Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc --- --- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : NGUYỄN LÊ HOÀNG Phái :

NGUYỄN LÊ HOÀNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SINH HỌC KỴ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN LÊ HOÀNG Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 17/10/1984 Nơi sinh : Khánh Hòa

Chuyên ngành : Công nghệ môi trường MSHV : 02507608

Nghiên cứu xác định sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy chất thải trong

mô hình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/07/2011

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Nội dung và đề cương luận văn thạc sỹ này đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2011

TRƯỞNG PHÒNG ĐT SAU ĐẠI HỌC TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Hoàng Nghiêm đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và luôn tạo những điều kiện thuận lợi giúp

em có thể hoàn thành tốt luận văn

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn

Cuối cùng em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô đã hết lòng giảng dạy và giúp đỡ trong suốt thời gian học tập tại khoa Môi Trường, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

TP HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2011

Học viên thực hiện Nguyễn Lê Hoàng

Dựa trên những ưu điểm nổi bật của công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí đã được áp dụng tại các nước, Đề tài

“Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí” được tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với các nội dung:

− Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác đến sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy của chất thải hữu cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm

− Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác đến sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy của chất thải hữu cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm

Trên cơ sở phân tích, xử lý số liệu từ kết quả thực nghiệm của mô hình nghiên cứu, đề tài đề xuất các thông số vận hành thích hợp cho phương pháp xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam

ABSTRACT

Name of project: Researching process organic solid waste by method of anaerobic biodegradation

To treat solid waste, there have been many methods and technologies applied

on the world and in Vietnam now Each method has both advantages and disadvantages, to suit each different waste components In particular, the processing technology of solid waste by method of anaerobic biodegradation has brought positive treatment effect This technology helps accelerating the microbial activity, metabolic stability of organic matter decomposition and decomposition of solid waste through biodegradation activity

Based on the advantages of the processing technology of solid waste by method of anaerobic biodegradation has been applied in many nations,

“Researching process organic solid waste by method of anaerobic biodegradation” has conducted experimental studies with the following contents:

− Study the effect of circulating the leachate to biogas production and rate of organic waste decomposition in laboratory conditions

− Study the effect of compression garbage to biogas production and the rate

of organic waste decomposition in laboratory conditions

Based on the analysis and processing of data from the experimental results of model study, the subject is proposing appropriate operating parameters for the treatment of solid waste by method of anaerobic biodegradation that is suitable to actual conditions in Vietnam

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1 

1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2 

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3 

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3 

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3 

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 4 

2.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 4 

2.1.1 Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh 4 

2.1.2 Thành phần chất thải rắn sinh hoạt 4 

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN 5 

2.2.1 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ kỵ khí 5 

2.2.2 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt 7 

2.2.3 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp chôn lấp 9 

2.2.4 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ hiếu khí 12 

2.3 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CTR HỮU CƠ 14 

2.4 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI 18 

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 

3.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH BÃI CHÔN LẤP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SINH HỌC KỴ KHÍ 20 

3.1.1 Khái niệm 20 

3.1.2 Ưu điểm phương pháp xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí 21 

3.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH BÃI CHÔN LẤP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SINH HỌC KỴ KHÍ ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 22 

3.2.1 Mô hình phòng thí nghiệm (Pilot) 22 

3.2.2 Mô hình nghiên cứu thực tế (Full scale) 32 

3.2.3 Một số đánh giá cơ bản 36 

3.3 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SẢN LƯỢNG KHÍ SINH RA 36 

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN 43 

4.1 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 43 

4.2 THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM 45 

4.3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ MÔ TẢ QUY TRÌNH THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 46 

4.3.1 Quy trình thí nghiệm ảnh hưởng của sự tuần hoàn nước rỉ rác 46 

4.3.2 Quy trình thí nghiệm ảnh hưởng của độ nén rác 49 

4.3.3 Điều kiện thí nghiệm mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của sự tuần hoàn nước rỉ rác 51 

4.3.4 Điều kiện thí nghiệm mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác 52 

4.4 CÁC THÔNG SỐ THEO DÕI TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 53 

4.5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ TRONG NGHIÊN CỨU 53 

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 55 

5.1 THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN TRONG NGHIÊN CỨU 55 

5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TUẦN HOÀN NƯỚC RỈ RÁC ĐẾN TỐC ĐỘ

PHÂN HỦY VÀ SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌC 56 

5.2.1 Thí nghiệm không điều chỉnh pH của nước rỉ rác trước khi tuần hoàn 56 

5.2.2 Thí nghiệm điều chỉnh pH của nước rỉ rác trước khi tuần hoàn 70 

5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NÉN RÁC ĐẾN TỐC ĐỘ PHÂN HỦY VÀ SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌC 83 

5.4 ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 96 

5.4.1 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác đến tốc độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học 96 

5.4.2 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác đến tốc độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học 98 

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 

6.1 KẾT LUẬN 100 

6.2 KIẾN NGHỊ 101 

PHỤ LỤC 1 102

PHỤ LỤC 2 107

PHỤ LỤC 3 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BCL Bãi chôn lấp

BDOF Biodegradable Organic Fraction - Thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh

học

BRLF Bioreactor landfill - BCL hoạt động như bể phản ứng sinh học

CTNH Chất thải nguy hại

CTR Chất thải rắn

CTRĐT Chất thải rắn đô thị

CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt

DOC Degradable organic carbon - Carbon dễ phân hủy hữu cơ

MSW Municipal solid waste - Chất thải rắn đô thị

TS Tổng chất rắn

VS Chất rắn bay hơi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Bảng 3.1 Tỉ số BOD/COD trong các mô hình thử nghiệm 29 

Bảng 3.2 Mô tả sự sụt lún của rác thải trong các mô hình thử nghiệm .30 

Bảng 3.3 Nồng độ của các kim loại nặng trong các mô hình thử nghiệm .31 

Bảng 3.4 Tỉ lệ tận dụng không gian trong bãi chôn lấp Trail Road 35 

Bảng 3.5 Các mô hình sử dụng để tính toán tốc độ phân hủy chất thải rắn 37 

Bảng 4.1 Tính chất chất thải rắn sử dụng trong mô hình thí nghiệm ảnh hưởng của sự tuần hoàn nước rỉ rác .52 

Bảng 4.2 Tính chất chất thải rắn sử dụng trong mô hình thí nghiệm ảnh hưởng của độ nén rác khác nhau 52 

Bảng 5.1 Thành phần chất thải rắn lấy từ chợ Nguyễn Tri Phương .55 

Bảng 5.2 Thành phần nguyên tử CTR hữu cơ trong mô hình MH-1A và MH-1B 56 

Bảng 5.3 Thể tích khí CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trong điều kiện tuần hoàn nước rỉ rác không chỉnh pH 57 

Bảng 5.4 Lưu lượng khí CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trong điều kiện tuần hoàn nước rỉ rác không chỉnh pH 59 

Bảng 5.5 Biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy tổng cộng 62 

Bảng 5.6 Biến thiên lưu lượng và giá trị pH của nước rò rỉ sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí rác thực phẩm trong điều kiện tuần hoàn nước rò rỉ không chỉnh pH .67 

Bảng 5.7 Thể tích khí CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trong điều kiện tuần hoàn nước rỉ rác chỉnh pH đến trung tính .70 

Bảng 5.8 Lưu lượng khí CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trong điều kiện tuần hoàn nước rỉ rác chỉnh pH đến trung tính .73 

Bảng 5.9 Biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy tổng cộng đối với rác thực phẩm trong trường hợp ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác có chỉnh pH .76 

Bảng 5.10 Tính chất nước rỉ rác sinh ra từ mô hình 2A (MH-2A) 83 

Bảng 5.11 Thể tích khí CH4 sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trong ở các độ nén rác khác nhau 84 Bảng 5.12 Lưu lượng khí CH4 sinh ra hàng ngày từ 3 mô hình nghiên cứu MH-3A, MH-3B và MH-3C .86 Bảng 5.13 Biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t trong các mô hình nghiên cứu 89 Bảng 5.14 Thể tích nước rỉ rác sinh ra theo độ nén rác đối với các mô hình nghiên cứu 92 Bảng 5.15 Nồng độ COD của nước rỉ rác trong 3 mô hình nghiên cứu .94 Bảng 5.16 Nồng độ BOD5 của nước rỉ rác trong các mô hình thí nghiệm .95 Bảng 5.17 Giá trị hằng số tốc độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác 97 Bảng 5.18 Giá trị hằng số tốc độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác .99 

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Hình 2.1 Sơ đồ chung của quá trình ủ hiếu khí chất thải rắn đô thị 12 

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả thí nghiệm xử lý chất thải rắn đô thị bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí của M Warith 24 

Hình 3.2 Sự thay đổi pH theo thời gian thử nghiệm 26 

Hình 3.3 Sự thay đổi BOD theo thời gian thử nghiệm .28 

Hình 3.4 Sự thay đổi COD theo thời gian thử nghiệm .29 

Hình 3.5 Sự thay đổi pH trong nước rỉ rác tuần hoàn 34 

Hình 3.6 Nồng độ BOD, COD và mối quan hệ giữa BOD/COD trong bãi chôn lấp Trail Road 34 

Hình 4.1 Mô hình nghiên cứu của đề tài 44 

Hình 4.2 Hình ảnh thực tế của mô hình nghiên cứu .45 

Hình 4.3 Sơ đồ mô tả bố trí quy trình thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của sự tuần hoàn nước rỉ rác 48 

Hình 4.4 Sơ đồ mô tả bố trí quy trình thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác 50 

Hình 5.1 Biểu đồ mô tả sản lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của nước rỉ rác tuần hoàn (không chỉnh pH) 58 

Hình 5.2 Biểu đồ mô tả lưu lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của nước rỉ rác tuần hoàn (không chỉnh pH) 61 

Hình 5.3 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy theo thực tế đo đạc 63 

Hình 5.4 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy dựa trên lượng khí lớn nhất sinh ra theo lý thuyết (thí nghiệm không điều chỉnh pH nước rỉ rác) 66 

Hình 5.5 Biến thiên lưu lượng khí CH4 và giá trị pH của nước rỉ rác sinh ra từ MH-1A 69 

Hình 5.6 Biểu đồ mô tả sản lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của nước rỉ rác tuần hoàn (có điều chỉnh pH) 72 Hình 5.7 Biểu đồ mô tả lưu lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của nước rỉ rác tuần hoàn (có điều chỉnh pH) 75 Hình 5.8 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc

độ phân hủy theo thực tế đo đạc 78 Hình 5.9 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc

độ phân hủy dựa trên lượng khí lớn nhất sinh ra theo lý thuyết (thí nghiệm có điều chỉnh pH nước rỉ rác) .81 Hình 5.10 Biểu đồ mô tả sản lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ nén rác .85 Hình 5.11 Biểu đồ mô tả lưu lượng khí CH4 sinh ra trong thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ nén rác .88 Hình 5.12 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy theo thực tế trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác .91 Hình 5.13 Biểu đồ mô tả biến thiên ln(CH4max – CH4t) theo thời gian t và hằng số tốc độ phân hủy dựa trên lượng khí lớn nhất sinh ra theo lý thuyết trong thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ nén rác 93 Hình 5.14 Biểu đồ mô tả biến thiên nồng độ COD của nước rỉ rác trong các mô hình MH-3A, MH-3B và MH-3C .95 Hình 5.15 Biểu đồ mô tả biến thiên nồng độ BOD5 của nước rỉ rác trong các mô hình MH-3A, MH-3B và MH-3C .96 

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có những nghiên cứu và cải tiến trong hoạt động chôn lấp chất thải rắn đô thị (MSW) Từ các phương pháp chôn lấp rác thải truyền thống, ngày nay những nghiên cứu đã được tiến hành nhằm cải tiến, đẩy nhanh quá trình phân hủy chất thải trong bãi chôn lấp Một trong những giải pháp được nghiên cứu thực hiện là mô hình Bãi chôn lấp, xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí (BRLF)

Các BRLF được thiết kế và sử dụng để đảm bảo giảm thấp nhất khả năng thấm của nước mưa, giảm tối đa nước rác rò rỉ ra ngoài môi trường, kiểm soát và tối ưu hóa được lượng khí gas sinh ra trong bãi chôn lấp Trên thế giới, trong hơn 10 năm qua, các mô hình thử nghiệm và thực tế đã được áp dụng tại các bãi chôn lấp theo

mô hình BRLF để kiểm soát, giảm thiểu những tác động tiêu cực đến môi trường khu vực của các bãi chôn lấp

Nhiều nghiên cứu cho thấy BRLF có khả năng đẩy nhanh quá trình phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp, làm giảm thời gian và tận dụng nước rác, làm tăng

sự sản sinh khí mêtan (CH4) dưới các điều kiện được kiểm soát Từ đó, cho phép tái

sử dụng những khoảng trống sau khi rác được phân hủy đồng thời hạn chế được những nguy cơ ô nhiễm do bãi chôn lấp gây ra Các phương pháp được sử dụng để đẩy nhanh quá trình phân hủy sinh học rác thải trong BRLF là cắt nhỏ rác thải, tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung các chất dinh dưỡng, bổ sung bùn Những kỹ thuật khác như kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm cũng đã được sử dụng và chứng minh được khả năng trong việc đẩy nhanh quá trình phân hủy sinh học của chất thải rắn đô thị trong bãi chôn lấp

Ngoài ra, các bãi chôn lấp hoạt động theo mô hình phân hủy sinh học kỵ khí cũng mang lại những lợi ích khác như hạn chế sự phát thải các khí nhà kính vào môi trường, cải thiện được môi trường trong khu vực, nhất là các vấn đề về kiểm soát mùi và sinh khí CH4 BRLF được thực hiện ở cả dạng thử nghiệm (pilot) và sử dụng trong thực tế khá phổ biến ở các bãi chôn lấp ở Bắc Mỹ, đặc biệt là tại các bãi chôn lấp đã đóng cửa và các nơi đất đai có giá, hay những khu vực quan trọng khác

Mặc dù trên thế giới đã có những nghiên cứu và thực nghiệm cũng như áp dụng trong thực tế mô hình hình Bãi chôn lấp hoạt động theo mô hình phân hủy sinh học kỵ khí và có những kết quả nghiên cứu khả thi, chứng minh được hiệu quả

về kinh tế cũng như môi trường của BRLF Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có những nghiên cứu nghiên cứu cụ thể về hoạt động cũng như hiệu quả của mô hình này So với các trên thế giới, nguồn rác thải đô thị của Việt Nam có những đặc điểm khác về thành phần, tính chất chất thải so với các nước trên thế giới Bãi chôn lấp bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khí hậu nhiệt đới Do đó, những nghiên cứu các quá trình động học trong quá trình phân hủy chất thải hữu cơ trong các bãi chôn lấp chất thải rắn tại Việt Nam nhằm đưa ra những thông số tối ưu cho quá trình phân hủy rác thải là cần thiết

Trong giới hạn của đề tài, sẽ chú trọng nghiên cứu Ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác và ảnh hưởng của độ nén rác đến sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy của chất thải rắn hữu cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Nghiên cứu xác định sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy chất thải trong

mô hình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chất thải rắn hữu cơ lấy từ chợ (chợ Nguyễn Tri Phương), đặc biệt quan tâm chủ yếu đến thành phần dễ phân hủy sinh học

Phạm vi nghiên cứu: mô hình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí trong điều kiện phòng thí nghiệm

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các quá trình sau:

− Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn nước rỉ rác đến sản lượng khí sinh học và tốc độ phân hủy của chất thải rắn hữu cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm

− Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số nén rác đến sản lượng khí sinh học và tốc

độ phân hủy của chất thải rắn hữu cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Đề tài được thực hiện trên cơ sở tiến hành nghiên cứu thực tế với loại chất thải hữu cơ lấy từ chợ Các kết quả từ đề tài nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí sẽ mang lại những đánh giá cơ bản về ảnh hưởng của sự tuần hoàn nước rỉ rác và độ nén rác đến quá trình phân hủy kỵ khí chất thải trong điều kiện thực tế tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT

2.1.1 Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh

Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) là những chất thải ở dạng rắn có liên quan đến các hoạt động của con người và sinh vật CTRSH có thành phần bao gồm kim loại, sành sứ, mảnh thuỷ tinh, đất đá, cao su, nhựa, thực phẩm thừa, gỗ, giẻ lau, giấy, bìa carton, rơm rạ, xác động vật, lá cây, pin Nguồn thải của chất thải rắn đô thị rất khó quản lý tại các nơi đất trống bởi vì tại những vị trí này, sự phát sinh nguồn thải là một quá trình phát tán

Nguồn tạo thành chủ yếu của CTRSH là từ các khu dân cư, cơ quan, công sở, trường học, chợ, nhà ga, sân bay, khu công cộng Thông thường trong thành phần CTRĐT thì rác thải từ các khu dân cư và thương mại chiếm tỷ lệ cao nhất từ 50 – 75%, giá trị này sẽ thay đổi tùy vào sự mở rộng các hoạt động xây dựng, phát triển dịch vụ đô thị, công nghệ xử lý nước

2.1.2 Thành phần chất thải rắn sinh hoạt

Thành phần của chất thải rắn là thuật ngữ dùng để miêu tả tính chất nguồn gốc các yếu tố riêng biệt cấu thành nên dòng chất thải, thường tính bằng phần trăm khối lượng Đây là một cơ sở quan trọng trong thiết kế, lựa chọn công nghệ thiết bị xử lý Thành phần riêng biệt của CTR và tiêu chuẩn tạo rác trung bình theo đầu người thay đổi theo vị trí địa lý, thời gian, thời tiết khí hậu, điều kiện kinh tế, tập quán, các yếu

tố xã hội của từng quốc gia

Đối với CTRSH ở các khu đô thị nước ta thì rác thực phẩm chiếm tỷ lệ cao nhất 61 – 90%, tiếp đến là nylon – nhựa, thủy tinh và giấy Số lượng thành phần rác tái chế chiếm 11/20 thành phần CTR phát sinh Nguyên nhân thành phần CTRSH

ổn định là vì quá trình phát triển làm gia tăng khối lượng rác nhưng mức độ dao động thành phần rác không nhiều Phân tích thành phần rác có ý nghĩa quan trọng đến việc xây dựng dự án phân loại rác tại nguồn

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN

2.2.1 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ kỵ khí

2.2.1.1 Khái niệm chung

Nguyên lý công nghệ của phương pháp ủ rác 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 CTR có hàm lượng rắn từ 4 – 8% bao gồm CTR 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 CTRSH 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

Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTR 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)

Sản phẩm khí sinh học có nhiệt trị trung bình 4.500 - 6.300 kcal/m3, trong đó

mê tan 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

2.2.1.2 Ưu khuyết điểm của phương pháp ủ kỵ khí

• Ưu điểm:

Tạo ra nguồn khí đốt từ CTRSH 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

2.2.2 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp nhiệt

2.2.2.1 Khái niệm chung

Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt nhằm mục đích giảm thể tích CTR và thu hồi năng lượng nhiệt là một phương án quan trọng trong hệ thống quản lý tổng hợp CTR Phương pháp này dùng để thiêu hủy các loại CTR 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 CTR 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

CTR 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, CTNH 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

CTR đô thị 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

2.2.2.2 Ưu khuyết điểm của phương pháp nhiệt

• Ưu điểm:

Có khả năng thiêu hủy tốt đối với nhiều loại CTR kể cả kim loại, nhựa, thủy tinh, dầu thải… Kỹ thuật này phù hợp với những CTR 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 CTR 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 CTR giảm tới mức nhỏ nhất so với ban đầu, CTR được

xử lý khá triệt để và trong thời gian nhanh nhất (giảm từ 80 – 90% khối lượng phần hữu cơ, CTR chuyển thành dạng khí trong thời gian ngắn hơn so với các phương pháp khác)

CTR 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

2.2.3 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp chôn lấp

2.2.3.1 Khái niệm chung

Phương pháp chôn lấp CTR có lẽ là phương pháp cổ điển nhất và phổ biến nhất Chôn lấp theo định nghĩa là hành động đổ chất thải vào khu đất đã được thiết

kế và chuẩn bị trước Quá trình chôn lấp bao gồm cả công tác giám sát CTR chuyển đến, thải bỏ, nén ép chất thải và lắp đặt các thiết bị giám sát chất lượng môi trường xung quanh Đây là phương pháp thải bỏ CTR kinh tế nhất và chấp nhận được về mặt môi trường, là một khâu quan trọng trong chiến lược quản lý tổng hợp CTR ngay cả khi đã áp dụng các biện pháp khác

Bãi chôn lấp (BCL) hợp vệ sinh là một khu đất được sử dụng được thiết kế để phương pháp bỏ rác sao cho mức độ gây độc hại đến môi trường là nhỏ nhất, đồng thời không ảnh hưởng đến sức khỏe an toàn của con người Tại đây rác được đổ bỏ

và trải rộng trên mặt đất, sau đó được nén và bao phủ một lớp đất dày 1,5cm ở cuối mỗi ngày

Khi BCL đã được sử dụng hết công suất thiết kế của nó, một lớp đất (hay vật liệu bao phủ dạng màng địa chất) sau cùng dày khoảng 60cm được phủ lên trên, có tác dụng tăng cường khả năng thoát nước bề mặt, ngăn chặn nước thấm và là lớp cấp dưỡng cho cây trồng

2.2.3.2 Ưu khuyết điểm của phương pháp chôn lấp

• Ưu điểm:

Xử lý được tất cả CTR, kể cả CTR mà các phương pháp khác không thể xử lý hay xử lý không triệt để BCL hợp vệ sinh có thể tiếp nhận tất cả các loại CTR 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 BCL 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 BCL hợp vệ sinh thấp hơn so với các phương pháp khác Ở những nơi có đất trống thì phương pháp xử lý CTR dạng này là kinh

tế nhất

Kỹ thuật đơn giản, dễ vận hành Linh hoạt trong quá trình sử dụng (khối lượng CTR 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

BCL 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 và xử lý khí thải

Nếu không được thiết kế xây dựng và quản lý tốt, nước rò rỉ từ bãi rác có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng đất, không khí và nguồn nước ngầm trong khu vực Do

đó, việc quan trắc chất lượng môi trường BCL vẫn phải được tiến hành thường xuyên sau khi đóng cửa

2.2.4 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp ủ hiếu khí

2.2.4.1 Khái niệm chung

Sản xuất phân compost là một phương pháp xử lý CTR 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 CTR 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 CTR 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

Hình 2.1 Sơ đồ chung của quá trình ủ hiếu khí chất thải rắn đô thị

Quy trình xử lý chung thường bao gồm quá trình phân loại CTRSH 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

Chất thải rắn

sinh hoạt

Vi sinh vật, dinh dưỡng, ẩm, không khí

Phân loại

Tái chế, chôn lấp

Phân hủy hiếu khi (ủ thành phân)

Rác hữu cơ

Sàng phân loại

Chất hữu cơ không đạt yêu cầu

Phân compost

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

2.2.4.2 Ưu khuyết điểm của phương pháp ủ hiếu khí

• 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 – 700C 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 CTR 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

2.3 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CTR HỮU CƠ

Quá trình phân hủy kỵ khí: Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của

CTRSH dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo 3 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 1 thành các hợp chất có phân tử lượng lớn hơn xác định Bước thứ 3

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

Trong quá trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí cùng tham gia quá trình chuyển hóa phần chất hưu cơ của CTR thành những sản phẩm cuối bền vững Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử

và lipid thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, amino acid và các hợp chất liên quan Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm 1 thành các acid hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acetic acid Nhóm vi sinh vật thứ hai được gọi là nonmethanogenic bao gồm các sinh vật

kỵ khí tùy tiện và sinh vật ký khí bắt buộc Nhóm vi sinh vật thứ 3 chuyển hóa hydro và acetic acid thành khí CH4 và CO2 Vi sinh vật Mê tan hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất định để chuyển hóa thành Mê tan như CO2 + H2, formate, acetale, methannol, methylamines, và CO Các phương trình chuyển hóa xảy ra như sau:

4H2 + CO2 Æ CH4 + 2H2O

Động học quá trình phân hủy kỵ khí: Tốc độ quá trình phân hủy kỵ khí phụ

thuộc vào điều kiện môi trường Để dự đoán và xác định tốc độ phân hủy kỵ khí của các thành phần hữu cơ của CTR sinh hoạt, động học quá trình là nội dung cơ bản cần được hiểu rõ Khi nghiên cứu động học quá trình chuyển hóa sinh học, đặc biệt

là quá trình chuyển hóa kỵ khí, thường sử dụng phương trình Monod để thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất và tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật (Monod, 1949):

(2.3)

Trong đó:

µ : Tốc độ dinh trưởng đặc biết thực sự của vi sinh vật (ngày -1);

µmax : Tốc độ sinh trưởng đặc biệt cực đại của vi sinh vật (ngày -1);

S : Nồng độ cơ chất (mol/L);

Ks : Hằng số tốc độ ½ ( giá trị S khi µ= ½ µmax);

Mặc dù phương trình Monod được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí (McCarty, 1964; Ghosh và Pohland, 1974; Risley và Boyle, 1983) cho những kết quả thích hợp, nhưng phương trình này chỉ có giá trị đối với các hệ thống trong đó cơ chất là những chất có khả năng hòa tan Từ nghiên cứu của Faire và Moore (1932) và nghiên cứu gần đây cùa Eastman và Ferguson (1981), Brummeler (1993) cho thấy: đối với cơ chất dạng rắn, động học bậc một là thích hợp nhất Phương trình phân hủy cơ chất theo động học bậc 1 có thể biểu diễn như sau:

(2.4)

Trong đó, k là hằng số tốc độ phân hủy

Mặc dù phương trình này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quá trình phân hủy các chất thải phức tạp như bùn cống thải, phần chất hữu cơ của CTR sinh hoạt

và rơm rạ (Eastman và Ferguson, 1981; Pfeffer, 1974, Jewell, 1982), nhưng nó vẫn còn nghi vấn là nồng độ cơ chất S có thực sự được xác định trong quá trình nghiên cứu không Những chất này chứa một phần các chất hòa tan và nhiều chất cao phân

tử như preotein, lipids và cellulose Tất cả những hợp chất này có tốc độ phân hủy khác nhau trong điều kiện kỵ khí và hầu hết là những thành phần giới hạn tốc độ phân hủy (Noikle và cộng sự, 1985, Guher và Zehnder, 1982) Những nghiên cứu

cơ bản về động học quá trình thủy phân các chất trong quá trình thủy phân hủy kỵ khí hầu như không được trình bày Tốc độ quá trình thủy phân sẽ phụ thuộc vào loại

cơ chất, giá trị pH, nhiệt độ và sự có mặt của các chất ức chế (Gujer và Zehnder, 1983)

Theo Pferffer (1974), đối với quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ trong CTRSH đã nghiền, bước giới hạn tốc độ chính là quá trình thủy phân phần cellulose trong cơ chất và giai đoạn này có động học bậc nhất

Đối với cơ chất dị thể như phần chất hữu cơ của CTRSH, với thành phần xác định, động học quá trình thủy phân bậc nhất dường như là dạng đơn giản nhất và hướng thực tế nhất để mô tả toàn bộ quá trình Tuy nhiên, khoảng 13 – 15% các hợp chất hữu cơ của các cơ chất này bị phân hủy với tốc độ cao hơn phần chất hữu cơ còn lại, cũng theo động học bậc một Phần này có thể chứa các loại đường và amino acid, vì tốc độ khử các hơp chất này lớn hơn đáng kể so với cellulose (Nokie và cộng sự , 1985) Theo Cecche và Alvarez (1991), còn một phần thứ ba nữa tồn tại gồm các acid béo dễ bay hơi hình thành trong quá trình lưu trữ chất thải Tuy nhiên, thành phần này không phải lúc nào cũng có, nên ảnh hưởng của chúng đến động học quá trình được bỏ qua Để dự đoán tốc độ sinh khí (Emcon Associates, 1979; Hoeks, 1983;), có thể giả sử rằng chất hữu cơ trong CTRSH bao gồm nhiều phần Phương trình biểu diễn tốc độ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khí phần chất hữu cơ của CTRSH gồm hai hợp chất được biểu diễn như sau:

r dS

dt

dS1dt

dS1

dt k1S1 k2S2 (2.5)Nồng độ cơ chất S1 và S2 nếu biểu diễn theo nồng độ chất rằn bay hơi tương ứng VS1 và VS2 thì:

rCH4 là tốc độ sinh khí Mê tan

Lượng chất rắn bay hơi bị phân hủy có thể biểu diễn như sau:

CH4t - lượng tổng khí Mê tan sinh ra sau thời gian t;

CH4max - lượng khí Mê tan cực đại có thể tạo thành từ phần chất hữu cơ

Như vậy, bằng cách đo lượng khí CH4 sinh ra có thể xác định tốc độc phân hủy chất hữu cơ một cách dễ dàng hơn

2.4 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI

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 CTR khác nhau nên cần chú trọng

áp dụng phối hợp các phương pháp trên với nhau nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất

Công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học 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 hoạt động vi sinh vật, chuyển hóa và ổn định các chất hữu cơ dễ phân hủy và thực hiện phân hủy rác thải trong vòng 5 – 8 năm thông qua hoạt động phân hủy sinh học Các bãi chôn lấp hoạt động theo mô hình này làm

tăng đáng kể sự phân hủy các chất thải hữu cơ, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp và xử lý một cách hiệu quả hơn so với các bãi chôn lấp truyền thống Trên

cơ sở đó, đề tài lựa chọn và tiến hành nghiên cứu xử lý chấy thải rắn hữu cơ bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí, áp dụng đối với loại rác chợ và được thực hiện theo quy mô phòng thí nghiệm

Mô hình bãi chôn lấp, xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học

kỵ khí (BRLF) hoạt động như một bãi chôn lấp hợp vệ sinh, trong đó sử dụng các quá trình để đẩy nhanh hoạt động vi sinh vật, chuyển hóa và ổn định các chất hữu

cơ dễ phân hủy Thực hiện phân hủy chất thải rắn đô thị trong vòng 5 – 8 năm thông qua hoạt động phân hủy sinh học

BRLF làm tăng đáng kể sự phân hủy các chất thải hữu cơ, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp và xử lý một cách hiệu quả hơn so với các bãi chôn lấp truyền thống Việc ổn định bao gồm các thông số biểu diễn đo đạc môi trường (lượng khí sinh ra và tốc độ sản sinh, và lượng nước rỉ rác sinh ra) nằm ở mức độ ổn định và sẽ không gia tăng trong trường hợp hệ thống hoạt động trục trặc trong suốt quá trình hoạt động của bãi chôn lấp

BRLF đòi hỏi các chế độ hoạt động và quản lý riêng biệt để đẩy nhanh các quá trình phân hủy sinh học Yếu tố quan trọng nhất trong quá trình hoạt động là bổ sung nước và giám sát quá trình phân hủy Các nhân tố khác cũng tác động đến quá trình phân hủy chất thải như: độ vụn của rác thải, thông số pH, sự cân bằng chất dinh dưỡng, điều kiện tiền xử lý và xử lý bậc cao của rác thải, và quản lý nhiệt độ đều được sử dụng để tối ưu hóa quá trình xử lý sinh học Việc xử lý thành công của BRLF cũng đòi hỏi sự tập trung các hoạt động để đảm bảo các điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy sinh học đang diễn ra và cho phép các hệ thống xử lý hoạt động hiệu quả

BRLF sử dụng nước rỉ rác tuần hoàn trong bãi chôn lấp Tuy nhiên, BRLF đòi hỏi sự tăng cường nước từ bên ngoài để duy trì điều kiện tối ưu trong quá trình xử

lý Nước rỉ rác sinh ra trong bãi chôn lấp thường không đủ để duy trì phản ứng trong BRLF Nước hoặc các chất lỏng không độc được điều chỉnh phù hợp để bổ sung vào nước rỉ rác (phụ thuộc vào điều kiện cụ thể)

3.1.2 Ưu điểm phương pháp xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí

Các bãi chôn lấp xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí (BRLF) khi được vận hành và quản lý đúng cách sẽ mang lại hiệu quả xử lý chất thải đáng kể, cụ thể bao gồm:

1 Làm tăng sản lượng khí sinh ra, tạo ra khí dưới những điều kiện được kiểm

soát, cải thiện sản lượng khí sinh học và mang lại hiệu quả kinh tế cao.[2]

2 Làm giảm các tác động môi trường, do việc làm giảm nước rỉ rác và kiểm

soát lượng khí sinh ra Các BRLF làm giảm tối đa tác động tới môi trường

nước ngầm, nước mặt và khu vực chung quanh Một lợi ích to lớn khác của các BRLF là làm giảm lượng khí nhà kính phát thải ra môi trường

3 Đẩy nhanh quá trình phân hủy sinh học chất thải rắn và loại bỏ các sản

phẩm khó phân hủy, tạo ra các sản phẩm cuối cùng trong thời gian nhất định Các ô trong BRLF có được sử dụng lại và các sản phẩm phân hủy sau

cũng có thể được lấy lên và sử dụng như phân compost Khả năng tái sử dụng các ô chứa trong BRLF cao mang lại những lợi ích kinh tế

4 Giảm chi phí san lấp bằng việc tái sử dụng các ô rác đã phân hủy xong trong

BRLF, tiết kiệm chi phí do ít xây dựng các bãi chôn lấp mới Các BRLF có

thể được xây dựng theo các môđun, các ô chứa có thể được xây dựng bổ sung thêm khi nhu cầu chôn lấp rác thải tăng lên

5 Giảm bớt chi phí đầu tư và điều hành công tác xử lý nước rỉ rác BRLF

làm tăng tốc độ chuyển hóa sinh học và hóa học của các thành phần hữu cơ

và vô cơ trong bãi chôn lấp, là yếu tố quan trọng tác động đến các hoạt động

xử lý nước rỉ rác sau này

6 Giảm kinh phí vận hành, bảo trì và rủi ro ô nhiễm sau khi đóng cửa bãi

chôn lấp BRLF làm giảm thấp nhất khả năng gây ô nhiễm môi trường kéo

dài do việc lún xuống của chất thải rắn trong suốt quá trình hoạt động của bãi chôn lấp, làm giảm nguy cơ gây ô nhiễm cho môi trường trên mặt do sự rò rỉ của nước rác và tái tạo khí gas từ hoạt động của bãi chôn lấp Rõ ràng hoạt động của BRLF sẽ làm giảm chi phí trong các hoạt động giám sát bãi chôn lấp và giai đoạn sau khi đóng cửa bãi chôn lấp

7 Nhìn chung, BRLF làm giảm thời gian tồn tại các chất ô nhiễm của bãi

chôn lấp, điều này là kết quả của việc suy giảm nồng độ các chất ô nhiễm

trong suốt quá trình hoạt động của BRLF

3.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH BÃI CHÔN LẤP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SINH HỌC KỴ KHÍ

ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

3.2.1 Mô hình phòng thí nghiệm (Pilot)

3.2.1.1 Mô hình nghiên cứu

Mostafa Warith (2001), Đại học Rsyerson Polytechnic, Toronto, Ontario, Canada đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm xử lý rác thải bằng mô hình BRLF

Chất thải rắn được tiến hành thử nghiệm được thu thập từ thành phố Toronto, mẫu đại diện đặc trưng cho chất thải rắn đổ vào bãi chôn lấp [3]

Các kiểm tra trên mẫu cho thấy sự hiện diện của các thành phần khác nhau như rác thức ăn, giấy, bìa cactong, các vật liệu đóng gói và các vật liệu vô cơ bao gồm các chai thủy tinh và lon thiếc Rác thải có độ ẩm cao theo tính toán lên khoảng 12,8%, chất thải được đóng gói có khối lượng trung bình 252 kg/m3, thấp so với khối lượng trong các bãi chôn lấp Các ô xử lý sinh học rác thải được trang bị các cửa thoát cho phép nước rỉ rác thoát ra từ các ô chứa, và các cổng vào cho phép nước rỉ rác tuần hoàn vào Nước rỉ rác được thu gom và chứa trong các kho chứa, được gắn với mỗi ô xử lý rác

Rác thải được trộn đều các thành phần trước khi tiến hành đưa vào ô xử lý sinh học trong BRLF Các chất thải đô thị được sử dụng trong thử nghiệm này có khoảng 60% vật liệu hữu cơ và đạt kích cỡ tối đa 150 – 250mm Mô hình hoạt động của thí nghiệm được đưa ra trong hình 3.1

Lớp đá sỏi dày 200mm được đặt dưới đáy mỗi ô xử lý công dụng như hệ thống thu nước rỉ rác, và tránh trường hợp nước rác rò rỉ ra ngoài Lớp rác thải dày 150 – 200mm và được đậy kín Ống thu khí được lắp đặt trong mỗi ô chứa, có đường kính 50mm và được phủ bằng lớp nhựa bên ngoài Lớp sỏi thứ 2 đặt bên trên lớp rác để làm lớp phủ và còn có công dụng phân phối nước rỉ rác tuần hoàn Kích thước sỏi được sử dụng trong lớp lọc từ 19 – 38mm Cuối cùng, các lớp phủ của ô xử lý được đặt phía trên mỗi ô xử lý và toàn bộ các bộ phận chứa rác đều được phủ kín

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả thí nghiệm xử lý chất thải rắn đô thị bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí của M Warith

Các sản phẩm khí sinh ra từ thí nghiệm được gắn với thiết bị đo khí, gồm các ống mềm được nối với ống hình trụ có chia mức đo được nhúng trong nước Độ ẩm trong chất thải rắn được nâng lên khoảng 45% bằng cách thêm nước vào các ô xử lý hàng ngày, cho đến khi lượng nước thải thu được từ bãi chôn lấp ngang bằng với lượng nước thêm vào những ngày trước đó Nước rỉ rác được tuần hoàn 3 lần 1 tuần kiên tục trong khoảng thời gian 6 tháng, tương ứng với lượng khoảng 12 lít hay 15% tổng thể tích chất thải rắn trong mỗi ô chất thải Trong thời gian khởi động, nước rỉ rác được tuần hoàn hàng ngày dựa trên việc sử dụng hệ thống bơm được vận hành và kiểm soát trên máy tính Bơm được gắn với nguồn điện 120V và được gắn với 1 máy tính cá nhân Hệ thống được điều khiển bằng máy tính gắn với đồng hồ

giám sát thời gian và trạng thái của bơm (mở hay tắt) tại khoảng thời gian xác định Vòng tuần hoàn nước rác tiếp theo sẽ được thực hiện để đảm bảo rác thải luôn đạt được độ ẩm yêu cầu Các giám sát tỉ lệ nước rác tuần hoàn trong thí nghiệm cũng cần phải được đảm bảo nước rác sẽ phân phối đều trên rác thải và không có dòng chảy ngắn trong rác

Hoạt động nghiên cứu thực nghiệm khả năng xử lý rác theo mô hình bãi chôn lấp xử lý chất thải rắn bằng phương pháp phân hủy sinh học kỵ khí được tiến hành theo 3 mô hình Mô hình 1 là mô hình kiểm soát xử lý (Control), chỉ có nước rác được tuần hoàn Mô hình 2 là độ pH và chất dinh dưỡng được bổ sung vào nước rác trong vòng tuần hoàn (Nutrients) và Mô hình 3 là bùn của hệ thống xử lý nước thải được bổ sung vào nước rác (Sludge) Các vật liệu bổ sung tốc độ phản ứng được thêm vào nước rác tuần hoàn với mức độ 1 tuần 1 lần NaOH được sử dụng để điều chỉnh pH cho nước rác, chất dinh dưỡng được thêm vào ở dạng giống thức ăn của cây với lượng dinh dưỡng 20% Nitơ và 20% Photpho Lượng bùn thải đô thị được đưa vào dòng tuần hoàn với khoảng 5% tổng thể tích dòng tuần hoàn Bùn được lấy

từ nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Toronto và cung cấp nguồn sinh khối, Nitơ và Photpho và các chất dinh dưỡng khác và các vi dinh dưỡng khác trong quá trình tuần hoàn nước rác

Mẫu nước rỉ được thu thập hàng tuần từ cửa thoát nước rác và đo đạc pH Sau

đó, mẫu nước rác này được bảo quản và chứa ở nhiệt độ 4oC để kiểm tra pH, BOD

và COD Tất cả các phân tích hóa học đều được thực hiện 2 lần để đảm bảo kết quả chính xác

Tỉ số BOD/COD biểu thị cho sự thay đổi của chỉ số chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (BDOF) của chất thải Các kim loại nặng được xác định bằng kĩ thuật ICAP Sự giảm thể tích và lún xuống của chất thải rắn cũng được kiểm soát tại thời điểm bắt đầu và suốt quá trình nghiên cứu tuần hoàn nước rỉ rác

3.2.1.2 Kết quả nghiên cứu

• Thông số pH

Trong 2 tuần đầu tiên thử nghiệm, chất thải rắn đô thị chuyển từ pha hiếu khí sang kỵ khí Trong 2 tuần này, pH duy trì trong khoảng 6,0 Nhận thấy pH dao động trong khoảng từ 5,3 đến 6,0 Mô hình xử lý có bổ sung bùn có mức pH cao nhất vì

có lớp bùn đệm

Trong thời gian chuyển hóa sang pha kỵ khí, vi khuẩn sinh khí CH4 cũng bắt đầu xuất hiện Khi sự sản sinh khí CH4 tăng lên, khí Hydro, CO2, và axit béo bay hơi giảm xuống Việc chuyển đổi các axit béo do pH trong các ô chứa chất thải tăng lên Sự lên men khí CH4 xảy ra khi pH trong tất cả các mô hình xử lý tăng lên mức trung tính 6,8 – 8,0 Sự lên men khí bắt đầu giữa tuần 4 và 5

Hình 3.2 Sự thay đổi pH theo thời gian thử nghiệm

pH thay đổi mạnh nhất vào tuần thứ 6 của thí nghiệm.Tương ứng với các mô hình kiểm soát, bổ sung dinh dưỡng và bổ sung bùn, pH dao động với 7,8, 7,5 và 7,7 Sau khi pH tăng lên so với ban đầu, pH sẽ giảm nhẹ xuống khoảng 7 Trong thời gian này, các hoạt động của vi khuẩn sinh khí CH4 hoạt động chậm pH trung bình tương ứng với mô hình giám sát, bổ sung dinh dưỡng và bổ sung bùn là 7,2,