giải pháp nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện các bãi chôn lấp

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT Hiện quản lý CTRSH vấn đề môi trường quan trọng Việt Nam, đô thị lớn Sự tăng nhanh tốc độ thị hóa mật độ dân cư thành phố làm tăng nhanh chóng lượng CTRSH phát sinh, gây áp lực lớn hệ thống quản lý chất thải rắn đô thị Tại Việt Nam, công nghệ xử lý CTRSH sử dụng phổ biến chủ yếu chôn lấp kết hợp compost (>90%) [1] Tuy nhiên, chôn lấp CTRSH địi hỏi diện tích đất lớn quỹ đất thành phố lớn vốn ngày khan đắt đỏ Do vậy, cần thiết phải xác định công nghệ xử lý đảm bảo hiệu môi trường đáp ứng mặt kinh tế, phù hợp với điều kiện Việt Nam Định hướng luận án xác định điều kiện phù hợp nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt, xử lý hiệu thành phần ô nhiễm hữu thu hồi tối ưu lượng khí sinh học phục vụ cho nhu cầu cung cấp lượng MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu luận án là: Nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH điều kiện mô bãi chôn lấp công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học Đề xuất nâng cấp, cải tiến công nghệ cho bãi chôn lấp CTRSH hữu điều kiện Việt Nam NỘI DUNG Để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu đề tài, nội dung nghiên cứu sau thực hiện: - Xác định thành phần tính chất CTRSH TP.HCM - Thực thí nghiệm nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy CTR điều kiện mô bãi chôn lấp - Xác định thông số động học trình phân hủy sinh học kị khí; - Đề xuất giải pháp nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn điều kiện bãi chôn lấp PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ứ ồm: phương pháp tổng quan thu thập liệu; phương pháp kế thừa; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; phương pháp thống kê, xử lý số liệ p NỘI DUNG, CẤU TRÚC LUẬN ÁN Luận án gồm 182 trang không kể mục lục, bao gồm: Mở đầu (5 trang), Chương 1-Tổng quan chất thải rắn sinh hoạt (27 trang), Chương 2-Cơ sở lý thuyết phương pháp chôn lấp (31 trang), Chương 3- Mơ hình phương pháp nghiên cứu (16 trang), Chương 4-Kết thảo luận (59 trang), Kết luận-kiến nghị (2 trang), Các cơng trình công bố liên quan đến luận án (1 trang), Tài liệu tham khảo (11 trang), Phụ lục (29 trang) Luận án gồm có 51 bảng biểu (bao gồm 35 bảng phần văn 15 bảng phần phụ lục) 68 hình vẽ (63 hình phần văn 04 hình phần phụ lục) TÍNH MỚI Sử dụng bãi chôn lấp để xử lý CTRSH giải pháp áp dụng rộng rãi Việt Nam nay, cơng nghệ chủ yếu chơn lấp hợp vệ sinh Cơng nghệ tuần hồn nước rỉ rác bổ sung chế phẩm sinh học nhằm nâng cao hiệu phân hủy rác vấn đề khoa học giới Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ Việt Nam cịn mẻ Bên cạnh đó, luận án cịn bước đầu nghiên cứu thông số động học trình phân hủy chất thải rắn điều kiện kỵ khí với mơ hình động học khác Kết nghiên cứu góp phần hồn thiện thêm lý thuyết xử lý sinh học CTRSH áp dụng cho điều kiện kỹ thuật tương tự Việt Nam Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học Xác định công nghệ để nâng cao hiệu phân hủy chất thải rắn điều kiện bãi chôn lấp Việt Nam; Đề xuất quy trình nâng cao, cải tiến cơng nghệ phân hủy chất thải rắn hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam; Xác định thông số động học đánh giá khả phân hủy CTRSH điều kiện mơ bãi chơn lấp Tính thực tiễn Kết nghiên cứu sở cho việc cải tiến, nâng cấp kỹ thuật để nâng cao hiệu xử lý CTRSH cho bãi chôn lấp chất thải rắn hữu Việt Nam; Nghiên cứu có khả triển khai bãi chôn lấp rác sinh hoạt tỉnh thành phố nước Tăng cường hiệu xử lý, giảm thiểu tác động môi trường, thu hồi khí sinh học bãi rác hữu Việt Nam CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 1.1 CTR SINH HOẠT VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƢỜNG 1.1.1 Hiện trạng phát sinh CTRSH CTRSH phát sinh từ hộ gia đình, đường phố, khu vực chợ, trung tâm thương mại, khách sạn, trung tâm dịch vụ, quan, công sở… Thành phần CTRSH không đồng nhất, bao gồm chất thải hữu dễ phân hủy, chất hữu khó phân hủy chất thải vơ Trong đó, thành phần chủ yếu rác thải đưa đến BCL chất thải thực phẩm với tỷ lệ cao (83-85%), CTR có khả tái chế plastic, giấy, kim loại giảm đáng kể hoạt động phân loại thu gom phế liệu Tổng lượng CTR phát sinh đô thị Việt Nam tăng trung bình 10 ÷16 % năm, khối lượng CTRSH chiếm khoảng 60 - 70% tổng lượng CTR đô thị (một số đô thị tỷ lệ lên đến 90%) [2] Với trạng lượng chất thải rắn tăng theo thời gian, diện tích đất chơn lấp ngày thu hẹp, cơng nghệ xử lý chất thải rắn khác đòi hỏi vốn đầu tư trình độ vận hành cao giải pháp chôn lấp chất thải cho tối ưu câu hỏi khó cần giải 1.1.2 Tác động đến môi trƣờng CTRSH chứa phần lớn chất hữu dễ phân hủy sinh học, trình xử lý phát sinh mùi hơi, nước rỉ rác, gây nhiễm khơng khí, nguồn nước mặt nước ngầm ảnh hưởng đến sức khỏe người môi trường sinh thái 1.2 QUẢN LÝ CTRSH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 1.2.1 Hệ thống quản lý kỹ thuật chất thải rắn Hệ thống quản lý kỹ thuật CTRSH đô thị Việt Nam chủ yếu gồm: 1) phát sinh; 2) thu gom, lưu giữ phân loại nguồn; 3) thu gom tập trung; 4) trung chuyển vận chuyển; 5) phân loại, xử lý tái chế; 6) thải bỏ CTR [3] Ngoài ra, quản lý CTR liên quan đến vấn đề quản lý hành chính, tài chính, luật lệ, quy hoạch kỹ thuật Để giải vấn đề liên quan đến CTR, cần phải có phối hợp hoàn chỉnh lĩnh vực: kinh tế, trị, quy hoạch vùng - thành phố, địa lý, sức khỏe cộng đồng, xã hội học, kỹ thuật, khoa học vấn đề khác 1.2.2 Các công nghệ xử lý CTRSH CTRSH xử lý nhiều phương pháp khác chôn lấp hợp vệ sinh, sản xuất phân hữu lên men kỵ khí, sản xuất phân hữu lên men hiếu khí, đốt… Việc lựa chọn phương pháp xử lý địa phương phụ thuộc vào đánh giá ưu, nhược điểm cơng nghệ, diện tích mặt bằng, kỹ thuật vận hành, tính kinh tế yếu tố mơi trường 1.2.3 Hiện trạng xử lý CTR giới Các phương pháp xử lý CTR thông dụng áp dụng nước phát triển phương pháp đốt, compost, chơn lấp Trong đó, phương pháp thơng dụng áp dụng nước phát triển phát triển chôn lấp Bảng 1.10 Các phương pháp xử lý chất thải rắn [4] Tên nƣớc Phƣơng pháp xử lý (%) Compost Đốt Chôn lấp Bỉ 11 23 50 Đan Mạch 50 41 Đức 28 69 Hy lạp 0 100 Tây Ban Nha 16 78 Pháp 36 47 Ireland 0 100 Italy 19 41 Hà Lan 36 37 Bồ Đào Nha 16 57 Anh 92 Khác 16 0 34 23 27 1.2.4 Hiện trạng xử lý CTR Việt Nam Hiện Việt Nam, xử lý CTRSH chủ yếu chôn lấp Trên địa bàn TP lớn Việt Nam Hà Nội TP Hồ Chí Minh tỷ lệ CTRSH đem chôn lấp chiếm tới 80 – 90% Các công nghệ xử lý chất thải rắn bao gồm: chôn lấp, sản xuất phân compost, đốt, lên men kỵ khí… Mỗi cơng nghệ có ưu điểm định số bất lợi Công nghệ tái sử dụng chất thải, sản xuất phân compost gặp khó khăn chi phí đầu tư cho phân loại, tái chế cao Cơng nghệ đốt khơng khả thi chi phí đầu tư vận hành cao, hệ thống hoạt động không ổn định Thực trạng chôn lấp CTR cho thấy: BCL không hợp vệ sinh nguồn gây ô nhiễm môi trường đô thị; bãi chôn lấp CTR hợp vệ sinh đạt tiêu chuẩn mơi trường ít, chủ yếu bãi chôn lấp hợp vệ sinh chưa xử lý triệt để nước rác Nhìn chung, chơn lấp CTRSH giải pháp khả thi vòng 1015 năm Tuy nhiên, với kỹ thuật truyền thống, BCL chưa vận hành điều kiện tối ưu, rác phân hủy chậm, hiệu thu hồi khí sinh học thấp Do vậy, luận án định hướng tập trung vào nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu phân hủy CTRSH bãi chôn lấp Kết luận án sở đề xuất công nghệ bổ sung, nâng cao khả phân hủy CTR kị khí gia tăng lượng khí sinh học thu hồi CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP CHÔN LẤP 2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CHƠN LẤP Chơn lấp phương pháp thải bỏ CTRSH đơn giản chấp nhận mặt môi trường 2.1.1 Cơ chế q trình phân hủy CTRSH bãi chơn lấp CTRSH đổ BCL hợp vệ sinh chịu đồng thời lúc biến đổi sinh học, lý học, hoá học; bao gồm phân rã sinh học, oxy hóa hóa học, khuếch tán, khí từ BCL, di chuyển chất hịa tan, rị rỉ chất vào mơi trường xung quanh bãi chơn lấp, sụt lún v.v… Khí sinh từ BCL bao gồm NH3, CO2, H2S, CH4 Các giai đoạn phân hủy kị khí chất hữu bao gồm: thủy phân, lên men axit, lên men metan giai đoạn ổn định Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy chất hữu bãi chơn lấp tính chất chất thải đầu vào, q trình vận hành bãi chơn lấp, yếu tố bên ngồi tác động lên bãi chơn lấp v.v… Thơng thường, tốc độ phản ứng hoá học sinh học BCL hợp vệ sinh gia tăng với gia tăng nhiệt độ độ ẩm đạt đến giới hạn 2.1.2 Động học q trình phân hủy kị khí Để dự đoán xác định tốc độ phân hủy kị khí thành phần hữu CTR thị, luận án sử dụng mơ hình phương trình động học gồm: động học bậc nhất, độc học Monod động học Michaelis-Menten Mỗi mơ hình có xác định thơng số riêng, trình bày tóm tắt sau: Động học bậc ln VSt k.t VS o Biểu diễn theo tốc độ sinh khí metan, phương trình trở thành: ln CH t k.t CH m ax Trong đó, CH4t lượng tổng khí metan sinh sau thời gian t, CH 4max lượng khí metan cực đại tạo thành từ phần chất hữu Như vậy, cách đo lượng khí CH4 sinh xác định tốc độ phân hủy chất hữu cách dễ dàng Động học theo mơ hình Monod Se h X Se K K s So Se Vẽ đồ thị tuyến tính y = ax + b Từ đồ thị, xác định a; b từ tính hệ số sử dụng chất tối đa (K) số bán vận tốc (Ks) S kd m ax c KS S Vẽ đồ thị tuyến tính y = ax + b Từ đồ thị, xác định a; b từ tính tốc độ sinh trưởng riêng tối đa (μmax) hệ số phân hủy nội bào (Kd) Động học theo Michaelis – Menten từ liệu thực nghiệm phƣơng pháp tích phân k V Vm m V m [S ] Theo liệu thực nghiệm dựng đường: 1/V – 1/[S] Từ đồ thị xác định tốc độ cực đại phản ứng Vm số Michaelis – Menten km Tuyến tính phương trình dạng: y = ax + b ln S0 Vm S S0 S km km Từ đây, xác định thông số động học tương ứng 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY RÁC TRONG BÃI CHÔN LẤP Những kỹ thuật thường sử dụng để nâng cao tốc độ phân hủy chất thải bao gồm phương pháp học (giảm kích thước, phối trộn ngun liệu), tuần hồn nước rác, kiểm sốt nhiệt độ độ ẩm, bổ sung dinh dưỡng, vi sinh vật,v.v 2.2.1 Phƣơng pháp học Nhằm tăng hiệu q trình phân hủy kị khí chất hữu cơ, phương pháp học sử dụng bao gồm xử lý sơ (cắt, nghiền, giảm kích thước…) hay phối trộn với nguồn khác (bùn, rơm, rạ…) Các phương pháp nhằm giảm kích thước CTR, cung cấp độ ẩm, bổ sung chất dinh dưỡng, tạo điều kiện tiếp xúc tốt thành phần chất thải giúp trình xử lý đạt hiệu cao 2.2.2 Phƣơng pháp thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến sinh trưởng phát triển vi khuẩn Nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ sinh khí metan ổn định chất thải nhanh Hai khoảng nhiệt độ tối ưu cho q trình phân hủy kị khí: Khoảng nhiệt độ trung bình (mesophilic): nhiệt độ dao động khoảng 20-400C, tối ưu 30-350C Khoảng hiếu nhiệt (thermophilic): nhiệt độ tối ưu khoảng 50-65 0C Phương pháp xử lý nhiệt khơng áp dụng rộng rãi chi phí xử lý cao Hơn nữa, trao đổi nhiệt chất lỏng chất rắn bị giới hạn bán kính định 2.2.3 Phƣơng pháp thay đổi giá trị pH Giá trị pH ảnh hưởng đến trình phân hủy kị khí chất thải rắn, đặc biệt q trình thủy phân Phản ứng metan hóa xảy pH 6,5 – 8,2; trình thủy phân axit hóa xảy pH 5,5 6,5 2.2.4 Phƣơng pháp bổ sung dinh dƣỡng Một vài nghiên cứu cho thấy việc bổ sung N, P kích thích q trình sản sinh khí metan, rút ngắn đáng kể giai đoạn phân hủy sinh học Tỉ lệ thành phần dinh dưỡng thích hợp cho q trình metan hóa C:N:P:S = 600:15:5:3 2.2.5 Phƣơng pháp tuần hoàn nƣớc rỉ rác Tuần hoàn nước rác nâng cao khả phân hủy rác vi sinh vật cải thiện chất lượng nước rác Tuần hoàn giúp trì độ ẩm thích hợp cho hoạt động vi sinh vật tăng khả tiếp xúc chất hòa tan, chất dinh dưỡng vi sinh vật 2.2.6 Phƣơng pháp bổ sung chế phẩm sinh học Chế phẩm sinh học có vai trị quan trọng để phân hủy chất hữ ệc gia tăng phân hủy chất hữu cơ, amino axit glucose giải phóng cung cấp nguồn thức ăn cho vi sinh vật có ích Chế phẩm sinh học làm việc theo trình sau: khống chế sinh học (những dịng vi khuẩn có ích tác động đối kháng lên dòng vi khuẩ ạo sống (các vi khuẩn phát triển nước) xử lý sinh học (phân hủy chất hữu nước vi khuẩn có ích) CHƢƠNG MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 3.1.1 Cấu trúc mơ hình vận hành Thiết bị phân hủy rác làm acrylic dày 30mm, hình trụ thẳng đứng, đường kính 200 mm; cao 1,3 mét; dung tích 30 lít thể tích làm việc khoảng 22 lít Mơ hình thí nghiệm thực điều kiện PTN với nhiệt độ dao động khoảng 30 – 32oC Chất thải rắn sinh hoạt nén đến độ nén tương đương với rác bãi chôn lấp (khoảng 750 kg/m 3) mơ hình Sau rác ủ kỵ khí mơ hình Nước rỉ rác tuần hồn bơm trục ngang với lưu lượng thay đổi từ – mL/ph, tương ứng với tải trọng thủy lực 7,64 -11,46 mL/m2.h Lượng nước tuần hoàn phân phối qua đầu vòi tưới Từ đây, nước phun mịn tiếp xúc với rác theo lớp khác rơi vào bể lưu chứa nước rác Rác sau sinh hoạt sau thu gom tiến hành phân loại rác để đánh giá thành phần hữu cơ, vơ cơ, độ ẩm Sau rác đem ủ mơ hình: Mơ hình đối chứng: mơ điều kiện bãi chơn lấp; Mơ hình tuần hồn nước rỉ: tốc độ tuần hoàn điều chỉnh nghiên cứu gồm 7,64 mL/m2.h (MH2.1) 11,46 mL/m2.h (MH2.2); Mơ hình kết hợp tuần hoàn nước rỉ bổ sung chế phẩm sinh; với nồng độ vi sinh bổ sung 20 ppm (MH3.1) 30 ppm (MH3.2) 10 Hình 3.1 Mơ hình thí nghiệm dạng đứng 3.1.2 Các tiêu theo dõi hoạt động mơ hình Hàng tuần lấy mẫu chất thải rắn để xác định hiệu phân hủy chất thải rắn mơ hình thơng qua việc đánh giá thông số TS, VS, TOC, nitơ hữu cơ, tỷ lệ C/N Hàng tuần lấy mẫu nước rỉ rác đem phân tích thơng số pH, COD, BOD5, SS, VFA, độ kiềm, N-NH4+, tổng nitơ CH4 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH ĐỐI CHỨNG Kết nghiên cứu điều kiện PTN cho thấy giá trị COD BOD đầu vào nước rỉ rác mơ hình đối chứng cao 45.235mg/L 42.195 mg/L Nước rỉ rác ban đầu có BOD 5/COD 0,93 nước rác COD BOD5 tăng tuần đầu, sau giảm tuyến tính theo thời gian mơ hình đối chứng, hiệu xử lý không cao Trong 32 tuần vận hành, hiệu xử lý COD 80,88%, tương ứng COD đầu 8.647 mg/L Nồng độ BOD5 cao nước rỉ rác 11 tuần đầu vận hành, sau đó, BOD5 giảm sau khoảng thời gian vận hành dài (32 tuần) đạt giá trị 4.387 mg/L Nồng độ chất rắn lơ lửng nước rỉ rác ban đầu cao, vào khoảng 30.000 mg/L, sau 32 tuần vận hành SS lại vào khoảng 3.000 mg/L Tốc độ sinh khí mơ hình đối chứng chậm Sau 32 tuần vận hành, tổng lượng khí biogas thu 40,2L Sản lượng khí metan sinh đơn vị chất thải khô bị phân hủy 0,025 m3CH4/kgVS phân hủy Lượng khí metan sinh chiếm khoảng 60% tổng lượng khí tạo thành Nitơ nước rỉ rác có nồng độ cao hầu hết tồn dạng N – NH4+ Nồng độ N – NH4+ đầu vào dao động từ 853 mg/L – 860 mg/L, đầu tăng 1,3 lần so với đầu vào, dao động khoảng 1.123 – 1.135 mg/L Nồng độ N – tổng đầu vào có giá trị nằm khoảng 1637– 1.658 mg/L; sau thời gian vận hành 32 tuần nồng độ N – tổng đầu dao động từ 1.305 mg/L – 1.312 mg/L Hiệu xử lý N – tổng thấp, khoảng 21% N-tổng sau xử lý có giảm so với trước xử lý khơng nhiều q trình chuyển hóa N nước thải chủ yếu chuyển hóa từ dạng nitơ hữu sang N – NH4+, sau bay amoni khơng có chuyển hóa thành nitrit nitrat Đồng thời, có lượng nitơ vào sinh khối tế bào Kết N-tổng giảm N-NH4+ tăng Tuy nhiên, hiệu xử lý N-tổng đạt không cao, khoảng 21% 4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TUẦN HỒN NƢỚC RỈ RÁC Nghiên cứu thực nhằm nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn bãi chôn lấp cách tuần hoàn nước rỉ rác với tốc độ tuần hoàn 7,64 mL/m2.h (MH2.1) 11,46 mL/m2.h (MH2.2) Tương tự mơ hình đối chứng (MH1), COD BOD5 mơ hình tuần hồn nước rỉ (MH2.1và MH2.2) theo quy luật chung: Tăng nhanh thời gian đầu đến giá trị cực đại sau giảm dần 12 Trong vòng 20 tuần vận hành, COD MH1; MH2.1 MH2.2 24.926 mg/L; 4.026 mg/L 18.374 mg/L Tương tự, BOD MH1; MH2.1 MH2.2 biến đổi đáng kể với giá trị ghi nhận 13.555 mg/L; 819 mg/L 4.514 mg/L Hình 4.10 (a) Sự biến thiên giá trị BOD (b) COD theo thời gian mơ hình có tỉ lệ tuần hồn khác Kết nghiên cứu xác định việc tuần hoàn nước rỉ làm tăng độ ẩm chất thải, tạo thuận lợi cho phản ứng sinh hóa, giúp vi khuẩn axit hóa vi khuẩn metan hóa phát triển nhanh nhờ gia tăng tốc độ hiệu xử lý chất ô nhiễm Kết nghiên cứu mơ hình MH2.1 MH2.2 cho thấy hiệu xử lý SS mơ hình tuần hồn nước rỉ rác với lưu lượng 7,64 mL/m 2.h tốt so với mơ hình tuần hồn 11,46 mL/m2.h Với nồng độ SS đầu vào dao động khoảng 30.000 – 35.000 mg/L sau thời gian vận hành, SS đầu MH2.1 vào khoảng 1.250 mg/L MH2.2 2.543 mg/L Sản lượng khí sinh đo đạc tính tốn hàng tuần mơ hình MH2.1 tốt so với tỉ lệ tuần hồn cịn lại Việc tuần hoàn nước rỉ rác ảnh hưởng đến tốc độ phát sinh khí mơ hình nghiên cứu Điều q trình tuần hồn làm gia tăng hoạt tính vi khuẩn sinh khí sinh học Bên cạnh đó, lượng khí sinh phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, độ kiềm có mặt chất độc (Chan et al., 2002) [5] 13 Hình 4.15 Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo Hình 4.16 Sự biến thiên thể tích thời gian mơ hình biogas theo thời gian Bảng 4.6 Thống kê sản lượng khí sinh học thu mơ hình Thơng số Đơn vị Giá trị Đối chứng MH2.1 32 32 0,0402 1,145 MH2.2 32 0,981 Thời gian vận hành Tổng lượng khí biogas thu Tuần Hàm lượng metan trung bình % 60 73,1 65,4 Lượng khí metan Sản lượng metan m3 m3CH4/tấn chất thải khô 0,024 0,025 0,837 0,664 0,642 0,526 m3 Tổng lượng khí biogas thu suốt thời gian vận hành 32 tuần MH2.1 1,145m3 Trong đó, sản lượng metan thu là 0,664 m3CH4/kgVS phân hủy Sản lượng khí sinh học sinh tăng, điều đồng nghĩa với việc lượng chất hữu xử lý tăng Hàm lượng metan biogas thu tất thí nghiệm dao động khoảng 72,3% đến 73,1% Nồng độ N-NH4+ bể phản ứng tăng nhanh khoảng thời gian tuần đầu vận hành có phân hủy hợp chất nitơ hữu bể phản ứng Tương tự, hàm lượng N tổng mơ hình tăng sau thời gian vận hành tuần Sau đó, N tổng giảm nhẹ tuần sau đó, 14 chiều hướng tăng Mặc dầu N-NH4+ tăng N tổng giảm mức độ giảm không đáng kể khoảng 20% Kết phù hợp với lý thuyết trình phân hủy kị khí (N giảm theo sinh khối tế bào) 4.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TUẦN HỒN VÀ BỔ SUNG CHẾ PHẨM SINH HỌC Kết nghiên cứu cho thấy nồng độ COD thay đổi theo thời gian suốt 32 tuần vận hành Trong tuần đầu vận hành, nồng độ COD mơ hình tăng 45.357mg/L đến 78.259 mg/L MH3.1; từ 50.000 đến 79.085 mg/L MH3.2 Trong 14 tuần vận hành đầu tiên, hiệu suất xử lý chất hữu MH3.1 MH3.2 76% 82% Kết thúc trình vận hành 32 tuần, COD đầu đạt 210 130 mg/L mơ hình có tuần hồn nước rỉ mơ hình có bổ sung chế phẩm Sau 32 tuần vận hành nồng độ chất rắn TS hai mơ hình giảm từ 30.000 mg/L xuống cịn khoảng 1.000 mg/L Mơ hình bổ sung chế phẩm sinh học MH3.2 có hiệu tốt so với mơ hình tuần hồn nước mà khơng bổ sung vi sinh Trong tuần đầu, nồng độ NH 4+ giảm, sau tiếp tục tăng Amonia tăng ổn định theo thời gian Sau 32 tuần vận hành hàm lượng amonia nằm khoảng 715 – 780 mg/L Nồng độ nitơ tổng dao động khoảng từ 753 – 1332,8 mg/L Nhờ xúc tác phản ứng hệ vi sinh mà lượng nitơ tổng mơ hình MH3.1 giảm đáng kể so với MH3.2 Hình 4.1 Sự biến thiên COD Hình 4.2 Sự biến thiên SS 15 mô hình theo thời gian mơ hình theo thời gian Hình 4.24 Sự biến thiên thể tích biogas mơ hình Hình 4.3 Sự biến thiên nồng độ NH4+ mơ hình Bảng 4.10 Thống kê sản lượng khí sinh học thu mơ hình có bổ sung chế phẩm hiệu phân hủy CTR Giá trị Thông số Đơn vị MH3.1 MH3.2 Thời gian vận hành Tuần 32 32 Tổng lượng khí biogas thu 1,333 1,206 m3 Hàm lượng metan trung bình % 75,2 70,1 Lượng khí metan 1,002 0,845 m3 m3CH4/tấn chất Sản lượng metan 0,691 0,655 thải khô 16 4.4 MỨC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ Trong trình phân hủy CTRSH, thay đổi khối lượng chất thải rắn (TS) nguyên liệu ủ chủ yếu thành phần chất thải rắn bay (VS) giảm Kết nghiên cứu cho thấy hiệu loại bỏ chất rắn tổng số (TS) mơ hình MH đối chứng, MH2.1, MH2.2, MH3.1 MH3.2 40,42%; 52,13%; 49,83%; 57,13% 53,17% Trong đó, mức giảm VS theo khối lượng mơ hình đối chứng, MH2.1, MH2.2, MH3.1 MH3.2 50,52%; 65,28%; 62,56%; 74,74% 66,84% Bên cạnh đó, hàm lượng carbon chất thải hữu nguyên liệu ủ đầu vào thay đổi vi sinh vật sử dụng nguồn lượng carbon (khoảng 20% - 40% cacbon chất thải hữu cơ) cần thiết cho q trình đồng hóa thành tế bào mới, phần cịn lại chuyển hóa thành CO CH4 [3] Mức giảm hàm lượng carbon thu nghiên cứu từ 51,11%68,55% Hàm lượng nitơ hữu chất thải rắn vi sinh vật sử dụng nitơ để tổng hợp tế bào vi sinh vật, lượng nitơ ngồi khơng khí dạng khí N2 NH3 lượng khác vào nước rỉ rác Mức giảm hàm lượng nitơ thu nghiên cứu từ 37,8 % - 49,24% Khi bắt đầu q trình ủ kỵ khí, tỷ lệ C/N mơ hình đối chứng, MH2.1, MH2.2, MH3.1 MH3.2 dao động khoảng 24,11 – 25,43% giảm dần lại 14,94%- 19,71% sản phẩm cuối phần carbon nitơ giải phóng tạo CO 2, CH4, NH3 hợp chất hữu bị phân hủy VSV Sự khác biệt tỷ lệ C/N đầu thấp đầu vào chứng tỏ phần trăm phân hủy carbon nitơ khác nhau, mức giảm hàm lượng carbon nhanh nitơ 17 4.5 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ 4.5.1 Tính tốn động học theo nồng độ chất (Mơ hình động học bậc 1) Hình 4.36 ậc theo nồng độ chất mơ hình đối chứng (MH1), mơ hình tuần hồn nước rỉ với tốc độ tuần hoàn 7,64 mL/m 2.h (MH2.1) mơ hình vừa tuần hồn 7,46 mL/m2.h vừa bổ sung chế phẩm sinh học 20 ppm (MH3.1) Hình 4.4 ậc theo nồng độ chất Kết nghiên cứu cho thấy có khác biệt số tốc độ phân hủy chất bậc hệ số tương quan R2 mơ hình Các giá trị thu là: 0,0092 ngày-1; 0,023 ngày -1 0,025 ngày-1 Tương ứng, hệ số tương quan R2 MH1, MH2.1 MH3.1 0,954; 0,965 0,9428 18 4.5.2 Tính tốn động học theo tốc độ sinh khí metan (Mơ hình động học bậc 1) Kết xác định phương trình động học theo tốc độ sinh khí mơ hình trình bày hình 4.37 Hình 4.5 ậc theo tốc độ sinh khí metan Kết tính tốn động học theo tốc độ sinh khí metan MH1, MH2.1 MH3.1 xác định số động học k mơ hình 0,027 tuần-1; 0,0374 tuần -1 0,0361 tuần -1 với hệ số tương quan R2 0,884; 0,869 0,880 4.5.3 Tính tốn động học theo mơ hình Monod Phương trình động học xác định số động học k Ks có dạng: Se h X Se K K s So Se Phương trình động học xác định tốc độ tăng trưởng riêng phân hủy nội bào Kd có dạng: c S m ax KS 19 kd S max hệ số Bảng 4.1 Thống kê kết tính tốn thơng số động học cho mơ hình Thơng số Mơ hình MH1 MH2.1 MH3.1 K ngày KS g/L -1 0,216 0,495 0,659 max -1 Kd ngày-1 1,64 0,225 0,119 1,6 0,203 0,1 ngày 530,6 376,1 341,9 4.5.4 Tính tốn động học theo Michaelis – Menten từ liệu thực nghiệm phƣơng pháp tích phân m ị Hình 4.6 Hình 4.76 cho MH1 Km cho MH1 Các thông số động học MH1 theo động học Michaelis – Menten bao gồm Vm = 1,42 mL/gVSS/ngày, Km = 63.809 mgCOD/L = 3,28 mL/gVSS/ngày với hệ số tương quan R2 = 0,973 Hình 4.8 m KmHình 4.9 ị cho MH2.1 cho MH2.1 Các thơng số động học MH2.1 theo động học Michaelis – Menten bao gồm Vm = 36,63 mL/gVSS/ngày, Km = 4793,4 mgCOD/L β = 4,30 mL/gVSS/ngày với hệ số tương quan R2 = 0,979 20 Hình 4.10 Hình 4.11 m ị cho MH3.1 Km cho MH3.1 Các thông số động học MH3.1 theo động học Michaelis – Menten bao gồm Vm = 72,46 mL/gVSS/ngày, Km = 9919 mgCOD/L = 8,54 mL/gVSS/ngày với hệ số tương quan R = 0,98 Nhìn chung, tính tốn động học theo mơ hình Michaelis – Menten cho hệ số tương quan mơ hình MH2.1 MH3.1 lớn 0,97 Trong đó, MH3.1 có tốc độ phân hủy chất lên đến 8,54mL/gVSS/ngày Điều chứng tỏ ảnh hưởng bổ sung chế phẩm sinh học tuần hoàn nước rỉ rác CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Nghiên cứu thực công nghệ tuần hoàn nước rỉ kết hợp với bổ sung chế phẩm vi sinh nhằm góp phần nâng cao tốc độ phân huỷ CTR điều kiện mô bãi chôn lấp CTR sinh hoạt Kết nghiên cứu cho thấy cơng nghệ sử dụng đơn giản, hiệu quả, có khả áp dụng thực tiễn điều kiện Việt Nam So sánh mơ hình nghiên cứu gồm: mơ hình đối chứng, mơ hình tuần hồn nước rỉ (MH2.1) mơ hình kết hợp tuần hồn nước rỉ bổ sung chế phẩm sinh học (MH3.1), kết nghiên cứu chứng minh: Hiệu suất xử lý COD sau 32 tuần vận hành mơ hình đối chứng đạt 80,88%, tăng lên 99,53% vận hành với mơ hình tuần hoàn nước rỉ (MH2.1) đạt giá trị cao 99,74% mơ hình kết 21 hợp tuần hoàn nước rỉ bổ sung chế phẩm sinh học (MH3.1) Trong đó, tốc độ tuần hồn nước rỉ 7,46 mL/m 2.h hàm lượng chế phẩm 20 ppm xác định phù hợp cho trình xử lý Độ sụt giảm thể tích chất thải mơ hình đối chứng, mơ hình MH2.1 mơ hình MH3.1 12,05%; 21,2% 29,5% sau 32 tuần vận hành Tương ứng, mức độ giảm VS (%) tính theo khối lượng 50,52%; 65,28% 74,74% Rõ ràng chế độ tuần hồn, độ ẩm thích hợp kết hợp với việc bổ sung chủng vi sinh chuyên biệt giúp đẩy nhanh tốc phân hủy chất thải Kết nghiên cứu xác định lượng khí metan sinh đơn vị chất rắn khô bị phân hủy mơ hình đối chứng, mơ hình MH2.1 mơ hình MH3.1 có giá trị 0,025 m3CH4/kgVS; 0,664 m3CH4/kgVS 0,691 m3CH4/kgVS Lượng khí metan sinh lớn, chứng tỏ mức độ phân hủy hoàn toàn chất thải rắn cao Từ cho thấy giải pháp tuần hoàn nước rỉ kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học gia tăng đáng kể tốc độ hiệu phân hủy chất thải rắn, khắc phục ảnh hưởng vi khuẩn acid hoá, tạo điều kiện cho vi khuẩn metan hoạt động hiệu Kết nghiên cứu 03 loại mơ hình cho thấy, việc tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh vừa giúp cho trình phân hủy chất thải rắn diễn nhanh hơn, hiệu hơn, rút ngắn thời gian chôn lấp đồng thời giảm thiểu lượng nước rỉ rác cần xử lý, giảm thiểu mùi phát sinh Luận án tính tốn thơng số động học q trình phân hủy kị khí theo động học bậc nhất, Monod Michaelis - Menten đề xuất lựa chọn mô hình động học bậc theo tốc độ sinh khí metan làm sở tính tốn lượng khí phát sinh phục vụ thiết kế thu khí metan phát điện cho bãi chôn lấp Giá trị số động học k xác định 0,052 -0,053 ngày-1 22 5.2 KIẾN NGHỊ Từ kết trên, khẳng định việc nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn điều kiện bãi chơn lấp có nhiều tiềm tính thực tiễn cao Kết nghiên cứu sở cho triển khai ứng dụng thực tế bãi chôn lấp CTRSH Tuy nhiên, từ nghiên cứu phịng thí nghiệm đến áp dụng vào thực tế cần triển khai qua mơ hình pilot với nhiều yếu tố cần xem xét như: - Đặc tính chất thải; - Thời gian thử nghiệm (kéo dài thời gian so với nghiên cứu PTN); - Thay đổi pH nước rỉ rác tuần hoàn, đảm bảo đạt trung tính, thuận lợi cho hoạt động vi khuẩn metan; - Bổ sung loại chế phẩm điều chế chế phẩm rác, sử dụng phù hợp điều kiện Việt Nam; Một vấn đề khác cần quan tâm mơ hình tuần hồn nước rỉ rác kết hợp sử dụng chế phẩm vi sinh tốn lượng khí sinh học sinh so với mơ hình tuần hồn nước rỉ rác có chênh lệch khơng lớn Đây tốn kinh tế cần cân nhắc kỹ trước ứng dụng chế phẩm sinh học vào bãi chôn lấp thực tế Do nâng cấp công nghệ bãi chôn lấp hữu cách áp dụng trình tuần hoàn nước rỉ rác xem giải pháp kinh tế hiệu 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.] Tổng cục Môi trường, "Điều tra, thống kê, dự báo tình hình phát sinh, thu gom xử lý CTR (công nghiệp, nguy hại, sinh hoạt đô thị) phạm vi 32 tỉnh Duyên hải Nam Trung bộ, Tây Nguyên, ĐNB Đồng SCL, Đề xuất giải pháp quản lý xây dựng sở liệu quản lý," 2011 [2.] Bộ Tài nguyên Môi trường, Báo cáo Môi trường Quốc gia 2011Chất thải rắn Hà Nội, 2011 [3.] Đinh Xuân Thắng Nguyễn Văn Phước, Giáo trình Cơng nghệ xử lý chất thải rắn TP.HCM: NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2010 [4.] Viện Công nghệ Môi trường; Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, "Báo cáo tổng kết," 2007 [5.] G.Y.S Chan et al, "Effects of leachate recirculationon biogas productionfromlandfill co-disposal of municipal solid waste, sewagesludge and marinesediment," Environment Pollution, vol 118, pp 393-399, 2002 24