• 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.
• Đầu dị nhiệt độ
Đầu dị nhiệt độ của 02 thiết bị phản ứng đuợc kết nối với ADAM 4015
• Bộ ghi dữ liệu kết nối máy vi tính
- ADAM-4015 và ADAM-4570W dùng cho thiết bị phản ứng dạng quay. - ADAM-4017, ADAM-4520 dùng cho thiết bị phản ứng dạng đứng. - Nguồn cung cấp điện cho các ADAM là điện 12VDC.
- Tín hiệu từ các thiết bị đo khi về đến máy tính sẽ được xử lý và chuyển đổi thành các giá trịđo, thơng qua phần mềm chuyên dụng GeniDAQ. - Tốc độ truyền dữ liệu: 50bps - 230kbps
- Phần mềm hỗ trợ: Win 98/NT/2000/XP.
3.2. Phân tích mẫu khí
• Khí hydrosunphua (H2S).
- Theo James P. Lodge, Ir. Editor.
- Thiết bị: Desaga 312 (Đức); spectrophotometer “spectronic genesys – 5” (Mỹ), đo bổ trợ bằng thiết bị Multilog - 2000 (Mỹ).
• Carbon dioxit (CO2)
- Thiết bị degasa 212 và 312 (Đức).
3.3. Phân tích mẫu nước rỉ rác
• Thơng số quan trắc chất lượng nước rỉ rác (28 chỉ tiêu): pH, COD, BOD, Nitơ Kjeldahl, N-NH4+, TDS, SS, Ca, K, Na, Mg, Fe, Zn, SO42-, tổng phospo, Mn, Cd, Ni, As, Cr, Pb, Hg, coliform, phenol, benzene, toluene, etynemzen.
• Lấy mẫu và xác định chỉ tiêu hĩa học của nước rỉ rác - Mẫu nước rỉ rác
- Phương pháp bảo quản mẫu: theo tiêu chuẩn TCVN 5992-1995, TCVN 5993-1995.
- Mẫu được bảo quản tùy theo từng thơng số theo TCVN 5993-1995. - Phương pháp phân tích: Nước rỉ rác được phân tích tại Viện
KTNĐ&BVMT theo các phương pháp tiêu chuẩn hiện đang được áp dụng tại Việt Nam cụ thể:
pH: Đo trực tiếp tại hiện trường bằng máy đo nhanh của hãng Nova (Mỹ).
Chất rắn lơ lửng: Xác định bằng phương pháp cân trọng lượng sau khi sấy ở 105oC đến khối lượng khơng đổi theo TCVN 4560-1988.
Chất rắn hịa tan: Đo bằng TDS kế của hãng Hach.
N-NH3: Xác định bằng phương pháp quang trắc Nessler theo TCVN 6179 - 1996.
N-NO2: Xác định bằng phương pháp quang trắc theo TCVN 6178 - 1996.
N-NO3: Xác định bằng phương pháp khử cadimi theo EPA 353.2.
P-PO4: Phương pháp trắc quang dung dịch amoni molidat TCVN 6202 -1996.
SO42-: Xác định bằng phương pháp cân trọng lượng theo TCVN 6200 - 1996.
Tổng Phospho: Xác định bằng phương pháp trắc quang theo EPA 365.
COD: Xác định bằng phương pháp so màu ASTM 5220D (oxy hĩa bằng K2Cr2O7 trong mơi trường axít).
BOD: Xác định bằng phương pháp áp kế với tủ chuyên dụng Al-214 Aqualytic (Đức).
K, Na: Xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ASTM 3500-Na, 3500-K.
Canxi (Ca), Magiê (Mg): Xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử theo APA 3113B.
Mangan (Mn, tổng Fe): Xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử APA standard method 3111B.
Thủy ngân (Hg): Xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử khơng ngọn lửa theo APA standard method 3114B.
Asenic (As): Xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử theo APA 3114C.
Tổng Coliform: Xác định bằng phương pháp đếm nhiều ống theo TCVN 6187-2:1996.
Hàm lượng Benzen, toluene, ethyl benzene: Xác định bằng phương pháp sắc ký GC - MS - HS.
3.4. Phương pháp xác định đặc trưng kỹ thuật của rác
• Phương pháp xác định đặc trưng kỹ thuật của rác - Loại mẫu: Composite.
- Cân mẫu rác lấy 120kg – 150kg.
- Xé bao ni lơng, đổ rác vào khung gỗđo thể tích. - Tính thể tích rác trong khung, ghi lại số liệu.
- Phân loại rác theo cấp 2 theo bảng phân loại, đối với một số thành phần chưa định danh trong bảng phân loại thì cần ghi chú rõ ràng là chất gì. - Đo kích thước hạt của các thành phần.
- Cân khối lượng từng thành phần đã phân loại, ghi lại các số liệu. - Lấy từ mỗi loại thành phần khoảng 0,5kg đựng vào túi loại 0,5kg - Với những thành phần khơng đủ 0,5kg thì lấy tồn bộ.
• Phương pháp xác định độẩm của rác
- Dụng cụ: Tủ sấy, bộ dụng cụ inox đựng mẫu, cân các loại.
- Xác định bằng phương pháp sấy độẩm được tính theo cơng thức sau: Độẩm = X 100 %
Tủ sấy được dung trong phịng thí nghiệm phải cĩ trang bị quạt hút để hút hơi ra khỏi phịng để giảm thiểu mùi hơi.
Phương pháp phân tích độẩm: Áp dụng đề xuất của Vesilind and Reimen 1981, Gartner Lee, 1991: Sấy khơ mẫu tại nhiệt độ 77oC cho đến khi trọng lượng khơng đổi nhằm đảm bảo nước bay hơi hồn tồn nhưng tổn thất ít nhất các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.
• Phương pháp xác định các đặc trưng kỹ thuật khác: Sử dụng cơ sở dữ liệu thuộc sản phẩm của đề tài “Nghiên cứu xác lập hệ thống thơng số kỹ thuật
rác thải đơ thị TP. HCM, 2003”.
Bảng 3.1 . Khả năng phân hủy sinh học của một vài thành phần trong rác đơ thị Loại chất thải VS/TS (%) Lignin/VS (%)
Thực phẩm hỗn hợp 7-15 0,4
Giấy báo 94 21,9
Giấy văn phịng 96,4 0,4
Bìa 94,0 12,9
Trọng lượng ướt - trọng lượng khơ Trọng lượng ướt
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
4.1. Cơ sở thiết kế mơ hình thiết bị quy mơ pilot 4.1.1. Dự báo lượng khí Biogas phát thải 4.1.1. Dự báo lượng khí Biogas phát thải
Lượng khí bãi rác phát thải phụ thuộc vào các yếu tố sau: Thành phần rác đem chơn lấp
Độẩm của rác
Lượng chất dinh dưỡng sẵn sàng cho hoạt động của vi sinh vật Giá trị pH
Nhiệt độ
Độ nén chơn lấp (các nghiên cứu cho thấy khi rác được nén ở tỷ trọng khoảng 600 kg/m3 cĩ tốc độ phân hủy các chất hữu cơ nhanh nhất).
Các kết quả cũng cho thấy, hệ số và hằng số phát thải khí mêtan từ các BCL tại các nước đang phát triển và khu vực khí hậu nhiệt đới cao hơn hẳn so với khu vực các nước phát triển và các vùng khí hậu khác.
Về lý thuyết, lượng khí bãi rác phát thải cĩ thểđược biểu diễn qua hàm số sau:
) (e kc e kt
LoR
Q= − − −
trong đĩ:
Q = Lượng mêtan phát thải trong năm (m3/năm).
Lo= Tiềm năng (hệ số) phát thải khí mêtan (m3/tấn rác). R = Lượng rác thải chơn lấp hàng năm (tấn/năm). k = Hằng số phát thải khí mêtan (năm-1).
c = Thời gian từ/đến thời điểm đĩng cửa bãi rác (năm). t = Thời gian tính từ khi bãi rác bắt đầu vận hành (năm).
Mơ hình trên do Cục Bảo vệ Mơi trường Liên Bang Mỹ (USEPA) đề xuất và đã được IPCC đề xuất áp dụng trong tính tốn lượng khí mêtan phát thải từ các bãi rác.
Theo USEPA, giá trị Lo thường nằm trong khoảng 6,2-270 m3/tấn rác. Giá trị Lo