Ngày nay, mọi người đều ít nhiều biết đến việc ủ compost hay là một quá trình sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ. Ủ compost cũng là quá trình không thể thiếu trong các mô hình xử lý chất thải rắn đô thị hiệu quả. Mô hình xử lý cơ sinh học (Mechanical Biological Treatment MBT) được áp dụng phổ biến trên thế giới hiện nay chính là sự kết hợp hiệu quả của quá trình ủ compost hay phức hợp biogascomposting với các quá trình xử lý cơ học và tái chế khác.
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA PIN ĐÃ QUA SỬ DỤNG TẠI HỘ GIA ĐÌNH ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ HỮU CƠ TRONG CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ ĐỂ LÀM
PHÂN COMPOST
compost, các mô hình công ngh compost quy mô l n áp d ng trên th gi i
Trang 2L ch s quá trình compost đã có t r t lâu, ngay t khi khai sinh c a nôngị ử ủ ừ ấ ừ ủ
Trang 3Đ c đi m c n l u ý đ i v i compost t ch t th i r n đô th là phân lo i đặ ể ầ ư ố ớ ủ ừ ấ ả ắ ị ạ ể
(biofilter)
Trang 4- MSW: municipal solid waste dòng ch t th i r n đô thấ ả ắ ị
LÀM PHÂN COMPOST
Mục đích nghiên cứu là khảo sát khả năng biến đổi của 9 kim loại nặng trong pin
hộ gia đình đã qua sử dụng (SHB) (pin Zn – C và pin kiềm – Mn) trong thành phầnhữu cơ của chất thải rắn đô thị (OFMSW) để làm phân compost Sáu thí nghiệm đượcthực hiện bao gồm 1 lần đối chứng và 2 lần lặp lại để so sánh 11 loại pin kiềm và pinkhông kiềm được thêm vào tại 3 tỉ lệ khác nhau, cụ thể là 0.98% w/w (thấp), 5.28%w/w (trung bình) và 10.6% w/w (cao) Thí nghiệm gồm 230 phản ứng sinh học hiếukhí cách nhiệt bằng nhựa có chế độ khí động trong 60 ngày Trong mẫu có tỉ lệ pin cao(10.6% w/w), khối lượng của sắt, đồng, niken trong OFMSW cao hơn so với các chấtkhác cùng điều kiện Ở mẫu có tỉ lệ pin trung bình và thấp thì không có kim loại Khốilượng kim loại cân bằng đạt 51% đến 176% Hầu hết các kim loại có độ rò rỉ dưới 10mg/L, trừ sắt, và có xu hướng tăng theo thời gian ở mẫu có tỉ lệ pin cao Trong mọitrường hợp, hàm lượng của 5 kim loại nặng trong sản phẩm tạo thành dưới mức quyđịnh của Hy Lạp
II. GIỚI THIỆU
Pin hộ gia đình đã qua sử dụng là thành phần phổ biến trong MSW Những nămgần đây, Châu Âu đã có nhiều cố gắng lớn tách SHB ra khỏi MSW để đem đi tái chế.Theo pháp luật Châu Âu, 25% pin được sản xuất tại các nước Châu Âu phải được thugom và tái chế vào năm 2012, 45% phải được tái chế vào năm 2016 Tại Hy Lạp, từnăm 2004 đã thu gom được một số lượng nhỏ pin hộ gia đình Theo AFIS S.A (2010),
629 tấn pin đã được thu gom và tái chế năm 2009 ở Hy Lạp, tăng 27% so với năm
2008 Tổng lượng thu được của năm 2009 bằng 21% tổng lượng pin sản xuất ra trongnăm Mặc dù vậy, số lượng đáng kể SHB vẫn được thải bỏ chung với MSW
Pin hộ gia đình là chất thải thuộc mục 16.06 Danh mục chất thải châu Âu (EC2000), được chỉ định là chất thải không nguy hại, trừ pin Ni – Cd, pin Pb và pin Hg.Sau này, SHB mới được liệt vào danh sách chất thải rắn nguy hại Hàm lượng kim loạinặng là thành phần đặc trưng của pin dù không có tài liệu nói về mức độ ảnh hưởngcủa chúng Các thành phần của pin cũng được các nhà khoa học nghiên cứu (Panero
và cộng sự - 1995, Bartolozzi và cộng sự - 1994, Almeida và cộng sự - 2006, Richter
và cộng sự - 2008, Recknagel và cộng sự - 2009, Panero và cộng sự - 1995) Các nhàkhoa học này là những người đầu tiên đo được tổng hàm lượng kim loại trong pin hộgia đình Họ tìm thấy Zn và Mn có hàm lượng chiếm ưu thế sau Pb và Cd, trong khi
Trang 5đó không có Hg Trong nghiên cứu của Recknagel và cộng sự năm 2009, hàm lượng
Hg thấp hơn 3.9 mg/kg Pb và Cd trong pin Zn – C cao hơn rất nhiều so với pin hợpchất kiềm – Mn Tuy nhiên, trong pin của Đức thì thấy hầu hết các kim loại nặng.Trong nghiên cứu của Richter và cộng sự năm 2008, trong pin Zinc Air cũng thấy cókim loại nặng
Cho đến nay, thông tin về tác động của SHB đến quá trình xử lý và loại bỏ MSWcòn ít Người ta chú trọng đến đặc tính nước rò rỉ sau qua lọc hoặc mô phỏng môitrường bãi chôn lấp kị khí Panero và cộng sự đo nồng độ Ni, Zn, Cd, Mn trong môhình rò rỉ acid không quá 2 mg/L Selvapathy và Madhavan (2003) đã tiến hành thínghiệm chất độc đặc trưng qua lọc (TCLP) cho từng loại pin Pin Zn – C và pin hợpchất kiềm có chứa Zn và Mn gây độc vượt quá giới hạn Mặt khác, pin Ni – Cd có chỉ
số Cd và Ni cũng vượt quá giới hạn Còn lại không có Hg Xará và cộng sự (2009)thực hiện 4 thí nghiệm lọc tiêu chuẩn đối với pin kiềm hộ gia đình, và họ tìm thấy sựkhác biệt trong 4 thí nghiệm Kim loại bị rửa trôi nhiều nhất là Zn, sau đó tới Pb, Ni
và Cu Karnchanawong and Limpiteeprakan (2009) thực hiện lọc trên nhiều pin, ngoài
ra họ là những người đầu tiên sử dụng thẩm kế kỵ khí để mô phỏng môi trường bãichôn lấp và đo khả năng rửa trôi các chất trong pin Họ thêm pin theo tỉ lệ 1% đến 5%
so với MSW mô phỏng trong thẩm kế kỵ khí Kết quả cho thấy, kim loại được lọcnhanh theo thứ tự Ni, Cd, Pb, Zn, Mn Độ pH của hỗn hợp giảm trong giai đoạnacidogenic Kim loại, đặc biệt là Pb và Hg hoà tan nhiều hơn Trong một nghiên cứugần đây, Almeida và cộng sự (2009) đã nghiên cứu tác động của SHB đến khí thải ratrong quá trình tro hoá MSW, Zn và Hg là hai kim loại bay hơi nhiều nhất
Dường như không có thông tin gì về cách hoạt động của SHB trong quá trình phânhuỷ MSW Những thông tin này có thể hỗ trợ việc xác định khả năng loại bỏ SHB từMSW trước khi ủ phân compost Việc thiếu thông tin dẫn đến chúng ta chỉ nghiên cứuđược nồng độ giới hạn của kim loại nặng để ủ được phân Pin Zn – C và pin kiềm –
Mn được thêm vào OFMSW ở 3 tỉ lệ khác nhau Sau đó tiến hành phản ứng sinh họchiếu khí với OFMSW có chứa chất thải thực phẩm (FW) và giấy văn phòng (OFP).Quá trình phân huỷ kéo dài 60 ngày Các quá trình lâu hơn có thể đến vài tháng,không được thực hiện trong thí nghiệm này Vì vậy, thực hiện thí nghiệm với quanđiểm là bất kì pin nào đưa vào vẫn đảm bảo quá trình ủ phân, trong suốtquá trìnhkhông bị mất, nhưng bị loại bỏ trước khi đóng rắn thông qua sàng lọc Quá trình sànglọc tương đối phổ biến trong ủ phân bằng MSW, được thực hiện trước khi đóng rắn vàsau quá trình phân huỷ (Lau và cộng sự 2005)
Trong công trình nghiên cứu này, các quá trình thí nghiệm sự phân huỷ hữu cơ củaMSW được thêm SHB ở 3 tỉ lệ Mục tiêu của thí nghiệm là tính toán khối lượng kimloại trong quá trình ủ và cân bằng khối lượng kim loại vào lúc bắt đầu và kết thúc quátrình phân huỷ Thí nghiệm nghiên cứu xem các kim loại có ảnh hưởng đến quá trìnhphân huỷ hữu cơ MSW khi đang ủ
III. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Thành phần hữu cơ của MSW trong thí nghiệm bao gồm chất thải từ thực phẩm(FM) và giấy văn phòng (OFP), được pha trộn theo tỷ lệ 70%:30% (FM:OFP) trọnglượng ướt Tỷ lệ pha trộn dựa trên tiêu chuẩn của Hy Lạp Tỷ lệ pha trộn trên ứng với47%:53% (FM:OFP) trọng lượng khô và không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm
50 kg (ướt) chất thải thực phẩm được thu thập từ các nhà hàng trong trường đại học
Trang 6hơn 1 tuần, bao gồm thịt, bánh mì, rau, trái cây và mì ống, sau đó trộn đều rồi được
ít nhất 8 tiếng trước khi đưa vào các phản ứng sinh học Giấy văn phòng thải bỏ đượcthu thập từ các cơ quan sau đó được cắt nhỏ bằng tay thành miếng có kích thước 2.5
cm × 2.5 cm Cả 2 vật liệu (FM và OFP) được cân riêng và trộn đều với nhau trướckhi cho vào lò phản ứng sinh học Phân gia cầm (PLC) lấy từ nhà máy chăn nuôi giacầm lớn ở Alexandroupolis (bắc Hy Lạp) Thêm vào hỗn hợp OFMSW khoảng 10% ±2% khối lượng ướt phân gia cầm để cung cấp vi sinh vật, thúc đẩy quá trình phân hủy.Trong mỗi thí nghiệm, người ta thêm 5 kg nước máy để đảm bảo độ ẩm tối ưu 49% ±2% trọng lượng ướt Trong mỗi 6 lần thí nghiệm lượng MSW mô phỏng là khoảng 30
kg ướt hoặc 16 kg khô
III.2. Pin ở hộ gia đình
11 loại pin Zn – C và kiềm – Mn trộn với OFMSW trong 5 thí nghiệm Pin 3 – 4tháng tuổi được thu thập từ các thùng tái chế khác nhau trong thành phố Xanthi (HyLạp) Tỷ lệ pin kiềm:pin không kiềm là 4.3:1 (theo trọng lượng) Tỷ lệ này không đổitrong tất cả các mẫu tất cả các nhãn hiệu pin và các loại được đề cập trong bảng 1
Thí nghiệm gồm 6 thí nghiệm nhỏ với hỗn hợp OFMSW và SHB 1 lần thí nghiệm
là đối chứng (CNTR) chỉ chứa OFMSW không có pin, 5 thí nghiệm khác có chứa pin
ở cả 3 tỉ lệ: 0,98% (thấp), 5,2% (trung bình) và 10,6% (mức cao) (so với trọng lượngướt của OFMSW) Kết quả ở mẫu có tỉ lệ pin trung bình và cao dự kiến sẽ cao hơnnhiều so với kết quả thực tế của pin trộn lẫn với MSW Ngoài ra trong MSW có chứacác kim loại nặng khác với trong SHB có thể ảnh hưởng đến hàm lượng kim loại trongOFMSW Cần loại bỏ các kim loại đó vì mục đích của công trình là chỉ nghiên cứu tácđộng của SHB với OFMSW Loại pin tương tự và các nhãn hiệu khác đã được thêmvào tất cả 5 mẫu lặp lại
Lặp lại thí nghiệm ở mẫu có tỉ lệ pin trung bình và cao để kiểm tra khả năng nhânrộng của các thí nghiệm Nhân rộng các thí nghiệm bằng cách lặp lại mẫu có tỉ lệ pintrung bình và cao, không cần nhân rộng ở mẫu đối chứng và mẫu có tỉ lệ pin thấp
Chất thải thực phẩm, giấy văn phòng và phân gia cầm đều có đặc tính riêng, độ ẩm
toàn bộ rác của mỗi lò phản ứng sinh học được lấy ra và trải đều trên 1 mặt phẳng.Sau đó chia vật liệu làm 4 phần, lấy ngẫu nhiên 2 phần đối diện và đặt lại trong lòphản ứng Trộn nửa còn lại và tiếp tục chia làm 4 phần, thực hiện giống ban đầu chođến khi nào mẫu đại diện còn 1 – 1.2 kg (trọng lượng ướt) Mẫu này tiếp tục được trộnthêm và chia làm 3 tiểu mẫu có đặc trưng riêng Mỗi tiểu mẫu có trọng lượng 300 –
400 g (trọng lượng ướt) đủ cho thí nghiệm và phân tích kim loại Tổng khối lượng khôcủa OFMSW chứa trong mỗi lò phản ứng sinh học tại mỗi thời điểm lấy mẫu đã đượctính toán dựa trên nguyên tắc bảo tồn tro Số lượng mẫu tối ưu trong nghiên cứu này
là 3 (n=3) Trong thời điểm lấy mẫu trung gian nếu lấy số lượng mẫu lớn hơn, tỉ lệOFMSW và pin trong các lò phản ứng có thể bị giảm khả năng phân huỷ, bởi vì pinkhông thể tách khỏi suốt quá trình ủ
Sau khi sấy, nghiền nhỏ (bằng cối sứ), đồng nhất các mẫu OFMSW và các nguyênliệu hữu cơ, lấy ngẫu nhiên khoảng 1,6g ± 0,1g từ các mẫu để phân tích kim loại Từ
Trang 7mỗi thương hiệu và chủng loại pin lấy ra 1 hoặc 2 mẫu sau đó phân tích kim loại Vàocuối quá trình, mẫu pin lấy ngẫu nhiên từ các chủng loại đem cân và phân tích tổngkim loại Chỉ trong thí nghiệm 1 tất cả pin chứa trong lò phản ứng vào cuối thí nghiệmđược phân tích riêng.
Tổng hàm lượng kim loại “có sẵn thân thiện với môi trường” trong các vật liệu hữu cơ(chất thải thực phẩm, giấy văn phòng, phân hữu cơ và OFMSW) và 11 loại pin được
đo thông qua kỹ thuật phân hủy axit theo phương pháp 04-12-B của USDA và USCC(2002), dựa trên phương pháp 3050B (USEFA, 1996) Kỹ thuật phân hủy axit được sửdụng ở đây không phải là kỹ thuật tổng phân huỷ, mà là 1 axit mạnh có thể hòa tangần như tất cả các kim loại để tạo thành kim loại “có sẵn thân thiện với môi trường”(USEPA 1996) Mục đích của thí nghiệm là định lượng các kim loại có thể biến đổitrong môi trường, bởi kim loại chứa các chất không tan, sau quá trình phân hủy axitkhông thể trở thành “có sẵn thân thiện với môi trường” Khác với kỹ thuật tổng phânhuỷ axit, quá trình phân hủy axit ở đây dẫn đến sự tan rã pin tối đa và có thể diễn ratrong điều kiện môi trường khắc nghiệt
Quá trình phân hủy axit với thời gian ngắn được thực hiện như sau: đầu tiên dùngkéo lớn cắt pin thành 3 – 4 miếng tạo điều kiện cho phân hủy axit Pin đã cắt được đặt
từ vào hỗn hợp Thêm khoảng 20 ml nước cất vào để rửa bình và dừng đun nóng sau10’ Sau khi làm mát, dung dịch được lọc chân không qua bộ lọc sợi 0,45 mm Dungdịch sau lọc đổ vào BĐM 100 ml, thêm nước cất đã khử ion vào đầy bình Làm quytrình tương tự để axit phân huỷ các chất hữu cơ Thực hiện phân huỷ axit với mẫutrắng để thiết lập đường cơ sở cho mỗi kim loại tỷ lệ phần trăm không bị axit hoánằm trong khoảng từ 5% đến 30% so với trọng lượng khô ban đầu Trong thí nghiệmnày, tổng hàm lượng kim loại được tính theo trọng lượng khô (mg/kg dw) cho tất cảcác nguyên liệu được sử dụng
Đối với mẫu OFMSW, lấy hai mẫu trung gian và một mẫu cuối cùng từ lò phảnứng Không phân tích giữa quá trình phân huỷ để tránh làm thất thoát pin
Chín kim loại nặng (Pb, Cd, Ni, Co, Cr, Cu, Fe, Zn và Mn) được định lượng bằngphổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa (FASS) bởi Varian model SpectrAA Pha loãng dungdịch chuẩn gốc nồng độ 1000 ppm được cung cấp bởi MERCK để dựng đường chuẩn.Trong khi phân tích FASS, khi xuất hiện 1 đường cong 4 điểm hiệu chuẩn thì có thểbắt đầu đo Xác định lại nồng độ các mẫu dựa vào đường chuẩn Nếu độ lệch vượt quá5% thì phải làm lại mẫu Theo APHA và cộng sự năm 1998, giới hạn phát hiện (LOD)của kim loại là nồng độ tại đó cho tín hiệu lớn hơn 3,89% độ lệch chuẩn trên mức độtrung bình (dựa trên n = 7 và ở mức độ tin cậy 95%) Giới hạn của các kim loại: Pb
190 ppb, Cd 10 ppb, Ni 130 ppb, Mn 100 ppb Tất cả các nồng độ thấp hơn LOD đềucho kết quả phân tích bằng 0
Nước rỉ rác tại lần lấy mẫu trung gian và cuối cùng thu lại qua van hút gió Lấykhoảng 30 ml nước rỉ rác để phân tích kim loại bằng phương pháp phân hủy axit.Nước thải còn lại được tái tuần hoàn trở lại lò phản ứng Tổng khối lượng kim loại(mg) có trong nước thải được thu thập tại mỗi lần lấy mẫu bằng khối lượng nước thải(L) và nồng độ kim loại tương ứng (mg/L)
Trang 8Nếu nồng độ ban đầu vượt quá các điểm chuẩn thì phải pha loãng các mẫu vớinồng độ thích hợp Tỉ lệ pha loãng tối đa trong phân tích của pin là: 1:20 cho Pb, 1:10cho Cd, 1:500 cho Ni, 1:100 cho Co, 1:1 cho Cr, 1:500 cho Cu, 1:10000 cho Fe,1:75.000 cho Zn và 1:15.000 cho Mn Tỉ lệ pha loãng tối đa trong việc phân tíchOFMSW và các thành phần của nó là 1:30 (tỉ lệ pha loãng tối đa được tiến hành chosắt và kẽm khi phân tích ở cấp độ cao) Không pha loãng khi phân tích nước thải.
III.5. Thiết lập lò phản ứng
Trang 9Lò phản ứng sinh học được làm bằng nhựa HDPE, tổng thể tích khoảng 203 L Lòđược giữ ở nhiệt độ phòng đặt cách nhiệt bằng xốp dày 5 cm Vật liệu được đặt trên 1tấm chắn bằng thép ko gỉ để duy trì lớp không khí dày 15 cm Không khí được máynén khí liên tục được bơm từ dưới của mỗi lò phản ứng với lưu lượng 2 L/phút Nhiệt
độ trên cặp nhiệt độ được ghi lại hàng ngày Cặp nhiệt độ có đầu dò đặt ở giữa vật liệuphế thải Đặt một tấm phủ bằng kim loại nửa kín phía trên mỗi lò phản ứng để đo định
tay đo nồng độ khí (GA 94, dụng cụ máy móc địa chất, Anh) Thí nghiệm kéo dài 45ngày ( đối với TN1) và 60 ngày ( trong các lần khác) TN1 kết thúc sớm hơn so vớicác TN khác để nghiên cứu sự khác biệt trong khả năng tổn thất trọng lượng pin ở 2lần ủ khác nhau Thiết lập lò phản ứng sinh học được thể hiện trong hình 1
III.6. Tính toán
Nồng độ kim loại (mg khô/kg) trong OFMSW sẽ không thể hiện đầy đủ sự ảnhhưởng từ khả năng biến đổi của pin đến OFMSW Do hàm lượng kim loại trongOFMSW sẽ tăng lên trong 1 số quá trình phân hủy Một số kim loại có thể bị cuốntheo nước rỉ rác ra ngoài Tổng khối lượng kim loại (dạng rắn và lỏng) dự kiến sẽkhông thay đổi trong lò phản ứng, vì kim loại không bay hơi Do đó, nếu không cóbiến đổi của các kim loại từ pin trong OFMSW, khối lượng của kim loại có trongOFMSW không bị thay đổi Trong quá trình biến đổi, khối lượng kim loại trong hỗnhợp OFMSW tăng sẽ kéo theo sự giảm khối lượng kim loại của pin
Khối lượng của mỗi kim loại trong OFMSW tại thời điểm t trong suốt quá trìnhphân huỷ được tính theo phương trình sau:
Hình 1: Lò phản ứng sinh học
Trang 10Trong đó:
điểm t trong quá trình phân hủy
điểm 0
So sánh thống kê (của Dunnett t-test) được thực hiện bằng cách sử dụng khốilượng của kim loại chứa trong OFMSW để:
tại các thời điểm khác nhau trong suốt quá trình
Một sự cân bằng khối lượng đã được thực hiên để kiểm tra xem khả năng tăngkhối lượng kl trong OFMSW vào cuối quá trình này được kèm theo
IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chất thải thực phẩm, giấy văn phòng và phân hữu cơ trong phản ứng sinh học có
độ ẩm tương đương 66%, 4.8%, và 7.0% Tất cả các pin có độ ẩm giao động từ 0.8%đến 0.9% ww Hàm lượng chất hữu cơ trong chất thải thực phẩm, giấy và phân hữu cơlần lượt là 93,1%, 80.3% và 53.5% dw Bảng 1 bao gồm tổng hàm lượng kim loạinặng của 11 loại pin sử dụng trong nghiên cứu và của 3 chất hữu cơ ban đầu (chất thảithực phẩm, giấy văn phòng, phân hữu cơ)
Bảng 1: Tổng hàm lượng kim loại nặng của 11 loại pin sử dụng trong nghiên cứu và
của 3 chất hữu cơ ban đầu
Pin và
các
CHC
Khối lượng
%
222,000±1
%
140,000±40
%Rotosoni
UCAR
AA &,** 15.6 1400 0.441 139 13.0 18 199 41,600 251,000 151,000Toshiba
%
233,500±12%
123,000±46
%Duracell
plus AA
&&,** 24.5 6.41 0.45 2230 7.40 9.30 11,850 166,000 195,500 157,000Duracell
%
180,000±3
%
249,000±13
%