Trang 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ---o0o--- ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN THIẾT KẾ HỆ
GIỚI THIỆU CHUNG
Đặt vấn đề
Với nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao, ngành chế biến thực phẩm trở thành một trong những ngành công nghiệp phát triển với những quy trình xử lý ngày càng nghiêm ngặt, khoa học Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất và sau khi sử dụng, rác thải thực phẩm nếu không được phân loại, xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường, lãng phí nguồn tài nguyên Ước tính mỗi năm có tới 100 triệu tấn rác thực phẩm được thải ra từ các quá trình của ngành công nghiệp chế biến trên toàn thế giới Trong quá trình sản xuất, chế biến thực phẩm, chất thải rắn nông sản chế biến thường phát sinh từ các công đoạn bóc gọt, rửa, luộc, cắt và từ các sản phẩm phụ như bã ép, vỏ Còn giết mổ gia súc gia cầm hay chế biến thủy hải sản thì nguyên liệu gần như được tận dụng hết và chỉ có sinh khối nhầy, vây, lông và những phần thừa nội tạng Đối với các loại rác thải phát sinh từ hoạt động chế biến thực phẩm có nguồn gốc động vật, rủi ro về vệ sinh thường lớn hơn, có nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, cá, thịt gia súc và gia cầm là những nguồn sản sinh rác thải thực phẩm có nguồn gốc động vật lớn nhất Loại rác này có hàm lượng protein rất cao nên không thể thải bỏ trực tiếp ra môi trường mà chưa qua xử lý Rác thải thực vật lớn nhất từ ngũ cốc, hoa quả và rau Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng các đồ dùng đóng hộp, có sẵn của con người cũng gia tăng đáng kể nên những chất thải từ ngành chế biến thực phẩm cũng ngày một tăng cao, khiến cho việc xử lý trở nên phức tạp và kỳ công hơn Không những thế, nếu ở khu vực ngoại thành, rác thải thực phẩm được người dân tận dụng làm phụ phẩm nông nghiệp hoặc thức ăn trong chăn nuôi thì ở nội thành, các hộ gia đình đều gom chung với rác sinh hoạt Khí metan từ rác thải thực phẩm tạo ra 3,3 tỉ tấn khí nhà kính mỗi năm và chiếm khoảng 7% tổng lượng khí thải Việc xử lý chất thải nói chung không đúng cách còn gây ô nhiễm đất và nguồn nước
Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế, văn hóa và khoa học hàng đầu cả nước Với qui mô dân số hơn 10 triệu người (2017), hằng ngày Thành phố này thải ra một lượng chất thải rắn lên đến 8.300 tấn Trong đó, thành phần rác thải hữu cơ chiếm tỷ lệ đến hơn 70% con số trên Chất thải hữu cơ hoàn toàn thích hợp để làm nguồn nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ vi sinh (composting) kết hợp thu hồi khí sinh học (biogas) dùng cho sinh hoạt Để góp phần tìm ra những con đường, cách thức tốt và dễ dàng nhất mà mọi người có thể ứng dụng để xử lý bớt chất thải hữu cơ hằng ngày thành nguyên, nhiên liệu tái sử dụng, giảm bớt nguồn thải có khả năng gây ô nhiễm lớn thì
2 thu hồi năng lượng biogas là phương pháp tối ưu nhất Việc áp dụng phương pháp xử lý rác thải thực phẩm sinh hoạt bằng vi sinh vật để thu hồi năng lượng cung cấp cho các hoạt động khác là hoàn toàn phù hợp cho mục tiêu phát triển bền vững, hướng tới đô thị sinh thái.
Nội dung đề tài
Thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng biogas từ rác thực phẩm sinh hoạt, công suất 15 tấn/ngày
TỔNG QUAN VỀ RÁC THẢI SINH HOẠT
Đặc điểm rác thải sinh hoạt
Chất thải rắn (CTR) bao gồm tất cả các chất thải ở dạng rắn, phát sinh do các hoạt động của con người và sinh vật, đưực thải bỏ khi chúng không còn hữu ích hay khi con người không muốn sử dụng nữa
Rác thải sinh hoạt đa phần là các CTR đã bị loại ra trong quá trình sinh sống, kinh doanh, các hoạt động, và sản xuất của con người cũng như các loài động vật Rác thải sinh hoạt đa phần phát sinh từ các hộ gia đình, khu công cộng, các khu thương mại, khu công nghiệp, ngành trồng trọt chăn nuôi, rác thải xây dựng, bệnh viện, khu xử lý chất thải….Thành phần chủ yếu của chúng là các chất hữu cơ và rất dễ gây ô nhiễm trở lại cho môi trường sống của chúng ta Cho nên, rác sinh hoạt có thể định nghĩa là những thành phần tàn tích hữu cơ phục vụ cho cuộc sống của con người
Dựa vào việc phân loại rác tại nguồn, ta có thể chia rác thải sinh hoạt thành 3 loại: rác tái chế, rác vô cơ và rác hữu cơ
- Rác thải tái chế: Là rác thải mà sau khi con người loại bỏ vẫn có thể tái sử dụng lại
Hình 2.1: Thành phần rác thải tái chế
- Rác thải vô cơ: Là những rác thải không thể tái sử dụng hoặc tái chế, với những loại rác thải này chỉ có cách chôn hoặc đốt
Hình 2.2: Thành phần rác thải vô cơ
- Rác thải hữu cơ: Là những loại rác dễ dàng phân hủy, chúng thường được tận dụng làm phân compost hoặc làm thức ăn cho động vật nuôi
Hình 2.3: Thành phần rác thải hữu cơ
Rác thải thực phẩm sinh hoạt
Thành phần của chất thải rắn biểu hiện sự đóng góp và phân phối của các phần riêng biệt mà từ đó tạo nên dòng chất thải, thông thường được tính bằng phần trăm theo khối lượng của thành phần Thông tin về thành phần chất thải rắn đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và lựa chọn những thiết bị thích hợp để xử lý, các quá trình xử lý cũng như việc hoạch định các hệ thống, chương trình và kế hoạch quản lý chất thải rắn
Nguồn chất thải rắn sinh hoạt thường là nguồn phát sinh từ các hộ gia đình, chung cư, biệt thự Trong đó thành phần riêng biệt của chất thải rắn thay đổi theo vị trí địa lý, thời gian, mùa trong năm, điều kiện kinh tế và thu nhập của từng quốc gia
Thành phần hữu cơ của trong rác thải sinh hoạt được tổng hợp theo bảng dưới đây:
Bảng 2.1: Dữ liệu điển hình về phân tích thành phần của chất thải thực phẩm hữu cơ được tìm thấy trong khu dân cư, thương mại và công nghiệp [1]
Loại rác thải thực phẩm
Phần trăm khối lượng khô
Cacbon Hydro Oxi Nitơ Lưu huỳnh Tro
Rác thải chứa chất béo
Rác thải thực phẩm hỗn hợp
CÁC CÔNG NGHỆ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI THỰC PHẨM SINH HOẠT
Quá trình đốt
Xử lý CTR bằng phương pháp nhiệt là quá trình sử dụng nhiệt để chuyển hóa chất thải từ dạng rắn sang dạng khí, lỏng và tro… đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt
Các hệ thống xử lý CTR bằng nhiệt được phân loại dựa theo yêu cầu sử dụng không khí bao gồm :
• Quá trình đốt được thực hiền với một lượng oxy ( không khí ) cần thiết vừa đủ để đốt cháy hoàn toàn CTR gọi là quá trình đốt hóa học ( stoichiometric combustion ) Quá trình đốt được thực hiện với dư lượng không khí cần thiết được gọi là quá trình đốt dư khí
• Quá trình đốt không hoàn toàn CTR dưới điều kiện thiếu không khí ( substoichiometric combustion ) và tạo ra các khí cháy như cacbon monooxyde (CO), hydrogen (H2), và các khí hydrocacbon gọi là quá trình khí hóa
Quá trình xử lý CTR bằng nhiệt trong điều kiện hoàn toàn không có không khí gọi là quá trình nhiệt phân Ưu điểm:
➢ Hiệu suất cao, xử lý được 80% - 90% khối lượng phần hữu cơ trong CTR
➢ Thu hồi năng lượng : nhiệt của quá trình có thể tận dụng cho nhiều mục đích khác như phát điện, sản xuất hơi nước nóng
➢ CTR có thể được xử lý tại chỗ mà không cần phải vận chuyển đi xa, tránh được các rủi ro và giảm chi phí vận chuyển
➢ Phương pháp này chỉ cần một diện tích đất tương đối nhỏ trong khi phương pháp chôn lấp cần phải có một diện tích rất lớn
➢ CTR có hàm lượng ẩm cao quá thì quá trình đốt sẽ gây bất lợi là tiêu tốn nhiều năng lượng
➢ Vốn đầu tư ban đầu cao so với các phương pháp xử lý khác bao gồm chi phí đầu tư xây dựng lò, chi phí vận hành và xử lý khí thải lớn
➢ Đòi hỏi nhân lực phải có tay nghề trong việc vận hành.
Quá trình phân hủy kị khí
Phân hủy kị khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có oxy ở điều kiện nhiệt độ từ 30 → 65 0 C Sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí là khí sinh học (CO2 và CH4) Khí CH4 có thể thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và bùn đã được ổn định về mặt sinh học, có thể sử dụng như nguồn bổ sung dinh dưỡng cho cây trồng
3.2.2 Các giai đoạn của quá trình
Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTRSH dưới điều kiện kỵ khí xảy ra theo ba bước Bước thứ nhất là quá trình thủy phân các hợp chất có phân tử lượng lớn thành những hợp chất thích hợp dùng làm nguồn năng lượng và mô tế bào Bước thứ hai là quá trình chuyển hóa các hợp chất sinh ra từ bước một thành các hợp chát có phân tử lượng thấp hơn xác định Bước thứ ba là quá trình chuyển hóa các hợp chất trung gian thành các sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu là khí metan (CH4) và khí cacbonic (CO2)
Trong quá trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vi sinh vật kỵ khí cùng tham gia quá trình chuyển hóa phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử và lipid thành các thành phần xây dựng cấu trúc như axit béo, monosacharic, amino axit và các hựp cliât liên quan Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai được gọi là nonmetanogenic (gồm các vi sinh vật ky khí tùy tiện và vi sinh vật kỵ khí bắt buộc) lên men các sản phẩm đã cắt mạch của nhóm một thành các axit hữu cơ đơn giản mà chủ yếu là acetic axit Nhóm vi sinh vật thứ ba chuyển hóa hydro và acetic axit thành khí metan và CO Vi sinh vật metan hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất định để chuyển hóa thành metan như
CO2 + H2, fomat, axetat, metanol, metylamin và CO
Bảng 3.1: Các giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí
Tên giai đoạn Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3
Thủy phân Axit hóa Acetate hóa Metan hóa
Các chất ban đầu Đường phức tạp, protein, chất béo Đường đơn giản Amino axit, axit hữu cơ
Vi sinh vật Vi khuẩn axit hóa
Sản phẩm Đường đơn giản Amino axit, axit hữu cơ
Khí sinh ra CO2 CO2, H2 CO2, CH4, H2 CO2, CH4
3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
Có 3 yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình phân hủy kỵ khí là tỷ lệ C/N, pH và nhiệt độ
- Tỷ lệ C/N: Tỷ lệ C/N tối ưu trong quá trình phân hủy kỵ khí khoảng 20 - 30: 1 Ở mức độ tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai Ở mức tỷ lệ cao hơn sự phân hủy xảy ra chậm
- pH: Sản lượng khí sinh học (biogas) sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí đạt tô'i đa khi giá trị pH của vật liệu của hệ thống nằm trong khoảng 6 - 7 (6,5 - 7,5) Giá trị pH ảnh hưởng đến thời gian phân hủy của CTR vật liệu pH của môi trường phải được khống chế sao cho không nhỏ hơn 6,2 bởi vì khi đó vi khuẩn sinh metan bị ức chế hoạt động Tại thời điểm ban đầu của quá trình lên men, số lượng lớn cácc axit hữu cơ được tạo thành và có thể làm cho giá trị pH của hỗn hợp giảm xuống dưới 5, điều này sẽ làm hạn chế quá trình phân hủy Quá trình phân hủy sẽ tiếp tục và lượng NH3 tạo thành sẽ gia tăng do sự phân hủy của nitơ, giá trị pH có thể tăng lén trên 8 Khi sản lượng khí metan tạo thành ổn định, giá trị pH trong khoảng 7,2 - 8,2
- Nhiệt độ: Vi sinh vật metan hóa sẽ không hoạt động được khi nhiệt độ quá cao hay quá thấp Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 10 0 C, sản lượng khí sinh học (biogas) tạo thành hầu như không đáng kể Hai khoảng nhiệt độ tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí:
+ Giai đoạn nhiệt độ trung bình: nhiệt độ dao động trong khoảng 20 – 40 0 C, tối ưu 30 - 35 0 C
+ Giai đoạn hiếu nhiệt: nhiệt độ tối ưu trong khoảng 50 - 65 0 C Ưu điểm:
➢ Không cần xử dụng Oxy ⇒ làm giảm chi phí điện năng cho quá trình cấp khí
➢ Quá trình xử lý kỵ khí tạo ra lượng khí Metan lớn, khí metan có mức năng lượng phát sinh 9000 kcal/m 3 Có thể được dùng để cấp khí cho lò hơi
➢ Nhu cầu năng lượng cho quá trình được giảm nhiều
➢ Có thể được thiết kế để hoạt động dưới tỉ trọng cao
➢ Hệ thống xử lý kỵ khí có thể phân hủy được các chất tổng hợp như các hydrocacbon béo có chlor như trichloroethylen, trihalomethan) và một số chất thiên nhiên khó phân hủy như ligin
➢ Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn quá tình hiếu khí
➢ Nhạy cảm trong việc phân hủy các chất độc
➢ Quá trình phân hủy cần nhiều thời gian hơn
➢ Quá trình khởi động cần lượng bùn lớn hơn (nồng độ bùn yêu cầu cao hơn)
3.2.4 Các quy trình công nghệ kị khí thu hồi biogas
Các hệ thống để tiến hành quá trình phân hủy kỵ khí (còn gọi là quá trình lên men hay quá trình metan hóa) là các bể phân ứng kín để kiểm soát quá trình kỵ khí và thu gom toàn bộ lượng khí sinh học sinh ra Sản lượng khí sinh học phụ thuộc vào thành phần chất thải và điều kiện trong bể phản ứng Sơ đồ quy trình xử lý CTR đô thị tổng quát theo công nghệ kỵ khí trình bày theo hình dưới đây
Hình 3.1: Sơ đồ quá trình xử lý rác đô thị bằng công nghệ phân hủy kỵ khí
- Theo môi trường phản ứng: Quá trình phân hủy kị khí được chia thành phân hủy kị khí khô và phân hủy kị khí ướt Phân hủy kị khí khô là quá trình phân hủy kị khí mà vật liệu đầu vào có độ ẩm 60 - 65%, phân hủy kị khí ướt là quá trình phân hủy kị khí mà vật liệu đầu vào có độ ẩm 85 - 90%
+ Ướt: rác đô thị ở dạng huyền phù với lượng nước cung cấp nhằm pha loãng rác đến tỷ lệ 10 + 15% TS
+ Khô: hùm lượng TS trong rác phân hủy khoảng 20 + 40%
- Theo chế độ cấp liệu
+ Mẻ: Hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ
- Liên tục: Hệ thống làm việc liên tục
Theo phân đoạn phản ứng
+ Một giai đoạn: Toàn bộ qua trình phân hủy xảy ra trong một thùng phản ứng
+ Đa giai đoạn: Toàn bộ quá trình xảy ra ở nhiều thùng phản ứng mắc nối tiếp theo một hoặc cả hai chế độ sau: Tách riêng giai đoạn axit hóa – metan và vận hành ở nhiệt độ khác nhau
Các quy trình công nghệ đặc trưng
Thực tế người ta thường thiết kế và vận hành bể phản ứng phân hủy kỵ khí theo một giai đoạn hoặc hai giai đoạn Trong thiết kế hai giai đoạn, giai đoạn một gồm quá trình thủy phân và axit hóa (khoảng 1 - 3 ngày), giai đoạn hai gồm quá trình acetate hóa và metan hóa Ưu và nhược điểm của phân hủy kị khí theo một giai đoạn và hai giai đoạn được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 3.2: Ưu nhược điểm của công nghệ sản xuất phân kỵ khí theo một và hai giai đoạn
Một giai đoạn Hai giai đoạn Ưu điểm - Chi phí đầu tư thấp
- Kỹ thuật vận hành cao
- Có thể tối ưu hóa theo từng giai đoạn
- Sử dụng thời gian lưu và thể tích hiệu quà
- Diệt vi khuẩn gây bệnh tốt (pH thấp ở giai đoạn 1)
Nhược điểm - Không thể tối ưu hóa hệ thống
- Tính ổn định của hệ thông thấp
- Chi phí đầu tư cao
- Kỹ thuật vận hành phức tạp
3.2.4.1 Công nghệ ướt một giai đoạn Đối với hệ thống hoạt động theo công nghệ ướt một giai đoạn, rác được chuyển sang dạng huyền phù có khoảng 10% chất rắn bằng cách pha loãng với nước Hệ thống hoạt động với sự phân hủy hoặc kết hợp phân hủy giữa rác đô thị với các nguyên liệu loãng hơn như bùn từ cống rãnh hoặc phân động vật Thủy tinh và đá được yêu cẩu loại bổ nhằm ngăn ngừa khả nàng tích tụ nhanh của các chất này dưới đáy bể phản ứng Sau khi quá trình phân hủy, bùn lỏng phải được yêu cầu 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 ẩm thấp để xử lý tiếp
Các đặc tính của công nghệ ướt một giai đoạn được trình bày ở bảng dưới đây:
Bảng 3.3: Tổng quan về đặc tính của công nghệ ướt một giai đoạn
TT Tiêu chí Ưu điểm Nhược điểm
1 Kỹ thuật - Phát triển từ quá trình đã được nghiên cứu kỹ
- Các chất tạo váng/bọt và chất nặng lắng xuống đáy bể phản ứng
- Tiền xử lý phức lạp
2 Sinh học - Pha loãng chất gây ức chế bằng nước
- Tương đối nhạy cảm về tải lượng do các chất gây ức chế có khả năng lan truyền nhanh trong bể phản ứng
- Mất VS theo các chất trơ
3 Kinh tế và môi trường
- Thiết bị xử lý và vận chuyển bùn rẻ (bù lại đòi hỏi thiết bị tiền xử lý và thể tích của bể phản ứng lớn)
- Tiêu thụ năng lượng cao do phải gia nhiệt thể tích lớn
3.2.4.2 Công nghệ khô một giai đoạn
Hàm lượng TS tối ưu trong các chất rắn lên men trong hệ thống sử dụng công nghệ khô một giai đoạn khoảng 20 - 40%, với rác có hàm lượng TS > 50% cần phải pha loãng Nước được thêm vào tối thiểu để tạo sự cân bằng nhiệt toàn diện, rất hữu ích cho hoạt động ở chế độ hiếu nhiệt
Hệ thống khô khác biệt so với hệ thống ướt về bản chất vật lý của các chất lên men Quá trình vận chuyển, nạp chất lên men có thể thực hiện nhờ băng tải, trục vít hoặc bơm chuyên dụng có công suất lớn Các thiết bị này đắt hơn so vớii bơm sử dụng trong hệ thống ướt Ngoài ra, các thiết bị này phải đủ mạnh để có thể vận chuyển dược đá, thủy tinh, gỗ mà không gây ra bất cứ cản trở nào
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
Các hệ thống đã áp dụng trên thực tế
Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục một giai đoạn do Eco Technology JVV OY phát triển Thuyết minh công nghệ:
Chát thải đã được phân loại tại nguồn được vận chuyển đến nhà máy và chuyển qua công đoạn nghiền sơ bộ, phân loại từ tính trước khi phân loại bằng trống quay
Chất thải cháy được hay còn gọi là nhiên liệu thu hồi từ rác (RDF) được tách ra và chuyển đến nồi hơi đốt theo công nghệ tầng sôi Các chất hữu cơ còn lại được chuyển đến bể chuẩn bị nguyên liệu phản ứng Tại đây, các chất này tạo thành dịch lỏng với 15% TS bằng cách trộn với nước Các tạp chất rắn được loại bỏ và nguyên liệu được bơm đến bể phản ứng sinh học kỵ khí
Hệ thống gồm hai hay nhiều dây chuyền hoạt động song song Quá trình phân hủy bắt đầu ở nhiệt độ 35 0 C với thời gian lưu từ 15 - 20 ngày (công nghệ phân hủy kỵ khí hiếu nhiệt ở 55 0 C cũng có thể áp dụng được cho hệ thống này) Quy mô của hệ thống có thể lên đến 5.000 m 3 Khí sinh học sinh ra sẽ được tuần hoàn lại một phần để
18 tạo bọt khí làm khuấy trộn vật liệu trong bể phản ứng Huyền phù tạo ra được diệt khuẩn ỏ 70 0 C trong vòng 30 phút nhằm đảm bảo an toàn khi bón cho đất nông nghiệp
Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ khô - liên tục một giai đoạn do hãng DRANCO, Bỉ phát triển
Chất thải hữu cơ đã được phân loại tại nguồn được phân loại bằng tay hay xé nhỏ trước khi chuyển đến sàng phân loại để tách các vật chất lớn Thiết bị phân loại từ tính loại bỏ các mảnh kim loại và nguyên liệu sau đó được trộn với nước tái sử dụng từ quá trình Nguyên liệu được bơm đến đỉnh của phản ứng sinh học kỵ khí có dung tích
Hệ thống DRANCO bao gồm một giai đoạn kỵ khí hiếu nhiệt (hoạt động ở nhiệt độ 50 – 58 0 C), thời gian lưu là 20 ngày, 5% lượng chất thải trong bể phản ứng được lấy ra hàng ngày, khử nước bằng máy ép dạng trục vít để thu được 55% chất rắn.Nước rỉ được tiền xử lý bằng các hồ hiếu khí tại chỗ trước khi thải đến trạm xử lý nước thải đô
19 thị của vùng Phần chất rắn với hàm lượng TS khoảng 50% được ổn định hiếu khí trong thời gian khoảng hai tuần theo kỹ thuật thổi khí từ đáy San phẩm cuối cùng là phân Humotex, là sản phẩm ổn định, vệ sinh, sử dụng tốt cho đất.Khoảng 7% khí được tạo ra sử dụng cho đốt nóng bể phản ứng.
Thành phần chất rắn tổng số của nguyên liệu biến thiên khoảng 15 - 40%, phụ thuộc vào các vật liệu đầu vào
Hình 4.3: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn BTA Thuyết minh công nghệ:
Chất thải đã được phân loại tại nguồn được vận chuyển đến sàng tập kết trong nhà máy Sau đó được chuyển đến máy xé bao và máy nghiền thùy lực Tại máy nghiền thủy lực, chất thải được nghiền, loại bỏ chát dẻo và các chất trơ Sinh khối sau khi nghiền được tiền xử lý ở nhiệt độ 70 0 C trong vòng 1 giờ để diệt khuẩn và NaOH được
20 thêm vào để gia tăng tốc độ phản ứng trong các công đoạn sau Sinh khối sẽ được tách làm hai loại: dịch lỏng được bơm đến bể phản ứng sinh học kỵ khí và huyền phù được chuyển đến bể phản ứng thủy phân, ở đó nó chuyển thành các axit hữu cơ Phần dịch lỏng từ bể thủy phân được bơm đến bể phân hủy sinh học kỵ khí
Nhà máy tạo ra khoảng 3 triệu m 3 khí sinh học mỗi năm, sử dụng cho trạm phát điện và nồi hơi đốt khí ở gần nhà máy
Nhà máy trang bị bộ trao đổi nhiệt, do đó nhiệt được tạo thành từ quá trình phân hủy có thể được sử dụng dể tăng nhiệt độ châì thải trong công đoạn tiền xử lý
Hình 4.4: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn TBW Thuyết minh công nghệ:
Công nghệ TBW là công nghệ kết hợp giữa phân hủy kỵ khí và hiếu khí rác thải
Chất thải hữu cơ đã được phân loại tại nguồn được sử dụng kết hợp với chất thải lỏng của công nghiệp chế biến nông sản Chất thải tại nhà máy được phân loại thành các vật liệu thô và chất hữu cơ mịn hơn nhờ sàng dạng trống quay Các vật liệu sau đó được loại bỏ các vật liệu vô cơ bằng tay, máy phân loại từ trước khi chuyển sang phân hủy tiêp Phần vật liệu thô được chuyển đến quá trình chế biến phân rác hiếu khí, phần vật liệu mịn hơn được chuyển đến quá trình phân hủy ky khí
Quá trình ủ vật liệu thô được thực hiện theo dạng đánh luống trong vòng 6 tuần, trong suốt quá trình này chúng được đảo trộn một lần
Phần hữu cơ mịn được chuyển đến máy nghiền thủy lực tạo dung dịch có 10% chất rắn bằng nước Dịch lỏng sau đó được bơm theo mẻ (vài mẻ/ngày) vào bể phản ứng ky khí 1 hoạt động ỏ nhiệt độ 35 0 C với thời gian lưu khoảng hai tuần Chất thải tại đây được khuấy trộn nhờ thiết bị khuấy dạng chân vịt Bùn hoạt tính từ đáy của bể phản ứng ky khí 1 được chuyển sang đáy của bể phản ứng kỵ khí 2 Bể phản ứng kỵ khí 2 hoạt động ở chế độ hiếu nhiệt (55°C) với thời gian lưu cũng khoảng 2 tuần Kết thúc tuần thứ 2 có khoảng 60% chất hữu cơ ban đầu sẽ được chuyển thành biogas
Sự phân chia vật lý của hai giai đoạn tạo ra sự gia tăng sản lượng khí Khoảng 25% năng lượng được tạo ra từ biogas được sử dụng để cấp nhiệt cho các bể phản ứng và các hoạt động bên trong nhà máy Mỗi m 3 biogas tạo ra l,5kW điện và 3kW nhiệt
Chất thải sau phân hủy được ép để loại nước Phần lớn nước tạo ra được tái sử dụng để trộn vơi phân hữu cơ mịn ở máy nghiền Phần nước thừa dược làm sạch bằng các hồ làm sạch được thiết kế sẵn Phần bùn rắn được trộn vơi phân hiếu khí đã ổn định để tạo sản phẩm cải thiện chất lượng đất.
Lựa chọn sơ đồ công nghệ
Chọn quá trình lên men ướt do
Hình 4.5: Sơ đồ công nghệ lựa chọn
Từ nguồn rác thải hộ gia đình (rác nhà bếp) sẽ được thu gom và vận chuyển tới nhà máy để xử lý Rác sẽ được đưa vào bể phân loại rác bằng thủy lực để phân loại. Quá trình này được gia nhiệt ở nhiệt độ khoảng 90 0 C để làm các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong rác như chất béo, xenlulozo và cả protein bị phân hủy, từ đó enzim sẽ dễ xâm nhập vào cũng như giết chết các vi sinh vật gây hại Phần rác nổi lên trên là rác vô cơ và rác hữu cơ có tỷ trọng nhẹ hơn nước sẽ được đem đi chôn lấp Phần rác thu được là phần rác có tỷ trọng ở giữa là rác thải thực phẩm sinh hoạt sẽ được đưa đến quá trình xử lý tiếp theo Phần rác nổi lên trên là rác vô cơ và rác hữu cơ có tỷ trọng nhẹ hơn nước sẽ được đem đi chôn lấp Lượng rác mất đi trong quá trình phân loại này khoảng 20%.
Sau khi rác thực phẩm hữu cơ được tách ra sẽ được đưa đến máy nghiền thủy lực để cắt nhỏ rác, tăng diện tích tiếp xúc cho quá trình xử lý lúc sau sẽ tốt hơn Rác thải sẽ được chuyển tiếp qua bể tiền xử lý khuấy trộn được châm NaOH để cân bằng pH, tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy phía sau Nước từ bể tiền xử lý sẽ được đưa vào bể trung gian để chứa tạm thời. Đến bể lên men kỵ khí thì nhiệt độ của rác vào khoảng 55 0 C Tại đây quá trình lên men rác được diễn ra với thời gian lưu là 10 ngày Bể lên men được hoạt động liên tục.
Bùn từ bể lên men kỵ khí sẽ được đưa qua máy ép bùn ly tâm, sau đó được phối trộn với bã mía để sản xuất phân bón Phần nước từ quá trình ép bùn ly tâm sẽ được đưa vào hệ thống xử lý nước thải để xử lý.
Phần khí sẽ được thu vào túi đựng khí, sau đó được làm sạch và đưa vào lò hơi làm chất đốt, cung cấp nhiệt ngược lại cho nước từ bể tiền xử lý và sau đó cho quá trình phân loại rác bằng thủy lực.
TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ
Bể tiền xử lý
C/N= 30% Độ ẩm (MC) = 62.24% ( %TS 0%-%MC)
Tổng khối lượng khô trong rác TS = 15 tấn/ ngày x 37,76% = 5664 kg/ngày Lượng VS= 80% TS = 4531 kg/ ngày
Thời gian phân hủy : 30 ngày
Bảng 5.1: Thành phần rác sinh hoạt
Thành phần % Khối lượng ướt
Chất hữu cơ dễ phân hủy 62.24
Túi xách, que tre, giẻ rách 4.25
Thủy tinh 0.02 Đá sỏi, sành sứ 16.4
Tạp chất có đường kính 10 mm trở xuống 15.27
Bảng 5.2: : Công thức hóa học của rác thải hữu cơ sinh hoạt
Bảng 5.3: Tính khối lượng các nguyên tố hóa học trong CTR khô và ướt
Bảng 5.4: Tính số mol nguyên tố trong CTR bỏ qua phần tro Thành phần
Bảng 5.5: Xác định tỉ số mol và CTHH của CTR có và không có nước
Tỉ số mol (N= 1) Tỉ số mol (S= 1)
Rác khô Rác ướt Rác khô Rác ướt
Công thức hóa học ( bỏ qua nguyên tố S )
Công thức hóa học ( có nguyên tố S )
Tính tổng lượng khí sinh ra theo phân hủy kị khí ( vì lượng S quá nhỏ nên ta có thể bỏ qua )
Số mol metan và CO2 sinh ra trong 15 tấn rác thải
Thành phần khí sinh học:
CO2 = 293.46/(10.5+293.46+334.55)= 46 % Ước tính nhiệt trị của CTR hữu cơ sinh hoạt
Bảng 5.6: Tính khối lượng của từng nguyên tố trong rác
Thành phần Số lượng nguyên tử /mol KL nguyên tử KL của từng
Nhiệt trị của rác khô
Bảng 5.7: Tính nhiệt trị của rác khô
Nhiệt trị sinh ra là 3133.6kg/h
Khối lượng riêng của bùn 1080kg/m3
→Chọn nồi hơi để cấp nhiệt : 3500 kg/h
Bảng 5.8: Thông số kỹ thuật nồi hơi đốt gas
Tính toán thời gian cấp nhiệt cho tới 80 o C.Rác thải đô thị có nhiệt độ khoảng 10-
20 o C Thời gian cấp nhiệt : T= 1 ngày.Vậy thể tích bể là V:
Bảng 5.9: Thông số tính toán bể
Chiều cao bảo vệ bể 0.3 m
Kích thước mỗi ngăn : Chiều dài : L = 2.2m Chiều rộng : B = 1m Trong đó : b : Bề dày vách ngăn, b = 0,1m
Tính bể kỵ khí hình trứng
5.2.1 Tính lưu lượng bùn vào bể kỵ khí
Lượng rác đầu vào = 15 tấn/ ngày = 15000kg/ngày
VSS = 15000kg/ngày × 0,9 = 13500kg/ngày
FSS 000kg/ngày × 0,1 = 1500kg/ngày
VSS phân hủy = 15000 kg/ngày × 0.5 = 7500 kg/ngày
30 Đầu ra = đầu vào – phân hủy
VSS (trong bùn thải) = 13500 kg/ngày – 7500 kg/ngày = 6000 kg/ngày
FSS (trong bùn thải) = 1500 kg/ngày - 0 kg/ngày = 1500 kg/ngày
Tổng chất rắn trong bùn thải TSS = FSS + VSS = 6000 + 1500 u00 kg/ngày
Khổi lượng bùn tươi = 15000 kg/ngày × m 3 /1000kg × 100kg/5kg × 1/1,01= 297 m 3 /ngày
Khổi lượng bùn thải = 7500 kg/ngày × m 3 /1000kg ×100kg/7kg × 1/1,03 = 104 m 3 /ngày
3(297 − 104) = 169 m 3 /ngày Vậy tổng lưu lượng bùn trung bình mỗi ngày 9 m 3 /ngày
Lượng bùn tổng cộng dẫn đến bể ESD: Qbùn = 169 m 3 /ngày
Thành phần tổng chất rắn: TS = 30%
Chất thải rắn bay hơi: VS = 0.52TS = 15.6% Độ ẩm trung bình của bùn đầu vào bể kỵ khí hình trứng là 70%
Chọn tải trọng bể = 9 kg/m 3 (bể cao tải)
Thể tích hữu ích của bể hình trứng:
9 = 897 m 3 Thể tích sử dụng 70% bể, khi đó thể tích thực của bể là
Chọn thời gian lưu trong bể là 10 ngày ở 35ºC (Theo Metcalf - Eddy Wastewater engineering: treatment and reuse, 4th ed New york: McGraw Hill; 2003)
➔ Thiết kế 2 bể kỵ khí giống nhau → Thể tích 2 bể là 641 m 3 Đường kính 1 bể ESD:
(Với ξ = 1,9: hệ số không thứ nguyên của bể ESD và ξ = 1 – 3, (Zingoni A, 2001)) Chiều cao 1 bể ESD:
𝜀 => 𝐻 = 1,9𝐷 = 1,9 × 9,3 = 18 m Đường kính ống dẫn bùn vào
Chọn vận tốc bùn trong ống v = 0,1 m/s
Lưu lượng bùn đầu vào:
2 ×86400 = 9,78 10 −4 m 3 /s Đường kính ống dẫn bùn:
0,1 ×𝜋 = 112 mm Chọn đường kính ống dẫn bùn d = 120 mm
Tính toán khuấy trộn trong bể ESD
Chọn thiết bị khuấy trộn cơ khí Dradt tubes
Theo Halberg, chọn thiết bị khuấy trộn MFS4 Đường kính cánh khuấy d = 190 mm
Tốc độ khuấy trộn: N = 1200 vòng/ phút
Công suất khuấy trộn: 400 m 3 /h Điện năng: P = 5 KW
5.2.3 Tính năng lượng sinh ra
Khối lượng TS đầu vào:
𝑛𝑔à𝑦) Khối lượng chất rắn bay hơi đầu vào:
𝑛𝑔à𝑦) Khối lượng chất rắn cố định đầu vào:
Lượng chất rắn cố định (FS) không thay đổi, nhưng lượng chất rắn bay hơi (VS) được loại bỏ một phần trong quá trình xử lý Theo CIWEM (1996), hiệu quả xử lý VS nằm giữa 40% và 55% Chọn hiệu quả xử lý VS là 50%, thông số đầu ra sẽ là:
Lượng khí sinh ra (m 3 /kgVS) : 0,8 – 1,1 m 3 /kgVS, chọn bằng 0,8 m 3 /kgVS Nhiệt trị (năng suất tỏa nhiệt) của khí (MJ/m 3 ): 23,3 MJ/m 3
Nhiệt trị của bùn đầu vào (MJ/kgTS): 15 – 25 MJ/kgTS, chọn 23 MJ/kgTS Nhiệt trị của bùn đầu ra (MJ/kgTS): 8 – 15 MJ/kgTS, chọn 13 MJ/kgTS
Chất thải bay hơi đầu ra: 𝑉𝑆 𝑟𝑎 = 8225 ( 𝑘𝑔 𝑉𝑆
Tổng chất thải đầu ra: 𝑇𝑆 𝑟𝑎 = 15275 ( 𝑘𝑔 𝑇𝑆
Thể tích khí sinh học:
𝑛𝑔à𝑦) Nhiệt trị của khí sinh học:
𝑛𝑔à𝑦) Nhiệt trị của bùn thô vào bể xử lý:
Nhiệt trị của bùn đầu ra:
𝑛𝑔à𝑦) Công thức tính đường kính ống thu khí: (Nguồn: [2])
- 𝜔 : Vận tốc khí trong ống , lấy v = 1,5 m/s; Đường kính ống thu khí:
0,785 × 1,5 ×86400 = 254 mm Chọn ống dẫn khí có đường kính d = 260 mm
5.2.4 Tính toán ống thu bùn
Chọn vận tốc bùn trong ống v = 0,1 m/s
Lưu lượng bùn đầu vào:
2 ×86400 = 3 × 10 −4 (m 3 /s) Đường kính ống dẫn bùn ra:
0,1 ×𝜋 = 62 mm Chọn đường kính ống dẫn bùn ra d = 60 (mm)
AN TOÀN TRONG THI CÔNG, THIẾT KẾ
Thiết kế mặt bằng thi công có thể được hiểu là việc tính toán và thể hiện sự sắp xếp vị trí các bộ phận của công trường trong khu vực xây dựng sao cho việc thi công được tiến hành liên tục, đảm bảo vệ sinh và an toàn lao động
Khi thiết kế mặt bằng thi công, phải xác định các vị trí nhà làm việc, lán trại công nhân, các công trình tạm, kho hoặc bãi vật liệu, vị trí đặt máy và thiết bị thi công, đường ra vào công trường cho người, cho máy, đường cung cấp điện, nước,… sao cho hợp lý Nếu việc này làm không tốt, như bố trí đường giao thông quá hẹp khiến cho xe hoặc máy thi công đi lại khó khăn, dẫn tới có khả năng va chạm giữa chúng với nhau hoặc va chạm với các bộ phận của công trình và gây tai nạn lao động Do đó, thiết kế mặt bằng thi công hợp lý cũng là một trong những biện pháp để đảm bảo an toàn lao động
Một số điểm cần chú ý khi thiết kế mặt bằng thi công công trình là:
- Công trường phải có hàng rào để ngăn cách với bên ngoài, đảm bảo an ninh bên trong phạm vi công trường Khi công trường gần đường giao thông thì hàng rào phải là loại kín để người từ trong công trường không nhìn được ra ngoài và người từ bên ngoài cũng không nhìn được vào bên trong công trường - là nguyên nhân gián tiếp gây tai nạn lao động và tai nạn giao thông do họ mất tập trung khi làm việc và khi đi đường
- Văn phòng làm việc, lán trại của cán bộ và công nhân nên đặt ở đầu hướng gió chủ đạo (Đông Bắc - Tây Nam) Còn các kho, bãi vật liệu, xưởng gia công phụ trợ và khu vệ sinh nên đặt ở cuối hướng gió này
- Đường đi lại cho xe và thiết bị thi công phải đủ rộng và nên bố trí thành các đường một chiều có bề rộng tối thiểu là 4m, còn nếu bố trí đường hai chiều thì tối thiểu là phải rộng 7m Các đường đi lại hạn chế giao nhau
- Kho vật liệu trên công trường phải bố trí ở những nơi bằng phẳng và thoát nước tốt
Cần phải có những vị trí để phục vụ công tác bốc dỡ
- Bãi vật liệu rời trên công trường phải được xếp gọn gàng, không gây cản trở đi lại ;tốt nhất là nên phân thành từng khu riêng biệt
- Trạm biến thế điện trên công trường phải có rào ngăn và biển báo Các cầu dao điện, cầu chì hoặc thiết bị đóng cắt điện phải có hộp, khóa và được đặt ở nơi khô ráo
35 Đường dây điện phải được treo cách mặt đường đi lại ít nhất là 5m Điện động lực và điện sinh hoạt phải tách thành hai hệ thống riêng
- Cần phải có bể chứa và đường ống cung cấp đủ nước cho sinh hoạt, phục vụ các công việc như đổ bê tông, xây hoặc trát,… và chữa cháy
- Ban đêm phải bố trí đèn bảo vệ, đặc biệt là tại các kho bãi, hoặc đèn báo tại khu vực có các hố đào, mương hoặc rãnh…
- Hệ dàn giáo phải có hệ thống thu sét nếu không được liên kết với hệ thống tiếp đất của công trình
- Phải có các thiết bị chữa cháy như bình cứu hỏa tại văn phòng làm việc, lán trại, các kho vật liệu và ngay tại công trình đang được xây dựng