Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới
khả năng phát sinh khí sinh học từ
q trình phân hủy yếm khí thành phần hữu cơ
dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt
NGƠ THANH BÌNH

Ngành Kỹ thuật Mơi trường
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

Giáo viên hướng dẫn: TS Đỗ Trọng Mùi
Bộ môn:

Quản lý Môi trường

Viện:

Khoa học và Công nghệ Môi trường

HÀ NỘI, 11/2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Các số liệu, thơng tin trong
luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tin cậy. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn
này đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc rõ ràng và được phép công bố. Tác giả chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung
luận văn.

Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2019
Học viên

Ngô Thanh Bình


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quà trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự hướng dẫn và giúp
đỡ hết sức tận tình của cán bộ nghiên cứu phịng Cơng nghệ cao và Phân tích mơi
trường – Cơng ty Cổ Phần Kỹ thuật môi trường Đại Việt đồng thời cũng nhận được
sự chỉ bảo tận tình từ các thầy cơ tại Viện Khoa học và Công nghệ môi trường – Đại
học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và lịng biết ơn của mình tới TS. Đỗ Trọng
Mùi - Bộ môn Quản lý Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Đại
Học Bách Khoa Hà Nội đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tơi hồn
thành luận văn này. Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ của
Phịng Cơng nghệ cao và Phân tích môi trường – Công ty Cổ Phần Kỹ thuật môi
trường Đại Việt - những người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong
suốt q trình thực hiện đề tài.
Tôi xin được cảm ơn Trung tâm kiểm nghiệm, Viện Thực phẩm chức năng
(VIDS) và Công ty TNHH Thiết bị 2H đã hỗ trợ tôi về mặt thiết bị trong q trình
thực hiện luận văn này.
Tơi xin dành lời cảm ơn tiếp theo tới tập thể giảng viên Viện Khoa học và
Công nghệ môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội đã dạy dỗ tôi trong suốt q trình
học – những người Thầy, người Cơ qua thời gian đã trang bị cho tôi một nền tảng
kiến thức khoa học, phương pháp học tập và làm việc.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã động viên,
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập vừa qua.
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2019
Học viên

Ngô Thanh Bình


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................3

1.1. Thực trạng và hướng giải quyết vấn đề chất thải rắn sinh hoạt ..... 3
1.1.1. Thực trạng về chất thải rắn sinh hoạt. ............................................ 3
1.1.2. Phương án thực giải quyết vấn đề chất thải sinh hoạt. .................. 5
1.2. Giới thiệu chung về về khí sinh học. ................................................... 8
1.2.1. Khái niệm khí sinh học và quá trình hình thành. ............................ 8
1.2.2. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất khí sinh học. .............................. 16
1.3. Thực trạng về sử dụng khí sinh học trên thế giới và Viêt Nam ..... 17
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học trên thế giới ............. 17
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học tại Việt Nam ............ 19
1.4. Một số khái niệm và yếu tố ảnh hưởng liên quan tới q trình sản
xuất khí sinh học từ chất thải rắn sinh hoạt ..................................... 21
1.4.1 TS, VS và hệ số VS/TS .................................................................... 21
1.4.2 Nhiệt độ và pH ............................................................................... 22
1.4.3 Tỷ lệ C/N ........................................................................................ 23

1.4.4 Chế phẩm vi sinh ............................................................................ 24
1.4.4 OLR ................................................................................................ 25
1.4.5 Một số yếu tố khác.......................................................................... 26
1.4.6 Ý nghĩa của việc xác định các yếu tố ảnh hưởng tới q trình sản
xuất khí sinh học từ chất thải rắn sinh hoạt............................................ 28
1.5. Kế thừa mơ hình thí nghiệm sản xuất khí sinh học trong điều kiện
phịng thí nghiệm................................................................................. 28
1.6. Tổng quan các nghiên cứu về sinh khí sinh học từ chất thải ......... 29
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................30
i
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

2.1. Mục đích nghiên cứu .......................................................................... 30
2.2. Đối tượng nghiên cứu........................................................................ 30
2.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................... 31
2.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................... 32
2.4.1. Phương pháp tổng hợp tài liệu .................................................... 32
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm .......................................................... 33
2.4.3. Phương pháp xác định thể tích khí ............................................. 39
2.4.4. Phương pháp lấy mẫu, xử lý mẫu để thực hiện phân tích......... 40
2.4.4. Phương pháp xác định nhiệt độ, pH ........................................... 40
2.4.5. Phương pháp xác định tỷ lệ C/N ................................................. 40
2.4.6. Phương pháp xác định TS, VS [8] .............................................. 42
2.5. Phương pháp thu thập số liệu ........................................................... 42
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................44

3.1. Kết quả thu thập dữ liệu về chất thải trước và sau thực nghiệm. . 44
3.1.1. Dữ liệu chất thải trước và sau khi khảo sát yếu tố pH............... 44
3.1.2. Dữ liệu chất thải trước và sau khi khảo sát yếu tố nhiệt độ. ..... 45
3.1.3. Dữ liệu chất thải trước và sau khi khảo sát yếu tố tỷ lệ C/N. .... 46
3.2. Kết quả thu thập dữ liệu về lượng khí sinh học sinh ra sau thực
nghiệm. ................................................................................................. 47
3.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm các yếu tố. ....................................... 48
3.3.1. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của yếu tố pH. ............................. 48
3.3.2. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ. ..................... 51
3.3.3. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của yếu tố tỷ lệ C/N. .................... 55
KẾT LUẬN ..............................................................................................................59

A. Kết luận ................................................................................................ 59
B. Kiến nghị .............................................................................................. 59
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................61
PHỤ LỤC .................................................................................................................63

ii
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần khí sinh học trong thực tế .....................................................10
Bảng 1.2. Các vi sinh vật tham gia quá trình thủy phân ...........................................11
Bảng 1.3.Các vi sinh vật tham gia quá trình sinh axit ..............................................12
Bảng 1.4. Các vi sinh vật tham gia q trình axetat hóa ...........................................13
Bảng 1.5. Một số vi khuẩn và điều kiện sống tối ưu giai đoạn sinh metan ..............15

Bảng 1.6. Bảng giá so sánh trị năng lượng các nguồn với khí sinh học ...................18
Bảng 1.7. Bảng so sánh hiệu quả sản xuất khí sinh học của các giá trị TS ..............22
Bảng 1.8. Bảng giá trị thành phần phân bò ...............................................................25
Bảng 1.9. Hiệu quả phân hủy sinh khí của các nguồn nguyên liệu có giá trị OLR
khác nhau...................................................................................................................26
Bảng 1.10. Kết quả đánh giá khả năng sinh khí của một số loại chất thải hữu cơ
trong nghiên cứu của Gregor D. Zupančič và Viktor Grilc ......................................29
Bảng 2.1. Các thông số của chất thải ban đầu trước khi tham gia vào thí nghiệm ...38
Bảng 3.1 Giá trị các yếu tố trong 2 lần thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của pH ......44
Bảng 3.2 Giá trị các yếu tố trong 2 lần thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ
...................................................................................................................................45
Bảng 3.3 Giá trị các yếu tố trong 2 lần thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ C/N
...................................................................................................................................46
Bảng 3.4. Giá trị khí sinh học tạo thành sau quá trình thực nghiệm .........................47
Bảng 3.5. Bảng tính tốn khả năng phân hủy hữu cơ sinh khí trong thí nghiệm đánh
giá yếu tố pH .............................................................................................................49
Bảng 3.6.Bảng tính tốn khả năng phân hủy hữu cơ sinh khí trong thí nghiệm đánh
giá yếu tố nhiệt độ .....................................................................................................53
Bảng 3.7.Bảng tính tốn khả năng phân hủy hữu cơ sinh khí trong thí nghiệm đánh
giá yếu tố tỷ lệ C/N ...................................................................................................57

iii
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.Ảnh hưởng của chất thải rắn sinh hoạt tới con người và môi trường ..........4

Hình 1.2. Ba giai đoạn chuyển hóa chất hữu cơ tạo khí sinh học ...............................9
Hình 1.3. Mơ hình thí nghiệm của R. Hassan trong thí nghiệm đánh giá lượng khí
sinh ra từ nguyên liệu bùn thải và phân chuồng........................................................28
Hình 2.1. Quy trình thực hiện thí nghiệm thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các
yếu tố tới q trình sinh khí sinh học ........................................................................33
Hình 2.2. Mơ hình thí nghiệm ...................................................................................34
Hình 2.3. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ C/N và pH ..............................35
Hình 2.4. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ ...........................................35
Hình 2.5. Sơ đồ đánh giá lượng khí sinh ra ..............................................................36
Hình 3.1. Biểu đồ tương quan giữa giá trị pH ban đầu của thí nghiệm và lượng khí
sinh học tạo thành ......................................................................................................48
Hình 3.2. Biểu đồ thể hiện khả năng phân hủy hữu cơ sinh khí trong thí nghiệm
đánh giá yếu tố pH ....................................................................................................50
Hình 3.3.Biểu đồ tương quan giữa giá trị nhiệt độ ban đầu của thí nghiệm và lượng
khí sinh học tạo thành ...............................................................................................51
Hình 3.4. Biểu đồ tương quan giữa giá trị pH thực nghiệm của thí nghiệm và lượng
khí sinh học tạo thành ...............................................................................................54
Hình 3.5. Biểu đồ tương quan giữa giá trị tỷ lệ C/N ban đầu của thí nghiệm và
lượng khí sinh học tạo thành .....................................................................................55
Hình 3.6.Biểu đồ thể hiện khả năng phân hủy hữu cơ sinh khí trong thí nghiệm đánh
giá yếu tố tỷ lệ C/N ...................................................................................................58

iv
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT

:

Bộ tài nguyên mơi trường

CT

:

Chất thải

CTR

:

Chất thải rắn

CTRSH

:

Chất thải rắn sinh hoạt

KSH

:

Khí sinh học

ƠNKK

:

Ơ nhiễm khơng khí

ƠNMT

:

Ơ nhiễm mơi trường

PTN

:

Phịng thí nghiệm

PTTN

:

Phân tích thực nghiệm

QCVN

:

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

:

Tiêu chuẩn Việt Nam

TT

:

Thông tư

TS

:

Hàm lượng Chất rắn khô tổng số

VS

:

Hàm lượng Chất rắn bay hơi

∑C

:

Tổng Carbon

∑N

:

Tổng Nito

v
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, vấn đề mơi trường đang trở nên ngày càng trầm trọng, đe dọa trực
tiếp đến đời sống của con người, sinh vật và sự phát triển kinh tế, văn hoá, xã hội của
mỗi quốc gia cũng như toàn nhân loại. Trong những năm gần đây, q trình đơ thị
hóa, cơng nghiệp hóa với những bước tiến dài là cơ sở cho đời sống vật chất của con
người ngày càng cao hơn kéo theo đó là nhu cầu khai thác và tiêu dùng tài nguyên
thiên nhiên không ngừng tăng lên, làm nảy sinh hàng loạt các vấn đề mơi trường, tiêu
biểu trong số đó là vấn đề về rác thải. Mỗi ngày chúng ta thải mơi trường một lượng
lớn rác thế nhưng q trình xử lý cịn q thơ sơ dễ gây ra các ô nhiễm thứ cấp, mà
chủ yếu là hình thức chôn lắp. Hình thức chơn lắp gặp q nhiều khuyết điểm, vừa
tốn diện tích đất vừa ơ nhiễm nguồn nước do q trình thấm rỉ của rác thải. Nếu khơng
xử lý phù hợp và kịp thời thì nó sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người
và môi trường. Vậy nên, việc tìm ra hướng đi mới cho việc xử lý và giảm thiểu lượng
rác thải đang là vấn đề bức thiết đối với con người. Những công nghệ tái chế và tái
sử dụng rác thải sinh hoạt đã dần ra đời để giải quyết thực trạng này tuy nhiên khả
năng ứng dụng của chúng chưa cao, hiệu quả thực tế khơng đạt được mức ổn định,
khơng có tính kinh tế.

Bên cạnh vấn đề rác thải, do tính hữu hạn, các nguồn năng lượng truyền thống
mà con người đang sử dụng dần cạn kiệt cùng với chất thải từ việc sử dụng chúng gây
ô nhiễm môi trường, làm thay đổi khí hậu, đe dọa cuộc sống của chúng ta thì vấn đề
tìm kiếm và thay thế dần những nguồn năng lượng không tái tạo này bằng năng lượng
mới là vấn đề rất cấp bách. Thay thế nguồn năng lượng hóa thạch bằng các nguồn
năng lượng tái tạo đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới, trong
đó năng lượng từ các sinh khối thực vật ngày càng được quan tâm nghiên cứu, đặc
biệt là ở các nước nhiệt đới như Việt Nam.
Hiện nay, các quá trình chuyển đổi chất thải từ q trình nơng nghiệp, cơng
nghiệp, sinh hoạt trở thành các sản phẩm, các nguồn năng lượng đã và đang được
nghiên cứu. Khí sinh học (Biogas) là cơng nghệ sản xuất khí sinh học, là q trình ủ
phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh, để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ
1
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

gia đình hay trong sản xuất. Sản xuất khí sinh học dựa trên cơ sở phân hủy kỵ khí các
chất hữu cơ tự nhiên hay là quá trình lên men mêtan (CH4). Nguồn nguyên liệu để sản
xuất khí sinh học có thể nói là vơ tận từ các loại bùn từ cống thải, phân hố ga, thực
phẩm dư thừa, bao bì hữu cơ….từ chất thải sinh hoạt …Tuy nhiên, do chỉ áp dụng sơ
lược nên nhiều quá trình khơng đạt được hiệu quả mong muốn trong đó có các dự án
về sản xuất khí sinh học đều khơng thành cơng. Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu
ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình
phân hủy yếm khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh
hoạt” được lựa chọn để thực hiện với mục tiêu xác định được phương thức tốt nhất,
và các ảnh hưởng của các thông số tới hiệu suất chuyển đổi chất thải rắn sinh hoạt
thành năng lượng có thể sử dụng dưới dạng khí sinh học. Vì vậy, trong khn khổ

luận văn này, mơ hình cơng nghệ sản xuất khí sinh học yếm khí sẽ được sử dụng để
đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới q trình sinh khí và xử lý chất thải rắn sinh
hoạt.

2
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Thực trạng và hướng giải quyết vấn đề chất thải rắn sinh hoạt
1.1.1. Thực trạng về chất thải rắn sinh hoạt.
Chất thải là hệ quả tất yếu của cuộc sống được thải ra từ các hoạt động của con
người như sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác. Cùng
với mức sống ngày càng được nâng cao và sự phát triển trong các lĩnh vực, rác thải
cũng được tạo ra ngày càng nhiều với những thành phần ngày càng đa dạng và phức
tạp. Tác động tiêu cực của rác thải là rất rõ ràng nếu như không được quản lý và xử
lý theo đúng kỹ thuật môi trường. Kiểm sốt khối lượng, xử lý ơ nhiềm từ chất thải
nói chung và chất thải rắn sinh hoạt nói riêng đang là vấn đề nhức nhối không chỉ tại
ở Việt Nam và các nước đang phát triển mà còn là vấn đề rất nóng tại cả các nước
phát triển.
Khối lượng rác thải sinh hoạt ngày càng tăng do tác động của sự gia tăng dân
số, sự phát triển kinh tế - xã hội, sự thay đổi tính chất tiêu dùng trong các đơ thị và
các vùng nơng thơn. Vì vậy vấn đề về rác thải sinh hoạt dần nổi lên như một vấn đề
môi trường bức thiết phải giải quyết với mục tiêu giảm về số lượng và mức độ gây ô
nhiễm tới môi trường. Nhu cầu của con người về chất lượng cuộc sống ngày càng
tăng dần ở mọi nơi trên thế giới là động lực cho sự phát triển, tiến bộ, tuy nhiên kéo
theo đó là sự tăng lên rất nhiều của các vấn đề về ô nhiễm môi trường cả về số lượng

và độ khó để giải quyết: ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước,…hay trực quan hơn là
rác thải và nguồn thải ra chúng.
Chất thải rắn (hay còn được gọi là rác thải rắn) là chất thải ở thể rắn hoặc sệt
(còn gọi là bùn thải) được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các
hoạt động khác (bao gồm các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng
đồng…).[1] Trong đó, quan trọng nhất là các loại chất thải phát sinh từ các hoạt động
sản xuất và hoạt động sống. Tuy chất lượng và số lượng rác thải tại từng quốc gia và
từng khu vực trong mỗi quốc gia là rất khác nhau tùy thuộc vào trình độ phát triển
kinh tế và khoa học kỷ thuật nhưng nhìn chung chất thải rắn sinh hoạt luôn chiếm tỉ
lệ cao nhất cả về khối lượng và mức độ gây ô nhiễm.
3
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Chất thải rắn sinh hoạt (cịn gọi là rác sinh hoạt) là chất thải rắn phát sinh
trong sinh hoạt thường ngày của con người [1] .
Với xã hội phát triển, đời sống con người ngày một nâng cao thì vấn đề chất
thải sinh hoạt được thải ra mơi trường và chưa có biện pháp xử lý đang trở thành một
vấn nạn ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống của chúng ta. Chất thải sinh hoạt
nếu không được thu gom và xử lý khi thải ra môi trường sẽ gây ra các tác động ảnh
hưởng đến mỹ quan, tạo ra môi trường dịch bệnh ảnh hưởng đến sức khỏe con
người… cụ thể theo sơ đồ sau:

Con
người
Hoạt động sinh hoạt

Chất thải rắn
sinh hoạt

Tiếp xúc

Hô hấp

Ăn uống,
Tắm rửa

Ăn uống,
Tắm rửa

Nước rỉ rác

Rác thải

Khí bãi rác:
H2S, NH3,…

Mơi trường
khơng khí

Mơi trường
nước

Mơi trường
đất

Chảy tràn

Mơi trường
nước mặt

Ngấm xuống

Mơi trường
nước ngầm

Hình 1.1.Ảnh hưởng của chất thải rắn sinh hoạt tới con người và môi trường

4
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Trong mơi trường đất, các chất thải rắn tích tũy tại đây tạo ra nguy cơ tiềm tang
cả với môi trường và con người. Các chất hữu cơ có trong chất thải rắn sinh hoạt sẽ
được vi sinh vật phân hủy trong môi trường đất trong hai điều kiện hiếu khí và kỵ
khí, khi có độ ẩm thích hợp sẽ tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian, cuối cùng
hình thành các khống chất đơn giản. Với lượng chất thải và nước rò rỉ vừa phải thì
khả năng tự làm sạch của mơi trường đất sẽ phân hủy các chất này trở thành các chất
ít ơ nhiễm hoặc không ô nhiễm. Nhưng với lượng rác thải quá lớn vượt quá khả năng
tự làm sạch của đất thì mơi trường đất sẽ trở nên q tải và bị ô nhiễm. Các kim loại
nặng, các chất độc hại và các vi trùng theo bụi giám tiếp đi vào cơ thể con người và
gây bệnh. Đối với chất thải khơng phân hủy (nhựa, cao su…) nếu khơng có giải pháp
xử lý thích hợp là nguy cơ gây thối hóa và giảm độ phì của đất.
Chất thải rắn nếu khơng được thu gom, thải vào kênh rạch, sông, hồ, ao có thê

gây ơ nhiễm nguồn nước tại đây, đồng thời gây tắ nghẽn, cản trở lưu thơng của nguồn
nước. Ngồi ra, nước rị rỉ từ các bãi rác có thể chứa hợp chất hữu cơ độc hại, chúng
có thể gây đột biến gen, gây ung thư. Các chất này nếu thấm vào tầng chứa nước
ngầm hoặc nước mặt sẽ xâm nhập vào chuỗi thức ăn, gây hậu quả nghiêm trọng cho
sức khỏe con người.
Các loại chất thải dễ bị phân hủy như thực phẩm, trái cây hỏng,…trong điều
kiện nhiệt độ và độ ẩm thích hợp sẽ tạo điều kiện cho các vi sinh vật phân hủy tạo ra
mùi hôi và nhiều loại khí ơ nhiễm khác có tác động xấu đến môi trường, sức khỏe và
khả năng hoạt động của con người. Khi vận chuyển và lưu giữ chất thải rắn sẽ phát
sinh các khí độc hại như CH4, H2S, CO2,NH3… [2]
1.1.2. Phương án thực giải quyết vấn đề chất thải sinh hoạt.
Trong nhiều năm trở lại đây, quá trình hiện đại hóa, đơ thị hóa diễn ra rất nhanh
tại Việt Nam. Hệ quả là làm cho lượng rác thải sinh hoạt phát sinh ngày càng gia tăng
và trở thành vấn đề ô nhiễm cấp bách cần được giải quyết. Bên cạnh đó, cùng với sự
phát triển kinh tế, đời sống của người dân được cải thiện đáng kể. Mức sống của
người dân càng cao thì nhu cầu tiêu dùng các sản phẩm xã hội càng cao, điều này
đồng nghĩa với việc gia tăng lượng rác thải sinh hoạt. Rác thải sinh hoạt phát sinh
trong quá trình ăn, ở, tiêu dùng của con người, được thải bỏ vào môi trường ngày
5
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

càng nhiều, vượt quá khả năng tự làm sạch của môi trường dẫn đến môi trường bị ô
nhiễm, chất lượng môi trường giảm sút.
Bất chấp những nỗ lực giảm thiểu cũng như các biện pháp tái chế tái sử dụng,
lượng rác thải sinh hoạt phát sinh ngày càng tăng. Trong khi đó cơng tác quản lý rác
thải vẫn còn nhiều bất cập và yếu kém. Lượng rác thải sinh hoạt được thu gom vẫn ở

mức thấp 83-85% và chủ yếu tập trung ở các nội thị. Phần lớn rác thải sinh hoạt chưa
được phân loại, thu gom và vận chuyển hợp vệ sinh. Nhiều địa phương chưa có bãi
chơn lấp rác thải sinh hoạt hợp vệ sinh và vận hành đúng kỹ thuật. Hiện nay ở Việt
Nam, xử lý chất thải rắn sinh hoạt chủ yếu vẫn là chôn lấp. [2]
Các công nghệ xử lý chất thải rắn bao gồm: chôn lấp, sản xuất phân compost,
đốt, lên men kỵ khí… Mỗi cơng nghệ có các ưu điểm nhất định cũng như một số bất
lợi. Công nghệ tái sử dụng chất thải, sản xuất phân compost gặp khó khăn do chi phí
đầu tư cho phân loại, tái chế cao. Cơng nghệ đốt khơng khả thi do chi phí đầu tư và
vận hành cao, hệ thống hoạt động không ổn định. Thực trạng chôn lấp chất thải rắn
cho thấy: các bãi chôn lấp không hợp vệ sinh hiện đang là một trong những nguồn
gây ô nhiễm môi trường của các đô thị; các bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh đạt
tiêu chuẩn mơi trường rất ít, chủ yếu là các bãi chôn lấp hợp vệ sinh nhưng chưa xử
lý triệt để được nước rác. Hà Nội, Hải Phịng và thành phố Hồ Chí Minh đã xây dựng
những bãi chôn lấp và xử lý rác với quy mô lớn như Nam Sơn, Tràng Cát, Tam Tân,
nhưng do vị trí của các bãi chơn lấp và xử lý rác này khơng thích hợp, thiết kế xây
dựng khơng đúng kỹ thuật nên gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và thường
xuyên phát sinh mùi hôi, ảnh hưởng tới môi trường và điều kiện sinh hoạt của người
dân sinh sống lân cận.
Nhìn chung, chơn lấp chất thải rắn sinh hoạt vẫn còn là giải pháp khả thi trong
vòng 10-15 năm tiếp theo. Tuy nhiên, với kỹ thuật truyền thống, các bãi chôn lấp
chưa được vận hành ở điều kiện tối ưu, rác phân hủy chậm, hiệu quả xử lý thấp; tuy
có thể giải quyết một cách tạm thời về vấn đề xử lý rác thải, nhưng sẽ để lại nhiều hệ
lụy về vấn đề xử lý đất tái sử dụng sau khi đóng cửa bãi chơn lấp và các vấn đề về
môi trường khác.
Theo số liệu thống kê, tổng lượng chất thải rắn thông thường tại Việt Nam trong
năm 2015 ước tính khoảng 27 triệu tấn với tốc độ tăng trưởng dự báo về phát sinh
6
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

chất thải rắn sinh hoạt là 8,4%/năm đối với khu vực đô thị và tổng mức độ tăng dự
báo khoảng 5% mỗi năm, tổng lượng chất thải ước trên cả nước tính tăng lên 54 triệu
tấn vào năm 2030, trong đó hơn 50% là chất thải rắn sinh hoạt. Dự báo tổng lượng
chất thải rắn sinh hoạt đô thị đến năm 2020 khoảng 22 triệu tấn/năm. Thành phần
trong chất thải sinh hoạt gồm: Rác hữu cơ (41,98%); Giấy (5,27%); Nhựa, cao su
(7,19%); Len, vải (1,75%); Thủy tinh (1,42%); Đá, đất sét, sành sứ (6,89%); Xương,
vỏ hộp (1,27%); Kim loại (0,59%); Tạp chất (10 mm): 33,67%. [3]
Qua đó thấy đặc thù chất thải tại Việt Nam nói chung cũng như chất thải sinh
hoạt nói riêng chứa nhiều thành phần hữu cơ, đa phần là thành phần hữu cơ dễ phân
hủy sinh học (thành phần hữu cơ chiếm tới 41,98% chất thải rắn sinh hoạt). Đặc điểm
này là lợi thế trong việc tận dụng chất thải để tạo ra nguồn năng lượng sử dụng trong
sinh hoạt hàng ngày giúp giảm ô nhiễm môi trường và thay thế một phần cho nhiên
liệu hóa thạch. Việc tạo ra metan phục vụ năng lượng cho các hoạt động sống của
con người từ chất thải không chỉ là một nguồn cung năng lượng thay thế hiệu quả mà
còn là phương án giảm thiểu khối lượng chất thải (qua quá trình lên men tạo khí sinh
học), qua đó giảm thiểu gánh nặng lên các q trình xử lý chất thải sau đó hoặc có
thể tái sử dụng thành phần sau xử lý lên men khí sinh học cho q trình sản xuất phân
compost. Trên cơ sở đó, chất thải rắn sinh hoạt là nguồn nguyên liệu phù hợp để thực
hiện quá trình lên men tạo khí sinh học.
Do vậy, tơi chọn chất thải rắn sinh hoạt cho việc thực hiện các nghiệm thức
trong thực nghiệm đồng thời định hướng cho luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của
một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt” tập trung
vào đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới q trình sinh khí sinh học nhằm nâng cao
nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải rắn sinh hoạt cũng như sản xuất khí sinh học tại
Việt Nam. Kết quả của luận án là giá trị tối ưu của các yếu tố có ảnh hưởng tới q
trình sinh khí, là cơ sở để nâng cao khả năng phân hủy chất thải rắn kị khí và gia tăng

lượng khí sinh học thu hồi của hệ thống sản xuất khí sinh học.

7
Viện Khoa học và Cơng nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

1.2. Giới thiệu chung về về khí sinh học.
Tương tự như các nguồn nhiên liệu phục vụ cung cấp năng lượng cho các hoạt
động của con người, cơng nghệ sản xuất, chế biến, sử dụng khí sinh học đã được phát
triển trong nhiều năm ở những nước đã và đang phát triển. Khí sinh học được sử dụng
đốt trực tiếp để nấu ăn, thắp sang hoặc sử dụng gián tiếp thành nhiên liệu cho các
động cơ cung cấp điện năng, động năng.
Trong tự nhiên khí sinh học được tạo thành từ quá trình phân hủy xác động vật,
thực vật, các sản phẩm có nguồn gốc hữu cơ trong điều kiện lên men yếm khí. Các
q trình này thường diễn ra trong các ao hồ, vùng đầm lầy, lịng khe, sơng, suối nơi
bồi tụ và tầng đất canh tác lúa nước.
Q trình hình thành khí sinh học trong tự nhiên và trong sản xuất đều đem lại
những lợi ích có thể nhận thấy như: làm giảm đáng kể lượng chất thải hữu cơ thông
qua việc phân hủy chúng và chuyển về dạng dễ hấp thu cho thực vật; vi khuẩn có hại
sẽ bị q trình lên men các chất hữu cơ tiêu diệt cũng như các vi khuẩn gây mầm
bệnh sẽ bị loại trừ qua quá trình sinh khí;... Lợi ích đáng kể nhất là việc phát sinh ra
lượng lớn nguồn năng lượng thay thế, phục vụ cho đời sống và sinh hoạt con người.
Vì vậy, khí sinh học và phương hướng sản xuất chúng phục vụ đời sống con người
từ nguồn chất thải sẵn có là con đường phù hợp, giải quyết cả vấn đề về năng lượng
và ơ nhiễm.
1.2.1. Khái niệm khí sinh học và q trình hình thành.
Được coi như một nguồn năng lượng thay thế có khả năng tái tạo, khí sinh học

(hay cịn được gọi là Biogas) là một hỗn hợp khí chủ yếu gồm khí carbonic (CO2) và
khí metan (CH4) hình thành do q trình phân hủy kỵ khí hoặc yếm khí bởi tác dụng
của các vi sinh vật lên các chất hữu cơ. Q trình này cịn được gọi là q trình lên
men khí sinh học hoặc lên men sinh metan. [4]

8
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

CÁC CHẤT HỮU CƠ

Peptit,
Amino Axit,
Amit

Este,
Axit béo,
Rượu

Propionat,
Butyrat

Axetat + H2 + CO2

CH4 + CO2 + H2O

Giai đoạn 1

Lipit

Giai đoạn 2

Disacarit,
Monosacarit

Protein

Giai đoạn 3

Polysacarit

Hình 1.2. Ba giai đoạn chuyển hóa chất hữu cơ tạo khí sinh học [5]
Hỗn hợp khí sinh học có thành phần chủ yếu là metan (CH4) chiếm khoảng 5580% và carbon dioxit (CO2) chiếm 20-45%. Bên cạnh đó, trong thực tế, khí sinh học
cịn bao gồm nhiều thành phần khí khác, phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu cho quá
trình phân hủy hoặc điều kiện phân hủy như: ammoniac (NH3) hydro sunfua (H2S),
hơi nước và một số loại khí khác với tỷ lệ nhỏ. [5]

9
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Cụ thể thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1.1. Thành phần khí sinh học trong thực tế [6]
STT

Thành phần
Metan
Carbon dioxit
Hơi nước
Hydro sunfua
Nitro
Oxy
Hydro
Amoniac

Cơng thức hóa học
CH4
CO2
H2 O
H2 S
N2
O2
H2
NH3

Tỷ lệ
55-70 %
35-40 %
o
2 (20 C) – 7 (40oC)
20 – 20.000 ppm (2 %)
<2%
<2%
<1%

< 0,05 %

Để sản sinh ra khí sinh học cần phá vỡ và tái cấu trúc các hợp chất hữu cơ có
trong thành phần của nguyên liệu tham gia q trình phân hủy. Q trình này diễn ra
trong mơi trường kỵ khí để lên men khí sinh học với sự tham gia của rất nhiều vi
khuẩn bao gồm ba giai đoạn chính là: Giai đoạn 1 - thủy phân và lên men, Giai đoạn
2 - sinh axit và axetat hóa và Giai đoạn 3 - sinh metan.
Giai đoạn 1 - thủy phân và lên men: Giai đoạn này thường là giai đoạn chậm
nhất trong quá trình phân hủy sinh phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Nhận thấy
trong mơi trường tồn tại vật chất có thể sử dụng, vi sinh vật tiết ra enzim ngoại bào
với mục tiêu thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp, phá hủy cấu trúc của chúng và
tạo thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn để có thể hấp thu và sử dụng. Trong
trường hợp này, thủy phân là một phân tử nước, dưới tác dụng của enzim tiết ra bởi
các vi sinh vật, được thêm vào các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ phức tạp
nhằm phân hủy các chất này. Cụ thể, dưới tác dụng của các enzim thủy phân
(hydrolaza) của vi sinh vật, các chất cao phân tử (polymer) như: polysacarit, lipit và
protein…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản thành các các chất đơn
(monomer) như: monosacarit , peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin… [4], [5], [6]
Các phản ứng diễn ra như sau:
𝐴𝑚𝑦𝑙𝑎𝑧𝑎,𝐶𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑜𝑧𝑎

𝑇𝑖𝑛ℎ 𝑏ộ𝑡, 𝐶𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑜𝑧𝑎 →
𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑧𝑎

𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑖𝑛 →

𝐿𝑖𝑝𝑎𝑧𝑎

𝐿𝑖𝑝𝑖𝑡 →

𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑧𝑎, 𝑀𝑎𝑙𝑡𝑜𝑧𝑎.
𝑃𝑒𝑝𝑡𝑖𝑎𝑧𝑎

𝑃𝑜𝑙𝑦 𝑝𝑒𝑝𝑡𝑖𝑡, 𝑂𝑙𝑖𝑔𝑜 𝑝𝑒𝑝𝑡𝑖𝑡 →

𝐴𝑥𝑖𝑡 𝐴𝑚𝑖𝑛, 𝐴𝑚𝑖𝑡.

𝐸𝑠𝑡𝑒, 𝐴𝑥𝑖𝑡 𝑏é𝑜, 𝐺𝑙𝑦𝑥𝑒𝑟𝑜𝑙. [4]
10

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Trong thành phần hữu cơ làm nguyên liệu lên men metan cũng gồm các thành
phần chủ yếu hydratcacbon (chủ yếu là xenluloza, hemixenluloza, tinh bột, protein,
lipit). Ở giai đoạn này, các thành phần nói trên bị phân hủy dưới tác động của men
hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợp chất đơn giản hơn có thể tan
trong nước (các đường đơn, các peptit, glyxerin, axit béo, axit amin,…) các vi sinh
vật tham gia vào giai đoạn này chuyển xenluloza thành rượu etylic, hydro và CO2 ,
chuyển xenlulaza thành axit lactic, axit axetic.
Sau đó, các đường phân được chuyển hóa thành axit pyruvic và chuyển hóa tiếp
thành rượu etylic hay axit lactic bằng con đường phân hủy kỵ khí – biến đổi sinh học.
Quá trình này được gọi là quá trình lên men. Trong q trình này, nhóm amino axit
được tạo ra từ q trình thủy phân protein sẽ bị khử nhóm amin; kết quả tạo thành
axit hữu cơ và ammoniac. Các axit hữu cơ này lại tiếp tục bị lên men và phân hủy,
tạo thành các dạng đơn giản hơn, bao gồm: axit propionic, axit axetic, axit butyric,
các axit béo mạch dài, rượu etyl. [4]

Các vi sinh vật tham gia giai đoạn đầu tiên được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1.2. Các vi sinh vật tham gia quá trình thủy phân [7]
STT

1

Nguyên liệu

Protein

Sản phẩm
Amino axit

Vi sinh vật tham gia
Clostridium sp.; Proteus vulgaris;
Peptococcus sp.; Bacteroides sp.;
Bacillus sp.; Vibrio sp.
Clostridium sp.;

2

Carbonhydrat

Monosacarit

Acetivibrio cellulolyiticus;
Staphylococcus sp.; Bacteroides sp.

3

Lipid

4

ADN, ARN

Axit béo mạch dài,
Rượu
Purin, Pyrimidin

Clostridium sp.; Micrococcus sp.
Staphylococcus sp.; Bacillus sp

Kết thúc giai đoạn 1, các hợp chất phức tạp có trong nguyên liệu, sau khi chịu
các phản ứng hóa sinh từ các vi sinh vật, biến đổi thành các monomer đơn giản, tiếp
tục tham gia vào các giai đoạn tiếp theo của quá trình phân hủy.
11
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Giai đoạn 2 - sinh axit và axetat hóa : Giai đoạn này là q trình trung gian
của sự lên men khí sinh học. Có thể chia giai đoạn này thành 2 giai đoạn nhỏ:
Quá trình sinh axit : Các chất đơn (monomer) như monosaccarit, axit amin từ
giai đoạn 1 sẽ bị các vi khuẩn sinh axit chuyển đổi thành etanol và các axit hữu cơ
đơn giản hơn (như axit propionic và axit butyric), axetat, H2 và CO2. Bên cạnh đó,
một lượng nhỏ ammoniac cũng được tạo ra từ quá trình phân hủy axit amin. [6]
Bảng 1.3.Các vi sinh vật tham gia quá trình sinh axit [7]

STT

Nguyên liệu

Sản phẩm

Vi sinh vật tham gia

Axit valeric,
isovalerate,
Axit propionic,
1

Amino axit

Lactobacillus sp.; Eschericia coli.

axit butyric
Axetat, H2, axit béo
mạch dài

CO2, H2, axit fomic,
axetat, axit butyric

Staphylococcus sp.; Bacillus sp.;
Pseudomonas sp.; Micrococcus sp.;
Eubacterium limosum.
Clostridium sp.;
Zymomonas mobiliz;
Eubacterium sp.;

CO2, H2, axit fomic,
2

Monosacarit

axetat, ethanol,

Eschericia coli

axit lactic
axit fomic, axetat,
ethanol, axit lactic
axetat

Bifidobacterium sp.
Acetobacterium sp.

Axit valeric,

3

Axit béo

isovalerate,

mạch dài;

Axit propionic,

Rượu

axit butyric,

Clostridium sp.;
Syntrophomonas wolfei

acetate, H2
12
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Q trình axetat hóa : Trong q trình này, vi khuẩn axetat hóa thưc hiện biến
đổi các axit béo mạch dài, các axit béo dễ bay hơi và rượu thành H2, CO2 và axit
axetic. Điều này dẫn tới chỉ số nhu cầu oxy hóa theo con đường sinh học và hóa học
của nguyên liệu giảm mạnh, cùng với đó là pH cũng giảm. [6]
Bảng 1.4. Các vi sinh vật tham gia q trình axetat hóa [7]
STT Ngun liệu

Sản phẩm

Vi sinh vật tham gia

Nhiệt độ tối ưu
(oC)

Axetat

1

Axit butyric

H2/CO2,
Axit formic

H2/CO2,
2

Axit

Axit formic

propionic
Axit butyric,
axetat

3

H2, CO2

Axetat

Syntrophobacter wolinii

35–40

S. fumaroxidans

35–40

Syntrophomonas wolfei

35–40

Pelotomaculum
thermopropionicum

50–60

P. schinkii

32–37

Smithella propionica

35–40

Clostridium aceticum

30–37

Kết thúc giai đoạn, tồn bộ các monosacarit được chuyển hóa thành các axetat;
trong khi đó, các peptit, axit amin, amit, este,.. sinh ra trong giai đoạn thủy phân sẽ
được lên men chuyển hóa thành hydro và axit axetic. Dưới tác động của các enzym
vi sinh vật tiết ra thì các chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các axit hữu cơ (axit axetic,
axit propionic, axit butyric,…) rượu etylic, khí carbonic, và hydro với sự xuất hiện
của các chủng vi khuẩn sống trong điều kiện kị khí như: Clostridium, Bifido
bacterium… [4], [7]

13
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Giai đoạn 3 - sinh metan: Đây là giai đoạn hình thành nên thành phần chính
của khí sinh học – metan. Dưới tác dụng của các vi khuẩn metan hóa, các hợp chất
đơn giản từ giai đoạn 2 bao gồm axit axetic, axit formic, hydro và carbonic được
chuyển hóa thành metan, carbonic và nước. Sự tạo thành metan có thể diễn ra theo
các phản ứng sau:
Từ axit axetic:
𝐶𝐻3 COO𝐻 → 𝐶𝐻4 + 𝐶𝑂2
Từ HCO3- và H2:
𝐻𝐶𝑂3− + 4𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 3𝐻2 𝑂
Từ axit formic
4𝐻𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝐻4 + 3𝐻𝐶𝑂3− + 3𝐻 +
Từ rượu metylic
4𝐶𝐻3 O𝐻 → 3𝐶𝐻4 + 𝐻𝐶𝑂2− + 𝐻 + + 𝐻2 𝑂
Từ metylamin
4𝐶𝐻3 𝑁𝐻3 + + 3𝐻2 O → 3𝐶𝐻4 + 𝐻𝐶𝑂3− + 4𝑁𝐻4+ + 𝐻 +
+

4(𝐶𝐻2 )2𝑁𝐻2 + 3𝐻2 O → 3𝐶𝐻4 + 𝐻𝐶𝑂3− + 2𝑁𝐻4+ + 𝐻 +
4(𝐶𝐻3 )3𝑁𝐻 + + 9𝐻2 O → 9𝐶𝐻4 + 3𝐻𝐶𝑂3− + 4𝑁𝐻4+ + 3𝐻 + [4]
Kết thúc quá trình phân hủy yếm khí, hỗn hợp khí sinh học bao gồm chủ yếu là
metan, carbonic, hơi nước và tỷ lệ nhỏ một số thành phần phụ khác (nito, hydro
sunfua,…) được tạo ra. Phần vật chất không thể phân hủy sẽ tồn tại dưới dạng bùn có

tỷ lệ về khối lượng và thể tích giảm đáng kể so với nguyên liệu ban đầu.
Để có thể sử dụng như một chất đốt - một nguồn năng lượng, khí sinh học được
tạo ra cần có tỷ lệ metan trong hỗn hợp khí tối thiểu là 45% (tỷ lệ có khả năng cháy
cao). Giá trị của hỗn hợp khí sinh học tỷ lệ thuận với hàm lượng metan có trong đó.[6]

14
Viện Khoa học và Cơng nghệ Mơi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

Dưới đây là một số vi khuẩn tham gia vào quá trình sinh metan:
Bảng 1.5. Một số vi khuẩn và điều kiện sống tối ưu giai đoạn sinh metan [7]
STT

Vi Khuẩn

1
2
3
4
5
6

Methanothrix soehngenii
Methanosaeta concilii
Methanosarcina acetivorans
Methanobacterium bryantii
M. thermoautotrophicum

M. alcaliphilum
Methanobrevibacter
arboriphilus
Methanococcus jannaschii
Methanolacinia paynteri
Methanospirillum hungatei
Methanoplanus endosymbiosus
M. olentangyi
Methanothermus fervidus
Methanobacterium formicicum
Methanobrevibacter smithii
M. ruminantium
Methanococcus voltae
M. deltae
M. maripaludis
M. thermolithoautotrophicus
Methanoplanus limicola
Methanogenium cariaci
M. marisnigri
M. olentangyi
M. tatii
M. thermophilicum
M. bourgense
Methanocorpusculum aggregans

7
8
9
10
11

12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

pH
tối ưu
7,4–7,8
7,1–7,5
6,5–7,5
6,9–7,2
7,2–7,6
8,1–9,1

Nhiệt độ
Nguyên
tối ưu

liệu
(oC)
35–40
35–40
Axetat
35–40
37–39
65–70
37

7,8–8,0

30–37

5,0–7,0
6,6–7,2

85
40
30–37
40
30–40
83
37–45
37–39
37–39
35–40
37
35–40
65

40
20–25
20–25
37
37–40
55–60
35–42
35–37

6,6–7,2
6,5
6,6–7,8
7,0
7,0
6,5–8,0
6,5–8,0
6,5–8,0
7,0
6,2–6,6
6,8–7,3
7,0
6,5–7,2
6,3–6,8
6,4–7,2

Sản
phẩm
CH4,
CO2

H2, CO2

CH4

Axit
formic,
H2, CO2

CH4,
CO2

Có thể nhận thấy, điều kiện tối ưu đối với đa phần vi sinh vật tham gia giai đoạn
3 – sinh metan là pH khoảng 7 và nhiệt độ khoảng 37oC.

15
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

1.2.2. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất khí sinh học.
Trong q trình sản xuất khí sinh học, nguồn vật chất có thể được chọn để sử
dụng như ngun liệu của q trình này bao gồm tồn bộ các chất nền (nguyên liệu
sinh khối) thích hợp cho phân hủy bằng vi sinh vật. Những nguyên liệu này có tính
chất chung là đều bao gồm thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học, như: nước thải,
bùn thải từ q trình xử lý sinh học hoặc hóa lý, chất thải công nghiệp, chất thải đô
thị hay chất thải sinh hoạt. Với tiềm năng hàm lượng chất hữu cơ cao, phù hợp với
q trình phân hủy yếm khí tạo khí sinh học, chất thải sinh hoạt nói chung hay chất
thải thực phẩm trong sinh hoạt nói riêng là đối tượng phù hợp cho thực nghiệm đánh

giá điều kiện sinh khí.
Trong quy mơ lớn - các q trình sản xuất khí sinh học phục vụ thương mại, các
nguyên liệu phổ biến thường được chọn lựa là phân động vật từ các trang trại chăn
nuôi. Đây là nguồn cung ổn định với chi phí ngun liệu thấp. Ngồi ra, ngun liệu
cho sản xuất khí sinh học thương mại cịn có thể chọn lựa nguyên liệu có nguồn gốc
thực vật. Nguồn nguyên liệu này bao gồm lá, thân cây, các phụ phẩm nông nghiệp
(như: rơm, rạ,…) hay các sản phẩm nông nghiệp. Sử dụng nguyên liệu dạng này cần
có sự hỗ trợ của các hoạt động phá vỡ cấu trúc bên ngoài, giúp vi sinh vật có thể dễ
dàng phân hủy chúng hơn. [4], [6]
Trong quy mơ hộ gia đình, các hầm khí sinh học cỡ nhỏ này thường sử dụng
các nguyên liệu có sẵn trong q trình lao động, sinh hoạt như: rơm, trấu, ngô, rác
thải từ chế biến nông phẩm, chất thải từ bể phốt… Ưu điểm của loại nguyên liệu này
là có sẵn, sản xuất khí sinh học có thể đồng thời xử lý rác thải làm giảm chi phí cho
vệ sinh.
Trong tương lai, rác thải từ chế biến nông nghiệp và các xí nghiệp thực phẩm,
cũng như rác thải hữu cơ đơ thị cũng có thể trở thành nguồn nguyên liệu quan trọng
cho sản xuất khí sinh học. Trong năm 2015, trong khoảng 27 triệu tấn/năm CTR thông
thường phát sinh trong cả nước, 50% trong đó là chất thải rắn sinh hoạt. [5] Tuy hiện
nay nguồn nguyên liệu này chưa được coi là nguồn nguyên liệu chính cho quá trình
sản xuất khí sinh học, nhưng với lượng chất thải sinh hoạt ngày càng tăng, nhu cầu
về sử lý chất thải cũng như tận dụng chúng cho các quá trình sản xuất, tái chế sẽ là
16
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551


Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng phát sinh khí sinh học từ q trình phân hủy yếm
khí thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học của chất thải rắn sinh hoạt – Ngô Thanh Bình – 17BKTMT

động lực cho sự chọn lựa rác thải sinh hoạt làm nguồn ngun liệu chính cho q
trình sản xuất khí sinh học.

1.3. Thực trạng về sử dụng khí sinh học trên thế giới và Viêt Nam
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng khí sinh học trên thế giới
a. Tình hình nghiên cứu và sản xuất.
Từ xa xưa trong lịch sử lồi người, khí sinh học đã được sử dụng trong cuộc
sống như một nguồn nhiên liệu, chất đốt có giá trị. Tuy vậy, các nghiên cứu về khí
sinh học chỉ bắt đầu xuất hiện từ khi Van Helmont phát hiện thấy từ các chất hữu cơ
thối rữa sản sinh ra một loại khí cháy được vào năm 1630. Bắt đầu nghiên cứu khí
sinh học từ những năm 1770, Allesandro Volta để ý đến khí đầm lầy trong trầm tích
của các hồ ở miền bắc Italy, sau đó ơng bắt đầu tiến hành thí nghiệm về sự cháy của
khí này. Tuy nhiên, kết luận của ơng chỉ dừng lại ở việc quá trình phân hủy tại các
đầm lầy diễn sinh 1 loại khí có thể gây cháy. Mãi tới những năm sau đó, khi Faraday
thử nghiệm các khí này và xác định nó là 1 loại khí hidrocacbon. Chỉ trong năm 1821,
nhà nghiên cứu Avogadro đã thiết lập cơng thức hóa học của khí metan (CH4).
Trong những năm sau đó, lần lượt các nghiên cứu của Faraday, Béchamp và
nhiều nhà khoa học khác chỉ ra rằng có một loại khí với thành phần chính là metan
được sản sinh trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ; nó có khả năng cháy và sinh
ra nhiệt lượng tương đối tốt. Năm 1884, nhà vi khuẩn học nổi tiếng của Pháp, Pasteur
đã cùng học trị của mình, Gayon đã tiến hành thử nghiệm với phân rắn. Họ là những
người đầu tiên đề xuất việc sử dụng các phân từ các chuồng ni gia súc ở Paris để
sản xuất khí đốt giúp chiếu sáng đường phố.
Cùng với sự phát triển của công nghệ, năm 1897 tại một bệnh viện ở Ấn Độ,
nhà máy sản xuất khí sinh học đầu tiên đã được xây dựng, nhiên liệu khí tạo ra được
sử dụng cho chiếu sáng và vào năm 1907 nó đã được sử dụng để cung cấp cho các
công cụ để sản xuất điện. Trong những năm đầu của thập niên 1990, cả hệ thống
thương mại và thử nghiệm đều bắt đầu được xây dựng. Sản xuất khí sinh học dần trở
thành khái niệm phổ biến trên toàn thế giới. Ngày nay, hàng ngàn hệ thống sản xuất
khí sinh học được xây dựng và hoạt động tại châu Âu và nhiều nơi khác trên thế
giới.[4], [8]
17
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN-Tel: (84.24) 38681686-Fax:(84.24) 38693551