Nghiên cứu xử lý nước rác bằng công nghệ yếm khí

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

LÊ DUY KHÁNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC RÁC BẰNG
CÔNG NGHỆ YẾM KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Học viên

Lê Duy Khánh

1

LỜI CẢM ƠN!
Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với thầy
PGS.TS Đặng Xuân Hiển,Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tiếp nhận tôi vào thực tập tại viện, tận tình hướng dẫn, góp ý và
động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cán bộ Viện Khoa học và Công nghệ Môi
trường đã giúp đỡ tôi tận tình trong quá trình thực tập và xây dựng báo cáo; các thầy cô
trong Viện Khoa học và Công nghệ và Môi trường – Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã
nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Học viên

Lê Duy Khánh

2


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 11
1.1. Đặc điểm chung về bãi chôn lấp chất thải rắn......................................................... 11
1.2. Đặc trưng của nước rác ........................................................................................... 15
1.2.1. Sự hình thành nước rác ......................................................................................... 15
1.2.2. Các đặc trưng hóa lý của nước rác ....................................................................... 17
1.3. Tổng quan về công nghệ sinh học yếm khí ............................................................. 22

1.3.1. Các công đoạn phân hủy yếm khí ........................................................................ 22
1.3.2. Vi sinh vật yếm khí .............................................................................................. 25
1.3.2.1. Các vi khuẩn sinh acetate .................................................................................. 25
1.3.2.2.

................................................................................ 28

1.3.2.3.

................................................................................... 29

1.4. Công nghệ sinh học yếm khí ................................................................................... 30
1.4.1. Ưu điểm của công nghệ yếm khí .......................................................................... 30
1.4.2. Các loại hình thiết bị công nghệ sinh học yếm khí .............................................. 30
1.4.2.1. Hệ thống lọc yếm khí dòng hướng lên (Upflow Anaerobic Filter, UAF) ......... 30
1.4.2.2. Hệ thống lọc đệm giãn nở yếm khí (Fluidized Bed Anaerobic Bioreactor,
FBABR)…………….. ................................................................................................... 31
1.4.2.3. Hệ thống đệm bùn giãn nở (Expanded Granular Bludge Bed – EGSB) ........... 31
1.4.2.4. Hệ thống đệm bùn yếm khí dòng hướng lên (Upflow Anaerobic Slugde
Blanket – UASB) ........................................................................................................... 32
1.5. Tình hình áp dụng các công nghệ sinh học yếm khí trong và ngoài nước .............. 34
1.5.1. Tình hình áp dụng trên thế giới ............................................................................ 34
1.5.2. Tình hình áp dụng ở Việt Nam ............................................................................. 35
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 40

3


2.1. Thiết bị và mô hình thí nghiệm .............................................................................. 40
2.1.1. Thông số thiết kế, chế độ vận hành của mô hình ................................................. 41

2.1.2. Thuyết minh hoạt động của mô hình ................................................................... 42
2.1.2. Thiết bị và hóa chất sử dụng trong công tác nghiên cứu ..................................... 43
2.2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ................................................................... 43
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... 43
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 44
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 46
3.1. Nuôi tạo hệ bùn yếm khí thích nghi với môi trường nước rác ................................ 46
3.2. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của pH tới hiệu quả loại COD của bể UASB ...... 50
3.3. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu nước (HRT) với hiệu quả loại
COD của mô hình bể UASB .......................................................................................... 53
3.4. Khảo sát sự ảnh hưởng nồng độ Cl- tới hiệu suất loại bỏ COD của mô hình bể
UASB ............................................................................................................................. 55
3.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ SO42- tới hiệu quả loại bỏ COD của mô hình
bể UASB ........................................................................................................................ 57
3.6. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NH4+-N tới hiệu quả loại bỏ COD của mô
hình bể UASB ................................................................................................................ 59
3.7. Thử nghiệm với nước rác pha loãng không qua keo tụ kết tủa ............................... 61
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 64

4


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AB

Vi khuẩn sinh axit (Acidonegic Bacteria)

BCL

Bãi chôn lấp

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

CENTEMA

Trung tâm Công nghệ và Quản lý môi trường

COD

Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

EGSB

Đệm bùn hạt mở rộng (Expanded Granular Bludge Bed)

FBABR

Thiết bị lọc đệm giãn nở yếm khí (Fluidized Bed Anaerobic
Bioreactor)

HRT

Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic retention time)

MB

Vi khuẩn sinh methane (Methanonegic Bacteria)

SRB

Vi khuẩn khử sulfate (sulfate reducing bacteria)

TN

Tổng Nitơ

UAF

Hệ thống lọc yếm khí dòng hướng lên (Upflow Anaerobic
Filter)

UASB

Hệ thống đệm bùn yếm khí dòng hướng lên (Upflow
Anaerobic Slugde Blanket)

5


DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ chung của bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh ................................ 14
Hình 1.2 . Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp .......................................... 16
Hình 3.1. Mô hình hệ thống pilot ................................................................................... 40
Hình 3.1. Hệ thống nuôi tạo bùn yếm khí và hình ảnh bông bùn yếm khí. ................... 46
Hình 3.2: Hiệu suất xử lý và quá trình tăng tải trọng trong giai đoạn thích nghi ........... 48
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hiệu suất và lượng khí sinh ra khi thay đổi pH .51
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hiệu suất và tải trọng khi thay đổi HRT .......... 54
Hình 3.5. Đồ thị sự giảm hiệu suất khi tăng nồng độ Cl- ............................................... 56

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc trưng nước rác ....................................................................................... 17
Bảng 1.2 . Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn lấp
mới và lâu năm .............................................................................................................. 18
Bảng 1.3 . Thành phần nước rác BCL Nam Sơn và Đông Thạnh ............................... 19
Bảng 1.4 . So sánh thành phần nước rác Việt Nam và thế giới ..................................... 21
Bảng 3.1 . Các thông số chế độ chạy của mô hình bể UASB xử lý nước rác ................ 47
Bảng 3.2. Một số thông số nước rác trước và sau keo tụ, kết tủa .................................. 47

7


LỜI MỞ ĐẦU

Từ những năm 90 đến nay cùng với sự phát triển kinh tế thị trường, đời sống
của người dân ngày càng nâng cao. Vì vậy lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ngày
càng lớn. Tại Việt Nam lượng chất thải rắn gần như đã vượt quá khả năng xử lý của
các khu xử lý rác thải và những câu chuyện về hệ lụy môi trường từ rác ngày càng
nhức nhối đối với người dân, với các nhà quản lý môi trường. Sự quá tải về rác gây ra
những hậu quả về mặt môi trường như mùi hôi nồng nặc phát sinh từ các bãi chôn lấp
đã phát tán hàng km vào khu vực dân cư xung quanh và một vấn đề cũng nghiêm trọng
không kém là sự tồn đọng hàng trạm ngầm m3 nước rác tại các bãi chôn lấp đang là
nguồn hiểm họa ngầm tới môi trường.
Mặc dù mỗi bãi chôn lấp đều có hệ thống xử lý nước rác nhưng những phương
pháp xử lý nước rác đang được áp dụng tại các bãi chôn lấp vẫn còn bộc lộ rất nhiều
nhược điểm như chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải. Mặc

dù tiêu tốn nhiều hóa chất và giá thành xử lý cao nhưng công suất xử lý vẫn không đạt
yêu cầu thiết kế và khó kiểm soát. Nguyên nhân do sự thay đổi rất nhanh của thành
phần nước rác theo thời gian vận hành bãi chôn lấp, với thành phần rất phức tạp, không ổn
định, việc lựa chọn cá công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến lượng nước sau xử lý đạt
tiêu chuẩn rất hạn chế mà lượng nước rác tại các bãi chôn lấp ngày một tăng lên [4].
Vấn đề chủ yếu vẫn còn tồn tại là xử lý nước rác đạt được các tiêu chuẩn môi
trường quốc gia nhưng phải với chi phí thấp nhất có thể. Trước tiên ta điểm qua các
công đoạn xử lý nước thải chủ yếu.


Xử lý sơ bộ

Nước rác thường có hàm lượng chất lơ lửng rất cao, pH có thể không ổn định
do các qúa trình phân hủy phức tạp xảy ra khi bị chôn lâu ngày. Vì vậy, thông thường

8


cá công đoạn xử lý sơ bộ như điều hòa, trung hòa, tách một phần cặn với một trong hai
kỹ thuật được áp dụng phổ biến nhất là:
-

Keo tụ - lắng

-

Tuyển nổi vật lý [1].

 Xử lý sinh học
Mục đích xử lý sinh học là phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng các kỹ thuật sinh

học khác nhau:
- Bùn hoạt tính
- Phân hủy sinh học
- Lọc sinh học (AF)
- Đệm bùn yếm khí dòng hướng lên (UASB)…
Do các chỉ số COD & BOD trong nước rác rất cao nên các kỹ thuật hiếu khí cổ
điển như bùn hoạt tính hầu như không thể áp dụng vì đòi hỏi năng lượng cấp khí và
mặt bằng rộng lớn. Các giải pháp công nghệ yếm khí hiện đại được phát triển và ngày
càng hoàn thiện có thể áp dụng vì chúng cho phép vận hành hệ thống với một tải trọng
hữu cơ lớn hơn nhiều lần và không đòi hỏi cấp khí [1].
Vì loại hình công nghệ sinh học yếm khí mặc dù cho phép loại tới 90 -95% tải
lượng hữu cơ, nhưng khi các chỉ số BOD và COD đầu vào tương đối cao hoặc rất cao
nên nước thải sau công đoạn này vẫn chưa đạt được các tiêu chuẩn về môi trường. Nên
cần thêm một công đoạn xử lý nữa có thể là hiếu khí hoặc các công nghệ hóa học và
hóa lý [1].
Tuy nhiên, các kỹ thuật sinh học hiếu khí với các phương án khác nhau, đều khó
có thể áp dụng với tư cách là khâu loại bỏ hữu cơ chủ chốt vì chúng đòi hỏi nhiều năng
lượng cho quá trình cấp và mặt bằng rộng lớn. và các giải pháp yếm khí được phát triển
và hoàn thiện dần có thể áp dụng rộng rãi.

9


Mặc dù công đoạn sinh học nói chung và công đoạn yếm khí nói riêng không
thể là công đoạn duy nhất của hệ thống xử lý nước rác, công đoạn sinh học đong một
vai trò đặc biệt quan trọng. Chỉ khi công đoạn sinh học hoạt động hiệu quả các khâu
hậu xử lý tiếp nối mới có thể hoạt động tốt, trong trường hợp đó chi phí vận hành
chung sẽ giảm rất đáng kể. Vì vậy trong hệ thống sinh học xử lý nước rác công đoạn
sinh học yếm khí có ý nghĩa quyết định [4].
 Mục tiêu của luận văn

Ở nước ta từ năm 1996 đến nay rất nhiều quy trình công nghệ khác nhau bao
gồm cả cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học đã được áp dụng để xử lý nước rác. Tuy
nhiên chúng vẫn chưa đáp ứng được cả hai điều kiện nêu trên về tiêu chuẩn môi trường
và chi phí vận hành. Hơn nữa các hệ thống sinh học yếm khí gặp nhiều trục trặc lớn cả
các công trình do trong và ngoài nước thiết kế.
Mục tiêu của luận văn này là thông qua việc vận hành hệ thống UASB trên mô
hình thực nghiệm để nhận diện một số vấn đề kỹ thuật trong quá trình xử lý nước rác
bằng công nghệ yếm khí có ảnh hưởng tới công đoạn sinh học yếm khí nhằm đáp ứng
tốt hơn cho các công nghệ xử lý đạt được hiệu quả ổn định hơn.

10


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Đặc điểm chung về bãi chôn lấp chất thải rắn
Cùng với việc dân số ở các thành phố tăng nhanh và mức sống của người dân

ngày càng được nâng cao khối lượng rác thải ở các đô thị cũng tăng lên nhanh chóng.
Rác thải đô thị bao gồm các loại rác thải sinh hoạt, công nghiệp và các công sở, đặc
biệt chất thải bệnh viện là nhóm chất thải rắn phổ biến nhất và có xu thế tăng đều cùng
với sự phát triển của công nghiệp và đời sống. Số lượng rác thải được thu gom chủ yếu
được xử lý bằng kỹ thuật chôn lấp. Kỹ thuật chôn lấp là kỹ thuật cổ điển nhưng khá
phù hợp với điều kiện vật chất kỹ thuật của nước ta vì công nghệ đơn giản, không đòi
hỏi đầu tư lớn. Tuy nhiên, công nghệ chôn lấp đòi hỏi xây dựng bãi, ô chôn lấp chống
thấm đúng quy cách, ngoài ra nước rác phải được thu gom và xử lý để bảo vệ nguồn
nước ngầm cũng như nước mặt. Bãi chôn lấp chất thải rắn là phương pháp kinh tế nhất
và chấp nhận được về mặt môi trường ở nhiều nước trên thế giới. Quản lý bãi chôn lấp
bao gồm việc quy hoạch, thiết kế, vận hành, đóng bãi và kiểm soát bãi chôn lấp [2].

Một bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh cần phải có các đặc tính kỹ thuật để
ngăn chặn được sự lan truyền của các hợp chất độc hại ra môi trường xung quanh. Các
vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp thường được sử dụng để lót đáy và thành của bãi để
ngăn cản sự xâm nhập của nước rác vào nguồn nước ngầm và nước mặt xung quanh.
Có nhiều bãi chôn lấp rác thải rắn trên thế giới sử dụng lót đáy bằng lớp đất sét nén
chặt dày khoảng 50 cm. Cũng có nhiều trường hợp sử dụng lớp lót đáy là các tấm nhựa
tổng hợp mỏng. Tuy nhiên, bất cứ lớp lót nào thì cũng đều bị phá hỏng bởi nước rác.
Các tấm lót bằng vật liệu tổng hợp có thể bị rách, đặc biệt là trong trường hợp lắp đặt
không đúng quy trình, hoặc có thể mất dần tính năng lót theo thời gian. Để tăng cường
tính chống chịu nước rác của lớp lót, thường thường người ta sử dụng tăng cường
nhiều lớp, hoặc kết hợp sử dụng vừa vật liệu tự nhiên vừa vật liệu tổng hợp, gọi là lớp
lót tổng hợp. Để tối thiểu hoá lượng nước rác, sau mỗi ngày đổ rác thải vào bãi chôn

11


lấp phải dùng lớp vật liệu phủ để che phủ kín bãi. Khi bãi đóng cửa, một lớp phủ cuối
cùng phải được dùng để phủ kín toàn bộ bãi chôn lấp [6].
Bước đầu tiên trong quá trình xây dựng bãi chôn lấp liên quan đến công tác
chuẩn bị tại hiện trường. Mạng lưới thoát nước đang có phải được thay đổi theo hướng
đưa toàn bộ lượng nước mưa và nước mặt ra ngoài khu vực dự kiến xây dựng bãi chôn
lấp. Việc vạch tuyến lại mạng lưới thoát nước càng đặc biệt quan trọng đối với các
vùng thung lũng sâu hẹp có độ dốc cao hoặc các vùng khe núi. Đáy của bãi chôn lấp
được xây dựng có độ dốc để thoát nước rò rỉ và lớp lót đáy phải có khả năng chịu thấm.
Hệ thống thu gom nước rò rỉ được đặt ngay trên lớp đáy của bãi chôn lấp. Các rãnh
thoát khí có thể được lắp đặt ở đáy của bãi chôn lấp, đặc biệt là đối với các bãi chôn lấp
mới có các hợp chất hữu cơ bay hơi.
Thông thường sự chuyển hóa các chất diễn ra trong BCL gồm bốn giai đoạn sau:
-

Giai đoạn phân hủy hiếu khí

-

Bước chuyển tiếp thứ nhất (từ hiếu khí sang kị khí)

-

Bước chuyển tiếp thứ hai

-

Quá trình metan hóa

Giai đoạn phân hủy hiếu khí ban đầu: Quá trình này chỉ diễn ra trong khoảng
thời gian từ vài ngày đến vài tuần kể từ khi rác được đem chôn. Trong khoảng thời gian
này oxy từ không khí khuếch tán xâm nhập vào chất thải hoặc oxy tồn tại trong chất
thải được sử dụng cho phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ.
Quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ là một quá trình tổng hợp có sự
tham gia của vi khuẩn, nấm, men. Phản ứng sinh hóa quá trình phân hủy chất hữu cơ
như sau:

12


CHC + O + dinh dưỡng

Vi khuẩn

Tế bào sinh học mới + chất hữu cơ bền

+ CO2 + H2O + NH3 + SO42- + năng lượng

Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học hiếu khí rác thải hữu cơ là những tổ
chức tế bào sinh học mới, chất hữu cơ bền, khí CO2, khí NH3 và nhiệt năng.
Do hàm lượng oxy trong đống chất thải giảm xuống nên quá trình phân hủy hiếu
khí tiếp tục diễn ra nhưng chậm lại và giai đoạn chuyển tiếp từ phân hủy sinh học bằng
quá trình hiếu khí sang quá trình kị khí.
 Giai đoạn chuyển tiếp thứ nhất: Giai đoạn này được gọi là giai đoạn axit hóa và
gia trị pH biến đổi trong khoảng từ 4 đến 6 do sự hình thành các axit hữu cơ mà ban
đầu là axit béo được biến đổi thành các axit béo bay hơi (axit axetic). Quá trình này
thường kết thúc từ vài tuần tới vài tháng.
 Quá trình chuyển tiếp thứ 2: Trong giai đoạn này vi khuẩn tạo khí metan bắt đầu
phát triển và bắt đầu chu trình chuyển hóa các axit đơn giản như axit axetic hoặc axit
formic và metanol thành khí metan(CH4). Quá trình này không ổn định, thường diễn ra
từ 3 – 5 năm, cho tới khi sự cân bằng giữa lượng axit sinh ra và lượng khí metan được
tạo thành.
Quá trình metan hóa: Là quá trình chuyển hóa các axit hữu cơ do vi khuẩn kị
khí tạo thành CH4, quá trình như sau:
CHONS + H2O

vi khuẩn kị khí

H2O + CO2 + CH4 + H2 + NH4+ + H2S

Sự có mặt của nước trong bãi chôn lấp rác có cả mặt tích cực lẫn mặt tiêu cực
cho hoạt động của bãi rác. Nước rất cần cho một số quá trình hóa học và sinh học xảy
ra trong bãi chôn lấp để phân hủy rác. Mặt khác, nước có thể tạo ra xói mòn trên tầng
đất nén và những vấn đề lắng đọng trong dòng nước mặt chảy qua. Nước rác có thể
chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch và từ đó gây ô nhiễm đến nguồn

13


nước uống. Vì vậy, vấn đề cần quan tâm khi thết kế, xây dựng cho hoạt động của một
bãi chôn lấp là kiểm soát nước rác [4].

Hình 1.1. Sơ đồ chung của bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh [4]
Quản lý và xử lý nước rác là một yếu tố quyết định cho việc thiết kế và vận
hành bãi chôn lấp chất thải rắn an toàn. Sự phân huỷ tự nhiên của rác thải rắn, kết hợp
với quá trình thấm của nước mưa vào bãi chôn lấp kéo theo vô số các hợp chất độc hại
chảy xuống lớp đáy của bãi chôn lấp. Khí hậu càng ẩm ướt, rủi ro gây ô nhiễm từ bãi
chôn lấp cho nguồn nước mặt và nước ngầm càng cao. Trên thực tế, cấu trúc địa chất
và địa lý của bãi cũng có ảnh hưởng rất lớn đến việc lan truyền ô nhiễm của nước rác
ra môi trường.
Trong các phương thức xử lý rác thải sinh hoạt, chôn lấp là phương thức đơn
giản, rẻ tiền hơn cả, vì thế ngay ở các nước phát triển như Mỹ, Anh, Nhật… chôn lấp
rác cũng vẫn còn là một phương thức xử lý rác tương đối phổ biến, lượng rác được
chôn lấp chiếm tới hơn 60% tổng số rác thu gom được ( EPA, 1999, Wasson-Craik,
2002). Ưu điểm của phương pháp chôn lấp rác là suất đầu tư thấp. Mặt trái của bãi

14


chôn lấp rác là chúng gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng như mùi hôi thối
trên diện rộng, ô nhiễm nước mặt và nước ngầm, ô nhiễm đất, ảnh hưởng xấu đến cảnh
quan môi trường, đôi khi có thể dẫn đến dịch bệch, nếu sự cách ly vệ sinh thiếu đảm
bảo.
Tại Việt Nam cho đến nay tất cả các nguồn chất thải rắn đô thị được thu gom
chưa qua phân loại và chôn lấp tại những địa điểm thường nằm rất gần các khu dân cư
hoặc khu vực canh tác nông nghiệp. Các khu xử lý Nam Sơn, Đại Đồng, Xuân Sơn.. ở

Hà Nội hay các khu xử lý Đông Thạnh, Gò Cát, Phước Hiệp ở TP Hồ Chí Minh [3].
1.2.

Đặc trƣng của nƣớc rác

1.2.1. Sự hình thành nƣớc rác
Nước rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn
lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới BCL. Mặc dù mỗi quốc
gia có quy trình vận hành bãi chôn lấp khác nhau, nhưng nhìn chung thành phần nước
rác chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau:
Chất thải được đưa vào chôn lấp: loại chất thải, thành phần chất thải và tỷ
trọng chất thải,
Thời gian vận hành bãi chôn lấp.
Quy trình vận hành bãi chôn lấp: quá trình xử lý sơ bộ và chiều sâu chôn lấp.
Điều kiện khí hậu: độ ẩm và nhiệt độ không khí.
Điều kiện quản lý chất thải.
 Nước rác hình thành từ năm nguồn chính sau:
Nước mặt chảy tràn;
Thấm từ nguồn nước ngầm;
Thấm từ nước mưa;

15


Độ ẩm trong rác;
Nước hình thành từ các phản ứng trong đống rác.
Trong đó bốn nguồn đầu là chính, nguồn sau nhỏ hoàn toàn có thể bỏ qua.
Lượng nước rác hình thành tại một khu vực trước hết phụ thuộc vào diện tích
bãi chôn lấp: tiết diện để nước mưa thấm xuống hoặc dòng chảy bề mặt (do mưa) chảy
tràn qua. Lượng nước bốc hơi cũng tỷ lệ thuận với bề mặt bãi chôn lấp nhưng do lớp

đất phủ bề mặt và chiều sâu khá cao nên tốc độ bay hơi chậm.

Hình 1.2 . Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp [4]
Lượng nước rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm và chảy tràn) chiếm
trên 70% và từ độ ẩm của rác chiếm dưới 30%. Từ các số liệu trên cho thấy có thể
giảm thiểu đáng kể lượng nước rác sinh ra khi thiết kế đúng và vận hành bãi chôn lấp
rác một cách hợp lý.
Nước mưa là nguồn chính hình thành nước rác, tại một vùng nhất định lượng
mưa thay đổi theo mùa. Với lượng mưa trung bình của Hà Nội là 1600 mm/năm, 70 –
80 % lượng mưa tập trung vào bốn tháng giữa năm (6, 7, 8, 9) phần còn lại phân bố
vào các tháng khác trong năm. Vì vậy sự dao động nước rác theo mùa là rất lớn: nhiều

16


về mùa mưa, ít về mùa khô, mức độ chênh lệch giữa các mùa có thể lệch nhau tới
300% [6].
1.2.2. Các đặc trƣng hóa lý của nƣớc rác
Các thành phần ô nhiễm trong nước rác rất đa dạng, bao gồm các chất rắn lơ
lửng, các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các hợp chất hữu cơ khó phân hủy
sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P) và các kim loại nặng. Các đặc trưng của nước rỉ
bãi rác ở các nước phát triển được liệt kê trong bảng dưới đây.
Bảng 1.1: Đặc trưng nước rác [11]
Thông số (mg/l)

Số mẫu kiểm tra

Gí trị trung bình

Sai số

pH

6

5,6

0,13

COD

11

22850

1,445

BOD5

11

16120

1,940

TKN

10

490

100

NH4 – N

11

370

18

Tổng phosphate

10

9,1

3,5

PO4 – P

11

0,45

0,54

Tổng chất rắn

11

15730

950

Tổng chất rắn hòa tan 11

15300

1100

Tổng chất rắn bay hơi 2

6190

-

Tổng axit bay hơi

2

10100

-

Canxi

9

1740

105

Độ kiềm

11

3850

360

SO42-

11

830

70

Độ cứng

11

5420

305

17

Các thành phần nước rác có thể biến động rất mạnh, tùy thuộc vào tuổi bãi rác,
thời gian lấy mấu – mùa mưa hay mùa khô, và theo những xu hướng rất khác nhau. Vì
vậy việc khảo sát đặc trưng cảu nước rác tại các bãi chôn lấp suốt một thời gian dài,
ngay từ khi chúng mới đi vào hoạt động để có thể cung cấp những thông tin quan trọng
làm cơ sở để chọn lựa công nghệ xử lý phù hợp.
Thời gian chôn lấp, khí hậu, mùa, độ ẩm của bãi rác, mức độ pha loãng với nước
mặt và nước ngầm và loại rác chôn lấp, tất cả đều tác động lên thành phần của nước
rác. độ nén, loại và độ dày của nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần
của nước rác. Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn
lấp mới và lâu năm được trình bày ở bảng dưới đây.
Bảng 1.2 . Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn
lấp mới và lâu năm [6]
Bãi mới (< 2 năm)
Khoảng

Thành phần
Nhu cầu oxi hóa sinh hóa (BOD5) mg/l
Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC), mg/l
Nhu cầu oxi hóa hóa học, (COD), mg/l
Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), mg/l
Nitơ hữu cơ, mg/l
Amoniac, mg/l
Nitrat, mg/l
Tổng lượng phốtpho, mg/l
Othophotpho, mg/l
Độ kiềm theo CaCO3
pH
Canxi, mg/l
Clorua, mg/l
Tổng lượng sắt, mg/l

Sunphat, mg/l

2000 - 20000
1500 - 20000
3000 - 60000
200 - 2000
10 – 800
10 – 800
5 – 40
5 – 100
4 – 80
1000 - 10000
4,5 - 7,5
50 - 1500
200 - 3000
50 - 1200
50 - 1000

T.Bình ( >10 năm)
10000
6000
18000
50
20
0
20
0
25
0
30

20
3000
6,0
25
50
0
60
0
30
0

18

Bãi lâu năm

100 - 200
80 - 160
100 - 500
100 - 400
80 - 120
20 - 40
5 - 10
5 - 10
4-8
200 - 1000
6,6 - 7,5
50 - 200
100 - 400
20 - 200
20 - 50

Thành phần nước rác có phạm vi dao động rất lớn từ nồng độ rất thấp tới rất
cao. Nước rác có thể phân làm hai loại với đặc trưng về thành phần ô nhiễm khác nhau:
 Nước rác mới: thu được từ các ô đang vận hành, có thành phần chất hữu cơ
cao (COD có thể tới hàng chục g/l), BOD5/COD lớn (0,7 - 0,8), pH thấp do các hợp
chất VFA (4 - 6), các hợp chất nitơ chủ yếu ở dạng hữu cơ.
 Nước rác cũ: thu được từ bãi chôn lấp lâu năm và đã đóng, có lượng ít hơn
so với nước rác mới. Do đã bị phân hủy sâu nên nước rác có pH cao(7 - 9), COD thấp
và BOD5/COD nhỏ (0,2 - 0,3), hầu như không còn VFA, hợp chất nitơ chủ yếu ở dạng
amoni [4].
Như vậy với mục tiêu của đề tài là xử lý nguồn nước rác mới với nồng độ ô
nhiễm cao và nhiều tạp chất. Điều đó đòi hỏi trong quá trình vận hành xử lý phải có
biện pháp tiền xử lý và kiểm soát các thông số vận hành để đảm bảo hiệu quả xử lý.
Với nồng độ nitơ cao và pH thấp cần phải khảo sát điều chỉnh chế độ tối ưu cho việc
vận hành mô hình vì các yêu tố này có thể hỗ trợ hoặc kìm hãm sự sinh trưởng và phát
triển của vi sinh vật trực tiếp ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của hệ thống.
Bảng 1.3 . Thành phần nước rác BCL Nam Sơn và Đông Thạnh [6]
BCL Nam sơn
Thông số
Nhiệt độ

Đơn
vị
oC

pH

BCL Đông Thạnh

Trung
bình

Độ lệch
chuẩn

Nƣớc rác cũ Nƣớc rác mới

28,4

± 3,6

-

-

7,44

± 0,031

7,9 ÷ 8,2

6,0 ÷ 7,3

Độ dẫn

µS/cm

18316,9

± 5905,0 -

-

TDS

mg/l

12831,9

± 4649,3 -

-

TSS

mg/l

757,6

± 741,5

169 ÷ 243

1280 ÷ 3270

VSS

mg/l

-

-

150 ÷ 227

770 ÷ 2220

CODcr

mg/l

8706,6

±6570,6

1079 ÷2507

38.533÷65.33

BOD5

mg/l

4717,9

± 3527,3 735

19

33571÷ 56250


VFA – COD

mg/l

-

-

-

18218÷21254

Tổng N

mg/l

1265,8

± 604,7

-

-

Org –N

mg/l

-

-

79 ÷ 230

196 ÷ 470

N – NH3

mg/l

-

-

515 ÷ 1977

1445 ÷ 1764

N – NO3Tổng P

mg/l

-

-

3,0 ÷ 4,8

2,5 ÷ 2,9

mg/l

14,81

± 5,711

4,7 ÷ 9,6

14,9 ÷ 21,5

-

-

1233 ÷1867

4467 ÷ 6067

288,69

± 189,2

187 ÷ 240

1122 ÷ 1844

-

-

154 ÷ 373

356 ÷ 405

-

-

-

4300 ÷ 4500

As

mg/l
mg/l

0,002

± 0,001

7,5 ÷ 7,6
-

1216 ÷ 2524
-

Pb

mg/l

0,059

± 0,029

-

-

Hg

mg/l

0,0003

± 0,0002 -

-

Tổng sắt

mg/l

-

độ cứng CaCO3 mg/l
mg/l

Ca2+
mg/l
Mg2+
mg/l
ClSO4

2-

64 ÷132

180 ÷ 303

Ghi chú: (-) là chưa xác định.
Như vậy, sự hình thành khí và nước rác trong quá trình chôn lấp là những mối
quan tâm lớn trong công tác vận hành và quản lý các bãi chôn lấp ở các đô thị.
Thành phần của nước rác thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của quá trình
phân hủy sinh học. Sau giai đoạn háo khí ngắn (một vài tuần), tiếp đến là hai giai đoạn
phân hủy: Giai đoạn phân hủy yếm khí tùy tiện tạo ra axit và giai đoạn phân hủy yếm
khí tuyệt đối tạo ra khí metan.
Trong giai đoạn tạo axit các hợp chất đơn giản được hình thành như axit béo,
amoni axit và cacbosilic axit. Giai đoạn axit có thể kéo dài vài năm sau khi chôn lấp,
phụ thuộc vào bản chất không đồng nhất của rác. Đặc trưng của nước rác trong giai
đoạn này:

20




pH nghiêng về tính axit;



Nồng độ cao các axit béo dễ bay hơi;



BOD5 cao;



Tỷ lệ BOD5/COD cao;



Nồng độ NH4+ và nitơ hữu cơ cao.

Trong giai đoạn tạo metan, vi khuẩn tạo ra khí metan là nổi trội nhất. Chúng
thay thế các axit bằng các sản phẩm cuối cùng là khí metan và cacbonic. Giai đoạn tạo
thành khí metan có thể tiếp tục đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa. đặc trưng chất lượng
của nước rác trong giai đoạn này là:
 Nồng độ cao các axit béo dễ bay hơi rất thấp;
 pH trung hòa/kiềm;
 BOD5 thấp;
 Tỷ lệ BOD5/COD thấp;
 Nồng độ NH4+ cao [6].
Bảng 1.4 . So sánh thành phần nước rác Việt Nam và thế giới[4]

Thông số

Mỹ

WHO

Tổng chất rắn hòa tan

Việt Nam
TP.HCM
Hà Nội

584 - 55.000

7.300 - 16.200

2,0 - 140.000

1.760 - 4.311

Tổng các chất lơ lửng

200 - 1.000

Nhu cầu oxy sinh hóa

2.000 - 30.000 KPH- 195.000 30.000- 48.000 800 - 12.000

Nhu cầu oxy hóa học

3.000 - 45.000

Tổng carbon hữu cơ

1.500 - 20.000 KPH - 40.000

pH
Tổng độ kiềm
Độ cứng

5,3 - 8,3
3,7 - 8,9
1.000 - 10.000 KPH - 15.050
300 - 10.000
0,1 - 225.000

Cl-

50 - 1.500

450 - 2.200

6,6 - 299.000 38.500- 65.000 1.000- 25.000

2 - 11.375

21

400 - 5.000
4,9 - 6,4

6,9 - 7,8

1.500 - 5.500

5.800 - 9.670
3.900 - 4.500

800 - 1.800


Ca2+
Tổng N (Kjeldahl)

200 - 3.000

3,0 - 2.500

1.670 - 2.740

134 - 650

10 - 800

2 - 3.320

970 - 1.800

500 - 2.200

Amoni - N
SO42 -

10 - 600
100 - 1.500

KPH - 1.200
KPH - 1.850

780 - 1.760
1.400 - 1.600

200 - 900
30 - 100

1 - 70

KPH - 234

56 - 90

7 - 25

Tổng P

Nước rác ở Việt Nam là một loại nước thải có hàm lượng các hợp chất hữu cơ
rất cao, chẳng hạn nitơ hữu cơ và NH4 - , một số ion kim loại nặng với xu hướng biến
thiên rất phức tạp tùy thuộc vào tuổi bãi rác và phương thức chôn lấp. Lưu lượng nước
rác cũng rất đáng kể do trong rác đã có độ ẩm cao và biến động mạnh theo mùa [2].
Như vậy, mặc dù thông thường theo các đặc trưng hóa lý nước rác được phân
chia làm hai loại:
- Nước rác mới (2 - 3 năm bãi chôn lấp đi vào hoạt động)
- Nước rác già (từ năm thứ 4 – 5 trở đi)

Có thể nhận thấy bản than nước rác mới cũng chia làm hai loại khác nhau:
- Trong giai đoạn từ 3 – 6 tháng đầu, nước rác mang tính axit, với hàm lượng
Ca2+, SO42-, COD, BOD5, các kim loại nặng đều từ cao đến rất cao, pH và NH4+ tương
đối thấp.
- Trong giai đoạn tiếp theo hàm lượng các ion tự do giảm nhiều, pH trở lên trung
tính và NH4+ - N bắt đầu tăng dần, nhưng COD và BOD vẫn còn khá cao.
Ngay cả nước rác già vẫn có hàm lượng COD, BOD cao nên vẫn có thể áp dụng
công nghệ sinh học và đặc biệt là công nghệ sinh học yếm khí để xử lý.
1.3.

Tổng quan về công nghệ sinh học yếm khí

1.3.1. Các công đoạn phân hủy yếm khí
Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí diễn ra khá
phức tạp, qua nhiều công đoạn và sự tham gia của các loài vi sinh vật yếm khí khác
nhau bao gồm các động vật nguyên sinh ( protozoa ), nấm, tảo và vi khuẩn theo sơ đồ
trình bày dưới đây.

22


5%

20%
Các hợp chất hữu cơ phức tạp
Carbohydrates, proteins, lipids

75%
10%

Các hợp chất hữu cơ đơn giản
Đường, amino acids, peptides

35%

30%
Các acid béo mạch dài
Propionate, butyrate…

30%
13%

17%
Acetate

H2, CO2
28%

CH4, CO2

72%

Hình 2.1:Sơ đồ phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ [10]
Các hợp chất hữu cơ mạch dài (carbohydrate, proteins, acid nucleic và lipids )
trước hết được thủy phân thành các monomer và oligomer, tức là các chất hữu cơ mạch
ngắn hơn, đơn giản hơn như đường, các amino acids, peptides. Tiếp đó các chất này
được lên men, chuyển hóa thành các hợp chất acid béo hữu cơ mạch dài như lactate,
succinate, pyruvate, butyrate, propionate và alcohols. Tiếp đó các hợp chất hữu cơ này
lại được các vi khuẩn sinh acid (acidonegic bacteria, hay acidogens – AB) chuyển hóa
tiếp tục thành các sản phẩm như acetate, hydrogen, formate. Các chất này có thể được

sử dụng trực tiếp bởi vi khuẩn sinh methane (methanonegic bacteria, hay methanogens
– MB) , tạo ra các sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy yếm khí (hay còn gọi là
yếm khí) là khí methane CH4 va khí carbonic CO2 [9].

23


Bảng 2.1: Các phản ứng sinh hóa của quá trình sinh methane với các cơ chất khác
nhau [7]
Cơ chất

Phản ứng

∆Go
( kJ/molCH4)

Carbon monoxide

4CO +5H2O  CH4 +3HCO3- + 3H+

- 196

Formate

4HCOO- +4H+  CH4 + 3CO2 + 2H2O

- 145

Hydrogen/carbon

4H2 +HCO3-  CH4 + 3H2O

- 135

dioxide
Ethanola

2CH3CH2OH +HCO3-  2CH3COO- + H++ - 116
CH4 + H2O

Hydrogen/methanol

CH3OH + H2  CH4 + H2O

- 113

Methanol

4CH3OH  3CH4 + HCO3- + H2O + H+

- 105

Trimethylamineb

4CH3NH+ + 9H2O  9CH3 + 3HCO3- +4NH4+ - 76
+ 3H+

Dimethylsulfidec

2(CH3)2S + 3H2O  3CH4 + HCO3- + 2H2S + - 49

H+

Acetate

CH3COO- + H2O  CH4 + HCO3-

- 31

Pyruvate

4CH3COCOOH + 2H2O  5CH4 + 7CO2

- 31

a

Các alcohols mạch ngắn khác bao gồm propanol, isopropanol, cyclopentanol,

butanol,
b

Các amines methyl hóa khác bao gồm, dimethylamine, dimethylethylamine,

methylamine
c

Các sulfides methyl hóa khác bao gồm methylmercaptopropionate, methylmercaptan,

24