Làm phân compost ưu nhiệt từ chất thải rắn đô thị

Quá trình làm phân compost được phát triển để tái chế các thành phần chất hữu cơ có trong chất thải rắn đô thị (MSW). Các thiết kế phản ứng sinh học được thay đổi nhằm giảm thiểu thời gian quá trình tạo phân compost. Mục đích chính của bài nghiên cứu là xác định chu kỳ thời gian tối ưu cho quá trình composting từ MSW trong phản ứng sinh học dưới điều kiện hiếu khí. Các chất phân hủy sinh học được đưa vào lò phản ứng để đẩy nhanh quá trình. Vật liệu phân compost được phân tích ở nhiều giai đoạn khác nhau và các yếu tố môi trường được xem xét. Cuối cùng phân compost chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ sau 40 ngày. Thể tích của MSW đã giảm đi 78%. Kết quả của nghiên cứu cho thấy, phân compost từ phản ứng sinh học ưa nhiệt cung cấp chất mùn tốt giúp nâng cao tính chất đất và các chất dinh dưỡng thực vật cơ bản.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG LỚP 10CMT

Giáo viên hướng dẫn: Ts Tô Thị Hiền Danh sách nhóm 07:

Nguyễn Thị Hương 1022131 Mai Thanh Hồng Thủy 1022293 Huỳnh Thị Ngọc Vàng 1022345

CHỦ ĐỀ 11:

LÀM PHÂN COMPOST ƯU NHIỆT TỪ

CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ

TP Hồ Chí Minh – 10/2013

NHÓM 7 CHỦ ĐỀ 11 THERMOPHILIC COMPOSTING OF MUNICIPAL SOLID WASTE (LÀM PHÂN COMPOST ƯU NHIỆT TỪ CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ)

Mục lục

Tóm tắt 3

2.1 Vật liệu thô dùng cho làm phân compost 6

2.2 Thiết lập thí nghiệm 6

2.3 Phương pháp phân tích 8

Danh mục từ mới

MSW(municipal solid waste): ………….Chất thải rắn đô thị

Thernophilic bioreactor:……… Lò phản ứng sinh học ưa nhiệt Hand sorting method: ……… Phương pháp phân loại tay Mixing auger:………Mũi khoan trộn

Anti corrosive paint:……… Sơn chống ăn mòn

Perforated pipe:……… Ống khoan lỗ

Wire mesh:……… Lưới sắt

Respiratoryactivity: ……… Hoạt động hô hấp

Pathogenic organism:……… Vi sinh vật gây hại

Odour emission: ……… Sự phát sinh mùi

NHÓM 7

CHỦ ĐỀ 11 THERMOPHILIC COMPOSTING OF MUNICIPAL SOLID WASTE (LÀM PHÂN COMPOST ƯU NHIỆT TỪ CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ)

Tóm tắt

Quá trình làm phân compost được phát triển để tái chế các thành phần chất hữu cơ có trong chất thải rắn đô thị (MSW) Các thiết kế phản ứng sinh học được thay đổi nhằm giảm thiểu thời gian quá trình tạo phân compost Mục đích chính của bài nghiên cứu là xác định chu kỳ thời gian tối ưu cho quá trình composting từ MSW trong phản ứng sinh học dưới điều kiện hiếu khí Các chất phân hủy sinh học được đưa vào lò phản ứng để đẩy nhanh quá trình Vật liệu phân compost được phân tích ở nhiều giai đoạn khác nhau và các yếu tố môi trường được xem xét Cuối cùng phân compost chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ sau 40 ngày Thể tích của MSW đã giảm đi 78% Kết quả của nghiên cứu cho thấy, phân compost từ phản ứng sinh học ưa nhiệt cung cấp chất mùn tốt giúp nâng cao tính chất đất và các chất dinh dưỡng thực vật cơ bản

I Giới thiệu

I.1.Hiện trạng quản lý chất thải rắn tại thành phố Chenai - Ấn Độ

Chennai, thành phố thủ đô lớn thứ 4 ở Ấn Độ, có lượng thải bỏ chất thải rắn đô thị tăng từ

600 đến 3500 tấn/ngày trong vòng 20 năm qua Khối lựng chất thải rắn lớn nhất tính theo đầu người là 0.6kg/ngày Thành phố được chia thành 4 vùng trong 155 khu vực, việc thu rác thải tiến hành bằng phương pháp thu từng nhà và hệ thống thùng rác công cộng Rác thải sẽ được đổ bỏ ở bãi rác cách thành phố 15km Chennai là thành phố đầu tiên ký hợp đồng quản

lý rác thải đô thị với Công ty tư nhân nước ngoài ở Singapore (ONYX) bao gồm: quét dọn, thu thập, vận chuyển và tuyên truyền nhận thức cho cộng đồng dân cư Nhiều tổ chức cộng đồng CBO cũng tham gia vào chương trình quản lý chất thải rắn của thành phố này Tổng cộng có 3 tổ chức tham gia vào việc quản lý chất thải rắn: COC, ONYX, CBOs Chất thải rắn đô thị bao gồm chất thải thương mại và dân cư phát sinh trong các khu vực đô thị, ở dạng rắn hay bán rắn, không kể chất thải công nghiệp độc hại nhưng kể đến chất thải xử lý sinh học

MSW ở Chennai bao gồm 68% chất thải rắn dân cư, 16% chất thải rắn thương mại, 14% chất thải rắn cơ quan, công ty và 2% chất thải rắn công nghiệp Đặc tính lý hóa: phần lớn chất thải bao gồm 32.3% chất thải xanh, 34.7% vật liệu trơ, đá và thủy tinh, …

Quá trình tập hợp và xử lý chất thải rắn là một trong những vấn đề chính của vùng đô thị hay bán đô thị ở Ấn Độ Số lượng chất thải rắn được tạo ra ở vùng đô thị và bán đô thị khoảng

400 đến 600g/đầu người/ngày Lượng chất thải rắn (MSW) phát sinh ở thành phố Chenai khoảng 3500-4800 tấn/ngày và chứa hơn 70% là chất thải hữu cơ Giải pháp sử dụng bãi rác

đã không còn phù hợp đối với thành phố như Chenai do bị hạn chế về không gian, và đất cần được sử dụng với các mục đích khác

I.2.Tổng quan về quá trình làm phân compost

Composting được định nghĩa là quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ có kiểm soát được thực hiện bởi các quẩn thể vi khuẩn hoạt động trong điều kiện nhiệt độ trung bình

và cao, cuối cùng tạo ra sản phẩm đủ ổn định để lưu trữ và ứng dụng trong nông nghiệp mà không gây hại cho môi trường

Thời gian làm phân compost thay đổi từ 10 ngày đến 3 tháng Để giảm thời gian làm phân compost, những phương pháp tiếp cận mới như tốc độ phản ứng nhanh hơn, vùng ủ phân nhỏ hơn và phân hủy sinh học là cần thiết Nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng sự tăng trưởng

vi khuẩn hiếu khí và lên men kỵ khí của hợp chất hữu cơ làm tăng quá trình làm phân compost và giảm thời gian của quá trình

Phân compost được sử dụng trong nông nghiệp có lợi cho cây trồng và kinh tế Phân compost dần dần thay thế phân bón hóa học, hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, bổ sung chất hữu cơ cho đất Quá trình bổ sung thêm chất hữu cơ làm tăng hàm lượng chất hữu cơ và lượng nước dự trữ đồng thời làm giảm dòng chảy và xói mòn đất, điển hình là đất đồi núi Nhiều nghiên cứu về các khía cạnh khác của quá trình composting: giới thiệu vi sinh vật, thay đổi thành phần hóa học trong phân compost đã và đang được báo cáo Dưới điều kiện này, sự sản sinh nhiệt kết hợp tính trơ nhiệt được phát hiện trong vật liệu compost do tính tự cô lập của nó Kết quả là nhiệt độ cao được duy trì trong quá trình hình thành Nhiệt độ (75oC) là tham số quan trọng trong làm phân compost vì tại đó các vi sinh vật gây bệnh sẽ chết trước khi phân được đưa vào đất Mục đích chính của nghiên cứu này là đánh giá các vấn đề trong MSW và phát triển giải pháp kỹ thuật và kinh tế Nghiên cứu này

thân thiên môi trường, có hiệu quả kinh tế, giải pháp hoàn toàn miễn phí cho quản lý MSW Mặt khác việc xử lý bằng thiêu đốt hay nhiệt phân sẽ làm ô nhiễm không khí nhiều hơn hơn

và đầu tư ban đầu cũng rất cao

I.3.Các phản ứng sinh hóa diễn ra trong quá trình phân hủy hữu cơ

Những chuyển hóa sinh hóa diễn ra trong quá trình ủ hiếu khí rất phức tạp Căn cứ vào sự biến thiên nhiệt độ có thể chia quá trình ủ hiếu khí thành các pha sau:

- Pha thích nghi: giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trường mới

- Pha tăng trưởng: đặc trưng bởi sự tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học

- Pha ưa nhiệt: giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất, đây là giai đoạn ổn định chất thải và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hiệu quả nhất

Phản ứng hóa sinh xảy ra trong ủ hiếu khí và phân hủy kỵ khí được đặc trưng bởi hai phương trình:

(C,O,H,N,S) + O2 + VSV hiếu khí  CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng

(C,O,H,N,S) + VSV kỵ khí  CO2 + H2S +NH3 +CH4 + sản phẩm khác + năng lượng

- Pha trưởng thành là giai đoạn giảm nhiệt độ bằng với nhiệt độ môi trường Trong pha này, quá trình lên men xảy ra chậm, thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành chất mùn), các chất khoáng (Fe, Ca, N…) và cuối cùng thành mùn Ngoài ra còn xảy ra các phản ứng nitrate hóa, ammonia (sản phẩm phụ của quá trình ổn định chất thải) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrat (NO3-) :

NH4+ + 3/2 O2  NO2- + 2H+ + H2O

NO2- + 1/2 O2  NO3-

Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrate hóa diễn ra như sau:

NH4 + O2  NO3- + 2H+ + H2O

Mặt khác, trong mô tế bào, NH4+ cũng được tổng hợp với phản ứng đặc trưng :

NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O  C5H7NO2 + 5O2

Phương trình phản ứng nitrate hóa tổng cộng:

22 NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3-  21NO3-+ C5H7NO2 + 20H2O + 42H+

II Vật liệu và phương pháp

2.1 Vật liệu thô dùng cho làm phân compost

Chất thải đô thị được thu thập từ bãi chứa Perungudi tại đô thị thành phố Chennai Bãi này có diện tích khoảng 10 km2

Bảng 1: Các đặc tính của MSW

Phân hữu cơ (chất thải thị trường)

Rơm và gỗ

Rác

Kim loại

Giấy

Quần áo

Nhựa

Đá

Kính

57 12 9 5 5.7 4.2 3 1.6 2,5 Việc thu thập MSW được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp lấy mẫu phân và được cô lập bằng phương pháp phân loại tay Dân số thành phố đô thị Chennai là 6.560.000 [13] Các lò phản ứng sinh học ưa nhiệt được nạp với nguyên liệu là các chất thải hữu được băm nhỏ tới kích thước khoảng 5-10 cm Chất phân hủy sinh học, vi khuẩn Megatherium và Pseudomonas fleurescens được đưa vào với cùng tỷ lệ ở mỗi chiều cao 30 cm của lò phản ứng Ba tuần đầu tiên là thời kỳ ổn định Trong khoảng thời gian này độ ẩm được duy trì (53

- 62%), nhiệt độ (40-55 oC) và pH (6,5-7,5)

Bảng 1 cho thấy các thành phần của MSW

2.2 Thi t l p thí nghi m ế ậ ệ

Sơ đồ của lò phản ứng ưa nhiệt được thể hiện trong Hình 1.

Kích thước của các lò phản ứng là 1 x 1 x 1 m Lò phản ứng được bao phủ bởi lưới thép trên tất cả bốn mặt, để không khí lưu thông được thuận tiện Mũi khoan với tổng chiều dài 1,5 m được đưa vào sử dụng trong máy trộn Máy khoan được làm bằng sắt và phủ sơn chống ăn mòn Hai bên mũi được hàn với tấm kim loại dày 5 mm và cũng được bao phủ bởi lớp sơn chống ăn mòn 2 mũi khoan trộn đặt ở đỉnh và đáy lò cách 1 khoảng 40cm và đặt đối diện với nhau Sự trộn lẫn thực hiện hai lần một tuần Trong trường hợp pha trộn không đúng, độ ẩm tăng, và quá trình tự hoại và mùi hôi phát triển, cuối cùng lò phản ứng thất bại [14]

Để tránh tạo ra các vấn đề mùi hôi và thông khí tốt hơn, không khí được đưa vào bằng quạt gió có kiểm soát Một ống nhựa đục lỗ được đưa vào trên tất cả bốn bên, do đó không khí đạt đến tất cả các góc.Lượng không khí cung cấp trong suốt gian đoạn ủ phân là 13,8 kg trong 30 phút mỗi ngày Để duy trì độ ẩm và nhiệt độ, nước thải sinh hoạt được thêm vào MSW ở dạng phun Nước thải sinh hoạt được lấy từ các trường đại học trước khi đưa đến nhà máy xử lý Nước thải sinh hoạt có chứa chất rắn hữu cơ và vi khuẩn, có thể dễ dàng đưa vào các lò phản ứng, do đó sẽ làm tăng giá trị dinh dưỡng của vật liệu compost

Bảng 2 Các giá trị dinh dưỡng của độ chín của phân hữu cơ trong những ngày khác nhau Ngày 28 35 37 39 40

C hữu cơ (%)

P (%)

N (%)

K (%)

34.7 23.2 20 18.4 16.3 1.2 2.3 2.3 2.3 2.5 1.2 2.2 2.2 2.2 2.5

<1 <1 <1 <1 <1

2.3 Phương pháp phân tích

Độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ, pH, tổng chất rắn, chất rắn bay hơi, hàm lượng nito (N-Kjeldhal) được đo một lần/ một tuần Nhiệt độ được xác định theo bốn phía ở dưới đáy

và giữa lò phản ứng Nó được đo trước khi trộn Tất cả các thông số được đo theo các phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra nước và nước thải, công bố bởi APHA[15] Tất cả MSW hữucơ được chuyển thành nguyên liệu composting trong 40 ngày Vật liệu compost cuối cùng thường có màu xám đen đến màu nâu và nên có mùi của đất Bảng 2 cho thấy các giá trị dinh dưỡng của vật liệu compost

III Kết quả và thảo luận

Hình 2 cho thấy hàm lượng độ ẩm theo ngày Độ ẩm nằm trong khoảng 62.3% và

53.3% do sự thoái hóa sinh học vật liệu hữu cơ và hoạt động hô hấp tối đa của sinh vật Trong thời gian đầu độ ẩm cao (>60%) và cấu trúc tự nhiên của hỗn hợp compost thì nghèo nàn Sau thời kì ổn định, độ ẩm giảm xuống 53% Từ ngày 0 đến ngày thứ 7, độ ẩm tăng lên các chất hữu cơ bắt đầu phân hủy làm độ ẩm tăng, sau đó độ ẩm giảm dần vì hai nguyên nhân: do hiện tượng thoát hơi nước tự nhiên và do hoạt động sống phân của vi sinh vật

Hình 3 cho thấy nhiệt độ theo ngày Lò phản ứng hoạt động đến thời kỳ ổn định Trong

thời gian nhiệt độ 65-70°C, vi sinh vật gây bệnh bị loại bỏ Việc sản sinh nhiệt cũng bắt nguồn từ hoạt động vi sinh, và do đó quá trình tạo phân compost có nhiệt độ cao lúc đầu sau

đó giảm từ từ và ổn định dần khi hoạt động vi sinh giảm do hàm lượng chất hữu cơ giảm đi Quá trình nhiệt độ tăng cao trong thời gian đầu là do hoạt động của vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ và giải phóng nhiệt Nhiệt độ sinh ra không được giải phóng vào không khí

mà bị tích tụ lại nên làm gia tăng nhiệt độ trong khối ủ Khi tăng đến nhiệt độ 65-70°C các

vi sinh vật gây bênh bị loại bỏ, đồng thời giai đoạn làm phân chuyển sang gia đoạn ổn đinh, chất hữu cơ bị phân hủy dần dần ít đi, lúc này hoạt động của vi sinh vật giảm dần và đi vào

ổn định nên nhiệt độ giảm

Hình 4 cho thấy pH của vật liệu compost giảm do hình thanh acid hữu cơ gây ra bởi

vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ Sau thời kỳ này, pH có xu hướng trở nên cân bằng khi những acid này chuyển thành CO2 do hoạt động vi khuẩn Giá trị pH quan sát được trong những ngày này giảm đi do sự thêm vào hằng ngày vật liệu hữu cơ có thể phân hủy được Sau đó, trong giai đoạn phát triển, giá trị pH tăng do hình thành ammonia Trong quá trình ủ phân, pH tăng lên là do sự khoáng hóa ure của hỗn hợp vi sinh vật ở giai đoạn đầu và sau đó

pH có xu hướng giảm dần do quá trình trao đổi chất của vi sinh vật thải ra acid Vi sinh vật

sử dụng nguồn NH4+ trong rác hữu cơ và chuyển hóa thành NH3 Một phần NH3 thoát ra ngoài do sự bay hơi, phần còn lại tồn tại trong phân dưới dạng NH4OH

Hình 5 cho thấy tổng chất rắn theo số ngày Ban đầu giá trị tổng chất rắn cao, sau

thời kỳ ổn định, giá trị này giảm do hoạt động vi sinh Trong thời gian chất rắn hữu cơ bị thay đổi thành vật liệu hữu cơ bị phân hủy

Hình 6 cho thấy tỉ lệ C/N tăng Sự phân hủy C/N từ chất hữu cơ xảy ra khi các vi

sinh vật sử dụng cacbon như là nguồn năng lượng và Nito cho xây dựng cấu trúc tế bào Sản phẩm cuối cùng ổn định hơn được chỉ thị khi giá trị compost phát triển (16.3 – 20%) và giá trị này cao hơn giới hạn cho phép (20%) Điều này đạt được khi quá trình trộn lẫn sử dụng chính các mũi khoan và duy trì pH trong khoảng 6.5-7.5 Những ngày đầu của quá trình làm phân, lượng chất hữu cơ nhiều, hoạt động của vi sinh vật diễn ra mạnh, việc phân hủy Cacbon và Nitơ trong chất hữu cơ mạnh mẽ làm tỉ lệ C/N tăng mạnh trong gian đoạn đầu và giai đoạn phân hủy mạnh Sau đó khi lượng chất hữu cơ ít đi, việc phân hủy diễn ra chậm lại, đồng thời lượng Cacbon trong phân bị mất đi do hình thành CO2 vì thế tỉ lệ C/N giảm dần

Hình 7 cho thấy chất rắn bay hơi theo ngày Ban đầu, giá trị chất rắn bay hơi

caotrong giai đoạn nhiệt và thông gió Sau thời kỳ ổn định, giá trị này giảm xuống Sinh vật

sử dụng nito từ vật liệu hữu cơ Các chất rắn bay hơi tăng vào những ngày đầu- lúc này quá trình làm phân diễn ra mạnh mẽ tạo ra nhiều khí CO2 và NH3, sau đó giảm dần.

Hình 8 cho thấy thể tích giảm theo ngày Việc giảm thể tích được quan sát từ ngày 14

trở đi Thể tích giảm hơn 78% trong quá trình tải dưới điều kiện thí nghiệm

Kết thúc quá trình làm phân compost người ta nhận thấy: Nito và cacbon dễ bị

phân hủy được tiêu thụ Hàm lượng P dần dần tăng trong quá trình làm phân compost Khả năng hòa tan trong nước của P giảm theo quá trình mùn hóa, do đó sự hòa tan P trong quá trình phân hủy dễ bị cố định hơn do vi sinh vật kích thích làm compost Hàm lượng Kali trong phân compost thấp (<1%) so với 1% trong phân compost đề nghị Đồng thời hiệu quả

từ việc sử dụng các vật liệu xơ sợi như rơm, mảnh gỗ, có thể hấp thụ nước tương đối cao và duy trì tính nguyên vẹn cũng như tính xốp,ngăn chặn việc mất đi Kali từ phân compost được tạo Tất cả sinh vật gây bệnh bị loại bỏ trong giai đoạt nhiệt và chỉ thị vi sinh vật (fecal coliforms) được xác định bằng phương pháp vi khuẩn học tiêu chuẩn

IV Liên hệ Việt Nam

Các đô thị là nguồn phát sinh chính của chất thải sinh hoạt Các khu đô thị tuy có dân

số chỉ chiếm 24% dân số của cả nước nhưng lại phát sinh đến hơn 6 triệu tấn chất thải mỗi năm (tương ứng với 50% tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt của cả nước) Ước tính mỗi