Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu sự chuyển hóa của PAHS và một số kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngưu kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

Cao Vũ Hưng

NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA PAHs VÀ MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH
BÙN THẢI SÔNG KIM NGƯU KẾT HỢP RÁC HỮU CƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN YẾM KHÍ NĨNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

Cao Vũ Hưng

NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA CỦA PAHs VÀ MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH
BÙN THẢI SÔNG KIM NGƯU KẾT HỢP RÁC HỮU CƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN YẾM KHÍ NĨNG
Chun ngành
Mã số

: Hóa mơi trường
: 62440120

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Bùi Duy Cam

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do chính tơi thực hiện. Các
kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN ÁN


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Bùi Duy
Cam người đã giao đề tài, trực tiếp chỉ bảo cho tôi định hướng nghiên cứu, kiến
thức chuyên môn và hơn hết là truyền cho tơi lịng đam mê khoa học và tinh
thần tự giác trong học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trịnh Lê Hùng người đã
dạy cho tôi các kiến thức mới, cho tơi nhiều lời khun bổ ích cũng như hỗ trợ
tơi rất nhiều trong q trình thực hiện luận án.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S. Vũ Thị Bích Ngọc
người đã sát cánh cùng tơi trong giai đoạn gian nan nhất của quá trình thực hiện
luận án.
Tôi xin cảm ơn quỹ học bổng Pony Chung, tập đồn Cơng nghiệp
Hyundai, Hàn Quốc đã hỗ trợ kinh phí như là sự động viên to lớn giúp tôi vượt
qua khó khăn để hồn thành luận án.

Tơi xin cảm ơn các anh chị em đồng nghiệp của Phịng thí nghiệm và Đào
tạo phân tích mơi trường, Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo Việt Nam - Hàn Quốc,
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã giúp tôi phân tích mẫu
nhiều mẫu nghiên cứu.
Tơi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô và các bạn nghiên cứu sinh
thuộc phịng Hóa học Mơi trường đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt khoảng thời
gian học tập và nghiên cứu tại đây.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè,
những người luôn ở bên tôi, giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hồn thành luận
án này.
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
Cao Vũ Hưng


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... 5
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 10
1.1. Khái quát về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị
tại Hà Nội .......................................................................................................... 10
1.1.1. Nguồn phát sinh ............................................................................ 10
1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị ........................................................ 11
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị......................................... 13
1.1.4. Thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội .............................. 17
1.2. Kim loại nặng và PAHs trong bùn thải đô thị ............................................ 19
1.2.1. Kim loại nặng ................................................................................ 19

1.2.2. Các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs) ................................. 24
1.3. Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đơ thị
và rác thải hữu cơ .............................................................................................. 30
1.3.1. Cơ sở của phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí..................... 31
1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí ............... 33
1.3.3. Các kỹ thuật ứng dụng phƣơng pháp lên men phân hủy
yếm khí trong xử lý bùn thải đơ thị và rác thải hữu cơ........................... 36
1.3.4. Sự phân hủy PAHs trong q trình ổn định bùn thải đơ thị
bằng phƣơng pháp lên men yếm khí ....................................................... 41
1.3.5. Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong q trình ổn định
bùn thải đơ thị bằng phƣơng pháp lên mem yếm khí ............................. 46
Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 50
2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu............................................................. 50
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................... 50
2.1.2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................... 52
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 55
2.2.1. Phƣơng pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ................................... 55
2.2.2. Phƣơng pháp lấy mẫu thực địa ..................................................... 55
2.2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm ............................................................ 56

1


2.2.4. Phƣơng pháp phân tích ................................................................. 61
2.2.5. Hóa chất sử dụng .......................................................................... 63
2.2.6. Phƣơng pháp xử lý số liệu nghiên cứu ......................................... 64
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 65
3.1. Đặc điểm ô nhiễm kim loại nặng và PAHs trong bùn thải
sơng Kim Ngƣu ................................................................................................. 65
3.1.1. Đặc điểm hóa lý của bùn thải sông Kim Ngƣu............................. 65

3.1.2. Kim loại nặng trong bùn thải sông Kim Ngƣu ............................. 66
3.1.3. PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu........................................... 72
3.1.4. Đánh giá khả năng sử dụng bùn thải sông Kim Ngƣu
cho cải tạo đất nông nghiệp .................................................................... 79
3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong q trình ổn định bùn thải
kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng ......................... 81
3.2.1. Sự thay đổi pH và độ dẫn điện (EC) theo thời gian...................... 82
3.2.2. Khả năng loại bỏ COD tổng (CODt) ............................................ 84
3.2.3. Khả năng loại bỏ tổng chất rắn và chất rắn bay hơi ..................... 85
3.2.4. Khả năng sinh biogas và thành phần khí CH4 .............................. 87
3.2.5. Sự giảm hàm lƣợng Nitơ tổng (TN) và N-NH4 ............................ 90
3.2.6. Sự giảm hàm lƣợng Phốt pho tổng (TP) và P-PO4 ....................... 92
3.3. Sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong quá trình ổn định
bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men nóng ......................... 94
3.3.1. Các thơng số hóa lý của q trình lên men yếm khí ..................... 94
3.3.2. Sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng ................................. 99
3.3.3. Sự phân hủy của các hợp chất PAHs ............................................ 111
3.4. Đề xuất quy trình và đánh giá khả năng áp dụng xử lý bùn thải
sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ .................................................................. 118
3.4.1. Đề xuất quy trình xử lý ................................................................. 118
3.4.2. Đánh giá khả năng áp dụng mơ hình đề xuất xử lý bùn thải
sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ ........................................................ 120
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 126
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ......................................................................... 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 129
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 141

2

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các giai đoạn trong q trình phân hủy yếm khí ....................................... 32
Hình 1.2. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí khơ ................................. 38
Hình 1.3. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt một giai đoạn........... 39
Hình 1.4. Quy trình xử lý bằng kỹ thuật lên men yếm khí ƣớt hai giai đoạn ............ 40
Hình 1.5. Q trình thối biến của phenanthrene trong điều kiện yếm khí bởi
vi khuẩn khử sunfat .................................................................................................... 43
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu .................................................. 52
Hình 2.2. Mơ tả hệ thống xử lý lên men yếm khí nóng ............................................. 56
Hình 2.3. Sơ đồ phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu xử lý kết hợp bùn thải
và rác hữu cơ .............................................................................................................. 58
Hình 2.4. Sơ đồ phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ và vận chuyển
của kim loại nặng và phân hủy của PAHs .................................................................. 59
Hình 3.1. Hàm lƣợng kim loại nặng tại các điểm khảo sát ........................................ 68
Hình 3.2. Hàm lƣợng kim loại nặng trung bình trong bùn thải sơng Kim Ngƣu ...... 69
Hình 3.3. Hàm lƣợng PAHs với số lƣợng vịng thơm khác nhau trong
bùn thải sơng Kim Ngƣu ............................................................................................ 73
Hình 3.4. Tỷ lệ hàm lƣợng PAHs đặc trƣng trong mẫu bùn thải sơng Kim Ngƣu ......... 77
Hình 3.5. So sánh hàm lƣợng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu với
các giá trị giới hạn qui định ........................................................................................ 78
Hình 3.6. Sự thay đổi giá trị pH của các thí nghiệm theo thành phần đầu vào
và theo thời gian ......................................................................................................... 82
Hình 3.7. Sự thay đổi giá trị EC của các thí nghiệm theo thành phần đầu vào
và theo thời gian ......................................................................................................... 83
Hình 3.8. Sự thay đổi giá trị CODt của các thí nghiệm theo thành phần
đầu vào và theo thời gian ............................................................................................ 84
Hình 3.9. Khả năng loại bỏ CODt trong các thí nghiệm theo thành phần
đầu vào khác nhau ...................................................................................................... 85
Hình 3.10. Khả năng loại bỏ TS và VS theo thành phần đầu vào khác nhau ............ 86

Hình 3.11. Thể tích biogas sinh ra trong các thí nghiệm với thành phần
đầu vào khác nhau theo thời gian ............................................................................... 87
Hình 3.12. Tỷ lệ thành phần trung bình của các khí trong biogas ............................ 88
Hình 3.13. Thành phần khí H2S trung bình trong biogas của các thí nghiệm ........... 89
Hình 3.14. Sự thay đổi giá trị Nitơ tổng theo thời gian của các thí nghiệm
với thành phần đầu vào khác nhau ............................................................................. 91
Hình 3.15. Sự thay đổi giá trị N-NH4 theo thời gian của các thí nghiệm
với thành phần đầu vào khác nhau ............................................................................. 91

3


Hình 3.16. Sự thay đổi giá trị Phốt pho tổng theo thời gian của các thí nghiệm
với thành phần đầu vào khác nhau ............................................................................. 93
Hình 3.17. Sự thay đổi giá trị P-PO4 theo thời gian của các thí nghiệm
với thành đầu vào khác nhau ...................................................................................... 93
Hình 3.18. Sự thay đổi giá trị pH theo thời gian........................................................ 95
Hình 3.19. Sự thay đổi giá trị EC theo thời gian ....................................................... 96
Hình 3.20. Sự thay đổi giá trị CODt của hỗn hợp sinh khối theo thời gian .............. 96
Hình 3.21. Sự thay đổi của TS, VS theo thời gian trong
quá trình phân hủy yếm khí ........................................................................................ 97
Hình 3.22. Thể tích biogas sinh ra trong q trình phân hủy yếm khí ...................... 98
Hình 3.23. Thành phần biogas theo thời gian ............................................................ 98
Hình 3.24. Tƣơng quan giữa sự gia tăng của hàm lƣợng kim loại nặng sau ổn định
và hàm lƣợng kim loại nặng trong thành phần nguyên liệu đầu vào ......................... 100
Hình 3.25. Hàm lƣợng kim loại nặng trƣớc và sau quá trình ổn định ....................... 100
Hình 3.26. Sự thay đổi hàm lƣợng kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải ............. 101
Hình 3.27. Tƣơng quan hàm lƣợng Cd trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa ......... 104
Hình 3.28. Tƣơng quan hàm lƣợng Cr trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa .......... 104
Hình 3.29. Tƣơng quan hàm lƣợng Cu trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa ......... 105

Hình 3.30. Tƣơng quan hàm lƣợng Ni trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa .......... 105
Hình 3.31. Tƣơng quan hàm lƣợng Pb trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa.......... 106
Hình 3.32. Tƣơng quan hàm lƣợng Zn trong chất rắn và trong dung dịch ngâm rửa ......... 106
Hình 3.33. Lƣợng kim loại nặng chuyển vào dung dịch ngâm rửa theo thời gian ............ 107
Hình 3.34. Lƣợng kim loại nặng chuyển vào pha nƣớc trong 18 ngày đầu và
thời gian sau của quá trình ổn định ........................................................................................... 108
Hình 3.35. Sự phân hủy các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định........................ 112
Hình 3.36. Tỷ lệ phân hủy các hợp chất PAHs .......................................................... 113
Hình 3.37. Hàm lƣợng PAHs trƣớc và sau ổn định ................................................... 114
Hình 3.38. Sự phân hủy của PAHs theo thời gian khi sử dụng Tween 80 ................ 116
Hình 3.39. Khả năng phân hủy của các hợp chất PAHs khi sử dụng Tween 80 ....... 116
Hình 3.40. Quy trình đề xuất xử lý bùn thải sơng Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ .... 119

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Lƣợng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012 .............................................. 18
Bảng 1.2. Kim loại nặng trong nƣớc thải của một số loại hình cơng nghiệp .................... 20
Bảng 1.3. Tính chất vật lý của một số PAHs ............................................................. 28
Bảng 1.4. Tổng hợp các kỹ thuật áp dụng trong phƣơng pháp lên men yếm khí............... 37
Bảng 2.1. Tọa độ của các điểm nghiên cứu ............................................................... 52
Bảng 2.2. Thành phần nguyên liệu đầu vào trong các thí nghiệm ............................. 58
Bảng 2.3. Thành phần nguyên liệu đầu vào trong thực nghiệm nghiên cứu
sự tích tụ, vận chuyển của KLN và phân hủy của PAHs ........................................... 60
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sơng Kim Ngƣu ................................. 65
Bảng 3.2. Hàm lƣợng KLN trung bình trong mẫu bùn tại các điểm khảo sát
với QCVN: 03/2008/BTNMT .................................................................................... 66
Bảng 3.3. So sánh hàm lƣợng KLN trong bùn thải sông Kim Ngƣu
với QCVN: 03/2008/BTNMT ............................................................................................... 67

Bảng 3.4. So sánh hàm lƣợng kim loại nặng trong bùn thải sông Kim Ngƣu
với kết quả khảo sát đã thực hiện trƣớc tại đây và một số khu vực khác.............................. 69
Bảng 3.5. Hàm lƣợng PAHs trung bình của bùn thải ở các điểm khảo sát ................... 72
Bảng 3.6. So sánh hàm lƣợng PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu
với kết quả khảo sát bùn thải tại một số khu vực khác ............................................... 74
Bảng 3.7. Tốc độ sinh khí trung bình và thành phần biogas ...................................... 88
Bảng 3.8. Xác định hiệu suất sinh khí CH4 ................................................................ 90
Bảng 3.9. Hàm lƣợng một số kim loại nặng trƣớc và sau ổn định bùn thải .............. 99
Bảng 3.10. Hàm lƣợng kim loại nặng gia tăng trong quá trình ổn định .................... 101
Bảng 3.11. Lƣợng kim loại nặng chuyển vào dung dịch ngâm rửa theo thời gian ......... 107
Bảng 3.12. Tƣơng quan lƣợng kim loại nặng chuyển vào pha nƣớc trong
18 ngày đầu và thời gian sau của quá trình ổn định ................................................... 108
Bảng 3.13. Lƣợng PAHs phân hủy trong q trình ổn định ...................................... 111
Bảng 3.14. Thơng số hóa lý q trình phân hủy yếm khí với Tween 80 ................... 115
Bảng 3.15. Lƣợng PAHs phân hủy khi sử dụng Tween 80 ...................................... 115
Bảng 3.16. Hàm lƣợng kim loại nặng trong hỗn hợp bùn thải và rác hữu cơ
qua các giai đoạn của quy trình xử lý ......................................................................... 121
Bảng 3.17. Một số quy định hàm lƣợng kim loại nặng tối đa cho phép
đối với phân bón hữu cơ ............................................................................................. 122
Bảng 3.18. Tổng hàm lƣợng PAHs trong hỗn hợp qua các công đoạn xử lý ............ 124

5


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

STT
1
2

3
4

BT
BTĐT
BTNMT
CODt

5
6
7

DS
EC
GC-FID

8

HMW

9
10

HRT
ICP-OES

11

LMW

12

PAH

13

PAHs

14

PECs

15
16
17
18
19
20
21
22
23

PELs
QCVN
RHC
SRT
TN
TNHH NN MTV
TP
TS

US EPA

24
25
26
27

VS
VSV
WHO
WS

Ý nghĩa
Bùn thải
Bùn thải đô thị
Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng
Total Chemical Oxygen Demand: Tổng nhu cầu oxi
hóa học
Dry Substance: Vật liệu khô
Electronic Conductivity: Độ dẫn điện
Gas Chromatography Flame Ionized Detector: Sắc
ký khí kết hợp detector ion hóa ngọn lửa
High Molecular Weight: Chất có khối lƣợng phân
tử cao
Hydraulic Retention Time: Thời gian lƣu thủy lực
Inductivity Couple Plasma Optical Emission
Spectrometry: Phổ phát xạ plasma ghép cặp cảm ứng
Low Molecular Weight: Chất có khối lƣợng phân tử
thấp
Polycyclic Aromatic Hydrocarbon: Hợp chất hữu

cơ đa vòng thơm
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: Các hợp chất
hữu cơ đa vòng thơm

Probable Effect Concentrations: Nồng độ ảnh
hƣởng
Probable Effect Levels: Liều ảnh hƣởng
Qui chuẩn Việt Nam
Rác hữu cơ
Solid Retention Time: Thời gian lƣu chất rắn
Total Nitrogen: Tổng Nitơ
Trách nhiệm hữu hạn nhà nƣớc một thành viên
Total Phosphorous: Tổng Phốt pho
Total Solid: Tổng chất rắn
Environmental Protection Agency of United State:
Cục bảo vệ môi trƣờng liên bang Hoa Kỳ
Volatile Solid: Chất rắn bay hơi
Vi sinh vật
Word Health Organization: Tổ chức Y tế thế giới
Water Solubility: Khả năng hòa tan vào nƣớc

6


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các loại hình chất thải đơ thị, bùn thải đơ thị là một loại hình chất
thải đặc thù đƣợc phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nƣớc thải và nạo vét
hệ thống thốt nƣớc đơ thị. Bùn thải đơ thị có hàm lƣợng chất dinh dƣỡng nhƣ
nitơ, phốt pho khá cao. Mặt khác, quá trình hình thành bùn thải cũng tích lũy

nhiều chất gây ơ nhiễm nguy hiểm.
Bùn thải đơ thị có thể chứa tới hơn 300 các hợp chất hữu cơ khác nhau.
Các hợp chất vô cơ và các vi sinh vật gây bệnh cũng tồn tại với thành phần đa
dạng trong bùn thải đô thị. Các chất hữu cơ ô nhiễm chủ yếu phát hiện đƣợc
trong bùn thải bao gồm các hợp chất hydrocacbon đơn vòng thơm (MAHs), các
hợp chất hydrocacbon đa vòng thơm (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs),
phthalic acid esters (PAEs), polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans
(PCDD/Fs), chlorobenzens (CBs), amins, nitrosamins, phenols [22, 23, 82, 103].
Chính sự tồn tại của kim loại nặng cũng nhƣ các chất ô nhiễm hữu cơ nêu trên
trong bùn thải đã làm hạn chế khả năng tái chế bùn thải và sử dụng sản phẩm tái
chế cho mục đích nơng nghiệp [61, 79, 96].
Tại Việt Nam, cơng tác quản lý nƣớc thải đơ thị cịn nhiều bất cập. Nƣớc
thải sinh hoạt tại các đô thị không đƣợc xử lý vẫn xả thải ra môi trƣờng với
lƣợng rất lớn. Do đó, bùn thải đơ thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn nạo vét hệ
thống thoát nƣớc với số lƣợng lên tới hàng triệu tấn mỗi năm.
Báo cáo của Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Thoát nƣớc Hà
Nội, trong năm 2012 lƣợng bùn thải đơ thị thu gom trên tồn thành phố đạt
167.200 tấn trong đó chỉ có 2.140 tấn phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải sinh
hoạt. Trƣớc thực trạng này, đã có một số nghiên cứu đƣợc triển khai nhằm tìm ra
lời giải cho bài tốn quản lý bùn thải đơ thị.
Do năng lƣợng ngày một khan hiếm cộng với sức ép phải xử lý bùn thải
đô thị mà việc phát triển phƣơng pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải, thu
hồi biogas nhƣ nguồn năng lƣợng tái tạo là xu hƣớng tất yếu. Tại châu Âu hiện
nay, lƣợng biogas thu đƣợc trong xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp lên men yếm
khí đã vƣợt 200 tỷ m3 khí mỗi năm [12]. Hơn nữa, ổn định bùn thải đô thị bằng

7


phƣơng pháp lên men yếm khí là giải pháp phù hợp để sử dụng sản phẩm sau xử

lý cho mục đích nơng nghiệp. Phƣơng pháp phân hủy yếm khí ổn định bùn thải
đô thị đã và đang trở thành một phƣơng án tối ƣu trong hệ thống quản lý chất
thải đô thị.
Thời gian gần đây, ổn định bùn thải kết hợp với rác hữu cơ bằng phƣơng
pháp lên men yếm khí nóng với ƣu thế nhƣ: thời gian ổn định ngắn, hiệu suất
sinh CH4 cao và tiêu diệt triệt để mầm bệnh đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu
ứng dụng. Tuy nhiên, để có thể áp dụng phƣơng pháp xử lý nêu trên một cách
hiệu quả đối với bùn thải đô thị tại Việt Nam cần thiết phải triển khai những
nghiên cứu cụ thể.
Nhằm góp phần vào việc hồn thiện các phƣơng pháp, quy trình xử bùn
thải đơ thị Việt Nam nói chung và bùn thải của thành phố Hà Nội nói riêng,
chúng tơi đã chọn đề tài là “Nghiên cứu sự chuyển hóa của PAHs và một số kim
loại nặng trong q trình ổn định bùn thải sơng Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ
bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng”.
2. Mục tiêu của đề tài
- Xác định hàm lƣợng và đánh giá mức độ ô nhiễm một số kim loại nặng
và PAHs trong bùn thải sông Kim Ngƣu, thành phố Hà Nội.
- Nghiên cứu ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng
phƣơng pháp lên men yếm khí nóng.
- Nghiên cứu sự chuyển hóa của kim loại nặng và PAHs trong q trình ổn
định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng.
- Đề xuất quy trình xử lý và đánh giá khả năng áp dụng để xử lý bùn thải
sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ theo hƣớng giảm thiểu tối đa kim loại nặng
và PAHs trong sản phẩm để sử dụng sản phẩm sau xử lý vào mục đích nơng
nghiệp.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Góp phần đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng, PAHs trong bùn thải
sông Kim Ngƣu (một trong những con sơng tiếp nhận nƣớc thải điển hình của
Hà Nội).

8


- Tìm đƣợc điều kiện thích hợp để ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết
hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng.
- Đánh giá đƣợc khả năng tích tụ, vận chuyển của kim loại nặng và sự
phân hủy của các hợp chất PAHs trong quá trình ổn định bùn thải sơng Kim
Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nóng.
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lƣợng của một số kim loại nặng và
hợp chất PAH cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn đất nông nghiệp. Thông tin về
mức độ ô nhiễm bùn thải sông Kim Ngƣu giúp cho các nhà quản lý có cơ sở
khoa học để hoạch định chính sách về quản lý bùn thải đơ thị nói chung.
- Kết quả nghiên cứu sự chuyển hóa của các kim loại nặng và các hợp
chất PAH trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp
lên men yếm khí nóng cho phép đƣa ra đƣợc quy trình định hƣớng xử lý bùn
thải để thu hồi khí biogas và sử dụng bùn thải vào mục đích nơng nghiệp. Bằng
việc nghiên cứu bổ sung có thể đƣa ra đƣợc quy trình xử lý hoàn chỉnh cho phép
ứng dụng vào thực tiễn xử lý bùn thải đơ thị của Việt Nam.
4. Những đóng góp mới của đề tài
- Lần đầu tiên xác định hàm lƣợng của 16 hợp chất hữu cơ đa vòng thơm
(PAHs) trong bùn thải sông Kim Ngƣu của thành phố Hà Nội.
- Đã xác định hàm lƣợng một số kim loại nặng Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn
trong bùn thải sơng Kim Ngƣu và đánh giá khả năng tích tụ, vận chuyển của
chúng trong quá trình ổn định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng
phƣơng pháp lên men yếm khí nóng.
- Đã đánh giá mức độ phân hủy của các hợp chất PAHs trong quá trình ổn
định bùn thải sông Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men
yếm khí nóng và ảnh hƣởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80 đến sự phân

hủy của PAHs trong điều kiện nói trên.

9


Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát về bùn thải đô thị và thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại
Hà Nội
1.1.1. Nguồn phát sinh bùn thải đô thị
Bùn thải đô thị (BTĐT) là sản phẩm của quá trình thốt nƣớc đơ thị [44].
Bùn thải đơ thị đƣợc sinh ra trong các cơng đoạn của q trình thốt nƣớc và xử
lý nƣớc thải. Do vậy, bùn thải đô thị bao gồm các loại nhƣ sau:
- Bùn thải từ bể phốt: phát sinh từ hệ thống bể phốt (septick tank) sử dụng
xử lý nƣớc đen, vệ sinh tại công trình xây dựng trong các đơ thị.
- Bùn nạo vét: phát sinh từ công tác nạo vét cống rãnh, sông, hồ, ao nằm
trong hệ thống thốt nƣớc đơ thị.
- Bùn từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt: phát sinh từ các cơng đoạn trong
quy trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt đơ thị. Đối với loại hình bùn thải phát sinh từ
công tác xử lý nƣớc thải công nghiệp, tùy vào tính chất và chất lƣợng bùn thải
có quy định và quản lý riêng và không nằm trong tập hợp bùn thải đô thị.
Thông thƣờng tỷ trọng của bùn bể phốt, bùn nạo vét, bùn xử lý nƣớc thải
trong bùn thải đơ thị phụ thuộc vào mơ hình thốt nƣớc, trình độ phát triển hạ
tầng đơ thị của mỗi một quốc gia. Tại một số quốc gia châu Âu phát triển thƣờng
sử dụng mơ hình thốt nƣớc và xử lý nƣớc thải tập trung nên thành phần bùn
thải đô thị chủ yếu phát sinh từ nguồn bùn xử lý nƣớc thải và bùn nạo vét, bùn
phát sinh từ bể phốt chiếm tỷ trọng rất nhỏ. Do có hệ thống thoát nƣớc đồng bộ
nên lƣợng bùn nạo vét tại các quốc gia này cũng không quá lớn cùng với quy
định về việc xử lý triệt để nƣớc thải đô thị nên lƣợng bùn phát sinh từ trạm xử
lý nƣớc thải chiếm tỷ trọng cao nhất. Ƣớc tính tại châu Âu, trung bình một
ngƣời dân đơ thị thải ra 90 g bùn khô/ngày, khối lƣợng bùn thải đã tăng lên 50%

và vào khoảng xấp xỉ 10 triệu tấn trong năm 2005 sau khi quy định số:
91/271/EEC quy định việc xử lý nƣớc thải sinh hoạt đô thị ra đời [44].
Tại Việt Nam, lƣợng nƣớc thải sinh hoạt qua xử lý trƣớc khi thải ra môi
trƣờng rất thấp, riêng thành phố Hà Nội lƣợng nƣớc thải sinh hoạt đô thị đƣợc
xử lý tính đến năm 2007 đạt khoảng 2% [78]. Sau khi nhà máy xử lý nƣớc thải
Bắc Thăng Long -Vân Trì đi vào hoạt động, thì lƣợng nƣớc thải đƣợc xử lý đạt

10


khoảng 8% tính tới hết năm 2012. Do tỷ lệ nƣớc thải đƣợc xử lý thấp nên
lƣợng bùn thải phát sinh từ trạm xử lý nƣớc thải chiếm tỷ trọng nhỏ trong bùn
thải đơ thị. Hơn nữa, hệ thống thốt nƣớc đô thị không đồng bộ dẫn tới bùn nạo
vét phát sinh với lƣợng lớn và là thành phần chính trong bùn thải đô thị tại Hà
Nội cũng nhƣ các đơ thị khác trên cả nƣớc. Ngồi ra, bùn bể phốt cũng chiếm
một tỷ trọng nhất định trong bùn thải đô thị tại Hà Nội cũng nhƣ các đô thị
khác tại Việt Nam.
1.1.2. Đặc điểm của bùn thải đô thị
Với sự phát thải phụ thuộc vào mật độ dân cƣ, trình độ phát triển đơ thị
cũng nhƣ sự phát triển của hệ thống hạ tầng đô thị nên bùn thải đơ thị tại mỗi
quốc gia, mỗi đơ thị có những đặc điểm khác biệt. Hơn nữa, tính chất của bùn
thải phụ thuộc theo đặc trƣng thời tiết, theo mùa nên sự khác biệt về vùng miền
càng thể hiện rõ rệt hơn. Ngoài ra, đặc điểm của bùn thải tại các trạm xử lý nƣớc
thải cịn thể hiện ở cơng nghệ xử lý nƣớc thải đƣợc áp dụng và bùn phát sinh từ
các cơng đoạn xử lý khác nhau có đặc điểm khác nhau. Bùn thải phát sinh trong
giai đoạn xử lý sơ bộ của các trạm xử lý nƣớc thải đơ thị tập trung tại châu Âu
thƣờng có các chỉ tiêu hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 5,0 - 8, tổng chất rắn (TS)
trong khoảng 2,0 - 8%, chất rắn bay hơi (VS) trong khoảng 60 - 80%, tổng nitơ
tính theo % TS trong khoảng 1,5 - 4%, tổng phốt pho tính theo % TS trong
khoảng 0,8 - 2,8% [44]. Trong khi đó, bùn thải phát sinh từ giai đoạn xử lý sinh

học (activated sludge) có đặc điểm hóa lý nhƣ: pH trong khoảng 6,5 - 8, TS
trong khoảng 0,83 - 1,16%, VS trong khoảng 59 - 88%, tổng nitơ trong khoảng
2,4 - 5%, tổng phốt pho trong khoảng 2,8 - 11% [44]. Bùn thải đô thị tại Việt
Nam với thành phần chủ yếu là bùn thải nạo vét hệ thống thốt nƣớc nên có
những đặc điểm riêng đặc trƣng. Bùn thải sơng Kim Ngƣu sơng thốt nƣớc thải
đơ thị điển hình của Hà Nội lại có các thơng số hóa lý nhƣ: pH trong khoảng
7,04 - 7,41, CODt trong khoảng 79.910 - 83.033 mg/l, TS trong khoảng 19,2 23,5%, VS trong khoảng 24,5 - 26,2%, NO3- trong khoảng 192 - 212 mg/l, PO43trong khoảng 494 - 522 mg/l (theo kết quả khảo sát thực hiện trong Luận án).
Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải có sự khác nhau giữa các loại bùn thải cũng
nhƣ sự khác nhau giữa các vùng miền và quốc gia nhƣng điểm chung là bùn thải
đơ thị có chứa thành phần các chất dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho khá cao.

11


Hơn nữa, với cùng nguồn gốc phát thải từ hoạt động của con ngƣời mà
bùn thải đơ thị thƣờng tích lũy các chất gây ô nhiễm đặc trƣng giống nhau. Theo
tác giả (Fuerhacker & Haile., 2010)[43] có thể chia các tác nhân gây ô nhiễm
đặc trƣng trong bùn thải đô thị ra làm các dạng chính nhƣ sau: các chất gây ơ
nhiễm có nguồn gốc vơ cơ, các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc hữu cơ và tác
nhân gây bệnh.
- Các chất gây ơ nhiễm có nguồn gốc vơ cơ: Chủ yếu gồm các kim loại
nặng và một số nguyên tố xạ hiếm khác. Chúng tồn tại trong bùn thải đô thị
phát sinh từ phân và nƣớc tiểu của bệnh nhân trị xạ [43]. Kim loại nặng nhƣ: Pb,
Cd, Zn, As, Cr, Ni, Cu, là những kim loại phổ biến đƣợc phát hiện trong bùn
thải đô thị. Hàm lƣợng các kim loại này trong bùn thải đơ thị có sự dao động
khá lớn và phụ thuộc vào các yếu tố vùng miền, thời tiết, công nghệ xử lý nƣớc
thải…. Hàm lƣợng của Pb trong khoảng 13 - 26.000 mg/kg DS (trung bình
500 mg/kg DS), hàm lƣợng Cd trong khoảng 1 - 410 mg/kg DS (trung bình
10 mg/kg DS), hàm lƣợng Zn trong khoảng 101 - 49,000 mg/kg DS (trung
bình 1700 mg/kg DS). As trong khoảng 1,1 - 230 mg/kg DS (trung bình 10

mg/kg DS). Cr trong khoảng 10 - 990.000 mg/kg DS (giá trị trung bình 500
mg/kg DS), Ni trong khoảng 2 - 5300 mg/kg DS (trung bình 80 mg/kg DS),
Cu trong khoảng 84 - 17.000 mg/kg DS (trung bình 800 mg/kg DS) [29, 44].
- Các chất ơ nhiễm nguồn gốc hữu cơ: Trong bùn thải đơ thị có chứa tới
hơn 300 loại hợp chất hữu cơ khác nhau [22, 23, 82, 103]. Tác nhân gây ơ nhiễm
có nguồn gốc hữu cơ tiêu biểu nhất gồm: Polychlorinated biphenyls (PCBs),
Polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs), Polyaromatic hydrocacbons
(PAHs) và các chất hoạt động bề mặt. Hàm lƣợng PCBs dao động trong khoảng
65 - 157 mg/kg DS, PCDD/Fs trong khoảng 330 - 4245 mg/kg DS, PAHs trong
khoảng <0,1 - 2000 mg/kg DS [23, 29].
- Tác nhân gây bệnh: Tác nhân gây bệnh trong bùn thải chủ yếu là vi
khuẩn, virus và ký sinh trùng.
Với hàm lƣợng dinh dƣỡng có ích cao nhƣ nitơ, phốt pho và các chất hữu
cơ khác, bùn thải đơ thị có tiềm năng sử dụng cho việc cải tạo đất nông nghiệp.
Các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực sử dụng nguồn bùn thải để tái sử dụng

12


trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu lƣợng chất thải mang đi chơn lấp. Tuy
nhiên, do đặc điểm tích tụ nhiều chất gây ô nhiễm mà các phƣơng án quản lý
bùn thải đô thị tại các quốc gia trở nên hết sức khó khăn. Các tác nhân gây ơ
nhiễm tồn tại trong bùn thải đô thị với hàm lƣợng cao là rào cản trong việc sử
dụng bùn thải đô thị cho mục đích nơng nghiệp [61, 79, 96]. Để đạt đƣợc mục
tiêu sử dụng bùn thải đô thị, cần thiết phải áp dụng các biện pháp xử lý thích
hợp để loại bỏ, giảm thiểu tối đa các tác nhân gây ô nhiễm.
1.1.3. Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị
Hiện nay, thế giới đã áp dụng nhiều phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị
khác nhau. Sự lựa chọn áp dụng phƣơng pháp xử lý nào là phụ thuộc vào đặc
điểm bùn thải, đặc điểm về văn hóa, lịch sử, địa lý, luật pháp, chính trị và tình

hình kinh tế của mỗi quốc gia, mỗi vùng miền. Các phƣơng pháp xử lý phổ biến
hiện nay bao gồm:
- Chôn lấp tại bãi chôn lấp chất thải.
- Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp.
- Xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt.
1.1.3.1. Phƣơng pháp chôn lấp
Chôn lấp tại bãi chôn lấp chất thải là phƣơng pháp truyền thống đƣợc sử
dụng phổ biến trên thế giới. Đặc biệt, tại các quốc gia có hệ thống hạ tầng đô thị
chƣa đồng bộ, bùn thải đô thị có thể đƣợc đổ tại các bãi hở gây ô nhiễm môi
trƣờng nghiêm trọng. Nhìn chung phƣơng pháp chôn lấp là một phƣơng pháp
đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, phƣơng pháp này tốn nhiều diện tích sử dụng,
dễ gây ô nhiễm thứ cấp nếu không thực hiện đúng cách và lãng phí nguồn dinh
dƣỡng có ích cho cây trồng trong bùn thải.
Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp chôn lấp rác thải, chôn lấp bùn thải cũng đƣợc
thực hiện theo các tiêu chuẩn, quy chuẩn tại mỗi quốc gia. Thông thƣờng, bãi
chơn lấp bao gồm: lớp lót chống thấm, hệ thống thu hồi và xử lý nƣớc rỉ, các
cơng trình phụ trợ chống sự phát tán mùi sang các khu vực lân cận...
Tại Việt Nam, bùn thải đô thị chủ yếu đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp chôn
lấp. Hơn nữa, trong nhiều đô thị trên cả nƣớc, bùn thải vẫn đƣợc đổ tại các bãi
hở nên gây ra ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng.
13


1.1.3.2. Sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp
Điều 14 thuộc Quy định số 91/271/EEC của Ủy ban xử lý nƣớc thải châu
Âu (UWWTD) sửa đổi từ Quy định số 98/15/EC, có hiệu lực năm 2005, quy
định việc tái chế bùn thải đơ thị, “khi có đủ điều kiện cần thiết, bùn thải đô thị
đƣợc phép tái chế và tái sử dụng” [41, 43]. Quy định cũng đã chỉ rõ việc sử dụng
bùn thải đô thị cho cải tạo đất nông nghiệp phải hợp lý, bùn thải đƣợc sử dụng
phải phát huy đƣợc khả năng chống bạc màu cho đất, tăng cƣờng độ tơi xốp và

tăng năng xuất cây trồng. Tuy nhiên, tại các quốc gia châu Âu việc sử dụng trực
tiếp bùn thải đô thị cho cải tạo đất nơng nghiệp là hết sức khó vì các tiêu chuẩn,
quy chuẩn quy định rất khắt khe về hàm lƣợng các tác nhân gây ơ nhiễm có
trong bùn thải. Vì vậy, việc áp dụng các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị trƣớc
khi sử dụng bùn thải cho cải tạo đất nơng nghiệp là rất cần thiết. Mục đích của
việc xử lý trƣớc khi sử dụng trong nông nghiệp nhằm:
- Phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản giúp cây
trồng dễ hấp thu, đồng thời phân hủy giảm thiểu các tác nhân gây ô nhiễm có
nguồn gốc hữu cơ trong bùn thải đơ thị.
- Tách, loại bỏ kim loại nặng.
- Tiêu diệt mầm bệnh.
Với các mục tiêu cụ thể nhƣ trên phƣơng pháp xử lý cũng đƣợc lựa chọn
cho phù hợp với đặc tính của bùn thải đô thị cũng nhƣ các điều kiện sẵn có của
mỗi một quốc gia, vùng miền. Các phƣơng pháp chủ yếu bao gồm:
 Phương pháp phân hủy trong điều kiện hiếu khí (composting)
Phƣơng pháp phân hủy hiếu khí là phƣơng pháp có thời gian phân hủy
nhanh và triệt để các hợp chất hữu cơ. Theo khuyến cáo của Cục bảo vệ môi
trƣờng liên bang Hoa Kỳ (EPA), phƣơng pháp phân hủy trong điều kiện hiếu khí
là phƣơng pháp hiệu quả trong tiêu diệt mầm gây bệnh tồn tại trong bùn thải.
 Phương pháp phân hủy trong điều kiện yếm khí
Phân hủy yếm khí là phƣơng pháp quan trọng nhất và đƣợc sử dụng rộng
rãi nhất trong việc ổn định bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nƣớc thải cũng
nhƣ bùn thải đơ thị nói chung [20]. Phƣơng pháp phân hủy yếm khí là phƣơng
pháp phân giải triệt để các tác nhân gây ơ nhiễm có nguồn gốc hữu cơ trong bùn
14


thải. Hơn nữa, phƣơng pháp phân giải yếm khí tại nhiệt độ 55oC có khả năng
tiêu diệt triệt để mầm gây bệnh nguy hại [43]. Ngoài mục tiêu giảm thiểu ô
nhiễm trong bùn thải, phƣơng pháp phân hủy trong điều kiện yếm khí cịn sinh

ra sản phẩm biogas cung cấp nhƣ nguồn năng lƣợng tái sinh. Vì vậy, trong xử lý
bùn thải đơ thị thƣờng kết hợp các loại hình chất thải khác chủ yếu là rác thải
hữu cơ nhằm tối ƣu quá trình sinh biogas cũng nhƣ hỗ trợ q trình phân hủy
yếm khí diễn ra trong điều kiện tối ƣu nhất.
Ngày nay, có nhiều nghiên cứu đƣợc triển khai nhằm phát triển các
phƣơng pháp, kỹ thuật mới hoặc kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau trên một mơ
hình xử lý bùn thải đô thị bằng phƣơng pháp lên men yếm khí nhằm đạt hiệu
quả cao nhất. Tuy nhiên, để đạt đƣợc hiệu quả nhƣ mong muốn, các mô hình cần
đƣợc xác lập dựa trên điều kiện cụ thể của từng vùng miền và quốc gia khác
nhau.
1.1.3.3. Xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt
Xử lý bùn thải bằng phƣơng pháp nhiệt nhằm mục tiêu tận dụng năng
lƣợng sinh ra từ bùn thải và giảm lƣợng chất thải tại các bãi chơn lấp. Nhóm
phƣơng pháp nhiệt đƣợc phát triển xử lý bùn thải bao gồm: phƣơng pháp ơxi hóa
ƣớt (wet oxidation), phƣơng pháp nhiệt phân (pyrolysis), phƣơng pháp khí hóa
(gasification) và phƣơng pháp đốt (combustion) [17, 44].
 Phương pháp ơxi hóa ướt
Phƣơng pháp ơxi hóa ƣớt là phƣơng pháp xử lý bùn thải ở trạng thái lỏng
trong điều kiện nhiệt độ 150 - 330oC, áp suất 1-22 MPa và sử dụng O2 tinh khiết
hoặc khơng khí. Trong q trình xử lý, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy nhiệt,
thủy phân và ơxi hóa chuyển thành CO2, N2 và nƣớc [44].
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng khá phổ biến trên quy mô công nghiệp tại
châu Âu. Tuy nhiên, phƣơng pháp này còn khá mới mẻ và chƣa đƣợc áp dụng
xử lý bùn thải đô thị tại Việt Nam.
 Phương pháp nhiệt phân
Phƣơng pháp nhiệt phân dựa trên nguyên lý phân hủy nhiệt (cracking)
trong điều kiện yếm khí của các hợp chất hữu cơ trong bùn thải tại nhiệt độ 300
- 900oC. Sản phẩm thu đƣợc của quá trình nhiệt phân bao gồm các sản phẩm ở
15

dạng khí, lỏng và rắn. Sản phẩm khí là hỗn hợp các khí CH4, CO, H2…; sản
phẩm lỏng với thành phần chính là dầu đen, có thể chứa thêm axít axetíc, axeton
và rƣợu; dạng rắn thu đƣợc gồm than đen, một lƣợng nhỏ cacbon tinh khiết và
chất trơ [44].
Đối với các mơ hình xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt phân, sản phẩm dạng
khí thƣờng đƣợc quay vịng sử dụng nhƣ nhiên liệu để bù đắp nhiệt cho quá
trình nhiệt phân. Bởi vậy, phƣơng pháp nhiệt phân hoạt động theo nguyên tắc
khép kín nên hạn chế đƣợc sự phát tán khí thải vào mơi trƣờng.
 Phương pháp khí hóa
Khí hóa là phƣơng pháp xử lý nhiệt, trong đó thành phần cacbon trong
bùn thải chuyển hóa thành khí nhiên liệu, thành phần còn lại chuyển thành tro và
đƣợc khống chế tránh phát tán bụi vào trong môi trƣờng. Ƣu điểm của phƣơng
pháp này là có thể áp dụng xử lý bùn thải thu hồi nguồn nhiên liệu sạch đồng
thời không làm phát sinh các chất hóa học nguy hại nhƣ NOx, SO2, tro bay, kim
loại nặng, dioxins, furans…
Phƣơng pháp khí hóa với các ƣu điểm nhất định cũng là giải pháp đƣợc áp
dụng phổ biến trên qui mô công nghiệp đối với bùn thải công nghiệp cũng nhƣ
bùn thải đô thị tại các nƣớc phát triển.
 Phương pháp đốt
Trong một vài thập kỷ gần đây, công nghệ đốt xử lý bùn thải đƣợc phát
triển mạnh. Trên thị trƣờng trƣớc đây phổ biến kiểu lị tầng sơi (fluidized bed
furnaces) áp dụng xử lý bùn thải. Thời gian gần đây, kiểu lò quay (rotary skiln)
với nhiều ƣu điểm xử lý bùn thải với độ ẩm cao đã đƣợc sử dụng khá phổ biến.
Ƣu điểm của phƣơng pháp đốt là chiếm ít diện tích sử dụng, giảm thiểu
tối đa thể tích của bùn thải. Phƣơng pháp này có thể giảm tới 40% trọng lƣợng
rắn của bùn thải, xử lý triệt để các chất hữu cơ độc hại cũng nhƣ mầm bệnh tồn
tại trong bùn. Tuy nhiên, giá thành xử lý cao do cần có hệ thống xử lý khí thải
đảm bảo loại bỏ triệt để các khí thải nguy hại nhƣ NOx, SO2, dioxins, furans…
Phần tro sau đốt có hàm lƣợng kim loại nặng rất cao cần phải xử lý bằng phƣơng

pháp chôn lấp hợp vệ sinh.

16


Tại Việt Nam, phƣơng pháp đốt chủ yếu đƣợc áp dụng với bùn thải công
nghiệp nguy hại. Hiện tại trên cả nƣớc chƣa áp dụng phƣơng pháp đốt đối với
bùn thải đô thị.
1.1.4. Thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Hà Nội
Hiện nay, tốc độ phát triển hạ tầng đô thị không theo kịp tốc độ đô thị hóa
đang là hiện trạng của hầu hết các đơ thị tại Việt Nam. Đặc biệt tại các đô thị lớn
nhƣ Hà Nội hay TP. Hồ Chí Minh, vấn đề quản lý chất thải đô thị đang là một
thách thức không nhỏ đối với mục tiêu tăng trƣởng kinh tế gắn với bảo vệ môi
trƣờng trong thời gian tới. Trong số các loại hình chất thải đơ thị, bùn thải đơ thị
là loại hình chất thải chƣa nhận đƣợc sự quan tâm đúng mức từ các cấp quản lý.
Tính trên cả nƣớc, bùn thải đô thị phát sinh hàng triệu tấn mỗi năm nhƣng
con số thống kê cụ thể về lƣợng phát thải trên cả nƣớc cho đến nay chƣa đƣợc
thực hiện. Thực trạng quản lý bùn thải đô thị tại Việt Nam chỉ có thể đƣợc khái
qt thơng qua thực trạng quản lý tại thành phố Hà Nội một thành phố lớn, tồn
tại qua nhiều thời kỳ lịch sử và đặc trƣng cho các đô thị tại Việt Nam.
Hà Nội hiện có tổng cộng 04 trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt đơ thị bao
gồm: trạm XLNT Trúc Bạch có cơng suất 2300 m3/ng.đ, trạm XLNT Kim Liên
có cơng suất 3.700 m3/ng.đ, trạm XLNT Bắc Thăng Long-Vân Trì có cơng suất
42.000 m3/ng.đ, trạm XLNT n Sở có cơng suất 200.000 m3/ng.đ (đi vào hoạt
động từ tháng 5/2013). Sau khi trạm XLNT Yên Sở đi vào hoạt động ổn định,
khoảng 40% trong tổng số 600.000 m3 nƣớc thải phát sinh trong ngày của toàn
thành phố sẽ đƣợc xử lý, 60% lƣợng nƣớc thải còn lại chƣa đƣợc xử lý sẽ xả
thẳng ra nguồn tiếp nhận.
Theo thống kê của Công ty TNHH MTV Thốt nƣớc Hà Nội, khối lƣợng
bùn thải đơ thị mà đơn vị này quản lý năm 2012 bao gồm các đầu mục đƣợc thể

hiện trong Bảng 1.1.

17


Bảng 1.1. Lƣợng bùn thải đô thị tại Hà Nội năm 2012
Loại hình bùn thải

STT

Lƣợng thu
gom đã
thực hiện

Lƣợng tiếp
nhận tại bãi
chôn lấp
167.200**

I

Bùn nạo vét (BNV)

195.490*

1

Khối lượng nạo vét bùn cống, rãnh thủ công

21.500*

2

Khối lượng nạo vét bùn cống ngầm cơ giới

20.940*

3

Nạo vét bùn mương, sông

95.000*

4

Nạo vét bùn sông, hồ bằng cơ giới

42.000*

5

Khối lượng nạo vét cống ngang

16.050*

II

Bùn từ trạm xử lý nƣớc thải

2.140**

1

Trạm xử lý nước thải Kim Liên

400**

2

Trạm xử lý nước thải Trúc Bạch

700**

3

Trạm xử lý nước thải Bắc Thăng Long -Vân Trì

840**

III

Bùn bể phốt

0

Tổng (I+II+III)

2.140**

0

169.340**

(*) Đơn vị m3, (**) Đơn vị tấn
Tổng khối lƣợng bùn thải đô thị tiếp nhận tại hai bãi chôn lấp Yên Sở và
Kiêu Kỵ là 169.340 tấn (theo số liệu thống kê năm 2012).
Ngoài ra, lƣợng bùn bể phốt phát sinh vào khoảng 300 m3/ngày, đƣợc
Công ty Môi trƣờng đô thị Hà Nội thu gom, vận chuyển và xử lý tại nhà máy
chế biến phân hữu cơ Cầu Diễn.
Có thể thấy rằng khối lƣợng bùn thải đô thị phát sinh tại thành phố Hà
Nội khá lớn, lƣợng phát sinh trung bình vào khoảng 500 tấn/ngày chủ yếu là bùn
nạo vét. Với công tác thu gom, vận chuyển về các bãi chôn lấp và xử lý đơn giản
nhƣ cách làm của Công ty TNHH NN MTV thoát nƣớc Hà Nội đang thực hiện
sẽ làm ảnh hƣởng đến mơi trƣờng xung quanh và lãng phí nguồn dinh dƣỡng có
ích trong bùn thải đơ thị. Hơn nữa, khi nhà máy xử lý nƣớc thải Yên Sở đi vào
hoạt động ổn định, với công xuất xử lý 200.000 m3/ngày.đêm, ƣớc tính lƣợng
bùn phát sinh tại nhà máy vào khoảng 2.000 m3 bùn lỏng/ngày ( ƣớc tính lƣợng
bùn phát sinh chiếm 1% lƣợng nƣớc thải đầu vào) [44]. Bùn thải đô thị phát sinh
với khối lƣợng lớn, đa dạng về thành phần đang tạo ra sức ép với thành phố Hà

18


Nội cũng nhƣ các thành phố khác trên cả nƣớc. Vì vậy, cần thiết phải tạo ra
hành lang pháp lý nhằm khuyến khích việc tái chế bùn thải đơ thị, tạo cơ sở cho
các nhà khoa học tiến hành những nghiên cứu chun sâu tìm ra giải pháp thích
hợp nhất cho vấn đề bùn thải đô thị trong tổng thể công tác quản lý bùn thải tại
Hà Nội cũng nhƣ tại các đô thị khác trên cả nƣớc. Để thực hiện đƣợc mục tiêu
trên cần xem xét tới các yếu tố gây ơ nhiễm điển hình đang tồn tại với hàm
lƣợng cao trong bùn thải đô thị.
1.2. Kim loại nặng và PAHs trong bùn thải đô thị

1.2.1. Kim loại nặng
Kim loại nặng là tác nhân gây ơ nhiễm điển hình nhất đại diện cho nhóm
tác nhân ơ nhiễm có nguồn gốc vô cơ trong bùn thải đô thị. Kim loại nặng đƣợc
sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp nhƣ: mạ, dệt nhuộm, sơn, thuộc da,
giấy…Nƣớc thải của các lĩnh vực sản xuất công nghiệp nêu trên thƣờng chứa
hàm lƣợng kim loại nặng rất cao, phổ biến là một số kim loại nhƣ: Cr, Cd, Ni,
Cu, Pb, Zn. Kim loại nặng trong nƣớc thải sinh hoạt thƣờng có nguồn gốc từ
chất giặt tẩy, phân hay sự hòa tan từ hệ thống đƣờng ống cấp nƣớc sinh hoạt và
thoát nƣớc thải. Theo hệ thống thoát nƣớc, kim loại nặng sẽ vận chuyển và tích
tụ lại trong bùn thải tại mạng lƣới thoát nƣớc hay trong bùn thải tại các trạm xử
lý nƣớc thải.
Trong bùn thải, kim loại nặng ở nồng độ cao có khả năng gây độc cho cây
trồng, sinh vật và cả con ngƣời [45]. Sự có mặt của kim loại nặng trong nƣớc
thải, bùn thải mang đến nhiều ảnh hƣởng đối với môi trƣờng. Kim loại nặng ở
nồng độ cao đóng vai trị nhƣ chất ức chế làm giảm khả năng hoạt động của hệ
vi sinh vật dẫn đến làm hạn chế hiệu quả của quá trình xử lý nƣớc thải cũng nhƣ
quá trình xử lý bùn thải.
1.2.1.1. Nguồn phát sinh và khả năng tích tụ của kim loại nặng trong bùn
thải đô thị
Trong hoạt động sản xuất công nghiệp, một số kim loại nặng đƣợc sử
dụng phổ biến và tồn tại với hàm lƣợng cao trong nƣớc thải chủ yếu là các kim
loại nhƣ: Cr, Cd, Ni, Cu, Pb, Zn.

19


Bảng 1.2. Kim loại nặng trong nƣớc thải của một số loại hình cơng nghiệp [78]
STT

Loại hình cơng nghiệp

Ơ nhiễm kim loại nặng

1

Ngành mạ

2

Ngành thuộc da

Pb, Cu, Cr

3

Ngành cơ khí

Cu, Cr, Ni

4

Ngành dệt nhuộm

Cu, Pb, Cr

5

Ngành sơn

Zn, Hg, Pb

6

Ngành in

Hg, Zn, Pb

7

Ngành sản xuất pin, acqui

8

Ngành giấy

9

Thủy tinh

Ni, Cr, Cu, Zn

Pb, Cd, Ni, Zn
Cd, Pb, Cu
Cu, Ni, Cr, Zn

Tại các đô thị, việc quản lý nguồn nƣớc thải công nghiệp còn thiếu chặt
chẽ. Một lƣợng lớn nƣớc thải sản xuất chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý chƣa triệt để
sẽ đƣợc thải chung vào hệ thống thoát nƣớc sinh hoạt đô thị là nguyên nhân phát
sinh kim loại nặng với hàm lƣợng cao trong bùn thải đô thị.
Các hoạt động sinh hoạt thơng thƣờng của các hộ gia đình nhƣ: vệ sinh,

tắm giặt, nấu ăn cũng phát sinh kim loại nặng đi vào hệ thống thốt nƣớc đơ thị.
Các hoạt động thƣơng mại dịch vụ nhƣ: rửa xe, dịch vụ nha khoa cũng
phát sinh lƣợng kim loại nặng khá lớn đi vào hệ thống thốt nƣớc đơ thị.
Các nguồn phát sinh từ ơ nhiễm khơng khí, từ các hoạt động giao thơng sẽ
đi vào hệ thống thốt nƣớc thơng qua con đƣờng nƣớc mƣa. Theo nghiên cứu
của (Wei et al., 2010)[98] hàm lƣợng kim loại nặng trong bụi đƣờng ở Trung
Quốc lớn hơn nhiều so với kim loại nặng trong đất thông thƣờng.
Theo nghiên cứu tổng hợp của tác giả (Soermea et al., 2002)[89], nguồn
phát sinh Cu trong nƣớc thải sinh hoạt lớn nhất thơng qua hệ thống vịi, van đƣợc
làm bằng kim loại Cu trong ngành nƣớc. Nguồn phát thải kim loại Zn lớn nhất
xuất phát từ hoạt động rửa xe, Zn cũng bị rửa trôi từ đƣờng ống cấp nƣớc, thoát
nƣớc sử dụng ống kẽm và từ các mái nhà lợp tôn tráng kẽm. Nguồn phát thải Ni
trong nƣớc thải là các hóa chất đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc thải và nƣớc cấp.
Nguồn cung cấp Hg lớn nhất xuất phát từ các hỗn hống thủy ngân trong hoạt động
nha khoa. Nguồn phát sinh các kim loại nhƣ: Pb, Cr và Cd chƣa đƣợc xác định cụ

20


thể. Tuy nhiên, phần lớn chúng có nguồn gốc từ hoạt động rửa xe tại đô thị. Riêng
đối với kim loại As, trong nghiên cứu của (Marcussen et al., 2008)[76] về hàm
lƣợng As trong bùn thải tại sông Kim Ngƣu cho rằng nguồn phát sinh chủ yếu do
các hoạt động sản xuất cơng nghiệp cịn tồn tại trong thành phố.
Đối với một hệ thống xử lý nƣớc thải, cần phải thiết lập các công đoạn xử
lý phù hợp với thành phần nƣớc thải đầu vào sao cho sau quá trình xử lý đảm
bảo giảm thiểu tối đa các chất gây ô nhiễm bao gồm cả các kim loại nặng độc
hại. Kim loại nặng sau quá trình xử lý nƣớc thải sẽ tích tụ trong bùn thải với
thành phần và hàm lƣợng phụ thuộc vào thành phần và hàm lƣợng kim loại nặng
trong nƣớc thải đầu vào và các công đoạn xử lý đƣợc thiết lập trong hệ thống xử
lý nƣớc thải đó.

Trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt đơ thị, kim loại nặng đƣợc loại ra khỏi
nƣớc thải ở cả giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn xử lý sinh học. Tại giai đoạn
xử lý sơ bộ, cơ chế loại bỏ kim loại nặng do khả năng bị hấp phụ của ion kim
loại nặng lên bề mặt các hạt rắn lơ lửng trong nƣớc thải và sa lắng xuống nhờ
trọng lực. Tại giai đoạn xử lý sinh học, kim loại nặng bị loại khỏi nƣớc thải chủ
yếu theo cơ chế hấp thụ sinh học (biosorption) [30]. Việc thiết lập giai đoạn xử
lý sinh học trong hệ thống xử lý nƣớc thải đơ thị với mục đích chính là giảm
thiểu lƣợng ô nhiễm các chất hữu cơ trong nƣớc thải. Tuy nhiên loại bỏ kim loại
nặng là lợi ích thứ cấp của giai đoạn xử lý này.
Việc tích tụ kim loại nặng trong bùn thải bị ảnh hƣởng bởi chính đặc điểm
của hệ thống xử lý nƣớc thải. Nhƣ vậy, kim loại nặng tích tụ trong bùn thải của
các con sơng thốt nƣớc cũng khơng nằm ngồi các cơ chế ảnh hƣởng này. Kim
loại nặng sa lắng trong bùn thải xuất phát từ cơ chế hấp phụ lên hạt bùn và hấp
thu sinh học của các ion kim loại nặng. Tuy nhiên, việc tích tụ trong bùn và vận
chuyển vào pha nƣớc của kim loại nặng là hai quá trình trái ngƣợc nhau. Kim
loại nặng tích tụ trong bùn hoạt tính của cơng đoạn xử lý sinh học có thể sẽ linh
động trở lại, giải phóng vào nƣớc thải sau xử lý. Theo tác giả (Chipasa.,
2003)[30] sự chuyển hóa sinh học của kim loại nặng trong tổng thể quá trình
thốt nƣớc và xử lý nƣớc thải đơ thị bị tác động bởi 04 cơ chế chính bao gồm:

21