Quá trình thoát khí bãi chôn lấp

4. Phát thải khí bãi chôn lấp

4.3. Quá trình thoát khí bãi chôn lấp

Một khi khí được tạo ra dưới bề mặt BCL, chúng thường sẽ di chuyển ra khỏi BCL. Các chất khí có xu hướng mở rộng và lấp đầy khoảng không gian có sẵn, do đó chúng di chuyển hoặc "di cư" qua các không gian lỗ rỗng hạn chế trong lớp phủ rác và đất của BCL. Theo xu hướng tự nhiên thì khí BCL thường nhẹ hơn không khí, chúng sẽ di chuyển lên trên, thường là qua bề mặt BCL. Sự di chuyển lên trên của khí BCL có thể bị ức chế bởi chất thải được nén chặt hoặc vật liệu che phủ BCL (ví dụ, bằng đất và nắp đậy hàng ngày). Khi sự di chuyển lên trên bị ức chế, khí có xu hướng di chuyển theo chiều ngang đến các khu vực khác trong BCL hoặc đến các khu vực bên ngoài BCL, nơi nó có thể tiếp tục di chuyển theo đường hướng lên. Về cơ bản, các chất khí đi theo con đường có ít lực cản nhất. Một số khí nặng hơn không khí và sẽ tích tụ trong các khu vực dưới bề mặt. Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến sự di chuyển của khí BCL: khuếch tán (nồng độ), áp suất và tính thấm. (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2001).

- Sự khuếch tán (nồng độ): Sự khuếch tán mô tả xu hướng tự nhiên của khí là đạt đến nồng độ cố định trong một không gian nhất định, cho dù đó là một căn phòng hay bầu khí quyển của trái đất. Khí trong BCL di chuyển từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực có nồng độ thấp hơn. Bởi vì nồng độ khí trong BCL nói chung cao hơn các khu vực xung quanh, khí BCL khuếch tán ra khỏi bãi đến các khu vực xung quanh nơi có nồng độ khí thấp hơn. (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2001).

- Áp suất: Khí tích tụ trong BCL tạo ra các khu vực có áp suất cao (nơi mà chuyển động của khí bị hạn chế bởi rác thải nén chặt hoặc các lớp phủ đất) và các khu vực có áp suất thấp (nơi mà chuyển động của khí không bị hạn chế). Sự thay đổi áp suất trong toàn bộ BCL dẫn đến các chất khí di chuyển từ khu vực có áp suất cao sang khu vực có áp suất thấp. Chuyển động của chất khí từ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp hơn được gọi là đối lưu. Khi nhiều khí được tạo ra, áp suất trong BCL tăng lên, thường làm cho áp suất dưới bề mặt trong BCL cao hơn áp suất khí quyển. Khi áp suất trong BCL cao hơn, các chất khí có xu hướng di chuyển đến không khí xung quanh. (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2001).

- Độ thẩm thấu: Các chất khí cũng sẽ di chuyển theo các con đường ít xảy ra lực cản nhất. Độ

thấm là thước đo mức độ chất khí và chất lỏng chảy qua các không gian hoặc lỗ rỗng được kết nối trong rác thải và đất. Đất cát khô có tính thấm cao (nhiều lỗ rỗng thông nhau), trong khi đất sét ẩm có xu hướng thấm ít hơn nhiều (ít lỗ rỗng thông nhau hơn). Các chất khí có xu hướng di chuyển qua các khu vực có độ thấm cao (ví dụ, các khu vực cát hoặc sỏi) hơn là qua các khu vực có tính thấm thấp (ví dụ, các khu vực đất sét hoặc phù sa). Các lớp phủ BCL thường được làm bằng đất ít thấm nước, chẳng hạn như đất sét. Do đó, các khí trong BCL có mái che có thể di chuyển theo chiều ngang hơn là theo phương thẳng đứng. (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2001).

Một ví dụ với chất khí cụ thể như sau. Sự di chuyển của các khí chính (CH4 và CO2), mặc dù hầu hết khí CH4 thoát ra ngoài khí quyển, cả CH4 và CO2 đều tồn tại ở nồng độ lên đến 40% mỗi loại, ở khoảng cách 400 ft (khoảng 120m) tính từ mép của các BCL không có lớp lót đáy. Đối với những BCL không có hệ thống thu khí, khoảng cách này sẽ thay đổi tùy theo đặc tính của vật liệu che phủ và cấu trúc đất của khu vực xung quanh. Nếu không được thống thoáng một cách hợp lý, khí CH4 có thể di chuyển dưới lòng đất một cách không kiểm soát, nó có thể tích tụ (vì trọng lượng riêng của nó nhỏ hơn không khí) bên dưới các tòa nhà hoặc trong các khoảng không gian khác ở gần đó. Khí di chuyển ra khỏi BCL nhờ vào sự kết hợp của quá trình khuếch tán và áp suất của khí trong BCL. Trái lại, khí CO2 có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng không khí 1.5 lần và khí CH4 2.8 lần, do đó, khí CO2 có khuynh hướng chuyển động về phía đáy, phần dưới gần mặt đất của BCL. Nếu phần dưới BCL không bị cô lập thì lượng khí CO2 có thể đi vào nước ngầm và ngược lại lượng khí này sẽ di chuyển gần sát bề mặt và phát tán vào trong không khí. Đó là nguyên nhân khiến cho nồng độ khí CO2 ở những phần thấp hơn của BCL ngày càng gia tăng theo thời gian.(George Tchobanoglous and Frank Kreith, 1993).

Hàm lượng và tỷ lệ phát thải khí vào không khí tùy thuộc vào lớp phủ bề mặt. Nếu không có lớp phủ, tất cả khí BCL sinh ra sẽ được thải trực tiếp vào khí quyển và được khuếch tán một cách nhanh chóng. Một số ví dụ trong thực tế có thể thấy được rằng, BCL khi chưa đóng cửa được phủ một lớp đất sau khi hố chôn đã chứa đầy rác. Tuy nhiên lớp phủ bề mặt không được phủ thường xuyên mỗi ngày, do đó khí thải vẫn được thải vào khí quyển trong suốt giai đoạn vận hành của hố chôn, kết quả là gây ra mùi hôi thối và nhiều loại côn trùng phát tán vào môi trường. Ngoài ra, lớp phủ bề mặt chỉ từ 0,6 đến 0,8m, và không kín, do đó tầng bề mặt phủ quá mỏng để ngăn chặn sự phát thải khí vào môi trường. Vật liệu phủ bao gồm đất, thiếu các tổ chức vi sinh vật và các đặc điểm về lớp phủ cần thiết. Đặc biệt, vào mùa khô khi tầng đất bị nứt ra do bị khô, khí và các hợp chất bay hơi sẽ thoát trực tiếp vào không khí. (George Tchobanoglous and Frank Kreith, 1993).

4.4. Ước tính phát thải khí và ứng dụng đối với bãi chôn lấp cụ thể 4.4.1. Ước tính phát thải khí sử dụng mô hình tính toán LandGEM

Hiện nay, với tỷ lệ phát sinh chất thải sinh hoạt tại các khu vực đô thị lớn, khoảng 0,7 – 1 kg/đầu người/năm; tỷ lệ gia tăng rác thải sinh hoạt tại các thành phố lớn từ 6,7 – 8,5%/năm và phương pháp chôn lấp rác là chủ yếu đang tạo áp lực rất lớn cho chính các BCL cũng như chính quyền trong việc quản lý và xử lý những vấn đề môi trường. Đặc biệt, từ các BCL này, một lượng khí phát thải sẽ gây ô nhiễm môi trường, là một trong những tác nhân góp phần gây biến đổi khí hậu. Chính vì vậy mà việc ước tính tải lượng khí phát thải tại các BCL vô cùng quan trọng, nó đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, từ đó giúp người quản lý vạch định rõ kế hoạch và hành động để giảm thiểu những vấn đề về môi trường liên quan. Mô hình sẽ là một giải pháp kỹ thuật được quan tâm hàng đầu, vì tính hữu dụng và chính xác của nó, giúp người quản lý dễ dàng thực hiện và kết quả thực nghiệm cao.

4.4.1.1. Giới thiệu mô hình LandGEM

LandGEM là một công cụ ước tính tự động với giao diện Microsoft Excel có thể được sử dụng để ước tính tỷ lệ phát thải đối với tổng lượng khí bãi rác, mêtan, carbon dioxide, các hợp chất hữu cơ phi methane và các chất ô nhiễm không khí riêng lẻ từ các BCL chất thải rắn thành phố. LandGEM software là sản phẩm của EPA's Clean Air Technology Center.

tính toán tiềm năng phát sinh khí CH4 (L0) và xác định hằng số tốc độ phát sinh khí CH4 (k) tối ưu đối với một BCL và một số khí khác.

Để thực hiện mô phỏng ước tính giá trị tải lượng khí CH4 phát sinh từ các BCL trong nghiên cứu, cần thiết lập các thông số đầu vào (User Inputs) cho mô hình bao gồm:

- Tên của BCL (Landfill name or Identifier);

- Năm mở cửa (hay năm bắt đầu tiếp nhận CTR chôn lấp) (Landfill Open Year); - Năm đóng BCL (năm chấm dứt tiếp nhận CTR) (Landfill Closure Year);

- Công suất phát sinh khí CH4 tiềm năng (L0, m3/tấn) (Potential Methane Generation Capacity);

- Hằng số tốc độ phát sinh khí CH4 (k, năm-1) (Methane Generation Rate); - Phần trăm hàm lượng khí CH4 (theo thể tích) (Methane Content);

- Khối lượng chất thải chôn lấp hàng năm (tấn/năm) (Enter Waste Acceptance Rate).

Hình 4-6 Giao diện mô hình LandGEM version 3.02 4.4.1.2. Công thức tính toán theo cơ sở lý thuyết mô hình

- Tính toán tiềm năng phát sinh khí CH4 (L0) dựa trên lý thuyết mô hình phân hủy bậc một (FOD) của (Pipatti et al., 2006) (công thức 1.1; 1.2 và 1.3);

- Tính toán phát thải các khí BCL (LFGs) dựa trên lý thuyết mô hình LandGEM

(Alexander et al., 2005) (công thức 1.2);

- Tính toán lan truyền chất ô nhiễm từ các BCL.

L0 = DDOCm × (16/12) × F (1.1)

Trong đó, (16/12): là tỷ lệ trọng lượng phân tử CH4/C; F: là tỷ lệ khí CH4 trong tổng khí BCL; DDOCm: là khối lượng các chất hữu cơ bị phân hủy được chôn lấp trong năm T (tấn/năm). Giá trị DDOCm được xác định theo công thức (1.2) như sau:

DDOCm = WT DOC DOCF MCF (1.2)

Trong đó, WT: khối lượng chất thải rắn được đưa đến BCL của năm T (tấn/năm), chọn WT = 1 nhằm xác định giá trị DDOCm của 1 tấn chất thải rắn đưa vào BCL; DOCF: giá trị DOC có thể tự phân hủy (giá trị khuyến nghị theo IPCC là 0.5); MCF: hệ số hiệu chỉnh khí CH4 (MCF = 0.6 – dựa trên điều kiện thực tế của các BCL nghiên cứu - Bảng 1), DOC: phần Carbon hữu cơ dễ phân hủy trong chất thải rắn chôn lấp.

Bảng 4-11 Phân loại BCL chất thải rắn và hệ số MCF (Pipatti et al., 2006)

Dạng BCL MCF (Theo IPCC 2006) BCL được quản lý – Dạng kị khí 1.0 BCL được quản lý – Dạng bán kị khí 0.5

BCL không được quản lý 3 – độ sâu (> 5m CTR chôn lấp) và/ hoặc mực

nước cao. 0.8

BCL không được quản lý – độ sâu nông (< 5m CTR chôn lấp) 0.4

BCL không được quản lý 0.6

Giá trị DOC đặc trưng cho khối lượng thành phần hữu cơ trong chất thải rắn và phụ thuộc vào tỷ lệ mỗi thành phần trong tổng lượng chất thải rắn. Giá trị DOC được xác định theo công thức (1.3) như sau: 1 n i i DOC �DOC W� (1.3)

Trong đó, DOCi: giá trị Carbon cố định của từng thành phần chất thải rắn hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học (%); Wi: tỷ lệ khối lượng của thành phần i trong chất thải rắn chôn lấp (%). Giá trị L0 tính toán là thông số đầu vào của mô hình để tính toán tải lượng phát thải của LFGs. 4 1 0 1 0.1 10 ij n kt i CH i j M Q kL e   � �  � � � � �� (1.2) Trong đó:

- i: tuổi thọ của chất thải rắn được chôn lấp (năm);

- n: tuổi thọ của BCL (được tính từ năm đầu tiên có sự phát thải cho đến khi hết khí thải phát sinh);

- j: tuổi của chất thải rắn được chôn lấp (0,1 năm); - Mi: khối lượng chất thải rắn năm thứ i (tấn);

- tij: tuổi của chất thải rắn phần thứ j trong năm thứ i của khối lượng chất thải Mi (năm số thập phân);

- L0: tiềm năng phát sinh khí CH4 (m3/tấn) - k: hằng số tốc độ phát sinh khí CH4 (năm-1).

Giá trị hằng số tốc độ phát sinh khí (k) được xác định theo phương trình phản ứng phân hủy bậc 1 (y = a.e-k.T) với k chính là hằng số tốc độ phát sinh khí và T là thời gian chôn lấp.

4.4.2. Bãi chôn lấp Khánh Sơn -–TP. Đà Nẵng 4.4.2.1. Dữ liệu đầu vào

Các bước tính toán phát thải được thể hiện ở hình sau:

Xác định thành phần CTR tại BCL là quan trọng để tính toán giá trị tiềm năng phát sinh khí (L0) cho dữ liệu đầu vào của mô hình.

Bảng 4-12 Thành phần CTRSH thành phố Đà Nẵng (Ủy ban nhân dân tp. Đà Nẵng, 2016)

ST

T Loại chất thải Thành phần (%)

1 Chất thải hữu cơ (food waste) 66,71-74,65

2 Giấy 2,81-5,16 3 Bìa carton 0,00-2,38 4 Vải 1,55-3,50 5 Gỗ 0,00-2,79 6 Nhựa 1,11-14,00 7 Nilon 0,00-12,13 8 Da/cao su 0,23-2,12

9 Kim loại (có thể tái chế) 0,19-1,01

10 Thủy tinh 0,14-1,89

11 Sành sứ 0,00-1,48

12 Đất đá 0,00-6,75

13 Xỉ than 0,00-0,60

14 Chất thải nguy hại 0,00-0,27

16 Các loại khác 0,00-3,10

Tổng cộng 100,0

Theo cơ sở lý thuyết của mô hình LandGEM, xác định các thành phần CTR có ảnh hưởng đến tính toán của mô hình, như sau:

Thùng rác đặt cố

định

(2) (3)

Hộ gia đình Thương mại dịch vụ Cơ quan, công sở, trường học Công trình công cộng

Thùng rác đặt cố định Xe bagac Xe nâng thùng Xe nâng thùng Điểm tập kết Trạm trung chuyển Xe container

KHU LIÊN HỢP XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN KHÁNH SƠN Xe nâng thùng CTRSH CTRSH CTRSH CTRSH (1) (4) Xe cuốn ép trực tiếp Số liệu được cung cấp: Lượng chất thải tại BCL

Số liệu được cung cấp: Thành phần chất thải rắn Số lượng từng loại chất thải bỏ vào BCL

Chọn các thông số bằng cách sử dụng mô hình FOD

Phát thải CH4 theo từng loại chất thải

Hình 4-7 Quy trình thu gom rác sinh hoạt khu vực nội thành TP. Đà Nẵng Hình 4-8 Các bước tính phát thải khí từ BCL

Hình 4-9 Thành phần CTR

Bảng 4-13 Tính toán tiềm năng phát sinh khí (Pipatti et al., 2006)

MSW components Wi mean (%) Range of DOCi (%) Wi (%) DOC(%) Wi*DOC

Paper 44 40-50 3.98 42.97 0.017 Textiles 30 25-50 2.53 46.99 0.012 Food waste 38 20-50 70.68 31.43 0.222 Wood 50 46-54 1.39 57.24 0.008 Rubber 47 47 1.18 47 0.006 Tổng (Wi*DOC) 0.265 DOCf 0.5 MCF 1 DDOCm=(W*DOC tổng)*DOCf*MCF 0.132 L0=DDOCm × (16/12) × F, trong đó F=50% 0.088 L0’= (m3/tấn CTR) 138.5

Xác định khối lượng CTR tại BCL Khánh Sơn (tấn/năm) dựa vào dữ liệu dân số và công suất phát sinh CTR của từng quận trong Thành phố (kg/người/ngày). Theo số liệu từ trang thông tin điện tử của Tổng cục thống kê, thu được bảng dữ liệu về dân số như sau:

Bảng 4-14 Dân số tại TP. Đà Nẵng theo từng năm (Tổng cục thống kê, 2021)

Cẩm

Lệ Hòa Vang

Hải Châu Liên Chiểu Ngũ Hành Sơn Sơn Trà Thanh Khê 2007 81192 110693 180075 121835 59911 121292 165822 2008 85469 113571 184757 125002 61469 124446 170133 2009 87691 116524 189561 128353 63067 127682 174557

2010 89875 119425 194281 131549 64637 130861 178903 2011 92112 122399 199119 134825 66247 134120 183358 2012 94406 125447 204077 138182 67896 137459 187924 2013 96757 128571 209158 141622 69587 140882 192603 2014 99166 131772 214366 145149 71320 144390 197399 2015 101635 135053 219704 148763 73096 147985 202314 2016 104166 138416 225175 152467 74916 151670 207352 2017 106760 141862 230781 156264 76781 155447 212515 2018 109418 145395 236528 160155 78693 159317 217806 2019 112142 149015 242417 164142 80652 163284 223230 2020 114935 152726 248454 168230 82661 167350 228788

Theo như số liệu ước tính Đà Nẵng là một trong những tỉnh thành có tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa tăng nhanh hàng đầu trong nước nên chỉ số phát sinh CTR sinh hoạt bình quân đầu người là 0.83 kg/người/ngày. Nhưng tùy vào tình hình phát triển, đô thị hóa, công nghiệp hóa các quận huyện mà chúng ta điều chỉnh chỉ số này cho phù hợp:

Bảng 4-15 Hệ số phát sinh CTRSH tại các Quận ở TP. Đà Nẵng

Đơn vị: kg/người/ngày

Cẩm Lệ Hòa Vang ChâuHải ChiểuLiên Hành SơnNgũ SơnTrà h KhêThan

CS phát sinh 0.83 0.8 0.85 0.9 0.83 0.83 0.83

Lấy tổng của số liệu dân số đã có nhân với công suất phát sinh rác từng quận ta có được khối lượng rác mỗi năm tại BCL rác Khánh Sơn (kg/ngày). Sau đó đổi đơn vị sang tấn/năm.

Bảng 4-16 Số liệu khối lượng CTR tại BCL Khánh Sơn

KLR (tấn/năm) KLR (tấn/năm) 2007 257942 2014 307859 2008 265304 2015 315525 2009 272236 2016 323382 2010 279014 2017 331434 2011 285962 2018 339687 2012 293082 2019 348145 2013 300380 2020 356814

Xác định kopt hằng số tốc độ phát sinh khí CH4 (năm-1) đầu vào tối ưu cho mô hình dự báo tải lượng phát thải LFGs được xác định bằng phương pháp thực nghiệm dựa trên phạm vi ban đầu của khoảng giá trị k. Thử nghiệm với từng giá trị để xác định được hằng số tối ưu nhất. Hằng số

tốc độ phát sinh khí CH4 (k) phụ thuộc vào điều kiện khí hậu của từng khu vực. Nước ta nằm trên vùng nhiệt và cận nhiệt đới nên lượng ánh sáng lớn và lượng mưa nhiều. Nền nhiệt khá cao và độ ẩm cao. Khu vực BCL Khánh Sơn nằm trong khu vực thành phố Đà Nẵng-miền Trung Việt Nam. Khí hậu ở nơi đây nóng và khô hạn. Đây sẽ là yếu tố giúp ta xác định được khoảng giá trị thích