Nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kị khí (lên men ấm) TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Vũ Thị Hoài Ân

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ KẾT HỢP BÙN BỂ TỰ HOẠI
VỚI BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỊ KHÍ
(LÊN MEN ẤM)

Chuyên ngành: Cơng nghệ mơi trường nước và nước thải
Mã số: 9520320-2

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – Năm 2021


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Xây dựng
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Việt Anh

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Dung

Phản biện 2: PGS. TS. Hoàng Thị Thu Hương

Phản biện 3: TS. Nguyễn Thu Huyền

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp
trường họp tại Trường Đại học Xây dựng
Vào hồi …… giờ ……ngày …. tháng ……năm

Có thể tìm hiểu thêm luận án tại Thư viện Quốc gia và Thư
viện Trường Đại học Xây dựng


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Hệ thống thốt nước (HTTN) và trạm xử lý nước thải (XLNT) đang được
xây dựng ngày càng nhiều ở các đô thị Việt Nam từ 17 trạm XLNT tập trung vận
hành với tổng công suất 540.000 m3/ngày năm 2012 tăng lên 46 trạm XLNT tập
trung năm 2019 với tổng công suất khoảng 980.000 m3/ngày, xử lý tương đương
14% lượng nước thải đô thị phát sinh, và hơn 50 trạm XLNT tập trung đang ở giai
đoạn thiết kế, xây dựng và chuẩn bị chuyển giao để vận hành. Bùn phát sinh từ
các trạm XLNT đô thị sẽ trở thành mối quan tâm lớn. Lượng bùn trạm XLNT đơ
thị đã tách nước dự tính đến năm 2050 khoảng 14.473 m3/ngày. Nước thải đầu
vào các nhà máy XLNT tập trung có hàm lượng giá trị các thông số ô nhiễm như
BOD, COD, TSS thấp và lượng bùn phát sinh tại các nhà máy XLNT này cũng
nghèo về BOD, COD, TSS.
Hiện tại cũng như trong tương lai gần, bể tự hoại vẫn sẽ đóng vai trị quan
trọng trong thốt nước đơ thị, xử lý sơ bộ nước thải từ các hộ gia đình, trường
học, cơ quan, …. Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật (2017), lượng bùn bể tự
hoại phát sinh cũng khá nhiều, từ 50.000 m3 tới 218.490 m3. Tuy nhiên, tại các đô
thị lượng bùn này thu gom cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình đạt 32% và
khoảng 4% lượng bùn bể tự hoại được xử lý. Bùn bể tự hoại có độ ẩm lớn, thành
phần dinh dưỡng như chất hữu cơ, ni tơ, phot pho, kali,… cao, có mùi khó chịu
và cịn nhiều vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán. Do đó bùn bể tự hoại cần được
thu gom, vận chuyển và xử lý để tránh ô nhiễm môi trường và lây lan mầm bệnh.
Phương pháp phân hủy kị khí đã được sử dụng rộng rãi để ổn định chất hữu
cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh học mang lại hiệu quả giảm thể tích bùn
thải và thu hồi năng lượng cao ở nhiều trạm XLNT trên thế giới. Phân hủy kị khí

lên men ấm được coi là ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn ở chế
độ lên men nóng. Điều kiện khí hậu ở Việt Nam rất thuận lợi cho xử lý bùn các
trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong điều kiện lên men ấm.
Để góp phần cùng giải quyết những khó khăn, tồn tại trong xử lý bùn thải
phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý kết hợp
bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đơ thị bằng phương pháp sinh học kị khí
(lên men ấm)” đã được nghiên cứu, thực hiện để đánh giá khả năng sinh khí mê
tan khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị bằng phương
pháp phân hủy kị khí lên men ấm từ đó đề xuất cơng nghệ xử lý bùn cho các trạm
XLNT đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng.
2. Mục đích nghiên cứu
- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT
đô thị khi xử lý bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (35 0C), để loại bỏ
chất hữu cơ (theo COD, VS) và thu được lượng khí mê tan (CH4) cao nhất.
- Đề xuất được công nghệ xử lý bùn của các trạm XLNT đô thị cho khu vực trung
tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng (thuộc lưu vực Tơ Lịch và một phần lưu vực
Tả Nhuệ), kết hợp thu hồi năng lượng và giảm thiểu bùn chôn lấp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


2
- Đối tượng nghiên cứu: Bùn của trạm XLNT đô thị (bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và
bùn nén) và bùn bể tự hoại từ hộ gia đình.
- Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của các
trạm XLNT đô thị trong HTTN chung có sử dụng cơng nghệ bùn hoạt tính cho
khu vực trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng (thuộc lưu vực Tô Lịch và
một phần lưu vực Tả Nhuệ) bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm
(350C), có thu hồi năng lượng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: thu thập thông tin, dữ liệu phục

vụ nghiên cứu. Kế thừa các thành quả nghiên cứu trước đây có liên quan.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các quá trình
phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ và các yếu tố ảnh hưởng; và thí nghiệm BMP để
đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của các nguồn bùn.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: các thí nghiệm về phân hủy kỵ khí theo
mẻ thực hiện trong phịng thí nghiệm ở chế độ lên men ấm (350C), để đánh giá
tiềm năng sinh khí mê tan và khả năng phân hủy chất hữu cơ của bùn bể tự hoại
và bùn từ trạm XLNT đô thị khi xử lý riêng rẽ, và khi xử lý kết hợp với các tỉ lệ
phối trộn khác nhau giữa bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đơ thị.
- Phương pháp so sánh, phân tích: phân tích, nhận xét kết quả thí nghiệm thu
được, và so sánh với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ở cùng lĩnh vực
nghiên cứu về phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm.
- Phương pháp tính tốn, phân tích để so sánh các giải pháp xử lý bùn đề xuất.
- Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến chuyên gia thông qua trao đổi trực tiếp, tổ
chức hội thảo khoa học lấy ý kiến, nhận xét phản biện của các chuyên gia.
5. Cơ sở khoa học
Bùn bể tự hoại và bùn trạm XLNT đơ thị cịn chứa hàm lượng chất hữu cơ
và các chất dinh dưỡng cao, có khả năng phân hủy được bằng phương pháp sinh
học kị khí. Bùn bể tự hoại có hàm lượng VS từ 3,3 g/L đến 31,6 g/L, hàm lượng
COD từ 8,0g/L đến 42,85 g/L, hàm lượng TN từ 0,10 g/L đến 0,34 g/L, hàm lượng
TP từ 0,16g/L đến 1,20 g/L. Bùn của trạm XLNT đơ thị có hàm lượng VS từ 1,79
g/L đến 17,47 g/L, hàm lượng COD từ 2,22g/L đến 24,97g/L, hàm lượng TN từ
0,16 g/L đến 1,24 g/L, hàm lượng TP từ 0,06 g/L đến 0,72 g/L.
Phương pháp phân hủy kị khí kết hợp đã được áp dụng ở nhiều nhà máy
XLNT trên thế giới để ổn định chất hữu cơ trong bùn thải và sản xuất khí sinh
học khi kết hợp xử lý hai hay nhiều loại bùn khác nhau. Kết quả một số nghiên
cứu quá trình ổn định bùn bằng phân hủy kị khí đã sản xuất biogas, làm nguồn
nhiên liệu để sản sinh ra năng lượng điện và nhiệt. Phân hủy kị khí bùn ở các trạm
XLNT và thu khí CH4 thường được thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm,
với nhiệt độ tối ưu 350C.

Vì vậy, luận án nghiên cứu xử lý kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm
xử lý nước thải đơ thị bằng phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm để xử lý ổn
định bùn, giảm lượng bùn thải chôn lấp và thu hồi năng lượng.
6. Nội dung nghiên cứu của luận án


3
- Tổng quan về lượng bùn, thành phần tính chất và các phương pháp xử lý bùn bể
tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình phịng thí nghiệm: thí nghiệm theo mẻ về
phân hủy kị khí lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý
riêng bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đơ thị; thí nghiệm theo mẻ về phân
hủy kị khí ở chế lên men ấm (350C) để đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý
kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị theo các tỷ lệ phối trộn khác
nhau.
- Tính tốn và đề xuất lựa chọn cơng nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các
trạm XLNT đơ thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng dựa trên kết quả
nghiên cứu thực nghiệm.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý FS:WAS để cho phép đạt hiệu suất
loại bỏ chất hữu cơ (theo COD và VS) và thu được lượng khí mê tan cao nhất. Cụ
thể FS:WAS=1:1 (theo khối lượng VS) cho phép đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ
tính theo COD và VS tương ứng là 43,40% và 42,55%, hiệu suất sinh khí CH4 đạt
294,8 NmL/gVSbùn vào.
- Đề xuất cơng nghệ xử lý kị khí kết hợp FS với WAS của các trạm XLNT
đô thị trong điều kiện lên men ấm (350C) có thu hồi khí sinh học sản xuất năng
lượng cho khu vực đơ thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng, cũng như
phương án sử dụng bùn sau xử lý đạt hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường.
8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Ý nghĩa khoa học:
+ Luận án đã tổng quan được các thơng tin có giá trị về số lượng, thành
phần, tính chất và các cơng nghệ xử lý bùn của trạm XLNT đô thị, bùn bể tự hoại,
cũng như tiềm năng thu hồi tài nguyên từ các loại bùn này.
+ Luận án đã xác định được tỷ lệ phối trộn hợp lý cho q trình phân hủy kị
khí lên men ấm (350C) thu khí CH4 khi xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của
trạm XLNT đô thị.
+ Luận án đã tính tốn cơng nghệ xử lý bùn bằng phương pháp phân hủy kị
khí lên men ấm, góp phần bổ sung vào kiến thức tham khảo, làm cơ sở cho việc
tìm kiếm, lựa chọn các giải pháp xử lý bùn phù hợp với các điều kiện ở Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do bùn thải gây ra như
ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường đất và khơng khí.
+ Tiết kiệm tài ngun đất do giảm được diện tích đất bãi chơn lấp bùn.
+ Thu hồi khí sinh học làm nguồn năng lượng sử dụng cho phát điện, nhiệt.
Bùn sau phân hủy kị khí được xử lý, tái sử dụng làm phân bón hay chất cải tạo
đất, làm vật liệu trong xây dựng, v.v ...
+ Luận án đã chỉ ra được, có thể áp dụng cho các trạm XLNT tại các đô thị
trong điều kiện Việt Nam: xử lý cùng lúc hai loại bùn thải, tận dụng các công


4
trình của trạm XLNT đơ thị, nhất là khi trạm hoạt động chưa đủ công suất thiết
kế.
9. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục các cơng trình đã cơng
bố, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp
xử lý bùn bể tự hoại, bùn của trạm XLNT đô thị (25 trang)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phân hủy kị khí, thu khí sinh học (20

trang)
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phân hủy kị khí bùn bể tự hoại và bùn của
trạm XLNT đô thị (26 trang)
Chương 4: Đề xuất công nghệ xử lý bùn bể tự hoại và bùn của các trạm xử lý
nước thải khu vực đô thị trung tâm Hà Nội cũ phía Nam sơng Hồng (34 trang)
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỢNG BÙN, THÀNH PHẦN, TÍNH
CHẤT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI, BÙN CỦA
TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ
1.1. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử
lý bùn của trạm XLNT đô thị
1.1.1. Lượng bùn của trạm xử lý nước thải đơ thị
Trong
q
trình thu gom, vận
chuyển và xử lý
nước thải đều phát
sinh bùn. Sơ đồ
nguồn phát sinh
bùn từ HTTN đơ
thị được trình bày ở
hình 1.1.
Tổng lượng
bùn sinh ra từ các
cơng đoạn xử lý
nước thải ước tính
bằng 5% đến 25%
tổng thể tích nước
thải xử lý, nhưng
quản lý bùn rất
phức tạp, chi phí

thường từ 20% đến
60% tổng chi phí
vận hành cho toàn
trạm XLNT. Khi tỷ


5
lệ đấu nối nước thải từ các hộ dân vào HTTN tăng lên thì khối lượng bùn phát
sinh từ xử lý nước thải cũng tăng theo.
1.1.2. Thành phần, tính chất bùn của trạm XLNT đô thị
Tại các trạm XLNT với cơng nghệ bùn hoạt tính, bùn sơ cấp có độ ẩm dao
động lớn từ 91% - 99,7%, bùn thứ cấp có độ ẩm 98,8% - 99,6%. Hàm lượng chất
hữu cơ trong bùn sơ cấp và thứ cấp tương ứng là 56,3 - 80,0% TS và 53,5 - 88,0%
TS. Các chỉ tiêu kim loại nặng như Ni, Pb, Cu, Zn trong bùn của các trạm XLNT
so sánh với giới hạn quy định đối với đất nông nghiệp nằm trong ngưỡng cho
phép. Bùn có thành phần hữu cơ phân hủy được bằng phương pháp sinh học tương
đối cao (thông qua giá trị COD, tỷ lệ VS/TS là 53,5% – 69,5%, thành phần
hydrocarbon, đạm và chất béo), tỷ lệ C/N/P phù hợp cho q trình ổn định kị khí.
1.1.3. Các phương pháp xử lý bùn của trạm XLNT đô thị trên thế giới và ở Việt
Nam
Tùy thuộc
vào đặc tính và
số lượng bùn
cặn, trong các
trạm
XLNT
thường áp dụng
một hoặc nhiều
cơng đoạn xử lý
nối tiếp nhau

trình bày trên
hình 1.2.
Những năm gần đây để giảm thiểu diện tích bãi chơn lấp thì phương pháp phân
hủy kị khí tạo sinh khối bùn ít và việc sử dụng lại bùn thải đang tăng dần.
Hiện
nay,
HTTN ở các đô thị
Việt Nam chủ yếu
là hệ thống thốt
nước chung với
cơng nghệ XLNT
chủ yếu bằng bùn
hoạt
tính
và
phương pháp xử lý
bùn chủ yếu áp
dụng tại các trạm
XLNT đô thị vẫn
là khử nước và chở
đi chôn lấp (hình
1.3).


6
1.2. Tổng quan về lượng bùn, thành phần, tính chất và các phương pháp xử
lý bùn bể tự hoại
1.2.1. Lượng bùn bể tự hoại
Bể tự hoại là một trong những cơng trình XLNT tới nay vẫn cịn được dùng
phổ biến ở hầu hết các đô thị Việt Nam.

Theo báo cáo của Cục Hạ tầng kỹ thuật (2017), lượng bùn bể tự hoại phát
sinh từ 50.000 m3/năm tới 218.490 m3/năm. Lượng bùn bể tự hoại thu gom ở các
đô thị cũng rất hạn chế, tỷ lệ thu gom trung bình chỉ đạt 32% và khoảng 4% lượng
bùn bể tự hoại được xử lý. Theo báo cáo của Hà Nội Urenco (2014), tổng lượng
phân bùn phát sinh từ bể tự hoại 500-700 tấn/ngày, trong đó khu vực nội thành
khoảng 300 tấn/ngày, thu gom xử lý khoảng 10%. Theo nghiên cứu của Nguyễn
Việt Anh (2014), lượng bùn bể tự hoại tại các thành phố lớn như thành phố Hà
Nội, Hồ Chí Minh và Hải Phòng cho thấy: lượng bùn bể tự hoại được hút tại các
hộ gia đình chiếm 38% - 67% tổng lượng bùn cần hút và tần suất hút bùn bể tự
hoại quá lâu, trung bình các hộ gia đình từ 4 - 6 năm.
1.2.2. Thành phần, tính chất bùn bể tự hoại
Nhiều tài liệu, nghiên cứu đã thu thập và công bố các kết quả nghiên cứu về
các chỉ tiêu đặc trưng của bùn bể tự hoại. Đặc điểm chính của bùn bể tự hoại là
độ ẩm lớn, thành phần chất hữu cơ cao, và thành phần chất dinh dưỡng ni tơ, phot
pho,… cao, có mùi khó chịu và cịn nhiều vi sinh vật gây bệnh.
1.2.3. Các phương pháp xử lý bùn bể tự hoại trên thế giới và ở Việt Nam
Trên thế giới việc xử lý bùn bể tự hoại có thể thực hiện theo các phương
thức: Sân phơi bùn khơng trồng cây; Bãi lọc có trồng cây; Ao phơi bùn; Bể lắng/
nén bùn; Hồ sinh học ổn định bùn; Phân hủy kỵ khí; Xử lý chung với nước thải
tại trạm XLNT; Ủ kết hợp với rác thải hữu cơ; Đốt; Ổn định bằng hóa chất (vơi);
Xử lý chung với bùn từ trạm XLNT.
Ở Việt Nam, tại các đô thị, 94% dân số có cơng trình vệ sinh hộ gia đình.
Khoảng 90% hộ gia đình sử dụng bể tự hoại và chỉ 4% lượng phân bùn bể tự hoại
được xử lý và chôn lấp hợp vệ sinh. Công ty Urenco có thu gom và xử lý kết hợp
một phần phân bùn bể phốt và rác hữu cơ (ủ phân compost) để sản xuất phân vi
sinh. Phân bùn bể tự hoại được đưa về xử lý cùng rác thải hữu cơ để làm phân
compost (nhà máy chế biến phân hữu cơ Cầu Diễn, Hà Nội, nhà máy Thụy
Phương, thành phố Huế,…), xử lý cùng bùn trạm XLNT (trạm XLNT Bình Hưng,
thành phố Hồ Chí Minh; trạm XLNT Bãi Cháy, Quảng Ninh;…) hoặc cùng bùn
thải HTTN đô thị (khu xử lý bùn thải Tràng Cát, Hải Phòng), tuy nhiên số lượng

này không nhiều.
Phương pháp xử lý bùn bằng chôn lấp không tận dụng được các nguồn tài
nguyên trong bùn mà còn gây quá tải các bãi chôn lấp và gây ô nhiễm mơi trường.
Phương pháp xử lý kị khí, là giải pháp đầy hứa hẹn, không chỉ cho phép xử lý bùn
mà còn tạo ra sản phẩm là biogas, phục vụ cho sản xuất điện năng hoặc nhiệt
năng. Đồng thời, phương pháp này khơng tốn diện tích, cho phép giảm thiểu thể
tích bùn và tiêu diệt các mầm bệnh.


7
1.3. Tổng quan các nghiên cứu xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT và
bùn bể tự hoại
Trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu nhưng phần lớn là nghiên cứu
xử lý kị khí các loại bùn của trạm XLNT, xử lý kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT
với rác hữu cơ, phân gia súc, chất thải nông nghiệp, ....; nghiên cứu xử lý kị khí
kết hợp bùn bể tự hoại với rác hữu cơ ở cả chế độ lên men ấm và lên nóng. Các
báo cáo kết quả nghiên cứu về phân hủy kị khí kết hợp bùn bể tự hoại và bùn của
trạm XLNT để thu hồi năng lượng khí sinh học cịn hạn chế.
Ở Việt Nam, phương pháp phân hủy kị khí được nghiên cứu và thực hiện
trong khoảng 50 năm qua để xử lý chất thải, thu hồi biogas được thực hiện chủ
yếu với quy mơ hộ gia đình và hiện nay đã được triển khai ở quy mô lớn hơn tại
một số địa phương, sử dụng nguồn thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm: hệ
thống XLNT sử dụng phương pháp phân hủy kị khí được áp dụng tại nhà máy sản
xuất tinh bột mỳ Sơn Hải, tỉnh Quảng Ngãi để thu biogas phục vụ để đốt lò cấp
nhiệt cho sấy sản phẩm; xử lý nước thải thủy sản thu hồi biogas tại nhà máy sản
xuất thủy sản Thuận An tại An Giang tạo năng lượng từ biogas; xử lý rác bằng
cơng nghệ kị khí tại An Giang để thu hồi biogas phát điện 1,551 MWh/năm và
sản xuất phân bón. Bên cạnh đó cũng đã có một số tác giả, nhóm nghiên cứu thực
hiện các nghiên cứu về lượng bùn phát sinh, thành phần, tính chất của bùn cặn từ
HTTN đô thị và bùn bể tự hoại; các nghiên cứu về đề xuất những giải pháp quản

lý và xử lý bùn cặn HTTN, phân bùn bể tự hoại. Các nghiên cứu đã chỉ rõ lượng
bùn phát sinh từ XLNT và từ bể tự hoại ngày càng gia tăng với thành phần chất
hữu cơ, chất dinh dưỡng, … trong bùn còn khá cao nên bùn cặn từ XLNT và từ
bể tự hoại cần được thu gom, xử lý trước khi đưa ra môi trường.
Một số nghiên cứu cũng đã chỉ ra hồn tồn có thể áp dụng phương pháp
sinh học kị khí lên men ấm để xử lý bùn của trạm XLNT cũng như xử lý bùn bể
tự hoại phù hợp hơn so với lên men nóng do hệ phân hủy kị khí lên men ấm hoạt
động ổn định hơn và yêu cầu đầu vào năng lượng ít hơn so với hệ phân hủy kị khí
lên men nóng mặc dù phân hủy kị khí ở nhiệt độ cao hơn tạo điều kiện cho tốc độ
phản ứng nhanh hơn và sinh khí nhanh hơn hệ ưa ấm, nhưng việc duy trì nhiệt độ
hoạt động ổn định cho lên men nóng rất phức tạp. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu
cụ thể về xử lý kết hợp bùn của trạm XLNT đô thị với bùn bể tự hoại bằng phương
pháp phân hủy kị khí lên men ấm để đánh giá hiệu quả sinh khí mê tan, thu hồi
năng lượng. Do đó luận án sẽ tập trung nghiên cứu xử lý phân hủy kị khí lên men
ấm kết hợp bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đô thị để đánh giá khả năng
sinh khí mê tan từ đó áp dụng tính tốn, lựa chọn công nghệ xử lý bùn cho các
trạm XLNT đô thị của một khu vực kết hợp thu hồi năng lượng.
Nhận xét chương 1
Bùn trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại với khối lượng phát sinh lớn, độ
ẩm cao, chứa nhiều chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cao, và các vi sinh vật
gây bệnh. Bùn bể tự hoại có hàm lượng chất hữu cơ, ni tơ cao hơn bùn của trạm
XLNT đô thị. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra hồn tồn có thể áp dụng phương pháp
phân hủy kị khí để xử lý bùn của trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại. Tuy nhiên


8
hiện nay bùn trạm XLNT đô thị vẫn chủ yếu là tách nước và chở đi chôn lấp. Bùn
bể tự hoại vẫn đang bị buông lỏng trong quản lý và xử lý, phần lớn sau khi hút
được đổ thẳng ra sơng hồ, kênh mương thốt nước hoặc ra bãi chơn lấp.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra phương pháp phân hủy kị khí lên men

ấm khi xử lý kết hợp với nhiều loại chất thải khác nhau đã mang lại hiệu quả giảm
thể tích bùn và thu hồi năng lượng cao. Do đó, cần nghiên cứu về phương pháp
phân hủy kị khí lên men ấm xử lý kết hợp bùn của các trạm XLNT đô thị và bùn
bể tự hoại để thu hồi khí sinh học, giảm lượng bùn thải, và với chi phí xử lý chấp
nhận được mà luận án sẽ tập trung vào những nghiên cứu này.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY KỊ KHÍ,
THU KHÍ SINH HỌC
2.1. Các q trình chuyển hóa chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong
điều kiện kị khí
Q trình chuyển
hóa chất hữu cơ nhờ
vi sinh vật kị khí
diễn ra qua các bước:
thủy phân, axit hóa,
axetat hóa và mê tan
hóa như hình 2.1.

Hình 2.1. Các q trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí.
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình phân hủy kị khí
Q trình phân hủy kị khí trong bể phân hủy bị tác động bởi nhiều yếu tố
như nhiệt độ, pH, thành phần của nguyên liệu nạp, thời gian lưu thủy lực và thời
gian lưu bùn, khuấy trộn, vv ….
2.2.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ cho điều kiện phân hủy tối ưu đối với việc sinh khí CH4 trong các
bể phân hủy kị khí là các khoảng lên men ấm (hệ ưa ấm) ở nhiệt độ từ 200C đến
450C (tối ưu ở 350C) và lên men nóng (hệ ưa nóng) khoảng 450C - 650C (tối ưu ở
550C). Phạm vi dưới 20°C được gọi là ưa lạnh và khơng thích hợp cho phân hủy
kị khí, tốc độ phản ứng là rất chậm.
Các trạm XLNT đơ thị, phân hủy kị khí bùn và sinh khí CH4 thường được
thực hiện trong phạm vi nhiệt độ lên men ấm, với nhiệt độ tối ưu 350C. Việt Nam

có điều kiện khí hậu với nhiệt độ trung bình từ 250C – 320C phù hợp cho quá trình
phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí ở chế độ lên men ấm.
2.2.2. Thời gian lưu thủy lực và thời gian lưu bùn


9
Thời gian lưu thủy lực thường được thực hiện trong khoảng 10 – 30 ngày,
HRT tối thiểu khi vận hành ở 350C là 10 ngày. Để cổ khuẩn sinh mê tan lớn nhanh
cần tối thiểu SRT = 3 - 5 ngày trong điều kiện lên men ấm. Ở nhiệt độ phân hủy
350C thì giá trị SRT tối thiểu là 10 ngày để tránh hiện tượng rửa trôi các vi sinh
vật, và HRT vượt quá 12 ngày thì sự phân hủy các chất rắn bay hơi là không đáng
kể.
2.2.3. pH
Giá trị pH của mơi trường có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân huỷ các chất
hữu cơ, quá trình phân hủy kị khí đạt hiệu quả cao ở giá trị pH là 6,5 ÷ 7,5. Theo
Bitton (2005), giá trị pH thích hợp cho cổ khuẩn sinh mê tan hoạt động dao động
từ 6,7 đến 7,4 và giá trị pH tối ưu khoảng 7,0 ÷ 7,2. Trong q trình phân hủy,
các q trình thủy phân và quá trình sinh axit xảy ra ở mức pH có tính axit (pH
5,5 ÷ 6,5) so với giai đoạn sinh mê tan (pH 6,5 ÷ 8,5). Rất nhiều nghiên cứu đã
chỉ ra khi pH ở giá trị thấp hơn 6,5 hoặc lớn hơn 8,5 sẽ gây cản trở cho sự hoạt
động của các cổ khuẩn sinh mê tan và làm giảm lượng khí tạo thành.
2.2.4. Thành phần của nguyên liệu nạp vào bể phản ứng
Quá trình phân hủy kị khí xảy ra thuận lợi khi nguyên liệu nạp (hay cơ chất)
có đầy đủ nguồn cacbon, nitơ, photpho và một số nguyên tố vi lượng với tỷ lệ
thích hợp. Mỗi chủng loại vi sinh vật đều có những nhu cầu về hàm lượng các
bon, ni tơ và phốt pho. Q trình phân hủy kị khí có hiệu quả khi tỷ lệ COD:N
trong khoảng 350:7 – 1000:7. Nếu tỷ lệ COD:N lớn hơn hoặc nhỏ hơn phạm vi
này, sự phát triển của vi sinh vật của bể phân hủy sẽ bị cản trở. Tỷ lệ ni tơ và phốt
pho thích hợp cho q trình tạo khí trong khoảng 5:1 đến 7:1.
2.2.5. Khuấy trộn

Mục đích của việc khuấy trộn bên trong bể phân huỷ là để trộn đều nguyên
liệu tươi với bùn đã phân hủy và do đó các nguyên liệu vào được tiếp xúc với các
vi sinh vật. Khuấy trộn sẽ tránh được sự biến thiên nhiệt độ trong bể phân huỷ và
cũng ngăn ngừa sự lắng đọng bùn cặn, tạo váng trong bể phản ứng.
2.2.6. Một số các yếu tố khác
Một lượng lớn các chất thải vô cơ và hữu cơ có thể gây độc, ức chế ở các bể
phân hủy kị khí. Các chất gây ức chế điển hình như oxy, hydro sunfua, axit hữu
cơ, ammonia, kim loại nặng, tannin, saponin, mimosine và các chất độc hại khác
như thuốc khử trùng (từ bệnh viện, công nghiệp), thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu (từ
nông nghiệp, vườn hoa, các hộ gia đình, …) và thuốc kháng sinh. Oxy được coi
là độc tố của quá trình này. Một số dẫn xuất của mê tan như CHCl3, CHCl2 và
một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn,…), các chất như HCHO, SO2, H2S cũng gây
độc cho vi sinh vật kị khí, sulfid được coi là chất gây ức chế cho quá trình metan
hóa ở nồng độ > 200 mg/L. Các ion amôni được sử dụng như một nguồn dinh
dưỡng ni tơ cho vi sinh vật trong bể phân hủy kị khí. Nồng độ amoniac (NH3) >
50mg/L gây độc tố cho cổ khuẩn sinh khí CH4, và có thể được cổ khuẩn sinh khí
CH4 dung nạp nếu cổ khuẩn đã được thích nghi. Nếu cổ khuẩn sinh khí CH4 khơng
thể thích nghi được với amoniac, có thể giảm pH của bể hoặc pha lỗng thức ăn
để có thể ngăn ngừa độc tính của amoniac.


10

2.3. Các bể phân hủy kị khí bùn
- Bể phân hủy kị khí khơ và ướt: Phân hủy kị khí khơ có ngun liệu đầu vào
với độ ẩm dưới 80 – 85% (chất rắn TS trên 15 – 20%); phân hủy kị khí ướt có
ngun liệu đầu vào với độ ẩm > 80 – 85%, TS < 15 – 20%.
- Bể phân hủy kị khí hoạt động theo mẻ, liên tục và bán liên tục: Bể hoạt động
theo mẻ, chất thải chỉ được nạp vào 1 lần duy nhất và q trình phân hủy kị khí
diễn ra đến ngừng sinh khí. Bể phân hủy hoạt động liên tục, nguyên liệu được nạp

vào liên tục và bùn cũng được lấy ra liên tục trong suốt quá trình xử lý.
- Bể phân hủy kị khí trong điều kiện lên men ấm và lên men nóng: Bể phân hủy
kị khí trong điều kiện lên men ấm thường được vận hành ở nhiệt độ trong khoảng
30 – 380C, bể phân hủy kị khí lên men nóng vận hành ở nhiệt độ ưa nhiệt trong
khoảng 50 – 570C.
2.4. Phương pháp đánh giá tiềm năng sinh khí (BMP) cho cơng nghệ phân
hủy kị khí
Phương pháp BMP (Biochemical Methane Potential) được sử dụng để đánh
giá khả năng phân hủy kị khí và tiềm năng sinh khí mê tan giữa các cơ chất khác
nhau. Nguyên tắc cơ bản trong các thí nghiệm BMP là lấy cơ chất trộn với chất
cấy phân hủy kị khí trong một bình kín ở nhiệt độ xác định, đo sản lượng khí và
thành phần khí sinh ra. Các bình phản ứng nên được lặp lại 2-3 lần trong cùng thí
nghiệm. Các thí nghiệm BMP gồm có mẫu trắng, mẫu đối chứng và mẫu cơ chất
thí nghiệm. Tỷ lệ giữa chất cấy (vi sinh vật, M) và cơ chất (thức ăn, F) được sử
dụng trong các thí nghiệm là F/M=0,5 (tính theo khối lượng VS).
Để đạt được hiệu suất sinh khí tối ưu của thí nghiệm BMP cần duy trì điều
kiện mơi trường phù hợp cho vi sinh vật và các điều kiện hóa sinh trong q trình
phân hủy kị khí. Các thí nghiệm BMP cần phải có (1) mơi trường được kiểm sốt
nhiệt độ, (2) khuấy trộn thích hợp và (3) thời gian phân hủy đủ để phân hủy sinh
học các chất.
Sản lượng khí sinh học là yếu tố chính để xác định tiềm năng sinh khí CH4
và khả năng phân hủy sinh học của cơ chất. Sản lượng khí sinh học được đo bằng
phương pháp đo thể tích. Thể tích khí CH4 được biểu diễn ở điều kiện nhiệt độ và
áp suất tiêu chuẩn tính cho 1 gVS của cơ chất vào (NmL CH4/gVScơ chất).
2.5. Nhu cầu năng lượng cho xử lý bùn
Năng lượng cho xử lý bùn được dùng cho các mục đích chính như điện năng
sử dụng cho các quá trình vận chuyển bùn bằng bơm, tuần hồn, trộn bùn với hóa
chất, các thiết bị cơ khí trong hệ thống xử lý bùn (để đảo trộn bể phản ứng cơ khí
cần 0,005 – 0,008 kW/m3 dung tích bể); nhiệt năng để ổn nhiệt bể mêtan, gia nhiệt
cho bùn thô (4.200 J/kg bùn để tăng 10C), sấy bùn đã phân hủy, ủ bùn, v.v….

Trong hệ phân hủy kị khí bùn, lượng nhiệt dùng trong quá trình phân hủy được
sử dụng cho các quá trình (1) tăng nhiệt độ của bùn đến mức nhiệt độ của bể phân
hủy, (2) bù lại lượng nhiệt bị thất thoát qua thành, nền và mái bể, và (3) lượng
nhiệt bị mất đi trên hệ thống đường ống.
2.6. Cân bằng năng lượng cho hệ phân hủy kị khí xử lý bùn thải từ trạm
XLNT


11
Năng lượng sinh ra từ hệ phân hủy kị khí bùn thải hữu cơ là năng lượng thu
được từ hệ đốt biogas dưới dạng tận thu kết hợp nhiệt và điện năng (CHP).
Năng lượng (điện năng và nhiệt năng) sinh ra từ CHP của trạm xử lý bùn
còn cung cấp điện năng sử dụng cho các q trình tuần hồn nước tách từ cơ đặc
bùn bằng bơm, tuần hồn hơi nước từ quá trình sấy bùn, các thiết bị cơ khí trong
hệ thống xử lý bùn, …; nhiệt năng cịn sử dụng trong quá trình sấy bùn, ủ bùn.
Nhận xét chương 2
Bản chất của phương pháp sinh học trong điều kiện kị khí là q trình phân
hủy sinh hóa các chất hữu cơ của bùn diễn ra trong điều kiện khơng có ơxi, sản
phẩm cuối cùng của q trình là khí sinh học và sinh khối của vi sinh vật. Phương
pháp này thích hợp với các loại bùn có độ ẩm cao như bùn bể tự hoại, bùn của
trạm XLNT. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu cơ, pH, tỷ lệ
dinh dưỡng C/N, sự có mặt các chất ức chế, loại bể phản ứng, thông số thiết kế
và ứng dụng của các thiết bị, v.v…
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các kết quả nghiên cứu đã có và điều kiện
thực tế của Việt Nam, để nghiên cứu thực nghiệm xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và
bùn của trạm XLNT đô thị trong quy mơ phịng thí nghiệm, luận án chọn nghiên
cứu xử lý sinh học kị khí trong điều kiện lên men ấm (350C), phân hủy một bậc
(một giai đoạn) và chế độ hoạt động theo mẻ để đánh giá khả năng sinh khí CH4
của bùn xử lý theo phương pháp BMP.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN HỦY KỊ KHÍ BÙN

BỂ TỰ HOẠI VÀ BÙN CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐƠ THỊ
3.1. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm phân hủy kị khí ở chế độ lên men ấm 35 0C đánh giá khả năng
sinh khí mê tan (BMP) của bùn bể tự hoại và bùn của trạm XLNT đô thị trong
HTTN chung. Các thí nghiệm được thực hiện gồm có:
- Thí nghiệm BMP1: thí nghiệm đánh giá khả năng sinh khí CH4 khi xử lý riêng
các loại bùn của trạm XLNT đô thị gồm bùn sơ cấp (PS), bùn thứ cấp trong trạm
XLNT đơ thị có bể lắng sơ cấp (WAS1), bùn thứ cấp trong trạm XLNT đơ thị
khơng có bể lắng sơ cấp (WAS2), bùn sau bể nén bùn (WAS) và bùn bể tự hoại
(FS) để lựa chọn bùn của trạm XLNT đô thị kết hợp với bùn bể tự hoại làm bùn
cơ chất cho thí nghiệm BMP2.
- Thí nghiệm BMP2: thí nghiệm đánh giá khả năng sinh khí CH 4 khi xử lý phân
hủy kị khí kết hợp bùn của trạm XLNT đô thị với bùn bể tự hoại để xác định các
thơng số đặc trưng cho q trình xử lý: thể tích khí CH 4 sinh ra NmL/gVSbùn vào,
hiệu suất xử lý chất hữu cơ theo VS và COD, tỷ lệ phối trộn hợp lý của bùn bể tự
hoại với bùn trạm XLNT đô thị cho hiệu suất sinh khí CH 4 cao nhất.
3.2. Mơ tả thí nghiệm
3.2.1 Dụng cụ, thiết bị lắp đặt thí nghiệm BMP
Hệ Water Bath được sử dụng làm thí nghiệm BMP cho nghiên cứu này, bao
gồm 12 bình phản ứng là các bình tam giác dung tích 500mL đặt ngập trong bồn
nước có đế từ duy trì ở nhiệt độ 350C (±0,50C) và một bộ thu, đo thể tích khí mê


12
tan gồm có 6 chai đựng dung dịch NaOH 3M và 6 bình hình trụ dung tích 200 mL
đo thể tích khí CH4 được đặt trong 1 hộp nước bên ngồi (hình 3.1 và hình 3.2).

Bình phản ứng + Bồn nước giữ nhiệt

Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý thí nghiệm

Hình 3.2. Thí nghiệm BMP.
BMP hệ Water Bath.
3.2.2. Nguyên liệu thí nghiệm
➢ Bùn nuôi cấy (nguồn vi sinh, M): sử dụng trong các thí nghiệm là bùn kị khí lấy
từ hệ phân hủy kị khí dung tích 40L được vận hành duy trì từ trước, ở 350C±0,50C,
khuấy trộn liên tục (hình 3.3).

Hình 3.3. Thùng Inox 40 lít ni bùn kị khí (chất cấy).
Ghi chú: 1. Thùng inox phía ngồi; 2. Thùng inox phía trong; 3. Động cơ quay; 4. Phễu
nạp thức ăn; 5. Ống thu khí D21; 6. Tấm chắn nước; 7. Nắp chắn khí; 8. Nhiệt kế; 9.
Cánh khuấy chân vịt; 10. Khớp nối; 11. Bộ phận gia nhiệt; 12. Van xả thùng Inox trong;
13. Van xả thùng inox ngoài.

➢ Bùn cơ chất (nguồn thức ăn, F): gồm bùn bể tự hoại và bùn từ trạm XLNT đô
thị.
Bùn bể tự hoại (FS): mẫu bùn được lấy trực tiếp từ mở nắp trên thùng chứa
xe hút và sử dụng ống lấy mẫu (loại ống nhựa trong có đường kính 5cm, chiều
dài ống 2m, nắp bịt đáy ống có bề dày 4 cm (hình 3.4).
Bùn từ trạm XLNT đơ thị: Bùn lắng sơ cấp (PS), bùn lắng thứ cấp (WAS1)
của trạm XLNT Kim Liên công suất 4800 m3/ngày, được lấy từ van lắp trên ống
xả bùn của các bể lắng này; Bùn nén (WAS) của trạm XLNT Trúc Bạch công suất
3000 m3/ngày được lấy tại bể chứa bùn nén; Bùn lắng từ bể SBR (WAS2) của
trạm XLNT Yên Sở công suất 200.000 m3/ngày được lấy tại bể chứa bùn sau bể
SBR. Các mẫu sau khi lấy được bảo quản ở 40C trước khi làm thí nghiệm.


13

Hình 3.4. Dụng cụ ống lấy mẫu bùn bể tự hoại.
➢ Tỷ lệ trộn bùn cơ chất và bùn nuôi cấy

Để q trình phân hủy trong các thí nghiệm BMP hạn chế các tác động gây
ức chế do thành phần của bùn thải, như sự ức chế liên quan đến sự tích tụ amơniac,
và dịng ra vẫn cịn chất hữu cơ khi lượng thức ăn nhiều. Tỷ lệ bùn cơ chất (nguồn
thức ăn - F) và bùn nuôi cấy (nguồn vi sinh vật – M) trong nguyên liệu nạp vào
các thí nghiệm BMP được chọn bằng F/M=1/2 tính theo khối lượng chất rắn bay
hơi (gVS).
3.2.3. Các chỉ tiêu, phương pháp phân tích và đánh giá trong thí nghiệm
Nguyên liệu để thực hiện các thí nghiệm BMP đều được phân tích các chỉ
tiêu hóa lý trước khi nạp vào bình phản ứng và sau khi kết thúc thí nghiệm.
➢ Các chỉ tiêu phân tích: Các thơng số ngun liệu quan trọng bao gồm hàm lượng
chất rắn dễ bay hơi (VS), nhu cầu oxy hóa học (COD), tỷ lệ cacbon so với nitơ
(hoặc COD/TN) và sự hiện diện của các chất ức chế. Các mẫu bùn được phân tích
các chỉ tiêu pH, TS, VS, COD, TN và TP theo phương pháp của APHA-AWWAWEF, TCVN.
➢ Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả thí nghiệm: Sự phân hủy chất hữu cơ ở mỗi bình
phản ứng được thể hiện qua hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ theo VS và COD; và
thể tích khí CH4 sinh ra (ở đktc) do bùn cơ chất cho vào mỗi bình phản ứng được
tính theo cơng thức sau:
V
V −V
Thể tích khí CH4 NmL/gVSbùn cơ chất vào = CH4 bùn cơ chất = 1 2
MVS

MVS

Trong đó: VCH4 bùn cơ chất = V1 – V2 là thể tích khí CH4 của bùn cơ chất sinh ra ở
đktc (NmL); với V1 là thể tích khí CH4 tích lũy ở mỗi bình phản ứng ở đktc có
chứa bùn cơ chất và bùn ni cấy trộn với nhau (NmL) và V2 là thể tích khí CH4
tích lũy ở bình phản ứng chỉ chứa bùn nuôi cấy ở đktc (NmL); MVS là khối lượng
VS của bùn cơ chất cho vào mỗi bình phản ứng (g).
3.2.4. Thực hiện thí nghiệm

Các thí nghiệm BMP được vận hành theo mẻ trong điều kiện kị khí lên men
ấm ở nhiệt độ 350C (±0,50C), đặt tại phịng thí nghiệm của Bộ mơn Cấp thốt
nước, Trường Đại học Xây dựng. Ngun liệu để thí nghiệm được nạp vào 1 lần
khi bắt đầu thí nghiệm, và lấy ra khi thí nghiệm ngừng sinh khí.
➢ Thí nghiệm BMP1 để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của các bùn cơ chất
riêng: FS, PS, WAS1, WAS2 và WAS.


14
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP1
Độ ẩm
TS
VS
COD
TN
TP
COD/
Ngun liệu nạp
pH
(%)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
TN
Bùn ni cấy
7,40
97,92
20,76 12,56 18,56

1,09
0,19
120:7
(M1)
FS
7,60
97,34
26,54 19,04 24,55
0,91
0,21
189:7
6,90
98,23
17,61 11,47 17,65
0,75
0,34
164:7
Bùn PS
cơ
WAS1
7,05
99,49
5,07
3,12
5,09
0,25
0,12
143:7
chất WAS2
7,12

98,28
17,13
9,27
10,93
0,75
0,30
102:7
WAS
7,23
98,94
11,58
7,54
11,47
0,54
0,29
147:7
Thí nghiệm BMP1 gồm các bình phản ứng chứa các nguyên liệu:
- Bùn ni cấy làm mẫu trắng: bình phản ứng M1.
- Bùn nuôi cấy kết hợp với từng bùn cơ chất FS, PS, WAS1, WAS2 và WAS
tương ứng có các bình phản ứng: S1=M1+FS, S2=M1+PS, S3=M1+WAS1,
S4=M1+WAS2 và S5=M1+WAS.
➢ Thí nghiệm BMP2 để đánh giá tiềm năng sinh khí mê tan của hỗn hợp FS và
WAS theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau.
Bảng 3.2. Các chỉ tiêu của nguyên liệu cơ bản ban đầu cho thí nghiệm BMP2
Nguyên liệu thí
Độ ẩm
TS
VS
COD
TN

TP
COD/
pH
nạp
(%)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
(g/L)
TN
Bùn nuôi cấy
0,19
7,41
97,88
21,16 13,23 21,24
1,09
137:7
(M2)
FS
7,70
97,50
25,03 18,62 44,17
2,80
0,38
111:7
Bùn cơ
chất
WAS 7,31
98,60

14,04
9,59
14,65
0,72
0,29
143:7
Bảng 3.3. Tỷ lệ phối trộn của các bùn cơ chất trong thí nghiệm BMP2
Tỷ lệ phối trộn
Bùn bể tự hoại : Bùn trạm XLNT (FS:WAS)
Theo tỷ lệ % khối lượng VS
0:100 14:86 25:75
33:67
50:50
Theo tỷ lệ khối lượng VS
0:1
1:6
1:3
1:2
1:1
Thí nghiệm BMP2 gồm các bình phản ứng chứa các ngun liệu:
- Bùn ni cấy làm mẫu trắng: bình phản ứng M2.
- Bùn ni cấy và bùn cơ chất là FS phối trộn với WAS theo tỷ lệ % khối lượng
của VS có trong bùn cơ chất. Các bình phản ứng: T1 = M2 + 100%WAS, T2 =
M2 + 14%FS + 86%WAS, T3= M2 + 25%FS + 75%WAS, T4 = M2 + 33%FS +
67%WAS và T5 = M2 + 50%FS + 50%WAS hay tương ứng tính theo khối lượng
VS của bùn cơ chất là FS:WAS = 0:1, 1:6, 1:3, 1:2 và 1:1.
Để loại bỏ ôxi trong bình phản ứng trước khi thí nghiệm BMP, tất cả các
bình phản ứng được làm sạch bằng khí N2 trong 2 phút (hình 3.5).
Biogas sinh ra được dẫn đến các chai đựng dung dịch NaOH 3M, khí CO2
được loại bỏ bởi các phản ứng hóa học, khí CH4 khơng bị hấp thụ bởi dung dịch

NaOH được dẫn đến các ống đo thể tích đặt trong khay chứa nước bên ngồi với
mực nước trong ống đo nhất định. Khí CH4 sinh ra sẽ đẩy nước trong ống đo ra
ngoài, mực nước trong ống đo hạ xuống. Chiều cao cột nước trong ống đo bị hạ
chính là thể tích khí CH4 sinh ra hình 3.6).


15

Hình 3.5. Sục khí N2 các bình
phản ứng thí nghiệm BMP.

Hình 3.6. Bộ hấp thụ biogas và đo khí mê tan.

3.3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.3.1. Thí nghiệm BMP1
Thể tích khí CH4 tích lũy theo từng ngày của các bùn cơ chất được thể hiện
trên hình 3.7

Hình 3.7. Thể
tích khí CH4
tích lũy theo
ngày do bùn cơ
chất sinh ra
trong thí
nghiệm BMP1.
Thể tích khí CH4 sinh ra khi phân hủy 1 g VS của bùn cơ chất được thể hiện
trên hình 3.8.

Hình 3.8. Thể tích
khí CH4

(NmL/gVSbùn cơ chất
vào) và tổng thể tích
khí CH4 (NmL) do
bùn cơ chất sinh ra
trong thí nghiệm
BMP1.
Như vậy, FS và WAS khi phân hủy kị khí lên men ấm sinh ra khí CH4 cao
hơn WAS2. Do đó, kết hợp xử lý phân hủy kị khí bùn nén của trạm XLNT đô thị
với bùn bể tự hoại sẽ tăng lượng bùn xử lý dẫn đến lượng khí CH4 sinh ra tăng và
sẽ tận dụng được thiết bị, cơng trình xử lý bùn đã xây dựng trong trạm XLNT.
3.3.2. Thí nghiệm BMP2
Thể tích khí CH4 tích lũy theo ngày do bùn cơ chất sinh ra trong thí nghiệm
BMP2 được thể hiện trên hình 3.9.


16

Hình 3.9. Thể tích
khí CH4 tích lũy
theo ngày do bùn
cơ chất sinh ra
trong thí nghiệm
BMP2.

Hình 3.10. Thể tích
khí CH4
(NmL/gVSbùn cơ chất
vào) và tổng thể tích
khí CH4 (NmL) do
bùn cơ chất sinh ra

trong thí nghiệm
BMP2.
Nhận xét chương 3
Phân hủy kị khí lên men ấm (350C) kết hợp FS với WAS của trạm XLNT
đô thị theo các tỷ lệ phối trộn FS:WAS = 1:6, 1:3, 1:2, 1:1 (theo g VS) thì thể tích
khí CH4 tăng từ 2,5% đến 9,5%, hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ tính theo COD tăng
từ 3,5% đến 13,5% và hiệu suất loại bỏ VS tăng từ 3,6% đến 11,6% so với khi
chỉ xử lý WAS. Tỷ lệ phối trộn FS:WAS=1:1 cho hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ
tính theo COD và VS cao nhất tương ứng là 43,40±0,09% và 42,55±0,78%, thể
tích khí CH4 thu được cao nhất là 294,8±5,2 NmL/gVSbùn cơ chất vào.
Bùn của các trạm XLNT đô thị chủ yếu được tách nước bằng cơ học và chở đi
chơn lấp. Do đó, phương pháp phân hủy kị khí lên men ấm (35 0C) để xử lý kết hợp
bùn bể tự hoại với bùn của trạm XLNT đơ thị cho một khu vực có thu hồi khí sinh
học, được coi là phương án khả thi trong điều kiện Việt Nam: cùng lúc hai loại bùn
thải được xử lý trong cùng một cơng trình, tận dụng các điều kiện của trạm XLNT,
nhất là khi trạm hoạt động chưa đủ công suất thiết kế, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm
môi trường do bùn bể tự hoại gây ra và tận dụng khí sinh học thu được vào sản xuất
năng lượng (điện năng, nhiệt năng).
Các đô thị mới tăng lên, tỷ lệ phục vụ của MLTN tăng, HTTN riêng được sử dụng
nên nước thải từ bệ xí, nước thải sinh hoạt được thu gom, đấu nối trực tiếp vào HTTN
bên ngồi, sẽ khơng cịn cơng trình xử lý cục bộ (bể tự hoại) do đó mà tỷ lệ thu gom
nước thải từ các hộ gia đình tăng nhưng lượng bùn bể tự hoại sẽ giảm. Theo kết quả
tính tốn lượng FS và bùn trạm XLNT đô thị phát sinh cho khu vực đô thị trung tâm
của Hà Nội giai đoạn năm 2019 – 2044 cho thấy tỷ lệ giữa lượng bùn trạm XLNT và
FS: năm 2019 xấp xỉ bằng 1,0, năm 2029 là 2,1, năm 2034 là 3,1 và năm 2044 là 6,2


17
thì các tỷ lệ phối trộn FS:WAS = 1:6, 1:3, 1:2, 1:1 (theo khối lượng VS) đều cho sinh
khí CH4 sẽ được nghiên cứu tính tốn, đề xuất ở chương 4 của luận án.

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ
BÙN CỦA CÁC TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI KHU VỰC ĐÔ THỊ
TRUNG TÂM HÀ NỘI CŨ PHÍA NAM SƠNG HỒNG
4.1. Xác định nội dung tính tốn, lựa chọn và đề xuất cơng nghệ xử lý bùn
khu vực đô thị trung tâm Hà Nội
Khu vực lựa chọn
nghiên cứu là khu vực thu
gom nước thải để xử lý của
các trạm XLNT đô thị trung
tâm Hà Nội cũ phía Nam
sơng Hồng (thuộc lưu vực Tơ
Lịch và một phần lưu vực Tả
Nhuệ). Hiện nay trong khu
vực này có 05 trạm XLNT
đang vận hành là trạm XLNT
Kim Liên, Trúc Bạch, Yên
Sở, Hồ Tây và Bảy Mẫu; trạm
XLNT Yên Xá đang xây
dựng và trạm XLNT Phú Đơ
đang thiết kế (hình 4.1). Công
nghệ xử lý bùn của các trạm
XLNT đô thị trên chủ yếu là
tách nước bằng cơ học và chở
đi chôn lấp. Trong khi đó,
bùn bể tự hoại được hút lên
cịn chứa hàm lượng chất hữu
cơ cao, nhiều vi sinh vật gây
bệnh, không qua xử lý chở đi
chôn lấp hoặc xả ra môi

trường. Thành phố rất quan
tâm đến việc giảm thiểu diện tích đất dành cho chơn lấp bùn thải vì quỹ đất ngày
càng hạn hẹp.
Ở chương này, nghiên cứu sinh sẽ tính tốn, lựa chọn cơng nghệ xử lý kết
hợp bùn trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại cho khu vực nghiên cứu để thu hồi
khí sinh học sản xuất năng lượng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do
bùn trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại gây ra.
4.2. Các trạm XLNT đô thị trong khu vực tính tốn
Bùn của các trạm XLNT đơ thị này chủ yếu sử dụng công nghệ làm khô cơ
học và chở đi chơn lấp, duy chỉ có trạm XLNT n Sở, đang áp dụng cơng nghệ
phân hủy kị khí để ổn định bùn.


18
Các trạm XLNT đơ thị trong khu vực tính tốn tổng hợp trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các trạm XLNT đô thị thuộc khu vực tính tốn đến năm 2030
Diện tích lưu Dân số phục Công suất trạm
Tên nhà máy/
TT
vực thu gom vụ đến 2030 XLNT đến 2030
trạm XLNT
(ha)
(người)
(m3/ngđ)
1
Yên Sở
3.006,4
474.000
200.000
2

Bảy Mẫu
217,5
41.200
13.300
3
Trúc Bạch
38,6
9.541
3.000
4
Hồ Tây
180,0
301.000
15.000
5
Yên Xá
4.902,1
1.080.000
270.000
6
Kim Liên
33,9
15.696
4.800
7
Phú Đô
2.485,0
224.000
84.000
Tổng cộng

10.863,5
2.145.437
590.100
4.3. Lượng bùn thải của các trạm XLNT đô thị và bùn bể tự hoại trong khu
vực tính tốn
4.3.1. Lượng bùn thải phát sinh tại các trạm XLNT đô thị
Bảng 4.2. Tổng lượng bùn nén và bùn tách nước của các trạm XLNT đô thị
trong khu vực tính tốn
Lượng bùn
Lượng bùn
Trạm XLNT
Đơn vị tính
sau nén
sau tách nước
tấn TS/ngày
179,3
169,8
7 trạm XLNT: Kim
tấn/ngày
3.757,4
896,5
Liên, Trúc Bạch, Hồ
3
Tây, Bảy Mẫu, Yên Sở,
m /ngày
3.731,1
855,2
Yên Xá và Phú Đô
Độ ẩm trung bình, %
95,2

80,0
6 trạm XLNT khơng
tấn TS/ngày
176,5
168,3
tính n Sở: Kim Liên,
tấn/ngày
3.698,4
888,4
Trúc Bạch, Hồ Tây,
3
m /ngày
3.672,5
847,3
Bảy Mẫu, n Xá và
Độ
ẩm
trung
bình,
%
95,2
80,0
Phú Đơ
4.3.2. Lượng bùn bể tự hoại phát sinh trong khu vực tính toán
Bảng 4.3. Lượng bùn bể tự hoại trong khu vực tính tốn đến năm 2030
Thơng số tính tốn
Dân số tính tốn khu vực trung tâm Hà Nội
cũ phía Nam sơng Hồng đến năm 2030
Thể tích bùn hút trong 1 ngày
Khối lượng phân bùn

Độ ẩm phân bùn

Đơn vị

Giá trị

người

2.145.437

m3/ngày
tấn/ngày

683,5
697,1

%

97,0

4.4. Các giải pháp xử lý bùn cho khu vực tính tốn


19
➢ Tại trạm XLNT Yên Sở đã có bể mê tan: bùn xử lý theo phương án YS1a hoặc
YS1b (hình 4.2)
Phương án YS1a:
bùn sau phân hủy kị
khí được tách nước và
vận chuyển đi ủ

compost.
Phương án YS1b:
bùn sau phân hủy kị
khí được tách nước và
chở đến trạm xử lý
bùn tập trung đặt tại
Yên Mỹ (giả thiết) để
sấy và đốt cùng với
bùn của các trạm
XLNT khác trong khu
vực tính tốn.
➢ Tại trạm xử lý bùn tập trung Yên Mỹ (giả thiết): bùn xử lý theo phương án
TT1a (hình 4.3) hoặc TT1b (hình 4.4)
Đối với các
trạm cịn lại trong
khu vực tính tốn,
WAS của các trạm
XLNT Kim Liên,
Trúc Bạch, Hồ
Tây, Bảy Mẫu,
Yên Xá và Phú Đô
được chở đến trạm
xử lý bùn tập trung
đặt tại Yên Mỹ kết
hợp với FS xử lý
bằng phương pháp
phân hủy kị khí
lên men ấm.
Phương án TT1a và phương án TT1b nghiên cứu đề xuất được so sánh với
phương án xử lý bùn mà các trạm XLNT đang áp dụng: bùn tách nước tại các

trạm XLNT và chở đi chôn lấp (phương án HT) và phương án theo quy hoạch
thoát nước thủ đô Hà Nội đến năm 2030: bùn thải sau tách nước tại các trạm
XLNT được chở đến trạm xử lý bùn tập trung để sấy và đốt, có thu hồi năng lượng
(phương án TT2)


20

Phương án HT: Bùn thải tách nước tại các trạm XLNT, chở đi chôn lấp

Phương án TT2: Bùn thải tách nước – sấy và đốt tại trạm xử lý bùn tập trung

Xử lý bùn ở phương án TT2 (hình 4.6) cần xây thêm khu sấy + đốt bùn tập
trung so với phương án HT.
4.5. Tính tốn các phương án xử lý bùn trạm XLNT cho khu vực tính tốn
Tính tốn khối lượng bùn xử lý, năng lượng tiêu thụ cho xử lý bùn được
thực hiện cho từng cơng trình trong dây chuyền công nghệ theo từng phương án;
lưu lượng và tải lượng đầu ra của cơng trình trước sẽ là đầu vào của cơng trình
sau. Năng lượng (điện năng và nhiệt năng) sinh ra từ CHP của trạm xử lý bùn
ngồi cung cấp cho hệ phân hủy kị khí: cịn cung cấp điện năng sử dụng cho các
quá trình tuần hồn nước tách từ cơ đặc bùn bằng bơm, tuần hồn hơi nước từ q
trình sấy bùn, trộn bùn với hóa chất, các thiết bị cơ khí trong hệ thống xử lý bùn;
nhiệt năng cịn sử dụng trong q trình sấy bùn, ủ bùn.
4.6. Nhận xét kết quả tính tốn và đề xuất công nghệ xử lý bùn


21
❖ Đối với trạm XLNT Yên Sở đã xây dựng bể mê tan
Bảng 4.4. Thể tích biogas sinh ra khi WAS của trạm XLNT Yên
Sở xử lý và không xử lý kết hợp với FS.

Như vậy, YS1a
hoặc YS1b là
các giải pháp để
tăng sản lượng
biogas của trạm
XLNT Yên Sở
khi tăng thêm
các chất hữu cơ cho dòng bùn đầu vào bể mê tan như phân hủy kị khí lên men ấm
kết hợp WAS với FS, do đó vừa tăng sản lượng biogas sinh ra khi khối lượng bùn
xử lý tăng, vừa không ảnh hưởng đến chế độ thủy lực của các công trình XNLT
và chất lượng nước thải đầu ra của trạm XLNT, vừa mang lại lợi ích kinh tế của
việc chia sẻ thiết bị như tận dụng các cơng trình xử lý bùn có sẵn như bể mê tan,
bể chứa bùn, bể chứa biogas, thiết bị tách nước bùn, … của trạm XLNT Yên Sở.
❖ Đối với các trạm XLNT không có bể mê tan như Kim Liên, Trúc Bạch, Hồ Tây,
Bảy Mẫu đang vận hành, Yên Xá đang xây dựng và Phú Đơ dự kiến thiết kế. Kết
quả tính tốn, so sánh các phương án xử lý bùn được tổng hợp ở bảng 4.5.
Bảng 4.5. Tổng hợp so sánh các phương án xử lý bùn

➢ Về khối lượng bùn sau xử lý (hình 4.7)


22

Hình 4.7. Lượng bùn trạm XLNT đơ thị và FS sau xử lý của các phương án.

➢ Về mặt năng lượng (hình 4.8)
Nếu dùng năng lượng thu hồi của trạm xử lý bùn tập trung để cung cấp năng
lượng cho các quá trình xử lý nước thải tại các trạm XLNT trong khu vực tính
tốn với tổng cơng suất 590.100 m3/ngày và cung cấp năng lượng cho việc vận
chuyển FS về trạm xử lý bùn tập trung của phương án TT1a và TT1b, thì phần

năng lượng này tương ứng có tỷ lệ thu hồi cho phương án TT1a là 79,2%, phương
án TT1b là 45,0% và phương án TT2 là 21,3%. và phương án HT khơng cho thu
hồi năng lượng.

Hình 4.8. Năng lượng tiêu thụ, sinh ra và thu hồi khi xử lý bùn theo
các phương án.
➢ Về giá thành xử lý và chi phí đầu tư xây dựng tính cho 1m3 bùn (hình 4.9)
Phương án TT1a có chi phí xử lý bùn là 215.911 VNĐ/tấn (qui đổi bằng 9,3
USD/tấn) thấp hơn phương án TT1b (15,5 USD/tấn); thấp hơn phương án HT
(13,2 USD/tấn); và thấp hơn phương án TT2 (36,1 USD/tấn). Phương án TT1a và
TT1b có chi phí xử lý bùn thấp hơn chi phí xử lý và thải bỏ ở Hàn Quốc (31,5 –
48,1 USD/tấn); và giá thành này phù hợp với chi phí xử lý ở Thái Lan với chi phí


23
xử lý chất thải có thu hồi năng lượng từ 4,3 USD/tấn đến 28,6 USD/tấn. Như vậy,
chi phí xử lý bùn và suất vốn đầu tư xây dựng thay đổi phụ thuộc vào từng công
nghệ xử lý bùn, công suất xử lý và từng địa phương.

Hình 4.9. Giá thành xử lý và suất vốn đầu tư xây dựng theo các phương án.
Phương án TT1a hoặc TT1b được đề xuất sử dụng. Trong tương lai, khi
những quy định về kiểm soát bùn thải tái sử dụng trong nơng nghiệp và phí bảo
vệ môi trường do ô nhiễm từ bùn thải đưa ra bãi chơn lấp ngày càng thắt chặt, thì
phần lợi ích thu được từ xử lý bùn, thu hồi năng lượng sẽ càng tăng lên.
Nhận xét chương 4
➢ Tại trạm XNLT Yên Sở đã có bể mê tan: áp dụng phương án YS1a hoặc áp
dụng phương án YS1b nếu trong khu vực sử dụng công nghệ sấy và đốt bùn. Xử
lý kết hợp WAS với FS theo tỷ lệ phối trộn FS:WAS=1:1 (theo khối lượng VS)
thì vẫn tận dụng được các thiết bị, cơng trình có sẵn của trạm; đồng thời thể tích
biogas sinh ra tăng lên gấp 3,79 lần, 3,84 lần và 1,43 lần tương ứng lần lượt so

với thể tích biogas thu được ở nồng độ chất bẩn trong nước thải thực tế, thấp nhất
và cao nhất khi WAS của trạm XLNT Yên Sở không xử lý cùng với FS.
➢ Tại trạm xử lý bùn tập trung Yên Mỹ: WAS của các trạm XLNT đô thị Kim
Liên, Trúc Bạch, Hồ Tây, Bảy Mẫu, Yên Xá và Phú Đô (dự kiến) xử lý kết hợp
với FS theo phương án TT1a hoặc TT1b với tỷ lệ phối trộn FS:WAS=1:3 (theo
khối lượng VS) tạo ra được 302.412,2 kWh/ngày điện năng và nhiệt năng từ thu
hồi khí sinh học. Năng lượng này đảm bảo hoàn toàn nhu cầu năng lượng cho
trạm xử lý bùn tập trung của khu vực Hà Nội nghiên cứu, và còn cung cấp năng
lượng cho xử lý nước thải của các trạm XLNT đô thị với tổng công suất
590.100m3/ngày, tỷ lệ thu hồi năng lượng là 79,2% đối với phương án TT1a và
45,0% đối với phương án TT1b.
- Phương án TT1a và TT1b áp dụng với những khu vực nội thành, diện tích đất
cho hạ tầng kỹ thuật ít, mật độ dân cư lớn để giảm diện tích bãi chơn lấp, bùn sau
phân hủy kị khí tiếp tục được xử lý để tái chế, tái sử dụng.
- Phương án TT1a áp dụng với những khu vực ngoại thành, những nơi vẫn cịn
canh tác đất nơng nghiệp có nhu cầu về phân bón, đồng thời có thêm nguồn năng
lượng thu hồi từ biogas.