4. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1.2. Cơ chế, tác nhân sinh học của quá trình
a. Cơ chế
Quá trình phân hủy hiếu khí CTR bao gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn.
Trong giai đoạn này, các hợp chất hữu cơ như protein, chất béo, đường, … sẽ được thủy phân, sản phẩm của quá trình là các dạng đường đơn giản hơn và CO2.
69
Các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ như các hợp chất gluxit, pectin, lignin, lipit, … sẽ được ô xi hóa, sản phẩm là axit, CO2 và H2O.
Đối với các hợp chất có chứa nitơ, quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian lâu hơn. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, các hợp chất đạm hữu cơ được phân giải thành các axit amin. Các axit amin lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành NH3 hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hoá. Quá trình này còn gọi là sự khoáng hoá chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng.
R-CH(NH2)COOH + 0,5O2 R-CO-COOH + NH3 R-CH(NH2)COOH + 0,5O2 R-CHO + NH3 +CO2
Sau quá trình amon hóa NH3 được hình thành và được ôxi hóa thành dạng nitrat qua quá trình nitrit hóa và nitrat hóa.
NH4+ + 3/2O2 NO2- + H2O + 2H + Q 2NH3 + 3O2 2NO2- + 2H2O + E (158 kcal) NO2- + ½ O2 NO3- + E (48 kcal)
Các thành phần vô cơ như lưu huỳnh, phospho sẽ được chuyển sang dạng muối SO42-, PO43-. [10]
b. Tác nhân sinh học
Tác nhân sinh học tham gia vào quá trình phân hủy hiếu khí CTR bao gồm: - Nhóm nấm mốc: Aspergillus, Penicilium, Trichoderma, Mucor, Rhizopus. - Nhóm xạ khuẩn: Streptomyces.
- Nhóm vi khuẩn: Bacillus. [8]
3.2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ rác hiếu hí
a. Phân loại và kích thước nguyên liệu [10]
không có decacboxylaza có decacboxylaza
70
Việc phân loại cẩn thận các chất thải là rất quan trọng để có thể có được quá trình ủ rác tốt.
Nếu các nguyên liệu ủ rác được cắt nhỏ sẽ làm cấu trúc của nguyên liệu lỏng lẻo, tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc cơ chất, tăng hiệu quả quá trình phân hủy. Ngoài ra, việc cắt nhỏ nguyên liệu sẽ khiến cho diện tích tiếp xúc của nguyên liệu với không khí tăng lên, ô xi dễ dàng xâm nhập tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động. Kích thước tối ưu cho quá trình ủ là < 5cm.
Tuy nhiên khi áp dụng các biện pháp phân loại cũng như nghiền, cắt chất thải cần tính toán đến chi phí dành cho quá trình sơ chế này.
b. Độ ẩm và độ thông khí [10]
Độ ẩm ảnh hưởng nhiều đến quá trình ủ rác. Nếu độ ẩm thấp, vật liệu quá khô, ảnh hưởng đến sự tồn tại của vi sinh vật do không đủ nước. Ngược lại, nếu vật liệu quá ẩm, nguyên liệu sẽ bị dính bết, ngăn cản sự tiếp xúc giữa cơ chất với ôxi, quá trình yếm khí sẽ diễn ra.
Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ rác hiếu khí từ 50 – 65%.
c. Độ pH [10]
Ở giai đoạn ban đầu khi nhập nguyên liệu, pH của đống ủ có giá trị bằng 6. Trong quá trình thủy phân, do có axit hữu cơ sinh ra nên pH giảm xuống giá trị từ 4,5 – 5. Cuối quá trình ủ, khi nhiệt độ tăng, pH cũng tăng từ 7,5 – 8,5.
Ứng với từng giai đoạn, để tăng hiệu suất quá trình có thể điều chỉnh pH (như bổ sung vôi bột, ...).
d. Tỷ lệ C/N [9]
Tỷ lệ C/N trong đống ủ lớn (C/N = 40 – 50) thời gian ủ sẽ bị kéo dài do nhiệt sinh ra trong đống ủ là không đủ. Nếu tỷ lệ C/N thấp (<20) thì đống ủ sẽ bị thừa nitơ, ni tơ sẽ bị mất dưới dạng NH3 chuyển thành NO2- hoặc NO3-.
71
Trong thực tế thường xảy ra trường hợp tỷ lệ C/N của đống ủ quá cao. Trong trường hợp này cần phải bổ sung nitơ bằng cách bổ sung phân chuồng, bùn xí máy, bùn xử lý nước thải, chất thải của lò mổ, rễ cây lục bình.
Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ là 30/1.
e. Nhiệt độ và vi sinh vật [10]
Trong giai đoạn đầu của quá trình ủ, các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình như nấm và các vi khuẩn sinh axit hoạt động, chúng sẽ phân hủy nhanh chóng các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, nhiệt độ của đống ủ trong khoảng 25 – 300C. Sau đó nhiệt độ tăng lên trên 400C do nhiệt mà các vi sinh vật tạo ra. Lúc này các vi sinh vật ưa nhiệt như vi khuẩn ưa nhiệt, nấm và xạ khuẩn phát triển mạnh. Khi nhiệt độ tăng cao trên 700
C, xuất hiện vi khuẩn ưa nhiệt có bào tử. Ở nhiệt độ này, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt. Sau đó nhiệt độ đống ủ giảm, nhóm vi sinh vật ưa ấm lại xuất hiện trở lại.
Nếu trong đống ủ, thời gian nhiệt độ cao kéo dài, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt, như Shigella sẽ chết trong 1h ở nhiệt độ 550C, Salmonella sẽ bị tiêu diệt trong 20’ ở nhiệt độ 600
C, E. coli bị tiêu diệt trong 1 giờ ở nhiệt độ 550C, trúng giun sẽ bị ung.
Do đó trong quá trình ủ cần chú ý đến khoảng nhiệt độ tối ưu cho từng quá trình và từng loại vi sinh vật. Lưu ý cần ngăn ngừa không để nhiệt độ quá lạnh hay quá nóng ở một phần nào đó của đống ủ.
3.2.2. Phƣơng pháp ủ phân ở chế độ yếm khí
3.2.2.1. Nguyên lý
Nguyên lý của quá trình phân hủy yếm khí là sự phân giải phức tạp gluxit, lipir và protein trong CTR với sự tham gia của các vi sinh vật kị khí có sẵn trong tự nhiên, sử dụng lượng ôxi tối thiểu trong quá trình phân hủy. Các phế thải hữu cơ được bổ sung thêm bùn và một số chế phẩm vi sinh vật phân giải hữu cơ khác.
72
Rác hữu cơ (bổ sung nhiệt độ, độ ẩm, vi sinh vật) CH4 + H2S + H2O (N, P, K) [10]
3.2.2.2. Cơ chế, tác nhân sinh học của quá trình
a. Cơ chế
Phân hủy yếm khí CTR có thể chia làm 6 quá trình:
1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccarit, chất béo. 2. Lên men các axit amin và đường.
3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu.
4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic). 5. Hình thành khí metan từ axit axetic.
6. Hình thành khí metan từ hydro và CO2. [10]
Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:
- Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzym do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccarit, protein, lipit) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các axit amin, axit béo).
Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
- Axit hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi, rượu, axit lactic, metanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống 4.0.
- Axetic hoá: Vi khuẩn axetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành axetat, H2, CO2 và sinh khối mới.
- Metan hóa: Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Axetic, H2, CO2, axit fomic và metanol chuyển hóa thành metan, CO2 và sinh khối mới.
73
Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, axit hóa và axetic hóa, COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn metan. [10]
b. Tác nhân sinh học [12]
Tác nhân sinh học tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí CTR bao gồm: - Nhóm vi sinh vật thủy phân chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo axit:
Clostridium spp, Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp, Corynebacterium spp, Lactobacillus, Actinomyces, Escherichia coli, Staphylococcus.
- Vi khuẩn tạo metan: Methanobacterium, Methanobacillus. - Dạng hình cầu : Methanococcus, Methanosarcina.
3.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ rác yếm hí
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ [10]
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí:
- 250C - 400C: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm. - 500C - 650C: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.
Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 – 450C thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn, nhiệt độ trên 600C tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn toàn ở 650C trở lên.
Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp, do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 100C thể tích khí sản xuất bị giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. Ngoài ra người ta còn dùng các tấm nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm
74
nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi trường từ 5 – 100C, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.
b. Ảnh hưởng của pH [10]
pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 - 7,6, tối ưu trong khoảng 7 - 7,2 vì tuy rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn metan. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ để vi khuẩn sinh metan sử dụng hết các axit thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ.
c. Ảnh hưởng của độ mặn [10]
Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. Khả năng sinh Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể. Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô không gặp trở ngại nhiều.
d. Các chất dinh dưỡng [10]
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ số C/N từ 25/1 - 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25 - 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.
75
Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: - Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m3/ngày.
- Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ.
Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các axit béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.
f. Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp [10]
Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình sinh khí metan. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí.
Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.
g. Khuấy trộn [10]
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ.
3.3. Giải pháp xử lý CTR sinh hoạt để sản xuất phân compost tại thành phố Hải Phòng Hải Phòng
3.3.1. Giới thiệu về dự án quản lý và xử lý CTR thành phố Hải Phòng
Dự án Quản lý và xử lý CTR Hải Phòng được triển khai nghiên cứu từ năm 1996. Dự án chính thức đi vào thực hiện từ tháng 1 năm 1997. Dự án đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 28 tháng 8 năm 1997. Dự án được đầu tư chính bằng nguồn vốn tài trợ ODA của Chính phủ Hàn Quốc tài khóa 1997, mà trực tiếp vốn từ quỹ tín dụng EDCF. Hiệp định vay vốn của Dự án Quản lý và xử lý CTR
76
thành phố Hải Phòng được ký kết giữa Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam và Ngân hàng xuất nhập khẩu Hàn Quốc ngày 17 tháng 01 năm 2002. Từ đó, dự án được tổ chức triển khai thực hiện. Gói thầu chính của Dự án là gói thầu số 01 – cung cấp hệ thống xe thu gom và xây dựng nhà máy xử lý CTR công suất 200 tấn/ca - sử dụng nguồn vốn vay ODA Hàn Quốc đã hoàn thành vào năm 2009 và nhà máy đã được đưa vào sử dụng.
3.3.2. Nhà máy xử lý chất thải rắn Tràng Cát
Nhà máy xử lý chất thải rắn Tràng Cát nằm trên địa bàn phường Tràng Cát, quận Hải An, thành phố Hải Phòng. Nhà máy có tổng diện tích 14,1 ha bao gồm: hệ thống nhà xưởng, phân xưởng, khu văn phòng, nhà ăn ca và khuôn viên cây xanh. Nhà máy được đưa vào vận hành chính thức từ năm 2009 với công suất 150 tấn/ca (đạt 75% công suất thiết kế), rác đầu vào chưa được phân loại. Rác thải đầu vào chưa được phân loại từ đầu nguồn ảnh hưởng trực tiếp đến công việc xử lý rác thải và sản xuất chế biến mùn hữu cơ. Công nghệ nhà máy đang áp dụng là công nghệ ủ hiếu khí có thổi khí cưỡng bức.
77 Rác được thu gom vận chuyển đến nhà máy (150
tấn)
Xác định trọng lượng (cân điện tử)
Sơ chế (phân loại bằng thủ công và máy móc) (50% = 75 tấn)
Chất vô cơ đi chôn lấp (50% = 75 tấn)
Ủ lên men (22 ngày) (quạt thổi khí, bổ sung EM, độ ẩm) (50% = 75 tấn) Bay hơi 15% = 22,5 tấn Ủ chín (18-20 ngày) (35% = 52,5 tấn) Bay hơi 3% = 4,5 tấn Sàng tinh chế (32% = 48 tấn)
Mùn hữu cơ loại B 10% = 15 tấn
Mùn hữu cơ loại A 10% = 15 tấn
Chất vô cơ đi chôn lấp (12% = 18 tấn) Xử lý mùi
Nước thải đưa vào hệ thống xử lý
Nước thải đưa vào hệ thống xử lý
78
3.3.3. Quy trình vận hành của Nhà máy xử lý chất thải rắn Tràng Cát
3.3.3.1. Quy trình sơ chế
Trong quy trình sản xuất phân compost thì mục tiêu đầu tiên của quy trình sơ chế là có thể phân loại và tái chế các chất liệu như nhựa, kim loại, nhôm, may mặc, vải, thủy tinh để tạo ra một thành phần rác lý tưởng cho quá trình phân hủy phân compost. Kích thước của sản phẩm cuối cùng có thể khác nhau đôi chút nhưng mục tiêu là kích thước của sản phẩm trung bình sẽ không lớn hơn 90 mm.
- Tiếp nhận rác: Bao gồm một cầu cân phù hợp cho các phương tiện tải
trọng tối đa là 50 tấn rác. Cầu cân có hệ thống nhập số liệu được vi tính hóa. Tổng