1.2.1. Cơ sở khoa học xử lý rác thải
Nguyên lý cơ bản của các quá trình phân hủy chuyển hóa phế thải, chất thải rắn hữu cơ là nhờ sự hoạt động của VSV mà các chất khó tan (Xenluloza, lignin, hemixenluloza và các chất cao phân tử khác) được chuyển hóa thành chất dễ tan.
a) Trong điều kiện hiếu khí
Quá trình phân giải các hợp chất hưu cơ trong điều kiện hiếu khí có thể tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ + O2 VSV ằCŨ2 + H2O + Sinh khối vi sinh vật (cỏc chất dinh dưỡng)
Theo Eckenfekler W.W và Connon D.J thì quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí được thực hiện bởi các phản ứng sau:
- Ôxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 Enzym ► CO2 + H2O + AH
- Tổng hợp để xây dựng tế bào:
CxHyOz + O2 E"zvm►Smli khối vi khuẩn + CO2 + H2O + C5H7NO2 - AH
- Ôxy hóa chất liệu tế bào (Tự ôxy hóa):
Tế bào vi khuẩn
C5H7NO2 Enzym ► CO2 + H2O ± AH
Trong đó, AH là năng lượng thải ra hoặc hấp thụ vào.
Điều kiện để thực hiện được quá trình sử lý sinh học:
-Đảm bảo cung cấp liên tục ôxy.
-Đảm bảo đầy đủ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho quá trình sinh hóa xảy ra trong quá trình lên men.
-Đảm bảo nồng độ chất hữu cơ cho phép quá trình lên men.
-Đảm bảo nồng độ cho phép của các chất độc hại.
- pH thích hợp.
b) Trong điều kiện yếm khí
Trong điều kiện yếm khí VSV phân giải các hợp chất hữu cơ qua hai giai đoạn:
-Giai đoạn thủy phân: các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân dưới tác động của các enzym VSV. Sản phẩm cuối cùng của quá trình là các chất khí chủ yếu là
CO2 và CH4. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tạo khí.
Chất hữu cơ Enzym ► CH4 + CO2 + Sinh khối vi sinh vật
- Giai đoạn lên men yếm khí:
Theo Eckenfekler quá trình lên men yếm khí chất thải được chia làm ba giai đoạn:
+ Giai đoạn lên men axit: Ở giai đoạn này những hidratcacbon (đường, tinh bột, chất xơ) dễ bị phân hủy và tạo thành các axit hữu cơ (axit acetic, axit butyric, axit propionic) nên pH giảm xuống dưới 5 có kèm mùi hôi thối.
+ Giai đoạn chấm dứt lên men axit: Các chất hữu cơ tiếp tục được phân giải tạo thành các chất khí khác nhau như: CO2, N2, CH4, H2... pH của môi trường dần dần tăng lên. Mùi thải ra rất khó chịu do thành phần của H2S, indol, sctol
và mecaptan.
+ Giai đoạn lên men kiềm hay giai đoạn lên men Metan: Các sản phẩm trung gian chủ yếu là xenluloza, axit béo, các hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo ra nhiều khí CO2, CH4, pH môi trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang dạng kiềm.
1.2.2. Công nghệ xử lý rác thải trên thế giới
Theo Trần Quang Ninh, tổng luận về công nghệ xử lý chất thải rắn của một số nước và ở Việt Nam
& Công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt của Mỹ - Canada
Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ xử lý rác thải của Mỹ - Canada
Các vùng của Mỹ và Canada có khí hậu ôn đới nên thường áp dụng phương pháp xử lý rác thải ủ đống tĩnh có đảo trộn như sau: Rác thải được tiếp nhận và tiến hành phân loại. Rác thải hữu cơ được nghiền và bổ sung VSV, trộn với bùn và đánh đống ở ngoài trời để lên men tự nhiên cho đến khi được phân hủy hoàn toàn (thường từ 8 - 10 tuần lễ), sau đó sàng lọc và đóng bao.
- Ưu điểm: Thu hồi được sản phẩm làm phân bón; Tận dụng được nguồn bùn
là phế thải của thành phố hoặc bùn ao; Cung cấp được nguyên liệu tái chế cho các ngành công nghiệp; Kinh phí đầu tư và duy trì thấp.
- Nhược điểm'. Hiệu quả phân hủy hữu cơ không cao; Chất lượng phân bón được thu hồi không cao vì có lẫn các KLN trong bùn thải hoặc bùn ao; Không phù hợp với khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam vì phát sinh nước rỉ rác, không đảm bảo được VSMT, ảnh hưởng đến nguồn nước mặt và nước ngầm; Diện tích đất sử dụng quá lớn.
*t* Công nghệ xử lý rác thải làm phân bón của Đức
Công nghệ phổ biến nhất của Đức là xử lý rác đi đôi với thu hồi khí sinh học và phân bón hữu cơ vi sinh. Cụ thể như sau: Rác thải ở các gia đình đã được phân loại, ở những nơi công cộng phân loại chưa triệt để, được tiếp nhận
và tiến hành phân loại tiếp. Rác hữu cơ được đưa vào các thiết bị ủ kín dưới dạng các thùng chịu áp lực cùng với thiết bị thu hồi khí sinh ra trong quá trình lên men phân giải hữu cơ.
- Ưu điểm: Xử lý triệt để, đảm bảo VSMT; Thu hồi sản phẩm là khí đốt có
giá trị cao, phục vụ cho các ngành công nghiệp ở khu lân cận nhà máy; Thu hồi phân bón có tác dụng cải tạo đất; Cung cấp nguyên liệu tái chế cho các ngành công nghiệp.
- Nhược điểm: Đòi hỏi kinh phí đầu tư lớn và kinh phí duy trì cao; Chất
lượng phân bón thu hồi không cao.
Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt của CHLB Đức
& Công nghệ xử lý rác thải làm phân bón của Trung Quốc
Ở những thành phố lớn thường áp công nghệ trong các thiết bị kín. Rác được tiếp nhận, đưa vào thiết bị ủ kín (hầm ủ) sau 10 - 12 ngày, hàm lượng các khí H2S, CH4, SO2... giảm được đưa ra ngoài ủ chín.Sau đó mới tiến hành phân loại, chế biến thành phân bón hữu cơ.
Ưu điểm: Rác được ủ từ 10 - 12 ngày đã giảm mùi H2S, sau đó mới đưa
ra ngoài xử lý, góp phần giảm nhẹ mức độ độc hại đối với người lao động; Thu hồi được nước rác, không gây ảnh hưởng tới tầng nước ngầm; Thu hồi được sản phẩm tái chế; Rác vô cơ khi đưa đi chôn lấp không gây mùi và ảnh hưởng tới tầng nước ngầm vì đã được oxy hóa trong hầm ủ; Thu hồi được sản phẩm làm phân bón.
Nhược điểm'. Chất lượng phân bón không cao, chưa xử lý triệt để các vi khuẩn
gây bệnh; Thao tác vận hành phức tạp; Diện tích hầm ủ rất lớn không được phân loại; Kinh phí đầu tư ban đầu lớn.
Hình 1.4 : Công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt của Trung Quốc
1.2.3. Công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt tại Việt Nam
- Tỷ lệ CTR được chôn lấp hiện chiếm khoảng 76 - 82% lượng CTR thu gom được ( trong đó, khoảng 50% được chôn lấp hợp vệ sinh và 50% là chôn lấp không hợp vệ sinh). Thống kê trên toàn quốc có 91 bãi chôn lấp chất thải tập trung ở các thành phố lớn đang vận hành, nhưng chỉ có 17 bãi được coi là
hợp vệ sinh. Hịên ước tính có khoảng 60% CTR đô thị đã được xử lý bằng
phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh và tái chế trong các nhà máy xử lý CTR
để tạo ra phân compost, tái chế nhựa...
- RTSH tại các bãi chôn lấp không hợp vệ sinh chủ yếu được xử lý bằng phương pháp đốt. Rác sau khi thu gom được đổ ra bãi rác, sau đó phun chế phẩm EM để khử mùi và định kỳ phun vôi bột để khử trùng. Rác để khô rồi
đổ dầu vào đốt. Tuy nhiên vào mùa mưa, rác bị ướt không đốt được hoặc đốt không triệt để. Ước tính khoảng 40 - 50% rác đưa vào bãi chôn lấp không hợp
vệ sinh được đốt lộ thiên. Công nghệ đốt CTRSH với hệ thống, thiết bị đốt được thiết kế bài bản mới được áp dụng tại nhà máy đốt rác ở Tây Sơn (Hà Nội). Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đang có kế hoạch nhập dây chuyền công nghệ đốt chất thải có tận dụng nhiệt để phát điện trong thời gian tới.
- Rác hữu cơ sau khi được phân loại được đem tập trung tại bể ủ. Quá trình ủ được coi như quá trình lên men yếm khí mùn hoặc hoạt chất mùn. Sản phẩm thu hồi là hợp chất mùn không mùi, không chứa VSV gây bệnh và hạt
cỏ. Để đạt mức độ ổn định như lên men, việc ủ đòi hỏi năng lượng để tăng cao nhiệt độ của đống ủ. Trong quá trình ủ ôxy sẽ được hấp thụ hàng trăm lần
so với bể aeroten. Quá trình ủ áp dụng với chất hữu cơ không độc hại, lúc đầu
là khử nước, sau là xử lý cho đến khi nó thành xốp và ẩm. Độ ẩm và nhiệt độ được kiểm tra và giữ cho vật liệu ủ luôn ở trạng thái hiếu khí trong suốt thời gian ủ. Quá trình tự tạo ra nhiệt riêng nhờ quá trình ô xy hoá các chất thối rữa. Sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và các hợp chất hữu cơ bền vững như: lignin, xenlulo, sợi....
- Công nghệ Seraphin
Công nghệ Seraphin là công nghệ có thể xử lý hoàn toàn rác không được phân loại tại nguồn, mà không phải đốt hoặc chôn lấp, phù hợp với đặc điểm rác thải ở Việt Nam. Có thể tóm tắt quá trình xử lý rác bằng công nghệ Seraphin như sau:
Rác từ khu dân cư được đưa tới nhà tập kết nơi có hệ thống phun vi sinh khử mùi cũng như ôzôn diệt VSV độc hại.
Băng tải sẽ chuyển rác tới máy xé bông để phá vỡ mọi loại bao gói.
Rác tiếp tục đi qua hệ thống tuyển từ (hút sắt thép và các kim loại khác) rồi lọt xuống sàng lồng. Sàng lồng có nhiệm vụ tách chất thải mềm, dễ phân hủy, chuyển rác vô cơ (kể cả bao nhựa) tới máy vò và rác hữu cơ tới máy cắt. Trong quá trình vận chuyển này, một chủng VSV ASC đặc biệt được phun vào rác hữu cơ nhằm khử mùi hôi, làm chúng phân hủy nhanh và diệt một số tác nhân độc hại.
Rác hữu cơ được đưa vào buồng ủ trong thời gian 7 - 10 ngày. Buồng ủ có chứa
một chủng VSV khác làm rác phân hủy nhanh cũng như tiếp tục khử vi khuẩn. Rác biến thành phân khi được đưa ra khỏi nhà ủ, tới hệ thống nghiền sàng. Phân trên sàng được bổ sung một chủng vi sinh đặc biệt nhằm cải tạo đất và bón cho nhiều loại cây trồng, thay thế trên 50% phân hóa học. Phân dưới sàng tiếp tục được đưa vào nhà ủ trong thời gian 7 - 10 ngày.
Do lượng rác vô cơ khá lớn nên các nhà khoa học đã tiếp tục phát triển hệ thống xử lý phế thải trơ và dẻo, tạo ra một dây chuyền xử lý rác khép kín. Phế thải trơ và dẻo đi qua hệ thống sấy khô và tách lọc bụi tro gạch. Chúng tiếp tục đi qua tổ hợp băm cắt, phối trộn, sơ chế, gia nhiệt bảo tồn rồi qua hệ thống thiết bị định hình áp lực cao. Thành phẩm cuối cùng là ống panel, cọc gia cố nền móng, ván sàn, cốp pha, gạch bloc...
Cứ 1 tấn rác xử lý theo công nghệ này thành phẩm sẽ là 300 - 350 kg seraphin (chất thải vô cơ không hủy được) và 250 - 300 kg phân hữu cơ vi sinh. Loại phân này hiện đã được bán trên thị trường. Như vậy, qua các công đoạn tách lọc - tái chế, công nghệ Seraphin làm cho RTSH được chế biến gần 100% trở thành phân bón hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, vật liệu sản xuất
đồ dân dụng, vật liệu cho công nghiệp. Các sản phẩm này đã được cơ quan chức năng, trong đó có Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng kiểm định
và đánh giá là hoàn toàn đảm bảo về mặt vệ sinh và thân thiện môi trường.
Với công nghệ Seraphin, Việt Nam có thể xóa bỏ khoảng 52 bãi rác lớn, thu hồi đất bãi rác để sử dụng cho các mục đích xã hội tốt đẹp khác.
Hình 1.5: Sơ đồ quy trình kỹ thuật công nghệ xử lý rác thải Seraphin
(Nguồn: Nguyễn Xuân Thành và các cộng sự, 2010)
Như vậy, ta có thể tóm tắt các công nghệ xử lý rác thải ở Việt Nam như sau:
Hình 1.6 : Các công nghệ hiện đang được sử dụng để xử lý, tiêu hủy rác
thải rắn ở Việt Nam
Nguồn: Tổng cục môi trường tổng hợp 2008