Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải sinh học tại nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung và rác thải hữu cơ để sản xuất biogas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRỪỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

TRẦN THỊ MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÙN THẢI SINH HỌC TẠI
NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TẬP TRUNG
VÀ RÁC THẢI HỮU CƠ ĐỂ SẢN XUẤT BIOGAS

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 60420201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đinh Thị Nga

TS. Hoàng Anh Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trần Trung Hiếu

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Phan Thị Huyền

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
12 tháng 01 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. Nguyễn Đức Lượng

2. Ủy viên phản biện 1: TS. Trần Trung Hiếu
3. Ủy viên phản biện 2: TS. Phan Thị Huyền
4. Ủy biên hội đồng: TS. Hoàng Mỹ Dung
5. Thư ký hội đồng: PGS.TS. Nguyễn Thúy Hương
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Đức Lượng

GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thị Minh Ngọc

MSHV: 1570258

Ngày, tháng, năm sinh: 27/12/1991

Nơi sinh: Sóc Trăng

Chun ngành: Cơng nghệ sinh học

Mã số : 60420201

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải sinh học tại nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung
và rác thải hữu cơ để sản xuất biogas
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ để sản xuất khí biogas giúp
giảm thiểu lượng chất thải phát sinh ngày càng tăng, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng
tái tạo phục vụ sản xuất và sinh hoạt.
2. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá khả năng đồng xử lý kỵ khí từ bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ.
- Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học từ q trình đồng xử lý kỵ bùn thải
sinh học và rác thải hữu cơ bằng mơ hình xử lý theo mẻ với tỷ lệ phối trộn khác nhau.
- Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học từ q trình đồng xử lý kỵ bùn thải
sinh học và rác thải hữu cơ bằng mơ hình xử lý liên tục với tải trọng hữu cơ khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Đinh Thị Nga; TS. Hoàng Anh Hoàng

Tp. HCM, ngày 29 tháng 01 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LỜI CÁM ƠN

i


TÓM TẮT
Nghiên cứu này thực hiện nhằm xác định tỷ lệ phối trộn nguyên liệu và tải trọng
hữu cơ phù hợp cho việc tái sử dụng bùn thải sinh học từ nhà máy xử lý nước thải và
rác thải hữu cơ để thu hồi năng lượng tái tạo thông qua q trình đồng xử lý kỵ khí.
Thí nghiệm được tiến hành trong bể phản ứng dung tích 3 lít ở nhiệt độ phịng.
Ở nội dung thí nghiệm thứ nhất, bốn bể kỵ khí được vận hành theo mẻ tương
ứng với tỷ lệ bùn thải sinh học/rác thải là 25:75; 5050; 75:25; 100:0 (ký hiệu lần lượt
là S25, S50, S75, S100) với hàm lượng chất hữu cơ dễ bay hơi (VS) đầu vào là 200g/l,
thời gian vận hành là 16 ngày. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bể có tỷ lệ S50 vận hành
ổn định với mức sản xuất khí biogas cao nhất. Sản lượng methane (mlCH4/gVSloại bỏ)
của S25; S50; S75; và S100 tương ứng là 143,1; 358,9; 197,7; và 105,8; hàm lượng
CH4 chiếm khoảng 58 - 69% biogas. Các chỉ tiêu khác như: tổng ni tơ, tổng phốt pho
có xu hướng tăng trong thời gian đầu và giảm dần sau khi qua giai đoạn khởi động;
các chỉ tiêu: TOC, COD, VFAs giảm dần trong suốt q trình thí nghiệm.
Ở nội dung thí nghiệm thứ hai, hai bể kỵ khí có tỷ lệ phối trộn nguyên liệu lần
lượt là S50 và S100 (đối chứng) được vận hành ở chế độ liên tục với ba tải trọng hữu
cơ lần lượt là 2 gVS/l.ngày; 4 gVS/l.ngày và 6 gVS/l.ngày; mỗi tải trọng có thời gian
vận hành là 18 ngày. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở hai mức tải trọng 2 gVS/l.ngày
và 4 gVS/l.ngày, các bể phản ứng hoạt động ổn định. Ở tải trọng hữu cơ 2 gVS/l.ngày,
thể tích methane thu được hằng ngày từ 390 – 520 ml; sản lượng methane từ 1,3 –
1,5 mlCH4/gVSthêm vào; hàm lượng ni tơ tổng từ 412 – 452 mg/l, hàm lượng phốt pho
tổng từ 290 – 387 mg/l và COD đầu ra ở mức 8160 – 8800 mg/l. Khi nâng lên mức
tải trọng 4 gVS/l.ngày, bể S50 có mức sản xuất khí biogas cao hơn so với tải trọng 2
gVS/l.ngày; thể tích biogas từ 860 – 1220 ml; sản lượng methane thu được từ 2,8 –
4,2 mlCH4/gVSthêm vào; hàm lượng ni tơ tổng từ 433,44 – 476 mg/l; hàm lượng phốt

pho tổng từ 453,49 – 483,18 mg/l; COD đầu ra từ 10600 – 12760 mg/l. Ở mức tải
trọng 6 gVS/l.ngày, cả hai bể thí nghiệm đều hoạt động khơng ổn định, lượng khí
biogas sinh ra khơng đều giữa các ngày, áp lực khí trong bình cao nên cần quan sát
và xử lý kịp thời tránh tắt nghẽn ống dẫn khí.

ii


Tóm lại, nghiên cứu đưa ra kết luận, tỷ lệ phối trộn bùn thải sinh học và rác thải
hữu cơ thích hợp nhất cho hệ thống đồng xử lý kỵ khí là 50:50 với mức tải trọng hữu
cơ là 2 gVS/l.ngày và 4 gVS/l.ngày sẽ mang lại sự ổn định trong vận hành mơ hình
và đạt hiệu quả sản xuất biogas cao.

iii


ABSTRACT
The aim of this study was to determine the appropriate mixing ratio and organic
loading rate of mixture of waste sludge from municipal wastewater treatment plant
(DS) and organic fraction of food waste (FW) to recover renewable energy by
anaerobic co - digestion. The experiment was carried out in a 3 liter reactors at
ambient temperature.
In the first experiment, on batch reactors, four mixing ratios of DS and SW (four
reactors) based on volatile solid content (200 g/l) of DS/SW was investigated
including 25:75 (S25); 50:50 (S50); 75:25 (S75), operation time is 16 days. The
results show that S50 achieved best with the highest biogas production. Methane yield
(mlCH4/gVSremoved) of S25, S50, S75 and S100 is 143.1; 358.9; 197.7 and 105.8;
methane content about 58 – 69%; total nitrogen and total phosphorus were increased
during the start – up stage and decreased after that; TOC, COD and VFAs were
decreased during the experiment.

In the second experiment, S50 and S100 were continued to study for find the
organic loading rate (OLR) for the treatment of organic compounds and the most
effective pollutants. The three organic loading rate were selected including
2gVS/l.day, 4 gVS/l.day and 6 gVS/l.day; each OLR has an operating time of 18
days. The study showed that at the organic loading rate of 2 gVS/l.day and
4 gVS/l.day, the reactors were stable. At 2gVS/l.day of S50, the daily biogas output
of 390 – 520 ml; methane yields of 1.3 – 1.5 mlCH4/gVSadded; total nitrogen content
of 412 – 452 mg/l, total phosphorus content of 290 – 387 mg/l and COD output
content of 8160 - 8800 mg/l. At 4 gVS/l.day of S50, biogas production higher than
2 gVS/l.day; daily biogas production of 860 – 1220 ml; methane yields of 2.8 –
4.2 mlCH4/gVSadded ; total nitrogen content of 433.44 - 476 mg/l; total phosphorus
content of 453.49 - 483.18 mg/l; COD output content of 10600 - 12760 mg/l. At the
organic loading rate of 6 gVS/l.day, the reactors were unstable, biogas production
was unstable during most of operation.
In conclusion, the study concludes that the optimal mixing ratio of waste sludge
from municipal wastewater treatment plant (DS) and organic fraction of food waste
iv


(FW) by anaerobic co – digestion system is 50:50 with the OLR of 2 gVS/l.day and
4 gVS/l.day. This result will achieve the highest effect for biogas production as well
as stability in the operation.

v


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan:
Đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, một phần

đã được cơng bố trên tạp chí khoa học chun ngành, phần cịn lại chưa được cơng
bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác.
Người nghiên cứu

Trần Thị Minh Ngọc

vi


1.1. Tổng quan về bùn thải sinh học và các phương pháp xử lý ............................... 3
1.1.1.

Nguồn gốc ..................................................................................................3

1.1.2.

Đặc điểm ....................................................................................................4

1.1.3.

Các phương pháp xử lý bùn thải thông dụng.............................................4

1.1.3.1.

Phương pháp nén bùn và chôn lấp ....................................................5

1.1.3.2.

Phương pháp thiêu đốt ......................................................................5

1.1.3.3.

Phương pháp xử lý sinh học .............................................................6

1.1.3.4.

Một số ứng dụng của bùn thải sinh học qua xử lý ............................7

1.1.4.

Một số công nghệ xử lý bùn thải trên thế giới .........................................11

1.1.4.1.

Công nghệ Exelys™ và Biothelys™ ..............................................11

1.1.4.2.

Công nghệ Athos™.........................................................................11

1.1.4.3.

Công nghệ Biocon™ .......................................................................13

1.1.4.4.

Công nghệ InosTM ...........................................................................13

1.1.4.5.

Công nghệ Saphyr™ .......................................................................14

1.2. Tổng quan về rác thải sinh hoạt và phương pháp xử lý ................................... 15
1.2.1.

Tổng quan về rác thải sinh hoạt đô thị.....................................................15

vii


1.2.2.

Các phương pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị .............................16

1.2.3.

Rác thải sinh hoạt hữu cơ và phương pháp xử lý ....................................17

1.3. Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí .......................................................... 18
1.3.1.

Q trình phân hủy kỵ khí .......................................................................18

1.3.1.1.

Khái niệm ........................................................................................18

1.3.1.2.

Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí ............................................20

1.3.1.3.

Các yếu tố ảnh hưởng .....................................................................21

1.4. Tổng quan về q trình đồng xử lý kỵ khí bùn thải và rác thải hữu cơ ........... 23

2.1. Thời gian và địa điểm ....................................................................................... 26
2.2. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 26
2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 27
2.3.1

Sơ đồ thí nghiệm tổng quát ......................................................................27

2.3.2

Phương pháp thí nghiệm ..........................................................................28

2.3.2.1

Phương pháp lấy mẫu .....................................................................28

2.3.2.2

Phương pháp phối trộn mẫu ............................................................28

2.3.2.3

Phương pháp phân tích ...................................................................29

2.3.3

Mơ hình thí nghiệm và cách vận hành .....................................................29

Giá trị pH .................................................................................................34
Thành phần khí biogas .............................................................................35
Thể tích khí methane ...............................................................................36
viii


Sản lượng khí methane tích lũy ...............................................................37
Acid béo bay hơi (VFAs).........................................................................38
Tổng carbon hữu cơ (TOC) .....................................................................39
Hàm lượng chất dinh dưỡng ....................................................................40
3.2.6.1.

Tổng ni tơ ........................................................................................40

3.2.6.2.

Tổng phốt pho .................................................................................41

3.2.6.3.

Hàm lượng COD .............................................................................41

3.3.1

Giá trị pH .................................................................................................42

3.3.2

Nồng độ khí methane ...............................................................................43

3.3.3

Thể tích khí methane ...............................................................................44

3.3.4

Sản lượng khí methane ............................................................................44

3.3.5

Hàm lượng acid béo bay hơi (VFAs) ......................................................45

3.3.6

Hàm lượng dinh dưỡng ............................................................................46

3.3.6.1

Tổng ni tơ ........................................................................................46

3.3.6.2

Tổng phốt pho .................................................................................46

3.3.6.3

Hàm lượng COD .............................................................................47

ix


DANH MỤC HÌNH

x


DANH MỤC BẢNG

xi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BOD

:

Biochemical Oxygen Demand

CFU

:

Colony Forming Units

COD

:

Chemical Oxygen Demand

CST

:

Capillary Suction Timer

DS

:

Dewatered sludge

EPS

:

Extracellular polymeric substances

EU

:

European Union

INRS

:

Institut National de la Recherche Scientifique

MLSS

:

Mixed liquor suspended solids

FW

:

Food waste

OLR

:

Organic Loading Rate

PE

:

Polyetylen

TS

:

Total solids

VAST

:

Vietnam Academy of Science Technology

VFAs

:

Volatile fatty acids

VS

:

Votiled solids

WtE

:

Waste to Energy

xii

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời kì cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, các hoạt động sản xuất lẫn sinh hoạt
của con người đều làm gia tăng lượng chất thải rắn phát sinh ra môi trường. Trong
các loại chất thải rắn, bùn thải là một trong những vấn đề đáng lo ngại gây ô nhiễm
đang thu hút nhiều sự quan tâm. Theo thống kê của Sở Tài nguyên và Mơi trường
Thành phố Hồ Chí Minh, vào năm 2012, chỉ riêng khu vực TP. Hồ Chí Minh đã phát
sinh lượng bùn thải các loại tổng cộng khoảng 3000 - 4000m³/ngày. Trong đó, lượng
bùn thải từ các hệ thống cống rãnh từ 450000 - 700000 tấn/năm; bùn thải từ các kênh
rạch từ 2 - 3 triệu m³/năm; bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt từ 30 40 tấn/ngày và bùn thải từ bể tự hoại từ 30 - 50 tấn/ngày. Xét về đặc điểm của bùn
thải, đây là loại chất thải có chứa rất nhiều vi sinh vật, hàm lượng carbon và chất dinh
dưỡng hữu cơ cao, có thể tận dụng cho việc thu hồi năng lượng thông qua các phương
pháp xử lý sinh học. Tuy nhiên, lượng bùn thải này hiện nay lại được xử lý chủ yếu
bằng phương pháp chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường bởi mùi hôi thối và những mầm
bệnh tiềm ẩn.
Ngồi bùn thải, sự gia tăng dân số cịn kéo theo lượng chất thải rắn sinh hoạt
ngày càng tăng. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam, dựa vào nguồn gốc
phát sinh, khoảng 46% chất thải rắn phát sinh là chất thải rắn sinh hoạt đô thị; 17%
từ hoạt động sản xuất cơng nghiệp; cịn lại là chất thải rắn từ nông thôn, làng nghề và
y tế. Riêng lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh từ các đô thị trong giai đoạn 2011
- 2015 tiếp tục gia tăng và có xu hướng tăng nhanh hơn so với giai đoạn 2006 - 2010.
Ước tính lượng phát sinh chất thải rắn sinh hoạt khoảng 63 nghìn tấn/ngày. Trong đó,
chất thải rắn sinh hoạt bao gồm chất thải hữu cơ và chất thải vô cơ. Chất thải vô cơ
không thể phân hủy được nên chỉ có thể chơn lấp hoặc tái sử dụng cho mục đích khác.
Tuy nhiên, chất thải hữu cơ rất dễ phân hủy do chứa thành phần hữu cơ thuận lợi cho
sự phát triển của vi sinh vật, đặc tính này có thể được tận dụng để thu hồi năng lượng,
do đó, với cách giải quyết bằng phương pháp chôn lấp là không khả thi, vừa gây ô
nhiễm môi trường, vừa lãng phí nguồn tài nguyên tái sử dụng được.

1


Song song với hiện trạng trên là vấn đề thiếu hụt năng lượng, theo nghiên cứu
của các nhà khoa học Viện Khoa học Năng lượng, năm 2011, Việt Nam sẽ phải đối
mặt với nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng trong tương lai khơng xa. Ngồi các
nguồn năng lượng hóa thạch như than, dầu thơ, khí… việc phát triển các nguồn năng
lượng thay thế khác ngày càng trở nên quan trọng. Với sự tiến bộ của các ngành
khoa học công nghệ ngày nay, đặc biệt là công nghệ biến chất thải thành năng lượng
(WtE), sẽ khắc phục được tình trạng thiếu hụt năng lượng trong tương lai, hạn chế
vấn đề nóng lên tồn cầu và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường
Với những lý do trên, tôi tiến hành thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên
cứu tái sử dụng bùn thải sinh học tại nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung và
rác thải sinh hoạt để sản xuất biogas” nhầm mục đích tận dụng nguồn bùn thải và rác
thải sinh hoạt trong thành phố để sản xuất năng lượng tái tạo (biogas), giảm thiểu ô
nhiễm môi trường từ các loại chất thải trên.
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải sinh học tại nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt
tập trung và rác thải hữu cơ bằng phương pháp đồng xử lý kỵ khí để thu nhận khí
biogas phục vụ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt.
Nội dung nghiên cứu:
Dựa vào mục tiêu trên, nghiên cứu tiến hành gồm các nội dung như sau:
-

Đánh giá khả năng đồng xử lý kỵ khí từ bùn thải sinh học và rác thải hữu cơ.

-

Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học khi thay đổi tỷ lệ phối trộn

nguyên liệu bằng mơ hình bể phản ứng theo mẻ.
-

Nghiên cứu và đánh giá khả năng tạo khí sinh học khi thay đổi tải trọng hữu cơ

bằng mơ hình xử lý liên tục

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bùn thải sinh học và các phương pháp xử lý
1.1.1.

Nguồn gốc

Bùn thải là sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải. Bùn thải thường chứa
một lượng nước lớn, đặc tính của bùn phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng mà nó
được tách ra. Vị trí phát sinh bùn thải trong quy trình xử lý nước thải được thể hiện ở
hình 1.1. Dựa vào đặc tính của bùn thải có thể chia thành các loại như sau: bùn thải
dễ phân hủy sinh học và bùn thải khó phân hủy sinh học.
Trong đó, bùn thải dễ phân hủy sinh học (bùn thải sinh học) là loại bùn được
tạo ra từ quá trình xử lý sinh học hay từ nước thải có hàm lượng hữu cơ cao [1][6].
Nước thải sinh hoạt
Hầm chứa
Song chắn
Hóa chất
điều chỉnh
pH

Bể điều hịa
Bể vớt dầu
Bể keo tụ
tạo bơng
Bể lắng I

Bể chứa bùn

Bể trung hòa

Bể nén bùn

Bể xử lý
sinh học

Javen

Máy ép bùn
Sân phơi bùn

Bể lắng II

Bể chứa bùn
(Bùn thải sinh học)

Bể khử trùng

Nguồn tiếp nhận

Hình 1.1 Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt cơ bản và vị trí phát sinh bùn thải

3


Bùn thải sinh học được chia thành 2 loại: không nguy hại và nguy hại.
- Bùn thải không nguy hại được tạo ra từ quá trình xử lý nước ở các nhà máy chế
biến lương thực thực phẩm, nước thải sinh hoạt. Bùn này có hàm lượng chất hữu cơ
cao, ít chất độc và thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật. Vì vậy có thể sử dụng
làm phân bón cho cây trồng hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho q trình ni cấy vi
sinh vật, tạo ra nguồn năng lượng và nhiên liệu có giá trị.
- Bùn thải nguy hại được tạo ra từ hệ thống nước thải của bệnh viện, các khu
nghiên cứu. Loại bùn thải này phải được xử lý nghiêm ngặt bằng phương pháp thiêu
đốt trước khi chôn, tuyệt đối không được tận dụng cho mục đích nơng nghiệp [1].
1.1.2.

Đặc điểm

Bùn thải sinh học từ các trạm xử lý nước thải sinh hoạt thường chứa một lượng
lớn chất hữu cơ cũng như các hợp chất chứa ni tơ và phốt pho. Đây là các thành phần
dinh dưỡng có thể tái sử dụng làm phân bón, chất cải tạo đất hay sản phẩm hữu ích
khác. Bên cạnh đó, bùn thải sinh học cịn chứa những quần thể vi sinh vật rất đa dạng
bao gồm: vi khuẩn, nấm, protozoa. Trong đó, vi khuẩn là nhóm vi sinh vật quan trọng
nhất trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, trong bùn thải sinh học vẫn
tiềm ẩn các vi sinh vật mầm bệnh, do đó cần phải được xử lý trước khi đưa đến các
nơi tiếp nhận cho mục đích khác.
Đặc biệt, bùn thải sinh học chứa rất ít kim loại nặng, phù hợp cho q trình lên
men kỵ khí thu năng lượng, đồng thời sản phẩm sau lên men có thể được sử dụng trực
tiếp làm phân bón cho nơng nghiệp, khơng gây ảnh hưởng đến môi trường [6].
1.1.3.

Các phương pháp xử lý bùn thải thông dụng

Bùn sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải thường ở dạng lỏng có chứa từ 0,25%
đến 12% chất rắn tính theo khối lượng tùy thuộc vào công nghệ xử lý nước thải được
áp dụng. Trong những thành phần cần xử lý, bùn chiếm thể tích lớn nhất và kỹ thuật
xử lý cũng như thải bỏ bùn là một trong những vấn đề phức tạp trong quá trình xử lý
nước thải. Các thiết bị xử lý bùn chiếm 40% – 60 % tổng chi phí xây dựng hệ thống
xử lý nước thải và chi phí xử lý khoảng 50 % chi phí vận hành tồn hệ thống.
Sau đây là một số phương pháp xử lý thường được sử dụng:

4


1.1.3.1.

Phương pháp nén bùn và chôn lấp

- Phương pháp nén bùn:
Bùn thải từ bể lắng II có độ ẩm cao. Một phần bùn được hoàn lưu trở lại vào bể
xử lý sinh học, phần còn lại được dẫn vào bể nén bùn. Bể nén bùn có nhiệm vụ làm
giảm độ ẩm của bùn dư bằng cách nén cơ học để đạt độ ẩm thích hợp.
Các phương pháp thơng dụng để nén bùn bao gồm ba phương pháp vật lý:
 Phương pháp nén bùn bằng trọng lực.
 Phương pháp nén bùn bằng tuyển nổi khí hịa tan.
 Phương pháp nén bùn bằng máy ly tâm.
Bùn sau khi được xử lý sẽ được đem phơi khơ làm phân bón hoặc vận chuyển
đến các khu vực chôn lấp chất thải [1][5][6].
- Phương pháp chôn lấp:
Đây là phương pháp xử lý đơn giản và được ưa chuộng nhất trong việc xử lý
chất thải rắn, đặc biệt là đối với bùn thải nguy hại. Tuy nhiên, phương pháp xử lý này
gây lãng phí nguồn nguyên liệu (bùn thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao), tốn diện

tích đất chơn lấp, gây ơ nhiễm mơi trường và ơ nhiễm nguồn nước ngầm.
Trong q trình chơn lấp cần xác định địa điểm bãi chôn lấp cẩn thận do có thể
gây ra một số vấn đề ơ nhiễm dưới bề mặt đất. Các bãi chôn lấp phải đặt phía trên
mực nước ngầm, hạn chế sự thẩm thấu các chất ô nhiễm bởi nước mưa, mặt hướng
về tầng nước ngầm phải được giảm thiểu [1][2][6][13][15].
1.1.3.2.

Phương pháp thiêu đốt

Đây là phương pháp cuối cùng được sử dụng trong xử lý bùn thải. Phương pháp
này giúp làm giảm đáng kể khối lượng bùn sau khi đốt, giảm thiểu mùi hôi nhờ xử lý
nhiệt, đồng thời sản phẩm cuối như tro và chất trơ có thể được sử dụng làm nguyên
liệu phụ để sản xuất bê tông.
Hiện này, bùn thải nguy hại khơng được sử dụng cho mục đích nơng nghiệp và
bùn thải chôn lấp ngày càng nhiều nên việc đốt bùn thải được dự kiến sẽ ngày càng
tăng để giảm lượng bùn cặn phải đem đi chôn lấp. Tuy nhiên, phương pháp này cần
chi phí đầu tư ban đầu cao, bị quy định nghiêm ngặt về tiêu chí đốt, quản lý dư lượng
khí thải, xử lý tro bay và tro đáy, đồng thời có thể tạo ra một số khí độc cho môi
5


trường và con người, phương pháp này chỉ được lựa chọn để xử lý các chất thải độc
hại không thể áp dụng các phương pháp xử lý khác [5][6].
1.1.3.3.


Phương pháp xử lý sinh học
Phương pháp xử lý kỵ khí

Q trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp xảy ra

trong điều kiện khơng có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí
có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ

Tế bào mới + CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Q
Điều kiện kỵ khí

Q trình kỵ khí sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử, khơng cần oxy, do đó làm
giảm chi phí xử lý nước thải. Lượng bùn tạo ra sau xử lý kỵ khí ít hơn so với q
trình xử lý hiếu khí do năng lượng sinh ra từ các phản ứng kỵ khí tương đối thấp. Hầu
hết năng lượng có được từ sự phân hủy cơ chất đều được tìm thấy trong sản phẩm
cuối cùng của q trình, đó là khí methane. Sự tạo thành methane cũng giúp giảm
thiểu lượng BOD trong bùn đã phân hủy. Tuy nhiên, quá trình xử lý kỵ khí tốn nhiều
thời gian hơn xử lý hiếu khí và nồng độ cơ chất ban đầu phải tương đối cao.
Hiện nay, phương pháp xử lý kỵ khí được xem là một trong những giải pháp cải
thiện môi trường có hiệu quả cao, được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Q trình xử
lý kỵ khí có nhiều lợi thế hơn các phương pháp xử lý nước thải khác. Đây là phương
pháp ổn định bùn thải và giảm thể tích, ổn định tính chất bùn; có khả năng làm giảm
lượng sinh vật gây bệnh trong bùn thải. Đồng thời, sản phẩm cuối cùng của q trình
chuyển hóa là khí khí sinh học – biogas (trong đó, khí methane được sử dụng như
nguồn năng lượng tái tạo dùng để đốt, cung cấp nhiệt hoặc tạo điện phục vụ cho sản
xuất và sinh hoạt). Tuy nhiên, chất thải của hệ thống này vẫn địi hỏi cơng nghệ xử lý
phù hợp như chơn lấp, hóa rắn hoặc tái sử dụng làm phân bón.


Phương pháp xử lý hiếu khí

Xử lý hiếu khí là một quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật hiếu khí sử dụng
chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và oxy hịa tan có sẵn trong bùn thải để sản xuất các

chất rắn ổn định, carbon dioxide, và gia tăng sinh khối. Tương tự như phương pháp
6


xử lý kỵ khí, chất thải sau q trình xử lý hiếu khí vẫn địi hỏi cơng nghệ phù hợp
như chơn lấp, hóa rắn hoặc tái sử dụng làm phân bón [6].
Ưu điểm của xử lý hiếu khí:
 Giảm lượng chất rắn bay hơi gần giống như xử lý kỵ khí.
 Bùn thải sau khi xử lý có nồng độ BOD thấp hơn.
 Giảm mùi hôi thối từ bùn.
 Bùn sau khi xử lý có thể sử dụng làm phân bón.
 Vận hành tương đối dễ dàng hơn.

Nhược điểm:
 Chi phí năng lượng cao kết hợp với việc cung cấp oxy.
 Quá trình khử nước bằng cơ học kém.
 Quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, vị trí địa lý và loại thiết bị chứa.
 Chi phí vận hành cao.

1.1.3.4.

Một số ứng dụng của bùn thải sinh học qua xử lý

Sản xuất khí biogas
Khí sinh học (biogas) được sản xuất trong q trình phân hủy kỵ khí chủ yếu
gồm methane (CH4) và carbon dioxide (CO2), một số lượng nhỏ sunfua hydro (H2S),
amoniac (NH3), hydro (H2), ni tơ (N2), carbon monoxide (CO).
Biogas có thể được sử dụng cho các lò đốt, sưởi ấm bằng nồi hơi và cung cấp
điện năng. Methane trong khí sinh học có thể được sử dụng để làm pin nhiên liệu.
Bùn thải sinh học có chứa các thành phần thích hợp lên men kỵ khí sinh ra lượng

khí biogas tương đối cao, tận dụng được nguồn nguyên liệu thải để tạo ra năng lượng
sinh học an tồn cho mơi trường và sức khỏe con người [6][16][15].
Sản xuất phân bón hữu cơ
Bùn từ nước thải có chứa các chất dinh dưỡng có giá trị cao được khuyến cáo
sử dụng trong mục đích nơng nghiệp. Nó làm tăng tốc độ hô hấp của vi sinh vật trong
đất canh tác và tăng năng suất cây trồng vì bùn có chứa nhiều chất dinh dưỡng và
hàm lượng hữu cơ cao. Việc xử lý bùn là một vấn đề nhạy cảm với mơi trường, bùn
làm phân bón rất tốt nhưng trong bùn có thể chứa các kim loại nặng, vi sinh vật gây
bệnh, mùi hôi thối làm giảm năng suất cây trồng và rủi ro về mặt môi trường. Do đó,
7


bùn thải cần được xử lý ổn định, trước khi đưa vào sử dụng trong môi trường tự nhiên.
Bùn thải sau khi qua xử lý kỵ khí có thể được dùng làm phân bón hữu cơ thơng thường
cho cây trồng, các ngun tố có trong bùn thải rất thích hợp cho sự phát triển của thực
vật; đồng thời sử dụng bùn thải làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất phân
hữu cơ vi sinh cũng là một hướng ứng dụng khá tốt [1][6][16].
Sản xuất vật liệu xây dựng
Bùn thải đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng cho sản xuất vật liệu xây dựng
giúp giảm ô nhiễm môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu thải, đặc biệt là bùn nguy
hại khó xử lý. Trong xây dựng, bùn thải được trộn với các chất phụ gia, đá, xi măng
để sản xuất vữa bê tông, gạch xây dựng.
Dưới đây là một số nghiên cứu và ứng dụng đã được thực hiện tại Việt Nam:
- Nhóm tác giả Lâm Minh Triết, Viện nước và công nghệ môi trường; Nguyễn

Ngọc Thiệp, Trường Đại học Tôn Đức Thắng cùng các cộng sự đã thực hiện đề tài
“Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải, nước tách bùn từ các nhà
máy cấp nước của TP.HCM”.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về việc tận dụng bùn thải để sản xuất vật liệu
xây dựng đơn giản (gạch xây dựng, chậu gốm, chén hứng mủ cao su) cho thấy với tỷ

lệ pha trộn bùn thải : đất sét (2 kg : 8 kg) chất lượng vật liệu sau khi mang đi kiểm
nghiệm có tính chất vật lý (cường độ nén và tính thấm) tương tự như các loại vật liệu
thơng thường.
- Nhóm nghiên cứu và phát triển cơng nghệ mới thuộc Hội Khoa học và Kỹ thuật

xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh do Nguyễn Hồng Bỉnh chủ trì đã đưa ra giải pháp
ổn định – hóa rắn bùn thải nguy hại và hồn thiện cơng nghệ sử dụng bùn thải nguy
hại làm phối liệu cho vữa bê tông xi măng trong xây dựng hạ tầng kỹ thuật. Vữa bê
tông làm từ bùn thải cơng nghiệp có tính chất giống vữa bê tơng truyền thống, có thể
dùng để đổ bê tơng làm cơng trình hạ tầng, chế tạo tấm đan và cột tiêu. Nhóm nghiên
cứu đã thu thập các mẫu bùn thải nguy hại từ một số ngành công nghiệp để phân tích
và thí nghiệm. Tại phịng thí nghiệm, các khối bê tông được đúc từ nhiều loại bùn
thải nguy hại đã đạt các yêu cầu về môi trường và chỉ số kỹ thuật về cường độ bê
tông. Các chất nguy hại trong bùn thải sau khi xử lý bằng công nghệ trên đã bị triệt
8


tiêu hoặc giảm xuống dưới ngưỡng cho phép và không cịn mùi hơi thối. Theo đánh
giá ban đầu, các sản phẩm đều đạt chỉ tiêu kỹ thuật.
- Trung tâm Công nghệ và Quản lý Mơi trượng Thành phố Hồ Chí Minh đã hồn

thiện cơng nghệ sản xuất gạch từ bùn thải. Bùn thải được làm khô, tách riêng các
thành phần vô cơ (cát) và hữu cơ (bùn) bằng phương pháp thuỷ lực. Cát mịn được
dùng để sản xuất gạch xây dựng. Phần bùn sau khi xử lý bằng vi sinh vật để tách kim
loại sẽ được dùng làm phân bón hữu cơ. Bùn thải từ các ngành cơng nghiệp có chứa
hàm lượng kim loại nặng cao nên dùng để sản xuất màu pha dùng trong sản xuất gạch.
Môi trường nuôi cấy vi sinh vật
Bùn thải sinh học có tiềm năng để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau bởi
thành phần chủ yếu của bùn thải là các vi sinh vật dư thừa của công đoạn xử lý sinh
học với hàm lượng chất hữu cơ, ni tơ và phốt pho cao. Ý tưởng tái sử dụng bùn thải

làm môi trường thay thế cho môi trường nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật nhằm nâng
cao giá trị của bùn thải lần đầu tiên được phát triển bởi R.D. Tyagi thuộc Viện Nghiên
cứu khoa học quốc gia, Quebec, Canada (INRS). Ưu điểm nổi bật của hướng nghiên
cứu này là tận dụng thành phần dinh dưỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trường
nhân tạo đắt tiền thường sử dụng trong q trình ni cấy vi sinh vật để tạo ra các sản
phẩm sinh học có ích như các chế phẩm sinh học cải tạo đất, thuốc trừ sâu sinh học,
màng PE, hóa chất keo tụ. Việc tận dùng bùn thải vừa giúp giảm giá thành vừa góp
phần bảo vệ môi trường.
Trên cơ sở hợp tác giữa INRS và VAST, Viện Công nghệ môi trường đã giao
cho Nguyễn Hồng Khánh chủ trì nhiệm vụ và xây dựng hướng nghiên cứu mới để
tiếp thu ý tưởng, kết quả do R.D. Tyagi (INRS) chuyển giao và phát triển hợp tác
nghiên cứu với Canada trong lĩnh vực tái sử dụng và nâng cao giá trị của bùn thải
sinh học. Hướng nghiên cứu mới này đã được sự quan tâm và hỗ trợ đầu tư của Bộ
Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Sau khi tiến hành
điều tra, khảo sát, lấy mẫu và phân tích chất lượng của bùn thải sinh học từ hệ thống
xử lý nước thải thuộc nhiều nhóm ngành sản xuất khác nhau như: xử lý nước thải sinh
hoạt, sản xuất bia, chế biến nông sản thực phẩm… nhằm sàng lọc và lựa chọn được
loại bùn thích hợp, khơng chứa độc chất, phù hợp cho việc tái sử dụng theo mục đích
9


của hướng nghiên cứu. Kết quả đạt được cho thấy, bùn thải phát sinh từ hệ thống xử
lý nước thải của nhà máy bia và hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có sự ổn định cao
và có các đặc tính tương đối giống với loại bùn thải được sử dụng trong nghiên cứu
ở Canada về hàm lượng chất dinh dưỡng và độc tố. Thậm chí, bùn thải của Việt Nam
cịn có hàm lượng hữu cơ, ni tơ và phốt pho cao hơn so với bùn thải được thử nghiệm
ở quy mơ pilot 2000 lít ở Canada.
Thử nghiệm trên đối tượng bùn thải ở Việt Nam đạt được kết quả bước đầu khá
khả quan. Một số chủng vi sinh vật hữu ích như Bacillus thuringiensis (dùng để sản
xuất thuốc trừ sâu sinh học), Rhizobium (vi khuẩn cố định đạm) đã được thử nghiệm

và cho thấy có khả năng phát triển tốt trên môi trường bùn thải của nhà máy bia (với
nồng độ của bùn thải là 20g MLSS/L). Mật độ tế bào và nồng độ độc tính deltaendotoxin của vi khuẩn Bacillus thuringiensis khi được nuôi trên môi trường bùn thải
đạt lần lượt là 4,7x108 CFU/mL và 619 mg/L. Vi khuẩn Rhizobium cũng phát triển
tốt trên môi trường bùn thải với mật độ tế bào đạt 2,6x108 CFU/mL.
Bên cạnh đó, nhóm các nhà khoa học cũng hợp tác nghiên cứu và đánh giá khả
năng ứng dụng chất keo tụ sinh học dựa trên nuôi cấy một số chủng vi sinh vật sinh
EPS (hợp chất polymer ngoại bào) trên môi trường bùn thải. Các thí nghiệm này được
tiến hành tại Việt Nam song song với phịng thí nghiệm tại Canada của R.D. Tyagi.
Kết quả nghiên cứu đã cho thấy chất keo tụ sinh học (sử dụng trực tiếp hỗn hợp sau
nuôi cấy mà không cần phải tách chiết ra khỏi mơi trường ni cấy) có hoạt tính keo
tụ cao với kaolin: hiệu quả xử lý độ đục đạt 76,5 %, khả năng tách nước của bùn sau
keo tụ được cải thiện đáng kể. Đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng ứng
dụng nhiều trong xử lý nước thải và ổn định bùn thải. Chất keo tụ sinh học có khả
năng thay thế hoặc giảm thiểu lượng polymer hóa học, chất keo tụ hóa học và những
chất hóa học có tiềm năng gây độc cho sức khỏe con người và môi trường sinh thái.
Các kết quả thu được còn mở ra triển vọng sản xuất, ứng dụng vào thực tế cho
các chế phẩm sinh học, vật liệu sinh học bằng cách nuôi cấy các vi sinh vật hữu ích
trên môi trường làm từ bùn thải để thay thế cho các mơi trường nhân tạo có giá thành
cao như: các loại chế phẩm ứng dụng cho nông lâm nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học và
các vi khuẩn kháng nấm, bệnh trên cây công nghiệp, chế phẩm dùng trong cải tạo đất
10