

13

1.2.2 Tính chất vật lý, hóa học của chất thải rắn sinh hoạt

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

a Độ ẩm

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

b Kích thước và sự phân bố kích thước

Kích thước và sự phân bố kích thước của các thành phần có trong chất thải rắn đóng vai trò quan trọng đối với quá trình thu hồi vật liệu, nhất là khi sử dụng

phương pháp cơ học như sàng quay và các thiết bị tách loại từ tính

c Khả năng tích ẩm

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

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

ra ngoài thành nước rò rỉ Khả năng tích ẩm sẽ thay đổi tùy theo điều kiện nén ép rác và trạng thái phân hủy của chất thải Khả năng tích ẩm của chất thải rắn sinh hoạt của khu dân cư và khu thương mại trong trường hợp không nén ra được có thể dao động trong khoảng 50-60% [11]

d Khối lượng riêng

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

đó, số liệu khối lượng riêng của chất thải rắn sinh hoạt chỉ có ý nghĩa khi được ghi chú kèm theo phương pháp xác định khối lượng riêng Khối lượng riêng của một số thành phần chất thải có trong rác sinh hoạt chứa trong thùng, có nén, hoặc không nén Khối lượng riêng của rác sẽ rất khác nhau tùy theo vị trí địa lí, mùa trong năm,

14

thời gian lưu trữ,… Do đó, khi xác định giá trị khối lượng riêng cần phải xem xét cả những yếu tố để giảm bớt sai số kéo theo cho các phép tính toán Khối lượng riêng của rác sinh hoạt ở các khu đô thị khoảng từ 178kg/m3

ĐặcTrưng Rác khu dân cư (không nén)

15

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

e Tính chất hóa học của chất thải rắn sinh hoạt

Đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương án xử lý và thu hồi nguyên liệu Ví dụ, khả năng cháy phụ thuộc vào tính chất hóa học của chất thải rắn, đặc biệt trong trường hợp chất thải là hỗn hợp của các thành phần cháy được và không cháy được Ví dụ, nếu muốn xử lí chất thải rắn làm nhiên liệu, cần xác định những tính chất cơ bản đối với thành phần cháy được trong chất thải rắn bao gồm: +/ Độ ẩm (phần nước mất đi khi sấy ở 105oC trong thời gian 1 giờ)

+/ Thành phần các chất rắn bay hơi (phần khối lượng mất đi khi nung ở 950oC trong lò nung kín)

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

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

1.2.3 Các phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị ở Việt Nam

Công tác thu gom CTR sinh hoạt đô thị trong những năm gần đây đã được các cấp chính quyền quan tâm nhưng do lượng chất thải ngày càng tăng, năng lực thu gom còn hạn chế cả về thiết bị lẫn nhân lực nên tỷ lệ thu gom vẫn chưa đạt yêu cầu

cụ thể: tổng lượng CTR sinh hoạt đô thị được thu gom, xử lý năm 2016 khoảng 33.100 tấn, đạt tỷ lệ khoảng 85,5% [3]

Theo báo cáo của Cục hạ tầng kỹ thuật, Bộ Xây dựng tính đến tháng 11/2016

cả nước có khoảng 35 nhà máy xử lý CTR tập trung tại các đô thị được đầu tư xây dựng và đi vào vận hành Tổng công xuất sử lý theo thiết kế khoảng 7.500 tấn/ngày

16

Các công nghệ xử lý chủ yếu là sản xuất phân compost (25 cơ sở), đốt (4 cơ sở) và kết hợp Bên cạnh các cơ sở xử lý CTR tập trung trong năm 2016, cả nước có khoảng 660 bãi chôn lấp CTR sinh hoạt và phần lớn rác tại các bãi chôn lấp chưa được phân loại tại nguồn [5]

- Phương pháp phân loại rác: Trước khi đưa rác đi xử lý cần được phân loại rác ngay tại hộ gia đình Việc phân loại CTR tại nguồn chưa có chế tài áp dụng và không đồng bộ cho các công đoạn thu gom, xử lý Hiện công tác phân loại CTR tại nguồn mới được thực hiện thí điểm ở một số phường ở các đô thị lớn [1]

- Phương pháp thu gom rác: Hoạt động thu gom, vận chuyển CTR sinh hoạt tại các đô thị được cung cấp chủ yếu bởi các công ty dịch vụ công ích, công ty môi trường đô thị, công trình đô thị và một phần do các doanh nghiệp tư nhân thực hiện

Ví dụ, tại thành phố Hồ Chí Minh, 50% lượng CTR sinh hoạt đô thị được thu gom bởi các công ty tư nhân hoặc các hợp tác xã, tổ đội; tại Hà Nội, tỷ lệ này khoảng 20% do các công ty tư nhân, hợp tác xã, tổ vệ sinh môi trường thực hiện [5]

Các phương pháp xử lý: Hiện nay đã có 05 công nghệ xử lý CTR đã được bộ xây dựng công nhận gồm: 02 công nghệ ủ sinh học làm phân hữu cơ( Seraphin và

An sinh - ASC); 01 công nghệ MBT-CD.8 (tạo viên nhiên liệu RDF); 02 công nghệ đốt (công nghệ ENVIC và BD-ANPHA)

Một số công nghệ được áp dụng phổ biến ở Việt Nam như: phương pháp chôn lấp, chôn lấp hợp vệ sinh, tái chế, công nghệ ủ sinh học sản xuất phân hữu cơ từ chất thải rắn sinh hoạt ….[3]

Trong các phương pháp xử lý và tiêu hủy CTR sinh hoạt trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, hiện nay chôn lấp là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên đây vẫn là một phương pháp còn chưa được tối ưu bởi nó tốn nhiều diện tích, xử lý không triệt để… Nên các phương pháp phân hủy đã và đang được quan tâm rất nhiều hiện nay bởi các nhà khoa học và các nhà quản lý

1.3 Tổng quan về bùn hoạt tính dư và tác dụng

1.3.1 Bùn hoạt tính dư (BHTD)

17

BHTD hay có thể hiểu với tên gọi khác là Bùn hoạt tính thải là một trong những sản phẩm phụ lớn nhất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Việc xử lý thứ cấp, chuyển hóa chất thải hòa tan thành vi sinh vật, thường được gọi là sự chuyển hóa các chất nền thành sinh khối Chất thải bùn hoạt tính bao gồm một lượng lớn sinh khối hình thành từ quá trình xử lý sinh học Một số tế bào vật chất của sinh khối không thể bị phân hủy do tính chất hóa lý và vật lý của chất cấu tạo nên nó [17]

Bảng 1.8 Một số đặc trưng điển hình của bùn hoạt tính [17]

bộ

Phần dầu mỡ có trong BHTD với hàm lượng khá cao từ 5 – 12 % với thành phần chủ yếu là các lipit Chất thải giàu lipit được biết đến là có giá trị BMP tiềm năng khí metan sinh học cao trong ba nguyên liệu chính của quá trình sản sinh khí metan là lipit, protein và cacbohydrat [17] Tuy nhiên sự thoái hóa của việc phân

2) Trong các hệ thống phân hủy yếm khí mẻ phản ứng làm việc liên tục, việc bẫy LCFAs trong các khối lượng sinh khối có thể dẫn đến sự tồn lưu sinh khối trong

lò phản ứng, sinh khối chưa kịp được phân hủy đã bị thải ra ngoài và kết quả là sự

rò rỉ sinh khối, thất thoát một lượng đáng kể vi sinh vật

3) Giá trị C/N của chất thải giàu lipit thường cao hơn rất nhiều so với giá trị tối ưu 25/1 được xác đinh bởi Parkin và Owen 1986 [21], dẫn đến việc thiếu chất dinh dưỡng thiết yếu cho suốt quá trình phân hủy yếm khí

1.3.2 Đồng phân hủy yếm khí sử dụng bùn hoạt tính dư trong xử lý bùn thải đô thị

Đồng phân hủy yếm khí là sự phân hủy yếm khí đồng thời hỗn hợp của hai hay nhiều chất hữu cơ, hoặc hỗn hợp bùn thải giàu hợp chất hữu cơ Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy lợi ích của đồng phân hủy yếm khí, ví dụ sự pha loãng tiềm năng các hợp chất có tính độc hại, cải thiện sự cân bằng các chất dinh dưỡng, ảnh hưởng kết hợp của vi sinh vật và mầm bệnh, tăng tải trọng chất hữu cơ phân hủy sinh học và năng suất khí sinh học tốt hơn Gần đây, việc đồng phân hủy yếm khí của nước thải và chất thải hữu cơ là một tiêu chuẩn thực hành ở Châu Âu [19] Giữa các nguyên liệu hữu cơ được nghiên cứu, sự đồng phân hủy yếm khí của bùn hoạt tính dư và phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị hay cách gọi khác là chất thải sinh học là chủ đề nghiên cứu phổ biến nhất để sản xuất hydro và metan Các nghiên cứu này cho thấy hàm lượng N của bùn thải có thể bổ sung cho sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng trong cùng một chất nền (ví dụ như chất thải sinh học), trong khi khả năng phân huỷ sinh học cao hơn của chất thải sinh học cho phép tăng khả năng sản sinh khí biogas Ngoài ra, phương pháp này còn tự cung cấp một nguồn

19

carbon dễ phân hủy sinh học, một lượng chất hoạt hóa được bổ sung của các giai đoạn khử nito và photpho Do đó sự đồng phân hủy yếm khí của bùn thải và chất thải sinh học là chìa khóa để tiếp cận thực hiện các phương pháp xử lý kết hợp bùn hoạt tính thải từ quá trình xử lý nước thải đô thị và chất thải sinh học [19]

Như vậy trước thực trạng về các loại bùn thải và chất thải phát sinh ngày càng lớn và những ưu điểm của phương pháp phân hủy kỵ khí nên tôi tiến hành nghiên cứu về khả năng đồng phân hủy kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư từ trạm xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt giàu hữu cơ để xử lý các loại bùn thải, rác thải nhằm thu hồi khí CH4 Khí CH4 là một loại khí có thể tái sử dụng làm khí đốt, phát điện, giảm chi phí trong xử lý chất thải và bảo vệ môi trường

1.4 Phương pháp lên men phân hủy yếm khí

1.4.1 Cơ sở quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân huỷ sinh học yếm khí là quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy với sự tham gia tích cực của các vi sinh vật yếm khí Sản phẩm của quá trình này là các loại khí metan, khí cacbonic, khí hydrosunfua, khí hydro và một số sản phẩn trung gian khác Trong quá trình phân hủy, một phần chất hữu cơ được các vi sinh vật sử dụng vào các hoạt động sinh trưởng và phát triển của chúng Bản chất quá trình phân hủy sinh học yếm khí rất phức tạp vì có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình tạo khí metan và đồng thời cũng có nhiều loại cơ chất hữu cơ có khả năng bị chuyển hóa thành khí sinh học Quá trình phân hủy yếm khí đã được phát hiện và nghiên cứu cùng với quá trình sinh học hiếu khí Từ thế kỷ 20, công nghệ sinh học yếm khí được ứng dụng để xử lý cặn bã thải cũng như các loại nước thải có hàm lượng chất bẩn cao với các công trình bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể tạo khí sinh học mê tan, các loại bể lọc sinh học yếm khí [6;15]

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

Lên men Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

Yếm khí

20

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

- Giai đoạn 1: Thủy phân

- Giai đoạn 2: Lên men axit

- Giai đoạn 3: Metan hóa

Thủy phân Lên men axit Sinh metan

Hình 1.1 Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí

 Giai đoạn 1: Thủy phân

Các chất hữu cơ có trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, lipit, cacbohydrat, xenlulozơ, lignin v.v….các chất này có thể tồn tại ở dạng hòa tan hoặc không hòa tan Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các Enzym ngoại bào thành các chất hữu cơ đơn giản có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các vi khuẩn ở giai đoạn tiếp theo [7]

Các phản ứng thủy phân ở giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz, pepton, peptit và axit amin; cacbohydrat thành các đường đơn; chất béo thành các axit béo chuỗi dài Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu nạp, mật độ vi khuẩn trong thiết bị và các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ….[7;8;9] Các phản ứng ở giai đoạn thủy phân:

Tinh bột amylaza Glucozơ

Xenlulozơ zenlulaza Mantozơ + Glucozơ

Aminoaxit

Amôn

Tổng axit bay hơi

Vi khuẩn

21

Lipit lipaza Tổng axit + Rượu đa chức

Protein proteaza Peptit proteaza Axit amin

 Giai đoạn 2: lên men axit

Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn thủy phân sẽ chuyển hóa thành axít axetic, hyđro và cacbonic bởi vi khuẩn lên men axit Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohydrat Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại

vi khuẩn cũng như điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxy hóa và khử hóa Vi khuẩn tạo axit axetic chuyển các axit no như axit propionic, butyric và rượu thành axit axetic, hidro và CO2 những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm vi khuẩn tạo metan

Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có một phần rất nhỏ chuyển thành CO2 và NH3, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm

 Giai đoạn 3: Sinh khí Metan

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

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

đó axít axetic là nguyên liệu chính với 70% metan được sinh ra từ nó Phần metan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ axit formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí Sản phẩm metan hình thành trong quá trình yếm khí trên cở sở tiêu hao chất hữu cơ và vì vậy tồn tại mối quan hệ trực tiếp giữa lượng chất hữu cơ đã phân hủy

và lượng metan tạo thành

1.4.2 Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí - biogas

Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí còn gọi là khí sinh học sản sinh ra

từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí, Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH4 chiếm một số lượng lớn và là

cơ trong điều kiện yếm khí có liên quan trực tiếp đến việc tạo ra khí metan [24]

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

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí bao gồm: điều kiện môi trường phân hủy (nhiệt độ, pH), mức độ khuấy trộn (chuyển khối), đặc trưng ô nhiễm của nước thải, thành phần dinh dưỡng, các yếu tố gây độc, ức chế vi khuẩn hoạt động và chế độ vận hành (tải lượng thủy lực, tải lượng hữu cơ… )

 Ảnh hưởng của pH và độ kiềm

Vi sinh yếm khí thuộc loại nhạy cảm với pH, trong đó vi khuẩn metan hóa là loại nhạy cảm nhất với khoảng pH tối ưu cho nó là 6,8 – 7,4 Do sự nhạy cảm của vi khuẩn metan hóa và sự dịch chuyển cân bằng của quá trình oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động không ổn định trong vùng pH thấp Ví dụ ở nồng độ axit cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lượng hữu cơ cao Nếu tốc độ hình thành axit cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H2) thì lượng axit tích lũy sẽ làm giảm pH

23

Giảm pH tiếp tục ảnh hưởng tiêu cực lên VK metan hóa và tiếp tục làm giảm pH môi trường phản ứng, pH thấp không những có tác động tiêu cực đến hoạt động của VSV mà trong điều kiện đó một loạt các chát hóa học có tính khử (chất cho điện tử) tồn tại ở trạng thái dễ bay hơi: axit hữu cơ, hiđrosun phua ở dạng trung hòa gây mùi, tại pH cao chúng tồn tại ở dạng phân ly

ưu cho sự phân hủy là ở 35 ºC, loại ưa nhiệt phát triển mạnh trong khoảng 50- 65

ºC, nhiệt độ tối ưu là 55 ºC Hệ thống phân hủy ưa ấm và ưa nhiệt là hai hệ thống thích hợp nhất cho quá trình phân hủy yếm khí, trong đó thì hệ thống ưa nhiệt có khả năng sinh nhiều khí biogas hơn [15;16]

Tăng nhiệt độ đối với phản ứng phân hủy yếm khí thu được nhiều ích lợi Khi tiến hành lên men ở điều kiện nhiệt độ cao sẽ làm tăng khả năng hòa tan của các hợp chất hữu cơ, tăng tốc độ các phản ứng sinh hóa và tăng cường khả năng tiêu diệt mầm bệnh Theo nghiên cứu của tác giả Bolzonella và cộng sự (2012) [15] khi tiến hành phân hủy yếm khí bùn hoạt tính trong điều kiện ưa ấm (35ºC) và ưa nhiệt (55ºC), kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ COD tăng từ 35% trong điều kiện ưa ấm lên đến 45% trong điều kiện ưa nhiệt Nghiên cứu của tác giả Cecchiet và cộng sự (1991), khi tiến hành xử lý bùn thải trong hai điều kiện phân hủy yếm khí với quá trình nạp liệu liên tục (thời gian thí nghiệm là 20 ngày) cho thấy tổng lượng chất rắn (VS) bị loại bỏ tăng từ 20% trong điều kiện ưa ấm lên 44% trong điều kiện ưa nhiệt [15;16] Tuy nhiên, tiến hành phản ứng phân hủy yếm khí ở điều kiện nhiệt độ cao cũng có một số yếu tố bất lợi như làm tăng nồng độ NH3 tự do dẫn đến ức chế khả năng hoạt động của vi sinh vật; các axít béo dễ bay hơi được sinh ra làm tăng pKa

sẽ gây ức chế cho hệ phản ứng Tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao thường phải duy trì nhiệt độ ổn định nên khó khống chế hơn so với tiến hành ở nhiệt độ trung bình

24

[15] Điều quan trọng trong tiến hành xử lý bằng phương pháp phân hủy yếm khí cả trong điều kiện ưa nhiệt hay ưa ấm là phải duy trì một nhiệt độ ổn định, sự thay đổi nhiệt độ đột ngột hay dao động đều đặn lên xuống trong một khoảng rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn sinh CH4 [15]

Hình 1.2 Nhiệt độ và các nhóm vsv tương ứng trong phân hủy yếm khí [15]

 Thời gian lưu trong quá trình phân hủy yếm khí

Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm Tuy nhiên tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm Quá trình phân huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định Vì thế người ta phải lựa chọn thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu

 Một số loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí

Những vi khuẩn yếm khí gặp ở tất cả mọi nơi trong thiên nhiên đặc biệt ở những nơi rác bẩn, cống rãnh…, ở những nơi có nhiều chất hữu cơ bị phân hủy Các nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí được chia thành hai nhóm: Nhóm vi khuẩn tạo axit và nhóm vi khuẩn sinh metan

Nhóm vi khuẩn tạo axit: Nhóm này bao gồm cả vi khuẩn yếm khí và vi khuẩn yếm

khí không bắt buộc

Ưa lạnh

Ưa ấm

Ưa nhiệt

25

Hình 1.3 Nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo axit [15]

Các vi khuẩn yếm khí loại này thường là gram (-), không sinh bào tử, chuyển hóa Polysacarit thành axit axetic, axit butyric và CO2, có một số loài còn sinh ra H2 [15]

Nhóm vi khuẩn sinh Metan: Những vi khuẩn này sống kỵ khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển chậm Các loài vi khuẩn sinh metan nói

chung có đặc tính là gram(-), không di động, đa số không sinh bào tử và kị khí rất

nghiêm ngặt

Hình 1.4 nhóm vi khuẩn tạo Metan [15]

26

 Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu ban đầu

Trong nước thải tồn tại thành phần chất hữu cơ tan và không tan.Thành phần hữu cơ tan được phân chia tiếp tục thành loại dễ và khó sinh hủy Thành phần khó phân hủy là những chất hữu cơ có phân tử lượng lớn, cần được chuyển hóa thành loại nhỏ hơn qua quá trình thủy phân để vi khuẩn axit hóa có thể tiêu thu được Để phân hủy các thành phần trên cần hệ hoạt động với tuổi bùn cao Đặc trưng quan trọng nhất của hệ xử lý yếm khí cao tải là khả năng tích lũy bùn, tăng thời gian lưu

tế bào

Hàm lượng tổng chất rắn (TS) của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân hủy, hàm lượng chất rắn hòa tan quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền [12]

Tỷ lệ cacbon và nitơ (C/N): Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 20 – 30 lần, tương ứng với đó là tỷ lệ C/N trong vùng thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí là 20/1 đến 30/1 và tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 25/1 là tối ưu [17;21;25] Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm Ngược lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng

độ cao

Quá trình phân hủy sinh học yếm khí có sự tham gia của rất nhiều vi khuẩn khác nhau, trong đó các vi khuẩn sinh metan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn yếm khí bắt buộc Quá trình phân hủy yếm khí cũng đòi hỏi thành phần dinh dưỡng như là photpho, nitơ, lưu huỳnh, vitamin và các yếu tố vi lượng như Fe, Ni, Mg, Ca, Ba, Tu, Mo, Se, Co Các yếu tố này nếu ở hàm lượng thấp sẽ kích thích sự sinh trưởng của vi sinh vật Tuy nhiên nếu ở hàm lượng cao sẽ trở thành yếu tố ức chế hoặc gây chết vi sinh vật Các yếu tố gây độc đến vi sinh vật yếm khí rất nhiều như là oxi, hydrocarbon có Clo, hợp chất có vòng benzen, focmandehit, axit bay hơi, axit mạch kéo dài, kim loại nặng

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

sẽ tạo điều kiện cho quá trình phân hủy diễn ra ổn định Sự phân hủy yếm khí xảy ra nhanh hơn đối với các chất hữu cơ có khối lượng phân tử nhỏ, dễ phân hủy và chậm

27

hơn đối với các chất có khối lượng phân tử lớn, khó phân hủy Ví dụ: rác nhà bếp và rác vườn sẽ khác nhau về khả năng phân hủy bởi rác vườn chủ yếu là cành lá cây với thành phần lignocenlulo khá lớn sẽ khó phân hủy hơn so với rác nhà bếp có độ

ẩm cao, chứa nhiều chất dinh dưỡng và có cấu trúc xốp hơn Hơn nữa, các chất ức chế có trong thành phần nguyên liệu đầu vào có thể làm giảm sự sinh trưởng của hệ

vi sinh vật hoặc làm ngừng toàn bộ hoạt động của chúng Trong quá trình lên men yếm khí xử lý chất thải hữu cơ, các chất ức chế như: chất kháng khuẩn và khử trùng, muối ăn, kim loại nặng ở nồng độ cao cần phải được loại bỏ nếu có thể Tuy nhiên, trong quá trình phân hủy yếm khí vi sinh vật vẫn cần sử dụng các yếu tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển của chúng nên trong một số trường hợp cần bổ sung thêm các yếu tố vi lượng như các kim loại thiết yếu cho sự hoạt động của vi sinh vật nếu nguyên liệu đầu vào bị hạn chế quá mức các yếu tố này

Bảng 1.10 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA,1979) [12]

28

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

Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí ta nhận thấy có một số chất gây ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí:

+/ Một số các hợp chất như CCl4, CHCl3, CH2Cl2… và các ion tự do của các kim loại nặng có nồng độ 1 mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật yếm khí

+/ Các hợp chất như formandehit, SO2, H2S với nồng độ 50 – 400mg/l sẽ gây độc hại với các vi sinh vật yếm khí trong công trình xử lý nước thải

+/ S2- được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo metan Vì S2- làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như Fe, Ni, Co, Mo… do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời các electron giải phóng ra từ quá trình oxi hóa các chất hữu cơ

sử dụng cho quá trình sunfat hóa và làm giảm quá trình sinh khí metan

+/ Các ion kim loại nặng, chúng đóng vai trò là các nguyên tố vi lượng giúp cho các vi sinh vật phát triển thuận lợi nhưng nếu vượt quá các giá trị cho phép sẽ gây độc cho các vi sinh vật yếm khí Người ta xác định được tính độc của các ion kim loại đến vi sinh vật này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni

 Quá trình phân hủy yếm khí và hiếu khí

Với cùng chung mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, ta có so sánh giữa xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí thì xử lý yếm khí có những lợi thế như ít tốn kém năng lượng vận hành, lượng bùn thải thấp, nhu cầu về thành phần dinh dưỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở dạng khí metan Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trưng: tốc độ chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hôi, tính ăn mòn cao và không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu được pH thấp Các ưu và nhược điểm của phân hủy yếm khí được thể hiện như ở Bảng 1.11 sau

29

Bảng 1.11: Ưu điểm và nhược điểm của phân hủy yếm khí so với hiếu khí [11]

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp do tốc độ

phát triển chậm và mức độ phân hủy nội

sinh cao

- Vi khuẩn có thể hoạt động theo mùa do

khả năng tồn tại dài ngày trong điều kiện

bị bỏ đói

- Giá thành xây dựng cao

- Thường phải cấp thêm nhiệt

- Thời gian lưu thủy lực dài

- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi và

ăn mòn cao

- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém

- Hình thành khí H2S

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

- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử lý

Hình 1.5 Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí [12]

Hệ thống yếm khí

Hệ thống hiếu khí

COD đầu

ra 10-30%

COD đầu vào 100%

Bùn thải 50-60%

30

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

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

Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí thực hiện trong không gian kín, môi trường khí do chính hoạt động của chúng tạo thành và có thành phần khác hẳn so với không khí Sản phẩm chính hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan Như vậy trước thực trạng về các loại bùn thải và chất thải phát sinh ngày càng lớn, trong khi đó với những ưu điểm của phương pháp phân hủy kỵ khí nên tôi tiến hành nghiên cứu về khả năng đồng phân hủy kỵ khí bùn bể phốt, bùn hoạt tính dư từ trạm xử lý nước thải và chất thải rắn sinh hoạt giàu hữu cơ để xử lý các loại bùn thải, rác thải nhằm đánh giá khả năng thu hồi khí metan có giá trị như một nguồn năng lượng tái tạo