Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp bùn và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở nhiệt độ cao để tận thu năng lượng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài: Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp bùn và rác hữu cơ bằng
phương pháp sinh học kỵ khí ở nhiệt độ cao để tận thu năng lượng.
Tác giả luận văn: Thái Mạnh Hùng.

Khóa: 2009-2011

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Việt Anh, Viện KH & KTMT, ĐHXD Hà Nội
TS. Đinh Thúy Hằng, Viện VSV & CNSH, ĐHQGHN
Nội dung tóm tắt:
a- Lý do chọn đề tài
Công nghệ lên men tạo khí sinh học (biogas) được biết đến như một công cụ hữu
hiệu trong việc xử lý các nguồn thải hữu cơ, làm sạch môi trường đồng thời tạo nguồn
năng lượng sạch ở dạng khí methane. Ở Việt Nam, công nghệ này đã có mặt khá lâu, tuy
nhiên mới chỉ là dạng len men ấm, triển khai chủ yếu đối với phế thải nông nghiệp và
chăn nuôi ở quy mô nhỏ lẻ, các điều kiện vận hành chưa được tối ưu, khí tạo ra không
ổn định cả về số lượng lẫn chất lượng nên chưa thực sự có được vị trí đáng kể trong lĩnh
vực môi trường và năng lượng. Đề tài nghiên cứu này do vậy thể hiện tính mới trong
việc (i) nghiên cứu lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao (55°C) và (ii) kết hợp xử lý rác thải
hữu cơ và bùn bể tự hoại, là các vấn đề được thử nghiệm lần đầu tại Việt Nam. Các yếu
tố vận hành công nghệ được nghiên cứu trên hệ thống lên men kỵ khí tạo biogas ở qui
mô phòng thí nghiệm và qui mô pilot (1000 lít) được tối ưu hóa nhằm tăng hàm lượng
methane trong biogas, đáp ứng được việc tận thu năng lượng từ nguồn thải.
b-

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận văn là tìm ra được điều kiện tối ưu để xử lý kết hợp bùn bể tự

hoại và rác thải hữu cơ bằng công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao nhằm nâng cao

chất lượng khí biogas để tận thu năng lượng. Nghiên cứu cũng so sánh hai chế độ vận
hành theo mẻ và liên tục.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là bùn bể tự hoại của hộ nhà dân phường Bách
Khoa kết hợp với rác thải hữu cơ từ nhà hàng chuyên phục vụ ăn uống.
Luận văn tiến hành nghiên cứu ở cả quy mô phòng thí nghiệm với mô hình 2 lít và
quy mô pilot 1000 lít.
c-

Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Luận văn bao gồm những nội dung chính sau đây:
-

Tiến hành nuôi nguồn seeding methanogen ở 55oC.

-

Thu gom bùn bể tự hoại và rác hữu cơ, phân tích các chỉ tiêu hóa lý.

-

Thí nghiệm theo mẻ trên mô hình phòng thí nghiệm với bình thể tích 2 lít cho
các tỷ lệ phối trộn theo thể tích bùn/rác khác nhau (tỷ lệ 0/100, 10/90, 50/50,
90/10, 100/0).

-

Nghiên cứu thử nghiệm hệ thống bể phản ứng qui mô pilot (1000 lít) với chế độ
vận hành theo mẻ (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác là 50/50) và vận hành liên
tục (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác là 90/10). Đối với vận hành liên tục, tải
trọng thủy lực ban đầu áp dụng là 20 lit/ngày, sau đó thử nghiệm ở các mức độ

khác nhau để tìm ra qui trình vận hành tối ưu.

-

Mẫu bùn trong bể phản ứng được thu theo thời gian vận hành và phân tích các
chỉ tiêu môi trường (COD, TS, VSS, VFA, Nitơ tổng số, P).

-

Mẫu khí sinh ra cũng được phân tích về tổng thể tích và thành phần trăm theo
thể tích bằng thiết bị đo chuyên dụng.


-

Bên cạnh đó, biến động về methanogen trong bể phản ứng được theo dõi theo
thời gian thông qua phân tích về số lượng (quan sát dưới kính hiển vi huỳnh
quang ) và về thành phần loài (phân tích DGGE đối với gen 16S rDNA).

Các điểm mới của luận văn bao gồm:
-

Nghiên cứu thử nghiệm lên men kỵ khí tạo biogas ở nhiệt độ cao (55oC), là
công nghệ đã và đang rất thành công trên thế giới, tuy nhiên chưa được triển
khai ở Việt Nam.

-

Xử lý kết hợp giữa bùn bể tự hoại và rác thải hữu cơ, đưa ra được tỷ lệ phối
trộn phù hợp để có được thành phần methane cao nhất trong biogas.

-

Phân tích thay đổi về số lượng và thành phần loài trong nhóm vi sinh vật sinh
methane theo thời gian, qua đó xác định được thời điểm xuất hiện và các loài
chiếm ưu thế trong bể phản ứng, trên cơ sở đó có những tác động phù hợp về
điều kiện môi trường cho sự phát triển của chúng (điều chỉnh tỷ lệ C:N:P, pH,
nồng độ VFA…).

-

Sơ bộ đánh giá năng lượng thu được từ chất thải sử dụng trong nghiên cứu
thông qua công nghệ lên men nóng.

d-

Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được mục tiêu đề ra, luận văn đã sử dụng các phương pháp nghiên

cứu như sau:
Trong phòng thí nghiệm:
-

Vận hành mô hình thí nghiệm qui mô nhỏ

-

Phân tích các chỉ tiêu môi trường

-

Nuôi cấy vi sinh vật sinh methane trong điều kiện kỵ khí, quan sát dưới kính
hiển vi phản pha và kính hiển vi huỳnh quang.


-

Các phương pháp sinh học phân tử (tách DNA, PCR, DGGE, giải trình tự).

Trên mô hình hệ thống pilot 1000 lít:
-

Vận hành theo các chế độ mẻ và liên tục

-

Theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường, dinh dưỡng thích hợp cho
methanogen hoạt động.

e-

Kết luận
-

Chế độ lên men nóng sinh methane sau 2 tuần hoạt động và cho hàm lượng
methane cao nhất (78%) ở tỷ lệ bùn/rác là 50/50 (theo thể tích ) trong số các tỷ
lệ bùn/rác được phối trộn là 100/0, 90/10, 10/90 và 0/100.

-

Ở chế độ vận hành theo mẻ, quá trình thủy phân ban đầu sinh axit làm cho pH
hệ thống giảm mạnh, do đó cần có sự điều chỉnh pH để methanogen có thể hoạt
động ngay. Tuy nhiên ở chế độ vận hành liên tục, pH chỉ cần chỉnh lần đầu, sau
đó gần như ổn định và khí biogas sinh ra liên tục.

-

Đề tài cũng chỉ ra rằng nếu nồng độ VFA quá lớn sẽ làm ức chế methanogen,
do đó hệ thống bị đình trệ. VFA nên khống chế ở mức dưới 1000 mg/l.

-

Khi vận hành ở chế độ liên tục, phải đảm bảo rằng tải trọng hữu cơ không quá 8
kgCOD/m3/ngày. Do đó đề tài đã chỉ ra được tải trọng thủy lực nạp liệu là 20
lít/ngày, và tỷ lệ bùn/rác chỉ nên từ 10/90 đến 50/50 mà thôi.

- Về mặt sinh học, kết quả phân tích bằng phương pháp điện di biến tính gen 16S
rDNA cho thấy methanogen đạt mật độ cao nhất vào 30-40 ngày, nhóm chiếm
ưu thế là Methanothrix sp. và Methanobacterium sp.
Các ý kiến đề xuất:


-

Công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao thích hợp cho việc xử lý bùn cặn và
cho hiệu quả cao hơn khi có rác hữu cơ phối trộn. Nếu công nghệ được triển
khai áp dụng trong thực tế (như tại các đô thị lớn) thì nguồn khí biogas sinh ra
đáng kể và có thể sử dụng để chạy máy phát điện

-

Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao với các
nguồn thải giàu hữu cơ khác để tìm hiểu phạm vi ứng dụng của công nghệ ở
Việt Nam.

-

Nghiên cứu sử dụng cặn bùn sau biogas làm phân vi sinh bón cho cây trồng,
đặc biệt là cây công nghiệp.

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2011
Người hướng dẫn

Học viên

PGS.TS. Nguyễn Việt Anh

Thái Mạnh Hùng


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------

Thái Mạnh Hùng

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HỖN HỢP BÙN VÀ RÁC
HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ Ở NHIỆT ĐỘ CAO
ĐỂ TẬN THU NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: CNSH09-04
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VIỆT ANH
TS. ĐINH THÚY HẰNG

Hà Nội, 2011


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng
LƠ I CA M ƠN!

Luận văn thuộc nghị định thư Nghiên cứu giải pháp thu gom và xử lý

tổng hợp chất thải theo mô hình bán tập trung cho các đô thị Việt Nam,
nghiên cứu điển hình ở Thành phố Hà Nội (Semi-San) giữa trường Đại học
Xây Dựng Hà Nội do PGS.TS Nguyễn Việt Anh làm chủ trì, và bộ giáo dục
nghiên cứu khoa học của CHLB Đức do Prof.Dr.-ing. Peter Cornel thuộc
trường đại học tổng hợp kỹ thuật Darmstadt chủ trì.
Để hoàn thành luận văn này trước tiên tôi chân thành cảm ơn sâu
sắc tới PGS.TS Nguyễn Việt Anh- phó viện trưởng viện Khoa học và kỹ
thuật môi trường, đại học Xây Dựng Hà Nội và TS. Đinh Thúy Hằngtrưởng phòng sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học,
đại học Quốc gia Hà Nội, là hai người thầy đã định hướng nghiên cứu, trực
tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận
văn.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật
và Công nghệ sinh học- ĐH Quốc gia Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

cả về thời gian lẫn cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện
Khoa học và kỹ thuật môi trường, ĐH Xây Dựng Hà Nội đã tạo mọi điều
kiện về cơ sở vật chất, đặc biệt là nhóm cán bộ nghiên cứu dự án Semi-San
đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

2


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ thuộc phòng thí
nghiệm Sinh thái vi sinh vật- Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học- ĐH
Quốc gia Hà Nội, đã hết lòng giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực
hiện đề tài.
Tôi cũng mong muốn được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS.
Nguyễn Lan Hương - bộ môn Công nghệ sinh học - Viện Công nghệ sinh học
và Công nghệ thực phẩm, ĐH Bách Khoa Hà Nội đã góp ý, theo dõi sát sao
tiến độ thực hiện luận văn của tôi.
Qua đây tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo
thuộc Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm- ĐH Bách Khoa Hà
Nội đã trực tiếp giảng dạy tôi trong khóa học Thạc sỹ này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã
luôn giúp đỡ, cổ vũ động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 06 tháng 9 năm 2011

Thái Mạnh Hùng

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

3


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. 7 
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................... 9 
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................. 10 
MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 12 
Chương 1- TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................................... 15 

1.1. Lên men kỵ khí, nguyên lý và ứng dụng ........................................................15 
1.1.1. Giới thiệu chung về lên men kỵ khí ........................................................15 
1.1.2. Công nghệ lên men kỵ khí........................................................................16 
1.1.3. Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới và Việt Nam ...........18 
1.2. Nguyên lý sinh học của quá trình lên men kỵ khí ..........................................20 
1.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................20 
1.2.2. Vi sinh vật tham gia quá trình lên men kỵ khí .........................................21 
1.2.2.1. Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân........................................22 
1.2.2.2. Nhóm 2 – Vi khuẩn lên men sinh acid...............................................23 
1.2.2.3. Nhóm 3 – Vi khuẩn sinh acetate (acetogens) ....................................23 

1.2.2.4. Nhóm 4 – Vi sinh vật sinh methane (methanogen) ...........................24 
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng của vi sinh vật trong bể biogas................26 
1.3.1. Cân bằng dinh dưỡng ...............................................................................26 
1.3.2. Các yếu tố lý hóa và sinh học...................................................................27 
1.4. Lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao .......................................................................30 
1.4.1. Nguyên lý của công nghệ .........................................................................30 
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

4


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

1.4.2. Khả năng ứng dụng của công nghệ ..........................................................30 
1.4.3. Các hình thức sử dụng biogas làm năng lượng ........................................31 
1.4.3.1. Bếp khí sinh học.................................................................................31 
1.4.3.2. Đèn khí sinh học. ...............................................................................32 
1.4.3.3. Máy phát điện chạy bằng khí sinh học. .............................................33 
Chương 2- NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................... 35 

2.1. Nguyên vật liệu...............................................................................................35 
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................35 
2.1.2. Hóa chất sử dụng......................................................................................35 
2.1.3. Trang thiết bị ............................................................................................35 
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................37 
2.2.1. Thiết kế và vận hành mô hình phòng thí nghiệm.....................................37 
2.2.2. Nguyên lý hoạt động và vận hành mô hình pilot .....................................38 
2.2.3. Phương pháp xác định cân bằng chất và hiệu suất xử lý .........................39 

2.2.4. Các phương pháp phân tích hóa học ........................................................40 
2.2.5. Các phương pháp phân tích vi sinh vật ....................................................40 
Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 43 

3.1. Xử lý kết hợp bùn/rác hữu cơ trong mô hình phòng thí nghiệm ....................43 
3.2. Xử lý kết hợp bùn/rác trong hệ thống pilot 1000 lít .......................................47 
3.2.1. Vận hành theo mẻ.....................................................................................47 
3.2.2. Vận hành liên tục......................................................................................53 
3.2.3. Nhận xét từ hai chế độ vận hành trong mô hình pilot 1000 lít.................57 
3.3. Đánh giá khả năng sử dụng biogas từ hệ thống pilot .....................................58 
3.3.1. Phương pháp sử dụng biogas ...................................................................58 
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

5


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

3.3.2. Tinh sạch khí biogas trước khi sử dụng ...................................................59 
3.3.3. Chuyển biogas thành điện năng ...............................................................62 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 63 
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 65 
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 67 
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ VÀ SẮP CÔNG BỐ ........................................ 73 

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

6

Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
bp

Base pair

BSA

Bovin serum albumin

BOD

Biological oxygen demand

BTU

British thermal unit

CI

Chloroform-isoamyl alcohol

CTAB

Cetyl trimethyl ammonium bromide

COD

Chemical oxygen demand

DNA

Deoxyribonucleic acid

DAPI

4’6-diamidino-2-phenylindole

ddNTP

Dideoxyribonucleotide triphosphate

DGGE

Denaturing gradient gel electrophoresis

dNTP

Deoxyribonucleotide triphosphate

EDTA

Ethylenediaminetetraacetic acid

F/M

Food to microorganism ratio

ft

Feet

HHV

Higher heating value

MQ

Mili-Q

MPN

Most probable number

LHV

Lower heating value

OD

Optical density

OLR

Oganic loading rate

PBS

Phosphate-buffered saline

PCI

Phenol-Chloroform-isoamyl alcohol

PCR

Polymerase chain reaction

rDNA

Ribosomal deoxyribonucleic acid

rRNA

Ribosomal ribonucleic acid

SDS

Sodium dodecyl sulfate

SS

Suspended solid

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

7


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

TAE

Tris-Acetic-EDTA (đệm)

TE

Tris-EDTA (đệm)

TS

Total solid

Taq

Thermus aquaticus DNA polimerase

UV

Ultraviolet

VFA

Volatile faty acid

VSS

Volatile suspended solid

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

8


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Ảnh hưởng của amonia đến vi sinh vật trong bể kỵ khí...................................... 29 
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn và rác hữu cơ sử dụng trong thí nghiệm ............ 43
Bảng 3.2. Cân bằng dinh dưỡng và thành phần khí tạo ra với các tỷ lệ phối trộn bùn/rác
khác nhau............................................................................................................. 43 
Bảng 3.3. Thành phần của nguyên liệu đầu vào cho bể phản ứng 1000 lít ở chế độ vận
hành theo mẻ ....................................................................................................... 48 
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của nguyên liệu nạp biến đổi sau 50 ngày xử lý ................ 51
Bảng 3.5. Các yếu tố dinh dưỡng trong hỗn hợp nguyên liệu nạp vào ở chế độ vận hành
liên tục ................................................................................................................. 54 
Bảng 3.6. Thành phần biogas thu được từ quy mô pilot 1000 lít ở chế độ lên men nóng... 59
Bảng 3.7. Thành phần khí sinh ra từ hầm biogas ở nhiệt độ thường ................................... 59 
Bảng 3.8. Thành phần hóa học của bùn đỏ.......................................................................... 60 

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

9


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Hệ thống lên men kỵ khí...................................................................................... 17 
Hình 1.2. Các phương thức trao đổi chất cùng các nhóm vi sinh vật tương ứng tham gia
quá trình lên men kỵ khí các hợp chất hữu cơ..................................................... 22 
Hình 1.3. Methanosarcina sp. và Methanothrix sp. thường gặp trong hệ xử lý kỵ khí....... 25
Hình 1.4. Bếp khí sinh học .................................................................................................. 32 
Hình 1.5. Đèn khí sinh học ................................................................................................... 1 
Hình 1.6. Máy phát điện 5KW chạy bằng biogas................................................................. 1 
Hình 2.1. Mô hình biogas trong thí nghiệm......................................................................... 36 
Hình 2.2. Hệ thống biogas theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm. ....................................... 37 
Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống pilot 1000 lít (Roedinger Pasavant, Đức) ................................... 38 
Hình 3.1. Thể tích khí biogas thu được trong mô hình phòng thí nghiệm sử dụng bùn và
rác hữu cơ phối trộn theo các tỷ lệ khác nhau..................................................... 45 
Hình 3.2. Biểu đồ CODvào và CODra trong các thí nghiệm với tỷ lệ bùn/rác khác nhau.. 46
Hình 3.3. Sự thay đổi mật độ methanogen trong bình thí nghiệm....................................... 47 
Hình 3.4. Ảnh hưởng của pH tới quá trình sinh CH4 trong bể phản ứng kỵ khí ở nhiệt độ
cao ....................................................................................................................... 48 
Hình 3.5. Thành phần khí biogas tạo ra trong bể phản ứng 1000 lít theo thời gian ............ 49
Hình 3.6. Chuyển hóa cơ chất tạo thành biogas trong bể phản ứng theo thời gian ............. 50
Hình 3.7. Thay đổi mật độ tế bào methanogen trong bể phản ứng theo thời gian............... 52
Hình 3.8. Phân tích cấu trúc tập đoàn methanogen trong bể phản ứng theo thời gian. ....... 52
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

10


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Hình 3.9. Quần thể methanogen trong bể phản ứng ở thời điểm 40 ngày do
Methanothrix sp. chiếm ưu thế............................................................................ 53 
Hình 3.10. Biogas sinh ra trong bể kỵ khí vận hành liên tục với tải trọng hữu cơ khác
nhau ..................................................................................................................... 55 
Hình 3.11. Mật độ methanogen trong bể phản ứng ứng với các chế độ nạp liệu khác
nhau ..................................................................................................................... 56 
Hình 3.12. Các hình thức sử dụng biogas............................................................................ 58 
Hình 3.13. Bùn đỏ từ mỏ khai thác quặng boxit.................................................................. 60 

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

11


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng
MỞ ĐẦU

Đô thị hóa là một điều tất yếu trong quá trình phát triển đi lên của đất nước,
nó làm thay đổi diện mạo, tầm vóc của một quốc gia đang trên đà phát triển như
Việt Nam. Tuy nhiên các đô thị phát triển quá nhanh đang đối mặt với những vấn đề

về cơ sở hạ tầng và dịch vụ công cộng như năng lượng, cấp thoát nước, xử lý môi
trường…không theo kịp tốc độ đô thị hóa. Điều này dẫn đến tình trạng luôn thiếu
năng lượng và nước để phục vụ cho các nhu cầu khác nhau trong phát triển xã hội,
trong khi đó nước thải và rác thải không được xử lý gây suy thoái và ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng. Khi phát triển bền vững đang được lựa chọn như là một yêu
cầu tất yếu nhằm đảm bảo cuộc sống cho các thế hệ sau thì vấn đề gìn giữ và bảo vệ
môi trường được đặt lên hàng đầu, là yếu tố quyết định đến sự sống tồn tại lâu dài
của con người.
Hiện nay, Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ
cao, đặc biệt ở các đô thị lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, trong khi đó hầu như
chưa có các hệ thống xử lý phù hợp. Riêng thành phố Hà Nội, hàng ngày có khoảng
300 tấn bùn bể phốt được thu gom từ các bể tự hoại nhờ các doanh nghiệp tư nhân
cùng với các doanh nghiệp công ích của thành phố như Công ty Thoát nước Hà Nội,
Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO, 2009). Khoảng 20-30 tấn phân bùn
bể phốt/ngày được Công ty Môi trường đô thị Hà Nội thu gom, vận chuyển về Trạm
xử lý Cầu Diễn và ủ phối trộn với rác hữu cơ từ các chợ, chế biến phân compost
(Nguyễn Việt Anh, 2010). Tại đây Công ty Môi trường đô thị Hà Nội cũng thử
nghiệm phương án xử lý phân bùn qua bãi lọc trồng thực vật, tuy nhiên tốc độ xử lý
chậm, diện tích lớn không cho phép áp dụng phương pháp này rộng rãi ở Hà Nội và
các đô thị khác. Nhìn chung vấn đề xử lý bùn thải thu gom từ mạng lưới thoát nước,
cũng như phân bùn bể phốt từ bể tự hoại vẫn còn bỏ ngỏ. Phần lớn phân bùn được
thải thẳng ra cống thoát nước, hoặc cung cấp cho nông dân các vùng ngoại thành
làm phân bón trong nông nghiệp hay làm thức ăn cho cá. Chỉ tính với lượng nước
thải sinh hoạt phát sinh từ khu vực nội thành hiện nay, lượng bùn dư sinh ra từ các
trạm xử lý nước thải khoảng 316000 m3/năm (URENCO, 2008). Hiện nay vấn đề tái
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

12

Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

sử dụng nước thải và bùn cặn sau xử lý của Hà Nội cũng như nhiều đô thị khác của
nước ta vẫn còn chưa được nhắc tới.
Bên cạnh bùn cặn, lượng chất thải rắn phát sinh hàng ngày từ khu vực nội
thành Hà Nội là khoảng 1500-1600 tấn, trong đó tỷ lệ thu gom được là 85% và
khoảng 61% là rác thải hữu cơ bao gồm cả rác thải sinh hoạt và rác thải từ các nhà
hàng ăn uống, rác thải từ các khu chợ (Nguyễn Việt Anh, 2010). Ngoài một phần
nhỏ được xử lý bằng công nghệ ủ compost, phần lớn rác sinh hoạt được xử lý bằng
chôn lấp, gây ô nhiễm không khí, nước mặt và nước ngầm một cách nghiêm trọng.
Tuy nhiên với tình hình hiện nay ở các đô thị Việt Nam, việc tổ chức thu gom và xử
lý tập trung chất thải của các đô thị lớn như Hà Nội là khó khả thi và chi phí cao.
Việc tổ chức thu gom xử lý phân tán chất thải tại các hộ gia đình, công sở, khu
chợ…cũng khó thực hiện do không có điều kiện đất đai, phương tiện. Do đó ưu tiên
lựa chọn phương thức xử lý bán tập trung cho phép cải thiện tình hình một cách khả
thi và bền vững. Kết luận tương tự cũng được rút ra từ nghiên cứu của cơ quan Hợp
tác phát triển của Thụy Sỹ (SDC) trong “Cái nhìn tổng quan về nước và các hệ
thống vệ sinh ở Việt Nam ” (2005). Phương thức xử lý bán tập trung cũng đã được
nhiều nước trên thế giới áp dụng, đặc biệt ở Đức (Cornel, 2003). Việc xử lý chất
thải hữu cơ bằng biogas cũng đã được áp dụng ở nước ta nhưng chủ yếu ở các trang
trại chăn nuôi, quy mô nhỏ, tự phát, đặc biệt là chưa tối ưu các điều kiện ban đầu
nên hiệu suất xử lý, sử dụng biogas không cao.
Đề tài “Nghiên cứu giải pháp thu gom và xử lý tổng hợp chất thải theo mô
hình bán tập cho các đô thị Việt Nam, nghiên cứu điển hình ở thành phố Hà Nội
(Semi-san)” là một đề tài hợp tác giữa Bộ KH&CN Việt Nam và Bộ GD&NCKH
Đức BMBF nhằm tiếp thu và làm chủ công nghệ thu gom và xử lý đồng bộ chất thải
một cách phù hợp và bền vững cho các khu đô thị cũ và mới, theo phương thức giải
quyết tổng hợp - lồng ghép ở quy mô bán tập trung, nhằm tái sử dụng an toàn phân

bón, nước thải, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

13


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Luận văn này nằm trong một phần của đề tài Semi-san được thực hiện để
nghiên cứu tối ưu quá trình xử lý rác thải hữu cơ và bùn bể tự hoại có hiệu quả (kết
hợp xử lý bùn thải và rác hữu cơ như thế nào, phải tối ưu những điều kiện gì) bằng
công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao nhằm đạt hiệu quả cao, qua đó đánh giá
khả năng tận thu năng lượng từ khí biogas thu được. Mục đích chính của dự án là
xử lý được chất thải nói chung trong đó xử lý rác thải hữu cơ và bùn bể tự hoại là
một nhiệm vụ đặt ra để góp phần tận thu năng lượng xanh mà chúng ta đã và đang
lãng phí. Lên men tạo khí sinh học đã có ở nước ta khá lâu, tuy nhiên nó chỉ dừng
lại ở quy mô nhỏ lẻ và thực hiện ở điều kiện bình thường, các điều kiện chưa được
tối ưu, khí tạo ra không ổn định cả về số lượng lẫn chất lượng, chủ yếu thực hiện ở
các hộ gia đình chăn nuôi gia súc và biogas tạo ra cũng chỉ đáp ứng phần nào nhu
cầu nhỏ lẻ hộ gia đình.
Điểm mới mẻ của đề tài là thực hiện lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao, một yếu
tố quan trọng mà ở Việt Nam chưa từng thực hiện, đồng thời khi các yếu tố lên men
kỵ khí tạo biogas được tối ưu thì khí sinh ra có hàm lượng methane cao, đáp ứng
được việc tận thu năng lượng từ biogas. Bên cạnh đó đề tài còn nêu ra một hướng
giải quyết mới kết hợp giữa rác thải hữu cơ và bùn bể phốt, không những góp phần
cải thiện môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch có giá trị.

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

14


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Chương 1- TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Lên men kỵ khí, nguyên lý và ứng dụng
1.1.1. Giới thiệu chung về lên men kỵ khí
Lên men kỵ khí đã được chứng minh là công nghệ hữu hiệu để xử lý chất
thải hữu cơ. Trong những năm gần đây, công nghệ này được áp dụng rộng rãi để xử
lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Công nghệ được phát triển nhờ các
hiểu biết về cơ sở sinh học của quá trình ngày càng được bổ sung và việc thiết kế
các bể phản ứng được cải tiến nhiều. Trong khi phân hủy hiếu khí xảy ra với sự
tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau, phân hủy kỵ khí chủ yếu do vi
khuẩn đảm nhiệm. So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm
như sau (Bitton, 1999):
• Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý để làm chất nhận điện tử.
Quá trình hoàn toàn không sử dụng oxy, do vậy giảm được chi phí vận hành
một cách đáng kể.
• Lên men kỵ khí tạo ra ít sinh khối phụ (từ 3 – 20 lần so với các quá trình hiếu
khí) vì năng lượng sinh ra do hô hấp kỵ khí rất thấp. Trong khi quá trình hiếu
khí chuyển hóa 50% carbon hữu cơ thành sinh khối thì trong quá trình kỵ khí
tỷ lệ này chỉ còn 5%. Tổng lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn COD
trong điều kiện kỵ khí là 20 – 150 kg so với 400 – 600 kg trong điều kiện
hiếu khí. Phần lớn năng lượng giải phóng ra từ nguồn cơ chất ban đầu được
chuyển vào sản phẩm cuối cùng của quá trình là CH4 (Chernicharo, 2007).

• Lên men kỵ khí tạo ra khí methane là nguồn năng lượng sạch. Khí sinh học
chứa khoảng 90% năng lượng và có giá trị calo khoảng 9000 kcal/m3, có thể
được đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử dụng để sản xuất điện.
Chỉ có một phần nhỏ năng lượng (3-5%) bị thất thoát ở dạng nhiệt (Walsh et
al., 1988).
• Giảm nhu cầu năng lượng cho việc xử lý nước thải.
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

15


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

• Công nghệ này còn thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải công nghiệp
có nồng độ hữu cơ cao.
• Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao.
• Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật kỵ khí tham gia quá trình phân hủy
được duy trì khá lâu, ngay cả khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời
gian dài.
• Các hệ thống lên men kỵ khí còn cho phép xử lý các hợp chất hữu cơ bền
vững như carbuahydro mạch thẳng bị clo hóa (ví dụ như trichloroethylene,
trihalomethane) và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin.
Bên cạnh đó, lên men kỵ khí cũng có một số nhược điểm cần lưu ý như sau:
• Thời gian phân hủy chậm hơn đáng kể so với quá trình hiếu khí.
• Toàn bộ quá trình thường rất mẫn cảm với các chất độc và dễ bị dừng lại.
• Quá trình luôn đòi hỏi thời gian khởi động khá dài, mặc dù giai đoạn này có
thể được rút ngắn nhờ bổ sung một số nguồn vi sinh vật thích hợp (ví dụ như
bùn từ bể phân hủy kỵ khí).

• Đối với việc phân hủy các hợp chất độc hại, quá trình kỵ khí có thể thực hiện
theo cơ chế đồng sử dụng (cometabolism), tuy nhiên đòi hỏi cơ chất chính
phải có mặt ở nồng độ khá cao.
Với các ưu điểm nổi trội là tính đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu thấp, hiệu
quả cao và giá thành xử lý giảm đáng kể, công nghệ lên men kỵ khí ngày càng
khẳng định được vị trí trong lĩnh vực môi trường hiện nay.
1.1.2. Công nghệ lên men kỵ khí
Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ
những năm 1960. Cho tới nay công nghệ chỉ phát triển chủ yếu ở quy mô chăn nuôi
hộ phân tán nhỏ lẻ, thực hiện ở điều kiện đơn giản, chất lượng khí biogas thấp chưa
tận thu được triệt để năng lượng. Trong khoảng một thập niên gần đây, công nghệ
khí sinh học quy mô công nghiệp đã bắt đầu được áp dụng rải rác ở một số nơi. Các
lĩnh vực mà chúng ta áp dụng bao gồm: xử lý chất thải trang trại chăn nuôi, xử lý
chất thải công nghiệp, xử lý rác thải đô thị (Nguyễn Quang Khải, 2008). Tuy nhiên
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

16


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

các công trình xử lý cũng chỉ chủ yếu dừng lại ở khâu giải quyết xử lý nước thải
chứ chưa thể xử lý rác thải, ngoài ra khí sinh học chưa được tận dụng triệt để, chưa
có vai trò trong việc cung cấp năng lượng sạch cho sản xuất công nghiệp. Nguyên
nhân chủ yếu là do chất lượng nguồn khí sinh học còn thấp cả về hàm lượng khí
methane cũng như độ tinh sạch, dẫn đến việc năng lượng sinh ra khi đốt cũng không
cao, hiệu suất thấp, không đảm bảo yêu cầu năng lượng phục vụ cho sản xuất quy
mô lớn. Chính vì vậy, việc tìm các điều kiện để tối ưu quá trình xử lý chất thải sinh

khí biogas là điều quan trọng, nhằm xử lý triệt để nguồn thải, đồng thời tạo ra khí
biogas có chất lượng cao đáp ứng được yêu cầu sản xuất cũng như sinh hoạt.
Trên thế giới hiện nay công nghệ lên men kỵ khí được tiến hành theo hai mô
hình hệ xử lý đơn và hệ xử lý đôi, được vận hành ở điều kiện nhiệt độ ấm
(mesophilic, 30 – 37°C) và nhiệt độ cao (thermophilic, 50 – 55°C) (Metcalf, Eddy,
1991).

Bùn vào

Cấp nhiệt

Bể chứa
bùn trung
gian

a

b

Hình 1.1. Hệ thống lên men kỵ khí đơn (a) và kỵ khí đôi (b) (Metcalf, Eddy, 1991).

Hệ lên men kỵ khí đơn gồm có một bể phản ứng được lắp đặt thiết bị khuấy,
thiết bị gia nhiệt, cửa nạp liệu, xả bùn, xả nước và bộ phận thu gom khí (Hình 1.1a).
Quá trình phân hủy bùn và lắng cùng đồng thời xảy ra trong bể phản ứng, do vậy
trong bể bùn được phân chia thành các tầng khác nhau, từ đáy lên gồm có lớp bùn
đã bị phân hủy, bùn đang được phân hủy tích cực, nước chắt, lớp váng và khí.

Chuyên ngành Công nghệ sinh học

17

Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Hệ lên men kỵ khí đôi gồm hai bể phản ứng nối với nhau, trong đó bể thứ
nhất được gia nhiệt và khuấy liên tục nhằm ổn định nguyên liệu còn bể thứ hai dành
cho quá trình lên men sinh methane, lắng và xả bùn sau khi xử lý (Hình 1.1b). Mặc
dù hiệu suất sinh methane (tính theo đơn vị COD) của hai hệ xử lý tương đương
nhau nhưng hệ xử lý đôi cho phép vận hành với chế độ nạp liệu cao hơn và thời
gian lưu bùn ngắn hơn so với hệ xử lý đơn, đồng thời có tính ổn định cao nhờ hai
quá trình sinh acid và sinh methane được cách ly và giảm ảnh hưởng của các yếu tố
độc hại như NH3, H2S… tới nhóm vi sinh vật sinh methane.
1.1.3. Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới và Việt Nam
Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới: Phân hủy sinh học
các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí (anaerobic digestion) để tận thu năng
lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ 19 và được
nghiên cứu rộng từ những năm đầu của thế kỷ 20 (Bitton, 1999). Nhờ đặc tính hữu
hiệu trong việc xử lý chất thải dạng rắn và lỏng, đồng thời tạo ra nguồn “năng lượng
xanh” là khí methane, công nghệ khí sinh học hiện đang được áp dụng tại nhiều nơi
trên thế giới. Theo cách truyền thống, công nghệ này được triển khai ở qui mô nhỏ
như hộ và nhóm hộ gia đình với nguồn thải chuồng trại kết hợp phế thải nông
nghiệp, thường gặp ở các nước đang trong giai đoạn phát triển ở châu Á và châu Phi
như Trung quốc, Ấn độ, Việt Nam, Ethiopia, Senegal... (Chương trình phát triển
công nghệ biogas của chính phủ Hà Lan). Ở các nước phát triển, biogas được sản
xuất ở qui mô công nghiệp trong các bể phản ứng vận hành ở nhiệt độ cao
(thermophilic, 50 – 55°C), đạt qui mô lớn (tới 5000 m3) và có thể sử dụng các
nguồn thải phong phú, bao gồm rác sinh hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà
máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ v.v… (Weiland et al., 2003). Khí sinh học

(chủ yếu gồm CO2 và CH4) sau đó có thể được sử dụng để sinh nhiệt năng (đốt) hay
chuyển thành điện, tạo nguồn năng lượng đáng kể, đóng vai trò quan trọng trong
quỹ năng lượng của nhiều quốc gia, ví dụ như ở Trung quốc 1,2% (China biogas,
2008), Mỹ 100 tỷ kWh (Cuellar et al., 2008), ở Đức 2,86% (Biopact, 2007).
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

18


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam: Ở nước ta hiện nay,
nhờ chương trình phát triển công nghệ biogas do chính phủ Hà Lan tài trợ (biogas
Vietnam), công nghệ biogas đã được triển khai ở nhiều vùng nông thôn khác nhau,
bao gồm cả miền núi và đồng bằng, tuy nhiên chưa đến được các vùng ven biển và
hải đảo vì tốc độ phân hủy chậm do điều kiện nước ở những vùng này có độ muối
cao. Một đặc điểm nổi bật nữa của chương trình này là công nghệ mới được triển
khai ở qui mô nhỏ (< 10 m3), ở mức hộ và nhóm hộ gia đình, thực hiện lên men sinh
khí methane ở nhiệt độ ấm (30 – 37°C) sử dụng nguồn thải truyền thống là phân
trâu bò và phế thải nông nghiệp mà thôi chứ chưa có điều kiện để có thể thực hiện
lên men nóng như các nước phát triển trên thế giới.
Sản xuất biogas ở qui mô lớn (≤ 1000 m3) cũng đã được triển khai ở một số
điểm, sử dụng nguồn thải ban đầu từ các nhà máy chế biến thực phẩm như nhà máy
bia ở Hà Nội, nhà máy bia ở Thanh Hóa, nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Bình
Dương là một số ví dụ.
Mặc dù cũng đã mang lại những đóng góp nhất định trong việc làm sạch môi
trường sống và tận thu năng lượng từ các nguồn thải nông nghiệp, công nghiệp,
song công nghệ biogas ở nước ta hiện nay đang ở mức độ thấp, có hiệu suất không

cao và không ổn định mà nguyên nhân chính là chế độ lên men cũng như điều điều
kiện lên men chưa được tối ưu, thêm vào đó là do thiếu sự chủ động về nguồn vi
sinh vật sinh methane. Thông thường, nguồn methanogen được lấy từ phân trâu bò
hay bùn đáy của các hệ thống bể tự hoại, thường kém (hoặc không thể) thích nghi
với các điều kiện áp dụng công nghệ ở nhiệt độ cao, môi trường nhiễm mặn theo
thực trạng tình hình xử lý môi trường chung cũng như nhiều dự án triển khai công
nghệ biogas ở nước ta hiện nay.
Khí biogas tạo ra hiện nay có chất lượng không cao (tỷ lệ CH4 thấp, chứa
nhiều khí tạp) và cũng chưa được sử dụng một cách có hiệu quả. Trong đa số trường
hợp, khí sinh ra được dùng để đốt trực tiếp cấp nhiệt cho sinh hoạt gia đình hay hoạt
động của cơ sở sản xuất. Hiếm có đầu tư cho hệ thống tinh sạch khí biogas để có
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

19


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Thái Mạnh Hùng

đầu vào chất lượng cao cho việc sản xuất điện, mặc dù trong nước cũng đã có
những nghiên cứu thành công về chế tạo máy phát điện từ khí sinh học (Bùi Văn
Ga, 2008). Nguyên nhân của tình trạng sử dụng kém hiệu quả này là do công nghệ
biogas ở nước ta còn yếu về kỹ thuật và hạn chế về qui mô. Với tất cả những gì thấy
được khi so sánh tình hình phát triển biogas ở Việt Nam và các nước trên thế giới
cho thấy rằng cần phát triển hơn nữa công nghệ biogas ở nước ta, đặc biệt là cần
phải có bước đột phá về công nghệ cũng như quy mô, có như vậy biogas mới thực
sự đáp ứng được mục tiêu làm sạch môi trường và tận thu năng lượng từ chất thải.
Công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao từ các nguồn thải giàu hữu cơ là
một hướng đi mới trong việc phát triển biogas cũng như xử lý chất thải ở nước ta.

Bên cạnh các ưu điểm như hiệu suất xử lý cao, chất lượng biogas đầu ra tốt, lên men
kỵ khí ở nhiệt độ cao còn có ưu điểm vượt trội trong việc tiêu diệt các mầm bệnh
như vi sinh vật hay ký sinh trùng gây bệnh (giun, sán…) có trong chất thải hữu cơ,
thuận tiện cho việc sử dụng bùn xả sau khi xử lý làm phân bón cho nông nghiệp.
1.2. Nguyên lý sinh học của quá trình lên men kỵ khí
1.2.1. Giới thiệu chung
Các chất nhận điện tử vô cơ như NO3-, SO42- hay CO2 được sử dụng trong
quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Sinh methane có thể
diễn ra ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau, như các vùng ngập nước, đất, trầm
tích đáy sông, hồ và biển, cũng như trong các bộ phận tiêu hóa của động vật, nơi có
hiệu điện thế oxy hóa khử ở vào khoảng -300 mV. Theo ước tính, quá trình phân
hủy kỵ khí sinh methane chi phối cho việc khoáng hóa hoàn toàn 5 – 10% chất hữu
cơ trên trái đất (Chernicharo, 2007).
Phân hủy kỵ khí là một hệ cân bằng sinh thái, trong đó các nhóm vi sinh vật
khác nhau thực hiện các chức năng chuyên biệt và quá trình bẻ gãy các hợp chất
hữu cơ được chia làm 2 giai đoạn. Trong giai đoạn thứ nhất, một nhóm các vi khuẩn
kỵ khí tùy tiện và kỵ khí bắt buộc chuyển hóa (qua thủy phân và lên men) các hợp
Chuyên ngành Công nghệ sinh học

20