Các quá trình sinh hóa diễn ra ở bãi chôn lấp chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho các hoạt động sống của chúng. Các loại vi sinh vật bao gồm: vi khuẩn, nấm men và nấm mốc. Các loại vi khuẩn và nấm đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải các hợp chất. Các loại vi sinh vật phát triển tốt trong các điều kiện môi trường như bảng 4.
Bảng 4 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng tới vi sinh vật
Yếu tố môi trường Khoảng giá trị
Nhiệt độ, oC Nồng độ muối, %NaCl pH nồng độ oxy, % Áp suất, Mpa Ánh sáng -8 ÷ +110 0 – 3 1,0 – 12 0 – 30 0 – 115 Bóng tối – ánh sáng mạnh
Các vi sinh vật tham gia vào quá trình tham gia vào quá trình phân giải tại bãi chôn lấp được chia thành 3 nhóm chủ yếu sau [9]:
- Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 0 – 20oC. - Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 2 – 40oC. - Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 40 – 70oC.
Sự phát triển của các loại vi sinh vật theo nhiệt độ ở hình 5. Cơ chế sinh hóa của các quá trình phân hủy trong các bãi chôn lấp được thể hiện ở hình 6.
Giai đoạn II: giai đoạn chuyển tiếp Giai đoạn III: giai đoạn tạo axit
Giai đoạn IV: giai đoạn lên men metan Giai đoạn V: giai đoạn kết thúc
Hình7Cơ chế sinh hóa của quá trình phân hủy sinh học trong các bãi chôn lấp
Bản chất sinh hóa của quá trình được diễn ra như sau: Thời kỳ ban đầu, chỉ một thời gian ngắn sau khi bãi rác đi vào hoạt động quá trình phân hủy hiếu khí được diễn ra, ở giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa sinh hóa thành dạng đơn giản như protêin, tinh bột, chất béo và một lượng năng lượng tỏa ra rất lớn và vì thế có tồn tại
Các hợp chất hữu cơ dạng rắn rắn
Các hợp chất hữu cơ dạng hòa tan hoàn toàn Thủy phân Lên men Sunfat hóa Axit béo + alcohol Hydro (H2) Axetat Metan (CH4) Carbonic (CO2) Sunphuaro (H2S) Khử sunfat Axeton hóa Mêtan hóa (gđ thủy phân) Mêtan hóa (gđ axit) Các hợp chất dạng hòa tan hữu cơ dạng hòa tan
một lượng năng lượng đáng kể ở dạng nhiệt. Lượng nhiệt năng được tạo thành bên trong các ô chôn lấp được tạo ra nhiều hơn so với lượng nhiệt năng được thoát ra bên ngoài và do đó nhiệt độ bên trong các ô được tăng lên. Giá trị nhiệt độ tăng tới 60oC – 70oC được kéo dài trong thời gian khoảng 30 ngày. Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hóa học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng vi sinh vật bởi vì hầu hết các chủng sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ 70oC. Các phản ứng hóa học ở nhiệt độ này được diễn ra với tốc độ nhanh. Trong quá trình phân hủy hiếu khí, các polyme ở dạng đa phân tử được vi sinh vật chuyển hóa sang dạng đơn phân tử tồn tại ở dạng tự do. Các polyme đơn phân tử sau đó lại được vi sinh vật hấp thụ, sử dụng trong việc tiếp nhận năng lượng để kiến tạo nên tế bào mới. Khi oxy bị các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và nhiều quá trình lên men khác nhau được bắt đầu diễn ra trong các ô chôn lấp. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện yếm khí lẫn kị khí nghiêm ngặt. Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các amino axit, đường… được chuyển hóa thành các axit béo dễ bay hơi (VFA), alcohols, khí cacbonic và khí nitơ. Các axit béo dễ bay hơi (VFA), alcohols sau đó lại được chuyển hóa tiếp tục với sự tham gia của cả các vi sinh vật axeton và các vi sinh vật khử sunphat. Các vi sinh vật axeton tạo ra axit axetic, khí cacbonic còn các vi khuẩn khử sunphat thì chỉ tạo ra khí nitơ và khí cacbonic. Các chất này là nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình lên men hóa. Các vi khuẩn khử sunphat và vi khuẩn tạo metan là những vi khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật kị khí bắt buộc. Có hai nhóm vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình tạo metan: phần lớn là nhóm các vi sinh vật tạo metan từ khí nitơ và khí cacbonic, phần nhỏ (gồm 2-3 chủng loài) là những vi sinh vật tạo metan từ axit axetic. Trong tổng hợp khí metan tạo thành từ bãi chôn lấp thì có tới 70% được tạo thành từ axit axetic. Nếu như có tồn tại nhiều sunphat trong các ô rác chôn lấp thì các vi khuẩn khử sunphat sẽ mang tính trội hơn vi khuẩn metan và như vậy sẽ không có khí metan tạo thành nếu sunphat vẫn tồn tại. Hàm lượng sunphat có nhiều trong chất thải xây dựng, vì vậy điều này phải được quan tâm tránh không đổ phế thải vào bãi chôn lấp rác đô thị để tạo điều kiện cho quá trình hình thành khí metan.
Trong quá trình chuyển hóa yếm khí và kị khí, nhiệt độ của các ô chôn lấp giảm xuống vì các chủng loài vi sinh vật ở giai đoạn này tạo ra ít nhiệt lượng hơn nhiều so với quá trình chuyển hóa hiếu khí (chỉ bằng 7% so với quá trình hiếu khí). Nếu nồng độ của
các axit hữu cơ, axit béo dễ bay hơi (VFA) tạo ra càng nhiều thì trong nước rác sẽ có pH thấp (4-5) và có nồng độ COD, BOD5 cao.
Như vậy, rác thải hữu cơ tại các bãi chôn lấp được phân hủy theo nhiều giai đoạn chuyển hóa sinh học khác nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng trong các bãi chôn lấp là khí metan, khí cacbonic và nước.
Việc thiết kế hệ thống thu gom nước rác phụ thuộc vào những đặc trưng của bãi chôn lấp, vì vậy khi thiết kế hệ thống thu gom nước rác phải tuân thủ theo các nguyên tắc cơ bản sau:
- Hệ thống thu gom nước rác phải được thiết kế và lắp đặt để hạn chế khả năng tích tụ nước rác ở đáy ô chôn lấp. Thông thường, khi sử dụng lớp chống thấm, nước rác sẽ được giữ lại trong bãi chôn lấp và phải được thu đi nếu không nó sẽ chảy tràn ra các cạnh của lớp chống thấm. Việc thiết kế hệ thống thu gom nước rác phụ thuộc vào những đặc trưng của bãi chôn lấp nhưng có thể tuân thủ theo những hướng dẫn chung như sau : - Hệ thống thu gom phải đủ lớn để có thể vận chuyển nước ra khỏi bãi. Điều này liên quan nhiều đến số lượng ống và khoảng cách đặt ống.
- Hệ thống thu gom nước rác phải được thiết kế và lắp đặt để hạn chế khả năng tích tụ nước rác ở đáy ô chôn lấp và phải có độ dốc tối thiểu 1%.
- Hệ thống thu gom phải có khả năng làm sạch vì chúng rất dễ bị bịt kín. Thường thường, người ta sử dụng những ống được đục lỗ từ 15 – 20 cm có độ bền vững về mặt cấu trúc khi đặt ở bất cứ độ sâu nào trong bãi chôn lấp. Nếu hệ thống thu gom này được đặt sâu trong bãi chôn lấp có nén ép thì phải sử dụng ống dày hơn và phải thực hiện kỹ thuật làm đệm ống đặc biệt để tránh vỡ ống dưới áp suất lớn. Hình dạng chung nhất của hệ thống thu gom nước rác là chạy vòng quanh chu vi của bãi chôn lấp nhằm hạn chế dòng chảy đi khỏi bãi chôn lấp sau này và sau đó hệ thống này chạy chéo nhau bên trong bãi chôn lấp với đủ đường ống để đưa dòng nước rác lớn nhất ra khỏi bãi.
Xử lý nước rác: để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, trước hết phải có được các số liệu về thành phần và tính chất của nước rác. Các thành phần của nước rác cần phải được xác định khi thiết kế trạm xử lý theo bảng 5
Quá trình xử lý sơ bộ: Thông thường là các song chắn rác, hồ lắng sơ bộ, ở quá trình này pH của nước rác thường 6,8 – 8, tuy nhiên giá trị của pH có thể thay đổi tùy thuộc vào thành phần của rác thải và tính chất của nền đất.
Quá trình xử lý sinh học: Ở quá trình này, BOD, COD và các hợp chất của nitơ sẽ được giảm. Các công trình thường sử dụng là bể aeroten, hồ thổi khí, đĩa lọc sinh học, bể lọc sinh học… Tóm tắt cơ chế khử BOD trong nước rác được trình bày ở bảng 6
Quá trình hóa – lý: Quá trình này chủ yểu khử COD, độ màu, lượng cặn lơ lững, kim loại nặng và coliform. Các phương pháp ứng dụng bao gồm đóng rắn, lắng, hấp phụ cacbon hoạt tính và hóa học. Tóm tắt cơ chế khử COD và độ màu trong nước rác được trình bày ở bảng 7. Tóm tắt cơ chế khử kim loại nặng trong nước rác được trình bày ở bảng 8
Bảng 5 Các thành phần của nước rác cần được xác định khi thiết kế trạm xử lý nước rác
Thành phần nước rác Mức độ cần thiết
BOD5, cặn lơ lững (SS), COD, NH+4, nitơ tổng số
Rất cần khi thiết lập các thông số ban đầu để thiết kế và chọn công nghệ xử lý
pH, coliform Yêu cầu đối với các công trình xử lý để đạt
chất lượng của dòng xả theo tiêu chuẩn quy định
Fe2+ , Mn2+ , các kim loại nặng, màu, Mùi
Không nhất thiết phải xem xét khi thiết lập các thông số thiết kế vì những chất này sẽ được khử trong quá trình xử lý các thành phần khác
B ng 6 ả Tóm t t phắ ương pháp kh BOD trong nử ước rác
Nguyên tắc (1)Xử lý sinh học (2) Hấp thụ cacbon
hoạt tính
Phân hủy sinh học các chất bẩn hữu cơ bởi hoạt động của các vi sinh vật
Hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan bởi các hạt cacbon hoạt tính
Tuyển nổi và tách các chất lơ lửng và các chất hữu cơ hòa tan
Ứng dụng Giảm hàm lượng
BOD trong nước rác ở nồng độ cao. Hiệu suất > 90%
Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao. Hiệu suất > 90%
Sử dụng khi nồng độ SS trong nước rác rất cao
Bảng 7 Tóm tắt phương pháp khử COD và độ màu trong nước rác
Nguyên tắc (1) Xử lý keo tụ 2) Hấp phụ cacbon hoạt tính (3) Xử lý sinh học (4) Ozon hóa
Phân hủy sinh học các chất bẩn hữu cơ bởi hoạt động của các vi sinh vật
Hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan bởi các hạt cacbon hoạt tính
Phân hủy sinh học các chất bẩn hữu cơ bởi hoạt động của các vi sinh vật
Tuyển nổi và tách các chất lơ lững và các chất hữu cơ hòa tan Ứng dụng Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao. Hiệu suất > 90% Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ thấp Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao. Hiệu suất > 90% Sử dụng khi nồng độ SS trong nước rác rất cao
Bảng 8 Tóm tắt phương pháp khử kim loại nặng trong nước rác
Nguyên tắc Xử lý keo tụ (Kiềm) Hấp phụ cacbon hoạt Keo tụ bằng chất hoạt tính
tính
Tạo ra dạng hydroxyt của kim loại sau đó
lắng (môi
trường kiềm)
Hấp phụ các ion kim loại hòa tan bởi các hạt cacbon hoạt tính
Tác ion kim loại khỏi nước rác sau lắng Ứng dụng Giảm hàm lượng BOD trong nước rác ở nồng độ cao. Hiệu suất > 90% Giá thành xử lý cao, thích hợp khử kim loại trong nước rác có nồng độ thấp Sử dụng khi nồng độ SS trong nước rác rất cao 3.1.2 Hệ thống thu khí từ ô chôn lấp
Để thu gom khí tạo thành ở bãi chôn lấp cần phải có sự kiểm soát chặt chẽ bãi chôn lấp phế thải hợp vệ sinh từ khâu thiết kế đến khâu điều hành chôn lấp phế thải và phải đạt các yêu cầu sau:
- Đảm bảo độ ẩm của phế thải rắn từ 40% trở lên; trong trường hợp cần thiết cần phải tưới hoặc phun nước cho phế thải.
- Giữ pH ≈ 7,0 như môi trường xung quanh, pH < 6,2 sẽ làm ngừng quá trình tạo khí metan trong phế thải.
- Nếu có hiện tượng thiếu hụt dinh dưỡng có thể bù đắp bằng cách phun lên phế thải bùn đặc biệt vét từ cống ngầm.
- Đảm bảo lớp đất phủ phải đủ dầy và lèn, nén chặt chống thẩm thấu khí qua tầng đất phủ.
Khí metan ở các bãi thải có thể coi là một nguồn gây nguy hiểm, không an toàn nếu không được phát tán hoặc thu gom để chuyển thành nguồn năng lượng khác, vì nó dễ gây cháy, nổ và ngạt thở đối với người hay động thực vật ở bãi chôn lấp và các khu vực xung quanh. Vì vậy vấn đề phòng ngừa an toàn cho tất cả những người điều hành hoặc làm việc trên bãi chôn lấp, nhất là các khu vực thoát tán khí ga, các khu vực có thể tích tụ khí ga, các ống dẫn thoát nước, nơi xử lý khí và nơi có hệ thống tập trung khí metan là rất cần thiết. Việc không ngừng tạo ra khí ga ở trong bãi chôn lấp có nghĩa là sự nguy hiểm vẫn còn đang tiếp tục và cần phải có sự quan tâm đặc biệt đến hệ thống thông khí khi thiết kế.
Hai loại hệ thống cơ bản được thiết kế để kiểm soát và thu hồi năng lượng từ khí metan là: hệ thống thoát khí bị động và hệ thống thoát khí chủ động.
Hệ thống thoát khí bị động: Đối với những bãi chôn lấp quy mô nhỏ và vừa, người ta thường thiết kế một hệ thống thoát khí bị động. Đây là một hệ thống dựa trên các quá trình tự nhiên để đưa khí vào khí quyển hoặc ngăn cản không cho nó chuyển động vào các khu vực không mong muốn. Hệ thống này được xây dựng bằng các tường đất sét không thấm nước dầy từ 0,7 – 1 m để ngăn chặn khí thấm qua. Tường đất sét được đắp từ đáy khoang chứa kéo dài lên tận lớp đất phủ và luôn được giữ ẩm sao cho nó không bị khô và nứt tạo ra các khe thoát khí. Phía trong tường có đào rãnh thoát khí, được phủ đáy bằng một lớp sỏi, đá đường kính 20 – 40 cm. Từ các giếng khoan, khí được dẫn tới rãnh thoát khí để đưa vào không khí bằng các rãnh nhỏ hơn hoặc ống nhựa, ống cao su…
Khu vực thoát khí bị động phải cách biệt hẳn các khu dân cư, các khu sản xuất công nghiệp. Thông thường khu vực này được xây dựng ngay cạnh bãi chôn lấp và được quy định là vùng cấm. Nếu khu vực thoát khí ở xa nơi chôn lấp thì phải thiết kế hệ thống máy hút khí để đưa khí theo hệ thống ống ra nơi thoát khí. Những yêu cầu cần đạt được trong hệ thống thoát khí bị động bao gồm:
- Tường đất sét phải luôn được giữ ẩm, chống được nứt nẻ.
- Hệ thống mương rãnh thoát phải sạch sẽ và khô ráo, không được để rác, đất lấp vào lòng mương rãnh.
- Lớp sỏi, đá và hệ thống ống dẫn khí (nếu có) phải luôn được giữ khô để việc thoát khí thực hiện dễ dàng.
- Hệ thống thoát khí ga đơn giản là khoan giếng vào lớp phế thải sâu tối thiểu là 1m rồi đặt ống thu, thoát khí. Chiều cao ống thoát khí phải cao hơn đỉnh lớp đất tối thiểu là 0,20 m để khí thoát thẳng ngay trên bãi chôn lấp.
Hệ thống thông khí chủ động: Hệ thống thu hồi khí chủ động có thể được thiết kế ở những bãi chôn lấp phế thải lớn, có nhiều phế thải. Chúng thường được xây dựng ở những nơi được xem là có khả năng nguy hiểm nếu như khí thoát vào những tòa nhà ở gần đó hoặc ở những nơi mà sự thu khí ga được xem là có hiệu quả.
Khoảng cách đặt giếng thu gom khí: Khoảng cách đặt giếng thu hồi khí thông