CHƯƠNG 1. XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ THEO CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ SINH METHANE TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄM MẶN 1. Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn Ở các khu vực ven biển, nguồn ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy bao gồm chất thải sinh hoạt từ các khu dân cư, các hoạt động nuôi trồng và chế biến thủy hải sản, chất thải của các khu vực chăn nuôi gia súc, gia cầm và các sản phẩm phụ nông nghiệp… Sự ô nhiễm chất thải hữu cơ này sẽ gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái nếu chất thải không được xử lý triệt để. Tại nhiều nước có ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến hải sản lớn trên thế giới như Úc, Na Uy, Canada, Nhật Bản., dạng nguồn thải hữu cơ quan trọng thường gặp ở các vùng ven biển là chất thải từ các hoạt động đánh bắt và chế biến hải sản có hàm lượng muối cao tương đương nước biển (Jenning và Kaiser, 1998; Kennish, 2002).
Do quá trình phân hủy sinh học ở môi trường có nồng độ muối cao diễn ra với tốc độ chậm, việc tìm kiếm công nghệ phù hợp để xử lý loại chất thải này một cách hiệu quả được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Lefebvre và cộng sự (2007) đã chỉ ra vai trò của các VSVSMT chịu mặn và ưa mặn (thuộc các chi Methanosaeta và Methanobacterium) trong bể lên men kỵ khí, cho phép bể có thể vận hành một cách hiệu quả ở môi trường có nồng độ NaCl từ 10 – 60 g/L (Lefebvre et al. Các VSVSMT này có thể được tạo ra trong quá trình thích nghi bùn kỵ khí thông thường ở điều kiện muối cao trong thời gian dài. Trong nghiên cứu khác, Ferreira (2012) cho thấy bùn nạo vét từ các đầm nuôi hải sản có hàm lượng muối cao (10 – 20 g/L) có thể được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men kỵ khí sinh methane để thu năng lượng một cách hiệu 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quả nếu có bổ sung các VSVSMT đã thích nghi trước đó với nồng độ muối cao và cân bằng dinh dưỡng (C:N:P) trong bể lên men được kiểm soát.
Ở Việt Nam, chất thải sinh hoạt của nhiều vùng dân cư ven biển và hải đảo hiện đang là một trong trong những vấn nạn môi trường. Rác thải, chất thải hữu cơ từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt không được xử lý mà thải thẳng ra biển sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng (Hình 1. Do quá trình phân hủy sinh học trong môi trường biển chậm nên lượng chất thải này ngày càng tích lũy và gây ảnh hưởng không nhỏ cho các cơ quan quản lý cũng như hoạt động kinh doanh trên biển. Hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng tạo ra một phần không nhỏ lượng chất thải bao gồm thức ăn dư thừa, xác chết và phân của vật nuôi.
Đồng bằng sông Cửu Long - một trong những vùng nuôi thủy hải sản trọng điểm của Việt Nam hiện đang đối mặt với hiện trạng suy giảm chất lượng nước và ô nhiễm môi trường do bùng phát việc nuôi thâm canh thủy sản mà chất thải tích tụ tại những lớp bùn lớn dưới đáy ao nuôi là một trong những nguyên nhân chính (Hình 1. Một số nguồn chất thải hữu cơ tại các vùng ven biển Việt Nam Theo số liệu thống kê của Viện khoa học thủy lợi Việt Nam, năm 2000 diện tích nuôi tôm ở đồng bằng sông Cửu Long chỉ là 250.000 ha, đến năm 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2011 diện nuôi tôm của 8 tỉnh ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long đã lên trên 580.000 ha, chiếm trên 80% diện tích nuôi tôm của cả nước (www. Riêng trong việc nuôi cá tra và tôm sú ở đồng bằng sông Cửu Long mỗi năm có đến hàng triệu tấn thức ăn không được tiêu hóa hết. Ngoài ra, lượng chất thải hữu cơ giàu protein, lipit và các phụ phẩm khác của thủy sản mực, tôm, cá…cũng rất lớn.
Nước thải trong sản xuất chế biến (chiếm 85 - 90% tổng lượng nước thải) từ hoạt động rửa nguyên liệu, chế biến, vệ sinh dụng cụ thiết bị cũng là nguồn thải nhiễm hữu cơ nặng cần được xử lý (www. Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ là dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật (các loài bản địa cũng như các loài có hoạt tính cao được bổ sung vào hệ thống xử lý) mà các chất hữu cơ ô nhiễm được khoáng hóa tạo thành khí CO2, CH4 và nước. CO2 40-50% Biogas 70-90% COD COD 100% 100% Hiếu khí Kỵ khí Dòng chảy Dòng chảy 5-10% 10-30% Bùn 5- 15% Bùn 50- 60% A B Hình 1. Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) (Lettinga, 1995) Biện pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ được chia thành hai dạng chính: (i) phương pháp hiếu khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí với oxy là chất nhận điện tử cần được cung cấp liên tục để đảm bảo 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hoạt động sống của vi sinh vật và (ii) phương pháp kỵ khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật không có nhu cầu về oxy trong quá trình sinh trưởng.
So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau (Lettinga, 1995; Bitton, 1999): - Phân hủy kỵ khí sử dụng CO2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện tử, không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý nước/chất thải một cách đáng kể. - Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với phân hủy hiếu khí (3 ÷ 20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí thấp). Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%, theo đó với 1 tấn COD bị phân hủy thì chỉ có 20 ÷ 100 kg sinh khối tế bào được tạo thành trong phân hủy kỵ khí, so với 500 ÷ 600 kg tạo thành trong phân hủy hiếu khí (Lettinga, 1995). - Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là biogas với thành phần chủ yếu là khí methane (50 ÷ 70%), loại khí có nhiệt năng cao được sử dụng làm nhiên liệu đốt hay chuyển thành điện năng.
Chỉ có khoảng 3 ÷ 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Ngoài ra quá trình phân hủy kỵ khí còn sinh ra một số sản phẩm khác như CO2 (25 ÷ 45%), H2S (0 ÷1%), CO (0 ÷ 2 %), N2 (0 ÷ 2%), NH3 (0 ÷ 1%), O2 (0 ÷ 2%) (Graaf và Fendler, 2010). Các khí tạp này cần phải được loại bỏ (thông qua các hệ thống lọc phù hợp) để biogas sau đó có thể sử dụng làm nhiên liệu đốt hay phát điện. - Phân hủy kỵ khí thích hợp với các nguồn chất thải có hàm lượng hữu cơ rất cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn.
15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống tồn tại theo tổ hợp ở dạng hạt bùn, có độ bền cao về hoạt tính và về mức sống sót, kể cả khi hệ thống xử lý ngừng hoạt động trong một thời gian dài. - Bên cạnh đó, các quá trình phân hủy kỵ khí còn có thể loại được nhiều chất độc khó phân hủy như các hydrocacbon mạch thẳng chứa clo (ví dụ trichloroethylene, trihalomethane) và lignin. Với những ưu điểm kể trên, các công nghệ xử lý chất thải hữu cơ theo nguyên lý phân hủy kỵ khí ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế này, phân hủy kỵ khí vẫn còn bộc lộ một số nhược điểm như sau: - Quy trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn so với hiếu khí và thường mẫn cảm với nhiều yếu tố độc hại trong môi trường như nhiệt độ, pH, axit hữu cơ bay hơi (VFA), các kim loại nặng.
- Bước khởi động của toàn bộ quá trình thường kéo dài, do vậy nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao (như bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính hay chế phẩm vi sinh) thường được sử dụng để rút ngắn lại quá trình này. Ở các nước phát triển, biogas được sản xuất ở qui mô công nghiệp, sử dụng các nguồn chất thải phong phú, đa dạng, bao gồm chất thải lỏng từ ngành chăn nuôi, các nhà máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ, rác sinh hoạt, bùn thải,. (Weiland et al. Lượng biogas thu hồi từ các nguồn chất thải hữu cơ có thể đóng góp đáng kể vào quỹ năng lượng chung của nhiều quốc gia, như Trung quốc - 1,2% (China biogas, 2008); Mỹ - 100 tỷ kWH (Cuellar et al.
Ở Việt Nam, dự án "Chương trình Khí sinh học cho Ngành chăn nuôi Việt Nam" do Cục chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan thực hiện đã giúp đưa công nghệ khí sinh học tới các vùng nông 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thôn, góp phần quản lý phân chuồng, xử lý chất thải tại chỗ, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng tái tạo từ quá trình xử lý chất thải. Hiện nay trên cả nước có khoảng 500 000 hầm phân hủy biogas có quy mô dưới 10 m3 của các hộ gia đình nông dân. Tính đến năm 2011, chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam đã xây được 15.678 hầm biogas, trong đó chỉ có khoảng 100 hầm biogas thương mại với dung tích 100-200 m3 tại các trang trại nuôi lợn quy mô công nghiệp. Về công nghệ, hầu hết các hầm ủ là loại nhỏ có cấu trúc hầm vòm cố định xây bằng gạch hoặc đúc sẵn bằng composite (Hình 1.
Lượng biogas sinh ra mới chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu và chuyển hóa thành điện sử dụng trực tiếp tại cơ sở chăn nuôi và hộ gia đình, đến nay vẫn chưa có trạm sản xuất điện biogas nào được hòa lưới điện quốc gia. Hầm biogas loại nhỏ phổ biến ở các gia đình nông thôn Việt Nam Với tiêu chí phát triển bền vững, chính phủ Việt Nam đã đặt mục tiêu gia tăng sự đóng góp từ năng lượng tái tạo (gồm năng lượng gió, mặt trời, sinh khối và biogas) cho phát điện từ 3,5% trong 2010 lên 4,5% trong 2020 và tiến tới 6% trong 2030. Bên cạnh việc chuyển hóa chất thải hữu cơ để tận thu năng lượng, quá trình phân hủy kỵ khí tạo khí sinh học còn tạo ra bã thải là nguồn phân bón 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.