Luận án tiến sĩ hóa học: Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí bùn thải đô thị và tiềm năng ứng dụng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TATChữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh Aco-D Đồng phân hủy sinh học ky khí | Anaerobic co-digestion AD Phân hủy sinh học ky khí Anaerobic digestion AKIZ Du

ĐẠI HOC QUOC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYEN QUANG MINH

KHÍ BUN THAI ĐÔ THI VÀ TIEM NANG UNG DUNG

LUAN AN TIEN Si HOA HOC

Hà Nội — 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYEN QUANG MINH

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 9440112.05

LUẬN AN TIEN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS DO QUANG TRUNG

2 TS PHUONG THAO

Hà Nội — 2023

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được trình bay trong Luận ánnày là trung thực Các kết quả nêu trong Luận án do nhóm nghiên cứu thực hiện chưađược công bố trong bat kỳ công trình nào của các nhóm nghiên cứu khác

Hà Nói, ngày tháng năm 2023

Tác giả Luận án

Nguyễn Quang Minh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Quang Trung, TS

Phương Thảo, những người đã tận tâm hướng dẫn khoa học, định hướng nghiên cứu

để Luận án được hoàn thành, đã động viên khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợicho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án

Tác giả bày tỏ sự kính trọng và lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học

trong Phòng thí nghiệm Hóa môi trường — Khoa Hóa học va Trung tâm ứng dụng

khoa học phân tich — Đại học khoa học tự nhiên đã đóng góp các ý kiến xây dựng và

trao đôi về các van đề lý thuyết cũng như thực tiễn dé Luận án được hoàn thiện Tác

giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Giảng viên Khóa đào tạo Sau đại

học của Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã bồi dưỡng,

vun đắp các kiến thức cần thiết giúp tôi cũng như các nghiên cứu sinh khác có được

những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong học tập cũng như trong nghiên cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Hải Phong, PTN KLAMAG

đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa đào tạo tiễn sĩ và hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn

bè, đã luôn bên tôi động viên khích lệ tinh thần và ủng hộ cho tôi, luôn mong muốn

cho tôi sớm hoàn thành Luận án

Tác giả Luận án

Nguyễn Quang Minh

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan

Lời cảm ơn

MUC ÏỤC do G5 ĂẤ 9 9 9 9 l0 0 0 0 0004.0009 0009.0096004 00009 600 1

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 2s se ssssesssrseessesserserssrssre 7

Danh mục Đảnng o- <5 << << 5 9 9 Ọ Họ HH T0 00 01000884 9

Danh mục hình vẽ, đồ thị - 2-5 << s2 s£s£s££s s£ssessesseseeseesessessesz 11 0/6967 ~ ÔỎ 13

1 LY do Chom Gốc ẽ.ẽ 4 13

2 Mục tiêu của đề tab eeccccceeccssssescsssseesssssesessssssessssssesssssvecessseesssssseessssseeseesseeees 14 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 ¿2E++z++2E++eertErxzerrrrreerrrre 14 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài -cccccccrrrteerrrrrrecree 15 5 Những đóng góp mới của đề tài 22-©222+2e+EEEEEeCEEEEEErrrrrkrrrrrrkrrree 16 CHƯƠNG 1 TONG QUAN wsscsssssssssssssessescessssssssssssssssessecsessssnssassussussecsesseessessenses 17 1.1.GIỚI THIEU CHUNG VE BUN THAI ĐÔ THỊ, 2¿- + 17 1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm bùn thải đô thị -s- seo 17 1.1.2 Các phương pháp xử lý và tái sử dụng bùn thải đô thị 20

1.1.2.1 Phương pháp chôn lấp -c22c2+++22EEEEEEEEESeeeerrrtrrrrrrrrrkkeeereed 21 1.1.2.2 Phương pháp phân hủy sinh HỌC cscscscsesesrsrsrererereeetekeereerereree 21 1.1.2.3 Xử lý bằng phương pháp Nhi€t rcccccccccccssssssssscssssssssssssssssssesssssssssssssssssssseesees 24 1.2.PHƯƠNG PHÁP PHAN HUY SINH HỌC KY KHÍ BUN THAI ĐÔ THỊ 27

1.2.1 Cơ sở của phương pháp phân hủy sinh học ky khí bùn thải 27

1.2.2 Phương pháp đồng phân hủy sinh hoc ky khí bùn thải 33

1.2.3 Các yếu tố ảnh hướng đến quá trình đồng phân hủy bùn thải 36 1.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt AG vescccscscscsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssessssssssssesssssssssseesess 36 1.2.3.2 Ảnh hưởng của PH ssseccsssssssssssssssssssssessssssssssessssssssssesssssssssssessesssssssvssssesssssvesess 36 1.2.3.3 Ảnh hưởng bởi kích thước bùn 2cccccccvcccceetttrrrrrrrkrkeeeerrrrree 37 1.2.3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ cacbon - nito (C/N) -c cccccccccccccccveseeeree 37

1.2.3.5 Ảnh hưởng của tải lượng hữu cơ (OLR) -©ccccccczeccccvcvsceeeree 381.2.3.6 Ảnh hưởng bởi thời giam WWeti.sescssssssssssssssssssssessssesssssssssssssssssesssesssssseessssessssees 391.2.4 Các nghiên cứu về phân hủy sinh học ky khí bùn thải đô thị ở Việt Nam

và trên thế giỚỉ s-2os52vedEE2AadEE22A999E223399E97249909223999057389900223990802283 057 39

1.2.5 Các thiết bị phân hủy sinh học ky khí bùn thải - 451.2.5.1 Thiết bị phân hủy sinh học ky khí khô và ướt -cccccccccccccceeerre 451.2.5.2 Thiết bị phân huy sinh hoc ky khí hoạt động theo mẻ, liên tục và bán

8/2/1088 n0n88 Ắ 46

1.2.5.4 Bề phân huy sinh học ky khí một bậc, hai ĐẬC «-«-«<c<cececse+ 47

1.2.5.5 Bề phân hủy sinh hoc ky khí một giai đoạn, hai giai đoạn - 4

1.3 ANH HUONG CUA KIM LOẠI NANG DEN QUÁ TRÌNH PHAN HUY SINH HỌC KY KHÍ CHAT THAI HỮU CƠ 5° 5° sss©se+s 48

1.3.1 Nguồn phát sinh kim loại nặng trong bùn thải đô thị 48

1.3.2 Cơ chế tác động của kim loại nặng đến sự sinh trưởng vi sinh trong quá

trình phân hủy sinh học ky khí bùn flhảÌ 5-5-5 se se se 49

1.3.2.1 Tác động của kim loại nặng đến phản ứng sinh hóa - 50

1.3.2.2 Tác động kim loại nang đến quá trình phân huy sinh học ky khí 51

1.3.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại đến quá trình phân hủy

sinh học ky khí trong và ng0àÏ TƯỚC <5 5< 5s se S996 959868559656 52CHƯƠNG 2 NOI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55

2.1 THIET BỊ NGHIÊN CUU VÀ HÓA CHẤTT -::::ccccccrrrrrrr 55

2.1.1 Thiết bị phân hủy sinh học ky khí quy mô phòng thí nghiệm 552.1.2 Thiết bị phân hủy sinh học ky khí quy mô pilof -s 562.1.3 Hóa chất sssssssssssessssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssscsssssscsssssssecssssssssssssesseees 582.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU -.ccc¿¿¿:::222222222EEEEvvrrrereeerrer 59

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu -« -°°22sse©2222xsse©ovvzssseesoose 60

2.2.1.1 Mô tả vi trí lấy HuẪM - ©2222 EEEEES+tEEEEE1111112111111111.11111111ccn.nryA 60

2.2.1.2 Phương pháp lấy mâu thực đị -¿ ©52ccc5cceettEEEEvveeerrrrrrrkeeeerre 62

2.2.2 Phương pháp thực ng hÏỆIm o.5 5-5525 s99 259459989685 8958 62

2.2.2.1 Nghiên cứu phân hủy sinh học ky khí bùn bề phot, bùn hoạt tính thải từ nhà

máy xứ LY nHước thải Sih ÏOQ[ các sketkekekekekkkkkkrkrkekkkkrerirkrrrrkrrke 62

2.2.2.2 Nghiên cứu dong phân hủy sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải vàbùn bể pphhối -©2222EE2222222+t11222EE11111111211122221T.11111112 CT1 re 632.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng đến quá trình phân hủy sinh học

ky khí hỗn hợp bùn hoạt tinh thải - bàn bể phối -ccccc¿+©cccc5ccceecccxe 632.2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các cặp kim loại nặng đến quá trình phân hủysinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải và bùn bể phốt - -5 65

2.2.2.5 Nghiên cứu anh hưởng của hỗn hợp Cu-Pb- Zn -Cr đến quá trình phan hủysinh hoc ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải - bùn bể phốt - 65

2.2.3 Phương pháp phan tich - 5-5 5< 5s S99 9 9555096 68858 65

2.2.3.1 Phương pháp phân tích kim loại nding cc+c+csceererereeeeeesee 66

2.2.3.2 Phương pháp phân tích chỉ số vi sinh VGt cescccssssscssssssssssssssssssssssssssssesseeeen 662.2.3.3 Phan tich thanh phan KDE SINH NOC wseeseseseseseseeeseseesesesesenenesesesececeseseseneneaeaees 66

2.2.3.4 Phuong pháp đánh gid rủi ro MOL ÍFỜN ccccccsccesrsreersrerrersreree 68

2.2.3.5 Phuong pháp đánh gia tinh tương quan giữa các kim loại 70

2.2.3.6 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứm -ccccccccc++ttrrrrrrree 70

CHUONG 3 KET QUÁ VÀ BAN LUẬN c 5c scssccsecssecssessee 71

3.1 DANH GIA RỦI RO Ô NHIEM KIM LOẠI NANG TRONG BUN THAI ĐÔ

EU N2 0.1, 100.10 aa 60

3.1.2.4 Chỉ số ô nhiễm đơn yếu tô (PI) so với giới hạn toi da kim loại nặng có trongtram tích (bùn thải) trong QCVN 43:2017/BTÌNMIT -ss5s<cssveveeeeeereree 6Ï3.1.3 Mối tương quan giữa các kim loại nặng trong bùn thải đô thị 823.2 KET QUA PHAN HUY SINH HOC KY KHÍ BUN HOAT TÍNH THAI, BUN

BE PHOT VA HON HỢP BUN HOAT TÍNH THAI - BUN BE PHÓT 83

3.2.1 Phân hủy sinh học ky khí bùn hoạt tinh thai, bùn bé phốt 833.2.1.1 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn lỏng đến khả năng sinh khí của bùn hoạt tính thải, bùn

bề phối trong quá trình phân hủy sinh học ky khí -cccccc-+©cccccscce+cccxs 8&43.2.1.2 Anh hưởng tỷ lệ ran lỏng và thời gian phân hity đến sự thay đổi tong chấtran và chất rắn bay hơi trong quá trình PHSH ky khi -cccccccccce 653.2.2 Đồng phân hủy sinh học ky khí bùn hoạt tính thai va bùn bé phốt 873.2.2.1 Đẳng phân huy sinh hoc ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải và bàn bề phốt

38//108///19/1-81/78/14/112/T000nnẺn8 ẦẦẦ.a 8&7

3.2.2.2 Dong phân hủy sinh hoc ky khí bùn hoạt tinh thải và bùn bề phốt trên thiết

[08//18/5877/72080 00 00nnẺn8 8&9

3.2.2.3 Su thay đổi tong chat ran TS và tổng chất rắn bay hơi VS 91

3.2.2.4 Sự thay đổi hàm lượng Phốt phoPhốt pho tổng (T- P) - 92

3.2.2.5 Sự thay đổi hàm lượng Nitơ tổng ( T-N) -©ccccccccecccccvveeeesrrrree 92

3.3 ANH HUGNG CUA KIM LOẠI NANG TỚI QUA TRINH DONG PHAN HUY

SINH HOC KY KHÍ BUN HOẠT TÍNH THAI VA PHAN BUN BÉ PHÓT 944

3.3.1 Anh hướng của các đơn kim loại tới quá trình đồng phân hủy sinh học

3.3.2 Ảnh hướng của cặp kim loại Cu-Pb đến quá trình đồng phân hủy sinh

NOC Ky KÍ, 6< 5< 5< 5< << << 9 9099 98994.09099898690989040906909000089499068000008 66 100

3.3.2.1 Anh hưởng của cặp kim loại Cu-Pb đến sự biến đổi TS, VS trong quá trìnhđông phân hủy sinh học ky khí cc¿+ 52222¿e+2EEEESSeeettEEEEESEeertrrrrrkeeerrrrrr 1003.3.2.2 Ảnh hưởng của cặp kim loại Cu-Pb đến COD trong quá trình phân hủy sinh

338,00 8S8Ẻ8SẼ8SẺ6 101

3.3.2.3 Anh hưởng của cặp kim loại Cu-Pb đến khả năng sinh khí sinh hoc trongquá trình đồng phân úy sinh học ky khí cccz++2EEveceettcEvvvseceeerrr 1023.3.3 Ảnh hưởng của cặp kim loại Zn-Cr tới quá trình đồng phân hủy sinh

HOC Ky, KÍ 5 <5 o< HH0 09000088 0085.0080009 000 104

3.3.3.1 Ảnh hưởng của cặp kim loại Zn-Cr đến sự biến đổi TS, VS trong quá trìnhong phân hủy sinh học kyy khí -+22SEEEEEESSeeeetrttrEEEEEtrkrkrrrrrrrrrrrree 1043.3.3.2 Anh hưởng cua cặp kim loại Zn-Cr đến COD trong quá trình phân hủy sinh

/2.7‹,8000nẼn8Ẻ88eh 105

3.3.3.3 Ảnh hưởng của cặp kim loại Zn-Cr đến khả năng sinh khí sinh học trong

quá trình phân hủy sinh hỌC Kỹ KhÍ - - cs+ckskskskekkekeEkekekeksrsrsrrerrrerke 107

3.3.4 Anh hướng của hỗn hợp kim loại Cu-Pb-Zn-Cr tới quá trình đồng phân

hủy Ky kkhÍ << 5 5 5< g0.09898905.06 5 000080080808080.00800.000000008 108

3.3.4.1 Ảnh hưởng cua hỗn hop kim loại Cu-Pb-Zn-Cr đến sự biến đổi TS, VS trong

quá trình đồng phân luúy sinh học ky khí cccz++2Evveceetttvvvvveceeerrr 1083.3.4.2 Anh hưởng cua hỗn hợp kim loại Cu-Pb-Zn-Cr đến sự thay đổi giá tri COD

trong quá trình phân hủy sinh học ky khí - ccc+c+csrsrererereeetetetesererersre 109

3.3.4.3 Anh hưởng cua hỗn hợp kim loại Cu-Pb-Zn-Cr đến khả năng sinh khí sinh

hoc trong quá trình phân hủy sinh học ky khí «sscssecceeeeeeeseeeerersre Ill

3.4 TIEM NANG UNG DUNG CAC SAN PHAM QUA TRINH PHAN HUY SINHHOC KY KHÍ BUN THAI ĐÔ THỊ TẠI HÀ NỘI 112

3.4.1 Dự tính lượng bùn thải sinh hoạt phát sinh 5 5<112

3.4.2 Đánh giá một số chỉ tiêu, thành phần dinh dưỡng trong bùn thải sau

3.4.3 Đánh giá thành phần khí biogas thu được và khả năng xử lý một số tạp0118.ì8i0(09 59:10 75 116

$0 ,ÔỎ 119

DE XUẤT VÀ KIÊN NGHỊ 2-2 s<©s£©Ss£ss©zssexsetssersserserssersee 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIÁ LIÊN QUAN

2)18007.00 0277757 121

TÀI LIEU THAM KHAO << s2 ©sssse©sseEsserseEssersserseessersee 122

7;0980000005 139

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TAT

Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

Aco-D Đồng phân hủy sinh học ky khí | Anaerobic co-digestion

AD Phân hủy sinh học ky khí Anaerobic digestion

AKIZ Du án nghiên cứu Việt — Duc German- Vietnamese Research

ProJect

BBP Bùn bề phốt

BHH Bùn hỗn hợp

BHT Bùn hoạt tính thải

BOD Nhu câu ôxi sinh hóa Biological Oxygen Demand

BS Mau bùn ban đầu

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường | Ministry of natural resources and

environment

COD Nhu cau oxi hóa hoá học Chemical oxygen demand

CSRT Thiết bi phản ứng khuấy liên tục | Continuously stirred tank reactor

DS Chất răn khô Dry solids

HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic Retention Time

KL Nha máy xử ly nước thai sinh

hoat Kim Lién

KN Sông Kim Ngưu

OLR Tải lượng hữu cơ Organic loading rate

QCVN Quy chuan Việt Nam National technical regulation of

Vietnam

SL Sông Lừ

SRT Thời gian lưu chất răn Solid Retention Time

TB Nha máy xử ly nước thai sinh

hoạt Trúc Bach

Tiêu chuân Việt Nam Vietnamese standard

TL Sông Tô Lịch

T-N Tong nito Total nitrogens

TOC Tổng các bon hữu co Total Organic Carbon

T-P Tổng phốt pho Total phosphorus

TS Tổng chat ran Total solids

TSS Tổng chat ran lơ lửng Total Suspended Solids

UASB Bê xử lý sinh học ky khí dòng | Upflow anaerobic sludge blanket

chảy ngược

UWWTD Chi dẫn về xử lý nước thải đô thị | Urban Waste Water Treatment

Directive

VFA Axit béo dé bay hoi Volatile fatty acid

VS Tổng chat ran dé bay hơi Total volatile solids

VSS Chat ran lơ lửng bay hoi Volatile Suspended Solids

VSV Vi sinh vat Microorganism

XLNT Xu lý nước thải

XLNTSH Xử lý nước thải sinh hoạt

YS Nha máy xử ly nước thải sinh

hoạt Yên Sở

DANH MỤC BANGBảng 1 1 Một số nghiên cứu quá trình đồng phân hủy sinh học ky khí 35Bang 1 2 Ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải của một số loại hình công nghiệp [109]

4 49

Bảng 2 1 Danh mục hóa chất - 22 5£ ©5£©+£2E2EE+EEEEEEESEESEEerExerkesrxrrrsees 58Bang 2 2 Tọa độ vi trí lấy Mau e.eeceecceccessessecsessessessecsessessessesssessessessessesseeseeseess 61

Bảng 2 3 Kế hoạch lay mẫu bùn thai đô thị Hà Nội ¿5-55 5c552 552 62

Bảng 2 4 Ký hiệu mẫu nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng đến quá trình phânhủy sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải - bùn bé phốt . - 64

Bang 2 5 Phương pháp phân tÍch - c3 3 S333 EEESkrerirrrrrrerrrrerree 65

Bảng 2 6 Chỉ số 6 nhiễm và mô tả sự ô nhiễm [84] 2-2 2 + s£s+£s2 5+2 68

Bang 3 1 Chỉ tiêu phân tích hóa lý của 3 nhóm bùn thải đô thị ở Hà Nội 71

Bang 3 2 Kết qua phân tích vi sinh vật (CEU/mL) - 2-2 2 2+s£s+zs+£+2 5+2 71

Bang 3 3 Kim loại nặng trong bùn thai đô thi (mg/kg) 5-5525 <++<+++2 75

Bảng 3 4 Các yếu tố ô nhiễm (Cfi) và mức độ ô nhiễm (Ca) -5-5- 79

Bang 3 5 Nguy cơ rủi ro sinh thái của kim loại trong bùn thai đô thỊ 80

Bảng 3 6 Kết quả phân tích chỉ số 6 nhiễm đơn yêu tổ (PI) của bùn thải 82Bang 3 7 Mối tương quan giữa các kim loại nặng trong bùn thải đô thị 82Bang 3 8 Thanh phần nguyên liệu bùn thải - 22 5¿©2+z22++cx++zxszsees 83

Bang 3 9 Kết qua thông số đầu vào và thành phan khí sinh hoc của quá trình phân

hủy sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải — bùn bé phốt - 88Bảng 3 10 Thành phan khí sinh học trong các mẫu sau 20 ngày phân hủy 90Bảng 3 11 Tiêu chuẩn thoát nước [ Ï7] - 2 2s2+s£+E++k+EE+£kerxexzrezrezrerree 112Bảng 3 12 Hệ số phát thải bùn thải theo công suất thực tế [5] - 112

Bảng 3 13 Lượng bùn phát sinh theo dân 86 cccccccscsssesssesssesssesstessesssesssecseeeseeens 113

Bảng 3 14 Ước tính lượng bùn thải phát sinh theo công suất các nhà máy xử lý nướcthải sinh hoạt trên địa bàn thành phó Hà Nội 2c ĂSSSS Sex 114Bang 3 15 Bun từ hệ thống thu gom nước thải và phân bùn bê phốt [ 10] 115

Bang 3 16 Dự báo lượng bùn thai đô thi phat sinh 5555 + c+csecss 115

Bảng 3 17 Kết quả thành phần dinh dưỡng của bùn sau xử lý ky khí Bảng 3 18 Thành phần khí biogas trước và sau xử lý -s¿csz+ss+cs+¿

10

DANH MỤC HÌNH VE, DO THỊHình 1 1 Các phương pháp xử lý bùn thải [137, 125] -5+++<<<>+<<<+++ 20 Hình 1 2 Các giai đoạn trong quá trình phân hủy sinh học ky khí [74] 27 Hình 1 3 Quy trình phân hủy sinh học ky khí [7⁄4] - - 5< +«<<+e<<sexseexsexs 32

Hình 1 4 Quá trình đồng phân hủy sinh học ky khí [73] -. : :z 34

Hình 1 5 Gian đồ về sự tan công của kim loại vào hai axit amin va Coenzyme M

-chất mang nhóm metyl trong quá trình tạo methanol [1 12] -. -sszs+ 50

Hình 2 1 (a) Sơ đồ thiết bị thực nghiệm: thiết bi phân hủy (1), ống dẫn khí (2), bìnhchứa khí (3), thang chia (4), van khí (5), bể chứa nước muối bão hòa (6), bề chứa (7);(b) Hình ảnh hệ thiết bi phân hủy sinh học ky khí quy mô phòng thí nghiệm 55Hình 2 2 Cau tạo bộ thiết bi phân hủy sinh học ky khí AKIZ: Binh phân hủy 50L

(1), Cửa nạp bùn (2), Mô-tơ cánh khuấy (3), Van xả bùn (4), Bình thu khí 1,5L (5),

Van an toàn (6), Van xả khí (7), Đồng hồ đo ap suất khí (8), Sensor - cảm biến vàđiều chỉnh đóng/xả khí (9), Hộp điện đo khí tự động (10) .- ‹- << 56Hình 2 3 Sơ đồ nghiên cứu của luận án ¿- ¿+2 +++x++zx+zx+erx++rxzrxeex 59Hình 2 4 Sơ đồ vị trí lay mẫu tại Hà Nội 2-2-2 2+EE+EEeEEerEerrkerkerrrex 60Hình 2 5 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng đến quá trìnhphân hủy sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải - bùn bé phốt 64Hình 2 6 Thiết bị phân tích khí sinh hỌc - - - 5+1 E3 **EESsserseeersererere 67Hình 3.1 Ham lượng kim loại các mẫu tại 19 điểm lây IẪU 2 2 255+x+xzx2 74Hình 3 2 Chi số tích lũy địa lý (Igeo) của một số kim loại nặng trong bùn thải đô thị

— 78

Hình 3 3 Đồ thị biểu diễn lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy sinh học kykhí tại nhiệt độ 25 — 30 °C: (a) bùn hoạt tính thải, (b) bùn bê phốt 84Hình 3 4 Tổng chất rắn của các mẫu bùn hoạt tính thải trong quá trình phân hủy sinh

hoc ky khi tai nhiét 46 100901 86

Hình 3 5 Tông chat ran bay hơi của các mau bùn thải trong quá trình phan hủy sinh

hoc ky khí tại nhiệt độ 25 — 30 C, - +11 111191111111 111 1 HH ng HH nệt 86

Hình 3 6 Biéu đồ lượng khí sinh học phát sinh trong quá trình phân hủy 88

II

Hình 3 7 Biéu đồ biểu diễn lượng khí sinh ra theo thời gian phân hủy hỗn hop bùn

ẹaiaẳđaiáaẳaầaiầaẳiđáẳiẳẳẳiẳẳdẳdẳẢddáa i.ồẮỀÕẮÕẼÕÕẼÃỶÃỶÃ 90

Hình 3 8 Sự thay đổi giá trị TS, VS của hỗn hợp bùn thải phân hủy 91

Hình 3 9 Sự thay đổi giá trị T-P trong thời gian phân hủy -:5+ 92 Hình 3 10 Sự thay đổi giá trị T-N trong thời gian phân hủy . - 93

Hình 3 11 Tổng chat rắn và tổng chất ran bay hơi của mẫu PHSHKK 96

Hình 3 12 Biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của kim loại Cu, Pb, Cr và Zn đến chỉ tiêu COD trong quá trình phân hủyy 6 <4 3 219 HH HH HH rưệt 98 Hình 3 13 Biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của kim loại Cu, Pb, Cr và Zn đến đến [4.80138301848318 0 99

Hình 3 14 TS, VS trong quá trình phân hủy yếm khí của mẫu Cu-Pb 100

Hình 3 15 COD trong quá trình phân hủy yếm khí của mẫu Cu-Pb 102

Hình 3 16 Ảnh hưởng của cặp kim loại Cu-Pb đến thé tích khí sinh ra (T-NI) 103

Hình 3 17 TS, VS trong quá trình phân hủy sinh học ky khí của mẫu Zn-Cr 104

Hình 3 18 COD trong quá trình phân hủy yém khí của mẫu Zn-Cr 106

Hình 3 19 Ảnh hưởng của cặp kim loại Zn-Cr đến thể tích khí 107

Hình 3 20 TS, VS trong quá trình phân hủy yếm khí của mẫu Cu-Pb-Zn-Cr 109

Hình 3 21 COD trong quá trình phân hủy yém khí của mẫu Cu-Pb-Zn-Cr 110

Hình 3 22 Ảnh hưởng của kim loại Cu-Pb-Zn-Cr đến thẻ tích khí sinh ra (TN3)111 Hình 3 23 Hình ảnh bếp sử dụng khí sinh học sau khi xử lý sau 3 tháng 117

12

MO DAU

1 Lý do chọn dé tài

Trong những năm gần đây, bùn thải đô thị (bùn nạo vét, bùn hoạt tính thải từtrạm XLNTSH, bùn bê phốt, ) ngày càng tăng đang trở thành mối quan tâm nổi bậtcủa Việt Nam cũng như trên Thế giới Việc xử lý bùn thải đô thị đặc biệt khó khăn

và gây ra những nguy cơ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Với các nước pháttriển có hệ thống thoát nước đồng bộ nên lượng bùn thai đô thị tại các quốc gia nàycũng không quá lớn cùng với quy định về việc xử lý triệt để nước thải đô thị nên hạnchế bùn nạo vét, lượng bùn phát sinh tập trung từ trạm xử lý nước thải chiếm tỷ trọng

cao nhất Ngược lại, với các nước chậm và đang phát triển như ở châu Phi và châu Á

hệ thống thu gom và xử lý nước thải đô thị còn hạn chế do đó lượng bùn nạo vét lớn,bùn xử lý nước thải sinh hoạt phát sinh cao Bùn thải đô thị thường tích lũy các chấtđộc hại như: các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc vô cơ (chủ yếu gồm Cu, Zn, Pb,

Cd, Cr, As, Ni, và một số nguyên tố xa hiém khác); các chất gây 6 nhiễm có

nguồn gốc hữu cơ (tiêu biéu nhất gồm: Polychlorinated biphenyls, Polychlorinated

dibenzodioxins/furans, Polyaromatic hydrocacbons, các chất hoạt động bề mặt) và

tác nhân gây bệnh (vi khuẩn, virus, ký sinh trùng, trứng giun sán)

Có nhiều phương pháp xử lý bùn thải đô thị khác nhau đã được áp dụng tại cácnước như: phương pháp chôn lấp, phương pháp nhiệt, phương pháp phân hủy sinhhọc Phương pháp chôn lấp lại ưu tiên sử dụng tại các nước có nền kinh tế chưa pháttriển như Malta (100%), Romani (95%), Hy lap (95%) [29] Thậm chi, bùn thai không

qua xử ly được xả thai trực tiếp ra môi trường là thực trạng không phải hiếm gặp tại

nhiều nước chưa phát triển khác như ở châu Phi, châu Á [38, 136] Hiện nay, ViệtNam cũng sử dụng phương pháp chôn lấp này là chủ yếu Tuy nhiên, phương phápnày đòi hỏi quỹ đất chôn lấp rat lớn và chưa thể xử lý triệt dé các thành phần nguyhại như mầm bệnh, hợp chất hữu cơ khó phan hủy, kim loại nặng trong bùn thải Việc

áp dụng công nghệ đốt bùn thải là không khả thi do đầu tư và vận hành tốn kém và

quản lý kiểm soát ô nhiễm không khí rất phức tạp Hơn thế nữa các thành phần hữu

cơ, dinh dưỡng có trong bùn thải sinh hoạt không được tái sử dụng.

13

Bun thải đô thị có hàm lượng chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho khá cao, có

thể sử dụng thu hồi năng lượng và tái sử dụng phần sản phẩm còn lại trong cải tạo

đất nông nghiệp là một trong những định hướng phổ biến nhất hiện nay Phương pháp

phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trong việc ôn định bùn thải bùn thải đô thị

hiện nay là phân hủy sinh học ky khí [29] Tại châu Âu, khí sinh học sinh ra trongquá trình phân hủy sinh học ky khí ổn định bùn thải đô thị, khí hóa chất thải rắn, được sử dụng như nguồn năng lượng thay thế, ước tính tiềm năng sản xuất khí sinhhọc ở châu Âu vượt 200 tỷ mỶ mỗi năm [23] Từ đó, cho thay uu diém cua phuongpháp nhằm thu hồi nguồn năng lượng và tận dụng bùn sau phân hủy cho mục đíchnông nghiệp Khó khăn ở đây là một số loại bùn thải có tích lũy kim loại nặng có khả

năng ức chế hoạt động của vi sinh vật trong quá trình phân hủy sinh học ky khí, do

đó cần có những đánh giá cụ thê hơn về ảnh hưởng của kim loại đến quá trình phân

hủy sinh học ky khí.

Đề tài “Nghiên cứu quá trình phân hi sinh hoc ky khí bùn thải đô thị vàtiềm năng ứng dụng” được lựa chọn dé nghiên cứu chuyên hóa bùn thải đô thị thànhkhí sinh học đáp ứng yêu cau bảo vệ môi trường, hướng tới phát trién bền vững

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án:

- _ Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học ky khí: bùn hoạt tính thải, bùn bể

phốt và hỗn hop bùn hoạt tính thải — bùn bé phốt nhằm thu hồi năng lượng

và đánh giá tiềm năng ứng dụng

- _ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim loại nặng Cu, Pb, Zn, Cr tới quá trình đồng

phân hủy sinh học ky khí.

- anh giá tiềm năng ứng dụng các sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học

ky khí hỗn hợp bùn thải đô thị.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bùn thải đô thị Hà Nội, chủ yếu là trầm

tích các sông thoát nước chính của Hà Nội (sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Kim Ngưu),

14

bùn hoạt tính thải từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt (nhà máy xử lý nước thải

Kim Liên, Trúc Bạch và Yên Sở) và phân bùn bề phốt (Urenco 7- Cầu Diễn)

* Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu một số nội dung chính sau:

- Nghiên cứu, đánh giá đặc điểm hóa lý, sinh học và hàm lượng kim loại nặng

của bùn thải đô thị.

- Nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học ky khí của bùn bé phốt

- Nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học ky khí bùn hoạt tính thải từ nhà máy

xử lý nước thải sinh hoạt

- Nghiên cứu khả năng đồng phân hủy sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính

thải - bùn bề phốt

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các kim loại nặng đến quá trình đồng phân hủy

sinh học ky khí hỗn hợp bùn hoạt tính thải và phân bùn bề phốt

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

*Y nghia khoa hoc

- Góp phan đánh giá mức độ 6 nhiễm kim loại nặng trong: bùn thải trên hệ

thống sông tiếp nhận nước thải điển hình của Hà Nội, bùn thải từ nhà máy xử lý nướcthải sinh hoạt và phân bùn bê phốt

- Tìm được điều kiện thích hợp dé 6n định bùn thải đô thi bằng phương pháp

phân hủy sinh học ky khí.

- Đánh giá được tác động của kim loại nặng đến quá trình đồng phân hủy sinh

học ky khí bùn hoạt tính thải và phân bùn bề phốt

* Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả đánh giá rủi ro ô nhiễm kim loại nặng trong bùn thải đô thị giúp cho

các nhà quản lý có cơ sở khoa học để hoạch định chính sách về quản lý bùn thải đô

thị nói chung.

- Kết quả nghiên cứu đồng phân hủy sinh học ky khí bùn bé phốt và bùn hoạttính thải từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đô thị sinh khí metan có thê áp dụng

15

xử lý triệt để bùn thải đô thị đảm bảo vệ sinh môi trường đồng thời tạo nguồn nănglượng tái tạo góp phần vào quá trình tăng trưởng xanh và kinh tế tuần hoàn.

- Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng kim loại nặng đến quá trình ôn định bùn thảibăng phương pháp phân hủy sinh học ky khí cho phép đưa ra quy trình định hướng

xử lý bùn thải đề thu hồi khí sinh học và sử dụng bùn thải vào mục đích nông nghiệp

5 Những đóng góp mới của đề tài

- Đưa ra các điều kiện thích hợp của quá trình đồng phân hủy sinh học ky khíhỗn hợp bùn hoạt tinh thải — bùn bé phốt sinh khí CH¡

- Đánh gia ảnh hưởng kim loại nặng Zn, Cu, Pb, Cr, Cd, As trong bùn thải đô

thị đến môi trường sinh thái và ảnh hưởng kim loại Zn, Cu, Pb, Cr đến quá trình đồngphân hủy sinh học ky khí bùn bé phốt và bùn hoạt tính thải

16

CHƯƠNG 1 TONG QUAN1.1 GIGI THIEU CHUNG VE BUN THAI DO THI

1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm bùn thai đô thị

a) Nguồn gốc phát sinh bùn thải đô thị

Hau hết khắp nơi trên Thế giới, lượng bùn thải đô thị ngày càng lớn do dân số,quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa gia tăng [100] Với mong muốn chung củatoàn xã hội là bảo vệ nguồn nước mặt không bị ô nhiễm bởi nước thải, các nhà máy

xử lý nước thải được thiết kế dé làm sạch nước thải thô và tách nó ra khỏi chất ran vàcác chất gây ô nhiễm khác, đồng thời trả lại phần nước đã xử lý về nước bề mặt hoặc

tái sử dụng cho một số mục đích khác Phần rắn còn lại của quá trình này được gọi là

bùn thải (theo Nghị định số 38/2015/NĐ-CP), bùn thải có thé ở dạng khan, khô hoặc

các dạng đã qua xử lý Mặt khác, trong quá trình tồn lưu và vận chuyền nước thải tới

nhà máy xử lý, tại các hệ thống này đã tích tụ một lượng tram tích đáng ké Cùng vớibùn thải phát sinh từ quá trình vận chuyên, tồn lưu, xử lý nước thải là phân bùn bể

phốt từ các hộ gia đình, khu chế xuất, khu dịch vụ, bệnh viện, v.v cũng được thu

gom xử lý Bùn thải đô thị có nguồn gốc phát sinh từ nhiều nguồn nên có thể phân

loại bùn thải đô thị thành 3 nhóm chính sau:

- Bin bể phốt (BBP): phát sinh từ hệ thống bê phốt sử dụng xử lý nước den,

vệ sinh tại công trình xây dựng trong các đô thị.

- Bùn nạo vét: phát sinh từ các hệ thong cống, rãnh, ao, hồ, sông trong hệ thong

thoát nước thải đô thị.

- Bùn hoạt tính thải từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt (BHT): phát sinh

từ các công đoạn trong quy trình xử lý nước thải sinh hoạt đô thị Đối với loại hìnhbùn thải phát sinh từ các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, dựa vào tính chất,chất lượng bùn thải mà có quy định quản lý riêng và không nằm trong bùn thải đô thị

Thông thường tỷ khối của bùn bê phốt, bùn nạo vét, bùn hoạt tính thải trong

phụ thuộc vào mô hình thoát nước, trình độ phát triển hạ tầng đô thị của mỗi mộtquốc gia Ở Châu Âu, việc thực hiện Chi thị Xử lý Nước thải Đô thị 91/271 / EEC

[47] dẫn đến sản lượng bùn thải tăng 50%, từ 5,5 triệu tấn chất khô vào năm 1992 lên

17

9 triệu tấn chất khô vào cuối năm 2005 Do sử dụng mô hình thoát nước và xử lýnước thải tập trung nên thành phần bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn xử

lý nước thải và bùn nạo vét, bùn phát sinh từ bé phốt chiếm tỷ lệ rất nhỏ Ước tính

trung bình một người dân đô thi thải ra 90 g bùn khô/ngày [23].

Tại Việt Nam, lượng nước thải sinh hoạt qua xử lý trước khi thải ra môi trường

rất thấp Theo báo cáo của Ngân hàng thé giới (2013) tong lượng nước thải sinh hoạtphát sinh từ khu vực đô thị trên địa bàn thành phố gần 900.000 m?/ngay đêm Tổng

công suất thiết kế của các trạm xử lý nước thải đô thị đang vận hành khoảng 284.800m?/ngay đêm, như vậy khối lượng nước thải được xử lý tương đương khoảng 31,58

% [10], hệ số phát sinh bùn hoạt tính thải là 0,45-1 % [60] Như vậy lượng bùn sinh

ra tương ứng khoảng 1279 -2842 m? bùn hoạt tính thải/ngày đêm Lượng bùn này

được coi là bùn thải nguy hại, phương pháp xử lý chủ yếu là chôn lấp Ngoài ra, bùn

bé phốt cũng chiếm một tỷ lệ nhất định trong bùn thải đô thi tại Hà Nội với khoảng

trên 517 m3/ngay, được xử lý tại trạm xử lý Cầu Diễn là 300 m3/ngày đêm Cũng theo

Sở Xây dựng Hà Nội 2019, Thủ đô hiện mới chỉ có 7 nhà máy xử lý nước thải, đáp

ứng được 22 % số lượng nước thải ra hằng ngày, còn tới 78 % đang được xả thắng ra

môi trường Do tỷ lệ nước thải được xử lý thấp nên lượng bùn thải phát sinh từ trạm

xử lý nước thải chiếm tỷ trọng nhỏ trong bùn thải đô thị Hơn nữa, hệ thống thoát

nước đô thị không đồng bộ dẫn tới bùn nạo vét phát sinh với lượng lớn và là thành

phần chính trong bùn thải đô thị tại thành phố Hà Nội cũng như các tỉnh thành khác

trên cả nước.

b) Đặc điểm bùn thải đô thị

Thành phần và tính chất của bùn thải đô thị phụ thuộc phần lớn vào loại và tảilượng ô nhiễm ban đầu của nước thải, công nghệ xử lý Với sự phát thải bùn thải đôthị phụ thuộc vào trình độ phát triển đô thị, mật độ dân cư cũng như sự phát triển của

hệ thống hạ tầng đô thị Do đó, bùn thải đô thị tại mỗi đô thị, mỗi quốc gia có nhữngđặc điểm riêng biệt Hơn nữa, đặc trưng tính chất của bùn thải đô thị phụ thuộc vàothời tiết, vào mùa cho nên sự khác biệt về vùng miền càng thê hiện rõ rệt hơn Ngoài

ra, đặc điểm của bùn thải đô thị tại các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt còn thé

18

hiện ở công nghệ xử lý nước thải được áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn xử

lý khác nhau có những đặc điểm khác nhau Tại châu Âu, bùn hoạt tính thải từ cácnhà máy xư lý nước thải sinh hoạt giai đoạn sơ bộ thường có các chỉ số hóa lý: pH 5

- 8, TS 20 - 80 g/kg, VS 12 — 64 g/kg, tổng nito 0,3 — 3,2 g/kg, tổng phốt pho 0,16 —

2 g/kg [61] Ở giai đoạn xử lý sinh học bùn thải có đặc điểm hóa lý: pH 6,5 — 8, TS

8,3 - 11,6 g/kg, VS 4,9 — 10,2 g/kg, T-N 0,2 — 0,58 g/kg, T-P 0,23 — 1,28 g/kg [61].

Ở Việt Nam, bùn thải đô thi chủ yếu là bùn nạo vét từ các hệ thống thoát nước song

Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ và một số nhánh sông trong thành phó Bùn thảisông Kim Ngưu có tính chất đặc trưng như: pH 7,04 - 7,41, CODt 79.910 — 83.033

mg/L, TS 192 235 g/kg, VS 47,04 61,57 g/kg, NOx 192 212 mg/L, POa? 494

-522 mg/L [9] Bên cạnh đó, bùn thải đô thị có chứa các chất có giá trị như nito, phốt

pho và chất hữu cơ với nồng độ cao cần được tái sử dụng cải tạo đất nông — lâm

nghiệp hoặc làm phân bón hữu cơ.

Bùn thải đô thị còn tích lũy các chất gây ô nhiễm như: các chất gây ô nhiễmnguồn gốc vô cơ, nguồn gốc hữu cơ và các tác nhân gây bệnh [60] Các chất gây ônhiễm có nguồn gốc vô cơ gồm các kim loại nặng Một số chất xạ hiếm trong bùn

thải đô thị phát sinh từ phân và nước tiêu của bệnh nhân xạ trị [60] Kim loại nặng

như: Pb, Cd, Zn, As, Cr, Ni, Cu với hàm lượng của Pb 13 — 26.000 mg/kg, Cd 1 - 410

mg/kg DS, Zn 101 — 49.000 mg/kg DS As 1,1 - 230 mg/kg DS, Cr 10 — 990.000

mg/kg DS, Ni 2 — 5.300 mg/kg DS, Cu 84 — 17.000 mg/kg DS [61] Các chất cónguồn sốc hữu cơ: bùn thải đô thị có chứa hơn 300 hợp chất hữu cơ khác nhau [152].Hop chất hữu cơ tiêu biểu gồm: Polychlorinated biphenyls 65 - 157 mg/kg DS,

Polychlorinated dibenzodioxins/furans 330 — 4.245 mg/kg DS, Polyaromatc

hydrocacbons <0,1 - 2000 mg/kg DS và các chat hoat động bề mặt [38] Tác nhângây bệnh: vi khuẩn, virus và ký sinh trùng

Bùn thải đô thị với thành phần dinh dưỡng cao, là nguồn nguyên liệu tiềmnăng dùng cải tạo đất nông - lâm nghiệp Trên thế giới, các quốc gia đang nỗ lựcnghiên cứu tái sử dụng ngu6n bùn thải đô thị với mục tiêu giảm lượng bùn thải phát

thải trực tiếp hoặc gián tiếp ra môi trường Do đặc điểm tích lũy nhiều chất gây ô

19

nhiễm do đó các phương án quản lý bùn thải đô thị hết sức khó khan, là rào cản trongviệc sử dụng bùn thải đô thị cho mục đích nông nghiệp [77] Dé giảm thiểu và tái sửdụng có hiệu quả bùn thải đô thị cần có nhiều nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tácnhân gây hại tiến đến loại bỏ các tác nhân gây hại, đưa ra quy trình quản lý nguồn

thải thích hợp.

1.1.2 Các phương pháp xử lý và tái sử dụng bùn thải đô thị

Xử lý bùn thải là một phương pháp đáp ứng các yêu cầu tái chế tài nguyên

hiệu quả mà không cung câp các chât độc hại cho con người hoặc môi trường.

: Phương pháp

chon lap

Hot chảy

- Than sinh hoe

Nhiệt phan - Dầu sinh học

về văn hóa, lịch sử, địa lý, luật pháp, chính trị và tình hình kinh tế của mỗi quốc gia,mỗi vùng miền Các phương pháp xử lý bùn thải hiện nay được nêu trong hình 1.1

1.1.2.1 Phương pháp chôn lấp

Phương pháp chôn lấp bùn thải vẫn được sử dụng phổ biến trên thé giới, nhất

là đối với những nước nghèo va đang phát triển Các loại bùn thải xử lý chôn lấp

trong các bãi chôn lấp hợp vệ sinh hoặc không hợp vệ sinh Bãi chôn lấp được xây

dựng theo Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 261:2001 về bãi chôn lấp chất thải rắn —tiêu chuẩn thiết kế do Bộ Xây dựng ban hành Thông thường, bãi chôn lap bao gồm:lớp lót chống thấm, hệ thống thu hồi và xử lý nước ri, các công trình phụ trợ chống

sự phát tán mùi sang các khu vực lân cận Loại hình bãi chôn lấp thường sử dụng

chôn bùn thải gồm:

- Bãi chôn lắp ướt: là bãi chôn lắp dùng đề chôn lap các chat thải có dạng bùn

nhão (chất thải dạng bùn nhão chiếm trên 60%)

- Bãi chôn lắp hỗn hợp khô — ướt: là bãi chôn lắp dùng dé chôn lấp các chat thảithông thường và chất thải dạng bùn nhão (chất thải bùn nhão chiếm tỷ lệ 20-60%)

Ở Việt Nam, bùn thải đô thị chủ yếu được xử lý bằng phương pháp chôn lấp

Tuy nhiên, do lượng bùn thải đô thị ngày càng phát sinh nhiều làm cho diện tích đấtdành cho chôn lắp ngày càng bị thu hẹp Mặt khác, việc quản lý và xử lý bùn thải khókhăn dẫn đến còn tồn tại đáng kê việc đồ trộm bùn thải tại những khu vực ven sông,nơi bãi đất trống v.v gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Với xu thế phát triển trênthé giới, Việt Nam cần có những nghiên cứu chuyền đối tái sử dung bùn thải

1.1.2.2 Phương pháp phan huy sinh học

Phân hủy sinh học là sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ dưới tác động củacác vi sinh vật [101] Các vi sinh vật biến đồi cơ chất thông qua các quá trình trao đôichất hoặc enzym, dựa trên hai quá trình chính là: đồng hóa và dị hóa

Phân hủy sinh học là một phương pháp chuyên hóa sinh học được sử dụngrộng rãi do chi phí thấp và khả năng tận dụng chất thải hữu cơ có độ âm cao Các quátrình sinh hóa truyền thống thường xảy ra trong môi trường tro ở nhiệt độ ưa nhiệt dé

21

ôn định bùn với các chất cặn của quá trình được sử dụng cho mục đích nông nghiệp

[137].

e Phương pháp phân húy sinh học hiéu khí (composting)

Phương pháp phân hủy sinh học hiếu khí là phương pháp sử dụng các vi sinh vật

hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong mẫu thải trong điều kiện được cung

cấp oxy liên tục Quá trình phân hủy sinh học hiếu khí có thé xảy ra ở điều kiện tựnhiên hoặc nhân tạo Quá trình phân hủy sinh học có thé được tiến hành độc lập hoặckết hợp với quá trình phân hủy sinh học ky khí đề kết hợp những ưu điểm của cả quá

trình phân hủy sinh học ky khí và hiếu khí dé tối ưu hóa qua trình phân hủy [75].

Năm 2000, nhóm nghiên cứu P Kosobucki và cộng sự, đã nghiên cứu làm

phân compost từ bùn ướt nhăm loại bỏ các độc chất và vi sinh vật có hại [83] Nhómtác giả S.M L Moretti (Brazil, 2015) đã nghiên cứu cải thiện tính chất hóa học và

sinh học của bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt thông qua quá trình ủ phân

bùn thải có chất thải từ việc cắt tỉa cây [104]

Tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu bùn thải để làm phân compost

như công trình nghiên cứu của Nguyễn Thanh Bình và cộng sự (2015) [4], nhóm đã

tiễn hành ủ phân compost từ bã bia và bùn thải đạt độ én định và hoại mục sau 50ngày, cho compost sau ủ có thành phần dinh dưỡng cao, hàm lượng kim loại nặng đạttiêu chuẩn cho phép Năm 2015, tác giả Lê Thị Kim Oanh và cộng sự (2015) [11]nghiên cứu quá trình phân hủy hiếu khí bùn thải sau khi tách nước của các trạm xử

lý nước thải cá da trơn kết hợp với phụ gia là rơm rạ hoặc mạt cưa Nhóm nghiên cứu

của tác giả Nguyễn Mậu Thành (2015) [14] đã nghiên cứu thành công phân compost

với nguyên liệu bùn thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn kết hợp với bèo lụcbình có chế phâm sinh hoc EcoCleanTM 501 Nhóm nghiên cứu của tác giả Phan Thị

Thanh Thủy (2017) [18] minh chứng được hiệu qua của phân compost từ vỏ lụa của

hạt điều khi kiểm nghiệm trên cây đậu đen Nhóm Tran thi thu Hiền va cong su [8]

đã nghiên cứu quá trình làm phân compost hiếu khí từ bùn của nha máy xử ly nước

Hà Thanh kết hợp phân bò, trau và chế phẩm EM cho độ thut giảm thể tích 59,5 %

22

Từ những dẫn chứng trên thé giới và Việt Nam, cho thay phương pháp phânhủy sinh học hiếu khí 6n định chất thải, làm mắt hoạt tính của các vi sinh vật gâybệnh, thu hồi chất dinh dưỡng và cải tạo đất, thích hợp với nhiều loại cây trồng Tuynhiên, hàm lượng chất dinh dưỡng trong quá trình ủ không đạt yêu cau, quá trình ủ

có thé tạo mùi hôi, làm mat mĩ quan, phân ủ phụ thuộc nhiều vào khí hậu, thời tiết,quá trình phân hủy diễn ra phức tạp, nhiều giai đoạn

e Phương pháp phân hiy sinh học ky khí

Phân hủy sinh học ky khí là phương pháp ổn định bùn thải phát sinh từ cáctrạm xử lý nước thải cũng như bùn thải đô thị Phương pháp có ưu điểm phân hủy

triệt dé các tác nhân gây 6 nhiễm có nguồn gốc hữu cơ trong bùn thải Phương phápnày thực hiện tại nhiệt độ 12 — 60 °C, thời gian kéo dài từ 7 ngày đến 35 ngày vớihiệu suất chuyên hóa chất hữu cơ đạt 40 -70 % [125] Các quá trình sinh hóa theo

truyền thống thường xảy ra trong môi trường không có oxy ở nhiệt độ trung bình(nhiệt độ trung bình) dé 6n định bùn với các chất cặn thu được sau quả trình được sửdụng cho mục đích nông nghiệp [122, 137] Bên cạnh đó, sản phẩm của quá trình cònsinh ra khí sinh học Đây là nguồn năng lượng tái sinh có ứng dụng sinh nhiệt, phátđiện Vì vậy, khi xử lý bùn thải đô thị thường kết hợp các loại hình chất thải khác chủyếu là rác thải hữu cơ nhằm tối ưu quá trình sinh học cũng như hỗ trợ quá trình phânhủy sinh học ky khí diễn ra trong điều kiện tối ưu nhất

Hiện nay, trên thế giới lượng khí sinh học thu được trong xử lý bùn thải bằng

phương pháp phân hủy sinh học ky khí đã vượt 200 tỷ m? khí mỗi năm [23] Phương

pháp phân hủy sinh học ky khí ổn định bùn thải đô thị đã và đang trở thành một

phương án tối ưu trong hệ thong quản lý chat thải đô thị [35] Đã có nhiều nghiên cứuđược 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 phân

hủy sinh học ky khí nhằm đạt hiệu quả cao nhất Tuy nhiên, dé đạt được hiệu quả như

mong muốn, các mô hình cần được xác lập dựa trên điều kiện cụ thé của từng vùng

miên và quôc gia khác nhau.

23

1.1.2.3 Xử lý bằng phương pháp nhiệt

Các phương pháp xử lý chuyên đổi nhiệt hóa có thời gian phản ứng ngắn hơncác phương pháp phân hủy sinh học, nó diễn ra nhanh cỡ từ giây đến phút Sự phânhủy nhanh chóng và có kiểm soát phần lớn chất hữu co (80 %) trong môi trường tro,oxy hóa hoặc oxy hóa một phần là một trong những lợi ích chính của các quá trìnhnhiệt này so với phân hủy sinh học [122] Xử lý bùn thải bằng phương pháp nhiệt tậndụng năng lượng sinh ra từ bùn thải và giảm lượng chất thải tại các bãi chôn lấp Tuynhiên phương pháp đòi hỏi chi phí xử lý cao, khó có thé mở rộng Nhóm phươngpháp nhiệt được phát triển xử lý bùn thải bao gồm: phương pháp nhiệt phân(pyrolysis), phương pháp khí hóa (gasification) và phương pháp đốt (combustion)

[61].

e©_ Phương pháp đốt

Công nghệ đốt xử lý bùn thải ngày càng được phát triển mạnh với mong muốngiảm 90 % khối lượng bùn và tiêu diệt mầm bệnh [150] Việc sử dụng lò đốt xử lý

bùn thải được chú ý nhiều hơn do nhu cầu giảm sử dụng đất canh tác để sử lý chất

thải [137] Trên thị trường trước đây phô biến kiểu lò tầng sôi (fluidized bed furnaces)

áp dung xử lý bùn thải Thời gian gần đây, kiểu lò quay (rotary skiln) với nhiều ưuđiểm xử lý bùn thải với độ âm cao đã được sử dụng khá phé biến Nguyên tắc đốtcháy nhiên liệu rắn bao gồm làm khô, nhiệt phân, đốt cháy chất bay hơi, đốt cháy

than, nấu chảy tro và kết tụ Các giai đoạn này xảy ra tuần tự hoặc đồng thời tùy thuộc

vào cau hình, điều kiện thiết bị phân hủy và đặc tính nhiên liệu Một số biện pháp làmsạch khí thải và kiểm soát hạt phải được tích hợp dé giảm thiểu việc giải phóng cáckim loại này nhưng một số nguyên tố dễ bay hơi như thủy ngân, cadimi và chì có thêđược giải phóng dưới dạng hơi Hơn nữa, việc sử dụng tro hoặc xỉ tiếp theo cho cácứng dụng khác cũng phải được phản ánh, đặc biệt là những loại có hàm lượng phốt

pho cao và các hợp chất độc hai không đáng kể như kim loại nặng hoặc hydrocacbon

thơm đa vòng (PAH) có thé được sử dụng dé cải tạo nông nghiệp hoặc xây dựng,ngành công nghiệp Đồng sử dụng bùn với các nhiên liệu khác như than đá, sinh khối,chất thải rắn khác, dầu nhiên liệu hoặc khí đốt đã được nghiên cứu như một biện pháp

24

tránh chi phí cao liên quan đến các thiết bị phân hủy chuyên dụng, một con đường dé

giảm lượng khí thải carbon ròng từ các nhà máy điện than, tăng nhiệt tri và nâng cao

hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống [41] Trong những trường hợp này, khảnăng kinh tế và kỹ thuật của việc đồng sử dụng phải được nghiên cứu một cách

nghiêm túc, chú ý đến ảnh hưởng với hiệu quả hoạt động, sự hình thành chất ô nhiễm,phát thải khí thải và các van đề liên quan đến tro dé đáp ứng các tiêu chuẩn chấp nhận

được đối với năng lượng, môi trường và lợi nhuận tài chính trong suốt các giai đoạn

xử lý của nó.

e Phương pháp nhiệt phân

Nhiệt phân là sự phân hủy hoặc biến đồi chất của vật liệu ở nhiệt độ cao trongmôi trường trơ [85] Nó được sử dụng để sản xuất dầu sinh học, than rắn và nhiên

liệu khí, đây được gọi là phương pháp khí hóa không hoàn toàn [81] Nó liên quan

đến việc chuyên hóa bùn thải không có không khí ở nhiệt độ hoạt động vừa phải(350-600 °C), mặc dù tôn tại một số thiết bị phân hủy nhiệt phân hoạt động ở nhiệt

độ cao hơn lên đến 900 °C [123] Sản phẩm thu được của quá trình nhiệt phân baogồm các sản phẩm ở dạng khí, lỏng và rắn Sản phẩm khí là hỗn hợp các khí CHa,

CO, H: Sản phẩm lỏng với thành phan chính là dầu đen, có thé chứa thêm axitaxetic, axeton và rượu Sản pham dang ran thu được gồm than đen, một lượng nhỏ

cacbon tỉnh khiết và chất trơ

Tiềm năng sử dụng bùn ướt trực tiếp trong các thiết bị phân hủy nhiệt làm chocông nghệ vi sóng rat hap dẫn, tuy nhiên việc mở rộng quy mô công nghệ vẫn còn là

một thách thức Tuy vậy, tốc độ gia nhiệt, chất xúc tác và nhiệt độ phản ứng khác

nhau trên bùn thải đã được áp dụng để tối đa hóa các sản phẩm lỏng như đã được

nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu khác nhau [97].

Đối với các mô hình xử lý bằng phương pháp nhiệt phân, sản phẩm dạng khíthường được quay vòng sử dụng như nhiên liệu dé bù đắp nhiệt cho quá trình nhiệt

phân Bởi vậy, phương pháp nhiệt phân hoạt động theo nguyên tắc khép kín nên hạn

chế được sự phát tán khí thải vào môi trường Tuy nhiên việc sử dụng nó dé xử lýbùn thải chưa được thiết lập tốt và cần nghiên cứu thêm về các phương pháp xử lý,

25

tối ưu hóa điều kiện vận hành và giảm thiểu hơn nữa kim loại nặng trong chất lỏng

và các sản pham dạng khí

e Phương pháp khí hóa

Quá trình nhiệt hóa chuyển đổi hàm lượng hữu cơ của bùn thải thành các khí

có giá trị cao như Hạ va CO được gọi là khí tổng hợp, cũng như CO2, CHa, HO va

các hydrocacbon khác là cơ sở chính dé khí hóa Phan ứng này xảy ra trong môitrường phản ứng oxy hóa một phần ở nhiệt độ cao (800-1000 °C) [118] Quá trìnhkhí hóa có thé được thực hiện bang cách sử dụng không khí, carbon dioxide, oxy, hơi

nước, hoặc hỗn hợp của các loại khí đó Các nghiên cứu trước đây đã xác định rằng

tác nhân khí hóa có tác động đáng kế đến nhiệt trị của khí tổng hợp thu được nằmtrong khoảng từ 4-12 MJ / Nm với giá trị gia nhiệt cao nhất được chiết xuất từ quátrình khí hóa oxy [127] Khí sản phẩm có thê được sử dụng trực tiếp dé sưởi ấm hoặcphát điện thông qua động cơ nhiệt hoặc có thé được xử lý thêm dé tổng hợp hóa chất

hoặc nhiên liệu lỏng.

Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng xử lý bùn thải thu hồi nguồn

nhiên liệu sạch đồng thời không làm phát sinh các chất hóa học nguy hại như NOx,

SỐ¿, tro bay, kim loại nang, dioxins, furans

Phương pháp khí hóa với các ưu điểm nhất định cũng là giải pháp được ápdụng phổ biến trên qui mô công nghiệp đối với bùn thải công nghiệp cũng như bùnthải đô thị tại các nước phát triển

Như vậy, phương pháp phân hủy sinh học ky khí là một phương pháp chuyền

hóa sinh học được sử dung rộng rãi do chi phí thấp và khả năng tận dụng bùn thải có

độ âm cao mà không làm giảm nhiệt trị cao của khí sinh học được sinh ra Khí sinh

học thu được từ bề phân hủy có thể được làm sạch và nâng cấp hơn nữa dé tạo ra khí

metan sinh học có thé thay thế trực tiếp cho khí đốt tự nhiên hoặc khí sinh học có théđược chuyền đổi thành nhiệt và điện thông qua đồng phát bằng thiết bị phân hủy

nhiệt Các quá trình sinh hóa theo truyền thống thường xảy ra trong môi trường trơ ở

nhiệt độ ưa nhiệt dé ôn định bùn với các chất cặn quá trình được sử dụng cho mụcđích nông nghiệp Trong khi đó, các công nghệ đốt, nhiệt phân và khí hóa đòi hỏi quá

26

trình sấy tiêu tốn nhiều năng lượng, kiểm soát khí thải tốn kém Những nhược điểmnay làm tăng tinh phức tạp, chi phí đầu tư và giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượngcủa các công nghệ này Do đó, với điều kiện kinh tế xã hội, phân hủy sinh học ky khívan là phương pháp tối ưu nhất cho van đề xử lý bùn thải ở Việt Nam.

1.2 PHƯƠNG PHAP PHAN HUY SINH HOC KY KHÍ BUN THAI ĐÔ THỊ

1.2.1 Co sở của phương pháp phan hủy sinh học ky khí bùn thải

Quá trình phân hủy sinh học ky khí diễn ra trong bốn giai đoạn chính là thủyphân, sinh axit, sinh axetat và sinh metan Sự phân hủy nguyên liệu đầu vào trong

trường hợp không có oxy được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự kết hợp của các vi sinhvật có mặt trong từng giai đoạn của quá trình phân hủy, dẫn đến sự hình thành chấtphân hủy (nguyên liệu đã phân hủy) và hỗn hợp khí bao gồm khí CH¿ là thành phan

chính [161] Trình tự phản ứng chính trong các bước này được minh họa như sau:

Hình 1 2 Các giai đoạn trong quá trình phân hủy sinh hoc ky khí [74]

Giai đoạn thủy phân

Quá trình thủy phân dé cập đến sự phân cắt các liên kết hóa học bằng cách bổ

sung nước Các cation và anion phản ứng với các phân tử nước, làm thay đôi độ pH

27

trong quá trình tạo ra sự phân cắt các liên kết H-O Thủy phân là bước đầu tiên trongquá trình PHSHKK Đây là một bước tương đối chậm có thể hạn chế tốc độ của toàn

bộ quá trình phân hủy, đặc biệt là khi bùn thải được sử dụng có nhiều chất hữu cơkhó phân hủy; phản ứng liên quan đến bước này được đưa ra trong Phương trình (1)

[159]:

(CøHioOs) n + n HO — n C¿H¡2Os + n Hà (1)

Phương trình (1) là quá trình thủy phân xenlulozơ (CøH¡oOs) bằng cách thêmnước (H20) dé tạo thành glucozơ (CøH¡zO¿) là sản phẩm chính và giải phóng Ho.Phản ứng được xúc tác bởi các axit đồng thể hoặc dị thé dé tao ra một monosacaritlên men rất hữu ích, đó là CøH:zOs (glucose) Phản ứng này liên quan đến thực tế là

CsH¡2Os được tạo ra có thé tiếp tục trải qua các phản ứng liên tiếp dé tạo ra các hợp

chất như axit formic CHzO2a, hydroxymetyl furfural CsH6O3 và axit levulinic CsHsOs,

là những hợp chất hữu cơ có giá trị được sử dụng dé sản xuất nhiều loại hợp chất

khác Phản ứng trong phương trình (1) thực sự liên quan đến việc phá vỡ các liên kếtB-1, 4-glycosid, đây là một bước thiết yếu dé chuyên đổi cellulose vì nó mở ra khảnăng chuyền đổi xúc tác Các loài có mặt trong xúc tác axit đồng nhất hoặc dị thê là

các anion proton (H*) và hydroxit (OH-) là kết quả của sự phân ly nước và phản ứng

với các phân tử cellulose dé tạo ra một số sản phẩm Liên hệ sự tương tự này với giai

đoạn thủy phân của quá trình PHSHKK, các hợp chất hữu cơ không hòa tan như

cellulose chứa trong chất nền được chuyền đổi (thành các hợp chất hữu cơ hòa tan);các vi sinh vật có nhiệm vụ chuyển đổi các chất hữu cơ không hòa tan trong HạOđược hòa tan dé làm cho các liên kết hóa học bị phá vỡ dé hình thành các hợp chat

hòa tan có thể được sử dụng bởi các tế bào vi khuẩn [143] Một số sản phẩm được

hình thành từ giai đoạn thủy phân (chang hạn như H› và CHạCOO”) có thé được sửdụng trực tiếp bởi methanogens, trong khi những sản phẩm khác, bao gồm các phân

tử tương đối lớn hơn, được chuyền đổi thành các phân tử nhỏ hơn như axit axetic

CH3COOH CH3COO' và Ha được tạo ra trong giai đoạn thủy phân đều được sử dụng

bởi các vi sinh vật lên men trong giai đoạn tiếp theo nơi các hợp chất hữu cơ chuỗi

cao hơn như VFA được hình thành.

28

Giai đoạn sinh axit

Đây là giai đoạn lên men, trong đó các hợp chất hòa tan hình thành trong giaiđoạn thủy phân bị phân hủy và chuyên hóa thành CO: và H› thông qua vi khuân đượcgọi là vi khuẩn sinh axit (vi sinh vật lên men); axit quan trọng trong giai đoạn này làCH3COOH, và nó là axit hữu cơ quan trọng nhất được sử dụng làm cơ chất bởi các

vi sinh vật tạo CH¿ [143] Trong khi đó, việc sản xuất axit béo dễ bay hơi (VFAs)tăng lên khi pH của quá trình > 5, quá trình sản xuất etanol (C2H:OH) được đặc trưngbởi độ pH thấp hơn < 5 với quá trình phản ứng dừng lại ở độ pH < 4 [27] Phươngtrình (2)-(4) trình bày trình tự phản ứng tóm tắt giai đoạn sinh axit của PHSHKK

[28]:

C¿H¡2Os <> 2 CH3CH20H + 2 CO: (2) C¿H¡2Os + 2 Hạ < 2 CH3CH2COOH + 2 HO (3)

C¿H2Os — 3 CH3COOH (4)

Các nghiên cứu đều khó có thể đưa ra sự khác biệt rõ ràng giữa các phản ứngtao axit và tạo axeton vì ca hai phan ứng đều được đặc trưng bởi việc tạo ra H2 vaCH3COO,, là cơ chất của vi khuẩn sinh metan [27] Vi khuẩn sinh axit và axeton

thuộc về một loài vi khuẩn có liên quan đến nhóm lớn và đa dạng của cả vi khuẩn ky

khí tùy ý và bắt buộc Những sinh vật này có thé sống trong cả điều kiện hiếu khí và

ky khí với micrococcus, peptococcus, streptococcus, desulfomonas va escherichia

coli trong số các loài được phân lập từ quá trình AD; tuy nhiên, yếu tố chính quyếtđịnh vi khuẩn chiếm ưu thế là đặc điểm của chất nền được sử dụng làm nguyên liệu

[27].

Giai doan sinh axetat

Sản phẩm thai của quá trình tao axetat là khí H› được hình thành trong giai đoạn

sinh axit của quá trình PHSHKK do đó giai đoạn này còn được gọi là giai đoạn khử

hydro Sự trao đôi chất của vi khuẩn acetogen bị ức chế bởi khí H› được tạo ra Tuynhiên, khí Ha có thé được tiêu thụ bởi vi khuân sản xuất CH¿ dé hoạt động như vikhuan thu hồi hydro có thê chuyên đổi một số vi khuân thành CH, [20] Chuỗi phản

29

ứng liên quan đến giai đoạn này của PHSHKK được biểu diễn bang các phương trình

(5)— (7) [159]:

CH3CH2COO + 3 H20 <> CH3COOTM + H + HCO3~ + 3 H2(5)

C¿H¡2Os + 2 H20 <> 2 CH3COOH + 2 CO¿ + 4 Ha (6) CH3CH20H + 2 H20 < CH3COOTM + 3 Ha + Ht (7)

Có thé suy ra từ các phương trình (5)- (7) là các phản ứng hai chiều cho thấy sự giảiphóng Ha Phương trình (5) chỉ ra rang các sản phẩm của pha axit được chuyên đổithành axetat (CHzCOO”) va hydro (Ha), những chất này có thể được vi khuẩn sinhmetan sử dụng trong giai đoạn tiếp theo của quy trình PHSHKK; các vi khuẩn như

Methanobacterium suboxydans và Methanobacterium propionicum thực sự là

nguyên nhân gây ra sự phân hủy các sản phẩm của pha axit thành axetat (CH3COO )

và H› được giải phóng trong phan ứng thé hiện tác dụng độc đối với các vi sinh vậtthực hiện quá trình tạo axetat [53] Điều này tạo ra sự cộng sinh cần thiết cho vi khuẩn

tạo acetogen va metan dé sử dụng H› được giải phóng trong quá trình này Giai đoạn

tạo acetogen của PHSHKK cũng quan trọng không kém vì nó phản ánh hiệu quả sản

xuất khí sinh học do khoảng 70% CH, được hình thành thông qua quá trình khử

CH3COO,, đây là sản phẩm trung gian chính của quá trình phân hủy; khoảng 25%

CH:COO” và khoảng 11% Hạ được hình thành trong giai đoạn tạo axetat của AD

[53] Tuy nhiên, điều quan trọng là phải nêu rõ rằng các VFA được tạo ra trong giai

đoạn trước sẽ được phân hủy thêm trong giai đoạn này bằng cách bắt buộc các vi sinhvat tạo axetat sinh hydro dé tạo ra CH3COOH, CO; và Hạ Điều này là do một sỐlượng HaO từ các giai đoạn trước vẫn có săn và hoạt động như một nguồn điện tử dé

tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyền đôi VEA [129]

Giai đoạn sinh metan

Đây là giai đoạn thứ tư và cũng là giai đoạn cuối cùng của quá trình PHSHKK.Giai đoạn này vi khuẩn chuyên hóa CH3COOH và Hs thành COa va CH¡; vi khuẩnchịu trách nhiệm cho quá trình chuyên đổi này được gọi là methanogens và chúng lànhững vi khuẩn ky khí nghiêm ngặt rất dé bị ton thương trước một lượng nhỏ oxy

Các methanogens rất quan trọng đối với các quá trình AD vì chúng phát triển chậm

30

và cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi của môi trường Chúng có thé hấp thụ vàphân hủy các chất nền đơn giản nhất Một số loài sinh methan đáng chú ý là

Methanobrevibacter rumimanHum, M bryantic, M thermoautotrophicum, Methanogenium cariaci và M marinsnigri, v.v [82] Do các giai đoạn trước giai

đoạn metan sinh khí chỉ chuyền đổi chất hữu cơ từ dang này sang dạng khác nên tải

lượng ô nhiễm hữu cơ xét về nhu cầu oxy hóa học (COD) hoặc nhu cầu oxy sinh hóa

(BOD) được giảm đáng ké nhờ quá trình ky khí trong giai đoạn sinh metan do đó hiệuquả quá trình sinh metan thường được hiểu là loại bỏ hiệu quả 6 nhiễm carbon [27].Phương trình phản ứng biểu thị điều kiện diễn ra trong giai đoạn sinh metan của cácquá trình PHSHKK được biểu diễn như sau [159]:

CH:COOH — CH¿ + CO¿ (8) CO» + 4 H2 — CHa + 2 H20 (9)

2 CH3CH2OH + CO; — CH¡ + 2 CH3COOH (10)

Phương trình đầu tiên (8) cho thay sự chuyên hóa CH:COOH thành CH¡ và COz COa

tạo thành được khử thành CH¿ thông qua khí H2 trong phương trình thứ hai (9) va

cuối cùng là phương trình (10), cho thay quá trình tạo ra CH, bằng cách khử carboxyl

hóa CH;CH;OH Vi khuẩn sản xuất metan có thé được chia thành hai nhóm cụ thé là

acetophilic và hydrophilic; phần trước mô tả quá trình tạo CH¿ bằng cách khử

carboxyl hóa axetat trong khi phần sau phản ánh quá trình tạo CH, bằng cách khử

Hz/CO› [63] Có sáu con đường chính trong giai đoạn sinh metan Mỗi con đường

chuyên đổi một cơ chất khác nhau thành khí CH¿ và các cơ chất chính được sử dụng

trong giai đoạn này là axit axetic (CH3COOH), axit methanoic (HCOOH), carbon dioxide (COz), dimetyl sulfat ((CH3)2SO.4)), metanol (CH30H)) và metylamin (CH3NHz2) [130].

Trong môi trường tự nhiên, vi sinh vật sinh khí CH4 được tìm thấy tại nhữngnơi có sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ trong điều kiện thiếu O› như khu vựcđầm lay hay tram tích sông, hồ, biển Ngoài ra, vi sinh vật sinh khí CH, cũng đượctìm thấy trong dạ dày của loài động vật nhai lại Hệ vi sinh vật phân hủy chất hữu cơsinh khí CH¿ là hệ vi sinh vat ky khí Do chúng chỉ sống, sinh trưởng và hoạt động

31

trong môi trường không tôn tại oxi Khi năng lượng được giải phóng trong quá trìnhphân hủy của chất hữu cơ trong điều kiện không có oxi, nếu trong hỗn hợp tồn tại 1/7

tỷ lệ vi sinh vật hiếu khí so với vi sinh vật ky khí sẽ làm cho tốc độ phát triển của hệ

vi sinh vật ky khí bị chậm lại [31] Ngoài ra, quá trình này cũng phụ thuộc hoàn toàn

vào sự hoạt động tương hỗ và kết hợp phức tạp của tập đoàn vi sinh vật trong việcchuyền hóa tối đa chất hữu cơ thành CO¿ va CH¡

mm CH¡ sinh học

- Phát điện

- Nhiệt Bùn thải

Cung cap: nhiệt;

enzym hoặc vi sinh vật

Hình 1 3 Quy trình phân hủy sinh học ky khí [74]

Bùn thải được khử nước có thể sử dụng trực tiếp đưa vào thiết bị phân hủysinh học ky khí Với mục đích tối đa hóa việc thu hồi năng lượng và hỗ trợ quá trình

chuyền hóa chat ran hữu cơ dé bay hơi trong bề phân hủy có thé tiến hành tiền xử lý

bùn thải bằng phương pháp nhiệt, axit hóa, kiềm hóa trước khi đưa vào thiết bị phânhủy sinh học ky khí Bé phân hủy chỉ đơn giản là một bé kín không khí, nơi các visinh vật được hỗ trợ bởi các chất xúc tác vật lý, sinh học hoặc hóa học (nhiệt, enzym

hoặc dung môi) dé phân hủy các chất hữu cơ trong bùn thải Khí thải ra là khí sinh

32

học được tạo thành từ 60-70% metan, 30-40% carbon dioxide và các nguyên tổ vi

lượng của các khí khác (H2S) [25] Sản lượng metan thu được từ bùn thay đôi trong

khoảng 80-377 mL CH4/gVS tùy thuộc vào nguyên liệu, số ngày phân hủy, nhiệt độquy trình và các phương pháp tiền xử lý được sử dụng [64] Khí sinh học với hàmlượng metan cao có thé được thu hồi dé sản xuất nhiệt và điện bằng cách sử dụng lòhơi, tuabin và máy phát điện hoặc được nâng cấp để sử dụng làm khí metan sinh hoc

Các nghiên cứu của Aryal và Kvist [25], cho thay tiềm năng nâng cấp khí sinh

học lên 97,55% metan băng cách sử dụng máy lọc khí Đồng thời, phần còn lại sauquá trình phân hủy này có hàm lượng dinh dưỡng cao (phốt pho, kali và nitơ), có thểđược sử dụng làm phân trộn hoặc phân bón cho các mục đích cải tạo đất và nôngnghiệp nếu phù hợp với tiêu chuẩn môi trường Tiềm năng sử dụng năng lượng thuđược từ chất thải này trong kế hoạch xử lý nước thải có khả năng bù đắp khoảng 50%

năng lượng hoạt động được sử dụng trong các cơ sở đó [103] Ngoai ra, năng lượng

có thé được sử dụng từ các nguồn khác hoặc bán cho lưới điện Việc sử dụng khí sinhhọc này góp phần giảm phát thải khí nhà kính vốn xảy ra trước đây do đốt cháy hoặckhông sử dụng khí sinh học có nguồn gốc như truyền thống

1.2.2 Phương pháp đồng phân hủy sinh học ky khí bùn thải

Đồng phân hủy sinh học ky khí (Aco-D) là quá trình phân hủy đồng thời của hai

hay nhiều hỗn hợp cơ chất và đồng cơ chất Thông thường, các quy trình phân hủy

sinh học ky khí được thiết kế cho một chất nền duy nhất Tuy nhiên, sử dụng nhiềuloại chất nền giúp quá trình 6n định hơn

Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu quá trình đồng phân hủy bằng

cách sử dụng các hỗn hợp khác nhau của các chất thải công nghiệp, nông nghiệp và

thành thị [140] Quá trình Aco-D đã cải thiện đáng kế khả năng sinh khí sinh học vàtạo khí CHa Bên cạnh đó, Aco-D có thé cải thiện sự ôn định của quá trình, cân bangdinh dưỡng va tác động đồng thời của vi sinh vật, đồng thời có thé giảm phát thải khínhà kính và chi phí xử lý [68] Hơn nữa, với mục đích tối ưu hóa sản xuất khí metan,việc lựa chọn tỷ lệ trộn thích hợp cũng rất cần thiết Các nghiên cứu phân hủy sinhhọc ky khí sinh khí CH, thường không tốn chi phí và có thé lặp lại nhiều lần Nó đã

33

được sử dụng rộng rãi dé đánh giá kha năng phân hủy sinh học, sản lượng CH¡, tốc

độ phản ứng, mức độ hoạt động ky khí, ảnh hưởng của việc tiền xử lý và ảnh hưởngcủa việc trộn với các tỷ lệ cơ chất khác nhau [144] Bảng 1.1 cho thay một số côngtrình nghiên cứu đồng phân hủy sinh học ky khí và so sánh lượng khí metan sinh ra

Chat nền hữu cơ A Chất nền hữu cơ B

Sản pham trung gian

(Propionate, Butyrate)

Hình thành

axetat

34

Bảng 1 1 Một số nghiên cứu quá trình đồng phân hủy sinh học ky khí

Nguyên liệu Điều kiện Năng suất sinh khí sinh học TLTK

Sự đồng phân hủy của hai chat nền này với

Nhiệt độ :

Bùn thải và tỷ lệ 75:25 đã tăng cường đáng kê việc tạo

„ , Jtrung bình

chât thải răn (25°C 30 khí sinh hoc Ty lệ tạo khí metan tăng 37% | [132]

đô thị °C) đạt được bang cách đồng phân hủy so với

quá trình phân hủy riêng lẻ bùn thải.

, Khi chất thải nhà bếp được đồng phân hủy

, (25°C — 30] 1:2, tang cường san xuat metan lên đên

thai nha bêp

°C) 63,89%.

Đồng phân hủy bùn thai và chat thai thực

Nhiệt độ phẩm, với tỷ lệ trộn 1: 1 tăng cường sản

°C) VS, dat được băng cách đông phân hủy

cao hơn 32,25% so với phân hủy riêng lẻ.

Bùn hoạt tính | Nhiệt độ Đồng phân hủy bùn hoạt tính thải và rác

thải và chất |trung bình | thải thực phẩm với ty lệ trộn 80:20 làm [69]

thải thực |(25°C — 30 | tăng lượng khí metan tạo ra 47% so với

phẩm °C) việc phân hủy riêng lẻ

35

1.2.3 Các yếu tố ảnh hướng đến quá trình đồng phân hủy bùn thải

1.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Việc lựa chọn và kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng vì nó thúc đây chức năng

của vi sinh vật trong quá trình AD Có ba phạm vi nhiệt độ khác nhau mà tại đó AD

có thể được thực hiện: nhiệt độ trung bình (20 — 33°C), nhiệt độ ấm (khoảng 35 °C)

và nhiệt độ cao (khoảng 55 °C) [121] Quá trình phân hủy ở nhiệt độ trung bình và

ấm ôn định hơn so với quá trình phân hủy ở nhiệt độ cao vì nhiều loại vi sinh vật ưa

nhiệt độ trung bình hơn nhiệt độ cao [153] Hơn nữa, phân hủy ở nhiệt độ cao sẽ làm

tăng nồng độ amoniac gây ảnh hưởng cho quá trình phân hủy Nên duy trì nhiệt độ6n định cần thiết dé ồn định quá trình phân hủy sẽ cho hiệu quả phân hủy bùn thải tốt

hơn [135] Ở nhiệt độ cao tốc độ sản xuất khí tăng, nhưng nó làm giảm hàm lượng

khí metan [50] Sản xuất metan liên tục và ổn định nhất có thé đạt được ở 32-35 °C[131] Trong thiết bị phân hủy tại nhiệt độ vừa phải, COa có thê nhanh chóng hòa tan

và tạo ra axit cacbonic bằng cách phản ứng với nước, do đó làm tăng độ axit Lượngaxit tăng lên trong quá trình thủy phân sẽ đây nhanh tốc độ hình thành khí metan Dovậy, có thé kết luận rang nhiệt độ là thông số thiết yếu cho sự phát triển của vi sinh

vật và gây ảnh hưởng đến khả năng tạo khí sinh học

1.2.3.2 Ảnh hưởng của pH

pH ảnh hưởng đến quá trình hòa tan các chất hữu cơ Nó có thể chỉ ra môi

trường thuận lợi cho các vi sinh vật trong thiết bị phân hủy [48] Các phản ứng enzymcủa vi sinh vật phụ thuộc vào pH [108] pH của bê phân hủy ảnh hưởng đáng kê đếnquá trình phân hủy tạo khí sinh học Trong quá trình sản xuất khí sinh học, các vi sinh

vật khác nhau yêu cầu các giá trị pH tối ưu khác nhau, mặc dù hầu hết chúng thích

điều kiện pH trung tính Đối với năng suất metan tối đa, nhiều nhà nghiên cứu đã lưu

ý rang việc duy trì pH trong khoảng từ 6,8 đến 7,2 là tốt hơn [91] Các vi sinh vật taoaxit và thủy phân thích giá trị pH trong khoảng 5,5-6,5 [87] Tuy nhiên, pH tối ưucho vi sinh vat sinh metan là gần 7,0 [154]

36