Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện việt nam

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam” tìm hiểu công nghệ ủ kỵ khí CTR hữu cơ đ

Nguyễn Thị Thu Hà

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn

Mã số: 9520320 – 1

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Hoàng Dương Tùng

2 GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái

Hà Nội - Năm 2021

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài luận án

Quản lý chất thải rắn là một vấn đề đang nhận được sự quan tâm của cộngđồng và là điểm nóng trong công tác bảo vệ môi trường tại Việt Nam hiện nay.Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá mạnh mẽ, lượng chất thải cũngliên tục gia tăng, tạo sức ép rất lớn đối với công tác bảo vệ môi trường Ở Việt Nam,lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) phát sinh khoảng khoảng 25,5 triệu tấn, dựbáo sẽ tăng lên 54 triệu tấn vào năm 2030 [4]

Trước sự gia tăng nhanh chóng của chất thải rắn, công tác quản lý, xử lýtrong thời gian qua vẫn chưa thực sự đáp ứng được yêu cầu về bảo vệ môi trường,gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng như các bãi rác không hợp vệ sinh,các lò đốt rác không có hệ thống xử lý khí hoặc xử lý không đạt yêu cầu, các nhàmáy xử lý chất thải gây ô nhiễm Cho đến thời điểm này vẫn chưa có mô hìnhcông nghệ xử lý CTR nào thực sự mang lại hiệu quả CTRSH hiện nay chủ yếu vẫn

là chôn lấp, trong đó chỉ có khoảng 30% các bãi chôn lấp hợp vệ sinh [4] Vì vậy,quản lý và xử lý an toàn chất thải, đặc biệt là việc lựa chọn các công nghệ xử lýCTR phù hợp, nhằm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường và hạn chế các tácđộng xấu tới sức khỏe con người là một trong những vấn đề cấp bách trong công tácbảo vệ môi trường ở nước ta trong giai đoạn hiện nay Chiến lược Quốc gia về quản

lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 cũng nêu rõ mục tiêu các

đô thị phải có công trình tái chế CTR phù hợp với việc phân loại tại hộ gia đình;tăng cường khả năng tái chế, tái sử dụng, xử lý kết hợp thu hồi năng lượng hoặc sảnxuất phân hữu cơ [36]

Việt Nam là nước có điều kiện khí hậu nhiệt ẩm, thành phần hữu cơ trong CTRsinh hoạt chiếm tỷ lệ cao, do đó thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học Nước ta lại

là nước nông nghiệp nên có thị trường tiêu thụ các sản phẩm phân bón Bên cạnh đó,các nhà máy xử lý hiếu khí đã được xây dựng nhưng hoạt động không hiệu quả.Phương pháp sinh học kỵ khí đang nhận được nhiều sự quan tâm, đầu tư phát triển trên

thế giới, mang lại nhiều hiệu quả rõ rệt không chỉ xử lý được thành phần hữu cơ gây

ô nhiễm cho các đô thị mà còn tạo ra được nhiều sản phẩm có giá trị

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam” tìm hiểu công nghệ ủ kỵ khí CTR hữu cơ để xử lý CTR hữu cơ ngay tại các hộ và cụm hộ gia

đình, đưa ra một số thông số vận hành chính trên mô hình thực tế để mang lại hiệuquả xử lý và sử dụng phân mùn đầu ra để tạo ra các sản phẩm nông nghiệp đưa rathị trường tiêu thụ, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng và chuyển giao cáctiến bộ khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt ra và đáp ứng mục tiêu của Chiến lượcQuốc gia về quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050

2 Mục đích, mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án

Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là nghiên cứu công nghệ ủ kỵ khínhằm mang lại hiệu quả xử lý CTR hữu cơ và tạo ra phân mùn đầu ra có chất lượngtốt, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng và chuyển giao các tiến bộ khoahọc kỹ thuật mà Nhà nước đặt ra

Mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khíphù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm giảm thiểu CTR hữu cơ ngay tại nguồn phát

sinh theo mục tiêu đề ra trong Chiến lược quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầmnhìn 2050

- Thử nghiệm mô hình xử lý CTR hữu cơ quy mô hộ và cụm hộ gia đình, làm

cơ sở cho việc xác định được các thông số vận hành và cơ chế động học khi có bổ sungcác chất phối trộn khác nhau (chế phẩm vi sinh, vụn cá) trong quá trình ủ kỵ khí thànhphần hữu cơ trong CTRSH

- Xác định được hiệu quả ứng dụng của sản phẩm sau ủ bằng việc sử dụngphân mùn sau xử lý để tạo ra các sản phẩm nông nghiệp có giá trị và đưa ra thị trườngtiêu thụ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thành phần hữu cơ trong CTR sinh hoạt khu vực đô thị và nông thôn và cây trồng thử nghiệm chất lượng phân mùn của quá trình ủ thành phần hữu cơ này

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và mô hình pilot hiện trường quy mô hộ

và cụm hộ gia đình ở khu vực đô thị và nông thôn

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

- Phương pháp kế thừa, thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: Thu thập các tàiliệu và số liệu liên quan đến công nghệ ủ kỵ khí ấm, đến chất thải rắn hữu cơ đã có trong

và ngoài nước Phân tích tổng quan, kế thừa và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã thựchiện

- Phương pháp nghiên cứu, phân tích thực nghiệm: tiến hành chạy mô hìnhthực nghiệm phân hủy kỵ khí thành phần hữu cơ trong CTRSH trong phòng thí

nghiệm và ngoài hiện trường Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ở điều kiện lênmen ấm với nhiệt độ ổn định 300C, nghiên cứu ngoài hiện trường thực hiện vào 2mùa: mùa đông và mùa hè

- Phương pháp khảo nghiệm phân bón: sử dụng phân mùn sau xử lý bón cho cây trồng để khẳng định hiệu quả và chất lượng của mùn sau ủ

- Phương pháp phân tích thống kê: áp dụng phương pháp toán học để hiệu chỉnh và phân tích số liệu thực nghiệm

- Phương pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong suốtquá trình thực hiện luận án và qua các lần bảo vệ chuyên đề, hội thảo Bên cạnh cácchuyên gia về công nghệ và kỹ thuật xử lý CTR, nghiên cứu sinh đã tham khảo ý kiếncủa các chuyên gia Viện Công nghệ Môi trường về các chế phẩm sinh học, các chuyêngia của Học viện Nông nghiệp Việt Nam về quy trình kiểm nghiệm và khảo nghiệm chấtlượng phân bón, lựa chọn loại rau và quy trình trồng rau

5 Cơ sở khoa học của nghiên cứu

Để giải quyết vấn đề cần nghiên cứu, luận án đã sử dụng các cơ sở khoa họcsau:

- Cơ sở lí luận về xử lý CTR hữu cơ: Luận án nghiên cứu các công nghệ xử

lý CTR hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam, sự chuyển hóa của các chất trong quá trình ủkỵ khí, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ kỵ khí, lý thuyết cân bằng vật chất, từ đóxây dựng các mô hình thí nghiệm, thiết lập cân bằng vật chất cho VS, C, N, P, phươngtrình hệ số tốc độ phân hủy, phương trình tính toán lượng khí thu được theo mô hínhGompertz cải tiến và mô hình BPK Luận án cũng nghiên cứu quy trình khảo nghiệmchất lượng phân bón và các văn bản liên quan đến chất lượng phân bón để xây dựng thínghiệm trồng rau đánh giá chất lượng phân mùn đầu ra của các mô hình ủ kỵ khí CTRhữu cơ

- Cơ sở thực tiễn: Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu cơ trong

phòng thí nghiệm để đánh giá các chế phẩm vi sinh, các tỷ lệ phối trộn vụn cá thải, thờigian ủ và các giai đoạn ủ Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu cơ ngoài hiệntrường để đánh giá hiệu quả của các mô hình thí nghiệm vào các mùa khác nhau Thôngqua kết quả thí nghiệm trồng rau để khảo nghiệm chất lượng phân mùn đầu ra của các môhình thí nghiệm xử lý CTR hữu cơ

6 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về các công nghệ ủ kỵ khí xử lý CTRHC trongCTRSH và tình hình áp dụng các công nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam Tìm hiểucác tài liệu, các nghiên cứu đã và đang thực hiện trong nước và nước ngoài có liên quanđến lĩnh vực của đề tài

- Xây dựng mô hình thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm và môhình pilot hiện trường Đánh giá khả năng xử lý CTR hữu cơ bằng phương pháp phânhủy kỵ khí ở Việt Nam Nghiên cứu quá trình chuyển hóa các chất trong xử lý kỵ khíthành phần hữu cơ trong CTRSH, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

- Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định chế phẩm vi sinh phù hợp,xác định tỷ lệ chất thải vụn cá để phối trộn xử lý cùng chất thải rắn hữu cơ, xác định thờigian ủ giai đoạn 1 của quá trình ủ 2 giai đoạn.

- Nghiên cứu triển khai ứng dụng thực tế ngoài hiện trường ở các quy mô vàomùa đông và mùa hè: ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô nhỏ trong thùng ủ phù hợp cho việc xử

lý phân tán tại chỗ cho các hộ gia đình; ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô cụm hộ gia đìnhtrong bể ủ, và ủ kỵ khí 2 giai đoạn

- Đánh giá chất lượng sản phẩm đầu ra của các mô hình thí nghiệm: phântích chất lượng phân mùn đầu ra, thí nghiệm trồng cây để đánh giá hiệu quả của phânmùn, lượng hóa giá trị của sản phẩm khí Biogas thu được

- Thiết lập cân bằng hàm lượng chất rắn bay hơi VS, cân bằng hàm lượng cácchất dinh dưỡng C, N, P của các mô hình Xây dựng mô hình động học của quá trìnhphân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ và tính toán phương trình của hệ số tốc độ phânhủy

7 Những đóng góp mới của luận án

- Luận án đã đưa ra được mô hình ủ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ từ sinhhoạt quy mô hộ và cụm hộ gia đình và xác định được các thông số, điều kiện ủ phù hợp

về thành phần phối trộn (chế phẩm sinh học Sagi Bio và vụn cá thải), tỉ lệ phối trộn(20:1), thời gian ủ (15 ngày cho giai đoạn 1 ở hệ ủ 2 giai đoạn, 40 ngày cho ủ 1 giaiđoạn)

- Thiết lập được cân bằng hàm lượng chất rắn bay hơi VS và các thành phần

C, N , P của các mô hình thí nghiệm và phân tích động học, xác định được hệ số tốc

độ phân hủy theo phương trình k = - 0,0003.t2 + 0,0115.t – 0,0098 với R2 = 0,9547.Xác định được các phương trình tính toán lượng khí thu được theo mô hìnhGompertz cải tiến và mô hình BPK với giá trị R2>0,99

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Luận án nghiên cứu xử lý CTR hữu cơ ngay tại nguồn phát sinh, góp phần bổsung các kiến thức tham khảo về phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ quy mô hộ vàcụm hộ gia đình Kết quả của luận án giúp các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục triểnkhai các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện công nghệ ủ kỵ khí xử lý CTRhữu cơ phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã góp phần giảm thiểu CTR hữu cơ ngay từ nguồn phát sinh theođịnh hướng chung về quản lý CTR tổng hợp; xây dựng được mô hình xử lý CTRhữu cơ ở quy mô hộ và cụm hộ gia đình Kết quả này góp phần giúp các nhà quản lýxem xét và đưa ra các giải pháp xử lý CTR hữu cơ tùy vào điều kiện cụ thể của từng

đô thị Các doanh nghiệp cũng có thể sử dụng các kết quả từ luận án để cân nhắcphương án đầu tư các công trình xử lý CTR hữu cơ Các hộ gia đình và các nhóm hộgia đình có thể vận dụng các kiến thức này để tự xử lý CTR hữu cơ của gia đìnhmình, tạo ra các sản phẩm khí sinh học phục vụ cho cuộc sống gia đình và phânmùn hữu cơ bón cho cây trồng

9 Kết cấu luận án

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, mục lục, tài liệu tham khảo, danh mục công trình công bố và phụ lục, nội dung chính của luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cở sở lý luận nghiên cứu công nghệ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ.Chương 3: Mô hình và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả nghiên cứu và bàn luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về chất thải rắn hữu cơ.

1.1.1 Các khái niệm

Chất thải rắn (CTR) là chất thải ở thể rắn hoặc sệt (còn gọi là bùn thải) đượcthải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác [8]

Chất thải rắn sinh hoạt (còn gọi là rác sinh hoạt) là CTR phát sinh trong sinhhoạt thường ngày của con người [8]

Chất thải rắn hữu cơ được hiểu là CTR có thành phần là các hợp chất hữu cơ(organic compound), trong phân tử có chứa các-bon, có các liên kết cacbon-hiđrô.CTR hữu cơ thường được phân thành CTR hữu cơ dễ phân hủy và khó phân hủy(theo khả năng phân hủy sinh học), hoặc CTR hữu cơ phân hủy nhanh và phân hủychậm (theo tốc độ phân hủy sinh học) CTR hữu cơ phân hủy nhanh thường phânhủy hoàn toàn trong thời gian tối đa là 5 năm, trên 5 năm là CTR hữu cơ phân hủychậm [23]

Xử lý chất thải là quá trình sử dụng các giải pháp công nghệ, kỹ thuật (khácvới sơ chế) để làm giảm, loại bỏ, cô lập, cách ly, thiêu đốt, tiêu hủy, chôn lấp chấtthải và các yếu tố có hại trong chất thải [8]

Ủ sinh học là quá trình ổn định sinh hoá các chất hữu cơ để tạo thành các chấtmùn với thao tác sản xuất và kiểm soát một cách khoa học, tạo môi trường tối ưu chophản ứng chuyển hóa CTR hữu cơ thành các chất dinh dưỡng thuận lợi cho quá trìnhhấp thụ của cây trồng [23] Phương pháp này có thể được thực hiện với các quy môkhác nhau như quy mô hộ gia đình, quy mô nhóm cộng đồng dân cư hoặc quy mô cácnhà máy sản xuất xử lý tập trung Phương pháp này sẽ rất hiệu quả nếu CTR hữu cơ cóthành phần hữu cơ phân hủy nhanh chiếm tỷ lệ cao, không bị lẫn tạp chất

Ủ sinh học gồm ủ hiếu khí và ủ kỵ khí:

- Ủ hiếu khí: là quá trình ủ các CTR hữu cơ với các thao tác sản xuất và kiểm

soát một cách khoa học để tạo môi trường tối ưu cho quá trình phân hủy hiếu khí(bổ sung vi sinh vật hiếu khí, cung cấp O2 cho đống ủ,…) Sản phẩm của quá trình

là mùn hữu cơ, CO2, H2O [12, 23]

- Ủ kỵ khí: là quá trình ủ các CTR hữu cơ với các thao tác sản xuất và kiểmsoát một cách khoa học để tạo môi trường tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí (bổ sung

vi sinh vật kỵ khí, loại bỏ O2 trong đống ủ,…) Sản phẩm của quá trình là mùn hữu cơ,

CO2, CH4, NH3, H2S [12, 23]

1.1.2 Thành phần của CTR

Thành phần CTR phụ thuộc vào mức sống, thu nhập của các đô thị Thôngthường các đô thị có mức sống càng cao thì thành phần CTR hữu cơ phân hủynhanh (đặc biệt là CTR thực phẩm) càng thấp Theo phân loại mới nhất năm 2020của Ngân hàng Thế giới (WB), các nền kinh tế của thế giới được chia thành nước cóthu nhập thấp, trung bình thấp, trung bình và cao Các nền kinh tế có thu nhập thấpđược WB xác định là những nền kinh tế có GNI bình quân đầu người (được tínhtoán bằng phương pháp Atlas của WB) từ 1.035 USD trở xuống; từ 1.036 USD đến4.045 USD là thu nhập trung bình thấp; từ 4.046 USD đến 12.535 USD là thu nhậptrung bình cao; từ 12.536 USD trở lên là thu nhập cao Theo phân loại này, ViệtNam nằm trong nhóm nền kinh tế có mức thu nhập trung bình thấp (LMC)

Hình 1.1: Thành phần CTRSH ở một số nước [4, 23, 50, 54]

Việt Nam là nước có thành phần CTR hữu cơ trong CTRSH rất cao chiếm từ

45 – 77,1% Dự báo thành phần này đến năm 2025 cũng vẫn rất cao, khoảng trên50% [4] Thành phần chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học (thực phẩm thải) trongCTRSH của hộ gia đình chiếm tỷ lệ cao hơn các thành phần khác và thành phần này đangthay đổi theo chiều hướng giảm dần Từ năm 1995, thành phần chất thải thực phẩmchiếm tỷ lệ rất cao (80 - 96%) nhưng đến năm 2017 thành phần này giảm xuống cònkhoảng 50 - 70% [4] Trong thành phần CTR hữu cơ có cả CTR hữu cơ phân hủy nhanh

và CTR hữu cơ phân hủy chậm CTR hữu cơ phân hủy nhanh trong CTRSH ở Việt Namchủ yếu là các chất thải thực phẩm, chiếm khoảng 65-95% trong tổng lượng CTRSH[23] Điều này cho thấy Việt Nam nên phát triển công nghệ xử lý CTRSH theo phươngpháp sinh học

Bảng 1.1: Bảng các loại CTR hữu cơ trong CTRSH [23, 26]

CTR hữu cơ phân hủy nhanh

1 Thức ăn thừa, thực phẩm hết hạn sử dụng

2 Rơm, cỏ, lá thực vật, hoa các loại

3 Bã các loại: cà phê, trà (túi trà), bã mía, xác mía, cùi bắp

4. Rau, củ, quả, trái cây các loại và các phần thải bỏ từ việc sơ chế, chế biến, các loại vỏ, hạt (trừ

vỏ dừa, vỏ sầu riêng)

5 Ngũ cốc và các sản phẩm chế biến từ ngũ cốc

Thịt và các sản phẩm từ thịt; trứng và các sản phẩm từ trứng, xác gia cầm, gia súc,

6. động vật (chuột, chó, mèo, chim cảnh), phân động vật, lông động vật, côn trùng.

7 Thịt của thủy sản và sản phẩm thủy sản như: sò, ốc, nghêu, hến, tôm, cua, ghẹ

8 Khăn giấy các loại dễ phân rã, tro củi, tro trấu

9 Thức ăn cho động vật, Thức ăn cho thủy sản

CTR hữu cơ phân hủy chậm

hộ gia đình và xử lý tại chỗ, vừa giảm thiểu được CTR tại nguồn, giảm ô nhiễmphát sinh, không cần tốn chi phí vận chuyển CTR CTR hữu cơ được phân loại tạinguồn không bị lẫn tạp chất nên không cần khâu tiền xử lý phức tạp, quy trình xử lýđơn giản, không yêu cầu công nghệ cao và chất lượng sản phẩm đầu ra tốt.

1.2 Tổng quan về các công nghệ ủ sinh học kỵ khí xử lý CTR hữu cơ

Hình 1.2: Phân loại công nghệ ủ kỵ khí

1.2.1 Công nghệ ủ kỵ khí ướt 1 giai đoạn nạp liệu liên tục

CTR được chuyển sang dạng huyền phù có khoảng 10% TS bằng cách pha loãng

với nước hoặc các nguyên liệu loãng hơn như bùn từ cống rãnh hoặc phân động vật

Thủy tinh và đá phải được loại bỏ nhằm ngăn ngừa khả năng tích tụ nhanh của các chấtnày dưới đáy bể phản ứng Sau khi quá trình phân hủy, bùn lỏng được ép để lấy lại dịch

lỏng (có thể tuần hoàn trở lại cho đầu vào) và tạo ra chất rắn đã phân hủy có độ ẩmthấp để xử lý t

iếp [23]

Ưu điểm:

- Công nghệ ổn định đã được thử nghiệm và vận hành trong nhiều thập kỷ

- Tính đồng nhất của CTR hữu cơ sau khi đã qua nghiền thủy lực và phaloãng, đạt hàm lượng TS nhỏ hơn 15%, cho phép áp dụng bể phản ứng dạng khuấy trộnhoàn toàn [23]

Nhược điểm:

- Chất thải cần được tiền xử lý tốt nhằm đảm bảo độ đồng nhất và loại bỏ cácchất ô nhiễm rắn dạng thô hoặc chất thải có độc tính cao từ CTRĐT Đối với CTR

không được phân loại tại nguồn cần có các bước tiền xử lý như sau: sàng, nghiềnthủy lực, tuyển nổi Cần giảm thiểu các thành phần nặng vì chúng có thể gây hưhỏng hệ thống khuấy và bơm cũng như giảm thiểu các chất tạo bọt gây ảnh hưởngđến hiệu suất của quá trình tách khí (bioga) sinh học

- Khả năng bị tắc dòng thủy lực [23]

Hình 1.3: Công nghệ ủ kỵ khí ướt 1 giai đoạn nạp liệu liên tục Waasa, Bima [48, 60]

1.2.2 Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu liên tục

- Đặc trưng kỹ thuật

Hàm lượng TS tối ưu trong hệ thống khô một giai đoạn khoảng 20÷60% Hệthống tiền xử lý áp dụng để loại các chất rắn có kích thước lớn hơn 4-5cm Dạngthiết bị phản ứng sử dụng là kiểu dòng chảy nút (plug-flow) đơn giản về mặt kỹthuật và không cần phải có thiết bị khuấy trộn cơ học bên trong thiết bị phản ứng

Nhược điểm chính của quá trình khô là không có khả năng phân bố đều vàxoay vòng vi sinh vật cũng như chống quá tải và quá trình axit hóa Các vấn đề trên

đã được giải quyết trong hệ thống Dranco bằng xoay vòng nước rỉ [23]

- Đặc trưng sinh học

Hệ thống khô một giai đoạn có tải lượng hữu cơ cao hơn so với hệ thống ướt

do không bị ảnh hưởng bởi các chất gây ức chế từ quá trình axit hóa hoặc metanhóa Tỷ lượng sinh biogas của CTRSH: 90Nm3/tấn, chất thải làm vườn:

150Nm3/tấn, thực phẩm thải: 210÷300Nm3/tấn Tỷ lượng biogas sinh ra trong hệthống khô cao hơn hệ thống ướt có thể giải thích được do các chất phân hủy sinhhọc nhanh không bị mất đi theo các chất tạo váng/bọt hoặc lắng dưới bể phản ứng[23].

- Các vấn đề kinh tế, môi trường

Khác biệt về mặt kinh tế giữa hệ thống khô và ướt không nhiều nhưng về mặtmôi trường rất rõ rệt Hệ thống khô xử lý nước ít hơn hệ thống ướt 10 lần và do vậylượng nước thải cần xử lý sẽ ít hơn hệ thống ướt nhiều lần [23]

- Một vài hệ thống đang áp dụng trên thực tế

Hình 1.4: Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu liên tục Dranco, Kompogas và

Valorga [60]

1.2.3 Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu theo mẻ.

1) Tổng quan

Trong các hệ thống mẻ, các bể phản ứng được nạp chất thải một lần, sau đó

sẽ được vận hành qua các bước phân hủy theo chế độ khô với khoảng 40% TS Vềmặt nguyên lý, hệ thống mẻ có thể coi như một hố chôn lấp được thực hiện trongthùng nhưng tỷ lượng khí sinh học sinh ra cao hơn nhiều lần so với bãi rác trên thực

tế [23]

2) Đặc trưng kỹ thuật

Một vấn đề kỹ thuật đối với hệ thống mẻ là khả năng hệ thống thu gom nướcrỉ phía đáy bể Vấn đề này có thể giải quyết được bằng cách giảm thiểu tác động củaquá trình nén tự nhiên thông qua hạ chiều cao của lớp rác xuống còn 4m và trộn lẫnrác với các vật liệu có độ xốp cao như vụn gỗ Vấn đề an toàn cháy nổ khi tháo sảnphẩm cũng cần quan tâm [23].

3) Đặc trưng sinh học

Tải lượng hữu cơ của hệ thống nhìn chung không cao hơn so với hệ thốngmột giai đoạn liên tục, khoảng 3,6÷5,1kg VS/m3/ngày tùy thuộc vào nhiệt độ khôngkhí Trong hệ thống mẻ luân phiên, axit hữu cơ sinh ra bị chuyển hóa nhanh trong

bể ổn định, Do vậy, thành phần và tỷ lượng sinh biogas khá ổn định [23]

4) Các vấn đề kinh tế, môi trường

Do tính đơn giản về mặt kỹ thuật của hệ thống mẻ, nên suất đầu tư nhỏ hơn

hệ thống một giai đoạn liên tục khoảng 40% Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng đất của hệthống mẻ lớn hơn so với hệ thống một giai đoạn liên tục do chiều cao của bể phảnứng nhỏ hơn năm lần và tải lượng thể tích nhỏ hơn hai lần Chi phí vận hành hệthống mẻ tương đương với các hệ thống khác [23]

Hệ thống đang được áp dụng phổ biến trên thế giới là hệ thống Bekon.

Công nghệ Bekon được sử dụng tại hơn 50 nhà máy trên toàn thế giới, baogồm Mỹ, Ý, Thụy Sĩ và Mexico, và từ 2018 đang phát triển mạnh mẽ vào thị trườngÚc Đây là giải pháp tốt cho các đô thị có trên 4000 tấn CTRHC mỗi năm Với cácnhà máy được mô-đun hóa gồm nhiều Bekon mini, do đó rất dễ dàng để mở rộngquy mô, nâng cấp công suất xử lý Nó vượt trội so với các phương pháp khác dohoạt động đơn giản và mạnh mẽ, xử lý được nhiều loại chất thải hữu cơ khác nhau

và không cần tiền xử lý, vì vậy tiết kiệm được chi phí vận hành Sinh khối cũngkhông cần phải bơm qua đường ống như lên men lỏng, do đó giảm nguy cơ tắcnghẽn CTR hữu cơ được đưa vào thiết bị lên men với bộ tải bánh xe, được bổ sungcác vi khuẩn cần thiết (từ các vật liệu lên men trước đó), cửa thiết bị lên men đượcđóng lại và quá trình thanh lọc khí loại bỏ tất cả oxy trong thiết bị lên men diễn ra.Chất lỏng thoát ra từ vật liệu thải được đưa đến bể hậu lên men percolate ở phía

sau thiết bị lên men Trong quá trình phân hủy kỵ khí, percolate thường xuyên đượcphun trở lại vào vật liệu để giữ cho sinh học ổn định Các hệ thống Bekon xử lý tấtcả các loại CTRHC có TS tối thiểu 30% và độ ẩm dưới 70% [23].

Hình 1.5: Công nghệ ủ kỵ khí khô mẻ 1 giai đoạn Bekon [89]

Bảng 1.2: So sánh các hệ thống kỵ khí khô có trên thị trường [58]

Tên công Chế độ Nhiệt SRT OLR (kg VS giảm Sản lượng

Dranco Liên tục 50–55 SS-OFMSW 20–40 20 10–15 40–70 0.21–0.30

Valorga Liên tục 37–55 OFMSW 36–60 20–33 10–15 60–65 0.21–30

Ghi chú: SS-OFMSW (source sorted organic fraction of municipal solid waste): thành phần

hữu cơ của CTRĐT đã được phân loại tại nguồn

Bảng 1.3: Bảng so sánh các hệ thống ủ kỵ khí khô và ướt [72]

Đầu tư

thiết bị

Bắt nguồn từ Có thể xử lý

OLR cao; tiền xử

xử lý nước với hàm

hơn Sản lượng

Tiền xử lý Phân hủy

Yêu cầu tuần

Tái tuần hoàn phức tạp; cần không hoàn Chất nền gần nước rỉ rác; sản

thùng cố định; toàn; nhạy như ở trạng lượng khí thay đổi Nhược

chỉ áp

chi phí cao cảm với sự thái hòa tan;

vật liệu rắn

lớn; không thể áp điểm cho việc cấp thay đổi của cần quá trình dụng cho TS thấp;

nhiệt, trộn và môi trường; tiền xử lý phức phân hủy không

xử lý bùn thải cần tiền xử lý tạp hoàn toàn; lò phản

1.2.4 Công nghệ ủ kỵ khí đa giai đoạn (phổ biến là 2 giai đoạn)

Công nghệ hai hoặc đa giai đoạn là công nghệ trong đó chất hữu cơ đượcchuyển thành khí sinh học và các chất vô cơ ổn định thông qua các phản ứng sinh

hóa không nhất thiết phải xảy ra trong cùng một điều kiện Do vậy, quá trình tối ưuhóa công nghệ là thực hiện tối ưu hóa từng bước trong toàn bộ dây chuyền côngnghệ nhằm đảm bảo tối ưu cả về tốc độ phản ứng và tỷ lượng sinh khí sinh học [23].

Trên thực tế, kỹ thuật hai giai đoạn thường được áp dụng, trong đó giai đoạn

1 là giai đoạn thủy phân và axit hóa, giai đoạn 2 là giai đoạn axetat hóa và metanhóa Các hệ thống áp dụng công nghệ hai giai đoạn có khả năng tăng hoạt tính củaquá trình metan hóa thông qua việc áp dụng bể phản ứng có lưu sinh khối hoặc cácđiều kiện khác Điều này có thể làm tăng tính phức tạp về mặt kỹ thuật của hệ thốngnhưng bù lại có thể cho hiệu quả cao [23]

Hệ thống khô – mẻ 2 giai đoạn: Hai pha axit hóa và metan hóa trong hệ

thống mẻ được xảy ra biệt lập Có 2 dạng thiết kế khác nhau:

+ Dạng 1: Hệ thống mẻ luân phiên: nước rỉ từ bể phản ứng mới nạp rác tươi

có chứa nhiều axit hữu cơ được chuyển vào bể nơi đang xảy ra quá trình metan hóa, cònnước rỉ từ bể metan hóa sẽ chuyển vào bể mới để điều chỉnh pH và bicacbonat Điều nàycũng cho phép cung cấp vi sinh vật cho rác tươi

+ Dạng 2: lai ghép mẻ - UASB: trong thiết kế này, bể phản ứng ổn định đượcthay bằng bể phản ứng UASB Tại bể UASB, vi sinh vật được tích lũy dưới dạng các hạtbùn cho phép xử lý chất thải lỏng có hàm lượng axit hữu cơ cao [23]

Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ ủ kỵ khí 2 giai đoạn [72]

Hình 1.7: Công nghệ Linde-KCA ủ kỵ khí khô [75]

Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ BTA [90]

Aslanzadeh và cộng sự (2014) đã chứng minh rằng bể thứ nhất nên là quátrình thủy phân/axit hóa và bể thứ hai tối ưu hóa quá trình axetat/metan hóa Thứnhất, sản xuất hydro từ phân hủy kỵ khí hiện không hiệu quả về mặt kinh tế do chiphí làm giàu khí hydro để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng thương mại khá cao.Thứ hai, giai đoạn metan hóa (tiêu thụ hydro) và giai đoạn axetat hóa (tạo ra hydro)

nên hợp tác chặt chẽ Thứ ba, các vi khuẩn axetat hóa cũng nhạy cảm và yêu cầunghiêm ngặt với điều kiện kỵ khí; chúng không nên làm việc cùng với nhóm vikhuẩn kỵ khí tùy nghi trong giai đoạn thủy phân/axit.

Bảng 1.4: Ưu nhược điểm của công nghệ ủ kỵ khí 1 và 2 giai đoạn [23, 72]

- Hệ thống ổn định hơn

- Có thể tối ưu hóa theo từng giai đoạn

- Chi phí đầu tư thấp hơn - Sử dụng thời gian lưu và thể tích bể ủ

hiệu quả

Ưu - Chất lượng mùn đầu ra thường

- Diệt vi khuẩn gây bệnh tốt (pH thấp ởđiểm tốt hơn

giai đoạn 1)

- Kỹ thuật vận hành đơn giản

- Hiệu suất sinh khí caohơn

- Thành phần khí CH4 chiếm tỷ lệ cao,giảm chi phí lọc khí, tiết kiệm chi phí làmgiàu metan

Nhược - Không thể tối ưu hóa hệ thống - Chi phí đầu tư cao

điểm - pH không ổn định- Tính ổn định của hệ thống thấp - Kỹ thuật vận hành phức tạp

1.3 Tình hình áp dụng các công nghệ ủ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ

trên thế giới và ở Việt Nam.

1.3.1 Ở các nước phát triển

Quá trình phân hủy kỵ khí (AD - anaerobic digestion) là một trong những kỹthuật ứng dụng cổ xưa nhất Khí sinh học đã được sử dụng để làm nóng nước tắm ởAssyria (Iraq ngày nay) từ thế kỷ thứ 10 trước Công nguyên Cho đến thế kỷ 17, quátrình mới bắt đầu được nghiên cứu một cách khoa học Năm 1776, CountAlessandro Volta đã khẳng định có mối liên hệ giữa lượng chất hữu cơ phân hủy vàlượng khí cháy được tạo thành Sau đó, năm 1808, đã chứng minh được sự thành tạocủa khí methane qua quá trình phân hủy kỵ khí phân gia súc [65]

biogas thu được trong hệ thống xử lý chất thải Những tiến bộ của ngành vi sinh vậthọc khi đó có tác dụng hỗ trợ phát triển kỹ thuật này, trong đó phải kể tới cácnghiên cứu của Buswell và cộng sự vào những năm 1930 đã đặt nền móng cho việcđịnh danh các vi khuẩn kỵ khí và các điều kiện thúc đẩy sự sinh khí [66].

Khi những hiểu biết về quá trình đầy đủ hơn, các kỹ thuật áp dụng trong quátrình vận hành và điều khiển ngày càng hoàn thiện với sự ra đời của những bể ủ kíncùng các thiết bị hâm nóng và khuấy đảo nhằm tối ưu hóa quá trình phân hủy Tuynhiên, vì thời gian đó giá than đá khá rẻ và trữ lượng dầu mỏ còn rất lớn cộng thêm

sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống phân hủy hiếu khí nên khí sinh học và kỹthuật phân hủy kỵ khí ở các nước phát triển nhìn chung chưa được quan tâm Tạicác quốc gia này, quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng cùng với giáđiện rẻ đã dẫn tới kết quả là các kỹ thuật phân hủy hiếu khí chế biến compost vàchôn lấp trở thành sự lựa chọn để xử lý chất thải cho tới ngày nay Trong khi đó, tạicác nước chậm phát triển hơn như Trung Quốc và Ấn Độ, các hệ thống lên men kỵkhí loại nhỏ xuất hiện rất nhiều với mục đích chủ yếu để thu khí sinh học nấu ăn vàthắp sáng trong hộ gia đình từ các phụ phẩm nông nghiệp và chất thải sinh hoạt

Sau đó, hai cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới vào các năm 1973 và

1979 lại có tác dụng tích cực khi phát động trở lại mối quan tâm tới kỹ thuật phânhủy kỵ khí thu methane làm năng lượng Đầu tiên là tại Ấn Độ, Trung Quốc vàĐông Nam Á và sau đó là Bắc Mỹ, Châu Âu và Liên Xô Hoa Kỳ cũng đã thiết lậpchương trình phát triển năng lượng tái tạo trong đó nhấn mạnh vai trò của nănglượng sinh khối thu được từ các bể phân hủy kỵ khí Tuy nhiên, những hiểu biết vềquá trình này còn hạn chế đã dẫn tới sự thất bại của 50% hầm ủ ở Ấn Độ, TrungQuốc, Thái Lan và 80% hầm ủ ở Mỹ và châu Âu [65] Tuy nhiên, đó lại chính làđộng lực thúc đẩy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình Cùng với thời gian, kỹ thuậtphân hủy kỵ khí không chỉ được áp dụng để thu khí sinh học mà còn là một kỹ thuậtchi phí thấp để ổn định các chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi và thậm chí để xử

lý chất thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất, sản xuất thực phẩm cácloại ) [86] Gần đây, dưới áp lực của giá dầu mỏ tăng cao và những quy định ngày

càng chặt chẽ về môi trường để kiểm soát khối lượng phần chất hữu cơ trong chấtthải đem chôn lấp, kỹ thuật phân hủy kỵ khí được lựa chọn ngày càng nhiều hơn.Điển hình là hai quốc gia Đức và Đan Mạch đã cam kết tăng sản lượng khí sinh họcgấp đôi vào năm 2000 và gấp ba vào năm 2005 [41] Ngày càng nhiều các nhà khoahọc trên khắp thế giới tập trung vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ ủ kỵ khí Cácnước châu Âu sản xuất tổng cộng 76,2-102 Mt/năm phân hữu cơ từ 30-40%CTRSHĐT được hình thành [52] Tiềm năng của việc sản xuất phân ủ chất lượngtại EU ước đạt 35-40 triệu tấn /năm, tương đương với 131.000 tấn nitơ hữu cơ(3,5%) [53] Việc sử dụng phân hữu cơ trong nông nghiệp không chỉ làm giảm tổnglượng chất thải phải xử lý mà còn góp phần loại bỏ hầu hết các vi sinh vật gây bệnh,làm giảm mùi, và tạo ra một sản phẩm có giá trị [52].

Mặc dù lượng chất thải đang gia tăng trong EU-28 từ 17% lên 47%, nhưngtổng lượng rác phải xử lý đã giảm đi Chỉ thị 31/1999/EC về chôn lấp chất thải quyđịnh rằng các quốc gia thành viên phải giảm lượng CTRĐT dễ phân hủy đem chônlấp xuống xuống còn 35% vào ngày 16/7/2016 Do đó, tỷ lệ chôn lấp giảm từ 64%vào năm 1995 xuống còn 23% vào năm 2018, lượng chất thải tái chế và ủ phân đãtăng từ 39 triệu tấn (81 kg/người) năm 1995 lên 118 triệu tấn (230 kg/người) vàonăm 2018 với tỷ lệ trung bình hàng năm là 4,9% [53]

Hình 1.9: Xử lý CTRĐT ở EU-28 giai đoạn 1995-2018 [52]

Triển vọng đối với phân hủy kỵ khí ở châu Âu theo 2 hướng: một là xây dựngcác nhà máy mới xử lý CTRSH bằng công nghệ ủ kỵ khí thu hồi khí sinh học, hai là bổsung các bể phản ứng kỵ khí vào giai đoạn đầu quá trình xử lý của các nhà máy ủ hiếukhí đã được xây dựng ở châu Âu được 15 đến 20 năm và đang bị lão hóa, cần nâng cấp.Hiện nay, đa số các hồ sơ dự thầu của Tạp chí Bổ sung công của Liên minh Châu Âu -Supplement to the Official Journal of the European Union (tạp chí dành riêng cho muasắm công của Châu Âu) yêu cầu kỵ khí như là bước đầu tiên của quá trình xử lý sinhhọc Việc chèn thêm một bước xử lý kỵ khí cho phép sử dụng các thiết bị hiện có vàcũng có thể giữ lại vị trí nhà máy hiện có vì yêu cầu về diện tích thấp, do đó làm giảmđầu tư cần thiết và làm cho việc nâng cấp các công trình bằng công nghệ kỵ khí manglại hiệu quả kinh tế cao nhất Các nhà máy xử lý sinh học trở thành một nhà máy sảnxuất năng lượng (thay vì là một nhà máy tiêu thụ năng lượng) và chèn thêm một bướcphân hủy kỵ khí cũng làm giảm vấn đề về mùi hôi [41].

Hình 1.10: Xu hướng phát triển của công nghệ ủ kỵ khí

Xử lý kỵ khí đã đạt được những thành tựu trong lĩnh vực xử lý CTRSHĐT,nhiều hơn bất kì công nghệ nào khác đã được phát triển trong 20 năm qua Với tổng

số 244 nhà máy mới và công suất xử lý 8 triệu tấn CTR hữu cơ, phân hủy kỵ khí đãgiải quyết được 25% quá trình xử lý sinh học của toàn Châu Âu Kinh nghiệm thànhcông trong dài hạn đã khiến phân hủy kỵ khí trở thành công nghệ ưa thích cho xử lýCTRĐT Người ta kì vọng công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển ổn định, không chỉ vì

nó sản xuất năng lượng tái tạo mà còn giúp giảm phát sinh mùi và giảm diện tích đấtcần thiết [41]

Hình 1.11: Các nhà máy xử lý rác theo công nghệ Bekon [94]

Hình 1.12: Các nhà máy xử lý rác theo công nghệ Kompogas, Dranco, Valorga [91,

92, 93]

Không chỉ phát triển mạnh mẽ ở châu Âu, phân hủy kỵ khí cũng đang được quan tâm ở nhiều nước phát triển khác trên thế giới Mới đây nhất, vào tháng 6 năm

2020 chính quyền bang New South Wales (NSW), bang đông dân nhất ở Úc, vừa thông

qua Kế hoạch phát thải Net Zero và Chiến lược xử lý chất thải 20 năm sắp tới Với kế

hoạch đạt mức 0% vào năm 2050 và giảm 35% so với năm 2005 vào năm 2030, Chínhphủ Liên bang Úc và Tiểu bang NSW sẽ đầu tư gần 10 tỷ đô la trong

10 năm để giảm phát thải tại bang này Đối với lĩnh vực tái chế chất hữu cơ, mục tiêu hàng đầu là lượng khí thải từ chất thải hữu cơ bằng không vào năm 2030 [95]

Tình hình áp dụng công nghệ ủ kỵ khí ở các nước phát triển được đẩy mạnhnhanh chóng trong những năm gần đây với việc xây dựng hàng loạt nhà máy mớivới công suất ngày càng cao, công nghệ, kỹ thuật ngày càng hoàn thiện Bên cạnh

đó, quy mô nhỏ ở hộ gia đình và cum hộ gia đình, công nghệ này cũng có nhữngbước phát triển đáng kể, đặc biệt ở khu vực nông thôn và ngoại thành Hàng loạt cácloại thùng chứa với các thiết kế kiểu dáng, cấu tạo, chất liệu, và kích thước khácnhau được sản xuất phổ biến để cung cấp cho các hộ gia đình có thể tiện dụng xử lýCTR hữu cơ ngay tại nhà Các thiết bị này chia làm 2 nhóm: các thiết bị xử lýCTRSH không thu khí (chỉ thu phân mùn dùng bón cho cây), và các thiết bị có thukhí Công suất xử lý của các thiết bị dao động rất nhiều tùy thuộc vào nhu cầu củangười sử dụng, có thể từ vài kg/ngày đến vài tấn/ngày

Hình 1.13: Mô hình ủ kỵ khí CTR hữu cơ tại các hộ gia đình ở Úc [96]

Bảng 1.5: Các mô hình xử lý CTR hữu cơ quy mô hộ nhỏ [59]

Loại thiết bị Hình ảnh Chi tiết thiết bị

Các thiết bị xử lý CTRSH không thu khí

Chất liệu: polypropylen,thân hình nón cụt; chiềucao: 92 cm, đường kính

lượng: 0,31m3 ; thiết bị:

- sử dụng

nắp mở tròn ở phần trênbên ngoài

(để thêm chất thải), cửatrượt bên trên (để kiểmsoát, lấy mẫu và rút phân

ủ cuối cùng)

Chất liệu: PE và PP táichế; chiều cao: 95cmđường kính: 48cm (trên)

khối lượng:

- sử dụng

0,32m3 ; thiết bị: nắp,bên ngoài

lưới thép ở phía dưới(ngăn chặn loài gặmnhấm xâm nhập), cửahầm (để rút phân ủ)

Loại thiết bị Hình ảnh Chi tiết thiết bị

chế; kích thước: 70cm ×

- sử dụng

70cm × 80cm; thể tích:bên ngoài

0,4 m3

Chất liệu: nhựa tái chế vànhôm; kích thước: 64,5

cm × 54,6 cm × 70,36cm; thể tích: 132,5 lít

thoát nước để thu thậpphân bón lỏng; cánh cửa

để thêm nguyên liệu vàloại bỏ phân ủ

Chất liệu: polypropylen

chất lỏng

Chất liệu: nhựa, kích

Loại thiết bị Hình ảnh Chi tiết thiết bị

kg/ngày đến 1250phân rác tự

kg/ngày, phù hợp chođộng

các hộ gia đình, vănGreeneria

phòng và nhà hàng

Các thiết bị xử lý CTRSH có thu khí

Cao 127cm, dài 165cm,rộng 100cm; bình chứakhí: 0,5m3 Thiết bị baogồm: bể chứa nước; bìnhchứa khí; hệ thống ápsuất khí với bộ lọc khíchủ động; bồn rửa vàphân bón Tất cả các yếu

tố được đặt trên một

nguồn cung cấp điện và

có thể dễ dàng lắp đặttrong vườn Tạo khoảng

600 lít khí Biogas mỗingày Nhiệt độ trungbình nên trên 17°C Khísinh học có thể được sử

Loại thiết bị Hình ảnh Chi tiết thiết bị

Cao 120cm, dài 120cm,rộng 81cm Bình chứakhí 0,4-0,6 m3 Thiết bịgồm 1 hộp làm bằngnhựa meca trong, khungbằng kim loại, phần đầu

không gỉ, 1 bể chứa nướcthải có màng lọc bêntrong và hệ thống lưu trữkhí sinh học với thiết bịkhử lưu huỳnh và khửnước Tạo khoảng 500 lítkhí Biogas mỗi ngày.91cm × 122cm Thiết bịgồm: bếp đun, ống thukhí, ống đầu vào (PVC),hộp đầu vào có nắp, ốngthoát có dạng khuỷu tay

van Thiết bị được làm từchất liệu cao cấp: Nhựagia cường sợi Tạokhoảng 500 lít khí

Biogas mỗi ngày

Kích thước: từ 500cm ×110cm đến 1500cm ×220cm,

dung tích 4 m3 đến 40 m3 Hệ thống gồm: bể phảnứng có lớp lót bảo

ra; thoát khí sinh học vớiBiobolsa

van giảm áp; có bẫy độẩm và bộ lọc để giảm

H2S Bể phản ứng làmbằng vải địa kỹ thuậtpolyetylen mật độ thấp

Loại thiết bị Hình ảnh Chi tiết thiết bị

Đường kính 68,6cm, cao106,7cm Bong bóng lưutrữ khí: 152,4cm ×106,7cm Hệ thống gồmmột bể chứa chất thải, túibóng để lưu trữ khí và

học

Thiết bị được bao kínhoàn toàn và có thể lắpđặt trên ban công căn hộ.Tạo khoảng 200g khíBiogas mỗi ngày

Công suất: 4m3 Túinhựa làm bằng vải bạtPVC là bộ phận chínhcủa hệ thống

Thông thường nó đượcđặt trong nhà kính đểtăng nhiệt độ bên trong

khí có sẵn Có thể thuđến 1500 lít khí Biogasmỗi ngày Thời gian lắpđặt: khoảng 8 h Tuổi thọkhoảng 10 năm Đầu vàohàng ngày: 20-30 kg chấtthải hữu cơ

1.3.2 Ở các nước đang phát triển

Ở các nước đang phát triển, như Trung Quốc, Ấn Độ và Nepal, ủ kỵ khí đã cótruyền thống lâu đời, nhưng gần như là chuyên dùng tại các khu vực nông thôn chủ yếu

để xử lý phân động vật Metan sinh học từ CTRHC chỉ mới được quan tâm gần đây.Các bể ủ công nghệ thấp khác nhau đã được phát triển để xử lý CTRHC từ CTRSH, tuynhiên thông tin về lĩnh vực này vẫn còn thiếu Các Viện nghiên cứu và các tổ chức phichính phủ đã cố gắng thiết lập công nghệ ủ kỵ khí để xử lý CTRSH của các hộ gia đình,các tổ chức hoặc cấp thành phố nhưng hầu hết các dự án thất bại, không chỉ vì lý do kỹthuật, mà còn do cách thức hoạt động và quản lý Tuy nhiên đã có một số dự án thànhcông như: công nghệ Team (của Viện Năng lượng và Tài nguyên TERI), công nghệAstra (của Trung tâm công nghệ bền vững), công nghệ Arti (của Viện công nghệ

phù hợp nông thôn, Pune), công nghệ BioTech, công nghệ HomeBiogas … , [69, 87].

a, Công nghệ Team

Hình 1.14: Công nghệ Team tại trường Gual Pahari của Teri [87]

Công nghệ Team đã lắp đặt tại nhà máy ở Gual Pahari với công suất khoảng50kg rau xanh mỗi ngày, hai địa điểm ở đơn vị của công ty như NTPC Ấn Độ (quản

lý chất thải hộ gia đình) và Haryana (quản lý chất thải nhà ăn), tạo ra khí sinh họcchất lượng tốt và phân bón hữu cơ

Công nghệ Team là quá trình hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn axithóa Giai đoạn 2 methan hóa, khí sinh học được tạo ra từ bể UASB Toàn bộ chất thảiđược giữ ngập trong nước Khi đạt tới nồng độ COD cao, nước rỉ rác được chiết xuấttrong các bể thu gom nước thải Giai đoạn quá trình axit hóa có thời gian lưu 6 ngày; do

đó, 6 lò phản ứng này được cung cấp để đảm bảo hoạt động liên tục [87]

Hình 1.15: Một nhà máy khí sinh học công nghệ Astra ở Bắc Karnataka [69].

C, Công nghệ Arti

Viện công nghệ phù hợp nông thôn ARTI (Appropriate Rural TechnologyInstitute) đã phát triển công nghệ sử dụng chất thải thực phẩm làm nguyên liệu,cung cấp khí sinh học để nấu ăn Hệ thống Arti nhỏ gọn, thiết kế đơn giản gồm 2 hai

bể được làm từ việc cắt các ống HDPE và dùng 1 khẩu súng nhiệt để gắn thành: bểdung tích 0,75m3 chứa khí và bể 1m3 chứa hỗn hợp nguyên liệu CTR và nước(bùn) Công nghệ Arti có thể sử dụng ở các hộ gia đình, và khoảng 2500 hộ hiệnđang sử dụng - cả ở thành thị và nông thôn ở Maharashtra Một số đã được lắp đặtcác địa phương khác của Ấn Độ và thậm chí cả ở những nơi khác trên thế giới và đãgiành được giải thưởng danh giá Ashden cho Năng lượng bền vững năm 2006 ởhạng mục an ninh lương thực [69]

Hình 1.16: Các bể phản ứng của công nghệ Arti [87]

D, Công nghệ BioTech

BioTech là cơ quan đầu mối của Bộ Năng lượng phi quy ước tại Kerala, NamẤn Độ BioTech đã phát triển và lắp đặt các nhà máy khí sinh học tạo ra khí sinhhọc từ chất thải sinh học như chất thải thực phẩm nấu chín, chất thải thực vật vànước thải từ nhà bếp (1m3 cho gia đình 3 đến 5 thành viên đáp ứng khoảng 50% nhucầu nấu ăn) BioTech cũng đã phát triển các bể phản ứng cho quá trình phân hủy kỵkhí phi tập trung quy mô nhỏ của chất thải hữu cơ từ chợ, chất thải lò mổ hoặc CTR

đô thị Tương tự Arti, các nhà máy BioTech dựa trên thiết kế trống nổi bao gồm mộtvòng tuần hoàn để tối ưu hóa độ ẩm Nguyên liệu được đưa vào bể xử lý chính đểphân hủy kỵ khí (đường kính 3m và sâu 3m) Để tăng thời gian lưu cho chất rắn, cómột vách ngăn ở giữa bể và trực giao với hướng dòng chảy Vách ngăn giữ lại cáchợp chất rắn không được kiểm duyệt của chất thải, trong khi chất lỏng có thể dễdàng chảy qua (giống như bể tự hoại hoặc hầm khí sinh học) [98]

Hình 1.17: Các bể phản ứng công nghệ BioTech ở Tanzania [98]

E, Công nghệ HomeBiogas

Gần đây WWF (World Wildlife Fund – Quỹ Động vật hoang dã Thế giới)đang triển khai các dự án trang bị cho các hộ gia đình ở Châu Phi các túi ủHomeBiogas để xử lý CTRSH Năm 2019 dự án tiển khai giai đoạn 1 trang bị 7 túicho các trường học ở Cameroon, dự kiến giai đoạn 2 là 300 túi và giai đoạn 3 là1.700 túi [96] Dự án cũng được triển khai nhiều nước khác ở Châu Phi như CHDCCônggô, Liberia… và mang lại hiệu quả cao, góp phần giúp các hộ dân xử lý đượcCTRSH và tạo ra khí dùng đun nấu, phân bón cho nông nghiệp

Hình 1.18: Túi ủ HomBiogas xử lý CTRSH cho các hộ gia đình ở Châu Phi [96,97]

1.3.3 Ở Việt Nam

Tương tự như các nước đang phát triển khác, ủ kỵ khí ở Việt nam đã đượcứng dụng từ lâu, nhưng chỉ tại các khu vực nông thôn để xử lý phân động vật trongcác hầm ủ Biogas Trong lĩnh vực xử lý CTRSHĐT, các nhà máy xử lý đã xây dựngchủ yếu theo công nghệ ủ hiếu khí và đa phần hoạt động không hiệu quả Công nghệ

ủ hiếu khí có nhược điểm tiêu tốn năng lượng trong quá trình cấp khí, cần diện tích lớn,phát sinh mùi, thất thoát nitơ, phân mùn lẫn nhiều tạp chất và khoảng 40% - 50% thành phầnhữu cơ trong quá trình ủ hiếu khí chuyển hóa thành khí CO2, một trong những khí gây giatăng hiệu ứng nhà kính Gần đây, Tổng cục Môi trường – Bộ Tài nguyên Môi

trường đang triển khai một số mô hình thí điểm xử lý CTR sinh hoạt bằng phươngpháp ủ kỵ khí tại một số địa phương như Lý Sơn, Ninh Bình, Cổ Lễ - Nam Định tuynhiên hiệu quả chưa được như mong muốn.

Công trình mang tính cách mạng trong việc đưa công nghệ ủ kỵ khí vào ViệtNam là Nhà máy xử lý CTR Quảng Bình do Công ty TNHH phát triển dự án ViệtNam là chủ đầu tư, với tổng mức đầu tư khoảng 1.400 tỷ đồng, công suất thiết kế

245 tấn CTRSH và 60 tấn phế phẩm nông nghiệp/ngày, quy mô 9ha, được khởi công từ tháng 8/2016, hoạt động thử nghiệm từ tháng 3/2018

Toàn cảnh nhà máy Các bể phản ứng kỵ khí thu hồi khí Biogas

Hình 1.19: Nhà máy xử lý CTR Quảng Bình [10]

Đây là dự án xử lý CTR lớn, theo công nghệ mới nhất của Đức, chưa từng cótại Việt Nam nói riêng, cũng như Châu Á nói chung Nhà máy gồm các dây chuyền

xử lý CTR hữu cơ bằng phương pháp ủ kỵ khí thu hồi sản phẩm khí để phát điệncông suất 2,0MW và 1,0MW, sản phẩm mùn của quá trình ủ được dùng để sản xuấtphân bón khoáng hữu cơ WEHLING mang thương hiệu DEPORT-PLAN 10.000tấn/năm [10] Nguyên liệu đầu vào của dây chuyền Wehling 1MW là phế phẩmnông nghiệp gồm: Chất thải sinh học (cây ngô): 5,479 tấn/ngày; Phân lợn 6,85tấn/ngày; Bã sắn 6,85 tấn/ngày; Rơm rạ nghiền 41,096 tấn/ngày Nguyên liệu đầuvào của dây chuyền Input 2MW là chất thải sinh học từ CTR sinh hoạt: 180tấn/ngày