Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải

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

NGUYỂN THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH
HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC
THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015


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

NGUYỄN THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH
HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC
THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI
Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
HDC: TS. TRẦN MẠNH TRÍ
HDP: PGS.TS. ĐỖ QUANG TRUNG

Hà Nội – Năm 2015


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
biểu
Bảng 1.1

Tên bảng biểu
Lƣợng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012

Trang
7

Khối lƣợng riêng và hàm lƣợng ẩm của các chất thải có
Bảng 1.2

trong rác thải sinh hoạt.

10

Bảng 1.3

Vi sinh vật sinh axit hữu cơ

16

Bảng 1.4

Vi sinh vật sinh metan

17

Bảng 1.5

Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan

23

Bảng 1.6

Ƣu điểm và nhƣợc điểm của ủ yếm khí so với hiếu khí

24

So sánh các đặc điểm giữa phƣơng pháp kỵ khí và
Bảng 1.7

phƣơng pháp hiếu khí

26

Bảng 2.1

Danh mục thiết bị sử dụng trong quá trình phân tích mẫu

34

Bảng 2.2

Hóa chất phân tích

36

Bảng 2.3

Tính khối lƣợng riêng của bùn

37

Bảng 3.1

Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sông Kim Ngƣu

41

Bảng 3.2

Bảng kết quả theo dõi hàm lƣợng CODt theo thời gian

43

Kết quả phân tích T-N đầu vào và đầu ra của các thí
Bảng 3.3

nghiệm

43

Kết quả phân tích hàm lƣợng T-P đầu vào và đầu ra của

Bảng 3.4

thí nghiệm

45

Bảng 3.5

Bảng kết quả theo dõi hàm lƣợng CODt theo thời gian

46

Bảng 3.6

Kết quả phân tích thành phần TS - TVS đầu vào và đầu

49


ra
Bảng 3.7

Bảng theo dõi giá trị pH theo thời gian ủ

51

Bảng 3.8

Bảng theo dõi lƣợng khí sinh ra theo thời gian

52

Tỷ lệ thành phần trung bình của các khí trong khí sinh
Bảng 3.9

học

55


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình vẽ
Hình 1.1

Tên hình vẽ
Hình ảnh ô nhiễm thực tế sông Kim Ngƣu

Trang
7

Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân
Hình 1.2

hủy yếm khí

14

Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm
Hình 1.3

khí

25

Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD
Hình 2.1

- W8

32

Cách bố trí mới thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD
Hình 2.2

-W8

33

Thực nghiệm xác định khối lƣợng riêng của bùn
Hình 2.3

thải

34

Hình 2.4

Quá trình thực nghiệm phối trộn BT và RTHC

36

Hình 3.1

Độ sụt giảm hàm lƣợng T-N sau 30 ngày ủ.

44

Hình 3.2

Độ sụt giảm hàm lƣợng T-P sau 30 ngày ủ.

45

Mô tả sự thay đổi giá trị COD-t theo thời gian của
Hình3.3

hỗn hợp phản ứng trong các thí nghiệm với thành

47

phần nguyên liệu đầu vào khác.
Phần trăm CODt bị loại bỏ trong các thí nghiệm
Hình 3.4

theo thành phần đầu vào khác nhau

48

Hình 3.5

Kết quả phân tích thành phần phần trăm TS và TVS

49


đầu vào
Kết quả phân tích thành phần phần trăm TS và TVS
Hình 3.6

đầu ra

50

Hình 3.7

Sự dao động của pH theo thời gian ủ.

52

Hình 3.8

Khả năng tạo khí theo thời gian ở các thí nghiệm

54


BẢNG VIẾT TẮT

Ký hiệu

Giải thích

AD - W8

Anaerobic Digester W8

COD

Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

TS

Total Solid (Tổng chất rắn)

VS

Volatiled Solids (Tổng chất rắn dễ bay hơi)

T-N

Total Nitrogen (Tổng Nitơ)

T-P

Total Phosphorus (Tổng Photpho)

FID

Flame Ionitation Detecto

DS

Dry Substance

VSV

Vi sinh vật

VK

Vi khuẩn

CTHC

Chất thải hữu cơ

CTR

Chất thải rắn

TN

Thí nghiệm

BT

Bùn thải

RTHC

Rác thải hữu cơ


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS.
Trần Mạnh Trí đã giao đề tài và nhiệt tinh giúp đỡ, cho em những kiến thức quý báu
trong quá trình nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Đỗ
Quang Trung, thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn bộ môn hóa Môi trƣờng, cô giáo
PGS. TS Tạ Thị Thảo bộ môn hóa Phân tích cùng các thầy các cô trong phòng thí
nghiệm Hóa môi trƣờng đã tận tình chỉ bảo và hƣớng dẫn em trong suốt thời gian
làm luận văn.
Cảm ơn các phòng Thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trƣờng Đại học Khoa
học Tự nhiên, phòng Thí nghiệm chất thải rắn 709 – trƣờng Đại học Xây dựng Hà
nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thực nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí
nghiệm Hóa môi trƣờng đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực
nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên
Nguyễn Thị Trang


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................3
1.1. Tổng quan về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội .3
1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị ....................................................................3
1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị ........................................................................4
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị ........................................................6
1.2. Tổng quan về rác thải sinh hoạt ..........................................................................8

1.2.1. Nguốn gốc phát sinh và đặc điểm rác thải sinh hoạt ....................................9
1.2.2. Các phƣơng pháp xử lý rác thải sinh hoạt ..................................................12
1.3. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí ..........................................................13
1.3.1. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí ............................................................14
1.3.1.1. Giai đoạn thủy phân ..............................................................................15
1.3.1.2. Giai đoạn lên men axít. .........................................................................15
1.3.1.3. Giai đoạn sinh khí metan ......................................................................16
1.3.2. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas ....................................18
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy yếm khí .............................19
1.3.3.1. Nguyên liệu đầu vào .............................................................................19
1.3.3.2. PH, độ kiềm và tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm ................................20
1.3.3.3. Nhiệt độ.................................................................................................21
1.3.3.4. Thời gian lƣu trong lên men phân hủy yếm khí ...................................22
1.3.3.5. Ảnh hƣởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu ..22
1.3.3.6. Sự cạnh tranh giữa vi khuẩn lƣu huỳnh và vi khuẩn metan .................23
1.3.3.7. Tính chất của chất nền và các chất gây độc ..........................................24
1.4. So sánh quá trình xử lý yếm khí và hiếu khí .....................................................24
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................28
2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu....................................................................28
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................28
2.1.1.1. Cơ sở lựa chọn phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu ................................28
2.1.1.2. Đối tựợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................28


2.1.2. Nội dung nghiên cứu...................................................................................29
2.1.2.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................29
2.1.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................30
2.2. Lấy và chuẩn bị mẫu .........................................................................................30
2.3. Thiết bị nghiên cứu ...........................................................................................31
2.4. Chuẩn bị nguyên liệu nạp ..................................................................................33

2.5. Nạp mẫu vào bể phản ứng .................................................................................35
2.6. Chuẩn bị hóa chất và thiết bị máy móc cho quá trình phân tích mẫu ...............36
2.7. Các thông số theo dõi và phân tích trong quá trình thực hiện phản ứng và kết
thúc ............................................................................................................................38
2.8. Xác định thành phần khí sinh ra........................................................................39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................41
3.1. Đặc điểm bùn thải sông Kim Ngƣu...................................................................41
3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong quá trình ổn định bùn thải kết
hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí ................................................42
3.2.1. Sự giảm hàm lƣợng Nitơ tổng (T-N) ..........................................................43
3.2.2. Sự giảm hàm lƣợng Phốt pho tổng (T-P)....................................................44
3.2.3. Khả năng loại bỏ COD tổng (CODt) ..........................................................46
3.2.4. Khả năng loại bỏ tổng chất rắn và tổng chất rắn bay hơi ...........................48
3.2.5. Sự thay đổi giá trị pH theo thời gian phản ứng ..........................................51
3.2.6. Khả năng sinh khí sinh học và thành phần khí CH4 ...................................52
KẾT LUẬN ...............................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. TS Trần Thị Mỹ Diệu và TS Nguyễn Trung Việt, (2007), Giáo trình quản lý chất
thải sinh hoạt và Giáo trình quản lý chất thải nguy hại, Công ty Môi trƣờng
Tầm nhìn xanh.
2. Cao Vũ Hƣng (2014), 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 phương pháp lên men
nóng, Luận án tiến sỹ, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc
gia Hà nội.
3. Sổ tay hƣớng dẫn thu gom và sử lý rác hộ gia đình (2013) , Nhà xuất bản Hà nội.
4. Nguyễn Thị Kim Thái (1996),

l bả thải t c ng nghiệp chế biến tinh bột

bằng phương pháp k khí trong đi u kiện khí hậu việt n m, Luận án PTS Khoa
học kỹ thuật, Trƣờng đại học Xây dựng, Hà nội.
5. Nguyễn Thị Kim Thái, Trần Hiếu Nhuệ,

ng Quốc Dũng (2001),

iáo tr nh

uản l chất thải rắn, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội.
6. Nguyễn Thị Kim Thái (2002-2003) ,

i giảng quản l chất thải rắn đ thị, Khoa

kỹ thuật môi trƣờng-Trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội.
7. Nguyễn Thị Kim Thái (2004),
N m-Đ

l ph n b n bể tự hoại

các đ thị

Việt

uất m h nh c ng nghệ ph hợp, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội.

8. Tin tức Hội nghị Quốc tế lần thứ 3 tại Hà nội (2015): Quản lý bùn thải t các
công trình vệ sinh, thông tin tải từ website: truy cập ngày 1/11/2015.

57


9. Đỗ Văn Vƣơng (2014), Nghiên cứu hiệu suất sinh Metan của một số chất thải
hữu cơ đặc trưng trong quá tr nh ph n hủy yếm khí, Luận văn cao học Hóa
môi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội.
Tiếng anh
10. Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and potential of
the anaerobic digestion of waste-activated sludge”, Progress in Energy and
Combustion Science, 34, pp. 755-781.
11. Armfield (2006), Instruction Manual Anaerobic Digester W8, Armfield
Limited- England.
12. Bolzonella D., Cavinato C., Fatone F., Pavan P., Cecchi F., (2012), “High rate
mesophilic, thermophilic, and temperature phased anaerobic digestion of
waste activated sludge: A pilot scale study”, Waste Management, 32, pp.
1196-1201.
13. Busetti F., Heitz A., Cuomo M., Badoer S., Traverso P., (2006), “Determination
of sixteen polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous and solid samples
from an Italian wastewater treatment plant”, J. Chromatography, A 1102, pp.
104-115.
14. Brunn L., Dornack C., Bilitewski B., (2007), Application of laboratory scale
experiments to industrial scale in case of anaerobic waste treatment, Sardinia,
Eleventh International Symposium, Cagliary, Italy.
15. Chongrak P., (1996), Organic Waste Recycling, WILEY, England.
16. Cai Q.Y., Mo C.H., Wu Q.T., Zeng Q.Y., Katsoyiannis A., (2007a),
“Occurrence of organic contaminants in sewage sludges from eleven
wastewater treatment plants, China”, Chemosphere, 68, pp. 1751-1762.

58

17. Cecchi F., Pavan P., Alvarez J.M., Bassettit A., Cozzolinot C.,(1991),
“Anaerobic digestion of municipal solid waste: Thermophilic vs Mesophilic
performance at high solids”, Waste Management & Research, 9, pp. 305-315.
18. Carneiro T.F., Perez M., Romero L.I., (2008), “Thermophilic anaerobic
digestion of source-sorted organic fraction of municipal solid waste”,
Bioresource Technology, 99, pp. 6763-6770.
19. Chen H., Yan S.H., Ye Z.L., Meng H.J., Zhu Y.G., (2012), “Utilization of urban
sewage sludge: Chinese perspectives”, Environ Sci Pollut Res, 19, pp. 14541463.
20. Fytili D., Zabaniotou A., (2008), “Utilization of sewage sludge in EU
application of old and new methods - A review”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 12, pp. 116-140.
21. Khadhar S., Higashi T., Hamdia H., Matsuyama S., Charef A., (2010),
“Distribution of 16 EPA-priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in
sludges collected from nine Tunisian wastewater treatment plants”, Journal of
Hazardous Materials, 183, pp. 98-102.
22. Nguyen T.L.H., Ohtsubo M.,

Li L.Y., Higashi T., (2007), “Heavy Metal

Pollution of the To-Lich and Kim-Nguu River in Hanoi City and the Industrial
Source of the Pollutants”, J. Fac. Agr., Kyushu Univ., 52(1), pp. 141-146.
23. Oleszczuk P., (2007), “Changes of polycyclic aromatic hydrocarbons during
composting of sewage sludges with chosen physico-chemical properties and
PAHs content”, Chemosphere, 67, pp. 582-591.
24. P Villar., Callejon M., Alonso E., Jimenez J.C., Guiraum A., (2006), “Temporal
evolution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sludge from

59

wastewater treatment plants: Comparison between PAHs and heavy metals”,
Chemosphere, 64, pp. 535-541.
25. Perez S., Guillamon M., Barcelo D., (2001), “Quantitative analysis of polycyclic
aromatic hydrocarbons in sewage sludge from wastewater treatment plants”,
Journal of Chromatography, A, 938, pp. 57-65.
26. Yan W., Chi J., Wang Zh., Huang W., Zhang G., (2009), “Spatial and temporal
distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) insediments from
Daya Bay, South China”, Environmental Pollution, 157, pp. 1823-1830

60