Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rò rỉ bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp Tô Thị Hải Yến, Nguyễn Thế Đồng, Trịnh Văn Tuyên 1 Kosuke Kawai, Saburo Matsui 2 1Viện Công nghệ môi trường, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội 2Đại học Nghiên cứu môi trường toàn cầu, Đại học Tổng hợp Kyoto, Nhật Bản TÓM TẮT Ở các bãi chôn lấp rác truyền thống, nước rò rỉ sinh ra có độ suy giảm chất hữu cơ nhanh, nhưng sau đó bị chững lại và có biểu hiện tồn tại khá bền vững trong thời gian dài, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Việc thay đổi chế độ vận hành (tuần hoàn nước rò rỉ) và tạo ra sự biến đổi môi trường hóa học (sunphat hóa) trong bãi chôn lấp đã đẩy nhanh quá trình vô cơ hóa đối với các thành phần khó phân hủy vi sinh. Nghiên cứu được khảo sát ở các mô hình đối chứng, sát với điều kiện tự nhiên, có và không có sự thay đổi môi trường, khảo sát qua các chỉ số TOC, IC. 1. MỞ ĐẦU Giải quyết ô nhiễm môi trường do nước rò rỉ từ bãi chôn lấp là vấn đề kỹ thuật phức tạp không chỉ riêng đối với nước ta, mà cả trên thế giới. Đó là nước rác chứa nhiều thành phần khó phân hủy sinh học, gây mùi, màu ô nhiễm kéo dài, chi phí xử lý tốn kém. Việc nghiên cứu nhằm khắc phục những vấn đề còn tồn tại trên đã được nhiều công trình đề cập [3,4,5,6,7,8,9]. Việc chậm phân hủy một số chủng loại rác trong bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt là giấy và cành lá cây - loại có chứa thành phần lignin tới 15,2% trọng lượng khô [3] gây ra yếu tố phát thải khí mêtan rải rác kéo dài nơi bãi chôn lấp là điều không có lợi cho kinh tế và môi trường. Công trình nghiên cứu của Seog Ku Kim năm 1997, Đại học Kyoto (Nhật Bản) [3], với mô hình bãi chôn lấp rác là giấy và cành lá cây, nước rỉ rác được tuần hoàn trở lại. Kết quả cho thấy: trong mô hình có môi trường sunphat, lượng cacbon phân hủy trong rác so với ở môi trường mêtan truyền thống xảy ra lớn hơn và đi vào nước rỉ rác, hạn chế lượng phát thải cacbon dioxit vào không khí; khí mêtan cũng bị hạn chế sinh ra, sản phẩm ở dạng hydrosunphit trong nước rỉ rác xuất hiện nhiều hơn. Nghiên cứu dưới đây đề cập vấn đề xử lý rác thải sinh hoạt có chứa thành phần giấy và cành lá cây theo khảo sát thực tế rác thải sinh hoạt đô thị [1], tiến hành trong các mô hình bãi chôn lấp tự nhiên (môi trường mêtan) và mô hình bãi chôn lấp có sự can thiệp biến đổi môi trường thành sunphat, sự tuần hoàn nước rác. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm khảo sát sự biến đổi các thành phần ô nhiễm trong nước rỉ rác (tổng cacbon hữu cơ TOC, tổng cacbon vô cơ IC) theo thời gian tại các mô hình có thành phần rác giống nhau nhưng môi trường hóa học khác nhau, kéo theo nó là hiệu ứng thuận lợi cho sự hoạt động của các chủng vi sinh khác nhau. Ngoài ra, chế độ tuần hoàn và không tuần hoàn nước rác ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy rác, so sánh các kết quả nhằm rút ra các kết luận về một phương pháp công nghệ mới trong chôn lấp rác thải, về khả năng áp dụng cho thực tế. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mô hình thực nghiệm Mô hình thí nghiệm Tu ần hoàn nước rác Xử lý sinh học hiếu khí Thêm SO 4 2- R1 Không Không Không R2 Có Có Không R3 Có Không Không R4 Có Có Ngày thứ 33 Bảng 1: Điều kiện của các mô hình thí nghiệm Ghi chú: SO 4 2- có hàm lượng ~1000mg/l trong nước tuần hoàn Rác thải sinh hoạt đô thị bao gồm các thành phần chủ yếu với trọng lượng tương ứng [1] được mô phỏng. Các thành phần rác (trừ rác thải hữu cơ) được chuẩn bị sẵn với độ ẩm tự nhiên trong nhà có mái che (không bị nước mưa hay bất kì loại nước nào hay thức ăn nào làm ướt), rác thải hữu cơ lấy từ thành phần rác thải thực phẩm, rác thải vườn sau khi phân loại rác thải hộ gia đình của một số khu dân cư trong thành phố, rác này có độ ẩm tự nhiên của chính nó, không bị ướt bởi nước mưa. Mô hình thí nghiệm là 5 thiết bị phản ứng (sau đây được gọi và kí hiệu là R1, R2, R3, R4, R5) có cấu tạo hình trụ đứng, có dung tích 110 lit được chế tạo bằng thép không rỉ SUS 304, có sơn phủ epoxy ở mặt trong, được làm kín khí và được kiểm nghiệm ở áp suất +20mmH2O, gioăng kín nước và kín khí bằng cao su bền trong môi trường axit, mô phỏng các mô hình của bãi chôn lấp rác hợp vệ sinh. TT Chỉ tiêu Phương pháp / Thiết bị 1 ORP ORP-pH meter YSI – 5000 2 pH ORP-pH meter YSI – 5000 3 TOC Standard Methods 5310 B; TOC Analyzer Shimadzu 4100 4 IC Standard Methods 5310 B; TOC Analyzer Shimadzu 4100 Bảng 2: Các chỉ tiêu phân tích Trong các thiết bị, môi trường phân hủy vi sinh là yếm khí, tại thời điểm đóng nắp có đưa vào một lượng phân bùn bể phốt là 50g cho mỗi kg rác. Rác trong các thiết bị được tưới với lượng nước đảm bảo tối thiểu 2 kg/ngày, mô phỏng theo lượng mưa trung bình hàng năm của khu vực Hà Nội là 2000mm [2], tức khoảng 2 lit nước mỗi ngày; nước rỉ rác chảy ra từ mỗi thiết bị được tưới lại toàn bộ cho rác trong thiết bị đó (trừ R1), với trường hợp thiết bị có lượng nước rỉ rác nhỏ hơn 2 kg/ngày thì nước tự nhiên (ở đây dùng nước cấp tại vòi nước sinh hoạt) được thêm vào cho đủ lượng 2 kg trước khi tưới vào trong thiết bị. Nước rỉ rác được dẫn từ đáy thiết bị đưa vào bể sinh học hiếu khí có kèm theo cơ cấu giá đỡ giúp cho việc điều chỉnh độ cao của mức nước cần duy trì trong thiết bị là 1/3 độ cao của khối rác. Bể sinh học hiếu khí là bình chứa nước rỉ rác phục vụ cho tuần hoàn đều có kích thước hình học giống nhau, dung tích ngăn sục khí là 4,5lit với DO~6,5-7,4mg/lit, thời gian lưu trung bình là 10 giờ, lọc sinh học ngập nước bằng plastic, có diện tích bề mặt riêng ~200m2/m3. Ngoài những điểm chung như trên, các thiết bị thí nghiệm mang một số điều kiện riêng như ở bảng 1. 2.2. Phương pháp phân tích Các chỉ tiêu trong nước rỉ rác được khảo sát là: độ ô xy hóa khử ORP; độ pH; tổng cacbon hữu cơ TOC, tổng cacbon vô cơ IC. Phương pháp phân tích được áp dụng thể hiện ở bảng 2. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần TOC, IC trong nước rác Mô hình R1 và R3 (hình 1) khác nhau ở điều kiện có và không có sự tuần hoàn nước rò rỉ trở lại rác chôn lấp. Trên hình 1, từ giai đoạn đầu đến ngày thứ 67 của kỳ thí nghiệm là thời kỳ giảm nhanh TOC (đến 600 mg/l ở R2 và 300 mg/l ở R1) và tăng nhanh IC (300 mg/l ở R2 và 190 mg/l ở R1). Sau đó, ở R1, TOC tiếp tục giảm và ổn định ở mức 5-25 mg/l vào ngày thứ 246, IC giảm và sau đó ổn định ở mức thấp ~100 mg/l cho đến cuối kỳ thí nghiệm. Giai đoạn này ở R2, TOC biến thiên giống ở R1; IC tiếp tục tăng 53 ngày sau đó nữa tới 450 mg/l thì bắt đầu giảm, đến ngày thứ 186 thì lại có chiều hướng tăng nhẹ kéo dài đến cuối kỳ thí nghiệm (ngày 452) ở giá trị 370 mg/l thì giảm đột ngột về 100 mg/l ở ngày cuối thứ 480. Bình luận: Có sự khác biệt rõ rệt về hiệu quả của việc tuần hoàn và không tuần hoàn nước rác: cùng với các chỉ số đầu ra ở những ngày cuối cùng của thời kỳ thí nghiệm như nhau (tức kết quả xử lý các thành phần TOC, IC trong nước rỉ rác cuối cùng của chu kỳ chôn lấp như nhau), nhưng các giá trị TOC, IC ở R3 lớn hơn hẳn ở R1. Điều đó có thể giải thích: R3 tích lũy các thành phần ô nhiễm, còn R1 thì thải liên tục ra môi trường; mặt khác, từ ngày thứ 180 trở đi, IC có chiều hướng tăng, chứng tỏ: trong nước rác, TOC tiếp tục được vô cơ hóa, điều mà các bãi chôn lấp truyền thống chưa đạt được. Hình 2 nêu lên sự so sánh hiệu quả phân hủy chất hữu cơ trong các thiết bị có (R2) và không có (R3) sự tăng cường ô xy trước khi tuần hoàn trở lại bãi chôn lấp (mô hình). Sự biến đổi các chỉ số ở đây không thấy có khác biệt nổi bật, nhưng từ ngày thứ 88 trở đi: ở R2, IC có phần thấp hơn, và TOC có phần cao hơn so với ở R3. Điều này có thể được giải thích là việc tăng cường ô xy vào nước rỉ rác khi ở bên ngoài có tác dụng kiềm chế sự vô cơ hóa thành phần hữu cơ trong nước rác, gây ra sự tích lũy chúng. Chứng tỏ thổi ô xy ở giai đoạn này chưa có biểu hiện gì tích cực cho quá trình phân hủy vi sinh trong bãi chôn lấp có môi trường mêtan truyền thống. Biểu đồ hình 3 biểu diễn sự biến thiên của TOC và IC trong R2 và R5. Giá trị TOC không có sự khác biệt đáng kể, ở R5 có phần luôn lớn hơn, chứng tỏ khả năng dịch chuyển chất hữu cơ từ dạng rắn sang dạng lỏng trong bãi chôn lấp tích cực hơn; IC thì khác biệt rõ rệt: bắt đầu từ ngày thứ 158 (sau 6 ngày môi trường chôn lấp được sunphat hóa), IC ở R5 cao hơn hẳn và có chiều hướng ngày càng tăng cho đến sát ngày cuối của thời kỳ thí nghiệm, chứng tỏ khả năng vô cơ hóa thành phần hữu cơ đã trở nên lớn hơn và có tính chất vượt trội. Trên hình 4 có thể thấy rõ hơn sự khác biệt đáng kể trong các chỉ số TOC, IC khi có sự can thiệp của môi trường sunphat. Vào ngày thứ 67 (sau 34 ngày môi trường được sunphat hóa) của thời kỳ thí nghiệm, TOC ở R4 đổi sang dao động, rồi đến ngày thứ 95 thì có chiều hướng tăng với tốc độ nhanh, đạt tới giá trị 1000 mg/l ở ngày thứ 186, rồi bắt đầu giảm; IC thì bắt đầu có tốc độ tăng nhanh hơn so với ở R5 từ ngày thứ 47 (sau 6 ngày có yếu tố sunphat trong môi trường), tiếp tục sự tăng liên tục cho đến sát cuối thời kỳ thí nghiệm với giá trị 1250 mg/l. Ở mô hình R5, sunphat hóa bắt đầu từ ngày thứ 152, thì ngày thứ 158, cả hai yếu tố TOC và IC đều biến đổi từ chiều hướng giảm sang tăng, nhưng TOC sau đó lại quay đầu giảm, còn IC tiếp tục tăng cho đến sát cuối kỳ thí nghiệm với giá trị 600 mg/l. Bình luận: Sự ảnh hưởng của môi trường sunphat đến gần như ngay lập tức (6 ngày trễ) đến sự biến đổi các chỉ số TOC và IC trong nước rỉ rác. Đối với TOC, tác động của môi trường sunphat trong giai đoạn ban đầu của chu kỳ chôn lấp (trước ngày thứ 88)[10], không tuân theo qui luật trên. Hiệu quả ảnh hưởng về lượng biểu hiện rõ rệt nhất lên IC, tức khả năng vô cơ hóa các thành phần hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác. Sự hiện diện sớm của môi trường sunphat có tác động tích cực rõ rệt đến lượng chuyển hóa thành phần hữu cơ từ trạng thái rắn sang lỏng của rác trong bãi chôn lấp, lượng và tốc độ tăng liên tục vô cơ hóa chất hữu cơ trong chất lỏng, điều mà không hoặc diễn ra rất thấp ở mô hình bãi chôn lấp truyền thống. 3.2. Thế ôxy hóa-khử (ORP) Theo [3], phản ứng xảy ra trong quá trình phân hủy vi sinh yếm khí rác thải hữu cơ sẽ là: C 3- H 3 (C 2- H 2 ) 2 C 2- OOH + 2H 1+ 2 O ®2C 3- H 3 C 3+ OOH + 2H 0 2 (1) (Butiric axit) (Axetic axit) C 3- H 3 C 3+ OOH + 2H 2 O ® C 4- H 4 + (HC 4+ O 3 ) - (2) Trong môi trường sunphat yếm khí: CH 3 (CH 2 ) 2 COOH + 1/2(S 6 +O 4 ) 2- ® 2 C 3- H 3 C 3+ OOH + 1/2(HS 2- )- + 1/2H + (3) (Butiric axit) (Axetic axit) C 3- H 3 C 3+ OOH + (S 6+ O 4 ) 2- ® 2(HC 4+ O 3 ) - + (HS 2- ) - (4) Phản ứng ôxy hóa – khử nội phân tử (1, 2), đặc trưng cho các thiết bị không có môi trường sunphat (R1, R2, R3, R5), bắt đầu từ ngày thứ 60 trở đi (hình 5), thế ôxy hóa – khử luôn có giá trị dương (ở R1), tức luôn là phản ứng ôxy hóa axit axetic thành metan (phản ứng 2), nhưng cường độ khá yếu (ORP= 0¸20 mV), ở R2, R3, R5 thế ôxy hóa – khử luôn có giá trị âm, tức khử hợp chất hữu cơ phức tạp xuống thành hữu cơ đơn giản (phản ứng 1) đã chiếm ưu thế, nhưng vẫn với cường độ chưa cao. Trường hợp R4 có sự khác biệt rõ rệt với ORP= -20¸-100-mV, phản ứng khử hợp chất hữu cơ phức tạp xuống thành hữu cơ đơn giản (phản ứng 3) và khử axit axetic thành acid cacbonhydric (phản ứng 4) đã chiếm ưu thế vượt trội, xảy ra ngày càng mãnh liệt tính cho đến ngày cuối kỳ thí nghiệm, với cường độ lớn hơn hẳn so với phản ứng (1, 2). Điều đó giải thích cho giá trị TOC và IC cao ở R4 ở cùng một thời điểm khảo sát với các thiết bị thí nghiệm khác. Trường hợp R5, từ ngày thứ 186 cũng bắt đầu có sự biến đổi giá trị ORP tương tự như ở R4 trước đó, tức các quá trình khử (phản ứng 3, 4) đã tăng lên rõ rệt, kéo theo giá trị TOC và IC tăng lên cho đến cuối kỳ thí nghiệm. 4. KẾT LUẬN Việc tuần hoàn nước rác tạo khả năng ôxy hóa-khử mạnh hơn cho môi trường phân hủy vi sinh các chất hữu cơ trong rác ở thể rắn và vô cơ hóa chất hữu cơ ở thể lỏng. Môi trường sunphat biểu hiện vai trò tích cực trong phân hủy thành phần chất hữu cơ ở thể rắn trong rác vào thể lỏng trong nước rỉ rác, vô cơ hóa thành phần hữu cơ ở thể lỏng thể hiện qua việc tạo khả năng ôxy hóa-khử mạnh hơn cho quá trình phân hủy rác bằng vi sinh. Bằng cách đó mà tăng khả năng thối rữa của đống rác và khả năng xử lý thành phần hữu cơ khó phân hủy vi sinh trong nước rỉ rác. Môi trường sunphat chỉ thực sự phát huy tác dụng từ ngày thứ 95 của chu trình chôn lấp rác, mặc dù môi trường ấy đã được tạo ra từ ngày thứ 33 của chu trình này. . Thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy vi sinh rác và nước rò rỉ bằng thay đổi chế độ vận hành và môi trường hóa học trong bãi chôn lấp Tô. thể rắn trong rác vào thể lỏng trong nước rỉ rác, vô cơ hóa thành phần hữu cơ ở thể lỏng thể hiện qua vi c tạo khả năng ôxy hóa-khử mạnh hơn cho quá trình phân hủy rác bằng vi sinh. Bằng cách. hành (tuần hoàn nước rò rỉ) và tạo ra sự biến đổi môi trường hóa học (sunphat hóa) trong bãi chôn lấp đã đẩy nhanh quá trình vô cơ hóa đối với các thành phần khó phân hủy vi sinh. Nghiên cứu