Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp bằng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn thủy phân bằng kiềm hóa và methane hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG
---------------o0o---------------

NGUYỄN HÙNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN SINH HỌC TỪ TRẠM XỬ LÝ
NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CƠNG NGHIỆP BẰNG CƠNG
NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ HAI GIAI ĐOẠN: THỦY PHÂN
BẰNG KIỀM HÓA VÀ METHANE HÓA

Chuyên ngành

: Công nghệ Môi trường

Mã số

: 60 85 06

MSHV

: 02507600

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HCM, Tháng 01/201


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét1: ……………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ……………………………………

Luận văn Thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……. tháng…….năm…….


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
KHOA MÔI TRƯỜNG
------------------oOo--Tp. HCM, ngày …. tháng …. năm ….
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HÙNG CƯỜNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01/02/1984

Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành :Công nghệ Môi trường

MSHV: 02507600

Khoá (Năm trúng tuyển): 2007
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN SINH HỌC TỪ TRẠM
XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẬP TRUNG KHU CÔNG NGHIỆP BẰNG
CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ HAI GIAI ĐOẠN: THỦY
PHÂN BẰNG KIỀM HĨA VÀ METHANE HĨA.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
• Nghiên cứu tổng quan q trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học.
• Nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa để nâng
cao hiệu quả xử lý bùn thải.
• Đề xuất quy trình xử lý
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Phước
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chun
Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin trân trọng kính gửi sự biết ơn và lịng cảm tạ sâu sắc đến:
– Cơng ơn sinh thành và dưỡng dục của cha mẹ.
– Công dạy dỗ và sự giúp đỡ tận tuỵ của Thầy Nguyễn Văn Phước, Cơ Nguyễn

Thị Thanh Phượng trong q trình học tập nghiên cứu, đặc biệt trong thời
gian thực hiện luận văn.
– Sự dìu dắt, hướng dẫn của tập thể Thầy, Cơ thuộc bộ mơn Kỹ thuật Mơi
trường nói riêng và Thầy, Cơ khoa Mơi trường nói chung.
– Sự quan tâm và giúp đỡ ân cần của bạn bè, đồng nghiệp, cơ quan tạo điều
kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
– Sự hỗ trợ của Ths Đặng Diệp Yến Nga và các bạn sinh viên khóa 2007, khóa
2008 trong q trình thực hiện nghiên cứu.
– Tất cả Cô, Chú, Anh, Chị, những người mà tôi đã từng gặp, những người mà
tôi không thể liệt kê hết ở đây, đã giúp đỡ, chỉ bảo cho tôi những kinh
nghiệm quý báu.
Trong sự cố gắng và nổ lực của bản thân, do sự hạn chế về trình độ cũng như
kinh nghiệm và cùng nhiều nguyên nhân khách quan khác, luận văn này sẽ khơng
tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm. Kính mong sự chỉ dẫn của q thầy cơ góp
ý và sửa chữa để đề tài được hồn thiện hơn.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2011
NGUYỄN HÙNG CƯỜNG


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong q trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học, bùn thải sẽ bị thủy phân, acid
hóa trong giai đoạn chính thứ nhất và hình thành khí methane trong giai đoạn kế
tiếp. Để tăng lượng khí methane sinh ra, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào việc
tăng khả năng thủy phân của bùn thải sinh học.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát mức pH và thời gian phản ứng
tối ưu cho quá trình tiền xử lý bùn thải bằng NaOH và Ca(OH)2. Kết quả cho thấy,
khi tiền xử lý bùn thải sinh học ở mức pH=10 trong 16 giờ bằng NaOH 5% cho
lượng khí methane sinh ra tốt nhất (412ml CH4/g VS). Thời gian phân hủy kỵ khí
(thủy phân, acid hóa, methane hóa) là khoảng 9.7 ngày.

ABSTRACT
During waste activated sludge anaerobic digestion, sludge is usually hydrolyzed and
acidified in first stage, then methane is produced in second stage. To get more
methane from sludge, most studies in literature focused on the increase of sludge
hydrolysis.
In this paper, optimum pH and reaction time when sludge pretreatment with NaOH
and Ca(OH)2 were investigated. Retreating sludge at pH 10 for 16 hours with NaOH
5% will produced optimum methane yield ((412ml CH4/g VS). Nevertheless, its
total time involved in two stage (hydrolysis, acidification and methanogenesis) was
9.7 days.


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH...................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................7
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................9
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................10
2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN ...........................................11
2.1 Mục tiêu của luận văn ...............................................................................11
2.2 Nội dung của luận văn ..............................................................................11
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI........................................................................................................................12
3.1 Phương pháp .............................................................................................12
3.2 Phạm vi nghiên cứu...................................................................................12
4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ....................................................13
4.1 Ý nghĩa khoa học ......................................................................................13
4.2 Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................13

4.3 Tính mới của đề tài....................................................................................13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙN THẢI SINH HỌC, CÁC PHƯƠNG
PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI, Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÙN THẢI
VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ GẦN ĐÂY ............................................14
1.1 BÙN THẢI SINH HỌC VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG ......................14
1.1.1 Nguồn gốc bùn thải sinh học....................................................................14
1.1.2 Tác động môi trường của bùn thải sinh học..........................................15
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI SINH HỌC ........................16
1.2.1 Ép bùn ...................................................................................................16
1.2.2 Ổn định bùn...........................................................................................16
1.2.3 Điều hịa cặn..........................................................................................17
1.2.4 Xử lý bằng nhiệt....................................................................................18
1.2.5 Oxi hóa pha lỏng ...................................................................................19
- 1-


1.2.6 Khử nước của cặn..................................................................................19
1.3 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI SINH
HỌC......................................................................................................................21
1.3.1 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng nhiệt..............................21
1.3.2 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng sóng siêu âm.................23
1.3.3 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng cơ học ...........................24
1.3.4 Phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng kiềm hóa .......................25
1.3.5 Cơ chế thủy phân của phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng
kiềm hóa ............................................................................................................30
1.3.5.1 Hình dạng và đặc điểm cấu tạo của vi sinh vật.................................30
1.3.5.1.1 Vỏ nhày (caspule) ......................................................................30
1.3.5.1.2 Thành tế bào (cell wall) ............................................................31
1.3.5.1.3 Màng tế bào chất (màng cytoplasme) .......................................33
1.3.5.1.4 Chất nguyên sinh (Cytoplasma).................................................33

1.3.5.1.5 Các chất dự trữ và các thể ẩn nhập trong tế bào ........................34
1.3.5.1.6 Nhân của tế bào vi khuẩn...........................................................34
1.3.5.1.7 Tiêm mao và sự di động (flagella) .............................................34
1.3.5.1.8 Bào tử và sự hình thành bào tử ..................................................35
1.3.5.2 Đặc điểm chung của tế bào ...............................................................35
1.3.5.2.1 Tương tác giữa tế bào với môi trường qua màng tế bào............36
1.3.5.2.2 Sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu ............................................37
1.3.5.2.3 Sự khuếch tán.............................................................................38
1.3.5.3 Cơ chế thủy phân của phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học bằng
kiềm hóa ........................................................................................................38
1.3.6 Tình hình ngiên cứu trong nước...............................................................39
1.4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÙN

THẢI SINH HỌC................................................................................................40
1.4.1 Tổng quan về q trình kỵ khí .................................................................40
1.4.2 Động học q trình kỵ khí........................................................................42
- 2-


1.4.3 Động học q trình kỵ khí........................................................................44
1.4.3.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối.................................................................44
1.4.3.2 Nhiệt độ.............................................................................................44
1.4.3.3 Ẩm độ................................................................................................44
1.4.3.4 pH......................................................................................................44
2.4.3.5 Thời gian ủ ........................................................................................44
1.4.3.6 Hàm lượng chất rắn (Vật chất khô)...................................................44
1.4.3.7 Thành phần dinh dưỡng ....................................................................45
1.4.3.8 Các chất gây trở ngại quá trình lên men ...........................................45

1.4.3.9 Một số yếu tố khác ............................................................................46
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU............................................................47
2.1 THIẾT BỊ - VẬT LIỆU VÀ HĨA CHẤT...................................................47
2.1.1 Thiết bị và dụng cụ đo..............................................................................47
2.1.2 Hóa chất cho nghiên cứu..........................................................................47
2.1.3 Tính chất của bùn thải ..............................................................................47
2.2 MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM............................................50
2.2.1 Mơ hình nghiên cứu: ................................................................................50
2.2.2 Cách thức tiến hành nghiên cứu...............................................................53
2.2.3 Phương pháp phân tích.............................................................................56
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.........................................................58
3.1 KHẢO SÁT KẾT QUẢ CỦA VIỆC TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI BẰNG
PHƯƠNG PHÁP KIỀM HÓA: .........................................................................58
3.1.1 Kết quả tiền xử lý bùn thải bằng NaOH...................................................58
3.1.2 Kết quả tiền xử lý bùn thải bằng Ca(OH)2 ...............................................68
3.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC TIỀN XỬ LÝ BÙN THẢI
BẰNG KIỀM HĨA ĐẾN Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ HỖN HỢP
SAU THỦY PHÂN..............................................................................................69
3.2.1. Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Quá trình
phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân – VS và TS........................................69
- 3-


3.2.2. Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Q trình
phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân – nồng độ COD tổng (tCOD)............71
3.2.3. Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Q trình
phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Lượng khí methane sinh ra:............73
3.2.4. Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Q trình
phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Số lượng Fecal coliform:................76
3.2.5. Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa đến Q trình

phân hủy kỵ khí hỗn hợp sau thủy phân - Nồng độ các kim loại trong bùn thải
sinh học: ............................................................................................................78
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83
PHỤ LỤC .................................................................................................................85
PHỤ LỤC A .........................................................................................................85
1. KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH ......................................................................85
PHỤ LỤC B: MỘT SỐ HÌNH ẢNH .................................................................90
CƠNG TÁC LẤY MẪU:..................................................................................90
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI LINH
TRUNG 1 ..............................................................................................................
CÔNG SUẤT 5.000 M3/NGÀY ĐÊM.............................................................92 

- 4-


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo tế bào vi khuẩn
Hình 1.2 Tế bào vi khuẩn khi nhuộm
Hình 1.3 Cấu tạo thành tế bào vi khuẩn
Hình 1.4 Hiện tượng khuếch tán
Hình 1.5 Sơ đồ các quá trình trong phân hủy kị khí
Hình 2.1 Sơ đồ tổng qt mơ hình nghiên cứu
Hình 2.2: Mơ hình điều chỉnh pH của bùn thải
Hình 2.3 Mơ hình phân hủy kỵ khí bùn thải và đo lượng khí methane sinh ra
Hình 2.4 Mơ hình đo lượng khí methane sinh ra
Hình 3.1 Kết quả COD hịa tan (sCOD) sau 4 giờ ở các mức pH
Hình 3.2 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 8 giờ ở các mức pH
Hình 3.3 Kết quả COD hịa tan (sCOD) sau 12 giờ ở các mức pH
Hình 3.4 Kết quả COD hịa tan (sCOD) sau 16 giờ ở các mức pH

Hình 3.5 Kết quả COD hòa tan (sCOD) sau 20 giờ ở các mức pH
Hình 3.6 Kết quả COD hịa tan (sCOD) sau 24 giờ ở các mức pH
Hình 3.7 Kết quả COD hòa tan (sCOD) theo thời gian ở các mức pH
Hình 3.8 Diễn biến COD hịa tan/ COD tổng (sCOD/tCOD) theo thời gian ở các
mức pH
Hình 3.9 Diễn biến pH của các mẫu bùn theo thời gian thủy phân
Hình 3.10 Diễn biến chất rắn bay hơi (VS) theo thời gian ở các mức pH
Hình 3.11 Biểu đồ so sánh COD hòa tan (sCOD) giữa NaOH và Ca(OH)2 tại thời
điểm 16h
Hình 3.12 Biểu đồ diễn biến chất rắn bay hơi VS theo thời gian phân hủy kỵ khí
Hình 3.13 Biểu đồ diễn biến hiệu quả loại chất rắn bay hơi (% VS giảm)
Hình 3.14 Biểu đồ diễn biến tổng chất rắn (TS) theo thời gian phân hủy kỵ khí
Hình 3.15 Biểu đồ COD tổng (tCOD) sau 10 ngày phân hủy kỵ khí ở các mức pH
Hình 3.16 Biểu đồ thể tích tích lũy khí methane theo thời gian
Hình 3.17 Biểu đồ thành phần khí biogas tại ngày thứ 4
- 5-


Hình 3.18 Biểu đồ thành phần khí biogas tại ngày thứ 8
Hình P1 Sơ đồ chuyển hóa chất hữu cơ thành methane (CH4)
Hình P2 Sân phơi bùn – Trạm xử lý Nước thải tập trung Khu chế xuất Linh Trung 1
Hình P3 Cơng tác lấy mẫu
Hình P4 Mơ hình đo lượng khí methane sinh ra
Hình P5 Mơ hình đo lượng khí methane sinh ra và máy GCMS

- 6-


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh hoạt

Bảng 1.2 Tỷ lệ C/N trong một số loại phân
Bảng 1.3. Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí
Bảng 2.1 Thành phần, tính chất bùn thải từ trạm xử lý nước thải tập trung KCX
Linh Trung 1
Bảng 2.2: Bảng quy hoạch thực nghiệm thí nghiệm thủy phân bùn thải
Bảng 2.3: Bảng quy hoạch thực nghiệm thí nghiệm methane hóa
Bảng 2.4: Bảng tóm tắt một số phương pháp phân tích
Bảng 3.1 Kết quả COD tổng của các mẫu sau 10 ngày phân hủy kỵ khí
Bảng 3.2 Thành phần phần trăm các khí trong biogas
Bảng 3.3 Kết quả phân tích Fecal coliform trong các mẫu bùn
Bảng 3.4 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu kim loại có trong bùn thải
Bảng P1: Kết quả COD hòa tan (sCOD – mg/L) của các mẫu bùn theo thời gian ở
các mức pH.
Bảng P2: Kết quả tính tốn phần trăm COD hòa tan/COD tổng (%sCOD/tCOD)
Bảng P3: Kết quả COD hòa tan của các mẫu bùn ở các mức pH khi được kiềm hóa
bằng NaOH và Ca(OH)2 tại thời điểm 16h.
Bảng P4: Kết quả hàm lượng chất rắn bay hơi (VS – g/L) của các mẫu bùn theo
thời gian ở các mức pH
Bảng P5: Kết quả hàm lượng tổng chất rắn (TS – g/L) của các mẫu bùn theo thời
gian ở các mức pH
Bảng P6: Kết quả diễn biến pH của các mẫu bùn theo thời gian thủy phân
Bảng P7: Kết quả hàm lượng chất rắn bay hơi (VS – g/L) của các mẫu bùn theo
thời gian phân hủy kỵ khí

-7-


Bảng P8: Kết quả hàm lượng tổng chất rắn (TS – g/L) của các mẫu bùn theo thời
gian phân hủy kỵ khí
Bảng P9: Kết quả theo dõi lượng khí methane sinh ra theo thời gian phân hủy kỵ khí

-8-


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên & Môi trường

DNA

Deoxyribo nucleic acid

F/M

Food to micro organism ratio
Tỷ số thức ăn và vi sinh vật

QCVN

Quy chuẩn Việt nam

RNA

Ribonucleic acid

sCOD

Soluble chemical oxygen demand
Nhu cầu oxy hóa học hịa tan

tCOD

Total chemical oxygen demand
Tổng nhu cầu oxy hóa học hịa tan

TS

Total Solid
Tổng chất rắn

Tp HCM

Thành phố Hố Chí Minh

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen

UBKHKT

Ủy ban Khoa học kỹ thuật

VS (VSS)

Volatile solid/ Volatile suspended solid
Chất rắn bay hơi/ Chất rắn lơ lửng bay hơi

VFA

Volatile Fatty Acid
Acid béo bay hơi

-9-


MỞ ĐẦU
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Bùn thải sinh học sinh ra chủ yếu từ các quá trình xử lý nước (nước thải đơ thị,
nước thải cơng nghiệp và nước cấp…). Tính chất bùn thải phụ thuộc vào thành phần
ô nhiễm của nước và công nghệ xử lý. Tại thành phố HCM, mỗi ngày ngành môi
trường thành phố tiếp nhận 250 tấn bùn từ các khu công nghiệp, các nhà máy lớn
đang hoạt động và hơn 500 tấn bùn phát sinh từ công tác rút hầm cầu. Dự kiến đến
năm 2010, khối lượng bùn thải phát sinh từ công tác nạo vét mạng lưới thoát nước
và kênh rạch, từ các trạm xử lý nước sinh hoạt của thành phố, từ các khu công
nghiệp tập trung, các nhà máy lớn, bể tự hoại sẽ tăng lên 2 – 2,5 triệu m³ bùn.
Bùn thải sinh học là vấn đề cấp thiết do ảnh hưởng của nó đến mơi trường xung
quanh, gây ơ nhiễm khơng khí và nhất là thẩm thấu làm ơ nhiễm nguồn nước ngầm,
nước mặt dẫn đến chất lượng nguồn nước bị suy giảm. Do đó, đề tài nghiên cứu xử
lý bùn thải sinh học từ các trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp được đề
xuất như một giải pháp cho một phần công tác quản lý bùn thải hiện nay.
Bùn thải chứa nhiều thành phần khác nhau ở dạng lơ lửng và hòa tan. Các
thành phần nguy hại như kim loại nặng, chất ô nhiễm hữu cơ, vi khuẩn gây bệnh
cần phải được xử lý trước khi thải bỏ. Các thành phần hữu cơ, nitơ, photpho, kali,
canxi trong bùn có giá trị nơng nghiệp cao nên có thể được sử dụng để cải tạo đất,
trồng rừng, làm phân bón…
Mặt khác, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hố thạch từ xăng dầu, khí gas và
than đá của xã hội hiện nay làm cho trái đất ngày càng ấm dần lên. Nhu cầu thay đổi
nguồn nhiên liệu, từ nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu sinh học mang lại nhiều
lợi ích như bảo vệ môi trường, phát triển kinh tế và đảm bảo an tồn năng lượng

quốc gia. Có nhiều nghiên cứu về tìm nguồn nhiên liệu thay thế sử dụng phương
pháp sinh học vì những lợi ích tích cực về mặt môi trường mà phương pháp này
mang lại.
Một giải pháp tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học là sử dụng nguồn
nguyên liệu từ các chất hữu cơ trong bùn thải sinh học để sản xuất biogas. Biogas là

- 10 -


khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ
dưới tác động của vi khuẩn trong mơi trường kỵ khí. Đây là hướng đi tích cực trong
xử lý bùn thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thu hồi biogas làm nguồn
nhiên liệu phục vụ cho sản xuất.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu
“Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp
bằng cơng nghệ phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn: thủy phân bằng kiềm hóa và methane
hóa”.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy giai đoạn thủy phân các chất hữu cơ lơ
lửng thành các chất hịa tan trong q trình phân hủy kỵ khí là giai đoạn quyết định
đến tồn bộ thời gian phân hủy kỵ khí ( Eastman and Fergson, 1981). Vì vậy, việc
áp dụng một số phương pháp tiền xử lý bùn thải sinh học sẽ giúp phá vỡ thành tế
bào vi sinh và cải thiện khả năng phân hủy của bùn thải sinh học. Mục đích của giai
đoạn tiền xử lý bùn thải sinh học là gây nứt gãy lớp thành tế bào, tạo điều kiện cho
tế bào chất được giải phóng dưới dạng hịa tan diễn ra nhanh hơn. Một số phương
pháp tiền xử lý bùn thải sinh học đã được nghiên cứu như: cơ học (nghiền, sóng
siêu âm...); nhiệt; sinh học (thủy phan bằng enzyme); hóa học (ozone, oxy già, acid
và kiềm hóa). Trong đó, đề tài nghiên cứu này tập trung nghiên cứu phương pháp
tiền xử lý bùn sinh học bằng phương pháp kiềm hóa với NaOH và Ca(OH)2 trước
khi đưa vào giai đoạn methane hóa.
2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

2.1 Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu công
nghiệp bằng cơng nghệ phân hủy kỵ khí 2 giai đoạn: thủy phân bằng kiềm hóa và
methane hóa. Áp dụng cho bùn thải sinh học tập của trạm xử lý nước thải tập trung
khu chế xuất Linh Trung 1 – công suất 5000m3/ngày đêm.
2.2 Nội dung của luận văn
● Nghiên cứu tổng quan q trình phân hủy kỵ khí bùn thải sinh học

- 11 -


● Nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn thải bằng kiềm hóa để nâng cao
hiệu quả xử lý bùn thải:
+ Xác định ảnh hưởng của việc nâng pH đến khả năng thủy phân của bùn thải thông
qua chỉ tiêu COD hòa tan (sCOD), COD tổng (tCOD) với dung dịch NaOH và
Ca(OH)2.
+ Khảo sát thời gian lưu của phản ứng kiềm hóa tương ứng với các mức pH khảo
sát.
+ Khảo sát lượng biogas thu hồi theo thời gian, thành phần khí biogas
+ Khảo sát thời gian phân hủy bùn
● Đề xuất công nghệ xử lý trong thực tế.
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ
TÀI
3.1 Phương pháp
+ Mơ hình tĩnh trong phịng thí nghiệm.
+ Phương pháp phân tích sCOD, tCOD (bichromate)
+ Phương pháp phân tích chuẩn độ với các chỉ tiêu khác
+ Phương pháp sắc ký lỏng xác định thành phần khí biogas
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu xử lý bùn thải sinh học từ trạm xử lý nước thải

tập trung khu chế xuất Linh Trung 1.
Đề tài thực hiện nghiên cứu:
+ Xác định ảnh hưởng của việc nâng pH đến khả năng thủy phân của bùn thông qua
chỉ tiêu sCOD, tCOD với dung dịch NaOH và Ca(OH)2.
+ Khảo sát thời gian lưu của phản ứng kiềm hóa tương ứng với các mức pH khảo
sát.
+ Khảo sát lượng biogas thu hồi theo thời gian, thành phần khí biogas.
+ Khảo sát thời gian phân hủy bùn.

- 12 -


4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
4.1 Ý nghĩa khoa học
+ Đưa ra giải pháp để xử lý bùn thải sinh học từ trạm xử lý nước thải tập trung khu
cơng nghiệp.
+ Đóng góp cơ sở lý thuyết và kỹ thuật cho ngành công nghệ môi trường.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
+ Là tiền đề cho các nghiên cứu quy mơ pilot lớn và triển khai thực tế.
+ Có thể áp dụng để xử lý lượng bùn thải sinh học hiện có của TPHCM.
4.3 Tính mới của đề tài
+ Đưa ra giải pháp để xử lý bùn thải sinh học.
+ Thu hồi biogas làm nhiên liệu phục vụ cho đời sống và sản xuất.
+ Nâng cao hiệu quả thu hồi biogas từ bùn thải sinh học bằng cách tiền xử lý bùn
thải bằng kiềm hóa với dung dịch NaOH và Ca(OH)2.
+ Xác định pH kiềm hóa thích hợp, thời gian lưu cho phản ứng kiềm hóa.

- 13 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙN THẢI SINH HỌC, CÁC
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI, Q TRÌNH PHÂN
HỦY KỴ KHÍ BÙN THẢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ
LÝ GẦN ĐÂY
1.1 BÙN THẢI SINH HỌC VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG
1.1.1 Nguồn gốc bùn thải sinh học
Trong quá trình xử lý nước, các thành phần ơ nhiễm được giữ lại, cịn nước đã
xử lý thì được cho ra mơi trường. Các thành phần bị giữ lại có thể được chia ra
thành các nhóm sau:
+ Các hạt sa lắng tự nhiên hoặc từ q trình xử lý hóa lý
+ Sinh khối dư thừa của vi sinh vật từ quá trình xử lý chất hữu cơ hịa tan
+ Các chất khống khơng phân hủy sinh học
Tất cả các sản phẩm này lơ lửng ở trạng thái lỏng tập trung nhiều hay ít được
gọi là bùn. Còn trong tự nhiên, bùn thường là thành phần sa lắng ở đáy ao, sông,
hồ…bao gồm các hạt sét, phù sa, bơng cặn…có nguồn gốc vơ cơ hay hữu cơ.
Có nhiều loại bùn khác nhau:
+ Bùn sơ cấp: là bùn từ q trình lắng. Vì thế có thể dễ dàng gạn lắng các hạt lơ
lửng, các hạt lớn hoặc dày đặc. Có thành phần vi sinh thấp (khoảng 55 – 60%) và
khả năng khử nước tốt. Loại bùn này dễ dàng đưa vào máy li tâm tách nước. Nhưng
nhược điểm là rất dễ lên men.
+ Bùn sinh học: là loại bùn từ quá trình xử lý sinh học nước thải. Là hỗn hợp của
các sinh khối vi sinh vật. Những vi sinh vật này, chủ yếu là vi khuẩn, trộn lẫn trong
các hạt bông vi khuẩn khi đi qua giai đoạn châm polymer vào bùn. Bộ phận thu gạn
cặn trong bể lắng dễ dàng tách các hạt bông vi khuẩn khỏi nước đã xử lý. Một phần
bùn sẽ được cho tách nước, phần bùn dư sẽ được cho tuần hồn để duy trì sinh khối
trong bể. Loại bùn này có tính chất chính sau: thành phần vi sinh cao (70 – 80%);
hàm lượng chất rắn thấp (7 – 10g/L); khả năng tách nước trung bình, phụ thuộc vào
vi sinh, khi vi sinh cao thì khó tách nước khỏi bùn.

- 14 -

+ Bùn hỗn hợp: là hỗn hợp của bùn sơ cấp và bùn sinh học. Tỉ lệ pha trộn thường là:
35 – 45% bùn sơ cấp, 65 – 55% bùn sinh học. Sự pha trộn cho phép khả năng tách
nước tốt hơn, và tính chất của bùn là tính chất giữa cả hai loại bùn.
+ Bùn bị phân hủy: là loại bùn từ giai đoạn ổn định bùn của quá trình phân hủy bùn.
Quá trình phân hủy được thực hiện với cả bùn sinh học hay bùn hỗn hợp. Được thực
hiện ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau (mesophilic và thermophilic) mà khơng có
sự hiện diện của oxy. Tính chất loại bùn này là: hàm lượng VS thấp (khoảng 50%),
hàm lượng chất rắn khoảng 20 – 40g/L, khả năng khử nước tốt.
Ngồi ra cịn có các loại bùn khác như: bùn hóa lý, bùn khống…
1.1.2 Tác động mơi trường của bùn thải sinh học
Hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn quy định phân loại thế nào là bùn thải sinh
học, bùn thải công nghiệp, hay bùn thải nguy hại... Trên thực tế, việc không thực
hiện phân loại xử lý bùn thải đã khiến tổng lượng bùn thải phát sinh trong sản xuất
công nghiệp cần được xử lý như bùn có chất thải nguy hại đã vượt xa năng lực xử lý
của các đơn vị có chức năng. Hậu quả là những đơn vị này đã mang chất thải nguy
hại đổ phát tán khắp nơi, khiến cho môi trường sống của cộng đồng dân cư, nguồn
nước ngầm, nước mặt, đều có nguy cơ bị nhiễm chất thải nguy hại. Bùn thải là một
mơi trường yếm khí, do vậy là nơi phát sinh các khí độc như H2S, CH4, NH3…gây
khó chịu cho con người và có thể gây độc cho các loài thủy sinh vật sống trong
nguồn nước. Mặt khác do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ sẽ làm cho các
hợp chất nitơ và phosphor khuếch tán trở lại trong nước, sự gia tăng nồng độ các
chất dinh dưỡng này trong nước có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa Hơn nữa,
với tính độc hại cao của kim loại nặng trong thành phần chất thải như: Cr(VI), Ni,
Zn, Pb, Hg…dễ dàng xâm nhập vào môi trường đất, nước mặt, nước ngầm và dễ
tích tụ vào cơ thể các sinh vật. Nếu quản lý lượng chất thải không hiệu quả thì
người dân đơ thị và những sinh vật trong môi trường khi tiếp xúc với nguồn chất
thải sẽ gây ra những hậu quả lớn.

- 15 -


1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BÙN THẢI SINH HỌC
1.2.1 Ép bùn
Ép cặn liên quan đến việc tách ẩm tự do và là giai đoạn cần thiết của tất cả các
sơ đồ cơng nghệ xử lí cặn. Khi ép trung bình tách được 60% ẩm và khối lượng cặn
giảm 2,5 lần. Độ ẩm của bùn hoạt tính là 99,2 – 99,5%. Các hạt bùn lơ lửng có kích
thước khơng lớn và có đám mây hydrate dày đặc, làm cản trở sự ép cặn.
Để ép cặn người ta sử dụng các phương pháp trọng lực, tuyển nổi, li tâm và
rung. Phương pháp ép cặn bằng trọng lực là phổ biến nhất và được áp dụng để ép
bùn hoạt tính cũng như cặn lên men. Phương pháp này dựa trên sự lắng của các hạt
lơ lửng cao trong nước được tách và độ ẩm cặn ép lớn, do đó làm cho việc xử lý
tiếp theo trở nên tốn kém. Để thúc đẩy q trình, người ta sử dụng: chất đơng tụ cặn
(ví dụ xử lý cặn bằng chlorua sắt); khuấy trộn; ép chung cặn ướt từ bể lắng chính và
bùn hoạt tính; phương pháp nhiệt – trọng lực, dựa trên sự đun nóng bùn lỏng. Khi
đó, đám mây hydrate bao quanh hạt bùn hoạt tính bị phá vỡ, một phần nước liên kết
chuyển thành tự do và quá trình ép tốt hơn. Nhiệt độ nung nóng tối ưu là 80 – 90oC.
Phương pháp tuyển nổi để ép cặn dựa trên sự kết dính hạt bùn hoạt tính với bọt
khơng khí và nổi lên bể mặt cùng với nó. Để tạo bọt khơng khí có thể áp dụng
phương pháp tuyển nổi áp suất, tuyển nổi chân không, tuyển nổi điện và tuyển nổi
sinh học (nhờ sự phát triển và hoạt động sống của vi sinh vật khi đun nóng cặn đến
35 – 55oC). Ưu điểm của phương pháp này là giảm thời gian thực hiện quá trình và
mức độ ép cao hơn.
Phổ biến nhất trong thực tế là tuyển nổi áp suất. Theo phương pháp này, người
ta cho vào cặn bùn hoạt tính một lượng nước xác định, đã được bão hịa khơng khí
dưới áp suất đến 0,4 Mpa. Khi giảm áp suất, khơng khí hịa tan tách ra ở dạng các
bọt khí nhỏ li ti.
1.2.2 Ổn định bùn
Quá trình này được tiến hành để phân hủy sinh học phần chất hữu cơ phân rã

thành CO2, CH4 và H2O. Ổn định được tiến hành nhờ các vi sinh vật trong các điều
kiện hiếu khí và kị khí. Sự lên men thường được tiến hành trong bể methane.

- 16 -


Độ ẩm cao và nồng độ protit lớn trong bùn hoạt tính làm cho chất lượng khí thấp
trong lên men yếm khí. Vì vậy, trong bể methane lên men cặn ướt từ bể lắng chính
có lợi hơn, cịn bùn hoạt tính nên cho ổn định hiếu khí. Ổn định hiếu khí là xử lí bùn
lâu trong cơng trình thơng gió với sự sục khí bằng cơ học hay khí động học. Kết quả
của việc xử lí này là phần lớn chất hữu cơ bị phân rã sinh học phân hủy thành: CO2,
CH4 và NH3. Tiêu hao khơng khí cho q trình ổn định cặn gần bằng 0,7 kg/kg chất
hữu cơ.
Ổn định cặn hiếu khí cịn có thể được thực hiện cho hỗn hợp cặn của bể lắng
chính và bùn hoạt tính dư. Hiệu quả của q trình ổn định hiếu khí phụ thuộc vào
thời gian, cường độ thơng khí, nhiệt độ, thành phần và tính chất của cặn bị oxi hóa.
Sự phân hủy các tế bào vi sinh vật trong bùn diễn ra theo phản ứng:
C5 H 7 NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2 H 2O + NH 3

Sau đó, NH3 bị oxi hóa đến NO3-…Nhược điểm của quá trình so với sự lên
men là chi phí lớn cho sự thơng khí. Năng suất tối đa của thiết bị ổn định hiếu khí
khơng lớn hơn 80,000 – 100,000 m3/ngày đêm.
Thời gian ổn định bùn hoạt tính chưa ép là 7 – 10 ngày đêm, lưu lượng riêng
phần của thông khí 1 m3/m3.h. Đối với hỗn hợp cặn mới – thời gian ổn định 10 – 12
ngày đêm, còn lượng khơng khí cần dùng là 1.2 – 1.5 m3/m3.h
1.2.3 Điều hịa cặn
Là q trình chuẩn bị trước khi khử nước hoặc tái sử dụng, nó được tiến hành
để giảm trợ lực riêng phần và làm tăng tính nhả nước của cặn nhờ sự thay đổi cấu
trúc và hình thức liên kết của nước. Năng suất của thiết bị khử nước, độ sạch của
nước được tách ra và độ ẩm của cặn được tiến hành theo phương thức tác chất và

không tác chất.
Trong xử lí cặn bằng tác chất diễn ra sự đơng tụ - q trình kết dính các hạt
phân tán cao và các hạt keo. Sự hình thành các bông lớn cùng với sự phá vỡ các
đám mây nước và sự thay đổi hình thức liên kết nước thúc đẩy sự thay đổi cấu trúc
cặn và tăng khả năng nhả nước của nó. Chất đơng tụ được dùng là các muối sắt,
nhôm: FeSO4, Fe2(SO4)3, FeCl3, Al2(SO4)3 và đá vôi. Các muối này được cho vào

- 17 -


cặn dưới dạng dung dịch 10%. Cũng có thể sử dụng phế thải chứa FeCl3,
Al2(SO4)3…Hiệu quả nhất là áp dụng FeCl3 cùng với đá vôi. Liều lượng FeCl3 là 5
– 8%, đá vôi 15 – 30% khối lượng chất khô trong cặn. Nhược điểm của xử lí bằng
hóa chất là giá thành cao, ăn mịn hóa học vật liệu, khó vận chuyển và lưu trữ cũng
như khó định lượng tác chất.
Thay cho chất đơng tụ có thể sử dụng chất keo tụ. Đối với cặn có nồng độ hữu
cơ cao (độ tro 25 – 30%) nên sử dụng chất keo tụ cation, đối với cặn có độ tro 55 –
85% nên kết hợp chất keo tụ cation và anion; đối với cặn có độ tro 65 – 70% nên
dùng chất keo tụ anion.
Trên thực tế, người ta sử dụng rộng rãi polyacrylamit. Chất keo tụ được cho
vào cặn dưới dạng dung dịch 0,01 – 0,5%. Lượng chất keo tụ trong khử nước bằng
phương pháp lọc là 0,2 – 1,5%, còn bằng li tâm là 0,15 – 0,4% (theo chất khô). Tiêu
hao chất keo tụ ít hơn đáng kể, nên giá thành xử lí giảm gần 30%.
Phương pháp xử lý khơng dùng tác chất là xử lí bằng nhiệt, đóng băng kết hợp
với lắng, oxi hóa pha lỏng, đơng tụ bằng điện và bức xạ nhiệt.
1.2.4 Xử lý bằng nhiệt
Xử lý bằng nhiệt có thể sử dụng phương pháp đốt, đun cặn và đóng băng:
Một trong những phương pháp là sử dụng bùn như nguyên liệu để đốt khi
không thể tận dụng được nó cũng như khơng có điều kiện lưu trữ nó, các thành
phần hữu cơ ơ nhiễm hồn tồn biến mất bởi q trình oxi hóa ở nhiệt độ cao. Bước

khử nước đầu tiên là cần thiết để xử lý ban đầu nhằm giảm chi phí năng lượng cho
quá trình đốt. Quá trình đốt đặc biệt phù hợp với các loại bùn có chứa thành phần
hữu cơ dễ cháy hoặc các loại bùn bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ độc hại như PAHs,
PCBs, thuốc diệt sâu bọ, dioxin và hợp chất clo hữu cơ. Trong quá trình đốt, nếu
bùn chứa hợp chất chlorine hữu cơ cần kiểm soát sự thoát ra của các chất hữu cơ
độc hại ra mơi trường khơng khí. Kim loại nặng được cố định trong bùn bởi vi sinh
vật, ngoại trừ bùn chứa Hg hay các kim loại As, Mo và V dễ dàng thốt ra ngồi.
Hg, As và Cd và những hợp chất có thể hóa hơi ở nhiệt độ 800oC với hệ thống
kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí. Một số kim loại vẫn cịn tồn tại trong chất rắn và có

- 18 -


thể được chôn lấp. Nhiệt độ thấp hơn vào khoảng 500oC sẽ không đủ để phá hủy hết
các thành phần hữu cơ và kim loại. Lò nung thùng quay là thiết bị chính dùng để xử
lý bùn bằng phương pháp này. Nhược điểm của phương pháp này là tạo ra một dịng
chất ơ nhiễm khác và cần thiết phải xây dựng hệ thống xử lý các loại bùn này. Tuy
nhiên, có rất nhiều vấn đề phát sinh từ q trình xử lý bùn thải. Thông thường các
thiết bị thường không có kích cỡ đủ lớn để xử lý lượng bùn này cũng như độ ẩm có
trong bùn cũng khơng phù hợp với hoạt động của các thiết bị trên.
Ngoài ra có thể đun cặn trong nồi hơi đến 170 – 200oC trong 1h. Trong thời
gian này cấu trúc keo của cặn bị phá vỡ, một phần chuyển vào dung dịch, phần còn
lại dễ ép và lọc. Mức độ phân ra chất hữu cơ phụ thuộc vào dạng cặn và nhiệt độ.
Phương pháp phân hủy đóng băng và lắng được ứng dụng hạn chế. Bản chất
của nó là khi đóng băng phần ẩm liên kết s4 chuyển thành tự do, diễn ra sự đông tụ
các hạt cặn và giảm trở lực. Khi lắng, cặn tạo thành cấu trúc hạt, khả năng nhả ẩm
của nó tăng. Đóng băng được thực hiện ở nhiệt độ -5oC – -10oC trong vòng 50 –
120 phút.
1.2.5 Oxi hóa pha lỏng
Bản chất của phương pháp là oxi hóa phần hữu cơ của cặn bằng oxi khơng khí

ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Hỗn hợp cặn mới và bùn hoạt tính được đun nóng đến
45 – 50oC. Sau đó, cặn qua thiết bị truyền nhiệt, đi vào thiết bị phản ứng. Từ thiết bị
phản ứng, hỗn hợp sản phẩm oxi hóa, khơng khí và tro đi qua thiết bị truyền nhiệt,
quay trở lại bể chứa, rồi sau đó được ép và khử nước. Khi xử lý cặn độ ẩm 96%
nhiệt sinh ra đủ để giữ chế độ làm việc. Khi tách ra trong thiết bị phân riêng được
sử dụng trong máy tái sinh.
1.2.6 Khử nước của cặn
Cặn được khử nước trên các bãi bùn và bằng phương pháp cơ học. Các bãi bùn
– đó là khoảng đất mà các phía được bao quanh bởi các mơ đất. Nếu đất lọc nước
tốt và nước ngầm ở độ sâu lớn, thì bãi bùn được thiết lập trên đất tự nhiên. Nếu
nước ngầm ở độ sâu dưới 1,5m thì nước lọc phải được thoát qua các ống dẫn hoặc

- 19 -