Nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp

TÍNH C ẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Quản lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) đang trở thành một vấn đề môi trường cấp bách tại Việt Nam, đặc biệt ở các đô thị lớn Tốc độ đô thị hóa và mật độ dân cư gia tăng đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng lượng CTRSH, gây áp lực lớn lên hệ thống quản lý chất thải rắn đô thị Trong khi đó, tại các vùng nông thôn, CTRSH chưa được quản lý và xử lý đúng cách, trở thành một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng ở khu vực này.

Tại Việt Nam, công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) chủ yếu là chôn lấp, kết hợp với compost hóa gần đây Phương pháp này cho phép xử lý tất cả chất thải rắn với kỹ thuật vận hành đơn giản và chi phí thấp, đồng thời có khả năng thu hồi khí sinh học Tuy nhiên, chôn lấp đòi hỏi diện tích đất lớn, trong khi quỹ đất ở các thành phố lớn ngày càng khan hiếm và đắt đỏ Thời gian phân hủy CTRSH lâu dẫn đến tình trạng thiếu đất chôn lấp, đồng thời các bãi chôn lấp còn trở thành nguồn phát tán ô nhiễm ra không khí, nước mặt, nước ngầm và ảnh hưởng đến chất lượng đất khu vực.

Hiện nay, nhiều công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) đã được đề xuất, nhưng các công nghệ mới thường yêu cầu nguồn lực tài chính và kỹ thuật cao, điều này làm cho việc áp dụng rộng rãi tại Việt Nam trở nên khó khăn Đồng thời, nhiều bãi chôn lấp CTR đô thị hiện đang hoạt động theo công nghệ cũ, dẫn đến hiệu quả xử lý và an toàn môi trường không cao Do đó, nâng cấp công nghệ cho các bãi chôn lấp hiện tại là một yêu cầu quan trọng nhằm cải thiện hiệu quả xử lý chất thải.

Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, trung bình mỗi đô thị chỉ có một bãi chôn lấp chất thải rắn (CTR), và hiện tại có tới 85-90% bãi chôn lấp này không đảm bảo vệ sinh Điều này tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng Các bãi chôn lấp hiện nay hoạt động theo quy trình đơn giản, không chú trọng đến tốc độ phân hủy CTR và khả năng thu hồi tài nguyên.

Hồi khí sinh học dẫn đến việc kéo dài thời gian phân hủy CTR, làm gia tăng lượng khí sinh học phát sinh mùi Ngoài ra, nước rỉ rác không được thu gom, gây ra sự phát tán và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh khu vực lân cận.

Để cải thiện hiệu quả xử lý chất thải rắn tại Việt Nam, các bãi chôn lấp hiện có và sắp xây dựng cần áp dụng công nghệ tiên tiến nhằm tăng tốc độ phân hủy CTR Giải pháp tuần hoàn nước rác kết hợp với việc bổ sung chế phẩm sinh học được đánh giá là khả thi và có thể mang lại nhiều lợi ích trong việc nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải.

Nghiên cứu của Francois et al (2007) và Chan et al (2002) đã chỉ ra rằng tuần hoàn nước rỉ rác có tác dụng tăng tốc độ phân hủy CTR, giúp bãi chôn lấp nhanh chóng đạt trạng thái ổn định và rút ngắn giai đoạn acid hóa cũng như metan hóa Hơn nữa, nghiên cứu của San et al (2001) cho thấy tuần hoàn nước rỉ rác có khả năng tăng lượng metan tích lũy lên từ 1,7 đến 2 lần so với trường hợp không áp dụng tuần hoàn.

Nghiên cứu của BETCO cho thấy việc sử dụng chế phẩm sinh học có thể tăng cường khả năng làm sạch chất thải và hiệu quả trong việc giải quyết ô nhiễm môi trường Phương pháp này áp dụng vi khuẩn và enzyme chuyên hóa để thúc đẩy quá trình phân hủy tự nhiên, biến các hợp chất phức tạp trong chất thải thành các hợp chất đơn giản hoặc sản phẩm phân hủy có lợi như khí sinh học.

AquaClean và sản phẩm Microbe-Lift chứa các vi khuẩn hiếu khí, kị khí, tuỳ nghi, hóa tổng hợp và quang hợp, giúp xử lý hiệu quả các chỉ tiêu ô nhiễm như BOD5, COD, chất rắn lơ lửng, chất thải rắn tổng số, phenolic, hydrogen sulfide và nhiều thành phần ô nhiễm khác.

Giả thuyết nghiên cứu đề xuất sử dụng nước rỉ rác từ bãi chôn lấp kết hợp với chế phẩm sinh học để tăng cường khả năng phân hủy sinh học chất thải rắn Sự kết hợp này không chỉ giúp cải thiện môi trường mà còn thúc đẩy quá trình tạo khí sinh học Nhờ vào những tác động tích cực này, tuổi thọ của các bãi chôn lấp theo công nghệ truyền thống sẽ được kéo dài.

Để nâng cao hiệu quả xử lý tại các bãi chôn lấp và giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở Tp.HCM, nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện hoạt động xử lý chất thải.

Nghiên cứu về việc nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp được thực hiện nhằm xác định các điều kiện tối ưu để tăng cường quá trình phân hủy Mục tiêu của luận án là xử lý hiệu quả các thành phần ô nhiễm hữu cơ và tối ưu hóa việc thu hồi khí sinh học, phục vụ cho nhu cầu cung cấp năng lượng.

M ỤC TIÊU LUẬN ÁN

Mục tiêu của luận ánlà:

Nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp có thể đạt được thông qua công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp với việc bổ sung chế phẩm sinh học Phương pháp này không chỉ tối ưu hóa quá trình phân hủy mà còn cải thiện hiệu quả xử lý chất thải, góp phần bảo vệ môi trường.

Đề xuất giải pháp công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) tại các bãi chôn lấp hiện hữu với quy mô khác nhau trong điều kiện Việt Nam.

N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu của đề tài, các nội dung nghiên cứu sau đã được thực hiện:

- Xác định thành phần và tính chất CTRSH tại TP.HCMtheođịnh hướng thu hồi năng lượng sinh khối

- Thực hiện thí nghiệm nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp CTRSH với 3 kiểu mô hình:

 Mô hình 1: Mô hình đối chứng - mô hình chôn lấp CTR, không tuần hoàn nước rỉ rác và không bổ sung chế phẩm sinh học

Mô hình 2 là mô hình chôn lấp CTR có tuần hoàn nước rỉ rác, giúp cung cấp độ ẩm cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của vi khuẩn.

 Mô hình 3: Mô hình chôn lấp CTR, kết hợp tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học

Trong quá trình khảo sát các mô hình, cần chú ý đến các thông số quan trọng như hiệu quả phân hủy sinh học của thành phần hữu cơ, tỉ lệ tuần hoàn, và hàm lượng chế phẩm phù hợp.

- Xác định các thông số động học của quá trình phân hủy sinh học kị khí;

- Đề xuất giải pháp công nghệ, áp dụng kết quả nghiên cứu nhằmnâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện các bãi chôn lấp.

TÍNH M ỚI CỦA ĐỀ TÀI

Việc sử dụng bãi chôn lấp để xử lý CTRSH đang trở thành giải pháp phổ biến tại Việt Nam, với công nghệ chủ yếu là chôn lấp hợp vệ sinh Để nâng cao hiệu quả phân hủy, công nghệ này còn áp dụng tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học.

CTR không phải là một khái niệm mới trên thế giới, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển Luận án cũng khám phá thông số động học của quá trình phân hủy chất thải rắn trong điều kiện kỵ khí, sử dụng các mô hình động học như động học bậc 1, Monod và Michaelis-Menten Giá trị hằng số động học k được xác định là 0,052-0,053 ngày -1 Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hoàn thiện lý thuyết về xử lý sinh học CTRSH và có thể áp dụng cho các điều kiện kỹ thuật tương tự ở Việt Nam.

PH ẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận án được thực hiện với phạm vi nghiên cứu là bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinh trên địa bàn TP Hồ Chí Minh.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

• Xác định công nghệ để nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải rắn trong điều kiện bãi chôn lấp ở Việt Nam;

• Đề xuất được quy trìnháp dụng nhằm nâng cao, cải tiến công nghệ phân hủy chất thải rắn hiện hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam;

• Xác định thông số động học đánh giá khả năng phân hủy CTRSH trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để cải tiến và nâng cấp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả xử lý CTRSH tại các bãi chôn lấp chất thải rắn hiện có ở Việt Nam, vốn được thiết kế theo công nghệ cũ và vẫn đang hoạt động Việc nâng cao hiệu quả phân hủy sinh học sẽ giúp khắc phục những hạn chế trong phân hủy CTRSH, từ đó kéo dài tuổi thọ của các bãi chôn lấp này.

• Nghiên cứu có khả năng triển khai tại các bãi chôn lấp CTRSHở các tỉnh và thành phố trong cả nước

• Tăng cường hiệu quả xử lý, giảm thiểu tác động môi trường, thu hồi khí sinh học của các bãi chôn lấp hiện hữu ở Việt Nam

TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT

CH ẤT THẢI RẮN SINH HOẠT

1.1.1 Hi ện trạng phát sinh CTRSH

Tổng lượng chất thải rắn (CTR) tại các đô thị Việt Nam tăng trung bình từ 10-16% mỗi năm, với khối lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) chiếm 60-70% tổng lượng CTR đô thị, và ở một số đô thị, tỷ lệ này có thể lên đến 90% Cụ thể, TP Hồ Chí Minh phát sinh khoảng 6.585 tấn CTRSH/ngày, trong khi Hà Nội là khoảng 6.500 tấn/ngày Tỷ lệ thu gom CTR đã tăng từ 72% vào năm 2004 lên khoảng 80-82% vào năm 2008 và đạt khoảng 83-85% vào năm 2010 Tuy nhiên, vẫn còn 15-17% CTR đô thị chưa được thu gom và xử lý, dẫn đến tình trạng thải ra môi trường, vào các bãi đất trống, hố đất, ao hồ, hoặc bị đốt lộ thiên, gây ô nhiễm môi trường.

Bảng 1.1 CTR đô thị phát sinh các năm 2007 – 2010 và ước tính lượng CTR đô thị phát sinh đến năm 2025 (tấn) [1]

Dân số đô thị (triệu người) 23,80 27,70 25,50 26,22 35,00 44,00 52,00

% Dân số đô thị so với cả nước 28,20 28,99 29,74 30,20 38,00 45,00 50,00

Chỉ số phát sinh CTR đô thị (kg/người/ngày) 0,75 0,85 0,95 1,00 1,20 1,40 1,60

Tổng lượng CTR đô thị phát sinh (tấn/ngày) 17.682 20.849 24.225 26.224 42.000 61.600 83.200

Lượng CTRSH đô thị ở các thành phố lớn như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh và Tp Đà Nẵng đang tăng mạnh nhờ vào tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng Ngược lại, những đô thị nhỏ như Thái Bình, Nam Định, Vĩnh Long, Tiền Giang và Sóc Trăng có mức tăng trưởng thấp hơn do tốc độ đô thị hóa không cao Tỷ lệ CTR gia tăng chủ yếu tập trung ở các đô thị lớn.

Các đô thị như Phú Thọ (19,9%), Phủ Lý (17,3%), Hưng Yên (12,3%), Rạch Giá (12,7%) và Cao Lãnh (12,5%) đang có xu hướng mở rộng và phát triển mạnh mẽ về quy mô và dân số Trong khi đó, các đô thị khu vực Tây Nguyên ghi nhận tỷ lệ CTR gia tăng đồng đều hàng năm, mặc dù tỷ lệ này thấp hơn, chỉ khoảng 5%.

Hình 1.1 Lượng phát sinh CTR đô thị của một số TP, tỉnh qua các năm 2005-2010[7]

Mức độ đô thị hóa gia tăng, cùng với sự di cư của dân cư đến các thành phố lớn như Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh, đã dẫn đến sự cải thiện trong mức sống và sự đa dạng trong tiêu dùng.

Lượng CTR đô thị tại Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố như Minh, Hải Phòng và Đà Nẵng, đang gia tăng với thành phần phức tạp Ước tính chỉ số CTR đô thị trung bình trong những năm 2015 cho thấy sự phát triển đáng kể trong lĩnh vực này.

2020, 2025 vào khoảng 1,2; 1,4 và 1,6 kg/người/ngày [1]

Bảng 1.2 Chất thải rắn phát sinh tại các khu vực[7]

Khu vực Lượng phát sinh

Trung du và miền núi phía Bắc có diện tích 1.629 km², trong khi Đồng bằng sông Hồng và vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ rộng 8.283 km² Duyên hải Trung bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam chiếm 4.815 km².

Tây Nguyên Vùng 4 1.417 Đông Nam Bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Vùng 5 15.563 Đồng bằng sông Cửu Long Vùng 6 3.372

Theo dự báo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, khối lượng CTRSH từ các đô thị loại 4 trở lên tại 6 vùng kinh tế sẽ tăng mạnh, đạt khoảng 37.000 tấn/ngày vào năm 2015, 59.000 tấn/ngày vào năm 2020 và 88.000 tấn/ngày vào năm 2025, tương ứng với mức tăng từ 1,7 đến 4,0 lần so với hiện tại Sự gia tăng này chủ yếu đến từ các loại chất thải như túi nilon sử dụng một lần, bao bì, đồ điện tử và các chất nguy hại, trong khi khối lượng chất thải rắn thương mại dịch vụ cũng tăng từ 1,7 đến 2,3 lần.

Bảng 1.3 Tổng hợp và dự báo lượng CTR phát sinh ở Việt Nam theo nguồn phát sinh(tấn/ ngày) [7]

Vùng đồng bằng sông Hồng và kinh tế trọng điểm Bắc Bộ 8.284 16.589 25.856 38.070

Vùng Đông Nam Bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam 15.563 24.356 35.203 48.502

Trong năm 2014, TPHCM ước tính phát sinh khoảng 7.500 đến 8.000 tấn chất thải rắn đô thị mỗi ngày, trong đó khoảng 6.585 tấn được thu gom và vận chuyển đến bãi chôn lấp Một phần chất thải được tái chế qua việc mua bán phế liệu, trong khi một lượng nhỏ chất thải hữu cơ được xả thải xuống đồng ruộng ở vùng ngoại thành Tỷ lệ gia tăng khối lượng chất thải rắn hàng năm ước tính khoảng 7% đến 8%.

1.1.2 Ngu ồn gốc, thành phần và tính chất CTRSH a) Nguồn gốc phát sinh

CTRSH phát sinh từ các nguồn chính sau:

CTRSH từ các hộ gia đình bao gồm chất thải phát sinh từ nhà ở, biệt thự và căn hộ chung cư, với thành phần chính là thực phẩm thừa, giấy, carton, nhựa, gỗ, thủy tinh, lon, hộp, can nhựa, kim loại, tro, đồ điện tử hỏng và rác vườn Bên cạnh đó, CTRSH còn có thể chứa một lượng nhỏ chất độc hại như pin, ắc quy và chất tẩy rửa.

Chất thải rắn sinh hoạt đường phố chủ yếu phát sinh từ hoạt động của người dân, các khu vui chơi giải trí và việc làm đẹp cảnh quan Nguồn gốc của loại chất thải này đến từ người đi đường và các hộ dân sống dọc hai bên đường Mỗi đô thị, tùy theo quy mô và cấp độ, có thể có hàng chục đến hàng trăm km đường phố Hiện nay, nhiều đô thị ở Việt Nam đang trong giai đoạn xây dựng, dẫn đến lượng chất thải đường phố tăng cao, đặc biệt ở các khu vực có nhiều công trình xây dựng Trong đó, chất thải xây dựng chiếm tới 70-80%, chất thải sinh hoạt chỉ chiếm trên 15%, còn lại là các loại chất thải khác như cành cây, lá cây, bao nilon và xác động vật chết.

CTRSH từ các khu vực chợ phát sinh từ các loại hình chợ truyền thống như chợ cóc, chợ đêm, chợ đầu mối và chợ thực phẩm, thường được tổ chức ở những địa điểm thuận tiện cho cả người bán và người mua.

CTRSH phát sinh từ các trung tâm thương mại, khách sạn và trung tâm dịch vụ, với các loại chất thải chủ yếu bao gồm giấy, carton, nhựa, gỗ, thực phẩm, thủy tinh, kim loại, đồ điện tử và đồ điện gia dụng hỏng Ngoài ra, có thể tồn tại một số loại chất thải chứa thành phần độc hại.

CTRSH, hay chất thải rắn sinh hoạt, phát sinh từ các cơ quan, công sở, xí nghiệp, trường học và văn phòng làm việc Thành phần của loại chất thải này tương tự như những gì được tạo ra từ các trung tâm thương mại.

CTRSH có nguồn gốc đa dạng với thành phần phức tạp, chủ yếu bao gồm các chất dễ phân hủy sinh học như thực phẩm thừa, rác vườn, lá cây và rác thực phẩm Ngoài ra, các thành phần không dễ phân hủy như nhựa, thủy tinh, giấy, carton và kim loại cũng được thu gom và phân loại để tái chế và tái sử dụng.

Thành phần CTRSH chịu ảnh hưởng bởi mức sống và thu nhập khác nhau giữa các đô thị, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc của CTRSH.

HI ỆN TRẠNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CTRSH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHÔN LẤP15 1 Sơ lược các công nghệ xử lý CTRSH

1.2.1 Sơ lược các công nghệ xử lý CTRSH

Trên thế giới, có nhiều phương pháp xử lý CTRSH như chôn lấp hợp vệ sinh, sản xuất phân hữu cơ bằng lên men kỵ khí và hiếu khí, cũng như đốt Việc lựa chọn phương pháp xử lý tại mỗi địa phương phụ thuộc vào việc đánh giá ưu nhược điểm của công nghệ, diện tích mặt bằng, kỹ thuật vận hành, tính kinh tế và các yếu tố môi trường.

Nhìn chung, có thể khái quát các công nghệ xử lý CTRSH đang được sử dụng phổ biến hiện nay thành 03 nhóm: cơ học, nhiệt và sinh học

Bảng 1.9.Các phương pháp xử lý CTRSH[10]

STT Chi tiết phương pháp

1 Cơ học Giảm kích thước cơ học

Phân loại theo kích thước

Phân loại theo khối lượng riêng

Phân loại theo điện/từ trường

2 Nhiệt Đốt Khí hóa Nhiệt phân

3 Sinh học và hóa học Ủ hiếu khí Len men kỵ khí

1.2.1.1 Công nghệ chôn lấp hợp vệ sinh

Chôn lấp hợp vệ sinh là công nghệ xử lý chất thải rắn sinh hoạt phổ biến ở các nước đang phát triển, với các lớp chống thấm và hệ thống thu gom nước rác, khí rác Phương pháp này sử dụng lớp đất phủ trung gian và phủ bề mặt, kết hợp với việc phun chế phẩm sinh học để tăng cường quá trình phân hủy chất thải rắn và giảm mùi Chương 2 của luận án sẽ đề cập đến cơ chế chôn lấp, các yếu tố ảnh hưởng và giải pháp nâng cao tốc độ phân hủy chất thải trong bãi chôn lấp.

1.2.1.2 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ kị khí

Phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong môi trường không có oxy, với nhiệt độ từ 30 đến 65 độ C Quá trình này tạo ra khí sinh học, một sản phẩm quan trọng từ phân hủy kỵ khí.

Quá trình phân hủy kị khí chất thải rắn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện kị khí, pH, nhiệt độ, độ ẩm, thành phần dinh dưỡng, sự đảo trộn, thời gian lưu trong bể ủ, đặc tính của nguồn nguyên liệu, vi sinh vật và các độc tố Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả và tốc độ phân hủy chất thải.

1.2.1.3 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ hiếu khí

Quá trình ủ hiếu khí là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật, tạo ra sản phẩm như CO2, nước, nhiệt độ và chất mùn ổn định, không mang mầm bệnh, có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng Tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, loại vi sinh vật, lượng oxy, chất hữu cơ, độ ẩm, tỷ lệ C/N và cấu trúc của chất thải.

1.2.1.4 Công nghệ đốt Đốt là quá trình oxi hoá chất thải rắn bằng oxy không khí dưới tác dụng của nhiệt và quá trình oxy hóa hóa học Bằng cách đốt chất thải, ta có thể giảm thể tích của CTR đến 80 – 90% Nhiệt độ buồng đốt phải cao hơn 800 o C Sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt là: 1) các khí có nhiệt độ cao bao gồm khí nitơ, cacbonic, hơi nước và 2) tro Năng lượng có thể được thu hồi nhờ quá trình trao đổi nhiệt với khí sinh ra ở nhiệt độ cao Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đốt bao gồm nhiệt độ đốt, thành phần chất thải, …

Mỗi công nghệ xử lý chất thải rắn đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chi phí đầu tư và vận hành, điều kiện tự nhiên, tình hình kinh tế-xã hội và nguồn nhân lực.

1.2.2 Hi ện trạng công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp chôn lấp

1.2.2.1 Hiện trạng xử lýCTRSH trên thế giới

Các phương pháp xử lý CTRSHthông dụng đang được áp dụng ở các nước phát triển trình bày trong bảng 1.10

Bảng 1.10.Các phương pháp xử lý chất thải rắn[8]

Tên nước Phương pháp xử lý (%)

Compost Đốt Chôn lấp Khác

Chôn lấp vẫn là phương pháp phổ biến nhất cho việc xử lý CTRSH tại các quốc gia phát triển và đang phát triển Tại Hy Lạp và Ireland, 100% lượng CTRSH được xử lý bằng phương pháp này Ở Anh, lượng CTR hàng năm cũng đáng kể.

Trong tổng số 18 triệu tấn chất thải, chỉ có 6% được xử lý bằng phương pháp thiêu đốt, trong khi 92% còn lại được chôn lấp Tại Đức, chỉ 2% lượng chất thải rắn đô thị (CTR) được chuyển đổi thành phân compost, 28% được xử lý bằng thiêu đốt và 69% được chôn lấp.

1.2.2.2 Hiện trạng công nghệ xử lý CTRSH tại Việt Nam bằng chôn lấp

Hiện nay, việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) ở Việt Nam chủ yếu vẫn dựa vào phương pháp chôn lấp, với tỷ lệ chôn lấp tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh lên tới 80 – 90% Cụ thể, tại Hà Nội, tỷ lệ chôn lấp dao động từ 73–81%, trong khi sản xuất phân compost chỉ chiếm dưới 7% và tái chế từ 12 – 20% Tại TP Hồ Chí Minh, hai bãi chôn lấp Đông Thạnh và Gò Cát đã ngừng hoạt động từ năm 2008, hiện chỉ còn hai khu liên hiệp xử lý CTR là Tây Bắc (Củ Chi) và Đa Phước (Bình Chánh), nơi mà công nghệ xử lý chủ yếu vẫn là chôn lấp hợp vệ sinh.

Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, cả nước có 98 bãi chôn lấp chất thải tập trung, nhưng chỉ 16 bãi đạt tiêu chuẩn hợp vệ sinh Hầu hết các bãi chôn lấp hiện nay thực hiện việc xử lý rác một cách sơ sài Gần đây, Bộ Xây dựng đã quy hoạch các khu liên hợp xử lý chất thải rắn liên tỉnh, tuy nhiên, tính khả thi của các khu này trong việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt cần được xem xét kỹ lưỡng.

Chôn lấp CTR vẫn là giải pháp cần thiết và hiệu quả trong giai đoạn hiện nay Giải pháp kết hợp giữa chôn lấp và sản xuất phân compost, cùng với việc thu hồi khí để phát điện, đã được quy hoạch và đầu tư cho giai đoạn tiếp theo.

Bảng 1.11.Hiện trạng một số BCL chất thải rắn trên lãnh thổ Việt Nam[1]

STT Tên đô thị Hiện trạng các bãi chôn lấp

Bãi chôn lấp Đông Thạnh đã đóng cửa từ tháng 6/2000

Bãi chôn lấp Gò Cát, được xây dựng với sự tài trợ của Chính phủ Hà Lan, có diện tích 17,7 ha và bắt đầu hoạt động từ tháng 1 năm 2000 Bãi chôn lấp này có khả năng tiếp nhận 2.000 tấn chất thải rắn mỗi ngày, và đến nay đã tiếp nhận tổng cộng 4.694.579 tấn, đạt 119% công suất thiết kế Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp được chuyển về công trình xử lý Đông Thạnh để xử lý hiệu quả.

BCL CTRSH tại Khu liên hợp xử lý CTR Đa Phước, do công ty TNHH xử lý chất thải Việt Nam thực hiện, có tổng diện tích 128ha và bao gồm các nhà máy sản xuất khác trong khu vực.

STT Tên đô thị Hiện trạng các bãi chôn lấp compost, xử lý bùn hầm cầu…

BCL Phước Hiệp – Củ Chi, diện tích 44,93ha Bắt đầu hoạt động từ 2003 Công suất 3.000 tấn CTR/ngày Khối lượng đã tiếp nhận 3.332.036 tấn

Chất thải rắn từ TP Đà Nẵng được xử lý tại bãi chôn lấp Khánh Sơn với diện tích 17ha Sau khi được đổ đống, chất thải được nén chặt và phủ đất Tuy nhiên, một số hố chôn lấp trước đây thiếu lớp vải chống thấm và không có hệ thống thu gom, xử lý nước rỉ rác đạt tiêu chuẩn.

BCL Bà Hỏa phải đóng cửa theo đúng quy định hiện hành Ngân hàng Thế giới đầu tư xây dựng bãi chôn lấp hợp vệ sinh

Long Mỹ với diện tích là 30ha

Năm 2011 lượng CTRSH chôn lấp 3.600 tấn/tháng; sản xuất phân 1200 tấn CTR/tháng

4 TP Nha Trang Bãi chôn lấp hở, không hợp vệ sinh tại Đèo Rù Rì

5 TP Đà Lạt Bãi chôn lấp chất thải không hợp vệ sinh

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CHÔN LẤP

CÁC QUÁ TRÌNH BI ẾN ĐỔI TRONG BÃI CHÔN LẤP

Chôn lấp là phương pháp thải bỏ CTRSH đơn giản và thân thiện với môi trường, đóng vai trò quan trọng trong chiến lược quản lý tổng hợp chất thải Dù áp dụng các biện pháp giảm thiểu, tái sinh và tái sử dụng, việc thải bỏ chất thải còn lại ra bãi chôn lấp (BCL) vẫn cần thiết Quản lý BCL phải được thực hiện kết hợp với quy hoạch, thiết kế, vận hành, đóng cửa và kiểm soát sau khi BCL ngừng hoạt động BCL bao gồm các ô chôn lấp, vùng đệm và các công trình phụ trợ như trạm xử lý nước, khí thải, cung cấp điện, nước và văn phòng điều hành.

2.1.1 Cơ chế của quá trình phân hủy CTRSH trong bãi chôn lấp Để lập kế hoạch và thiết kế BCL một cách hiệu quả, người thiết kế phải biết và hiểu rõ những gì xảy ra bên trong BCL khi hoạt động chôn lấp được thực hiện CTRSH được đổ ở BCL hợp vệ sinh chịu đồng thời cùng một lúc những biến đổi sinh học, lý học, hoá học bao gồm:

- Phân giải sinh học của chất hữu cơ: có thể phân hủy hiếu khí hoặc kị khí, sản phẩm sinh ra ở dạng khí và lỏng

- Sự oxy hoá hoá học các vật liệu

- Sự thoát khí từ BCL và sự khuếch tán ngang của khí xuyên qua BCL

- Sự di chuyển của chất lỏng gây ra bởi sự khác nhau về cột áp

- Sự hoà tan, sự rò rỉ các chất hữu cơ và vô cơ vào nước, nước rò rỉ di chuyển xuyên qua BCL

- Sự di chuyển của chất hoà tan bởi gradient nồng độ và hiện tượng thẩm thấu

- Sự sụt lún không đều gây ra do quá trình ổn định vật liệu vào các chỗ rỗng

Sự phân hủy và ổn định của BCL chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm quá trình phân hủy chất thải, mức độ nén chặt, độ ẩm hiện tại, sự hiện diện của các chất ức chế, và tốc độ di chuyển của các thành phần trong môi trường.

Tình trạng của BCL (bãi chứa rác) khó xác định do sự tương tác giữa nước và nhiệt độ Tốc độ phản ứng hóa học và sinh học tại BCL thường tăng khi nhiệt độ và độ ẩm gia tăng, cho đến khi đạt đến một ngưỡng nhất định Các quá trình phân hủy CTRSH được minh họa rõ ràng trong hình 2.1.

Hình 2.1.Phân giải kỵ khí các chất thải sinh học[11]

Trong các hệ thống sinh thái tự nhiên và nhân tạo, vi sinh vật khai thác năng lượng từ cơ chất như carbohydrate, protein và lipid bằng cách tiết ra enzyme ngoại bào Những enzyme này phân hủy đại phân tử sinh học thành các sản phẩm mạch ngắn và chỉ được tổng hợp khi vi sinh vật tiếp xúc trực tiếp với cơ chất tương ứng.

Biowaste (Chất thải sinh học)

Chỉ có các hợp chất có phân tử lượng thấp và hòa tan như đường, disaccharide, axit amin, glycerol và axit béo mới có thể được vi sinh vật hấp thu và chuyển hóa để tạo năng lượng hoặc tổng hợp các hợp chất sinh học cần thiết cho sự tăng trưởng Các quá trình chuyển hóa chính của vi sinh vật trong hệ thống xử lý được tóm tắt qua ba phương trình: oxy hóa cơ chất, tổng hợp tế bào và hô hấp nội bào.

- Phương trình oxy hóa cơ chất:

- Phương trình tổng hợp tế bào vi sinh vật: nC x H y O z + nNH 3 + n(x – ẳ y – ẵ z – 5)O 2  (C5H 7 NO 2 ) n + n/2(y – 4) H 2 O + ∆G2

- Phương trình hô hấp nội bào:

(C 5 H 7 NO 2 ) n + 5nO 2  5nCO 2 + nH 2 O + nNH 3 + ∆G 3 (2.3)

2.1.1.1 Giai đoạn I: Giai đoạn thủy phân

Giai đoạn phân hủy có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tháng, tùy thuộc vào tốc độ phân hủy CTR trong BCL Trong giai đoạn này, các thành phần hữu cơ dễ phân hủy sẽ được phân hủy sinh học trước, diễn ra dưới điều kiện hiếu khí nhờ vào lượng không khí giữ lại trong BCL.

2.1.1.2 Giai đoạn II: Giai đoạn lên men

Trong giai đoạn II, hàm lượng oxy trong BCL giảm và điều kiện kị khí hình thành Khi môi trường BCL hoàn toàn kị khí, nitrat và sunfat, là chất nhận điện tử trong phản ứng chuyển hóa sinh học, thường bị khử thành N2 và H2S.

2CH 3 CHOHCOOH + SO 4 2- 2CH 3 COOH + S 2- + H 2 O + CO 2 (2.4)

Mức độ kị khí trong môi trường bên trong BCL có thể được kiểm soát thông qua việc đo điện thế oxy hoá khử của chất thải Quá trình khử Nitrat và Sunfat diễn ra ở điều kiện oxy hoá khử từ –50 đến –100mV, trong khi khí CH4 được hình thành khi điện thế oxy hoá khử dao động từ –150 đến –300mV Khi điện thế tiếp tục giảm, vi sinh vật bắt đầu chuyển hoá các chất hữu cơ trong CTR thành CH4 và CO2, chuyển sang giai đoạn III, nơi các chất hữu cơ phức tạp được chuyển hoá thành axit hữu cơ và các sản phẩm trung gian Ở giai đoạn này, pH của nước rò rỉ giảm do sự xuất hiện của axit hữu cơ và khí CO2 sinh ra trong BCL.

2.1.1.3 Giai đoạn III: Sinh acetate

Trong giai đoạn II, sự tham gia của tập hợp vi sinh vật làm tăng nhanh tốc độ tạo thành axit hữu cơ Quá trình thủy phân các hợp chất cao phân tử như lipid, polysaccharides, protein và nucleic acids diễn ra nhờ các enzyme trung gian, biến đổi chúng thành các hợp chất đơn giản hơn Các vi sinh vật sử dụng những hợp chất này làm nguồn năng lượng và carbon cho tế bào của chúng.

Trong bước thứ 2 của quá trình phân hủy, axit acetic và một số axit hữu cơ khác được hình thành qua quá trình lên men axit, trong khi CO2 và một lượng nhỏ H2S cũng được sản sinh Vi sinh vật chủ yếu hoạt động trong điều kiện yếm khí, dẫn đến pH của nước rò rỉ giảm xuống dưới 5 do sự hiện diện của axit hữu cơ và CO2 Đồng thời, BOD 5, COD và độ dẫn điện tăng đáng kể do sự hòa tan các axit hữu cơ, trong khi kim loại nặng và một số thành phần dinh dưỡng cũng bị hòa tan vào nước rò rỉ Nếu không có sự tuần hoàn nước rò rỉ, các thành phần dinh dưỡng sẽ bị rửa trôi khỏi BCL.

2.1.1.4 Giai đoạn IV: Sinh metan

Trong giai đoạn này, vi khuẩn metan, nhóm vi sinh vật kị khí nghiêm ngặt, chuyển hóa axit acetic và H2 thành CH4 và CO2 Sự hình thành metan và axit diễn ra đồng thời, nhưng sự hình thành axit giảm đáng kể Quá trình chuyển hóa này làm tăng pH của nước rò rỉ lên giá trị trung tính từ 6,8 đến 8, đồng thời giảm giá trị BOD5, COD, nồng độ kim loại nặng và độ dẫn điện Mặc dù vậy, nước rò rỉ vẫn chứa một số ion kim loại.

2.1.1.5 Giai đoạn V: Giai đoạn ổn định (maturation phase)

Giai đoạn ổn định diễn ra khi các chất hữu cơ dễ phân hủy được chuyển hóa thành CH4 và CO2 Khi độ ẩm tiếp tục thấm vào chất thải mới, quá trình chuyển hóa lại tiếp tục, nhưng tốc độ sinh khí giảm đáng kể Điều này xảy ra do hầu hết các chất dinh dưỡng đã bị rửa trôi trong các giai đoạn trước, và các chất còn lại chủ yếu là những chất phân hủy chậm.

2.1.2 Động học của quá trình phân hủy kị khí chất thải rắn hữu cơ

Tốc độ phân hủy kị khí của các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện môi trường Để dự đoán và xác định chính xác tốc độ này, việc hiểu rõ động học của quá trình phân hủy là rất quan trọng.

Từ nghiên cứu của Eastman và Ferguson (1981)[12] và nghiên cứu của T.Brummeler

Nghiên cứu năm 1993 chỉ ra rằng đối với cơ chất dạng rắn, động học bậc 1 là phương pháp phù hợp nhất Phương trình phân hủy của cơ chất theo động học bậc 1 có thể được biểu diễn một cách cụ thể.

Trong đó, k là hằng số tốc độ phân hủy

CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CTR TRONG BÃI CHÔN L ẤP

Các kỹ thuật nâng cao độ ổn định sinh học của chất thải trong sinh học bao gồm tuần hoàn nước rác, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, cũng như bổ sung dinh dưỡng và vi sinh vật Những phương pháp này giúp phân hủy chất thải hiệu quả trong bãi chôn lấp, giảm phát thải khí sau khi đóng bãi, giảm lượng nước rác trong quá trình hoạt động và đóng bãi, đồng thời tăng cường sự ổn định cho bãi chôn lấp (Warith et al., 1999).

2.2.1.1 Xử lý sơ bộ (cắt, nghiền, giảm kích thước)

Việc giảm kích thước chất thải giúp cải thiện khả năng tiếp xúc giữa chất thải và vi sinh vật trong khối ủ, từ đó thúc đẩy quá trình tạo ra metan Điều này đồng nghĩa với việc đáp ứng các yêu cầu về độ ẩm, chất nền và vi sinh vật cần thiết cho quá trình phân hủy Ngoài ra, việc giảm kích thước chất thải rắn có thể dẫn đến việc tiêu thụ oxy nhanh hơn, gia tăng tốc độ phân hủy và sản xuất metan sớm hơn.

Kết quả thử nghiệm năm 1982 cho thấy việc giảm kích thước chất thải tạo ra nước rác có nồng độ COD cao hơn và pH tối thiểu thấp hơn so với chất thải không được giảm kích thước (Buivid et al., 1981).

Nghiên cứu cho thấy kích thước chất thải rắn nhỏ hơn giúp phân hủy sinh học nhanh hơn, với việc xé nhỏ chất thải là một phương pháp hiệu quả để cải thiện quá trình này Việc giảm kích thước tăng khả năng tiếp xúc bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả thu hồi khí và phân hủy nhanh (Palmowski và Muller, 1999) Hartmann et al (1999) chỉ ra rằng khả năng thu khí biogas tăng 25% khi chất thải rắn được tiền xử lý bằng phương pháp cơ học Tương tự, Angelidaki và Ahring (1999) cũng cho rằng lượng biogas trung bình sinh ra tăng 17% sau quá trình xử lý cơ học.

Phương pháp giảm kích thước chất thải giúp tăng khối lượng chất thải chôn lấp, từ đó nâng cao mật độ chất thải (Eastman và Ferguson, 1981) Việc băm nhỏ chất thải làm tăng diện tích bề mặt và tính đồng nhất, giúp loại bỏ các yếu tố cản trở khả năng phân bố độ ẩm, đặc biệt là từ những vật liệu khó thấm như bao nilon và da.

Nhược điểm của việc giảm kích thước chất thải trước khi chôn lấp là chi phí cao Để nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải tại bãi chôn lấp, phương pháp này cần kết hợp với các kỹ thuật khác như tuần hoàn nước rỉ Thêm vào đó, tại Việt Nam, công tác phân loại chất thải rắn (CTR) tại nguồn còn yếu, dẫn đến khó khăn trong việc áp dụng cho CTR chứa nhiều tạp chất vô cơ.

2.2.1.2 Phối trộn các nguồn khác

Nghiên cứu của Kinman et al [34] đã chỉ ra rằng việc bổ sung chất đệm có ảnh hưởng tích cực đến quá trình phân hủy chất thải rắn trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Việc bổ sung bùn thô và bùn từ hệ thống xử lý nước thải vào khối chất thải không chỉ cung cấp độ ẩm mà còn bổ sung vi sinh vật và chất dinh dưỡng, đồng thời giúp duy trì độ pH trung tính Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung bùn, đặc biệt là từ hệ thống xử lý nước thải, có thể cải thiện hiệu quả phân hủy chất thải và tăng lượng khí sinh học Các nghiên cứu của Lawency et al (2009) và Mehta et al (2002) đã khẳng định những lợi ích này.

Phương pháp phối trộn chất thải có ưu điểm là cung cấp độ ẩm và duy trì pH, đồng thời bổ sung chất dinh dưỡng và vi sinh vật, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy sinh học Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần nghiên cứu tỷ lệ phối trộn phù hợp cho từng loại chất thải để tối ưu hóa quá trình phân hủy.

2.2.2 Phương pháp tác động nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến những sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Để nâng cao hiệu quả xử lý CTR, các nghiên cứu cần thiết lập môi trường nhiệt độ phù hợp cho vi sinh vật (VSV) hoạt động, từ đó cải thiện khả năng phân hủy và tăng tỷ lệ sinh khí metan, giúp ổn định chất thải nhanh chóng hơn.

Vi sinh vật metan hóa không hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, với sản lượng khí sinh học (biogas) gần như không đáng kể khi nhiệt độ giảm xuống dưới 10°C Hai khoảng nhiệt độ tối ưu cho quá trình phân hủy kị khí là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối đa.

- Khoảng nhiệt độ của vi sinh ưa ấm (mesophilic): nhiệt độ dao động trong khoảng 20 - 40 0 C, tối ưu 30-35 0 C

- Khoảng nhiệt độ của vi sinh ưa nóng(thermophilic): nhiệt độ tối ưu trong khoảng 50- 65 0 C

Castillo et al (2006) [37]nhận thấy rằng, nhiệt độ vận hành hệ thống thích hợp nhất là

35 0 C trong khoảng thời gian 18 ngày trong khi có một sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ từ

35 0 C xuống 30 0 C làm cho sản lượng khí metan giảm (Chae et al., 2008)[14] Nhìn chung, nhiệt độ trong khoảng 35-37 0 C là thích hợp nhất cho quá trình sinh khí metan

Phương pháp xử lý nhiệt hiện nay chưa được áp dụng phổ biến do chi phí cao Bên cạnh đó, hiệu quả trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và chất rắn cũng bị giới hạn trong một bán kính nhất định.

2.2.3 Phương pháp điều chỉnh pH khối ủ

Nghiên cứu của Ward et al (2008) chỉ ra rằng pH thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí nằm trong khoảng 6,8 – 7,2, tương đồng với các nghiên cứu trước đó của Huber et al (1982), Yang và Okos (1987), và Agdag và Sponza (2007) Đồng thời, Lee et al (2009) cho thấy phản ứng metan hóa trong phân hủy kị khí diễn ra ở pH từ 6,5 đến 8,2, trong khi quá trình thủy phân và axit hóa xảy ra tại pH 5,5 và 6,5 (Kim et al., 2003).

2.2.4 Phương pháp bổ sung dinh dưỡng

Nghiên cứu cho thấy việc bổ sung Nitơ (N) và Phospho (P) có thể kích thích sản xuất metan và làm giảm nhanh chóng nồng độ COD và BOD5 trong nước rỉ rác, như được chỉ ra bởi Pohland (1992) và Warith.

Nghiên cứu của Leushner (1989) và Stegmann (1983) cho thấy việc bổ sung các chất dinh dưỡng N, P vào nước rác tuần hoàn giúp rút ngắn giai đoạn phân hủy sinh học và thúc đẩy sự hình thành khí metan sớm hơn Ngược lại, Hartz et al (1982) và Tittlebaum (1982) chỉ ra rằng việc kiểm soát chất dinh dưỡng không ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của chất thải Tỉ lệ các thành phần dinh dưỡng lý tưởng cho quá trình metan hóa là C:N:P:S 600:15:5:3 Tuy nhiên, nồng độ amonia cao có thể ức chế cả quá trình sinh học và metan hóa, như nghiên cứu của Fricke et al (2007) đã chỉ ra Cụ thể, Sawayama et al (2004) phát hiện rằng nồng độ ammonia vượt quá 6000 mg/L sẽ làm giảm sự hình thành khí metan, với sản lượng metan giảm 10% ở nồng độ 1670–3720 mg N-NH4/L, giảm 50% ở nồng độ 4090–5550 mg N-NH4/L, và hoàn toàn không thu được khí metan khi nồng độ đạt 5880–6000 mg N-NH4/L.

2.2.5 Phương pháp tuần hoàn nước rỉ rác

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1.1 C ấu tạo của mô hình Để nghiên cứu nâng cao hiệu quả phân hủy CTRSH, 03 mô hình nghiên cứu được thiết kế giống nhau, bao gồm:

 Mô hình đối chứng (MH1): mô phỏng điều kiện của BCL thực tế; không tuần hoàn nước rỉ rác và không bổ sung chế phẩm sinh học

 Mô hình tuần hoàn nước rỉ: gồm 02 mô hình có tỷ lệ tuần hoàn nước rỉ rác khác nhau

 Tuần hoàn nước rỉ rác với tải trọng thủy lực là 7,64mL/m 2 h (MH2.1);

 Tuần hoàn nước rỉ rác với tải trọng thủy lực là 11,46 mL/m 2 h (MH2.2)

 Mô hình kết hợp tuần hoàn nước rỉ và bổ sung chế phẩm vi sinh: gồm 02 mô hình có lượng chế phẩm bổ sung khác nhau

 Tuần hoàn nước rỉ (7,64mL/m 2 h) và bổ sung chế phẩm 20 ppm (MH3.1);

 Tuần hoàn nước rỉ (7,64 mL/m 2 h) và bổ sung chế phẩm 30 ppm (MH3.2)

Cấu trúc của mô hình được trình bày ở hình 3.1

Mô hình nghiên cứu hình trụ thẳng đứng được thiết kế bằng nhựa với độ dày 30mm, đường kính 200mm, chiều cao 1,3m, dung tích 30L và thể tích làm việc khoảng 22L Mô hình thí nghiệm này được phát triển dựa trên các nghiên cứu về xử lý chất thải rắn đô thị của các tác giả quốc tế như Sanphoti et al (2003) và Bilgili et al (2009).

Mô hình thiết bị được lắp đặt trên chân đế cao 300mm, với lớp bảo ôn bằng bông thủy tinh tổng hợp dày 50mm giúp duy trì nhiệt độ phản ứng ổn định ở mức 30 – 32 độ C Để đảm bảo điều kiện kị khí, thiết bị phản ứng được đóng kín bằng các miếng đệm cao su và dán cao su mềm có khả năng chịu được môi trường axit.

Hệ thống lưu chứa, phân phối và tuần hoàn nước rỉ rác được thiết kế liên kết chặt chẽ với hệ thống phân hủy kị khí, đảm bảo tính kín và ổn định nhiệt độ Bể lưu chứa có dung tích 7L, góp phần vào hiệu quả xử lý chất thải.

Hình 3.1 Mô hình thí nghiệm dạng đứng

CTR ủ có độ dày trung bình 700 mm và được phủ một lớp cát dày 60 mm với kích thước hạt 0,5 mm, giúp tạo ra môi trường kị khí cho quá trình phân hủy chất thải rắn Mô hình này còn được trang bị cửa nạp liệu để lấy mẫu chất thải rắn trong quá trình nghiên cứu.

Dưới đáy thiết bị phản ứng, có lớp sỏi dày 90 mm với kích thước hạt nhỏ hơn 10 mm, có chức năng lọc cặn từ nước rỉ rác, và nước rỉ sẽ được thu gom tại bể chứa.

Khí biogas được thu gom từ đỉnh thiết bị qua ống thu có đường kính 20 mm Tốc độ và lượng khí sinh học được sản xuất được xác định thông qua bộ đếm khí.

Bể phản ứng được trang bị đầu dò nhiệt độ đặt ngay trung tâm khối ủ, cho phép giám sát nhiệt độ một cách trực tiếp thông qua giá trị hiển thị trên đồng hồ đo nhiệt độ điện tử.

Mô hình nghiên cứu được triển khai tại sân thí nghiệm của Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc ĐH Quốc gia Tp.HCM, với nhiệt độ môi trường dao động xung quanh mức 30 độ C.

Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình đối chứng và hai mô hình tuần hoàn nước rỉ trong 32 tuần, từ tháng 5/2011 đến tháng 1/2012 Tiếp theo, từ tháng 2/2012 đến tháng 10/2012, nghiên cứu tập trung vào hai mô hình tuần hoàn nước rỉ kết hợp với việc bổ sung chế phẩm vi sinh.

Chất thải rắn sinh hoạt được nén đến độ nén tương đương với CTR tại các bãi chôn lấp

Khối lượng CTRSH được đưa vào các mô hình là 16,5 kg, với mật độ khoảng 750 kg/m³ Độ dày của khối ủ đạt 700 mm, và để đảm bảo điều kiện kỵ khí trong toàn bộ mô hình, lớp cát được phủ lên bề mặt khối ủ.

Nước rỉ rác được thu gom từ đáy hệ thống và được tuần hoàn bằng bơm nhu động với lưu lượng thay đổi từ 4 – 6 mL/ph, tương ứng với tải trọng thủy lực là 7,64.

Lượng nước tuần hoàn 11,46 mL/m².h được phân phối đồng đều qua đầu vòi tưới, giúp nước phun mịn tiếp xúc đều với cây trồng (CTR) ở các lớp khác nhau và rơi vào bể lưu chứa nước rác.

Bộ đếm khí hoạt động bằng cách sử dụng dung dịch NaOH để hấp thụ khí CO2 và H2S sinh ra trong quá trình phân hủy kị khí Sau khi khí được hấp thụ, hàm lượng khí tăng lên và khi đạt đến thể tích nhất định, sẽ kích thích bẫy khí quay một lần Lúc này, bộ đếm khí sẽ tự động ghi lại số lần quay, cho phép theo dõi chính xác lượng khí phát sinh.

53 lần đếm là 9mL Ghi nhận số lần đếm khí sẽ tính toán được lượng khí sinh ra hằng ngày, hằng tuần

Chất thải rắn được thu gom từ cửa nạp liệu của thiết bị, trong khi nước rỉ rác được lấy từ van xả đáy Khí biogas phát sinh được thu hồi qua bộ đếm khí ở đỉnh thiết bị.

Mô hình đối chứng mô phỏng điều kiện thực tế của bãi chôn lấp, trong đó CTRSH được nén đến độ tương đương với CTR tại bãi chôn lấp Quá trình ủ tự nhiên của CTR diễn ra trong môi trường khép kín, đảm bảo phân hủy kỵ khí Nhiệt độ trong khối ủ được duy trì và theo dõi liên tục bằng đầu dò nhiệt độ, trong khi nước rỉ rác sinh ra không được tuần hoàn trở lại và khí sinh ra được thu gom ở đỉnh mô hình.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH ĐỐI CHỨNG

Mô hình đối chứng thể hiện điều kiện thực tế của bãi chôn lấp, bao gồm quá trình nén CTR, ủ kị khí và tình trạng không tuần hoàn nước rỉ rác Kết quả của việc vận hành mô hình này được trình bày chi tiết trong các hình từ 4.1 đến 4.7.

4.1.1 Bi ến đổi pH của nước rỉ

Sau 32 tuần vận hành, sự thay đổi pH được thể hiện trong hình 4.1

Trong mô hình đối chứng, giá trị pH của nước rỉ biến đổi theo thời gian, bắt đầu với mức pH thấp dưới 6 trong 5 tuần đầu Sau đó, pH tăng nhanh lên 7 trong 4 tuần tiếp theo và tiếp tục tăng chậm, đạt giá trị trung tính 7,45 vào tuần thứ 12.

pH trong quá trình nghiên cứu tiếp tục thay đổi nhưng không đáng kể, đạt giá trị ổn định Ban đầu, pH giảm sau đó nhanh chóng tăng lên và ổn định, tùy thuộc vào các quá trình sinh hóa do phân hủy chất thải rắn (CTR) Một số phản ứng quan trọng bao gồm quá trình bẻ gãy liên kết polymer tạo thành axit hữu cơ, H2 và CO2; quá trình trao đổi chất của vi khuẩn với protein, chất béo và carbohydrate, dẫn đến sản phẩm cuối cùng là các axit như axit acetic, propionic và lactic; và quá trình dị hóa carbohydrate (Metcalf Eddy, 2003).

Quá trình hình thành axit và các hợp chất đệm ảnh hưởng đến pH của nước rỉ, với giai đoạn đầu của phân hủy kị khí có pH thấp do vi khuẩn thủy phân và axit hóa Từ tuần thứ 16, vi khuẩn metan thích nghi và chuyển hóa sản phẩm thành biogas, làm tăng pH lên giá trị trung tính và kiềm nhẹ, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành ammonia mà không ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của vi khuẩn metan.

4.1.2 Bi ến đổi BOD 5 và COD c ủa nước rỉ rác

COD và BOD 5 trong nước rỉ rác được trình bày trong hình 4.2

Hình 4.2 Sự biến thiên BOD5 và COD của nước rỉ theo thời gian trong mô hình đối chứng

Chất hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hệ vi sinh vật, với hai thông số chính là COD và BOD5 để đo lường hàm lượng chất hữu cơ Nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm cho thấy giá trị COD và BOD5 của nước rỉ rác trong mô hình đối chứng ban đầu rất cao, lần lượt là 45.235 mg/L và 42.195 mg/L Trong ba tuần đầu, COD và BOD5 tăng lên, sau đó giảm dần theo thời gian Đến tuần thứ 32, nồng độ COD giảm xuống còn 8.647 mg/L.

Trong 6 tuần đầu vận hành, nồng độ BOD5 trong nước rỉ rác cao, sau đó giảm dần sau 32 tuần, đạt giá trị 4.387 mg/L Kết quả này tương đồng với nghiên cứu của Warith (2002) và Pohland et al (1993).

Trong 3 tuần đầu tiên, COD tăng là do các vi khuẩn thủy phân và hòa tan cơ chất vào trong nước, các chất hữu cơ đơn giản hoà tan được hình thành, thích hợp cho các vi khuẩn hình thành axit trong giai đoạn 2 (hình thành axit) Sau đó, COD giảm nhanh trong các tuần vận hành tiếp theo do sự hình thành các monomer trong quá trình thủy phân bởi vi khuẩn thủy phân, sau đó được biến đổi thành axit hữu cơ, H2 và CO 2 bằng các vi khuẩn hình thành axit (acetogenic bacteria)

Tỉ lệ BOD5/COD phản ánh sự biến đổi hàm lượng các hợp chất sinh học trong nước rỉ rác Trong giai đoạn đầu, tỉ lệ này có thể vượt quá 90% do sự hòa tan của các hợp chất dễ phân hủy Tuy nhiên, trong các tuần tiếp theo, quá trình phân hủy hữu cơ qua lên men metan dẫn đến sự giảm dần của tỉ lệ BOD5/COD Đến tuần thứ 10, tỉ lệ này giảm xuống còn 0,78 và tiếp tục giảm còn 0,44 Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Warith (2002) Tỷ lệ BOD5/COD trong 32 tuần khảo sát được thể hiện trong bảng 4.1.

Bảng 4.1 Tỷ lệ BOD5/COD trong mô hình đối chứng

4.1.3 Bi ến đổi nồng độ chất thải rắn lơ lửng

Sự biến đổi nồng độ chất thải rắn trong mô hình đối chứng được trình bày trong hình 4.3

Hình 4.3 Sự biến thiên giá trị SS theo thời gian trong mô hình đối chứng

Nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước rỉ rác ban đầu đạt khoảng 30.000 mg/L, nhưng sau 32 tuần vận hành mô hình phân hủy tự nhiên MH1, nồng độ này giảm xuống còn khoảng 3.000 mg/L Trong 15 tuần đầu, chất rắn lơ lửng giảm nhanh từ 30.000 mg/L xuống 10.000 mg/L Theo đánh giá của Kylefors và Lagerkvist (1997), nồng độ chất rắn lơ lửng giảm trong quá trình phân hủy kị khí sinh học khi chuyển từ giai đoạn axit hóa sang metan hóa.

4.1.4 Bi ến đổi VFA và độ kiềm

VFA (Axit béo bay hơi) là sản phẩm của quá trình thủy phân và axit hóa, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy kị khí Nồng độ VFA trong nước rỉ rác đầu vào dao động từ 245 đến 435 meq/L và thường không ổn định trong suốt quá trình vận hành Sự tích lũy VFA dẫn đến sự chiếm ưu thế của vi khuẩn axit hóa và giảm tính đệm của hệ thống Ngoài ra, VFA sinh ra không được sử dụng trong quá trình metan hóa, kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Pin-Jing He et al (2007).

Nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) thay đổi trong suốt quá trình vận hành, với giai đoạn đầu chủ yếu là các phản ứng thủy phân và axit hóa Trong giai đoạn này, các hợp chất hữu cơ như đường, lipid và axit amin được chuyển hóa thành các axit, bao gồm axit formic (HCOOH), axit axetic (CH3COOH), axit propionic (CH3CH2COOH), axit iso-butylic (CH3CH2CH2COOH) và axit iso-valeric.

Axit béo bay hơi (VFA), với công thức hóa học CH3-CH2-CH2-CH2-COOH, có khả năng phân ly để giải phóng ion H+, dẫn đến sự gia tăng nồng độ VFA Tiếp theo, quá trình metan hóa sẽ chuyển đổi các VFA thành khí metan, CO2 và H2O, khiến nồng độ VFA đầu ra giảm so với đầu vào.

Kết quả vận hành VFA và độ kiềm được trình bày trong hình 4.4.

Trong mô hình đối chứng, độ kiềm của nước rỉ đã tăng từ 1.476 đến 4.587 mgCaCO3/L sau 32 tuần vận hành Sự gia tăng độ kiềm diễn ra nhanh chóng trong 11 tuần đầu, sau đó tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm hơn.

Thời gian, tuần Độ kiềm, mgCaCO3/L

Sự gia tăng độ kiềm tỷ lệ thuận với hàm lượng cơ chất được xử lý và quá trình giải phóng HCO3- và NH3 Khi hiệu quả xử lý tăng hoặc vận hành với tải trọng hữu cơ cao, khả năng phân hủy cơ chất lớn hơn, dẫn đến việc giải phóng HCO3- và NH3 tăng lên, từ đó làm tăng đáng kể độ kiềm và pH.

Một số thành phần khác như muối của axit hữu cơ cũng tương tác với CO2 góp phần gia tăng độ kiềm

Hình 4.5 Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo thời gian trong mô hình đối chứng

Bảng 4.2.Tỷ lệ VFA/độ kiềm trong mô hình đối chứng

Thời gian (tuần) Tỉ lệ VFA/độ kiềm

Tỷ lệ VFA/độ kiềm thể hiện sự cân bằng giữa các hợp chất làm giảm pH và các hợp chất ổn định pH Sự thay đổi làm tăng tính axit và giảm tính đệm cho thấy sự mất cân bằng giữa lượng axit hình thành và tiêu thụ Tỷ lệ này là công cụ hiệu quả để theo dõi sự ổn định trong quá trình phân hủy kị khí.