Tài liệu Nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii TÓM TẮT...................................................................................................................... iii ABSTRACT .................................................................................................................... v MỤC LỤC .....................................................................................................................vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ xi DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................xii DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... xiv MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................... 1 2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN ............................................................................................................ 3 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 3 4. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI......................................................................................................... 4 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 4 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ............................................................................ 4 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT ..................................... 6 1.1. CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƢỜNG ............................. 6 1.1.1. Hiện trạng phát sinh CTRSH .......................................................................... 6 1.1.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất CTRSH ................................................. 8 1.1.3. Tác động môi trƣờng của CTRSH ................................................................ 14 1.2. QUẢN LÝ CTRSH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ .................................................... 17 1.2.1. Hệ thống quản lý kỹ thuật CTRSH ............................................................... 17 1.2.2. Công nghệ xử lý CTRSH .............................................................................. 18 1.2.3. Hiện trạng xử lý chất thải rắn ....................................................................... 22 1.2.4. Những hạn chế trong công nghệ, những tồn tại của công tác xử lý CTRSH và định hƣớng nghiên cứu xử lý CTRSH ............................................................... 30 CHƢƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP CHÔN LẤP ................. 33 2.1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CHÔN LẤP .......................................................... 33 vii 2.1.1. Cơ chế của quá trình phân hủy CTRSH trong bãi chôn lấp ......................... 33 2.1.2. Động học của quá trình phân hủy kị khí chất thải rắn hữu cơ ...................... 37 2.1.3. Khí sinh ra từ bãi chôn lấp ............................................................................ 43 2.1.4. Vi sinh vật phân hủy CTR ............................................................................ 44 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY RÁC TRONG BÃI CHÔN LẤP .................................................................................................................................. 45 2.2.1. Phƣơng pháp cơ học ..................................................................................... 45 2.2.2. Phƣơng pháp tác động nhiệt độ .................................................................... 47 2.2.3. Phƣơng pháp điều chỉnh pH khối ủ .............................................................. 49 2.2.4. Phƣơng pháp bổ sung dinh dƣỡng ................................................................ 50 2.2.5. Phƣơng pháp tuần hoàn nƣớc rỉ rác .............................................................. 51 2.2.6. Phƣơng pháp bổ sung chế phẩm sinh học .................................................... 58 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................. 64 3.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 64 3.1.1. Cấu tạo của mô hình ..................................................................................... 64 3.1.3. Vận hành mô hình ......................................................................................... 66 3.1.4. Các chỉ tiêu theo dõi hoạt động của mô hình ............................................... 68 3.2. NGUYÊN VẬT LIỆU ......................................................................................................... 70 3.2.1. Chất thải rắn sinh hoạt .................................................................................. 70 3.2.2. Chế phẩm vi sinh .......................................................................................... 73 3.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC .......... 75 3.4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 75 3.4.2. Phƣơng pháp xây dựng mô hình động học ................................................... 76 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 80 4.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH ĐỐI CHỨNG ................................... 80 4.1.1. Biến đổi pH của nƣớc rỉ ................................................................................ 80 4.1.2. Biến đổi BOD5 và COD của nƣớc rỉ rác ....................................................... 81 4.1.3. Biến đổi nồng độ chất thải rắn lơ lửng ......................................................... 82 4.1.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ............................................................................. 83 4.1.5. Sản lƣợng khí sinh học.................................................................................. 86 4.1.6. Sự loại bỏ thành phần dinh dƣỡng ................................................................ 87 viii 4.1.7. Biến đổi về kim loại nặng ............................................................................. 88 4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TUẦN HOÀN NƢỚC RỈ RÁC ..... 88 4.2.1. Biến đổi pH ................................................................................................... 89 4.2.2. Biến đổi BOD5 và COD ................................................................................ 90 4.2.3. Biến đổi nồng độ chất rắn lơ lửng ................................................................ 93 4.2.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ............................................................................. 94 4.2.5. Sản lƣợng khí sinh học.................................................................................. 97 4.2.6. Sự loại bỏ thành phần dinh dƣỡng .............................................................. 100 4.2.7. Biến đổi về kim loại nặng ........................................................................... 101 4.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TUẦN HOÀN VÀ BỔ SUNG CHẾ PHẨM SINH HỌC .................................................................................................................... 103 4.3.1. Biến đổi pH ................................................................................................. 103 4.3.2. Biến đổi nồng độ COD ............................................................................... 104 4.3.3. Biến đổi nồng độ chất rắn lơ lửng .............................................................. 105 4.3.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ........................................................................... 106 4.3.5. Sản lƣợng khí sinh học................................................................................ 108 4.3.6. Sự biến thiên thành phần dinh dƣỡng ......................................................... 110 4.3.7. Biến đổi nồng độ kim loại nặng .................................................................. 112 4.4. ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ CỦA CTR TRONG CÁC MÔ HÌNH ................................................................................................................................... 113 4.4.1. Sự thay đổi khối lƣợng chất rắn .................................................................. 114 4.4.2. Sự thay đổi hàm lƣợng carbon hữu cơ tổng số (TOC) ............................... 117 4.4.3. Sự thay đổi hàm lƣợng nitơ hữu cơ ............................................................ 118 4.4.4. Sự thay đổi tỷ lệ C/N .................................................................................. 120 4.4.5. Độ sụt giảm thể tích chất thải ..................................................................... 121 4.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ ........................................... 123 4.5.1. Tính toán động học theo nồng độ cơ chất (Mô hình động học bậc 1) ........ 123 4.5.2. Tính toán động học theo tốc độ sinh khí metan (Mô hình động học bậc 1)124 4.5.3. Tính toán động học theo mô hình Monod .................................................. 126 4.5.4. Tính toán động học theo Michaelis – Menten từ dữ liệu thực nghiệm bằng phƣơng pháp tích phân ......................................................................................... 130 ix 4.6. ĐỀ XUẤT NÂNG CẤP, CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CTRSH HIỆN HỮU TRONG CÁC BCL ................................................................................................................... 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 139 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....................... 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 142 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 153 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BCL : Bãi chôn lấp BOD : Nhu cầu oxy sinh học CIDA : Cơ quan phát triển quốc tế Canada COD : Nhu cầu oxy hóa học CTR : Chất thải rắn CTRSH : Chất thải rắn sinh hoạt CTRCN : Chất thải rắn công nghiệp CTNH : Chất thải nguy hại C/N : Tỉ lệ Carbon/Nitơ DOC : Cacbon hữu cơ hoà tan E.M : Vi sinh vật hoạt hóa KPH : Không phát hiện MH : Mô hình PE : Nhựa Polyethylene PTN : Phòng thí nghiệm OLR : Tải lƣợng chất hữu cơ OFMSW : Thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị SMPR : Tốc độ phát sinh khí metan riêng SRT : Thời gian lƣu chất rắn SS : Chất rắn lơ lửng TAK : Tổng độ kiềm TKN : Tổng Nitơ Kjeldahl TN & MT : Tài nguyên và Môi trƣờng TPHCM : Thành phố Hồ Chí Minh TOC : Tổng carbon hữu cơ TS : Tổng chất rắn TVA : Tổng axit bay hơi VFA : Axit béo bay hơi VS : Chất rắn bay hơi VSV : Vi sinh vật xi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. CTR đô thị phát sinh các năm 2007 – 2010 và ƣớc tính lƣợng CTR đô thị phát sinh đến năm 2025 (tấn) .......................................................................................... 6 Bảng 1.2. Chất thải rắn phát sinh tại các khu vực .......................................................... 7 Bảng 1.3. Tổng hợp và dự báo lƣợng CTR phát sinh ở Việt Nam theo nguồn phát sinh (tấn/ ngày) ........................................................................................................................ 8 Bảng 1.4. Tỉ lệ % thành phần CTRSH tại đầu vào các bãi chôn lấp ở một số địa phƣơng ........................................................................................................................... 10 Bảng 1.5. Thành phần hóa học của CTRSH ................................................................. 11 Bảng 1.6. Phần trăm các nguyên tố thành phần trong CTR hữu cơ.............................. 12 Bảng 1.7. Tính chất CTR đô thị .................................................................................... 12 Bảng 1.8.Thành phần chất thải rắn tại các bãi chôn lấp ............................................... 12 Bảng 1.9. Các phƣơng pháp xử lý CTRSH .................................................................. 18 Bảng 1.10. Các phƣơng pháp xử lý chất thải rắn ......................................................... 22 Bảng 1.11. Thực trạng xử lý CTR tại các đô thị trong 6 vùng kinh tế ......................... 23 Bảng 1.12. Hiện trạng một số BCL chất thải rắn trên lãnh thổ Việt Nam ................... 25 Bảng 2.1. Tổ hợp các vi sinh vật phân hủy CTR .......................................................... 44 Bảng 2.2. Ảnh hƣởng của quá trình xử lý cơ học đối với sự tăng sản lƣợng biogas ... 46 Bảng 2.3. Tỉ lệ sản sinh khí metan và hiệu quả chuyển hóa ......................................... 49 Bảng 2.4.Thông số thiết kế về tải trọng thủy lực đối với các phƣơng pháp tuần hoàn nƣớc rác khác nhau ........................................................................................................ 53 Bảng 2.5. Sự biến đổi thể tích và thành phần carbon trong chất thải đô thị ................ 56 Bảng 2.6. Tổng sản lƣợng khí metan sản sinh đối với chất thải mới và chất thải cũ .. 57 Bảng 3.1. Các chỉ tiêu theo dõi hoạt động của mô hình ............................................... 69 Bảng 3.2. Thành phần rác ban đầu ................................................................................ 71 Bảng 3.3. Kết quả thành phần chất thải rắn thử nghiệm ............................................... 71 Bảng 3.4. Tính chất rác thải thử nghiệm ....................................................................... 71 Bảng 4.1. Tỷ lệ BOD5/COD trong mô hình đối chứng .................................................82 Bảng 4.2.Tỷ lệ VFA/độ kiềm trong mô hình đối chứng ...............................................85 Bảng 4.3. Thống kê sản lƣợng khí sinh học thu đƣợc trong mô hình đối chứng..........86 Bảng 4.4. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong nƣớc rỉ theo thời gian ...................88 Bảng 4.5.Tỉ lệ BOD5/COD ...........................................................................................93 Bảng 4.6. Thống kê sản lƣợng khí sinh học thu đƣợc trong mô hình ...........................99 Bảng 4.7. Biến thiên nồng độ kim loại nặng theo thời gian .......................................102 Bảng 4.8. Tỉ lệ BOD5/COD trong hai mô hình bổ sung chế phẩm .............................105 Bảng 4.9.Tỉ lệ VFA/độ kiềm trong cả 2 mô hình .......................................................106 xii Bảng 4.10. Thống kê sản lƣợng khí sinh học thu đƣợc trong mô hình có bổ sung chế phẩm và hiệu quả phân hủy CTR ................................................................................110 Bảng 4.11. Tổng hợp kết quả về sự phân hủy chất hữu cơ của thí nghiệm ................116 Bảng 4.12. Thống kê kết quả tính toán thông số động học cho 3 mô hình.................129 Bảng 4.13.Bảng thống kê các thông số động học .......................................................136 xiii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Lƣợng phát sinh CTR đô thị của một số TP, tỉnh qua các năm 2005-2010 .. 7 Hình 1.2. Mối liên hệ giữa các thành phần trong hệ thống quản lý CTR .................... 17 Hình 2.1. Phân giải kỵ khí các chất thải sinh học ......................................................... 34 Hình 2.2. Các giai đoạn của quá trình hình thành khí bãi chôn lấp .............................. 44 Hình 2.3. Khả năng sinh khí biogas trong trƣờng hợp có và không có bổ sung bùn tự hoại ................................................................................................................................ 47 Hình 2.4. Sự thay đổi tốc độ phân hủy kị khí theo nhiệt độ ......................................... 48 Hình 2.5. Động học bậc 1 của quá trình thủy phân phụ thuộc vào pH ......................... 50 Hình 2.6. Giếng nạp đứng ............................................................................................. 52 Hình 2.7. Tốc độ sinh khí metan ................................................................................... 56 Hình 2.8. Vai trò vi sinh vật của AquaClean trong qúa trình phân hủy sinh học chất ô nhiễm hữu cơ ................................................................................................................ 62 Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm dạng đứng.....................................................................65 Hình 4.1. Sự biến thiên giá trị pH nƣớc rỉ theo thời gian trong mô hình đối chứng ....80 Hình 4.2. Sự biến thiên BOD5 và COD của nƣớc rỉ theo thời gian ..............................81 Hình 4.3. Sự biến thiên giá trị SS theo thời gian trong mô hình đối chứng .................83 Hình 4.4. Sự biến thiên VFA (a) và độ kiềm (b) trong nƣớc rỉ theo thời gian trong mô hình đối chứng ...............................................................................................................84 Hình 4.5. Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo thời gian trong mô hình đối chứng .......................85 Hình 4.6. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian trong mô hình đối chứng .........86 Hình 4.7. Sự biến thiên nồng độ amoni của nƣớc rỉ theo thời gian trong mô hình đối chứng .............................................................................................................................87 Hình 4.8. Sự biến thiên giá trị pH theo thời gian..........................................................89 Hình 4.9.Biểu đồ so sánh sự khác biệt pH ở giai đoạn ổn định (n = 23) ......................90 Hình 4.10. Sự biến thiên giá trị BOD5 (a) và COD (b) theo thời gian đối với 3 mô hình có tỉ lệ tuần hoàn khác nhau ..........................................................................................91 Hình 4.11. Biểu đồ so sánh sự khác biệt BOD5 và COD ở giai đoạn ổn định (n = 13) 92 Hình 4.12. Sự biến thiên nồng độ SS theo thời gian ....................................................94 Hình 4.13. Sự biến thiên nồng độ VFA (a) và độ kiềm (b) theo thời gian ...................95 Hình 4.14.Biểu đồ so sánh sự khác biệt độ kiềm ở giai đoạn ổn định (n = 18) ............96 Hình 4.15. Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo thời gian đối với các mô hình .............................97 Hình 4.16. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian................................................98 xiv Hình 4.17. Biểu đồ so sánh sự khác biệt tốc độ sinh khí ở giai đoạn ổn định (n = 18) .......................................................................................................................................98 Hình 4.18. Sự biến thiên nồng độ dinh dƣỡng theo thời gian đối với mô hình có tỉ lệ tuần hoàn 7,64 mL/m2.h (a) và 11,46 mL/m2.h (b) .....................................................100 Hình 4.19. Sự biến thiên pH trong 2 mô hình theo thời gian .....................................103 Hình 4.20. Sự biến thiên COD trong 2 mô hình theo thời gian ..................................104 Hình 4.21. Sự biến thiên SS trong 2 mô hình theo thời gian ......................................106 Hình 4.22. Sự biến thiên nồng độ VFA trong 2 mô hình theo thời gian ....................107 Hình 4.23. Sự biến thiên độ kiềm trong 2 mô hình theo thời gian .............................108 Hình 4.24. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian trong hai mô hình ................109 Hình 4.25. Biểu đồ so sánh sự khác biệt tốc độ sinh khí trong 3 mô hình (n = 18) ...109 Hình 4.26. Sự biến thiên nồng độ NH4+ trong cả 2 mô hình ......................................111 Hình 4.27. Sự biến thiên nồng độ TN trong cả 2 mô hình .........................................111 Hình 4.28. Sự biến thiên nồng độ kim loại nặng trong (a) MH3.1; (b) MH3.2 .........113 Hình 4.29. Biến thiên TS theo thời gian trong các mô hình .......................................115 Hình 4.30. Biến thiên VS theo thời gian trong các mô hình.......................................115 Hình 4.31. Mức giảm VS (tính theo % VS/TS) theo thời gian trong các mô hình ....116 Hình 4.32. Biến thiên TOC và hiệu suất khử TOC trong các mô hình ......................118 Hình 4.33. Biến thiên hàm lƣợng nitơ hữu cơ và hiệu suất khử nitơ hữu cơ trong các mô hình ........................................................................................................................119 Hình 4.34. Biến thiên tỷ lệ C/N trong các mô hình ....................................................121 Hình 4.35. Sự sụt giảm thể tích chất thải theo thời gian phân hủy kị khí...................122 Hình 4.36. ậc 1 theo nồng độ cơ chất ........124 Hình 4.37. ậc 1 theo tốc độ sinh khí metan .....................................................................................................................................125 Hình 4.38. .126 Hình 4.39. μmax và Kd cho MH1 ........................................................127 Hình 4.40. .....................................................................................................................................127 Hình 4.41. μmax và Kd cho MH2.1 .....................................................128 Hình 4.42. .....................................................................................................................................128 Hình 4.43. μmax và Kd cho MH3.1 .....................................................129 Hình 4.44. max cho MH1 ..................................................................130 Hình 4.45. m và Km cho MH1 ......................................................... 131 Hình 4.46. ị cho MH1 ............................................................131 Hình 4.47. max cho MH2.1 ............................................................... 132 Hình 4.48. m và Km cho MH2.1 ...................................................... 132 xv Hình 4.49. Hình 4.50. Hình 4.51. Hình 4.52. ị cho MH2.1 .........................................................133 max cho MH3.1 .............................................................. 133 m và Km cho MH3.1 ...................................................... 134 ị cho MH3.1 .........................................................134 xvi MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay quản lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH)đang là một vấn đề môi trƣờng quan trọng ở Việt Nam, nhất là ở các đô thị lớn. Sự tăng nhanh tốc độ đô thị hóa và mật độ dân cƣ ở các thành phố đã làm tăng nhanh chóng lƣợng CTRSH phát sinh, gây ra những áp lực lớn đối với hệ thống quản lý chất thải rắn đô thị. Trong khi đótại các vùngnông thôn, CTRSH chƣa đƣợc quan tâm quản lý và xử lý phù hợp CTRSH nông thôn là một trong số các nguồn thải gây ô nhiễm môi trƣờng nông thôn nghiêm trọng. Tại Việt Nam, công nghệ xử lý CTRSH sử dụng phổ biến chủ yếu là chôn lấp, gần đây có kết hợpvới compost (>90)[1]. Đây là công nghệ cho phép xử lý đƣợc tất cả chất thải rắn, kỹ thuật vận hành đơn giản, phƣơng pháp xử lý rẻ tiền và có khả năng thu hồi khí sinh học. Tuy nhiên, chôn lấp CTRSH đòi hỏi một diện tích đất khá lớn, trong khi quỹ đất ở những thành phố lớn ngày càng trở nên khan hiếm và đắt đỏ. Thời gian để rác phân hủy hoàn toàn rất lâu gây nên tình trạngthiếu đất chôn lấp. Ngoài ra, do thời gian phân hủy chậm, các bãi chôn lấp là nguồn phát tán ô nhiễm vào không khí, nƣớc mặt, nƣớc ngầm và tác động đến chất lƣợng đất trong khu vực chôn lấp. Hiện nay, nhiều công nghệ xử lý CTRSH đã đƣợc đề xuất áp dụng, tuy nhiên, các công nghệ mới dù đáp ứng điều kiện môi trƣờng nhƣngđòi hỏi nguồn lực tài chính và kỹ thuật cao nên khó có khả năng áp dụng rộng rãi trong điều kiện Việt Nam. Mặt khác nhiều bãi chôn lấp rác đô thị đã đƣợc xây dựng và hoạt động theocác công nghệ cũvới nhiều hạn chế về hiệu quả xử lý và an toàn môi trƣờng. Chính vì vậy, việc nâng cấp công nghệ các bãi chôn lấp hiện hành vẫn là một yêu cầu quan trọng để nâng cao hiệu quả xử lý. Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng[2], trung bình một đô thị có một bãi chôn lấp rác và hiện có tới 85-90% bãi chôn lấp không hợp vệ sinh. Nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng cao, ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời dân. Các bãi chôn lấp hoạt động theo quy trình đơn giản, không chú trọng đến tốc độ phân hủy rác và khả năng thu hồi 1 khí sinh học. Kết quả là thời gian phân hủy rác kéo dài, lƣợng khí sinh học phát sinh mùi, nƣớc rỉ rác không đƣợc thu gom, phát tán và gây ảnh hƣởng đáng kể đến môi trƣờng xung quanh khu vực lân cận. Trong số các giải pháp, trong điều kiện ở Việt Nam vốn các bãi rác đang vận hành và ngay cả các bãi sắp xây mới cần có những cải tiến về công nghệ cơ bản nâng cao tốc độ phân hủy rác trong bãi chôn lấp bằng giải pháp tuần hoàn nƣớc rác và bổ sung chế phẩm sinh học đƣợc xem là có tính khả thi cao. Nghiên cứu của Francois et al. (2007)[3], Chan et al. (2002) [4] đã chứng minh rằng tuần hoàn nƣớc rác giúp tăng tốc độ phân hủy rác, tạo điều kiện cho bãi rác nhanh vào trạng thái hoạt động ổn định, rút ngắn giai đoạn acid hóa và metan hóa. Nghiên cứu của San et al. (2001) [5] cũng xác định tuần hoàn nƣớc rác có khả năng gia tăng lƣợng metan tích lũy 1,7 – 2 lần so với trƣờng hợp không tuần hoàn. Nghiên cứu của BETCO[6] cho thấy việc bổ sung các chế phẩm sinh học giúp tăng cƣờng khả năng làm sạch chất thải, giải quyết hiệu quả ô nhiễm môi trƣờng.Với phƣơng pháp này vi khuẩn, cũng nhƣ các enzyme chuyên hóa có lợi đƣợc sử dụng để đẩy nhanh quá trình tự nhiên, phân hủy các hợp chất phức tạp trong chất thải thành các hợp chất đơn giản hay tạo ra các sản phẩm phân hủy có lợi cho con ngƣời nhƣ khí sinh học. AquaClean và các sản phẩm cốt lõi Microbe-Lift là một tập hợp các vi khuẩn hiếu khí, kị khí, tuỳ nghi, hóa tổng hợp và quang hợp có khả năng xử lý hiệu quả BOD5, COD, chất rắn lơ lửng, chất thải rắn tổng số, phenolic, hydrogen sulfide và các thành phần ô nhiễm khác. Giả thuyết khoa học của nghiên cứu là sử dụng chính sản phẩm phân giải tự nhiên của bãi chôn lấp (nƣớc rỉ rác) và bổ sung thêm chế phẩm sinh học. Tập hợp các loại vi khuẩn sẽ giúp tăng cƣờng khả năng phân hủy sinh học chất thải rắn sinh hoạt trong bãi chôn lấp theo hƣớng có lợi cho môi trƣờng và tăng cƣờng tạo khí sinh học. Thông qua những tác động này sẽ tăng cƣờng và kéo dài tuổi thọ của các bãi chôn lấp theo công nghệ cũ. 2 Từ các nhận định trên, nhằm tăng cƣờng hiệu quả hoạt động xử lý trong các bãi chôn lấp và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờngcho các bãi rác hiện hành ở Tp.HCM, đề tài “Nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạttrong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp” đƣợcnghiên cứu sinh chọn và thực hiện. Định hƣớng của luận án là xác định các điều kiện phù hợp nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH, xử lý hiệu quả thành phần ô nhiễm hữu cơ và thu hồi tối ƣu lƣợng khí sinh học phục vụ cho nhu cầu cung cấp năng lƣợng. 2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN Mục tiêu của luận án là: - Nâng cao tốc độ phân hủy CTRSHtrong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp bằng công nghệ tuần hoàn nƣớc rỉ rác kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học. - Đề xuất giải pháp công nghệ nhằm nâng cấp, cải tiến công nghệ cho các bãi chôn lấp CTRSH hiện hữu trong điều kiện Việt Nam. 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu của đề tài, các nội dung nghiên cứu sau đã đƣợc thực hiện: - Xác định thành phần và tính chất CTRSH tại TP.HCMtheođịnh hƣớng thu hồi năng lƣợng sinh khối. - Thực hiện thí nghiệm nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp CTRSH với 3 kiểu mô hình:  Mô hình 1: Mô hình đối chứng - mô hình chôn lấp rác, không tuần hoàn nƣớc rác và không bổ sung chế phẩm sinh học.  Mô hình 2: Mô hình chôn lấp rác có tuần hoàn nƣớc rỉ rác nhằm đảm bảo cung cấp độ ẩm cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của vi khuẩn.  Mô hình 3: Mô hình chôn lấp rác, kết hợp tuần hoàn nƣớc rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học. 3 Các thông số cần khảo sát trong các mô hình: hiệu quả phân hủy sinh học thành phần hữu cơ, tỉ lệ tuần hoàn và hàm lƣợng chế phẩm phù hợp. - Xác định các thông số động học của quá trình phân hủy sinh học kị khí; - Đề xuất giải pháp công nghệ, áp dụng kết quả nghiên cứu nhằmnâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện các bãi chôn lấp. 4.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Sử dụng bãi chôn lấp để xử lý CTRSH là giải pháp đƣợc áp dụng rộng rãi ở Việt Nam hiện nay, trong đó công nghệ chủ yếu là chôn lấp hợp vệ sinh. Công nghệ tuần hoàn nƣớc rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy rác không phải là vấn đề khoa học mới trên thế giới. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ này ở Việt Nam vẫn còn khá mới mẻ. Bên cạnh đó, luận án còn bƣớc đầu nghiên cứu về thông số động học của quá trình phân hủy chất thải rắn trong điều kiện kỵ khí với các mô hình động học khác nhau. Kết quả của nghiên cứu sẽ gópphần hoàn thiện thêm lý thuyết về xử lý sinh học CTRSH và áp dụng cho những điều kiện kỹ thuật tƣơng tự nhƣ Việt Nam. 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Luận án đƣợc thực hiện với phạm vi nghiên cứu là bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học Xác định công nghệ để nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải rắn trong điều kiện bãi chôn lấp ở Việt Nam; Đề xuất đƣợc quy trìnháp dụng nhằm nâng cao, cải tiến công nghệ phân hủy chất thải rắn hiện hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam; Xác định thông số động học đánh giá khả năng phân hủy CTRSH trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp. 4 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc cải tiến, nâng cấp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả xử lý CTRSH cho các bãi chôn lấp chất thải rắn hiện hữu ở Việt Nam do các bãi này đƣợc thiết kế theo công nghệ cũ và vẫn tiếp tục vận hành. Vì vậy, nâng cao hiệu quả phân hủy sinh học có tác dụng khắc phục hạn chế về hiệu quả phân hủy CTRSH của bãi rác, từ đó kéo dài tuổi thọ của bãi chôn lấp. Nghiên cứu có khả năng triển khai tại các bãi chôn lấp rác sinh hoạt ở các tỉnh và thành phố trong cả nƣớc. Tăng cƣờng hiệu quả xử lý, giảm thiểu tác động môi trƣờng, thu hồi khí sinh học của các bãi rác hiện hữu ở Việt Nam. 5 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT 1.1. CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT VÀ TÁC ĐỘNG MÔI TRƢỜNG 1.1.1. Hiện trạng phát sinh CTRSH Tổng lƣợng CTR phát sinh ở các đô thị Việt Nam tăng trung bình 10-16 % mỗi năm, trong đó khối lƣợng CTRSH chiếm khoảng 60 - 70% tổng lƣợng CTR đô thị (một số đô thị tỷ lệ này lên đến 90%)[2]. Lƣợng CTRSH phát sinh ở TP. Hồ Chí Minh khoảng 6.585 tấn/ngày, Hà Nội khoảng 6.500 tấn/ngày[1]. Tỷ lệ thu gom trung bình ở các đô thị từ 72% năm 2004 tăng lên khoảng 80 - 82% năm 2008 và đạt khoảng 83 - 85% cho năm 2010. Mặc dù tỷ lệ thu gom có tăng nhƣng vẫn còn khoảng 15 - 17% CTR đô thị chƣa đƣợc thu gom xử lý mà đƣợc thải thẳng ra môi trƣờng, vào bãi đất, hố đất, ao hồ, hoặc đốt lộ thiên gây ô nhiễm môi trƣờng[2]. Bảng 1.1. CTR đô thị phát sinh các năm 2007 – 2010 và ƣớc tính lƣợng CTR đô thị phát sinh đến năm 2025 (tấn) [1] Nội dung Dân số đô thị (triệu ngƣời) % Dân số đô thị so với cả nƣớc Chỉ số phát sinh CTR đô thị (kg/ngƣời/ngày) Tổng lƣợng CTR đô thị phát sinh (tấn/ngày) 2007 2008 2009 2010 2015 2020 2025 23,80 27,70 25,50 26,22 35,00 44,00 52,00 28,20 28,99 29,74 30,20 38,00 45,00 50,00 0,75 0,85 0,95 1,00 1,20 1,40 1,60 17.682 20.849 24.225 26.224 42.000 61.600 83.200 Lƣợng CTRSH đô thị tăng mạnh ở các đô thị lớn nhƣ Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Đà Nẵng, nơi có tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa tăng nhanh. Còn một số đô thị nhỏ nhƣ Thái Bình, Nam Định, Vĩnh Long, Tiền Giang, Sóc Trăng, v.v... tăng không nhiều do tốc độ đô thị hóa không cao (hình 1.1). Tỷ lệ CTR gia tăng cao tập trung ở các đô 6 thị đang có xu hƣớng mở rộng, phát triển mạnh cả về quy mô lẫn dân số và các khu công nghiệp nhƣ các đô thị tỉnh Phú Thọ (19,9%), Phủ Lý (17,3%), Hƣng Yên (12,3%), Rạch Giá (12,7%), Cao Lãnh (12,5%) v.v... Các đô thị khu vực Tây Nguyên có tỷ lệ CTR gia tăng đồng đều hàng năm với tỷ lệ ít hơn (khoảng 5%). Hình 1.1. Lƣợng phát sinh CTR đô thị của một số TP, tỉnh qua các năm 2005-2010[7] Mức độ đô thị hóa cao, sự dịch chuyển dân cƣ ra thành thị, mức sống đƣợc cải thiện, tiêu dùng đa dạng, các thành phố lớn có kinh tế phát triển nhƣ Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, v.v... nên lƣợng CTR đô thị tăng và thành phần phức tạp. Ƣớc tính chỉ số phát sinh CTR đô thị trung bình ở Việt Nam trong những năm 2015, 2020, 2025 vào khoảng 1,2; 1,4 và 1,6 kg/ngƣời/ngày [1]. Bảng 1.2. Chất thải rắn phát sinh tại các khu vực[7] Lƣợng phát sinh Khu vực (tấn/ngày) Trung du và miền núi phía Bắc Vùng 1 1.629 Đồng bằng sông Hồng và vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ Vùng 2 8.283 Duyên hải Trung bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Vùng 3 4.815 Tây Nguyên Vùng 4 1.417 Đông Nam Bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Vùng 5 15.563 Đồng bằng sông Cửu Long Vùng 6 3.372 7 Theo Dự báo của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, đến năm 2015, khối lƣợng CTRSH phát sinh từ các đô thị loại 4 trở lên tại 6 vùng kinh tế, ƣớc tính khoảng 37.000 tấn/ngày, năm 2020 là 59.000 tấn/ngày và 2025 là 88.000 tấn/ngày, tăng gấp 1,7 – 4,0 lần so với hiện tại. Các loại chất thải là túi nilon sử dụng một lần, các loại bao bì, đồ điện tử và các chất nguy hại ngày càng gia tăng, khối lƣợng chất thải rắn thƣơng mại dịch vụ cũng tăng 1,7 lần – 2,3 lần [7]. Bảng 1.3. Tổng hợp và dự báo lƣợng CTR phát sinh ở Việt Nam theo nguồn phát sinh(tấn/ ngày) [7] Năm Vùng đồng bằng sông Hồng và kinh tế trọng điểm Bắc Bộ Vùng Đông Nam Bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam 2008 2015 2020 2025 8.284 16.589 25.856 38.070 15.563 24.356 35.203 48.502 Tính riêng tại TPHCM trong năm 2014, tổng khối lƣợng chất thải rắn đô thị phát sinh ƣớc tính khoảng 7.500 tấn/ngày – 8.000 tấn/ngày. Trong đó, khối lƣợng thu gom và vận chuyển lên bãi chôn lấp khoảng 6.585 tấn/ngày [6]. Phần còn lại là phế liệu đƣợc mua bán để tái chế. Một phần nhỏ khác, chủ yếu là các chất thải hữu cơ đƣợc xả thải xuống đồng ruộng ở vùng ngoại thành. Ƣớc tính tỷ lệ gia tăng khối lƣợng hàng năm khoảng 7% – 8%. 1.1.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất CTRSH a) Nguồn gốc phát sinh CTRSH phát sinh từ các nguồn chính sau: - CTRSH từ các hộ gia đình: phát sinh từ các hộ gia đình dân cƣ, các biệt thự và căn hộ chung cƣ. Thành phần chất thải bao gồm: thực phẩm thừa, giấy, carton, plastic, gỗ, thủy tinh, lon, hộp, can nhựa, các kim loại, tro, đồ điện tử gia dụng bị hỏng, rác vƣờn, xăm lốp xe... Ngoài ra CTRSH từ các hộ dân cƣ còn có thể chứa một lƣợng không lớn các chất độc hại nhƣ pin, ắc qui, chất tẩy rửa v.v... 8 - Chất thải rắn sinh hoạt đường phố: phát sinh từ hoạt động của ngƣời dân, các khu vui chơi giải trí và làm đẹp cảnh quan. Nguồn gốc của loại chất thải này từ ngƣời đi đƣờng và cả những hộ dân sống dọc 2 bên đƣờng xả thải vào môi trƣờng. Mỗi đô thị tùy theo qui mô, cấp độ khác nhau mà có tới hàng chục, hàng trăm km đƣờng phố; mặt khác hiện nay hầu hết các đô thị của Việt Nam đang trong thời kỳ xây dựng, nên lƣợng chất thải đƣờng phố rất lớn, đặc biệt ở những khu vực có nhiều công trình đang xây dựng. Trong chất thải đƣờng phố thì tỷ lệ chất thải xây dựng chiếm tới 70-80%, chất thải sinh hoạt chỉ chiếm trên 15%, còn lại là các loại khác nhƣ cành cây, lá cây, bao nilon, xác động vật chết v.v... - CTRSH từ các khu vực chợ: phát sinh từ loại hình chợ truyền thống: chợ cóc, chợ đêm, chợ bán buôn, chợ đầu mối, chợ thực phẩm v.v...họp ở bất cứ nơi nào tiện lợi cho ngƣời bán và ngƣời mua. - CTRSH phát sinh từ các trung tâm thương mại, khách sạn,trung tâm dịch vụ: Các loại chất thải từ các khu này thƣờng chủ yếu là: giấy, carton, plastic, gỗ, thực phẩm, thủy tinh, kim loại, đồ điện tử, đồ điện gia dụng bị hỏng, v.v... ngoài ra còn có thể có một số loại chứa thành phần chất độc hại. - CTRSH từ các cơ quan, công sở hay các xí nghiệp: Phát sinh từ các cơ quan xí nghiệp, trƣờng học, văn phòng làm việc. Thành phần chất thải loại này tƣơng tự nhƣ các trung tâm thƣơng mại. Nhìn chung, CTRSH có nguồn gốc đa dạng do đó thành phần phức tạp, phần lớn gồm các chất dễ phân hủy sinh học nhƣ thực phẩm thừa, rác vƣờn, lá cây, rác thực phẩm. Các thành phần nhƣ nhựa, thủy tinh, giấy, carton, kim loại đƣợc thu gom, phân loại để tái chế, tái sử dụng. b) Thành phần và tính chất của CTRSH Thành phần CTRSH phụ thuộc vào mức sống ở một số đô thị. Mức sống, thu nhập khác nhau giữa các đô thị đóng vai trò quyết định trong thành phần CTRSH[1]. Thành phần CTRSHchủ yếu là rác thải có chứa lƣợng chất vô cơ và hữu cơ từ các nguồn thải nhƣ hộ gia đình, trƣờng học, nhà hàng khách sạn, chợ v.v… Thành phần CTRSH điển hình tại đô thị lớn đƣợc trình bày trong bảng 1.4. 9 Bảng 1.4. Tỉ lệ % thành phần CTRSH tại đầu vào các bãi chôn lấp ở một số địa phƣơng [2] TT Loại chất thải Huế Đà Nẵng TPHCM Đà Lạt Tiền Cần Giang Thơ 1 Rác hữu cơ 77,1 68,47 64,50 80,00 77,53 79,65 2 Giấy 1,92 5,07 8,17 5,00 3,89 2,79 3 Vải 2,89 1,55 3,88 KPH KPH 1,86 4 Gỗ 0,59 2,79 4,59 KPH KPH KPH 5 Nhựa 12,47 11,36 12,42 3,00 6,37 9,57 6 Da và cao su 0,28 0,23 0,44 KPH 7 Kim loại 0,40 1,45 0,36 1,00 0,23 0,70 8 Thủy tinh 0,39 0,14 0,40 1,00 0,21 1,52 9 Sành sứ 0,79 0,79 0,24 KPH 2,14 3,10 10 Đất và cát 1,70 6,75 1,39 KPH KPH KPH 11 Xỉ than KPH 0,00 0,44 KPH KPH KPH 12 Nguy hại KPH 0,02 0,12 KPH 0,06 0,03 13 Bùn 1,46 1,35 2,92 KPH KPH KPH KPH 0,03 0,14 10,00 9,57 0,76 100 100 100 100 100 100 14 Các loại khác Tổng Trong thành phần rác thải đƣa đến các bãi chôn lấp, thành phần rác có thể sử dụng làm nguyênliệu sản xuất phân hữu cơ rất cao từ 65–80%; thành phần nhựa: 3 – 12%; thành phầnkim loại đến 0,4 – 1,5%; CTNH bị thải lẫn vào chất thải sinh hoạt nhỏ hơn 0,2%. 10