Nghiên cứu thủy phân thành phân hữu cơ trong rác thải sinh hoạt phục vụ công nghệ sản xuất metan

Điều này đã được ghi nhận rằng thủy phân các chất hữu cơ phức tạp thành hợp chất hòa tan là bước hạn chế tốc độ của quá trình kỵ khí đối với chất thải với thành phần chất rắn cao Chulhwa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG

o0o

NGUYỄN XUÂN LAN

NGHIÊN CỨU THỦY PHÂN THÀNH PHẦN HỮU CƠ

TRONG RÁC THẢI SINH HOẠT PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT METAN

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 02 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Đinh Tuấn (chủ tịch hội đồng)

2 TS Mai Tuấn Anh (Phản biện 1)

3 TS Nguyễn Tấn Phong (phản biện 2)

4 TS Lê Văn Khoa (thư ký)

5 PGS.TS Nguyễn Văn Phước (ủy viên)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi

luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TP HCM, ngày 02 tháng 02 n ăm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN XUÂN LAN Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 29/11/1982 Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường MSHV: 10250523

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THỦY PHÂN THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG RÁC

THẢI SINH HOẠT PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT METAN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tổng quan về chất thải rắn đô thị và phương pháp xử lý

2 Xây dựng mô hình thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt

3 Từ mô hình nghiên cứu:

- Xác định pH thích hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định thời gian thích hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định tác nhân phù hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định tỉ lệ rắn - lỏng thích hợp cho quá trình thủy phân

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Văn Phước

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

PGS TS Nguyễn Văn Phước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình h ọc tập, thực hiện và hoàn thành luận văn cao học, bên cạnh nỗ

l ực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của Quý thầy cô khoa Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh

Xin chân thành c ảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Phước đã tận tình hướng dẫn trong nghiên c ứu khoa học, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Chân thành c ảm ơn TS Trịnh Bảo Sơn đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ kiến thức chuyên sâu v ề nghiên cứu, thiết kế mô hình nghiên cứu và TS Nguyễn Thị Thanh Phượng đã hỗ

tr ợ các kiến thức chuyên sâu trong quá trình thí nghiệm

C ảm ơn các Anh Chị em phòng thí nghiệm Viện Môi trường và Tài nguyên đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thí nghiệm

Cu ối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn đến ba mẹ, người thân trong gia đình, đồng nghi ệp và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

TP Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2011

H ọc viên

Nguyễn Xuân Lan

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung chủ yếu của luận văn là “Nghiên cứu thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt phục vụ công nghệ thu hồi metan” Nghiên cứu được thực hiện với quy mô phòng thí nghiệm, nhiệt độ phòng 30±3oC, vật liệu sử dụng là rác thực phẩm bao gồm: chuối, cà chua, bông cải trắng, bắp cải, đậu đũa, rau muống, cà rốt Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) Quá trình thủy phân ở các giá trị pH 5, 8, 10, 12 đạt được hiệu quả tương ứng là 56%, 68%, 95%, 90%, kết quả xác định được pH thích hợp cho quá trình thủy phân là pH = 10; (2) Thời gian thủy phân là 6 ngày; (3) Hiệu quả quá trình thủy phân với tác nhân NaOH cho kết quả là 95% cao hơn so với khi sử dụng tác nhân Ca(OH)2 là 74%; (4) Tỉ lệ rắn – lỏng của rác tương ứng với độ

ẩm 91% cho hiệu quả thủy phân là 56% cao hơn so với tỉ lệ rắn – lỏng của rác tương ứng độ ẩm 95% là 28%

Major contents of the thesis is "Research hydrolyzed organic components in waste technology for methane recovery." Studies done with laboratory-scale, room temperature 30 ± 3 o C, the material used is junk food including bananas, tomatoes, cauliflower, cabbage, green beans, spinach, carrots Research results show that: (1) hydrolysis process at pH values 5, 8, 10, 12 achieve 56%, respectively, 68%, 95%, 90%, resulting in determine appropriate pH for hydrolysis is pH = 10 (2) hydrolysis time is 6 days (3) Effective hydrolysis with NaOH agents results in a 95% higher than when using agent Ca(OH)2 was 74% (4) The rate of solid - liquid waste corresponding moisture 91% with hydrolysis efficiency is 56% higher than the rate

of solid - liquid waste of the corresponding moisture 95% is 28%

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN IV MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XI

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 TÍNHCẦNTHIẾTCỦAĐỀTÀI 1

1.2 MỤCTIÊUVÀNỘIDUNGNGHIÊNCỨU 3

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

1.2.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 3

1.3 ÝNGHĨAVÀTÍNHMỚICỦAĐỀTÀI 4

1.4 MÔHÌNHTHỰCHIỆN 5

1.5 PHẠMVI–GIỚIHẠNCỦAĐỀTÀI 5

1.6 PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 5

1.6.1 Phương pháp thu thập số liệu 5

1.6.2 Các phương pháp thí nghiệm và phân tích 5

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu mô hình 6

1.6.4 Phương pháp xử lý số liệu 6

2.1 TỔNGQUANVỀCHẤTTHẢIRẮN 7

2.1.1 Tình hình phát sinh chất thải rắn hiện nay 7

2.1.2 Thành phần của chất thải rắn sinh hoạt 8

2.1.3 Tiềm năng nguồn chất thải hữu cơ có trong chất thải rắn 9

2.2 CÁCPHƯƠNGPHÁPXỬLÝCHẤTTHẢIRẮN 10

2.2.1 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt 10

2.2.2 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp chôn lấp 12

2.2.3 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ hiếu khí 13

2.2.4 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ kỵ khí 15

2.2.5 Lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn 18

2.3 TỔNGQUANVỀQUÁTRÌNHTHỦYPHÂN, PHÂNHỦYKỴKHÍ 18

2.3.1 Tổng quan về quá trình thủy phân 18

2.3.1.1. Khái niệm về thủy phân 18

2.3.1.2. Các phương pháp thủy phân và cơ chế của quá trình 19

2.3.2 Quá trình thủy phân, phân hủy kỵ khí 24

2.3.3 Các yếu tố cần quan tâm trong quá trình thủy phân, phân hủy kỵ khí 30

2.3.3.1. Sự biến đổi lưu lượng và tải trọng 30

2.3.3.2. Nhiệt độ 30

2.3.3.3. pH và độ kiềm 30

2.3.3.4. Chất độc 31

2.3.3.5. Các chất hữu cơ 31

2.4 TỔNGQUANTÌNHHÌNHNGHIÊNCỨU 32

2.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 32

2.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 37

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

3.1 VẬTLIỆUNGHIÊNCỨU 41

3.2 MÔHÌNHNGHIÊNCỨUTHỰCNGHIỆM 42

3.2.1 Mô hình, thiết bị nghiên cứu 42

3.2.2 Phương pháp phân tích 46

3.2.3 Quy trình tiến hành nghiên cứu 47

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 51

4.1 KẾTQUẢTHÍNGHIỆMXÁCĐỊNH PHPHÙHỢPCHOQUÁTRÌNH THỦYPHÂN 52

4.1.1 Đánh giá hiệu quả thủy phân của mô hình A1 (pH = 5) 52

4.1.2 Đánh giá hiệu quả thủy phân của mô hình A2 (pH = 8) 53

4.1.3 Đánh giá hiệu quả thủy phân của mô hình A3 (pH = 10) 54

4.1.4 Đánh giá hiệu quả thủy phân của mô hình A4 (pH = 12) 55

4.2 KẾTQUẢTHÍNGHIỆMXÁCĐỊNHTHỜIGIANTHÍCHHỢPCHO QUÁTRÌNHTHỦYPHÂN 59

4.3 KẾTQUẢTHÍNGHIỆMXÁCĐỊNHTÁCNHÂNPHÙHỢPCHOQUÁ TRÌNHTHỦY 60

4.3.1 Hiệu quả thủy phân với tác nhân NaOH (pH = 10) 60

4.3.2 Hiệu quả thủy phân với tác nhân Ca(OH)2 61

4.3.3 So sánh hiệu quả thủy phân giữa tác nhân NaOH và Ca(OH)2 62

4.4 KẾTQUẢTHÍNGHIỆMXÁCĐỊNHTỈLỆRẮNLỎNGPHÙHỢPCHO QUÁTRÌNHTHỦY 63

4.4.1 Kết quả mô hình tỉ lệ rắn – lỏng tương đương độ ẩm 91% 63

4.4.2 Kết quả mô hình tỉ lệ rắn – lỏng tương đương độ ẩm 95% 64

4.4.3 Đánh giá hiệu quả thủy phân với tỉ lệ rắn lỏng khác nhau 65

4.5 ĐÁNHGIÁHIỆUQUẢKINHTẾCHOQUÁTRÌNHTHỦYPHÂN 66

4.5.1 Đánh giá liều lượng NaOH đến hiệu quả thủy phân 66

4.5.2 Tính toán chi phí cho quá trình thủy phân 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 KẾTLUẬN 69

2 KIẾNNGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 76

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 86

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại các đô thị lớn Việt Nam 08

Hình 2.2 Quy trình công nghệ ủ kỵ khí thu hồi khí phát điện 16

Hình 2.3 Sơ đồ các quá trình chuyển hóa xảy ra trong quá trình kỵ khí 17

Hình 2.4 Cơ chế cắt đứt những liên kết bán axetat (glucozit) 21

Hình 2.5 Cơ chế thủy phân hợp chất hữu cơ cao phân tử có chứa liên kết amin 21

Hình 2.6. Cơ chế cắt mạch thủy phân liên kết este 21

Hình 2.7. Cơ chế cắt đứt liên kết C – H bằng thủy phân nhiệt học 22

Hình 2.8. Quá trình thủy phân bằng enzyme trong phân hủy kỵ khí 24

Hình 2.9. Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí 26

Hình 2.10. Quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí 27

Hình 3.1. Các thành phần trong vật liệu 42

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình thủy phân rác 44

Hình 3.3. Mô hình nghiên cứu thực nghiệm 44

Hình 3.4. Kiểm tra độ kín của mô hình 45

Hình 3.4. Sơ đồ quy trình tiến hành nghiên cứu 48

Hình 4.1. Kết quả thủy phân ở mô hình A1 52

Hình 4.2. Kết quả thủy phân ở mô hình A2 53

Hình 4.3. Kết quả thủy phân ở mô hình A3 54

Hình 4.4. Kết quả thủy phân ở mô hình A4 55

Hình 4.5. Kết quả thủy phân tại các giá trị pH khác nhau 56

Hình 4.6. Mức độ cải thiện hiệu quả tại các mô hình 59

Hình 4.7 Kết quả thủy phân bằng tác nhân NaOH 60

Hình 4.8 Kết quả thủy phân bằng tác nhân Ca(OH)2 61

Hình 4.9. So sánh hiệu quả thủy phân giữa tác nhân NaOH và Ca(OH)2 62

Hình 4.10. Kết quả thủy phân với tỉ lệ rắn lỏng tương đương 91% 63

Hình 4.11. Kết quả thủy phân với tỉ lệ rắn lỏng tương đương 95% 64

Hình 4.12. Hiệu quả thủy phân ở mô hình A1, C 65

Hình 4.13. Liều lượng NaOH sử dụng cho quá trình thủy phân 66

Hình PL.1. Vật liệu đầu vào của mô hình 85

Hình PL.2. Thiết bị phân tích COD 85

Hình PL.3. Chuẩn bị mẫu cho thí nghiệm 85

Hình PL.4. Nạp vật liệu vào mô hình 85

Hình PL.5. Hỗn hợp rác ban đầu sau khi bổ sung tác nhân NaOH 85

Hình PL.6. Mẫu rác sau thủy phân bằng tác nhân NaOH 85

Hình PL.7. Mẫu rác sau thủy phân bằng tác nhân Ca(OH)2 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong chất thải đô thị ở Việt Nam 09

Bảng 2.2. Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí 16

Bảng 2.3. Lựa chọn chất độc và chất hữu cơ cản trở trong phản ứng kỵ khí 36

Bảng 3.1 Thành phần vật liệu nghiên cứu 41

Bảng 3.2. Thông số vật liệu ban đầu 42

Bảng 3.3. Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu tại phòng thí nghiệm 47

Bảng 4.1. Kết quả nghiên cứu từ mô hình thực nghiệm 51

Bảng 4.2. Thời gian đạt hiệu quả thủy phân 59

Bảng 4.3. Liều lượng hóa chất tiêu tốn cho quá trình thủy phân 67

Bảng 4.4. Chi phí hóa chất cho quá trình thủy phân 67

Bảng PL.1. Thông số độ ẩm của các thành phần vật liệu ban đầu 76

Bảng PL.2. Thông số VS/TS của các thành phần vật liệu ban đầu 76

Bảng PL.3. Thông số TS của các thành phần vật liệu ban đầu 77

Bảng PL.4. Thông số độ ẩm của vật liệu ban đầu 77

Bảng PL.5. Thông số TS của vật liệu ban đầu 77

Bảng PL.6. Thông số VS/TS của vật liệu ban đầu 77

Bảng PL.7. Thông số tCOD của vật liệu ban đầu 78

Bảng PL.8. Thông số tCOD của vật liệu ban đầu 78

Bảng PL.9. Tính toán chi phí hóa chất cho quá trình thủy phân 78

Bảng PL.10. Kết quả thí nghiệm của mô hình A1 79

Bảng PL.11. Kết quả thí nghiệm của mô hình A2 80

Bảng PL.12. Kết quả thí nghiệm của mô hình A3 80

Bảng PL.13. Kết quả thí nghiệm của mô hình A4 82

Bảng PL.14. Kết quả thí nghiệm của mô hình B 83

Bảng PL.15. Kết quả thí nghiệm của mô hình C 84

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

tCOD Total Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hoá học tổng cộng sCOD Soluble Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hoá học dạng hòa tan HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước

OLR Organic Loading rate Tải trọng hữu cơ

OFMSW Organic Fraction of Municipal Solid

Waste

Thành phần hữu cơ của chất thải rắn

đô thị WAS Waste Activated Sludge Bùn hoạt tính

FVW Fruit and Vegetable Waste Chất thải từ trái cây và rau quả

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở nước ta, cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội, các ngành sản xuất kinh

doanh, dịch vụ ở các đô thị – khu công nghiệp được mở rộng và phát triển nhanh

chóng, một mặt góp phần tích cực cho sự phát triển của đất nước, mặt khác tạo

ra một khối lượng chất thải rắn ngày càng lớn (bao gồm chất thải sinh hoạt, chất

thải công nghiệp, chất thải bệnh viện…)

Theo Báo cáo Diễn biến Môi trường Việt Nam năm 2004 của World Bank,

lượng chất thải rắn phát sinh tại Việt Nam ước tính khoảng 15 triệu tấn/năm,

trong đó rác sinh hoạt đô thị và nông thôn chiếm khoảng 12,8 triệu tấn, riêng tại

các khu đô thị là 8,266 triệu tấn chiếm hơn 80%; rác công nghiệp khoảng 2,7

triệu tấn Lượng rác thải y tế khoảng 2,1 vạn tấn, các chất thải độc hại trong

công nghiệp là 13 vạn tấn và trong nông nghiệp (kể cả hóa chất) khoảng 4,5 vạn

tấn Trong thập kỷ tới, tổng lượng chất thải rắn phát sinh được dự báo sẽ tiếp tục

tăng nhanh Các khu vực đô thị chiếm khoảng 24% dân số cả nước nhưng lại

chiếm hơn 50% tổng lượng chất thải phát sinh và ước tính trong những năm tới,

lượng chất thải sinh hoạt phát sinh khoảng 60%, trong khi chất thải công nghiệp

sẽ tăng 50% và chất thải độc hại sẽ tăng gấp 3 lần so với hiện nay

Hiện nay, năng lực thu gom chất thải rắn ở tất cả các đô thị và khu công

nghiệp ở Việt Nam mới chỉ đạt khoảng 20 – 40% Trong khi đó khối lượng chất

thải rắn trong các đô thị ngày càng tăng do tác động của sự gia tăng dân số và

quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Lượng chất thải rắn nếu không

được xử lý tốt sẽ dẫn đến hàng loạt hậu quả tiêu cực đến môi trường bao quanh

con người, đất, không khí, nước, các nhà ở và công trình công cộng… Nhưng

nếu biết tận dụng thì chất thải rắn là một nguồn vật liệu có ích phục vụ đời sống

con người và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường vừa đem lại lợi ích kinh

tế vừa mang lại lợi ích môi trường to lớn

Việc ứng dụng các công nghệ tái chế chất thải rắn để tái sử dụng còn rất hạn chế, chưa được tổ chức và quy hoạch phát triển Chưa có thị trường thống nhất

về trao đổi và tái chế chất thải rắn nói chung và chất thải rắn công nghiệp nói riêng, chỉ có một phần rất nhỏ được thu hồi, tái chế và tái sử dụng Các cơ sở tái chế rác thải có quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu, hiệu quả tái chế còn thấp và quá trình hoạt động cũng gây ô nhiễm môi trường Hiện chỉ có một phần nhỏ rác thải (khoảng 1,5 – 5% tổng khối lượng chất thải rắn đô thị) được chế biến thành phân bón vi sinh và chất mùn với công nghệ hợp vệ sinh

Theo nghiên cứu (Veeken A và cộng sự 2000; Vieitez E.R và cộng sự 2000; Fobil J.N và cộng sự 2002; C Zurbrugg, 2002) thì tại các nước đang phát triển, các phần hữu cơ chiếm 65% trong tổng số chất thải rắn đô thị Việt Nam cũng nằm trong số đó, riêng đối với lượng rác thải trung bình một người thải ra tại Thành phố Hồ Chí Minh là 0,667kg/ngày, lượng rác thải được thu gom mỗi ngày 6.000 – 6.500 tấn/ngày, trong đó thành phần hữu cơ chiếm hơn 65% (Centema, 2002) Các kết quả tính toán theo chương trình công nghệ thì chất thải rắn tạo ra trong các khu vực đô thị lớn ở nước ta khoảng 21.500 tấn/ngày như hiện nay, chiếm 70 – 85% chất hữu cơ

Các phần hữu cơ trong chất thải rắn đã được xem như là một nguồn tài nguyên có giá trị mà có thể được chuyển đổi thành sản phẩm hữu ích thông qua chuyển hóa trung gian (Hanqing Yu và cộng sự 2002; M Lesteur, et al., 2010)

Có nhiều phương pháp khác nhau cho xử lý chất thải hữu cơ nhưng phân hủy kỵ khí xuất hiện là phương pháp xử lý đầy hứa hẹn (M Lee, et al., 2009) Áp dụng quá trình phân hủy kỵ khí là giải pháp hứa hẹn nhất thay thế phương pháp đốt hoặc ủ phân các chất thải này (H Bouallagui và cộng sự 2005) đồng thời xử lý chất thải và tái tạo năng lượng Ưu điểm chính của quá trình phân hủy kỵ khí sản xuất khí sinh học là có thể được sử dụng để sản xuất điện Các chất rắn sau xử lý được ổn định có thể được sử dụng cải tạo đất (H Bouallagui và cộng sự 2005) Công nghệ này đã được áp dụng thành công trong giảm khối lượng chất thải đưa vào các bãi chôn lấp, do đó giảm phát thải khí methane được tạo ra (Joan Mata-

Alvarez và cộng sự 1992; T Forster-Carneiro và cộng sự 2008; H Bouallagui

và c ộng sự 2009)

Phân hủy kỵ khí bao gồm một loạt các phản ứng chuyển hóa như thủy phân, acidogensis và methanogensis (Chulhwan Park và cộng sự 2005; W Charles và cộng sự 2009) Quá trình kỵ khí có một số bất lợi như thời gian lưu dài và hiệu quả loại bỏ các hợp chất hữu cơ thấp (Chulhwan Park và cộng sự 2005) Cấu trúc hóa học và cấu trúc của vật liệu lignocellulose cản trở tốc độ phân hủy của chất thải rắn hữu cơ Điều này đã được ghi nhận rằng thủy phân các chất hữu cơ phức tạp thành hợp chất hòa tan là bước hạn chế tốc độ của quá trình kỵ khí đối với chất thải với thành phần chất rắn cao (Chulhwan Park và cộng sự 2005) Hệ quả là, các phương pháp tiền xử lý bằng lý học, hóa học và enzyme được yêu cầu để tăng tính hòa tan cơ chất và tăng tốc độ phân hủy sinh học của chất thải rắn hữu cơ (W Charles và cộng sự 2009)

Có nhiều yếu tố, bao gồm các loại và nồng độ của cơ chất, nhiệt độ, pH, độ

ẩm, …, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình phân hủy kỵ khí (S.K Behera và cộng sự 2010) Bởi vì, với mỗi giai đoạn tạo ra và tiêu thụ axit với nhu cầu cung cấp pH khác nhau để đạt hiệu suất tối ưu (G Tchobanoglous, et al., 2003) Trong nghiên cứu của luận văn này, chủ yếu tập trung vào “nghiên cứu thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt phục vụ công nghệ sản xuất metan”

Nghiên cứu quá trình thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt phục vụ công nghệ sản xuất metan

Đề tài tập trung vào các nội dung chính sau đây:

1 Tổng quan về chất thải rắn đô thị và các phương pháp xử lý

2 Xây dựng mô hình thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt với việc kiểm soát tỉ lệ rắn lỏng của rác thải ban đầu; kiểm soát

pH bằng tác nhân NaOH và Ca(OH)2

3 Từ kết quả nghiên cứu:

- Xác định pH thích hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định thời gian thích hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định tác nhân phù hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định tỉ lệ rác – nước phù hợp cho quá trình thủy phân

Nghiên cứu của đề tài sử dụng phương pháp thủy phân thành phần hữu cơ có trong rác thải sinh hoạt ở các giá trị pH khác nhau bằng tác nhân NaOH và Ca(OH)2 kết quả nghiên cứu giúp xác định được quy luật của quá trình thủy phân, đây là hướng nghiên cứu mới trong bước đầu của một chuổi các nghiên cứu nhằm góp phần hoàn thiện công nghệ sản xuất metan Quá trình thủy phân được xem là bước giới hạn của quá trình phân hủy kỵ khí,do đó việc xác định được quy luật của quá trình thủy phân làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng từ rác thải sinh hoạt

Công nghệ thủy phân chất hữu cơ trong chất thải rắn sẽ mang lại những ý nghĩa thiết thực về môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm từ lượng chất thải rắn, tăng hiệu quả xử lý, giúp khả năng chuyển hóa chất hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt được triệt để góp phần phục vụ công nghệ sản xuất metan

Đây là cơ sở tiền đề cho các nghiên cứu quy mô pilot và triển khai thực tế,

có thể áp dụng để xử lý thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị Đề tài trên

cơ sở phát triển các công nghệ đơn giản, hiệu quả có khả năng áp dụng thực tiễn trong điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả thủy phân thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị, đóng góp kỹ thuật cho công nghệ môi trường

1.4 MÔ HÌNH THỰC HIỆN

Nghiên cứu dự kiến được thực hiện trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm gồm:

- Xác định pH thích hợp cho quá trình thủy phân,

- Xác định thời gian thích hợp cho quá trình thủy phân

- Xác định tác nhân phù hợp cho quá trình thủy phân,

- Xác định tỉ lệ rác - nước thích hợp cho quá trình thủy phân,

Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện tự nhiên, phạm vi Việt Nam Đối tượng khảo sát: Thành phần hữu cơ có nguồn gốc thực vật trong chất thải rắn sinh hoạt

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm ngay tại viện Môi trường và Tài nguyên (IER) - 142 Tô Hiến Thành, Q.10, Tp HCM Mẫu thử nghiệm: đầu vào của mô hình là thành phần hữu cơ có nguồn gốc thực vật có trong chất thải rắn sinh hoạt của các chợ tại thành phố Hồ Chí Minh

Trên cơ sở kế thừa, thu thập tài liệu đã có của các đề tài, dự án, chương trình

đã và đang thực hiện trong và ngoài nước từ các nguồn sách báo, giáo trình, tạp chí khoa học, internet,… Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều nguồn tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin, học tập kinh nghiệm của những công trình nghiên cứu, những ưu, nhược điểm, những ứng dụng thực tiễn có liên quan đến đề tài đang nghiên cứu Những tài liệu này sẽ được lựa chọn, phân tích, tổng hợp làm cơ sở cho việc định hướng và thực hiện nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm tại hiện trường: lấy mẫu chất thải rắn sinh hoạt từ các chợ và sau đó đưa về phòng thí nghiệm để phân tích các chỉ tiêu cơ bản

Tiến hành thực nghiệm trên mô hình Trong quá trình vận hành tiến hành lấy mẫu đánh giá các thông số sau:

Các chỉ tiêu phân tích:

• Rác thải ban đầu: độ ẩm, pH, COD

• Đối với nước rỉ rác: tiến hành đo pH, COD hòa tan sau lọc

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu: Các chỉ tiêu được phân tích theo

Standard method for the examination of water and wastewater, APHA 2005 và hướng dẫn phân tích hiện hành của Việt Nam (Hà Nội, 1999; AWWA APHA, WEF, 2005)

Xây dựng mô hình xác định tỉ lệ rác nước thích hợp cho quá trình thủy phân Xây dựng mô hình thủy phân thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt ở các giá trị pH khác nhau

Áp dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu nghiên cứu

Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Excel, Grapher 8

Sử dụng các dạng đồ thị, biểu đồ để biểu diễn kết quả thí nghiệm từ đó, so sánh, đánh giá kết quả đạt được

Số liệu của mỗi thí nghiệm được xử lý thống kê và tính theo giá trị trung bình của các kết quả đo và giá trị độ lệch chuẩn để đánh giá mức độ chính xác của kết quả

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

2.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN

Tính đến tháng 6/2007 Việt Nam có tổng cộng 729 đô thị các loại, trong đó

có 2 đô thị loại đặc biệt (Hà Nội và TP Hồ Chí Minh), 4 đô thị loại I (thành

phố), 13 đô thị loại II (thành phố), 43 đô thị loại III (thành phố), 36 đô thị loại

IV (thị xã), 631 đô thị loại V (thị trấn và thị tứ) Trong những năm qua, tốc độ

đô thị hóa diễn ra rất nhanh đã trở thành nhân tố tích cực đối với phát triển kinh

tế – xã hội của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về kinh tế - xã hội,

đô thị hóa quá nhanh đã tạo ra sức ép về nhiều mặt, dẫn đến suy giảm chất lượng

môi trường và phát triển không bền vững Lượng chất thải rắn phát sinh tại các

đô thị và khu công nghiệp ngày càng nhiều với thành phần phức tạp

Lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) tại các đô thị ở nước ta đang có xu

thế phát sinh ngày càng tăng, tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 10% Tổng

lượng phát sinh CTRSH tại các đô thị loại III trở lên và một số đô thị loại IV là

các trung tâm văn hóa, xã hội, kinh tế của các tỉnh thành trên cả nước lên đến 6,5

triệu tấn/năm, trong đó CTRSH phát sinh từ các hộ gia đình, nhà hàng, các chợ

và kinh doanh là chủ yếu Lượng còn lại từ các công sở, đường phố, các cơ sở y

tế Kết quả điều tra tổng thể năm 2006 - 2007 cho thấy, lượng CTRSH đô thị

phát sinh chủ yếu tập trung ở 2 đô thị đặc biệt là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh

Tuy chỉ có 2 đô thị nhưng tổng lượng CTRSH phát sinh tới 8.000 tấn/ngày

(2.920.000 tấn/năm) chiếm 45,24% tổng lượng CTRSH phát sinh từ tất cả các

đô thị

Hình 2.1 Lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại các đô thị lớn Việt Nam

(2007)

Theo kết quả khảo sát 2006, 2007 thì tỷ lệ phát sinh chất thải rắn sinh hoạt đô thị bình quân trên đầu người tại các đô thị đặc biệt và đô thị loại I tương đối cao (0,84 – 0,96kg/người/ngày); đô thị loại II và loại III có tỷ lệ phát sinh chất thải rắn sinh hoạt đô thị bình quân trên đầu người là tương đương nhau (0,72 - 0,73 kg/người/ngày); đô thị loại IV có tỷ lệ phát sinh chất thải rắn sinh hoạt đô thị bình quân trên một đầu người đạt khoảng 0,65 kg/người/ngày

Đô thị có lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh lớn nhất là TP Hồ Chí Minh khoảng 5.500 tấn/ngày, Hà Nội khoảng 2.500 tấn/ngày Đô thị có lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh ít nhất là Bắc Kạn là 12,3 tấn/ngày; Cao Bằng 20 tấn/ngày; TP Yên Bái 33,4 tấn/ngày và Hà Giang 37,1 tấn/ngày Theo Dự báo của Bộ TN&MT, đến năm 2015, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh từ các đô thị ước tính khoảng 37.000 tấn/ngày và năm 2020 là 59.000 tấn/ngày cao gấp 2 - 3 lần hiện nay

Thành phần chất thải rắn chủ yếu là rác thải có chứa lượng chất vô cơ và hữu

cơ từ các nguồn thải như hộ gia đình, trường học, nhà hang khách sạn, chợ,…Thành phần chất thải rắn sinh hoạt điển hình tại đô thị lớn được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong chất thải đô thị ở Việt Nam

Hà Nội Hải Phòng Hạ Long Đà Nẵng TP HCM

1 Chất hữu cơ 50,0 50,58 40,1 – 44,7 31,50 41,25 – 62,28

3 Giấy, cotton, giẻ vụn 4,20 7,52 5,5 – 5,7 6,81 24,83 – 15,2

Nguồn: (Nguyễn Đức Lượng, 2008)

Nguồn phế thải hữu cơ có trong chất thải rắn đô thị có thể kể đến:

Chất thải tạo ra từ nhà bếp ở các gia đình hay các nhà bếp tập thể, nhà hàng Các loại chất thải này chứa phần lớn các nguồn chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật và thực vật như: đầu, đuôi, vảy cá, ruột cá, vỏ, rễ của các loại rau quả

bị hư hỏng,… đây là chất thải dễ phân hủy Bên cạnh các chất thải dễ phân hủy thì chất thải từ nhà bếp còn có cả những chất thải khó phân hủy như các loại nilong, hộp thiết, chai nhựa,…

Chất thải từ các khu vực thương mại như chợ, siêu thị Chất thải từ các nguồn này có thành phần gần giống như chất thải từ nhà bếp, tuy nhiên về số lượng thì lớn và đa dạng hơn

Nhìn chung các chất kể trên có đặc điểm là không đồng nhất, chúng bao gồm

cả chất thải hữu cơ dễ phân hủy, các chất hữu cơ khó phân hủy và cả các chất

vô cơ (Nguyễn Đức Lượng, 2008)

Các phần hữu cơ trong chất thải rắn đã được xem như là một nguồn tài nguyên có giá trị mà có thể được chuyển đổi thành sản phẩm hữu ích (Hanqing

Yu và cộng sự 2002; M Lesteur, et al., 2010) Nguồn phế thải hữu cơ có trong chất thải rắn đô thị có thể kể đến: Chất thải tạo ra từ nhà bếp ở các gia đình hay các nhà bếp tập thể, nhà hàng Các loại chất thải này chứa phần lớn các nguồn chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật và thực vật, đây là chất thải dễ phân hủy; Chất thải từ các khu vực thương mại như chợ, siêu thị Chất thải từ các nguồn này có thành phần gần giống như chất thải từ nhà bếp, tuy nhiên về số lượng thì lớn và đa dạng hơn (Nguyễn Đức Lượng, 2008) Lượng chất thải rắn thực phẩm chiếm tỷ lệ cao 61 – 90%, đây là nguồn vật liệu có giá trị nếu biết cách xử lý hợp lý có ý nhĩa rất lớn vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải gây ra vừa mang lại lợi ích kinh tế

Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt nhằm mục đích giảm thể tích chất thải rắn và thu hồi năng lượng nhiệt là một phương án quan trọng trong hệ thống quản lý tổng hợp chất thải rắn Phương pháp này dùng để thiêu hủy các loại chất thải rắn dễ cháy, có chứa những thành phần độc hại vì nếu được tiến hành đúng quy cách, quá trình thiêu đốt có khả năng giảm thiểu hoặc phá hủy hoàn bộ các độc chất hữu cơ trong chất thải rắn nguy hại bằng cách phá hủy các mối liên kết hóa học giữa chúng, đưa chúng trở về dạng nguyên tố hợp thành ban đầu

Chất thải rắn được đưa vào những lò đốt chuyên dụng, rồi được đốt với nhiệt

độ tăng dần đến trên 900oC bằng gas, dầu… Năng lượng sinh ra trong quá trình đốt dưới dạng nhiệt năng là từ các phản ứng oxy hoá hoàn toàn các hợp chất hữu

cơ Sau khi thu hồi, nhiệt năng sẽ được chuyển hoá thành điện năng sử dụng cho các mục đích khác Các khí chính tạo ra trong quá trình đốt rác gồm CO2, CO, tro xỉ, hơi nước, một số khí dạng vết như THC, HCl, HF, NOx…

Tùy vào lượng oxy sử dụng trong quá trình đốt mà phân loại thành các quá trình: đốt dư khí, khí hóa (đốt thiếu khí), nhiệt phân (hoàn toàn không có sự hiện diện của oxy) Phương pháp này thường được áp dụng để xử lý chất thải bệnh

viện, chất thải độc hại về mặt sinh học, chất thải nguy hại từ sản xuất công nghiệp Đây là phương pháp phổ biến được áp dụng hiệu quả ở các nước tiên tiến như Pháp, Nhật, Mỹ, Đức… do rác công nghiệp với nhiệt trị lớn chiếm một

tỉ lệ cao trong thành phần chất thải rắn đô thị

• Ưu điểm:

Có khả năng thiêu hủy tốt đối với nhiều loại chất thải rắn kể cả kim loại, nhựa, thủy tinh, dầu thải… Kỹ thuật này phù hợp với những chất thải rắn trơ về mặt hóa học, khó phân hủy sinh học Hiệu quả xử lý cao đối với các loại chất thải hữu cơ chứa vi trùng lây nhiễm (rác y tế)

Xử lý tốt các chất ô nhiễm, hạn chế tối đa vấn đề ô nhiễm do nước rác, tiêu diệt triệt để các vi sinh vật gây bệnh Thiêu hủy hoàn toàn các chất hữu cơ trong thời gian ngắn, tránh được mùi hôi phát sinh do quá trình phân hủy các hợp chất này

Thu hồi năng lượng có ích từ chất thải rắn Diện tích đất sử dụng ít hơn rất nhiều so với các phương pháp khác, thế tích rác có thể giảm đến 75 – 95% Thể tích và khối lượng chất thải rắn giảm tới mức nhỏ nhất so với ban đầu, chất thải rắn được xử lý khá triệt để và trong thời gian nhanh nhất (giảm từ 80 – 90% khối lượng phần hữu cơ, chất thải rắn chuyển thành dạng khí trong thời gian ngắn hơn so với các phương pháp khác)

Chất thải rắn được xử lý tại chỗ, không phải vận chuyển đi xa, tránh rủi ro và giảm chi phí vận chuyển Tro cặn còn lại chủ yếu là vô cơ, trơ về mặt hóa học

So với loại bỏ chất thải nguy hại không qua xử lý thì việc thải bỏ tro vào môi trường an toàn và hiệu quả gấp nhiều lần

• Khuyết điểm:

Sinh ra khói, bụi, nhiệt và các khí độc hại như: SO2, HCl, NOx, CO2… phát tán gây ô nhiễm môi trường Phát thải các hóa chất nguy hiểm như Dioxin và Furan trong quá trình thiêu đốt rác có thành phần nhựa, hợp chất vòng thơm chứa clor ở nhiệt độ thấp 300 – 400oC

Việc kiểm soát các vấn đề ô nhiễm do kim loại nặng từ quá trình đốt có thể

gặp khó khăn đối với rác có chứa Pb, Cr, Cd, Hg, Ni, As… Cần xây dựng hệ thống xử lý khí thải Tro sinh ra từ hệ thống này phải được xử lý theo công nghệ đóng rắn hay chôn lấp an toàn

Vốn đầu tư ban đầu cao hơn rất nhiều so với các phương pháp khác do bao gồm chi phí đầu tư xây dựng lò, chi phí vận hành và xử lý khí thải Yêu cầu rác

có nhiệt trị cao và cần nhiên liệu đốt bổ sung nhằm duy trì nhiệt độ trong buồng đốt

Việc thiết kế vận hành lò đốt phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật chuyên môn và chế

độ tập huấn tốt Lò sau thời gian hoạt động phải ngừng để bảo dưỡng làm gián đoạn quá trình xử lý

Tuy nhiên ở Việt Nam rác có độ ẩm lớn chiếm từ 60 – 70%, nhiệt trị trung bình thấp nên việc sử dụng phương pháp đốt rác là rất khó khăn

Phương pháp chôn lấp chất thải rắn có lẽ là phương pháp cổ điển nhất và phổ biến nhất Đây là phương pháp thải bỏ chất thải rắn kinh tế nhất và chấp nhận được về mặt môi trường, là một khâu quan trọng trong chiến lược quản lý tổng hợp chất thải rắn ngay cả khi đã áp dụng các biện pháp khác

• Ưu điểm:

Xử lý được tất cả chất thải rắn, kể cả chất thải rắn mà các phương pháp khác không thể xử lý hay xử lý không triệt để Bãi chôn lấp hợp vệ sinh có thể tiếp nhận tất cả các loại chất thải rắn không cần phân loại

Côn trùng, vi sinh vật gây bệnh khó sinh sôi, nảy nở vì rác bị nén chặt và được phủ kín bên trên bằng một lớp đất dày Giảm thiểu các mùi hôi thối gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến khu dân cư lân cận Các hiện tượng cháy ngầm hay cháy bùng khó có thể xảy ra

Thu hồi năng lượng từ khí gas và quá trình phân hủy sinh học bên trong bễ chôn lấp sau một thời gian tạo ra các chất mùn dinh dưỡng có thể phục vụ cho việc cải tạo đất

Chi phí đầu tư và vận hành của bãi chôn lấp hợp vệ sinh thấp hơn so với các

phương pháp khác.Ở những nơi có đất trống thì phương pháp xử lý chất thải rắn dạng này là kinh tế nhất

Kỹ thuật đơn giản, dễ vận hành Linh hoạt trong quá trình sử dụng (khối lượng chất thải rắn gia tăng có thể tăng cường thêm công nhân và thiết bị cơ giới), trong khi các phương pháp khác phải được mở rộng quy mô công nghệ để tăng công suất

Bãi chôn lấp sau khi đóng cửa có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như bãi đỗ xe, công viên, sân vận động, các công trình phục vụ nghỉ ngơi giải trí…

• Khuyết điểm:

Đòi hỏi một diện tích đất khá lớn trong khi quỹ đất ở những thành phố lớn vốn ngày càng rất khan hiếm và rất đắt Thời gian để rác phân hủy hoàn toàn kéo dài khá lâu nên gây thiếu đất vì diện tích chôn rác ngày càng rộng lớn Ảnh hưởng cảnh quan trong khu vực

Các lớp phủ của bãi chôn lấp thường bị xói mòn và phát tán đi xa bởi gió thổi Lây lan các dịch bệnh do hoạt động của ruồi nhặng và côn trùng khi rác chưa được nén ép, che phủ

Quá trình phân hủy yếm khí thường tạo ra khí CH4 và khí H2S độc hại, có khả năng gây cháy nổ hay gây ngạt Đòi hỏi phải chi phí rất cao để chống rò rỉ

Sản xuất phân compost là một phương pháp xử lý chất thải rắn hiệu quả dựa trên hoạt động của hệ thống sinh học mà ở đó cho ra một sản phẩm có ích phục

vụ cho con người, đó là phân compost Đây là quá trình biến đổi sinh học hòa hợp với môi trường được sử dụng rộng rãi, mục đích là biến đổi chất thải rắn

hữu cơ thành vô cơ (khoáng hóa) dưới tác dụng của vi sinh vật

Phân compost được định nghĩa là một lớp vật liệu giống như đất mùn được tạo ra do quá trình ổn định sinh học các hợp chất hữu cơ có trong chất thải rắn

Về bản chất thì đây là quá trình phân hủy các thành phần hữu cơ trong rác thải

có sự tham gia của vi sinh vật trong điều kiện môi trường thích hợp (nhiệt độ, độ

ẩm, không khí…) để tạo thành phân bón hữu cơ Lợi ích của việc thu hồi phân compost từ rác thải sẽ có tính thuyết phục nhất là đối với một nước có nền kinh

tế còn phụ thuộc nhiều vào nông nghiệp như Việt Nam

Quy trình xử lý chung thường bao gồm quá trình phân loại chất thải rắn sinh hoạt để tách các thành phần khó phân hủy như nhựa, nylon, gạch đá, thủy tinh, kim loại… đưa đi xử lý riêng như tái chế hay chôn lấp Sau đó, phần hữu cơ dễ phân hủy còn lại được nghiền giảm kích thước, phối trộn với chế phẩm sinh học

và một số phụ gia cũng như phun nước điều chỉnh độ ẩm thích hợp trước khi cho vào hầm, bể hay túi ủ tùy mô hình cụ thể

Việc cấp khí bổ sung bằng quạt thổi hay máy thổi khí có thể được tiến hành

để đẩy nhanh tốc độ quá trình phân hủy các chất hữu cơ Sau 20 ngày ủ háo khí

và khoảng 20 ngày ủ chín ổn định thì thu được sản phẩm dạng mùn thô, cần phải tiến hành sàng loại bỏ tạp chất trước khi đóng bao

• Ưu điểm:

Chi phí đầu tư và vận hành thấp so với các phương pháp khác đối với quy

mô nhỏ.Tiết kiệm diện tích đất cần thiết vì chỉ một phần nhỏ chất trơ cần đưa đi chôn lấp

Ủ vi sinh với nhiệt độ bên trong đống ủ lên đến 60 – 70oC trong thời gian 10 – 15 ngày nên vi trùng gây bệnh cũng bị tiêu diệt, giảm thiểu được mầm bệnh cho cây trồng

Phân compost là một sản phẩm có giá trị từ chất thải rắn hữu cơ góp phần làm màu mỡ đất đai, trực tiếp ảnh hưởng đến năng suất cây trồng, các loại cây cảnh, gia tăng sản lượng

• Khuyết điểm:

Đối với mô quy lớn thường phải áp dụng những công nghệ ủ compost tiên tiến hiện đại với trang thiết bị đắt tiền và chi phí vận hành cao do thổi khí hay đảo trộn

Cần thiết phải có quá trình phân loại chất thải rắn đầu vào (bằng thủ công hoặc cơ khí), không có những thành phần gây ức chế cho vi sinh vật phân hủy Vẫn phát sinh mùi hôi nếu vận hành không tốt và không có hệ thống khử mùi thích hợp đối với những nhà máy sản xuất compost quy mô lớn

Chất lượng phân compost thành phẩm vẫn chưa thể cạnh tranh với phân bón hóa học về hàm lượng các chất dinh dưỡng và hiệu quả trên cây trồng rõ ràng trong thời gian ngắn

Nguyên lý công nghệ của phương pháp ủ rác kỵ khí để thu hồi khí sinh học

là ủ thành phần rác hữu cơ dễ phân hủy trong môi trường yếm khí với điều kiện không có oxy, ở nhiệt độ khoảng 30 – 65oC cho vi khuẩn kỵ khí hoạt động phân hủy Phương pháp này áp dụng đối với chất thải rắn có hàm lượng rắn từ 4 – 8% bao gồm chất thải rắn của con người, động vật, các phế phẩm từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi và chất hữu cơ trong thành phần của chất thải rắn sinh hoạt Sản phẩm của quá trình là khí sinh học (biogas) có nhiệt trị cao được

sử dụng như một nguồn nhiên liệu và lượng bùn thải (digestate) đã được ổn định sinh học, chứa nhiều đạm, có thể sử dụng như một nguồn bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng nếu được chấp nhận

Hình 2.2 Quy trình công nghệ ủ kỵ khí thu hồi khí phát điện

Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của chất thải rắn đô thị dưới điều kiện

kỵ khí xảy ra theo ba bước Đầu tiên là quá trình thủy phân (hydrolysis) các hợp chất có phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào Sau đó là quá trình chuyển hóa các hợp chất sinh ra từ quá trình thủy phân thành các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn Và cuối cùng là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí mê tan (CH4) và khí carbonic (CO2)

Bảng 2.2 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí

Tên giai đoạn Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Thủy phân Axit hóa Acetate hóa Metan hóa

Các chất ban đầu Đường phức tạp, protein,

chất béo

Đường đơn giản

Amino axit, axit hữu cơ Acetate

Vi sinh vật - Vi khuẩn axit hóa Vi khuẩn axetat hóa Vi khuẩn metan hóa

Sản phẩm Đường đơn giản Amino axit, axit hữu cơ Axetat

Khí sinh ra CO 2 CO 2 , H 2 CO 2 , NH 4 , H 2 CO 2 , NH 4

Hình 2.3. Sơ đồ các quá trình chuyển hóa xảy ra trong quá trình kỵ khí

Sản phẩm khí sinh học có nhiệt trị trung bình 4.500 - 6.300 kcal/m3, trong đó mêtan có nhiệt trị cao nhất (khoảng 9.000 kcal/m3) Trong các hố ủ yếm khí này

có hệ thống ống và thiết bị kiểm soát để thu hồi khí mê tan dùng làm nhiên liệu Sản lượng khí sinh học phụ thuộc nhiều vào thành phần chất thải, khối lượng chất hữu cơ và điều kiện trong bể phản ứng 1m3 biogas tương đương với 0,4 kg dầu diesel; 0,6 kg xăng; hoặc 0,8 kg than

• Ưu điểm:

Tạo ra nguồn khí đốt từ chất thải rắn sinh hoạt Khí sinh học sinh ra trong quá trình ủ sẽ được thu hồi cho chạy động cơ diesel để phát điện hoặc cấp phát nhiệt phục vụ cho chính quá trình xử lí rác của nhà máy Một nhà máy với công nghệ trung bình, có thể tự túc được 40 - 50% năng lượng điện Còn với công nghệ hiện đại có thể đáp ứng được 100%, và dư bán ra thị trường

Sản phẩm phân hủy có thể kết hợp tốt với các loại phân khác như phân hầm cầu, phân gia súc, than bùn… tạo thành phân hữu cơ có hàm lượng dinh dưỡng cao

Quá trình phân hủy kỵ khí lại sản xuất ra một lượng điện năng tương ứng là 75 –

150 kWh/ tấn rác và chỉ tiêu thụ khoảng 15 kWh/ tấn để vận hành hệ thống

• Khuyết điểm:

Chi phí đầu tư ban đầu rất lớn, thông thường từ vài trăm ngàn cho đến vài triệu USD Chi phí đầu tư một nhà máy xử lý theo công nghệ kỵ khí khoảng 3.700 – 7.000 USD/kWh

Thời gian phân hủy lâu, thường từ 2 – 12 tháng Vận hành thiết bị phức tạp

do vi khuẩn mê tan rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH

Tạo thành các khí độc như NH3, H2S… trong quá trình phân hủy kỵ khí gây mùi hôi thối, khó chịu Bên cạnh đó, nếu khí biogas được sử dụng làm nhiên liệu đốt cho những nhà máy phát điện thì H2S ở nồng độ cao sẽ gây ra những vấn đề

ăn mòn thiết bị

Mỗi phương pháp xử lý chất thải rắn đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, mỗi phương pháp phù hợp với từng thành phần chất thải rắn khác nhau

Công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy kỵ khí được áp dụng tại các nước trên thế giới đã mang lại những hiệu quả xử lý khả quan Công nghệ này giúp đẩy nhanh chuyển hóa và ổn định các chất hữu cơ dễ phân hủy Trên cơ sở đó, đề tài lựa chọn và tiến hành nghiên cứu thủy phân thành phần hữu cơ có trong rác thải sinh hoạt phục vụ công nghệ sản xuất menthan, áp dụng đối với loại rác thực phẩm và được thực hiện theo quy mô phòng thí nghiệm

2.3.1.1 Khái niệm về thủy phân

Phản ứng phân hủy là phản ứng làm đứt liên kết của mạch phân tử cơ sở và

làm giảm trọng lượng phân tử của các hợp chất cao phân tử nhưng không làm thay đổi thành phần hóa học của nó (nếu như bỏ qua những nhóm chức tận cùng của đại phân tử) Phản ứng phân hủy là phản ứng rất quan trọng trong hóa học các hợp chất cao phân tử, cách phân hủy hóa học là phổ biến nhất đối với hợp chất cao phân tử

Thủy phân và alcol phân: cách phân hủy hóa học các hợp chất cao phân tử phổ biến nhất là thuỷ phân Thủy phân là sự cắt đứt các liên kết hóa học do kết hợp với phân tử nước Xúc tác cho quá trình thủy phân là ion hydro hoặc hydroxyl (Strêpikheep A.A và cộng sự 1977)

2.3.1.2 Các phương pháp thủy phân và cơ chế của quá trình

Sự phân hủy các hợp chất cao phân tử có thể thực hiện nhờ những tác nhân hóa học (nước, axit, bazơ, alcol, oxy, ), hoặc tác dụng vật lý (nhiệt, ánh sáng, bức xạ ion hóa, năng lượng cơ học, ) hoặc dưới ảnh hưởng của enzyme

Các phương pháp thủy phân bằng hóa học dưới tác dụng của những chất phân cực như:

Sự thủy phân một số hợp chất cao phân tử được tăng nhanh khi có mặt xúc tác Bản chất của nhóm chức và liên kết có trong thành phần hợp chất cao phân

tử quyết định khuynh hướng thủy phân; Khi thủy phân những nhóm chức bên

cạnh thì thành phần hóa học của các hợp chất cao phân tử bị thay đổi, khi thủy phân những liên kết có trong thành phần mạch cơ sở thì xảy ra sự phân hủy và làm giảm trọng lượng phân tử polime Nhóm tận cùng của phân tử mới được tạo thành về bản chất không khác với nhóm tận cùng của hợp chất cao phân tử ban đầu Phân hủy ở mức độ thấp thì phần nhóm chức mới tạo thành nhỏ nên không ảnh hưởng gì đến thành phần hóa học và tính chất hóa học của hợp chất cao phân tử Tăng mức độ phân hủy phần nhóm chức tận cùng tăng lên và ảnh hưởng của nó đến tính chất của hợp chất cao phân tử trở nên rõ ràng

Trong các hợp chất cao phân tử dị mạch dễ thủy phân là poliaxetat, polieste, poliamit

Khi thủy phân hoàn toàn poliaxetat thiên nhiên – polisaccarit sẽ tạo thành được monosacarit Như thủy phân hoàn toàn tinh bột và xenluloza sẽ thu được glucoza Khi đứt những liên kết bán axetat (glucozit) tạo thành được nhóm alcol

và aldehyt (ở dạng bán axetat)

Hình 2.4 Cơ chế cắt đứt những liên kết bán axetat (glucozit)

Xúc tác cho phản ứng thủy phân polisaccarit là ion hydro, ion hydroxyt không tăng tốc độ phản ứng này, do đó polisaccarit tương đối bền trong mô trường kiềm và không bền trong môi trường axit Những polisaccarit khác nhau

bị thủy phân với tốc độ không đồng nhất, xenluloza khó phân hủy hơn, tinh bột

và pentoza thủy phân dễ dàng hơn Điều này là do yếu tố cấu trúc vật lý của

chúng khác nhau và cũng do đặc điểm về cấu tạo hóa học nữa

Phản ứng thủy phân những hợp chất hữu cơ cao phân tử có chứa liên kết amin được xúc tiến với xúc tác kiềm hoặc axit Khi thủy phân những nhóm amit tạo thành nhóm amin và cacboxyl

Hình 2.5 Cơ chế thủy phân hợp chất hữu cơ cao phân tử có chứa liên kết

amin

Sản phẩm cuối cùng của sự thủy phân protein là những α – aminoaxit khác nhau, những poliamit tổng hợp bị thủy phân tạo thành axit dicacboxylic và diamin tương ứng hoặc là aminoaxit ban đầu

Polieste cũng bị thủy phân khi có mặt axit và kiềm, trong đó kiềm là xúc tác hoạt động hơn Polieste của glycol và axit dicacboxylic mạch thẳng dễ bị thủy phân hơn Khi cắt mạch thủy phân liên kết este sẽ sinh ra nhóm chức tận cùng alcol và axit

Hình 2.6 Cơ chế cắt mạch thủy phân liên kết este

Các phương pháp thủy phân bằng vật lý có thể kể đến:

- Thủy phân dưới ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng

- Thủy phân bằng bức xạ ion hóa

- Thủy phân bằng năng lượng cơ học

- Thủy phân bằng nhiệt học

Sự phân hủy dưới ảnh hưởng của những tác động vật lý thường tiến triển

H OH –O(CH2)nO –––– CO(CH2)nCO–

– O(CH2)nOH + HOOC(CH2)mCO–

không chọn lọc vì đặc trưng năng lượng của tất cả những liên kết hóa học khá gần nhau Sự phân hủy các hợp chất cao phân tử dưới ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng, bức xạ ion hóa, năng lượng cơ học và nhiệt học xảy ra theo cơ chế dây chuyền qua sự tạo thành gốc tự do

Tùy theo dạng năng lượng tác dụng mà tỷ lệ tốc độ của những giai đoạn riêng biệt trong quá trình dây chuyền thay đổi (phát sinh tâm hoạt động, phát triển và ngắt mạch phản ứng), còn tốc độ chung và kết quả cuối cùng của phản ứng phụ thuộc vào tỷ lệ tốc độ của những giai đoạn này Thực tế đây là quá trình phức tạp mà trong đó cùng với cắt đứt liên kết (phân hủy hoàn toàn), còn xuất hiện những liên kết mới và thay đổi cấu trúc hợp chất cao phân tử

Giai đoạn thứ nhất của quá trình dây chuyền xảy ra khi tác dụng một dạng năng lượng nào đó lên hợp chất cao phân tử là phát sinh ra gốc tự do vì đứt liên kết (C – C, C – H, C – O, )

–CH2 –CHR–CH2–CHR + CH2–CHR–CH2–CHR–

–CH2–CHR–CH2–CHR + CH2–CHR–CH2–CHR– Hoặc là

–CH2–CHR–CH2–CHR–
H + –CH2–CHR–CH–CHR -

Hình 2.7 Cơ chế cắt đứt liên kết C – H bằng thủy phân nhiệt học

Ở giai đoạn phát triển mạch phản ứng, quá trình xảy ra theo nhiều cách Sự chuyển đại phân tử thành gốc lớn có thể đưa tới đứt liên kết cacbon – cacbon ngay bên cạnh tạo thành gốc tự do mới và hợp chất cao phân tử có liên kết đôi ở tận cùng mạch

Khi tăng cường độ những tác động vật lý lên hợp chất cao phân tử sẽ tăng tốc

độ tạo thành gốc tự do và tăng khả năng tái hợp của chúng Khi đó phản ứng làm thay đổi cấu trúc của hợp chất cao phân tử tiến triển tới mức hoàn toàn hơn

Phân hủy quang hóa: hầu như các hợp chất cao phân tử nào cũng chịu tác

dụng của ánh sáng Tác dụng của tác nhân xảy ra quá trình phân hủy quang hóa phức tạp, quá trình thủy phân và oxy hóa có tham gia của hơi ẩm và oxy không khí đã được hoạt hóa bằng năng lượng mặt trời Quá trình này có thể thay đổi

phân tử lượng, thành phần và đôi khi cả cấu trúc của hợp chất cao phân tử

Tác dụng của những bức xạ ion hóa: Dưới ảnh hưởng của những bức xạ

ion hóa các hợp chất cao phân tử bị thay đổi sâu xa về cấu trúc và hóa học Các hợp chất cao phân tử có thể bị phân hủy thành những gốc tự do và bứt những liên kết C – C, C – H, Khi điều hòa cường độ tia bức xạ có thể làm thay đổi tính chất của hợp chất cao phân tử theo hướng cho trước

Quá trình cơ học: Các tác động dạng tĩnh hay động lâu dài lên hợp chất cao

phân tử như khi xay, cán hay khuấy trộn mạnh thì phân hủy cũng xảy ra, tác dụng của siêu âm, ngâm lạnh trong nước và những biến dạng khi sử dụng cũng làm hợp chất cao phân tử phân hủy Quá trình làm thay đổi cấu trúc và tính chất hợp chất cao phân tử, việc cắt đứt đại phân tử khi phân hủy cơ học sẽ tạo thành gốc tự do, khi phân hủy cơ học mà có sự hiện diện của oxy của không khí thì gốc tự do vừa sinh ra có thể khơi màu cho sự phân hủy oxy hóa các hợp chất cao phân tử phân hủy sâu xa hơn

Phân hủy nhiệt: Về nguyên tắc quá trình phân hủy nhiệt các hơp chất cao

phân tử là quá trình cracking hydrocacbon Giai đoạn đầu của quá trình luôn tạo thành gốc tự do, còn sự phát triện mạch phản ứng kèm theo đứt liên kết và giảm phân tử lượng

Dưới tác dụng của enzyme các hợp chất cao phân tử bị thủy phân thành những hợp chất đơn giản hơn Một số men được sử dụng đặc trưng cho những

cơ chất riêng như men α – glucozidaza đối với tinh bột và β – glucozidaza đối với xenlulo Ngoài ra men còn được dùng để cắt mạch tinh bột và lên men tiếp tục thu được etanol

(C6H10O5)n
n/2C12H22O11
nC6H12O6
2nC2H5OH + 2nCO2

Men phân hủy protein (proteolitoc) được dùng làm xúc tác cho sự thủy phân protein, sản phẩm cuối cùng của thủy phân protein là những α – aminoaxit khác nhau

Trong nghiên cứu (Dong Won Choi và cộng sự 2003) phân hủy chất thải thực phẩm bằng phương pháp phân hủy kỵ khí sử dụng tác nhân enzyme trong giai đoạn thủy phân, nghiên cứu phát họa con đường chuyển hóa của các hợp chất trong rác thải như hình 2.6

Hình 2.8 Quá trình thủy phân dưới tác dụng của enzyme trong phân hủy kỵ khí

(Dong Won Choi và cộng sự 2003)

Dưới tác dụng của enzyme các thành phần có trong rác thải thực phẩm được chuyển hóa thành các monomer hữu cơ, sau đó các monomer tiếp tục được chuyển hóa thành propionate và butyrate, chuỗi phản ứng xảy ra cho đến khi thu được sản phẩm cuối là mêtan

Quá trình phân hủy kỵ khí chất thải là quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu

cơ có trong chất thải ban đầu thành sản phẩm cuối cùng là khí metan, khí CO2 và chất mùn ổn định dùng làm phân bón Quá trình này áp dụng đối với chất thải rắn từ 4 – 8% (bao gồm: chất thải rắn của con người, động vật, các sản phẩm từ nông nghiệp và chất hữu cơ trong thành phần của chất thải rắn đô thị)

Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của chất thải rắn sinh hoạt dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo ba bước Bước thứ nhất là quá trình thủy phân các hợp chất có phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào Bước thứ hai là quá trình chuyển hóa các hợp chất sinh ra từ bước một thành các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn xác định Bước thứ ba

là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí metan (CH4) và khí cacbonic (CO2)

Trong quá trình phân hủy kỵ khí sẽ chuyển hóa phần chất hữu cơ của chất thải rắn thành sản phẩm cuối bền vững, các chất hữu cơ cao phân tử bị cắt mạch tạo thành các axit hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acetic axit, cuối cùng chuyển hóa hydro và acetic axit thành khí metan và CO2 Các phương trình chuyển hóa xảy ra như sau:

+ dNH3 + eH2S Quá trình phân hủy kị khí có thể thực hiện trong hệ thống gồm một pha hoặc

hai pha Các giai đoạn trong phân hủy kị khí chất thải từ trái cây và rau thải được trình bày hình 2.7 (H Bouallagui và cộng sự 2005)

Hình 2.9 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí (H Bouallagui và cộng sự

2005)

Quá trình phân huỷ kỵ khí có thể được mô tả trên hình 2.8

Hình 2.10 Quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí (Nguyễn Văn

Phước, 2007)

Giai đoạn thủy phân: Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được

thủy phân thành những chất đơn giản hơn, dễ bay hơi như Etanol, các Axit béo như Axit Axetic, Axit Butyric, Axit Propionic, Axit Lactic… và các khí CO2,

H2 và NH3

Giai đoạn axit hóa: Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân: các

axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí hydro và khí CO2, Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men

Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối phức tạp, có thể tóm tắt như sau:

- Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm cuối cùng Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối

- Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:

Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzym Acyl-CoA synthetaza nằm

ở màng trong tế bào vi khuẩn

Chất hữu cơ phức tạp (Gluxit, Protein, Lipit)

Chất hữu cơ đơn giản (Đường đơn, Peptit, Axit

amin, Glixerin, Axit béo)

Các Axit béo dễ bay hơi (Propionic, Butiric, Lactic …), Etanol …

Axetat

H 2 , CO 2

CH 4, CO 2 , H 2 O

Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic

Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit acetic là chủ yếu còn chứa cả axit propionic

Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa β

Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peroxit, các axit trung gian cũng cơ thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω, ) Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, Indol, Scatol, Mecaptan… được sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên

Giai đoạn acetat hóa: Các sản phẩm của quá trình axit hóa nêu trên tiếp tục

phân giải thành những phân tử đơn giản hơn nữa Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí H2, CO2 được tạo thành:

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2

Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí Hydro, mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí Hydro trong bể kỵ khí Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ Hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn acetat hóa) sẽ giảm mạnh

Oxy hóa β

Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA Acyl-CoA

Oxy hóa β lặp lại liên tục

Acetyl-CoA + H 2 + năng lượng tích lũy (ATP)

Axit acetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)