Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị hà nội bằng phương pháp phân hủy yếm khí khô, quy mô phòng thí nghiệm

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị Hà Nội bằng phương pháp phân hủy yếm khí khô, quy mô phòng th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị Hà Nội bằng phương pháp phân hủy yếm khí khô, quy mô phòng thí nghiệm” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Phạm Hồng Liên Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, kết quả trong luận văn đều do tôi làm thực nghiệm, xác định và đánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong Luận văn này

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2011

HỌC VIÊN

Trần Thị Bích Thảo

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG……… …… v

DANH MỤC HÌNH……… ……….…… vi

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ HÀ NỘI VÀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ SINH HỌC 4

1.1 Hiện trạng quản lý và xử lý chất thải đô thị tại thành phố Hà Nội 4

1.1.1 Nguồn gốc phát sinh và thành phần của chất thải rắn đô thị Hà Nội 4

1.1.2 Tình hình quản lý CTR đô thị Hà Nội 8

1.2 Giới thiệu về công nghệ phân hủy yếm khí xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị 12 1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy yếm khí 12

1.2.1.1 Khái niệm 12

1.2.1.2 Nguyên liệu 13

1.2.1.3 Cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí 14

1.2.1.4 Tác nhân sinh học 16

1.2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng 17

1.2.2 Công nghệ PHYK CTR-HC đô thị 19

1.2.2.1 Công nghệ phân hủy khô và ướt 19

1.2.2.2 Hệ thống hoạt động theo mẻ và liên tục 20

1.2.2.3 Phân hủy yếm khí nồng độ chất rắn cao theo mẻ 21

1.2.2.4 Công nghệ PHYK riêng CTR-HC đô thị và có sự kết hợp với chất thải khác 22

Chương II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Mô tả hệ thống phân hủy yếm khí 27

2.2 Thu thập nguyên liệu và xử lý nguyên liệu 29

2.2.1 Thu thập nguyên liệu 29

2.2.1.1 Thu thập chất thải rắn hữu cơ đô thị 29

2.2.1.2 Thu thập bùn bể phốt 30

2.2.1.3 Thu thập chất thải hữu cơ đô thị đã qua PHYK (I) 30

2.3 Nạp nguyên liệu vào bình phản ứng 31

2.4 Vận hành, theo dõi thí nghiệm, đo đạc và phân tích trong phòng thí nghiệm 33 2.5 Phương pháp phân tích một số đặc tính hóa lý của chất thải 36

2.5.1 Các chỉ tiêu vật lý 36

2.5.2 Các chỉ tiêu hóa học 36

Chương III:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Đặc điểm của nguyên liệu 37

3.1.1 Đặc điểm của chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội 37

3.1.2 Đặc điểm hỗn hợp đầu vào các bình phản ứng 38

3.2 Kết quả quá trình phân hủy yếm khí khi kết hợp chất thải rắn hữu cơ đô thị với chất thải rắn hữu cơ đô thị đã qua phân hủy yếm khí 40

3.2.1 Quá trình sinh khí Metan 40

3.2.3 Hiệu quả quá trình sinh khí Metan 43

3.2.3.1 Tính tiềm năng sinh khí Metan (BMP) 43

3.2.3.2 Kết quả sinh khí Metan 44

3.2.3.3 Hiệu suất khử TS, VS 46

3.3 Ảnh hưởng của bùn bể phốt đến quá trình PHYK 48

3.3.1 Ảnh hưởng của bùn bể phốt tới các tỷ lệ W:I khác nhau 48

3.3.2 Ảnh hưởng của lượng thêm vào của bùn bể phốt đối với hỗn hợp W2:I2 = (1:1/2) và (1:1) 52

3.4 Kết quả mẫu lặp 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CB-CNV Cán bộ công nhân viên

CTR-HC Chất thải rắn hữu cơ

CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt

NL Thể tích khí ở áp suất 1atm, nhiệt độ 00C NSSK Năng suất sinh khí

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng hợp trung bình khối lượng chất thải phát sinh của Hà Nội 2007 5

Bảng 1.2 Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội [16] 6

Bảng 1.3 Dự báo thành phần rác thái trong tương lai (% khối lượng) [8] 7

Bảng 1.4 Thành phần của khí biogas.[16] 13

Bảng 1.5 Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV 17

Bảng 1.6 Một số chất ức chế quá trình sinh khí mêtan [1] 19

Bảng 1.7 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ 21

Bảng 2.1 Ký hiệu 25

Bảng 2.2 Các tỷ lệ tiến hành trong 2 Đợt thí nghiệm 26

Bảng 2.3 Khối lượng nguyên liệu nạp vào mỗi bình phản ứng trong 33

hai đợt thí nghiệm 33

Bảng 2.4 Các thông số cần phân tích và theo dõi 35

Bảng 3.1 Kết quả đăc tính các mẫu chất thải rắn hữu cơ đô thị 37

Bảng 3.2 Đặc tính nguyên liệu đầu vào và các mẫu kết hợp trong thí nghiệm đợt 1 38

Bảng 3.3 Đặc tính nguyên liệu đầu vào và các mẫu kết hợp trong thí nghiệm đợt 2 39

Bảng 3.4 Đặc tính mẫu đầu ra trong 2 đợt thí nghiệm 42

Bảng 3.5 Giá trị BMP của các mẫu CTR-HC đô thị, bùn bể phốt và vi sinh vật [35,40] 43

Bảng 3.6 Giá trị BMP tính toán cho các hỗn hợp trong thí nghiệm đợt 1 44

Bảng 3.7 Kết qủa hiệu suất sinh khí của các bình phản ứng 45

Bảng 3.8: Hiệu quả khử VS và năng suất sinh khí của các tỷ lệ W:I sau 55 ngày PHYK………48

Bảng 3.9 Kết quả phân tích đặc tính hỗn hợp mẫu ở ngày thứ 25, 55 của quá trình phân hủy đối với các mẫu W2:I2 = 1:1 khi bổ sung thêm S2 = ¼; ½; 1W2 54

Bảng 3.10 Kết quả phân tích đặc tính hỗn hợp mẫu ở ngày thứ 25, 55 của quá trình PHYK đối với các mẫu W2:I2 = 1:1/2 khi bổ sung thêm S2 = 0, ½W2; W2 55

Bảng 3.11 Phần trăm CV các mẫu lặp trong 2 đợt thí nghiệm 60

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quy trình thu gom chất thải đô thị Hà Nội [26] 8

Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí.[28] 15

Hình 2.1 Mô tả một đơn nguyên của hệ thống thí nghiệm phân hủy yếm khí 27

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống phân hủy yếm khí 27

Hình 2.3 Sơ đồ vị trí lấy CTR-HC đô thị 29

Hình 2.4 Quy trình xử lý nguyên liệu cho 2 đợt thí nghiệm 31

Hình 3.1 Năng suất sinh khí CH4 ở các tỷ lệ kết hợp W:I khác nhau trong 2 đợt thí nghiệm (a Thí nghiệm đợt 1 với các tỷ lệ W1:I1 = (1:1); (1:2); (1:3); (1:4) b Thí nghiệm đợt 2 với các tỷ lệ W2:I2 = (1:1/2); (1:1)) 40

Hình 3.2 Ảnh hưởng của bùn bể phốt đến các tỷ lệ W:I trong 2 đợt thí nghiệm (a Thí nghiệm đợt 1; b Thí nghiệm đợt 2)………52

Hình 3.3 Ảnh hưởng của bùn bể phốt ở các tỷ lệ khác nhau trong thí nghiệm đợt 2 (hình A và B) 53

Hình 3.4 Ảnh hưởng đến năng suất sinh khí của việc bổ sung một lượng S2= 0, ½W2, W2 vào hỗn hợp W2:I2=1:1/2 (đến ngày thứ 65) 56

Hình 3.5 Hiệu quả khử VS đối với hỗn hợp W2:I2 = (1:1); (1:1/2) khi thêm bùn bể phốt ở các tỷ lệ 1/4;1/2;1W2 57

Hình 3.6 Đồ thị các mẫu lặp trong 2 đợt thí nghiệm 59

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu

Vấn đề quản lý và xử lý chất thải rắn ở Việt Nam hiện nay là hết sức cấp bách, theo kết quả khảo sát năm 2006, 2007 và báo cáo của các địa phương thì lượng chất thải rắn đô thị phát sinh mỗi năm trên cả nước lên tới 6.457.580 tấn/năm Tại thành phố Hà Nội - thủ đô, trung tâm văn hóa, kinh tế, chính trị của cả nước Tính đến năm

2007 cho thấy tổng lượng CTR đô thị vào khoảng 6.150 tấn/ngày [16] (tương đương 2.244.750 tấn/năm), chiếm gần 35% so với lượng CTRSH phát sinh trong cả nước Thành phố đã triển khai nhiều biện pháp quản lý chất thải rắn nhưng xử lý chất thải bằng phương pháp chôn lấp vẫn là chủ yếu chiếm tới 78,3% Nhưng hiện nay, diện tích

sử dụng cho các bãi chôn lấp ngày càng bị thu hẹp, quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong bãi chôn lấp diễn ra rất phức tạp, khó kiểm soát

Bên cạnh đó, đặc điểm nổi bật của chất thải đô thị là có thành phần hữu cơ chiếm đáng kể như: rác thải hữu cơ đô thị, phân người, phân gia súc, bùn cống rãnh, các phế phụ phẩm cây trồng Chúng cần được quan tâm xử lý theo hướng thích hợp thay vì phải mang đi chôn lấp và đây là các thành phần có khả năng xử lý theo phương pháp sinh học như làm phân bón hữu cơ hay xử lý phân hủy sinh học yếm khí để có thể thu về khí biogas làm nguồn năng lượng phục vụ cho chính cuộc sống con người

Hai phương pháp sinh học chủ yếu để xử lý và tái chế thành phần hữu cơ trong CTR đô thị là phân hủy hiếu khí làm phân compost và phân hủy yếm khí sinh biogas Hiện nay, ở nước ta phương pháp phân hủy hiếu khí làm phân compost đang được áp dụng ở nhiều nơi, tuy nhiên phương pháp này vẫn có nhiều hạn chế nhất định Bên cạnh đó phương pháp phân hủy yếm khí thành phần hữu cơ của CTR đô thị là công nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng nhiều trên thế giới, cho thấy có nhiều ưu điểm hơn so với quá trình hiếu khí, nhưng ở Việt Nam phương pháp này vẫn chưa được chú

ý nhiều

Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có oxy trong điều kiện nhiệt độ từ 30 ÷ 650C nhờ các Vi sinh vật kị khí Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí là khí sinh học (hỗn hợp chủ yếu CH4 và CO2), khí CH4 được thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và lượng rác sau khi phân hủy được ổn định về mặt sinh học, có thể được sử dụng như nguồn bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng

Phân hủy yếm khí khô (nồng độ chất rắn cao) với chất thải rắn hữu cơ đô thị là phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện yếm khí, sử dụng ít nước, có thể có khả năng khử chất hữu cơ và thu hồi khí biogas cao Tuy nhiên, xử lý yếm khí chất thải rắn hữu cơ đô thị ở nồng độ chất rắn cao gặp khó khăn do quá trình này dễ bị ức chế, tốn thời gian khởi động quá trình sinh khí Lý do bị ức chế có thể do nồng độ chất hữu cơ cao, vi sinh vật ban đầu bổ sung không đủ hoặc các điều kiện khác chưa tối ưu (như hàm lượng Cácbon, Nitơ ) Vì vậy, xử lý chất thải hữu cơ đô thị với một số loại chất thải khác nhằm phối hợp các đặc tính của chúng như hàm lượng Cácbon, Nitơ, hay khả năng đệm của chất thải đồng xử lý thì có thể sẽ tối ưu hóa được quá trình phân hủy yếm khí Đồng phân hủy chất thải nâng cao được khả năng xử lý chất thải hữu cơ đô thị, vừa kết hợp xử lý được một số loại chất thải khác, lại mang lại hiệu quả về kinh tế, năng lượng Có thể thấy đây là một hướng nghiên cứu có triển vọng mà ở Việt Nam cho đến nay chưa thấy một nghiên cứu nào về vấn đề này được công bố chính thức

Vì vậy, tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị Hà Nội bằng phương pháp phân hủy yếm khí khô, quy mô phòng thí nghiệm”

3 Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày thành 3 chương

Chương I: Tổng quan về hiện trạng quản lý, xử lý CTĐT ở Việt Nam và Hà Nội; Cơ sở

lý thuyết quá trình phân hủy yếm khí và giới thiệu một số công nghệ phân hủy yếm khí CTR-HC đô thị

Chương II: Phương pháp nghiên cứu: chương này mô tả hệ thống phân hủy yếm khí, lấy mẫu, xử lý mẫu; Nạp nguyên liệu cho bình phản ứng và đưa ra các thông số kiểm soát quá trình phân hủy yếm khí

Chương III: Kết quả và thảo luận: Chương này cho biết kết quả quá trình phân hủy yếm khí trong 2 đợt thí nghiệm như: Hiệu quả sinh khí, hiệu quả khử VS, ảnh hưởng của bùn bể phốt tới quá trình phân hủy yếm khí

Chương I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ HÀ NỘI

VÀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ SINH HỌC

1.1 Hiện trạng quản lý và xử lý chất thải đô thị tại thành phố Hà Nội

Thành phố Hà Nội với tổng diện tích là 3.345Km2 hiện có: 2 thành phố trực thuộc TW, 10 Quận, 18 Huyện, 147 Phường và 1 Thị xã (thị xã Sơn Tây) với dân số 6116,2 nghìn người, trong đó dân số nội thành khoảng 2 triệu người và ngoại thành khoảng 4 triệu người Ngoài ra, còn một số đáng kể là cư dân vãng lai có hoặc không đào tạo nghề Với mật độ dân số trung bình khoảng 1827 người/km2 Quân Đống Đa và Hoàn Kiếm có mật độ dân cư cao nhất toàn thành phố [21] Hơn nữa tỉ lệ tăng dân số bình quân của Hà Nội từ năm 1999 - 2009 là 2%/năm, cao hơn 0,8% so với tỷ lệ trung bình của cả nước

Dân số đô thị không ngừng tăng lên là nguyên nhân tăng cường sức ép lên hạ tầng đô thị, đồng thời là sự gia tăng lượng chất thải đô thị hàng năm ở Hà Nội

Về mặt khí hậu, cũng như các tỉnh thuộc Bắc Bộ - khí hậu thành phố Hà Nội mang tính nhiệt đới gió mùa nóng, ẩm Với nền nhiệt độ và độ ẩm không khí trung bình tương đối cao, dao động trong khoảng 24 – 260C và 77 – 85% Chế độ mưa, độ

ẩm, nhiệt độ không khí có ảnh hưởng trực tiếp đến độ ẩm chất thải trong quá trình thu gom, tập kết, vận chuyển, tái chế và xử lý chất thải đô thị Với điều kiện khí hậu này,

sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật lên men phân hủy các thành phần hữu cơ trong quá trình xử lý sinh học

1.1.1 Nguồn gốc phát sinh và thành phần của chất thải rắn đô thị Hà Nội

Chất thải rắn đô thị tại địa bàn Hà Nội phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, có thể ở nơi này hay ở nơi khác, chúng khác nhau về: số lượng, kích thước, phân bố về không gian Việc phân loại các nguồn phát sinh chất thải rắn đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý CTR CTR sinh hoạt có thể phát sinh trong hoạt động cá nhân

cũng như trong hoạt động xã hội như từ các khu dân cư, chợ, nhà hàng, khách sạn, công ty, văn phòng và các nhà máy công nghiệp…

Các nguồn phát sinh CTR sinh hoạt bao gồm:

- Khu dân cư

- Khu thương mại (nhà hàng, khách sạn, siêu thị, chợ…)

- Cơ quan, công sở (trường học, trung tâm và viện nghiên cứu, bệnh viện…)

- Khu xây dựng và phá hủy các công trình xây dựng

- Khu công cộng (nhà ga, bến tàu, sân bay, công viên, khu vui chơi, đường phố…)

Bảng 1.1 Tổng hợp trung bình khối lượng chất thải phát sinh của Hà Nội 2007

TT Chất

thải

Khối lượng (Tấn/ngày) Thành phần chính Hình thức xử lý

1 Chất thải

sinh hoạt 3.000

- Chất vô cơ: Gạch, đá, vụn tro, xỉ, than tổ ong, sành sứ,

- Chất hữu cơ: Rau, củ, quả, rác nhà bếp…

- Nhựa, nilon, kim loại, giấy, thủy tinh…

- Các chất khác còn lại

- Chôn lấp hợp vệ sinh: 83%

- Sản xuất phân hữu cơ vi sinh: 160 tấn/ngày (tương đương 7%)

- Tái chế: 10% tự phát tại các làng nghề

2 Chất thải

xây dựng 1.000

- Đất đào hố móng, gạch, ngói, vôi vữa,… - Chôn lấp hợp vệ sinh

- Xử lý tại khu xử lý chất thải công nghiệp theo đúng QĐ155/QĐ-TTg ngày 16/07/1999

(Nguồn: Báo cáo công tác quản lý CTR thành phố Hà Nội năm 2008 của URENCO)

Thành phần CTR đô thị rất đa dạng và tùy thuộc vào tốc độ phát triển kinh tế,

văn hóa và tập quán sinh sống của người dân đô thị Tỷ lệ các chất có trong CTR là

không ổn định và thường thay đổi theo từng khu vực, địa phương, và phụ thuộc vào

mức sống của người dân

Bảng 1.2 Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội [16]

TT Các thành phần cơ bản % về khối lượng Lượng (tấn/ngày)

Độ pH trung bình: 6,57

Độ ẩm : 60 – 67%

Tỷ trọng : 0.38 – 0.416 tấn/m3

(Nguồn: Báo cáo công tác quản lý CTR thành phố Hà Nội năm 2008 của URENCO)

Bảng 1.3 Dự báo thành phần rác thái trong tương lai (% khối lượng) [8]

Ðây chính là loại chất thải ngay ban đầu không cần phải xử lý theo phương pháp chôn lấp vì tốn quá nhiều diện tích như hiện nay mà có thể xử lý hay có thể tận dụng để làm nguồn nguyên liệu cho các công nghệ tái chế chất thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học như: làm phân bón hữu cơ hay ủ trong các hầm ủ yếm khí để sinh khí biogas

và chất thải sau quá trình ủ lại có thể tận dụng làm phân bón Tuy nhiên, điều đó chỉ

thực sự đem lại hiệu quả cao khi chất thải được phân loại một cách kĩ càng ngay tại nguồn phát sinh hay các khu xử lý tái chế Đây chính là hướng đi mới và là mục tiêu của hầu hết các quốc gia trên hết thế giới hướng đến mục tiêu bảo vệ môi trường môi trường và phát triển bền vững và Việt Nam cũng là một trong những quốc gia đó

1.1.2 Tình hình quản lý CTR đô thị Hà Nội

a Thu gom và vận chuyển chất thải

Ở Hà Nội, Công ty Môi trường Đô thị (URENCO) là cơ quan trực tiếp quản lý chất thải đô thị, đảm nhận việc thu gom, vận chuuyển và xử lý chất thải đô thị phát sinh trong khu vực nội thành Việc thu gom, vận chuyển phế thải ở các thị trấn khu vực ngoại thành do đội sản xuất thuộc Xí nghiệp quản lý đô thị đảm nhận Quy trình thu gom CTR sinh hoạt từ nguồn phát sinh trong khu vực nội thành thành phố Hà Nội được thực hiện theo quy trình cho ở sơ đồ sau:

Hình 1.1 Quy trình thu gom chất thải đô thị Hà Nội [26]

Chất thải từ các hộ gia đình được các công nhân thuộc công ty môi trường đô thị thu gom theo thời gian và tuyến đường đã định sẵn Rác thải được công nhân thu gom

từ hộ gia đình bằng xe đẩy tay và rác quyét đường được tập trung tại điểm tập kết Ðối với nguồn phát sinh chất thải lớn và tập trung như: bệnh viện, khách sạn, nhà hàng, cửa

Chất thải từ hộ gia đình, chợ, cơ quan,

trường học và bệnh việnÐường phố

Xe đẩy tay

Xe vận chuyển rác

Thùng rác công

Chôn lấp Chế biến phân CompostÐốt

thông qua hợp đồng thu gom với xí nghiệp môi trường thuộc địa bàn Từ điểm tập kết rác, rác được các xe chuyên dụng vận chuyển đến bãi chôn lấp, và một phần rác giàu hữu cơ được vận chuyển đến Nhà máy chế biến phân vi sinh và chất thải y tế được chuyển tới thiêu đốt tại lò đốt chất thải y tế tại Cầu Diễn [26]

Theo báo cáo 12- 2009 của Trung tâm Môi trường đô thị và Công nghiệp Hà Nội tính tới năm 2009, tỷ lệ CTR sinh hoạt thu gom trong ngày tại nội thành Hà Nội là

95 - 98%, ngoại thành 60-65% với tổng lượng CTR sinh hoạt 5.500 - 6.000 tấn/ngày, trong đó rác trong các khu đô thị khoảng 3.000 tấn/ngày (60%), chất thải công nghiệp

500 - 600 tấn/ngày, chất thải xây dựng 1.000 - 1.200 tấn/ngày (chiếm 20%), bùn bể phốt và chất thải khác 500 - 600 tấn (10%)

Chất thải rắn ở Hà Nội hầu hết không được phân loại ngay từ đầu nguồn phát sinh, đáng chú ý là trong CTR có chứa các thành phần nguy hại Hiện nay CTR y tế đã được thu gom và vận chuyển riêng, chất thải công nghiệp cũng sẽ được xử lý tập trung

Hà Nội bắt đầu thực hiện việc phân loại chất thải tại nguồn từ năm 2006 theo dự

án 3R được khởi động với sự hỗ trợ của tổ chức JICA và được thí điểm thực hiện tại 4 phường thuộc 4 quận của Hà Nội: Phường Láng Hạ (Đống Đa), phường Thành Công (Ba Đình), phường Phan Chu Trinh (Hoàn Kiếm) và phường Nguyễn Du (Hai Bà Trưng) Sau thời gian thực hiện, dự án đã góp phần giảm thiểu lượng rác chôn lấp, cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường trên địa bàn, đặc biệt là nâng cao ý thức cộng đồng

về quá trình phân loại chất thải tại nguồn Tới đây, dự án 3R-Hà Nội sẽ mở rộng chương trình phân loại rác tại nguồn ra các quận Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân, Hoàng Mai, Long Biên và một số phường, xã thuộc các huyện Từ Liêm, Gia Lâm, Thanh Trì, Đông Anh, Sóc Sơn Dự án 3R (3R là từ viết tắt của 3 chữ cái đầu trong tiếng Anh: Reduce- Reuse-Recycle)

– Reduce (Giảm thiểu): Giảm thiểu lượng rác thông qua việc thay đổi lối sống hoặc/và cách tiêu dùng, cải tiến các quy trình sản xuất, mua bán sạch…Ví dụ: Sử dụng

túi giấy hay túi vải để đi chợ thay cho túi nilon để nhằm giảm lượng rác thải phát sinh

từ túi nilon…

– Reuse (Tái sử dụng): Sử dụng lại các sản phẩm hay một phần của sản phẩm cho chính mục đích cũ hay cho một mục đích khác Ví dụ: sử dụng lại chai đựng nước khoáng để đựng nước nước…

– Recycle (Tái chế): Sử dụng rác thải làm nguyên liệu sản xuất ra các vật chất

có ích khác

Theo báo cáo của URENCO năm 2008, tỷ lệ thu gom chất thải rắn trong khu vực nội thành Hà Nội đạt 95%; Tỷ lệ thu gom chất thải rắn trong khu vực ngoại thành đạt 60% của tổng lượng rác trên khắp địa bàn Hà Nội

Công ty môi trường đô thị URENCO tại Hà Nội cho biết, trung bình mỗi ngày công ty thu gom hơn 2.000 tấn CTR, trong đó, thành phần hữu cơ nếu được phân loại tốt sẽ tận dụng được tới 40%

Tỷ lệ thu gom CTR ở Hà Đông mới đạt 60 - 70%, mỗi ngày thu gom được 50 -

60 tấn Bãi chôn lấp không đạt quy chuẩn vệ sinh môi trường

Ở thị xã Sơn Tây, tỷ lệ thu gom CTR cũng chỉ đạt 60 - 70%, mỗi ngày thu được khoảng 35 - 40 tấn/ngày Thị xã Sơn Tây có nhà máy chế biến CTR thành phân Compost 50 tấn/ngày, nhưng hoạt động rất kém

Lượng chất thải sinh hoạt chủ yếu được vận chuyển tới Khu liên hiệp xử lý chất thải Nam Sơn và được xử lý chủ yếu bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh với khối lượng trung bình 2.800 tấn/ngày Chất thải rắn công nghiệp của thành phố hiện cũng được thu gom, vận chuyển về Nam Sơn để xử lý đạt khoảng 85-90% và chất thải nguy hại mới chỉ đạt khoảng 60-70% Chất thải công nghiệp, y tế nguy hại được xử lý phổ biến bằng phương pháp đốt tại nhà máy xử lý chất thải công nghiệp Nam Sơn và lò đốt chất thải y tế Tây Mỗ, sau đó được đóng rắn để chôn lấp

b Tình hình xử lý CTR HC đô thị Hà Nội

Chất thải rắn nội thành Hà Nội sau khi được thu gom được quản lý và xử lý như sau [16]:

có những giải pháp xử lý mới phù hợp hơn

Công tác xử lý, tiêu hủy, tái chế chất thải rắn hiện tại còn rất nhiều hạn chế, chủ yếu dựa vào chôn lấp (khoảng 73-81%) lượng chất thải rắn được thu gom Do chất thải hầu như chưa được phân loại và bản thân năng lực tái chế của các cơ sở dịch vụ môi trường trên địa bàn thành phố còn chưa cao

Hiện tại, công tác xử lý, tiêu hủy, tái chế chất thải rắn chủ yếu dựa vào chôn lấp hợp vệ sinh tại bãi chôn lấp Nam Sơn (Sóc Sơn), Kiêu Kỵ (Gia Lâm), Xuân Sơn (Sơn Tây), Núi Thoong (Chương Mỹ) và nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn, Seraphin Sơn Tây Còn lại 11 huyện của Hà Tây trước đây, đổ tại các bãi rác lộ thiên, thậm chí là sử dụng các ao hồ làm nơi chứa rác không có hệ thống thu gom nước rác tiềm tàng gây ô nhiễm nước mặt và nước ngầm

Theo Báo cáo Diễn biến Môi trường Việt Nam năm 2004, có khoảng 18 22% CTR của thành phố Hà Nội được tái chế Những hoạt động này chủ yếu do các thành phần tự phát như: Cửa hàng thu mua phế liệu, ở các làng nghề thủ công, những người nhặt rác… [3]

Từ trước đến nay có 2 quy trình tái chế chính là: Quy trình tái chế chất thải hữu

cơ để sản xuất phân vi sinh và quy trình tái chế các chất thải khác như giấy, nhựa, cao

su, kim loại…

Tái chế chất thải hữu cơ sản xuất phân vi sinh: Hiện nay, đây là giải pháp quan trọng để giảm thiểu lượng chất thải rắn đưa tới bãi chôn lấp và tận dụng được những phần hữu cơ để phục vụ cho mục đích nông, lâm nghiệp

Các chất thải sinh hoạt khác có thể tái chế được thu gom một cách tự phát bởi những người đồng nát, người bới rác…(trong thành phố hoặc tại bãi chôn lấp) Một phần các chất thải này được thu gom bởi những người công nhân của công ty Môi trường đô thị Các chất thải tái chế này, sau đó được đưa đến các cơ sở tái chế ở ngoại thành thành phố Hà Nội hoặc các tỉnh lân cận Các nguyên liệu thu hồi chủ yếu là kim loại, nhựa cứng, cao su, giấy, bía các tong, túi nilon…

Nhìn chung, công tác quản lý chất thải rắn ở Hà Nôi còn chưa tiếp cận được với phương thức quản lý tổng hợp trên quy mô lớn, chưa áp dụng đồng bộ các biện pháp nhằm giảm tỉ lệ chất thải phải chôn lấp Phần lớn CTR đô thị được xử lý bằng hình thức chôn lấp, công nghệ xử lý còn lạc hậu Ý thức của người dân trong công tác vệ sinh môi trường chưa cao, chất thải chưa được phân loại tại nguồn Trong khi đó, tái sử dụng và tái chế chất thải mới chỉ được thưc hiện một cách không chính thức, ở quy mô tiểu thủ công nghiệp, phát triển một cách tự phát, không đồng bộ, thiếu định hướng và chủ yếu là do khu vực tư nhân kiểm soát

1.2 Giới thiệu về công nghệ phân hủy yếm khí xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy yếm khí

1.2.1.1 Khái niệm

Nguyên tắc: Quá trình phân hủy yếm khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật yếm

khí và tùy tiện để để phân hủy các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học sinh khí biogas trong điều kiện không có oxy

Như vậy quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong môi trường không có oxy được gọi là quá trình phân hủy kỵ khí (hoặc yếm khí) Sản phẩm khí thu được là một hỗn hợp khí sinh học gọi là khí biogas Thành phần chủ yếu của khí sinh học là khí mêtan (CH4) và cacbonic (CO2) và một số các khí khác, cụ thể thành phần như theo

có %CH4, % CO2 khác nhau Trong đó khí CH4 là thành phần khí được quan tâm hơn

cả vì đây chính là phần cháy được, nó có nhiệt trị rất cao (9.000Kcal/m3), chỉ kém hơn

so với dầu mỏ (18.000Kcal/m3) Khi cháy có màu xanh da trời và tỏa sáng yếu Bên cạnh đó khí biogas có chứa khí hiđro sunfua (H2S) nên có mùi trứng thối, đây là một loại khí gây ngộ độc, cũng là một loại khí ăn mòn rất lớn và khí biogas là khí không duy trì sự sống nên có thể gây ngạt thở, dẫn tới tử vong

1.2.1.2 Nguyên liệu

Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí sinh học Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có nguồn

gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật

Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc Các bộ phận cơ thể của

động vật như xác động vật chết, chất thải và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ hải sản… Các loại phân đã được xử lý trong bộ máy tiêu hoá của động vật nên dễ phân giải và nhanh chóng tạo KSH Tuy vậy thời gian phân giải của các loại phân không dài (khoảng từ 2 - 3 tháng)

Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lá ngô, thân chuối, khoai, đậu…), CTR sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi ) và các loại cây xanh hoang dại (bèo, rong, các cây phân xanh…) Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với các loại phân (có thể kéo dài hàng năm) Hay từ các loại nước thải công nghiệp lương thực, thực phẩm (bánh, bún, mì sợi, tinh bột ), thực phẩm (đường, bánh kẹo, bia, rượu, nước hoa quả, cà phê ), giấy, dược phẩm có chứa nồng độ chất hữu cơ cao Các chất hữu cơ là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nếu để chúng phân giải trong tự nhiên Vì thế cần phải được xử lý trước khi thải vào hệ thống thoát nước chung, đồng thời thu hồi được khí sinh học phục

vụ nhu cầu năng lượng.[22, 23]

1.2.1.3 Cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ gồm 3 giai đoạn, đôi khi chia làm 4 giai đoạn ( tức giai đoạn axit hóa sẽ phân thành 2 giai đoạn: giai đoạn lên men axit và giai đoạn lên men axit axetic), các giai đoạn được mô tả theo sơ đồ sau (Hình 1.2)

Chất hữu cơ Lên men

yếm khí CH4 + CO2+ H2+ NH3+H2S

Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí.[28]

Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Dưới tác dụng của enzim thủy phân của các VSV, các hợp chất hữu cơ phức tạp như: gluxit, lipit và protein…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản thành các chất hữu cơ đơn giản như: Đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin…

Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ

Các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axít hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn như axít butyric, axit propionic, axit axetic, axit formic Trong quá trình lên men axit hữu cơ, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo axit axetic

Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, andehyt, axeton, các chất khí CO2, H2, NH3, H2S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol,

Các chất hữu cơ

Các sản phẩm trung gian: axit propionic, axit butyric …

Vi khuẩn mêtan

Vi khuẩn mêtan

scatol…Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm

Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo khí mêtan

Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình

Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính…bị phân giải tạo thành khí mêtan

Sự hình thành khí mêtan có thể theo hai cơ chế sau:

– Do decacboxyl hóa các axit acetic:

1.2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng

1 Môi trường

Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh metan là những vi khuẩn quan trọng nhất, chúng là những vi khuẩn

kỵ khí bắt buộc Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải

đảm bảo điều kiện yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men

2 Nhiệt độ

Trong tự nhiên mêtan được sản sinh ra bởi các vi khuẩn trong một khoảng nhiệt

độ rất rộng Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí Thông thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến

quá trình sinh khí biogas (Bảng 1.5)

Bảng 1.5 Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV

Nhiệt độ, o C Nhóm VSV

Khoảng Tối ưu

Ưu lạnh (Psychrophilic) -10-30 15

Ưu nhiệt (Thermophilic) 45-75 55

Tốc độ sinh khí phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của nhóm vi khuẩn (Hình II.2), khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45oC thì tốc

độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả 2 loại vi khuẩn, nhiệt

độ trên 60oC thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC

Để có thể tăng cường quá trình xử lý, thu về giá trị mêtan cao nhất thì cần phải đảm bảo tốt nhiệt độ tối ưu, trong thực tế người ta thường thực hiện phân hủy yếm khí

ở khoảng nhiệt độ mesophilic vì sẽ tiêu tốn ít nhiệt cung cấp cho quá trình và chất

lượng mêtan tốt hơn do khả năng cầm giữ khí tốt, còn mong muốn thời gian xử lý nhanh thì thường thực hiện ở dãi nhiệt nhiệt độ thermophilic

3 Độ pH và độ kiềm

pH trong thiết bị nên được điều chỉnh ở mức 6,6 – 7,6, tối ưu trong khoảng 7 – 7,2 Mặc dù vi khuẩn tạo axit có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo metan lại bị ức chế ở pH này pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các axit béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp

ức chế hoạt động của vi khuẩn mêtan

Độ kiềm của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 2500 – 5000 mg/l để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp

4 Đặc tính của nguyên liệu

Hàm lượng chất khô: Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm Quá trình phân huỷ sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có hàm lượng chất khô tối ưu vào khoảng 7-9% Đối với bèo tây hàm lượng này là 4-5%, còn rơm rạ là 5-8% Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao hơn giá trị tối ưu nên khi nạp

vào thiết bị phân hủy yếm khí cần phải pha thêm nước

Tỷ lệ Cacbon và nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó Vi khuẩn yếm khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25 – 30 lần Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 25 - 30

1 là tối ưu Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng độ cao, ngoài ra cần có những nguyên tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động

của các VSV

5 Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu nạp

Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí mêtan Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác

Bảng 1.6 Một số chất ức chế quá trình sinh khí mêtan [1]

Nhân tố Nồng độ gây ức chế

Nồng độ gây ức chế

(mg/l)

Axit hữu cơ > 2000; 1500 – 3000 (ở pH > 7,6) Đồng 0,5 (dạng hoàn tan)

Sulfide (hòa tan) > 3000 gây độc Sắt 1710

1.2.2 Công nghệ PHYK CTR-HC đô thị

Quá trình phân hủy kỵ khí rác thải đô thị có thể được phân loại dựa theo cơ sở sau:

- Hàm lượng chất rắn (TS): công nghệ khô và ướt;

- Chế độ cấp liệu: Hoạt động theo mẻ và liên tục;

- Theo loại nguyên liệu đầu vào: Phân hủy kết hợp, và chỉ phân hủy rác thải đô thị

1.2.2.1 Công nghệ phân hủy khô và ướt

Dựa theo hàm lượng chất rắn có thể phân loại thành

− Phân hủy kỵ khí ướt: Rác đô thị ở dạng huyền phù với lượng nước cung cấp nhằm pha loãng rác tới tỷ lệ nhỏ hơn 8%

− Phân hủy kỵ khí bán ướt: hàm lượng TS trong khoảng 7-15%

− Phân hủy kỵ khí khô: hàm lượng TS trong rác phân hủy khoảng 20-40% Đối với công nghệ ướt có một số nhược điểm sau: (1) phải thêm nước vào để hàm lượng chất rắn nhỏ hơn 10-15% và (2) sau khi phân hủy chúng phải được ép nước tới hàm lượng TS khoảng 40% trước khi đem đi chôn lấp, nên tạo ra một lượng nước lớn thải lớn Khi đó các chất phân hủy trong công nghệ ướt có chứa hàm lượng chất rắn

ít hơn so với quá trình lên men khô

Đối với công nghệ khô, chỉ cần thêm một lượng nước rất ít vào nguyên liệu (sử dụng ít nước hơn hệ thống ướt 10 lần), do đó không đòi hỏi phải loại bỏ nước sau quá trình phân hủy, lượng nước thải cần xử lý sẽ ít hơn nhiều lần Và năng suất tạo khí / đơn vị thể tích thiết bị cao

Những năm 1990 ở Châu Âu hầu hết các nhà máy xử lý rác thải đều sử dụng công nghệ

kỵ khí ướt Tuy nhiên, từ năm 1993 tở lại đây nhiều hệ thống khô đã được giới thiệu,

và năm 1998 có hơn 60% các nhà máy đã được xây dựng và năm 2000 là 44%

Hệ thống Valorga tại Tiburd - Hà Lan có tải lượng 1.000T chất hữu cơ tươi/tuần/2 bể phản ứng có dung tích mỗi bể 3.000m3 và hoạt động ở 400C, tải lượng này tương đương với 5kg VS/m3/ ngày đối với hệ thống ướt

Về khả năng khử VS, theo nghiên cứu của Fruteau de Lacos et al., 1997; De Baere, 1999 thì năng suất sinh khí biogas đối với một tấn chất hữu cơ tươi là 90 – 150

Nm3 tương đương với 210 – 300 CH4 Nm3/tấn VS, hiệu quả khử VS là 50 – 70% So sánh với công nghệ ướt, khi phân hủy cùng lượng chất hữu cơ tươi thì hiệu quả khử VS vào khoảng 40 – 70% (Weilnd, 1992; Pavan et al., 1999b; Westergard and Teir, 1999) Theo như đánh giá trong nghiên cứu này thì công nghệ khô đơn giản hơn nhiều so với công nghệ ướt và lượng nước thải trong suốt quá trình phân hủy yếm khí thấp

1.2.2.2 Hệ thống hoạt động theo mẻ và liên tục

- Mẻ: Hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ;

- Liên tục: nguyên liệu được cấp liên tục vào thùng phản ứng, nguyên liệu sau khi phân hủy cũng liên lục được loại bỏ ở dưới đáy thiết bị phản ứng

Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp này là trong hệ thống hoạt động theo

mẻ không bao giờ đạt được trạng thái ổn định, trong khi đó hệ thống hoạt động liên tục đây là một điều kiện ban đầu Trong quá trình hoạt động theo mẻ, các thông số VFA và

H2 có thể tích lũy theo thời gian, điều đó làm thay đổi điều kiện của quá trình [28]

Hệ thống hoạt động theo mẻ chất rắn cao có thể được ví như là một ô chôn lấp Nhưng trong thực tế nó có thể sản xuất khí sinh học cao hơn rất nhiều lần so với ở các

ô chôn lấp

Bảng 1.7 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ

Ưu điểm Nhược điểm

Kỹ thuật − Đơn giản

− Công nghệ thấp

− Linh hoạt

− Gây nghẽn

− Cần cho thêm PVC, tre…

− Có nguy cơ cháy nổ Sinh hoc − Quá trình đáng tin cậy do thích

hợp cho việc sử dụng nhiều thiết bị phản ứng

− Hiệu quả thu khí bigoas thấp

do phụ thuộc vào sự thoát khí

− Tải lượng hữu cơ thấp Kinh tế và

môi trường

− Rẻ có thể áp dụng cho các nước đang phát triển

− Tiêu thụ ít nước

− Đòi hỏi diện tích lớn (tương đương với ủ phân sinh học hiếu khí)

1.2.2.3 Phân hủy yếm khí nồng độ chất rắn cao theo mẻ

Ưu điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ nồng độ chất rắn cao như thiết kế, vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp, lượng nước tiêu thụ thấp… Điều này làm cho công nghệ này đặc biệt thu hút đối với các nước đang phát triển Theo O'Keefe et al [27]Nhược điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ nồng độ pha rắn cao là giống vi sinh vật , xáo trộn và khả năng mất ổn định, rất khó khắc phục tình trạng này Để duy trì ổn định quá trình phân hủy chất rắn cao, giá trị hóa chất, pH, amoni, axit béo dễ bay hơi và độ

ẩm nên được xem như yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quá trình

phân hủy kị khí chất rắn cao [0] Nghiên cứu đang tiếp tục làm cho phân hủy kỵ khí hiệu quả hơn và nâng cao trong hệ thống mẻ nồng độ pha rắn cao

1.2.2.4 Công nghệ PHYK riêng CTR-HC đô thị và có sự kết hợp với chất thải khác

- Xử lý kết hợp là quá trình trộn CTR-HC đô thị với phân gia súc hoặc với bùn hay bùn thải Điều này cải thiện tỷ lệ C/N, bổ sung nguồn VSV ban đầu cho quá trình phân hủy, đồng thời tăng khả năng tự điều chỉnh pH của hỗn hợp phản ứng về điều kiện tối ưu đồng thời tăng sản lượng khí biogas

- Chỉ phân hủy rác đô thị: thành phần nguyên liệu ban đầu chỉ có thành phần hữu cơ của rác đô thị được tạo huyền phù với chất lỏng Không thêm nguyên liệu khác vào

Trong thực tế thì quá trình thu gom chất thải hữu cơ đô thị thường được lấy ở các nguồn như chợ, căng tin, nhà hàng… Dinh dưỡng, vi sinh vật và hàm ẩm của CTRHC đô thị cũng đủ cho quá trình phần hủy kỵ khí Do đó, CTR-HC đô thị có thể phân hủy kỵ khí một mình mà không cần xử lý kết hợp Nhưng nếu tiến hành PHYK chỉ với CTR-HC đô thị sẽ diễn ra khá khó khăn do quá trình này dễ bị ức chế như sự thiếu hụt lượng VSV cần thiết ban đầu hay dễ dàng bị quá tải hữu cơ Chính vì điều đó

mà phân hủy chất thải hữu cơ đô thị bằng phương pháp phân hủy yếm khí theo mẻ ở nồng độ pha rắn cao chưa được áp dụng ở Việt Nam và cho đến hiện nay cũng chưa có nghiên cứu nào về phương pháp xử lý này được công bố chính thức

Theo kết quả của một nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn bể phốt nhưng thực hiện PHYK ở các ô chôn lấp chất thải sinh hoạt nhằm thu khí biogas thì ở ô không bổ sung bùn bể phốt thì quá trình khởi động kéo dài khoảng 370 ngày nhưng khi bổ sung bùn bể phốt thì thời gian này rút ngắn còn 220 ngày [V.Valencia (2009)] Một nghiên cứu khác ở quy mô Pilot khi phân hủy 120 kg chất thải hữu cơ đô thị cho thấy ở hệ thống phân hủy yếm khí không bổ sung thêm chất thải khác thì thành phần khí mêtan tăng dần từ 27% tới 50% sau 13 ngày, sau đó tiếp tục tăng và đạt giá trị ổn định ở 60-70%; còn ở hệ thống có bổ sung bùn bể phốt thì thành phần khí mêtan tăng dần từ 27% tới 50% chỉ sau 7 ngày, sau đó tiếp tục tăng và đạt giá trị ổn định ở 60-70%

Điều này cho thấy ảnh hưởng tích cực của việc bổ sung thêm chất thải khác vào việc xử lý chất thải hữu cơ đô thị

Chương II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp ủ yếm khí khô (nồng độ chất rắn cao) với chất rắn hữu cơ đô thị là phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện yếm khí, sử dụng ít nước có thể có hiệu quả thu khí biogas cao và hiệu quả ổn định chất thải cao

Tuy nhiên, việc tiến hành phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ đô thị có thể khó khăn do quá trình này dễ bị ức chế, thời gian khởi động được quá trình sinh khí kéo dài Lý do bị ức chế có thể do: tải lượng hữu cơ cao - trong giai đoạn lên men sẽ sinh ra nhiều axít hữu cơ làm giảm pH môi trường, điều kiện pH thấp sự phát triển của vi khuẩn Metan hóa sẽ bị ức chế, làm gián đoạn quá trình sinh khí Metan, hoặc do lượng

vi sinh vật ban đầu bổ sung không đủ, hoặc các điều kiện khác chưa tối ưu (như hàm lượng Cácbon, Nitơ…)

Vì vậy, nghiên cứu được tiến hành nhằm tìm tỷ lệ trộn thích hợp giữa CTR-HC

đô thị (W) với CTR – HC đô thị đã qua PHYK (I), đồng thời làm với các hỗn hợp có

và không có thêm bùn bể phốt nhằm xem xét ảnh hưởng của bùn bể phốt tới thời gian khởi động, năng suất sinh khí, hiệu quả khử VS của quá trình phân hủy yếm khí (PHYK)

* Mục đích thí nghiệm: Nghiên cứu tiến hành với 2 đợt thí nghiệm:

- Đợt thí nghiệm 1 nhằm:

(1) Xác định tỷ lệ trộn thích hợp giữa chất thải rắn hữu cơ đô thị (W) và chất thải rắn hữu cơ đô thị đã qua phân hủy yêm khí (I) (trong I có chứa các VSV yếm khí đã thích nghi với cơ chất nạp vào là chất thải thải hữu cơ)

(2) Xem xét ảnh hưởng của bùn bể phốt (S) tới thời gian khởi động của quá trình PHYK đối với các hỗn hợp được thực hiện ở mục đích (1)

Thí nghiệm đợt 1 tiến hành với các tỷ lệ W1:I1 = (1:1); (1:2); (1:3); (1:4) Đồng thời thêm S1=1/2W1 vào các tỷ lệ trên để xem xét ảnh hưởng của bùn bể phốt, nên có thêm các tỷ lệ W1:I1:S1 = (1:1:1/2); (1:2:1/2); (1:3:1/2); (1:4:1/2)

- Đợt thí nghiệm 2:

(1) Mẻ thí nghiệm 2 được tiến hành dựa trên kết quả mẻ thí nghiệm 1 nhằm: Xem xét ảnh hưởng của các tỷ lệ bùn bể phốt khác nhau tới thời gian khởi động quá trình PHYK

ở các mẫu có tỷ lệ trộn giữa CTR-HC đô thị và chất thải đã qua PHYK bị ức chế

Thí nghiệm này tiến hành với các mẫu kết hợp giữa CTR-HC đô thị và chất thải

đã qua PHYK ở các tỷ lệ gây ức chế là (1:1/2) và (1:1) Sau đó thêm lần lượt từng tỷ lệ bùn bể phốt khác nhau là ¼; ½; và 1 so với tỷ lệ CTR-HC đô thị vào để đánh giá Nên

có các hỗn hợp: W2:I2=(1:1); W2:I2:S2=(1:1:1/4); (1:1:1/2); (1:1:1); và W2:I2 = (1:1/2);

W2:I2:S2=(1:1/2:1/2); (1:1/2:1)

Bảng 2.1 Ký hiệu

W1 CTR-HC đô thị dùng cho thí nghiệm Đợt 1

I1 CTR-HC đô thị đã qua PHYK (làm giống VSV cho thí nghiệm đợt 1)

S1 Bùn bể phốt dùng cho thí nghiệm Đợt 1

W2 CTR-HC đô thị dùng cho thí nghiệm Đợt 2

I2 CTR-HC đô thị đã qua PHYK (làm giống VSV cho thí nghiệm đợt 2)

S2 Bùn bể phốt dùng cho thí nghiêm Đợt 2

Bảng 2.2 Các tỷ lệ tiến hành trong 2 Đợt thí nghiệm

Ghi chú: * - hỗn hợp được làm lặp hai

Thí nghiệm của cả hai đợt được làm việc trên hệ thống phân hủy yếm khí ở quy

mô phòng thí nghiệm Hệ thống phân hủy yếm khí bao gồm các thiết bị chính: các bình phản ứng thể tích 500ml được đặt trong bồn nước nóng liên tục được duy trì và kiểm soát nhiệt độ ở 370C, bình hấp thụ thể tích 100ml, thiết bị đo khí, và bộ điều khiển dữ liệu Khí sinh ra được dẫn qua bình hấp thụ CO2, còn khí CH4 không được hấp thụ được dẫn qua thiết bị đo khí và được ghi lại nhờ bộ điều khiển dữ liệu Hệ thống này gồm 15 đơn nguyên hoạt động song song

Việc theo dõi quá trình phân hủy yếm khí đối với các bình phản ứng tiến hành thí nghiệm được thực hiện thông qua phân tích: Đặc tính nguyên liệu đầu vào (TS, VS, TOC, TKN), hỗn hợp mẫu đầu ra (TS, VS, TVFA, pH, NH4+), năng suất sinh khí Metan (L/gVS), và hiệu quả khử chất hữu cơ (ηVS)

2.1 Mô tả hệ thống phân hủy yếm khí

Hình 2.1 Mô tả một đơn nguyên của hệ thống thí nghiệm phân hủy yếm khí

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống phân hủy yếm khí

Hệ thống phân hủy yếm khí gồm 15 đơn nguyên hoạt động song song, độc lập với nhau Mỗi một đơn nguyên bao gồm 1 bình phản ứng, 1 bình hấp thụ, tương ứng với 1 cell đo khí Các bộ phận của mỗi một đơn nguyên được nối với nhau bởi các ống tygon tạo thành một hệ kín khí Bên cạnh đó, thiết bị đo khí được nối với một bộ điều

khiển và máy tính để hiển thị kết quả đo khí của mỗi đơn nguyên trên phần mềm tương thích

Nguyên tắc hoạt động của mỗi một đơn nguyên trong hệ thống phân hủy yếm

khí: Mẫu chất thải được nạp vào bình phản ứng, tại đây quá trình phân hủy yếm khí diễn ra trong điều kiện 370C có khuấy trộn (bằng cánh khuấy), khí sinh ra được dẫn qua bình hấp thụ với dung dịch là NaOH để hấp thụ CO2 Khí Metan không bị hấp thụ được dẫn sang thiết bị đo khí là Cell đo khí tương ứng Tại đây, khí được tích trữ đến khoảng 12 – 13ml thì Cell bật mở Tín hiệu mở Cell này được dẫn qua bộ điều kiển dữ liệu và ghi nhận trên phần mềm tương thích Việc theo dõi và ghi nhận dữ liệu đo thể tích khí sinh ra hoàn toàn trên máy tính

Mô tả các bộ phận của mỗi một đơn nguyên trong hệ thống phân hủy yếm khí

- Bình phản ứng có thể tích 500 ml (thể tích thực 605 ± 3ml), đậy kín bởi nắp

cao su và được thử độ kín khí ở 1at Trên nắp cao su có ba đầu nối thông với phía trong bình phản ứng:

+ Một đầu gắn với cánh khuấy bên trong bình phản ứng để đảo trộn hỗn hợp

chất thải khi vận hành, cánh khuấy này gắn với một mô tơ điện Cánh khuấy được vận hành tự động theo chế độ cài đặt: thời gian khuấy là 60 giây, thời gian nghỉ 60giây Vận tốc đảo trộn 50vòng/phút

+ Hai đầu còn lại được nối với ống Tygon để tiến hành đuổi khí trong bình phản ứng khi tiến hành setup thí nghiệm nhằm tạo môi trường yếm khi ngay từ ban đầu cho quá trình phân hủy Sau đó, một đầu được nối với đường ống dẫn khí sinh ra đi vào bình hấp thụ, đầu còn lại được kẹp chặt để ngăn khí trong bình phản ứng thoát ra môi trường

- Bình hấp thụ có thể tích 100 ml, trên nắp bình hấp thụ có hai đường ống: một

đường ống dẫn khí từ bình phản ứng sang, một đường ống dẫn khí sang thiết bị đo khí Bình hấp thụ được đặt trên máy khuấy từ để dễ dàng sục khí dẫn từ bình phản ứng vào dung dịch hấp thụ

Dung dịch hấp thụ là NaOH 3M được bổ sung dung dịch chỉ thị là Alizarin 0,1%, khi dung dịch hấp thụ bão hòa trong NaOH 3M thì dung dịch chuyển từ màu đỏ sang màu vàng (vàng cam)

- Cell khí tích trữ khí dẫn từ bình hấp thụ sang, khi đầy (đạt từ 12 -13 ml - tùy

mỗi Cell), Cell mở để thoát khí Một thiết bị cảm ứng nhận biết khi Cell mở và tín hiệu được chuyển đến máy tính Máy tính thu nhận và ghi lại kết quả đo khí trên phần mềm tương thích

2.2 Thu thập nguyên liệu và xử lý nguyên liệu

2.2.1 Thu thập nguyên liệu

2.2.1.1 Thu thập chất thải rắn hữu cơ đô thị

a Địa điểm, vị trí thu thập chất thải rắn hữu cơ đô thị

CTR-HC đô thị dùng cho thí nghiệm được thu thập tại một nhà máy sản xuất phân Compost tại Hà Nội – đó là rác thải sinh hoạt đã được phân loại tại các hộ gia đình và từ rác các chợ Tuy nhiên, việc phân loại chưa hiệu quả nên vẫn còn nhiều thành phần tạp chất vô cơ, chủ yếu như: xỉ than tổ ong, củi gỗ, vỏ ốc, thủy tinh, xương, giẻ rách… Mẫu CTR sau khi được thu thập, được loại bỏ các thành phần khó phân hủy sinh học có thể nhìn thấy được thêm một lần nữa

Thu thập nguyên liệu

b Cách thức thu thập chất thải rắn hữu cơ đô thị

Mô tả quy trình:

Chất thải được tập kết tại nhà máy sản xuất phân Compost được tiến hành lấy khoảng 4m3, sau đó tiến hành trộn thành đống hình côn chia bốn và lấy 2 phần chéo nhau để thực hiện phân loại thủ công một lần nữa (mẫu đại diện trước khi phân loại) để tách các thành phần nguy hại, không phân hủy được hoặc rất khó phân hủy như: Pin, kim loại, plastic, giấy, thủy tinh, đất đá, xỉ, xương động vật, vỏ sò, ốc… và thu nhận thành phần hữu cơ phân hủy sinh học như: lá cây, củ, quả, thức ăn thừa… (CTR-HC thu nhận sau phân loại), thu nhận được khoảng 250Kg

Tiếp tục thực hiện các bước như đối với CTR ban đầu, cho tới khi thu được lượng khoảng 10Kg đại diện dùng để phân tích tại phòng thí nghiệm (CTR-HC đại diện)

2.2.1.2 Thu thập bùn bể phốt

Bùn bể phốt được hút tại các nhà vệ sinh công cộng và nhà dân trên địa bàn Hà Nội và được tập kết vào bể chứa bùn bể phốt

Bùn bể phốt được lấy tại 4 vị trí đối diện nhau của bể chứa

Tại mỗi vị trí trước khi lấy được gạt váng, khuấy trộn sau đó lấy khoảng 10l Bốn vị trí lấy được 40l sau đó được trộn đều thêm một lần nữa Lấy theo hình sao để được 10l mang về phòng thí nghiệm

2.2.1.3 Thu thập chất thải hữu cơ đô thị đã qua PHYK (I)

Đối với thí nghiệm đợt 1: Chất thải hữu cơ đã qua PHYK được lấy từ hệ thống phân hủy yếm khí chất thải hữu cơ đô thị ở quy mô pilot chạy đã hoàn thành Đây là chất thải đã được phân hủy gần như hoàn toàn, trong đó có chứa VSV yếm khí đã thích nghi với cơ chất nạp vào (I1)

Đối với thí nghiệm đợt 2: Chất thải đã qua PHYK được lấy từ chất thải hữu cơ

đô thị đã phân hủy (sau khi kết thúc thí nghiệm) trong thí nghiệm đợt 1 (I2)

2.2.2 Xử lý nguyên liệu

CTR-HC đô thị và CTR-HC đã qua PHYK dùng cho 2 đợt thí nghiệm sau khi được phân loại loại bỏ thành phần vô cơ có thể nhìn thấy được xử lý để đạt kích thước phù hợp, kích thước được xem là quan trọng để làm tăng tốc độ của quá trình sinh khí,

sẽ giúp rút ngắn thời gian phân hủy, kích thước phù hợp mong muốn là 1-2mm

Hình 2.4 Quy trình xử lý nguyên liệu cho 2 đợt thí nghiệm

2.3 Nạp nguyên liệu vào bình phản ứng

Nguyên liệu sau khi được xử lý đảm bảo độ đồng nhất với kích thước 1-2mm, được bảo quản ở 50C Trước khi tiến hành thí nghiệm các nguyên liệu này được đưa về nhiệt độ phòng trong thời gian thích hợp để nguyên liệu đạt nhiệt độ môi trường

Các hỗn hợp PHYK được nạp theo tỷ lệ khối lượng tươi của nguyên liệu, thực hiện theo hai Đợt thí nghiệm:

a Thí nghiệm đợt 1

* Ở dải tỷ lệ không bổ sung bùn bể phốt

- Thí nghiệm được thực hiện theo 4 tỷ lệ khác nhau; W1:I1 = (1:1); (1:2); (1:3); (1:4)

CTR-HC đô thị và CTR-HC đã qua PHYK

Cân nguyên liệu làm thí nghiệm

TS, VS, TOC,TKN

Loại bỏ tạp chất

Xay nghiền đảm bảo yêu cầu kích thước (không bổ sung thêm nước)

- Tất cả các nguyên liệu nạp vào bình phản ứng đều được tính toán và vận hành theo tỷ lệ khối lượng tươi Do vậy trong 500 ml bình phản ứng, các bình có W1:I1 ở tỷ

lệ (1:1); (1:2); (1:3); (1:4) có lượng W1 nạp vào lần lượt là: 200, 133, 100, 80 g; tương ứng với lượng I1 là 200, 267, 300, 320g Tổng chất rắn (%TS) ở dải tỷ lệ (1:1); (1:2); (1:3); (1:4) dao động từ 26,2% đến 29,7% - đảm bảo các ở các bình phản ứng đều được tiến hành ở điều kiện nồng độ pha rắn cao

* Ở dải tỷ lệ có bổ sung bùn bể phốt

- Trong dải tỷ lệ ở thí nghiệm này, khối lượng W1 và I1 tươi nạp vào bình phản ứng bằng với hỗn hợp trong bình phản ứng ở dải không có bổ sung bùn bể phốt (S1) chỉ khác là được bổ sung thêm ½ S1 theo W1 trong mỗi hỗn hợp Tức W1:I1:S1 = (1:1:1/2); (1:2:1/2); (1:3:1/2); (1:4:1/2) có lượng S1 thêm vào lần lượt là 100, 67, 50, 40g Tương ứng với việc thêm S1 này cũng làm giảm hàm lượng tổng chất rắn trong mỗi tỷ lệ (dao động từ 22,5 đến 27,7%)

b Thí nghiệm đợt 2

Trong đợt thí nghiệm này, nguyên liệu nạp vào các bình phản ứng được tính toán dựa trên các tỷ lệ khối lượng tươi định sẵn Tổng khối lượng tươi trong mỗi bình phản ứng dao động từ 400 – 500g, hàm lượng chất rắn ở các hỗn hợp này là từ 20 – 28%

Bảng 2.3 Khối lượng nguyên liệu nạp vào mỗi bình phản ứng trong

TS (%

W W)

Khối lượng

TS (gTS)

Khối lượng

VS (gVS)

Tỷ lệ phối trộn giữa W và I (và S nếu có) *

Tổng lượng nguyên liệu ở bình phản ứng (gWW)

TS (%

W W)

Khối lượng

TS (gTS)

Khối lượng

VS (gVS)

Ghi chú: *- W: chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội

- I: chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội đã qua phân hủy yếm khí

- S: bùn bể phốt

Hầu hết các tỷ lệ thí nghiệm thì khối lượng hỗn hợp nạp vào bình phản ứng là 400g, ở một số tỷ lệ khối lượng hỗn hợp khác nhau để phù hợp với thực tế thí nghiệm Nhưng khi tính toán sẽ được quy đổi về 400g

- Ở tất cả các hỗn hợp tiến hành thí nghiệm ở hai đợt thí nghiệm đều không được bổ sung dinh dưỡng và không tiến hành đuổi khí

2.4 Vận hành, theo dõi thí nghiệm, đo đạc và phân tích trong phòng thí nghiệm

a Điều kiện vận hành

- Các bình phản ứng được giữ ấm ở nhiệt độ 370C ± 0.50C