Xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ

Trong khuôn khổ của chương này, chúng ta chỉ đề cập đến những cơ sở của xử lý sinh học- công cụ chủ yếu đễ xử lý chất thải rắn hữu cơ nói riêng và chất thải hữu cơ nói chung.. Như trên đ

Xử lý sinh học chất thải rắn

hữu cơ

Bởi:

Ngô Tự Thành

Mở đầu

Riêng lượng rác thải sinh hoạt thải vào môi trường là rất lớn chúng ta hãy tự làm phép tính rằng trung bình mỗi người một ngày đưa vào môi trường 0,5 kg rác thải thì nước ta với dân số 80 triệu, thế giới với dân số 6 tỷ sẽ phải xử lý một lượng rác thải khổng lồ như thế nào

Vì vậy việc xử lý chất thải sinh hoạt là vấn đề cấp thiết của mỗi quốc gia, mỗi cộng đồng dân cư Và ngành công nghiệp xử lý rác thải sinh hoạt đã phát triển nhanh chóng thu hút nhiều công ty có phạm vi hoạt động quốc tế, với nhiều công nghệ hiện đại

Trong khuôn khổ của chương này, chúng ta chỉ đề cập đến những cơ sở của xử lý sinh học- công cụ chủ yếu đễ xử lý chất thải rắn hữu cơ nói riêng và chất thải hữu cơ nói chung Nắm vững những cơ sở ấy chúng ta hoàn toàn có thể dễ dàng tiếp cận những vấn

đề khác mang tính kỹ thuật của việc xử lý chất thải rắn

Về thành phần chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ

Thành phần chất thải rắn nói chung (rác thải) rất đa dạng, bao gồm từ rác thải công

nghiệp, rác thải (phế thải) xây dựng, rác thải sinh hoạt, phế thải nông nghiệp Như trên

đã nói, chất thải rắn hữu cơ chỉ có trong rác thải sinh hoạt (cùng với hỗn hợp rất phức tạp của các hợp phần vô cơ), và là hầu như toàn bộ thành phần của phê thải nông nghiệp

Vì vậy, muốn xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ trong rác thải sinh hoạt một cách hiệu quả thì cần phảitách riêng chúng ra khỏi hỗn hợp của rác Công việc phân loại đó được

thực hiện một cách thủ công hoặc cơ giới Việc tách (phân loại) bằng cơ giới chủ yếu dựa vào tỷ trọng và kích thước của các hợp phần trong rác

Riêng về phần chất thải rắn hữu cơ trong rác sinh hoạt, chúng cũng rất đa dạng về thành phần nguyên tố, do rất đa dạng về thành phần hợp chất Chúng ta phải quan tâm tới thành

phần nguyên tố của rác này vì vi sinh vật than gia phân hủy chúng, cũng như mọi vi

sinh vật, đòi hỏi sự cân đối về thành phần nguyên tố trong hỗn hợp chất dinh dưỡng mà chúng thu nhận, nhất là về tỷ lệ C:N Trong điều kiện phòng thí nghiệm, chúng ta thường nuôi vi sinh vật trên các môi trường có tỷ lệ C:N (w/w) khoảng từ 8 đến 10 Trong điều kiện tự nhiên của các bãi rác, tỷ lệ này thường cao hơn nhiều, nhưng vi sinh vật vẫn có thể sinh trưởng được- tất nhiên không thể ở mức độ như trong phòng thí nghiệm Việc

bổ sung thêm dinh dưỡng nitơ vào các bãi rác tự nhiên để đạt tỷ lệ C:N như trong điều kiện phòng thí nghiệm là hoàn toàn không kinh tế Tuy nhiên ở một mức độ nào đó có thể dùng bùn cống như một nguồn dinh dưỡng nitơ bổ sung

Những số liệu sau đây cho chúng ta khái niệm về tỷ lệ C:N của một vài loại rác thải hữu cơ:

Về nguồn gốc:

Chất thải rắn (rác thải, rác) hữu cơ bao gồm các vật liệu hữu cơ thải bỏ thuộc nhiều loại như:

- Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ)

- Thân, cành và lá cây các loại

- Các loại rác thải của vùng nguyên liệu công nghiệp, như: vỏ hạt cà phê, vỏ lạc, bã mía, v.v

- Phế liệu nhà máy giấy, nhà máy sợi

- Phế thải của làng nghề chế biến tinh bột

- Thực phẩm hỏng hoặc thừa (rau, quả, thịt, cá, trứng v.v )

- Phế thải sinh hoạt (đồ dùng) từ vải, bông, sợi bông, cactông

Về mặt hóa học, các rác hữu cơ ấy chứa các phân tử lớn mà tuỳ theo loại rác có thể giàu

polysaccarit, protein, lipit, hoặc hỗn hợp của chúng, v.v Đa số rác thải sinh hoạt là một hỗn hợp của tất cả các chất hữu cơ nói trên

Về sự phân huỷ chất hữu cơ nhờ vi sinh vật

Như chúng ta biết, trong tự nhiên, tất cả các chất hữu cơ tự nhiên đều bị nhóm này hay nhóm khác của vi sinh vật phân huỷ, trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí Chất hữu cơ càng phức tạp bao nhiêu thì sự phân huỷ nó càng phải trải qua nhiều giai đoạn, do nhiều nhóm vi sinh vật kế tiếp nhau phân huỷ, trước khi tới sản phẩm cuối cúng là các chất vô

cơ Tuỳ theo loại chất hữu cơ bị phân huỷ, các sản phẩm cuối cùng có thể là CO2, CH4,

H2O, NH3, NO2, H2S, v.v (hình 1) Như vậy một sản phẩm của phản ứng phân huỷ nào đó có thể tích luỹ trong môi trường tự nhiên nơi nó được sinh ra, cũng như có thể được phân huỷ trong một phản ứng tiếp theo, nhờ một nhóm vi sinh vật khác

Xử lý sinh học rác hữu cơ

Khái niệm

Các quá trình xử lý sinh học rác hữu cơ do con người thực hiện chính là sự bắt chước

những gì diễn ra trong tự nhiên Nói cách khác, xử lý sinh học rác thải hữu cơ dựa vào hoạt động phân huỷ của vi sinh vật nhằm phân huy chất hữu cơ của rác Tuy nhiên, để

cho quá trình phân hủy ấy đạt hiệu quả cao và triệt để (tới các sản phẩm cuối cùng), cần

phải tạo các điều kiện tối ưu cho những vi sinh vật tham gia phân huỷ Muốn được như vậy, có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần được giả quyết Ở một mức độ nhất định, một số vấn đề kỹ thuật này sẽ được đề cập ở các phần dưới đây

Các biện pháp và quy mô xử lý

Ủ đống (composting)

Đây là hình thức xử lý được coi là đơn giản nhất và với quy mô nhỏ nhất Rác được

ủ thành đống hoặc luống, nổi trên mặt đất hoặc chìm dưới hố, hoặc nửa nôỉ nửa chìm Đống ủ có thể được trát kín bằng bùn Trong trường hợp này, suốt quá trình ủ, oxy sẽ được tiêu thụ dần đến hết, và điều kiện chuyển từ hiếu khí sang kị khí; nhiệt độ có thể tăng lên đến 60-70oC Nếu đống ủ không được trát kín, nó cũng có thể được đảo xới định kỳ để được cung cấp oxy vào bên trong

Hình thức ủ đóng có thể được áp dụng không những với rác thải sinh hoạt mà còn với rác thải sản xuất của làng nghề, loại giàu tinh bột (chế biến sắn, làm bún, miến, v.v ), với phế thải công nghiệp: công nghiệp cà phê (vỏ hạt cà phê), công nghiệp đường (bã thân cây mía), công nghiệp giấy (phế liệu từ thực vật), phế thải nông nghiệp (rơm, rạ),

và với phế thải chăn nuôi (phân và nước tiểu gia súc và gia cầm)

Thời gian ủ dài hay ngắn là tuỳ thuộc vào quy mô đống ủ, tuỳ nguyên liệu ủ và điều kiện hiếu khí hay kị khí Có thể kết hợp một giai đoạn hiếu khí với một giai đoạn kị khí

Sản phẩm của sự ủ đống được gọi là phân ủ (compost), cũng giống như của quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong tự nhiên, là hỗn hợp của các chất hữu cơ đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp) và các chất vô cơ

Hỗn hợp này tương đương với mùn trong tự nhiên, vì thế có thể được dùng làm phân bón hữu cơ, dùng cho trồng trọt Khi bón vào đất, chúng được các nhóm vi sinh vật đất

phân huỷ tiếp tới các chất vô cơ mà cây hấp thụ được Trong quá trình ủ đống nói trên, nếu đảm bão giữ được nhiệt sinh ra (tới 60-70oC) thì hầu hết vi sinh vật gây bệnh (vốn không sinh bào tử), và cả trứng giun, sán bị giết chết, nên phân ủ nói chung không đáng

lo ngại về mặt vệ sinh

Trong một số trường hợp, để tăng cường quá trình phân huỷ trong đống ủ, người ta bổ sung các chế phẩm vi sinh vật gồm các tế bào sống đã được lựa chọn Đó có thể là chế phẩm đơn chủng, hoặc đa chủng có những hoạt tính mong muốn, ví dụ phân huỷ một loại chất nhất định, ở điều kiện hiếu khí, hay kị khí, hoặc vi hiếu khí

Một số chủng đã được dùng làm chế phẩm là thuộc các chi Cellulomonas, Trichoderma, Aspergillus, và Penicillium.

Chôn lấp hợp vệ sinh

Chôn lấp hợp vệ sinh:

Đó là phương pháp lưu giữ chất thải rắn trong một bãi và có phủ đất lên trên Chất thải rắn trong bãi chôn lấp bị phân hủy sinh học, tạo thành các sản phẩm như axit hữu cơ, các hợp chất nitơ, amôn và một số khí như CO2, CH4

Chất thải rắn được chấp nhận chôn lấp phải là chất thải không nguy hại

Vận hành bãi chôn lấp:

Trải những lớp rác dầy 40- 80 cm lên mặt đất, đầm nén nó <để thu nhỏ khối lượng> và tiếp tục trải những lớp khác lên Khi lớp rác dầy 2- 2,2 m thì phủ một lớp đất dầy 10- 60

cm lên trên rồi lại đầm nén Cứ như thế với độ cao 15m Một lớp hoàn chỉnh như vậy gọi là ô rác Thông thường một con đập bằng đất được làm để rác đổ xuống tì vào và để

dễ dàng đầm nén rác sau đó

Nếu bãi vận hành liên tục thì cứ sau 24 tiếng vận hành lại cần phủ đất

Chống thấm cho các ô chôn lấp

• Ô chôn lấp cần được đặt ở những nơi có lớp đất đá tự nhiên đồng nhất, với hệ

số thấm ≤ 1.10-7cm/s, và có chiều dày tối thiểu 6m

Phải tạo độ dốc của đáy tối thiểu 2% để nước rác tự chảy về các rãnh thu gom nước thải

• Thành ô chôn lấp cũng phải có tính chống thấm như đáy của nó Nếu thành ô chôn lấp không đạt yêu cầu, cần phải xây thành nhân tạo, bằng vật liệu có hệ số thấm ≤ 1.10-7cm/s, với chiều rộng tối thiểu 1m

Quá trình sinh hóa diễn ra tại các bãi chôn lấp

• Tại đây, vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ của rác làm nguồn dinh dưỡng

• Nhiệt độ tăng tới 60- 70oC kéo dài những 30 ngày

• Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hóa học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng

vi sinh vật vì hầu hết vi sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ 70oC

• Oxy bị vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần => các vi sinh vật yếm khí bắt đầu hoạt động

• Các quá trình sinh hóa:

• Cách chất hữu cơ

Nếu rác chứa nhiều sunphat thì sự tạo thành mêtan sẽ giảm Chất thải xây dựng là một nguồn sunphat, vì thế, không nên đổ lẫn nó vào bãi chôn lấp rác thải chung

Các giai đoạn lớn:

• Giai đoạn hiếu khí (ngắn, vài tuần): tạo ra …

• Giai đoạn yếm khí tùy tiện: tạo ra axit (axit béo); ngoài ra có axit amin, axit hữu cơ

• Giai đoạn yếm khí tuyệt đối: tạo ra nhiều CH4(vài năm đến 100 năm hoặc lâu hơn)

Nước rỉ rác (nước rác)

Đó là nước bẩn (ô nhiễm) chứa các chất gây ô nhiễm bắt nguồn từ rác, thấm qua lớp rác của bãi chôn lấp, đi xuống đất ở dưới bãi chôn lấp và có thể xuống tới nước ngầm ở vùng đó

Nước rác được hình thành từ tất cả các loại nước xâm nhập vào bãi rác, cũng như từ nước của chính rác thải đem chôn lấp

Thành phần và tính chất lý- hóa- sinh học của nước rác do rất nhiều nhân tố quy định trong đó có thành phần của chính rác ở bãi chôn lấp, thành phần đất phủ, đất nền, độ nén rác, thời gian chôn lấp, khí hậu và mùa, v.v…

Có thể coi nước rác cũng là một loại nước thải, một loại nước thải thứ cấp Do vậy, các bãi chôn lấp rác phải có hệ thống thu gom nước rác để xử lý Đó là hệ thống cống rãnh và/ hoặc ống dẫn xung quanh bãi rác và dưới đáy các lớp rác

Các phương pháp xử lý nước rác về cơ bản cũng là các phương pháp để xử lý nước thải nói chung, và bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học Trước khi lựa chọn công nghệ phù hợp để xử lý nước rác và thiết kế trạm xử lý nước rác, trước hết cần quan tâm đến các đặc tính của nước rác về BOD, COD, cặn lơ lửng (SS), hàm lượng nitơ tổng

số, hàm lượng NH4+, pH, số lượng coliform, v.v…

Về sự tạo thành khí ở bãi chôn lấp rác

Quá trình phân hủy rác hữu cơ do vi sinh vật thực hiện tại các bãi chôn lấp rác làm sinh

ra nhiều loại khí, hỗn hợp các khí ấy được gọi chung là khí sinh học (biogas) Khí sinh

học chiếm chủ yếu là mêtan (50- 60%), rồi các khí khác với lượng rất nhỏ, như nitơ, oxy, hydro,v.v…

Mêtan (CH4) là khí chiếm tỷ lệ lớn nhất và gây nguy hiểm nhất (gây ngạt, gây cháy nổ) nên cần có hệ thống thu gom để tận dụng như một nguồn nhiên liệu Nếu không thể thu gom được, cần làm thoát khí này để tránh các nguy cơ nói trên Giới hạn cho phép về nồng độ khí mêtan trong không khí thuộc khu vực bãi chôn lấp rác là 1,25% (v/v) Việc thu gom cũng như làm thoát khí này phải được tính đến trong thiết kế bãi chôn lấp rác

Xử lý có chế biến

Chất thải rắn đô thị

Chất thải rắn đô thị (rác) hầu hết thường được đổ vào các bãi rác rộng lớn Điều kiện ở đấy là rất kỵ khí, thậm chí đến mức những vật liệu mà lẽ ra bị phân hủy sinh học – như giấy chẳng hạn – cũng rất khó bị vi sinh vật tấn công Trong thực tế việc tìm thấy những

tờ báo cũ tới 20 năm mà vẫn còn đọc rõ chữ là chuyện bình thường Tuy nhiên những điều kiện kỵ khí như vậy lại thúc đẩy hoạt động của chính những vi khuẩn sinh mêtan Mêtan mà chúng sinh ra có thể được thu lấy nhờ các lỗ khoan, và được đốt cháy để tạo thành điện năng, hoặc được làm sạch rồi đưa vào hệ thống ống dẫn khí tự nhiên (xem hình 28.14) Tại Mỹ, hơn 100 bãi rác có những hệ thống như vậy, một số hệ thống này cung cấp năng lượng cho vài nghìn người

Hình 28.14 Sự sản sinh mêtan từ rác Mêtan bắt đầu được tích lũy vài tháng sau khi bãi

đổ rác đầy và được bịt kín Bãi rác này còn tiếp tục sinh mêtan trong vòng 5 – 10 năm Ảnh này chụp ngọn lửa cháy do mêtan sinh ra từ một bãi rác như vậy

Có thể làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ đổ vào các bãi rác bằng cách trước hết tách

nó khỏi vật liệu không bị phân hủy sinh học, và đem ủ đống Việc ủ đống (composting)

là một quá trình được những người làm vườn áp dụng để biến rác thực vật thành mùn

tự nhiên (hình 27.9) Đống lá cây hoặc vụn cỏ ấy sẽ chịu sự phân hủy của vi sinh vật Trong những điều kiện thuận lợi, các vi khuẩn ưa nóng sẽ làm tăng nhiệt độ của đống ủ lên tới 55 – 600C trong vòng hai ngày Sauk hi nhiệt độ giảm xuống, người ta xới trộn đống ủ để cung cấp thêm oxy, và nhiệt độ đống ủ lại tăng lên Sau một thời gian, quần thể vi sinh vật ưa nóng được thay thế bằng một thể ưa ấm, chúng tiếp tục biến đổi, một cách chậm chạp, vật chất hữu cơ trong đống ủ sang trạng thái ổn định hơn, đó là mùn Nếu có nhiều diện tích, rác được ủ đống thành luống (là những đống dài và thấp), những luống này được đảo xới định kỳ bằng máy móc chuyên dụng, nhờ phương pháp ủ đống

a Rác thải đô thị được đảo xới bằng

máy chuyên dụng

b Phân ủ làm từ rác thải đô thị đang chờ để vận chuyển đi bón ruộng

Hình 27.9 Việc làm phân ủ từ rác thải đô thị

Phục hồi sinh học những vùng ô nhiễm dầu và những vùng ô nhiễm thủy ngân

Theo các tiểu thuyết hư cấu về khoa học, những sinh vật ngoài hành tinh đến đây có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác chúng ta, và chúng có thể ăn, uống, hít thở những chất mà chúng ta không thể hấp thụ Như vậy những cơ thể xa lạ này là vô giá nếu chúng giúp chúng ta làm sạch (loại trừ) những chất gây ô nhiễm hành tinh này như dầu thô, xăng, thủy ngân…, tất cả đều độc hại đối với cây cối, động vật và con người

May thay, chúng ta không cần chờ đợi sự viếng thăm của những cơ thể chỉ có trong trí tưởng tượng ấy mà vẫn có thể giải quyết được vấn đề của mình nhờ những cơ thể sống ngay quanh ta: mặc dù nhiều vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng giống như con người (nên chúng mới làm hỏng thực phẩm của chúng ta!), nhưng có những vi sinh vật khác lại chuyển hóa được những chất mà chỉ có thể là các “món ăn” của các cơ thể ngoài trái đất, như các kim loại nặng, lưu huỳnh, nitơ dạng khí, dầu thô, thậm chí cà polyclorinat biphenyls (PCBs), và thủy ngân

Vi khuẩn có một vài lợi thế trong việc xử lý ô nhiễm Chúng có thể tách chiết ra những chất gây ô nhiễm khó bị rửa trôi hoặc tách ra, do đã liên kết với đất và nước

Ngoài ra chúng có thể làm thay đổi cấu trúc hoá học của một chất độc để thành một chất không độc, thậm chí có ích Những vi sinh vật có khả năng phân hủy nhiều chất gây ô nhiễm vẫn sống tự nhiên trong đất và nước; việc sử dụng chúng để phân hủy các chất

gây ô nhiễm được gọi là sự phục hồi sinh học (bioremediation) Tuy nhiên vì số lượng

của chúng là nhỏ nên không đủ để xử lý những vùng ô nhiễm rộng lớn Vì vậy phương hướng giải quyết vẫn đề này là nâng cao hoạt tính của các chủng tự nhiên Một cách khác là cải biến di truyền các chủng để chúng có thể phân hủy một chất hóa học nhất định

Người ta đã đạt được những kết quả rất khả quan trong lĩnh vực phục hồi sinh học khi

xử lý vùng bờ biển Alaska sau vụ tràn dầu Exxon Valdez Nhiều vi khuẩn tự nhiên thuộc

chi Pseudomonas có khả năng phân hủy dầu thô vì nhu cầu cacbon và nhu cầu năng

lượng của chúng Khi có mặt không khí, chúng tách đồng thời hai nguyên tử cacbon ra khỏi phân tử lớn của dầu Đơn vị hai cacbon này có thể được chuyển hóa bên trong tế bào

Vì vi khuẩn phân hủy dầu quá chậm nên phải có cách nào đó mới lợi dụng được chúng

để xử lý các vùng bị tràn dầu Một cách rất đơn giản đã được vận dụng thành công trong việc xử lý vụ tràn dầu nói trên, mà không cần tới biện pháp cải biến di truyền Đó chỉ đơn giản là việc đưa các phân nitơ và photpho vẫn dùng trong nông nghiệp vào nơi cần

xử lý, ở đây chúng được gọi là các chất tăng cường sinh học (bioenhencers) Kết quả

là số lượng các vi khuẩn phân hủy dầu tăng lên rõ rệt so với ở các vùng bờ biển không được bón phân, và vì thế bãi biển được sạch dầu

Còn về ô nhiễm thủy ngân thì có một nhóm vi khuẩn khác có khả năng làm sạch Thủy ngân có mặt trong nhiều chất vốn được dùng rộng rãi, như trong sơn thừa đọng ở đáy hộp đựng quẳng vào bãi rác chẳng hạn Từ đó nó có thể ngấm vào đất và nước Một loài

vi khuẩn phân bố rộng, Desulfovibrio desulfuricans, trong thực tế làm cho thủy ngân trở

nên độc hơn, bằng cách gắn thêm nhóm metyl, thành metyl thủy ngân Trong các thủy vực, chất này bám vào các cơ thể plankton chẳng hạn, do vậy đi tiếp vào chuỗi dinh dưỡng tới các thể lớn hơn, sau đó gây ngộ độc cho cá và cuối cùng cho người

Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng một nhóm vi khuẩn khác, đó là các loài

thuộc chi Pseudomonas Để tránh bị nhiễm độc, những vi khuẩn này trước hết chuyển

hóa metyl thủy ngân thành ion thủy ngân:

CH3Hg CH4+ Hg2+

Sau đó nhiều vi khuẩn có thể chuyển hóa ion thủy ngân mang điện tích dương thành dạng nguyên tố tương đối không độc, bằng cách thêm electron mà chúng lấy từ các nguyên tử hydro:

Hoạt động này của các vi khuẩn nói trên diễn ra quá chậm trong tự nhiên, nên cấn có các giải pháp kỹ thuật; đó có thể là việc bổ sung các chất nâng cao sinh học, và các kỹ thuật khác, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý

Không giống như một vài phương pháp làm sạch môi trường khác, theo đó các chất độc hại được chuyển từ nơi này sang nơi khác, việc làm sạch bằng vi sinh vật có tác dụng loại bỏ chất độc hại và thường trả lại môi trường một chất không độc hoặc có ích

Định nghĩa chất thải rắn

Theo quan niệm chung: Chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ

trong các hoạt động kinh tế- xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng v.v…) Trong đó quan trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ các hoạt động sản xuất và hoạt động sống

Theo quan điểm mới: Chất thải rắn đô thị (gọi chung là rác thải đô thị) được định nghĩa

là: vật chất mà con người tạo ra ban đầu vứt bỏ đi trong khu vực đô thị mà không đòi hỏi được bồi thường cho sự vứt bỏ đó Thêm vào đó, chất thải được coi là chất thải rắn