tóm tắt luận án tiến sĩ Nghiên cứu sự chuyển hóa của một số yếu tố gây ô nhiễm trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







Cao Vũ Hƣng



NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA MỘT SỐ YẾU TỐ GÂY
Ô NHIỄM TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH BÙN THẢI KẾT
HỢP RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP LÊN MEN NÓNG

Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng
Mã số : 62440120



TÓM TẮT DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

Hà Nội - 2014

Công trình này đƣợc hoàn thành tại: Phòng thí nghiệm hóa môi trường - Khoa Hóa
học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.








Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Bùi Duy Cam


Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án này sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sỹ cấp Đại học Quốc gia
họp tại: Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên.
vào hồi ngày tháng năm 2014.





Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các loại hình chất thải đô thị, bùn thải đô thị là một loại hình chất thải
đặc thù phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nước thải và nạo vét hệ thống thoát
nước đô thị. Bùn thải đô thị có hàm lượng chất dinh dưỡng như Nitơ, Phốt pho khá

cao. Mặt khác, quá trình hình thành bùn thải cũng tích lũy nhiều chất gây ô nhiễm
nguy hiểm.
Bùn thải đô thị có thể chứa tới hơn 300 các hợp chất hữu cơ khác nhau. Các
hợp chất vô cơ và các vi sinh vật gây bệnh cũng tồn tại với thành phần đa dạng trong
bùn thải đô thị. Các chất hữu cơ ô nhiễm chủ yếu phát hiện được trong bùn thải bao
gồm các hợp chất hydrocacbon đơn vòng thơm (MAHs), các hợp chất hydrocacbon
đa vòng thơm (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), phthalic acid esters
(PAEs), polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans (PCDD/Fs), chlorobenzens (CBs),
amins, nitrosamins, phenols. Chính sự tồn tại của kim loại nặng cũng như các chất ô
nhiễm hữu cơ nêu trên trong bùn thải đã làm hạn chế khả năng tái chế bùn thải và sử
dụng sản phẩm tái chế cho mục đích nông nghiệp.
Báo cáo của Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội, trong năm 2012 lượng
bùn thải đô thị thu gom trên toàn thành phố đạt 167.200 tấn trong đó chỉ có 2.140 tấn
phát sinh từ trạm xử lý nước thải sinh hoạt. Trước thực trạng này, đã có một số
nghiên cứu được triển khai nhằm tìm ra lời giải cho bài toán quản lý bùn thải đô thị.
Do năng lượng ngày một khan hiếm cộng với sức ép phải xử lý bùn thải đô thị
mà việc phát triển phương pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải, thu hồi biogas
như nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng tất yếu. Tại châu Âu hiện nay, lượng
biogas thu được trong xử lý bùn thải bằng phương pháp lên men yếm khí đã vượt 200
tỷ m
3
khí mỗi năm. Hơn nữa, ổn định bùn thải đô thị bằng phương pháp lên men yếm
khí là giải pháp phù hợp để sử dụng sản phẩm sau xử lý cho mục đích nông nghiệp.
Phương pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải đô thị đã và đang trở thành một
phương án tối ưu trong tổng thể hệ thống quản lý nước thải đô thị.
Thời gian gần đây, ổn định bùn thải kết hợp với rác hữu cơ bằng phương pháp
lên men yếm khí nóng với ưu thế như: thời gian ổn định ngắn, hiệu suất sinh CH
4
cao
và tiêu diệt triệt để mầm bệnh đang rất được quan tâm nghiên cứu ứng dụng. Tuy

nhiên, để có thể áp dụng phương pháp xử lý nêu trên một cách hiệu quả đối với bùn
thải đô thị tại Việt Nam cần thiết phải triển khai những nghiên cứu cụ thể.
Nhằm góp phần vào việc hoàn thiện các phương pháp, quy trình xử bùn thải đô
thị Việt Nam nói chung và bùn thải của thành phố Hà Nội nói riêng, chúng tôi đã



chọn đề tài là “Nghiên cứu sự chuyển hóa của một số yếu tố gây ô nhiễm trong quá
trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng”.
2. Mục tiêu của đề tài
- Đánh giá nguồn phát sinh và mức độ ô nhiễm một số kim loại nặng và PAHs
trong bùn thải sông Kim Ngưu, thành phố Hà Nội.
- Nghiên cứu ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ bằng
phương pháp lên men yếm khí nóng.
- Nghiên cứu sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn
định kết hợp bùn thải và rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng.
- Đề xuất quy trình xử lý và đánh giá khả năng áp dụng xử lý bùn thải sông
Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ theo hướng giảm thiểu tối đa kim loại nặng và PAHs
trong sản phẩm. Hướng tới sử dụng sản phẩm sau xử lý cho mục đích nông nghiệp.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Góp phần đánh giá nguồn phát sinh và mức độ ô nhiễm kim loại nặng, PAHs
trong bùn thải sông Kim Ngưu (một trong những con sông tiếp nhận nước thải điển
hình của Hà Nội).
- Tìm được điều kiện tối ưu để ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác
hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng.
- Đánh giá được khả năng tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng cũng như sự
phân hủy của các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết
hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng.
- Xây dựng được quy trình hiệu quả xử lý bùn thải sông Kim Ngưu nhằm thu
hồi biogas và sử dụng bùn thải sau xử lý vào mục đích nông nghiệp.

- Cung cấp thông tin cần thiết về mức độ ô nhiễm của bùn thải đô thị Hà Nội
cho các nhà quản lý và cộng đồng xã hội làm cơ sở để hoạch định chính sách về công
tác quản lý bùn thải cũng như nâng cao nhận thức của xã hội nhằm giảm thiểu khả
năng gây ô nhiễm bùn thải.
- Bước đầu đề xuất quy trình xử lý bùn thải đô thị của Hà Nội phù hợp với mục
đích sử dụng (thu hồi biogas trong quá trình xử lý và sử dụng sản phẩm sau xử lý vào
mục đích nông nghiệp).
4. Những đóng góp mới của đề tài
- Lần đầu tiên đánh giá tổng quát nguồn phát sinh và mức độ ô nhiễm PAHs
trong bùn thải của sông Kim Ngưu.



- Đánh giá được khả năng tích tụ và vận chuyển của một số kim loại nặng
trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ bằng phương
pháp lên men yếm khí nóng.
- Xác định được khả năng phân hủy các hợp chất PAHs trong bùn thải ở điều
kiện lên men yếm khí nóng và ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80 đối
với sự phân hủy PAHs trong điều kiện trên.
- Đề xuất được quy trình xử lý bùn thải tại sông Kim Ngưu kết hợp với rác hữu
cơ theo hướng giảm thiểu kim loại nặng và PAHs nhằm sử dụng sản phẩm sau xử lý
cho mục đích nông nghiệp.
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà
Nội
1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị
Bùn thải đô thị là sản phẩm của quá trình thoát nước đô thị. Nguồn phát sinh
chủ yếu bao gồm: bùn phát sinh từ hệ thống bể phốt (septick tank), bùn từ các trạm
xử lý nước thải trong thành phố và bùn nạo vét hệ thống thoát nước. Tỷ trong của các
loại bùn nêu trên phụ thuộc vào đặc điểm riêng của hệ thống thoát nước đô thị.

1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị
Bùn thải thoát nước đô thị có thành phần phức tạp. Ngoài việc có chứa hàm
lượng chất dinh dưỡng, bùn thải đô thị còn chứa nhiều chất gây ô nhiễm nguy hiểm
như: kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và mầm gây bệnh.
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị
Tổng hợp được một số phương pháp xử lý đang được áp dụng phổ biến hiện
nay cũng như sơ bộ đánh giá ưu nhược điểm của mỗi phương pháp. Các phương pháp
xử lý phổ biến hiện nay bao gồm: Chôn lấp tại bãi chôn lấp chất thải, xử lý bằng
phương pháp nhiệt (đốt triệt để), Sử dụng cải tạo đất nông nghiệp.
1.1.4. Thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội
Khái quát được thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội. Suy rộng ra thực
trạng quản lý loại hình chất thải này trên cả nước.
1.2. Kim loại nặng và PAHs trong bùn thải đô thị
1.2.1. Kim loại nặng
Phần tổng quan này đã giới thiệu rõ được nguồn phát sinh kim loại nặng trong
bùn thải đô thị, đặc điểm tồn tại của một số kim loại nặng trong bùn thải đô thị và độc
tính của một số kim loại nặng.



1.2.2. Các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs)
Khái quát các thông tin liên quan đến các hợp chất PAHs. Xác định nguồn phát
sinh, đặc điểm tồn tại trong bùn thải đô thị cũng như độc tính của PAHs.
1.3. Phƣơng pháp lên men yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ
1.3.1. Cơ sở của phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí
Đã nêu rõ được lý thuyết quá trình phân hủy yếm khí. Sự hình thành khí CH
4

trải qua 03 giai đoạn khác nhau bao gồm: giai đoạn thủy phân (hydrolysis), giai đoạn
axít hóa (acidogenesis) và giai đoạn sinh CH

4
(methanogenesis).
1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy yếm khí
Các yếu tố tác động lên quá trình phân hủy yếm khí bao gồm: thành phần
nguyên liệu đầu vào, pH, độ kiềm, tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm, nhiệt độ và thời
gian lưu.
1.3.3. Các kỹ thuật ứng dụng phƣơng pháp lên men yếm khí trong xử lý bùn thải
đô thị và rác thải hữu cơ
Đã chi tiết được lý thuyết về một số kỹ thuật phổ biến được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi bao gồm: kỹ thuật lên men khô, kỹ thuật lên men ướt một giai đoạn, kỹ
thuật lên men ướt hai giai đoạn.
1.3.4. Sự phân hủy PAHs trong quá trình ổn định bùn thải đô thị bằng phƣơng
pháp lên men yếm khí
Khái quát được lý thuyết cơ bản về phân hủy của PAHs trong điều kiện yếm
khí và các yếu tố tác động đến quá trình phân hủy của chúng.
1.3.5. Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải đô thị
bằng phƣơng pháp lên mem yếm khí
Tổng hợp lý thuyết về sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng trong quá
trình ổn định bùn thải bằng phương pháp lên men yếm khí.
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Bùn thải sông Kim Ngưu sông tiếp nhận nước thải đặc trưng của thành phố Hà
Nội được lựa chọn là đối tượng nghiên cứu chính của Luận án. 05 điểm dọc theo bờ
sông Kim Ngưu được lựa chọn lấy mẫu bao gồm: M1: Cầu Lạc Trung, M2: Ngõ 03
Yên Lạc, M3: Cầu Minh Khai, M4: Cầu Voi, M5: Khu đô thị Minh Khai. Bùn trong
phạm vi lựa chọn được lấy và triển khai nghiên cứu ổn định kết hợp với rác hữu cơ
bằng phương pháp lên men nóng trong phòng thí nghiệm.

Để thực hiện nghiên cứu ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ trong phòng thí
nghiệm, rác hữu cơ với thành phần xác định (30% nguồn gốc động vật, 70% nguồn
gốc rau quả thực vật) được sử dụng kết hợp với bùn thải nhằm điều chỉnh thành phần
đầu vào trong các thí nghiệm ổn định.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá nguồn phát sinh và mức độ ô nhiễm một số kim loại nặng và PAHs
trong bùn thải sông Kim Ngưu.
- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu để xử lý bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác
hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng trên quy mô phòng thí nghiệm.
- Nghiên cứu sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn
định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng.
- Đề xuất và đánh giá quy trình xử lý bùn thải sông Kim Ngưu theo hướng
giảm thiểu hàm lượng kim loại nặng và PAHs trong sản phẩm sau xử lý để sử dụng
vào mục đích nông nghiệp.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phƣơng pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu được sử dụng để thu thập các thông
tin khoa học, các văn bản, tài liệu của các nghiên cứu sẵn có trong đó vận dụng một
cách phù hợp các kết quả nghiên cứu sẵn có làm cơ sở định hình nghiên cứu cũng
như rút ra những kết luận khoa học cần thiết.
2.2.2. Phƣơng pháp lấy mẫu thực địa
Mẫu tại các điểm lựa chọn nghiên cứu được lấy bằng dụng cụ lấy mẫu. Mỗi
điểm lấy lặp 03 mẫu. Các mẫu bùn được lấy ở tầng bùn phía trên trong khoảng từ 0 -
20 cm tính từ mặt lớp bùn xuống. Mẫu được bảo quản và chuyển về phòng thí
nghiệm. Tại phòng thí nghiệm mẫu được bảo quản trong tủ lạnh tại nhiệt độ 4
o
C. Bùn
sử dụng tiến hành ổn định trong phòng thí nghiệm được lấy tại vị trí M3 (cầu Minh
Khai). Bùn được lấy bằng gầu múc thép không rỉ và được chuyển vào thùng nhựa 30
lít, sau khi loại bỏ hết gạch đá có kích thước lớn bùn được chuyển vào can nhựa dung

tích 20 lít và vận chuyển về phòng thí nghiệm.
2.2.3. Thiết bị xử lý lên men yếm khí
Mô hình xử lý quy mô phòng thí nghiệm được thiết kế và chế tạo bao gồm các
bộ phận chính:
- Thân thiết bị phản ứng: được chế tạo bằng thép không gỉ, kích thước R = 600
mm, H = 800 mm, thể tích hiệu dụng 40 lít, hai lớp vỏ và ngoài cùng được bảo ôn
bằng bông thủy tinh.



- Động cơ cánh khuấy là loại động cơ giảm tốc với tốc độ 200 vòng/phút kết
hợp với cánh khuấy bằng thép không gỉ.
- Cửa nạp liệu hình tròn đường kính R = 60 mm, nguyên liệu sau khi chuẩn bị
được đưa vào thiết bị lên men thông qua cửa nạp liệu.
- Hệ thống đo thể tích biogas hoạt động theo nguyên tắc chiếm chỗ của thể tích
khí so với thể tích nước trong bình.
- Van lấy mẫu đường kính 48 mm được đặt ở phía dưới đáy thiết bị phản ứng.
- Bộ điều nhiệt hoạt động theo nguyên tắc gia nhiệt và bơm nước nóng tuần
hoàn qua lớp vỏ thiết bị lên men yếm khí.
- Tủ điện điều khiển được lắp đặt bao gồm các linh kiện giúp duy trì hoạt động
ổn định của cả hệ thống.
2.2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm
2.2.4.1. Nghiên cứu điều kiện tối ưu trong ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng
phương pháp lên men yếm khí nóng
Thực nghiệm xác định điều kiện tối ưu và tỷ lệ phối trộn thích hợp trong ổn
định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng đươc thiết
lập với 03 thí nghiệm (TN1, TN2, TN3) với sự phối trộn tỷ lệ khác nhau giữa hai
thành phần bùn thải và rác hữu cơ. Các bước tiến hành thực nghiệm được chỉ ra trong
Hình 2.3.

Hình 2.3. Sơ đồ phương pháp thực nghiệm xử lý kết hợp bùn thải và rác hữu cơ
Bùn được lọc qua sàng kích thước mắt lưới 1 mm loại bỏ hoàn toàn sạn, sỏi to
còn sót lại, bổ sung thêm nước sao cho tỷ trọng bùn đạt 1,45 g/ml. Rác thải hữu cơ có
nguồn gốc từ rác chợ, rác hữu cơ được lựa chọn với tỷ lệ 30% nguồn gốc động vật và
70% nguồn gốc rau quả thực vật. Rác được nghiền mịn bằng máy xay sinh tố, thêm
nước sao cho rác sau chuẩn bị đạt tỷ trọng khoảng 1,25 g/ml. Phối trộn hai thành
TN1
BT 100%
V
BT 30% V
+RHC 70% V

Đảo trộn
Xác định:
Vbiogas, thành
phần biogas, pH,
EC, TS, VS, CODt,
NH
4
+
, TN, PO
4

3-
,
TP

Thiết bị lên
men yếm khí
T
o
= 55
o
C
BT 70% V +
RHC 30% V

Đảo trộn
TN2
TN3
Đảo trộn
Lấy mẫu



phần bùn thải và rác hữu cơ theo thành phần thể tích đã định trong các thí nghiệm
(Hình 2.3) với tổng thể tích mỗi mẻ thí nghiệm là 30 lít.
Hỗn hợp được đưa vào thiết bị phản ứng lên men nóng. Nhiệt độ trong thiết bị
được duy trì ở 55
o
C trong suốt khoảng thời gian tiến hành ổn định. Thể tích biogas,
pH, EC được theo dõi hàng ngày. Các chỉ số khác như thành phần biogas, TS, VS,
TN, NH

4
+
, TP, PO
4
3-
, CODt được theo dõi định kỳ sau khoảng 3-10 ngày/lần theo kế
hoạch thực nghiệm.
2.2.4.2. Nghiên cứu sự tích tụ, vận chuyển của kim loại nặng và sự phân hủy của
PAHs
Trong thí nghiệm 4 (TN4) và thí nghiệm 5 (TN5), thành phần rác hữu cơ và
bùn thải được chuẩn bị và điều chỉnh dựa trên tỷ lệ phối trộn thích hợp đã được xác
định trong nghiên cứu trước. TN5 được thiết lập nhằm nghiên cứu tác dụng của chất
hoạt động bề mặt đối với sự phân hủy của các hợp chất PAHs có trong bùn thải. Các
bước tiến hành thí nghiệm được chỉ ra trong Hình 2.4. Thể tích hỗn hợp bùn rác đưa
vào thiết bị phản ứng của hai thí nghiệm (TN4 và TN5) đều đạt 30 lít.









Hình 2.4. Sơ đồ phương pháp thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ và vận chuyển của
kim loại nặng và phân hủy của PAHs
Các thí nghiệm trên được tiến hành trong 90 ngày, nhiệt độ được duy trì ổn
định tại 55
o
C. Trong suốt quá trình ổn định, thể tích biogas, pH, EC được theo dõi

hàng ngày, các chỉ số khác như thành phần biogas, TS, VS, CODt, NH
4
+
, TN, PO
4
3-
,
TP, kim loại nặng và PAHs được theo dõi định kỳ sau khoảng 3-10 ngày/lần theo kế
hoạch thực nghiệm.
2.2.5. Phƣơng pháp phân tích
- pH và độ dẫn điện (EC) được xác định bằng phương pháp đo nhanh bằng
máy đo pH Cyberscan EuTech Con700 và máy đo độ dẫn điện Cyberscan 110; tổng
TN4
BT 30% V
+RHC 70% V
Đảo trộn
70% V

Xác định:
Vbiogas, thành
phần biogas, pH,
EC, TS, VS,
CODt, NO
3
-
,
NH
4
+
, TN, PO

4
3-
,
TP, Tổng KLN,
KLN trong dd
ngâm rửa, PAHs

Thiết bị lên
men yếm khí
T
o
= 55
o
C
Đảo trộn
Lấy mẫu
70% V

BT 30% V
+RHC 70% V
+ Tween 80
(0,5g/l)

TN5



chất rắn (TS) áp dụng phương pháp SMEWW 2540.B:2005; chất rắn bay hơi (VS) áp
dụng phương pháp SMEWW 2005 (2540 E); COD tổng áp dụng theo TCVN 6492:
2011 (ISO 10523: 2008); Nitơ tổng áp dụng theo TCVN 6624-1:2000 (ISO 11905-

1:1997); N-NH
4
áp dụng theo TCVN 6660:2000; Phốt pho tổng (TP) áp dụng theo
TCVN 6202:1996; P-PO
4
áp dụng theo TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004).
- Phân tích thành phần biogas bằng máy phân tích nhanh Biogas, Ggeotech.
Thành phần khí được xác định bao gồm: %CH
4
, %CO
2
, %H
2
S, %O
2
và % khí khác.
- Áp dụng phương pháp phân tích ICP-OES (TCVN 6665:2011) để xác định
nồng độ kim loại nặng.
- Áp dụng phương pháp GC-FID để xác định nồng độ PAHs.
2.2.6. Hóa chất sử dụng
Các hóa chất dùng trong nghiên cứu có độ sạch tinh khiết phân tích (PA).
2.2.7. Phƣơng pháp xử lý số liệu nghiên cứu
Phương pháp thống kê được sử dụng xử lý số liệu nghiên cứu.
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc điểm ô nhiễm kim loại nặng và PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu
3.1.1. Đặc điểm hóa lý của bùn thải sông Kim Ngƣu
Các thông số hóa lý đối với bùn thải tại 05 điểm khảo sát (M1: Cầu Lạc Trung,
M2: Ngõ 03 Yên Lạc, M3: Cầu Minh Khai, M4: Cầu Voi, M5: Khu đô thị Minh
Khai) là ổn định. Độ pH trong khoảng 7,04 - 7,41, COD tổng (CODt) dao động trong
khoảng 79900 - 83030 mg/l, là khoảng chênh lệch không quá lớn qua 05 điểm khảo

sát nêu trên. Tổng chất rắn bay hơi (VS) ổn định trong khoảng 24,5 - 26,2%, một số
chỉ số khác như: NH
4
+
, NO
3
-
và PO
4
3-
có giá trị lần lượt trong khoảng 25,9 - 28,3
mg/l, 192 - 212 mg/l và 494 - 522 mg/l.
Số liệu phân tích các chỉ số ở 5 điểm khảo sát khác nhau không nhiều. Điều
này chứng tỏ bùn sông Kim Ngưu tại thời điểm lấy mẫu đã tồn tại với thời gian dài.
Như vậy, mẫu bùn được lấy và khảo sát trong nghiên cứu có tính đại diện cao cho
bùn thải tại sông Kim Ngưu.
3.1.2. Kim loại nặng trong bùn thải sông Kim Ngƣu
Kết quả phân tích hàm lượng một số kim loại nặng được chỉ ra ở bảng dưới đây:
Bảng 3.2. Hàm lượng kim loại nặng trung bình của bùn thải ở các điểm khảo sát
Kim loại nặng
Hàm lượng (mg/kg DS)
M1 (n=3)
M2 (n=3)
M3 (n=3)
M4 (n=3)
M5 (n=3)
Trung bình
As
20,2
23,1

47,8
16,9
13,6
24,3
Cd
1,76
3,45
3,71
1,93
2,40
2,65



Kim loại nặng
Hàm lượng (mg/kg DS)
M1 (n=3)
M2 (n=3)
M3 (n=3)
M4 (n=3)
M5 (n=3)
Trung bình
Cr
61,0
127
202
74,0
63,0
105
Cu

88,0
251
297
97,5
98,8
166
Ni
35,0
53,3
136
34,6
45,1
60,8
Pb
33,0
61,4
209
27,9
37,0
73,7
Zn
413
694
972
318
446
569
Hàm lượng As nằm trong khoảng 13,6 - 47,8 mg/kg DS (Bảng 3.2). Hàm
lượng này không có sự dao động quá lớn khi so sánh với kết quả nghiên cứu tương tự
tại sông Kim Ngưu và Sông Tô Lịch. Hàm lượng Cd trong khoảng 1,76 - 3,71 mg/kg

DS, giá trị này chỉ ngang bằng và thấp hơn một số kết quả nghiên cứu tương tự đối
với bùn sông Kim Ngưu đã được thực hiện trước đây. Hàm lượng trung bình của Cr,
Cu và Pb lần lượt là 105, 166 và 73,7 mg/kg DS là tương đối thấp so với khảo sát đã
được thực hiện.
Mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong bùn thải vượt khá xa so với quy định cho
phép đối với các loại đất. Trong số đó hàm lượng các kim loại như As, Cd, Cu và Zn
vượt khá xa tiêu chuẩn áp dụng đối với đất nông nghiệp theo quy định tại QCVN
03/2008/BTNMT. Riêng đối với các kim loại như: As, Cu, Zn thậm chí còn vượt quy
định áp dụng đối với đất công nghiệp.
Hàm lượng kim loại nặng tại điểm M3 (cầu Minh Khai) tăng cao do khu vực
cầu Minh Khai là điểm tiếp nhận trực tiếp nước thải từ nhà máy dệt nhuộm và một số
xưởng sản xuất cơ khí còn tồn tại xung quanh khu vực khảo sát.
Hàm lượng của một số kim loại nặng đặc trưng như: Pb, Cu, Ni, Cr trong bùn
thải sông Kim Ngưu không có sự chênh lệch lớn khi so sánh với bùn thải tại nhà máy
xử lý nước thải đô thị của Trung Quốc. Tuy nhiên, nồng độ trung bình của Zn trong
bùn sông Kim Ngưu là 569 mg/kg DS thấp hơn so với hàm lượng Zn trong mẫu bùn
thải tại Bắc Kinh trong khoảng 783 - 3096 mg/kg DS và thấp hơn trong bùn thải tại
Triết Giang trong khoảng từ 1406 mg/kg DS đến 3699 mg/kg DS. Hàm lượng kim
loại nặng trong mẫu bùn sông Kim Ngưu lại có sự tương đồng với mẫu bùn khảo sát
sông tiếp nhận nước thải Almendares tại Cuba.
3.1.3. PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu
Kết quả phân tích hàm lượng PAHs được chỉ ra ở bảng dưới đây:
Bảng 3.5. Hàm lượng PAHs trung bình của bùn thải ở các điểm khảo sát
PAHs

Hàm lượng (mg/kg DS)
M1
(n=3)
M2
(n=3)

M3
(n=3)
M4
(n=3)
M5
(n=3)
Trung bình
Naphthalene
1,95
1,22
1,42
0,69
1,20
1,29



PAHs

Hàm lượng (mg/kg DS)
M1
(n=3)
M2
(n=3)
M3
(n=3)
M4
(n=3)
M5
(n=3)

Trung bình
Acenaphthylene
2,40
1,88
7,88
3,82
2,30
3,66
Acenaphthene
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
Fluorene
4,94
4,15
4,97
6,10
3,93
4,82
Phenanthrene
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
Anthracene

<0,01
<0,01
<0,01
0,22
<0,01
0,04
Fluoranthene
2,76
1,03
1,98
<0,01
<0,01
1,15
Pyrene
0,71
0,58
2,59
<0,01
<0,01
0,78
Benz[a]anthracene
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
Chrysene
<0,01
<0,01

<0,01
<0,01
<0,01
<0,01
Benz[b]fluoranthene
0,64
0,69
1,68
2,05
1,03
1,22
Benzo[k]fluoranthene
4,72
3,42
7,97
2,60
2,55
4,25
Benzo[a]pyrene
13,6
11,9
6,40
10,9
7,22
10,0
Indeno[1,2,3-cd]pyrene
135
113
269
47,2

46,7
122
Dibenz[a,h]anthracene
107
89,9
201
59,1
44,0
100
Benzo[ghi]perylene
264
240
246
171
109
206
Ʃ 2-4 vòng
12,8
8,86
18,8
10,8
7,42
11,7
Ʃ 5-6 vòng
525
458
732
293
211
444

Ʃ PAHs
538
467
751
304
218
456
0,01 mg/kg DS: giới hạn phát hiện; n: số mẫu trên điểm khảo sát
16 PAHs (US EPA) trong mẫu bùn khảo sát tại sông Kim Ngưu có hàm lượng
nằm trong khoảng 218 - 751 mg/kg DS (Bảng 3.5). Tương tự như đối với kim loại
nặng, điểm khảo sát có hàm lượng PAHs cao nhất là M3 (cầu Minh Khai). Về tổng
thể, kết quả khảo sát cho thấy tổng hàm lượng PAHs có xu hướng giảm từ điểm M1 -
M5 theo hướng dòng chảy ngoại trừ việc tăng cao bất thường tại điểm M3. Tổng hàm
lượng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu cao hơn nhiều so với bùn thải tại nhà
máy xử lý nước thải của Trung Quốc cũng như bùn thải của nhà máy xử lý nước thải
tương tự tại Hàn Quốc. PAHs tích tụ với hàm lượng cao trong bùn thải sông Kim
Ngưu chủ yếu do sự phức tạp của nguồn thải sông tiếp nhận. Hơn nữa, việc tích tụ
của các PAHs trong bùn thải tại sông thoát nước trong thời gian dài đã làm cho hàm
lượng PAHs tăng cao hơn so với bùn thải tại các trạm xử lý nước thải được luân
chuyển và xử lý liên tục.
Hàm lượng trung bình của các hợp chất 5-6 vòng là 444 mg/kg DS lớn hơn
nhiều so với hàm lượng trung bình 11,7 mg/kg DS của các hợp chất PAHs có từ 2-4
vòng trong mẫu bùn thải khảo sát tại sông Kim Ngưu (Bảng 3.5).
Hiện tượng này liên quan đến khả năng phân hủy sinh học của các hợp chất
PAHs trong điều kiện tự nhiên dưới tác dụng của tập đoàn vi sinh vật có sẵn trong
bùn thải. Sự phân hủy sinh học của các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ là dễ
dàng hơn so với các hợp chất PAHs có khối lượng phân tử lớn.

Trong nghiên cứu này, tỷ lệ giữa hàm lượng của Fl/(Fl + Pyrene) trong một số
mẫu khảo sát >0,5 chứng tỏ PAHs có nguồn gốc từ sự cháy các hợp chất hữu cơ.
Trong khi đó, tỷ lệ giữa IP/(IP + Benzo[ghi]perylene) trong khoảng 0,18 - 0,57,
chứng tỏ nguồn gốc phát thải từ sự cháy của nhiên liệu hóa thạch. Ngoài ra, một số
mẫu có tỷ lệ Fl/(Fl + Pyrene) xung quanh 0,43 chứng tỏ nguồn thải còn có nguồn gốc
từ xăng dầu. Tóm lại, nguồn phát thải PAHs vào bùn thải sông Kim Ngưu bao gồm
cả nguồn xăng, dầu của các dịch vụ sửa chữa phương tiện giao thông trong khu vực
khảo sát và nguồn gốc từ sự cháy của chất hữu cơ, than và nhiên liệu hóa thạch.
Hàm lượng của hầu hết các hợp chất PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu đều
vượt quá PELs (Probable Effect Levels) theo quy định của Bộ Môi trường Canada
(CCME, 2002). Chỉ có hàm lượng của Fluoranthene và Pyrene ở một vài mẫu thấp
hơn so với các giá trị giới hạn nêu trên.
3.1.4. Đánh giá khả năng sử dụng bùn thải sông Kim Ngƣu cho cải tạo đất nông
nghiệp
Hàm lượng của As, Cd, Cu và Zn trong hầu hết các mẫu bùn thải khảo sát tại
sông Kim Ngưu đều vượt mức quy định cho phép đối với đất nông nghiệp theo quy
định tại QCVN: 03/2008/BTNMT.
Tổng hàm lượng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngưu vượt quá quy định
củaThụy Điển năm 1996 quy định đối với 06 PAHs bao gồm: Fluoranthene,
Benzo[a]-pyrene, Benzo[b]fluoranthene, Benzo[k]fluoranthene, Benzo
[g,h,i]perylene và Indeno[1,2,3-cd]pyrene trong bùn thải thoát nước đô thị có thể sử
dụng cải tạo đất nông nghiệp với hàm lượng tối đa cho phép là 3 mg/kg DS. Hơn nữa,
tổng hàm lượng PAHs cũng vượt quá quy định đối với 9 PAHs trong bùn thải thoát
nước đô thị có thể sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp tại châu Âu bao gồm:
Acenaphthene, Phenanthrene, Fluorene, Fluoranthene, Pyrene,
Benzo[b+j+k]fluoranthene, Benzo[a]-pyrene, Benzo[g,h,i]perylene và Indeno[1,2,3-
cd]pyrene với hàm lượng tối đa cho phép là 6 mg/kg DS.
Như vậy, việc sử dụng trực tiếp bùn thải sông Kim Ngưu cho cải tạo đất nông
nghiệp là không khả quan. Cần thiết phải có biện pháp xử lý loại bỏ các yếu tố ô
nhiễm nêu trên để có thể sử dụng bùn thải cho mục đích nông nghiệp.

3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện tối ƣu trong quá trình ổn định bùn thải kết
hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng
Mục tiêu nghiên cứu ở đây là xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa bùn thải
sông Kim Ngưu và rác hữu cơ. Để thực hiện mục tiêu trên, các thông số hóa lý như:
khả năng loại bỏ COD tổng (CODt), khả năng loại bỏ tổng chất rằn (TS) và tổng chất
rắn dễ bay hơi (VS), sự giảm thiểu NH
4
+
và tổng Nitơ (TN), sự giảm thiểu PO
4
3-
và



tổng Phốt pho (TP), hiệu suất sinh biogas và thành phần biogas được so sánh giữa các
thí nghiệm với các tỷ lệ phối trộn khác nhau (100% BT; 70% BT và 30% RHC; 30%
BT và 70% RHC) ở cùng điều kiện lên men yếm khí nóng (tại nhiệt độ 55
o
C). Sự
hoạt động tốt của hệ vi sinh vật với hiệu quả ổn định cao là cơ sở xác định tỷ lệ phối
trộn thích hợp giữa bùn thải và rác hữu cơ.
3.2.1. Sự thay đổi pH và độ dẫn điện (EC) theo thời gian
Trong khoảng thời gian 10 ngày đầu của quá trình phân hủy, pH giảm rõ rệt do
sự hình thành các axít hữu cơ trong giai đoạn axít hóa của quá trình phân hủy yếm
khí, giá trị pH giảm thấp nhất là 6,93 trong trường hợp TN1, 6,63 trong trường hợp
TN2 và 5,91 trong trường hợp TN3. Với tỷ lệ hữu cơ cao, độ pH giảm sâu nhất trong
trường hợp TN3 (Hình 3.6).
5
5,5

6
6,5
7
7,5
8
0 10 20 30 40 50
Thời gian (ngày)
pH
TN3 (BT 30%, RHC 70%)
TN2 (BT 70%, RHC 30%)
TN1 (BT 100%)

Hình 3.6. Sự thay đổi pH của các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác nhau theo
thời gian
Tương tự như đối với pH, giá trị độ dẫn điện của hỗn hợp phản ứng của 03 thí
nghiệm đều tuân theo cùng quy luật. Đường biểu diễn độ dẫn điện có xu hướng tăng
lên trong giai đoạn đầu và giảm dần trong giai đoạn ổn định của quá trình phân hủy
(Hình 3.7). Hiện tượng này phù hợp với quy luật phân hủy yếm khí.



2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 10 20 30 40 50 60
Thời gian (ngày)
EC (µS/cm)

TN3
TN2
TN1

Hình 3.7. Sự thay đổi độ dẫn điện của các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác
nhau theo thời gian
3.2.2. Khả năng loại bỏ COD tổng (CODt)
Khả năng loại bỏ CODt trong quá trình phân hủy yếm khí trong trường hợp
TN1, TN2 và TN3 lần lượt là 28,75%, 54,38% và 63,83% tính tới thời điểm ổn định
của quá trình phân hủy ở mỗi thí nghiệm (Hình 3.8).
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Thời gian (ngày)
COD tổng (mg/l)
TN3
TN2
TN1

Hình 3.8. Sự thay đổi giá trị CODt của các thí nghiệm với thành phần đầu vào khác
nhau theo thời gian

3.2.3. Khả năng loại bỏ tổng chất rắn và tổng chất rắn bay hơi
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra với thành phần đầu vào cân bằng trong trường
hợp TN3, khả năng loại bỏ TS và VS trong 60 ngày phân hủy lần lượt là 15,98% và
19,04% cao hơn so với 10,13% và 13,22% trong trường hợp TN2 và 8,42% và 9,98%
trong trường hợp TN1. Hiệu suất loại bỏ TS và VS trong trường hợp TN3 là cao nhất
và như vậy hiệu quả ổn định đối với các hợp chất hữu cơ trong TN3 đạt cao nhất.
Việc tăng tỷ lệ rác hữu cơ so với bùn thải trong hỗn hợp nguyên liệu đầu vào có xu
hướng làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ lên men phân hủy yếm khí.
3.2.4. Khả năng sinh biogas và thành phần khí CH
4

Sự hoạt động của vi khuẩn sinh khí CH
4
phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng
quan trọng nhất là thành phần nguyên liệu đầu vào. Lượng chất ức chế trong nguyên
liệu đầu vào nhỏ, tỷ lệ thích hợp của các yếu tố vi lượng giúp cho việc sinh khí CH
4

diễn ra với hiệu quả cao hơn. Khi thay đổi thành phần nguyên liệu đầu vào với thành
phần rác hữu cơ cao làm cân bằng tỷ lệ C:N:P đã mang lại tỷ lệ thành phần CH
4
cao
hơn. Tỷ lệ CH
4
trung bình trong biogas trong trường hợp TN3 đạt 50,44%, TN2 đạt
42,23% và TN1 đạt 33,02% (Bảng 3.7). Như vậy, khả năng sinh biogas đạt hiệu quả
tốt nhất trong trường hợp TN3 (BT 30%, RHC 70%). Kết quả sinh biogas là phù hợp
với khả năng loại bỏ CODt, TS và VS đối với các trường hợp thí nghiệm nêu trên.
Hiệu quả sinh biogas thông qua tốc độ sinh khí trung bình và thành phần biogas được
tổng hợp so sánh giữa các trường hợp thí nghiệm với kết quả được trình bày trong

Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Tốc độ sinh khí trung bình và thành phần biogas
Thí
nghiệm
Biogas
(lít/ngày)
CH
4

(lít/ngày)
CO
2

(lít/ngày)
CH
4

(%)
CO
2

(%)
O
2

(%)
Khác
(%)
H
2

S
(ppm)
TN1
2,70
0,89
1,77
33,02
65,69
1,47
0,15
1017
TN2
3,36
1,42
1,85
42,23
55,14
1,54
0,85
894
TN3
9,55
4,82
3,75
50,44
39,31
1,27
1,41
743
Dựa trên lượng CH

4
thực tế và CH
4
lý thuyết xác định được hiệu suất sinh CH
4

trên lượng COD bị loại bỏ tương ứng đối với các trường hợp TN1, TN2 và TN3 lần
lượt là 16,92%, 35,88% và 64,37% (Bảng 3.8).
Bảng 3.8. Xác định hiệu suất sinh khí CH
4

Các thí
nghiệm
Tổng lượng
biogas sinh
ra (lít)
Tổng lượng
CH
4
thu
được (lít)
Tổng lượng
COD bị loại
bỏ (g)
Khí CH
4
sinh
ra theo COD bị
loại bỏ (lít)
Hiệu suất

sinh CH
4

(%)
TN1
117
38,8
1543
229
16,92



Các thí
nghiệm
Tổng lượng
biogas sinh
ra (lít)
Tổng lượng
CH
4
thu
được (lít)
Tổng lượng
COD bị loại
bỏ (g)
Khí CH
4
sinh
ra theo COD bị

loại bỏ (lít)
Hiệu suất
sinh CH
4

(%)
TN2
185
78,3
682
218
35,88
TN3
631
318
716
494
64,37
Như vậy, hiệu suất sinh CH
4
trong trường hợp TN3 đạt 64,37% là hiệu suất
khá cao đối với trường hợp ổn định bùn thải thoát nước chứng tỏ với tỷ lệ phối trộn
của nguyên liệu đầu vào đối với trường hợp TN3 là phù hợp để tiến hành ổn định kết
hợp bùn thải tại sông Kim Ngưu và rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí
nóng.
3.2.5. Sự giảm thiểu Nitơ tổng (TN) và N-NH
4
Sự giảm thiểu của Nitơ tổng tính từ khi bắt đầu nạp nguyên liệu đến ngày thứ
60 của TN3, TN2 và TN1 lần lượt là 52,62%, 50,26%, và 30,75%. Trường hợp TN3
có sự giảm thiểu mạnh nhất điều này phù hợp với hoạt động của vi sinh vật trong

TN3 là mạnh nhất với khả năng tiêu thụ Nitơ lớn nhất. Tuy nhiên, với hàm lượng
Nitơ tổng trong nguyên liệu đầu vào khá cao khi kết hợp rác hữu cơ và bùn thải vì
vậy hàm lượng Nitơ tổng giảm trong sản phẩm sau quá trình ổn định là phù hợp cho
việc tiến hành các bước xử lý tiếp theo để sử dụng sản phẩm cuối cùng cho mục đích
nông nghiệp.
Sự thay đổi của hàm lượng N-NH
4
thường phụ thuộc chặt chẽ vào sự thay đổi
của giá trị pH của hỗn hợp phản ứng. Giá trị N-NH
4
thay đổi tỷ lệ nghịch với sự thay
đổi của giá trị pH. Trong suốt quá trình phân hủy yếm khí giá trị pH giảm trong pha
axít sau đó tăng trở lại và ổn định trong pha ổn định phù hợp với sự thay đổi của giá
trị N-NH
4
.
3.2.6. Sự giảm thiểu phốt pho tổng (TP) và P-PO
4

Sự tiêu thụ Phốt pho diễn ra mạnh nhất trong trường hợp TN3, hàm lượng phốt
pho của các trường hợp TN1, TN2, TN3 tính từ khi bắt đầu nạp nguyên liệu đến ngày
thứ 60 lần lượt giảm 19,53%, 60,08% và 62,00%. Hiện tượng này tương tự với khả
năng loại bỏ CODt và Nitơ tổng và một lần nữa chứng tỏ với thành phần dinh dưỡng
cân bằng hoạt động của tập đoàn vi sinh vật diễn ra mạnh và hiệu quả nhất ở trường
hợp TN3. Khi hoạt động của tập đoàn vi sinh vật diễn ra mạnh là điều kiện quan
trọng trong việc phân giải các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong đó bao gồm cả các
chất gây ô nhiễm nguy hại.
Kết luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với trường hợp TN3. Sau quá trình ổn định,
CODt bị loại bỏ đến 63,83%; TS và VS trong 60 ngày phân hủy lần lượt bị loại bỏ

15,98% và 19,04%; tỷ lệ CH
4
trung bình trong biogas đạt 50,44%; hiệu suất sinh CH
4

trên lượng COD bị loại bỏ đạt 64,37%. Tỷ lệ phối trộn 30% BT và 70% rác hữu cơ là
tỷ lệ thích hợp đối với mục tiêu ổn định bùn thải. Tỷ lệ này sẽ được áp dụng trong các
thí nghiệm nghiên cứu sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs của đề tài.
3.3. Sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn định bùn thải
kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men nóng
3.3.1. Các thông số hóa lý của quá trình lên men yếm khí
Xem xét tổng hợp sự thay đổi các thông số hóa lý trong quá trình ổn định bùn
thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng tạo
ra cơ sở khoa học vững chắc cho việc triển khai nghiên cứu sự chuyển hóa của kim
loại nặng và PAHs trong quá trình ổn định. Với sự thay đổi các thông số pH, EC,
CODt, TS, VS tuân theo quy luật của quá trình phân hủy yếm khí, khả năng sinh
biogas, CH
4
với tỷ lệ cao chứng tỏ nghiên cứu tiến hành trong trường hợp TN4 hoạt
động tốt trong điều kiện yếm khí. Hoạt động sinh trưởng của tập đoàn vi sinh vật diễn
ra mạnh và ổn định. Kết quả nghiên cứu đảm bảo tính khoa học xác thực trong việc
đánh giá sự chuyển hóa của kim loại nặng và sự phân hủy của PAHs trong điều kiện
lên men yếm khí nóng. Ngoài ra, kết quả thu được có ý nghĩa quan trọng trong xây
dựng quy trình áp dụng vào thực tế.
3.3.2. Sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng trong quá trình ổn định
Trong quá trình phân hủy yếm khí, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy do hoạt
động của tập đoàn vi sinh vật sẽ chuyển hóa thành biogas với thành phần chính là các

khí CH
4
, CO
2
, NH
3
…Trong khi đó, khả năng bay hơi theo biogas trong điều kiện
nhiệt độ thấp của kim loại nặng được xác định là rất nhỏ. Hiện tượng này dẫn đến sự
tích tụ của một số kim loại nặng trong sản phẩm sau quá trình ổn định. Trong sản
phẩm sau quá trình ổn định, hàm lượng Cd tăng lên 125%, hàm lượng Pb tăng 102%,
hàm lượng Cu tăng 86,4%, hàm lượng Cr tăng 85,6% và Zn tăng 68,3% (Bảng 3.9).
Trong đó, Cd có hàm lượng tăng cao nhất và thấp nhất là Zn. Hiện tượng này cho
thấy kim loại có hàm lượng thấp trong nguyên liệu đầu vào thường có khả năng tăng
hàm lượng cao trong sản phẩm sau quá trình ổn định.
Bảng 3.9. Hàm lượng một số kim loại nặng trước và sau quá trình ổn định bùn thải
Kim loại nặng
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
Zn
Hàm lượng kim loại nặng trong nguyên
liệu đầu vào (mg/kg DS)
3,1
146
124
74,8
70,9
571

Hàm lượng kim loại nặng trong sản
phẩm sau quá trình ổn định (mg/kg DS)
6,98
270
233
148
143
960
Hàm lượng kim loại nặng tăng sau ổn
định (%)
125,16
85,57
86,38
97,73
101,55
68,26



Trong khoảng thời gian từ ngày 17 đến ngày 50 của quá trình ổn định (Hình
3.26), hàm lượng của hầu hết các kim loại nặng khảo sát đều tăng mạnh. Khoảng thời
gian này tương ứng với thời điểm biogas được sinh ra mạnh nhất. Hiện tượng này đã
chứng tỏ sự tăng lên của hàm lượng kim loại nặng trong hỗn hợp phản ứng phụ thuộc
vào sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo thành biogas trong hoạt động phân giải của
tập đoàn vi sinh vật. Nghiên cứu được tiến hành trong thời gian dài với điều kiện lên
men yếm khí nóng làm cho các chất hữu cơ phân hủy triệt để dẫn đến hàm lượng kim
loại nặng tăng lên mạnh mẽ hơn.
0
20
40

60
80
100
120
140
0 5 11 17 27 36 43 55 61 71 79 87
Thời gian (ngày)
Hàm lượng kim loại nặng tăng
trong quá trình ổn định (%)
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
Zn

Hình 3.26. Sự thay đổi hàm lượng kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải
Kim loại nặng tích tụ trong sản phẩm của quá trình xử lý bằng phương pháp
sinh học đối với chất thải có thành phần hữu cơ là hiện tượng phổ biến. Sự tăng lên
của hàm lượng kim loại nặng gây ảnh hưởng đến khả năng sử dụng sản phẩm sau xử
lý cho mục đích nông nghiệp. Bởi vậy, ngoài việc nghiên cứu sự tích tụ của kim loại
nặng trong quá trình ổn định bùn thải nhằm đánh giá khả năng áp dụng phương pháp
theo hướng sử dụng sản phẩm cho mục đích nông nghiệp cũng cần thiết phải nghiên
cứu sự vận chuyển của kim loại nặng vào pha nước trong suốt quá trình ổn định.
Sự giảm giá trị pH trong pha thủy phân hình thành axít hữu cơ, sự sinh ra các
phối tử hữu cơ trong quá trình phân hủy yếm khí của hợp chất hữu cơ trong bùn thải
và hoạt động ôxi hóa các hợp chất sunfua kim loại nặng của nhóm vi khuẩn
Thiobacillus ferrooxidans là những nguyên nhân chính làm cho kim loại nặng chuyển
vào pha nước. Nghiên cứu đã chỉ ra độ hòa tan trung bình trong suốt quá trình ổn

định của Ni cao nhất với 69,25% tiếp theo là các kim loại Cd, Cu, Cr, Zn, Pb với các
tỷ lệ 13,9%, 11,95%, 7,59%, 5,79% và 0,89% (Bảng 3.11).
Bảng 3.11. Lượng kim loại nặng chuyển vào dung dịch ngâm rửa theo thời gian
KLN
Thời gian ổn định (ngày)
0
5
11
17
27
36
43
55
61
71
79
87
Cd
(%)
21,65
18,00
14,56
14,06
12,13
10,60
9,86
11,02
10,31

10,63
10,19
9,89
Cr
(%)
6,21
6,25
6,16
6,06
5,25
5,13
4,68
5,60
4,61
4,55
4,77
4,41
Cu
(%)
11,20
11,54
13,26
15,98
11,83
7,63
8,73
11,34
8,53
13,52
7,98

9,96
Ni
(%)
56,82
57,42
65,98
82,30
67,28
67,33
66,64
71,05
63,18
62,86
52,17
48,78
Pb
(%)
0,92
0,91
1,09
1,10
1,06
0,74
0,66
0,45
0,78
0,75
0,70
0,66
Zn

(%)
7,22
7,42
8,99
7,97
6,39
6,31
6,50
7,39
6,14
6,19
6,38
6,60
Hầu hết các kim loại nặng chuyển mạnh vào dung dịch ngâm rửa diễn ra trong
khoảng thời gian 18 ngày đầu của quá trình ổn định (Bảng 3.12).
Bảng 3.12. Tương quan lượng kim loại nặng chuyển vào pha nước trong 18 ngày đầu
và thời gian sau của quá trình ổn định
Kim loại nặng
Cd
Cr
Cu
Ni
Pb
Zn
Lượng kim loại nặng chuyển vào
pha nước trong 18 ngày đầu (%)
17,1
6,17
13,0
65,6

1,01
7,90
Lượng kim loại nặng chuyển vào
pha nước sau 18 ngày (%)
10,6
4,88
9,94
62,4
0,73
6,49
Trong thời gian 18 ngày đầu là khoảng thời gian hình thành axít của quá trình
phân giải các hợp chất hữu cơ. Tại thời điểm này, độ pH xuống thấp nhất đã tạo điều
kiện cho kim loại nặng linh động hơn và tăng khả năng trao đổi vào pha nước của
chúng. Ngoài ra, trong khoảng thời gian này sự thủy phân làm phát sinh các chất hữu
cơ có mạch ngắn có khả năng trở thành các phối tử tạo phức tốt làm tăng khả năng
hòa tan của các kim loại nặng vào pha nước. Hơn nữa, sự hoạt động của nhóm vi
khuẩn ôxi hóa hợp chất sunfua kim loại nặng cũng đã làm tăng khả năng linh động
của kim loại nặng
Hàm lượng một số kim loại nặng trong chất rắn và lượng trao đổi của chúng
trong dung dịch ngâm có mối tương quan tỷ lệ thuận. Trong khi đó, khả năng linh
động của một số kim loại nặng trong 18 ngày đầu tuân theo trật tự nhất định
Ni>Cd>Cu>Cr>Zn>Pb. Như vậy không có sự chuyển hóa một cách mạnh mẽ dạng
tồn tại của một số kim loại nặng khảo sát trong suốt quá trình ổn định.
Nghiên cứu đã chỉ ra sự linh động của các kim loại nặng trong quá trình ổn
định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp với rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm



khí nóng có sự phụ thuộc chặt chẽ vào sự giảm pH của hỗn hợp phản ứng trong quá
trình ổn định. Kết quả này góp phần phát triển phương pháp giảm thiểu kim loại nặng

trong sản phẩm sau ổn định.

3.3.3. Sự phân hủy của các hợp chất PAHs
Trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ với tỷ lệ
30% bùn thải và 70% rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng, sự phân
hủy của các hợp chất PAHs trong thành phần nguyên liệu đầu vào được chỉ ra ở Bảng
3.13.
Bảng 3.13. Lượng PAHs phân hủy trong quá trình ổn định
PAHs
phân hủy
(%)
Thời gian ổn định (ngày)
0
5
11
17
27
36
43
55
61
71
79
87
2-3 vòng
0,00
22,32
32,42
40,61
39,91

44,79
47,58
51,67
54,72
58,29
60,38
65,34
4 vòng
0,00
18,55
26,56
36,58
35,57
37,58
40,25
41,92
42,92
44,59
46,26
47,93
5 vòng
0,00
7,25
11,32
17,25
17,11
18,50
21,86
25,91
28,08

28,38
31,40
35,43
6 vòng
0,00
1,46
3,42
7,86
5,67
10,44
12,42
14,63
16,95
19,06
20,32
21,35
ƩPAHs
0,00
2,16
4,39
8,99
6,89
11,55
13,59
15,89
18,21
20,31
21,63
22,83
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra khả năng phân hủy sinh học của các hợp chất

PAHs 2-3 vòng (Naphthalene, Acenaphthylene, Fluorene), các hợp chất 4 vòng
(Fluoranthene, Pyrene), các hợp chất 5 vòng (Benz[b]fluoranthene,
Benzo[k]fluoranthene, Benzo[a]pyrene), các hợp chất 6 vòng (Indeno[1,2,3-
cd]pyrene, Dibenz[a,h]anthracene, Benzo[ghi]perylene) và tổng PAHs lần lượt là:
65,34 %, 47,93 %, 35,43 %, 21,35 % và 22,83 %. Khả năng phân hủy sinh học của
các hợp chất 2-3 vòng lớn gấp 2 lần các hợp chất 5 vòng và 3 lần đối với các hợp chất
6 vòng. Khả năng phân hủy của các hợp chất PAHs có xu hướng giảm dần tỷ lệ
nghịch với số vòng trong phân tử của chúng. Như vậy, khả năng phân hủy sinh học
khác nhau của các hợp chất PAHs phụ thuộc vào độ hòa tan của chúng vào pha nước.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ phân hủy của các hợp chất PAHs (2-3
vòng) và PAHs (4 vòng) vòng diễn ra nhanh hơn trong khoảng thời gian 18 ngày đầu
của quá trình ổn định (Hình 3.35). Lượng phân hủy của các hợp chất PAHs 2-3 vòng,
4 vòng lần lượt đạt 40,61% và 36,58% trong tổng lượng phân hủy 65,34% và 47,93%
của các hợp chất PAHs tương ứng.



0
20
40
60
80
100
0 5 11 17 27 36 43 55 61 71 79 87
Thời gian (ngày)
Hàm lượng PAHs giảm (%)
2-3 vòng
4 vòng
5 vòng
6 vòng

Ʃ PAHs

Hình 3.35. Sự phân hủy các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định
Sự phân hủy hợp chất có khối lượng phân tử lớn (nhiều vòng thơm trong phân
tử), không có sự thay đổi quá lớn về tốc độ phân hủy trong suốt quá trình ổn định.
Trong 18 ngày đầu lượng phân hủy của các hợp chất PAHs 5 vòng và 6 vòng lần lượt
đạt 17,25% và 7,86% trong tổng lượng phân hủy 35,43% và 21,35% của các PAH
tương ứng. Trong khi các hợp chất 5 vòng có tốc độ phân hủy nhanh hơn trong giai
đoạn đầu của quá trình ổn định thì các hợp chất 6 vòng có tốc độ phân hủy ổn định
trong suốt quá trình phân hủy. Hiện tượng này có thể biện giải do các hợp chất 6
vòng có hệ số logK
ow
cao làm cho nồng độ của chúng trong pha nước thấp và tương
đối ổn định.
Để khẳng định hiệu suất phân hủy của PAHs phụ thuộc vào nồng độ của chúng
trong pha nước, chúng tôi nghiên cứu sử dụng chất hoạt động bề mặt không phân cực
Tween 80 nhằm làm tăng khả năng hòa tan của các PAHs vào pha nước. Qua đó so
sánh hiệu suất phân hủy và nghiên cứu khả năng sử dụng chất hoạt động bề mặt tăng
cường khả năng phân hủy các hợp chất PAHs.
Khi sử dụng thêm Tween 80, khả năng phân hủy của các hợp chất PAHs được
cải thiện một cách rõ rệt. Tốc độ phân hủy diễn ra nhanh trong 18 ngày đầu như kết
quả trên Hình 3.38.



0
20
40
60
80

100
0 5 11 17 27 36 43 55 61 71 79 87
Thời gian (ngày)
Hàm lượng PAHs giảm (%)
2-3 vòng
5 vòng
6 vòng
Ʃ PAHs

Hình 3.38. Sự phân hủy của PAHs theo thời gian khi sử dụng Tween 80
Khả năng phân hủy của các hợp chất 2-3 vòng bao gồm (Naphthalene,
Acenaphthylene, Acenaphthene, Fluorene, Anthracene) tăng cao nhất từ 65,34% lên
83,98%, hợp chất 5 vòng bao gồm ( Benzo[a]pyrene) tăng từ 35,43% lên 53,71%,
các hợp chất 6 vòng (Indeno[1,2,3-cd]pyrene, Dibenz[a,h]anthracene,
Benzo[ghi]perylene) tăng từ 21,35% lên 67,06% và tổng các PAHs tăng từ 22,83%
lên 67,22% (Hình 3.39).
0
20
40
60
80
100
2-3 vòng 5 vòng 6 vòng Ʃ PAHs
PAHs
PAHs phân hủy sau quá trình
ổn định (%)
BT+RHC
BT+RHC+Tween 80

Hình 3.39. Khả năng phân hủy của các hợp chất PAHs khi sử dụng Tween 80

Sự phân hủy diễn ra nhanh trong khoảng 18 ngày đầu của quá trình phân hủy
được thể hiện rõ rệt ngay cả đối với các hợp chất 6 vòng. Điều này chứng tỏ Tween



80 đã làm tăng đáng kể nồng độ của các PAHs trong pha nước, đặc biệt là các hợp
chất 6 vòng qua đó làm tăng khả năng phân hủy của chúng.
3.4. Đề xuất quy trình và đánh giá khả năng áp dụng xử lý bùn thải sông Kim
Ngƣu kết hợp rác hữu cơ
3.4.1. Đề xuất quy trình xử lý
Quy trình đề xuất được mô tả theo sơ đồ khối Hình 3.40.

Hình 3.40. Quy trình đề xuất xử lý bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ
Quy trình xử lý kết hợp bùn thải sông Kim Ngưu và rác hữu cơ hoạt động theo
chế độ lên men nóng ướt hai giai đoạn. Nguyên liệu đầu vào được nạp liên tục tương
tự các mô hình đang áp dụng trong thực tế hiện nay. Bùn thải được thu gom, loại bỏ
rác cá biệt kết hợp với rác hữu cơ được phân loại và nghiền cơ học với tỷ lệ 30% bùn
thải và 70% rác hữu cơ theo thể tích định sẵn. Hỗn hợp bùn rác được thêm nước sao
cho giá trị tổng chất rắn của hỗn hợp đạt 15 - 20%. Sau đó, hỗn hợp được bơm vào
Lỏng
d
Xử lý
nước thải
Tách
rắn/lỏng
30% BT
70% RHC

Phối trộn

Thiết bị lên
men
T=55
o
C
Tg: 5 ngày

Thiết bị
phân hủy
sinh biogas
T=55

o
C
Tg: 22 ngày
Bùn cặn
KLN
Chôn lấp
Sử dụng trong
nông nghiệp
Xử lý nước
thải
Làm sạch
biogas
Thiết bị
sinh nhiệt
Tách
rắn/lỏng
Composting
Lỏng
Tween 80
Rắn
Lỏng
Khí, Nhiệt
Lỏng
Xử lý nước
thải



thiết bị lên men với lượng định sẵn sao cho thời gian lưu trong thiết bị lên men của
nguyên liệu đạt 5 ngày, đồng thời Tween 80 được bơm vào bằng bơm định lượng với

lượng 0,5 g/l. Tại thiết bị lên men diễn ra quá trình thủy phân và hình thành axít trong
điều kiện nhiệt độ ổn định 55
o
C và khuấy trộn liên tục. Sau khoảng thời gian lưu
trong thiết bị lên men, nguyên liệu được chuyển sang công đoạn tách pha rắn/lỏng.
Phần lỏng chứa nhiều kim loại nặng bị hòa tan trong giai đoạn thủy phân và axít hóa
được đưa sang công đoạn xử lý nước thải, phần rắn được đưa sang thiết bị phân hủy
yếm khí sinh biogas. Tại công đoạn xử lý nước thải lần 1, bùn cặn chứa nhiều kim
loại nặng được tách ra chôn lấp hợp vệ sinh, phần nước sau xử lý được bổ sung trở lại
cho thiết bị sinh biogas. Tại công đoạn sinh biogas diễn ra quá trình phân hủy các
chất hữu cơ, thời gian lưu của nguyên liệu trong công đoạn sinh biogas đạt 22 ngày.
Biogas sinh ra được làm sạch loại bỏ ẩm và CO
2
sau đó được đốt, sinh nhiệt và cung
cấp nhiệt trở lại cho thiết bị lên men và thiết bị phân hủy sinh biogas. Sau khoảng
thời gian lưu trong thiết bị sinh biogas hỗn hợp phản ứng được đưa sang thiết bị tách
pha rắn/lỏng lần 2, phần rắn tiếp tục được đưa sang công đoạn xử lý hiếu khí
(composting) để ổn định hoàn toàn. Phần lỏng được đưa qua công đoạn xử lý nước
thải. Sau xử lý với quy trình nêu trên, hàm lượng kim loại trong sản phẩm đạt tiêu
chuẩn theo Thông tư số: 36/2010/BNNPTNT quy định giới hạn hàm lượng cho phép
đối với kim loại nặng trong phân hữu cơ chế biến từ chất thải. Hàm lượng tổng PAHs
phù hợp với quy định của EU để sử dụng cho mục đích nông nghiệp.
3.4.2. Đánh giá khả năng áp dụng mô hình đề xử lý bùn thải sông Kim Ngƣu kết
hợp rác hữu cơ
Quy trình đề xuất là phù hợp cho xử lý bùn thải sông Kim Ngưu, Hà Nội sau
khi tiến hành đánh giá cụ thể. Tuy nhiên, hàm lượng kim loại tăng lên trong giai đoạn
xử lý yếm khí cần được tách loại, giảm thiểu trong giai đoạn xử lý hiếu khí. Cụ thể
qua công đoạn composting cần làm giảm 30% hàm lượng Cd, 50% hàm lượng Ni và
15% hàm lượng Zn để có thể sử dụng sản phẩm sau xử lý cho mục đích nông nghiệp.
Hàm lượng hợp chất hữu cơ đa vòng thơm PAH của hỗn hợp phản ứng sau

công đoạn xử lý yếm khí còn cao so với tiêu chuẩn áp dụng. Tổng hàm lượng PAHs
cần phải được tăng cường loại bỏ đến 94% trong khâu xử lý hiếu khí (composting) để
có thể sử dụng sản phẩm sau xử lý cho mục đích nông nghiệp.
KẾT LUẬN
Một số kết luận chính từ các kết quả nghiên cứu của Luận án như sau:
- Hàm lượng một số kim loại nặng như As, Cd, Pb, Cu, Zn có trong bùn thải
sông Kim Ngưu thành phố Hà Nội vượt ngưỡng cho phép áp dụng đối với đất nông
nghiệp theo tiêu chuẩn Việt Nam được quy định tại QCVN 03/2008/BTNMT.