(mg/kg dw)
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Cu 173,62 180,36 95,65 100,21 10,25 11,17 Zn 3143,6 3265,7 2579,4 2702,2 687,38 749,24 Cd 11,06 11,49 5,99 6,28 3,34 3,64 Cr 1327,07 1378,6 2367,06 2479,77 281,34 306,66 Ni 91,39 94,94 73,11 76,59 9,91 10,8 Fe 7815,5 8119 6461,28 6768,96 5311 5789
- So sánh các giá trị Zn, Cu, Ni, Cd, Cr với quy định giá trị giới hạn kim loại nặng khi bùn thải được sử dụng cho mục đích nơng nghiệp, được đề xuất tiêu chuẩn bởi EU (86/278/EEC) nhận thấy các kết quả bùn sau ủ biogas thu được hầu hết đều nằm trong giá trị đề xuất tối đa của EU (trừ hàm lượng Cd, Cr trong mẫu bùn nhà máy xử lý nước thải sau ủ). Tuy nhiên do giá trị giới hạn hàm lượng kim loại nặng của Việt Nam thấp hơn nhiều so với thế giới. Ví dụ như Zn thấp hơn khoảng 6 lần, Cr thấp hơn khoảng 10 lần và khơng có giới hạn đối với hàm lượng của Fe, nên khi so sánh với Quy chuẩn Việt Nam QCVN 03:2008/BTNMT đối với đất nông nghiệp ta thấy hầu như hàm lượng kim loại cao vượt ngưỡng cho phép (trừ Cu thấp hơn giá trị cho phép). Trong đó, đặc biệt chú ý là Zn và Cr. Một đánh giá hàm lượng Hg, Pb là cần thiết để có sự đánh giá chính xác hơn khả năng áp dụng bùn thải vào đất nông nghiệp.
- Theo một số nghiên cứu, các kim loại nặng sau khi phân giải kỵ khí được hấp thụ đặc biệt bởi các hạt khống và chất hữu cơ, có dạng tồn tại chính là phức với chất hữu cơ hay phức của sunfua (Kanatip năm 1995; Pichit, 2000) là một trong các hình thái ít hịa tan nhất. Hàm lượng ngun tố vi lượng có trong bùn thải được hấp thụ bởi thực vật chưa tới 1% (Chang et al., 1997). Do đó, tổng hàm lượng ngun tố vi lượng cũng có thể khơng phải là một đối số hợp lý để hạn chế tải trọng
bùn sau ủ có thể được sử dụng cho nông nghiệp với sự giám sát và quản lý chất lượng chặt chẽ (Parkpian et al., 2002).
3.2.3.4. Vi sinh vật
Hỗn hợp bùn được giữ trong điều kiện yếm khí cho một thời gian dài (35 ngày) và tình trạng này là đủ để vơ hiệu hóa một số các vi khuẩn gây bệnh và trứng giun. Một trong những ưu điểm của q trình lên men yếm khí là nó giúp loại bỏ các nguồn gây bệnh. Nguyên nhân chủ yếu là do sự có mặt của axit béo bão hịa được tạo thành bởi phản ứng β- oxy hóa trong dịch lên men. Các axit này thường kết hợp với H2 cũng được tạo thành trong quá trình trên, tạo ra octanic axit là chất kháng khuẩn rất mạnh. So với các nghiên cứu cơ bản của bùn thải, các vi khuẩn E.coli ít hơn 1.000 MPN / g trọng lượng khô (nằm trong giới hạn của tiêu chuẩn loại A của US EPA, 1994) chỉ ra rằng bùn cặn sau ủ có thể được sử dụng cho ứng dụng nông nghiệp.
3.2.4. Đánh giá năng suất sinh biogas
Theo Metcalf và Eddy (1991), tổng sản lượng khí ước tính thường từ tỷ lệ giảm VS. Điển hình các giá trị tính tốn khoảng 0,75-1,12 m3 / kg VS bị phân hủy. Tổng chất rắn dễ bay hơi được sử dụng như một ước tính thơ lượng chất hữu cơ trong tổng chất rắn tuy nhiên hàm lượng TVS không phải luôn luôn đại diện cho hàm lượng hữu cơ của một mẫu bởi vì có những trường hợp chất hữu cơ có thể bị bay hơi ở nhiệt độ sấy và để lại một phần tro là những chất hữu cơ khơng bị mất sau q trình nhiệt. David Bolzonella et al., 2004 đã tổng kết một số kết quả nghiên cứu phân giải kỵ khí bùn thải đơ thị trong bảng sau:
Bảng 20: Tổng kết một số kết quả nghiên cứu phân giải kỵ khí bùn thải đơ thị
Nguồn
tham khảo Quy mơ thí nghiệm
Năng suất biogas (m3/kg VS) TVS giảm (%) HRT (ngày) [9] Phịng thí nghiệm 0,6 – 0,9 14 -30 45 [10] Ứng dụng 0,6a 29 – 36 20 [12] Phịng thí nghiệm 0,4 -0,5a 19 – 35 20 [13] Phịng thí nghiệm 0,15 – 0,25a 18 -27 8 – 12 [14] Pilot 0,6 24 20 - 30 achỉ tính theo CH4
Tương tự, trong sự ghi nhận và tổng hợp rất nhiều các nghiên cứu trên quy mô pilot hay những nghiên cứu đầy đủ của các nhà khoa học như Ahring, 1994; Aitken et al., 1992; Garber, 1982; Iranpour et al., 2002; Moen et al., 2003; Nielsen, 1999; Nielsen et al., 2001; Rimkus et al., 1982; Zábránská et al., 2002...cho thấy sản lượng biogas tối ưu từ q trình phân giải kỵ khí bùn thải tính theo Nm3/1000kg vật chất hữu cơ khơ trong khoảng 920 – 980, tỷ lệ TOM suy giảm tối đa sau q trình ủ kỵ khí là 45 – 55 % trọng lượng khô [22].
Trong nghiên cứu này, tổng sản lượng khí thu được của các mẫu bùn ủ theo thứ tự là 12,44; 16,06; 3,05; 4,29; 0,39; 0,6 (Nl). Dựa theo giá trị tổng sản lượng khí trên khối lượng bùn tươi được đưa vào các bình ủ, ta tính được sản lượng khí sinh ra theo khối lượng bùn tươi (Nl/kg bùn tươi). Dựa theo tỷ lệ OM còn lại trong bùn sau ủ, ta tính tốn được sản lượng của biogas theo lượng OM phản ứng (Nl/kg OM).
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Khối lượng bùn tươi
(kg)
2,5 2,5 2,35 2,35 2,32 2,32 Tổng lượng khí (Nl) 12,44 16,06 3,05 4,29 0,39 0,6
Hình 14: Sản lượng biogas theo khối lượng bùn tươi
Năng suất thu hoạch khí biogas sẽ được tính tốn theo cơng thức: BYds= BP / mTOM giảm
Trong đó:
BYds: sản lượng của biogas theo lượng OM (Nl/g OM)
BP : tổng sản lượng khí trên khối lượng bùn tươi được đưa vào các bình ủ mTOM giảm: khối lượng TOM suy giảm sau q trình ủ (g)
Theo đó, năng suất khí biogas thu hoạch được tính theo lượng phân giải sinh học các vật chất hữu cơ có trong các mẫu bùn ủ từ 1 đến 6 có các giá trị tương ứng là 0,31; 0,34; 0,44; 0,51; 0,38; 0,47 (Nl/g OM).
Hình 15: Sản lượng biogas theo lượng chất hữu cơ
1 2 3 4 5 6 4.98 6.42 1.27 1.79 0.17 0.26 BYfs (Nl/kg bùn tươi) BY (Nl/kg bùn tươi) 1 2 3 4 5 6 0.31 0.34 0.44 0.51 0.38 0.47 Byds (Nl/g OM) Byds (Nl/g OM)
Sự sai khác giữa tỷ lệ BYdsvà BYfs có thể nhận thấy rõ ràng, khi năng suất tính theo khối lượng bùn tươi khơng tuyến tính với năng suất tính theo TOM chuyển đổi trong khối lượng bùn tươi đó. Ví dụ, , BYds của mẫu bùn ủ 1 (0,31) có giá trị nhỏ hơn BYdscủa mẫu bùn ủ 3 (0,44) nhưng BYfscủa mẫu bùn ủ 1 có giá trị là 4,98 lớn hơn nhiều lần giá trị này ở mẫu bùn ủ 3 (1,27). Sự khác biệt này cũng thể hiện rõ ở giá trị năng suất biogas theo sự chuyển đổi của cùng một đơn vị vật chất hữu cơ, ví dụ như cùng một lượng chất hữu cơ chuyển đổi (1g OM), các mẫu bùn ủ tại các điều kiện khác nhau lại cho các năng suất khác nhau (0,31; 0,34; 0,44; 0,51; 0,38; 0,47 Nl). Điều này được lý giải là do giá trị TOM trong các mẫu bùn ủ là khác nhau rất lớn, do đó lượng TOM chuyển đổi sau q trình phân giải kỵ khí là khác nhau, mặc dù khối lượng bùn tươi đưa vào là tương đương. Ở đây tuy năng suất biogas tính theo TOM của mẫu bùn 1 nhỏ hơn, nhưng tổng lượng TOM trong bùn đầu vào lại lớn, kéo theo lượng khí sinh ra trên lượng bùn tươi đưa vào lớn hơn. Giá trị BYfs là đại lượng đánh giá đơn giản, dễ thực hiện do nó được tính tốn dựa vào khối lượng bùn tươi đầu vào. Theo đó, với các khối lượng bùn tươi đưa vào khác nhau, ta có thể xác định được tương đối tổng lượng khí sẽ sinh ra. Tuy nhiên giá trị này mang tính định tính và khơng chính xác do những biến động trong thành phần đầu vào cũng như tính khơng ổn định của q trình ủ biogas. Giá trị BYfssẽ thích hợp để ứng dụng trong điều kiện đầu vào ổn định về thành phần và q trình ủ biogas khơng có những biến động lớn.
Giá trị BYds là đại diện của chất lượng q trình phân giải kỵ khí. Đây là một thơng số có vai trị đặc biệt quan trọng, bởi vì nó là thước đo hiệu quả của việc sử dụng phần hữu cơ trong bùn thải của các vi khuẩn. Việc bổ sung chế phẩm sinh học là một giải pháp rất kịp thời, giúp cho q trình khống hóa chất hữu cơ, sinh biogas thuận lợi hơn. Kết quả này có được là do trong chế phẩm EM có chứa một lượng lớn các vi sinh vật hữu hiệu gồm vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, có vai trị trong thúc đẩy và tăng hiệu suất phân giải chất hữu cơ bao gồm cả các chất hữu cơ dễ phân hủy như tinh bột, protein và các chất khó phân giải như xenluloza... Có thể
hồ và cuối cùng là bùn nhà máy xử lý nước thải. Điều này có thể lý giải được do bùn nhà máy xử lý nước thải là bùn có TS khá cao TS=21%, bùn đã được định hình ở dạng rắn, ẩm, sự hoạt động của các vi sinh vật trong chế phẩm sẽ không linh hoạt được như trong các mẫu bùn dạng lỏng là bùn hồ và bùn cống với TS = 6% và 3%. Hơn nữa, bùn nhà máy xử lý nước thải có hàm lượng kim loại nặng cao, do đó có thể gây tác động tới q trình phân giải kỵ khí khi các tác dụng ức chế và tính độc hại của kim loại nặng cho q trình acid hóa của phân giải kỵ khí đã được báo cáo trong các nghiên cứu khác nhau (ví dụ: Demirel và Yenigun, 2002).
Từ kết quả năng suất biogas từ mơ hình ủ biogas trong nghiên cứu này, có thế thấy năng suất biogas tương đối thấp nếu so sánh với trung bình chung của thế giới (0,6 m3/kg vật chất khô – tương đương 0,6 l/g TOM)[36] và thấp hơn nhiều so với năng suất biogas tối đa thực tế (920 - 980 Nm3/1000kg vật chất hữu cơ khô –tương đương 0,92 – 0,98 Nl/g TOM) [22]. Năng suất biogas theo vật chất khô trong nghiên cứu được ghi nhận có giá trị trung bình là 0,41(Nl/g OM); cao nhất là 0,51(Nl/g OM) và thấp nhất là 0,31(Nl/g OM). Sự khác biệt giá trị này có nhiều nguyên nhân, ngoài ảnh hưởng của bùn thải đầu vào của khu vực nghiên cứu (thành phần phức tạp hơn, các thơng số độc tính với vi sinh vật phân giải kỵ khí như pH thấp, hàm lượng kim loại nặng cao...) cịn do sự ổn định của quá trình chưa cao, đặc biệt với thơng số nhiệt độ của q trình ủ.
Năng suất sinh khí hay sản lượng khí là thơng số được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, sự dao động của thơng số này là khơng thể tránh được, thậm chí trong trạng thái cân bằng, bởi vì đặc trưng của hầu hết mọi hệ thống sinh học là đều có sự thay đổi hàng ngày. Từ thực nghiệm cho thấy, giá trị năng suất biogas từ bùn thải là một giá trị rất nhạy cảm và dễ biến động bởi các yếu tố ảnh hưởng khác nhau như tăng, giảm đột ngột nhiệt độ; tăng giảm đột ngột pH...Trên thực tế thì khơng thể duy trì tất cả mọi điều kiện hoạt động và mơi trường ở hằng số khơng đổi để q trình xảy ra một cách ổn định. Việc ổn định năng suất khí và tăng năng suất khí là mục tiêu khó khăn và quan trọng để đảm bảo ứng dụng công nghệ biogas thành công.
3.3. Thảo luận tiềm năng công nghệ biogas ở Việt Nam
Với kết quả năng suất khí biogas trên, nếu coi giá trị của các mẫu bùn ủ thí nghiệm là đại diện đặc trưng cho các mẫu bùn khu vực, áp dụng vào thực tế phát sinh bùn thải đô thị khu vực nghiên cứu theo khảo sát (phần 3.1.1), ta tính tốn được lượng khí biogas có thể thu được từ bùn cống 5 nghìn m3 – 10 nghìn m3, lượng khí biogas từ bùn sơng hồ là 180 nghìn m3– 250 nghìn m3, lượng khí biogas từ bùn nhà máy xử lý là 11 nghìn m3 – 14 nghìn m3. Với tổng lượng biogas ước tính hàng năm có thể sản xuất của khu vực nghiên cứu là 200 nghìn m3– 280 nghìn m3 , lợi ích kinh tế có thể thu được tương đương 120 nghìn - 170 nghìn kg dầu hỏa, 160 nghìn – 220 nghìn kg than, 250 nghìn -350 nghìn kW điện, trị giá 370 tỷ - 500 tỷ Việt Nam đồng, ngồi ra cịn các lợi ích về mơi trường xã hội khác, cho thấy tiềm năng rất lớn nếu ứng dụng công nghệ này ở Việt Nam.
Tuy nhiên, sản xuất khí sinh học từ bùn thải được xem là lĩnh vực mới mẻ ở Việt Nam, mặc dù Việt Nam đã có những kinh nghiệm phong phú trong việc sử dụng khí sinh học trong xử lý chất thải chăn nuôi ở các vùng nông thơn. Việt Nam hiện đã có quan tâm và nghiên cứu hướng áp dụng công nghệ biogas trong xử lý bùn thải tuy nhiên các nghiên cứu về ủ yếm khí bùn thải đơ thị cịn chưa có nhiều, một số kết quả đạt được là những bước đầu, ứng dụng thực tế còn rất nhiều hạn chế. Một vấn đề thiết yếu trong việc sản xuất khí sinh học dựa trên bùn thải ở Việt Nam là tỷ lệ sản xuất khí sinh học của bùn thải là quá thấp đến mức doanh thu khí sinh học khơng thể trang trải chi phí của xử lý bùn nước thải. Hiện nay chưa có thống kê đáng tin cậy nào từ dữ liệu cơ quan quản lý về sản lượng khí sinh học thu hồi từ bùn thải đô thị của Việt Nam nhưng theo một số nghiên cứu độc lập, sản lượng khí sinh học trung bình của bùn thải của ở Việt Nam tương đối thấp. Điều này đã được tìm thấy tương quan với sản lượng sinh khí của một số nước lân cận như Trung Quốc (7,5 mét khối khí sinh học cho mỗi mét khối bùn thơ (Wu et al.,
quản lý và xử lý bùn chưa phát triển ảnh hưởng tới chất lượng sinh khí. Có thể nhìn nhận trong tương lai, dịng chảy khơng ổn định của nguồn cung cấp và số lượng tương đối nhỏ của nó là những lý do phổ biến ảnh hưởng tới sự phát triển của việc ứng dụng sản xuất khí sinh học từ bùn thải ( Liu , 2010). Hơn thế nữa, chi phí đầu tư và chi phí hoạt động là rất cao và nguồn ngân sách được bù đắp bởi chính quyền là khơng đủ. Kết quả là chưa có sự chú trọng để đầu tư vào việc sản xuất khí sinh học trên. Và Việt Nam hiện nay, khơng có mơ hình thương mại để sản xuất khí sinh học trong các nhà máy xử lý bùn nước thải .
Một số khó khăn gặp phải trong việc ứng dụng xử lý yếm khí các chất thải nước thải ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam được liệt kê dưới đây (Lettinga, 1995, 2001; Switzenbum, 1995; Tafdrup, 1995; Iza et al., 1991):
- Nhà thầu thiếu kinh nghiệm và chuyên gia tư vấn => các nhà máy kém chất lượng.
- Thiếu thông tin đáng tin cậy về tiềm năng của công nghệ này.
- Sự khơng hồn chỉnh của học thuật, hành chính, luật pháp và cơ sở hạ tầng thương mại trong khu vực / quốc gia.
- Thiếu kiến thức về hệ thống trong thực tế, đơi khi thậm chí trong các viện nghiên cứu và các trường đại học.
- Khơng có đầy đủ các nghiên cứu thí điểm, khơng có kinh nghiệm đầy đủ quy mơ.
- Khơng có các nhà khai thác giáo dục đúng cách, thiếu sự tín nhiệm, thiếu kiến thức kỹ thuật về bảo trì và sửa chữa.
- Chính quyền và các nhà hoạch định chính sách thiếu thơng tin.
- Trong một số trường hợp, nơi sẵn có đất và khơng tốn kém, chơn lấp hay đổ thải là giải pháp kinh tế hơn so với xử lý yếm khí.
Để thúc đẩy việc thực hiện và sử dụng hợp lý phân hủy yếm khí cơng nghệ, cần có sự đầu tư, đào tạo bài bản và xây dựng các chương trình thích hợp với điều
mạnh hơn. Ngồi ra cịn có cần được tài trợ từ chính phủ hoặc các tổ chức quốc tế, và các dự án nhà máy thí điểm và / hoặc cuộc thử nghiệm quy mô (Foresti năm 2001; Karekezi, 1994).
Tuy nhiên, sản lượng khí sinh học thấp khơng có nghĩa là việc sản xuất khí