Nhiệt độ (0C)
Loại vi sinh vật Khoảng dao động Tối ưu
Mesophilic 40 – 50 35
Thermophilic 45 – 75 55
(Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)
b) Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình ủ hiếu khí (1) Các yếu tố vật lý [9]
Nhiệt độ:
Nhiệt trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật, phụ thuộc vào kích thước của đống ủ, độ ẩm, khơng khí và tỷ lệ C/N, mức độ xáo trộn và nhiệt độ môi trường xung quanh.
Nhiệt độ trong hệ thống ủ khơng hồn tồn đồng nhất trong suốt quá trình ủ, phụ thuộc vào lượng nhiệt tạo ra bởi các vi sinh vật và thiết kế của hệ thống.
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của vi sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát và điều khiển quá trình ủ CTR. Trong hệ thống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55 – 650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Nhiệt độ tăng trên ngưỡng này, sẽ ức chế hoạt động của vi sinh vật. Ở nhiệt độ thấp hơn, phân hữu cơ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh.
Độ ẩm
Độ ẩm (nước) là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Vì nước cần thiết cho q trình hồ tan dinh dưỡng vào nguyên sinh chất của tế bào.
Độ ẩm tối ưu cho quá trình phân hủy CTR nằm trong khoảng 50 - 60%. Các VSV đóng vai trị quyết định trong q trình phân hủy CTR thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử CTR. Nếu độ ẩm quá nhỏ (< 30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật, còn khi độ ẩm quá lớn (> 65%) quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì q trình thổi khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe rỗng khơng cho khơng khí đi qua, gây mùi hơi, rị rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh.
Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong q trình ủ vì nước có nhiệt dung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác.
Trong trường hợp độ ẩm của khối ủ thấp, có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Còn khi độ ẩm khối ủ cao có thể điều chỉnh bẳng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như: mạt cưa, rơm rạ,…
Kích thước hạt
Kích thước nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Q trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt ngun liệu, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 31
mặt lớn nên sẽ tăng sự tiếp xúc oxy, gia tăng vận tốc phân hủy. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt quá nhỏ và chặt làm hạn chế sự lưu thơng khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các VSV trong đống ủ và giảm mức độ hoạt động của VSV. Ngược lại, hạt có kích thước q lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí khơng đều, khơng có lợi cho q trình chế biến phân hữu cơ.
Đường kính hạt tối ưu cho q trình chế biến khoảng 3 – 50mm. Kích thước hạt tối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu.
Kích thước và hình dạng của hệ thống ủ
Kích thước và hình dạng của các đống ủ có ảnh hưởng đến sự kiểm sốt nhiệt độ và độ ẩm cũng như khả năng cũng cấp oxy.
Thổi khí
Khối ủ được cung cấp khơng khí từ mơi trường xung quanh để VSV sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt. Nếu khí khơng được cung cấp đầy đủ thì khối ủ có thể có những vùng kỵ khí, gây mùi hơi.
Lượng khơng khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể thực hiện bằng cách: - Đảo trộn;
- Sử dụng ống khơng khí;
- Đổ chất thải từ tầng lưu chứa trên cao xuống thấp; - Thổi khí.
(ii) Các yếu tố hóa sinh [9]
Tỷ lệ C/N
Khoảng 20% – 40%C của chất thải hữu cơ (trong chất thải nạp vật liệu) cần thiết cho quá trình đồng hóa thành thế bào mới, phần cịn lại chuyển hóa thành CO2. Cacbon cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo khoảng 50% khối lượng tế bào VSV. Nito là thành phần chủ yếu của protein, axit nucleic, axit amin, enzym, co- enzym cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào.
Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ dao động trong khoảng 20:1 – 30:1. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn, hạn chế sự phát triển của VSV do thiếu N. Chúng phải trải qua nhiều chu kỳ chuyển hóa, oxy hóa phần cacbon dư cho đến khi đạt tỷ lệ C/N thích hợp. Do đó, thời gian cần thiết cho quá trình làm phân bị kéo dài hơn và sản phẩm thu được chứa ít mùn hơn.
Oxy
Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ phân rác. Khi VSV oxy hóa cacbon tạo năng lượng, oxy sẽ được sử dụng và khí CO2 được sinh ra. Khi khơng có đủ oxy thì sẽ trở thành quá trình yếm khí và tạo ra mùi hơi như mùi trứng gà thối của khí H2S.
Các vi sinh vật hiếu khí có thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxy lớn hơn 10% được coi là tối ưu cho q trình ủ hiếu khí.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 32
Ngồi một số ngun tố đa lượng, q trình chuyển hóa các chất hữu cơ nhờ hoạt động của VSV cũng cần một số nguyên tố vi lượng khác như P, K, Ca, Fe, Bo, Cu,…
pH
Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các VSV trong quá trình ủ phân rác. Các VSV, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các axit hữu cơ. Trong giai đoạn đầu của q trình ủ phân rác, các axit này bị tích tụ và kết quả làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và VSV, kìm hãm sự phân hủy lignin và xenlulo. Các axit hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ phân rác. Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các axit có thể làm pH giảm xuống đến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của VSV.
Vi sinh vật
Các loài vi sinh vật tham gia vào q trình ủ hiếu khí gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh, trùng roi.
- Vi khuẩn: có dạng hình que, hình cầu hay hình xoắn, nhiều lồi có khả năng tự di chuyển. Khi bắt đầu của quá trình ủ phân rác, các vi khuẩn chịu nhiệt trung bình chiếm ưu thế. Khi nhiệt độ gia tăng trên 400C, các vi khuẩn hiếu nhiệt sẽ tiếp quản. Trong giai đoạn này, khuẩn hình que sẽ chiếm ưu thế về số lượng. Khi quá trình ủ phân rác được làm mát, vi khuẩn chịu nhiệt trung bình lại chiếm ưu thế.
- Xạ khuẩn: có vai trị quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ phức tạp như xenlulo, lignin, chitin và protein trong quá trình ủ rác. Enzym của chúng cho phép xạ khuẩn phân hủy hóa học các mảnh vụn như thân cây, vỏ cây hoặc tạp chất. Một vài loài xuất hiện trong giai đoạn chịu nhiệt trung bình, những lồi khác đóng vai trị quan trọng trong giai đoạn làm mát và ổn định.
- Nấm: có vai trị quan trọng trong việc phân hủy các mảnh vụn, tạo cho các vi khuẩn tiếp tục q trình phân hủy hết các xenlulo cịn lại. Các lồi nấm có số lượng lớn trong cả hai giai đoạn: nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Hầu hết nấm sống ở lớp bên ngoài của đống ủ khí khi nhiệt độ cao.
- Động vật nguyên sinh: được tìm thấy ở trong nước rỉ rác của đống ủ nhưng có vai trị khá nhỏ trong phân hủy phân rác.
- Trùng roi: được tìm thấy trong nước rỉ rác của đống ủ. Chúng ăn các hợp chất hữu cơ, vi khuẩn và nấm.
Chất hữu cơ
Vận tốc phân hủy dao động tùy theo thành phần, kích thước, tính chất của chất hữu cơ. Chất hữu cơ hòa tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ khơng hòa tan. Lignin và ligno – cellulosics là những chất phân hủy rất chậm.
2.2.1.2. Tính tốn hệ thống ủ rác sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Với hiện trạng thực tế là xử lý rác thải hữu cơ trường Tiểu học Trần Đại Nghĩa và những ưu, nhược điểm của các công nghệ ủ đã nêu ở trên, tơi đã chọn phương pháp ủ hiếu khí kết hợp công nghệ In-Vessel Composting để áp dụng cho hệ thống xử lý.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Tồn 33
Ta có:
- Lượng rác thải hữu cơ cần xử lý trong 1 ngày là 10kg.
- Mà 10kg rác thải hữu cơ khi được cắt nhỏ ra với đường kính khoảng 1 – 3cm có thể tích là 15L.
- Trong q trình có sử dụng mùn cưa với tỷ lệ 1:1 nên cần 15L mùn cưa mỗi ngày.
1 ngày thể tích nguyên liệu nạp vào hệ thống nạp là 30L.
Do trường học chỉ hoạt động từ thứ 2 đến thứ 6 nên nhà bếp thải ra rác hữu cơ 5 ngày/tuần.
Mà hệ thống ủ hoạt động liên tục và cho thành phẩm sau 30 ngày (khoảng 4 tuần).
Thể tích nguyên liệu nạp vào trong 1 tuần là: 30L 5 = 150L. Tổng thể tích nguyên liệu nạp vào sau 4 tuần là: 150L 4 = 600L.
Từ đó, chia hệ thống ra làm 4 modun, mỗi modun tiếp nhận xử lý rác thải hữu cơ trong 1 tuần để dễ dàng vận hành và kiểm sốt.
Thể tích ngun liệu 1 tuần tiếp nhận là 150L nên thiết kế modun với khả năng có thể tích chứa lớn hơn thể tích tính tốn 20 – 30%: 150L + (150L 30%) = 195L.
Vậy chọn thùng chứa ngun liệu có thể tích 220L.
2.2.2. Phương pháp thiết kế hệ thống ủ rác sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày. suất 10 kg/ngày.
Hệ thống có 04 modun, mỗi modun được thiết kế gồm:
- Thùng chứa nguyên liệu: Mỗi modun dùng 1 thùng phuy sắt có thể tích 220L đề làm thùng chứa. Thùng phuy có kích thước D × R = 895 × 572 m được đặt nằm ngang để tăng diện tích tiếp xúc bề mặt vật liệu ủ với khơng khí.
- Khung sắt giữ thùng phuy: Khung sắt được thiết kế theo hình chữ V ngược với kích thước D × R × C = 1095 × 870 × 810 mm.
- Trục quay - Cánh khuấy: Trục quay dài 1095mm và cánh khuấy giúp tăng quá trình đảo trộn vật liệu.
- Cửa lấy thành phẩm: Ở giữa thùng phuy được thiết kế cửa để cho nguyên liệu vào và lấy thành phẩm ra.
- Tay quay: Tay quay quay thùng để thực hiện đảo trộn vật liệu.
- Lỗ thơng khí: Các lỗ thơng khí được thiết kế ở 2 bên thùng phuy, đường kính mỗi lỗ là 1cm, các lỗ cách nhau 5cm và được đặt so le với nhau để cung cấp khí tự nhiên cho q trình ủ, khơng cần dùng đến hệ thống cấp khí cưỡng bức để giảm bớt chi phí đầu tư.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 34
-
Hình 2.2. Cấu tạo của hệ thống.
2.3. Thi cơng và lắp đặt hệ thống
Sau khi lên ý tưởng và hoàn thiện bản vẽ, tiến hành đưa đến xưởng cơ khí và bắt đầu gia cơng hệ thống.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 35
Hệ thống được chế tạo gồm các chi tiết sau: - Khung sắt.
- Thùng phuy.
- Trục quay - cánh khuấy. - Tay quay.
- Ổ bi.
- Cửa - khóa giữ
Ngồi ra cịn có máy cắt ngun liệu được mua và gia cơng thêm để đảm bảo an tồn khi sử dụng.
Hình 2.4. Modun hồn chỉnh. Hình 2.5. Máy cắt nguyên liệu.
Sau khi thi cơng hồn thiện, hệ thống được vận chuyển đến trường tiểu học Trần Đại Nghĩa và tiến hành lắp đặt hoàn thiện, để chuẩn bị cho việc đi vào hoạt động.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 36
2.4. Vận hành hệ thống và đo đạc hệ thống
2.4.1. Phương pháp vận hành hệ thống.
Hệ thống được thí điểm tại trường Tiểu học Trần Đại Nghĩa từ ngày 12/04/2021. Trước khi tiến hành thí điểm hệ thống, tơi đã thực hiện tạo sản phẩm mẫu trong Phịng thí nghiệm.
2.4.1.1. Thực hiện sản phẩm mẫu trong PTN
Thời gian tiến hành thực hiện tạo sản phẩm trong PTN từ ngày 15/03/2021 đến ngày 12/04/2021. Mục đích là tạo ra sản phẩm nền, cung cấp hệ vi sinh vật cho quá trình vận hành của hệ thống tại trường học.
Quá trình thực hiện sử dụng chế phẩm vi sinh EM thứ cấp (EM2). Tạo EM thứ cấp từ EM sơ cấp (EM1) như sau: Cho 3,75L nước sạch, 0,25L mật rỉ đường và 0,25L EM1 vào bình dung tích 5L, đậy nắp và để trong bóng tối từ 3-5 ngày, ta được 4,25L hệ vi sinh EM2 có mùi thơm.
Hình 2.7. Chế phẩm EM thứ cấp.
Mỗi tuần nạp vật liệu phối trộn 1 lần, gồm rác bếp, thức ăn thừa, mùn cưa được dùng phối với tỷ lệ 1:1 về thể tích so với rác hữu cơ.
Trong quá trình vận hành, đống ủ được đảo trộn thủ cơng, theo dõi kiểm sốt độ ẩm bằng tay và nhiệt độ bằng bộ điều khiển. Chế phẩm vi sinh được bổ sung 3 lần/tuần, mỗi lần 500ml vào các ngày thứ 2, thứ 4, thứ 6.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 37
a) Thức ăn thừa. b) Rác bếp. c) Mùn cưa.
Hình 2.8. Nguyên liệu cho quá trình phối.
ơ
a) Cắt nguyên liệu. b) Phối trộn.
c) Kiểm tra độ ẩm. Hình 2.9. Thực hiện tại PTN.
Ngày 12/04/2021, mang thành phẩm đến Trường Tiểu học Trần Đại Nghĩa để bắt đầu vận hành hệ thống.
Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống ủ rác thải sinh hoạt hữu cơ kiểu trống quay, công suất 10 kg/ngày
Sinh viên thực hiện: Trần Trương Hoàng Vy Người hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn 38
2.4.1.2. Vận hành thực nghiệm tại trường Tiểu học Trần Đại Nghĩa
Toàn bộ lượng rác thải hữu cơ thải ra hàng ngày của trường được tập hợp lại và xử lý làm sản phẩm hữu cơ. Mùn cưa được chuẩn bị trước để dùng phối trộn.
a) Rác bếp b) Mùn cưa
Hình 2.10. Nguyên liệu được tập kết lại để xử lý.
Quá trình vận hành
Hệ thống được thiết kế 04 modun, mỗi modun tiếp nhận xử lý nguyên liệu trong