Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI 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 – Hà Nội - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI 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 – NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hoàng Dương Tùng GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu phương pháp sinh học kỵ khí điều kiện Việt Nam” cơng trình tơi nghiên cứu thực Các kết quả, số liệu luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố bất kỳ cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây dựng nơi học tập, Khoa Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường Trường giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc, kính trọng nhất đến TS Hoàng Dương Tùng GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất thời gian tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô, nhà khoa học, chuyên gia có những ý kiến đóng góp cho luận án q trình thực Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội nơi công tác hỗ trợ, tạo điều kiện cho suốt trình thực luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, động viên, chia sẻ gia đình, bạn bè đồng nghiệp tiếp thêm động lực giúp tơi hồn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hà iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .x MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về chất thải rắn hữu 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Thành phần CTR 1.2 Tổng quan về các công nghệ ủ sinh học kỵ khí xử lý CTR hữu 10 1.2.1 Công nghệ ủ kỵ khí ướt giai đoạn nạp liệu liên tục 10 1.2.2 Công nghệ ủ kỵ khí khô giai đoạn nạp liệu liên tục 11 1.2.3 Công nghệ ủ kỵ khí khô giai đoạn nạp liệu theo mẻ 12 1.2.4 Công nghệ ủ kỵ khí đa giai đoạn (phổ biến giai đoạn) 15 1.3 Tình hình áp dụng cơng nghệ ủ sinh học kỵ khí CTR hữu giới Việt Nam .18 1.3.1 Ở nước phát triển 18 1.3.2 Ở nước phát triển 28 1.3.3 Ở Việt Nam 32 1.4 Một số nghiên cứu có liên quan đến xử lý chất thải rắn hữu bằng phương pháp sinh học 36 1.4.1 Một số nghiên cứu giới 36 1.4.2 Một số nghiên cứu Việt Nam 40 Nhận xét chương 44 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH Ủ SINH HỌC KỴ KHÍ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ 46 2.1 Cơ sở lý thuyết về quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất thải rắn hữu .46 iv 2.1.1 Cơ chế q trình chuyển hóa sinh học kỵ khí 46 2.1.2 Hệ vi sinh vật phân giải kỵ khí chất thải hữu [11, 13, 35, 72] 51 2.1.3 Phân bố vi sinh vật bể phân hủy 55 2.2 Các yếu tớ ảnh hưởng đến q trình chủn hóa sinh học kỵ khí .56 2.2.1 Đặc điểm chất thải 56 2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 58 2.2.3 Ảnh hưởng pH độ kiềm (alkalinity) 58 2.2.4 Axit béo bay (VFA) 59 2.2.5 Thời gian lưu tải lượng hữu 60 2.2.6 Ammonia yếu tố gây độc 60 2.2.7 Số lượng chủng loại vi sinh vật có nguyên liệu ủ 61 2.3 Thiết lập cân bằng vật chất .63 2.3.1 Thiết lập cân thành phần rắn bay VS 63 2.3.2 Thiết lập cân chất dinh dưỡng 65 2.4 Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí 68 2.4.1 Phân tích động học trình phân hủy kỵ khí theo mơ hình Monod xác định phương trình hệ số tốc độ phân hủy 68 2.4.2 Phân tích động học trình phân hủy kỵ khí xác định lượng khí sinh theo mơ hình Gompertz cải tiến mơ hình BPK 69 Nhận xét chương 72 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 73 3.1 Địa điểm, máy móc, các thiết bị thí nghiệm và xây dựng sơ đồ nghiên cứu của Luận án 73 3.2 Các mô hình thí nghiệm 75 3.2.1 Mơ hình thí nghiệm ủ kị khí giai đoạn phòng thí nghiệm 75 3.2.2 Mơ hình thí nghiệm ủ kị khí giai đoạn phịng thí nghiệm 77 3.2.3 Mơ hình nghiên cứu ngồi trường 79 3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 80 3.3.1 Thực nghiệm khảo sát đặc tính CTRSH đặc tính mẫu trước đưa v vào mơ hình thí nghiệm 84 3.3.2 Quy trình thực nghiệm vận hành mơ hình phịng thí nghiệm 84 3.3.3 Quy trình thí nghiệm vận hành mơ hình ngồi trường 90 3.3.4 Xây dựng quy trình đánh giá sản phẩm phân mùn đầu từ mơ hình 96 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 100 4.1 Đánh giá thành phần chất thải rắn hữu đầu vào của các đợt thí nghiệm.100 4.2 Đánh giá quá trình ủ kị khí quy mô phòng thí nghiệm .102 4.2.1 Xác định chế phẩm sinh học đợt 102 4.2.2 Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp đợt thí nghiệm 107 4.2.3 Xác định thời gian ủ giai đoạn đợt thí nghiệm 110 4.2.4 Đánh giá trình ủ đợt 111 4.3 Đánh giá quá trình ủ kỵ khí ngoài hiện trường .113 4.3.1 Đánh giá hiệu quả trình ủ kị khí ủ kị khí giai đoạn ủ giai đoạn với quy mơ khác ngồi trường vào mùa hè (đợt 5) 113 4.3.2 Đánh giá hiệu quả trình ủ kị khí ủ kị khí giai đoạn ủ giai đoạn với quy mơ khác ngồi trường vào mùa đông (đợt 6) 116 4.4 Đánh giá chất lượng của mùn sau quá trình ủ ngoài hiện trường 119 4.4.1 Đánh giá chất lượng mùn sau trình ủ trường đợt 119 4.4.2 Đánh giá chất lượng mùn sau q trình ủ ngồi trường đợt 120 4.5 Thiết lập cân bằng vật chất của các mô hình thí nghiệm .122 4.5.1 Thiết lập cân thành phần rắn bay VS 122 4.5.2 Thiết lập cân thành phần chất dinh dưỡng 126 4.6 Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu của các mô hình thí nghiệm 132 4.6.1 Xác định hệ số tốc độ phân hủy trình ủ kỵ khí CTR hữu 132 4.6.2 Phân tích động học trình phân hủy kỵ khí theo mơ hình Gompertz cải tiến mơ hình BPK 133 KẾT LUẬN 137 Danh mục các công trình đã công bố của tác giả liên quan đến Luận án 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AIT BNNPTNT BPK BOD COD CTR CTRĐT CTRSH CTRSHĐT GNI HDPE HRT LCFA M0 Tiếng Anh Asian Institute of Technology Biogas Production Kinetics Biochemical Oxygen Demand Chemical Oxygen Demand Gross National Income High Density PolyEthylene Hydraulic retention time Long Chain Fatty Acids - M1 - M2 - M3 - M1VC - M2VC - M1S - M1B - Tiếng Việt Viện Công nghệ Châu Á Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn Động học sản lượng khí sinh học Nhu cầu oxy sinh hóa Nhu cầu oxy hóa học Chất thải rắn Chất thải rắn thị Chất thải rắn sinh hoạt Chất thải rắn sinh hoạt đô thị Thu nhập quốc dân Vật liệu nhựa dẻo mật độ cao Thời gian lưu Axit béo mạch dài Mơ hình thí nghiệm số (đợt TN 3) Mơ hình thí nghiệm ủ giai đoạn khơng phối trộn vụn cá (đợt TN 3, 4) Mơ hình thí nghiệm ủ giai đoạn không phối trộn vụn cá (đợt thí nghiệm 3, 4, 5, 6); Mẫu bắp cải bón mùn từ mơ hình M2 đợt Mơ hình thí nghiệm số (đợt TN 3) Mơ hình thí nghiệm ủ kỵ khí giai đoạn có phối trộn vụn cá - VC (đợt thí nghiệm 4) Mơ hình thí nghiệm ủ kỵ khí giai đoạn có phối trộn vụn cá – VC (đợt thí nghiệm 4) Mơ hình thí nghiệm ủ kỵ khí giai đoạn quy mô nhỏ (đợt TN 5, 6); Mẫu bắp cải bón mùn từ mơ hình M1S đợt Mơ hình thí nghiệm ủ kỵ khí giai đoạn quy mô lớn (đợt TN 5, 6); Mẫu bắp cải bón mùn từ mơ hình M1B đợt vii M1S1, - M1B1, - M2.1, M2.2 - OLR QCVN SS TCMT TKN TN TNHH TNMT TS TP TVS T0 T1 T2 T3 UASB UBND UBNDTP URENCO VC VFA VS VSV WHO Organic Loading Rate Suspended Solid Total Kjeldahn Nitrogen Total Solid Total Phosphorus Total Volatile Solid Upflow Anearobic Sludge Blanket Volatile Fatty Acid Volatile Solid World Health Organization Mẫu rau bón mùn từ mơ hình M1S đợt (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) Mẫu rau bón mùn từ mơ hình M1B đợt (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) Mẫu rau bón mùn từ mơ hình M2 đợt (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) Tải trọng hữu Quy chuẩn Việt Nam Chất rắn lơ lửng Tổng cục môi trường Tổng nitơ Kjeldahl Thí nghiệm Trách nhiệm hữu hạn Tài nguyên môi trường Tổng chất rắn Tổng phôtpho Tổng chất rắn bay Thùng thí nghiệm số (đợt TN 1, 2) Thùng thí nghiệm số (đợt TN 1, 2) Thùng thí nghiệm số (đợt TN 1, 2) Thùng thí nghiệm số (đợt TN 1, 2) Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược Ủy ban nhân dân Ủy ban nhân dân thành phố Công ty môi trường đô thị Vụn cá Axit béo bay Chất rắn bay Vi sinh vật Tổ chức Y tế giới viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng loại CTR hữu CTRSH [23, 26] Bảng 1.2: So sánh hệ thống kỵ khí khơ có thị trường [58] 14 Bảng 1.3: Bảng so sánh hệ thống ủ kỵ khí khô ướt [72] 15 Bảng 1.4: Ưu nhược điểm công nghệ ủ kỵ khí giai đoạn [23, 72] 18 Bảng 1.5: Các mơ hình xử lý CTR hữu quy mơ hộ nhỏ [59] 24 Bảng 2.1 Sự phân bổ loại vi sinh vật chính bể phân hủy khí sinh học điều kiện lên men chuẩn [14] 55 Bảng 2.2: Thành phần chất vụn cá thải [20] 57 Bảng 2.3: Quan hệ giữa nhiệt độ thời gian lưu chất thải [22] 58 Bảng 2.4: Kết quả phân tích chủng vi sinh chính CPSH xử lý CTR cấp phép 62 Bảng 3.1: Phương pháp, thiết bị hóa chất phân tích 74 Bảng 3.2: Bảng tổng hợp mơ hình thí nghiệm sơ đồ khung logic 80 Bảng 3.3: Tổng hợp khung sơ đồ logic đợt thí nghiệm 82 Bảng 4.1 Kết quả phân tích thành phần CTR hữu thu gom 100 Bảng 4.2: Kết quả phân tích thành phần vụn cá thải 101 Bảng 4.3 Kết quả phân tích thành phần CTR đầu vào mẫu thí nghiệm 101 Bảng 4.4: Hiệu suất chuyển hóa VS thùng thí nghiệm đợt 106 Bảng 4.5: Hiệu suất chuyển hóa VS thùng thí nghiệm đợt 109 Bảng 4.6: Hiệu suất chuyển hóa VS thùng thí nghiệm đợt 111 Bảng 4.7: Hiệu śt chuyển hóa VS mơ hình thí nghiệm đợt 112 Bảng 4.8: Kết quả phân tích phân mùn đầu mô hình thí nghiệm đợt 113 Bảng 4.9: Hiệu suất chuyển hóa VS thùng thí nghiệm đợt 114 Bảng 4.10: Kết quả phân tích phân mùn đầu mơ hình thí nghiệm đợt 115 Bảng 4.11: Kết quả phân tích mùn đầu mơ hình thí nghiệm đợt theo yêu cầu yếu tố hạn chế QCVN 01-189:2019/BNNPTNT 115 Bảng 4.12: Hiệu suất chuyển hóa VS thùng thí nghiệm đợt 117 PL21 Phụ lục 12: Kết thí nghiệm ngày 18/5/2017 PL22 Phụ lục 13: Kết thí nghiệm ngày 22/5/2017 PL23 Phụ lục 14: Kết thí nghiệm ngày 24/5/2017 PL24 Phụ lục 15: Kết thí nghiệm ngày 26/5/2017 PL25 Phụ lục 16: Kết thí nghiệm ngày 30/5/2017 PL26 Phụ lục 17: Kết thí nghiệm ngày 5/6/2017 PL27 Phụ lục 18: Kết thí nghiệm ngày 9/6/2017 PL28 Phụ lục 19: Kết thí nghiệm ngày 13/6/2017 PL29 Phụ lục 20: Kết thí nghiệm ngày 16/6/2017 PL30 Phụ lục 21: Kết thí nghiệm ngày 23/6/2017 PL31 Phụ lục 21: Kết thí nghiệm ngày 23/6/2017 (tiếp) PL32 Phụ lục 22: Kết phân tích vụn cá thải [4] PL33 Phụ lục 23: Các thông số tính toán cân hàm lượng VS và các chất dinh dưỡng C, N, P Mô VSvào VSlỏng VSrắn hình (kg) (kg) (kg) VSkhí= VSvào VSlỏng VSrắn (kg) Hàm lượng VS, mg/l VSkhí (kg) VS thất đo thoát, kg TS TP TOC TKN vào, g vào, g vào, g vào, g M1VC 2,21 0,91 0,71 0,58 84625 0,4 0,18 2,46 0,0058 M1S 21,14 5,08 8,66 7,40 84625 3,25 4,15 23,47 0,0547 M1B M2 684,85 164,51 285,31 235,04 65,08 15,74 21,92 27,42 2,37 74,52 0,1595 g g TOC TKN ra, g ra, g 0,83 0,0290 0,7820 0,0042 0,1808 0,0236 8,01 9,49 0,0404 2,16 0,24 8,71 312,49 1,3593 72,26 7,85 6,54 0,35 0,27 84625 10,24 224,80 760,44 1,7718 259,45 84625 25,05 TS ra, TP ra, 23,96 0,61 24,01 0,0761 [5] Phụ lục 23: Các thông số tính toán cân hàm lượng VS và các chất dinh dưỡng C, N, P (tiếp) Mô hình M1VC M1S M1B M2 Thể tích nước rác, l COD nước rác, mg/l 10,8 60,0 1944,0 186,0 19846,0 19784,0 19815,0 19883,0 TOC nước 0,2143 1,19 38,52 3,70 TOC khí 0,4358 4,66 148,67 13,72 Hàm lượng TKN nước 279 243 236 241 TKN nước 0,0030 0,01 0,46 0,04 TKN khí 0,0024 0,01 0,41 0,21 Hàm lượng TP nước 153 145 142 150 TP nước 0,001652 0,008700 0,276048 0,027900 TP khí 0,0000062 0,0055740 0,1364324 0,0554392 PL34 Phụ lục 24: Các thông số đầu vào và đầu của các mô hình thí nghiệm Khối Đợt thí Kí hiệu VS(% TOC Tỷ lệ lượng khối (mg/g (mg/g nghiệm mẫu TS) (mg/gTS) C/N riêng lượng) TS) TS) (kg/m3) TS (% TP TKN m vào, kg TS vào, kg VS vào, kg m %T S kg TS %VS kg VS kg H.suất chuyển hóa VS % Trong phòng thí nghiệm Đợt Đợt Đợt T0 48,2 88,45 2,13 415,01 9,5 43,69 314,59 5,8 2,80 2,47 2,4 41,2 0,99 88,93 0,88 64,44 T1 46,4 83,23 2,13 415,01 9,5 43,69 314,59 5,8 2,69 2,24 2,1 35,2 0,74 88,93 0,66 70,65 T2 47,1 85,41 2,13 415,01 9,5 43,69 314,59 5,8 2,73 2,33 2,2 34,5 0,76 88,93 0,67 71,07 T3 46,7 84,14 2,13 415,01 9,5 43,69 314,59 5,8 2,71 2,28 2,1 32,9 0,69 88,93 0,61 73,04 T0 53,8 92,27 2,72 402,54 11,46 35,13 321,85 5,9 3,17 2,93 2,1 40 0,84 88,93 0,75 74,49 T1 55,3 93,21 3,35 411,42 12,37 33,26 332,12 3,32 3,09 2,1 37 0,78 88,93 0,69 77,66 T2 57,1 94,16 3,81 428,51 15,82 27,09 341,18 6,1 3,48 3,28 35 0,70 88,93 0,62 81,02 T3 58,9 95,08 4,14 433,63 18,95 22,88 350,23 6,2 3,65 3,47 2,1 38 0,80 88,93 0,71 79,56 M0 49,6 87,56 2,07 421,54 9,6 43,91 321,56 5,7 2,83 2,48 2,1 40 0,84 88,93 0,75 69,82 M1 49,6 87,56 2,07 421,54 9,6 43,91 321,56 5,7 2,83 2,48 38 0,76 88,93 0,68 72,70 M2 49,6 87,56 2,07 421,54 9,6 43,91 321,56 5,7 2,83 2,48 1,9 36 0,68 88,93 0,61 75,43 M3 49,6 87,56 2,07 421,54 9,6 43,91 321,56 5,7 2,83 2,48 39 0,78 88,93 0,69 71,98 PL35 TS (% TP TKN Đợt thí Kí hiệu VS(% TOC Tỷ lệ khối (mg/g (mg/g nghiệm mẫu TS) (mg/gTS) C/N lượng) TS) TS) Đợt M1 44,2 87,21 1,78 388,65 M1VC 41,03 89,78 2,37 M2 40,16 87,21 M2VC 48,6 89,78 9,1 Khối lượng riêng (kg/m3) m vào, kg TS vào, kg VS vào, kg m kg %T TS %VS S kg H.suất VS kg chuyển hóa VS % 41,61 317,89 5,8 2,56 2,24 2,1 40,2 0,84 88,93 0,75 66,42 337,53 11,79 28,63 338,26 2,46 2,21 39,1 0,78 91,3 0,71 67,70 1,78 325,28 7,82 41,60 317,89 5,8 2,33 2,03 1,9 37,6 0,71 91,3 0,65 67,89 2,94 402,17 14,49 27,76 338,26 2,92 2,62 36,4 0,73 91,3 0,66 74,61 39,2 9,49 91,3 8,66 59,02 760,44 684,85 773,5 40,4 312,49 91,3 285,31 58,34 Ngoài hiện trường Đợt Đợt M1S 41,25 90,06 2,33 341,18 11,46 29,77 284,49 M1B 41,25 90,06 2,33 341,18 11,46 29,77 284,49 1843,5 M2 40,37 87,34 2,14 321,57 8,13 39,55 279,67 184,6 74,52 65,08 62,7 38,3 24,01 91,3 21,92 66,31 M1S 55,6 91,37 2,91 442,12 15,76 28,05 299,23 59,8 33,27 30,40 26,3 42,2 11,10 88,93 9,87 67,54 M1B 55,6 91,37 2,91 442,12 15,76 28,05 299,23 1939,0 1078,09 985,05 854,6 45,1 385,42 88,93 342,76 65,20 M2 46,9 90,37 2,16 365,12 282,23 41,8 26,67 88,93 23,72 69,96 9,1 40,12 56,9 186,3 23,47 21,14 24,2 87,36 78,95 63,8