Quy trình xử lý bùn thải hữu cơ để sản xuất khí sinh học và phân hữu cơ sinh học của nhóm tác giả Đỗ Văn Mạnh và Nguyễn Tuấn Minh thuộc Viện KHCN Năng lượng và Môi trường.

Giải pháp hữu ích thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học môi trường. Cụ thể là giải pháp hữu ích đề cập đến quy trình xử lý bùn thải hữu cơ để sản xuất khí sinh học và phân hữu cơ sinh học. Khí sinh học sinh ra từ hệ thống phân hủy yếm khí liên tục được làm sạch trên thiết bị ly tâm hiệu năng cao. Quá trình này đã loại bỏ hoàn toàn các thành phần tạp chất như H2S, SO2, CO2, mêcaptan, xilosan v.v. gây hại cho động cơ, và trở thành nhiên liệu sạch đáp ứng tiêu chuẩn dành cho phát điện. Sau khi có khí sạch, sẽ cấp nhiên liệu cho máy phát điện và lượng điện tạo ra sẽ đáp ứng cho dây chuyền hệ thống ở quy mô trên 10 kWh. Phần chất thải rắn sau phân hủy yếm khí được tận dụng để sản xuất phân hữu cơ sinh học đáp ứng theo tiêu chuẩn quy định trong Nghị định 108/2017/NĐ-CP. Phân hữu cơ sinh học sau quá trình phân hủy yếm khí là nguồn cơ chất cần thiết để tham gia vào quá trình cải tạo đất và góp phần vào chuỗi sản xuất của ngành trồng trọt hữu cơ sinh học phục vụ cho phát triển nền nông nghiệp sạch, an toàn và bền vững.

Mục đích của giải pháp hữu ích là tạo ra một quy trình khép kín cho xử lý bùn thải thành năng lượng và phân bón hữu cơ sinh học. Để đạt được mục đích này, các tác giả giải pháp hữu ích đã nghiên cứu những kỹ thuật công nghệ phức tạp như: quá trình tiền xử lý, phân hủy yếm khí, thu hồi khí sinh học, làm sạch khí sinh học bằng phương pháp công nghệ mới, nén khí, phát điện và sản xuất phân hữu cơ từ nguồn chất thải sau quá trình phân hủy. Toàn bộ quá trình được thực hiện theo chế độ vận hành liên tục và tự động. Do đó, giải pháp hữu ích đề xuất quy trình xử lý bùn thải hữu cơ để sản xuất khí sinh học và phân hữu cơ sinh học bao gồm các bước: a) tiền xử lý và phân hủy bùn thải; b) làm sạch khí sinh học bằng thiết bị ly tâm hiệu năng cao; và c) sản xuất phân hữu cơ sinh học.

1. a) Tiền xử lý và phân hủy bùn thải

Bùn thải phát sinh tại các hệ thống xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao. Cụ thể là bùn từ bể lắng sơ cấp và bùn hoạt tính dư từ các bể lắng thứ cấp với độ ẩm cao 99% được thu gom bơm về bể nén bùn. Tại bể phân hủy bùn, với thời gian bùn lưu đủ dài có thể điều chỉnh theo lưu lượng, các chất hữu cơ từ bùn hoạt tính phân hủy sẽ bị các vi sinh vật kỵ khí phân huỷ tạo hỗn hợp khí sinh học. Hỗn hợp khí sinh học sẽ được thu bằng đường ống ở phía trên của thiết bị và được đưa về chứa tạm thời bằng túi chứa khí sinh học thô được làm bằng vật liệu HDPE nhờ sự chênh lệch áp tự nhiên. Bùn đưa vào phân hủy sẽ được tính toán thời gian lưu phù hợp để sao cho hệ thống hoạt động liên tục và phần bùn già đã phân hủy được bơm về nhà xưởng để ủ phân hữu cơ sinh học theo chế độ vận hành.

1. b) Làm sạch khí sinh học bằng thiết bị ly tâm hiệu năng cao

Khí sinh học tại túi chứa khí sinh học thô được máy thổi khí thổi vào thiết bị ly tâm hiệu năng cao để tinh lọc các tạp chất có trong khí sinh học. Tại đây, khí sinh học được đưa vào thiết bị với lưu lượng ổn định để phù hợp với các chế độ tải của thiết bị, dung dịch NaOH được cấp vào trục giữa thiết bị nhờ bơm, dưới tác dụng của động cơ quay trục giữa, dung dịch NaOH sẽ chuyển động ly tâm với tốc độ cao, giúp cho dung dịch hấp thụ (pha lỏng) tiếp xúc dòng khí đi vào (pha khí) hiệu quả hơn, hiệu suất hấp thụ cao. Các khí tạp trong khí sinh học như H₂S, CO₂ được hấp thụ vào dung dịch NaOH. Đồng thời, với tốc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ không bị kéo theo ra ngoài theo dòng khí, nhờ vậy mà dòng khí sau xử lý có độ ẩm thấp, sạch và đảm bảo tiêu chuẩn cho phát điện. Khí sinh học sau làm sạch sẽ tự di chuyển vào túi chứa khí sinh học tinh (làm bằng vật liệu HDPE) nhờ sự áp thừa của máy thổi khí.

c) Sản xuất phân hữu cơ sinh học

Giải pháp hữu ích sử dụng các chế phẩm vi sinh vật hữu ích được sản xuất từ các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất hydratcacbon, phân giải hợp chất phophat khó tan, protein, lipit, hợp chất nitơ liên kết, hợp chất chứa lưu huỳnh; có mật độ vi sinh tuyến chọn không nhỏ hơn 10⁸CFU/g. Bùn thải sau quá trình phân hủy yếm khí được xử lý sơ bộ để đạt độ ẩm ở giá trị 50-55%. Trong quy trình xử lý nên phối kết hợp với các nguồn hữu cơ khác như than bùn với mục đích làm giảm độ ẩm ban đầu. Nguyên liệu hữu cơ bổ sung này cần xử lý cho đồng nhất về kích thước (càng nhỏ càng tốt). Nếu pH hỗn hợp thấp cần bổ sung thêm một lượng CaCO₃ (hoặc vôi bột) sao cho pH đạt > 6,5. Khi phối trộn, yêu cầu thành phần dinh dưỡng phải bảo đảm cung cấp đủ các dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển trong quá trình ủ.

Đây có thế nói lần đầu tiên một công nghệ tích hợp trong xử lý chất thải thành năng lượng, phát điện và sản xuất phân hữu cơ sinh học trong một hệ thống. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra cho thấy chi phí cho xử lý bùn thải thường chiếm đến 40-60% tổng chi phí của hoạt động xử lý, do vậy việc tận dụng chất thải làm nguồn cơ chất có hàm lượng các chất hữu cơ và dinh dưỡng cao này là một giải pháp sáng tạo mang tính liền mạch và hữu hiệu trong thực tế. Chất lượng phân hữu cơ được tạo ra từ quá trình này hoàn toàn đáp ứng nhu cầu canh tác theo mô hình công nghệ cao hiện nay. Bên cạnh việc ngăn chặn phát tán ô nhiễm tiềm tàng từ bùn thải trong các hệ thống xử lý nước thải, lượng khí sinh học được tạo ra và được làm sạch để phát điện quay trở lại cho hệ thống. Đây là một giải pháp khoa học mang tính thực tiễn cao trong việc bù đắp được phần nào chi phí cho hoạt động xử lý. Quy trình xử lý bùn thải hữu cơ theo giải pháp hữu ích này góp phần vừa xử lý môi trường, vừa tạo ra giá trị cho chất thải phục vụ nhu cầu phát triển ngành xử lý môi trường, nông nghiệp an toàn và bền vững.