Quá trình phát triển của các kĩ thuật yếm khí

1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ

1.2.2. Quá trình phát triển của các kĩ thuật yếm khí

1.2.2.1. Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí trên thế giới

Sự hình thành và phát triển của các kĩ thuật yếm khí (phát hiện ra biogas) ở trên thế giới có từ rất lâu. Theo báo cáo của dự án AgSTAR thì quá trình yếm khí để xử lý chất thải sinh hoạt và chăn nuôi đầu tiên được áp dụng ở Pháp từ cuối thế kỉ 19. Bể phản ứng, còn gọi là bể phốt, là bể chứa phân kín (sáng chế của Louis Mouras). Theo Gray, khả năng xử lý BOD của bể phốt thấp 40 - 50%, hiệu quả tách cặn không tan khá tốt, ~80% [48].

Năm 1907, người Đức đăng kí sáng chế cho bể Imhoff (bể phốt có ngăn lắng). Bể Imhoff có chức năng giống như bể phốt, kết hợp giữa lắng sơ cấp và phân hủy chất hữu cơ. Khác với bể phốt là sự tách biệt giữa vùng lắng và vùng phân hủy bùn (two - story tank). Hiệu quả tách loại cặn không tan của bể Imhoff ở mức 40 - 70%, BOD giảm 25- 50% [48]. Với đặc trưng gọn, ít tốn công bảo trì, bể Imhoff thích hợp cho các cụm dân cư nhỏ. Nước thải sau bể Imhoff cần tiếp tục xử lý trước khi thải ra môi trường.

Những năm 1930 bắt đầu áp dụng kĩ thuật phân hủy phân và các chất thải nông nghiệp thu biogas như dạng bể yếm khí theo mẻ [59, 73]. Các kĩ thuật thường gặp là bể biogas kiểu Trung Quốc và kiểu Ấn Độ. Chất thải các ngành thực phẩm có thể được xử lý một cách hiệu quả khi sử dụng quá trình xử lý yếm khí như trên, với 80% COD được loại bỏ ở tải lượng khá cao 8,0 kgCOD/m3.ngày [87].

Từ những năm 1960 vấn đề phân hủy phân gia súc được chú trọng hơn vấn đề thu hồi-sử dụng biogas nên kĩ thuật ao hồ được phổ biến hơn. Hồ sinh học yếm khí thuộc loại hệ có tốc độ phân hủy chậm, kết hợp với quá trình lắng bùn sơ cấp, thường được sử dụng như một phương án chi phí thấp để xử lý các nguồn thải giàu chất hữu cơ như chất thải từ chế biến nông sản, thực phẩm ở những khu vực có mặt bằng lớn, phù hợp. Thế hệ hồ yếm khí mới được cải tiến như trang bị thêm thiết bị khuấy trộn và hồi lưu bùn, khi đó hồ yếm khí kín trở thành hệ lai ghép giữa kĩ thuật dòng liên tục khuấy trộn đều và tiếp xúc yếm khí. Với những cải tiến đó, hồ yếm khí kín có thể kết hợp xử lý cả các thành phần tan và không tan, có thể thu hồi được biogas [72].

Từ 1970 do khủng hoảng dầu mỏ, trên cơ sở các tài trợ nghiên cứu về năng lượng đã xuất hiện các bể phân hủy kiểu ống dòng (plug-flow) [44]. Các kĩ thuật yếm khí đã có những bước tiến quan trọng với sự ra đời các kĩ thuật yếm khí cao tải (high rate) dưới dạng lọc yếm khí [109]. Đặc biệt trong đó có

kĩ thuật UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) được sáng chế bởi nhóm Lettinga - Trường Đại học Nông nghiệp Wageningen - Hà Lan với bản chất là nước thải sẽ vào bể phản ứng từ đáy bể rồi đi lên và “lội” qua lớp bùn hoạt tính dày. Hỗn hợp bùn-nước được đi qua hệ tách khí/lỏng/rắn ở đỉnh bể và cuối cùng là nước trong đi ra. Kĩ thuật UASB đã đặt nền móng cho sự phổ biến các kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải và siêu cao tải với sự xuất hiện của bùn vi sinh dạng hạt (granular sludge) như kĩ thuật đệm vi sinh dạng hạt trương nở (Expanded Granular Sludge Bed - EGSB), IC (đôi khi được coi là EGSB).

Trong những năm 1980 sự quan tâm đến kĩ thuật yếm khí cao tải bắt đầu trùng xuống vì lí do giá thành (chi phí thiết bị cao, năng lượng bắt đầu hạ giá) và những hạn chế của kĩ thuật phân hủy yếm khí.

Tới những năm 1990, mối quan tâm về các kĩ thuật phân hủy yếm khí lại quay trở lại [31, 40], chủ yếu vẫn vì lí do vệ sinh và năng lượng. Jewell và các đồng nghiệp tại trường đại học Cornell đã tiến hành một lượng công việc đáng kể về thiết kế bể phản ứng kiểu ống dòng trong vòng 8 năm [59]. Hayes đã đưa ra sự so sánh giữa bể phản ứng kiểu ống dòng và bể khuấy trộn hoàn toàn. Ưu thế về tốc độ xử lý hữu cơ cũng như tốc độ tạo biogas thuộc về kĩ thuật phản ứng kiểu ống dòng [50].

Sau những năm 2000, khi các hệ xử lý yếm khí cao tải, nhất là UASB đã được nhanh chóng phổ biến trên toàn thế giới, cùng với xu thế xử lý môi trường không chỉ để vệ sinh, để bảo vệ môi trường mà còn phải thu hồi tài nguyên, nhóm nghiên cứu của Lettinga đã đề xuất những hệ xử lý yếm khí với phương châm theo “con đường khoáng hóa bằng hệ sinh học tự nhiên - NBM (Natural Biological Mineralization route)” [42]. Với hệ ao hồ yếm khí, nhờ chi phí thấp nên tới những năm 2000 vẫn phổ biến trong ngành chăn nuôi ở Mỹ, tuy nhiên chúng là nguồn phát thải khí, mùi lớn, nhóm Miner đã nghiên cứu sử dụng màng PE dày 5cm để phủ kín mặt hồ cho kết quả tốt [56].

Với sự quan tâm ngày một lớn tới các nguồn năng lượng tái tạo cũng với yêu cầu vệ sinh môi trường, các công nghệ yếm khí hiện đại đã dần trở thành một thành phần không thể thiếu của các thành phố “không chất thải”, trong nền “kinh tế tuần hoàn”, là nguồn mêtan-năng lượng tái tạo tin cậy và chủ động để hỗ trợ cho các nhà máy điện gió, điện mặt trời vốn rất phụ thuộc vào thời tiết. Về khía cạnh phát triển và đóng góp của công nghiệp xử lý yếm khí - biogas vào thị trường năng lượng, công bố gần đây của Đại học Oxford (2017) cho thấy Liên hiệp châu Âu (EU) là khu vực đi đầu thế giới trong lĩnh vực này [97]. Đi sau EU là Mỹ, theo Bộ Năng lượng Mỹ [39] báo cáo mới có 2.200 công trình biogas, chủ yếu chúng đang thực hiện chức năng phân hủy bùn và một phần thải hữu cơ ở các nhà máy xử lý nước thải, tuy nhiên họ có kế hoạch xây dựng tới 13.000 công trình với tổng sản lượng điện 40 TWh, nhiều tập đoàn năng lượng lớn đã bắt đầu đầu tư vào lĩnh vực này.

Bên cạnh chức năng ban đầu là xử lý môi trường, công nghệ yếm khí là nguồn năng lượng tái tạo ổn định, không phụ thuộc vào tự nhiên như điện gió, điện mặt trời, công nghệ yếm khí còn là bắt đầu thuận lợi cho việc áp dụng các công nghệ thu hồi dinh dưỡng, sản xuất phân hữu cơ an toàn phục vụ phát triển nông nghiệp hữu cơ [92]. Nhiệm vụ xử lý các loại nước thải giàu hữu cơ, khác với quan niệm thông thường về xử lý sinh học hiếu khí, các hệ xử lý nước thải yếm khí có thể xử lý được hóa chất độc hại từ công nghiệp như fomanđehit, benzanđehit, terephtalat, xyanua, … và đặc biệt là các thuốc nhuộm azo [100].

Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây cho thấy từ nguồn thải hữu cơ công nghệ yếm khí có thể phát triển theo hướng “lọc sinh học”(biorefinery) [103]

nghĩa là áp dụng các công nghệ sinh hóa để biến các thành phần nước thải thành những sản phẩm hữu ích mà thường là do công nghiệp hóa dầu sản xuất. Theo Sarika, có thể nói công nghệ yếm khí là một trong những công cụ hữu hiệu để khởi đầu cho nền kinh tế tuần hoàn và công nghiệp xanh [92].

Tóm lại, theo Metcalf & Eddy/AECOM (2014), lịch sử phát triển của các kĩ thuật xử lý yếm khí có thể được chia thành 3 giai đoạn [75]: Giai đoạn đầu - sơ khai, giai đoạn 2 là giai đoạn phát triển để xử lý bùn thải và giai đoạn 3 là giai đoạn xử lý các loại nước thải giàu hữu cơ với các kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải. Trong giai đoạn 3, theo Van Lier đã tổng quan về sự phát triển của công nghệ yếm khí cao tải nhân dịp 40 năm xuất hiện nhà máy đầu tiên áp dụng kĩ thuật UASB [100], quá trình phát triển công nghệ này trải qua 4 thế hệ như sau: Thế hệ kĩ thuật xử lý yếm khí cao tải đời đầu là các kĩ thuật tiếp xúc (Anaerobic Contact Process - ACP) và lọc yếm khí (Anaerobic Filter - AnF hay AF); thế hệ thứ hai là kĩ thuật UASB; thế hệ thứ ba là IC, EGSB và một số biến thể như AnSBR (Anaerobic Sequencing Batch Reactor), AnMBR (Anaerobic Membrane Bioreactor) và thế hệ thứ tư là các kĩ thuật xử lý yếm khí siêu cao tải, có thể xử lý các nước thải giàu VSS như ICX (Internal Circulation eXperience) và AecomixTM.

1.2.2.2. Quá trình phát triển kĩ thuật yếm khí ở Việt Nam

Công nghệ biogas đã được nghiên cứu và áp dụng từ năm 1960 chủ yếu dưới dạng hầm, bể, túi nhựa HDPE (Hight Density Poli Etilen), đến nay công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi và mang lại lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường đáng kể cho người dân. Khoảng 53% các cơ sở chăn nuôi lợn tập trung ở phía Nam, 60% ở phía Bắc và 42% ở khu vực miền Trung được báo cáo là đã sử dụng hầm biogas để xử lý chất thải [3, 16].

Hiện nay, đối với chăn nuôi lợn quy mô trang trại, Việt Nam đang áp dụng công trình biogas quy mô vừa (thể tích từ 51m3 đến 499m3), công trình biogas quy mô lớn (thể tích từ 500m3 trở lên). Công nghệ áp dụng bao gồm 3 kiểu công nghệ là bể biogas hình ống, bể biogas kiểu KT1 và KT2 (có thể tích 50 - 200m3), hồ biogas phủ bạt HDPE. Tính đến tháng 10/2017, Việt Nam đã xây lắp được khoảng 467.231 hầm biogas với sự hỗ trợ của Chính phủ và các

nhà tài trợ quốc tế như Tổ chức phát triển Hà Lan (SNV), Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB)… trên tổng số 12 triệu hộ chăn nuôi [3]. Các công trình biogas có thu hồi khí sinh học hiện nay là giải pháp xử lý chất thải chăn nuôi lợn kết hợp giảm phát thải khí nhà kính tương đối hiệu quả. Các hệ biogas kiểu này có ưu điểm là chi phí thấp, đơn giản, dễ vận hành.

Công nghệ phân hủy yếm khí trong bể biogas được áp dụng xử lý chất thải chăn nuôi lợn cho thấy hiệu quả xử lý nước thải hơn so với các phương pháp truyền thống khác. Ưu điểm của hệ thống biogas là các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đó nước thải sau biogas có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn. Các hầm biogas đã giảm tình trạng các hộ chăn nuôi thải trực tiếp chất thải ra môi trường, qua đó giảm được ô nhiễm nước mặt và nước ngầm.

Chất lượng nước được cải thiện đáng kể. Các hầm biogas có khả năng xử lý khá tốt các chất hữu cơ (trung bình COD giảm 84,7%, BOD5 giảm 76,3%, chất rắn lơ lửng (trung bình SS giảm 86,1%, VSS giảm 85,4%), và vi sinh vật gây bệnh (giảm 51,2%), các chất dinh dưỡng (N, P), hầm biogas chỉ xử lý giảm một phần (trung bình tổng Nitơ giảm 11,8%, tổng Photpho giảm 7,0%) [7]. Nhược điểm chính của các hệ biogas kiểu này là quá trình thực tế là: thời gian lưu lớn (từ 30 ngày trở lên tùy nhiệt độ) nên chiếm nhiều diện tích; tùy tiện-không kiểm soát;

khó xả bùn nên nhanh chóng bị lấp đầy, giảm thể tích hữu dụng; bể HDPE lớn thường có kết cấu hình khối chữ nhật nên thể tích chết lớn, giảm thể tích hiệu dụng và HRT thực tế.