Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Ha NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHI TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên nganh: Công nghệ môi trường chất thải rắn Mã số: 9520320 – NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Hoang Dương Tùng GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái Ha Nội - Năm 2021 MỞ ĐẦU Sự cần thiết của đề tai luận án Quản lý chất thải rắn vấn đề nhận quan tâm cộng đồng điểm nóng cơng tác bảo vệ môi trường Việt Nam Cùng với q trình cơng nghiệp hố, đại hố mạnh mẽ, lượng chất thải liên tục gia tăng, tạo sức ép rất lớn công tác bảo vệ môi trường Ở Việt Nam, lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) phát sinh khoảng khoảng 25,5 triệu tấn, dự báo tăng lên 54 triệu tấn vào năm 2030 [4] Trước gia tăng nhanh chóng chất thải rắn, công tác quản lý, xử lý thời gian qua chưa thực đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng bãi rác không hợp vệ sinh, lị đốt rác khơng có hệ thống xử lý khí xử lý không đạt yêu cầu, nhà máy xử lý chất thải gây ô nhiễm Cho đến thời điểm chưa có mơ hình cơng nghệ xử lý CTR thực mang lại hiệu quả CTRSH chủ yếu chơn lấp, chỉ có khoảng 30% bãi chơn lấp hợp vệ sinh [4] Vì vậy, quản lý xử lý an toàn chất thải, đặc biệt việc lựa chọn công nghệ xử lý CTR phù hợp, nhằm giảm thiểu nguy ô nhiễm môi trường hạn chế tác động xấu tới sức khỏe người những vấn đề cấp bách công tác bảo vệ môi trường nước ta giai đoạn Chiến lược Quốc gia quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 nêu rõ mục tiêu thị phải có cơng trình tái chế CTR phù hợp với việc phân loại hộ gia đình; tăng cường khả tái chế, tái sử dụng, xử lý kết hợp thu hồi lượng sản xuất phân hữu [36] Việt Nam nước có điều kiện khí hậu nhiệt ẩm, thành phần hữu CTR sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao, thích hợp cho trình phân hủy sinh học Nước ta lại nước nơng nghiệp nên có thị trường tiêu thụ sản phẩm phân bón Bên cạnh đó, nhà máy xử lý hiếu khí xây dựng hoạt động không hiệu quả Phương pháp sinh học kỵ khí nhận nhiều quan tâm, đầu tư phát triển giới, mang lại nhiều hiệu quả rõ rệt không chỉ xử lý thành phần hữu gây ô nhiễm cho đô thị mà cịn tạo nhiều sản phẩm có giá trị Xuất phát từ thực tế trên, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu phương pháp sinh học kỵ khí điều kiện Việt Nam” tìm hiểu cơng nghệ ủ kỵ khí CTR hữu để xử lý CTR hữu hộ cụm hộ gia đình, đưa số thơng số vận hành chính mơ hình thực tế để mang lại hiệu quả xử lý sử dụng phân mùn đầu để tạo sản phẩm nông nghiệp đưa thị trường tiêu thụ, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng chuyển giao tiến khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt đáp ứng mục tiêu Chiến lược Quốc gia quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 Mục đích, mục tiêu nghiên cứu của đề tai luận án Mục đích nghiên cứu đề tài luận án nghiên cứu công nghệ ủ kỵ khí nhằm mang lại hiệu quả xử lý CTR hữu tạo phân mùn đầu có chất lượng tốt, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng chuyển giao tiến khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt Mục tiêu đề tài là: - Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu phương pháp sinh học kỵ khí phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm giảm thiểu CTR hữu nguồn phát sinh theo mục tiêu đề Chiến lược quản lý tởng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn 2050 - Thử nghiệm mơ hình xử lý CTR hữu quy mơ hộ cụm hộ gia đình, làm sở cho việc xác định thông số vận hành chế động học có bở sung chất phối trộn khác (chế phẩm vi sinh, vụn cá) trình ủ kỵ khí thành phần hữu CTRSH - Xác định hiệu quả ứng dụng sản phẩm sau ủ việc sử dụng phân mùn sau xử lý để tạo sản phẩm nơng nghiệp có giá trị đưa thị trường tiêu thụ 3 Đối tượng va phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu Thành phần hữu CTR sinh hoạt khu vực đô thị nông thôn trồng thử nghiệm chất lượng phân mùn trình ủ thành phần hữu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phịng thí nghiệm mơ hình pilot trường quy mơ hộ cụm hộ gia đình khu vực đô thị nông thôn - Phương pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp kế thừa, thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: Thu thập tài liệu số liệu liên quan đến công nghệ ủ kỵ khí ấm, đến chất thải rắn hữu có ngồi nước Phân tích tổng quan, kế thừa đánh giá kết quả nghiên cứu thực - Phương pháp nghiên cứu, phân tích thực nghiệm: tiến hành chạy mơ hình thực nghiệm phân hủy kỵ khí thành phần hữu CTRSH phịng thí nghiệm ngồi trường Nghiên cứu phòng thí nghiệm điều kiện lên men ấm với nhiệt độ ổn định 30 C, nghiên cứu trường thực vào mùa: mùa đông mùa hè - Phương pháp khảo nghiệm phân bón: sử dụng phân mùn sau xử lý bón cho trồng để khẳng định hiệu quả chất lượng mùn sau ủ - Phương pháp phân tích thống kê: áp dụng phương pháp toán học để hiệu chỉnh phân tích số liệu thực nghiệm - Phương pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến chuyên gia suốt trình thực luận án qua lần bảo vệ chuyên đề, hội thảo Bên cạnh chuyên gia công nghệ kỹ thuật xử lý CTR, nghiên cứu sinh tham khảo ý kiến chuyên gia Viện Công nghệ Môi trường chế phẩm sinh học, chuyên gia Học viện Nơng nghiệp Việt Nam quy trình kiểm nghiệm khảo nghiệm chất lượng phân bón, lựa chọn loại rau quy trình trồng rau Cơ sở khoa học của nghiên cứu Để giải vấn đề cần nghiên cứu, luận án sử dụng sở khoa học sau: - Cơ sở lí luận xử lý CTR hữu cơ: Luận án nghiên cứu công nghệ xử lý CTR hữu giới Việt Nam, chuyển hóa chất trình ủ kỵ khí, yếu tố ảnh hưởng đến trình ủ kỵ khí, lý thuyết cân vật chất, từ xây dựng mơ hình thí nghiệm, thiết lập cân vật chất cho VS, C, N, P, phương trình hệ số tốc độ phân hủy, phương trình tính tốn lượng khí thu theo mơ hính Gompertz cải tiến mơ hình BPK Luận án nghiên cứu quy trình khảo nghiệm chất lượng phân bón văn bản liên quan đến chất lượng phân bón để xây dựng thí nghiệm trồng rau đánh giá chất lượng phân mùn đầu mơ hình ủ kỵ khí CTR hữu - Cơ sở thực tiễn: Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu phòng thí nghiệm để đánh giá chế phẩm vi sinh, tỷ lệ phối trộn vụn cá thải, thời gian ủ giai đoạn ủ Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu trường để đánh giá hiệu quả mơ hình thí nghiệm vào mùa khác Thông qua kết quả thí nghiệm trồng rau để khảo nghiệm chất lượng phân mùn đầu mơ hình thí nghiệm xử lý CTR hữu - Nội dung nghiên cứu của luận án Nghiên cứu tổng quan công nghệ ủ kỵ khí xử lý CTRHC CTRSH tình hình áp dụng cơng nghệ giới Việt Nam Tìm hiểu tài liệu, nghiên cứu thực nước nước ngồi có liên quan đến lĩnh vực đề tài - Xây dựng mơ hình thực nghiệm điều kiện phịng thí nghiệm mơ hình pilot trường Đánh giá khả xử lý CTR hữu phương pháp phân hủy kỵ khí Việt Nam Nghiên cứu q trình chuyển hóa chất xử lý kỵ khí thành phần hữu CTRSH, yếu tố ảnh hưởng đến trình - Nghiên cứu phòng thí nghiệm xác định chế phẩm vi sinh phù hợp, xác định tỷ lệ chất thải vụn cá để phối trộn xử lý cùng chất thải rắn hữu cơ, xác định thời gian ủ giai đoạn trình ủ giai đoạn - Nghiên cứu triển khai ứng dụng thực tế trường quy mô vào mùa đông mùa hè: ủ kỵ khí giai đoạn quy mô nhỏ thùng ủ phù hợp cho việc xử lý phân tán chỗ cho hộ gia đình; ủ kỵ khí giai đoạn quy mơ cụm hộ gia đình bể ủ, ủ kỵ khí giai đoạn - Đánh giá chất lượng sản phẩm đầu mô hình thí nghiệm: phân tích chất lượng phân mùn đầu ra, thí nghiệm trồng để đánh giá hiệu quả phân mùn, lượng hóa giá trị sản phẩm khí Biogas thu - Thiết lập cân hàm lượng chất rắn bay VS, cân hàm lượng chất dinh dưỡng C, N, P mô hình Xây dựng mơ hình động học q trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu tính tốn phương trình hệ số tốc độ phân hủy - Những đóng góp của luận án Luận án đưa mơ hình ủ sinh học kỵ khí CTR hữu từ sinh hoạt quy mơ hộ cụm hộ gia đình xác định thông số, điều kiện ủ phù hợp thành phần phối trộn (chế phẩm sinh học Sagi Bio vụn cá thải), tỉ lệ phối trộn (20:1), thời gian ủ (15 ngày cho giai đoạn hệ ủ giai đoạn, 40 ngày cho ủ giai đoạn) Thiết lập cân hàm lượng chất rắn bay VS thành phần C, N , P mơ hình thí nghiệm phân tích động học, xác định hệ số tốc 2 độ phân hủy theo phương trình k = - 0,0003.t + 0,0115.t – 0,0098 với R = 0,9547 Xác định phương trình tính tốn lượng khí thu theo mơ hình Gompertz cải tiến mơ hình BPK với giá trị R >0,99 Ý nghĩa khoa học va thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu xử lý CTR hữu nguồn phát sinh, góp phần bở sung kiến thức tham khảo phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu quy mô hộ cụm hộ gia đình Kết quả luận án giúp nhà nghiên cứu tiếp tục triển khai hướng nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ ủ kỵ khí xử lý CTR hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: Luận án góp phần giảm thiểu CTR hữu từ nguồn phát sinh theo định hướng chung quản lý CTR tởng hợp; xây dựng mơ hình xử lý CTR hữu quy mô hộ cụm hộ gia đình Kết quả góp phần giúp nhà quản lý xem xét đưa giải pháp xử lý CTR hữu tùy vào điều kiện cụ thể đô thị Các doanh nghiệp sử dụng kết quả từ luận án để cân nhắc phương án đầu tư cơng trình xử lý CTR hữu Các hộ gia đình nhóm hộ gia đình vận dụng kiến thức để tự xử lý CTR hữu gia đình mình, tạo sản phẩm khí sinh học phục vụ cho sống gia đình phân mùn hữu bón cho trồng Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, mục lục, tài liệu tham khảo, danh mục cơng trình công bố phụ lục, nội dung chính luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cở sở lý luận nghiên cứu công nghệ sinh học kỵ khí CTR hữu Chương 3: Mơ hình phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả nghiên cứu bàn luận CHƯƠNG 1: TỞNG QUAN 1.1 Tởng quan chung chất thải rắn hữu 1.1.1 Các khái niệm Chất thải rắn (CTR) chất thải thể rắn sệt (còn gọi bùn thải) thải từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoạt động khác [8] Chất thải rắn sinh hoạt (còn gọi rác sinh hoạt) CTR phát sinh sinh hoạt thường ngày người [8] Chất thải rắn hữu hiểu CTR có thành phần hợp chất hữu (organic compound), phân tử có chứa các-bon, có liên kết cacbon-hiđrơ CTR hữu thường phân thành CTR hữu dễ phân hủy khó phân hủy (theo khả phân hủy sinh học), CTR hữu phân hủy nhanh phân hủy chậm (theo tốc độ phân hủy sinh học) CTR hữu phân hủy nhanh thường phân hủy hoàn toàn thời gian tối đa năm, năm CTR hữu phân hủy chậm [23] Xử lý chất thải trình sử dụng giải pháp công nghệ, kỹ thuật (khác với sơ chế) để làm giảm, loại bỏ, cô lập, cách ly, thiêu đốt, tiêu hủy, chôn lấp chất thải yếu tố có hại chất thải [8] Ủ sinh học q trình ởn định sinh hố chất hữu để tạo thành chất mùn với thao tác sản xuất kiểm soát cách khoa học, tạo mơi trường tối ưu cho phản ứng chuyển hóa CTR hữu thành chất dinh dưỡng thuận lợi cho trình hấp thụ trồng [23] Phương pháp thực với quy mơ khác quy mơ hộ gia đình, quy mơ nhóm cộng đồng dân cư quy mơ nhà máy sản xuất xử lý tập trung Phương pháp rất hiệu quả CTR hữu có thành phần hữu phân hủy nhanh chiếm tỷ lệ cao, không bị lẫn tạp chất Ủ sinh học gồm ủ hiếu khí ủ kỵ khí: - Ủ hiếu khí: trình ủ CTR hữu với thao tác sản xuất kiểm soát cách khoa học để tạo môi trường tối ưu cho trình phân hủy hiếu khí (bở sung vi sinh vật hiếu khí, cung cấp O2 cho đống ủ,…) Sản phẩm trình mùn hữu cơ, CO2, H2O [12, 23] - Ủ kỵ khí: trình ủ CTR hữu với thao tác sản xuất kiểm sốt cách khoa học để tạo mơi trường tối ưu cho q trình phân hủy kỵ khí (bở sung vi sinh vật kỵ khí, loại bỏ O đống ủ,…) Sản phẩm trình mùn hữu cơ, CO2, CH4, NH3, H2S [12, 23] 1.1.2 Thành phần của CTR Thành phần CTR phụ thuộc vào mức sống, thu nhập đô thị Thông thường thị có mức sống cao thành phần CTR hữu phân hủy nhanh (đặc biệt CTR thực phẩm) thấp Theo phân loại nhất năm 2020 Ngân hàng Thế giới (WB), kinh tế giới chia thành nước có thu nhập thấp, trung bình thấp, trung bình cao Các kinh tế có thu nhập thấp WB xác định những kinh tế có GNI bình qn đầu người (được tính toán phương pháp Atlas WB) từ 1.035 USD trở xuống; từ 1.036 USD đến 4.045 USD thu nhập trung bình thấp; từ 4.046 USD đến 12.535 USD thu nhập trung bình cao; từ 12.536 USD trở lên thu nhập cao Theo phân loại này, Việt Nam nằm nhóm kinh tế có mức thu nhập trung bình thấp (LMC) Hình 1.1: Thanh phần CTRSH số nước [4, 23, 50, 54] Việt Nam nước có thành phần CTR hữu CTRSH rất cao chiếm từ 45 – 77,1% Dự báo thành phần đến năm 2025 rất cao, khoảng 50% [4] Thành phần chất hữu có khả phân hủy sinh học (thực phẩm thải) CTRSH hộ gia đình chiếm tỷ lệ cao thành phần khác thành phần thay đổi theo chiều hướng giảm dần Từ năm 1995, thành phần chất thải thực phẩm chiếm tỷ lệ rất cao (80 - 96%) đến năm 2017 thành phần giảm xuống khoảng 50 - 70% [4] Trong thành phần CTR hữu có cả CTR hữu phân hủy nhanh CTR hữu phân hủy chậm CTR hữu phân hủy nhanh CTRSH Việt Nam chủ yếu chất thải thực phẩm, chiếm khoảng 65-95% tổng lượng CTRSH [23] Điều cho thấy Việt Nam nên phát triển công nghệ xử lý CTRSH theo phương pháp sinh học Bảng 1.1: Bảng loại CTR hữu CTRSH [23, 26] Tên chất thải TT CTR hữu phân hủy nhanh Thức ăn thừa, thực phẩm hết hạn sử dụng Rơm, cỏ, thực vật, hoa loại Bã loại: cà phê, trà (túi trà), bã mía, xác mía, cùi bắp Rau, củ, quả, trái loại phần thải bỏ từ việc sơ chế, chế biến, loại vỏ, hạt (trừ vỏ dừa, vỏ sầu riêng) Ngũ cốc sản phẩm chế biến từ ngũ cốc Thịt sản phẩm từ thịt; trứng sản phẩm từ trứng, xác gia cầm, gia súc, động vật (chuột, chó, mèo, chim cảnh), phân động vật, lơng động vật, côn trùng Thịt thủy sản sản phẩm thủy sản như: sị, ốc, nghêu, hến, tơm, cua, ghẹ Khăn giấy loại dễ phân rã, tro củi, tro trấu Thức ăn cho động vật, Thức ăn cho thủy sản CTR hữu phân hủy chậm 10 Bìa carton 11 Nhựa, túi nilong, nhãn chai 12 Vải 13 Cao su 14 Da 15 Gỗ Theo định hướng phát triển Việt Nam thể Luật Bảo vệ môi trường Chiến lược quốc gia quản lý tổng hợp CTR, CTR phải phân loại nguồn Do đó, nên phân loại thành phần CTR hữu phân hủy nhanh PL24 Phụ lục 15: Kết thí nghiệm 26/5/2017 PL25 Phụ lục 16: Kết thí nghiệm 30/5/2017 PL26 Phụ lục 17: Kết thí nghiệm 5/6/2017 PL27 Phụ lục 18: Kết thí nghiệm 9/6/2017 PL28 Phụ lục 19: Kết thí nghiệm 13/6/2017 PL29 Phụ lục 20: Kết thí nghiệm 16/6/2017 PL30 Phụ lục 21: Kết thí nghiệm 23/6/2017 PL31 Phụ lục 21: Kết thí nghiệm 23/6/2017 (tiếp) PL32 Phụ lục 22: Kết phân tích vụn cá thải [4] PL33 Phụ lục 23: Các thơng số tính tốn cân ham lượng VS va chất dinh dưỡng C, N, P Mô VSvao VSlỏng hình (kg) (kg) M1VC 2,21 0,91 M1S 21,14 5,08 M1B 684,85 164,51 M2 65,08 15,74 [5] Phụ lục 23: Các thơng số tính tốn cân ham lượng VS va chất dinh dưỡng C, N, P (tiếp) Mô hình Thể tích COD nước nước rác, rác, l mg/l M1VC M1S M1B M2 10,8 60,0 1944,0 186,0 19846,0 19784,0 19815,0 19883,0 PL34 Phụ lục 24: Các thông số đầu vao va đầu của mô hình thí nghiệm Đợt thí Kí hiệu TS (% VS(% nghiệm mẫu khối lượng) TS) T0 48,2 88,45 T1 46,4 83,23 T2 47,1 85,41 T3 46,7 84,14 T0 53,8 92,27 T1 55,3 93,21 T2 57,1 94,16 T3 58,9 95,08 M0 49,6 87,56 Đợt Đợt Đợt M1 49,6 87,56 M2 49,6 87,56 M3 49,6 87,56 PL35 Đợt thí Kí hiệu TS (% VS(% nghiệm mẫu khối lượng) TS) M1 44,2 87,21 M1VC 41,03 89,78 M2 40,16 87,21 M2VC 48,6 89,78 M1S 41,25 90,06 M1B 41,25 90,06 M2 40,37 87,34 M1S 55,6 91,37 M1B 55,6 91,37 M2 46,9 90,37 Đợt Đợt Đợt ... Hoàng Lê Phương, đề tài luận án tiến sỹ ? ?Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại phương pháp sinh học điều kiện Việt Nam? ??, Đại học Xây dựng Hà Nội Nghiên cứu tiến hành nghiên cứu giải pháp xử lý phân... mô hình thí điểm xử lý CTR hữu hộ gia đình Việt Nam [99, 100] 1.4 Một số nghiên cứu có liên quan đến xử lý chất thải rắn hữu phương pháp sinh học 1.4.1 Một số nghiên cứu thế giới Hai khủng... thực tế trên, đề tài luận án ? ?Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu phương pháp sinh học kỵ khí điều kiện Việt Nam? ?? tìm hiểu công nghệ ủ kỵ khí CTR hữu để xử lý CTR hữu hộ cụm hộ gia đình,