nhà máy xử lý chất thải sinh học với công suất 6.500 tấn/năm ở Bottrop, Đức từ năm 1995. Công nghệ này cũng đang được áp dụng trên thế giới, cụ thể: nhà máy có công suất 30.000 tấn/năm ở Berlin, Đức; nhà máy có công suất 17.000 tấn/năm ở Shilou, Trung Quốc. Ngoài ra còn có một dự án xây dựng nhà máy có công suất 14.000 tấn/năm ở Bangkok.
Hình 5.3: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục một giai đoạn do Eco Technology JVV Oy phát triển
Chất thải đã được phân loại tại nguồn được vận chuyển đến nhà máy và chuyển qua công đoạn nghiền sơ bộ, phân loại từ tính trước khi phân loại bằng trống quay. Chất thải cháy được hay còn gọi là nhiên liệu thu hồi từ rác (RDF) được tách ra và chuyển đến nồi hơi đốt theo công nghệ lơ lững. Các chất hữu cơ còn lại được chuyển đến bể chuẩn bị nguyên liệu phản ứng. Tại đây, các chất này tạo thành dịch lỏng với 15% TS bằng cách trộn với nước. Các tạp chất rắn được loại bỏ và nguyên liệu được bơm đến bể phản ứng sinh học kỵ khí.
Hệ thống gồm hai hay nhiều dây chuyền hoạt động song song. Quá trình phân hủy bắt đầu ở nhiệt độ 35oC với thời gian lưu từ 15-20 ngày (công nghệ phân hủy kỵ khí hiếu nhiệt ở 55oC cũng có thể áp dụng được cho hệ thống này). Quy mô của hệ thống có thể lên đến 5.000m3. Biogas sinh ra sẽ được tuần hoàn lại một phần để tạo bọt khí làm khuấy trộn vật liệu trong bể phản ứng. Huyền phù tạo ra được diệt khuẩn ở 70oC trong vòng 30 phút để đem bón cho đất nông nghiệp một cách an toàn.
5.1.4.2 Công nghệ khô một giai đoạn
a. Đặc trưng kỹ thuật
Hàm lượng TS tối ưu trong các chất rắn lên men trong hệ thống sử dụng công nghiệp khô một giai đoạn khoảng 20-40%, với rác có hàm lượng TS>50% can phải pha loãng. Nước được thêm vào tối thiểu để tạo sự cân bằng nhiệt toàn diện, rất hữu ích cho hoạt động ở chế độ hiếu nhiệt. Hệ thống khô khác biệt so với hệ thống ướt về bản chất vật lý của các chất đem lên men.
Quá trình vận chuyển, nạp chất lên men có thể thực hiện nhờ băng tải, trục vít hoặc bơm chuyên dụng có công suất lớn. Các thiết bị này đắt hơn so với bom sử dụng trong hệ thống ướt. Ngoài ra, các thiết bị này phải đủ mạnh để có thể vận chuyển được đá, thủy tinh, gỗ mà không gây ra bất
cứ cản trở nào.
Hệ thống tiền xử lý chỉ cần áp dụng để loại các chất rắn có kích thước lớn hơn 40mm, ví dụ như sàng quay hoặc hệ thống nghiền đối với chất thải hữu cơ được phân loại tại nguồn. Dạng thiết bị phản ứng sử dụng là plugflow đơn giản về mặt kỹ thuật và không cần phải có thiết bị khuấy trộn cơ học bên trong thiết bị phản ứng.
Nhược điểm chính của quá trình khô là khả năng phân bố đều và xoay vòng vi sinh vật cũng như chống quá tải và hóa trình acid hóa. Các vấn đề trên đã được giải quyết trong hệ thống Dranco bằng xoay vòng nước rỉ có pha trộn với nước sạch theo tỷ lệ 6:1. Hệ thống này cho phép xử lý rất hiệu quả đối với các chất thải có hàm lượng TS trong khoảng 20-50%.
Hệ thống Kompogas cũng tương tự như hệ thống Dranco nhưng sử dụng ống nằm ngang. Với hệ thống này, hàm lượng TS trong chất cần lên men được hiệu chỉnh trong khoảng 23%.
Hệ thống Valorga khác với hệ thống dạng tròn đứng là sử dụng biogas để khuấy trộn. Biogas được bơm vào đáy bể với áp suất cao mỗi 15 phút. Hàm lượng TS cần được duy trì trong hệ thống Valorga là không quá 20%.
Do các hạn chế về mặt cơ khí, thiết bị phản ứng Kompogas thường được thiết kế, thi công với công suất cố định và để thay đổi nhiều thiết bị phản ứng với công suất từ 15.000 T/năm tới 25.000 T/năm được xây dựng để vận hành song song.
Đối với hệ thống Dranco và Valorga, mặc dù có thể thay đổi được công suất nhưng các thiết bị phản ứng thường có thể tích không quá 3.300 m3 và chiều cao không quá 25m.
b. Đặc trưng sinh học
Hệ thống khô một g iai đoạn có tải lượng hữu cơ cao hơn so với hệ thống ướt do không bị ảnh hưởng bởi các chất gây ức chế hóa trình acid hóa hoặc metan hóa. Các nghiên cứu cho thấy không xảy ra hiện tượng ức chế bởi C trong điều kiện kỵ khí hiếu nhiệt với chất thải có tỷ lệ C/N lớn hơn 20 đối với hệ thống Dranco. Điều này có thể giải thích được do lượng NH4+ sinh ra ít hơn và điều kiện khuấy trộn kém hơn so với hệ thống ướt.
Tỷ lượng sinh biogas trong cả 3 hệ thống trên nằm trong khoảng 90 Nm3/T chất thải làm vườn tươi tới 150 Nm3/T thực phẩm thải tươi tương ứng với 210-300 Nm3 CH4/T VS hay mức phân hủy VS trong khoảng 50-70%.
Tỷ lượng biogas sinh ra trong hệ thống khô cao hơn hệ thống ướt có thể giải thích được do các chất dễ phân hủy sinh học không bị mất đi theo các chất tạo váng/bọt hoặc lắng xuống dưới bể phản ứng.
Hệ thống Valorga tại Tiburd- Hà Lan có tải lượng 1.000T chất thải hữu cơ tươi/tuần/2 bể phản ứng có dung tích mỗi bể 3.000m3 và hoạt động ở 40oC, tải lượng này tương đương với 5 kg VS/m3/ngày đối với hệ thống ướt.
Hệ thống Dranco tại Brecht-Bỉ, tải lượng có thể đạt tới 15 kg VS/m3/ngày. Kết quả đạt được trong trường hợp 35% TS, thời gian lưu 14 ngày và 65% lượng VS bị phân hủy. Nhìn
chung, tải lượng của hệ thống Dranco có thể duy trì đều đặn ở mức 12 kg VS/m3/ngày hay gấp đôi tải lượng của hệ thống ướt.
c. Các vấn đề kinh tế, môi trường
Các khác biệt về mặt kinh tế bao gồm cả chi phí đầu tư và vận hành giữa hệ thống khô và ướt không nhiều. Tuy nhiên về khía cạnh môi trường, sự khác biệt giữa hệ thống khô và ướt rất rõ rệt. Hệ thống khô sử dụng ít hơn hệ thống ướt 10 lần và do vậy lượng nước thải cần xử lý sẽ ít hơn hệ thống ướt nhiều lần.
Ưu điểm khác của hệ thống khô là khả năng vận hành ở điều kiện hiếu nhiệt cao, do vậy khả năng đảm bảo vệ sinh đối với sản phẩm cao hơn.
5.2 Công Nghệ Hiếu Khí
5.2.1 Tổng quan
Trong quá trình composting, các vi sinh vật sẽ chuyển các vật liệu thô chưa ổn định thành mùn ổn định. Các sản phẩm chính của quá trình gồm CO2, nước, nhiệt và sinh khối. Trong bất cứ hệ thống composting nào, hai quá trình cơ bản sau cần được tiến hành:
Tách các chất không mong muốn ra khỏi dòng rác.
Tiến hành ủ các chất có thể phân hủy sinh học.
Hình 6.7: Sơ đồ chung của quá trình composting rác đô thị
Trong điều kiện tối ưu, quá trình ủ phân rác hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn:
Giai đọan nhiệt độ trung bình: kéo dài trong một vài ngày.
Giai đoạn nhiệt độ cao: có thể kéo dài từ một vài ngày đến một vài tháng.
Giai đoạn làm mát và ổn định: kéo dài vài tháng.
Có sự khác biệt giữa các loài vi sinh vật ưu thế trong các giai đoạn khác nhau. Quá trình phân hủy ban đầu do các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình chiếm ưu thế, chúng sẽ phân hủy nhanh chóng các hợp chất dễ phân hủy sinh học. Nhiệt độ trong quá trình này sẽ gia tăng nhanh chóng do nhiệt mà các vi sinh vật tạo ra. Khi nhiệt độ gia tăng trên 40oC, các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình sẽ bị thay thế bởi các vi sinh vật hiếu nhiệt. Khi nhiệt độ gia tăng đến 55oC và trên nữa, các vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt. Khi nhiệt độ gia tăng đến 65oC sẽ có rất nhiều loài vi sinh vật bị chết và nhiệt độ này cũng là giới hạn trên của quá trình phân hủy hiếu khí.
Trong giai đoạn hiếu nhiệt, nhiệt độ cao làm tăng quá trình phân hủy protein, chất béo và các hydrocarbon phức hợp như cellulose và hemicellulose. Sau giai đoạn này, nhiệt độ của quá trình ủ sẽ giảm từ từ và các vi sinh vật chịu nhiệt trung bình lại chiếm ưu thế trong giai đoạn cuối.