Nghiên cứu thử nghiệm thiết bị khi sinh học hình ống có màng lọc sinh học

là chịu được sự thay đổi đột ngột của lưu lượng nguyên liệu nạp vào hàng ngày. 
Lịch sử phát triển khí sinh học ở Việt Nam có từ những năm 1960 nhưng chủ yếu phát 
triển các loại công trình KSH kiểu đơn giản, những nghiên cứu về thiết bị KSH có 
màng lọc chưa nhiều, nhất là kiểu màng lọc sinh học. Vì thế mục tiêu của đề tài là 
nghiên cứu và thử nghiệm kiểu thiết bị KSH hình ống có màng lọc sinh học áp dụng 
cho cả quy mô nhỏ và trung bình. Kết quả thử nghiệm cho thấy đây là kiểu công trình 
tiên tiến có thời gian lưu ngắn, tiết kiệm chi phí và phù hợp với nhiều loại nguyên liệu 
nạp khác nhau. 
1. Nghiên cứu quá trình lên men kỵ khí và lọc sinh học 
Quá trình phân huỷ của các chất hữu cơ trong môi trường không có oxy gọi là 
quá trình lên men kỵ khí. Đây là một quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều loài 
vi khuẩn. Công nghệ lên men kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý 
các loại nước thải và chất thải nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt có hàm lượng 
chất hữu cơ cao. Các kết quả nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm đã được 
đưa ra thực tế ứng dụng từ thử nghiệm đến áp dụng rộng rãi như các nhà máy xử lý 
sinh học nước thải công nghiệp thực phẩm ở Hà Lan, Hoa Kỳ, Thuỵ Sĩ, Đức…ưu điểm 
của công nghệ này là thiết kế đơn giản, thể tích công trình nhỏ, chiếm ít diện tích mặt 
bằng; công trình có cấu tạo cũng đơn giản, giá thành không cao, chi phí vận hành thấp, 
tốn ít năng lượng, thu hồi KSH cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều dinh dưỡng, lượng 
bùn sinh ra ít hơn từ 10-20 lần so với phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương 
đối cao có thể tồn trữ trong một thời gian khá dài và là một nguồn phân bón có giá trị; 
tải trọng phân huỷ chất bẩn hữu cơ cao, chịu được sự thay đổi đột ngột về lưu lượng. 
 Nhờ những tiến bộ trong khoa học, công nghệ sự can thiệp vào quá trình lên 
men đã thúc đẩy quá trình lên men tốt hơn và tạo ra một sản lượng KSH tốt hơn hay 
hiệu suất xử lý mô trường của các hệ thống lên men kỵ khí cũng tốt hơn. Một trong 
các biện pháp đó là sử dụng hệ thống lọc sinh học trong các bể lên men kỵ khí. 
Các giá thể được đặt trong bể KSH khi tiếp xúc với các lớp vi sinh vật trong 
dịch lên men sẽ phát triển thành một lớp gọi là lớp màng sinh học linh hoạt bao gồm 
các tế bào VSV xen giữa bề mặt chất lỏng và chất rắn. Lớp màng sinh học này có thể 
hình thành ở hầu hết các bề mặt tự do của môi trường chất lỏng. Vì thế hệ thống màng 
lọc sinh học có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong các thiết bị khí sinh học. 
Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chất lên men trong hệ thống ứng dụng màng lọc sinh học 
đó là: 
 2
- Sự khuếch tán của cơ chất từ phần cơ bản của chất lỏng đến bề mặt phân 
cách giữa chất lỏng và lớp màng sinh học; 
- Sự khuếch tán của cơ chất bên trong các khe rỗng/lớp xốp của màng lọc sinh 
học; 
- Phản ứng sinh hoá bên trong chính lớp màng sinh học này (tiêu thụ cơ chất 
của VSV) 
Hình 1 - Các loại giá thể trong hệ thống lọc kỵ khí 
2 Hệ thống KSH dòng chảy đều có màng lọc sinh học 
Lọc kỵ khí dòng chảy đều là một trong những công nghệ ứng dụng có hiệu quả 
để xử lý nước thải chăn nuôi và công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu ứng dụng trong 
thiết kế và xây dựng mô hình thử nghiệm đã giúp các nhà khoa học nắm được những 
ảnh hưởng của các điều kiện cơ bản trong thiết kế. Công nghệ lọc kỵ khí (AF) chủ yếu 
là cột lọc, tháp lọc hay lớp lọc ngang với sự hỗ trợ của các giá thể để sinh khối có điều 
kiện tăng trưởng. Hệ thống vận hành theo chế độ dòng chảy thẳng đứng, dòng chảy 
ngược lên/xuống hoặc dòng chảy ngang. Một số vật liệu tự nhiên như đá cuội, thạch 
anh mịn, xơ dừa, đá granit, than đá, gạch vỡ, nhựa tổng hợp…có thể sử dụng làm giá 
bám cho các VSV rất tốt. Tuy nhiên hệ thống này có thể bị tắc trầm trọng nếu sử dụng 
kích thước vật liệu không phù hợp như khi sử dụng các hạt có kích thước quá nhỏ hay 
độ rỗng trong hệ thống giá đỡ quá hẹp, vì thế để đảm bảo an toàn cho hệ thống các loại 
hạt hình cầu hoặc tròn thì kích thước hạt phải lớn hơn 20mm và độ rỗng phải thích 
hợp. 
Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống kỵ khí có màng lọc bao gồm: i) kích 
thước bể lên men, chủ yếu quan tâm đến độ dài của bể và sự phân bố của VSV theo 
chiều dày của lớp lọc. Các thông số sử dụng trong thiết kế gồm lưu lượng đầu vào/ 
kiểu dòng chảy, sự chuyển hoá của sinh khối trong lớp lọc sinh học, động học và cấu 
trúc của màng firm ( theo kết quả nghiên cứu của Saravanan & Sreekrishnan, 2006); ii) 
Kiểu dòng nạp: có hai kiểu nạp được ứng dụng rộng rãi đó là kiểu đa dòng nạp và đơn 
dòng nạp. Kiểu nạp là một trong những yếu tố quan trọng trong các tiêu chí vận hành 
thiết bị, thông thường các công trình quy mô nhỏ mới áp dụng kiểu đơn dòng nạp còn 
 3
các loại bể cỡ trung bình và lớn thì áp dụng kiểu đa dòng nạp (Punal, Mendez-Pampin 
& Lema, 1999); và cuối cùng là iii) Thời gian lưu sinh khối trong hệ thống. 
Các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành hệ thống bao gồm: i) Nhiệt độ, là yếu tố 
ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí nên nó cũng ảnh hưởng đến quá trình hoạt 
động của thiết bị lọc kỵ khí. Khi nhiệt độ thay đổi cả tăng và giảm đều ảnh hưởng 
không tốt đến vận hành của thiết bị; ii) pH, giá trị pH của dịch lên men tối ưu nằm 
trong dải 7.4 - 7.7 (trung tính). Khi giá trị pH vượt quá 8.0 thì hiệu suất xử lý của thiết 
bị bắt đầu giảm vì vi khuẩn sinh metan chỉ hoạt động tốt trong dải pH từ 6.7 - 8.0; iii) 
Diện tích bề mặt lọc, diện tích bề mặt tiếp xúc của khối lọc tăng sẽ thúc đẩy mức độ 
tập trung của sinh khối cao hơn trong bể lên men; iv) Tốc độ nạp, vi khuẩn kỵ khí rất 
nhạy cảm với tốc độ nạp. Khi tốc độ nạp chất hữu cơ cao xuất hiện sự tích tụ của axit 
làm cho giá trị pH của thiết bị giảm. Tình trạng này ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động 
của vi khuẩn; v) Sinh khối, trong các hệ thống lọc kỵ khí được phân bố thành 3 lớp, 
lớp trên cùng tập trung khối lượng sinh khối lớn nhất, lớp dưới cùng có các hoạt động 
của vi khuẩn sinh mêtan cao nhất và lớp giữa là nơi tích tụ của sinh khối không dính 
bám; vi) Cơ chế hoà trộn thuỷ lực, là cơ chế ảnh hưởng cơ bản đến hiệu quả xử lý của 
thiết bị vì có tác động đến quá trình lên men, chống tắc nghẽn và tạo điều kiện thuận 
tiện cho dòng chảy. 
Các yếu tố khác bao gồm : Khởi động thiết bị và tổn thương khi nạp, cần lưu ý 
các vấn đề như hỗ trợ cho VSV phát triển và sự tích luỹ của sinh khối để thúc đẩy quá 
trình lên men. Một số yếu tố có thể làm tổn thương cho hệ thống như tốc độ nạp hữu 
cơ, thuỷ lực, nhiệt độ hoặc pH. Trong đó yếu tố nhiệt độ được coi là yếu tố kiểu thiết 
bị này chịu đựng được tốt nhất 
3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị 
 Nguyên tắc cơ bản của thiết bị là sự kết hợp giữa sự phân huỷ các chất hữu cơ 
có trong chất nền với việc lưu giữ bùn hoạt tính. Vì thế thiết bị được thiết kế trên 
nguyên lý của bể KSH nắp cố định hình ống có lớp lọc cố định. 
Thiết bị gồm 6 bộ phận như Hình 2. 
1- Ống lối vào 
2- Bể phân huỷ 
3- Lớp lọc 
4- Ống lấy khí 
5- Ống lối ra 
6- Bể điều áp 
Hình 2 - Cấu tạo của bể khí sinh học hình ống có màng lọc sinh học 
Một giá thể cố định gắn các hạt cầu bằng nhựa với độ rỗng 30-35% được sử 
dụng để VSV bám dính sinh trưởng và phát triển trên đó. Màng lọc chỉ giữ lại sinh 
khối rắn còn dịch lỏng chỉ lưu một thời gian ngắn và bị đẩy ra ngoài. Công trình vận 
hành càng lâu, sinh khối càng được tích tụ nhiều và chiều dày lớp màng tăng lên, quá 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
 4
trình đồng hóa chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với với vi sinh vật gần bề 
mặt vật liệu lọc. Kết quả là vi sinh vật ở đây bị phân hủy nội bào, không còn khả năng 
đính bám lên bề mặt vật liệu lọc, và bị rửa trôi. Đó là nguyên lý hoạt động của lớp lọc 
sinh học trong các thiết bị dòng chảy ngang, được áp dụng trong thiết kế đối với 
trường hợp thiết bị KSH hình ống dòng chảy đều (plug-flow). 
4. Giải pháp kết cấu và khả năng chịu tải của thiết bị 
 Thiết bị KSH hình ống là một thiết bị nắp cố định có kết cấu khối xây gạch và 
bê tông cốt thép, gồm 2 phần chính: 
- Phần đáy móng bể và thân bể của bể phân 
huỷ và 
- Phần vòm chứa khí. 
Phần chứa khí được xây dạng vòm, đây là dạng 
chịu lực nén từ phía ngoài vào tốt nhưng chịu lực đẩy 
từ phía trong ra yếu. Để đảm bảo kín khí, vòm bể 
được trát nhiều lớp mỏng và lớp trong cùng của 
vòm bể được quét một lớp chống thấm chuyên dụng. 
 Phần tính toán thiết kế bể tuân thủ các 
quy định hiện hành trong xây dựng 
Các thông số tính toán: 
- Tốc độ nạp hữu cơ tính theo hàm lượng 
COD hoặc BOD5 có trong phân bắc và phân lợn 
có giá trị tương đương 3-5 kg/m3.ngày. 
- Thời gian lưu: 10 ngày. 
5. Kết quả nghiên cứu về sản lượng khí 
- Sau một tháng hoạt động sản lượng khí trung bình hàng ngày của công trình 
đạt 1,16/1,95 m3 khí, tương đương 60% công suất thiết kế; 
 - Sau ba tháng sản lượng khí trung bình hàng ngày đã tăng lên đáng kể, đạt 81% 
công suất thiết kế (1,59/1,95m3); 
 - Sinh khối bắt đầu tích luỹ và hoạt động ổn định khi công trình đạt năng suất 
trên 70% so với thiết kế, như vậy so với thiết kế công trình bắt đầu đi vào vận hành ổn 
định từ cuối tháng thứ 2. Với thời tiết và nhiệt độ không khí trung bình luôn đạt trên 
20oC, thời gian tích luỹ sinh khối vào khoảng 2-3 tháng sau khi đưa công trình vào vận 
hành; 
Hình 3 – Kết cấu của công trình
Hình 4 – Mặt bằng tổng thể
 5
 - So với các công trình khí sinh 
học đơn giản, có cùng nguyên lý hoạt 
động thời gian ổn định khi vận hành 
giảm đi đáng kể từ 6 tháng cho các 
công trình khí sinh học đơn giản, còn 2 
tháng cho các công trình khí sinh học 
có màng lọc. Thời gian sinh khí đạt 
hiệu suất so với thiết kế cũng giảm 
đáng kể từ 4 tháng xuống 3 tháng. 
- Áp suất khí của các công trình 
KSH có màng lọc tương đương các 
công trình KSH nắp cố định vòm cầu, hoặc 
bán cầu. Như vậy một công trình KSH có 
màng lọc cũng giống như các công trình 
KSH nắp cố định vòm cầu khác có thể vận chuyển khí đi xa và phù hợp để thắp đèn 
mạng; 
- Nguyên liệu đầu vào cho các công trình KSH có màng lọc không đòi hỏi nồng 
độ cơ chất cao như ở các công trình KSH nắp cố định đơn giản, nhưng sản lượng khí 
tương đương với những công trình có cùng thể tích. 
6. Kết quả phân tích các chỉ tiêu về môi trường 
 Bảng 1 - Kết quả phân tích các chỉ tiêu môi trường 
KT1* Công trình hình 
ống có màng lọc 
QCVN40:2011 - 
BTNMT 
TT 
Chỉ tiêu 
Đơn vị 
Đầu 
vào 
Đầu ra Đầu 
vào 
Đầu ra A B 
1 pH - 6,9 7,3 6,6 8 6-9 5,5-9 
2 COD mg/l 12.329 2465 14.504 348 75 150 
3 BOD5 mg/l 1100 192 4.400 80 30 50 
4 NH4+ mg/l 85 25 102,94 7,35 5 10 
5 SS mg/l 190 64,8 4.010 98 50 100 
6 Coliform MNP/100ml 4x106 4,3x104 15x107 4600 3000 5000 
 Ghi chú: Mẫu nước thải KT1 – Báo cáo khảo sát đánh giá các loại mô hình 
KSH quy mô vừa - Dự án KSH cho ngành chăn nuôi Việt Nam, 2010 
Các chỉ tiêu môi trường của nước thải đầu ra đã giảm đáng kế, đặc biệt sau khi 
qua hệ thống wetland cố định đều đạt tiêu chuẩn quy định ở cột B. Chỉ tiêu này là một 
bước tiến bộ so với các hệ thống KSH thông thường khác. 
7. Hiệu quả của công trình 
a) Hiệu quả kinh tế 
Kiểu công trình này có hiệu quả kinh tế khi so sánh với các kiểu công trình 
KSH truyền thống được nêu ra như bảng dưới đây. 
Bảng 2 – So sánh kiểu công trình nghiên cứu với công trình KSH nắp cố 
định bình thường (kiểu KT1) 
Sản lượng khí hàng ngày
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ngày
S
ản
 lư
ợn
g 
kh
í (
m
3)
Lần 1
Lần 2
Log. (Lần 2)
Log. (Lần 1)
Hình 5 - Biểu đồ đo sản lượng 
khí hàng ngày 
 6
TT Thông số Đơn vị KT1 TB có màng lọc 
1 Tổng đầu tư VNĐ 22.000.000 17.100.000
2 Tuổi thọ của công trình Năm 20 20 
3 Lợi nhuận thu được VNĐ 6.048.000 6.048.000
4 Hệ số chiết khấu % 10 10 
5 Thời gian hoàn vốn năm 3,6 3,0 
Ghi chú: Đơn giá xây dựng công trình KSH kiểu KT1 theo báo cáo của “Dự án 
KSH cho ngành chăn nuôi tỉnh Hoà Bình năm 2012” 
b) Hiệu quả về xã hội và môi trường 
 Công trình KSH hình ống có màng 
lọc sinh học mang lại cuộc sống văn minh 
hơn, chất lượng hơn và tiện nghi hơn cho 
người dân nông thôn; Kiểu này không đòi 
hỏi ngặt nghèo về nồng độ cơ chất, có thể 
sử dụng các nguồn chất thải khác ngoài 
phân phù hợp với những gia đình chăn 
nuôi ít chỉ có 1-2 lợn hoặc những hộ nghèo 
cũng có thể tiếp cận công nghệ. 
Hiệu quả lớn nhất của công trình 
chính là góp phần tích cực vào việc giảm 
phát thải khí nhà kính. 
8. Kết luận 
- Công trình KSH hình ống có màng lọc sinh học là một thiết bị KSH hoạt động 
theo nguyên lý của thiết bị lọc kỵ khí, đơn dòng nạp, thời gian lưu của nguyên liệu 10-
15 ngày tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu nạp và điều kiện nhiệt độ của môi trường; 
- Công trình được xây dựng bằng các vật liệu thông thường, lớp lọc là một tấm 
nhựa phẳng có đính các hạt nhựa tròn với độ rỗng trong lớp lọc là 35%, diện tích lọc 
1m2/1m3 với độ dầy lớp lọc là 0,95m, tốc độ dòng chẩy trong lớp lọc là 0,62m/h. 
- Chất lượng khí sinh học của công trình: Bằng cảm quan cho thấy chất lượng 
khí rất tốt, ngọn lửa có màu xanh nhạt, bếp vẫn cháy tốt ở áp suất khá thấp. Thời gian 
đun nấu lâu hơn so với cùng áp suất của thiết bị thông thường khoảng 15-20%. 
- Công trình vận hành ổn định sau 1 tháng và sau 3 tháng sản lượng khí đạt 
80% so với thiết kế trong điều kiện vận hành thuận tiện, nhiệt độ môi trường luôn đạt 
như thiết kế. 
- Vốn đầu tư cho mô hình chấp nhận được với các hộ dân có mức thu nhập 
trung bình. Thời gian thu hồi vốn là 3 năm. Công nghệ này rất thân thiện với môi 
trường . 
- Công nghệ ở quy mô nhỏ 2-4m3 phù hợp với những hộ chăn nuôi ít và có thu 
nhập thấp, chỉ sản xuất KSH cho mục đích đun nấu và thắp sáng. 
 7
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Anaerobic Plug-flow Reactor for Biogas Production from Cowdung, 
Phạm Quang Khải, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Viện Kỹ thuật Châu Á, 
1984; 
2. Anaerobic filter performance at different conditions; 
3. Công nghệ KSH chuyên khảo, Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia 
Lượng; 
4. Decentralished wastewater treatment in developing countries, Ludwig 
Sasse, 1998; 
5. Design of Ideal Plug Flow Reactors (PFRs) operated at Steady State under 
Isothermal Conditions, CP 303 set #4 (January to May, 2012), 
www.rshanthini.com/tmp/CP303/set4.pdf; 
6. Khảo sát đánh giá các mô hình KSH quy mô nông hộ, Văn phòng dự án 
KSH, 2010 
7. Khảo sát đánh giá các mô hình KSH quy mô vừa, Văn phòng dự án KSH, 
2010 
8. Lọc sinh học- hướng sử dụng trong sản xuất giống và nuôi tôm. NXB 
Nông nghiệp T/p Hồ Chí Minh, Nguyễn Việt Thắng. 1996. 
9. Phát triển thị trường công trình KSH hình ống quy mô vừa, Viện Năng 
lượng, 2011; 
10. QCVN 24: 2009/BTNMT - QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ 
NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP, National Technical Regulation on 
Industrial Wastewater; 
11. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, Đại học Xây dựng Hà Nội; 
12. TCXDVN 356:2005. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn 
thiết kế 
13. TCXDVN 45:78. Kết cấu nền và móng 
14. TCXDVN 2737:1995. Tải trọng và tác động