(Luận văn thạc sĩ) 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
Chun ngành: Hóa mơi 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 q 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 q 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 ơ nhiễm thực tế sơng Kim Ngƣu

Trang
7

Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của q 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 mơ 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 Cơn bộ mơn hóa Mơi trƣờng, cơ giáo
PGS. TS Tạ Thị Thảo bộ mơn hóa Phân tích cùng các thầy các cơ trong phịng thí
nghiệm Hóa mơi trƣờng đã tận tình chỉ bảo và hƣớng dẫn em trong suốt thời gian
làm luận văn.
Cảm ơn các phịng Thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trƣờng Đại học Khoa
học Tự nhiên, phịng 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 mơi trƣờng đã giúp đỡ tơi trong q 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 q 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 q 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 khống 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 thơng số theo dõi và phân tích trong q 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 q 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


LỜI MỞ ĐẦU
Trong các loại chất thải đô thị, bùn thải đô thị là loại chất thải đặc thù đƣợc
phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nƣớc thải và nạo vét hệ thống thốt nƣớc
đơ thị. Bùn thải đơ thị có hàm lƣợng chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khá cao.
Mặt khác, quá trình hình thành bùn thải cũng tích lũy nhiều chất gây ơ nhiễm nguy
hiểm.
Tại Việt Nam, công tác quản lý nƣớc thải đô thị còn nhiều bất cập. Nƣớc thải
sinh hoạt tại các đô thị không đƣợc xử lý hoặc xử lý chƣa triệt để mà xả thải trực
tiếp ra môi trƣờng với lƣợng rất lớn. Do đó, bùn thải đơ thị chủ yếu phát sinh từ
nguồn bùn nạo vét hệ thống thoát nƣớc với số lƣợng lên tới hàng triệu tấn mỗi năm.
Xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp sinh học đang đƣợc quan tâm nhiều, bản chất của

phƣơng pháp này là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật có ích để
phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nƣớc thải.
Trong phƣơng pháp này bao gồm xử lý hiếu khí (có sự tham gia của oxi khơng
khí) và phƣơng pháp yếm khí (sự phân hủy các chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong
điều kiện khơng có khơng khí). Sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy yếm khí chủ
yếu là CH4, H2S, CO2...Những khí này đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn cung cấp năng
lƣợng sạch. Một số ƣu điểm của xử lý yếm khí là tiêu thụ rất ít năng lƣợng trong
quá trình vận hành, nó cịn là một hệ thống sản sinh ra năng lƣợng, vì trong quá
trình phân hủy kỵ khí những hợp chất hữu cơ bị phân hủy sẽ chuyển thành khí
metan.
Bên cạnh đó chất thải sinh hoạt hiện đang là một trong những nguồn lớn gây
ra ô nhiễm môi trƣờng. Quản lý rác thải là một trong những vấn đề bức xúc tại khu
vực đô thị và công nghiệp tập trung ở nƣớc ta. Hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trƣờng
và quản lý rác thải sinh hoạt ngày càng đƣợc nhà nƣớc, xã hội và cộng đồng quan
tâm. Tuy nhiên, nếu quản lý và tái sử dụng hợp lý thì rác thải sinh hoạt cũng là
nguồn nguyên liệu đầu vào rẻ, phong phú, mang lại hiệu quả kinh tế và góp phần rất
lớn trong việc bảo vệ môi trƣờng và tiết kiệm tài nguyên.

1


Chính ví vậy để đƣa ra các giải pháp xử lý các loại chất thải đặc thù này dựa
trên các tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa bùn thải và rác thải hữu cơ sao cho vừa thích
ứng với điều kiện kinh tế và trình độ của ngƣời sử dụng, vừa thu hồi đƣợc lƣợng khí
sinh học tạo ra trong q trình lên men, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm, bảo
vệ môi trƣờng sống chúng tôi đã chọn đề tài là “Nghiên cứu quá trình phân hủy
sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải”.
Để tăng hiệu quả xử lý, việc tìm hiểu ảnh hƣởng của các thơng số liên quan
đến quá trình xử lý là rất quan trọng nhằm kiểm sốt và tối ƣu hóa hoạt động phân
hủy. Trong luận văn này chúng tơi sử dụng mơ hình yếm khí AD-W8 tại phịng thí

nghiệm Hóa mơi trƣờng – trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên là một dạng thu nhỏ
của nhà máy xử lý yếm khí trong thực tế.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan 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 đơ thị (BTĐT) là thành phần chính của q trình thốt nƣớc đơ thị
[20]. Bùn thải đơ thị đƣợc sinh ra trong các cơng đoạn của q trình thốt nƣớc và
xử lý nƣớc thải. Do vậy, bùn thải đô thị bao gồm các loại nhƣ sau:
- Bùn thải từ bể phốt: phát sinh từ hệ thống bể phốt (septick tank) sử dụng để
xử lý nƣớc đen, vệ sinh tại công trình xây dựng trong các đơ thị.
- Bùn nạo vét: phát sinh từ công tác nạo vét cống rãnh, sông, hồ, ao nằm trong
hệ thống thốt nƣớc đơ thị.
- Bùn từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt: phát sinh từ các cơng đoạn trong quy
trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt đơ thị. Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ công
tác xử lý nƣớc thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lƣợng bùn thải cần phải
có quy định về quản lý riêng và khơng nằm trong tập hợp bùn thải đô thị.
Thông thƣờng, tỷ trọng của bùn bể phốt, bùn nạo vét, bùn xử lý nƣớc thải
trong bùn thải đô thị khác nhau phụ thuộc vào mơ hình thốt nƣớc, trình độ phát
triển hạ tầng đô thị của mỗi một quốc gia. Tại một số quốc gia châu Âu phát triển
thƣờng sử dụng mơ hình thoát nƣớc và xử lý nƣớc thải tập trung nên thành phần
bùn thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn xử lý nƣớc thải và bùn nạo vét, bùn
phát sinh từ bể phốt chiếm tỷ trọng rất nhỏ. Do có hệ thống thốt nƣớc đồng bộ nên
lƣợng bùn nạo vét tại các quốc gia này cũng không quá lớn cùng với quy định về
việc xử lý triệt để nƣớc thải đô thị nên lƣợng bùn phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải
chiếm tỷ trọng cao nhất. Ƣớc tính tại châu Âu, trung bình một ngƣời dân đơ thị thải

ra 90g bùn khô/ngày, khối lƣợng bùn thải đã tăng lên 50% và khoảng xấp xỉ 10
triệu tấn trong năm 2005 sau khi quy định số: 91/271/EEC quy định việc xử lý nƣớc
thải sinh hoạt đô thị ra đời [20].

3


Tại Việt Nam, lƣợng nƣớc thải sinh hoạt qua xử lý trƣớc khi thải ra môi
trƣờng rất thấp, riêng thành phố Hà Nội lƣợng nƣớc thải sinh hoạt độ thị đƣợc xử lý
tính đến năm 2007 đạt khoảng 2% [22]. Sau khi nhà máy xử lý nƣớc thải Bắc Thăng
Long -Vân Trì đi vào hoạt động, thì lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý đạt khoảng 8% tính
tới hết năm 2012. Do tỷ lệ nƣớc thải đƣợc xử lý thấp nên lƣợng bùn thải phát sinh
từ trạm xử lý nƣớc thải chiếm tỷ trọng nhỏ trong bùn thải đô thị. Hơn nữa, hệ thống
thốt nƣớc đơ thị khơng đồng bộ dẫn tới bùn nạo vét phát sinh với lƣợng lớn và là
thành phần chính trong bùn thải đơ thị tại Hà Nội cũng nhƣ các đơ thị khác trên cả
nƣớc. Ngồi ra, bùn bể phốt cũng chiếm một tỷ trọng nhất định trong bùn thải đô thị
tại Hà Nội cũng nhƣ các thành phố khác tại Việt Nam.
1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị
Với sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cƣ, trình độ phát triển đơ thị cũng
nhƣ sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải đô thị tại mỗi quốc gia,
mỗi khu vực dân cƣ có những đặc điểm khác biệt. Hơn nữa, tính chất của bùn thải
phụ thuộc theo đặc trƣng thời tiết, theo mùa nên sự khác biệt về vùng miền càng thể
hiện rõ rệt hơn. Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nƣớc thải cịn thể
hiện ở cơng nghệ xử lý nƣớc thải đƣợc áp dụng và bùn phát sinh từ các công đoạn
xử lý khác nhau có đặc điểm riêng biệt. Bùn thải phát sinh trong giai đoạn xử lý sơ
bộ của các trạm xử lý nƣớc thải đô thị tập trung tại châu Âu thƣờng có các chỉ tiêu
hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 5,0 - 8, tổng chất rắn (TS) trong khoảng 2,0 - 8%, chất
rắn bay hơi (VS) trong khoảng 60 - 80%, tổng nitơ tính theo % TS trong khoảng 1,5
- 4%, tổng phốt pho tính theo % TS trong khoảng 0,8 - 2,8% [20]. Trong khi đó,
bùn thải phát sinh từ giai đoạn xử lý sinh học (activated sludge) có đặc điểm hóa lý

nhƣ: pH trong khoảng 6,5 - 8, TS trong khoảng 0,83 - 1,16%, VS trong khoảng 59 88%, tổng nitơ trong khoảng 2,4 - 5%, tổng phốt pho trong khoảng 2,8 - 11% [20].
Bùn thải đô thị tại Việt Nam với thành phần chủ yếu là bùn thải nạo vét hệ thống
thoát nƣớc nên có những đặc điểm riêng đặc trƣng. Bùn thải sơng Kim Ngƣu sơng
thốt nƣớc thải đơ thị điển hình của Hà Nội lại có các thơng số hóa lý nhƣ: pH trong
khoảng 7,04 - 7,41, CODt trong khoảng 79.910 - 83.033 mg/L, TS trong khoảng

4


19,2 - 23,5%, VS trong khoảng 24,5 - 26,2%, NO3- trong khoảng 192 - 212 mg/L,
PO43- trong khoảng 494 - 522 mg/L [2]. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải có sự
khác nhau giữa các loại bùn thải cũng nhƣ sự khác nhau giữa các vùng miền và
quốc gia nhƣng điểm chung là bùn thải đơ thị có chứa thành phần các chất dinh
dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khá cao.
Các chất gây ơ nhiễm có nguồn gốc vơ cơ: Chủ yếu gồm các kim loại nặng và
một số nguyên tố xạ hiếm khác. Chúng tồn tại trong bùn thải đô thị phát sinh từ
phân và nƣớc tiểu của bệnh nhân trị xạ [12]. Kim loại nặng nhƣ: Pb, Cd, Zn, As, Cr,
Ni, Cu, là những kim loại phổ biến đƣợc phát hiện trong bùn thải đô thị. Hàm lƣợng
các kim loại này trong bùn thải đơ thị có sự dao động khá lớn và phụ thuộc vào các
yếu tố vùng miền, thời tiết, công nghệ xử lý nƣớc thải. Hàm lƣợng của Pb trong
khoảng 13 - 26.000 mg/kg DS (Dry Substance) (trung bình 500 mg/kg DS), hàm
lƣợng Cd trong khoảng 1 - 410 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS), hàm lƣợng Zn
trong khoảng 101 - 49,000 mg/kg DS (trung bình 1700 mg/kg DS). As trong khoảng
1,1 - 230 mg/kg DS (trung bình 10 mg/kg DS). Cr trong khoảng 10 - 990.000 mg/kg
DS (giá trị trung bình 500 mg/kg DS), Ni trong khoảng 2 - 5300 mg/kg DS (trung
bình 80 mg/kg DS), Cu trong khoảng 84 - 17.000 mg/kg DS (trung bình 800 mg/kg
DS) [19, 20].
Các chất ơ nhiễm nguồn gốc hữu cơ: Trong bùn thải đô thị có chứa tới hơn
300 loại hợp chất hữu cơ khác nhau [13, 16, 25, 26]. Tác nhân gây ô nhiễm có
nguồn gốc hữu cơ tiêu biểu nhất gồm: Polychlorinated biphenyls (PCBs),

Polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs), Polyaromatic hydrocacbons
(PAHs) và các chất hoạt động bề mặt. Hàm lƣợng PCBs dao động trong khoảng 65
- 157 mg/kg DS, PCDD/Fs trong khoảng 330 - 4245 mg/kg DS, PAHs trong khoảng
<0,1 - 2000 mg/kg DS [16, 19].
Tác nhân gây bệnh: Tác nhân gây bệnh trong bùn thải chủ yếu là vi khuẩn,
virus và ký sinh trùng. Với hàm lƣợng dinh dƣỡng có ích cao nhƣ nitơ, phốt pho và
các chất hữu cơ khác, bùn thải đô thị có tiềm năng sử dụng cho việc cải tạo đất nông

5


nghiệp. Các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực sử dụng nguồn bùn thải để tái sử
dụng trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu lƣợng chất thải mang đi chôn lấp. Tuy
nhiên, do đặc điểm tích tụ nhiều chất gây ô nhiễm mà các phƣơng án quản lý bùn
thải đô thị tại các quốc gia trở nên hết sức khó khăn. Các tác nhân gây ô nhiễm tồn
tại trong bùn thải đô thị với hàm lƣợng cao là rào cản trong việc sử dụng bùn thải đơ
thị cho mục đích nông nghiệp [21, 23, 24]. Tiềm năng thu hồi tài nguyên, tái sử
dụng bùn thải là rất lớn, cần chú trọng nghiên cứu ứng dụng, triển khai công nghệ
phù hợp để xử lý và tận dụng hiệu quả bùn thải.
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị
Hiện nay, thế giới đã và đang áp dụng nhiều phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị
khácnhau. Sự lựa chọn áp dụng phƣơng pháp xử lý nào là phụ thuộc vào đặc điểm
bùn thải, đặc điểm về văn hóa, lịch sử, địa lý, luật pháp, chính trị và tình hình kinh
tế của mỗi quốc gia, mỗi vùng miền. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị phổ
biến hiện nay bao gồm:
- Chôn lấp tại bãi chôn lấp tập chung chất thải.
- Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp.
- Xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt.
Ngoài ra, lƣợng bùn bể phốt phát sinh vào khoảng 300 m3/ngày, đƣợc Công ty
Môi trƣờng đô thị Hà Nội thu gom, vận chuyển và xử lý tại nhà máy chế biến phân

hữu cơ Cầu Diễn [8].

6


Hình 1.1: Hình ảnh ơ nhiễm thực tế sơng Kim Ngƣu
Bảng 1.1. Lƣợng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012
STT

I
1
2
3
4
5
II
1
2
3
III

Loại hình bùn thải

Bùn nạo vét (BNV)
Khối lƣợng nạo vét bùn cống, rãnh thủ
công
Khối lƣợng nạo vét bùn cống ngầm cơ
giới
Nạo vét bùn mƣơng sông
Nạo vét bùn sông, hồ bằng cơ giới

Khối lƣợng nạo vét cống ngang
Bùn từ trạm xử lý nƣớc thải
Trạm xử lý nƣớc thải Kim Liên
Trạm xử lý nƣớc thải Trúc Bạch
Trạm xử lý nƣớc thải Bắc Thăng Long
– Vân Trì
Bùn bể phốt
Tổng (I+II+III)

Lƣợng thu
gom đã thực
hiện
195.490 m3
21.500 m3

Lƣợng tiếp
nhận tại bãi
chôn lấp
167200 tấn

20.940 m3
95.000 m3
42.000 m3
16.050 m3
2.140 tấn
400 tấn
700 tấn
840 tấn
0

2140 tấn

0
169.304 tấn

Có thể thấy rằng khối lƣợng bùn thải đô thị phát sinh tại thành phố Hà Nội rất
lớn, lƣợng phát sinh trung bình vào khoảng 500 tấn/ngày chủ yếu là bùn nạo vét. Với
công tác thu gom, vận chuyển về các bãi chôn lấp và xử lý đơn giản nhƣ cách làm của
Công ty TNHH NN MTV thoát nƣớc Hà Nội đang thực hiện sẽ làm ảnh hƣởng đến

7


mơi trƣờng xung quanh và lãng phí nguồn dinh dƣỡng có ích trong bùn thải đơ thị.
Hơn nữa, khi nhà máy xử lý nƣớc thải Yên Sở đi vào hoạt động ổn định, với công
suất xử lý 200.000 m3/ngày đêm, ƣớc tính lƣợng bùn phát sinh tại nhà máy vào
khoảng 2.000 m3 bùn lỏng/ngày (ƣớc tính lƣợng bùn phát sinh chiếm 1% lƣợng
nƣớc thải đầu vào) [20]. Bùn thải đô thị phát sinh với khối lƣợng lớn, đa dạng về
thành phần đang tạo ra sức ép với thành phố Hà Nội cũng nhƣ các thành phố khác
trên cả nƣớc. Vì vậy, cần thiết phải tạo ra hành lang pháp lý nhằm khuyến khích
việc tái chế bùn thải đơ thị, tạo cơ sở cho các nhà khoa học tiến hành những nghiên
cứu chun sâu tìm ra giải pháp thích hợp nhất cho vấn đề bùn thải đô thị trong tổng
thể công tác quản lý bùn thải tại Hà Nội cũng nhƣ tại các đô thị khác trên cả nƣớc.
Để thực hiện đƣợc mục tiêu trên cần xem xét tới các yếu tố gây ơ nhiễm điển hình
đang tồn tại với hàm lƣợng cao trong bùn thải đô thị.
1.2. Tổng quan về rác thải sinh hoạt
Rác là phần thải bỏ đi trong các hoạt động của cuộc sống, không một hoạt
động nào của cuộc sống không sinh ra rác. Xã hội ngày càng phát triển, lƣợng rác
ngày càng nhiều và dần trở thành mối đe dọa thực sự đối với môi trƣờng sống [3].
Hiện nay tổng lƣợng rác sinh hoạt thải ra hàng ngày ở các đô thị nƣớc ta vào

khoảng trên 9000m3, nhƣng mới thu gom đƣợc 45% - 50%. Điều kiện chủ yếu để
đảm bảo tốt trạng thái vệ sinh ở khu dân cƣ đơ thị là phải có kế hoạch làm sạch,
quét dọn thƣờng xuyên các loại chất thải rắn ở các khu tập chung dân cƣ. Đó là các
loại rác sinh hoạt, thức ăn dƣ thừa , các loại rác đƣờng phố,… Các loại chất thải rắn
sẽ gây ô nhiễm, nhiễm khuẩn đối với môi trƣờng bao quanh con ngƣời: đất, khơng
khí, nƣớc, các nhà ở và cơng trình cơng cộng. Rác thải thu gom đƣợc chủ yếu đổ
vào các bãi rác một cách tạm thời, đại khái mà không đƣợc xử lý, chôn lấp theo quy
hoạch và hợp vệ sinh gây ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng, nguồn nƣớc mặt và nƣớc
ngầm. Thiết bị thu gom và vận chuyển rác thải ở hầu hết các đô thị Việt Nam cịn
lạc hậu và khơng đủ đáp ứng đƣợc nhu cầu thu gom hiện tại [5].

8


1.2.1. Nguốn gốc phát sinh và đặc điểm rác thải sinh hoạt
Chất thải rắn (CTR) sinh hoạt hay còn gọi là rác thải sinh hoạt sinh ra từ hoạt
động hàng ngày của con ngƣời. Rác sinh hoạt thải ra ở mọi nơi, mọi lúc trong phạm
vi thành phố hoặc khu dân cƣ, từ các hộ gia đình, khu thƣơng mại, chợ và các tụ
điểm buôn bán, nhà hàng, khách sạn, cơng viên, khu vui chơi giải trí, trƣờng học....
Rác thải sinh hoạt có thể đƣợc phân loại theo các cách sau:
+ Theo thành phần hóa học và theo tính chất vật lý
+ Theo vị trí hình thành
+ Theo bản chất nguồn tạo ra chất thải rắn
+ Theo mức độ nguy hại
Thành phần của rác thải sinh hoạt: Thành phần lý, hóa học của chất thải rắn đơ
thị rất khác nhau, tùy thuộc vào từng địa phƣơng, vào các mùa khí hậu, vào điều
kiện kinh tế và nhiều yếu tố khác.


Tính chất vật lý của chất thải rắn sinh hoạt

Những tính chất lí học quan trọng của chất thải rắn sinh hoạt bao gồm khối
lƣợng riêng, độ ẩm, kích thƣớc, khả năng giữ nƣớc và độ xốp (độ rỗng) của rác đã
nén.
a. Khối lượng riêng
Khối lƣợng riêng đƣợc định nghĩa là khối lƣợng vật chất trên một đơn vị thể
tích, tính bằng kg/m3. Điều quan trọng cần ghi nhớ rằng, khối lƣợng riêng của chất
thải rắn sinh hoạt sẽ rất khác nhau tùy từng trƣờng hợp: rác để tự nhiên không chứa
trong thùng, rác chứa trong thùng và không nén, rác chứa trong thùng và nén. Do
đó, số liệu khối lƣợng riêng của chất thải rắn sinh hoạt chỉ có ý nghĩa khi đƣợc ghi
chú kèm theo phƣơng pháp xác định khối lƣợng riêng. Khối lƣợng riêng của một số
thành phần chất thải có trong rác sinh hoạt chứa trong thùng, có nén, hoặc khơng
nén. Khối lƣợng riêng của rác sẽ rất khác nhau tùy theo vị trí địa lí, mùa trong năm,
thời gian lƣu trữ,… Do đó, khi xác định giá trị khối lƣợng riêng cần phải xem xét cả
những yếu tố để giảm bớt sai số kéo theo cho các phép tính tốn. Khối lƣợng riêng

9


của rác sinh hoạt ở các khu đô thị lấy từ các xe ép rác thƣờng giao động trong
khoảng từ 178kg/m3 đến 415kg/m3 và giá trị đặc trƣng thƣờng vào khoảng 297
kg/m3 [1].
b. Độ ẩm
Độ ẩm của chất thải rắn thƣờng đƣợc biểu diễn theo một trong hai cách: tính
theo thành phần phần trăm khối lƣợng ƣớt và thành phần phần trăm khối lƣợng khô.
Trong lĩnh vực quản lý chất thải rắn, phƣơng pháp khối lƣợng ƣớt thông dụng hơn.
Bảng 1.2: Khối lƣợng riêng và hàm lƣợng ẩm của các chất thải có trong rác
thải sinh hoạt [1].
Khối lƣợng riêng (Lb/yd3)
Loại chất thải

Khoảng dao
động

Rác khu dân cƣ (không
nén)
Thực phẩm
220-810
Giấy
70-220
Carton
70-135
Nhựa
70-220
Vải
70-170
Cao su
170-340
Da
170-440
Rác vƣờn
100-380
Gỗ
220-540
Thủy tinh
270-810
Lon thiếc
85-270
Nhôm
110-405

Các kim loại khác
220-1940
Bụi, tro
540-1685
Tro
1095-1400
Rác rƣởi
150-305
Rác vƣờn
Lá (xốp và khô)
50-250
Cỏ tƣơi (xốp và ƣớt)
350-500
Cỏ tƣơi (ƣớt và nén)
100-1400
Rác vƣờn (vụn)
450-600
Rác vƣờn (composted)
450-650
3
Đổi đơn vị: Lb/yd x 0,5993 = kg/m3

10

Đặc
trƣng

Độ ẩm (% khối
lƣợng)
Khoảng

Đặc
dao động
trƣng

490
150
85
110
10
220
270
170
400
330
150
270
540
810
1255
220

50-80
4-10
4-8
1-4
6-15
1-4
8-12
30-80
15-40

1-4
2-4
2-4
2-4
6-12
6-12
5-20

70
6
5
2
10
2
10
60
20
2
3
2
3
8
6
15

100
400
1000
500
550

20-40
40-80
50-90
20-70
40-60

30
60
80
50
50


c. Kích thước và sự phân bố kích thước
Kích thƣớc và sự phân bố kích thƣớc của các thành phần có trong chất thải rắn
đóng vai trị quan trọng đối với quá trình thu hồi vật liệu, nhất là khi sử dụng
phƣơng pháp cơ học nhƣ sàng quay và các thiết bị tách loại từ tính.
d. Khả năng tích ẩm (Field Capacity)
Khả năng tích ẩm của chất thải rắn là tổng lƣợng ẩm mà chất thải có thể tích
trữ đƣợc. Đây là thơng số có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định lƣợng rị rỉ sinh
ra từ bãi chơn lấp phần nƣớc dƣ vƣợt quá khả năng tích trữ của chất thải rắn sẽ thốt
ra ngồi thành nƣớc rị rỉ. Khả năng tích ẩm sẽ thay đổi tùy theo điều kiện nén ép
rác và trạng thái phân hủy của chất thải. Khả năng tích ẩm của chất thải rắn sinh
hoạt của khu dân cƣ và khu thƣơng mại trong trƣờng hợp khơng nén ra đƣợc có thể
dao động trong khoảng 50-60% [1].


Tính chất hóa học của chất thải rắn sinh hoạt

Tính chất hóa học của chất thải rắn đóng vai trò quan trọng trong việc lựa
chọn phƣơng án xử lý và thu hồi nguyên liệu. Ví dụ, khả năng cháy phụ thuộc vào
tính chất hóa học của chất thải rắn, đặc biệt trong trƣờng hợp chất thải là hỗn hợp
của các thành phần cháy đƣợc và không cháy đƣợc. Nếu muốn xử lí chất thải rắn
làm nhiên liệu, cần xác định bốn đặc tính quan trọng sau:
Những tính chất cơ bản cần phải xác định đối với thành phần cháy đƣợc trong
chất thải rắn bao gồm:
+ Độ ẩm (phần nƣớc mất đi khi sấy ở 105oC trong thời gian 1 giờ)
+ Thành phần các chất cháy bay hơi (phần khối lƣợng mất đi khi nung ở
950oC trong lò nung kín)
+ Thành phần carbon cố định (thành phần có thể cháy đƣợc cịn lại sau khi
thải các chất có thể bay hơi)
+ Tro (phần khối lƣợng còn lại khi đốt trong lò hở).
Các nhân tố cơ bản trong chất thải rắn sinh hoạt: Các thành phần cơ bản trong
chất thải rắn trong sinh hoạt cần phân tích bao gồm C (carbon), H (hydro), O (oxy),

11


N (nitơ), S (lƣu huỳnh) và tro. Thông thƣờng, các nguyên tố thuộc nhóm halogen
cũng đƣợc xác định do các dẫn xuất của clo tồn tại trong thành phần khí thải khi đốt
rác. Kết quả xác định các nguyên tố cơ bản này đƣợc sử dụng để xác định công thức
hóa học của thành phần chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt cũng nhƣ xác
định tỷ lệ C/N thích hợp cho q trình làm phân compost.
1.2.2. Các phƣơng pháp xử lý rác thải sinh hoạt [3]
Phƣơng pháp phân loại rác trƣớc khi đƣợc đem xử lý cần đƣợc phân loại ngay
tại hộ gia đình. Cách nhận biết:
Rác hữu cơ: là các loại rác dễ bị thối rữa trong điều kiện tự nhiên dễ sinh ra
mùi hôi thối nhƣ: các loại thức ăn thừa, thức ăn hƣ hỏng (rau, cá chết...), vỏ trái cây,
các chất thải tách ra do làm bếp,... Rác vô cơ đƣợc chia làm hai loại đó là rác vơ cơ

tái chế và khơng tái chế (rác khô).
- Rác vô cơ tái chế: là các loại rác có thể sử dụng lại nhiều lần trực tiếp hoặc
chế biến lại nhƣ: giấy, các tông, kim loại (khung sắt, máy tàu hỏng,...), các loại
nhựa....
- Rác vô cơ không tái chế: là chất thải rắn vô cơ không có khả năng sử dụng
hoặc chế biến lại nhƣ: giấy ăn đã sử dụng, thủy tinh (bóng đèn, cốc vỡ,...), quần áo
cũ, xỉ than, xƣơng động vật, vỏ trứng,...
Phƣơng pháp thu gom rác:
Thu gom rác có thể phân loại thành 2 loại là rác tái chế và rác không tái chế
(rác khô). Thu gom rác tái chế: Rác tái chế bao gồm kim loại, giấy, cao su, nhựa, đồ
điện phần lớn đã đƣợc những ngƣời đồng nát thu nhặt, phần cịn lẫn trong rác vơ cơ
ngƣời thu gom đựng riêng trong túi nilon hoặc túi vải để bán lại cho cơ sở tái chế.
Thu gom rác khô: Các thành phần rác khơng có khả năng tái chế sẽ đƣợc thu
gom, đựng trong thùng, xô màu đỏ hoặc chứa trong các vật dụng có sẵn ở gia đình
nhƣ thúng, sọt, bao tải, túi nilon.

12


Thu gom rác hữu cơ (rác ƣớt) bao gồm thức ăn thừa, rau, hoa quả, bã chè, vỏ
tôm cua, hải sản nói chung... dễ thối rữa nên phải thu gom hàng ngày.
1.3. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí
Quá trình phân huy sinh học yếm khí là q trình chuyển hóa sinh hóa các
hợp chất hữu cơ trong điều kiện khơng có oxy với sự tham gia tích cực của các vi
sinh vật kỵ khí. Sản phẩm của quá trình này là các loại khí metan, khí cacbonic, khí
hydrosunfua, khí hydro và một số sản phẩn trung gian khác. Trong quá trình phân
hủy, một phần chất hữu cơ đƣợc các vi sinh vật sử dụng vào các hoạt động sinh
trƣởng và phát triển của chúng. Bản chất quá trình phân hủy sinh học kỵ khí rất
phức tạp vì có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình tạo khí metan và
dồng thời cũng có nhiều loại cơ chất hữu cơ có khả năng bị chuyển hóa thành khí

sinh học. Q trình phân hủy khị khí đã đƣợc phát hiện và nghiên cứu cùng với quá
trình sinh học hiếu khí. Từ nửa thế kỷ 20, cơng nghệ sinh học kỵ khí đƣợc ứng dụng
để xử lý cặn bã thải cũng nhƣ các loại nƣớc thải có hàm lƣợng chất bẩn cao với các
cơng trình bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể tạo khí sinh học metan, các loại bể lọc kỵ
khí [9].
Trong tự nhiên, vi khuẩn sinh khí CH4 đƣợc tìm thấy tại những nơi có sự phân
hủy của các hợp chất hữu cơ trong điều kiện thiếu O2 nhƣ khu vực đầm lầy hay trầm
tích sơng, hồ, biểnNgồi ra, vi khuẩn sinh khí CH4 cũng đƣợc tìm thấy trong dạ
dày của lồi động vật nhai lại. Hệ vi sinh vật phân giải chất hữu cơ sinh khí CH4 là
hệ vi sinh vật kỵ khí. Do chúng chỉ sống, sinh trƣởng và hoạt động trong môi trƣờng
khơng có mặt của O2 [9].
Khi năng lƣợng đƣợc giải phóng trong q trình phân hủy của chất hữu cơ
trong điều kiện thiếu O2, nếu trong hỗn hợp tồn tại 1/7 tỷ lệ vi sinh vật hiếu khí so
với vi sinh vật kỵ khí sẽ làm cho tốc độ phát triển của hệ vi sinh vật kỵ khí bị chậm
lại [11]. Q trình phân hủy yếm khí là một q trình phức tạp, địi hỏi khắt khe
điều kiện khơng có mặt O2 trong hệ phân. Ngồi ra, q trình này cũng phụ thuộc

13


hoàn toàn vào sự hoạt động tƣơng hỗ và kết hợp phức tạp của tập đoàn vi sinh vật
trong việc chuyển hóa tối đa chất hữu cơ thành CO2 và CH4.
1.3.1. Cơ chế q trình phân hủy yếm khí
Q trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều
phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, ngƣời ta thƣờng đơn giản hóa chúng
bằng phƣơng trình sau đây:
Lên men
Chất hữu cơ
yếm khí

CH4 + CO2 +H2 + NH3 + H2S

Chất hữu cơ

Protein

Aminoaxit

Vi khuẩn
Amôn

Cacbonhydrat
e

Đƣờng đơn

Chất béo

Tổng axit

Tổng axit
bay hơi

CO2

Axetat
CH4
H2
CO2

Thủy phân

Lên mem axit

Sinh metan

Hình 1.2. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của q trình phân hủy yếm khí
Q trình phân hủy yếm khí đƣợc chia thành ba giai đoạn chính sau:
+ Giai đoạn 1: Thủy phân.
+ Giai đoạn 2: Lên men axit.
+ Giai đoạn 3: Metan hóa.

14


1.3.1.1. Giai đoạn thủy phân
Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử nhƣ
protein, chất béo, carbohiđrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Các hợp chất này có thể tồn
tại ở dạng hịa tan hoặc khơng hịa tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử
bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào (sản sinh bởi các vi khuẩn). Sản phẩm của giai
đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lƣợng nhỏ, hòa tan đƣợc sẽ làm nguyên liệu
cho các vi khuẩn ở giai đoạn tiếp theo.
Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz,
pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất khơng hịa tan) thành các
đƣờng đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ nhƣ
xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới
hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các vi khuẩn ở giai đoạn 1 sẽ hoạt
động chậm hơn các vi khuẩn ở giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào
thành phần nguyên liệu nạp, mật độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi
trƣờng nhƣ: pH và nhiệt độ... [10].

1.3.1.2. Giai đoạn lên men axít.
Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít
axetic, hyđro và cacbonic bởi vi khuẩn lên men axit. Axit axetic là sản phẩm chính
của q trình lên men cacbohiđrat. Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại vi
khuẩn cũng nhƣ điều kiện nuôi cấy nhƣ nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử hóa.
Vi khuẩn tạo axit axetic chuyển các axít no nhƣ axít propionic và butyric và rƣợu
thành axit axetic, hiđro và CO2, những chất này sẽ đƣợc sử dụng bởi nhóm vi khuẩn
tạo metan.
Ngồi ra, sự lên men cũng tạo thành các chất khác nhƣ: rƣợu, anđehit, axeton,
các chất khí NH3, H2S và một lƣợng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong giai
đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các
chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có một phần rất nhỏ chuyển thành

15