VI. Ý NGHĨA KHOA HỌC, TÍNH MỚI VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
2.1. THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CTRSH
2.1.1. Thành phần CTRSH
Thành phần chất thải rắn là một trong những thông số quan trọng nhất dùng ựể thiết kế, lựa chọn thiết bị, tắnh toán nhân lực, và vận hành hệ thống kỹ thuật quản lắ chất thải rắn.
CTRSH thành phố Hồ Chắ Minh có thành phần phức tạp, không ựồng nhất và bao gồm nhiều loại:
- Chất thải thực phẩm: là phần còn lại của ựộng vật, trái cây và rau quả thải ra trong quá trình lưu trữ, chế biến và tiêu thụ thực phẩm. Tắnh chất của loại chất thải này là có khả năng thối rữa cao và phân hủy rất nhanh, gây mùi hôi thối, ựặc biệt trong ựiều kiện nhiệt ựộ cao (30- 340C) và ựộ ẩm cao của thành phố Hồ Chắ Minh (80- 90%);
- Chất thải ựặc biệt: bao gồm rác quét ựường, xác ựộng vật,Ầ
- Chất thải nông nghiệp: sinh ra trong các hoạt ựộng sản xuất nông nghiệp. Chất thải này bao gồm rơm rạ, sản phẩm chế biến, chất thải từ các lò mổ heo, bò,Ầ..
Bên cạnh các loại chất thải hữu cơ, CTRSH còn có thể chứa các loại chất thải nguy hại.
Cũng như nhiều ựô thị và thành phố trong nước và trên thế giới, thành phần CTRSH của thành phố Hồ Chắ Minh nói chung, đNN Cần Giờ nói riêng khá phức tạp, bao gồm nhiều thành phần tùy thuộc vào mục ựắch phân loại.
Thành phần CTRSH của các nguồn thải không ựồng nhất, tuỳ thuộc vào tắnh chất của từng nguồn thải. Nguồn chất thải rắn có tỷ lệ chất thải thực phẩm cao nhất là nguồn thải từ các nhà hàng, khách sạn và các chợ thực phẩm (76-99%), rác hộ gia ựình (61- 97%), rác thải trường học (24-76%), ngoài ra còn có rác thải sinh hoạt (một số nơi lẫn cả chất thải sản xuất) từ các nhà máy, các cơ sở tiểu thủ công nghiệp trong phạm vi ựô thịẦ..Thành phần chất thải thực phẩm có trong chất thải rắn sẽ là một trong những yếu tố quyết ựịnh công nghệ sản xuất phân compost.
Chất thải thực phẩm có thể ựược phân loại ựể sản xuất phân compost và khắ methane. Trong thành phần CTRSH tại các bãi chôn lấp (BCL), chất thải thực phẩm chiếm tỉ lệ rất cao. Do ựó, nếu có thể tái sử dụng toàn bộ lượng rác thải này thì vấn ựề nan giải về diện tắch chôn lấp và những khó khăn trong giải quyết các vấn ựề môi trường tại các bãi chôn lấp sẽ hầu như không ựáng kể. Hầu hết các hệ thống sản xuất phân compost ựều bắt ựầu từ việc phân loại các vật liệu có khả năng tái chế, kim loại, những chất ựộc hại, sau ựó nghiền nhỏ ựến kắch thước thắch hợp và tách các thành phần tạp chất khác (nếu cần). Sản phẩm của quá trình sản xuất compost thường dùng làm chất cải tạo ựất. Tuy nhiên, do quá trình phân loại không triệt ựể, trong thành phần rác thực phẩm làm phân compost thường lẫn thủy tinh và nylon làm sản phẩm kém giá trị. Ở một số nơi, sản phẩm compost thường ựược dùng làm vật liệu che phủ BCL.
Bảng 2.1. Giới thiệu % khối lượng các thành phần CTRSH. Trong thành phần hoá học CTRSH có chứa các nguyên tố: Cacbon, Hydro, Nitơ, lưu huỳnh, troẦ
Bảng 2-1. Thành phần CTRSH và % khối lượng tương ứng
% khối lượng Thành phần
Khoảng dao ựộng Trung bình Chất hữu cơ 1. Thực phẩm 2. Giấy 3. Carton 4. Plastic 5. Vải 6. Cao su 7. Da 8. Rác vườn 9. Gỗ 6 - 18 25 - 40 3 - 10 4 - 10 0 - 4 0,2 0,2 5 - 20 1 - 4 9,0 34 6,0 7,0 2,0 0,5 0,5 18,5 2,0
Chất vô cơ 10.thủy tinh 11.Can, hộp thiết 12.Nhôm 13.Kim loại khác 14.Tro, bụiẦ 4 - 12 2 - 8 0 - 1 1 - 4 0 - 6 8,0 6,0 0,3 3,0 3,0 Tổng cộng 100 Nguồn: [15],[54] 2.1.2. Tắnh chất của CTRSH Tắnh chất vật lý:
- Khối lượng riêng của CTR là khối lượng của CTR trên một ựơn vị thể tắch (kg/m3), thay ựổi tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý của chúng và nhiều yếu tố khác, thường dao ựộng từ 180 Ờ 400 kg/m3, ựiển hình là 300 kg/m3 (Nguồn: tài liệu Viện Môi Trường & Tài Nguyên).
- độ ẩm là lượng nước chứa trong một ựơn vị trọng lượng chất thải ở dạng nguyên thủy. độ ẩm là yếu tố quan trọng trong việc làm thay ựổi trọng lượng riêng của CTR.
- Kắch thước và sự phân bố kắch thước hạt của các thành phần trong CTR ựóng vai trò rất quan trọng trong việc tắnh toán và thiết kế các phương tiện cơ khắ trong thu hồi vật liệu.
- Khả năng giữ nước thực tế của CTR là khối lượng nước có thể giữ lại trong mẫu CTR dưới tác dụng của trọng lực. Nước ựi vào mẫu CTR vượt quá khả năng giữ nước sẽ thoát ra tạo thành nước rò rỉ. Khả năng giữ nước của hỗn hợp CTRđT (không nén) là 50 Ờ 60%.
Tắnh chất hóa học
- Chất rắn dễ bay hơi (VS) là khối lượng bị mất khi ựem mẫu CTR ựã sấy ở 105oC trong 1 giờ nung ở nhiệt ựộ 550oC trong lò kắn. Phần bay hơi là phần chất hữu cơ trong CTR. Thông thường, VS dao ựộng khoảng 40 Ờ 60%, trung bình là 53%. - Cacbon cố ựịnh là lượng cacbon còn lại sau khi ựã loại các chất vô cơ khác không
phải là cacbon trong tro khi nung ở 905oC, hàm lượng này thường chiếm từ 5 Ờ 12%, trung bình là 7%. đối với CTRđT, các chất vô cơ như thủy tinh, kim loại chiếm từ 15 Ờ 30%, trung bình là 20%. Tro là phần còn lại sau khi ựốt cháy trong lò.
điểm nóng chảy của tro ựược ựịnh nghĩa là nhiệt ựộ mà tại ựó tro tạo thành từ quá trình ựốt cháy chất thải bị nóng chảy và kết dắnh tạo thành dạng rắn (xỉ). Nhiệt ựộ nóng chảy ựặc trưng khoảng từ 1100 Ờ 1200oC.
- Nhiệt trị của CTR là lượng nhiệt sinh ra do ựốt cháy hoàn toàn một ựơn vị khối lượng CTR, có thể xác ựịnh bằng các phương pháp: sử dụng nồi hơi có thang ựo nhiệt lượng, sử dụng bom nhiệt lượng trong phòng thắ nghiệm, tắnh toán theo thành phần nguyên tố hoá học.
- Thành phần nguyên tố tạo thành CTR: kết quả phân tắch ựược sử dụng ựể mô tả các thành phần hoá học của chất hữu cơ trong CTR, có vai trò rất quan trọng trong việc xác ựịnh tỉ số C/N nhằm ựánh giá CTR có thắch hợp cho quá trình chuyển hoá sinh học hay không.
Tắnh chất sinh học:
- Tắnh chất quan trọng nhất của CTRSH là hầu hết các thành phần hữu cơ có thể ựược chuyển hoá sinh học thành khắ, chất hữu cơ ổn ựịnh và các chất vô cơ. Hàm lượng lignin (LC) của CTR có thể ựược sử dụng ựể ước lượng tỉ lệ phần dễ phân hủy sinh học của CTR.
- Mùi hôi phát sinh khi CTR ựược lưu giữ trong thời gian dài ở vị trắ thu gom, trạm trung chuyển, bãi chôn lấp. Ở vùng khắ hậu nóng ẩm, tốc ựộ phát sinh mùi thường khá cao.
- Phần hữu cơ (không kể nhựa, cao su, da) của hầu hết CTR có thể ựược phân loại về phương diện sinh học như sau:
+ Các phân tử có thể hòa tan trong nước như: ựường, tinh bột, amino axit và nhiều acid hữu cơ;
+ Bán xenlulo: các sản phẩm ngưng tụ của ựường 5 và ựường 6 cacbon;
+ Xenlulo: sản phẩm ngưng tụ của ựường glucose 6 cacbon;
+ Dầu, mỡ, và sáp: là những este của alcohols và acid béo mạch dài;
+ Lignin: một polyme chứa các vòng thơm với nhóm metoxyl (-OCH3);
+ Lignoxenlulo: là kết hợp của lignin và xenlulo.
+ Protein: chất tạo thành từ sự kết hợp chuỗi các amino axit.
lượng lignin trong tế bào gỗ khác nhau vào khoảng 18ọ30% khối lượng khô, trong các loại cỏ thì tỷ lệ ựó chiếm thấp hơn khoảng 10ọ20% khối lượng khô. Lignin tập trung ở màng thứ cấp của thành tế bào và là phần có khả năng phân hủy sinh học chậm nhất của thực vật, có vai trò như chất liên kết các tế bào, do ựó làm tăng ựộ bền cơ học cho thành tế bào thực vật, tăng khả năng chống thấm, ngăn chặn sự thất thoát nước, các tác ựộng bên ngoài và bảo vệ thực vật chống chọi với các sinh vật gây bệnh.
Lignin có thành phần phức tạp và ựồng nhất. Sự phức tạp ở ựây không phải là do có nhiều ựơn phân khác nhau cấu tạo thành (các ựơn phân cơ bản ựều là dẫn xuất của phenyl propane, chủ yếu là rượu conuferyl) mà do tắnh ựa dạng của các hợp chất, nhờ ựó mà các ựơn phân ựược liên kết chặt với nhau.
Thành phần của lignin gồm khoảng 62ọ65% C, 5 ọ6% H, nhiều nhóm metoxyl (- OCH3) và nhiều nhóm hydroxyl (-OH) tự do. Ở các loài thực vật khác nhau thì bản chất của những nguyên tố cấu trúc lignin cũng khác nhau.
Lignin ựược sinh tổng hợp bởi sự polyme hóa các tiền chất phenylpropanoic. Có ba loại tiền chất ựược phân loại tùy theo số lượng nhóm metoxyl trên vòng thơm, ựược mô tả bằng các công thức hóa học sau:
2.1.3. Các thông số cơ bản của CTRSH
a. Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của CTR ựược tắnh bằng kg/m3 là trọng lượng của CTR trên một ựơn vị thể tắch thay ựổi phụ thuộc vào trạng thái vật l ý như: tắnh xốp, trạng thái nén và không nén, và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như mùa mưa, thời gian lưu trữ CTR,Ầ
b.độ ẩm
độ ẩm của CTR ựược tắnh bằng % trọng lượng và ựược tắnh theo công thức: a = 100% 0 1 0 − ừ m m m Trong ựó: a - độ ẩm, % khối lượng;
mo - Khối lượng mẫu CTR ban ựầu (kg)
m1 - Khối lượng mẫu sau khi sấy khô ở 105oC trong 24 giờ (kg).
độ ẩm của thành phần hữu cơ trong CTRSH thường cao hơn so với thành phần vô cơ, vắ dụ: ựộ ẩm thực phầm thừa 70%, rác vườn 60%, vải vụn 10%,Ầ trong khi thành phần vô cơ: thủy tinh 2%, nhôm 2%, can thiếc 3%,Ầ
c. độ thấm
độ thấm nước của CTR ựược ựặc trưng bằng hệ số thấm K thường ựược tắnh bằng m2/s .
độ thấm riêng của CTR sau nén trong bãi rác dao ựộng từ 10-11 m2/s ựến 10-12 m2/s theo phương ngang.
d. Kắch thước và sự phân bố kắch thước của CTR
Thông số này có ý nghĩa quan trọng phục vụ cho tắnh toán thiết kế các thiết bị: sàng phân loại, phân loại từ tắnh.
2.1.4. Khả năng phân hủy sinh học của các TPHC trong CTRSH thông qua các thông số VS và BF thông số VS và BF
Hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), xác ựịnh bằng cách nung CTR ở nhiệt ựộ 550oC, thường ựược dùng ựể ựánh giá khả năng phân hủy sinh học của phần hữu cơ trong CTR. Tuy nhiên, sử dụng giá trị VS ựể mô tả khả năng phân hủy sinh học của phần hữu cơ trong CTR có thể không chắnh xác, bởi vì một vài thành phần hữu cơ của CTR rất dễ bay hơi nhưng lại kém khả năng phân hủy sinh học, như giấy báo và phần xén bỏ từ cây trồng. Thay vào ựó, hàm lượng lignin của CTR có thể ựược sử dụng ựể ước lượng tỷ lệ phần dễ phân hủy sinh học (BF) của CTR, và ựược tắnh toán bằng công thức sau [49],[54]:
BF = 0,83 Ờ 0,028 LC (2-2) (2-1)
Trong ựó:
BF - Tỷ lệ phân hủy sinh học tắnh theo VS; 0,83 và 0,028 - Hằng số thực nghiệm;
LC - Hàm lượng lignin của VS, biểu diễn bằng % khối lượng khô.
CTRSH có hàm lượng lignin cao như giấy báo, có khả năng phân hủy sinh học kém hơn ựáng kể so với các chất thải hữu cơ khác trong CTRSH. Trong thực tế, các thành phần hữu cơ trong CTRSH thường ựược phân thành hai loại: phân hủy chậm và phân hủy nhanh.
Bảng 2-2. Khả năng phân hủy sinh học của các chất hữu cơ theo % kl lignin
Thành phần Phần CTR bay hơi tắnh theo chất khô (VS/TS), %kl Hàm lượng lignin/VS (LC/VS), %kl Phần phân hủy sinh học tắnh theo VS, %kl Thực phẩm thừa 7 ọ 15 0,4 0,82 Giấy Giấy báo 94,0 21,9 0,22 Giấy văn phòng 96,4 0,4 0,82 Giấy cacton 94,0 12,9 0,47 Rác vườn 50 ọ 90 4,1 0,72 Nguồn: [15],[54]
2.2. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG CTRSH
Quá trình phân hủy sinh học các TPHC dưới sự tham gia của vi sinh vật xảy ra trong các ựiều kiện môi trường khác nhau: kỵ khắ, hiếu khắ và thiếu khắ cùng với các yếu tố ảnh hưởng ựến quá trình ựó.
2.2.1. Quá trình phân hủy sinh học TPHC trong ựiều kiện kỵ khắ
Phân hủy kỵ khắ là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có oxy ở ựiều kiện nhiệt ựộ từ 30 ọ 65oC với sự tham gia của VSV kỵ khắ. Sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khắ là khắ sinh học (chủ yếu là CH4 và CO2). Khắ sinh học có thể thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và bùn ựã ựược ổn ựịnh về mặt sinh học, có thể sử dụng như nguồn bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng.
Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của CTRSH dưới ựiều kiện kỵ khắ xảy ra theo 3 giai ựoạn:
− Thủy phân: Các chất hữu cơ phức tạp bị thủy phân thành các chất ựơn giản dưới tác dụng của các Enzym thủy phân ựược VSV tiết ra;
− Lên men axit (còn gọi là lên men hydro): Giai ựoạn này các chất ựơn giản từ quá trình thủy phân sẽ ựược phân hủy thành các axit: butyric, axetic, propionic pH ở giai ựoạn này nhỏ hơn 7. VSV tham gia ở giai ựoạn này ở dạng tùy nghi hay kỵ khắ;
− Lên men mêtan (lên men kiềm): Dưới sự tham gia của VSV mêtan sẽ phân hủy các axit của giai ựoạn 2 thành khắ sinh học gồm chủ yếu là CH4 và CO2. Giai ựoạn này giá trị pH lớn hơn 7.
Trong quá trình phân hủy kỵ khắ, nhiều loại VSV kỵ khắ cùng tham gia quá trình chuyển hóa phần chất hữu cơ của CTR thành sản phẩm cuối bền vững. Một nhóm VSV có nhiệm vụ thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử và lipid thành các thành phần xây dựng cấu trúc như acid béo, monosacharic, animo acid và các hợp chất liên quan. Nhóm VSV kỵ khắ thứ hai gọi là nonmetanogenic (gồm các VSV kỵ khắ tùy tiện và VSV kỵ khắ bắt buộc) lên men các sản phẩm ựã cắt mạch của nhóm một thành các acid hữu cơ ựơn giản mà chủ yếu là acetic acid.
Nhóm VSV thứ ba chuyển hóa hydro và acetic acid thành khắ CH4 và CO2. VSV metan hóa chỉ có thể sử dụng một số cơ chất nhất ựịnh ựể chuyển hóa thành metan như CO2 + H2, fomat, axetat, metanol, metylamin và CO. Các phương trình chuyển hóa xảy ra như sau:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH → CH4 + CO2 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
Một cách tổng quát, quá trình chuyển hóa kỵ khắ phần chất hữu cơ có trong CTRSH có thể mô tả bằng phương trình:
CaHbOcNdSe + 4 2 3 2 4a−b− c+ d+ e H2O = 8 2 3 2 4a+b− c− d − e CH4 + 8 2 3 2 4a−b+ c+ d− e CO2 + dNH3 + eH2S
Khắ sinh học thu ựược có nhiệt trị khá cao: 4.000 Ờ 6.000 Kcal/m3, riêng khắ CH4 ựến 9.000 Kcal/m3.
Như vậy, quá trình phân hủy kỵ khắ làm mất Nitơ do sản phẩm của quá trình tạo thành NH3 và cũng mất lưu huỳnh do tạo thành H2S.
để dự ựoán tốc ựộ sinh khắ, có thể giả sử rằng chất hữu cơ trong CTR sinh hoạt ựô thị bao gồm nhiều phần. Phương trình biểu diễn tốc ựộ khử cơ chất trong quá trình phân hủy kỵ khắ phần chất hữu cơ của CTRSH gồm 2 hợp chất ựược biểu diễn như sau:
( 1 1 2 2) 2 1 kS k S dt dS dt dS dt dS r = + + − =