CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.4 Sự cần thiết phải thu hồi khí nhà kính (CH4) từ rác thải sinh hoạt hữu cơ
hữu cơ
1.4.1 Tác động của khí nhà kính (CH4)
Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính. Các khí nhà kính chủ yếu bao gồm: hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3 và các khí CFC.
Hiệu ứng nhà kính: Để đến được bề mặt trái đất, năng lượng mặt trời phải đi qua lớp khơng khí dày. Một phần năng lượng mặt trời đến trái đất bị giữ lại nhờ các q trình vật lý, hóa học, sinh học. Một phần được phản xạ về vũ trụ bức xạ nhiệt từ trái đất phản xạ lại có bước sóng dài, khơng xuyên qua được lớp khí quyển và bị giữ lại bởi các khí nhà kính. Nếu các khí nhà kính tồn tại vừa phải thì chúng giúp cho nhiệt độ trái đất khơng q lạnh nhưng nếu chúng có q nhiều trong khí quyển thì kết quả là trái đất nóng lên. Sự gia tăng của CO2, CFC, CH4, O3, N2O và các khí khác trong khí quyển là nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính. CO2 (cacbon dioxit): Là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, chiếm 50% trong cơ cấu các chất gây hiệu ứng nhà kính. Trong khí quyển CO2 chiếm 0.034% thể tích, là nguyên liệu cho quá trình quang hợp ở cây xanh. Thơng thường lượng CO2 sản sinh một cách tự nhiên cân bằng với lượng CO2 cho quang hợp. Thế nhưng, hàm lượng CO2 trong khơng khí ngày càng tăng và tác động xấu đến khí hậu tồn cầu.
CH4 (mêtan): Chiếm 13% trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính. Mỗi phân tử CH4 bắt giữ năng lượng nhiệt gấp 21 lần phân tử CO2.
Hiệu ứng nhà kính gia tăng dẫn tớisự nóng lên tồn cầu và làm cho băng ở địa cực cũng như trên các dịng sơng tan chảy nhanh chóng dẫn đến hậu quả là mực nước biển dâng cao, thúc đẩy quá trình bốc hơi và thoát hơi. Những khối băng ở hai cực đồng thời là chiếc máy điều hòa nhiệt độ tự nhiên khổng lồ và là trung tâm cao áp quyết định hồn lưu khí quyển, chi phối khí hậu cấp hành tinh.
Băng tan thì khí áp ở cực sẽ giảm, cường độ gió giảm… dẫn đến sự biến đổi khí hậu ở 2 cực kéo theo biến đổi khí hậu của Trái đất. Song song với q trình trên thì dải hạ áp xích đạo sẽ hoạt động mạnh, quy mơ lớn nên đới khí hậu xích đạo và cận xích đạo mưa nhiều và thất thường hơn. Dải cao áp chí tuyến cũng mạnh hơn (do sự tác động của hạ áp xích đạo) cho nên khí hậu nhiệt đới lục địa và nhiệt đới hải dương bờ tây sẽ khơ khan, khắc nghiệt, cực đoan. Trái lại, khí hậu nhiệt đới hải dương bờ đơng (nhiệt đới gió mùa) sẽ mưa nhiều, cường độ lớn, nắng nóng kéo dài, xuất hiện “siêu bão” với tần suất lớn.
Khi nhiệt độ tăng, một số lồi sinh vật khơng có khả năng thích nghi (hoặc thích nghi song có giới hạn) sẽ bị tiêu diệt, phá vỡ cân bằng sinh thái. Ví dụ như: nhiệt độ tăng, thúc đẩy quá trình bốc hơi và thốt hơi, đất mất độ ẩm, thực vật kém phát triển, một số loài biến mất, những loài động vật ăn cỏ sẽ thiếu thức ăn nên bị tiêu diệt, loài ăn thịt ăn loài ăn cỏ cũng chết theo, cân bằng sinh thái bị phá vỡ, tăng khí CO2 (do sự giảm số lượng thực vật). Và cũng chính sự thay đổi tính chất của bề mặt đệm, mặt đất chỉ còn trơ sỏi đá này lại tác động trực tiếp đến khí hậu nơi đó đẩy hiệu ứng nhà kính tăng hơn nữa, đồng thời hiệu ứng lại tác động ngược trở lại.
Mực nước biển dâng cao, lục địa bị thu hẹp, hệ sinh thái biến đổi (chỉ cần thay đổi nhiệt độ, độ mặn thì một số lồi sẽ bị tiêu diệt), tính chất mặt đệm đổi thay kéo theo khí hậu thay đổi. Tất cả hệ quả như băng tan, khí hậu biến đổi, cân bằng sinh thái bị phá vỡ, chúng lại tác động trở lại theo một vịng tuần hồn khép kín.
1.4.2 Tiềm năng mêtan sinh hóa của chất thải hữu cơ
Q trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong mơi trường khơng có oxy gọi là q trình phân hủy kị khí (yếm khí). Q trình phân hủy yếm khí là q trình sử dụng các vi sinh vật yếm khí và tùy tiện để phân hủy các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học sinh khí biogas trong điều kiện không có oxy. Thành phần chủ yếu của khí biogas là mêtan (CH4) và cacbonic (CO2) và một số khí khác cụ thể như sau:
Bảng 1.5: Thành phần khí biogas (% thể tích)
CH4 CO2 N2 H2 H2S
55-65 35-45 0-3 0-1 0-1
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên có thể đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau:
Chất hữu cơ + vi sinh vật => CH4 + CO2 + N2 + H2 + H2S + sinh khối.
Chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm ngun liệu cho q trình phân hủy sinh học yếm khí.
1.4.3 Q trình hình thành khí ở các bãi chơn lấp chất thải
Q trình hình thành các khí chủ yếu bãi chơn lấp xảy ra qua 5 giai đoạn:
Giai đoạn I: Phân huỷ hiếu khí
Giai đoạn này có thể kéo dài từ một vài ngày cho đến vài tháng, phụ thuộc vào tốc độ phân huỷ. Trong giai đoạn này các thành phần hữu cơ phân huỷ dưới điều kiện hiếu khí bởi vì một lượng khơng khí bị giữ lại trong bãi rác trong quá trình chơn lấp. Nguồn vi sinh vật chủ yếu thực hiện q trình phân huỷ chất thải có trong đất làm vật liệu bao phủ mỗi ngày, có trong thành phần hữu cơ của rác ngay từ khi rác được thu gom.
Giai đoạn II: Giai đoạn phân huỷ kỵ khí
Khi ơxy trong rác bị cạn kiệt thì sự phân huỷ chuyển sang dạng phân huỷ kỵ khí. Khi bãi rác bắt đầu chuyển sang phân huỷ kỵ khí thì nitrate và sulfate (những chất nhận điện tử trong các phản ứng chuyển hố sinh học) thường bị khử
thành khí nitrogen N2 và H2S. Khi thế oxi hoá khử giảm, cộng đồng vi khuẩn thực hiện quá trình thuỷ phân và chuyển hoá các hợp chất cao phân tử (lipid, polysacchrides, proteins, axit nucleic) do các enzyme trung gian thành các hợp chất đơn giản hơn thích hợp cho các vi sinh vật. Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất đơn giản này như nguồn năng lượng và carbon cho tế bào của chúng. Trong giai đoạn II, pH của nước rị rỉ sẽ giảm xuống do sự hình thành các acid hữu cơ và ảnh hưởng của sự tăng nồng độ CO2 trong bãi rác.
Giai đoạn III: Lên men axit
Trong bước này xảy ra sự biến đổi các hợp chất hình thành ở bước trên thành các chất trung gian phân tử thấp như là acid axêtic. CO2 là khí chủ yếu hình thành trong giai đoạn III này, một lượng nhỏ H2, H2S cũng được hình thành. Vi sinh vật hoạt động trong giai đoạn này chủ yếu là tuỳ tiện và hiếu khí. pH của nước rị rỉ sẽ giảm xuống đến giá trị < 5 do sự có mặt của các acid hữu cơ và CO2 trong bãi rác. BOD5, COD và độ dẫn điện tăng lên đáng kể trong suốt giai đoạn III do sự hồ tan các acid hữu cơ vào trong nước rị rỉ. Do pH của nước rò rỉ thấp nên một số thành phần vô cơ, chủ yếu là kim loại nặng sẽ được hoà tan trong giai đoạn III này.
Giai đoạn IV: Mêtan hóa (CH4)
Trong giai đoạn này các vi sinh vật hoạt động mạnh trong giai đoạn này là vi sinh vật kỵ khí được gọi là vi khuẩn methane. Trong giai đoạn này, sự hình thành methane và acid diễn ra đồng thời mặc dù sự hình thành acid giảm đáng kể. Do các axit và hydrogen bị chuyển hoá thành CH4 và CO2 nên pH nước rỉ rác trong bãi chôn lấp sẽ tăng lên để đạt giá trị trung bình hố từ 6,8 đến 8. Giá trị BOD5, COD, nồng độ kim loại nặng và độ dẫn điện của nước rò rỉ giảm xuống
Giai đoạn V: Giai đoạn ổn định
Giai đoạn ổn định xảy ra sau khi các vật liệu hữu cơ dễ phân huỷ sinh học được chuyển hoá thành CH4 và CO2 trong giai đoạn IV. Một nhóm vi khuẩn hiếu khí sẽ bắt đầu có mặt và oxy hố mêtan thành CO2. Trong suốt giai đoạn ổn định, nước rò rỉ thường chứa axit humic và axit fulvic rất khó cho quá trình sinh học diễn ra tiếp nữa.
Hình 1.3: Các giai đoạn phân hủy kị khí tạo khí sinh học