Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Thời gian đạt
dP/dt max
(ngày) 34 30 33 28 28 24
Năng suất (Nl) 12,35 15,83 3,01 4,24 0,39 0,6
3.2.3. Các kết quả và đánh giá đầu ra của quá trình
3.2.3.1. Giá trị pH của bùn sau ủ
PH tối ưu cho vi khuẩn tạo khí metan là 6 - 8, trong khi cho axit hình thành vi khuẩn đó là khoảng ≤ 6 (Moosbrugger et al., 1993; Zoetemeyer et al., 1982). Tốc độ tăng trưởng vi khuẩn men vi sinh methanogenic giảm mạnh khi pH dưới 6 (Fernandes, 1989). Trong một trạng thái ổn định khơng nên u cầu kiểm sốt pH, nhưng vào những thời điểm khác, ví dụ, trong quá trình khởi động hoặc tải thức ăn cao bất thường, kiểm sốt độ pH có thể là cần thiết. pH chỉ có thể sử dụng như là một chỉ số q trình khi xử lý chất thải với cơng suất đệm thấp, chẳng hạn như chất thải giàu carbohydrate (Callander và Barford, 1983). Trong nghiên cứu này, sự biến động giá trị pH không được theo dõi mà chỉ đánh giá dựa trên giá trị pH của bùn đầu vào và bùn sau ủ theo biểu đồ dưới:
Hình 11: Giá trị pH trước và sau ủ
Giá trị pH của các mẫu bùn tươi được đánh giá trước khi đưa vào bình ủ, theo đó, pH của bùn nhà máy xử lý nước thải thấp do sử dụng các hóa chất làm đơng tụ, keo tụ chất rắn lơ lửng trong nước thải đầu vào. Trong q trình ủ, các chất hữu cơ được chuyển hóa theo ba pha tương ứng với các giai đoạn của phân hủy kỵ khí: pha phân hủy (giai đoạn thủy phân), pha acid (giai đoạn acid hóa) và pha kiềm (giai đoạn acetate hóa và metan hóa). Theo Ngơ Kế Sương (1981), pH ở từng giai đoạn trong ủ biogas có khác nhau, giai đoạn đầu trong pha acid, các vi sinh vật tạo thành acid làm giảm pH của bùn, sau đó các acid hữu cơ tiếp tục phân hủy ở pha kiềm, các vi sinh vật metan chuyển hóa các sản phẩm pha acid thành CH4và CO2. Chính phản ứng ở pha này làm cho pH của bùn thải đầu ra tăng lên như ghi nhận ở bảng trên. Theo đó, giá trị pH bùn NMXLNT Kim Liên sau ủ tăng từ 6,34 đến 7,01 (mẫu ủ 1) và 7,22 (mẫu ủ 2); pH của bùn hồ Ba Mẫu sau ủ tăng từ 7,59 đến 7,9 (mẫu ủ 3) và 8,15 (mẫu ủ 4). Mẫu bùn cống khu vực Nguyễn Trãi khơng có nhiều biến động, pH trước ủ 7,83 tăng lên 8,03 (mẫu ủ 5) và 8,16 (mẫu ủ 6). Sự tăng pH là dấu hiệu ghi nhận đầu tiên cho sự thành cơng của q trình ủ.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 pH trước 6.34 6.34 7.59 7.59 7.83 7.83 pH sau 7.01 7.22 7.9 8.15 8.03 8.16
3.2.3.2. Các giá trị dinh dưỡng của bùn sau ủ
Các giá trị dinh dưỡng của bùn được đánh giá ban đầu thông qua hàm lượng chất hữu cơ, tổng N và P. Các chỉ số này đóng vai trị quan trọng trong việc quyết định xử lý bùn sau ủ như một loại phân bón có thể áp dụng vào nơng lâm nghiệp. Theo đó, lợi ích của tiêu hóa kỵ khí bùn thải sẽ tăng lên khi cung cấp cả nhiên liệu và phân bón, trong khi lựa chọn khác thường chỉ cung cấp được một giá trị ích lợi.
Hình 12: Hàm lượng phần trăm TKN trước và sau ủ
Khác với phương thức ủ bùn hiếu khí, yêu cầu về dinh dưỡng (N, P) của hệ thống xử lý kỵ khí thấp hơn hệ thống xử lý hiếu khí do sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật kỵ khí thấp hơn vi sinh vật hiếu khí. Nitơ có thể bị mất trong q trình tiêu hóa chỉ bằng cách giảm nitrat thành khí nitơ và bay hơi amoniac vào khí sinh học. Mất nitơ qua bay hơi amoniac có thể xảy ra từ bùn nếu khơng được xử lý một cách chính xác. Tỷ lệ lượng nitơ so với lượng chất rắn bị mất đi trong quá trình phân hủy kị khí có sự chênh lệch lớn. Ví dụ, giảm 23% trong tổng nồng độ chất rắn nhưng chỉ giảm 1% N được đi kèm với một sự gia tăng tương ứng trong hàm lượng nitơ trong chất rắn còn lại sau phân hủy kị khí. Điều này có thể tạo ra một ghi nhận mới về giá trị nitơ, nếu chỉ tổng Kieldahl nitơ (TKN) được xem xét. Theo Jewell et al. (1976) trên tổng số lượng nhỏ nitrat có trong bùn thải với trung bình 1 -2 %
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1 2 3 4 5 6 Tỷ lệ TK N (% dw ) Mẫu ủ TKN trước ủ TKN sau ủ
lượng khí N2 được sinh ra trong biogas, mất mát thông qua giảm nitrat là khơng đáng kể. Do đó, hàm lượng N, P gần như được bảo toàn sau quá trình ủ. Trong nhiều nghiên cứu đã cho thấy sự gia tăng hàm lượng N, P trong bùn sau ủ do khi chất hữu cơ bị phân huỷ trong q trình tiêu hóa để sản xuất khí sinh học. Jewell et al.(1976) nhận thấy rằng TKN xét theo trọng lượng khơ tuyệt đối sau q trình ủ kị khí phân bị tăng từ 5,2% - 6,9% và Hart (1963) được tìm thấy tăng từ 3,7% đến 3,9% theo hàm lượng chất rắn. Rajabapaiah et al. (1979) cũng phát hiện rằng nitơ được bảo tồn. Trong nghiên cứu này, giá trị tổng nitơ trong bùn tươi trước ủ của các mẫu bùn 1 và 2 là 0,65% (tương ứng với 3,08% trong khối lượng khô), mẫu bùn 3 và 4 là 0,084% (tương ứng 0,4 % trong khối lượng khô) và mẫu bùn 5 và 6 là 0,003% (tương ứng với 0,11%). Sau q trình ủ kỵ khí 35 ngày, các giá trị này lần lượt là 3,17; 3,20; 0,42; 0,44; 0,11; 0,12 (%) tương ứng với sự giảm khối lượng của các chất rắn trong bùn thải sau ủ.
Hình 13: Hàm lượng phần trăm TOM trước và sau ủ
Quá trình phân giải chất hữu cơ trong bùn thải dẫn đến giảm khối lượng của bùn. Bùn càng bị phân giải mạnh thì khối lượng càng giảm do khí biogas thốt ra là sự khống hóa chất hữu cơ trong phân hủy kỵ khí. Giá trị TOM biến động tương
0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 2 3 4 5 6 TOM trước 37 37 20.11 20.11 6.49 6.49 TOM sau 29.07 27.97 15.19 14.19 5.01 4.68 Tỷ lệ TO M (% dw ) TOM trước TOM sau
giảm TOM đã ghi nhận trong khoảng từ 21% đến 29%, thấp nhất là mẫu bùn ủ số 1 với lượng giảm là 21,43% và cao nhất là mẫu bùn ủ số 4 với lượng giảm TOM là 29,44%. Các mẫu ủ không có bổ sung chế phẩm EM cho tỷ lệ suy giảm của TOM thấp hơn so với các mẫu không bổ sung chế phẩm EM. Tỷ lệ này giữa mẫu bùn ủ khơng có và có bổ sung EM trong mẫu bùn NMXLNT là 21% và 24,41% , trong mẫu bùn hồ là 24,5% và 29,44%, trong mẫu bùn cống là 22,8% và 27,89%; tương đương lượng TOM bị phân giải sinh học trong các mẫu bùn ủ không bổ sung chế phẩm EM bằng 87,79%, 83,12% và 81,75% so với lượng TOM bị phân giải sinh học trong các mẫu bùn ủ có bổ sung chế phẩm EM.
3.2.3.3. Hàm lượng các kim loại nặng của bùn sau ủ
Các kim loại nặng không tham gia trong q trình chuyển đổi vật chất của phân giải kỵ khí bùn, tuy nhiên sự có mặt của các kim loại nặng của bùn ở hàm lượng cao có thể gây suy giảm sản lượng khí biogas, do độc tính của chúng đối với các vi sinh vật có tác dụng phân giải bùn. Các kim loại nặng được bảo tồn trong q trình này, nhưng giống như trường hợp của TKN, sự sụt giảm trọng lượng khô của bùn sau ủ đưa đến giá trị mới của hàm lượng các kim loại nặng, giá trị này sẽ cao hơn so với trước khi ủ.
Theo lịch sử của xử lý bùn thải đơ thị, sau q trình ủ kỵ khí, khí biogas được thu hoạch và bùn sau ủ được sử dụng làm phân bón hay rải nền đất nông lâm nghiệp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển hiện nay, các quy định về tiêu chuẩn bùn thải áp dụng vào nông nghiệp ngày càng thắt chặt. Do đó, đánh giá hàm lượng các kim loại nặng sẽ là cần thiết khi coi bùn sau ủ kỵ khí như một chất rắn hữu cơ để xác định khả năng áp dụng của bùn.