Bài viết trình bày tổng quan các phương pháp tiền xử lý để tăng cường quá trình phân hủy kỵ khí (PHKK) đối với chất thải rắn hữu cơ (CTRHC). Các phương pháp tiền xử lý như nhiệt học, hóa học, sinh học, cơ học, vật lý hay kết hợp làm tăng khả năng hòa tan của các thành phần hữu cơ và nâng cao hiệu suất của quá trình PHKK.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (4V): 71–86 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TIỀN XỬ LÝ ĐỂ CẢI THIỆN Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CỦA CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ Phạm Văn Tớia,∗, Nguyễn Thành Trunga , Đỗ Văn Mạnhb , Chang-Ping Yuc , Chung-Yu Guand a Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam b Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 18 đường Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam c Khoa Kỹ thuật môi trường, Trường Đại học Quốc gia Đài Loan, Đài Loan d Khoa Kỹ thuật môi trường, Trường Đại học Quốc lập Nghi Lan, thành phố Nghi Lan, Đài Loan Nhận ngày 09/7/2021, Sửa xong 15/9/2021, Chấp nhận đăng 16/9/2021 Tóm tắt Bài báo trình bày tổng quan phương pháp tiền xử lý để tăng cường trình phân hủy kỵ khí (PHKK) chất thải rắn hữu (CTRHC) Các phương pháp tiền xử lý nhiệt học, hóa học, sinh học, học, vật lý hay kết hợp làm tăng khả hòa tan thành phần hữu nâng cao hiệu suất trình PHKK Bài báo cung cấp thông tin chế, hiệu hạn chế kỹ thuật tiền xử lý đồng thời cập nhật kết đạt tiền xử lý CTRHC nhằm mục đích cải thiện trình PHKK Dựa so sánh cân lượng, tính bền vững với mơi trường hiệu kinh tế, tiền xử lý nhiệt nhiệt độ thấp (50÷100ºC) tiền xử lý kỵ khí hiệu so với phương pháp tiền xử lý khác Từ khoá: chất thải hữu cơ; khí sinh học; phân hủy kỵ khí; thủy phân; tiền xử lý A REVIEW OF PRETREATMENT TECHNOLOGIES TO IMPROVE ANAEROBIC DIGESTION OF ORGANIC SOLID WASTE Abstract This paper presents an overview of pretreatment methods to enhance anaerobic digestion (AD) of organic solid waste (OSW) Pretreatments such as thermal, chemical, biological, mechanical, physical method or the combination of various pretreatments (chemical-thermal, chemical-mechanical, etc.) increased the solubility of organic components and improved the efficiency of the AD process This paper also shows the mechanism, advantages and limitations of the pretreatment techniques and updates the obtained results on the OSW pretreatment to improve the AD process Based on the comparison in terms of their efficiency, energy balance, environmental sustainability as well as economic efficiency, low temperature heat pretreatment (50÷100ºC) and anaerobic pretreatment are more efficient than other pretreatment methods Keywords: anaerobic digestion; biogas; hydrolysis; organic waste; pretreatment https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(4V)-08 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) Giới thiệu Với phát triển nhanh chóng xã hội gia tăng nhanh chóng dân số, lượng chất thải rắn từ hoạt động sản xuất khu dân cư gia tăng mạnh hàng năm giới Theo thống kê năm 2018, có khoảng tỷ chất thải rắn thị thải tồn giới ước tính khoảng 3,4 tỷ ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: toipv@nuce.edu.vn (Tới, P V.) 71 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng chất thải đô thị thải vào năm 2050 [1] Các thành phần chất thải rắn đô thị bao gồm hữu (46%), giấy (17%), chất dẻo (10%), thủy tinh (5%), kim loại (4%) loại chất thải khác (18%) [2] Chất thải rắn hữu (CTRHC) chất thải phân hủy sinh học có nguồn gốc từ vườn, cơng viên, hộ gia đình, nhà hàng, dịch vụ ăn uống, sở bán lẻ công nghiệp thực phẩm, v.v CTRHC chiếm tỉ lệ cao chất thải sinh hoạt với gần 50% tổng lượng chất thải tạo [3] Vì vậy, việc quản lý xử lý CTRHC không cách không gây hại cho người môi trường địa phương mà cịn làm trầm trọng thêm tình trạng biến đổi khí hậu Do đó, quản lý CTRHC hợp lý thách thức lớn quan quản lý chủ đề nghiên cứu nóng nhà nghiên cứu toàn giới Các phương pháp xử lý truyền thống áp dụng để xử lý CTRHC giới bao gồm chôn lấp, ủ phân thiêu đốt [4] Do khả kinh tế khác quốc gia, công nghệ chôn lấp áp dụng phổ biến nước phát triển, cơng nghệ thiêu đốt áp dụng hầu phát triển [4] Tuy nhiên, tất phương pháp gây nhiễm thứ cấp làm tăng nhu cầu sử dụng lượng để làm khô trước đốt Để bảo vệ môi trường, CTRHC xử lý cách chuyển hóa thành phần hữu protein, lipid, đường, thành sản phẩm lượng sinh học có giá trị thơng qua q trình phân hủy kỵ khí (PHKK) PHKK công nghệ nghiên cứu phát triển từ lâu để ổn định chất thải hữu [5] PHKK trình sinh học để chuyển đổi chất hữu thành khí sinh học vi sinh vật điều kiện khơng có oxy [6] Q trình sinh học khơng chuyển hóa CTRHC thành lượng xanh mà cịn giảm thiểu nguy gây ô nhiễm môi trường từ rác thải [7] Quá trình PHKK bị ảnh hưởng điều kiện vận hành khác nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N, độ kiềm, thời gian lưu thủy lực nồng độ axit béo bay hơi, [2, 8] Thành phần nhiệt trị khí sinh học phát sinh phụ thuộc vào đặc tính chất sử dụng điều kiện thực q trình phân hủy Khí sinh học có thành phần chủ yếu gồm mêtan (khoảng 50÷70%) cacbonic (khoảng 23÷50%) lượng nhỏ khí khác hydro sunfua, nitơ, hydro, amoniac nước [2] Những khía cạnh tích cực với lo ngại gần tăng dân số nhanh, nhu cầu lượng ngày tăng nóng lên tồn cầu thúc đẩy nghiên cứu sâu phát triển cải tiến quy trình PHKK nhằm tăng cường sản xuất khí sinh học [2, 4, 5] PHKK bao gồm bốn giai đoạn: thủy phân, axit hóa, acetat hóa metan hóa (Hình 1) Thủy phân giai đoạn q trình chuyển đổi chất có cấu trúc phức tạp lipid, carbohydrate, polysaccharide, protein axit nucleic thành hợp chất hòa tan đường, axit amin, axit béo, thực vi khuẩn thủy phân [7] Trong bước axit hóa, đường, axit amin axit béo chuyển hóa thành axit béo dễ bay hơi, axit axetic, CO2 H2 , thực vi khuẩn axit hóa (lên men) Axetat hóa trình chuyển đổi axit béo dễ bay thành axit acetic vi khuẩn axetat hóa Ở giai đoạn cuối, trình sinh metan diễn ra, khí metan (khí sinh học) tạo từ axetat cacbonic vi khuẩn metan hóa [9] Tuy nhiên, thành phần phức tạp CTRHC gây trở ngại cho trình PHKK Một số nghiên cứu xác định diện cấu trúc phức tạp chất hữu (các chất cao phân tử ngoại bào), thành tế bào vững thành phần hữu có trọng lượng phân tử cao CTRHC gây cản trở giai đoạn thủy phân trình PHKK [10] Giai đoạn thủy phân kéo dài làm tăng thời gian lưu CTRHC thiết bị, địi hỏi phải thực q trình bể phản ứng sinh học lớn suất khí sinh học lại nhỏ Để giải vấn đề này, tiền xử lý CTRHC nghiên cứu rộng rãi để đẩy nhanh bước thủy phân để cải thiện chất lượng thành phần có khả tái chế nitơ phốt [5] Hiệu trình tiền xử lý CTRHC tùy thuộc vào đặc tính chất phương pháp tiền xử lý Để cải thiện bước thủy phân nâng cao 72 79 80 81 82 83 ngại gần tăng dân số nhanh, nhu cầu lượng ngày tăng nóng lên tồn cầu thúc đẩy nghiên cứu sâu phát triển cải tiến quy trình PHKK nhằm tăng cường sản xuất khí sinh học [2, 4, 5] PHKK bao gồm bốn giai đoạn: thủy phân, axit hóa, acetat hóa metan hóa (Hình Tới,đoạn P V.,đầu cs / Tạp Khoatrình học chuyển Công nghệ 1) Thủy phân giai tiên chí q đổiXây dựng chất có cấu trúc phức Các chất hữu phức tạp (Cacbohydrat, protein, chất béo) 84 85 86 Thủy phân 87 Các thành phần hữu hòa tan (Đường, axit amin, axit béo) 88 89 90 Axit hóa 91 101 92 102 103 93 94 104 105 Trong bước axit hóa, đường, axit amin axit béo chuyển hóa thành axit béo Axit béo bay dễ bay hơi, axit axetic, CO2 H2,… thực vi khuẩn axit hóa (lên men) Axetat hóa q trình chuyển đổi axit béo dễ bay thành axit acetic vi khuẩn axetat hóa Ở giai đoạn cuối, q trình sinh metan diễn ra, khí metan Axit axetic Acetat hóa CO2, H2 (khí sinh học) tạo từ axetat cacbonic vi khuẩn metan hóa [9] Tuy nhiên, thành phần phức tạp CTRHC gây trở ngại cho trình PHKK Một số nghiên cứu xác định hóa diện cấu trúc phức tạp Metan 108 chất hữu (các chất cao phân tử ngoại bào), thành tế bào vững thành 109 phần hữu có trọng lượng phân tử cao CTRHC gây cản trở giai đoạn thủy phân 96 110 trình PHKK [10] Giai đoạn thủy phân kéo dài làm tăng thời gian lưu CTRHC CH4, CO2 97 111 thiết bị, địi hỏi phải thực q trình bể phản ứng sinh học lớn 112 suất khí sinh học lại nhỏ Để giải vấn đề này, tiền xử lý CTRHC Hình 1.đẩyQuá Quá trình phân hủy kỵ khí khí CTRHC [6] 98 trình CTRHC [6] 113 nghiên cứu rộngHình rãi để1 nhanh bướcphân thủy hủy phân kỵ nhưcủa để cải thiện chất lượng 114 thành phần có khả tái chế nitơ phốt [5] Hiệu trình 99 tạp carbohydrate, protein axit pháp nucleic thành hợp chất 115 tiềnlipid, xử lý CTRHC tùy thuộcpolysaccharide, vào đặc tính chất vàvà phương tiền xử lý Để hiệu 100 PHKK, cácamin, phương tiền lýtrình hóa học, sinhpháp học, phân vật lý, học, nhiệt 116quá cảitrình thiệnđường, bước thủyaxit phân nâng caopháp hiệu củaxử PHKK, hòa tan axit béo,… thực bởicác viphương khuẩn thủy [7] học, dụng vỡ/phân hủy có cấu 117 tiền xửáp lý hóađể học,phá sinh học, vật lý, học,các nhiệthợp học, chất có thểhữu áp dụng để phátrúc phân tử lớn thành tử lớn thành hợp chất hữu có 118hữu vỡ/phân cáctrúc hợp chất có cấu trúc phân hợp chất cóhủy cấu nhỏhữuhơn (Hình 2) Tiền xử lý CTRHC trước PHKK cho phép đạt cấu trúc nhỏ (Hình 2) Tiền xử lý CTRHC trước PHKK cho phép đạt được những119ưu điểm sau: (1) tăng cường tốc độ thủy phân tốc độ phân hủy chất hữu toàn 120 ưu điểm sau: (1) tăng cường tốc độ thủy phân tốc độ phân hủy chất hữu trình; (2) giảm thời lưu (2) bị;lưu(3)trong tăng lượng khílượng sinhkhíhọc; 121 tồn bộgian q trình; giảm thiết thời gian thiếtsản bị; (3) tăng sản sinh (4) tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh; tăng đặcgâytính khử nước [11] đặc tính khử nước [11] 122(5)học; (4)cường tiêu diệt vi khuẩn bệnh; (5) tăng cường 95 106 107 123 124 125 CTRHC Tiền xử lý PHKK Biogas 126 127 128 129 130 Cải thiện thủy phân - Tiền xử lý sinh học Nâng cao hiệu PHKK - Tiền xử lý hóa học - Tiền xử lý nhiệt học - Tiền xử lý vật lý học, … 131 132 133 Áp dụng tiền tiền xử nâng cao hiệu CTRHC HìnhHình Áp dụng xửlýlýđểđể nâng cao suất hiệuPHKK suất PHKK CTRHC Nghiên cứu trình bày tổng quan số phương pháp tiền xử lý CTRHC để trình Mục tiêu số nghiên cứu nàypháp cập nhật đạt để thúc đẩy trình Nghiên134 cứu thúc nàyđẩy trình bày PHKK tổng quan phương tiềncác xửkếtlýquả CTRHC PHKK Mục tiêu nghiên cứu cập nhật kết đạt tiền xử lý CTRHC Cơ chế, hiệu hạn chế phương pháp tiền xử lý cung cấp để người đọc có nhìn sâu sắc phương pháp 73 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Các phương pháp tiền xử lý chất hữu để nâng cao hiệu trình phân hủy kị khí 2.1 Tiền xử lý sinh học Mục tiêu tiền xử lý sinh học tăng cường trình thủy phân hoạt động quần thể vi sinh vật giai đoạn trước thực phân hủy kỵ khí Tiền xử lý sinh học bao gồm phương pháp hiếu khí, kỵ khí enzym, coi cơng nghệ thân thiện với môi trường Tuy nhiên, công nghệ sinh học thường phải thực thời gian lâu điều kiện tối ưu nhiệt độ, pH, để vi sinh vật phát triển Phương pháp tiền xử lý sinh học áp dụng phổ biến với CTRHC bùn từ nhà máy xử lý nước thải chất thải từ ngành công nghiệp giấy a Tiền xử lý hiếu khí Tiền xử lý hiếu khí q trình xử lý chất thải vi sinh vật hiếu khí trước giai đoạn PHKK [9] Trong kỹ thuật này, oxy khơng khí cấp vào hệ thống xử lý để hỗ trợ, đẩy nhanh trình thủy phân hợp chất hữu phức tạp cách cải thiện hoạt động thủy phân quần thể vi sinh vật nội sinh [9] Môi trường oxy cải thiện hoạt động thủy phân vi sinh vật hiếu khí kỵ khí Những vi sinh vật nguồn tài nguyên sinh học quan trọng sử dụng để thực trình tiền xử lý chất thải trước PHKK Sục khí vào hỗn hợp chất hữu kích thích tiết enzyme có tác dụng phân hủy sinh học chất [9] Nhiệt độ (40÷70°C) kết hợp với oxy kích thích quần thể vi sinh vật thủy phân tạo enzym thủy phân (ví dụ, protease, amylase) [9, 10] Các enzym thủy phân cải thiện khả hòa tan bùn tăng cường phân hủy hợp chất hữu trình PHKK Lim Wang [12] cải thiện trình thủy phân nâng cao suất sinh khí mêtan cách áp dụng tiền xử lý vi mô để đồng phân hủy kỵ khí nước thải đen chất thải thực phẩm, họ nhận thấy tiền xử lý hiếu khí làm tăng suất mêtan lên 21% 10% với chất cấy khơng cấy vi khuẩn kị khí tương ứng Một nghiên cứu khác, Ahn cs [13] tác động tích cực việc tiền xử lý hiếu khí bùn làm tăng sản lượng khí mêtan tới 20% cho thấy trình tiền xử lý oxy thời gian ngắn không làm giảm hoạt động tạo metan vi khuẩn kỵ khí Các nghiên cứu trình tiền xử lý cách sử dụng vi sinh vật ưa nhiệt thủy phân cải thiện PHKK tăng sản xuất mêtan b Tiền xử lý kỵ khí Mục đích q trình tiền xử lý kỵ khí chất thải hữu cải thiện tốc độ bước thủy phân trình PHKK Tiền xử lý kỵ khí tiến hành điều kiện nhiệt độ ấm (mesophilic ∼ 35°C) nhiệt độ nóng (thermophilic ∼ 55°C) Điều kiện nhiệt độ nóng cho có khả thủy phân cao Phương pháp tiền xử lý kỵ khí ứng dụng phổ biến thực gia nhiệt phân đoạn (Temperature phased anaerobic digestion (TPAD)) điều kiện nhiệt độ nóng (∼ 55°C) nhiệt độ cao (60÷70°C) để thủy phân CTRHC [14] TPAD sử dụng nhiệt độ kép giúp tăng cường trình thủy phân q trình axit hóa điều kiện nhiệt độ nóng, đảm bảo cải thiện q trình acetat hóa q trình mêtan hóa điều kiện nhiệt độ ấm Chiến lược tiền xử lý gọi PHKK hai giai đoạn Có số ưu điểm TPAD, bao gồm sản xuất khí sinh học cao hơn, cải thiện khả phân hủy cấu trúc rắn bông, yêu cầu lượng nhiệt chất lượng thấp tiêu diệt mầm bệnh trình phân hủy nóng Một nghiên cứu gần thực TPAD trình phân hủy bùn nước thải cho thấy tổng chất rắn bay (VS) giảm 77% với sản lượng khí mêtan 280÷300 mL/gVS 45°C [15] Bolznella cs [16] nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ trình PHKK hai giai đoạn 74 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng bùn hoạt tính dư thấy suất sinh khí mêtan tăng 30÷50% so với thử nghiệm đơn lẻ giai đoạn điều kiện nhiệt độ ấm nóng Verrieret cs [17] so sánh hiệu suất trình TPAD với trình giai đoạn đơn lẻ điều kiện nhiệt độ ấm nhiệt độ nóng PHKK chất thải thực vật Họ kết luận q trình TPAD chuyển hóa 90% chất thải dễ phân hủy thành khí sinh học Các nghiên cứu xác định TPAD ưa nhiệt giúp cải thiện trình thủy phân, loại bỏ VS tăng hiệu suất sinh khí sinh học c Tiền xử lý có hỗ trợ enzyme Tiền xử lý chất thải hữu có hỗ trợ enzyme nghiên cứu để cải thiện trình thủy phân nâng cao hiệu trình PHKK [18] Việc bổ sung enzym thủy phân hệ thống tiền xử lý giúp cải thiện khả hòa tan chất thải hữu cơ, phân hủy chất cao phân tử ngoại bào tăng sản lượng khí sinh học Để tiền xử lý enzym thành công, số thơng số độ hoạt tính, tính đặc hiệu, số lượng, độ ổn định enzym, nhiệt độ pH cần đánh giá tối ưu hóa [9] Q trình thủy phân CTRHC enzyme khó khăn thành phần không đồng quán enzyme [19] Do đó, cần phải phát triển sử dụng loại hỗn hợp enzyme có tác dụng phá vỡ chất phức tạp tức cacbohydrat (cellulase, hemicellulase, pectinase), lipid (lipase, lipolytic acyl hydrolase, lipoxygenase) protein (protease) Các sản phẩm thu phân tử đơn giản đường, axit béo axit amin, phân tử vi khuẩn sử dụng làm nguồn dinh dưỡng Bonilla cs [18] đánh giá ảnh hưởng tiền xử lý enzym khả phân hủy kỵ khí bột giấy mùn giấy Kết sản lượng khí sinh học tăng 26% đạt tiền xử lý enzym protease từ Bacillus licheniformis Hiệu hạn chế công nghệ tiền xử lý sinh học trình PHKK CTRHC Bảng 2.2 Tiền xử lý hóa học Tiền xử lý hóa học phương pháp sử dụng để phá hủy hợp chất hữu chất thải hợp chất hóa học axit, kiềm chất oxy hóa Tiền xử lý hóa học phương pháp hữu ích để xử lý chất giàu lignin Tuy nhiên, phương pháp khơng thích hợp để xử lý chất có lượng cacbohydrat cao hình thành axit béo hữu (VFA) chúng dẫn đến giảm sản lượng mêtan [5] a Tiền xử lý kiềm Tiền xử lý kiềm phương pháp sử dụng rộng rãi để phân giải hợp chất hữu có cấu trúc phân tử lớn lipid, hydrocacbon, protein, v.v thành hợp chất hịa tan có cấu trúc phân tử nhỏ axit béo, đường axit amin mà không tạo dư lượng chất có tình độc, gây hại cho q trình PHKK sau [11] Trong q trình tiền xử lý này, phản ứng solvat hóa xà phịng hóa gây tượng trương nở cấu trúc bề mặt thành phần chất rắn [5, 11] Sự trương nở dẫn đến việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc đơn vị chất nền, tăng khả hòa tan COD chất hữu dễ dàng để cộng đồng vi sinh vật tiêu thụ trình PHKK Các phản ứng tiến hành điều kiện nhiệt độ, áp suất thường, không yêu cầu nhiều lượng Tuy nhiên, hiệu hịa tan COD q trình tiền xử lý kiềm phụ thuộc vào loại hóa chất sử dụng, liệt kê theo thứ tự hiệu suất giảm dần: NaOH > KOH > Mg(OH)2 > Ca(OH)2 , nồng độ chúng Liều lượng chất hóa học có liên quan đến lượng hịa tan, liều lượng lớn dẫn đến hòa tan cao chất hữu phản ứng hóa học Trong nghiên cứu trước, chúng tơi xác định ảnh hưởng liều lượng chất xúc tác K2 CO3 đến hòa tan chất hữu trình tiền xử 75 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Hiệu hạn chế công nghệ tiền xử lý trình PHKK CTRHC Công nghệ Hiệu Hạn chế Tham khảo Tiền xử lý hiếu khí - Cải thiện khả hịa tan thành phần hữu chất thải; - Tăng tốc cho trình thủy phân; - Tăng sản lượng khí metan từ 20÷50%; - Giảm tổng hàm lượng chất rắn bay từ 21÷64% - Cải thiện phân hủy cấu trúc hạt rắn bông; - Tăng sản lượng mêtan từ 20÷50%; - Giảm tổng lượng chất rắn hữu từ 10÷70%; - Tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh -Yêu cầu trang thiết bị để cung cấp không khí nên làm tăng chi phí đầu tư; - Quá trình tiền xử lý diễn chậm; - Yêu cầu điều kiện thích hợp cho hoạt động vi sinh vật - Yêu cầu tối ưu hóa thông số nhiệt độ, pH, điều kiện tiền xử lý; - Cài đặt bổ sung thiết bị để trì nhiệt độ làm tăng chi phí đầu tư; - Các thơng số động học cho cộng đồng vi sinh vật cần đánh giá, xem xét - Các thông số độ hoạt tính, tính đặc hiệu, số lượng, độ ổn định enzym, nhiệt độ pH phải tối ưu hóa trước thêm enzym vào hệ thống tiền xử lý; - Enzyme với loại chất cần đánh giá [5, 9, 11] Tiền xử lý kỵ khí [5, 9, 11] Tiền xử lý enzyme - Phân hủy chất cao phân tử cải thiện khả hòa tan CTRHC; - Tăng hiệu suất mêtan lên 12÷40%; - Giảm tổng lượng chất rắn bay từ 16÷55% Tiền xử lý kiềm - Tăng khả hòa tan thành phần hữu cơ; - Tăng khả khử nước; - Ức chế mầm bệnh E coli, trứng giun sán, ; - Tăng sản lượng khí sinh học từ 38÷80% - Tăng khả hịa tan thành phần hữu cơ; - Hỗ trợ tích tụ vi khuẩn thủy phân; - Giảm tổng lượng COD VSS; - Tăng sản lượng khí sinh học lên 14÷24% - Tăng khả hịa tan thành phần hữu cơ; - Không làm tăng nồng độ muối; - Khơng cịn dư lượng hóa chất; - Tạo nhiều hợp chất dễ phân hủy sinh học hơn; - Loại bỏ vi sinh vật gây bệnh; - Tăng sản lượng khí sinh học từ 20÷200% - Liều lượng cực cao kiềm làm giảm hoạt động PHKK; - Hóa chất tồn lưu phá hủy hệ thống đệm; - Chi phí cao chất xúc tác kiềm - Xây dựng bể phản ứng tốn kém; - Axit có tính chất ăn mịn; - Chi phí cao cho q trình trung hịa [6, 9, 11] - Địi hỏi lượng cao để tạo ozon; - Ozon không ổn định [6, 9, 11] - Loại bỏ hoàn toàn mầm bệnh; - Một lượng lớn protein bị phân huỷ độ hòa tan protein tăng 30–40%; - Sản xuất mêtan tăng 10–150%; - VS giảm 20÷60% - Loại bỏ mầm bệnh từ CTRHC; - Sản lượng mêtan tăng 10÷150%; - VS giảm 20÷40% - Mặc dù khả hịa tan protein cao hơn, amoniac khơng giải phóng mức mong muốn; - Yêu cầu lượng để trì tiền xử lý nhiệt độ cao [7, 9–11, 14, 19] - Khả kích hoạt lại số mầm bệnh; - Đôi dẫn đến phân huỷ thấp phân tử hữu phức tạp [9–11, 14, 19] - Giảm kích thước hạt, kích thích hoạt động sinh học, hòa tan hợp chất hữu giải phóng enzyme; - Tăng sản lượng khí sinh học từ 40÷58% - Thủy phân hiệu chất thải chứa xenlulose; - Tăng sản lượng khí sinh học lên 43÷90%; - Giảm chất dễ bay gây mùi - Tăng khả hòa tan hợp chất hữu cơ; - Giảm lượng tổng chất rắn bay CTRHC; - Tăng sản lượng khí sinh học từ 20÷53%; - Tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh Clostridium perfringens, E coli Salmonella spp - Phá vỡ lớp màng tế bào chất hữu cơ; - Tăng đa dạng vi sinh vật PHKK; - Tăng sản lượng khí sinh học lên 30÷31%; - Tăng lượng COD hịa tan; - Khơng cần trung hịa hóa học - Tăng sản lượng khí sinh học từ 20÷41%; - Tăng khả hòa tan chất hữu lên 45% - Chi phí lượng cao [9, 11, 19] - Ít ảnh hưởng đến việc loại bỏ mầm bệnh; - Tiêu thụ lượng cao [9, 11, 19] - Phân bố lượng vi sóng cho vật liệu khơng đồng đều; - Không bị suy giảm sinh khối trực tiếp [9, 11, 19] - Không bị suy giảm sinh khối trực tiếp [9, 11, 19] - Yêu cầu lượng cao; - Các hạt mịn dẫn đến axit hóa PHKK [9, 11, 19] Tiền xử lý axit Tiền xử lý ozon Tiền xử lý nhiệt độ cao Tiền xử lý nhiệt độ thấp Sóng siêu âm Áp cao suất Chiếu xạ vi sóng Xung điện Nghiền [9, 11] [6, 9, 11] lý thủy nhiệt bùn [7] Kết cho thấy tăng liều lượng chất xúc tác lượng chất hữu tăng lên lượng khí sinh học thu tăng lên (năng suất metan lớn đạt 277 mL/gVSin lượng xúc tác 10% tổng lượng chất rắn (TS) thêm vào phản 76 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng ứng với giá trị pH ban đầu 9,56) Wei cs [20] kiểm tra tác động tiền xử lý kiềm sản xuất hydro từ bùn đạt sản lượng hydro tối đa 10,32 mL/gCOD pH ban đầu 11 Tuy nhiên, liều lượng kiềm cao dẫn đến hình thành số chất độc hại làm giảm khả tiêu thụ chất hữu q trình PHKK giảm lượng khí sinh học tạo thành Kim cs [21] nghiên cứu ức chế nồng độ ion natri trình PHKK (nhiệt độ nóng) chất thải thực phẩm, cơng bố tiền xử lý hóa học chất thải với natri với nồng độ khoảng 500 mg/L dẫn đến ức chế trình PHKK làm xuất khí sinh học giảm Nồng độ gây ức chế ion kali 400 mg/L, vi khuẩn kỵ khí dung nạp tới 800 mg/L kali [5] Nồng độ tối ưu ion canxi magiê công bố 200 mg/L 720 mg/L [9] Lượng ion canxi lớn gây kết tủa cacbonat phốt phát Ngồi ra, nồng độ cao ion magie gây phân tách vi khuẩn kị khí sinh mêtan, gây ức chế vi sinh vật q trình axetat hóa Tiền xử lý kiềm tăng cường hòa tan chất hữu giúp cải thiện sản lượng khí sinh học tạo thành q trình PHKK Hơn nữa, cơng nghệ chứng minh có hiệu để giảm đáng kể mầm bệnh Neyens cs [22] cho thấy việc tiền xử lý bùn vôi pH 10 cao tiêu diệt mầm bệnh cách hiệu Các mầm bệnh Escherichia coli, trứng giun sán, Salmonella, bị khử sau thực tiền xử lý kiềm b Tiền xử lý axit Tiền xử lý axit ứng dụng so với tiền xử lý kiềm; nhiên, phương pháp hiệu việc xử lý chất thải chứa thành phần hemixelulose hỗ trợ tích tụ vi khuẩn thủy phân điều kiện axit phân hủy lignin [5] Sự hòa tan chất hữu chất thải có liên quan đến giá trị pH Malhotra and Garg quan sát thấy mức độ hòa tan COD chất rắn lơ lửng dễ bay 58% 52% tiền xử lý bùn axit pH 3,3 180°C [23] Việc tăng khả hịa tan COD làm tăng sản lượng khí sinh học Devlin cs [24] đạt mức tăng 14,3% sản lượng mêtan sau thực tiền xử lý bùn hoạt tính axit pH Ngược lại, tiền xử lý axit mạnh tạo sản phẩm phụ gây ức chế, chẳng hạn furfural hydroxymethylfurfural; nhiên, axit đậm đặc không ưu tiên sử dụng trình tiền xử lý tính chất ăn mịn làm tăng chi phí q trình trung hịa c Tiền xử lý ozon Ozon (O3 ) hóa phương pháp hóa học áp dụng rộng rãi để xử lý chất thải hữu trước giai đoạn PHKK, phương pháp không làm tăng nồng độ muối khơng u cầu bổ sung thêm hóa chất [11] Mục tiêu phương pháp q trình oxy hóa thủy phân phần hợp chất hữu cơ, giúp chuyển hợp chất hữu có cấu trúc phân tử phức tạp thành hợp chất hữu có cấu trúc đơn giản Bên cạnh đó, phương pháp loại bỏ mầm bệnh khuyến cáo sử dụng nhiều trình tiền xử lý bùn Ozon chất oxy hóa mạnh, tự phân hủy thành gốc hydroxyl (OH) phản ứng với hợp chất hữu Do đó, hợp chất hữu trở nên dễ phân hủy sinh học q trình phân hủy kỵ khí Bougrier cs [25] sử dụng ozon để tiền xử lý bùn hoạt tính trước thực q trình PHKK Kết thu cho thấy sau ozon hóa bùn lượng 0,15 gO3 /g tổng chất rắn (TS) làm tăng COD hòa tan từ 4% lên 37% sản lượng khí sinh học tăng 2,4 lần Cesaro Belgiorno [26] thực trình ozon để tiền xử lý CTRHC công bố liều lượng ozon 0,16 gO3 /gTS làm tăng lượng COD hòa tan lên 55% làm tăng mức sản xuất khí sinh học khoảng 37% Tuy nhiên, nồng độ cao ozon không cho thấy gia tăng suất sinh khí metan q trình hịa tan chất tăng lên Lê Tuấn Minh cs [27] nghiên cứu ảnh hưởng tiền xử lý ozon q trình hịa tan hữu sản xuất khí sinh học bùn Các kết thu lượng COD hòa tan tăng từ 344 mg/L 77 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng mẫu thô lên 1228 mg/L với mẫu tiền xử lý ozon, suất sản xuất khí sinh học 25 ngày tăng 52,9% mẫu tiền xử lý Ozon hóa chất thải hữu công nghệ tiền xử lý hiệu quả, mang lại hiệu phân hủy chất rắn cao hơn, tăng sản lượng mêtan loại bỏ vi sinh vật gây bệnh khỏi chất thải Tuy nhiên, công nghệ có chi phí đầu tư vận hành cao có nhu cầu tiêu thụ lượng cao để sản xuất ozon Hiệu hạn chế cơng nghệ tiền xử lý hóa học q trình PHKK CTRHC Bảng 2.3 Tiền xử lý nhiệt học Tiền xử lý nhiệt công nghệ tiền xử lý nghiên cứu rộng rãi nhất, sử dụng thành công quy mô công nghiệp [5, 14] Tiền xử lý nhiệt loại bỏ mầm bệnh, loại bỏ mùi, cải thiện hiệu suất khử nước giảm độ nhớt chất phân hủy [5] Phương pháp tiền xử lý nhiệt áp dụng phổ biến với CTRHC chứa thành phần xelulose (các chất thải nông nghiệp, chất thải nhà bếp, ) bùn từ nhà máy xử lý nước thải Ưu điểm tiền xử lý nhiệt phân hủy màng tế bào, dẫn đến hịa tan hợp chất hữu chất thải [5] Quá trình tiền xử lý nhiệt thường thực phạm vi nhiệt độ từ 50 tới 250°C [5] phân làm hai loại: tiền xử lý nhiệt độ thấp (50÷100°C) tiền xử lý nhiệt độ cao (100÷250°C) [14] Khi tăng nhiệt độ phản ứng trình tiền xử lý giá trị COD hịa tan chất thải rắn hữu tăng lên Mặt khác, thực tiền xử lý nhiệt CTRHC thời gian dài làm tăng giá trị COD hòa tan a Tiền xử lý nhiệt độ cao Kỹ thuật tiền xử lý áp dụng nhiệt độ (100÷250°C) cho chất thải hữu Tiền xử lý nhiệt độ cao thường thúc đẩy trình phân hủy vật lý thủy phân CTRHC Xử lý sơ nhiệt phạm vi nhiệt độ 125÷175°C phá vỡ liên kết thành tế bào màng, làm cho protein phân hủy sinh học dễ dàng Hơn nữa, nhiệt độ tiền xử lý đặc tính CTRHC định khả hòa tan amoniac Ở nhiệt độ cao hơn, số lượng thích hợp protein bị phân hủy hịa tan bị phân hủy thành amoniac Graja cs [28] báo cáo mức độ hòa tan protein tăng 32% 175°C; nhiên, 20% số chuyển hóa thành amoniac Khả thủy phân CTRHC phụ thuộc vào thời gian xử lý nhiệt độ áp dụng Nhiệt độ cao tỷ lệ COD hòa tan axit béo bay (VFA) cao [9] Sự gia tăng COD hòa tan CTRHC dẫn đến tăng suất sinh khí mêtan Kim cs [29] nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tiền xử lý (từ 150 đến 270°C) đến hiệu trình PHKK bùn hoạt tính Kết thu cho thấy sản lượng khí mêtan đạt hiệu 343,1 mLCH4 /gVS tiền xử lý bùn 180°C tăng 2,4 lần so với mẫu đối chứng (142,7 mLCH4 /gVS) Thời gian phân hủy kỵ khí ảnh hưởng đến gia tăng sản lượng khí mêtan Nếu thời gian PHKK khoảng 20 ngày sản lượng khí mêtan mẫu tiền xử lý tăng khoảng từ 1,2÷1,7 lần so với mẫu không tiền xử lý [14] Tuy nhiên, gia tăng lên tới 2÷2,5 lần thời gian phân hủy kỵ khí từ 35 đến 45 ngày [7, 9, 10] Tùy theo thời gian phân hủy kỵ khí loại chất thải sử dụng cho trình, lượng giảm VS mẫu tiền xử lý đạt từ 1,2÷1,6 lần [7, 29] Hầu hết nghiên cứu khác báo cáo nhiệt độ tối ưu tiền xử lý bùn khoảng 160÷180°C thời gian xử lý từ 30 đến 60 phút (áp suất từ 600 đến 2500 kPa) [14] Xử lý nhiệt độ cao dẫn đến giảm khả phân hủy sinh học bùn đạt hiệu hòa tan cao [14] Nguyên nhân tượng phản ứng Maillard, phản ứng hình thành hợp chất melanoidin khó khơng thể phân hủy trình PHKK Melanoidin làm tăng độ màu nước thải sau trình PHKK Trong 78 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng nhà máy xử lý nước thải, trình tiền xử lý nhiệt áp dụng cho bùn hoạt tính có hiệu suất cao so với trình bùn sơ cấp [14] Liu cs [30] nghiên cứu tác động tiền xử lý nhiệt tính chất hóa học vật lý chất thải nhà bếp, chất thải rau bùn hoạt tính Kết cho thấy tiền xử lý nhiệt (175°C, 60 phút) làm giảm độ nhớt mẫu chất thải tăng khả hòa tan thành phần hữu Mẫu bùn hoạt tính sau tiền xử lý nhiệt có sản lượng mêtan tăng 1,35 lần tốc độ sinh khí mêtan tăng gấp đơi so với mẫu không tiền xử lý Tuy nhiên điều kiện tiền xử lý này, với đối tượng chất thải nhà bếp rau sản lượng khí metan bị giảm 1,08 1,12 lần có phản ứng Maillard b Tiền xử lý nhiệt độ thấp Tiền xử lý CTRHC nhiệt độ thấp trình xử lý chất thải rắn khoảng nhiệt độ từ 50÷100°C trước PHKK Trong chế tiền xử lý nhiệt độ cao phá vỡ cấu trúc hóa học hịa tan chất hữu cơ, tiền xử lý nhiệt độ thấp bao gồm q trình hịa tan chất hữu nhiệt độ, kích thích phát triển vi khuẩn ưa nhiệt q trình hịa tan chất hữu enzym thủy phân giải phóng từ CTRHC [11] Kỹ thuật kích thích vi khuẩn ưa nhiệt, hòa tan hạt hữu cải thiện khả phân hủy sinh học Các mầm bệnh loại bỏ khỏi bùn cách áp dụng tiền xử lý nhiệt độ thấp 70°C [9] Gavala cs [31] nghiên cứu ảnh hưởng tiền xử lý bùn sơ cấp bùn thứ cấp 70°C trình PHKK nhiệt độ ấm (mesophilic) nhiệt độ nóng (thermophilic) Đối với trình PHKK nhiệt độ ấm, tiền xử lý cải thiện tốc độ sinh khí mêtan từ 7,7÷16,2% bùn sơ cấp 19,8÷144,6% bùn thứ cấp Đối với q trình PHKK nhiệt độ nóng, tiền xử lý 70°C làm tăng tốc độ sinh khí mêtan lên 38÷86% bùn sơ cấp khơng làm tăng tốc độ sinh khí mêtan bùn thứ cấp Tùy thuộc thời gian phân hủy kỵ khí loại chất thải sử dụng, mẫu tiền xử lý có sản lượng mêtan tăng từ 10÷150% [9] so với mẫu đối chứng, lượng VS giảm mẫu từ 20÷40% [11] Nazari cs [32] thiết lập điều kiện lý tưởng cho trình tiền xử lý nhiệt nhiệt độ thấp bùn nước thải đô thị (nhiệt độ 40÷80°C, thời gian phản ứng từ 1÷5 giá trị pH từ 4÷10) Nghiên cứu họ công bố nhiệt độ, thời gian pH tối ưu cho trình tiền xử lý 80°C, pH 10 với lượng COD hòa tan tăng lên 18,3 ± 7,5% tổng chất rắn bay giảm xuống 27,7 ± 12,3% Liao cs [33] xử lý bùn cho 30 phút 60, 70 80°C tỷ lệ phân hủy công bố 9,1; 13,0 16,6% sản lượng khí sinh học tăng 7,3; 15,6 24,4% Những nghiên cứu làm bật rõ ràng hiệu tiền xử lý nhiệt độ thấp việc tăng tốc PHKK tăng sản lượng khí sinh học Tiền xử lý bùn nhiệt độ thấp (50÷100°C) tăng lượng chất hữu hịa tan yêu cầu thời gian phản ứng lâu điều kiện pH kiềm cao so với tiền xử lý nhiệt độ cao (100÷250°C) Hiệu hạn chế công nghệ tiền xử lý nhiệt học trình PHKK CTRHC trình bày Bảng 2.4 Tiền xử lý vật lý học Tiền xử lý học vật lý phương pháp phân tách và/hoặc nghiền hạt rắn chất thải hữu nhằm giảm kích thước tăng diện tích bề mặt tiếp xúc hạt rắn Việc tăng diện tích bề mặt cho phép tiếp xúc tốt chất thải cộng đồng vi sinh vật cải thiện q trình PHKK Esposito cs [34] nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt chất đến hiệu suất trình phân hủy kỵ khí Kết cho thấy giá trị COD hịa tan tốc độ sinh khí mêtan mẫu có kích thước hạt lớn nhỏ so với giá trị mẫu có kích thước hạt nhỏ Tương tự, Kim cs [21] đánh giá ảnh hưởng kích thước hạt đến q trình PHKK (ưa nhiệt) chất thải thực 79 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng phẩm, nhận thấy kích thước hạt tỷ lệ nghịch với tốc độ sử dụng chất cộng đồng vi sinh vật PHKK Vì vậy, sử dụng phương pháp xử lý học vật lý trước sóng siêu âm, áp suất cao, chiếu xạ vi sóng, xung điện, nghiền v.v giảm kích thước hạt chất thải nâng cao hiệu suất trình PHKK Các phương pháp tiền xử lý áp dụng phổ biến với CTRHC chứa thành phần xelulose (các chất thải nông nghiệp, chất thải thực phẩm, ), phân động vật bùn từ nhà máy xử lý nước thải Lợi ích tiền xử lý học liên quan đến việc sử dụng dễ dàng tiêu thụ lượng vừa phải Tuy nhiên, hạn chế phương pháp tiền xử lý khả loại bỏ mầm bệnh thấp gây tắc nghẽn đóng cặn thiết bị [5] a Sóng siêu âm Sóng siêu âm phương pháp tiền xử lý học nghiên cứu rộng rãi hiệu để tăng cường khả phân hủy sinh học chất thải hữu [9] Khi nhiễu động sóng siêu âm lan truyền chất thải, chúng tạo vùng áp suất thấp gọi vùng lỗng khí Chất lỏng vùng lỗng khí trở thành thể khí áp suất thay đổi, tạo thành bọt nhỏ Các bọt di chuyển đến vùng áp suất cao phát triển đến kích thước tới hạn trước bị vỡ Quá trình hình thành vỡ bọt gọi xâm thực, tạo lực cắt thủy lực mạnh làm phá vỡ cấu trúc phân tử chất thải làm tăng nhiệt độ áp suất lên đến 1000°C 500 bar [11] Tần số thời gian sóng siêu âm giai đoạn tiền xử lý đóng vai trị quan trọng việc tăng sản lượng khí sinh học q trình PHKK Ở mật độ 0,5 W/mL, tần số 20 kHz, thời gian siêu âm 80 phút, Li cs [35] đạt mức tăng suất sinh khí mêtan lên 53,8% với bùn hoạt tính Tiền xử lý bùn hoạt tính sóng siêu âm làm giảm số lượng bùn thải, tạo khả khử nước tốt hơn, kích hoạt giải phóng COD từ chất rắn sinh học Le cs [27] quan sát thấy suất sinh khí sinh học 25 ngày tăng 32,3% khả phân hủy sinh học hợp chất hữu đạt 55,9% (tính theo COD) mẫu tiền xử lý bùn sóng siêu âm Dựa nghiên cứu trước đây, sóng siêu âm quy trình tiền xử lý sử dụng rộng rãi để tăng cường sản xuất khí sinh học từ chất thải hữu Tuy nhiên, nhược điểm tiền xử lý siêu âm chi phí lượng cao b Áp suất cao Tiền xử lý áp suất cao trình làm tăng áp suất CTRHC (900 bar) để tạo xâm thực chất thải (quá trình hình thành vỡ bọt khí) lực cắt thủy lực mạnh làm phá vỡ cấu trúc phân tử chất thải [9] Do đó, q trình dẫn đến nồng độ COD hòa tan cao thủy phân đại phân tử Tiền xử lý áp suất cao sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp thực phẩm có chi phí thấp, vận hành dễ dàng, hiệu cao mà khơng cần sử dụng hóa chất Zhang cs [36] phát tiền xử lý áp suất cao tiết kiệm lượng áp suất 300 bar với chu kì xử lý tổng hàm lượng chất rắn bùn 2,48% Bên cạnh đó, mức độ phân hủy bùn tối đa (COD) 43,94% đạt 800 bar với bốn chu kỳ áp suất tổng hàm lượng chất rắn bùn 9,58 g/L [37] Quá trình khơng làm tăng sản lượng khí sinh học mà làm giảm độ mùi phát sinh từ hợp chất lưu huỳnh dễ bay c Chiếu xạ vi sóng Chiếu xạ vi sóng nghiên cứu quy trình tiền xử lý chất thải hữu hiệu trước giai đoạn PHKK Các tia xạ lị vi sóng gia nhiệt trực tiếp cách nhanh chóng lên chất hữu cơ, giúp giảm tổn thất lượng truyền lượng Cơ chế xạ lị vi sóng bao gồm hiệu ứng nhiệt hiệu ứng biến thiên Các hiệu ứng phá vỡ cấu trúc mạng lưới phân tử chất thải polysaccharide, protein, làm tăng tỉ lệ hòa tan chất hữu vào pha lỏng Tiền 80 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng xử lý chiếu xạ vi sóng hoạt động bước sóng mm ÷ m với tần số tương ứng 300 MHz 300 GHz Áp dụng chiếu xạ vi sóng bùn thải từ nhà máy công nghiệp thực phẩm trước giai đoạn PHKK, sản lượng khí sinh học tăng 50% q trình hịa tan hợp chất hữu tăng lên [9] Tiền xử lý bùn vi sóng làm tăng suất mêtan khả phân hủy sinh học 20% 70% chế độ PHKK dạng bán liên tục [11] Park Ahn [38] so sánh hiệu có khơng thực tiền xử lý vi sóng hỗn hợp bùn sơ cấp bùn hoạt tính trước giai đoạn PHKK dạng bán liên tục Họ cơng bố tỷ lệ COD hịa tan/tổng COD mẫu bùn xử lý lị vi sóng 80°C cao 3,2 lần so với mẫu bùn chưa xử lý Bên cạnh đó, q trình PHKK bán liên tục có thời gian lưu bùn ngày, tổng chất rắn bay loại bỏ mẫu tiền xử lý tăng 41% so với mẫu đối chứng Ngoài ra, điều kiện PHKK này, mẫu tiền xử lý có sản lượng khí sinh học tăng 53% so với mẫu đối chứng Ngoài việc tăng cường sản xuất khí sinh học, chiếu xạ vi sóng giúp tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh Ảnh hưởng tiền xử lý vi sóng khả phân hủy sinh học kỵ khí chất thải nhà bếp thực Marin cs [39] Trong nghiên cứu này, chất thải nhà bếp xử lý 175°C để tăng cường hòa tan đường protein Tuy nhiên, hịa tan khơng dẫn đến nâng cao khả phân hủy sinh học kỵ khí Pecorini cs [40] công bố việc xử lý vi sóng 90°C giúp tăng sản lượng khí metan tới 8,5% CTRHC có thành phần xenllulose d Xung điện Xung điện phương pháp tiền xử lý CTRHC điện áp cao (20÷30 kV) nhằm phá vỡ liên kết màng tế bào chất hữu cơ, tăng khả hòa tan chất hữu vào pha lỏng nâng cao hiệu suất trình PHKK [9] Lee Rittmann [41] nghiên cứu hiệu ứng xung điện 34 kV đạt gia tăng 110÷460% hợp chất hịa tan bùn hoạt tính Nghiên cứu họ dẫn đến cải thiện hiệu suất sinh khí mêtan lên khoảng 10÷33% Tương tự, nghiên cứu khác tiền xử lý bùn hoạt tính xung điện dẫn đến sản lượng khí sinh học PHKK tăng 2,5 lần tỷ lệ COD hòa tan/tổng COD tăng 4,5 lần 19 kV 110 Hz 1,5 giây [42] Zou cs [43] sử dụng xung điện (40kV) để tiền xử lý chất thải thực phẩm Họ phát sản lượng metan tích lũy tăng sau xử lý đạt mức 134% so với mẫu đối chứng Bên cạnh đó, nghiên cứu 54,3% mức giảm VS mẫu chất thải thực phẩm tiền xử lý xung điện tỉ lệ mẫu đối chứng 32,3% e Nghiền Nghiền chất thải q trình tiền xử lý học, chất lớn giảm thành hạt mịn dẫn đến tăng diện tích bề mặt cải thiện q trình PHKK Chất thải dạng khơ hay ướt sử dụng cơng nghệ để tiền xử lý Tiền xử lý bùn ướt máy nghiền làm tăng nồng độ COD hòa tan từ 2000 lên 9000 mg/L [44] Một nghiên cứu Baier Schmidheiny [45] đạt gia tăng khoảng 45% COD hòa tan bùn sau nghiền ướt Tiền xử lý chất thải hữu công nghệ nghiền làm tăng sản lượng khí sinh học Các nghiên cứu tiền xử lý nghiền hạn chế công nghệ yêu cầu lượng cao hình thành hạt q mịn, dẫn đến nguy axit hóa tích tụ VFA trình PHKK Hiệu hạn chế công nghệ tiền xử lý vật lý học trình PHKK CTRHC Bảng 2.5 Kết hợp phương pháp tiền xử lý Các trình tiền xử lý vật lý, hóa học, nhiệt sinh học sử dụng rộng rãi cải thiện hiệu PHKK Bên cạnh ưu điểm trình tiền xử lý, số hạn chế phương pháp Hầu hết phương pháp xử lý vật lý đòi hỏi nhiều lượng, điều làm hạn 81 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng chế việc áp dụng công nghệ quy mô công nghiệp Một vấn đề quan trọng tiền xử lý hóa học nhu cầu hóa chất để điều chỉnh giá trị pH CTRHC trước thực PHKK, điều làm tăng chi phí vận hành hệ thống xử lý Bên cạnh đó, tác động ăn mòn tiền xử lý axit hạn chế q trình làm tăng chi phí đầu tư bể phản ứng vật liệu chống ăn mòn Tiền xử lý nhiệt yêu cầu lượng để tiền xử lý nhiệt độ cao Vấn đề quan trọng tiền xử lý sinh học trì điều kiện tối ưu cho hoạt động vi sinh vật, điều đòi hỏi chi phí lắp đặt thiết bị cao làm hạn chế ứng dụng Do đó, phương pháp tiền xử lý kết hợp nghiên cứu để giảm thiểu hạn chế phương pháp tiền xử lý đơn lẻ, tăng cường sản xuất khí sinh học thúc đẩy trình PHKK nhanh Các phương pháp tiền xử lý kết hợp bao gồm tiền xử lý hóa-nhiệt, tiền xử lý hóa-cơ, tiền xử lý nhiệt-cơ, Quá trình xử lý tiền xử lý hóa-nhiệt làm tăng đáng kể khả hịa tan CTRHC cải thiện trình PHKK Giá trị COD hòa tan sau tiền xử lý nằm khoảng từ 28 đến 87% kéo theo gia tăng sản lượng mêtan từ 40 đến 154% Một ưu điểm quan trọng q trình tiền xử lý hóa-nhiệt giảm nhu cầu hóa chất, thấp từ bốn đến sáu lần so với việc tiền xử lý hóa chất đơn lẻ Rafique cs [46] nghiên cứu tiền xử lý phân lợn Ca(OH)2 khoảng nhiệt độ từ 25÷150°C để cải thiện q trình PHKK Họ nhận thấy q trình tiền xử lý hóa-nhiệt có hiệu cao so với trình tiền xử lý đơn lẻ Sản lượng khí sinh học lớn đạt 690 mL/gVS tiền xử lý hóa-nhiệt phân lợn 70°C Tuy nhiên, tiền xử lý chất thải nhiệt độ sản lượng khí sinh học lớn đạt 475 mL/gVS 100°C Ngoài ra, tiền xử lý phân lợn Ca(OH)2 nhiệt độ phịng sản lượng khí sinh học lớn đạt 409 mL/gVS Shahriari cs [47] khảo sát trình PHKK CTRHC tiền xử lý với kết hợp vi sóng nhiệt độ cao tiền xử lý hydrogen peroxide Sự kết hợp vi sóng hóa chất nhiệt độ cao 145°C tạo vật liệu khó phân hủy làm giảm sản lượng khí sinh học Một xu hướng tương tự quan sát thấy với phân lợn xử lý trước vôi gia nhiệt nhiệt độ cao 110°C Điều giải thích q trình thủy phân protein carbohydrate tăng lên q trình xử lý trước hóa chất, gia nhiệt, axit amin đường hình thành phản ứng với tạo thành polyme phức tạp khó phân hủy sinh học melanoidin Tiền xử lý học kết hợp với xử lý nhiệt nghiên cứu để nâng cao PHKK CTRHC Chi cs [48] so sánh suất thủy phân bùn xử lý sơ với kết hợp tiền xử lý chiếu xạ vi sóng kiềm Kết sản lượng khí mêtan tích lũy cao cải thiện 27% so với kết thí nghiệm đối chứng Trong nghiên cứu trước, kết hợp trình tiền xử lý nhiệt K2 CO3 bùn thải trước giai đoạn PHKK [7] Kết cho thấy rằng, cho thêm lượng K2 CO3 10% khối lượng tổng chất rắn vào trình tiền xử lý 180°C, lượng chất hữu hịa tan tăng nhanh dẫn đến lượng khí metan tăng đạt 277 (mL/gVS) Xu hướng phát triển tương lai Quá trình PHKK chất thải rắn hữu có vai trị quan trọng việc tạo nguồn lượng thay nhiên liệu hóa thạch đối phó với thách thức nhu cầu lượng ngày tăng năm tới Nhiều quy trình tiền xử lý khác ứng dụng để xử lý sơ CTRHC nhằm cải thiện trình thủy phân nâng cao hiệu trình PHKK Tiền xử lý nhiệt học thực rộng rãi quy mô công nghiệp tăng khả hòa tan thành phần hữu tiêu diệt mầm bệnh Việc bổ sung axit bazơ vào tiền xử lý nhiệt giúp cải thiện suất sinh khí sinh học Siêu âm kỹ thuật tiền xử lý sử dụng rộng rãi để tăng cường sản xuất khí sinh học khả khử nước Tiền xử lý chất thải áp suất cao dẫn đến lượng COD hòa tan cao làm giảm hợp chất lưu huỳnh gây mùi Xung điện làm tăng khả hòa 82 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng tan chất hữu vào pha lỏng nâng cao suất trình PHKK Tiền xử lý hóa học phương pháp đầy hứa hẹn khác để sản xuất khí sinh học tăng khả phân hủy sinh học CTRHC Kết hợp phương pháp tiền xử lý CTRHC thúc đẩy trình PHKK nhanh giảm thiểu hạn chế phương pháp tiền xử lý đơn lẻ Tuy nhiên, cơng nghệ xử lý địi hỏi nghiên cứu chuyên sâu để tăng sản lượng khí sinh học, quản lý hiệu mầm bệnh, giảm lượng chất thải giảm thời gian lưu thủy lực đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật Để phát triển bền vững bảo vệ môi trường, công nghệ tiền xử lý cần phát triển theo hướng hiệu chi phí, gây tác động xấu đến mơi trường, tiêu thụ lượng nhu cầu trang thiết bị đơn giản Bảng đưa đánh giá sơ tính bền vững phương pháp tiền xử lý CTRHC nhằm nâng cao hiệu trình PHKK dựa theo tiêu chí hiệu kinh tế, ảnh hưởng đến môi trường cân lượng Các phương pháp tiền xử lý với hiệu cao hơn, tiết kiệm mặt kinh tế thân thiện với môi trường thu nhiều điểm cộng Bảng cho thấy tiền xử lý nhiệt độ thấp tiền xử lý kỵ khí đạt nhiều điểm cộng có nhiều ưu điểm bật so với phương pháp tiền xử lý khác (i) suất khí sinh học cao; (ii) loại bỏ mầm bệnh; (iii) giảm thời gian lưu thủy lực; (iv) cân lượng tốt (v) tính khả thi kinh tế tốt Bảng Đánh giá tính bền vững phương pháp tiền xử lý CTRHC để nâng cao hiệu trình PHKK [5, 9–11] Phương pháp Hiệu xử lý Tiết kiệm mặt kinh tế Thân thiện với mơi trường Tiền xử lý sinh học (enzyme, hiếu khí) + +++ +++ Tiền xử lý sinh học (kỵ khí (TPAD)) +++ +++ +++ Tiền xử lý nhiệt học nhiệt độ cao (100÷250°C) + + +++ Tiền xử lý nhiệt học nhiệt độ thấp (50÷100°C) +++ +++ +++ Tiền xử lý hóa học Tiền xử lý học vật lý +++ +++ + ++ + + Kết luận CTRHC nguồn cung cấp khí sinh học có tiềm lớn, đầy hứa hẹn để tạo nguồn lượng tái tạo mới, đồng thời thu hồi chất dinh dưỡng Các công nghệ tiền xử lý hóa học, nhiệt học, sinh học, vật lý, học kết hợp chúng giúp đẩy nhanh trình hòa tan CTRHC tăng cường phân hủy sinh học chất thải hữu trình PHKK So với phương pháp tiền xử lý CTRHC khác, tiền xử lý nhiệt độ thấp tiền xử lý kỵ khí có nhiều ưu điểm bật suất khí sinh học cao, loại bỏ mầm bệnh, giảm thời gian lưu thủy lực, cân lượng tốt tính khả thi kinh tế tốt Tiền xử lý CTRHC để nâng cao hiệu suất PHKK hướng nghiên cứu thiết thực tương lai nhằm quản lý xử lý chất thải bền vững 83 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Tài liệu tham khảo [1] Pham, T P T., Kaushik, R., Parshetti, G K., Mahmood, R., Balasubramanian, R (2015) Food waste-toenergy conversion technologies: Current status and future directions Waste Management, 38:399–408 [2] Zamri, M F M A., Hasmady, S., Akhiar, A., Ideris, F., Shamsuddin, A H., Mofijur, M., Fattah, I M R., Mahlia, T M I (2021) A comprehensive review on anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste Renewable and Sustainable Energy Reviews, 137:110637 [3] Tyagi, V K., Fdez-Găuelfo, L A., Zhou, Y., lvarez-Gallego, C J., Garcia, L I R., Ng, W J (2018) Anaerobic co-digestion of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW): Progress and challenges Renewable and Sustainable Energy Reviews, 93:380–399 [4] Wainaina, S., Awasthi, M K., Sarsaiya, S., Chen, H., Singh, E., Kumar, A., Ravindran, B., Awasthi, S K., Liu, T., Duan, Y., Kumar, S., Zhang, Z., Taherzadeh, M J (2020) Resource recovery and circular economy from organic solid waste using aerobic and anaerobic digestion technologies Bioresource Technology, 301:122778 [5] Ariunbaatar, J., Panico, A., Esposito, G., Pirozzi, F., Lens, P N L (2014) Pretreatment methods to enhance anaerobic digestion of organic solid waste Applied Energy, 123:143–156 [6] Pham, V T (2021) Valorization of sewage sludge using hydrothermal treatment processes PhD Dissertation National Taiwan University [7] Pham, V T., Wu, P.-H., Guan, C.-Y., Chang, C.-C., Liu, B.-L., Chang, C.-Y., Yu, C.-P (2020) Biogas Production and Microbial Communities in the Anaerobic Digestion of Sewage Sludge Under Hydrothermal Pretreatment with Air and a Catalyst BioEnergy Research, 14(3):828–843 [8] Bach, L T., Dinh, P V., Diep, N H (2014) Granular immobilization of anaerobic bacteria by polyvinyl alcohol applied for wastewater treatment Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE) - HUCE, 8(3):25–33 [9] Nguyen, V K., Chaudhary, D K., Dahal, R H., Trinh, N H., Kim, J., Chang, S W., Hong, Y., La, D D., Nguyen, X C., Ngo, H H., Chung, W J., Nguyen, D D (2021) Review on pretreatment techniques to improve anaerobic digestion of sewage sludge Fuel, 285:119105 [10] Neumann, P., Pesante, S., Venegas, M., Vidal, G (2016) Developments in pre-treatment methods to improve anaerobic digestion of sewage sludge Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 15(2):173–211 [11] Tyagi, V K., Lo, S.-L (2011) Application of physico-chemical pretreatment methods to enhance the sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: an up to date review Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 10(3):215–242 [12] Lim, J W., Wang, J.-Y (2013) Enhanced hydrolysis and methane yield by applying microaeration pretreatment to the anaerobic co-digestion of brown water and food waste Waste Management, 33(4):813– 819 [13] Ahn, Y.-M., Wi, J., Park, J.-K., Higuchi, S., Lee, N.-H (2014) Effects of Pre-aeration on the Anaerobic Digestion of Sewage Sludge Environmental Engineering Research, 19(1):59–66 [14] Carrère, H., Dumas, C., Battimelli, A., Batstone, D J., Delgenès, J P., Steyer, J P., Ferrer, I (2010) Pretreatment methods to improve sludge anaerobic degradability: A review Journal of Hazardous Materials, 183(1-3):1–15 [15] Hameed, S A., Riffat, R., Li, B., Naz, I., Badshah, M., Ahmed, S., Ali, N (2019) Microbial population dynamics in temperature-phased anaerobic digestion of municipal wastewater sludge Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 94(6):1816–1831 [16] Bolzonella, D., Pavan, P., Zanette, M., Cecchi, F (2007) Two-Phase Anaerobic Digestion of Waste Activated Sludge: Effect of an Extreme Thermophilic Prefermentation Industrial & Engineering Chemistry Research, 46(21):6650–6655 [17] Verrier, D., Roy, F., Albagnac, G (1987) Two-phase methanization of solid vegetable wastes Biological Wastes, 22(3):163–177 [18] Bonilla, S., Choolaei, Z., Meyer, T., Edwards, E A., Yakunin, A F., Allen, D G (2018) Evaluating the effect of enzymatic pretreatment on the anaerobic digestibility of pulp and paper biosludge Biotechnology Reports, 17:77–85 84 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng [19] Paritosh, K., Yadav, M., Mathur, S., Balan, V., Liao, W., Pareek, N., Vivekanand, V (2018) Organic Fraction of Municipal Solid Waste: Overview of Treatment Methodologies to Enhance Anaerobic Biodegradability Frontiers in Energy Research, [20] Wei, S., Xiao, B., Liu, J (2010) Impact of alkali and heat pretreatment on the pathway of hydrogen production from sewage sludge Chinese Science Bulletin, 55(8):777–786 [21] Kim, I., Kim, D., Hyun, S.-H (2000) Effect of particle size and sodium ion concentration on anaerobic thermophilic food waste digestion Water Science and Technology, 41(3):67–73 [22] Neyens, E (2003) Alkaline thermal sludge hydrolysis Journal of Hazardous Materials, 97(1-3):295– 314 [23] Malhotra, M., Garg, A (2019) Performance of non-catalytic thermal hydrolysis and wet oxidation for sewage sludge degradation under moderate operating conditions Journal of Environmental Management, 238:72–83 [24] Devlin, D C., Esteves, S R R., Dinsdale, R M., Guwy, A J (2011) The effect of acid pretreatment on the anaerobic digestion and dewatering of waste activated sludge Bioresource Technology, 102(5): 4076–4082 [25] Bougrier, C., Battimelli, A., Delgenes, J.-P., Carrere, H (2007) Combined Ozone Pretreatment and Anaerobic Digestion for the Reduction of Biological Sludge Production in Wastewater Treatment Ozone: Science & Engineering, 29(3):201–206 [26] Cesaro, A., Belgiorno, V (2013) Sonolysis and ozonation as pretreatment for anaerobic digestion of solid organic waste Ultrasonics Sonochemistry, 20(3):931–936 [27] Le, T M., Vo, P T., Do, T A., Tran, L T., Truong, H T., Le, T T X., Chen, Y.-H., Chang, C.-C., Chang, C.-Y., Tran, Q T., Thanh, T., Do, M V (2019) Effect of Assisted Ultrasonication and Ozone Pretreatments on Sludge Characteristics and Yield of Biogas Production Processes, 7(10):743 [28] Graja, S., Chauzy, J., Fernandes, P., Patria, L., Cretenot, D (2005) Reduction of sludge production from WWTP using thermal pretreatment and enhanced anaerobic methanisation Water Science and Technology, 52(1-2):267–273 [29] Kim, D., Lee, K., Park, K Y (2015) Enhancement of biogas production from anaerobic digestion of waste activated sludge by hydrothermal pre-treatment International Biodeterioration & Biodegradation, 101:42–46 [30] Liu, X., Wang, W., Gao, X., Zhou, Y., Shen, R (2012) Effect of thermal pretreatment on the physical and chemical properties of municipal biomass waste Waste Management, 32(2):249–255 [31] Gavala, H N., Yenal, U., Skiadas, I V., Westermann, P., Ahring, B K (2003) Mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of primary and secondary sludge Effect of pre-treatment at elevated temperature Water Research, 37(19):4561–4572 [32] Nazari, L., Yuan, Z., Santoro, D., Sarathy, S., Ho, D., Batstone, D., Xu, C C., Ray, M B (2017) Lowtemperature thermal pre-treatment of municipal wastewater sludge: Process optimization and effects on solubilization and anaerobic degradation Water Research, 113:111–123 [33] Liao, X., Li, H., Zhang, Y., Liu, C., Chen, Q (2016) Accelerated high-solids anaerobic digestion of sewage sludge using low-temperature thermal pretreatment International Biodeterioration & Biodegradation, 106:141–149 [34] Esposito, G., Frunzo, L., Panico, A., Pirozzi, F (2011) Modelling the effect of the OLR and OFMSW particle size on the performances of an anaerobic co-digestion reactor Process Biochemistry, 46(2): 557–565 [35] Li, X., Guo, S., Peng, Y., He, Y., Wang, S., Li, L., Zhao, M (2018) Anaerobic digestion using ultrasound as pretreatment approach: Changes in waste activated sludge, anaerobic digestion performances and digestive microbial populations Biochemical Engineering Journal, 139:139–145 [36] Zhang, Y., Zhang, P., Guo, J., Ma, W., Fang, W., Ma, B., Xu, X (2013) Sewage sludge solubilization by high-pressure homogenization Water Science and Technology, 67(11):2399–2405 [37] Zhang, S., Zhang, P., Zhang, G., Fan, J., Zhang, Y (2012) Enhancement of anaerobic sludge digestion by high-pressure homogenization Bioresource Technology, 118:496–501 [38] Park, W.-J., Ahn, J.-H (2011) Effects of Microwave Pretreatment on Mesophilic Anaerobic Digestion 85 Tới, P V., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] for Mixture of Primary and Secondary Sludges Compared with Thermal Pretreatment Environmental Engineering Research, 16(2):103–109 Marin, J., Kennedy, K J., Eskicioglu, C (2010) Effect of microwave irradiation on anaerobic degradability of model kitchen waste Waste Management, 30(10):1772–1779 Pecorini, I., Baldi, F., Carnevale, E A., Corti, A (2016) Biochemical methane potential tests of different autoclaved and microwaved lignocellulosic organic fractions of municipal solid waste Waste Management, 56:143–150 Lee, I.-S., Rittmann, B E (2011) Effect of low solids retention time and focused pulsed pre-treatment on anaerobic digestion of waste activated sludge Bioresource Technology, 102(3):2542–2548 Choi, H., Jeong, S.-W., jin Chung, Y (2006) Enhanced anaerobic gas production of waste activated sludge pretreated by pulse power technique Bioresource Technology, 97(2):198–203 Zou, L., Ma, C., Liu, J., Li, M., Ye, M., Qian, G (2016) Pretreatment of food waste with high voltage pulse discharge towards methane production enhancement Bioresource Technology, 222:82–88 Lee, M J., Kim, T H., Yoo, G Y., Min, B K., Hwang, S J (2010) Reduction of sewage sludge by ball mill pretreatment and Mn catalytic ozonation KSCE Journal of Civil Engineering, 14(5):693–697 Baier, U., Schmidheiny, P (1997) Enhanced anaerobic degradation of mechanically disintegrated sludge Water Science and Technology, 36(11):137–143 Rafique, R., Poulsen, T G., Nizami, A.-S., ul Zaman Asam, Z., Murphy, J D., Kiely, G (2010) Effect of thermal, chemical and thermo-chemical pre-treatments to enhance methane production Energy, 35(12): 4556–4561 Shahriari, H., Warith, M., Hamoda, M., Kennedy, K J (2012) Anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste combining two pretreatment modalities, high temperature microwave and hydrogen peroxide Waste Management, 32(1):41–52 Chi, Y., Li, Y., Fei, X., Wang, S., Yuan, H (2011) Enhancement of thermophilic anaerobic digestion of thickened waste activated sludge by combined microwave and alkaline pretreatment Journal of Environmental Sciences, 23(8):1257–1265 86 ... nhiệt thủy phân cải thiện PHKK tăng sản xuất mêtan b Tiền xử lý kỵ khí Mục đích q trình tiền xử lý kỵ khí chất thải hữu cải thiện tốc độ bước thủy phân q trình PHKK Tiền xử lý kỵ khí tiến hành điều... tăng cường phân hủy hợp chất hữu trình PHKK Lim Wang [12] cải thiện trình thủy phân nâng cao suất sinh khí mêtan cách áp dụng tiền xử lý vi mơ để đồng phân hủy kỵ khí nước thải đen chất thải thực... nhỏ Để giải vấn đề này, tiền xử lý CTRHC Hình 1.đẩyQuá Q trình phân hủy kỵ khí khí CTRHC [6] 98 trình CTRHC [6] 113 nghiên cứu rộngHình rãi để1 nhanh bướcphân thủy hủy phân kỵ nh? ?của để cải thiện