Hiện tại Mức thu nhập Chất hữu cơ % Giấy % Nhựa % Thủy tinh % Kim loại % Khác % Thu nhập thấp 64 5 8 3 3 17 Thu nhập trung bình 59 9 12 3 2 15 Thu nhập trên trung bình 54 14 11 5 3 13 Thu nhập cao 28 31 11 7 6 17 Năm 2025 * Mức thu nhập Chất hữu cơ % Giấy % Nhựa % Thủy tinh % Kim loại % Khác % Thu nhập thấp 62 6 9 3 3 17 Thu nhập trung bình 55 10 13 4 3 15 Thu nhập trên trung bình 50 15 12 4 4 15 Thu nhập cao 28 30 11 7 6 18 Nguồn: [8]
Chất thải hữu cơ (Biowaste) là thành phần chính của tổng lƣợng rác thải sinh hoạt. Chất thải này chủ yếu ở dạng rắn đƣợc sinh ra từ các hộ gia đình, doanh nghiệp. Chúng có độ ẩm cao và việc xử lý sinh học là phƣơng pháp phù hợp. Chất
thải rắn hữu cơ của các hộ gia đình thƣờng đƣợc tạo ra từ rác thải nhà bếp (ví dụ: khoai tây, trái cây, vỏ rau củ), thức ăn thừa, rau quả hƣ hỏng từ các chợ, rác sân vƣờn (ví dụ lá cây từ các cơng viên), các hoạt động thƣơng mại (ví dụ: nhà hàng, tổ chức). Chất thải thực phẩm nhà bếp (Food waste) đại diện cho một tỉ lệ đáng kể các chất thải hữu cơ đƣợc tìm thấy trong rác thải sinh hoạt, cơng nghiệp, thƣơng mại.
Chất thải rắn hữu cơ nhà bếp rất đa dạng về thành phần nguyên tố, do rất đa dạng về thành phần hợp chất vì VSV tham gia phân hủy địi hỏi sự cân đối về thành phần nguyên tố trong hỗn hợp dinh dƣỡng mà chúng thu nhận, nhất là về tỉ lệ C:N.
Thành phần chính chủ yếu trong rác thải nhà bếp là: hydrat cacbon, protein, lipit.
1.3. TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT VÀ RÁC THẢI HỮU CƠ NHÀ BẾP RÁC THẢI HỮU CƠ NHÀ BẾP
Phương pháp xử lý rác hữu cơ nhà bếp
1.3.1.
1.3.1.1. Phương pháp compost
Ủ phân hữu cơ đã đƣợc sử dụng từ nhiều năm trên thế giới với sự ổn định của dƣ lƣợng các chất hữu cơ có trong chúng. Trong quản lý chất thải rắn đô thị, trọng tâm là việc ủ phân hữu cơ mục đích chính là tận dụng nguồn nito, photpho có trong rác thải và giảm áp lực lên bãi chôn lấp. Các hầm ủ phân đầu tiên làm bằng đá và đƣợc xây dựng bên ngồi nhà đã đƣợc tìm thấy tại thành phố Sumer cách đây 6000 năm trƣớc. Trong hố ủ này, chất thải hữu cơ đã đƣợc lƣu trữ để phục vụ trong nông. Ủ phân từ lâu đã đƣợc xem là một cách thích hợp để xử lý và tái chế chất thải hữu cơ. Các loại chất thải nhƣ lá, vỏ cây, phân chuồng, bùn thải, chất thải từ cá, chất thải bột giấy và bột giấy, phụ phẩm từ nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm đƣợc xem là nguồn nguyên liệu cho quá trình composting.
Composting là quá trình phân hủy sinh học chất rắn với hàm lƣợng chất hữu cơ cao bằng các phản ứng oxi hóa của vi sinh vật dƣới điều kiện hiếu khí. Q trình composting tạo ra phân hữu cơ, có màu sẫm, vụn có thể đƣợc sử dụng để làm phân bón trong nơng nghiệp.
Việc ủ phân để ổn định chất thải có thể biến chất thải thành nguồn tài nguyên có giá trị. Là một phƣơng pháp xử lý chất thải thay vì chơn lấp. Việc sử dụng chất thải chƣa ổn định hoặc phân hữu cơ khơng ổn đinh vào đất có thể gây độc cho tế bào và gây hại cho cây trồng. Cách chuyển các chất hữu cơ tƣơi thành phân hữu cơ đƣợc thực hiện nhằm mục đích sau:
(i): khắc phục phytotoxicity của các chất hữu cơ không ổn định
(ii): giảm sự hiện diện của các tác nhân (vi rút, vi khuẩn, nấm, ký sinh trùng) là tác nhân gây bệnh cho ngƣời, động vật.
(iii): Sản xuất phân hữu cơ hoặc chất điều hòa đất, tái chế chất thải hữu cơ và sinh khối [9].
Mục đích và lợi ích của việc ủ phân:
Quản lý và ổn định chất thải
Các cơ sở ủ phân quy mô lớn đƣợc thành lập để quản lý và tái chế chất thải hữu cơ thả bỏ từ các ngành kinh tế. Việc ủ phân cho phép phân hủy các vật liệu hữu cơ thành hạt nhỏ, có giá trị hơn. Các phản ứng hóa sinh trong quá trình ủ sẽ giúp ổn định chất thải hữu cơ, ít gây tác động đến môi trƣờng đất và nƣớc nếu thải trƣợc tiếp.
Kiểm soát mầm bệnh và sức khỏe cộng đồng
Kiểm soát mầm bệnh và ổn định chất thải hữu cơ bằng cách ủ phân là biện pháp quan trọng trong y tế cộng đồng. Quá trình ủ phân là phƣơng pháp quan trọng để kiểm soát vi sinh vật gây bệnh hiện diện trong nƣớc thải và chất thải hữu cơ . Nhiệt thải sinh học đƣợc tạo ra trong đóng ủ là 60oC, nếu duy trì trong 1 ngày đủ để bất hoạt vi khuẩn, vi rút và giun sán.
Quản lý dinh dƣỡng
Chất thải hữu cơ chứa lƣợng nitơ, phốt-pho và khoáng chất đáng kể chất dinh dƣỡng (N, P, K) và carbon cao. Do đó, ủ phân có vai trị quan trọng trong việc tái tạo dinh dƣỡng.
Các chất dinh dƣỡng (N, P, K) có trong chất thải thƣờng ở dạng hữu cơ phức tạp, khó khăn để đƣợc hấp thu bởi các loại cây trồng. Sau khi ủ phân, các chất dinh dƣỡng này sẽ ở các dạng vơ cơ nhƣ và thích hợp cho cây trồng hấp thu.
Sấy bùn
Phân ngƣời, phân động vật và bùn chứa khoảng 80–95% nƣớc làm cho chi phí thu gom bùn, vận chuyển và xử lý tốn kém. Bùn khơ thơng qua q trình ủ là một sự thay thế trong đó nhiệt thải sinh học sẽ làm bay hơi nƣớc chứa trong bùn.
1.3.1.2. Sản xuất năng lượng sinh học
Năng lƣợng sinh học nằm ở ba thách thức lớn trên thế giới: an ninh năng lƣợng, biến đổi khí hậu và giảm nghèo. Chúng có ảnh hƣớng rất lớn đến nền văn minh nhân loại. Năng lƣợng sinh học cung cấp 10% tổng nguồn cung cấp năng lƣợng trên thế giới tƣơng ứng 24 triệu tấn dầu. Năm 2005 năng lƣợng sinh học chiếm 78% năng lƣợng tái tạo đƣợc sản xuất và hơn 85% năng lƣợng sinh khối đƣợc tiêu thụ nhƣ nhiên liệu rắn để nấu ăn, sƣởi ấm và chiếu sáng, đặc biệt là các nƣớc đang phát triển.
Các nguồn cấp dữ liệu năng lƣợng sinh học quan trọng là thực phẩm, cỏ khô, thức ăn, cây trồng năng lƣợng chuyên dụng, lâm nghiệp, chất thải và dƣ lƣợng nông nghiệp.
Năng lƣợng sinh học hiện đại dựa trên công nghệ chuyển đổi hiệu quả cho các ứng dụng tại hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ và quy mơ cơng nghiệp. Sinh khối hiện đại có thể đóng góp đáng kể vào việc cung cấp nhu cầu năng lƣợng trong tƣơng lai một cách bền vững vì hiện tại đóng góp lớn nhất tồn cầu về năng lƣợng tái tạo, và có tiềm năng đáng kể để mở rộng trong sản xuất nhiệt, điện và nhiên liệu để vận chuyển. Cải thiện đáng kể trong khoa học và công nghệ năng lƣợng sinh học
có thể cung cấp:
(i) đóng góp lớn hơn cho nguồn cung cấp năng lƣợng sơ cấp toàn cầu; (ii) giảm đáng kể phát thải khí nhà kính vào mơi trƣờng;
(iii) cải thiện an ninh năng lƣợng và cân bằng thƣơng mại; (iv) cơ hội cho sinh thái phát triển
(v) phạm vi sử dụng chất thải và dƣ lƣợng, giảm thiểu các vấn đề xử lý chất thải và sử dụng tốt hơn tài nguyên[17].
Phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
1.3.2.
Phƣơng pháp cơ học
Phƣơng pháp xử lý cơ học đƣợc sử dụng dựa vào các lực vật lý nhƣ lực trọng trƣờng, lực ly tâm…để tách các chất khơng hồ tan, các hạt lơ lửng có kích thƣớc đáng kể ra khỏi nƣớc thải.
Các phƣơng pháp cơ học thƣờng đƣợc sử dụng gồm: lắng, trộn, tuyển nổi… Trong phƣơng pháp này thƣờng ứng dụng các cơng trình sau đây:
Song và lƣới chắn rác: Để loại bỏ các loại rác và các tạp chất có kích thức lớn hơn 5mm thƣờng dùng song chắn rác, còn các tạp chất nhỏ hơn 5mm thƣờng dùng lƣới chắn rác.
Bể lắng cát: Bể lắng cát đƣợc ứng dụng để loại các tạp chất vô cơ và chủ yếu là cát trong nƣớc thải.
Bể vớt mỡ, dầu: Các loại cơng trình này thƣờng đƣợc ứng dụng để loại bỏ các tạp chất nhẹ hơn nƣớc: mỡ, dầu mỏ và tất cả các dạng chất nổi khác. Đối với nƣớc thải sinh hoạt, khi hàm lƣợng mỡ không cao thƣờng việc vớt mỡ thực hiện ngay ở bể lắng nhờ các thanh gạt bố trí trong bể lắng.
Bể lắng: Bể lắng đƣợc ứng dụng để loại các chất lơ lửng có tỵ trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tỵ trọng của nƣớc. Các chất lơ lửng có tỵ trọng lớn hơn tỵ trọng của nƣớc sẽ lắng xuống dƣới bể, cịn các chất có tỵ trọng nhỏ hơn của nƣớc sẽ nổi lên trên mặt nƣớc. Bể lọc đƣợc ứng dụng để loại các tạp chất lơ lửng kích thƣớc nhỏ bé bằng cách lọc chúng qua lƣới lọc đặc biệt hoặc qua lớp vật liệu lọc.
Trƣờng hợp khi mức độ làm sạch không cao lắm và các điều kiện vệ sinh cho phép thì phƣơng pháp xử lý cơ học giữ vai trị chính trong trạm xử lý. Trong các trƣờng hợp khác, phƣơng pháp xử lý cơ học chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộ trƣớc khi xử lý sinh hóa
Phƣơng pháp hóa học và hóa lý
Phƣơng pháp hóa học: Thực chất của phƣơng pháp hóa học là đƣa vào nƣớc thải chất phản ứng nào đó. Chất này tác dụng với các tạp chất bẩn trong nƣớc thải và có khả năng loại chúng ra khỏi nƣớc thải dƣới dạng bay hơi, kết tủa hay hịa tan khơng độc hại hoặc ít độc hại hơn.
Phƣơng pháp hóa lý: Là phƣơng pháp xử lý chủ yếu dựa trên các quá trình vật lý gồm các q trình cơ bản nhƣ trung hịa, tuyển nổi, keo tụ, tạo bông, ly tâm, lọc, chuyển khí, hấp phụ, trích ly, cơ bay hơi… Tùy thuộc vào tính chất của tạp chất và mức độ cần thiết phải làm sạch mà ngƣời ta sử dụng một hoặc một số phƣơng pháp kể trên.
Bản chất của phƣơng pháp này là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để đƣa vào nƣớc thải chất phản ứng nào đó để gây tác động đến các chất ơ nhiễm, biến đổi hóa học tạo thành các chất dễ xử lý và không gây ô nhiễm mơi trƣờng.
Phƣơng pháp xử lý hóa lý có thể kết hợp với các phƣơng pháp cơ học, hóa học, sinh học.
Phƣơng pháp sinh học
Các chất hữu cơ ở dạng keo, huyền phù và dung dịch là nguồn thức ăn của vi sinh vật. Trong quá trình hoạt động sống, vi sinh vật oxy hố hoặc khử các hợp chất hữu cơ này, kết quả là làm sạch nƣớc thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.
Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có 5 nhóm chính:
Q trình hiếu khí
Q trình thiếu khí
Q trình kỳ khí
Thiếu khí và kỳ khí kết hợp
Quá trình hồ sinh học
Phƣơng pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và các chất khoáng làm nguồn dinh dƣỡng và tạo năng lƣợng. Tùy theo từng nhóm vi khuẩn mà sử
dụng là hiếu khí hay kỳ khí mà ngƣời ta thiết kế các cơng trình khác nhau, diện tích đất mà ngƣời ta có thể sử dụng hồ sinh học hay các bể nhân tạo để xử lý.
1.4. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG PHÂN HỦY
Q trình phân hủy kỵ khí
1.4.1.
Phân hủy kỳ khí là một trong những cơng nghệ lâu đời nhất đƣợc nhân loại sử dụng. Cho đến những năm 1970, nó đã đƣợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy xử lý nƣớc thải và quản lý chất thải. Phân hủy kỳ khí có lợi về sản xuất khí sinh học và có thể dẫn đến hiệu quả phục hồi tài nguyên và đóng góp vào việc bảo tồn các nguồn năng lƣợng khơng tái tạo. Hơn nữa, phân hủy kỳ khí là q trình khép kín đƣợc kiểm soát và dựa vào sự phát thải nhất thời là thích hợp hơn so với chơn lấp và ủ hiếu khí.
Trƣớc đây: Cơng nghệ kỳ khí thƣờng đƣợc dùng để xử lý chất thải dạng lỏng có hoặc khơng có chất rắn lơ lửng nhƣ phân, nƣớc thải sinh hoạt và cơng nghiệp, bùn thải từ q trình hóa lý hoặc sinh học,…
Hiện nay: Ứng dụng nhiều trong xử chất thải nông nghiệp và chất thải rắn đô thị để thu hồi lại năng lƣợng khí Biogas.
Trong q trình kỳ khí gồm 2 q trình chính là lên men kỳ khí và oxy hóa kỳ khí. Q trình lên men kỳ khí và q trình oxy hóa kỳ khí đƣợc sử dụng chủ yếu để xử lý bùn thải và chất thải hữu cơ có độ bền cao. Tuy nhiên, các ứng dụng cho dịng chất thải lỗng cũng đã đƣợc chứng minh và đang trở nên phổ biến hơn. Q trình lên men kỳ khí là thuận lợi vì năng suất sinh khối thấp hơn và vì năng lƣợng ở dạng mêtan nên có thể đƣợc phục hồi từ sự chuyển hóa sinh học của các chất hữu cơ.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra có thể thu hồi nhiều năng lƣợng hơn khi ứng dụng xử lý kỳ khí trong xử lý nƣớc thải. Sản sinh methane từ phân hủy kỳ khí tạo ra 0,35 Nm3 CH4/kg COD.
So sánh phƣơng pháp hiếu khí và kỳ khí
Nội dung PP Hiếu khí PP Kỳ khí
Giai đoạn xử lý -Oxy hóa chất hữu cơ -Tổng hợp tế bào mới -Phân hủy nội bào
-Thủy phân -Acid hóa -Acetic hóa -Methane hóa Ƣu điểm -Ít gây ra mùi hôi, tạo ra
nguồn nƣớc đảm bảo đạt tiêu chuẩn -Khả năng vận hành đơn giản -Bùn sau xử lý có thể tái sử dụng làm phân bón -Chi phí đầu tƣ thấp
-Giảm hao phí điện năng sử dụng
-Tạo ra khí metan lớn có thể dùng tái sử dụng -Có thể xử lý nguồn nƣớc với tải trọng cao
-Tạo ra sinh khối thấp
Nhƣợc điểm -Chi phí vận hành cao -Tạo ra lƣợng bùn thải lớn -Chỉ áp dụng để xử lý nguồn thải có nồng độ ơ nhiễm thấp
-Tốc độ phân hủy lâu -Nồng độ bùn cao
-Tốc độ phản ứng diễn ra chậm hơn.
Đồng phân hủy
1.4.2.
Đồng phân hủy là một thuật ngữ đƣợc nhắc đến nhiều trong thời gian gần đây. Khái niệm này đang đƣợc lan rộng và trở nên phổ biến khi chúng ta nghĩ đến tình trạng ơ nhiễm hiện nay cần phải đƣợc cải thiện để hƣớng đến một nền kinh tế thân thiện hơn và có khả năng tái tạo.
Đồng phân hủy là quá trình phân hủy kỳ khí (AD- anaerobic digestion) của nhiều chất nền có khả năng phân hủy sinh học (feedstocks) trong cùng một hệ thống phân hủy kỳ khí. Định nghĩa một cách hiện đại hơn đề cập đến q trình phân hủy của những ngun liệu có khả năng phân hủy sinh học đã đƣợc lựa chọn với một chất nền cơ bản mà một hệ thống phân hủy kỳ khí đƣợc thiết kế để xử lý.
Ý tƣởng tổng quát là làm tăng lƣợng biogas đƣợc sản sinh trong hệ thống phân hủy kỳ khí bằng cách cho thêm vào những chất nền có thể làm tăng lƣợng biogas trên một đơn vị sinh khối thay vì chỉ là chất nền cơ bản.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng phân hủy
1.4.3.
Để tối ƣu hóa hiệu suất phản ứng, tăng vận tốc phản ứng và thu hồi lại lƣợng khí metan lớn nhất là tiêu chí cần đạt đƣợc trong việc sử dụng phƣơng pháp đồng phân hủy. Các yếu tố chính ảnh hƣởng trực tiếp đến q trình đồng phân hủy:
Tỵ lệ dinh dƣỡng
Rác thải hữu cơ đa dạng về thành phần, nhƣng thƣờng thiếu cân bằng các chất dinh dƣỡng cần thiết cho phản ứng phân hủy sinh học hoạt động ổn định. Các chất dinh dƣỡng đại lƣợng cần thiết cho quá trình sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân huỵ kỳ khí bao gồm N và P là chủ yếu. Tỵ lệ thích hợp đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P trong đó N và P đều phải ở dạng