Nghiên cứu khả năng chuyển hóa chất thải rắn sinh hoạt hộ gia đình thành khí sinh học

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 Nghiên cứu khả chuyển hóa chất thải rắn sinh hoạt hộ gia đình thành khí sinh học Nguyễn Mạnh Khải1,*, Đỗ Mai Phương2, Lê Hồng Chiến3, Phạm Thị Thúy1 Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Cục Thẩm định Đánh giá tác động môi trường, Tổng cục Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường Viện Nghiên cứu Phát triển Kinh tế Xã hội Hà Nội, 80 Trần Thái Tông, Hà Nội Nhận ngày 26 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 28 tháng năm 2016; chấp nhận đăng ngày 06 tháng năm 2016 Tóm tắt: Nghiên cứu khả chuyển hố chất thải rắn sinh hoạt hộ gia đình thành khí sinh học có ý nghĩa quan trọng việc tận dụng chất thải để tạo nguồn lượng sử dụng sinh hoạt hàng ngày giúp giảm ô nhiễm môi trường thay phần cho nhiên liệu hóa thạch Nghiên cứu tiến hành đối tượng chất thải rắn sinh hoạt từ hộ gia đình khu vực nội thành Hà Nội Kết nghiên cứu cho thấy thành phần chất thải từ hộ gia đình có tiềm sản xuất sinh học mức độ cao, có đến 50% chất thải loại rau quả, thực phẩm chưa qua chế biến Tỷ lệ C/N chất thải từ số hộ gia đình khu vực nội thành Hà Nội dao động khoảng từ 12,5 đến 15, ½ mức khuyến cao tối ưu cho trình phân huỷ kị khí Tốc độ sinh khí khả lên men chất thải rắn sinh khí sinh học mẫu bổ sung EM cao so với mẫu không bổ sung EM Việc tuần hoàn lượng bùn định lại vào hệ thống ngồi việc có tác dụng thúc đẩy nhanh q trình ồn định hệ thống cịn tạo hệ số phát sinh khí sinh học cao hệ khơng bổ sung bùn Sự tuần hồn nên thực ngày đầu vận hành hệ thống Việc áp dụng mơ hình sản xuất khí sinh học từ chất thải sinh hoạt có tác dụng giảm diện tích đất sử dụng cho chơn lấp, đồng thời thu hồi nguồn khí tương đối lớn cho đun nấu nhu cầu khác Từ khoá: Chất thải rắn sinh hoạt, Khí sinh học, Biogas, Tuần hồn bùn Mở đầu∗ liệu thống kê, tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt Việt Nam ước tính khoảng 12,8 triệu tấn/năm, khu vực thị 6,9 triệu tấn/năm (chiếm 54%), lượng chất thải rắn lại tập trung huyện lỵ, thị xã thị trấn Dự báo tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt đô thị đến năm 2020 khoảng 22 triệu tấn/năm [1] Thành phần chất thải sinh hoạt gồm: Rác hữu (41,98%); Giấy (5,27%); Nhựa, cao su (7,19%); Len, vải (1,75%); Thủy tinh (1,42%); Đá, đất sét, sành sứ (6,89%); Xương, vỏ hộp (1,27%); Kim loại (0,59%); Tạp chất (10 mm): 33,67% Qua thấy chất thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu chiếm tới 41,98%, Lượng chất thải sinh hoạt có xu hướng phát sinh ngày tăng nhanh công tác quản lý xử lý rác thải sinh hoạt chưa hợp lý, nguy gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng Bên cạnh đó, ý thức người dân chưa cao, việc tự ý đổ bừa rác thải sinh hoạt xuống sông, hồ, ao, khu đất trống thường xuyên diễn nhiều nơi làm ô nhiễm môi trường nước khơng khí Theo số _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT.: 84-913369778 E-mail: khainm@vnu.edu.vn 224 224 N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 tận dụng để tạo nguồn lượng sử dụng sinh hoạt hàng ngày giúp giảm ô nhiễm môi trường thay phần cho nhiên liệu hóa thạch [2] Nghiên cứu thực nhằm tìm hiểu khả chuyển hố chất thải rắn hộ gia đình thành khí sinh học Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành đối tượng chất thải rắn sinh hoạt từ hộ gia đình khu vực nội thành Hà Nội Địa điểm khảo sát lựa chọn phường Phan Chu Trinh, quận Hoàn Kiếm, Thành phố Hà Nội, nơi lựa chọn để triển khai nghiên cứu xây dựng mô hình 3R khn khổ dự án JICA thực năm 2007-2009 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phỏng vấn trực tiếp Điều tra, vấn phương pháp điều tra thực tế cách vấn người trực tiếp liên quan đến vấn đề nghiên cứu Nội dung vấn điều tra tập trung vào thành phần khối lượng rác thải sinh hoạt phát sinh, cách thức thu gom rác thải 30 hộ gia đình sinh sống khu vực phường Phan Chu Trinh, quận Hồn Kiếm cơng nhân cơng ty môi trường đô thị làm công việc thu gom rác thải sinh hoạt hàng ngày Xác định thành phần chất thải rắn trường Chất thải rắn với khối lượng ban đầu khoảng 250 kg trộn lấy khoảng kg rác băm nhỏ Ống dẫn khí 225 20 kg theo phương pháp giảm ½ khối lượng qua lần phần góc ¼ đối Mẫu chất thải rắn sau phân loại thủ cơng thành nhóm thành phần (như mục 3.1) xác định khối lượng chúng Nghiên cứu khả hình thành khí sinh học từ chất thải sinh hoạt Chất thải sinh hoạt chủ yếu từ hộ gia đình thu gom phân loại thành loại gồm: chất thải có khả phân huỷ sinh học (thức ăn dư thừa, rau, củ quả…) loại chất thải lại (đồ gia dụng, gạch, đất đá lẫn, túi nilong…) Lấy kg lượng chất thải có khả phân huỷ sinh học đưa vào can nhựa 20 lít, bổ sung dịch lỏng (nước dịch lỏng từ hệ thống biogas hoạt động ổn định) đạt 2/3 thể tích hệ theo công thức: (1) ủ liên tục để theo dõi khả tạo khí sinh học BKCP; (2) ủ liên tục có bổ sung dịch lỏng từ hệ thống biogas hộ gia đình Vĩnh Phúc (EM) BCCP; (3) ủ liên tục có bổ sung chất khơng tuần hoàn bùn, lượng chất bổ sung hàng ngày 1/12 lượng ban đầu KTHADD; (4) ủ liên tục có bổ sung chất tuần hồn bùn, lượng chất bổ sung hàng ngày 1/12 lượng ban đầu lượng bùn tuần hoàn tương ứng với 10% lượng dịch thải chuyển hệ thống - BTHADD Nhiệt độ ngồi mơi trường khơng kiểm sốt tn theo biến thiên nhiệt độ phịng thí nghiệm thời gian nghiên cứu từ tháng 3/2014 đến tháng 6/2014 Việc xác định lượng khí phát sinh hàng ngày sở đo lượng nước đẩy áp lực khí sinh q trình ủ Sơ đồ thí nghiệm thể hình vẽ đây: Lượng nước bị đẩy Đo lượng nước hàng ngày để tính lượng khí sinh Bình chứa Hình Hệ ủ biogas 20 lít theo mẻ cho cơng thức thí nghiệm BKCP BCCP 226 N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 Bổ sung 1/12 chất Ống dẫn khí kg CTR ban đầu Dịch thải + bùn dư Lượng nước bị đẩy Đo lượng nước hàng ngày để tính lượng khí sinh Bình chứa 10% dd thải Hình Hệ ủ biogas 20 lít cho cơng thức thí nghiệm KTHADD BTHADD Hình Thành phần chất thải từ hộ gia đình sau tách loại tạp chất sử dụng hệ biogas Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Kết thực nghiệm xây dựng mơ hình thu hồi khí sinh học từ chất thải sinh hoạt hộ gia đình Thành phần chất thải hộ gia đình Thành phần chất thải hộ gia đình (phường Phan Chu Trinh) sau tách bỏ phần khó phân huỷ túi nilon,gỗ, dây buộc, kim loại hợp chất khó phân huỷ… tỷ lệ phần cịn lại hình Thực tế hàm lượng trung bình chung thành phần chất thải sinh hoạt hộ gia đình thay đổi tuỳ thuộc vào thời gian tuần, điều kiện kinh tế hộ gia đình yếu tố tác động khác (cấu trúc tuổi, giới gia đình…) Giá trị phân loại Hình phân loại đánh giá từ hộ gia đình trung lưu, quy mô 4-5 người hộ khu vực nội thành Kết phân loại cho thấy có đến 50% chất thải loại rau quả, thực phẩm chưa qua chế biến, thức ăn thừa chiếm khoảng 16%, lương thực qua chế biến (cơm, bánh mì, đồ có tinh bột) thừa lên đến 18%, giấy vụn, giấy ăn, đồ có xương chất khống chiếm khoảng 8% Tỷ lệ cho thấy kiểm soát phần ăn chưa tốt hộ gia đình đồ tinh bột thừa lên đến 18% Đồng thời việc tự chế biến đồ ăn hộ gia đình phổ biến thể qua chất thải loại rau quả, thực phẩm chưa chế biến chiếm đến 56%, nguồn nguyên liệu tốt cho việc phân huỷ tạo thành khí sinh học từ chất thải hộ gia đình Kết phân loại cho thấy chất thải hộ gia đình có tiềm sản xuất khí sinh học mức độ cao N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 227 Bảng Các thơng số đầu vào cho q trình ủ Thông số pH (1:2,5 H2O) OC OM Tổng N Tổng P C/N Cu Zn Ghi chú: Đơn vị tính Mẫu 7,2 Các yếu tố đa lượng %dw 44 %dw 88 %dw 3,1 %dw 0,9 14 Hàm lượng kim loại nặng mg.kg-1(dw) 58,6 mg.kg-1(dw) 85,5 Mẫu 6,5 Mẫu 7,1 42 82 2,7 1,2 15 35 70 2,8 0,8 12,5 47,3 115,8 71,8 128,5 OC – bon hữu cơ, OM – chất hữu cơ, dw – khối lượng khơ Một số tính chất chất thải hộ gia đình Mẫu chất thải sau tách bỏ phần khó phân huỷ túi nilon,gỗ, dây buộc, kim loại hợp chất khó phân huỷ… phần lại trộn lấy mẫu theo phương pháp lấy mẫu chất thải rắn, xử lý phân tích số tính chất để đánh giá thơng số đầu vào cho q trình ủ, kết thể bảng sau Quá trình phân huỷ kị khí hệ thống biogas phụ thuộc nhiều vào yếu tố mơi trường Theo Bjưrnsson et al, 2000 [3]; Demirel Yenigun, 2002 [4]; Rajeshwari cộng sự, 2000 [5], yếu tố bao gồm nhiệt độ, pH, sẵn có chất dinh dưỡng diện thành phần độc hại q trình phân tích Kết phân tích thành phần chất Bảng 1, giá trị pH axit nhẹ trung tính (6,5-7,2) nằm ngưỡng phù hợp cho hoạt động phân huỷ kị khí [3,4,5] Trong nghiên cứu Hilkiah Igoni cộng sự, 2008 [6] công bố giá trị pH chất thải rắn sinh hoạt từ hộ gia đình nằm ngưỡng trung tính phù hợp cho phân huỷ kị khí tiến hành thử nghiệm sản xuất biogas [6] Carbon hữu mẫu nghiên cứu có giá trị từ 35-44% khối lượng khô Nếu coi chất hữu có chứa thành phần trung bình C 50% tổng lượng chất hữu mẫu tương ứng từ 70-80% Tỷ lệ C: N: P tối ưu trình phân huỷ kị khí cho với sản lượng mêtan cao báo cáo 100:3:1 (Rajeshwari et al., 2000) hay C/N 20 - 30 Tuy nhiên, kết phân tích nghiên cứu chất thải từ số hộ gia đình khu vực nội thành Hà Nội cho kết dao động khoảng từ 12,5 đến 15, ½ mức khuyến cao tối ưu Hàm lượng C so với N thấp mức khuyến cáo thể thải bỏ nhiều thức ăn có hàm lượng protein cao thịt lợn, thịt cá… Đồng thời yếu tố hạn chế cho trình phân huỷ kị khí Hệ dẫn đến làm chua bể hiệu suất sinh khí CH4 không cao không bổ sung thêm chất C Thêm vào đó, q trình phân huỷ kỵ khí chất phát sinh amoni [5] Qua phân tích kim loại nặng Cu, Zn, ghi nhận có mặt với hàm lượng khơng lớn tất mẫu phân tích, phù hợp cho phát triển hệ thống sinh vật hệ thống biogas Diễn biến biogas thu sau thời gian ủ Để đánh giá khả sinh khí sinh học, chúng tơi tiến hành thí nghiệm ủ với chất hữu gồm thức ăn dư thừa phân loại với thành phần Hình Hình với công thức ủ khác mơ tả mục 2.2 Kết đo lượng khí sinh tiến hành hàng ngày hệ thống (BKCP BCCP) trình bày Hình Hình N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 228 400 BKCP 35 BKCP 350 BCCP 30 Thể tích khí sinh (lít) Thể tích khí sinh theo ngày (lít/ngày) 40 25 20 15 10 250 200 150 100 50 0 10 15 20 25 Thời gian (ngày) 30 35 40 Hình Diễn biến lượng khí sinh học phát sinh theo thời gian thí nghiệm BCCP BKCP 10 15 20 25 Thời gian (ngày) 30 35 40 Hình Tổng lượng khí sinh học phát sinh theo thời gian thí nghiệm BCCP BKCP 45 900 KTHADD 40 KTHADD 800 BTHADD 35 BTHADD 700 Thể tích khí sinh (lít) Thể tích khí sinh theo ngày (lít/ngày) BCCP 300 30 25 20 15 600 500 400 300 10 200 100 0 10 15 20 25 Thời gian (ngày) 30 35 Hình Diễn biến lượng khí sinh học phát sinh theo thời gian mẫu chất thải rắn hệ KTHADD BTHADD Kết nghiên cứu biểu diễn hình cho thấy, lượng khí sinh từ lơ thí nghiệm khơng ổn định theo ngày Tuy nhiên, thể tích khí sinh có xu hướng tăng dần từ ngày thứ đến ngày thứ 17 đạt tối ưu mẫu BCCP Đối với mẫu BKCP, lượng khí sinh đạt giá trị lớn sau khoảng 22 ngày Lượng khí sinh theo ngày cao 24,0l (ngày thứ 17, thí nghiệm BKCP) 36,7l (ngày thứ 11, thí nghiệm BCCP) Theo quan sát (Hình 5), đến ngày thứ 23, 90 % tổng lượng khí thu mẫu thí nghiệm BKCP, mẫu BCCP đến ngày thứ 18 lượng khí sinh chiếm tổng số 90% tổng lượng khí suốt q trình thí nghiệm 40 10 15 20 25 Thời gian (ngày) 30 35 Hình Tổng lượng lượng khí sinh học phát sinh theo thời gian mẫu chất thải rắn hệ KTHADD BTHADD Kết cho thấy tốc độ sinh khí khả lên men chất thải rắn sinh khí sinh học mẫu bổ sung EM cao so với mẫu không bổ sung EM Việc bổ sung EM làm thúc đẩy nhanh trình phân huỷ sinh khí sinh học chất thải rắn, cụ thể mẫu không bổ sung EM (BKCP) thời gian lượng khí tiệm cận tới kết thúc q trình khoảng 35 ngày, mẫu có bổ sung EM (BCCP) khoảng thời gian 27 ngày 3.1.4 Diễn biến biogas thu thí nghiệm có bổ sung chất thải Kết phát sinh khí sinh học mơ tả Hình Hình Về bản, xu hướng phát sinh khí sinh học hai hệ tương đồng N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 Sự ổn định lượng khí sinh hai hệ sau 12 ngày Tuy nhiên hệ có tuần hồn bùn (BTHADD), thời gian ổn định khí sinh học sau 12 ngày lượng khí sinh có xu hướng cao ổn định mức 35 lít/ngày Với hệ khơng tuần hồn bùn, lượng khí sinh ổn định sau 18 ngày, lượng khí sinh học phát sinh có xu hướng thấp hệ có tuần hồn bùn (đạt mức 32-33 lít/ngày) Như vậy, khẳng định việc tuần hồn lượng bùn định lại vào hệ thống việc có tác dụng thúc đẩy nhanh q trình ồn định hệ thống cịn tạo hệ số phát sinh khí sinh học cao hệ không bổ sung bùn Tuy vậy, hai hệ vào ổn định lượng khí sinh hai hệ khơng có khác biệt lớn Do vậy, hệ thống phân huỷ kị khí từ chất thải rắn hộ gia định nên tuần hồn bùn ngày đầu vận hành hệ thống (Hình 6) Tổng lượng khí sinh học thu sau thời gian ủ 35 ngày chất thải sinh hoạt thí nghiệm thể Hình Hình Kết luận Thành phần chất thải từ hộ gia đình (khảo sát 30 hộ) sau tách loại tạp chất sử dụng hệ biogas cho thấy có đến 50% chất thải loại rau quả, thực phẩm chưa qua chế biến, thức ăn thừa chiếm khoảng 16%, lương thực qua chế biến (cơm, bánh mì, đồ có tinh bột) thừa lên đến 18%, giấy vụn, giấy ăn, đồ có xương chất khống chiếm khoảng 8% Kết phân loại cho thấy chất thải hộ gia đình có tiềm sản xuất sinh học mức độ cao Tỷ lệ C/N chất thải từ số hộ gia đình khu vực nội thành Hà Nội dao động khoảng từ 12,5 đến 15, ½ mức khuyến cao tối ưu Hàm lượng C so với N thấp mức khuyến cáo thể thải bỏ nhiều thức ăn có hàm lượng protein cao thịt lợn, thịt cá… Đồng thời yếu tố hạn chế cho trình phân huỷ kị khí 229 Kết cho thấy tốc độ sinh khí khả lên men chất thải rắn sinh khí sinh học mẫu bổ sung dịch thải từ hệ thống biogas cao so với mẫu không bổ sung Việc bổ sung dịch thải từ hệ thống biogas giai đoạn đầu làm thúc đẩy nhanh q trình phân huỷ sinh khí sinh học chất thải rắn, rút ngắn thời gian ổn định khoảng 12 ngày Việc tuần hoàn lượng bùn định vào hệ thống dịng liên tục ngồi việc có tác dụng thúc đẩy nhanh q trình ổn định hệ thống cịn tạo hệ số phát sinh khí sinh học cao hệ không bổ sung bùn, tạo hệ số phát sinh khí sinh học cao Tuy vậy, hai hệ vào ổn định lượng khí sinh hai hệ khơng có khác biệt lớn Do đó, hệ thống phân huỷ kị khí từ chất thải rắn hộ gia định nên tuần hoàn bùn ngày đầu vận hành hệ thống Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] Trần Thị Mỹ Diệu, Giáo trình quản lý chất thải rắn sinh hoạt, NXB Đại học Văn Lang, Hồ Chí Minh, 2010 Trung tâm Thơng tin KH&CN Quốc gia, Tổng luận Công nghệ Xử lý Chất thải rắn số nước Việt Nam, Hà Nội, 2007 L Björnsson, M Murto, B Mattiasson B, Evaluation of parameters formonitoring an anaerobic co-digestion”, Applied Microbiology and Biotechnology 54 (2000) 844-849 D Burak, Y Orhan, Two-phase anaerobic digestion processes: a review, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 77 (2002) 743–755 K.V Rajeshwari, M Balakrishnan, A Kansal, L Kusum, V.V.N Kishore, State of-the-art of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment, Renewable and Sustainable Energy Reviews 4(2000) 135-156 A H Igonia, M.J Ayotamuno, C.L Eze, S.O.T Ogaji, S.D Probert, Designs of anaerobic digesters for producing biogas from municipal solid-waste, Applied Energy 85 (2008) 430-438 N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 224-230 230 Study on the Possibility of Transforming Household Solid Wastes to Biogas Nguyen Manh Khai1, Do Mai Phuong2, Le Hong Chien3, Pham Thi Thuy1 Faculty of Environmental Sciences, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Department of Appraisal and Environmental Impact Assessement, Vietnam Environmental Administration, Ministry of Natural Resources and Environment Hanoi Institute for socio-economic development studies, 80 Tran Thai Tong, Hanoi Abstract: Study on the possibility of transforming muticipal wastes to biogas conversion of solid waste is very important to reuse wastes for producing energy in daily use, reduce environmental pollution and partial replacement of fossil fuels Research was conducted on the municipal wastes in inner Hanoi Results of this study show that 50% of municipal wastes were vegetables and unprocessed foods, had the potential to producing biogas The ratios of C/N from municipal wastes in Hanoi ranged from 12.5 to 15, and were equal to half of the recommendation for optimal anaerobic decomposing process Biogas yield and fermentation ability of municipal wastes in the EM was higher than the sample without EM The circulation of activated sludge into the system presenting also created stability arising coefficient higher than the system without additive activated sludge And this circulation should only be done at the first few operation days of the system The application of the models of producing biogas from municipal waste will have the effect of reducing landfill area, and recovered relatively large biogas amount for cooking and other demand Keywords: Muniticipal solid wastes, biogas, circular sludge  ... nhiên liệu hóa thạch [2] Nghiên cứu thực nhằm tìm hiểu khả chuyển hố chất thải rắn hộ gia đình thành khí sinh học Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành... đối Mẫu chất thải rắn sau phân loại thủ cơng thành nhóm thành phần (như mục 3.1) xác định khối lượng chúng Nghiên cứu khả hình thành khí sinh học từ chất thải sinh hoạt Chất thải sinh hoạt chủ... huỷ tạo thành khí sinh học từ chất thải hộ gia đình Kết phân loại cho thấy chất thải hộ gia đình có tiềm sản xuất khí sinh học mức độ cao N.M Khải nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái