Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ sinh họcTS. Văn Hữu TậpTrường Đại học Khoa học - ĐHTN

PowerPoint Presentation 04/21/22 1 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ sinh học TS Văn Hữu Tập Trường Đại học Khoa học ĐHTN 04/21/22 2 Néi dung bµi gi¶ng  Giíi thiÖu chung  C¬ së lý thuyÕt cña qu[.]

Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ sinh học

TS Văn Hữu Tập Trường Đại học Khoa học - ĐHTN

Nội dung bài giảng

 Giới thiệu chung

 Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý bằng ph ương pháp sinh học.

 Một số loại vi sinh vật sử dụng ở Việt Nam trong xử lý chất thải đô thị.

 Các công nghệ xử lý chất thải bằng phư ơng pháp ủ sinh học.

 Một số hình ảnh xử lý chất thải bằng ph ương pháp ủ sinh học

1 Giíi thiÖu chung

Khái niệm

Ủ sinh học có thể coi là quá trình ổn định sinh hóa các chất hữu cơ để thành các chất mùn Quá trình ủ thực hiện theo hai phương pháp:

 Phương pháp ủ yếm khí

 Phương pháp ủ hiếu khí (thổi khí cưỡng bức)

Việc ủ chất thải với thành phần của chất thải chủ yếu là các chất hữu cơ có thể phân hủy được.

Công nghệ ủ chất thải là một quá trình phân giải phức tạp c¸c gluxit, lipit và protein do hàng loạt các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí đảm nhiệm.

Ưu, nhược điểm của phương phỏp

 Mức độ tự động húa của cụng nghệ chưa cao

 Việc phõn loại vẫn phải thực hiện thủ cụng nờn ảnh hưởng đến sức khỏe của người cụng nhõn

 Chất lượng sản phẩm chưa cao, không đồng đều

2 C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh xö lý b»ng phư¬ng ph¸p sinh

häc

Qu¸ tr×nh h×nh thµnh chÊt h÷u c¬

trong tù nhiªn

h÷u c¬ tõ khÝ cacbonic vµ n ưíc:

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2

chÊt h÷u c¬ - chñ yÕu lµ gluxit,

bæ sung c¸c nguyªn tè N d ưíi d¹ng nitrat vµ

amoni;

kh¸c.

n¨ng l ưîng mÆt trêi

L u trình của chất hữu cơ

trong cuộc sống

Chất hữu cơ

từ cây trồng

Chuyển húa vào cơ thể động vật

C¸c chÊt h÷u c¬ trong r¸c th¶i

Thµnh phÇn c¸c chÊt h÷u c¬ chñ yÕu trong r¸c th¶i lµ:

hydratcarbon, protein, lipit.

1. Hydratcarbon bao gåm:

* Xenluloza chiÕm tû träng lín nhÊt (kho¶ng 50%)

- N»m trong giÊy, gç, th©n c©y, rau, r¬m, r¹, v¶i

Các chất hữu cơ trong rác thải

Thành phần các chất hữu cơ chủ yếu trong rác thải là:

hydratcarbon, protein, lipit.

1. Hydratcarbon bao gồm:

* Lignin là hợp chất cao phân tử đ ợc cấu thành từ

ba loại r ợu chủ yếu là: trans-p-cumarylic (~80%),

trans –conferylic (6%) và trans-xynapylic (14%)

- Lignin rất bền vững với tác dụng của các enzym

- Lignin không bị phân huỷ với các vi khuẩn yếm khí

- Bị phân huỷ bởi các vi sinh vật hiếu khí tạo

thành chất mùn,

- Nhiều khả năng biến đổi thành phenol,

- Bị phân giải bởi kiềm (natri bisunfit) và axit

C¸c chÊt h÷u c¬ trong r¸c th¶i

Thµnh phÇn c¸c chÊt h÷u c¬ chñ yÕu trong r¸c th¶i

lµ: hydratcarbon, protein, lipit.

1. Hydratcarbon bao gåm:

* Tinh bét (C6H6O6) lµ hîp chÊt cao ph©n tö cã

nhiÒu trong ngò cèc, ng«, khoai t©y, khoai lang…

- ® îc cÊu thµnh tõ hai thµnh phÇn chñ yÕu lµ:

amyloza (~25%) vµ amylopectin (75%)

- amyloza tan ® ưîc trong nư íc nãng cßn

amylopetin t¹o thµnh hå keo

- BÞ ph©n huû bëi c¸c vi sinh vËt α -, β - vµ γ -

amylaza t¹o thµnh c¸c lo¹i ® êng maltoza, dextrin

vµ glucoza

Các chất hữu cơ trong rác thải

2 Protein là hợp chất cao phân tử chứa Nitơ Th

ờng chứa tới 15-17,5% nitơ,

- Protein cấu tạo từ các axit amin do tổng hợp

từ C, N,

- Quá trình chuyển hoá từ amoniac thành axit nitơ, sau đó thành axit nitric và cuối cùng

thành nitơ gọi là quá trình nitrat hoá …

- Lúc này cây cối sử dụng đư ợc Nitơ hay còn gọi là quá trình cố định đạm

- Các động vật sử dụng rau quả thu nhập các chất protein vào cơ thể sống

- Protein bị phân huỷ bởi các vi sinh vật hoại

C¸c chÊt h÷u c¬ trong r¸c th¶i

3 Lipit lµ c¸c este cña glyxerin vµ axit bÐo

- Th êng chøa trong thµnh phÇn thùc vËt, c¸c c©y cã dÇu nh l¹c, cä, ng«, ®Ëu, b«ng…

- Lipit th êng bÞ thuû ph©n chËm.

- BÞ c¸c vi sinh vËt ph©n huû thµnh enzym phospholipaza, phospholipit.

Sự phân huỷ các chất do

cỏc vi sinh vật trong tự nhiên

Vi sinh vật có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên: trong đất, n ước và không khí

kiện thuận lợi chúng phát triển rất nhanh.

Các nhóm chính của vi sinh vật gồm:

- Nguyên sinh vật (protozoa): có cấu trúc nhân đơn bào,

có nhiều trong tự nhiên, …

- Tảo (Algae) còn đư ợc gọi là thực vật vì có tế bào clorophil, sống d ưới nước

Sự phân huỷ các chất do

cỏc vi sinh vật trong tự nhiên

- Nấm (fungi): có cấu trúc nhân đơn bào và đa bào, có kích

th ớc rất nhỏ, nh ng có một số kích th ớc rất lớn như nấm ăn.

- Vi khuẩn (bacteria): có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình que và hình soắn; có kích th ớc tế bào từ 0,5 - 5

àm Chúng th ờng gây bệng cho ng ời nh uốn ván, tả, lao, viêm họng … Nh ng chúng cũng có vai trò quan trọng trong thiên nhiên, trong công nghiệp và đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ môi tr ờng.

- Xạ khuẩn (actinomycetes) có cấu trúc hình sợi Chúng phân huỷ rất nhanh các xác động vật và thực vật, nhiều loài tổng hợp đ ợc các kháng sinh Là loại gây bệnh cho ng ời.

- Virus không phải là tế bào, kích thư ớc rất nhỏ, cấu trúc

đơn giản nhiều so với vi khuẩn Virus là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ở ng ời và động vật

Sù ph©n huû c¸c chÊt do

các vi sinh vật trong tù nhiªn

Quá trình ủ sinh học là một quá trình oxy hóa hóa – sinh các chất hữu cơ do các loại vi sinh vật khác nhau.

Những vi sinh vật phát triển theo cấp số nhân, đầu tiên

là chậm và sau nhanh hơn.

Thành phần các vi sinh vật có trong đống ủ bao gồm:

 Các chủng giống vi sinh vật phân hủy xenluloza.

 Vi sinh vật phân giải protein.

 Vi sinh vật phân giải tinh bột.

 Ví sinh vật phân giải phosphat.

Sự hoạt động của các vi sinh vật

trong đống ủ

Các quá trình sinh hóa diễn ra trong đống ủ chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ là nguồn dinh dưỡng cho các hoạt động sống của chúng.

Rác hữu cơ tại các đống ủ được phân hủy theo nhiều giai đoạn chuyển hóa sinh học khác nhau.

 Quá trình phân hủy hiếu khí: chất hữu cơ bị oxi hóa sinh hóa thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo và một lượng nhất định xenluloza

 Quá trình chuyển hóa yếm khí: Các chất hữu cơ đơn giản được chuyển hóa tiếp thành các axit béo dễ bay hơi, rượu, CO2 N2 và khí metan

Các vi sinh vật được chia thành các nhóm sau:

 Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ từ 0 – 20oC

 Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ từ 20 – 40oC

 Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ từ 40 – 70oC

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm

Các yếu tố chính ảnh h ởng đến tiến độ phát

triển của vi sinh vật:

Tỷ lệ các d ỡng chất trong chất thải hữu cơ

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm (tiếp theo)

ảnh h ởng của tỷ lệ các d ỡng chất trong chất thải hữu cơ

- Các vi sinh vật cần các thành phần C, N, P để tự nuôi d ỡng và phát triển

- Các vi sinh vật kỵ khí nhu cầu chất dinh d ưỡng ít hơn so với các vi sinh vật hiếu khí

- Cần tránh tăng đột ngột l ượng chất thải (20% l ợng chất thải trong 1 ngày) vì có thể gây phá vỡ cân bằng quá trình phân huỷ.

- Các vi sinh vật tiêu thụ carbon khoảng 20-30 lần so với nitơ và

khoảng 100 lần so với photpho Tỷ số tối u là C/N/P=100/4-5/1.

- Nếu tỷ lệ C/N cao tức là l ợng N trong rác thải thấp, thì quá trình phân huỷ protein sẽ chậm, cần bổ sung các vật liệu hữu cơ giàu Nitơ nh lá cây, rỉ đ ờng, bùn cặn…

- Một số chất dinh d ỡng và vi l ợng khác nh K, S, Mn, Fe … cũng cho sự phát triển của vi sinh vật

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm (tiếp theo)

- Mục đích ủ chất thải đạt đ ợc nhiệt độ quá 60 o C trong thời

gian ít nhất là 6h đến 1 ngày.

- Nhiệt độ cao nhất nên duy trì ở 70 o C ở nhiệt độ này nhiều

vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt, quá trình phân huỷ đạt cao nhất và bắt đầu giảm dần.

- Không nên để nhiệt độ cao vì rác thải sẽ bị khô làm các loại

vi khuẩn bị tiêu diệt.

- Kích th ớc các đống ủ nên duy trì có độ cao từ 2,5-3 m, đ ờng

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm (tiếp theo)

ảnh h ởng của độ ẩm:

- N ớc cần cho sự sống của các vi sinh vật, vì vậy phải

duy trì độ ẩm cho sự phát triển của vi sinh vật.

- Độ ẩm ở mức 50-60% là tối ư u cho quá trình ủ để

phân huỷ các chất hữu cơ

- Độ ẩm d ới 40% tốc độ phân huỷ sẽ chậm lại

- Độ ẩm khoảng 80% hoặc lớn hơn sẽ gây khó khăn cho

việc thổi khí, gây trở lực cao,

- Rác đem ủ hiếu khí nên đ ợc nghiền có kích th ớc rừ

2-5 cm để thông gió đ ợc tốt, hoặc cho vào đống ủ các

vật liệu xốp tạo ra cấu trúc chứa các mao quản cho sự

thông gió.

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm (tiếp theo)

ảnh h ởng của độ pH:

- pH của môi tr ờng nuối cấy rất quan trọng vì mỗi loài

sinh vật thường thích nghi với một khoảng pH riêng

Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ

và chất lượng sản phẩm (tiếp theo)

ảnh h ởng oxy và chế độ cấp khí:

- Cũng nh các cơ thể sống khác, vi sinh vật rất cần oxy để sinh tr ởng

và phát triển

- Các vi sinh vật ban đầu phân huỷ các chất hữu cơ ở bề mặt các hạt

sử dụng oxy ở khoảng không giữa các hạt, hàm l ượng oxy giảm dần.

- Theo thời gian VSV phân huỷ ở lớp trong các hạt (trong mao quản) sử dung oxy trong các mao dẫn.

- Hàm l ợng oxy trong mao dẫn ít nhất là 5% thể tích/thể tích mao quản

- Phải cung cấp oxy bằng cách thông gió tự nhiên hoặc c ỡng bức.

- Đối với thông gió tự nhiên: đống ủ phải nhỏ hoặc kích th ớc hạt phải lớn hoặc phải đảo liên tục, những ngày đầu phải đảo hàng ngày, sau đó

Bảng 1 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến

3 – 20

0 – 115 Bóng tối, ánh sáng mạnh

3 Mét sè lo¹i vi sinh vËt sö dông ë

ViÖt Nam trong xö lý chÊt th¶i r¾n

h÷u c¬

Nguyên tắc lựa chän giống vi sinh vật

trong việc ủ sinh học

Phải có hoạt tính sinh học cao như khả năng phân giải xenluloza và các hợp chất cao phân

Không độc hại cho người, vật nuôi, cây trồng.

Có khả năng phát triển mạnh trên môi trường

Tªn mét sè chñng lo¹i VSV

sö dông ë VN trong xö lý CTR h÷u

c¬

VSV EM: cã nguån gèc t¹i NhËt B¶n

VSV Emuni vµ vsv xenluloza cña Trung t©m

øng dông Vi sinh vËt, §H Quèc gia Hµ Néi

VSV Micromic 3 cña ViÖn C«ng nghÖ sinh häc, KH&CNVN,

Mét sè chñng lo¹i vsv kh¸c cña Trung t©m øng dông Vi sinh vËt, §H Quèc gia HN

- Là dung dịch màu nâu, có vị chua, mùi dễ chịu

- Độ pH duới 3,5 Nếu thấy mùi thối thì pH >4, lúc này EM đã bị hỏng, không sử dụng đ ợc nữa.

- EM chia thành 4 nhóm chính: EM1, Bokashi, EM5 và dịch chiết cây lên men

- Quá trình lên men từ 3-4 ngày vào mùa hè, 7-8 ngày vào

mùa đông, nhiệt độ ủ 35-45 o C;

- Xử lý phế thải nông nghiệp làm phân hữu cơ vi sinh;

- Phân giải nhanh rác thải, phân chuồng ;

- Chống tắc bể phốt;

- Làm cho đất tơi xốp, tăng khả năng chống sâu bệnh

Cách sử dụng:

- Dùng xử lý môi tr ờng từ rác thải: pha 100 g chế phẩm với 100 l

n ớc rồi phun vào rác thải

- Dùng để ủ phân hữu cơ: trộn 100g chế phẩm cho 1 tấn rác ủ (độ ẩm 45-50%) có thể bổ sung thêm phân chuồng, ủ kín, sau 1 – 2 tuần đảo trộn, ủ khoảng 20 ngày là có thể dùng đ ợc.

- thành phần chủ yếu là các vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm mốc;

- Có khoảng 40 nhóm có hoạt tính phân huỷ xenluloza, trong đó có

khoảng 12 chủng xạ khuẩn có ký hiệu C1, C3, CD-30, CD-31,…

Tác dụng:

- Xử lý phế thải nông nghiệp làm phân hữu cơ vi sinh;

- Phân giải nhanh rác thải, phân chuồng, rút ngắn thời gian từ

Một số sơ đồ công nghệ xử lý chất thải

rắn bằng phương pháp ủ sinh học

Giai ®o¹n metan ho¸

Chất thải hữu cơ Chuyển hóa

kỵ khí Ổn định ưa khí Phân tinh chế

Bioga Không khí CO2 + H2O

Phân hủy sinh học

từ 30 đến 40% lượng chất hữu cơ đưa vào

Nâng nhiệt độ vµ

æn nhiÖt Thêi gian từ 2 đến

Chuyển hóa sinh học các vật liệu hữu cơ còn dư

Ít tác động nhiệt

Từ 1 đến 3 tháng

Sơ đồ thiết bị dây chuyền sản xuất phân composting

Công đoạn phân loại:

- phân loại rác thải là công đoạn quan trọng để sản phẩm phân compost có chất l ợng cao;

- Thu hồi các sản phẩm tái chế

- giảm thể tích cho các bể ủ vi sinh Kỹ thuật ủ rỏc theo luống.

Các dạng thiết bị phân loại: thiết bị thùng quay, thiết bị băng tải, phân loại trên băng từ, phân

loại bằng hút không khí

- Tỷ lệ phân tách đối với rác thải đô thị ở Việt

Các công đoạn chính của dây

chuyền sản xuất phân vi sinh

Công đoạn trộn các thành phần dinh d ưỡng:

- Các chất dinh d ỡng bổ sung: rỉ đư ờng, đạm, lân, super photphat, kali;

C«ng ®o¹n ñ hiÕu khÝ:

C¸c c«ng ®o¹n chÝnh cña d©y

chuyÒn s¶n xuÊt ph©n vi sinh

Ủ hiếu khí là công nghệ được sử dụng phổ biến trong khoảng hai thập kỷ gần đây, đặc biệt là ở các nước phát triển

Chất thải hữu cơ sau khi được phân loại và nghiền đến kích thước thích hợp

sẽ được đưa vào bể ủ có cấp khí cưỡng bức

Chất hữu cơ phân hủy nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn hiếu khí với sự có mặt của oxy

Sự phân hủy hiếu khí diễn ra khá nhanh, chỉ sau khoảng 2 – 4 tuần rác được phân hủy hoàn toàn

Các phương pháp ủ hiếu khí thường dùng:

 Ủ trong các bể có thổi khí

Công đoạn ủ chín:

Các công đoạn chính của dây

chuyền sản xuất phân vi sinh

Ủ chín nhằm phân huỷ nốt những thành phần hữu cơ chư a phân huỷ hết ở giai đoạn ủ hiếu khớ

Giai đoạn này nhiệt đọ thư ờng tăng cao, có tác dụng tiêu diệt các vsv gây bệnh

Thời gian ủ chín kéo dài khoảng 28 ngày, th ường phải đảo 5 ngày một lần

Cần bổ sung nư ớc sạch, dung dịch chế phẩm

Theo dõi nhiệt độ (2 ngày một lần hư ớng đo vào trung tâm

đống ủ), độ ẩm (không nhỏ hơn 35-40% ở nhiều điểm trên

đống ủ), oxy của đống ủ (bằng thiết bị cầm tay ở các điểm

đo độ ẩm

Kích th ước đống ủ nên giới hạn 2,5-3 m

Công đoạn tuyển lựa tỷ trọng (sàng phân loại):

Các công đoạn chính của dây

chuyền sản xuất phân vi sinh

Sàng tách các cát sỏi (lư ợng này khoảng 30%) phần này có thể dùng cho các vùng đất cạn, nhằm cải tạo đất

Phần nhẹ (mùn loại I) đ a tiếp đến giai đoạn hoàn thiện

đóng gói

Công đoạn hoàn thiện đóng gói:

Tỷ trọng của mùn <500kg/m3

Kiểm tra chất l ợng sản phẩm: thành phần các chất, độ ẩm

Bổ sung d ỡng chất cho đủ tiêu chuẩn phân bón vi sinh

Bảng 2 Thµnh phÇn c¸c chÊt trong hçn hîp khÝ cña qu¸ tr×nh metan

41 o C 17,727 kJ/m 3 1,04 kg/m 3 B·o hoµ

Sơ đồ công nghệ xử lý rác thải của

Mỹ - Canada (ủ đống có đảo trộn)

- Chất lư ợng phân bón thấp vì có lẫn các thành

phần kim loại trong bùn thải đem trộn

- Không phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, gây mùi, phát sinh n ước rác.

Sơ đồ công nghệ xử lý rác thải tại nhà

máy phân hữu cơ Cầu Diễn

M« t¶ quy m«, c«ng suÊt

- D©y chuyÒn s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ cña T©y Ban Nha

- DiÖn tÝch nhµ m¸y kho¶ng 4 ha

- C«ng suÊt xö lý theo thiÕt kÕ 200 tÊn/ngµy

- §iÖn n¨ng tiªu thô 78 kW/h

- Cã 28 bÓ ñ víi dung tÝch 150 m3/bÓ, thêi gian ñ 19-22 ngµy

Giai ®o¹n ñ sinh vËt

Chất thải hữu cơ Lên men nóng Làm già (muối) Phân ủ vi sinh

Không khí CO2 + H2O Không khí CO2 + H2O

Phân hủy sinh học

từ 30 đến 40%

lượng chất hữu cơ đưa vào Nâng nhiệt độ

Từ một tuÇn đến một tháng

Chuyển hóa sinh học các vật liệu hữu cơ còn dư

Ít tác động nhiệt

Từ 1 đến 3 tháng

Sơ đồ công nghệ xử lý rác thải tại nhà

máy chế biến phế thải Việt Trì

- An toàn lao động tốt: có hệ thống chống sét, chiếu sáng

đảm bảo, bảo vệ quá tải

Nh ợc điểm

- Phân loại thủ công

- Không có khu sản xuất các sản phẩm từ vật liệu tái chế

- Quy trình đóng bao thủ công

TÝnh to¸n c¸c th«ng sè chÝnh cña nhµ m¸y chÕ biÕn ph©n

Ph ơng trình cân bằng vật chất

của giai đoạn phân loại

G r = G hc + G l

trong đó:

G r - khối l ợng rác đ a vào, tính theo công suất

thiết kế nhà máy, tấn/ngày;

G hc – khối l ợng rác hữu cơ thu đuợc đem xử lý sinh

học ở giai đoạn ủ sinh học tiếp theo, tấn/ngày;

G l - khối l ơng rác bị loại hoặc đem tái chế,

tấn/ngày;

Tỷ lệ rác hữu cơ đem xử lý sinh học

% 100

G

G G