Đánh giá sơ bộ khả năng phân hủy yếm khí và thu hồi khí sinh học từ một số thành phần hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG
----------o0o----------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU SƠ BỘ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY YẾM KHÍ VÀ THU HỒI
KHÍ SINH HỌC TỪ MỘT SỐ THÀNH PHẦN HỮU CƠ CỦA CHẤT
THẢI RẮN SINH HOẠT
NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ: 306

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Mã sinh viên
Lớp
Khóa

: TS. Vũ Huy Định
: Trần Thanh Huấn
: 1453061613
: K59B - KHMT
: 2014 - 2018

Hà Nội, 2018


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, em xin cám ơn Thầy Ngô Thế Ân thuộc Bộ Môn Sinh Thái
Nông Nghiệp - Khoa học Môi trƣờng – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tận
tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài
nghiên cứu, cũng nhƣ q trình hồn thiện bản khóa luận tốt nghiệp này.

Đặc biệt, em xin đƣợc chân thành cám ơn TS.Vũ Huy Định - Trƣờng Đại
học Lâm Nghiệp Việt Nam đã quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình cho em trong
quá trình hồn thiện khóa luận tốt nghiệp.
Trong q trình thực hiện và hồn thành khóa luận tốt nghiệp do thời gian
và kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo tận tình của q thầy cơ để bản khóa
luận đƣợc hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày

tháng

Sinh viên

Trần Thanh Huấn

năm 2018


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT .....................2
1.1 Tổng quan về chất thải rắn sinh hoạt .........................................................................2
1.1.1 Khái niệm ...............................................................................................................2
1.1.2 Các tác động của chất thải rắn ................................................................................3
1.1.3 Các biện pháp xử lý chất thải rắn ...........................................................................5

1.2 Phƣơng pháp phân hủy yếm khí và thu khí sinh học ...............................................7
1.2.1 Giới thiệu chung về q trình phân hủy yếm khí ...................................................7
1.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng ........................................................................................... 10
1.2.3 Phân loại hệ thống phân hủy yếm khí ..................................................................12
1.3 Hiện trạng ứng dụng phƣơng pháp sinh học xử lý yếm khí rác thải trên Thế giới ..14
Chƣơng 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........21
2.1 Mục đích và đối tƣợng nghiên cứu ..........................................................................21
2.2 Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 21
2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng .....................................................................21
2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................22
2.5 Phƣơng pháp xác định các thông số ........................................................................25
2.5.1 Tổng chất rắn (TS)................................................................................................ 25
2.5.2 Chất rắn bay hơi (VS) ........................................................................................... 25
Chƣơng III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................26
3.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá
trình phân hủy yếm khí đối với mẫu hỗn hợp. .............................................................. 26
3.1.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) sinh ra hàng ngày ...................................................26
3.1.2 Ảnh hƣởng của các yếu tố đến quá trình phân hủy yếm khí và thu khí sinh học
(biogas) ..........................................................................................................................26
3.2 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá


trình phân hủy yếm khí đối với mẫu khoai lang. ........................................................... 32
3.2.1. Lƣợng khí sinh học (biogas) sinh ra hàng ngày ..................................................32
3.2.2 Ảnh hƣởng của các yếu tố đến quá trình phân hủy yếm khí và thu khí sinh học
(biogas) ..........................................................................................................................33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................38
Kết Luận ........................................................................................................................38
Đề xuất kiến nghị ...........................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tổng hàm lƣợng chất rắn

: TS

Chất rắn dễ bay hơi

: VS

Phân hủy kỵ khí

: AD/ Anaerobic Digester

Khí sinh học

: Biogas

Vi sinh vật

: VSV

Chất thải rắn

: CTR

Chất thải rắn sinh hoạt

:CTRSH

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tổng hợp tính chất rác thải đô thị và phƣơng pháp xử lý .............................. 6
Bảng 1.2 Các giai đoạn trong quá trình phân hủy yếm khí .............................................8
Bảng 1.3 Các nguồn chất thải hữu cơ sử dụng làm nguyên liệu cho phân hủy yểm khí 9
Bảng 1.4 Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống phân hủy kỵ khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn
.......................................................................................................................................14
Bảng 1.5 Lƣợng phát sinh rác thải hằng ngày ở Bangalore ..........................................17
Bảng 1.6 Tỉ lệ TS và TS từ các nguồn nguyên liệu khác nhau .....................................19
Bảng 1.7 Tổng hợp tính chất rác thải đô thị và phƣơng pháp xử lý. ............................. 20
Bảng 2.1 Các thơng số đầu vào cho q trình phân hủy yếm khí theo mẻ mẫu hỗn hợp
.......................................................................................................................................24
Bảng 2.2 Các thơng số đầu vào cho q trình phân hủy yếm khí theo mẻ mẫu khoai
lang ................................................................................................................................ 24


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ khái qt các thơng số của chất thải .......................................................3
Hình 1.2 Sơ đồ các biện pháp xử lý chất thải rắn đơ thị .................................................5
Hình 1.3 Thành phần của CTRĐT (kg/ ngƣời/ năm) ở 23 thành phố . .........................15
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thực hiện nghiên cứu ............................................................ 22
Hình 2.2 Hệ thống thí nghiệm phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm để thu khí sinh
học .................................................................................................................................23
Hình 3.1 Biểu đồ thể tích khí tích lũy theo ngày mẫu hỗn hợp .....................................26
Hình 3.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh từ quá trình phân hủy yểm
khí ..................................................................................................................................27
Hình 3.3 Ảnh hƣởng của pH đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí
.......................................................................................................................................29
Hình 3.4 Ảnh hƣởng của vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy

yếm khí ..........................................................................................................................30
Hình 3.5 Ảnh hƣởng của thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh từ quá trình
phân hủy yếm khí ..........................................................................................................31
Hình 3.6 Ảnh hƣởng của thời gian bổ sung vi sinh vật đến thể tích khí .......................31
Hình 3.7 Thể tích khí tích lũy theo ngày của mẫu khoai ...............................................32
Hình 3.8 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh trong q trìnhphan hủy
yếm khí ..........................................................................................................................33
Hình 3.9 Ảnh hƣởng của pH đến thể tích khí phát sinh trong q trình phân hủy yếm
khí ..................................................................................................................................34
Hình 3.10 Ảnh hƣởng của vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh trong q trình phân
hủy yếm khí ...................................................................................................................35
Hình 3.11 Ảnh hƣởng của thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh ..................35
Hình 3.12 Ảnh hƣởng của thời gian bổ sung vi sinh vật đến lƣợng khí sinh ra ...........36


LỜI MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, tạo ra sức ép về
nhiều mặt, dẫn đến suy giảm chất lƣợng môi trƣờng và phát triển không bền
vững. Các hoạt động sản xuất, sinh hoạt tăng, kéo theo lƣợng chất thải cũng
tăng, trong đó có chất thải rắn sinh hoạt chiếm tỷ lệ khá lớn. Tuy nhiên, tỷ lệ
đƣợc thu gom và xử lí chƣa cao do vẫn cịn nhiều hạn chế. Trong khí đó, chất
thải sinh hoạt có hàm lƣợng hữu cơ cao, có khả năng phân hủy kỵ khí để tạo ra
khí sinh học (Biogas). Việc thu khí sinh học (biogas) từ chất thải thực phẩm sẽ
vừa giảm thiểu đƣợc lƣợng chất thải, vừa tạo ra một nguồn nhiên liệu mới, thay
thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Nghiên cứu này nhằm
đánh giá khả năng phát sinh khí sinh học (Biogas) từ chất thải rắn sinh hoạt tại
Hà Nội trong các điều kiện khác nhau.
Nghiên cứu tập trung vào đánh giá khả năng phân hủy và thu khí sinh
học (biogas) của một số loại chất thải rắn sinh hoạt tại Hà Nội nhƣ cơm, rau, củ,
quả, thịt, phụ phẩm nông nghiệp v.v. Trong phạm vi của báo cáo này, nhóm

nghiên cứu tập trung vào đánh giá sơ bộ khả năng phân hủy và thu hồi khí sinh
học từ hỗ hợp (rau muống, thịt gà, cơm) và khoai lang trong các điều kiện khác
nhau của nhiệt độ, độ pH, thời gian, cũng nhƣ vai trò của vi khuẩn hỗ trợ tạo mê
tan. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng trong điều kiện nhiệt độ 37oC, pH = 7 ~ 8
và khơng bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí mê tan, lƣợng khí sinh học hình thành
cao hơn so với lƣợng khí hình thành trong các điều kiện thí nghiệm ở nhiệt độ
phịng, khơng kiểm sốt pH hay bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí mê tan. Kết quả
nghiên cứu sơ bộ cho thấy tiềm năng thu khí sinh học từ chất thải sinh hoạt bằng
phƣơng pháp phân hủy yếm khí trong điều kiện thí nghiệm thích hợp cũng nhƣ
khả năng áp dụng đối với chất thải sinh hoạt là rất cao và mang lại hiệu quả
đáng kể. Với 100g mẫu hỗn hợp ban đầu đƣa vào thí nghiệm có thể thu đƣợc
4200ml khí sinh học, 100g mẫu khoai lang đƣa vào có thể thu đƣợc 3200ml khí
sinh học. Điều này hứa hẹn một tƣơng lai mới cho việc áp dụng xử lý chất thải
sinh hoạt bằng phƣơng pháp yếm khí.

1


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN HỦY YẾM KHÍ
1.1 Tổng quan về chất thải rắn sinh hoạt
1.1.1 Khái niệm
Chất thải rắn (CTR) là những vật chất (ở thể rắn thông thƣờng) khơng cịn giá
trị sử dụng cho ngƣời sở hữu hiện tại hoặc bị loại bỏ từ các hoạt động sản xuất,
sinh hoạt (theo US EPA). Chất thải rắn có thể bao gồm cả bùn thải, nếu tỷ lệ
nƣớc trong cặn bùn ở mức độ cho phép, xử lý cặn bùn tƣơng tự nhƣ xử lý chất
thải rắn.[1]
Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) là các chất thải rắn ở dạng rắn đƣợc phát
sinh từ hoạt động sinh hoạt hàng ngày của con ngƣời từ các hộ gia đình, các khu
tập thể, chất thải đƣờng phố, chợ, trung tâm thƣơng mại, văn phòng, các cơ sở

nghiên cứu, trƣờng học…
Nguồn gốc phát sinh: Chất thải rắn sinh hoạt phát sinh từ hộ gia đình, cơng
sở, trƣờng học, từ chợ, từ các nhà hàng, khách sạn, khu thƣơng mại, cửa hàng
tạp hóa,… Thành phần rác thải chủ yếu gồm: thực phẩm thừa, giấy, carton,
plastic (nhựa), gỗ, thủy tinh, kim loại, da, cao su…
Đặc điểm của chất thải rắn sinh hoạt
-

Chất thải rắn sinh hoạt chứa một khối lƣợng và tỷ lệ rác hữu cơ rất lớn

so với các loại rác vô cơ khác.
-

Rác hữu cơ rất dễ bị phân hủy, thối rữa dƣới tác động của nhiệt độ, độ

ẩm và vi sinh vật.
-

Đặc điểm của rác sinh hoạt ở Việt Nam đó là rác khơng đƣợc phân loại

tại nguồn, do đó cơng tác xử lý rác gặp rất nhiều khó khăn.
-

Chất thải rắn sinh hoạt sẽ khó đƣợc tận dụng, tái chế nếu khơng đƣợc

phân loại tại nguồn.Vì vậy cần thu gom và phân loại riêng trong những túi có
chất liệu đặc biệt dễ phân hủy.
Khả năng phân hủy sinh học.
Trong tổng hàm lƣợng chất rắn (TS) của chất thải, chỉ có thành phần hữu cơ
dễ phân hủy tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí (hình 1.1), [2] cịn đƣợc

2


gọi là chất rắn bay hơi (VS). Hàm lƣợng chất rắn bay hơi (%VS); đƣợc xác định
bằng cách đốt cháy chất thải ở 550ºC; thƣờng là thông số sử dụng để đánh giá
khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn. Chất
thải có %VS từ 70 – 95% trên tổng hàm lƣợng rắn rất thích hợp xử lý bằng
phƣơng pháp phân hủy kỵ khí.

Hình 1.1 Sơ đồ khái qt các thơng số của chất thải
1.1.2 Các tác động của chất thải rắn
Tác động của chất thải rắn sinh hoạt tới môi trường và con người
Việc quản lý chất thải rắn không hợp lý, xử lý chất thải rắn không hợp kỹ
thuật vệ sinh là những nguyên nhân hàng đầu dẫn đến ô nhiễm mơi trƣờng và ảnh
hƣởng tới sức khỏe cộng đồng.[3]
Ơ nhiễm mơi trường khơng khí
Chất thải rắn sinh hoạt có thành phần hữu cơ chiếm chủ yếu. Dƣới tác động
của nhiệt độ, độ ẩm và các vi sinh vật, chất thải hữu cơ (CTHC) bị phân hủy tạo
khí sinh học (biogas) (CH4 – 63,8%, CO2 – 33,6% và một số khí khác).
Khi vận chuyển và lƣu giữ CTR sẽ phát sinh mùi hơi do q trình phân hủy
các chất hữu cơ gây ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí. Các khí phát sinh từ quá
trình phân hủy chất hữu cơ trong CTR nhƣ: amoni có mùi khai, phân có mùi hơi,
hydrosunfua mùi trứng thối, sunfua hữu cơ mùi bắp cải thối rữa, mecaptan hôi
nồng, amin mùi cá ƣơn, diamin mùi thịt thối, clo hơi nồng, phenol mùi ốc đặc
trƣng. Thành phần khí rác chứa CH4, CO2, H2S, NH3, các khí hữu cơ độc hại,…
có tác động xấu đến mơi trƣờng, sức khỏe và khả năng hoạt động của con ngƣời.
3


Ô nhiễm môi trường nước

Chất thải rắn sinh hoạt đặc biệt là chất thải hữu cơ, trong môi trƣờng sẽ bị
phân hủy nhanh chóng. Tại các bãi rác, nƣớc có trong rác sẽ đƣợc tách ra bị hòa
trộn vào các nguồn nƣớc khác nhƣ: nƣớc mƣa, nƣớc ngầm, nƣớc mặt hình thành
nƣớc rỉ rác. Nƣớc rỉ rác di chuyển trong bãi rác làm tăng khả năng phân hủy sinh
học của rác thải cũng nhƣ tăng quá trình vận chuyển các chất gây ơ nhiễm ra
ngồi mơi trƣờng.
Các chất ơ nhiễm trong nƣớc rỉ rác gồm các chất hình thành trong q trình
phân hủy sinh học, hóa học… Mức độ ơ nhiễm trong nƣớc rỉ rác rất cao. Đối với
các bãi rác thơng thƣờng (đáy bãi rác khơng có lớp chống thấm hoặc lớp chống
thấm bị thủng…) các chất ô nhiễm ngấm đất, hịa trộn vào nƣớc ngầm, gây ơ
nhiễm tầng nƣớc ngầm và rất nguy hiểm khi con ngƣời sử dụng tầng nƣớc này
cho sinh hoạt. Ngồi ra, chúng có thể di chuyển theo phƣơng ngang, rị rỉ ra bên
ngồi bãi rác gây ơ nhiễm nƣớc mặt.
Nếu rác có chứa kim loại nặng, nồng dộ kim loại nặng trong giai đoạn lên
men axit sẽ lên cao hơn trong giai đoạn lên men metan. Đó là do các axit béo
mới hình thành tác dụng với kim loại tạo thành phức kim loại. Vì vậy, khi kiểm
sốt chất lƣợng nƣớc ngầm trong khu vực bãi rác phải kiểm tra xác định nồng độ
kim loại nặng trong thành phần nƣớc ngầm.
Ơ nhiễm mơi trường đất
Chất thải rắn hữu cơ trong môi trƣờng đất sẽ đƣợc vi sinh vật phân hủy trong
điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí, khi có độ ẩm thích hợp sẽ tạo ra hàng loạt các
sản phẩm trung gian, sản phẩm cuối cùng là các chất khoáng đơn giản, nƣớc,
CO2, CH4…
Với một lƣợng rác thải và nƣớc rỉ rác vừa phải thì khả năng tự làm sạch của
mơi trƣờng đất sẽ phân hủy các chất này thành các chất ít ô nhiễm hoặc không ô
nhiễm. Nhƣng với lƣợng rác thải quá lớn, vƣợt quá khả năng tự làm sạch của đất,
môi trƣờng đất sẽ bị ô nhiễm. Các chất ô nhiễm này cũng với các kim loại nặng,
các chất độc hại và các vi khuẩn ngấm xuống nguồn nƣớc ngầm, gây ô nhiễm
tầng nƣớc ngầm.
4

Thu gom, phân loại và xử lý rác không đúng quy định và nguy cơ gây bệnh
nguy hiểm cho công nhân vệ sinh, đặc biệt là khi tiếp xúc với chất thải rắn nguy
hại từ y tế, công nghiệp. Rác thải không thực hiện thu gom tốt cũng là một trong
những yếu tố làm cản trở dòng chảy, làm hạn chế khả năng thốt nƣớc của các
sơng, rạch và hệ thống thốt nƣớc đơ thị.
1.1.3 Các biện pháp xử lý chất thải rắn
Quy trình xử lý chất thải rắn đƣợc thể hiện trong hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ các biện pháp xử lý chất thải rắn đô thị
a. Xử lý chất thải rắn đô thị
Phần lớn CTR sinh hoạt đô thị chƣa phân loại tại nguồn mà thu gom lẫn lộn và
vận chuyển đến bãi chôn lấp.Các phƣơng pháp xử lý CTR đô thị hiện nay phổ
biến là chôn lấp CTR khơng có xử lý; chơn lấp CTR có phun chế phẩm EM, vơi
bột; chơn lấp CTR có kỹ thuật kiểm sốt, xử lý ơ nhiễm; sử dụng lị đốt; chế
biến phân compost theo cơng nghệ nƣớc ngồi; chế biến CTR theo công nghệ
Seraphin, An Sinh ASC; đốt CTR thu năng lƣợng; đốt CTR yếm khí thành
than.Việc lựa chọn cơng nghệ xử lý CTR phải căn cứ theo tính chất và thành
phần của chất thải và các điều kiện cụ thể của từng địa phƣơng. [3]
5


Bảng 1.1 Tổng hợp tính chất rác thải đơ thị và phương pháp xử lý

6


Tỷ lệ CTR đƣợc chôn lấp ở Việt Nam hiện chiếm khoảng 76 - 82% tổng
lƣợng CTR thu gom đƣợc (trong đó, khoảng 50% đƣợc chơn lấp hợp vệ sinh và

50% chôn lấp không hợp vệ sinh).[3] Việc lựa chọn các bãi chôn lấp, khu trung
chuyển, thu gom chƣa đủ căn cứ khoa học và chƣa có tính thuyết phục; công
nghệ xử lý chất thải chƣa đảm bảo kỹ thuật vệ sinh môi trƣờng. Ở phần lớn các
bãi chôn lấp, việc chôn lấp rác đƣợc thực hiện hết sức sơ sài, chƣa thực hiện
đúng các qui định và nhiều bãi rác đang trong tình trạng quá tải.[3] Khi các bãi
rác khơng đƣợc thực hiện đúng qui trình thì chúng sẽ lại trở thành nơi phát sinh
ơ nhiễm thứ cấp, có thể gây tác hại lớn hơn so với rác thải ban đầu và ảnh hƣởng
đến cuộc sống của ngƣời dân ở khu vực lân cận. Vấn đề đặt ra là cần biện pháp
xử lý CTR sinh hoạt hoàn thiện đƣợc các tiêu chí về kỹ thuật, kinh tế, mơi
trƣờng.
Trong thành phần chất thải rắn hữu cơ, chất thải thực phẩm chiếm tỷ lệ lớn,
ƣớc tính 20% trong chất thải rắn hữu cơ, có khả năng phân hủy nhanh bằng
phƣơng pháp sinh học yếm khí.[5]Vì vậy trong khn khổ của đồ án, để có thể
nghiên cứu đƣợc trong phịng thí nghiệm, tác giả chọn loại chất thải thực phẩm
(thực phẩm thừa) giàu hữu cơ đại diện cho chất thải rắn hữu cơ, có lƣợng đáng
kể làm đối tƣợng nghiên cứu khi nghiên cứu cơng nghệ xử lý yếm khí và thu hồi
khí sinh học (biogas).
1.2 Phƣơng pháp phân hủy yếm khí và thu khí sinh học
1.2.1 Giới thiệu chung về quá trình phân hủy yếm khí
a. Định nghĩa
Phân hủy yếm khí (AD) là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong mơi trƣờng
khơng có oxy ở điều kiện mesophilic (30 - 40°C) hoặc thermophilic (50 - 65°C).
Đây là một quá trình tự nhiên, thƣờng có ở các mơi trƣờng nƣớc ở sông hồ, đầm
lầy hay dạ dày của các động vật nhai lại. Sản phẩm của q trình phân hủy kỵ
khí là khí sinh học (gọi là biogas) và mùn ổn định.[6] Quá trình phân hủy các
chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí xảy ra theo phản ứng sau:
CnHaObNcSd + xH2O  yCH4 + zCO2 + tNH3 + uH2S
b. Chu trình cơng nghệ phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ
7

Chu trình cơng nghệ phân hủy yếm khí gồm 3 cơng đoạn chính: chuẩn bị,
phân hủy và tinh chế sản phẩm.[6]


Công đoạn chuẩn bị: là công đoạn thu gom, vận chuyển và xử lý sơ bộ

chất thải (nhƣ phân loại, nghiền nhỏ…) trƣớc khi đƣa vào thiết bị phân hủy.


Công đoạn phân hủy: là giai đoạn phân hủy sinh hóa chất thải tạo sản

phẩm (khí biogas và bùn ổn định).


Cơng đoạn tinh chế sản phẩm: ở giai đoạn này, sản phẩm đƣợc lấy ra khỏi

thiết bị phân hủy, đƣợc làm sạch, tinh chế, phân phối và sử dụng.
c. Quá trình hóa sinh xảy ra khi phân hủy yếm khí chất hữu cơ
Q trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ diễn ra trình tự theo bốn giai
đoạn đƣợc trình bảy ở trong Bảng 1.2
Bảng 1.2 Các giai đoạn trong q trình phân hủy yếm khí
Tên giai đoạn

(1)

(2)

(3)

(4)

Thủy phân

Axit hóa

Acetat hóa

Metan hóa

Cơ chất ban

Đƣờng phức tạp,

Đƣờng đơn

Amino axit, axit

Acetat

đầu

protein, chất béo

Vi sinh vật

hữu cơ
Vi khuẩn axit

Vi khuẩn acetat

Vi khuẩn

hóa

hóa

metan
hóa

Sản phẩm

Đƣờng đơn

Amino axit, axit

Acetat

hữu cơ
Khí sinh ra

CO2

CO2, H2

CO2, NH4, H2

CO2, NH4,
CH4

Phân chia giai đoạn dựa trên chủng VSV tham gia phân hủy cấu trúc của chất
hữu cơ. Bốn giai đoạn đƣợc mô tả cụ thể nhƣ sau : [6]
-

Giai đoạn 1: Thủy phân (Hydrolysis).
Trong giai đoạn 1, VSV phân hủy các carbohydrat khơng hịa tan, protein và
chất béo thành đƣờng đơn, axit béo, amino axit và peptit.

-

Giai đoạn 2: Axit hóa (Acidogenesis).
Giai đoạn này còn đƣợc gọi là giai đoạn lên men. Khi đó, các vi khuẩn axit hóa
8


tham gia chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn thủy phân thành thành các axit
hữu cơ đơn giản, rƣợu, khí cacbon dioxit (CO2) và khí hydro (H2).
-

Giai đoạn 3: Acetat hóa (Acetogenesis)
Axit hữu cơ và axit dễ bay hơi đƣợc chuyển hóa thành acetat và khí hydro
CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2
CH3CH2COOH + 3H2O → CH3COOH + CO2 + H2
Giai đoạn 4: Metan hóa (Methanogenesis).
Trong gia đoạn này, vi khuẩn metan hóa sẽ chuyển hóa acetat, hydro và cacbon
dioxit tạo thành khí sinh học (biogas).
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
CH3COOH → CO2 + CH4
CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O
T

Vi khuẩn axit hóa có tốc độ phát triển và khả năng thích ứng với mơi trƣờng
tốt hơn so với vi khuẩn metan hóa.[6] Vi khuẩn metan hóa có thể ngƣng hoạt
động hoặc chết khi điều kiện mơi trƣờng nuôi không đảm bảo. Khi quần thể vi
khuẩn metan hóa chết đi, quần thể vi khuẩn axit hóa vẫn tiếp tục phát triển
A

-

mạnh, phân hủy cơ chất sản sinh các axit dễ bay hơi, kéo theo đó là sự giảm độ
pH và kết quả là quá trình phân hủy yếm khí thất bại.
Mặc dù q trình phân hủy yếm khí là một q trình tự nhiên nhƣng dƣới sự
quản lý chính xác, cẩn thận thì chúng ta có thể nâng cao hiệu suất xử lý chất thải
và sản lƣợng biogas.
d. Đặc điểm nguồn nguyên liệu
Bảng 1.3 cung cấp một cái nhìn tổng quan về nguyên liệu cho phân hủy yếm
khí từ các nguồn chất thải rắn cơng nghiệp, nơng nghiệp và đô thị.
Bảng 1.3 Các nguồn chất thải hữu cơ sử dụng làm ngun liệu cho phân hủy
yếm khí
Đơ thị

Nông nghiệp

Công nghiệp

- Chất thải hữu cơ

- Chất thải động vật

- Chất thải từ lò mổ

- Chất thải con ngƣời

- Tảo

- Chất thải chế biến thực phẩm

9


- Chất thải từ trang trại - Bột giấy và giấy thải
Nguyên liệu đƣợc xử lý sơ bộ trƣớc khi đƣa vào hệ thống xử lý yếm khí. [4]
Chất thải hữu cơ là nguyên liệu phù hợp nhất gồm các loại: chất thải thực phẩm,
chất thải vƣờn, giấy… Xử lý sơ bộ là công đoạn phân tách, loại bỏ rác khó phân
hủy; giữ lại rác hữu cơ dễ phân hủy; qua đó nâng cao sản lƣợng khí sinh học.
Chất thải khó phân hủy thƣờng là: kim loại, thủy tinh, nhựa, đồ gia dụng, đá,
cát… Tùy vào thiết bị khác nhau và phƣơng pháp phân loại khác nhau, có thể
phân loại bằng dịng khí, bằng từ tính
Sau khi phân loại, chất thải hữu cơ dễ phân hủy sẽ đƣợc nghiền nhỏ để giảm
kích thƣớc, mục đích tăng diện tích tiếp xúc của chất thải với VSV từ đó tăng
tốc độ phân hủy. Tiếp theo, nguyên liệu sẽ đƣợc bổ sung thêm nƣớc và đƣa vào
thiết bị phân hủy. Nƣớc sạch, nƣớc thải hoặc nƣớc rỉ rác có thể đƣợc cấp vào tùy
theo mục đích sử dụng. Trong nƣớc thải và nƣớc rỉ rác ln có sẵn một lƣợng
VSV nhất định có thể ngay lập tức thực hiện quá trình phân hủy. Bên cạnh đó,
có thể tiết kiệm đƣợc chi phí khá lớn từ việc xử lý nƣớc thải và nƣớc rỉ rác. [6]
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng
Để quản lý, vận hành tốt q trình phân hủy yếm khí, quan trọng nhất là
khởi tạo và duy trì mơi trƣờng ni tối ƣu cho sự hình thành và phát triển của vi
sinh vật. Các yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp tới quá trình phân hủy yếm khí nhƣ:
a. Nhiệt độ

Có lẽ thơng số quan trọng nhất để kiểm sốt q trình phân hủy yếm khí là
nhiệt độ. [7] Hệ thống phân hủy hoạt động trong hai khoảng nhiệt độ; một ở 30 40°C cho VSV mesophilic (tối ƣu ở 37°C) và một ở 40 - 60°C cho VSV
thermophilic (tối ƣu ở 55°C). [8] Nhiệt độ khơng đƣợc duy trì ổn định có thể ảnh
hƣởng tới khả năng sinh trƣởng, tốc độ phân hủy cũng nhƣ sản lƣợng khí metan.
Để nâng cao hiệu quả hình thành khí metan, cần duy trì khoảng nhiệt độ tối ƣu
của chủng VSV sử dụng.
b. Thời gian lưu
Theo lý thuyết, thời gian lƣu thủy lực (HRT) là thời gian lƣu của pha lỏng ở
trong thiết bị phản ứng, trong khi thời gian lƣu rắn (SRT) là tỷ lệ giữa chất rắn
10


duy trì trong thiết bị phản ứng với chất rắn thoát ra theo nƣớc thải. Thời gian lƣu
cần thiết của q trình phân hủy yếm khí khác nhau với các công nghệ, nhiệt độ
và thành phần chất thải khác nhau. Thời gian lƣu chất thải khi xử lý tại nhiệt độ
mesophilic là khoàng 10 – 40 ngày. Thời gian lƣu khi xử lý tại nhiệt độ
thermophilic là ngắn hơn, khoảng 14 ngày. [3]
c. Giá trị pH
Giá trị pH tối ƣu của q trình phân hủy yếm khí ổn định và cho sản lƣợng
biogas cao nằm trong khoảng 6,5 - 7,5. [6] Giai đoạn thủy phân và giai đoạn axit
hóa diễn ra tại môi trƣờng pH thấp hơn (pH từ 5,5 - 6,5) so với giai đoạn metan
hóa (pH từ 6,5 - 8,5).
d. Độ ẩm
Độ ẩm cao thƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy kỵ khí. Tuy nhiên,
rất khó để duy trì cùng một lƣợng nƣớc trong suốt quá trình phân hủy. Độ ẩm
giảm dần trong suốt quá trình phân hủy kỵ khí. Độ ẩm cao, các phân tử dễ dàng
bị thủy phân. Một báo cáo đã chỉ ra rằng, sản lƣợng khí metan thu đƣợc cao nhất
khi độ ẩm của nguyên liệu từ 60 – 80%. Quá trình metan hóa ở độ ẩm khác nhau
là khác nhau, thí nghiệm ở độ ẩm 70% và 80%. Thí nghiệm phân hủy kỵ khí ở
độ ẩm 70% sinh ra nhiều nƣớc rỉ rác hơn và sản lƣợng metan thu đƣợc cao hơn.

Khi độ ẩm của nguyên liệu là 70% thu đƣợc 83 ml metan trên mỗi gram chất
khô (gVS), trong khi chỉ thu đƣợc 71 ml metan trên mỗi gram chất khô khi sản
xuất với độ ẩm 80%.[3]
e. Tỷ lệ Cacbon/Nitơ (C/N)
Mối quan hệ giữa cacbon và nitơ trong chất thải hữu cơ đƣợc thể hiện qua hệ
số C/N. Tỷ lệ C/N là một tham số quan trọng trong đánh giá tình trạng dinh
dƣỡng của mơi trƣờng và ức chế amoniac. [6] Theo Deublein và Steinhauser
(2011), tỷ lệ C/N tối ƣu trong q trình phân hủy yếm khí là khoảng 20 - 30. Khi
tỷ lệ C/N thấp, gây tích tụ amoniac, kéo theo sự tăng độ pH (có thể vƣợt quá
8,5) gây chết VSV metan hóa. Mặc dù VSV metan hóa có khả năng thích ứng
với mơi trƣờng có nồng độ amoniac cao, chỉ khi nồng độ amoniac tăng lên từ từ
để chúng có thời gian thích ứng.
11


f. Tải trọng hữu cơ
Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate/ OLR) là thƣớc đo khả năng chuyển
đổi sinh học của hệ thống phân hủy yếm khí. [6]
OLR là một thơng số kiểm sốt quan trọng trong các hệ thống liên tục.Các
nghiên cứu trên thế giới về công nghệ xử lý yếm khí nƣớc thải ở các nƣớc cơng
nghiệp phát triển đã chỉ ra giá trị OLR thích hợp khoảng 4 - 8 (kg VS/m3/ngày)
có thể xử lý đƣợc từ 50% đến 70% tổng VS ban đầu. Giá trị này phù hợp áp
dụng với các thiết bị phân hủy liên tục. Đối với hệ thống phân hủy tĩnh (không
đảo trộn), giá trị OLR phù hợp thƣờng chọn dƣới 2 (kg VS/m3/ngày). [6]
g. Kích thước hạt
Mặc dù kích thƣớc hạt là tham số không quan trọng nhƣ nhiệt độ hoặc độ
pH, nhƣng thơng số này vẫn ảnh hƣởng đến q trình sản xuất khí sinh học.
Kích thƣớc của ngun liệu khơng nên quá lớn nếu không sẽ làm tắc nghẽn bể
và làm chậm q trình phân hủy kỵ khí. Theo Yadvika (2004), trong năm kích
thƣớc hạt (0,088; 0,40; 1,0; 6,0 và 30,0 mm) năng suất sản xuất khí sinh học tối

đa đạt đƣợc khi kích thƣớc nguyên liệu đầu vào nằm trong khoảng 0,088 đến
0,40 mm. [4]
1.2.3 Phân loại hệ thống phân hủy yếm khí
Trên thế giới, cơng nghệ sinh học phân hủy kỵ khí ứng dụng trong xử lý
CTR đang đƣợc phát triển và nhân rộng. Thiết bị phân hủy kỵ khí rất đa dạng, từ
những thùng (bể) hình trụ đơn giản đến những dây chuyền tự động hóa hiện đại.
Do đó, sự phan loại hệ thống phân hủy kỵ khí (hay cịn gọi là hệ thống biogas)
phụ thuộc vào thông số vận hành và thiết kế của thiết bị phân hủy.
a) Phân loại theo tổng hàm lượng chất rắn (bể phân hủy ướt/ khô)

Phân loại bể phân hủy ƣớt hoặc khô tùy thuộc vào tổng hàm lƣợng chất rắn
(%TS) của chất thải nền. Bể phân hủy ƣớt khi chất thải nền có %TS nhỏ hơn
hoặc bằng 16%, trong khi bể phân hủy bán khô và khô khi chất thải nền có %TS
dao động từ 22 - 40%. Bể phân hủy khơ tốt hơn cho phân hủy kỵ khí so với bể
phân hủy ƣớt do một số lý do sau đây:
-

Bể phân hủy khơ có thể tích nhỏ hơn, nhu cầu thấp hơn về năng lƣợng (chủ yếu
12


là q trình gia nhiệt) và có thể xử lý triệt để ngun liệu.
-

Sản phẩm tạo thành ngồi khí biogas cịn có mùn thải có tính ổn định và độ ẩm
thấp có thể dễ dàng sử dụng làm phân bón.

b) Phân loại theo hoạt động của bể phân hủy (liên tục/ mẻ)

Đối với bể hoạt động liên tục, lƣợng nguyên liệu mới thêm vào đều đặn

phải tƣơng đƣơng với lƣợng bùn sản phẩm lấy ra khỏi thiết bị phân hủy, qua đó
q trình phân hủy chất thải diễn ra liên tục. Đối với bể hoạt động theo mẻ,
nguyên liệu đƣợc cấp vào bể tùy theo thể tích thiết bị, đóng kín và sau một thời
gian lƣu nhất định, mở và lấy sản phẩm.
Vandevivere et al. (2003) đã chỉ ra một số nhƣợc điểm của bể hoạt động theo mẻ
nhƣ sản lƣợng biogas thấp do cứ mỗi một mẻ, quá trình lên men metan hóa phải
bắt đầu lại từ khởi đầu. Kéo theo sản lƣợng khí biogas sẽ biến thiên cho đến khi
hệ thống hoạt động ổn định. Kích thƣớc của bể phân hủy bị giới hạn để đảm bảo
sự tiếp xúc của VSV đồng đều trên toàn bộ nguyên liệu. Đặc biệt, bể phân hủy
phải đảm bảo độ kín và cẩn trọng khi đóng/ mở thiết bị phản ứng, do nguy cơ
xảy ra cháy nổ cao khi khí metan tiếp xúc với khơng khí. Tuy bể hoạt động theo
mẻ có tính cơng nghệ thấp nhƣng bể có thiết kế đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp
nên phù hợp ứng dụng ở các nƣớc nghèo hoặc các nƣớc đang phát triển.
c) Phân loại theo nhiệt độ vận hành (mesophilic/ thermophilic)

Nhƣ đã mô tả từ trƣớc, nhiệt độ là thông số vận hành quan trọng và
cũng đƣợc sử dụng để phân loại thiết bị phân hủy kỵ khí, có hai loại : mesophilic
(30 - 40°C) và thermophilic (45 - 60°C). Nếu nhiệt độ hoạt động của thiết bị
phân hủy nhỏ hơn 20°C thì tốc độ phân hủy xảy ra rất chậm. Thiết bị mesophilic
có tính ổn định hơn và có nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng ít hơn so với thiết bị
thermophilic. Tuy nhiên thiết bị phermophilic hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nên
tốc độ phân hủy chất thải nhanh hơn, thời gian lƣu ngắn hơn và có thể diệt các
mầm bệnh có trong nguyên liệu.
d) Phân loại theo số giai đoạn làm việc

Trong q trình phân hủy kỵ khí, sự phân hủy của chất hữu cơ xảy ra theo
bốn giai đoạn đó là: thủy phân, axit hóa, axetat hóa và metan hóa. Có thể thiết kế
13

và vận hành bể phản ứng phân hủy kỵ khí theo một giai đoạn, hai (hoặc nhiều)
giai đoạn. Trong thiết kế hai giai đoạn, giai đoạn một gồm quá trình thủy phân và
axit hóa (khoảng 1 - 3 ngày), giai đoạn hai gồm q trình axetat hóa và metan
hóa. Ƣu nhƣợc điểm của phân hủy kỵ khí theo một giai đoạn và hai giai đoạn
đƣợc trình bày trong bảng 1.4
Bảng 1.4 Ưu và nhược điểm của hệ thống phân hủy kỵ khí 1 giai đoạn và 2
giai đoạn
Một giai đoạn

Hai giai đoạn

- Chi phí đầu tƣ thấp

- Hệ thống ổn định

Ƣu điểm - Vận hành đơn giản

- Có thể tối ƣu hóa theo từng giai đoạn
- Sử dụng thời gian lƣu và thể tích hiệu
quả
- Diệt vi khuẩn tốt (do pH ở giai đoạn 1
thấp)

Nhƣợc

- Khơng thể tối ƣu hóa hệ - Chi phí đầu tƣ cao

điểm

thống

- Giá trị pH khơng ổn định

- Vận hành phức tạp

- Tính ổn định của hệ thống
thấp
Việc lựa chọn hệ thống phân hủy kỵ khí cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố
nhƣ: trình độ kỹ thuật, chi phí đầu tƣ, hiệu quả mong muốn và công suất xử lý. Ở
các nƣớc đang phát triển, việc lựa chọn thiết kế phần lớn đƣợc quyết định bởi
những thiết kế hiện hành, đã xác định đƣợc hiệu quả sản xuất và phụ thuộc vào
các điều kiện cụ thể về khí hậu khu vực và tính kinh tế của hệ thống.
1.3 Hiện trạng ứng dụng phƣơng pháp sinh học xử lý yếm khí rác thải trên
Thế giới
Năng lƣợng là một trong những nhân tố quan trọng nhất liên quan đến sự phát
triển bền vững của nhân lọai. Bùng nổ dân số kéo theo nhu cầu đòi hỏi năng
lƣợng ngày càng tăng, do đó cần thiết phải khám phá, khai thác các nguồn năng
14


lƣợng mới có tính bền vững, có thể tái tạo, cũng nhƣ thân thiện với môi trƣờng.
Sự quá phụ thuộc vào nguồn năng lƣợng hóa thạch, đẫn đến biến đổi khí hậu
tồn cầu, ơ nhiễm mơi trƣờng, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời.
Dự đoán đến năm 2040, cần cung cấp nguyên liệu và năng lƣợng cho khoảng 9 10 tỉ ngƣời trên trái đất. Bên cạnh đó, các nƣớc nghèo hay các nƣớc đang phát
triển, hơn 60% tổng lƣợng gỗ khai thác đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn năng
lƣợng cơ bản trong hoạt động sống hàng ngày. Điều này dẫn đến cạn kiệt tài
nguyên rừng, sản lƣợng gỗ khai thác nhanh hơn nhiều so với sản lƣợng gỗ trồng.

Hình 1.3 Thành phần của CTRĐT (kg/ người/ năm) ở 23 thành phố.
Quản lý chất thải rắn và khủng hoảng năng lƣợng là những vẫn đề nóng
tồn cầu [7]. Bùng nổ dân số và đơ thị hóa kéo theo nhu cầu tăng vọt về năng

lƣợng và lƣợng chất thải rắn. Thành phần của chất thải rắn đô thịchủ yếu là chất
thải hữu cơ (chiếm 50 - 90%); một phần nhỏ là thủy tinh, kim loại và nhựa (hình
1.3). Chất thải hữu cơ khi bị phân hủy gây thối rữa, ô nhiễm môi trƣờng và ảnh
hƣởng tới sức khỏe con ngƣời, do đó cần một hệ thống quản lý chặt chẽ. Ngày
nay, CTRĐT là nguồn tài nguyên hữu ích của ngành công nghiệp xử lý rác tái
tạo năng lƣợng (điện, nhiệt, khí đốt). Bên cạnh đó, các phƣơng pháp xử lý chất
thải truyền thống (chôn lấp, thiêu đốt…) đã lộ rõ những bất cập, hệ lụy tác động
mạnh gây ô nhiễm mơi trƣờng.
Tồn thế giới đang phải đối mặt với vấn đề suy giảm nguồn nhiên liệu và vấn đề
15


ô nhiễm môi trƣờng; công nghiệp sản xuất khí biogas xuất hiện nhƣ một giải
pháp hữu hiệu nhất. Sau cuộc khủng hoảng năng lƣợng năm 1970, khí biogas đã
đƣợc lựa chọn là nguồn nhiên liệu hàng đầu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch do
tính hữu dụng của nó. Biogas là khí khơng màu, dễ cháy; là sản phẩm của q
trình phân hủy kỵ khí chất thải của con ngƣời và động thực vật, chất thải công
nghiệp, rác thải sinh hoạt. Khi cháy khơng tạo khói, vệ sinh và dễ sử dụng hơn
so với các nhiên liệu rắn khác
Chính vì vây, cơng nghệ sinh học sản xuất khí metan từ rác thải đã nhận
đƣợc sự quan tâm trong những năm gần đây. [7] Hiện nay, cũng có nhiều cơng
nghệ xử lý chất thải tái tạo năng lƣợng (nhƣ thiêu đốt, khí hóa); tuy nhiên chúng
đều là những cơng nghệ phức tạp, chi phí đầu tƣ rất cao và cịn đang trong giai
đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Do đó, cơng nghệ phân hủy sinh học kỵ khí đã trở
thành một cơng nghệ xử lý rác tái tạo năng lƣợng đầy hứa hẹn. Trong những năm
gần đây, công nghệ xử lý kỵ khí đã đƣợc áp dụng rộng trong xử lý chất thải rắn
đô thị, chất thải của công nghệ chế biến thực phẩm, chất thải bùn hoạt tính.
Điển hình nhƣ ở Ethiopia, một trong số những hoạt động của địa phƣơng
nhằm cải thiện đời sống xã hội là nhà vệ sinh của các khu công cộng (nhƣ
trƣờng học, bệnh viện…) đƣợc kết nối với hầm biogas; khí biogas sinh ra đƣợc

sử dụng để chiếu sáng bên trong và ngoài nhà vệ sinh. Điều này phản ánh một xu
hƣơng phát triển mới, định hƣớng sử dụng chất thải để sản xuất khí biogas. Ở
khu vực nông thôn trang trại, chất thải chăn nuôi đƣợc thu gom về hầm biogas.
Tuy nhiên, mức độ phát sinh chất thải chăn nuôi thay đổi tùy vào điều kiện mơi
trƣờng ni (khí hậu, chế độ ăn, sức khỏe…). Do đó, cần thiết phải bổ sung thêm
phân bùn bể phốt từ nhiều nguồn khác nhau để duy trì ổn định cho hệ thống sản
xuất khí. [11]
Một trong những nƣớc ứng dụng rộng rãi công nghệ sinh học phân hủy yếm khí
trong cơng tác xử lý rác thải phải kể đến là Ấn Độ. Tại Ấn Độ, nguồn nhiên liệu
chủ yếu sử dụng trong các ngành công nghiệp và hộ gia đình hiện nay là nguồn
nhiên liệu hóa thạch ở các dạng khác nhau nhƣ: xăng, dầu diesel, LPG, khí thiên
nhiên và than đá.[8] Bên cạnh đó, trữ lƣợng nhiên liệu hóa thạch ở Ấn Độ đang
16


cạn kiệt nhanh chóng, đắt đỏ và gây ơ nhiễm mơi trƣờng. Do đó, hệ thống sản
xuất khí biogas đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Nhiệt trị của khí
biogas trong khoảng 4800 - 6900 (kcal/m3). Khí biogas đang đƣợc sử dụng trong
sinh hoạt con ngƣời để nấu ăn, chiếu sáng, phát điện và sử dụng trong công
nghiệp. Các nguồn nguyên liệu chính sử dụng để sản xuất khí biogas nhƣ: phân
gia súc gia cầm, bã mía, bụi bông, cỏ dại…
Ở Ấn Độ, tại các khu vực thành phố đơng dân cƣ, mơ hình kinh doanh sản
xuất hộ gia đình nhỏ lẻ đã sinh ra một lƣợng lớn rác thải. Việc xử lý rác thải gần
môi trƣờng sống gây mất vệ sinh, ơ nhiễm mơi trƣờng khí, nƣớc, đất. Do đó, mơ
hình sản xuất khí biogas đã đƣợc ứng dụng ở quy mơ nhỏ, hộ gia đình. Tại các
khu vực nơng thơn, khí biogas cịn đƣợc gọi là “khí gobar” tức là khí biogas
đƣợc sản xuất từ phân bị. Ngồi ra, mơ hình sản xuất khí biogas cịn đƣợc sử
dụng rộng rãi tại các trang trại chăn nuôi động vật. Đối với chất thải rắn đơ thị,
lấy ví dụ về thành phố Bangalore, là một trong những thành phố phát triển nhanh
2

nhất ở Châu Á. Bangalore có tổng diện tích khoảng 531 km , trung tâm thành
phố có diện tích khoảng 226 km2 và là 1 trong 5 thành phố phát triển nhất tai Ấn
Độ. Theo khảo sát của BMP (Bangalore Mahanagara Palike) năm 2004, lƣợng
rác phát thải hàng ngày của thành phố (Bảng 1.5), dân số khoảng 5,8 triệu
ngƣời. Nếu xử lý lƣợng rác thải này để sản xuất khí biogas có thể cung cấp năng
lƣợng điện chiếu sáng cho 1.050 hộ gia đình trong cả ngày, giải quyết vấn đề
khủng hoảng năng lƣợng.
Bảng 1.5 Lượng phát sinh rác thải hằng ngày ở Bangalore
Nguồn thải

Số lượng
(tấn/ngày)

Hộ gia đình và cửa hàng

1562

Chợ

84

Khách sạn và nhà hàng

96

Thƣơng mại

6

Tổng

1783

Theo nghiên cứu EPA AgStar (2006), việc ứng dụng công nghệ xử lý kỵ
17


khí trong các trang trại chăn ni ở Hoa Kỳ để xử lý phân động vật tái tạo năng
lƣợng có xu hƣớng tăng mạnh. [9]Cơng nghệ xử lý kỵ khí đã đƣợc ứng dụng
thành công trong xử lý nƣớc thải đô thị, nƣớc thải công nghiệp và nƣớc thải chăn
nuôi. Hiện nay ở Hoa Kỳ, công nghệ xử lý kỵ khí đã đƣợc ứng dụng thành cơng
và đang đƣợc đầu tƣ nghiên cứu cải tiến nâng cao năng suất cũng nhƣ chất
lƣợng sản phẩm. Ở Mỹ, ngày càng có nhiều chƣơng trình của bang và liên bang
đƣợc thiết kế để phát triển hệ thống này; sự tuần hoàn năng lƣợng, sự cần thiết
cho an ninh năng lƣợng và chính sách năng lƣợng mới đƣợc thiết kể để mở rộng
phát triển việc tái tạo năng lƣợng và mở rộng các thị trƣờng năng lƣợng xanh.
Cơng nghệ xử lý yếm khí đã đƣợc ứng dụng rất thành công trong một số
lĩnh vực xử lý chất thải ở Hoa Kỳ, tuy nhiên vẫn gặp khó khăn khi triển khai ứng
dụng trong cơng ác xử lý rác thải đô thị. Tại Mỹ, hơn 2/3 trong tổng số 254 triệu
tấn CTRĐT (thống kê năm 2007) là chất thải rắn hữu cơ. Tuy nhiên, chỉ có
khoảng 1/3 lƣợng chất thải hữu cơ đƣợc sử dụng là nguyên liệu để sản xuất khí
biogas. Mặt khác, tính hỗn tạp của CTRĐT là trở ngại chính của q trình sản
xuất năng lƣợng từ rác thải bằng phƣơng pháp xử lý sinh học. Những kế hoạch
phân loại chất thải tại nguồn nhằm mục đích tách chất thải thực phẩm cũng nhƣ
các chất thải hữu cơ khác đang đƣợc triển khai rộng tại Mỹ. Rác thải hữu cơ phân
hủy đƣợc sử dụng trong sản xuất phân compost hoặc sản xuất khí biogas. Rất
nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành để tìm ra phƣơng pháp xử lý rác thải thay thế
cho phƣơng pháp truyền thống là thiêu đốt và chôn lấp. Mọi báo cáo đều chỉ ra
rằng, phƣơng pháp xử lý sinh học yếm khí sản xuất khí biogas là phƣơng pháp

hàng đầu.
Bên cạnh đó, tại khu vực Châu Âu điển hình có Pháp, Đức và Tây Ban
Nha; xử lý rác thải bằng phƣơng pháp sinh học yếm khí đƣợc coi là một phƣơng
pháp trọng điểm trong quản lý chất thải rắn. Biogas đƣợc sử dụng nhƣ nhiên liệu
thay thế củi, xăng dầu, LPG, dầu diesel và phát điện tùy theo mục đích và quy
mơ sản xuất. Mơ hình ứng dụng đa dạng, có thể áp dụng đƣợc ở cả khu vực
thành thị và nơng thơn. [10]
Ƣớc tính trên tồn thế giới, khoảng 590 - 880 triệu tấn khí metan đƣợc
18