3. Địa điểm, đối tương, phương pháp nghiên cứu
2.1.3. Phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh bán hiếu khí
2.1.3.1. Cơ chế của phương pháp chôn lấp bán hiếu khí
Về phương diện kỹ thuật của phương pháp chôn lấp bán hiếu khí, thay vì ủ chất thải rắn trong điều kiện kỵ khí hay cấp khí một cách cưỡng bức bằng máy thổi khí vào lớp rác, thì phương pháp chôn lấp bán hiếu khí sử dụng cơ chế phân hủy bán hiếu khí nghĩa là không khí vào lớp chôn lấp một cách tự nhiên. Không khí tự do đi vào lớp rác do sự chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài lớp rác, thông qua ống thu nước rác và ống lưu thông khí trong bãi rác có đục lỗ. Đầu ra của ống thu nước rác được đặt sao cho miệng ống tiếp xúc với không khí, để không khí bên ngoài có thể
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 35 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
đi vào đường ống một cách dễ dàng (hình 2.1). Và môi trường trong các lớp rác là môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật thiếu, vi sinh vật yếm khí hoạt động và phân hủy chất thải [39].
Hình 2. 1: Sơ đồ kiểu chôn lấp bán hiếu khí [29]
Về các phản ứng sinh hóa trong bãi chôn lấp bán hiếu khí tương tự như cơ chế của phương pháp chôn lấp yếm khí. Bãi chôn lấp bán hiếu khí chia thành 5 vùng từ trên xuống dưới đáy bãi [41]: vùng hiếu khí, vùng thiếu khí, vùng yếm khí, vùng thiếu khí và vùng hiếu khí. Nên các vi sinh vật hiếu khí, thiếu khí và yếm khí đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy và biến đổi các chất hữu cơ cũng như các hợp chất nitơ và phospho. Thành chắn bằng đất Hồ điều hòa nước rác Không khí Lớp chống thấm Hệ thống khuếch tán khí Lớp chống thấm Nước rác Ống thu nước rác Lớp sỏi Vùng khuếch tán khí Vùng thu nước rác Đất Phân hủy chất thải Lên men nhiệt Nhiệt độ khác nhau
trong/ngoài Dòng khí (vào/ra)
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 36 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Hình 2. 2 : Cơ chế loại bỏ chất hữu cơ của phương pháp chôn lấp bán hiếu khí [41]
Trong vùng hiếu khí và thiếu khí:
Các vi khuẩn hiếu khí và thiếu khí (đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí) qua quá trình tổng hợp tế bào và phân hủy nội sinh sẽ làm biến đổi và phân hủy các chất hữu cơ [41]. Cuối cùng, hầu hết các chất hữu cơ bị chuyển thành CO2 và H2O.
Chất hữu cơ + O2 + dinh dưỡng + VS tế bào mới + CO2 + NH3 + SO42- + H2O + … + Q
không khí nước rác
nước rác
khí
Phân hủy sinh học chất hữu cơ Chất hữu cơ
khó phân hủy VK hiếu khí
Hấp thu/Lắng đọng
Carbon vô cơ
VK bán hiếu khí VK yếm khí VK oxy hóa metan VK oxy hóa amoni
Đồng hóa/dị hóa
Vi sinh vật tự dưỡng
khí
nước rác Phân hủy sinh học hữu cơ
VK hiếu khí
Ống phân phối nước rác Lớp sỏi
Ống thu khí Lớp chất thải
Ống thu nước rác Bể chứa nước rác
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 37 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Trước tiên NH4+ sẽ được ôxi hóa thành NO2 (được thực hiện bởi Nitrosomonas), tiếp theo NO2 sẽ được ôxi hóa tiếp thành NO3 (được thực hiện bởi Nitrobacter), đây là các quá trình được thực hiện bởi các vi khuẩn tự dưỡng. Để đơn giản hóa ta thể hiện hai quá trình này dưới dạng phương trình tổng quát sau:
(11/20)NH4
+
+ (15/20)O2 + (4/20)CO2 + (1/20)HCO3
(10/20)NO3
+ (20/20)H+ + (9/20)H2O + (1/20)C5H7NO2
Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5 (NO3-
) về hóa trị 0 (N2). Trong điều kiện thiếu khí, NO3- sẽ đóng vai trò là chất oxy hóa, các vi sinh vật thiếu khí sẽ thực hiện quá trình khử nitrat sau:
(1/5)NO3 + (0,5/50)NH4 + + (2/50)C10H19NO3 + (0,5/50)HCO3 + (1/5)H+ (8/50)CO2 + (5/50)N2 + (16,5/50)H2O + (2,5/50)C5H7NO2
Trong vùng yếm khí và thiếu khí:
Các vi sinh yếm khí và thiếu khí đóng vai trò quan trọng trong vùng yếm khí và thiếu khí. Các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản hơn bởi các quá trình thủy phân, lên mem acid, quá trình acetat hóa. Và cuối cùng được chuyển thành CH4 và CO2 bởi quá trình metan hóa như các quá trình sinh hóa xảy ra trong bãi chôn lấp yếm khí [41].
2.1.3.2. Tốc độ ổn định của rác thải và chất lượng nước rác
Độ ổn định của bãi chôn lấp:
Độ ổn định của bãi chôn lấp thể hiện qua rất nhiều thông số như độ lún, nhiệt độ, khả năng phân hủy chất hữu cơ, … trong chất thải rắn, hay một số thông số trong
nước rác như COD, BOD, NH4+, … Khi bãi rác đã ổn định, có nghĩa là các thông số
trong rác và nước rác giảm và dao động trong khoảng giá trị nhỏ mà không có sự biến động lớn trong một thời gian dài.
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 38 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Một nghiên cứu cho thấy độ lún và tốc độ phân hủy chất hữu cơ của mô hình chôn lấp bán hiếu khí nhanh hơn mô hình yếm khí như hình 2.3 và biểu đồ 2.4.
Hình 2. 3: Sự thay đổi của tỷ lệ độ lún trong mô hình chôn lấp bán hiếu khí và yếm khí [42]
Hình 2. 4: Tốc độ phân hủy chất hữu cơ theo thời gian [40]
Điều này góp phần chứng minh phương pháp chôn lấp bán hiếu khí có thời gian ổn định nhanh hơn so với phương pháp chôn lấp yếm khí truyền thống.
Thời gian (ngày)
na ae
Kiểu chôn lấp hiếu Kiểu chôn lấp yếm
Thời gian (tháng) T ỷ l ệ đ ộ l ú n (% ) T ố c đ ộ p h ân h ủ y ( % )
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 39 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Chất lượng nước rác:
Chất lượng nước rác của 3 kiểu chôn lấp yếm khí, hiếu khí và bán hiếu khí được thể hiện rất rõ ở hình 2.5 và bảng 2.4. Qua hình 2.5, trong thời gian 1 năm hàm lượng BOD trong nước rác của kiểu chôn lấp bán hiếu khí đã giảm rất nhiều, trong khi BOD nước rác của kiểu chôn lấp yếm khí chưa có dấu hiệu sau 1,5 năm. Theo bảng 2.4, sau 24 tháng đóng bãi, nước rác của kiểu chôn lấp yếm khí có BOD gấp 200 – 400 lần, COD gấp 10 – 20 lần, NH4+ gấp 6 lần so với kiểu chôn lấp bán hiếu khí. Chất lượng nước rác được cải thiện đáng kể và ổn định nhanh hơn so với kiểu chôn lấp yếm khí, vì vậy, chi phí xử lý nước rác của phương pháp chôn lấp bán hiếu giảm đi đáng kể.
Hình 2. 5: So sánh hàm lượng BOD trong nước rác của các kiểu chôn lấp theo thời gian [40] Chôn lấp bán hiếu khí Chôn lấp yếm khí Chôn lấp hiếu khí
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 40 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Bảng 2. 4: Chất lượng nước rác của các kiểu chôn lấp [40]
Thông số Trong suốt vòng
đời chôn lấp Sau 24 tháng đóng bãi Yếm khí BOD COD NH4-N pH 40,000-50,000 40,000-50,000 800-1000 ~ 6.0 10,000-20,000 20,000-30,000 600 ~ 6.0 Hiếu khí BOD COD NH4-N pH 40,000-50,000 40,000-50,000 800-1000 ~ 6.0 200-300 1,000-2,000 500-600 ~ 7.0-7.5 Bán hiếu khí BOD COD NH4-N pH 40,000-50,000 40,000-50,000 800-1000 ~ 6.0 50 1,000 100 ~ 7.5-8.0
Chất lượng và số lượng khí tạo thành:
Khí tạo thành từ bãi chôn lấp bao gồm CO2, CH4, NH3, H2S, và các khí khác. CO2 và CH4 là khí nhà kính góp phần vào sự nóng lên toàn cầu, trong đó, CH4 đóng góp vào sự nóng lên toàn cầu nhiều gấp 21 lần so với CO2.
Theo nghiên cứu của Zhi-Yong Han, Dan Liu, Qi-Bin Li (2012) về chôn lấp bán hiếu khí [41], tốc độ phát sinh CO2 là 1,567 L/(h.m2) trong mùa đông và 1,467
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 41 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
L/(h.m2) trong mùa hè, trong khi đó, tốc độ phát sinh CH4 là 0,303 L/(h.m2) vào
mùa hè và CH4 không được phát hiện trong mùa đông.
Theo nghiên cứu của Huang Qifei, Yang Yufei, Pang Xiangrui, Wang Qi (2007), về khí bãi chôn lấp bán hiếu khí trong một thí nghiệm kéo dài 52 tuần với quy mô
phòng thí nghiệm, lượng CH4 (Methane) phát sinh khoảng 7 – 13% thể tích, lượng
CO2 (Carbon dioxide) chiếm 19 – 28% thể tích và O2 (Oxygen) chiếm 3 – 8% thể
tích theo hình 2.6. Trong 8 tuần đầu tiên, CH4 chiếm 13% thể tích ít hơn so với CO2
(chiếm 28% thể tích) 2,2 lần và sau 52 tuần, CH4 chiếm 5% thể tích ít hơn so với CO2 (chiếm 19% thể tích) 3,8 lần. H àm l ư ợ n g ( % th ể tí ch ) N h iệ t đ ộ ( 0 C)
Thời gian (tuần)
Hình 2. 6: Biến đổi của các thành phần khí bãi chôn lấp trong bãi chôn lấp bán hiếu khí [27]
Bên cạnh đó, Jica cho rằng phương pháp chôn lấp bán hiếu khí có thể giảm khí nhà kính nhiều hơn khoảng 40% so với phương pháp chôn lấp yếm khí [29].
Có thể thấy rõ hơn qua nghiên cứu của Yasushi Matsufuji, Masataka Hanashima, Syuji Nagano và Ayako Tanaka (1993), biểu hiện qua hình 2.7.
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 42 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Trong đó:
- Aerobic type: Kiểu chôn lấp hiếu khí
- Semi-aerobic type: Kiểu chôn lấp bán hiếu khí
- Recirculatory type: Kiểu chôn lấp bán hiếu khí tuần hoàn nước rác
- Anaerobic type: Kiểu chôn lấp yếm khí
Hình 2. 7: Lượng CO2 và CH4 phát sinh của các kiểu bãi chôn lấp theo thời gian (năm) [40]
Như vậy có thể khẳng định rằng, chôn lấp theo kiểu bán hiếu khí góp phần giảm khí nhà kính gây biến đổi khí hậu toàn cầu.
2.1.3.3. Duy trì vận hành bãi chôn lấp và sử dụng sau đóng bãi
Quy trình duy trì vận hành bãi chôn lấp bán hiếu khí tương tự như duy trì vận hành bãi chôn lấp yếm khí. Chất thải rắn sau khi được thu gom được đổ vào ô chôn lấp thành từng lớp riêng rẽ theo quy định, độ dày mỗi lớp không quá 60cm, đầm nén từng lớp rồi tiếp tục trải theo từng đợt. Có thể phun các hóa chất làm tăng khả năng phân hủy của rác. Khi độ cao gò rác đạt 2,5m thì đổ một lớp đất dày 30cm. Đất phủ là đất đào làm đáy bãi hoặc đất có sẵn hoặc các vật liệu sẵn có ở khu vực hoặc ở vùng lân cận có thể sử dụng làm vật liệu phủ, tạo độ dốc 2%. Mỗi gò rác cần phải kết thúc trước khi bắt đầu gò tiếp theo. Khi vận hành nên chia theo từng khu vực nhỏ để xử lý, đảm bảo kiểm soát tốt, điều này có thể hạn chế chất thải tiếp xúc
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 43 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
nhiều với không khí, gió, và hạn chế được mùi hôi phát tán nhiều trong không khí cũng như các sinh vật tìm kiếm thức ăn trên bãi rác – mà chúng có thể là nguồn gây bệnh truyền nhiễm cho con người và vật nuôi.
Thời gian đóng bãi chôn lấp bán hiếu khí thường dài hơn so với kiểu chôn lấp yếm
khí, do chúng ta có tái thể sử dụng lại ô chôn lấp sau khi chất hữu cơ trong rác đã
phân huỷ ổn định. Chất thải rắn sau khi đã ổn định có một số đặc điểm: ít mùi hơn,
khô hơn, ít độc hại hơn, ít vi sinh vật gây bệnh hơn. Rác được sàng, tiến hành phân
loại, sau đó tái chế hoặc tái sử dụng. Một phần chất thải không sử dụng được cho
mục đích vào khác sẽ được quay lại ô chôn lấp. Chính vì vậy, vòng đời của bãi chôn
lấp hiếu khí dài hơn so với bãi chôn lấp yếm khí.
Hình 2. 8: Hình ảnh bãi chôn lấp được sử dụng làm các công trình công cộng sau khi đóng bãi
Công viên thể thao
Đất nông nghiệp
Nông trại sạch Nhà máy xử lý
nước thải Trường học cho
trẻ em khuyết tật
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 44 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Bãi chôn lấp bán hiếu khí sau khi đóng bãi nguy cơ về cháy nổ giảm 54% so với chôn lấp yếm khí. Bên cạnh đó, cần đảm bảo hệ thống thu khí hoạt động tốt để sau khi đóng bãi, có thể xây dựng các công trình công cộng trên bãi thải. Hình ảnh ở bãi rác West (Natkaa), Nhật ở hình 2.8.
2.1.3.4. Chi phí đầu tư, vận hành, đóng bãi chôn lấp bán hiếu khí
Chi phí đầu tư, vận hành và đóng bãi chôn lấp tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng, từng quốc gia mà chi phí sẽ khác nhau. Phân tích của Theng Lee Chong, Yasushi Matsufuji, Mohd Nasir Hassan (2005) về chi phí đầu tư, vận hành và đóng bãi chôn lấp tại Malaysia với bãi chôn lấp có diện tích 15 ha và 1.556.279 tấn chất thải (không có lớp chống thấm HDPE) thể hiện ở các biểu đồ và bảng sau.
Hình 2. 9: Chi phí đầu tư bãi chôn lấp [36] Đất và ĐTM
Hệ thống thu gom nước mặt Văn phòng và trạm cân Đất phủ Hệ thống quan trắc Gara và trạm rửa xe Hệ thống thu gom nước rác Hệ thống mương, rãnh Hệ thống thu gom khí Hệ thống đường xá
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 45 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Hình 2. 10: Chi phí vận hành bãi chôn lấp [36]
Hình 2. 11: Chi phí đóng bãi [36] Nhân lực
Máy móc thiết bị Chi phí khác
Đất phủ hàng ngày
Các công trình phụ trợ Phân tích nước rác Chi phí duy trì USD
Chi phí lớp phủ trên cùng Chi phí duy trì
Chi phí trồng thảm thực vật Chi phí quan trắc (trong 10 năm)
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 46 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
Bảng 2. 5: Phân tích chi phí – lợi ích việc đầu tư bãi chôn lấp bán hiếu khí [36]
Chi phí đầu tư Chi phí vận hành Chi phí đóng bãi
Chi phí (USD) 1.312.895 11.132.536 1.385.526
Chi phí trung bình/tấn chất
thải (USD/tấn) 0,84 7,15 0,89
Tổng doanh thu (USD) 15.565.706
Tổng chi phí (USD) 13.830.957
Chi phí trung bình/tấn chất
thải (USD/tấn) 8,89
Lợi nhuận thuần (USD) 1.734.749
Ở Việt Nam, chi phí xử lý chất thải rắn theo phương pháp chôn lấp với kỹ thuật yếm khí khoảng 5 - 13 USD/tấn (quy đổi theo tỷ giá hiện tại) [49]. Theo bảng 2.5 về phân tích chi phí – lợi ích việc đầu tư bãi chôn lấp bán hiếu khí của Theng Lee Chong, Yasushi Matsufuji, Mohd Nasir Hassan (2005) [36], chi phí trung bình để xử lý chất thải theo phương pháp bán hiếu khí là 8,89 USD/tấn. Chi phí này năm trong khung chi phí 5 – 13 USD/tấn ở Việt Nam, nên phần chi phí có thể nói là hoàn toàn phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Nghiên cứu về chi phí – lợi ích (bảng 2.5) của việc xây dựng một bãi chôn lấp bán hiếu khí hợp vệ sinh là một thông tin rất quan trọng, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển, đây là một cái nhìn khái quát giúp cho các cấp chính quyền cân nhắc và quyết định đầu tư bãi chôn lấp rác vừa bảo vệ môi trường vừa thu lợi ích từ rác thải.
HDKH: PGS. TS. Cao Thế Hà 47 Học viên: Nguyễn Việt Hà – K18
