Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:196

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm nghiên cứu công nghệ ủ kỵ khí nhằm mang lại hiệu quả xử lý chất thải rắn hữu cơ và tạo ra phân mùn đầu ra có chất lượng tốt, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng và chuyển giao các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt ra. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Hà NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn Mã số: 9520320 – 1 Hà Nội - Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Hà NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn Mã số: 9520320 – 1 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Hoàng Dương Tùng 2. GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Hà Nội - Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu của luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hà
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây dựng nơi tôi học tập, Khoa Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường của Trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến TS. Hoàng Dương Tùng và GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà khoa học, các chuyên gia đã có những ý kiến đóng góp cho luận án trong quá trình thực hiện. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội nơi tôi công tác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã tiếp thêm động lực giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hà
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................................ii MỤC LỤC..................................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................................x MỞ ĐẦU..........................................................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................................7 1.1. Tổng quan chung về chất thải rắn hữu cơ. ............................................................................. 7 1.1.1. Các khái niệm....................................................................................................... 7 1.1.2. Thành phần của CTR .......................................................................................... 8 1.2. Tổng quan về các công nghệ ủ sinh học kỵ khí xử lý CTR hữu cơ ..............................10 1.2.1. Công nghệ ủ kỵ khí ướt 1 giai đoạn nạp liệu liên tục ..................................... 10 1.2.2. Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu liên tục .................................... 11 1.2.3. Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu theo mẻ. .................................. 12 1.2.4. Công nghệ ủ kỵ khí đa giai đoạn (phổ biến là 2 giai đoạn) ........................... 15 1.3. Tình hình áp dụng các công nghệ ủ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam.........................................................................................................................................................18 1.3.1. Ở các nước phát triển......................................................................................... 18 1.3.2. Ở các nước đang phát triển ............................................................................... 28 1.3.3. Ở Việt Nam ........................................................................................................ 32 1.4. Một số nghiên cứu có liên quan đến xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học............................................................................................................................................................36 1.4.1. Một số nghiên cứu trên thế giới........................................................................ 36 1.4.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 40 Nhận xét chương 1 ..................................................................................................................................... 44 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH Ủ SINH HỌC KỴ KHÍ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ .......................................................................................................... 46 2.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất thải rắn hữu cơ.......46
iv 2.1.1. Cơ chế của quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí .......................................... 46 2.1.2. Hệ vi sinh vật phân giải kỵ khí chất thải hữu cơ [11, 13, 35, 72].................. 51 2.1.3. Phân bố vi sinh vật trong bể phân hủy ............................................................. 55 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí .....................................56 2.2.1. Đặc điểm của chất thải ...................................................................................... 56 2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................... 58 2.2.3. Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)..................................................... 58 2.2.4. Axit béo bay hơi (VFA) .................................................................................... 59 2.2.5. Thời gian lưu và tải lượng hữu cơ .................................................................... 60 2.2.6. Ammonia và các yếu tố gây độc ...................................................................... 60 2.2.7. Số lượng và chủng loại vi sinh vật có trong nguyên liệu ủ ............................ 61 2.3. Thiết lập cân bằng vật chất.........................................................................................................63 2.3.1. Thiết lập cân bằng thành phần rắn bay hơi VS ........................................................ 63 2.3.2. Thiết lập cân bằng các chất dinh dưỡng ................................................................... 65 2.4. Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí...........................................................68 2.4.1. Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí theo mô hình Monod và xác định phương trình hệ số tốc độ phân hủy. ........................................................................... 68 2.4.2. Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí xác định lượng khí sinh ra theo mô hình Gompertz cải tiến và mô hình BPK. .................................................................... 69 Nhận xét chương 2 ..................................................................................................................................... 72 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................... 73 3.1. Địa điểm, máy móc, các thiết bị thí nghiệm và xây dựng sơ đồ nghiên cứu của Luận án. ..........................................................................................................................................................73 3.2. Các mô hình thí nghiệm ..............................................................................................................75 3.2.1. Mô hình thí nghiệm ủ kị khí 1 giai đoạn trong phòng thí nghiệm ................ 75 3.2.2. Mô hình thí nghiệm ủ kị khí 2 giai đoạn trong phòng thí nghiệm ................ 77 3.2.3. Mô hình nghiên cứu ngoài hiện trường ........................................................... 79 3.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .................................................................................80 3.3.1. Thực nghiệm khảo sát đặc tính CTRSH và đặc tính của mẫu trước khi đưa
v vào các mô hình thí nghiệm.................................................................................................. 84 3.3.2. Quy trình thực nghiệm vận hành các mô hình trong phòng thí nghiệm ...... 84 3.3.3. Quy trình thí nghiệm vận hành các mô hình ngoài hiện trường ................... 90 3.3.4. Xây dựng quy trình đánh giá sản phẩm phân mùn đầu ra từ các mô hình... 96 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ..................................................100 4.1. Đánh giá thành phần chất thải rắn hữu cơ đầu vào của các đợt thí nghiệm.100 4.2. Đánh giá quá trình ủ kị khí trên quy mô phòng thí nghiệm.........................................102 4.2.1. Xác định chế phẩm sinh học đợt 1. ................................................................ 102 4.2.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp đợt thí nghiệm 2..................................... 107 4.2.3. Xác định thời gian ủ giai đoạn 1 của đợt thí nghiệm 3................................. 110 4.2.4. Đánh giá quá trình ủ đợt 4............................................................................... 111 4.3. Đánh giá quá trình ủ kỵ khí ngoài hiện trường.................................................................113 4.3.1. Đánh giá hiệu quả của quá trình ủ kị khí ủ kị khí 1 giai đoạn và ủ 2 giai đoạn với quy mô khác nhau ngoài hiện trường vào mùa hè (đợt 5). ....................................... 113 4.3.2. Đánh giá hiệu quả của quá trình ủ kị khí ủ kị khí 1 giai đoạn và ủ 2 giai đoạn với quy mô khác nhau ngoài hiện trường vào mùa đông (đợt 6). .................................. 116 4.4. Đánh giá chất lượng của mùn sau quá trình ủ ngoài hiện trường. ............................119 4.4.1. Đánh giá chất lượng của mùn sau quá trình ủ ngoài hiện trường đợt 5 ..... 119 4.4.2. Đánh giá chất lượng của mùn sau quá trình ủ ngoài hiện trường đợt 6 ..... 120 4.5. Thiết lập cân bằng vật chất của các mô hình thí nghiệm...............................................122 4.5.1. Thiết lập cân bằng thành phần rắn bay hơi VS ...................................................... 122 4.5.2. Thiết lập cân bằng thành phần các chất dinh dưỡng ............................................. 126 4.6. Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ của các mô hình thí nghiệm.....................................................................................................................................................132 4.6.1. Xác định hệ số tốc độ phân hủy của quá trình ủ kỵ khí CTR hữu cơ. ................. 132 4.6.2. Phân tích động học của quá trình phân hủy kỵ khí theo mô hình Gompertz cải tiến và mô hình BPK. ................................................................................................................. 133 KẾT LUẬN................................................................................................................................................137 Danh mục các công trình đã công bố của tác giả liên quan đến Luận án ............................139 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................140
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AIT Asian Institute of Technology Viện Công nghệ Châu Á BNNPTNT - Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn BPK Biogas Production Kinetics Động học sản lượng khí sinh học BOD Biochemical Oxygen Nhu cầu oxy sinh hóa Demand COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CTR - Chất thải rắn CTRĐT - Chất thải rắn đô thị CTRSH - Chất thải rắn sinh hoạt CTRSHĐT - Chất thải rắn sinh hoạt đô thị GNI Gross National Income Thu nhập quốc dân HDPE High Density PolyEthylene Vật liệu nhựa dẻo mật độ cao HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu LCFA Long Chain Fatty Acids Axit béo mạch dài M0 - Mô hình thí nghiệm số 0 (đợt TN 3) Mô hình thí nghiệm ủ 1 giai đoạn M1 - không phối trộn vụn cá (đợt TN 3, 4) Mô hình thí nghiệm ủ 2 giai đoạn không phối trộn vụn cá (đợt thí M2 - nghiệm 3, 4, 5, 6); Mẫu bắp cải bón mùn từ mô hình M2 đợt 6 M3 - Mô hình thí nghiệm số 3 (đợt TN 3) Mô hình thí nghiệm ủ kỵ khí 1 giai M1VC - đoạn có phối trộn vụn cá - VC (đợt thí nghiệm 4) Mô hình thí nghiệm ủ kỵ khí 2 giai M2VC - đoạn có phối trộn vụn cá – VC (đợt thí nghiệm 4) Mô hình thí nghiệm ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô nhỏ (đợt TN 5, 6); M1S - Mẫu bắp cải bón mùn từ mô hình M1S đợt 6 Mô hình thí nghiệm ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô lớn (đợt TN 5, 6); M1B - Mẫu bắp cải bón mùn từ mô hình M1B đợt 6.
vii Mẫu rau bón mùn từ mô hình M1S M1S1, 2 - đợt 5 (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) Mẫu rau bón mùn từ mô hình M1B M1B1, 2 - đợt 5 (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) Mẫu rau bón mùn từ mô hình M2 M2.1, M2.2 - đợt 5 (1: cải ngọt, 2: cải ngồng) OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu cơ QCVN - Quy chuẩn Việt Nam SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng TCMT - Tổng cục môi trường TKN Total Kjeldahn Nitrogen Tổng nitơ Kjeldahl TN - Thí nghiệm TNHH - Trách nhiệm hữu hạn TNMT - Tài nguyên môi trường TS Total Solid Tổng chất rắn TP Total Phosphorus Tổng phôtpho TVS Total Volatile Solid Tổng chất rắn bay hơi T0 - Thùng thí nghiệm số 0 (đợt TN 1, 2) T1 - Thùng thí nghiệm số 1 (đợt TN 1, 2) T2 - Thùng thí nghiệm số 2 (đợt TN 1, 2) T3 - Thùng thí nghiệm số 3 (đợt TN 1, 2) Upflow Anearobic Sludge UASB Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược Blanket UBND - Ủy ban nhân dân UBNDTP - Ủy ban nhân dân thành phố URENCO - Công ty môi trường đô thị VC - Vụn cá VFA Volatile Fatty Acid Axit béo bay hơi VS Volatile Solid Chất rắn bay hơi VSV - Vi sinh vật WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng các loại CTR hữu cơ trong CTRSH [23, 26] ................................................ 9 Bảng 1.2: So sánh các hệ thống kỵ khí khô có trên thị trường [58]...................................... 14 Bảng 1.3: Bảng so sánh các hệ thống ủ kỵ khí khô và ướt [72]............................................ 15 Bảng 1.4: Ưu nhược điểm của công nghệ ủ kỵ khí 1 và 2 giai đoạn [23, 72] ..................... 18 Bảng 1.5: Các mô hình xử lý CTR hữu cơ quy mô hộ nhỏ [59] .......................................... 24 Bảng 2.1. Sự phân bổ các loại vi sinh vật chính trong bể phân hủy khí sinh học trong điều kiện lên men chuẩn [14] .......................................................................................................... 55 Bảng 2.2: Thành phần các chất trong vụn cá thải [20] .......................................................... 57 Bảng 2.3: Quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian lưu chất thải [22] .......................................... 58 Bảng 2.4: Kết quả phân tích các chủng vi sinh chính trong các CPSH xử lý CTR đã được cấp phép .................................................................................................................................... 62 Bảng 3.1: Phương pháp, thiết bị và hóa chất phân tích ......................................................... 74 Bảng 3.2: Bảng tổng hợp các mô hình thí nghiệm và sơ đồ khung logic ............................ 80 Bảng 3.3: Tổng hợp khung sơ đồ logic các đợt thí nghiệm .................................................. 82 Bảng 4.1 Kết quả phân tích thành phần của CTR hữu cơ được thu gom .......................... 100 Bảng 4.2: Kết quả phân tích thành phần của vụn cá thải..................................................... 101 Bảng 4.3 Kết quả phân tích thành phần của CTR đầu vào các mẫu thí nghiệm. .............. 101 Bảng 4.4: Hiệu suất chuyển hóa VS của các thùng thí nghiệm đợt 1 ................................ 106 Bảng 4.5: Hiệu suất chuyển hóa VS của các thùng thí nghiệm đợt 2 ................................ 109 Bảng 4.6: Hiệu suất chuyển hóa VS của các thùng thí nghiệm đợt 3 ................................ 111 Bảng 4.7: Hiệu suất chuyển hóa VS của các mô hình thí nghiệm đợt 4 ............................ 112 Bảng 4.8: Kết quả phân tích phân mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm đợt 4 ............ 113 Bảng 4.9: Hiệu suất chuyển hóa VS của các thùng thí nghiệm đợt 5 ................................ 114 Bảng 4.10: Kết quả phân tích phân mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm đợt 5 .......... 115 Bảng 4.11: Kết quả phân tích mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm đợt 5 theo yêu cầu về yếu tố hạn chế của QCVN 01-189:2019/BNNPTNT .................................................... 115 Bảng 4.12: Hiệu suất chuyển hóa VS của các thùng thí nghiệm đợt 6 .............................. 117
ix Bảng 4.13: Kết quả phân tích phân mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm đợt 6 .......... 117 Bảng 4.14: Kết quả phân tích mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm đợt 6 theo yêu cầu về yếu tố hạn chế của QCVN 01-189:2019/BNNPTNT .................................................... 118 Bảng 4.15: Nhật ký theo dõi sự phát triển của rau ở các luống thí nghiệm đợt 5 .............. 119 Bảng 4.16: Kết quả thu hoạch rau tại các luống thí nghiệm ngày 25/7/2017. ................... 119 Bảng 4.17: Nhật ký theo dõi sự phát triển của bắp cải ở các luống thí nghiệm đợt 6 ....... 120 Bảng 4.18: Kết quả thu hoạch bắp cải tại các luống thí nghiệm ngày 28/2/2018.............. 121 Bảng 4.19: Kết quả kiểm nghiệm rau thu hoạch từ thí nghiệm đợt 5, 6. ........................... 121 Bảng 4.20: Tính toán khối lượng phân tử khí biogas .......................................................... 122 Bảng 4.21: Tính toán tổng lượng VS chuyển hóa tạo khí biogas của mô hình M1VC đợt thí nghiệm 4 và 2 mô hình M1S và M1B đợt thí nghiệm 5 ................................................ 123 Bảng 4.22: Cân bằng VS của mô hình M1VC đợt thí nghiệm 4 và 2 mô hình M1S và M1B đợt thí nghiệm 5 ..................................................................................................................... 123 Bảng 4.23: Bảng tổng hợp cân bằng VS trong các mô hình ............................................... 125 Bảng 4.24: Kết quả tính toán cân bằng Cacbon tổng số của các mô hình thí nghiệm ...... 127 Bảng 4.25: Kết quả tính toán cân bằng nitơ tổng số của các mô hình thí nghiệm............. 129 Bảng 4.26: Kết quả tính toán cân bằng photpho tổng số của các mô hình thí nghiệm ..... 130 Bảng 4.27: Bảng tổng hợp cân bằng C, N, P trong các mô hình ........................................ 131 Bảng 4.28: Bảng tính toán giá trị hệ số tốc độ phân hủy k theo thời gian.......................... 132 Bảng 4.29: Thông số động học mô hình Gompertz cải tiến của đợt 5 ............................... 134 Bảng 4.30: Thông số động học mô hình BPK của đợt 5..................................................... 135 Bảng 4.31: Bảng nhiệt trị của các loại nhiên liệu................................................................. 136
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Thành phần CTRSH ở một số nước [4, 23, 50, 54]................................................ 8 Hình 1.2: Phân loại công nghệ ủ kỵ khí.................................................................................. 10 Hình 1.3: Công nghệ ủ kỵ khí ướt 1 giai đoạn nạp liệu liên tục Waasa, Bima [48, 60]...... 11 Hình 1.4: Công nghệ ủ kỵ khí khô 1 giai đoạn nạp liệu liên tục Dranco, Kompogas và Valorga [60].............................................................................................................................. 12 Hình 1.5: Công nghệ ủ kỵ khí khô mẻ 1 giai đoạn Bekon [89] ............................................ 14 Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ ủ kỵ khí 2 giai đoạn [72] ............................................................ 16 Hình 1.7: Công nghệ Linde-KCA ủ kỵ khí khô [75]............................................................. 17 Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ BTA [90] .................................................................................... 17 Hình 1.9: Xử lý CTRĐT ở EU-28 giai đoạn 1995-2018 [52] .............................................. 20 Hình 1.10: Xu hướng phát triển của công nghệ ủ kỵ khí ...................................................... 21 Hình 1.11: Các nhà máy xử lý rác theo công nghệ Bekon [94]............................................ 22 Hình 1.12: Các nhà máy xử lý rác theo công nghệ Kompogas, Dranco, Valorga [91, 92, 93] ............................................................................................................................................. 22 Hình 1.13: Mô hình ủ kỵ khí CTR hữu cơ tại các hộ gia đình ở Úc [96] ............................ 23 Hình 1.14: Công nghệ Team tại trường Gual Pahari của Teri [87] ...................................... 29 Hình 1.15: Một nhà máy khí sinh học công nghệ Astra ở Bắc Karnataka [69]................... 30 Hình 1.16: Các bể phản ứng của công nghệ Arti [87] ........................................................... 31 Hình 1.17: Các bể phản ứng công nghệ BioTech ở Tanzania [98] ...................................... 31 Hình 1.18: Túi ủ HomBiogas xử lý CTRSH cho các hộ gia đình ở Châu Phi [96,97] ....... 32 Hình 1.19: Nhà máy xử lý CTR Quảng Bình [10] ................................................................ 33 Hình 1.20: Sơ đồ dây chuyền sản xuất khí gas sinh học kết hợp phát điện Wehling [10].. 34 Hình 1.21: Sơ đồ dây chuyền sản xuất khí gas sinh học kết hợp phát điện Input [10] ....... 34 Hình 1.22: Dây chuyền sản xuất phân bón khoáng hữu cơ [10] .......................................... 35 Hình 1.23: Một số hình ảnh của các mô hình thí điểm xử lý CTR hữu cơ tại các hộ gia đình ở Việt Nam [99, 100] ............................................................................................................... 36 Hình 2.1: Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ [22] .......................... 46
xi Hình 2.2 : Cơ chế của quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ ............................................ 49 Hình 2.3: Quá trình chuyển hóa kỵ khí cơ chất hữu cơ bởi vi sinh vật kỵ khí [11]............. 50 Hình 2.4: Sơ đồ tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí có thu hồi các sản phẩm đầu ra. ...... 50 Hình 2.5 : Các nhóm vi sinh chính trong từng giai đoạn phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ .... 54 Hình 2.6: Hình ảnh một số nhóm vi sinh vật kỵ khí [101].................................................... 55 Hình 2.6: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí CTR hữu cơ .................... 56 Hình 2.7: Sơ đồ cân bằng VS trong bể phản ứng kỵ khí ....................................................... 63 Hình 3.1: Sơ đồ nghiên cứu của luận án................................................................................. 75 Hình 3.2: Sơ đồ và hình ảnh mô hình thùng ủ đợt 1, 2 trong phòng thí nghiệm ................. 76 Hình 3.3: Hình ảnh các mô hình thí nghiệm đợt 1, 2 sau khi nạp mẫu đặt tại phòng thí nghiệm chất thải rắn –Viện KH&KTMT– trường Đại học Xây dựng. ............................... 76 Hình 3.4: Sơ đồ mô hình ủ kị khí 2 giai đoạn trong phòng thí nghiệm. ............................... 77 Hình 3.5: Ảnh chụp mô hình thí nghiệm đợt 3, 4 .................................................................. 77 Hình 3.6: Sensor đo tự động các thông số của mô hình trong phòng thí nghiệm................ 78 Hình 3.7: Sơ đồ mô hình thí nghiệm ủ kị khí ngoài hiện trường .......................................... 79 Hình 3.8: Ảnh chụp các mô hình ngoài hiện trường ............................................................. 79 Hình 3.9: Các bước tiến hành trong phòng thí nghiệm ......................................................... 84 Hình 3.10: Công tác chuẩn bị mẫu CTR cho các mô hình trong phòng thí nghiệm ........... 85 Hình 3.11: Các chế phẩm vi sinh được sử dụng trong nghiên cứu....................................... 85 Hình 3.12: Quá trình phân tích các chỉ tiêu và theo dõi mô hình bằng sensor trong phòng thí nghiệm ................................................................................................................................. 87 Hình 3.13: Các đợt thí nghiệm tiến hành trong phòng thí nghiệm ....................................... 88 Hình 3.14: Địa điểm tiến hành mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường ............................... 90 Hình 3.15: Các bước tiến hành thí nghiệm ngoài hiện trường.............................................. 91 Hình 3.16: Sensor lắp tại HTX dịch vụ nông nghiệp Lĩnh Nam .......................................... 92 Hình 3.17: Hình ảnh phiếu kết quả thử nghiệm gửi mẫu đi phân tích tại Viện Môi trường Nông nghiệp ............................................................................................................................. 93 Hình 3.18: Ảnh chụp phiếu kết quả kiểm nghiệm rau cải ngọt thu hoạch ngày 25/7/2017 94 Hình 3.19: Các đợt thí nghiệm ngoài hiện trường ................................................................. 95
xii Hình 3.20: Các luống đất đã được bón phân mùn sau xử lý ................................................. 97 Hình 3.21: Ảnh thí nghiệm trồng cây đánh giá hiệu quả phân mùn từ đợt thí nghiệm 5.... 98 Hình 3.22: Ảnh thí nghiệm trồng cây đánh giá hiệu quả phân mùn từ đợt thí nghiệm 6.... 99 Hình 4.1: Biểu đồ về sự thay đổi nhiệt độ của các mô hình thí nghiệm đợt 1 ................... 102 Hình 4.2: Biểu đồ về sự thay đổi pH của các mô hình thí nghiệm đợt 1 ........................... 104 Hình 4.3: Biểu đồ đánh giá của các mô hình thí nghiệm đợt 1 ........................................... 105 Hình 4.4: Biểu đồ về sự thay đổi nhiệt độ của các mô hình thí nghiệm đợt 2 ................... 107 Hình 4.5: Biểu đồ về sự thay đổi pH của các mô hình thí nghiệm đợt 2 ........................... 107 Hình 4.6: Biểu đồ về độ sụt của các mô hình thí nghiệm đợt 2 .......................................... 108 Hình 4.7: Lượng khí sinh ra và tích lũy tại các mô hình thí nghiệm đợt 3......................... 110 Hình 4.8: Lượng khí sinh ra và tích lũy tại các mô hình thí nghiệm đợt 4......................... 112 Hình 4.9: Hiệu suất sinh khí của các mô hình thí nghiệm đợt 5 ......................................... 114 Hình 4.10: Hiệu suất sinh khí của các mô hình thí nghiệm đợt 6 ....................................... 116 Hình 4.11: Sơ đồ cân bằng VS trong mô hình thí nghiệm M1VC của đợt 4..................... 124 Hình 4.12: Sơ đồ cân bằng VS trong mô hình thí nghiệm M1S của đợt 5 ........................ 124 Hình 4.13: Sơ đồ cân bằng VS trong mô hình thí nghiệm M1B của đợt 5........................ 125 Hình 4.14: Sơ đồ cân bằng VS trong mô hình thí nghiệm M2 của đợt 5........................... 125 Hình 4.15: Sơ đồ cân bằng cacbon tổng số của mô hình M1VC của đợt thí nghiệm 4 .... 127 Hình 4.16: Sơ đồ cân bằng nitơ tổng số của mô hình M1VC của đợt 4 ............................ 128 Hình 4.17: Sơ đồ cân bằng photpho tổng số của mô hình M1VC ..................................... 130 Hình 4.18: Biểu đồ hệ số tốc độ phân hủy k theo thời gian của mô hình M1S ................. 133
1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài luận án Quản lý chất thải rắn là một vấn đề đang nhận được sự quan tâm của cộng đồng và là điểm nóng trong công tác bảo vệ môi trường tại Việt Nam hiện nay. Cùng với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá mạnh mẽ, lượng chất thải cũng liên tục gia tăng, tạo sức ép rất lớn đối với công tác bảo vệ môi trường. Ở Việt Nam, lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) phát sinh khoảng khoảng 25,5 triệu tấn, dự báo sẽ tăng lên 54 triệu tấn vào năm 2030 [4]. Trước sự gia tăng nhanh chóng của chất thải rắn, công tác quản lý, xử lý trong thời gian qua vẫn chưa thực sự đáp ứng được yêu cầu về bảo vệ môi trường, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng như các bãi rác không hợp vệ sinh, các lò đốt rác không có hệ thống xử lý khí hoặc xử lý không đạt yêu cầu, các nhà máy xử lý chất thải gây ô nhiễm... Cho đến thời điểm này vẫn chưa có mô hình công nghệ xử lý CTR nào thực sự mang lại hiệu quả. CTRSH hiện nay chủ yếu vẫn là chôn lấp, trong đó chỉ có khoảng 30% các bãi chôn lấp hợp vệ sinh [4]. Vì vậy, quản lý và xử lý an toàn chất thải, đặc biệt là việc lựa chọn các công nghệ xử lý CTR phù hợp, nhằm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường và hạn chế các tác động xấu tới sức khỏe con người là một trong những vấn đề cấp bách trong công tác bảo vệ môi trường ở nước ta trong giai đoạn hiện nay. Chiến lược Quốc gia về quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050 cũng nêu rõ mục tiêu các đô thị phải có công trình tái chế CTR phù hợp với việc phân loại tại hộ gia đình; tăng cường khả năng tái chế, tái sử dụng, xử lý kết hợp thu hồi năng lượng hoặc sản xuất phân hữu cơ [36]. Việt Nam là nước có điều kiện khí hậu nhiệt ẩm, thành phần hữu cơ trong CTR sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao, do đó thích hợp cho quá trình phân hủy sinh học. Nước ta lại là nước nông nghiệp nên có thị trường tiêu thụ các sản phẩm phân bón. Bên cạnh đó, các nhà máy xử lý hiếu khí đã được xây dựng nhưng hoạt động không hiệu quả. Phương pháp sinh học kỵ khí đang nhận được nhiều sự quan tâm, đầu tư phát triển trên
2 thế giới, mang lại nhiều hiệu quả rõ rệt không chỉ xử lý được thành phần hữu cơ gây ô nhiễm cho các đô thị mà còn tạo ra được nhiều sản phẩm có giá trị. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí trong điều kiện Việt Nam” tìm hiểu công nghệ ủ kỵ khí CTR hữu cơ để xử lý CTR hữu cơ ngay tại các hộ và cụm hộ gia đình, đưa ra một số thông số vận hành chính trên mô hình thực tế để mang lại hiệu quả xử lý và sử dụng phân mùn đầu ra để tạo ra các sản phẩm nông nghiệp đưa ra thị trường tiêu thụ, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng và chuyển giao các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt ra và đáp ứng mục tiêu của Chiến lược Quốc gia về quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050. 2. Mục đích, mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là nghiên cứu công nghệ ủ kỵ khí nhằm mang lại hiệu quả xử lý CTR hữu cơ và tạo ra phân mùn đầu ra có chất lượng tốt, khép kín dây chuyền nghiên cứu – ứng dụng và chuyển giao các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà Nhà nước đặt ra. Mục tiêu của đề tài là: - Nghiên cứu xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm giảm thiểu CTR hữu cơ ngay tại nguồn phát sinh theo mục tiêu đề ra trong Chiến lược quản lý tổng hợp CTR đến năm 2025, tầm nhìn 2050. - Thử nghiệm mô hình xử lý CTR hữu cơ quy mô hộ và cụm hộ gia đình, làm cơ sở cho việc xác định được các thông số vận hành và cơ chế động học khi có bổ sung các chất phối trộn khác nhau (chế phẩm vi sinh, vụn cá) trong quá trình ủ kỵ khí thành phần hữu cơ trong CTRSH. - Xác định được hiệu quả ứng dụng của sản phẩm sau ủ bằng việc sử dụng phân mùn sau xử lý để tạo ra các sản phẩm nông nghiệp có giá trị và đưa ra thị trường tiêu thụ.
3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1. Đối tượng nghiên cứu Thành phần hữu cơ trong CTR sinh hoạt khu vực đô thị và nông thôn và cây trồng thử nghiệm chất lượng phân mùn của quá trình ủ thành phần hữu cơ này. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và mô hình pilot hiện trường quy mô hộ và cụm hộ gia đình ở khu vực đô thị và nông thôn. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Phương pháp kế thừa, thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu: Thu thập các tài liệu và số liệu liên quan đến công nghệ ủ kỵ khí ấm, đến chất thải rắn hữu cơ đã có trong và ngoài nước. Phân tích tổng quan, kế thừa và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã thực hiện. - Phương pháp nghiên cứu, phân tích thực nghiệm: tiến hành chạy mô hình thực nghiệm phân hủy kỵ khí thành phần hữu cơ trong CTRSH trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ở điều kiện lên men ấm với nhiệt độ ổn định 300C, nghiên cứu ngoài hiện trường thực hiện vào 2 mùa: mùa đông và mùa hè. - Phương pháp khảo nghiệm phân bón: sử dụng phân mùn sau xử lý bón cho cây trồng để khẳng định hiệu quả và chất lượng của mùn sau ủ. - Phương pháp phân tích thống kê: áp dụng phương pháp toán học để hiệu chỉnh và phân tích số liệu thực nghiệm. - Phương pháp chuyên gia: tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong suốt quá trình thực hiện luận án và qua các lần bảo vệ chuyên đề, hội thảo. Bên cạnh các chuyên gia về công nghệ và kỹ thuật xử lý CTR, nghiên cứu sinh đã tham khảo ý kiến của các chuyên gia Viện Công nghệ Môi trường về các chế phẩm sinh học, các chuyên gia của Học viện Nông nghiệp Việt Nam về quy trình kiểm nghiệm và khảo nghiệm chất lượng phân bón, lựa chọn loại rau và quy trình trồng rau.
4 5. Cơ sở khoa học của nghiên cứu Để giải quyết vấn đề cần nghiên cứu, luận án đã sử dụng các cơ sở khoa học sau: - Cơ sở lí luận về xử lý CTR hữu cơ: Luận án nghiên cứu các công nghệ xử lý CTR hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam, sự chuyển hóa của các chất trong quá trình ủ kỵ khí, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ kỵ khí, lý thuyết cân bằng vật chất, từ đó xây dựng các mô hình thí nghiệm, thiết lập cân bằng vật chất cho VS, C, N, P, phương trình hệ số tốc độ phân hủy, phương trình tính toán lượng khí thu được theo mô hính Gompertz cải tiến và mô hình BPK. Luận án cũng nghiên cứu quy trình khảo nghiệm chất lượng phân bón và các văn bản liên quan đến chất lượng phân bón để xây dựng thí nghiệm trồng rau đánh giá chất lượng phân mùn đầu ra của các mô hình ủ kỵ khí CTR hữu cơ. - Cơ sở thực tiễn: Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu cơ trong phòng thí nghiệm để đánh giá các chế phẩm vi sinh, các tỷ lệ phối trộn vụn cá thải, thời gian ủ và các giai đoạn ủ. Thông qua kết quả thí nghiệm ủ kỵ khí CTR hữu cơ ngoài hiện trường để đánh giá hiệu quả của các mô hình thí nghiệm vào các mùa khác nhau. Thông qua kết quả thí nghiệm trồng rau để khảo nghiệm chất lượng phân mùn đầu ra của các mô hình thí nghiệm xử lý CTR hữu cơ. 6. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan về các công nghệ ủ kỵ khí xử lý CTRHC trong CTRSH và tình hình áp dụng các công nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam. Tìm hiểu các tài liệu, các nghiên cứu đã và đang thực hiện trong nước và nước ngoài có liên quan đến lĩnh vực của đề tài. - Xây dựng mô hình thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm và mô hình pilot hiện trường. Đánh giá khả năng xử lý CTR hữu cơ bằng phương pháp phân hủy kỵ khí ở Việt Nam. Nghiên cứu quá trình chuyển hóa các chất trong xử lý kỵ khí thành phần hữu cơ trong CTRSH, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.
5 - Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm xác định chế phẩm vi sinh phù hợp, xác định tỷ lệ chất thải vụn cá để phối trộn xử lý cùng chất thải rắn hữu cơ, xác định thời gian ủ giai đoạn 1 của quá trình ủ 2 giai đoạn. - Nghiên cứu triển khai ứng dụng thực tế ngoài hiện trường ở các quy mô vào mùa đông và mùa hè: ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô nhỏ trong thùng ủ phù hợp cho việc xử lý phân tán tại chỗ cho các hộ gia đình; ủ kỵ khí 1 giai đoạn quy mô cụm hộ gia đình trong bể ủ, và ủ kỵ khí 2 giai đoạn. - Đánh giá chất lượng sản phẩm đầu ra của các mô hình thí nghiệm: phân tích chất lượng phân mùn đầu ra, thí nghiệm trồng cây để đánh giá hiệu quả của phân mùn, lượng hóa giá trị của sản phẩm khí Biogas thu được. - Thiết lập cân bằng hàm lượng chất rắn bay hơi VS, cân bằng hàm lượng các chất dinh dưỡng C, N, P của các mô hình. Xây dựng mô hình động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ và tính toán phương trình của hệ số tốc độ phân hủy. 7. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã đưa ra được mô hình ủ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ từ sinh hoạt quy mô hộ và cụm hộ gia đình và xác định được các thông số, điều kiện ủ phù hợp về thành phần phối trộn (chế phẩm sinh học Sagi Bio và vụn cá thải), tỉ lệ phối trộn (20:1), thời gian ủ (15 ngày cho giai đoạn 1 ở hệ ủ 2 giai đoạn, 40 ngày cho ủ 1 giai đoạn). - Thiết lập được cân bằng hàm lượng chất rắn bay hơi VS và các thành phần C, N , P của các mô hình thí nghiệm và phân tích động học, xác định được hệ số tốc độ phân hủy theo phương trình k = - 0,0003.t2 + 0,0115.t – 0,0098 với R2 = 0,9547. Xác định được các phương trình tính toán lượng khí thu được theo mô hình Gompertz cải tiến và mô hình BPK với giá trị R2>0,99. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học:
6 Luận án nghiên cứu xử lý CTR hữu cơ ngay tại nguồn phát sinh, góp phần bổ sung các kiến thức tham khảo về phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ quy mô hộ và cụm hộ gia đình. Kết quả của luận án giúp các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục triển khai các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện công nghệ ủ kỵ khí xử lý CTR hữu cơ phù hợp với điều kiện Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã góp phần giảm thiểu CTR hữu cơ ngay từ nguồn phát sinh theo định hướng chung về quản lý CTR tổng hợp; xây dựng được mô hình xử lý CTR hữu cơ ở quy mô hộ và cụm hộ gia đình. Kết quả này góp phần giúp các nhà quản lý xem xét và đưa ra các giải pháp xử lý CTR hữu cơ tùy vào điều kiện cụ thể của từng đô thị. Các doanh nghiệp cũng có thể sử dụng các kết quả từ luận án để cân nhắc phương án đầu tư các công trình xử lý CTR hữu cơ. Các hộ gia đình và các nhóm hộ gia đình có thể vận dụng các kiến thức này để tự xử lý CTR hữu cơ của gia đình mình, tạo ra các sản phẩm khí sinh học phục vụ cho cuộc sống gia đình và phân mùn hữu cơ bón cho cây trồng. 9. Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, mục lục, tài liệu tham khảo, danh mục công trình công bố và phụ lục, nội dung chính của luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cở sở lý luận nghiên cứu công nghệ sinh học kỵ khí CTR hữu cơ. Chương 3: Mô hình và phương pháp nghiên cứu. Chương 4: Kết quả nghiên cứu và bàn luận.