Thứ nhất, thử nghiệm đánh giá khả năng áp dụng cơng nghệ phân hủy kỵ khí để thu hồi năng lượng từ CTRSH TP. Hồ Chí Minh.
Thứ hai, nghiên cứu khả năng áp dụng cơng nghệ kết hợp kỵ khí, hiếu khí để xử lý rác thải, kết hợp thu hồi năng lượng và phân compost từ CTRSH TP. Hồ Chí Minh.
Thứ ba, xây dựng cơ sở ban đầu cho các tiêu chuẩn thiết kế cơng nghệ xử lý CTRSH kết hợp thu hồi năng lượng qui mơ 200 tấn/ngày cho TP. Hồ Chí Minh và khu vực phía Nam.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC CƠNG NGHỆ XỬ LÝ CTRSH CĨ THU HỒI NĂNG LƯỢNG VÀ VẬT CHẤT CHỦ YẾU TRÊN THẾ GIỚI 2.1. Các quá trình xử lý CTRSH cơ bản
Các cơng nghệ xử lý rác thải sinh hoạt chủ yếu đang được áp dụng trên Thế giới gồm chơn lấp, xử lý sinh học và xử lý nhiệt, đã cĩ rất nhiều nghiên cứu chuyên sâu trong mọi lĩnh vực cơng nghệ trên được chuyển sang áp dụng trên thực tế. Trước sức ép ngày càng gia tăng của lượng rác phát thải, khả năng cạn kiệt các nguồn tài nguyên thiên nhiên và gia tăng lượng khí gây hiệu ứng khí nhà kính ... xu hướng giảm thiểu lượng rác phát thải, thu hồi nguyên liệu, năng lượng từ rác song song với giảm thiểu các rủi ro đến mơi trường và sức khỏe cộng đồng do hoạt động xử lý rác ngày càng được chú trọng.
Nhìn chung, sơđồ tổng quát về các quá trình xử lý rác thải sinh hoạt hiện đang được áp dụng trên thế giới như sau:
RÁC THẢI SINH HOẠT Phân Loại Xử lý nhiệt Thiêu đốt Khí hóa Nhiệt phân Hữu cơ có thể phân hủy sinh học
Phân hủy kỵ khí Ủ hiếu khí Kết hợp Tái chế Chôn lấp Hình 2.1. Các quá trình xử lý CTRSH cơ bản
Trong các quá trình thể hiện trong sơđồ trên, quá trình phân hủy sinh học kỵ khí các thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt là quá trình phân hủy sinh học cho phép kết hợp thu hồi năng lượng từ rác thải ngồi các quá trình khác như phân hủy nhiệt. Quá trình chơn lấp rác thải sinh hoạt (bao gồm cả các thành phần hữu cơ) cũng cĩ thể cho phép thu hồi năng lượng nhưng hiệu suất thấp hơn so với quá trình phân hủy sinh học kỵ khí.
2.2. Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thành phần hữu cơ trong rác thải sinh hoạt sinh hoạt
Phân hủy kỵ khí xảy ra tự nhiên ở bất cứ nơi nào cĩ hàm lượng cao các chất hữu cơ ẩm được tích tụ trong trường hợp thiếu oxy hịa tan. Các vi khuẩn kỵ khí phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo ra CO2 và CH4. Quá trình này được thực hiện bởi sự phối hợp chuyển hĩa của một vài nhĩm vi khuẩn kỵ khí. Khí CH4 cĩ thể thu gom và sử dụng như một nguồn nguyên liệu (biogas). Chất rắn ổn định cịn lại chiếm 40-60% khối lượng nguyên liệu ban đầu, cĩ thể sử dụng làm phân bĩn. Quá trình phân hủy kỵ khí rác thải sinh hoạt bao gồm 3 giai đoạn chính như sau: Thủy phân - Acid hĩa - Sinh methane.
Quá trình phân hủy rác thải bằng cơng nghệ kỵ khí cĩ thể xảy ra ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau và sản lượng khí biogas sinh ra cũng khác nhau.
• Điều kiện nhiệt độ thường (Mesophilic): 20 - 40oC.
• Điều kiện hiếu nhiệt (Thermophilic): > 45oC.
Giai đoạn thủy phân
Giai đoạn đầu của quá trình hủy kỵ khí là quá trình thủy phân: Các vi khuẩn lên mem chuyển hĩa các hợp chất hữu cơ mạch dài và phức tạp như cellulose thành các phân tử mạch ngắn nhưđường, amino acid và acid béo bay hơi. Các hợp chất phức tạp sẽ thủy phân thành các monomer, cellulose chuyển hĩa thành đường hoặc rượu, protein chuyển hĩa thành peptides hoặc amino acid bởi các enzyme thủy phân (lipases, proteases, cellulases,…). Quá trình thủy phân sẽ phân hủy phần lớn các hợp chất hữu cơ thải bỏ. Bên cạnh đĩ, việc sử dụng hĩa chất cho quá trình thủy phân sẽ làm thời gian phân hủy rác xảy ra nhanh hơn và sản lượng methane đạt được cũng cao hơn (RISE - AT, 1998). Các phản ứng của giai đoạn thủy phân:
Lipids → Acid béo bay hơi
Polysaccharieds → Monosacchrides Protein → Amino acids
Nucleic acids → Purines & pyrimidines
Giai đoạn acid hĩa
Giai đoạn acid hĩa được thực hiện bởi các loại vi khuẩn thuộc nhĩm tạo acid. Các vi khuẩn sẽ chuyển hĩa các sản phẩm của giai đoạn thủy phân thành các acid
hữu cơ, carbon dioxide và hydrogen. Các acid hữu cơ bao gồm acid Acetic (CH3COOH), acid propionic (CH3CH2COOH), acid butyric (CH3CH2CH2COOH) và ethanol (C2H5OH). Các vi khuẩn tham gia vào quá trình acid hĩa là:
syntrophobacter wolinii, clostridium spp, peptococcus anerobus, lactobacillus và actinomyces (www.biogasworks.com-microbes in AD). Các phản ứng như sau:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Giai đoạn sinh methane
Cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí rác thải sinh hoạt là giai đoạn sinh methane. Giai đoạn sinh methane cĩ sự tham gia của các vi khuẩn sinh methane như
methanosaeta, methanosarcina, methanobacterium, methanobrevibacter, methanococcus, methanothrix, methanobacillus. Các phản ứng của quá trình sinh methane được mơ tả như sau:
CH3COOH → CH4 + CO2
2C2H5OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
2.3. Một số cơng nghệ kỵ khí xử lý rác thải
Trên thực tế, sơ đồ xử lý CTRSH bằng cơng nghệ kỵ khí cĩ thể được trình bày trong sơđồ tổng quát ở hình 2.2. dưới đây:
Hình 2.2. Sơđồ xử lý CTRSH bằng phương pháp sinh học kỵ khí
Các dạng cơng nghệ kỵ khí xử lý rác thải hiện đang áp dụng trên thế giới được phân loại như sau:
2.3.1. Phân loại chung
Theo mơi trường phản ứng
• Ướt - Rác thải ở dạng huyền phù với lượng nước được cung cấp nhằm pha lỗng rác đến tỷ lệ 10 - 15% TS.
• Khơ - Hàm lượng TS trong rác đem phân hủy trong khoảng 20 - 40%.
Theo mơi trường cấp liệu
• Mẻ - Hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ.
• Liên tục - Hệ thống làm việc liên tục.
Theo phân đoạn phản ứng
• Một giai đoạn: Tồn bộ quá trình xảy ra trong một thùng phản ứng.
CTRSH Phân loại Phân hủy kỵ khí Chơn lấp Biogas Chất hữu cơ Bùn hữu cơ, chất thải nơng nghiệp Cải tạo đất Bĩn ruộng nếu được chấp nhận Ủ hiếu khí để chuyển thành phân bĩn hữu cơ
• Đa giai đoạn: Tồn bộ quá trình xảy ra ở nhiều thùng phản ứng mắc nối tiếp theo một hoặc cả hai chế độ axít hĩa và mêtan hĩa được vận hành ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ cao với mục đích làm gia tăng tính hiệu quả, tính ổn định và khả năng kiểm sốt.
Theo nguyên liệu đầu vào
• Phân hủy kết hợp với phân động vật: Thành phần hữu cơ trong rác thải đơ thịđược trộn với phân động vật và phân hủy kết hợp với nhau. Quá trình này cải thiện tỷ lệ C/N và tăng lượng khí sinh ra.
• Chỉ phân hủy rác thải đơ thị: Thành phần nguyên liệu ban đầu chỉ cĩ thành phần hữu cơ của rác thải đơ thị.
2.3.2. Các dạng cơng nghệđiển hình
• Các dạng bể phản ứng được dùng nhiều nhất trên quy mơ cơng nghiệp là bể phản ứng một giai đoạn. Hiện nay, các thiết kế bể phản ứng dạng này được nâng cấp đểđáp ứng các yêu cầu ngày càng gia tăng của thị trường.
• Các hệ thống hai hay nhiều giai đoạn bắt đầu đĩng vai trị quan trọng trong xử lý rác thải cơng nghiệp cùng với rác hữu cơ và độ vệ sinh an tồn cao.
• Các hệ thống mẻ cần cĩ cải tiến rõ hơn. Tuy nhiên, cơ hội áp dụng tại các quốc gia phát triển cao do suất đầu tư thấp.
Cơng nghệ ‘ướt’ một giai đoạn
• CTRSH được chuyển sang dạng huyền phù cĩ 10% chất rắn bằng một lượng nước lớn. Hệ thống hoạt động với sự phân hủy kết hợp giữa rác thải đơ thị với các nguyên liệu lỗng hơn như bùn từ cống thải hoặc phân động vật. Thủy tinh và đá được yêu cầu loại bỏ nhằm ngăn ngừa khả năng tích tụ nhanh của các chất này dưới đáy bể phản ứng. Quá trình phân hủy yêu cầu ép để lấy lại dịch lỏng (cĩ thể tuần hồn trở lại cho đầu vào) và tạo ra chất rắn đã phân hủy để xử lý tiếp.
• Ưu điểm của cơng nghệ ‘ướt’ một giai đoạn là cơng nghệ này khá ổn định, đã được thử nghiệm và vận hành trong nhiều thập kỷ; Tính đồng nhất của rác thải hữu cơ sau khi đã qua nghiền thủy lực và pha lỗng để đạt hàm lượng TS nhỏ hơn 15% cho phép áp dụng bể phản ứng dạng khuấy trộn hồn tồn.
• Nhược điểm của cơng nghệ ‘ướt’ một giai đoạn là chất thải cần được tiền xử lý tốt nhằm đảm bảo độđồng nhất và loại bỏ các chất ơ nhiễm dạng thơ hoặc cĩ độc tính cao từ rác đơ thị; Đối với rác khơng được phân loại tại nguồn cần cĩ các bước tiền xử lý để giảm thiểu các thành phần nặng vì chúng cĩ thể gây hư hỏng hệ thống khuấy hoặc bơm cũng như giảm thiểu các chất tạo bọt gây ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình tách khí biogas; Khả năng bị “đoản mạch” về thủy lực. Một nhược điểm nữa của hệ thống là sử dụng quá nhiều nước (thường khoảng 1 m3/T chất thải rắn) làm tăng chi phí sử dụng nước cũng nhưđầu tư và chi phí xử lý nước thải.
• Cơng nghệ ‘ướt’ liên tục một giai đoạn của EcoTec đã được áp dụng tại nhà máy xử lý chất thải sinh học với cơng suất 6.500 tấn/năm ở Bottrop, Đức từ năm 1995. Cơng nghệ này cũng đang được tiếp tục áp dụng trên Thế giới, cụ thể: nhà máy cĩ cơng suất 30.000 tấn/năm ở Berlin, Đức; Nhà máy cĩ cơng suất 17.000 tấn/năm tại Shilou, Trung Quốc. Nhà máy cĩ cơng suất 14.000 tấn/năm tại Bangkok [Thái Lan].
Cơng nghệ ‘khơ’ một giai đoạn
• Hàm lượng TS tối ưu trong các chất rắn lên men trong hệ thống sử dụng cơng nghệ ‘khơ’ một giai đoạn khoảng 20 - 40%, với rác cĩ hàm lượng TS>50% cần phải pha lỗng (Oleszkiewicz và Poggi-Varaldo, 1997). Nước được thêm vào tối thiểu để tạo sự cân bằng nhiệt tồn diện, rất hữu ích cho hoạt động ở chế độ hiếu nhiệt. Hệ thống tiền xử lý chỉ cần áp dụng để loại các chất rắn cĩ kích thước lớn hơn 40mm, ví dụ như sàng quay hoặc hệ thống nghiền đối với chất thải hữu cơđược phân loại tại nguồn (Fruteau de
Laclos và Ctv, 1997; De Baere và Boelens, 1999; Levasseur, 1999). Dạng thiết bị phản ứng sử dụng là plug-flow đơn giản về mặt kỹ thuật và khơng cần phải cĩ thiết bị khuấy trộn cơ học bên trong thiết bị phản ứng.
• Nhược điểm chính của quá trình ‘khơ’ là khả năng phân bố đều và xoay vịng vi sinh vật cũng như chống quá tải và quá trình axít hĩa. Các vấn đề trên đã được giải quyết trong hệ thống Dranco bằng xoay vịng nước rỉ cĩ pha trộn với nước sạch theo tỷ lệ 6:1. Hệ thống này cho phép xử lý rất hiệu quảđối với các chất thải cĩ hàm lượng TS trong khoảng 20 – 50%.
• Hệ thống ‘khơ’ một giai đoạn cĩ tải lượng hữu cơ cao hơn so với hệ thống ướt do khơng bị ảnh hưởng bởi các chất gây ức chế quá trình axít hĩa hoặc mêtan hĩa.
• Tỷ lượng biogas sinh ra trong hệ thống ‘khơ’ cao hơn hệ thống ‘ướt’ cĩ thể giải thích được do các chất dễ phân hủy sinh học khơng bị mất đi theo các chất tạo váng/bọt hoặc lắng xuống dưới bể phản ứng. Tuy nhiên về khía cạnh mơi trường, sự khác biệt giữa hệ thống ‘khơ’ và ‘ướt’ rất rõ rệt. Hệ thống ‘khơ’ sử dụng nước ít hơn hệ thống ‘ướt’ 10 lần. Do vậy, lượng nước thải cần xử lý sẽ ít hơn hệ thống ‘ướt’ nhiều lần.
• Ưu điểm khác của hệ thống ‘khơ’ là khả năng vận hành ở điều kiện hiếu nhiệt cao. Do vậy, khả năng đảm bảo vệ sinh đối với sản phẩm cao hơn (Baeten và Verstraete, 1993).
Cơng nghệđa giai đoạn
• Cơng nghệ hai hoặc đa giai đoạn là cơng nghệ trong đĩ chất hữu cơ được chuyển thành biogas thơng qua các phản ứng sinh hĩa khơng nhất thiết phải xảy ra trong cùng một điều kiện. Do vậy, quá trình tối ưu hĩa cơng nghệ cần thực hiện tối ưu hĩa từng bước trong tồn bộ dây chuyền cơng nghệ nhằm đảm bảo tối ưu cả về tốc độ phản ứng và sản lượng sinh biogas (Ghosh và
Ctv, 1999).
• Ưu điểm chính của cơng nghệ hai giai đoạn khơng phải là hiệu suất chung của hệ thống mà khả năng xử lý các chất thải cĩ khả năng gây bất ổn định trong các hệ thống một giai đoạn, đặc biệt là rác cơng nghiệp, thơng qua việc đạt được tính đệm cao hơn, kiểm sốt tốt hơn tốc độ nạp hoặc đồng phân hủy các loại chất thải khác nhau (Weiland, 2000).
Cơng nghệ mẻ
• Trong các hệ thống mẻ, các bể phản ứng được nạp chất thải một lần cĩ hoặc khơng cấy dịch vi sinh (inoculum), sau đĩ sẽ được vận hành qua các bước phân hủy theo chế độ ‘khơ’ với 30 – 40% TS. Về mặt nguyên lý, hệ thống mẻ cĩ thể coi như một hố chơn lấp được thực hiện trong thùng nhưng tỷ lượng biogas sinh ra cao hơn từ 50 đến 100 lần so với bãi rác trên thực tế bởi nước rỉđược tuần hồn liên tục, cho phép phân tán đều chất dinh dưỡng, vi
sinh vật cũng như các axít sinh ra và nhiệt độ của rác trong bể phản ứng cao hơn nhiệt độ rác tại các bãi rác.
Dạng 1: Hệ thống mẻ một giai đoạn
• Nước rỉđược xoay vịng về phía đỉnh của bể phản ứng. Nhà máy hoạt động quy mơ cơng nghiệp áp dụng thiết kế này cho rác thải được phân loại tại nguồn với cơng suất 35.000 T/năm đã được thực hiện tại Lelystad, Hà Lan (Brummeler, 1999). Nhà máy gồm nhiều bể phản ứng cĩ dung tích 480 m3/bể hoạt động song song.
Dạng 2: Hệ thống mẻ luân phiên
• Nước rỉ từ bể phản ứng mới nạp rác tươi cĩ chứa nhiều axít hữu cơ được chuyển vào bể nơi đang xảy ra quá trình mêtan hĩa, cịn nước rỉ từ bể mêtan hĩa sẽ được chuyển vào bể mới để điều chỉnh pH và bicarbonat. Điều này cũng cho phép cung cấp vi sinh vật cho rác tươi.
• Cơng nghệ mẻ luân phiên áp dụng chế độ phân hủy kỵ khí hiếu nhiệt bằng cách tái sử dụng khí rác để cấp nhiệt cũng đã được triển khai áp dụng tại Úc với mục đích rút ngắn thời gian ổn định rác trước khi đem chơn lấp nhằm giảm các chi phí kiểm sốt ơ nhiễm do nước rỉ và khí bãi rác cũng như tăng tuổi thọ của bãi chơn lấp chứ khơng đặt vấn đề thu hồi năng lượng.
Dạng 3: Lai ghép Mẻ – UASB
• Trong thiết kế này, bể phản ứng ổn định được thay thế bằng bể phản ứng UASB. Tại bể UASB, các quần thể vi sinh vật được tích lũy dưới dạng các hạt bùn cho phép xử lý chất thải lỏng cĩ hàm lượng axít hữu cơ với tải lượng (Anderson và Saw, 1992; Chen, 1999). Về hình thức, hệ thống này gần tương tự với hệ thống Biopercolat cĩ lưu sinh khối.
• Do tính đơn giản về mặt kỹ thuật của hệ thống mẻ cho nên suất đầu tư nhỏ hơn hệ thống một giai đoạn liên tục khoảng 40% (Brummeler, 1992). Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng đất của hệ thống mẻ lớn hơn so với hệ thống một giai đoạn liên tục do chiều cao của bể phản ứng nhỏ hơn 5 lần và tải lượng thể tích nhỏ hơn 2 lần.
CHƯƠNG III: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Thiết bị
• Thiết bị phản ứng sinh hĩa (bioreactor) dạng đứng, cĩ chiều cao 5m, đường kính 2,5 m (xem bản vẽ).
• Thiết bị phản ứng sinh hĩa dạng quay, cĩ chiều dài 6,0 m, đường kính 2,0m. (xem bản vẽ).
• 02 bộ lọc khí biogas được chế tạo bằng inox (xem bản vẽ chi tiết).
• Bơm trục ngang tuần hồn nước rỉ rác.
• Bộđo lưu lượng khí biogas MC MILLAN - Model 100 - Flo sensor - USA - Biên độđo 10ml – 100 lít/phút.
- Tín hiệu của bộđo lưu lượng khí được kết nối với ADAM 4570. - Nguồn điện sử dụng của bộđo lưu lượng khí là 12Volt – DC.