Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị hà nội bằng phương pháp phân hủy yếm khí có thu hồi khí sinh học ở quy mô pilot
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.29 MB, 97 trang )
ĐÀO THỊ LỆ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Đào Thị Lệ
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ĐÔ THỊ HÀ NỘI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY YẾM KHÍ CÓ THU HỒI
KHÍ SINH HỌC Ở QUY MÔ PILOT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
KHOÁ 2008-2010
Hà Nội – Năm 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Đào Thị Lệ
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ĐÔ THỊ HÀ NỘI
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY YẾM KHÍ CÓ THU HỒI
KHÍ SINH HỌC Ở QUY MÔ PILOT
Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.NGUYỄN PHẠM HỒNG LIÊN
Hà Nội – Năm 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Đào Thị Lệ, học viên cao học lớp KTMT 2008-2010, đã thực hiện đề tài
“Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội bằng phương pháp phân hủy
yếm khí có thu hồi khí sinh học ở quy mô pilot” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn
Phạm Hồng Liên. Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu và thảo luận trong luận
văn này là đúng sự thật và không sao chép ở bất kỳ tài liệu nào khác.
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của TS.Nguyễn
Phạm Hồng Liên, là người đã chỉ bảo hướng dẫn tôi rất chu đáo và nhiệt tình trong
quá trình làm luận văn này. Bên cạnh đó, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong Viện
Khoa học và Công nghệ môi trường đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình học
tập.
Tôi xin cảm ơn các bạn học viên lớp Kỹ thuật Môi trường khoá 2008-2010 đã
giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và học tập.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình đã động
viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2010
Học viên
Đào Thị Lệ
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC.......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................vii
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu. ......................................................................................................... 1
1.2. Mục đích của đề tài........................................................................................... 2
1.3. Nội dung của luận văn ...................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ HÀ NỘI
VÀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ SINH HỌC................................................. 4
2.1. Tình hình quản lý CTR đô thị tại Hà Nội ......................................................... 4
2.2. Tiềm năng phân hủy yếm khí của chất thải rắn hữu cơ đô thị........................ 10
2.2.1. Khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ (BF)..... 10
2.2.2. Tiềm năng mêtan sinh hóa của các thành phần hữu cơ (BMP). ... 11
2.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy yếm khí. ........................................... 12
2.3.1. Quy trình ....................................................................................... 13
2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy yếm khí................. 16
2.4. Công nghệ phân hủy yếm khí. ........................................................................ 20
2.4.1. Phân hủy khô và ướt. .................................................................... 21
2.4.2. Hệ thống hoạt động theo mẻ và liên tục. ...................................... 21
2.4.3. Công nghệ hoạt động một giai đoạn và đa giai đoạn.................... 22
2.4.4. Công nghê phân hủy kỵ khí kết hợp và chỉ phân hủy rác đô thị. . 23
2.4.5. Phân hủy yếm khí nồng độ chất rắn cao theo mẻ. ........................ 24
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 29
3.1. Mô tả hệ thống. ............................................................................................... 30
3.1.1. Thiết bị phản ứng. ......................................................................... 30
3.1.2. Các thiết bị phụ ............................................................................. 32
3.2. Chuẩn bị nguyên liệu. ..................................................................................... 34
3.2.1. Chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội............................................... 34
ii
3.2.2. Bùn yếm khí bể UASB. ................................................................ 35
3.2.3. Phân bò, phân lợn.......................................................................... 35
3.2.4. Bùn yếm khí hầm bigoas. ............................................................. 36
3.2.5. Bùn bể phốt. .................................................................................. 36
3.2.6. Các vật liệu khác........................................................................... 36
3.3. Nạp nguyên liệu và vận hành hệ thống........................................................... 36
3.3.1. Nạp nguyên liệu. ........................................................................... 36
3.3.2. Vận hành hệ thống, ....................................................................... 37
3.4. Lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm............................................... 38
3.4.1. Chất thải rắn hữu cơ...................................................................... 39
3.4.2. Nước rác........................................................................................ 42
3.4.3. Khí biogas. .................................................................................... 44
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................ 48
4.1. Đặc điểm của nguyên liệu............................................................................... 48
4.1.1. Đặc điểm của CTR-HC đô thị Hà Nội.......................................... 48
4.1.2. Đặc điểm của nguyên liệu đầu vào của hệ thống pilot. ................ 50
4.2. Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống 1. ................. 51
4.2.1. Đặc điểm của nước rác.................................................................. 51
4.2.2. Tốc độ và thành phần khí biogas. ................................................. 57
4.2.3. Hiệu quả quá trình sinh khí trong hệ thống 1. .............................. 61
4.2.4. So sánh với quá trình ủ yếm khí CTR-HC khi không kiểm soát
nhiệt độ, không bổ sung vi sinh vật, và không tuần hoàn nước rác........ 63
4.3. Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy yếm khí trong hệ thống 2 - ảnh hưởng
của bùn bể phốt. ..................................................................................................... 64
4.3.1. Ảnh hưởng của bùn bể phốt tới thành phần nước rác................... 64
4.3.2. Ảnh hưởng của bùn bể phốt tới thành phần và tốc độ sinh khí. ... 67
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP .............................................. 70
5.1. Kết luận........................................................................................................... 70
5.1.1. Hiệu quả quá trình yếm khí của hệ thống 1. ................................. 70
iii
5.1.2. Hiệu quả quá trình yếm khí của hệ thống 2. ................................. 70
5.2. Đề xuất giải pháp. ........................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 72
PHỤ LỤC A: MỘT SỐ HÌNH ẢNH ............................................................................ 76
Phụ lục B -1: Đặc điểm của nguyên liệu....................................................................... 77
Phụ lục B-2: Kết quả phân tích các thông số trong nước rác........................................ 78
Phụ lục B-3: Thể tích và thành phần khí của hệ thống 1 (ở 350C, 1atm). .................... 81
Phụ lục B-4: Thể tích và thành phần khí của hệ thống 2 (ở 350C, 1atm). .................... 83
iv
DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN
BF
BMP
CHC
COD
COD_TVFA
CTR
CTR-HC
DOC
MC
NL
TB1
TB2
TKN
TOC
TP
TS
TVFA
VS
WW
Khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ
Tiềm năng sinh khí mêtan của các thành phần hữu cơ
Chất hữu cơ
Nhu cầu ôxy hóa học
Hàm lượng axit béo dễ bay hơi quy ra COD
Chất thải rắn
Chất thải rắn hữu cơ
Tổng cacbon hữu cơ hòa tan
Độ ẩm
Thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn (1atm, 00C)
Thiết bị phản ứng 1
Thiết bị phản ứng 2
Tổng Nitơ Kejldahl
Tổng cacbon hữu cơ
Tổng phốt pho
Tổng chất khô
Tổng axit béo dễ bay hơi
Chất rắn bay hơi
Khối lượng tươi
v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Tổng hợp trung bình khối lượng chất thải phát sinh của Hà Nội 2007 .......... 5
Bảng 2.2: Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội...................................................... 6
Bảng 2.3: Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội những năm trước và dự báo trong
tương lai .......................................................................................................................... 7
Bảng 2.4. Khả năng phân hủy sinh học của các chất hữu cơ theo % VS [26].............. 11
Bảng 2.5. Các giá trị BMP của một số loại chất thải hữu cơ........................................ 12
Bảng 2.6. Thành phần của khí biogas.[24] ................................................................... 13
Bảng 2.7. Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV ........................................................... 16
Bảng 2.8. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ. .......................... 22
Bảng 2.9. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống khô một giai đoạn............................ 23
Bảng 2.10. ưu điểm và nhược điểm của hệ thống khô hai giai đoạn. ........................... 23
Bảng 3.1. Tỷ lệ phần trăm của các thành phần trong mẫu CTRHC. ............................ 35
Bảng 3.2. thành phần của thiết bị phản ứng và thùng nước rác trong hai hệ thống...... 37
Bảng 3.3. Điều kiện vận hành hệ thống ........................................................................ 38
Bảng 3.4. Các thông số cần phân tích và theo dõi. ....................................................... 39
Bảng 3.5.Tổng hợp phương pháp phân tích các thông số............................................. 46
Bảng 4.1. Kết quả VS, TS các mẫu CTR-HC nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn.... 48
Bảng 4.2. Đặc điểm của nguyên liệu. ........................................................................... 50
Bảng 4.3. Đặc điểm của nguyên liệu trong hệ thống 1 ................................................. 50
Bảng 4.4. Đặc điểm nguyên liệu trong hệ thống 2........................................................ 51
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Các giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí. [24] .................................... 14
Hình 2.2. Khoảng nhiệt độ trong phân hủy yếm khí. [18] ............................................ 17
Hình 2.3: Sơ đồ tuần hoàn nước rác trong hệ thống mẻ khác nhau [8] ........................ 27
Hình 2. 4: Sơ đồ đề xuất của Chugh [7]........................................................................ 28
Hình 3.1. Mô hình ủ yếm khí khô theo mẻ của hai hệ thống trong nghiên cứu ........... 30
Hình 3.2. Thiết bị phản ứng .......................................................................................... 31
Hình 3.3. Hệ thống yếm khí .......................................................................................... 33
Hình 3.4. Biến thiên nhiệt độ ở hai thiết bị phản ứng................................................... 38
Hình 3.5.Sơ đồ mô tả quá trình phân tích MC, TS, VS của chất thải rắn hữu cơ......... 40
Hình 4.1. Biểu diễn sự thay đổi pH trong nước rác thiết bị 1....................................... 52
Hình 4.2. Sự thay đổi hàm lượng TVFA trong nước rác TB1...................................... 53
Hình 4.3. Biến thiên COD, TVFA trong nước rác TB1................................................ 54
Hình 4.4. Tỷ lệ COD_TVFA:COD trong TB1................................................................. 55
Hình 4.5. Đồ thị biến thiên độ kiềm trong nước rác TB1 ............................................. 56
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn tỷ lệ TVFA/độ kiềm ........................................................... 57
Hình 4.7. Thành phần khí mêtan (%biogas) của TB1................................................... 58
Hình 4.8. Tốc độ sinh khí biogas của TB1.................................................................... 59
Hình 4.9. Thể tích khí tích lũy theo thời gian của TB1 ................................................ 59
Hình 4.10. Thể tích khí CH4 tích lũy của TB1.............................................................. 60
Hình 4.11. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong nước rác.......................................... 65
Hình 4.12. Biểu diễn hàm lượng COD, TVFA trong nước rác..................................... 65
Hình 4.13. Đồ thị biểu diễn tỷ lệ TVFA/độ kiềm ......................................................... 66
Hình 4.14. Thành phần khí CH4 (%biogas) .................................................................. 67
Hình 4.15. Tốc độ sinh khí biogas của hai TB.............................................................. 68
Hình 4.16. Đồ thị biểu diễn thể tích khí CH4 tích lũy................................................... 69
vii
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Giới thiệu.
Chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động của con người ngày càng gia tăng cùng
với sự phát triển về dân số và kinh tế, đặc biệt là trong xã hội công nghiệp. Cùng với
các dạng chất thải khác như nước thải, khí thải, chất thải rắn nếu không được quản lý
và xử lý nghiêm túc sẽ gây suy thoái môi trường nghiêm trọng.
Theo kết quả khảo sát năm 2006, 2007 và báo cáo của các địa phương thì lượng
chất thải rắn đô thị phát sinh mỗi năm trên cả nước là 6.457.580 tấn/năm. Tính đến
năm 2007 cho thấy tổng lượng CTR đô thị tại Hà Nội trên ngày là vào ~ 6.150
tấn/ngày [14] (tương đương 2.244.750 tấn/năm), chiếm gần 35% so với lượng CTRSH
phát sinh trong cả nước. Theo báo cáo của URENCO Hà Nội năm 2008: Tỷ lệ thu gom
chất thải rắn trong khu vực nội thành Hà Nội đạt 95%; Tỷ lệ thu gom chất thải rắn
trong khu vực ngoại thành đạt 60% của tổng lượng rác trên khắp địa bàn Hà Nội. Và
chất thải rắn ở nội thành Hà Nội sau thu gom được quản lý như sau: Chôn lấp: 78.3%;
Tái chế: 6.6%; Phương pháp hóa lý: 5.3%; Ủ sinh học: 4.7%; Đốt: 0.1%. Theo tỉ lệ %
nêu trên, cho thấy phương pháp chôn lấp vẫn là phương pháp chính để xử lý chất thải
tại Hà Nội. Vấn đề đặt ra là diện tích sử dụng cho các bãi chôn lấp ngày càng bị thu
hẹp, quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong bãi chôn lấp diễn ra rất phức tạp, khó
kiểm soát. Môi trường đất, nước và không khí ở khu vực bãi chôn lấp bị ô nhiễm bởi
nước rác, các khí nhà kính sinh ra từ bãi chôn lấp như CH4, CO2… gây hiệu ứng nhà
kính và làm cho Trái đất ấm lên. Vì vậy, việc ổn định CTR đem đi chôn lấp là vấn đề
hết sức quan trọng và cần thiết.
Hai phương pháp sinh học chủ yếu để xử lý và tái chế thành phần hữu cơ trong
CTR đô thị là phân hủy hiếu khí làm phân compost và phân hủy yếm khí sinh biogas.
Hiện nay, ở nước ta phương pháp phân hủy hiếu khí làm phân compost đang được áp
dụng ở nhiều nơi, tuy nhiên phương pháp này vẫn có nhiều hạn chế nhất định. Bên
cạnh đó phương pháp phân hủy yếm khí thành phần hữu cơ của CTR đô thị là công
nghệ đã được nghiên cứu và áp dụng nhiều trên thế giới, cho thấy có nhiều ưu điểm
1
hơn so với quá trình hiếu khí, nhưng ở Việt Nam phương pháp này vẫn chưa được chú
ý nhiều.
Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường không có
oxy trong điều kiện nhiệt độ từ 30 ÷ 650C nhờ các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm của
quá trình phân hủy yếm khí là khí sinh học (hỗn hợp chủ yếu CH4 và CO2), khí CH4
được thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học và lượng rác sau khi
phân hủy được ổn định về mặt sinh học, có thể được đem đi chôn lấp hoặc tiếp tục tái
chế làm phân compost.
Công nghệ xử lý yếm khí CTR có một số loại: (1) ướt, hàm lượng chất khô
khoảng 8% & khô, hàm lượng chất khô khoảng 20 – 40%, (2) một pha & đa pha, (3)
mẻ & liên tục và (4) phân hủy kết hợp & chỉ phân hủy rác đô thị. Các công nghệ này
đã và đang được nghiên cứu trong vòng hai thập niên gần đây. Mặc dù có một số công
nghệ đã được ứng dụng trong thực tế ở các nước đã phát triển, tuy nhiên công nghệ xử
lý yếm khí CTR-HC chủ yếu vẫn đang được nghiên cứu ở quy mô pilot nhằm cải tiến
công nghệ xử lý thích hợp hơn.
Công nghệ xử lý yếm khí nồng độ chất rắn cao, diễn ra trong pha rắn, không
thêm nước để tạo dạng huyền phù cũng như không có khuấy trộn. Quá trình hoạt động
tương tự như xảy ra ở bãi chôn lấp. Tuy nhiên, trong bãi chôn lấp, do điều kiện không
tối ưu, quá trình sẽ mất rất nhiều thời gian, hàng thế kỷ. Vì vậy việc phân hủy kỵ khí
có kiểm soát trong thiết bị phản ứng sẽ giúp quá trình này diễn tốt hơn và trong thời
gian ngắn hơn, dễ dàng thu hồi các sản phẩm (nước rác và khí sinh học).
Quá trình yếm khí nồng độ pha rắn cao và hoạt động theo mẻ có thể cho hiệu
quả sinh khí tốt nếu biết vận hành và kiểm soát đúng đắn. Đây là công nghệ phù hợp
với các nước đang phát triển như Việt Nam bởi vì chi phí đầu tư thấp, vận hành đơn
giản.
1.2. Mục đích của đề tài.
-
Thiết lập hệ thống pilot xử lý yếm khí khô theo mẻ chất thải rắn hữu cơ đô thị
Hà Nội, có thu hồi khí;
2
-
Vận hành thiết bị ở điều kiện nhiệt độ mesophilic với nguyên liệu chính là chất
thải hữu cơ đô thị Hà Nội, trong thời gian 2 tháng nhằm đánh giá quá trình phân
hủy yếm khí, hiệu quả sinh khí biogas và hiệu quả ổn định chất thải;
-
Đánh giá ảnh hưởng của bùn bể phốt đối với quá trình phân hủy yếm khí, khi
đồng phân hủy chất thải rắn hữu cơ và bùn bể phốt.
1.3. Nội dung của luận văn.
Luận văn gồm có 5 chương được trình bày như sau:
1. Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, cũng như nội dung và mục đích của
đề tài.
2. Chương 2: Tổng quan về tình hình chất thải rắn đô thị Hà Nội và quá trình
phân huỷ yếm khí sinh học;
Chương này trình bày tổng quan về tình hình quản lý CTR-HC đô thị Hà Nội,
cơ sở lý thuyết của quá trình yếm khí, giới thiệu một số công nghệ phân huỷ yếm khí
CTR-HC.
3. Chương 3: Phương pháp nghiên cứu;
Chương này trình bày tổng quan về phương pháp nghiên cứu: Mô tả hệ thống
kỵ khí, chuẩn bị nguyên liệu, nạp nguyên liệu, vận hành hệ thống, phương pháp lấy
mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm.
4. Chương 4: Kết quả và thảo luận;
Chương này trình bày kết quả nghiên cứu và đánh giá: Đặc tính của CTR-HC
đô thị Hà Nội. Đánh giá hiệu quả của quá trình phân hủy yếm khí của hệ thống 1 thông
qua đánh giá đặc tính của nước rác với các thông số (TVFA, pH; TVFA, COD; độ
kiềm, tỷ lệ của TVFA/độ kiềm) và thông qua tốc độ sinh khí biogas và hàm lượng khí
mêtan trong biogas đồng thời so sánh với quá trình phân hủy yếm khí trong điều kiện
thiếu kiểm soát hơn, đánh giá ảnh hưởng của bùn bể phốt trên cơ sở so sánh với với hệ
thống 1.
5. Chương 5: Kết luận và đề xuất giải pháp.
3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CHẤT THẢI RẮN ĐÔ THỊ HÀ
NỘI VÀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ SINH HỌC
2.1. Tình hình quản lý CTR đô thị tại Hà Nội
Hà Nội có tổng diện tích là 3.300 km2 với dân số là hơn 6,2 triệu người. Riêng
Hà Nội cũ đã có tới 5.000 nhà máy, xí nghiệp, trên 70 bệnh viện Trung ương và địa
phương. Hà Nội cũ cũng có tới 55 chợ và hàng trăm nhà hàng, khách sạn và các cơ sở
thương mại. Các khu công nghiệp ngày càng phát triển và mở rộng, tốc độ đô thị hóa
cũng đang tăng nhanh... Chính những lý do trên làm cho lượng chất thải phát sinh
ngày càng tăng.
2.1.1. Nguồn gốc phát sinh và thành phần của chất thải rắn đô thị Hà Nội
Chất thải rắn đô thị tại địa bàn Hà Nội phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, có
thể ở nơi này hay ở nơi khác, chúng khác nhau về: số lượng, kích thước, phân bố về
không gian. Việc phân loại các nguồn phát sinh chất thải rắn đóng vai trò quan trọng
trong công tác quản lý CTR. CTR sinh hoạt có thể phát sinh trong hoạt động cá nhân
cũng như trong hoạt động xã hội như từ các khu dân cư, chợ, nhà hàng, khách sạn,
công ty, văn phòng và các nhà máy công nghiệp…
Các nguồn phát sinh CTR sinh hoạt bao gồm:
– Khu dân cư.
– Khu thương mại (nhà hàng, khách sạn, siêu thị, chợ…).
– Cơ quan, công sở (trường học, trung tâm và viện nghiên cứu, bệnh viện…).
– Khu xây dựng và phá hủy các công trình xây dựng.
– Khu công cộng (nhà ga, bến tàu, sân bay, công viên, khu vui chơi, đường
phố…).
– Bùn cặn từ các nhà máy xử lý nước thải, từ các đường ống thoát nước của
thành phố.
– Hoạt động công nghiệp.
– Nông nghiệp.
4
Theo số liệu thống kê chất thải rắn hàng năm của URENCO Hà Nội, khối lượng
chất thải rắn phát sinh từ các nguồn khác nhau của thành phố Hà Nội được trình bày ở
bảng 2.2.
Bảng 2.1. Tổng hợp trung bình khối lượng chất thải phát sinh của Hà Nội 2007
Khối lượng
TT Chất thải
Thành phần chính
Hình thức xử lý
(Tấn/ngày)
1
Chất thải
sinh hoạt
3.000
- Chất vô cơ: Gạch, đá,
vụn tro, xỉ, than tổ ong,
sành sứ,..
- Chất hữu cơ: Rau, củ,
quả, rác nhà bếp…
- Nhựa, nilon, kim loại,
giấy, thủy tinh…
- Các chất khác còn lại
2
Chất thải
xây dựng
1.000
- Đất đào hố móng,
gạch, ngói, vôi vữa,…
- Chôn lấp hợp vệ sinh
3
Chất thải
công
nghiệp
300
- Cặn sơn, dung môi,
bùn thải công nghiệp,
giẻ dính dầu mỡ, dầu
thải,..
- Xử lý tại khu xử lý chất
thải công nghiệp theo đúng
QĐ155/QĐ-TTg ngày
16/07/1999
4
Chất thải y
tế
Tổng số
5
- Chôn lấp hợp vệ sinh:
83%
- Sản xuất phân hữu cơ vi
sinh: 160 tấn/ngày (tương
đương 7%)
- Tái chế: 10% tự phát tại
các làng nghề.
- Xử lý bằng công nghệ lò
- Bông băng, dụng cụ y
đốt Del monego 200
tế nhiễm khuẩn,…
Italia:100%
4.305
(Nguồn: Báo cáo công tác quản lý CTR thành phố Hà Nội năm 2008 của
URENCO).
Thành phần CTR đô thị rất đa dạng và tùy thuộc vào tốc độ phát triển kinh tế,
văn hóa và tập quán sinh sống của người dân đô thị. Tỷ lệ các chất có trong CTR là
không ổn định và thường thay đổi theo từng khu vực, địa phương, và phụ thuộc vào
mức sống của người dân.
5
TT
Bảng 2.2: Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội
% về khối
Lượng (tấn/ngày)
Các thành phần cơ bản
lượng
1
CHC (rau, cây, thức ăn thừa)
41,98
31,065
2
Giấy
5,27
3,900
3
Plastic, nilon, cao su, đồ da
7,19
5,321
4
Gổ vụn, giẻ rách
1,75
1,295
5
Xương, vỏ trai, ốc
1,27
0,940
6
Gạch, đá, sỏi, bêtông
6,89
5,099
7
Thủy tinh
1,42
1,051
8
Kim loại, vỏ đồ hộp
0,59
0,437
9
Các tạp chất nhỏ khó phân loại
33,67
24,892
100
74,000
10
Tổng cộng
Độ pH trung bình: 6,57
Độ ẩm: 60 – 67%
Tỷ trọng: 0.38 – 0.416 tấn/m3
(Nguồn: Báo cáo công tác quản lý CTR thành phố Hà Nội năm 2008 của
URENCO).
Nhận xét: Từ 2 bảng số liệu 2.2 và 2.3 cho thấy rằng thành phần hữu cơ chiếm
tỷ trọng cao trong CTR đô thị Hà Nội. Bao gồm chủ yếu là CTR từ các chợ, khu dân
cư như các loại rau, vỏ hoa quả, thức ăn thừa… dễ phân hủy sinh học. Là nguồn
nguyên liệu cho các công nghệ tái chế chất thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học.
Nếu chất thải được phân loại ngay tại nguồn phát sinh thì sẽ dễ dàng cho công tác thu
gom và quản lý. Đây cũng là mục tiêu của các nước và Việt nam đang hướng đến.
6
Bảng 2.3: Số liệu về thành phần CTR đô thị Hà Nội những năm trước và dự báo
trong tương lai
TT
Thành phần
1997 - 2000 2005 - 2010
2010 - 2020
1
Chất hữu cơ
51,06
48
45
2
Giấy
4,61
6,8
8,2
3
Chất dẻo, cao su
5,79
6,4
7,8
4
Gỗ mục, dẻ rách
4,08
5,5
5
5
Gạch vụn, sỏi đá
1,07
4,8
5,8
6
Thủy tinh
7,09
2,5
3,0
7
Xương, vỏ trai, ốc
1,12
1,0
1,5
8
Kim loại, vỏ đồ hộp
0,6
3,0
3,7
9
Tạp chất
24,58
22,0
20,0
10
Độ pH
6–7
6–7
6–7
11
Độ ẩm (%)
62
62
60
0,42
0,42
0,42
12
3
Tỷ trọng (tấn/m )
(Nguồn: Báo cáo công tác quản lý CTR thành phố Hà Nội, 2002 của URENCO)
2.1.2. Tình hình quản lý CTR đô thị Hà Nội
2.1.2.1. Thu gom và vận chuyển chất thải
Theo báo cáo 12- 2009 của Trung tâm Môi trường đô thị và Công nghiệp Hà
Nội tính tới năm 2009, tỷ lệ CTR sinh hoạt thu gom trong ngày tại nội thành Hà Nội là
95 - 98%, ngoại thành 60-65% với tổng lượng CTR sinh hoạt 5.500 - 6.000 tấn/ngày,
trong đó rác trong các khu đô thị khoảng 3.000 tấn/ngày (60%), chất thải công nghiệp
500 - 600 tấn/ngày, chất thải xây dựng 1.000 - 1.200 tấn/ngày (chiếm 20%), bùn bể
phốt và chất thải khác 500 - 600 tấn (10%).
Chất thải rắn ở Hà Nội hầu hết không được phân loại ngay từ đầu nguồn phát
sinh, đáng chú ý là trong CTR có chứa các thành phần nguy hại. Hiện nay CTR y tế đã
được thu gom và vận chuyển riêng, chất thải công nghiệp cũng sẽ được xử lý tập
trung.
Hà Nội bắt đầu thực hiện việc phân loại chất thải tại nguồn từ năm 2006 theo
dự án 3R được khởi động với sự hỗ trợ của tổ chức JICA và được thí điểm thực hiện
7
tại 4 phường thuộc 4 quận của Hà Nội: Phường Láng Hạ (Đống Đa), phường Thành
Công (Ba Đình), phường Phan Chu Trinh (Hoàn Kiếm) và phường Nguyễn Du (Hai
Bà Trưng). Sau thời gian thực hiện, dự án đã góp phần giảm thiểu lượng rác chôn lấp,
cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường trên địa bàn, đặc biệt là nâng cao ý thức cộng
đồng về quá trình phân loại chất thải tại nguồn. Tới đây, dự án 3R-Hà Nội sẽ mở rộng
chương trình phân loại rác tại nguồn ra các quận Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân,
Hoàng Mai, Long Biên và một số phường, xã thuộc các huyện Từ Liêm, Gia Lâm,
Thanh Trì, Đông Anh, Sóc Sơn...Dự án 3R (3R là từ viết tắt của 3 chữ cái đầu trong
tiếng Anh: Reduce- Reuse-Recycle)
– Reduce (Giảm thiểu): Giảm thiểu lượng rác thông qua việc thay đổi lối sống
hoặc/và cách tiêu dùng, cải tiến các quy trình sản xuất, mua bán sạch…Ví dụ: Sử dụng
túi giấy hay túi vải để đi chợ thay cho túi nilon để nhằm giảm lượng rác thải phát sinh
từ túi nilon…
– Reuse (Tái sử dụng): Sử dụng lại các sản phẩm hay một phần của sản phẩm
cho chính mục đích cũ hay cho một mục đích khác. Ví dụ: sử dụng lại chai đựng nước
khoáng để đựng nước nước…
– Recycle (Tái chế): Sử dụng rác thải làm nguyên liệu sản xuất ra các vật chất
có ích khác.
Theo báo cáo của URENCO năm 2008, tỷ lệ thu gom chất thải rắn trong khu
vực nội thành Hà Nội đạt 95%; Tỷ lệ thu gom chất thải rắn trong khu vực ngoại thành
đạt 60% của tổng lượng rác trên khắp địa bàn Hà Nội.
Công ty môi trường đô thị URENCO tại Hà Nội cho biết, trung bình mỗi ngày
công ty thu gom hơn 2.000 tấn CTR, trong đó, thành phần hữu cơ nếu được phân loại
tốt sẽ tận dụng được tới 40%.
Tỷ lệ thu gom CTR ở Hà Đông mới đạt 60 - 70%, mỗi ngày thu gom được 50 60 tấn. Bãi chôn lấp không đạt quy chuẩn vệ sinh môi trường.
Ở thị xã Sơn Tây, tỷ lệ thu gom CTR cũng chỉ đạt 60 - 70%, mỗi ngày thu được
khoảng 35 - 40 tấn/ngày. Thị xã Sơn Tây có nhà máy chế biến CTR thành phân
Compost 50 tấn/ngày, nhưng hoạt động rất kém.
8
Lượng chất thải sinh hoạt chủ yếu được vận chuyển tới Khu liên hiệp xử lý chất
thải Nam Sơn và được xử lý chủ yếu bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh với khối
lượng trung bình 2.800 tấn/ngày. Chất thải rắn công nghiệp của thành phố hiện cũng
được thu gom, vận chuyển về Nam Sơn để xử lý đạt khoảng 85-90% và chất thải nguy
hại mới chỉ đạt khoảng 60-70%. Chất thải công nghiệp, y tế nguy hại được xử lý phổ
biến bằng phương pháp đốt tại nhà máy xử lý chất thải công nghiệp Nam Sơn và lò đốt
chất thải y tế Tây Mỗ, sau đó được đóng rắn để chôn lấp.
2.1.2.2. Tình hình xử lý CTR HC đô thị Hà Nội.
Chất thải rắn nội thành Hà Nội sau khi thu gom được quản lý và xử lý như sau:
Chôn lấp 78.3%, tái chế 6.6%, phương pháp hóa lý 5.3%, ủ sinh học 4.7%, đốt 0.1%.
Theo tỉ lệ % nêu trên, cho thấy phương pháp chôn lấp vẫn là phương pháp chính để xử
lý chất thải tại Hà Nội và xu hướng này trong tương lai sẽ là không phù hợp khi mà
mật độ dân số Hà nội ngày một tăng, diện tích đất ngày càng hạn hẹp… cần có những
giải pháp xử lý mới phù hợp hơn.
Công tác xử lý, tiêu hủy, tái chế chất thải rắn hiện tại còn rất nhiều hạn chế, chủ
yếu dựa vào chôn lấp (khoảng 73-81%) lượng chất thải rắn được thu gom. Do chất thải
hầu như chưa được phân loại và bản thân năng lực tái chế của các cơ sở dịch vụ môi
trường trên địa bàn thành phố còn chưa cao.
Hiện tại, công tác xử lý, tiêu hủy, tái chế chất thải rắn chủ yếu dựa vào chôn lấp
hợp vệ sinh tại bãi chôn lấp Nam Sơn (Sóc Sơn), Kiêu Kỵ (Gia Lâm), Xuân Sơn (Sơn
Tây), Núi Thoong (Chương Mỹ) và nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn, Seraphin
Sơn Tây. Còn lại 11 huyện của Hà Tây trước đây, đổ tại các bãi rác lộ thiên, thậm chí
là sử dụng các ao hồ làm nơi chứa rác không có hệ thống thu gom nước rác tiềm tàng
gây ô nhiễm nước mặt và nước ngầm.
Theo Báo cáo Diễn biến Môi trường Việt Nam năm 2004, có khoảng 18
22% CTR của thành phố Hà Nội được tái chế. Những hoạt động này chủ yếu do các
thành phần tự phát như: Cửa hàng thu mua phế liệu, ở các làng nghề thủ công, những
người nhặt rác…
9
Từ trước đến nay có 2 quy trình tái chế chính là: Quy trình tái chế chất thải hữu
cơ để sản xuất phân vi sinh và quy trình tái chế các chất thải khác như giấy, nhựa, cao
su, kim loại…
Tái chế chất thải hữu cơ sản xuất phân vi sinh: Hiện nay, đây là giải pháp quan
trọng để giảm thiểu lượng chất thải rắn đưa tới bãi chôn lấp và tận dụng được những
phần hữu cơ để phục vụ cho mục đích nông, lâm nghiệp.
Các chất thải sinh hoạt khác có thể tái chế được thu gom một cách tự phát bởi
những người đồng nát, người bới rác…(trong thành phố hoặc tại bãi chôn lấp). Một
phần các chất thải này được thu gom bởi những người công nhân của công ty Môi
trường đô thị. Các chất thải tái chế này, sau đó được đưa đến các cơ sở tái chế ở ngoại
thành thành phố Hà Nội hoặc các tỉnh lân cận. Các nguyên liệu thu hồi chủ yếu là kim
loại, nhựa cứng, cao su, giấy, bía các tong, túi nilon….
Nhìn chung, công tác quản lý chất thải rắn ở Hà Nôi còn chưa tiếp cận được với
phương thức quản lý tổng hợp trên quy mô lớn, chưa áp dụng đồng bộ các biện pháp
nhằm giảm tỉ lệ chất thải phải chôn lấp. Phần lớn CTR đô thị được xử lý bằng hình
thức chôn lấp, công nghệ xử lý còn lạc hậu. Ý thức của người dân trong công tác vệ
sinh môi trường chưa cao, chất thải chưa được phân loại tại nguồn. Trong khi đó, tái
sử dụng và tái chế chất thải mới chỉ được thưc hiện một cách không chính thức, ở quy
mô tiểu thủ công nghiệp, phát triển một cách tự phát, không đồng bộ, thiếu định hướng
và chủ yếu là do khu vực tư nhân kiểm soát.
2.2. Tiềm năng phân hủy yếm khí của chất thải rắn hữu cơ đô thị.
2.2.1. Khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ (BF).
Hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), xác định bằng cách nung CTR ở nhiệt độ
5500C, thường được dùng để đáng giá khả năng phân hủy sinh học của phần hữu cơ
trong CTR. Tuy nhiên, sử dụng giá trị VS để mô tả khả năng phân hủy sinh học của
thành phần hữu cơ trong CTR có thể không chính xác, bởi vì có 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 sinh khối của cây trồng, thay vào đó, hàm lượng lignin của CTR có thể
10
được sử dụng để ước lượng tỷ lệ phần dễ phân hủy sinh học của CTR, và được tính
toán bằng công thức sau
BF = 0,83 – 0,028 LC
Trong đó:
BF: tỷ lệ phân hủy sinh học tính theo VS;
LC: hàm lượng Lignin của VS, biểu diễn bằng % khối lượng khô;
0,83; 0,28 hằng số thực nghiệm
CTR hàm lượng lignin cao như giấy báo, có khả năng phân hủy sinh học kém
hơn đáng kể so với các chất thải hữu cơ khác trong CTR đô thị. Trong thực tế, các
thành phần hữu cơ trong CTR thường được phần thành hai loại: phân hủy chậm và
phân hủy nhanh. BF thể hiện khả năng phân hủy sinh học của các thành phần hữu cơ
cho phân hủy yếm khí sinh học hiếu khí và yếm khí, do vậy không phải là yếu tố thể
hiện chính xác hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí.
Bảng 2.4. Khả năng phân hủy sinh học của các chất hữu cơ theo % VS [26]
Thành phần
Khả năng phân hủy sinh học (%VS)
Thực phẩm thừa
0,82
Giấy báo
0,22
Giấy văn phòng
0,82
Giấy cácton
0,47
Rác vườn
0,72
2.2.2. Tiềm năng mêtan sinh hóa của các thành phần hữu cơ (BMP).
Tiềm năng sinh khí mêtan (Biochemical Methane Potential- BMP) là thước đo
khả năng phân hủy sinh học yếm khí của hợp chất, được xác định bằng cách đo lượng
khí mêtan tối đa thu được của mẫu đó ủ tại điều kiện yếm khí tối ưu. Do đó, bản chất
của phương pháp xác định BMP là tạo ra môi trường yếm khí đồng thời cung cấp
những điều kiện tối ưu nhất (giống VSV, môi trường dinh dưỡng, nhiệt độ mesophilic
– 35oC, khuấy trộn) cho sự phân hủy của CTR-HC trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Đây là một thông số có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn loại chất thải để tiến
11
hành phân hủy yếm khí, đánh giá khả năng phân hủy yếm khí cũng như để đánh giá
hiệu suất sinh khí mêtan trong thực tế. Bảng 2.5 đưa ra các giá trị BMP của một số loại
chất thải hữu cơ, tiềm năng sinh khí mêtan của CTR-HC đô thị dao động trong khoảng
190 – 421 NLCH4/kgVS.
Bảng 2.5. Các giá trị BMP của một số loại chất thải hữu cơ.
BMP
Loại CTHC
Tham khảo
NL CH4 /kgVS
Giấy văn phòng
369
Các loại hộp gấy
278
Tạp chí
203
Giấy báo
100
Thức ăn nhanh
318 – 349
Giấy sáp
340
Cỏ
209
Các loại lá cây
123
Các loại cành cây
134
Chất thải sân vườn
143
CTR-HC đô thị
189 – 222
Các loại cỏ
160 – 390
Các loại gỗ
14 – 320
Thức ăn thừa
CTR-HC đô thị
CTR-HC đô thị
[24]
540
220
230 – 250
[9]
[6]
CTR-HC đô thị
190
[28]
CTR-HC đô thị
190 – 220
[34]
CTR-HC đô thị Hà Nội
297 – 412
[32]
Phân lợn
224 – 443
[20]
[9]
328 – 384
2.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy yếm khí.
12
2.3.1. Quy trình
1. Nguyên tắc.
Quá trình phân hủy yếm khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật yếm khí và tùy
tiện để để phân hủy các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học sinh khí biogas
trong điều kiện không có oxy.
Như vậy quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong môi trường không có
oxy được gọi là quá trình phân hủy kỵ khí (hoặc yếm khí). Sản phẩm khí thu được là
một hỗn hợp khí sinh học gọi là khí biogas. Thành phần chủ yếu của khí sinh học là
khí mêtan (CH4) và cacbonic (CO2) và một số các khí khác, cụ thể thành phần như
theo (Bảng 2.6).
Bảng 2.6. Thành phần của khí biogas.[24]
Khí biogas
CH4
CO2
N2
H2
H2S
55 - 65% 35 - 45% 0 - 3% 0 – 1% 0 - 1%
Như vậy khí biogas có 2 thành phần chủ yếu là khí cacbonic (CO2) và khí
mêtan (CH4) và tùy thuộc vào loại chất hữu cơ và quá trình thực hiện phân hủy mà khí
biogas có %CH4, % CO2 khác nhau. Trong đó khí CH4 là thành phần khí được quan
tâm hơn cả vì đây chính là phần cháy được, nó có nhiệt trị rất cao (9.000Kcal/m3), chỉ
kém hơn so với dầu mỏ (18.000Kcal/m3).
2. Cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí và tác nhân sinh học theo từng giai đoạn
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều
phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng
bằng phương trình sau đây:
Chất hữu cơ
Lên men
yếm khí
CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S
13
Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ gồm 3 giai đoạn, đôi
khi chia làm 4 giai đoạn ( tức giai đoạn axit hóa sẽ phân thành 2 giai đoạn: giai đoạn
lên men axit axetic và giai đoạn mêtan hóa)
Các chất hữu cơ
Giai đoạn
thủy phân
Protein
Carbonhydrat
Axit amin, đường
Lipid
Axit béo
Giai đoạn axit
hóa
Các sản phẩm trung gian: axit
propionic, axit butyric …
Giai đoạn lên
men axetic
H2 và CO2
Axit axetic
Giai đoạn
mêtan hóa
CH4 và CO2
Hình 2.1. Các giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí. [24]
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân.
Dưới tác dụng của enzim thủy phân của các VSV, các hợp chất hữu cơ phức tạp
như: gluxit, lipit và protein…được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản như:
Đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin…
Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men axit hữu cơ.
Các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axít hữu cơ có
phân tử lượng nhỏ hơn như axít butyric, axit propionic, axit axetic, axit formic. Trong
quá trình lên men axit hữu cơ, một số axit béo phân tử lượng lớn được chuyển hóa tạo
axit axetic.
14
Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, andehyt,
axeton, các chất khí CO2, H2, NH3, H2S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol,
scatol…Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai
đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một
phần chuyển thành CO2 và NH3, đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm.
Giai đoạn 3: Giai đoạn tạo khí mêtan.
Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình. Các sản phẩm trung gian của
giai đoạn 2 như CO2, H2, CH3COOH…. Sẽ chuyển hóa thành các sản phẩm cuối cùng
là CO2 và CH4 dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan.
Sự hình thành khí mêtan có thể theo hai cơ chế sau:
– Khoảng 70% khí CH4 được tạo thành nhờ quá trình decacboxyl hóa các axit
hữu cơ và các chất trung tính khác.
Vi khuẩn mêtan
CH3COOH
CO2 + CH4
– Khoảng 30% khí CH4 được tạo thành nhờ quá trình khử CO2 trong đó chất
nhường điện tử là H2 hoặc các chất mang H+ trung gian:
Vi khuẩn mêtan
4H2 + CO2
CH4 + 2H2O
Tác nhân sinh học
1.Tác nhân giai đoạn của giai đoạn 1: Bacillus, Pseudomonas, Poteus,
Micrococus, Clostridium, Sper.Clostridium.
2.Tác nhân sinh học của giai đoạn 2: Streptococus, Aerogennes, Bacterium,
Clostridium.
3. Tác nhân sinh học của giai đoạn 3:
o Nhóm ưa ấm:
Methanococus,
Methanobacterium.
Methanosarcina.
o Nhóm ưa nóng:
15
