Tốc độ sinh khí
h
Đồ thị 3.1: Quá trình phát sinh khí bãi rác của các chất thải hữu cơ PHN
Trong đó:
h: mức sinh khí cực đại trong 5 năm h =
τ : thời gian phân hủy hết PHN
Theo kết quả phần trên, lượng khí sinh ra do PHN đối với 1 tấn rác thải là 267,1 m3
Vậy tốc độ khí cực đại: h = = 106,84 (m3/tấn.năm) Tổng lượng khí sinh ra trong năm thứ nhất:
V1 = = 53,42 (m3/tấn) Tốc độ phát sinh khí cuối năm 2:
h2 = = = 80,13 (m3/tấn.năm)
Tổng lượng khí sinh ra trong năm thứ 2 V2 = = = 93,485 (m3/năm)
Tương tự xác định được tốc độ sinh khí cũng như lượng khí hình thành vào các năm. Kết quả tính toán được minh họa trong bảng 3.7
Bảng 3.7: Kết quả tính toán tốc độ phát sinh khí và lượng khí hình thành qua các năm đối với 1 tấn rác PHN
TT Năm Tốc độ phát sinh khí(m3/tấn.năm) Tổng lượng khí hình thành (m3/tấn)
1 2016 106,84 53,42
2 2017 80,13 93,485
4 2019 26,71 40,065
5 2020 0 13,335
Tổng 267,1
Lượng khí sinh ra do phần PHC trong 20 năm đối với 1 tấn rác
Giả thiết tốc độ sinh khí cực đại trong 5 năm
Từ đồ thị dưới đây, ta xác định được mức sinh khí mỗi năm theo h.
Đồ thị 3.2: Quá trình phát sinh khí bãi rác của các chất thải hữu cơ PHC
Tính toán tương tự như trên ta xác địn được lượng khí gas sinh ra theo thời gian của các thành phần rác phân hủy chậm
Kết quả tính toán chi tiết về tốc độ sinh khí và lượng khí gas hình thành đối với 1 tấn rác đem chôn lấp theo thời gian được minh họa trong bảng 3.8
Bảng 3.4: Kết quả tính toán tốc độ phát sinh khí và lượng khí hình thành qua các năm đối với 1 tấn rác PHC
TT Năm Tốc độ phát sinh khí(m3/tấn.năm) Tổng lượng khí hình thành(m3/tấn)
1 2016 3,15 1,575
2 2017 6,3 4,725
3 2018 9,45 7,875
4 2019 12,6 11,025
6 2021 14,7 15,2257 2022 13,65 14,175 7 2022 13,65 14,175 8 2023 12,6 13,125 9 2024 11,55 12,075 10 2025 10,5 11,025 11 2026 9,45 9,975 12 2027 8,4 8,925 13 2028 7,35 7,875 14 2029 6,3 6,825 15 2030 5,25 5,775 16 2031 4,2 4,725 17 2032 3,15 3,675 18 2033 2,1 2,625 19 2034 1,05 1,575 20 2035 0 0,525
Bảng 3.5: Lượng khí sinh ra ở bãi chôn lấp
TT Năm Thể tích khí (m3)
Phân hủy nhanh Phân hủy chậm Tổng
1 2016 70137967 22411405,8 782549372,7 2 2017 1330241442 67234217,4 1397475659 3 2018 950172459 112057029 1062229488 4 2019 570103475 156879841 726983315,8 5 2020 190034492 201702652 391737143,9 6 2021 216643589 216643589,4 7 2022 201702652 201702652,2 8 2023 186761715 186761715 9 2024 171820778 171820777,8 10 2025 156879841 156879840,6 11 2026 141938903 141938903,4 12 2027 126997966 126997966,2 13 2028 112057029 112057029 14 2029 97116091,8 97116091,8 15 2030 82175154,6 82175154,6 16 2031 67234217,4 67234217,4 17 2032 52293280,2 52293280,2 18 2033 37352343 37352343 19 2034 22411405,8 22411405,8 20 2035 7470468,6 7470468,6 Tổng 6.041.830.414
Phương pháp thu khí đặt ống phun thẳng là các giếng khoan vào CTR đã chôn lấp khoảng 1m, có thể khoan sâu tới lớp lót đáy. Nếu chất rắn đã đóng kết thành khối vững chắc có thể đặt ống thu khí gas vào giếng bằng ống nhựa PVC đường kính tối thiểu 50mm. Xung quanh ống là các tầng đá lọc đảm bảo độ rỗng để thu được lượng khí tối đa tạo thành, ngoài ra còn đủ không khí cần thiết để chống rò rỉ. Để khí vào ống được dễ dàng, khoan lỗ xung quanh ống nhựa khoảng 15cm. Khi CTR kết thành khối vững chắc thì phải đóng các khối thép được khoan lỗ xung quanh vào ống khoan. Ống thép phải có đường kính lớn hơn ống nhựa đối với từng BCL khác nhau, các phương pháp đặt ống khí khác nhau.
Giới hạn bán kính thu hồi của giếng được xác định theo công thức sau: R =
Trong đó:
R: bán kính thu hồi, m Q: Sản lượng khí, m3/h
�w: Khối lượng riêng của rác, tấn/m3
h: Chiều sâu của lớp rác, m q: tốc độ tạo khí, m3/tấn rác.h
Thông thường khí bãi ra có sản lượng lớn nhất là 5 năm đầu tiên, đạt được khoảng 4 – 14 m3/ tấn chất thải khô và kéo dài khoảng 20 năm kể từ khi giai đoạn yếm khí đầu tiên xuất hiện. Sau đó lượng khí giảm dần, thậm chí có bãi chỉ còn là hiện tượng nhỏ giọt (thu hồi khí trong tình trạng ngắt quãng), khi đó có thể tạm ngừng việc thu hồi khí một thời gian. [2] Chọn sản lượng tạo khí là 14m3/tấn phế thải khô.
Vậy:
Lượng khí sinh ra trung bình trong 20 năm là: m3
Lượng khí sản sinh ra trong một giờ: m3
(m3/tấn rác.h) tấn/m3
h = 25 m Như vậy: m
Giếng thu khí đứng gồm một ống thu khí có đường kính bằng 150mm (thường dùng ống PVC hoặc PE) đặt trong một lỗ khoan kích thước 460 – 920mm. Một phần ba đến một phần hai bên dưới của ống thu khí được đục lỗ và được đặt trong đất hay CTR.
Chiều dài còn lại của ống thu khí không được đục lỗ và đặt trong đất hay CTR. Khoảng cách các giếng được đặt dựa vào bán kính thu hồi. Không giống như giếng nước, bán kính thu hồi của các giếng đứng có dạng hình cầu. Vì lý do này, các giếng đứng cần đặt cẩn thận để chống sự chồng lên nhau của bán kính thu hồi khí trong hệ thống. Tỷ lệ thu hồi khí quá dư có thể làm cho không khí thâm nhập vào CTR từ lớp đất bên cạnh. Để ngăn cản sự xâm nhập của không khí, tốc độ thu hồi khí của mỗi giếng phải được kiểm soát một cách cẩn thận. Do đó, các giếng thu hồi khí được gắn với các lỗ thông hơi và các van kiểm soát dòng khí. Hệ thống thu gom khí được bố trí thành mạng lưới tam giác đều, khoảng cách giữa các ống thu khí theo TCVN 261 :2001 là từ 50 – 70m và được tính ở phần trên.
Hình 3.1: Mô hình tam giác bố trí hệ thống thu gom khí
Để đảm bảo việc thu hồi khí được tốt có thể thiết kế các hệ thống phun nước vào BCL để đảm bảo độ thủy phân của CTR, giữ không cho oxy vào các túi khí tránh tạo ra các VSV ưa khí và kéo theo các VSV kỵ khí ra ngoài làm chậm quá trình tạo khí metan.Ngược lại, nếu độ ẩm quá cao sẽ ảnh hưởng đến độ ẩm của khí thu hồi. Để khắc phục tình trạng này cần có các bơm hút nước thải ở BCL.
Hệ thống rút khí được nối với bơm chân không hay quạt gió bằng hệ thống ống dẫn đến một hệ thống xử lý. Thường có sự ngưng tụ nước ở thành ống vì vậy cần có các vị trí thải nước trên hệ thống thu hồi khí. Điểm cần chú ý trong hệ thống thu hồi khí là chỉ nên thiết kế hệ thống rút khí ra được khoảng 20% - 70% lượng khí sinh ra từ BCL. Vì thực tế cho thấy, nếu rút quá 70% lượng khí tạo ra sẽ có hiện tượng không khí lọt vào hệ thống thu
khí. Sức ép của áp suất khí bên trên nước phun ra khoảng 600 mmH2O là hoàn toàn phù hợp cho việc tạo ra khí phía dưới.
III.3. Tính toán lượng nước rỉ rác III.3.1. Sự hình thành nước rỉ rác
Nước rỉ rác (còn gọi là nước rác) là nước bẩn thấm qua lớp rác của các ô chôn lấp, kéo theo các chất ô nhiễm từ rác chảy vào tầng đất ở dưới bãi chôn lấp.
Sự có mặt của nước trong bãi chôn lấp rác có cả mặt tích cực lẫn tiêu cực cho hoạt động của bãi rác. Nước rất cần cho một số quá trình hóa học và sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp để phân hủy rác. Mặt khác, nước có thể tạo ra xói mòn trên tầng đất nén và những vấn đề lắng đọng trong dòng nước mặt chảy qua. Nước rác có thể chảy vào các tầng nước ngầm và các dòng nước sạch và từ đó gây ô nhiễm đến nguồn nước uống. Vì vậy, vấn đề cần quan tâm khi thiết kế, xây dựng cho hoạt động của một bãi chôn lấp là kiểm soát nước rác.
Nước có sẵn trong rác thải là nhỏ nhất. Nước từ những khu vực khác chảy qua bãi chôn lấp cần phải thu gom bằng hệ thống thoát nước. Hệ thống thoát nước không chỉ bảo vệ những khu vực chôn lấp rác khỏi bị xói mòn trong thời gian hoạt động mà còn tiêu thoát lượng nước thừa ngấm vào ô rác và tạo ra nước rác. Nước mưa là không có cách nào ngăn chặn không cho chảy vào ô rác. Có thể hạn chế được lượng nước mưa ngấm vào ô rác bằng cách trồng lại thảm thực vât sau khi đóng bãi.
Hình 3.1: Sơ đồ các nguồn hình thành nước thải
II.3.2. Thành phần của nước rác
Việc tổng hợp và đặc trưng hóa thành phần nước rác là rất khó vì một loạt các điều kiện tác động lên sự hình thành của nước rác. Thời gian chôn lấp, khí hậu, mùa, độ ẩm của bãi rác, mức độ pha loãng với nước mặt và nước ngầm và các loại rác chôn lấp, tất cả đều tác động lên thành phần nước rác. Dộ nén, loại và độ dày của nguyên liệu phủ trên cùng cũng tác động lên thành phần của nước rác. Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp mới và lâu năm được trình bày ở bảng 3.6
Bảng 3.6: Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác từ các bãi chôn lấp mới và lâu năm [7]
Thành phần Bãi mới (dưới 2 năm) Bãi lâu năm
(trên 10 năm) Khoảng Trung bình
Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD5), mg/l Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC), mg/l Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD), mg/l Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), mg/l Nito hữu cơ, mg/l
Amoniac, mg/l Nitrat, mg/l
Tổng lượng photpho, mg/l Othophotpho, mg/l
Độ kiềm theo CaCO3, mg/l pH, mg/l Canxi, mg/l Clorua, mg/l Tổng lượng sắt, mg/l Sunphat, mg/l 2000-20000 1500-20000 3000-60000 200-2000 10-800 10-800 5-40 5-100 4-80 1000-10000 4,5-7,5 50-1500 200-3000 50-1200 50-1000 10000 6000 18000 500 200 200 25 30 20 3000 6,0 250 500 60 300 100-200 80-160 100-500 100-400 80-120 20-40 5-10 5-10 4-8 200-1000 6,6-7,5 50-200 100-400 20-200 20-50 Như vậy, sự hình thành khí và nước rác trong quá trình chôn lấp là những mối quan tâm trong công tác vận hành và quản lý các bãi chôn lấp ở các đô thị
Thành phần của nước rác luôn thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học. Sau giai đoạn háo khí ngắn (một vài tuần), tiếp đến là hai giai đoạn phân hủy: giai đoạn phân hủy yếm khí tùy tiện tạo ra axit và giai đoạn phân hủy yếm khí tuyệt đối tạo ra khí metan.
Trong giai đoạn tạo axit các hợp chất đơn giản được hình thành như axit béo, amino axit, axit cacboxilic…Giai đoạn này có thể kéo dài vài năm sau khi chôn lấp, nó phụ thuộc vào bản chất không đồng nhất của rác. Đặc trưng của nước rác trong giai đoạn này:
- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi cao - pH thấp
- BOD cao
- Tỷ lệ BOD/COD cao
- Nồng độ NH4 và nitơ hữu cơ cao - VSV có số lượng lớn
1.108.3 8.3 9.2 10.1 1.3 2.2 3.1 1.1 1.2 2.1 Tháng thứ 2 Tháng thứ 4 Tháng thứ 6 Tháng thứ n Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 10
Đến giai đoạn tạo khí metan, các sản phẩm cuối cùng là khí metan và khí cacbonic. Giai đoạn tạo khí metan có thể tiếp tục đến 100 năm hoặc lâu hơn nữa. Đặc trưng của nước rác trong giai đoạn này:
- Nồng độ các axit béo dễ bay hơi thấp - pH trung tính hoặc hơi kiềm
- BOD thấp
- Tỷ lệ BOD/COD thấp - Nồng độ NH4 thấp - VSV có số lượng nhỏ
- Nồng độ các chất vô cơ hòa tan và kim loại nặng thấp
III.3.3. Xác định lượng nước rỉ rác
III.3.3.1. Mô phỏng lượng nước rác sinh ra theo thời gian của bãi rác Hình 3.1: Mô phỏng lượng nước theo thời gian
Trong đó:
Ký hiệu 1.1 là lớp rác số 1 vừa hình thành.
Ký hiệu 1.2 là lớp rác số 1 khi đã có lớp số 2 bên trên. Ký hiệu 1.n là lớp rác số 1 khi đã có (n-1) lớp ở bên trên. Tương tự như vậy là các kí hiệu lớp 2.1, 2.2, 3.1 ….
Với sơ đồ trên ta thấy rằng trong thời gian bãi rác đang hoạt động, các lớp rác ứng với chỉ số 1 như 1.1, 2.1, …, n.1 có phương trình cân bằng nước tương tự nhau. Tương tự như vậy với các lớp rác có chỉ số 2 như 1.2, 2.2, ... Tính toán cân bằng nước
tương tự nhau. Như vậy, cứ các lớp rác có chỉ số phía sau giống nhau thì tính toán cân bằng nước như nhau.
Với bãi chôn lấp trên, thời gian chôn lấp cho ô thứ 1,2 và thứ 3 là 1,67 năm (20 tháng); với các ô thứ 4 đến thứ 7, thời gian chôn lấp là 1,67 năm (20 tháng); với các ô thứ 8 đến ô thứ 13, thời gian chôn lấp là 1,25 năm (15 tháng); với ô thứ 14 đến ô 20, thời gian chôn lấp là 1 năm (12 tháng). Thời gian để mỗi lớp được hoàn thành và phủ đất là 2 tháng. Như vậy, ô số 1,2 và 3 có 10 lớp; từ ô số 4 đến số 7 số lớp là 8 lớp; từ ô số 8 đến 13 là 5 lớp; từ ô số 14 đến 20 là 4 lớp.
Vì các lớp rác khác nhau có thể tích khác nhau nên lượng rác chôn lấp ở các lớp cũng khác nhau. Do đó, để thuận tiện cho việc tính toán ra tính trên đơn vị nước rỉ rác sau 2 tháng lấp đầy 1 lớp của mỗi ô.
Khối lượng chất thải rắn tính trên 1 đơn vị diện tích của mỗi lớp là:
Lượng nước rác sinh ra hình thành cho một m2 bề mặt được tính theo công thức: G = Gn,m + Gn,EM + Gẩm - Gn,th - Gn,bh - Gn,giữ
Trong đó:
G – khối lượng rác sinh ra (tấn).
Gn,m - khối lượng nước mưa rơi xuống (tấn)
Gn,EM - khối lượng nước do tưới dung dịch EM (tấn) Gẩm - lượng nước chứa trong rác đem chôn (tấn). Gn,th - lượng nước tiêu hao do hình thành khí gas (tấn). Gn,bh - lượng nước bay hơi theo khí bãi rác (tấn).
Gn,giữ - lượng nước giữ lại trong rác (tấn).
Để xác định được lượng nước rác sinh ra đối với 1m2 bề mặt của một lớp ta cần phải xác định:
- Lượng rác khô và ẩm chứa trong 1m2 bề mặt của 1 lớp
- Lượng vật liệu phủ
- Lượng nước mưa xâm nhập
- Lượng nước do tưới dung dịch EM
- Lượng Bokashi trong quá trình vận hành
- Lượng nước tiêu hao do hình thành khí gas
- Lượng nước bay hơi theo khí gas
III.3.3.2. Cân bằng nước đối với lớp rác vừa mới chôn và lớp phủ trên cùng Hình 3.2: Sơ đồ cân bằng nước đối với lớp rác mới chôn và lớp phủ trên cùng