Luận án tiến sỹ: Nghiên cứu quá trình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Tu Khuyen Tu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

340
lượt xem 102
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thực tế việc áp dụng công nghệ này phù hợp với thành phần, tính chất của chất thải rắn (CTR) và điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam là một vấn đề rất phức tạp và khó kiểm soát. Cho đến nay, hầu hết các công trình xử lý CTRHC bằng phương pháp ủ sinh học ở Việt Nam đang được đầu tư ở quy mô tập trung với phương pháp cấp khí cưỡng bức từ hệ thống quạt gió.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sỹ: Nghiên cứu quá trình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGHIÊM VÂN KHANH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ BẰNG CÔNG NGHỆ Ủ SINH HỌC CẤP KHÍ TỰ NHIÊN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn Mã số: 62.85.06.10 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2012
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Nguyễn Thị Kim Thái Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Trần Hiếu Nhuệ Phản biện 1: GS. TS. Nguyễn Hữu Dũng Phản biện 2: PGS. TS. Trịnh Thị Thanh Phản biện 3: TS. Lưu Đức Cường Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Trường Đại học Xây dựng Vào hồi………giờ…….ngày……tháng………năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng.
CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Nghiêm Vân Khanh và nnk “Áp dụng phân tích dòng luân chuyển vật chất để cải thiện quản lý tại nhà máy xử lý chất thải rắn hữu cơ Cầu Diễn, Hà Nội, Tạp chí khoa học Công nghệ Xây dựng, số 1/2007, tr79-tr85. 2. Nghiêm Vân Khanh và nnk “Nghiên cứu thu hồi các chất dinh dưỡng từ rác thải sinh hoạt phục vụ cho cây trồng”, Tạp chí Xây dựng – Bộ Xây Dựng, số 2/2010, tr82-tr83 3. Nghiêm Vân Khanh và nnk “Nghiên cứu chế độ đảo trộn trong ủ sinh học chất thải hữu cơ cấp khí tự nhiên trên mô hình thực nghiệm”, Tạp chí Xây dựng– Bộ Xây Dựng, số 12/2011, tr70-73 4. Nghiêm Vân Khanh và nnk, “Nghiên cứu đề xuất tiêu chí lựa chọn công nghệ ủ sinh học phù hợp để xử lý chất thải rắn sinh hoạt cho các đô thị loại 2 trong điều kiện Việt nam”, Tạp chí Xây dựng – Bộ Xây Dựng, số 02/2012, tr49-tr52 5. Nghiêm Vân Khanh, Công nghệ ủ sinh học chất thải hữu cơ cấp khí tự nhiên – Thực trạng và cơ hội nhân rộng trong thực tiễn ở Việt nam, Tạp chí Người Xây Dựng, số 04/2012, tr30-tr34 6. Nghiêm Vân Khanh, Nghiên cứu động học quá trình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong điều kiện thực nghiệm ở Việt Nam, Tạp chí Xây dựng và đô thị, số 04/2012 7. Nguyễn Thị Kim Thái, Nghiêm Vân Khanh, Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ Cấp Bộ, mã số B2009-03-69 TĐ “Nghiên cứu cơ sở khoa học lập quy hoạch quản lý chất thải rắn cho các đô thị loại 2 đến 2010 và định hướng đến 2020”. 8. Nghiêm Vân Khanh và Nguyễn Thị Kim Thái, báo báo tại hội thảo quốc tế: 10th Expert Meeting on Solid Waste Management in Asia and Pacific Islands, 20-22 February 2012, Tottori, Japan - Topic: Workshop on Marine Debris “Solid Waste Management in Ha long Bay – Vietnam”
1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của luận án Ở Việt nam hầu hết các công trình xử lý chất thải rắn hữu cơ (CTRHC) làm phân vi sinh mới được đầu tư xây dựng tại các đô thị lớn (đô thị đặc biệt, loại 1, loại 2, loại 3). Bên cạnh đó, số công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý CTRHC bằng phương pháp ủ sinh học phục vụ công tác thiết kế, quản lý vận hành đang rất ít và thường chưa được công bố chính thức. Thực tế việc áp dụng công nghệ này phù hợp với thành phần, tính chất của chất thải rắn (CTR) và điều kiện tự nhiên đặc thù của Việt Nam là một vấn đề rất phức tạp và khó kiểm soát. Cho đến nay, hầu hết các công trình xử lý CTRHC bằng phương pháp ủ sinh học ở Việt Nam đang được đầu tư ở quy mô tập trung với phương pháp cấp khí cưỡng bức từ hệ thống quạt gió. Với quy mô công nghiệp, hình thức tập trung và phương thức cấp khí như vậy, các công trình này đang gặp phải những trở ngại chính như: khó khăn về nguồn nguyên liệu do chưa phân loại chất thải rắn tại nguồn, công nghệ xử lý đòi hỏi phải tiêu tốn nhiều năng lượng, nitơ bị thất thoát trong quá trình ủ nhiều, sự tương quan giữa nơi sản xuất và tiêu thụ sản phẩm chưa phù hợp,... Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn đã đặt ra sự cần thiết phải tìm kiếm, lựa chọn loại công nghệ ủ sinh học CTRHC phù hợp hơn với điều kiện Việt nam. Hiện nay, ở Việt nam, xu hướng ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên đang được quan tâm nghiên cứu và đã có một số ứng dụng, thử nghiệm ở quy mô vừa và nhỏ. Tuy nhiên, vấn đề kiểm soát các thông số trong quá trình vận hành như chế độ oxy bổ sung, nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ phân hủy các chất theo thời gian… chưa thực sự được nghiên cứu để chi phí vận hành là nhỏ nhất mà chất lượng sản phẩm thu được vẫn đạt các yêu cầu quy định theo tiêu chuẩn hiện hành. Đề tài luận án “Nghiên cứu quá trình xử lý chất thải rắn hữu cơ bằng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong điều kiện Việt Nam” là rất cần thiết, để đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường, phù hợp với định hướng chiến lược phát triển trong tương lai về việc lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý cho các đô thị vừa và nhỏ của Việt nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu tính hiệu quả và khả thi của công nghệ xử lý CTRHC phù hợp với điều kiện phát triển phát triển kinh tế - xã hội của các đô thị vừa và nhỏ đồng thời đáp ứng được các yêu cầu về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững trong điều kiện Việt Nam. Mục tiêu cụ thể:
2 - Bằng thực nghiệm, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào (thành phần, kích thước nguyên liệu ủ; Tỷ lệ và loại chế phẩm bổ sung) và các yếu tố trong quá trình vận hành (Chế độ đảo trộn, bổ sung độ sụt theo môi trường bên ngoài (nhiệt độ, độ ẩm của môi trường vào mùa đông và mùa hè ở Việt Nam) với hiệu quả của quá trình ủ sinh học cấp khí tự nhiên. - Xác định và đề xuất các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hóa công nghệ xử lý CTRHC bằng phương pháp sinh học cấp khí tự nhiên. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là thành phần chất hữu cơ trong CTR sinh hoạt tại các đô thị vừa và nhỏ. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu là công nghệ xử lý CTRHC bằng phương pháp ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thử nghiệm hiện trường tại NM chế biến phân hữu cơ từ rác thải sinh hoạt tỉnh Hà Nam. Các thông số kiểm soát trong quá trình ủ tập trung vào giai đoạn ủ lên men và sản phẩm của quá trình được xem xét đối chứng với sản phẩm mùn compost. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án Luận án đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu chính sau: Phương pháp thống kê và kế thừa; Phương pháp khảo sát thực tế; Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu thử nghiệm tại hiện trường; Phương pháp phân tích thực nghiệm; Phương pháp cân bằng vật chất thông qua quá trình chuyển khối; Phương pháp nhận dạng hàm số thực nghiệm dựa vào quy luật cấp số: Phương pháp so sánh; Phương pháp tổng hợp. 5. Nội dung, cấu trúc của luận án Luận án gồm 150 trang không kể mục lục, mở đầu (6 trang), Chương 1. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan (22 trang), Chương 2. Cơ sở lý luận trong nghiên cứu công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên (31 trang), Chương 3. Phương pháp và quy trình nghiên cứu thực nghiệm công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên (22 trang), Chương 4. Kết quả nghiên cứu, xác định chế độ đảo trộn, bổ sung độ sụt và thảo luận (33 trang), Chương 5. Thiết lập cân bằng vật chất, phân tích động học, đánh giá hiệu quả xử lý và khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên (26 trang), kết luận và kiến nghị (4 trang), tài liệu tham khảo,
3 các công trình nghiên cứu đã công bố (6 trang), phụ lục (102 trang). Luận án có 83 bảng (32 bảng phần chính văn và 51 bảng phần phụ lục) và 51 hình vẽ (47 hình phần chính văn và 4 hình phần phụ lục). 6. Ý nghĩa khoa học, tính mới và thực tiễn của luận án 6.1. Ý nghĩa khoa học • Những đóng góp khoa học mới của luận án về mặt lý thuyết: - Xác định độ xốp của nguyên liệu ủ, độ thoáng khí (FAS), nồng độ oxy ban đầu theo cấu trúc nguyên liệu ủ nạp vào hệ thống; - Xác định nồng độ oxy được bổ sung hàng ngày vào ngăn ủ khi thực hiện các chế độ đảo trộn khác nhau trong quá trình ủ. - Xác định tổng nồng độ oxy thực tế trong ngăn ủ và so với nồng độ oxy yêu cầu về mặt lý thuyết. • Những đóng góp khoa học mới của luận án về mặt thực nghiệm: - Xây dựng mối quan hệ giữa lượng nước rác phát sinh (y, lít) theo thời gian (x, ngày) theo phương trình y=0,0059x2–0,3779x+5,6423 - Xác định các phương trình và hằng số thực nghiệm mô tả động học của quá trình ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên: + Hàm số thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa độ thoáng khí FAS (x) và hằng số tốc độ phân hủy của chất thải thông qua tỷ lệ C/N (y) theo thời gian: y = 1,6738.e0,055.x + Hàm số thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa độ ẩm chất thải (x) và tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ theo thời gian: y = 31,632.lnx – 112,08 + Hàm số thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ (CO2) và tốc độ phân hủy của chất thải thông qua tỷ lệ C/N theo thời gian: y = 7,464.x0,474 + Hàm số thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ chất thải (T) và tốc độ phân hủy của chất thải thông qua tỷ lệ C/N theo thời gian: y = 14,492.e0,0094.x 6.2. Tính thực tiễn của luận án Luận án đã nghiên cứu tổng quan về các phương pháp xử lý sinh học CTRHC trên thế giới và ở Việt Nam: phân tích, đánh giá thực trạng của các nhà máy (NM) chế biến phân vi sinh; phân tích và so sánh hiệu quả xử lý CTRHC trong các điều kiện cấp khí khác nhau; đề xuất xử lý CTRHC bằng phương pháp ủ sinh học cấp khí tự nhiên phù hợp với các đô thị vừa và nhỏ ở Việt Nam. Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, bước đầu xác định các thông số kỹ thuật trong thiết kế và vận hành hệ thống ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên, đối chứng với các kết quả thực tế tại NM phân hữu cơ Cầu Diễn và thử nghiệm 3
4 luống ủ tại NM chế biến phân hữu cơ từ rác thải sinh hoạt tỉnh Hà Nam, đề xuất các vấn đề cần cải tạo nâng cấp và bổ sung trong thiết kế, quản lý vận hành khi ứng dụng công nghệ. Kết quả nghiên cứu của luận án đáp ứng nhu cầu cấp thiết hiện nay về công nghệ xử lý CTRHC phù hợp với từng vùng miền, đặc biệt ở quy mô vừa và nhỏ. Công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên bằng đảo trộn được chứng minh là công nghệ đơn giản, dễ vận hành. Nếu kiểm soát tốt các yếu tố đầu vào, vận hành đúng kỹ thuật sẽ mất thời gian ủ ngắn hơn, sản phẩm thu được có giá trị dinh dưỡng cao hơn so với công nghệ ủ cấp khí cưỡng bức, phù hợp với điều kiện Việt nam. Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tài liệu tham khảo, giúp các nhà nghiên cứu, quản lý CTR có hướng điều chỉnh, tối ưu hóa trong công nghệ xử lý CTR phù hợp với điều kiện Việt nam. Cụ thể: - Nguồn nguyên liệu: các loại rác hữu cơ sinh hoạt có thành phần đa dạng, độ ẩm 52,4-57,5%, pH 6,6–7,1 và tỷ lệ C/N 27,22/1-30,34/1. - Chế phẩm vi sinh bổ sung: lựa chọn chế phẩm EM để giảm thời gian ủ còn 28 ngày và giảm tối đa mùi trong quá trình ủ. - Nồng độ oxy trong ngăn ủ khi bổ sung độ sụt 1 ngày/lần trong 2 tuần đầu từ 7,16 – 10,21% (mô hình trong phòng thí nghiệm) và 5,16 – 11,55% (mô hình ngoài trời có mái che). - Tổng nồng độ oxy trong hệ thống ủ thay đổi theo tần suất đảo trộn và điều kiện môi trường bên ngoài: nồng độ oxy trong 28 ngày ủ từ 5,261 – 19,735% (mô hình trong phòng thí nghiệm, vào mùa hè, đảo trộn 0,5 ngày/lần); từ 5,774 – 16,802% (mô hình ngoài trời, vào mùa đông, đảo trộn 0,5 ngày/lần); từ 5,337 – 14,163% hoặc 6,095 – 17,321% (mô hình ngoài trời, vào mùa hè, đảo trộn 1 ngày/lần hoặc 0,5 ngày/lần. Chương 1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu có liên quan 1.1. Tổng quan về công nghệ ủ sinh học CTRHC tại một số nước trên thế giới Các công nghệ ủ sinh học hiếu khí được áp dụng ở các nước tiên tiến và các nước đang phát triển trong khu vực gồm: công nghệ “Dano System” ở Thái Lan; công nghệ ủ rác chưa phân loại trong hầm kín ở Trung Quốc; công nghệ ủ đống hoặc có thiết bị chứa đảo trộn thủ công ở Bangladesh; công nghệ ủ trong thùng ủ quy mô nhỏ hoặc lò ủ quy mô công nghiệp ở Mỹ; công nghệ ủ luống đảo trộn với quy mô công nghiệp ở Canada; công nghệ ủ trong thùng ủ thu hồi năng lượng ở Đức và công nghệ ủ trong tháp ủ thổi khí cưỡng bức ở Ý. Đặc điểm chung của các công nghệ này là khép kín, hiệu quả xử lý cao, ít gây ô
5 nhiễm thứ cấp nhưng chi phí đầu tư, vận hành cao, đòi hỏi công nhân có trình độ kỹ thuật tốt, trừ công nghệ ở Ý và một số công nghệ quy mô nhỏ ở Đức, Bangladesh có đặc điểm đơn giản, chi phí thấp và chất lượng phân bón không cao, chỉ sử dụng để cải tạo đất. 1.2. Tổng quan về công nghệ ủ sinh học CTRHC tại một số đô thị ở Việt Nam Theo kết quả tổng hợp của tác giả về các công nghệ ủ sinh học hiếu khí CTRHC đang áp dụng tại các đô thị ở Việt nam, hiện có: 8 NM quy mô công nghiệp, loại riêng biệt và công nghệ nước ngoài (NM chế biến rác thải hữu cơ Cầu Diễn – Hà Nội; NM xử lý rác thải Lộc Hoà - Nam Định; NM phân hữu cơ Tràng Cát - Hải Phòng; NM xử lý rác thải sinh hoạt Việt Trì; NM chế biến phân hữu cơ từ rác thải sinh hoạt tỉnh Hà Nam, NM phân hữu cơ Long Mỹ - Quy Nhơn; NM xử lý rác thải Củ Chi, Hooc Môn - TP. Hồ Chí Minh), 4 NM quy mô công nghiệp, công nghệ trong nước, xử lý tổng hợp (NM xử lý rác thải sinh hoạt Sơn Tây, NM Xử lý rác thải Thuỷ Phương-Huế, NM xử lý rác thải Đông Vinh-Nghệ An, NM Xử lý rác thải Nam Thành-Ninh Thuận); 2 NM quy mô nhỏ (Trang trại Xuân Thọ, Organik-Đà Lạt, Công ty TNHH Thủy lực Máy KCN Đồng Văn-Hà Nam). Về đặc điểm loại hình công nghệ tại các NM chế biến CTRHC gồm 7 NM ủ cấp khí cưỡng bức, 3 NM ủ đống cấp khí cưỡng bức kết hợp đảo trộn và 4 NM ủ luống đảo trộn tự nhiên; trong đó có 3 NM ủ phối trộn với phân bùn tự hoại để thu hồi chất dinh dưỡng, 1 NM ủ phối trộn với các thành phần bã mùn để tăng độ xốp và giảm ẩm, 10 NM chỉ sử dụng nguyên liệu ủ là rác hữu cơ sinh hoạt; 10 NM sử dụng chế phẩm EM, 2 NM sử dụng cả EM, enchoice, Biomix, 1 NM sử dụng VTCC- L, VTCC-S và VTCC-F và 1 NM không sử dụng chế phẩm bổ sung. 1.3. Đánh giá hiệu quả của các công nghệ ủ sinh học CTRHC tại một số đô thị ở việt nam Kết quả đánh giá theo 5 nhóm tiêu chí (kỹ thuật, kinh tế, tính thuận tiện của công nghệ, tính phù hợp với điều kiện đô thị Việt Nam, an toàn và môi trường) như sau: hầu hết các NM đều tốn năng lượng cấp khí trong quá trình ủ, quy trình công nghệ, thiết bị chưa đồng bộ và đang hoàn thiện do kinh phí hạn hẹp; vừa nghiên cứu vừa chế tạo, lắp ráp hoặc phải nhập ngoại, chi phí bảo trì lớn. Vai trò của các chủng vi sinh vật (VSV) thích hợp và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của VSV chưa được nghiên cứu để đạt hiệu quả tối ưu (do các NM chưa có phòng nuôi cấy VSV trừ NM chế biến phân hữu cơ Thủy Phương – Huế). Việc lựa chọn nguồn nguyên liệu
6 và áp dụng công nghệ ủ sinh học CTRHC chưa được quy hoạch theo đô thị và các vùng đô thị. Các thông số kỹ thuật chưa được kiểm soát tốt như: duy trì đủ các mức ôxy theo từng giai đoạn ủ, kiểm soát nhiệt độ, bổ sung độ ẩm, kiểm soát các chất dinh dưỡng trong quá trình ủ,... Chương 2. Cơ sở lý luận trong nghiên cứu công nghệ ủ sinh học hiếu khí chất thải rắn hữu cơ cấp khí tự nhiên 2.1. Khái niệm cơ bản về công nghệ ủ sinh học hiếu khí Quá trình ủ hiếu khí CTRHC là quá trình chuyển hóa sinh học và ổn định các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy với sự tham gia của các VSV hiếu khí. Sản phẩm của quá trình này là khí CO2, nước, nhiệt, chất mùn ổn định, không mang mầm bệnh và các sản phẩm trung gian khác. Các phương pháp chế biến phân hữu cơ bằng quá trình chuyển hóa sinh học hiếu khí gồm: Ủ đánh luống cấp khí tự nhiên (windrow); Ủ luống hoặc ngăn tĩnh thổi khí cưỡng bức (static windrow); Ủ trong thiết bị chứa, kênh mương cấp khí cưỡng bức (in-vessel) Lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài luận án là công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên bằng đảo trộn để xem xét tính khả thi và hiệu quả của công nghệ trong điều kiện Việt Nam vì phương án này đơn giản, dễ kiểm soát, tính hiệu quả (sự đồng nhất của sản phẩm ủ, thời gian ủ và mùi phát sinh khi ủ) ổn định hơn so với các phương án cấp khí thụ động hoặc cấp khí cưỡng bức. 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ 2.2.1. Các yếu tố đầu vào của công nghệ Các yếu tố đầu vào của công nghệ ảnh hưởng tới quá trình phân hủy hiếu khí CTRHC gồm: thành phần, kích thước vật liệu ủ; tỷ lệ C/N, P, K, chất hữu cơ; VSV; Kích thước và hình dáng hệ thống ủ; Độ xốp, độ thoáng khí và lượng oxy ban đầu trong nguyên liệu ủ. Xác định độ xốp theo Roger T.Haug [48, tr Vg Khí Phần lỗ rỗng 212-216] VV trong ngăn ủ Tổng thể tích của hỗn Vt Vw h ợp ủ : Nước Vt = Vs + Vv = Vs+Vw+Vg (2.1) VS R ắn Trong đó: Vt: tổng thể tích khối ủ; Hình 2.3. Sơ đồ mô phỏng các thành phần Vs: thể tích chất rắn; của chất thải trong ngăn ủ [48]
7 Vv: thể tích lỗ rỗng: Vv=Vw+V g; Vw, Vg: thể tích nước, khí chứa trong lỗ rỗng. Độ xốp của hỗn hợp vật liệu ủ: n = Vv /Vt = (Vt –Vs)/Vt (2.2) Độ thoáng khí của hỗn hợp vật liệu ủ: f=Vg/Vt=(Vt–Vs–Vw)/Vt (2.3) Nồng độ oxy trong ngăn ủ:XO2 = (Vg x 0,232)/Vt (2.4) 2.2.2. Các yếu tố cần kiểm soát trong quá trình vận hành Các yếu tố đầu vào của công nghệ ảnh hưởng tới quá trình phân hủy hiếu khí CTRHC gồm: Nhiệt độ và thời gian, độ pH, độ ẩm, độ thoáng khí và phân phối oxy trong quá trình ủ hiếu khí. Phương pháp xác định nồng độ oxy bổ sung vào ngăn ủ nhờ đảo trộn (cấp khí tự nhiên) theo Roger T. Haug [48, tr 281-284] Sự chênh lệch giữa mật độ không khí bên trong và ngoài hệ thống ủ tạo ra áp lực thông gió tự nhiên của ngăn ủ (hình 2.10). Nồng độ oxy được bổ sung vào ngăn ủ thông qua quá trình đảo trộn định kỳ được xác định bởi lượng không khí yêu cầu để giảm độ ẩm trong ngăn ủ. 1) Lượng nước bốc hơi hàng ngày qua ngăn ủ: W = [(1-Ss)/Ss]-[(1-Vs)/(1-Vp)][(1-Sp)/Sp] (2.12) Trong đó: W: Lượng nước bốc hơi hàng ngày qua ngăn ủ (g nước/g khối lượng khô của nguyên liệu ủ) Ss, Sp: khối lượng phần chất rắn (TS = độ tro) trong nguyên liệu ủ và sản phẩm phân compost (%) Vs, Vp: khối lượng chất rắn bay hơi trong nguyên liệu ủ, sản phẩm phân compost, tính theo khối lượng khô của phần chất rắn (%) Các khí nhẹ thoát ra khỏi ngăn ủ (CO2) Không khí lạnh bên Không khí lạnh bên ngoài môi trường đi ngoài môi trường đi vào ngăn ủ (N2 và O2) vào ngăn ủ (N2 và O2) Các khí nóng và bão hòa tạo thành từ các hoạt động sinh học trong ngăn Ngăn ủ phân compost Hình 2.10. Sơ đồ mô phỏng quá trình thông gió tự nhiên của ngăn ủ compost [46] 2) Độ ẩm thực tế của không khí: - Áp suất hơi nước bão hòa: log10 PVS = a/Ta + b (2.13)
8 Trong đó PVS: áp suất hơi nước bão hòa, mm Hg a: hằng số thực nghiệm, a = -2238 Ta: nhiệt độ tuyệt đối, 0K (nhiệt độ khí bão hòa thoát ra khỏi ngăn ủ hay nhiệt độ bên trong ngăn ủ hoặc nhiệt độ bên ngoài ngăn ủ) b: hằng số thực nghiệm, b = 8,896 - Áp suất hơi nước thực tế: PV = RHAIR (PVS), mmHg (2.14) Trong đó RHAIR: độ ẩm tương đối, phần áp suất hơi bão hòa trong ngăn ủ. - Độ ẩm thực tế: w* = (18,015/28,96)[PV/(PAIR-PV)] (2.15) Trong đó: PAIR: áp suất khí quyển, PAIR = 760mmHg 3) Lượng ẩm được khử theo sự thoát khí thải từ ngăn ủ Δ (g nước/g không khí khô trong ngăn ủ) 4) Khối lượng không khí bổ sung vào ngăn ủ yêu cầu K (g không khí khô/g nguyên liệu ủ. 2.3. Hệ sinh thái ngăn ủ - vai trò của VSV trong các quá trình phân giải và chuyển hóa sinh học tự nhiên CTRHC Sự chuyển hóa vật chất trong chất thải chủ yếu do VSV. Các quá trình này xảy ra liên tục, đan xen nhau rất phức tạp, bao gồm những quá trình chuyển hóa carbon, nitơ, lưu huỳnh, phospho và sắt trong chất thải dưới sự hoạt động của các vi khuẩn thuộc bộ rhodospirillales, nấm, xạ khuẩn,.... 2.4. Các loại chế phẩm vi sinh bổ sung trong quá trình ủ sinh học CTRHC Xuất phát từ thực tế quá trình ủ sinh học hiếu khí CTRHC thường diễn ra khá lâu, vẫn có mùi tùy theo phương thức cấp khí khác nhau và thiếu các chủng VSV có lợi cho đất cho thấy cần thiết phải bổ sung chế phẩm vi sinh trong quá trình ủ sinh học CTRHC. Hiện nay, trên thị trường Việt nam có rất nhiều loại chế phẩm vi sinh được sản xuất và sử dụng như: VTCC (Trung tâm công nghệ sinh học – ĐH Quốc gia Hà nội), Biomix 1 (Viện Công nghệ Môi trường – Viện Khoa học công nghệ VN), EMIC (Công ty cổ phẩn công nghệ vi sinh và MT), SEMSR (TT Nghiên cứu Kỹ thuật & Quản lý MT - TP. HCM), Enchoice (Mỹ) và EM. Theo kết quả nghiên cứu, đánh giá của đề tài cho thấy: Các chế phẩm vi sinh có khả năng khử mùi rõ rệt, thời gian xử lý thường từ 4-5 tuần tại các NM. Tuy nhiên, với quy mô công nghiệp, thời gian và hiệu quả xử lý thực tế phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố vì vậy hiện chưa đánh giá chính thức với các loại chế phẩm này.
9 Trừ NM xử lý chất thải Thủy Phương, Huế có thể sản xuất và ứng dụng tại NM còn các nơi khác đều được cung cấp từ các đơn vị sản xuất bên ngoài. Về mặt kinh tế, 2 chế phẩm có giá thành xử lý cao là SEMSR và Enchoice, chế phẩm có giá thành xử lý thấp là EM. Chương 3. Phương pháp và quy trình nghiên cứu thực nghiệm công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên 3.1. Mô hình thực nghiệm: Mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thể hiện trên sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 3.1. 7 6 K9 K10 K 11 K12 K 13 K14 K 15 K16 d5 d5 d5 d5 d5 d5 d5 d5 c l? c l? c l? c l? c l? c l? c l? c l? d? d? d? d? d? d? d? d? ?i ?i ?i ?i ?i ?i ?i ?i g tu g tu g tu g tu g tu g tu g tu g tu ?n ?n ?n ?n ?n ?n ?n ?n B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 K 1 -R C 1 K 2 -R C 2 K 3 -R C 3 K 4 -R C 4 K 5 -R C 5 K 6 -R C 6 K 7 -R C 7 K 8 -R C 8 5 RC11 RC9 RC10 3 2 1 4 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mô hình trong phòng thí nghiệm Chú thích: 1. Bể ủ 2. Lồng kính 3. Hệ thống thu gom, tuần hoàn nước rác 4. Thùng chứa nước ri rác 5. Máy bơm nước 6. Nhiệt ẩm kế treo tường 7. Quạt hút khử mùi Mô hình nghiên cứu ngoài trời có mái che gồm các bộ phận chính được thể hiện trên sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 3.2. 1 2 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mô hình ngoài trời có mái che Chú thích:
10 1. Hệ thống bể ủ 2. Hệ thống thu gom và lưu chứa nước rỉ rác 3.2. Địa điểm, máy móc, thiết bị và kế hoạch thực nghiệm - Mô hình được lắp đặt và thực hiện tại phòng CTR, Viện KH&KTMT - Trường ĐHXD. Các mẫu được phân tích tại phòng thí nghiệm trường ĐHXD và Trường đại học Bách khoa Hà Nội. - Các máy móc, thiết bị được sử dụng với sự hợp tác giúp đỡ của Viện KH&KTMT và Bộ môn Công nghệ và quản lý môi trường. - Quá trình thực nghiệm được thực hiện trong 3 năm, chia thành 9 đợt nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm và 1 đợt ứng dụng thử nghiệm thực tế tại nhà máy ở Phủ Lý - Hà Nam. 3.3. Quy trình nghiên cứu thực nghiệm Quy trình nghiên cứu thực nghiệm gồm 5 bước: Bước 1: Xác định các thông số đầu vào của nguyên liệu ủ (thực hiện trên mô hình trong phòng thí nghiệm): Bước 1a: Lựa chọn nguồn nguyên liệu; Bước 1b: Xử lý sơ bộ nguyên liệu trước khi ủ Bước 2: Nạp nguyên liệu vào các bể ủ Bước 3: Theo dõi quá trình thí nghiệm, thực hiện bổ sung độ sụt và đảo trộn theo các mục đích thực nghiệm: Bước 3a: Nghiên cứu xác định chế độ bổ sung độ sụt; Bước 3b: Nghiên cứu xác định chế độ đảo trộn cấp khí tự nhiên theo điều kiện môi trường bên ngoài Bước 4: Phân tích mẫu thực nghiệm Bước 5: Xử lý số liệu, bàn luận đánh giá kết quả thực nghiệm. 3.4. Xác định các thông số đầu vào của nguyên liệu ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên - Lựa chọn vật liệu ủ: Theo [48], khi độ thoáng khí (FAS) nằm trong khoảng 20 - 35% thì tốc độ tiêu thụ oxy đạt giá trị tối đa là 95%. Độ thoáng khí tốt nhất là khoảng 30% và độ xốp tối ưu là 32 - 36%. Quá trình phân hủy hiếu khí khi nồng độ oxy tối thiểu là 5% trong các lỗ rỗng. Các kết quả phân tích nồng độ oxy ban đầu trong các ngăn ủ của cả 7 mẫu đều đạt từ 6,4 - 9,1% do đó các nguồn rác lựa chọn đều có thể đưa vào ủ phân vi sinh trong điều kiện hiếu khí. Các mẫu rác chợ (mẫu 1, 6, và 7) đều có độ xốp cao, thành phần chủ yếu là rau, củ, quả… (các chất chứa xenlulo), rác có lẫn cát, đất. Độ ẩm thấp (48,9%). Tỷ lệ C/N đầu vào cao (54,4/1); Mẫu rác hộ gia đình (mẫu 3) có độ xốp và nồng độ oxy trung bình, thành phần ngoài rau, củ quả còn có một phần nhỏ cơm, vỏ tôm, cá, thức ăn thừa,…chứa cả chất xơ, tinh bột và đạm nhưng rác bị lẫn nhiều tạp chất nhỏ khó tách loại như nilon, giấy, nhựa,… gây ảnh hưởng đến chất lượng phân sau ủ. Độ ẩm mẫu 3 cao hơn mẫu
11 1, 6, 7 (52,3%). Tỷ lệ C/N đầu vào hơi thấp (22,14/1); Mẫu rác nhà hàng, khách sạn (mẫu 4) có độ xốp và nồng độ oxy là nhỏ nhất, thành phần chủ yếu là thức ăn thừa như bánh, cơm, rau,… chứa hàm lượng đạm, tinh bột khá cao. Độ ẩm ban đầu của mẫu 4 là cao nhất (58,4%) và sau 35 ngày ủ là 59,7%, cao hơn Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 562-2002 (độ ẩm không quá 35%). Tỷ lệ C/N đầu vào thấp (17,11/1); Mẫu rác hỗn hợp (mẫu 5) có độ xốp và và nồng độ oxy trung bình, giá trị xấp xỉ mẫu 3, thành phần có cả xenlulo, tinh bột, đạm,… đặc trưng cho rác sinh hoạt hữu cơ của đô thị nói chung. Độ ẩm của mẫu không quá cao (57,4%), Tỷ lệ C/N đầu vào ở mức tối ưu (26,51/1). Như vậy, chọn vật liệu ủ là rác hỗn hợp. - Kích thước vật liệu ủ: mẫu 1, kích thước 3-5cm, độ xốp 42,9% thấp hơn mẫu 2, kích thước 5-8cm, độ xốp 45,7%; nồng độ oxy trong ngăn ủ của mẫu 2 (9,1%) cao hơn mẫu 1 (8,6%); tốc độ phân hủy diễn ra nhanh và mạnh hơn ở mẫu 1, tỷ lệ C/N sau 35 ngày ủ là 24/1, ở mẫu 2 là 30,86/1. Như vậy, rác chợ có kích thước phù hợp là 3 – 5cm. Khi nguyên liệu ủ là rác sinh hoạt hỗn hợp kích thước có thể nhỏ hơn 3cm (rác nhà hàng, khách sạn, kích thước 1- 3cm, độ xốp nhỏ nhất: 34,3%). - Lựa chọn chế phẩm vi sinh bổ sung trước khi ủ: tỷ lệ C/N sau 35 ngày ủ của mẫu 1 (không bổ sung chế phẩm) là 24,0/1; mẫu 6 (bổ sung EMTC) là 22,14/1 và mẫu 7 (bổ sung Enchoice) là 22,64/1.Trường hợp bổ sung chế phẩm, tốc độ đồng hóa C và N được đẩy nhanh, quá trình ổn định hơn so với không bổ sung chế phẩm. Đề tài lựa chọn chế phẩm EMTC để bổ sung trong quá trình ủ sinh học. - Thời gian cần thiết cho 1 quá trình phân hủy sinh học CTRHC trong điều kiện cấp khí tự nhiên (ủ lên men): sau 2 tuần đầu của quá trình ủ, nhiệt độ rác đã ổn định, nhưng sau đó, nhiệt độ của rác đã giảm quá thấp (dưới 350C) không đảm bảo cho quá trình ủ sinh học diễn ra ổn định. Độ sụt của rác gần như không đổi sau 2 tuần ủ. Các giá trị TVS, tổng N, tổng C và tỷ lệ C/N sau 28 ngày cho thấy tiến độ và hiệu quả ủ phân chênh lệch ít so với kết quả ủ phân từ 28 - 35 ngày. Do vậy, lựa chọn thời gian ủ phân là 28 ngày ủ. Chương 4. Kết quả nghiên cứu, xác định chế độ đảo trộn, bổ sung độ sụt và thảo luận 4.1. Nghiên cứu xác định chế độ bổ sung độ sụt Về nhiệt độ: theo kết quả thực nghiệm trên mô hình ngoài trời có mái che, cả 4 mẫu đều có nhiệt độ duy trì trong tuần đầu ≥ 470C (cao
12 nhất là 58,30C ở mẫu 2). So với kết quả của mô hình trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ trong ngăn ủ đã đạt được ngưỡng cho phép để duy trì hiệu quả và tốc độ phân hủy các chất trong quá trình ủ (duy trì ngưỡng nhiệt độ tối ưu dài hơn từ 3 - 4 ngày và giá trị nhiệt độ cực đại của chất thải cao hơn khoảng 110C). Về độ sụt: mẫu 2 (bổ sung độ sụt 1 ngày/lần) có chế độ oxy tương đối ổn định, đạt yêu cầu và duy trì liên tục trong 14 ngày đầu nên tỷ lệ C/N của mẫu 2 là thấp nhất (18,15/1), chứng tỏ tiến độ ủ phân đạt sự ổn định nhất. Tuy nhiên, tỷ lệ C/N của cả 4 mẫu chỉ chênh lệch nhau 4,6%, so với kết quả phân tích của mô hình trong phòng thí nghiệm thì chênh lệch dưới 1%. Nguyên nhân do nhiệt độ trong ngăn ủ được duy trì đảm bảo nên tiến độ ủ phân diễn ra nhanh hơn, nhưng nồng độ oxy duy trì trong ngăn ủ vẫn có thời điểm ở trạng thái thiếu khí. Nồng độ oxy tạo bởi cấu trúc vật liệu giữa 2 mô hình trong phòng thí nghiệm và ngoài trời chênh lệch không đáng kể và tương đương nhau. Cả 2 mô hình đều có nồng độ oxy trong trường hợp bổ sung độ sụt 1 ngày/lần ổn định hơn so với trường hợp bổ sung độ sụt 2 ngày/lần và 3 ngày/lần. 4.2. Nghiên cứu xác định chế độ đảo trộn theo sự thay đổi điều kiện môi trường bên ngoài trên mô hình trong phòng thí nghiệm 4.2.1. Nghiên cứu chế độ đảo trộn trong điều kiện môi trường bên ngoài tương đương mùa đông Các kết quả nghiên cứu cho thấy: - Nồng độ oxy bổ sung vào ngăn ủ hàng ngày nhờ đảo trộn và tổng nồng độ oxy trong ngăn ủ của mẫu 2 (đảo trộn 1 ngày/lần) từ 0,174 – 0,963% và 0,867 – 11,453%; mẫu 3 (đảo trộn 2 ngày/lần) từ 0,073 – 0,46% và 0,277 – 10,846%; mẫu 4 (đảo trộn 0,5 ngày/lần) từ 0,406 – 2,059% và 1,878 – 13,377%. Như vậy, đảo trộn càng nhiều thì lượng oxy bổ sung càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên, do điều kiện môi trường thí nghiệm là mùa đông nên có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ bên trong và bên ngoài mô hình, gây tổn thất nhiệt qua thành bể nhiều, vì vậy mặc dù các chế độ đảo trộn khác nhau nhưng kết quả là từ ngày 16 đến ngày 28 nồng độ oxy bổ sung nhờ đảo trộn rất thấp, cả 3 trường hợp đều không cung cấp đủ oxy cần thiết cho quá trình ủ sinh học hiếu khí . - Các giá trị độ ẩm của mẫu sau 28 ngày ủ phù hợp với yêu cầu về độ ẩm duy trì trong giai đoạn ủ lên men (mẫu 3 ít đảo trộn nhất nên độ ẩm cao nhất 46,5% và mẫu 4 đảo trộn nhiều nhất nên độ ẩm thấp nhất 43,8%).
13 - Lượng nước rác phát sinh hàng ngày trong quá trình ủ của mẫu 1 là 20,2cm, mẫu 2 là 18,6cm, mẫu 3 là 19,1cm và mẫu 4 là 15,9 cm. Trường hợp không đảo trộn tổng lượng nước rác phát sinh lớn nhất (16,2 lít) và đảo trộn càng nhiều thì tổng lượng nước rác phát sinh càng nhỏ (12,7 lít). Nguyên nhân do khi đảo trộn, oxy được bổ sung vào ngăn ủ đã làm bốc hơi các khí nhẹ và hơi nước trong ngăn ủ. Và tuần cuối cùng của quá trình ủ, nước rác hầu như không phát sinh, các thông số nhiệt độ, độ ẩm của chất thải ổn định. 4.2.2. Nghiên cứu chế độ đảo trộn trong điều kiện môi trường bên ngoài tương đương mùa hè - Nhiệt độ chất thải trong quá trình ủ vào mùa hè luôn cao hơn so với mùa đông và và duy trì trong ngường tối ưu dài hơn; Trường hợp không đảo trộn (mẫu 1) nhiệt độ rác trong ngăn ủ luôn cao hơn so với các trường hợp có đảo trộn (mẫu 2, 3 và 4) do khi đảo trộn, 1 lượng nhiệt đã bị mất và đi vào môi trường khí theo sự thoát hơi nước và khí trong ngăn ủ. Đảo trộn nhiều thì nhiệt độ rác trong ngăn ủ giảm so với đảo trộn ít. - Đảo trộn càng nhiều thì nồng độ oxy bổ sung vào ngăn ủ càng lớn, (mẫu 4 là cao nhất, sau đó đến mẫu 2 và thấp nhất là mẫu 3); mùa hè có điều kiện nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài môi trường cao hơn mùa đông và chênh lệch nhiệt độ, áp suất,… giữa trong và ngoài ngăn ủ lớn nên oxy được bổ sung vào ngăn ủ lớn hơn so với mùa đông, đặc biệt trong 10 ngày cuối của quá trình ủ. Trong đó, chỉ có trường hợp đảo trộn 0,5 ngày/lần vào mùa hè là tổng nồng độ oxy trong ngăn ủ của 28 ngày đều đạt trên 5%. Vì vậy, đối với mô hình trong phòng thí nghiệm và trong điều kiện nhiệt độ môi trường bên ngoài tương đương mùa hè thì ta có thể chọn phương án đảo trộn 0,5 ngày/lần là hợp lý nhất. - Trong 3 mẫu đảo trộn khác nhau thì mẫu 4 với tần suất đảo trộn 0,5 ngày/lần có nồng độ oxy đáp ứng được yêu cầu để quá trình phân hủy sinh học hiếu khí diễn ra hiệu quả. Các giá trị độ ẩm của mẫu sau 28 ngày ủ phù hợp với yêu cầu về độ ẩm duy trì trong giai đoạn ủ lên men (mẫu 3 ít đảo trộn nhất nên độ ẩm cao nhất và mẫu 4 đảo trộn nhiều nhất nên độ ẩm thấp nhất). 4.3. Nghiên cứu xác định chế độ đảo trộn theo sự thay đổi điều kiện môi trường bên ngoài trên mô hình ngoài trời có mái che 4.3.1. Nghiên cứu chế độ đảo trộn trong điều kiện môi trường tự nhiên bên ngoài là mùa đông
14 - Tổng lượng nước rác hình thành của mẫu 1(không đảo trộn) là 25,8cm, mẫu 2 (đảo trộn 1 ngày/lần) là 14,5cm, mẫu 3 (đảo trộn 2 ngày/lần) là 16,1cm và mẫu 4 (đảo trộn 0,5 ngày/lần) là 14,3 cm. Như vậy, trường hợp không đảo trộn thì tổng lượng nước rác phát sinh là lớn nhất (khoảng 50,3 lít) và đảo trộn càng nhiều thì tổng lượng nước rác phát sinh càng nhỏ (thấp nhất là khoảng 27,9 lít). - Trường hợp đảo trộn 0,5 ngày/lần, chế độ oxy đảm bảo cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí. Các giá trị độ ẩm của mẫu sau 28 ngày ủ phù hợp với yêu cầu về độ ẩm duy trì trong giai đoạn ủ lên men (mẫu 3 ít đảo trộn nhất nên độ ẩm cao nhất 42,9% và mẫu 4 đảo trộn nhiều nhất nên độ ẩm thấp nhất 42,2%). So với kết quả của mô hình trong phòng thí nghiệm (chế độ nhiệt vào mùa đông và mùa hè) ta thấy hiệu quả xử lý trên mô hình ngoài trời cao hơn rõ rệt. Tỷ lệ C/N sau 28 ngày ủ các mẫu 2, 3, 4 từ 14,94 – 15,26/1. 4.3.2. Nghiên cứu chế độ đảo trộn trong điều kiện môi trường tự nhiên bên ngoài là mùa hè - Tổng lượng oxy trong ngăn ủ của mẫu 4 cả mùa đông và mùa hè, mẫu 2 mùa hè của mô hình ngoài trời đều duy trì trên 5% (so với mô hình trong phòng thí nghiẹm chỉ có duy nhất mẫu 4 đạt vào mùa hè). - Thiết lập phương trình thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa chiều cao phát sinh nước rác theo thời gian ủ: y = 0,0059x2 – 0,3779x + 5,6423 (trong đó y là lượng nước rác hình thành và x là thời gian ủ, ngày). (hình 4.26) 3.0 Không đảo trộn 2.5 Đảo trộn 1 ngày/lần Đảo trộn 2 ngày/lần Đảo trộn 0,5 ngày/lần 2.0 Chiều cao lớp nước r¸c (cm) 1.5 1.0 y = 0.003x2 ‐ 0.1938x + 2.8935 R² = 0.9131 0.5 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 (Ngày) -0.5 Hình 4.26. Biểu đồ mô tả chiều cao nước rác phát sinh theo thời gian ủ với các chế độ đảo trộn khác nhau.
15 - So với mùa đông thì các giá trị về nồng độ oxy đều cao hơn và hiệu quả xử lý nhìn chung cũng tốt hơn. So với mô hình trong phòng thí nghiệm hiệu quả xử lý vào mùa đông của mô hình ngoài trời cũng cao hơn khá nhiều. Các giá trị độ ẩm của mẫu sau 28 ngày ủ phù hợp với yêu cầu về độ ẩm duy trì trong giai đoạn ủ lên men. Nguyên nhân là do khi nhiệt độ trong ngăn ủ được duy trì ở mức tối ưu và ổn định thì chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài ngăn ủ sẽ tạo ra áp suất thông gió tự nhiên rõ rệt khi thực hiện đảo trộn. Vì vậy, đối với mô hình ngoài trời trong điều kiện nhiệt độ môi trường tự nhiên bên ngoài là mùa hè ta có thể chọn phương án đảo trộn 1 ngày/lần là hợp lý. Chương 5. Thiết lập cân bằng vật chất, phân tích động học, đánh giá hiệu quả xử lý và khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ ủ sinh học chất thải hữu cơ cấp khí tự nhiên 5.1. Thiết lập cân bằng vật chất của quá trình xử lý chất thải hữu cơ bằng cấp khí tự nhiên 5.1.1. Thiết lập cân bằng nước Thực hiện thiết lập cân bằng nước trong ngăn ủ sau thời gian 28 ngày ủ (hình 5.1). Kết quả tính toán lượng nước trong ngăn ủ sau đảo trộn và bổ sung độ sụt theo lý thuyết là 119,07kg. So sánh giữa kết quả tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm, chênh lệch kết quả tính cân bằng nước của toàn ngăn ủ sau 28 ngày là 0,35%. Với sai số nhỏ dưới 5%, kết quả cân bằng nước theo thực nghiệm là chấp nhận được. Lượng bay hơi khỏi ngăn ủ Wh = 55,87 kg Lượng nước trong Lượng nước trong ngăn ủ trước đảo ngăn ủ sau đảo trộn trộn và bổ sung độ và bổ sung độ sụt, sụt, Wt = 203,61 kg Ws = 119,28 kg Ngăn ủ sinh học cấp khí tự nhiên Lượng rỉ rác từ ngăn ủ Wr = 28,67 kg Hình 5.1. Sơ đồ thiết lập cân bằng nước trong quá trình ủ (mẫu 2, có bổ sung độ sụt và đảo trộn 1 ngày/lần) trên mô hình ngoài trời vào mùa hè - Giá trị cân bằng nước hàng ngày của mẫu 2 chênh lệch so với lý thuyết dao động từ 0,001 đến 0,093kg nước.
16 - Tổng lượng nước bay hơi vào không khí (55,87kg) lớn hơn khá nhiều so với lượng nước rỉ rác tạo thành (28,67), xấp xỉ 50%, như vậy đảo trộn giúp giảm bớt tổng lượng nước rỉ rác cần xử lý. Đảo trộn càng nhiều thì tổng lượng nước bay hơi càng lớn và tổng lượng nước rỉ rác phát sinh càng nhỏ: tổng lượng nước rỉ rác tạo thành khi thực hiện thí nghiệm trên mô hình ngoài trời vào mùa hè trong trường hợp không đảo trộn (mẫu 1) là 50,31kg; đảo trộn 1 ngày/lần (mẫu 2) là 28,67kg; đảo trộn 2 ngày/lần (mẫu 3) là 30,42kg; đảo trộn 0,5 ngày/lần (mẫu 4) là 26,91kg. Tại các NM xử lý CTRHC theo công nghệ ủ sinh học cấp khí cưỡng bức, lượng nước rác phát sinh được tính toán theo lý thuyết là bằng 0 (nghĩa là toàn bộ nước rác được tuần hoàn lại trong quá trình ủ để duy trì độ ẩm), như vậy nếu không mất chi phí xử lý nước rác thì phải tốn chi phí cấp điện lớn để giảm độ ẩm trong quá trình ủ (độ ẩm dưới 35% thì tuần hoàn nước rác để duy trì độ ẩm tối ưu). Thực tế hiện nay tại các NM như Cầu Diễn, Thủy Phương vẫn phát sinh nước rác khi vận hành và các NM đều đã thiết kế các trạm xử lý nước rác đi kèm. Vì vậy, đối với công nghệ ủ cấp khí tự nhiên, lượng nước rác phát sinh cần xử lý phải xác định theo các phương án đảo trộn khác nhau để so sánh và lựa chọn chế độ đảo trộn phù hợp (sao cho hiệu quả kinh tế cao và gây ô nhiễm môi trường thứ cấp nhỏ). - Ngoài ra, theo kinh nghiệm của một số NM đã ứng dụng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên (Đà lạt, Hà Nam…) thì để giảm thiểu lượng nước rỉ rác phát sinh trong quá trình ủ, thực tế là không phải đảo trộn quá nhiều (sẽ dẫn đến tốn nhân công hoặc tốn nhiên liệu cho máy móc đảo trộn) mà ngay từ đầu nguyên vật liệu đưa vào ủ được lựa chọn theo loại chất thải sẵn có tại địa phương (hỗn hợp các chất xơ, bã có độ ẩm thấp, khả năng hút ẩm cao phối trộn với rác sinh hoạt rau củ quả từ chợ, hộ gia đình) nên tổng lượng nước trong ngăn ủ ban đầu sẽ nhỏ, không phải đảo trộn nhiều, lượng nước rỉ rác phát sinh hầu như không có. 5.1.2. Thiết lập cân bằng các nguyên tố dinh dưỡng (C, N) Kết quả tính toán cân bằng hàm lượng nitơ và cacbon tổng số trong ngăn ủ của mẫu 2 được thể hiện trên sơ đồ hình 5.2, hình 5.3. - Tổng lượng nitơ tổng số thất thoát trong quá trình ủ của các mẫu từ 5,24 - 8,45g, trong đó lượng nitơ thất thoát theo bay bơi chiếm từ 9,83 – 46,53% so với tổng lượng nitơ thất thoát sau thời gian 28 ngày ủ và chiếm 2,38 – 9,76% so với tổng lượng nitơ trong nguyên liệu ủ ban đầu. Trường hợp không đảo trộn, lượng nitơ bị thất thoát
17 theo khí thải chênh lệch và thấp hơn so với các trường hợp có đảo trộn và đảo trộn với tần suất 0,5ngày/lần và 1 ngày/lần có lượng nitơ bay hơi ít hơn trường hợp đảo trộn 2 ngày/lần. Tổng lượng N bay hơi khỏi hệ thống ủ sau 28 ngày ủ: Ntsk = 1,62g Tổng lượng nitơ trong sản Tổng lượng nitơ trong phẩm phân ủ sau thời gian 28 nguyên liệu ủ ban đầu: ngày ủ: Nts28 = 32,11g Nts0 = 37,35g Hệ thống ủ sinh học cấp khí tự nhiên Tổng lượng nitơ trong nước rỉ rác sau thời gian 28 ngày ủ: Ntsnước = 3,62g Hình 5.2. Sơ đồ thiết lập cân bằng nguyên tố N trong quá trình ủ (mẫu 2, có bổ sung độ sụt và đảo trộn 1 ngày/lần) trên mô hình ngoài trời vào mùa hè Tổng lượng C bay hơi khỏi hệ thống ủ sau 28 ngày ủ: Ctsk = 377,9g Tổng lượng cacbon trong sản Tổng lượng cacbon phẩm phân ủ sau thời gian 28 trong nguyên liệu ủ ban ngày: Cts28 = 484,97g đầu: Cts0 = 1183,98g Hệ thống ủ sinh học cấp khí tự nhiên Tổng lượng cacbon trong nước rỉ rác sau thời gian 28 ngày ủ: Ctsnước = 321,11g Hình 5.3. Sơ đồ thiết lập cân bằng nguyên tố C trong quá trình ủ (mẫu 2, có bổ sung độ sụt và đảo trộn 1 ngày/lần) trên mô hình ngoài trời vào mùa hè - Tổng lượng Cacbon tổng số thất thoát trong quá trình ủ của các mẫu dao động từ 637,07 - 799,08g, trong đó lượng cacbon thất thoát theo bay bơi của khí thải trong ngăn ủ chiếm 7,02 -62,74% so với tổng lượng cacbon thất thoát khỏi ngăn ủ sau thời gian 28 ngày ủ và chiếm 4,04 – 39,44% so với tổng lượng cacbon trong nguyên liệu ủ ban đầu. Khi không đảo trộn, lượng cacbon bị thất thoát theo khí thải chênh lệch và thấp hơn so với các trường hợp đảo trộn; đảo trộn càng nhiều thì lượng cacbon bay hơi càng lớn. - Theo chế độ đảo trộn: đảo trộn càng nhiều thì lượng nước rác phát sinh càng ít và lượng cacbon, nitơ tổng số trong nước rác bị thất