Làm phân bón compost từ chất thải rắn đô thị bằng phương pháp ủ nhiệt

Tổng quan Quá trình ủ đã được phát triển để tái chế của phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị (MSW). Các phản ứng sinh học đã được thay đổi để giảm thời gian ủ phân. Mục tiêu chính của việc khảo sát này là để tìm ra khoảng thời gian ủ tối ưu của MSW trong mô hình ủ nhiệt ở điều kiện hiếu khí. Các thông tin nhiệt độ tương quan với số liệu thực nghiệm thu được trong quá trình ủ phân. Trong thời gian này sinh học phân huỷ được xem như nhân tố hạt nhân để đẩy nhanh quá trình phân huỷ. Các vật liệu ủ phân được phân tích ở các giai đoạn khác nhau và các thông số môi trường cũng được được xem xét. Phân bón hoà chỉnh chứa hàm lượng hữu cơ lớn sẽ ra đời sau một thời gian ngắn, 40 ngày. Lượng thể tích của MSW giảm 78%. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng phân bón hoàn tất các phản ứng nhiệt phân cung cấp một lượng mùn tốt để làm giàu đất và một số chất dinh dưỡng cơ bản.

Applied Energy 86 (2009) 663–668

Thermophilic composting of municipal solid waste

D Elangoa, N Thinakaranb, P Panneerselvamc, S Sivanesanc,*

a Department of Civil Engineering, Hindustan College of Engineering, Padur 603

103, India

b Department of Chemistry, St Joseph College of Engineering, Chennai, India

c Department of Chemical Engineering, Anna University, Chennai 600 025, India

Làm phân bón compost từ chất thải rắn đô thị bằng

phương pháp ủ nhiệt

Tổng quan

Quá trình ủ đã được phát triển để tái chế của phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị (MSW) Các phản ứng sinh học đã được thay đổi để giảm thời gian ủ phân Mục tiêu chính của việc khảo sát này là để tìm ra khoảng thời gian ủ tối ưu của MSW trong mô hình ủ nhiệt ở điều kiện hiếu khí Các thông tin nhiệt độ tương quan với số liệu thực nghiệm thu được trong quá trình ủ phân Trong thời gian này sinh học phân huỷ được xem như nhân tố hạt nhân để đẩy nhanh quá trình phân huỷ Các vật liệu ủ phân được phân tích ở các giai đoạn khác nhau và các thông số môi trường cũng được được xem xét Phân bón hoà chỉnh chứa hàm lượng hữu cơ lớn sẽ ra đời sau một thời gian ngắn, 40 ngày Lượng thể tích của MSW giảm 78% Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng phân bón hoàn tất các phản ứng nhiệt phân cung cấp một lượng mùn tốt để làm giàu đất và một số chất dinh dưỡng cơ bản

1 Giới thiệu

Việc thu thập và xử lý chất thải rắn là một trong những vấn đề chính chưa được giải quyết của các của khu vực đô thị và bán đô thị ở Ấn Độ Lượng MSW được tạo ra trong phạm vi khu vực đô thị và bán thành thị 400-600 g bình quân đầu người/ ngày Số lượng MSW tạo ra trong thành phố Chennai khoảng 3500-4800 tấn/ngày, và có chứa hơn 70% chất thải hữu cơ Các phương pháp xử lý khác như các bãi chôn lấp là không phù hợp vì trong các thành phố như Chennai, đất trống là rất ít, nơi đất có giá trị sử dụng đều được dùng cho các mục đích khác đều được xem là lãng phí Ủ phân được định nghĩa là sự phân hủy sinh học có kiểm soát chất hữu cơ được thực hiện bởi quần thể vi khuẩn kết hợp hoạt động cả ủ ẩm và nhiệt phân, dẫn đến việc tạo ra một sản phẩm cuối cùng đầy đủ ổn định để cất giữ và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp mà không có tác dụng phụ với môi trường

Thời gian ủ vật chất hữu cơ khác nhau, từ mười ngày đến ba tháng Để giảm thời gian ủ, cách tiến hành mới như đẩy nhanh tốc độ phản ứng, giảm thiểu diện tích ủ phân và sử dụng phân hủy sinh học là rất cần thiết Nghiên cứu gần đây có thể chỉ ra rằng sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí và lên men các chất hữu cơ làm tăng tốc quá trình ủ phân, và làm giảm thời gian ủ

Phân được sử dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, mang lại lợi ích cho các nhà máy, và đồng thời thu hút tài chính cao hơn Phân vi sinh thay thế dần phân bón hóa học hiện đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, với những chất hữu cơ cải tạo đất Ngoài ra, đất được cải tạo làm tăng hàm lượng chất hữu cơ,

dự trữ nước và giảm nước chảy mặt và xói mòn đất từ các đồi núi điển hình, khu vực địa hình Một số lượng lớn của luận văn liên quan đến các khía cạnh khác nhau của quá trình phân huỷ, chẳng hạn như đưa vi sinh vật vào ứng dụng, những thay đổi của thành phần hóa học trong phân bón đã được công bố Tuy nhiên, sử dụng nhiệt phân để tạo phân compost vẫn còn là một dự án khá mới mẻ Dưới những điều kiện, lượng nhiệt trao đổi chất được kết hợp với hiệu ứng quán tính nhiệt được trong các tài liệu ủ phân do tính chất tự cách của chúng, kết quả là; nhiệt độ cao thường duy trì trong suốt giai đoạn ủ phân Nhiệt độ (750C) là một tham số quan trọng trong ủ khi nó quyết định tiêu diệt tác nhân gây bệnh của phân hữu cơ trước khi áp dụng cho đất trồng Mục đích chính của nghiên cứu này là để đánh giá những vấn đề to lớn trong MSW, phát triển kỹ thuật và các giải pháp kinh tế Nghiên cứu này chứng minh một sinh thái thân thiện, chi phí hiệu quả và giải pháo cho việc quản lý MSW Trong phương pháp xử lý khác như đốt và nhiệt phân, vấn

đề ô nhiễm không khí là chủ yếu và đầu tư ban đầu là rất cao

2 Nguyên liệu và phương pháp

2.1 Lượng nguyên liệu sử dụng trong ủ phân

MSW được thu gom từ Perungudi của thành phố Chennai Khu vực có diện tích khoảng 10 km2 Việc thu gom MSW đã được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp lấy mẫu chất thải rồi tách biệt bằng phương pháp phân loại thủ công Dân số của thành phố Chennai là 6.560.000 Các chất hữu cơ sử dụng trong mô hình phản ứng nhiệt được băm nhỏ với kích thước khoảng 5-10 cm Vi sinh vật phân hủy được sử dụng là vi khuẩn megatherium và Pseudomonas fleurescens có cùng tỷ lệ ở tất cả các chiều cao 30 cm của lò phản ứng Ba tuần đầu tiên là thời kỳ ổn định Trong thời gian này độ ẩm khoảng (53 -62%), nhiệt độ (40-550C) và pH (6,5-7,5) được duy trì Bảng 1 cho thấy các thành phần của MSW

Bảng 1: thành phần của MSW

Thành phần chất hữu cơ (thu gom từ chợ) 57

2.2 Thiết lập thí nghiệm

Các sơ đồ của phản ứng sinh học ưa nhiệt được thể hiện trong hình 1 Kích

thước của các lò phản ứng sinh học ưa nhiệt được đề xuất kích thước là 1x1x1 m

Lò phản ứng được bao phủ bởi lưới thép trên cả bốn mặt, để không khí lưu thông được thuận tiện Cây kim loại có chiều dài 1,5 m được dùng để khuấy trộn, được làm bằng kim loại và phủ sơn chống ăn mòn Hai bên được hàn với tấm kim loại dày 5 mm và cũng được bao phủ bởi lớp sơn chống ăn mòn Các cây khuấy trộn dùng đê trộng cách trên và dưới 40 cm Các cây khuấy trộn được đặt đối diện với nhau và thực hiện khuấy trộn hai lần một tuần Trong trường hợp trộn không đúng cách, độ ẩm tăng, sẽ dẫn đến sự phát triển của tự hoại và mùi hôi, coi như thí nghiệm đã thất bại

Để tránh tạo ra các vấn đề mùi hôi và để thông khí tốt hơn, không khí được đưa vào với sự giúp đỡ của một quạt gió trong một hệ thống kiểm soát Một ống nhựa được đục lỗ đưa vào ở cả bốn bên, do đó không khí đạt đến tất cả các góc Lượng không khí cung cấp trong thời gian ủ phân là 13,8 kg mỗi ngày trong 30 phút Để duy trì độ ẩm và nhiệt độ, người ta phun nước thải sinh hoạt được thêm vào MSW Nước thải được thu thập từ các các khu ký túc xá của trường đại học trước khi đổ vào nhà máy xử lý Nước thải có chứa chất rắn hữu cơ và vi khuẩn, có thể dễ dàng đưa vào các lò phản ứng, do đó sẽ làm tăng giá trị dinh dưỡng của phân

Hình 1

2.3 phương pháp phân tích

Độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ, pH, tổng chất rắn, chất rắn bay hơi, hàm lượng nitơ (N-Kjeldhal) được đo một lần trong một tuần Nhiệt độ được xác định theo bốn phía ở phía đáy và giữa của lò phản ứng Nó được đo trước khi trộn Tất cả các các thông số được đo bằng phương pháp mô tả theo tiêu chuẩn các phương pháp để kiểm tra nước và nước thải, của APHA công bố Tất cả MSW hữu cơ được chuyển thành nguyên liệu ủ trong 40 ngày Thành phẩm thường có màu nâu đen và mùi đất Bảng 2 cho thấy các giá trị dinh dưỡng của phân bón tổng hợp

Bảng 2: Các giá trị dinh dưỡng trong phân bón tổng hợp

3 Kết quả và thảo luận

Hình 2 cho thấy độ ẩm so với số ngày Độ ẩm nằm giữa 62,3% và 53,3% do sự

phân huỷ sinh học của các chất hữu cơ và sinh vật hô hấp tối đa Trong giai đoạn đầu độ ẩm cao (> 60%) và cấu trúc vật lý của phân hỗn hợp khá kém Sau thời kỳ

ổn định độ ẩm giảm đến 53%

Hình 2 Hình 3 cho thấy nhiệt độ so với số ngày Lò phản ứng được điều hành trong

phạm vi ưa nhiệt đến thời kì ổn định Trong nhiệt độ này (65-700C) tất cả các vi

sinh vật gây bệnh được loại bỏ Kích thích các loại vi khuẩn ưa nhiệt hoạt động, và

do đó quá trình ủ phân với nhiệt đô tăng lên ban đầu sẽ dẫn đến việc ổn định trở lại, sau đó số lượng vi sinh vật giảm dần do thiếu dinh dưỡng

Hình 3

Hình 4 cho thấy độ pH của vật liệu ủ giảm do hình thành các axit hữu cơ gây ra

bởi các vi khuẩn phân hủy hữu cơ Sau giai đoạn này, độ pH có xu hướng chuyển

về trung tính, khi các axit được chuyển thành CO2 do hoạt động của vi sinh vật Giá trị pH giảm này được quan sát thấy trong những ngày nghiên cứu Ngoài ra hàng ngày do các chất hữu cơ phân hủy sinh học, sau đó trong giai đoạn trưởng thành, giá trị pH tăng lên do sự hình thành amoniac

Hình 4 Hình 5 cho thấy tổng chất rắn thay đổi so với số ngày Ban đầu tổng giá trị là

chất rắn cao, sau thời gian ổn định giá trị tổng chất rắn giảm do hoạt động của vi sinh vật Trong thời gian này các chất rắn hữu cơ được thay đổi để phân hủy các chất hữu cơ

Hình 5

Hình 6 cho thấy tỷ lệ C/N tăng Phân hủy C/N chất hữu cơ được đưa về bởi các

vi sinh vật sử dụng carbon như một nguồn năng lượng và nitơ cho xây dựng cấu trúc tế bào Sản phẩm cuối cùng ổn định hơn được chỉ định bởi các giá trị phân bón (16,3-20%) và giá trị này là nhiều hơn giới hạn cho phép bình thường (20%) Nó đã đạt được bằng một tổ hợp quá trình pha trộn sử dụng khuấy trộn và duy trì độ pH (6,5-7,5)

Hình 6

Hình 7 cho thấy chất rắn bay hơi so với ngày Ban đầu, chất rắn dễ bay hơi

giá trị cao, trong phạm vi ưa nhiệt và thông khí Sau thời kỳ ổn định các giá trị của chất rắn dễ bay hơi giảm Các sinh vật sử dụng nitơ từ các chất hữu cơ, Nitơ cũng như carbon dễ phân hủy được tiêu thụ Phosphorous tăng dần trong quá trình phân huỷ Độ hòa tan nước của phốt pho giảm với sự tạo thành bùn, do đó phốt pho hòa tan trong quá trình phân hủy đã cố định bằng vi sinh vật hữu cơ hoá sau kích thích Hàm lượng kali trên phân thấp (<1%), so với đề nghị 1% đối với phân trộn Hiệu quả sử dụng một số vật liệu như sợi rơm hoặc gỗ vụn, mà có thể hấp thụ với số lượng tương đối lớn của nước và duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và độ xốp của chúng, có thể ngăn chặn sự mất kali từ phân hữu cơ được hình thành Tất cả các sinh vật gây bệnh là loại bỏ trong phạm vi ưa nhiệt và các chỉ số vi sinh vật (vi khuẩn phân) được xác định theo tiêu chuẩn vi sinh

Hình 7 Hình 8 cho thấy việc giảm thể tích so với số ngày Thể tích được quan sát thấy

giảm từ ngày thứ 14 trở đi Thể tích giảm 78% trong điều kiện phòng thí nghiệm

Hình 8

4 Kết luận

Các kết quả của các cuộc điều tra cho phép chứng minh tính hữu ích của các phản ứng sinh học trong phương pháp ủ phân ưa nhiệt cho việc sử dụng MSW Phân tích hóa lý cho thấy phân làm từ phương pháp ủ nhiệt cung cấp mùn tốt để cải tạo đất nghèo dinh dưỡng và cung cấp chất dinh dưỡng cơ bản Khuấy trộn phân

đúng phương pháp trong quá trình ủ giảm phát thải mùi, giảm nhu cầu C/N, giảm

độ ẩm, và giảm thời gian hình thành phân Nhiệt độ cao hơn và thời gian ổn định dài hơn còn đóng góp làm giảm tỷ lệ C/N và chất rắn bay hơi, được xác định từ quá trình ủ phân tối ưu thu được từ lò phản ứng ưa nhiệt Thể tích thành phần hữu cơ giảm 78% trong MSW trong vòng 40 ngày Nước thải được tận dụng phun lên MSW bổ sung chất hữu cơ và vi khuẩn đồng thời giảm thiểu một lượng nước thải đáng kể Các vấn đề về ruồi nhặng, mùi,và động vật gặm nhấm được loại bỏ vì mô hình phản ứng hiếu khí kín Vận hành và bảo trì các lò phản ứng là rất đơn giản

5 Liên hệ với tình hình Việt Nam

5.1 Chất thải rắn đô thị:

- Chất thải rắn đô thị phát sinh tại Việt Nam từ 1,5-2,5 kg/người.ngày

- Trọng lượng riêng chất thải rắn ở một số địa phương theo CEETIA năm

2000:

o Tại Hà Nội: 480-580 kg/m3

o Tại Đà Nẵng: 420 kg/m3

o Tại Hải Phòng: 580 kg/m3

o Tại Tp HCM: 500 kg/m3

Thành phần của chất thải rắn đa dạng và đặc trưng cho từng loại đô thị Nhưng cơ bản có:

- Hợp phần chất hữu cơ 50-65%

- Chứa nhiều cát sỏi, đá vụn…

- Độ ẩm cao, nhiệt trị thấp (900Kcal/kg)

- Thành phần chủ yếu: chất hữu cơ, cao su, nhựa, giấy, giẻ vụn, kim loại, thủy

tinh, gốm sứ, đất đá…

5.2 Ủ phân hữu cơ:

- Phân hữu cơ chưa được sản xuất và sử dụng rộng rải tại Vệt Nam

- Có ít công ty sản xuất phân bón hữu cơ từ chất thải rắn đô thị, điển hình có

công ty TNHH xử lý chất thải rắn Việt Nam (VWS)- chủ đầu tư Khu Liên Hiệp xử lý chất thải rắn Đa Phước (huyện Bình Chánh- tp HCM) hiện đang sản xuất phân bón hữu cơ từ rác thải đô thị Với công nghệ hiện đại, công ty đang sản xuất phân có chất lượng tốt, giá thành cạnh tranh