Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số nhanh chóng tại Hà Nội (diện tích 3.300 km², dân số trên 6,2 triệu người thời điểm nghiên cứu) dẫn đến khối lượng chất thải rắn (CTR) sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn. Theo số liệu thống kê năm 2007, tổng lượng CTR phát sinh của thành phố là 4.305 tấn/ngày, trong đó CTR sinh hoạt chiếm 3.000 tấn/ngày. Đến năm 2009, lượng CTR sinh hoạt đô thị đã đạt khoảng 5.000 tấn/ngày. Biện pháp xử lý chủ yếu hiện nay vẫn là chôn lấp hợp vệ sinh (chiếm 83% lượng rác sinh hoạt năm 2007 và 73–81% năm 2008–2009) tại các bãi rác như Nam Sơn, Kiêu Kỵ, Xuân Sơn, Núi Thoong. Phương thức này đối mặt với tình trạng quỹ đất ngày càng cạn kiệt, phát sinh nước rác và khí nhà kính ($CH_4$, $CO_2$) gây ô nhiễm đất, nước ngầm và không khí. Việc sản xuất phân compost hiếu khí (như tại Nhà máy Cầu Diễn khoảng 160 tấn/ngày hay Sơn Tây 50 tấn/ngày) còn bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu quả vận hành và thị trường tiêu thụ.

Trong khi đó, công nghệ phân hủy yếm khí chất thải rắn hữu cơ (CTR-HC) để thu hồi khí sinh học (biogas) vừa giúp giảm thể tích rác chôn lấp, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu hóa thạch. Đề tài "Nghiên cứu đặc tính chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội và thăm dò quá trình phân hủy yếm khí ở quy mô pilot" do tác giả Đỗ Quốc Cường (lớp CNMT K50QN, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - INEST, Đại học Bách khoa Hà Nội) thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Đánh giá đặc tính của chất thải rắn hữu cơ đô thị tại Hà Nội thu thập từ Nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn.
  2. Thăm dò quá trình phân hủy yếm khí ở quy mô pilot.
  3. Đánh giá giai đoạn thủy phân và lên men axit trong điều kiện có bổ sung và tuần hoàn nước rác.
  4. Thăm dò quá trình sinh khí mêtan trong điều kiện không kiểm soát (nhiệt độ, vi sinh vật, tuần hoàn nước rác).

Đối tượng nghiên cứu là thành phần hữu cơ trong CTR đô thị Hà Nội lấy tại Nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn (nguồn rác từ các chợ và rác phân loại tại nguồn thuộc Dự án 3R thí điểm ở 4 phường: Láng Hạ, Thành Công, Phan Chu Trinh, Nguyễn Du). Phạm vi thực nghiệm diễn ra từ tháng 10/2009 đến tháng 5/2010; trong đó giai đoạn vận hành hệ thống pilot 2 pha (pha 1 xả rửa/thủy phân 6 ngày và pha 2 ủ yếm khí 22 ngày) được tiến hành từ ngày 28/04/2010 đến 30/05/2010 tại xưởng thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ chế sinh học

Quá trình phân hủy yếm khí chuyển hóa chất hữu cơ phức tạp thành khí sinh học (chứa 55–65% $CH_4$, 35–45% $CO_2$, 0–3% $N_2$, 0–1% $H_2$, 0–1% $H_2S$) diễn ra qua ba giai đoạn sinh hóa chính do 4 nhóm vi khuẩn thực hiện:

  • Giai đoạn thủy phân: Vi khuẩn thủy phân và lên men (hydrolytic and fermentative bacteria) tiết enzyme ngoại bào biến đổi protein thành axit amin, carbohydrate thành đường đơn, lipid thành axit béo chuỗi dài.
  • Giai đoạn lên men axit: Nhóm vi khuẩn axetat hóa (acetate and $H_2$-producing bacteria) chuyển hóa các chất đơn giản thành axit axetic, $H_2$, $CO_2$, cùng các axit béo bay hơi mạch ngắn (propionic, butyric).
  • Giai đoạn sinh khí mêtan (mêtan hóa): Vi khuẩn sinh mêtan sử dụng axetat (acetoclastic bacteria như Methanothrix, Methanosarcina) và vi khuẩn sử dụng $H_2$ (hydrogen-utilizing methane bacteria như Methanococcales, Methanobacteriales) để tạo thành $CH_4$.

Các yếu tố công nghệ chi phối quá trình gồm: nhiệt độ (vùng ưa ấm mesophilic 25–40°C, tối ưu 35°C; vùng ưa nhiệt thermophilic 50–65°C, tối ưu 55°C); pH (ngưỡng 6,6–7,6, tối ưu 7,0–7,2); độ kiềm ($2.500–5.000\text{ mg/L}$); hàm lượng tổng chất khô (TS tối ưu 7–9% đối với phân hủy ướt); tỷ lệ $C:N$ tối ưu khoảng 25:1–30:1; và nồng độ chất ức chế (axit hữu cơ bay hơi $>2.000\text{ mg/L}$, $N\text{-}NH_4^+ >200\text{ mg/L}$, sulfide hòa tan $>3.000\text{ mg/L}$).

Phương pháp nghiên cứu và phân tích thực nghiệm

  • Phương pháp lấy mẫu: Áp dụng phương pháp chia tư ("một phần tư") từ đống rác đại diện ban đầu thể tích $4\text{ m}^3$ tại Nhà máy Cầu Diễn, đảo trộn đều và rút gọn xuống mẫu đại diện khoảng $500\text{ kg}$ để phân loại thủ công, sau đó rút gọn tiếp lấy mẫu đại diện $10\text{ kg}$ đưa về phòng thí nghiệm. Lấy mẫu tại 2 vị trí: trước hệ thống phân loại (3 đợt) và sau hệ thống phân loại của nhà máy (2 đợt).
  • Phương pháp phân tích chỉ tiêu lý hóa của rác: Khối lượng riêng xác định theo phương pháp đo thể tích - khối lượng; Độ ẩm (MC) và Tổng chất khô (TS) xác định bằng phương pháp sấy khô ở 105°C trong 24 giờ đến khối lượng không đổi; Chất rắn bay hơi (VS) nung ở 550°C trong 1 giờ; Tổng Nitơ Kjeldahl (TKN) phân hủy mẫu bằng $H_2SO_4$ đậm đặc với xúc tác $K_2SO_4 : CuSO_4 : Se$ (100:10:1) và chuẩn độ dung dịch $(NH_4)_3BO_3$; Tổng phốtpho (TP) vô cơ hóa bằng $H_2SO_4 + HClO_4$, tạo phức màu xanh phospho-molipdat và đo quang phổ hấp thụ; Tổng cacbon hữu cơ (TOC) phân tích theo TCVN 6644:2000 bằng phương pháp oxy hóa bicromat ở 135°C và đo quang phổ.
  • Phương pháp phân tích nước rác và khí: pH đo bằng máy đo điện cực; COD đo theo phương pháp hồi lưu kín với $K_2Cr_2O_7$ ở 150°C trong 2 giờ và chuẩn độ lượng dư bằng muối Mohr (FAS) với chỉ thị ferroin; TOC nước rác xác định theo TCVN 6634:2000; Tổng axit béo bay hơi (TVFA) xác định bằng phương pháp chưng cất và chuẩn độ với $NaOH\text{ 0,1 N}$ (chỉ thị phenolphthalein); Amoni ($NH_4^+$) so màu với thuốc thử Nessler bước sóng 380–420 nm. Thể tích khí biogas đo bằng đồng hồ đo khí Ritter TG01/5; thành phần phần trăm $CH_4$ và $CO_2$ đo bằng máy phân tích khí cầm tay Portable analyzer.

Thiết kế và thông số vận hành hệ thống pilot

Mô hình pilot phân hủy yếm khí được chế tạo bằng vật liệu inox 304 hình trụ hai lớp, cách nhiệt, chịu áp lực làm việc $1\text{ kg/cm}^2$, gồm 2 thiết bị phản ứng (TBPƯ 1 và TBPƯ 2) vận hành song song:

  • Cấu tạo thiết bị phản ứng: Tổng thể tích mỗi tháp là 386 lít. Vỏ ngoài (vùng A) có thể tích 90 lít chứa nước tuần hoàn để gia nhiệt; vùng phản ứng bên trong có thể tích 296 lít, được chia làm 3 khoang: khoang chứa nguyên liệu (khoang B) thể tích 222 lít; khoang đỉnh phân phối nước và thu khí (khoang C) thể tích 37 lít; khoang đáy thu gom nước rác (khoang D) thể tích 37 lít.
  • Vật liệu đệm và phụ gia tạo độ rỗng: Đáy tháp lót lớp sỏi dày 8 cm (gồm lớp sỏi kích thước 2–3 cm ở dưới và 1–2 cm ở trên) để lọc cặn bẩn chống nghẹt bơm. Khối rác thải hữu cơ được cắt nhỏ kích thước 30–60 mm, trộn đều với các đoạn ống PVC phế liệu (đường kính trong 27 mm, dài 6–8 cm) với tỷ lệ 10% thể tích nhằm tạo độ rỗng cho khối ủ, tăng cường lưu thông pha lỏng và khí. Khối lượng nạp mỗi tháp là $90\text{ kg}$ CTR-HC (khối lượng riêng vật liệu khoảng $500\text{ kg/m}^3$).
  • Chế độ vận hành pha 1 (thủy phân/rửa trôi axit trong 6 ngày): Tuần hoàn nước rác theo tỷ lệ (Nước : CTR-HC) là 0,5:1 theo ngày; tổng thể tích nước sử dụng cho mỗi tháp là 270 lít; lưu lượng bơm $6\text{ lít/phút}$, cài đặt chu kỳ 4 giờ chạy / 4 giờ nghỉ. Điểm khác biệt công nghệ giữa 2 tháp là:
    • TBPƯ 1: Sử dụng 135 lít nước tuần hoàn liên tục trong 3 ngày đầu, sau đó thay mới toàn bộ 135 lít nước cho 3 ngày tiếp theo (chu kỳ thay nước 3 ngày/lần).
    • TBPƯ 2: Mỗi ngày nạp mới 45 lít nước, xả thu hồi và thay mới 45 lít nước hàng ngày (chu kỳ thay nước 1 ngày/lần trong suốt 6 ngày).
  • Chế độ vận hành pha 2 (ủ yếm khí thăm dò 22 ngày): Sau khi kết thúc giai đoạn rửa trôi axit, cả hai tháp được đóng kín hoàn toàn, tiến hành ủ yếm khí ở điều kiện tự nhiên: không gia nhiệt tuần hoàn nước nóng, không cấy bổ sung bùn vi sinh vật yếm khí, và không tuần hoàn nước rác.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Đặt vấn đề

Chương này nêu rõ sự gia tăng áp lực chất thải rắn sinh hoạt tại các đô thị Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng do tốc độ đô thị hóa nhanh. Thực trạng xử lý phụ thuộc vào chôn lấp gây lãng phí tài nguyên và rủi ro môi trường nghiêm trọng. Tác giả chỉ ra tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ phân hủy yếm khí rác hữu cơ, thiết lập mục tiêu đánh giá đặc tính rác thải Hà Nội và thăm dò các pha thủy phân, sinh khí trên mô hình pilot hai pha gián đoạn. Kế hoạch nghiên cứu được phân chia thành 4 giai đoạn cụ thể từ tháng 10/2009 đến tháng 5/2010.

Chương II: Tổng quan về tình hình chất thải rắn đô thị Hà Nội và quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học

Chương II tập trung phân tích hiện trạng phát sinh và quản lý CTR tại Hà Nội qua các niên giám và báo cáo thống kê của URENCO (2002, 2007, 2008, 2009). Tác giả tổng hợp cơ cấu rác thải sinh hoạt đô thị: thành phần hữu cơ luôn chiếm tỷ trọng áp đảo (51,06% giai đoạn 1997–2000; 48% giai đoạn 2005–2010 và dự báo 45% giai đoạn 2010–2020), độ ẩm rác cao (60–67%), khối lượng riêng trung bình $0,42\text{ tấn/m}^3$.

Chương này trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết hóa sinh của quá trình phân hủy kỵ khí, đặc tính sản phẩm khí biogas, phân loại các nhóm vi khuẩn tham gia và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến động thái học phản ứng (nhiệt độ, pH, độ kiềm, tỷ lệ $C:N$, chất dinh dưỡng khoáng, độc chất ức chế và sự cạnh tranh giữa vi khuẩn khử sulfat với vi khuẩn sinh mêtan).

Chương III: Phương pháp nghiên cứu

Chương III trình bày quy trình thực nghiệm từ khâu khảo sát thực địa tại Nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn đến thiết kế và chế tạo hệ thống pilot:

  • Mô tả chi tiết phương pháp lấy mẫu rác theo quy tắc chia tư để thu gom mẫu đại diện $M_1$, $M_2$, $M_3$ trong 5 đợt (tháng 11 và 12/2009) và đợt vận hành pilot (28/04/2010).
  • Thiết lập hệ thống phân tích phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn Việt Nam và phương pháp phân tích môi trường chuẩn (TCVN 6644:2000 cho TOC rác, TCVN 6634:2000 cho TOC nước rác, phương pháp Kjeldahl, trắc quang molipdat, hồi lưu kín đo COD).
  • Bản vẽ cấu tạo, sơ đồ nguyên lý và tiến độ lắp đặt hệ thống pilot inox 304 thể tích 386 lít kèm các bộ phận gia nhiệt, bơm tuần hoàn, van điều khiển, thiết bị tạo độ rỗng bằng ống PVC và lớp sỏi lọc đáy.
  • Thiết lập quy trình vận hành và kiểm soát thông số công nghệ của hai pha thí nghiệm (pha rửa trôi thủy phân và pha ủ kỵ khí tĩnh).

Chương IV: Kết quả và thảo luận

Chương IV phân tích toàn diện dữ liệu thu thập được qua các nội dung chính:

1. Thành phần và đặc tính lý hóa của CTR-HC đô thị Hà Nội: Kết quả phân loại rác thủ công tại Nhà máy Cầu Diễn qua 5 đợt lấy mẫu được tổng hợp tại bảng dưới đây:

Vị trí lấy mẫu Thành phần CTR-HC (%) Nhựa, nilon, cao su (%) Vỏ sò, ốc, xương (%) Ghi chú đặc tính
Trước phân loại nhà máy 66,96 ± 0,22 12,16 ± 0,46 2,51 ± 0,79 Dao động 58,44–79,16%; rác tươi, tỷ trọng nhỏ, tốn công phân loại
Sau phân loại nhà máy 77,32 ± 0,00 4,19 ± 0,00 3,59 ± 0,21 Đồng nhất cao (77,20–77,43%), đã qua sàng quay và tách từ

Kết quả phân tích mẫu rác hữu cơ tại phòng thí nghiệm cho thấy: độ ẩm trung bình $69,21 \pm 0,02%$; tổng chất khô TS $30,79 \pm 0,06%$; chất rắn bay hơi VS đạt $54,24 \pm 0,10%\text{ TS}$; tổng cacbon hữu cơ TOC đạt $23,38 \pm 0,12%\text{ TS}$; tổng nitơ Kjeldahl TKN đạt $0,50 \pm 0,27%\text{ TS}$; tổng phospho TP đạt $0,09 \pm 0,14%\text{ TS}$; tỷ lệ $C:N$ trung bình là 49,23 (biến thiên từ 30,33 đến 69,45). Riêng mẫu nạp vào pilot ngày 28/04/2010 có: MC 67,90%, TS 32,10%, VS 54,24% TS, TKN 0,50% TS, TOC 23,30% TS ($C:N \approx 47:1$).

2. Hiệu quả giai đoạn bổ sung, tuần hoàn nước rác (thủy phân và lên men axit):

  • Nồng độ COD và TOC trong nước rác tăng mạnh trong 3–4 ngày đầu. Ở TBPƯ 1 (thay nước chu kỳ 3 ngày), COD đạt đỉnh $16,16\text{ g/L}$ ở ngày thứ 3,13, sau khi thay nước tiếp tục tăng từ $7,20\text{ g/L}$ lên $8,80\text{ g/L}$ vào ngày 6,13. Ở TBPƯ 2 (thay nước hàng ngày), COD đạt đỉnh cao nhất vào ngày đầu tiên ($18,17\text{ g/L}$) rồi giảm dần về $7,04\text{ g/L}$ do pha loãng liên tục. Đồ thị tương quan thực nghiệm khẳng định quan hệ tuyến tính chặt chẽ giữa COD và TOC trong nước rác.
  • Tải lượng COD tích lũy sau 4 ngày đầu tại TBPƯ 1 đạt $3,11\text{ kg}$, trong khi 2 ngày sau chỉ tích lũy thêm $0,22\text{ kg}$, chứng minh quá trình rửa trôi chất hữu cơ hòa tan diễn ra chủ yếu ở 4 ngày đầu.
  • Cân bằng vật chất cacbon: Với khối lượng nạp $90\text{ kg}$ CTR-HC ban đầu, lượng TOC nạp vào mỗi tháp là $6,73\text{ kg}$. Sau 6,13 ngày xả rửa:
    • TBPƯ 1 chuyển hóa $1,36\text{ kg TOC}$ vào nước rác (hiệu suất 20,21%), lượng TOC còn lại trong khối rác là $5,37\text{ kg}$.
    • TBPƯ 2 chuyển hóa $1,34\text{ kg TOC}$ vào nước rác (hiệu suất 19,91%), lượng TOC còn lại trong khối rác là $5,39\text{ kg}$.
  • Quá trình axit hóa sinh ra nồng độ axit béo bay hơi (TVFA) rất cao ($>3\text{ g/L}$), dao động từ $3,60–5,70\text{ g/L}$ ở TBPƯ 1 và $3,64–8,04\text{ g/L}$ ở TBPƯ 2, làm pH nước rác duy trì ở mức axit thấp (5,29–5,70 ở TBPƯ 1 và 5,18–5,84 ở TBPƯ 2). Lượng TVFA tích lũy đạt $1,40\text{ kg}$ ($48,46\text{ g TVFA/kg TS}$) ở TBPƯ 1 và $1,23\text{ kg}$ ($42,58\text{ g TVFA/kg TS}$) ở TBPƯ 2. Tỷ lệ chuyển hóa TOC trong nước rác thành cacbon trong TVFA ($TVFA_C/TOC$) ở TBPƯ 1 đạt 41%, cao hơn TBPƯ 2 (37%).

3. Thăm dò quá trình sinh khí mêtan ở pha 2 (ủ kỵ khí tĩnh 22 ngày): Sản lượng và thành phần khí sinh học được theo dõi trong 2 đợt đo (ngày 7–21 và ngày 22–28):

Thiết bị phản ứng Thời gian theo dõi Thể tích Biogas (lít) Hàm lượng $CH_4$ (%) Hàm lượng $CO_2$ (%) Thể tích $CH_4$ tích lũy (lít)
TBPƯ 1 Ngày 7 đến ngày 21 76,39 10,54 89,46 8,05
Ngày 22 đến ngày 28 33,71 12,19 87,81 12,61 (tổng)
TBPƯ 2 Ngày 7 đến ngày 21 68,28 10,46 89,54 7,14
Ngày 22 đến ngày 28 32,15 12,10 87,90 11,03 (tổng)

Tính toán năng suất sinh khí theo lượng chất rắn bay hơi ban đầu ($M_{VS} = 15,67\text{ kg}$): Sau 28 ngày vận hành, lượng $CH_4$ sinh ra ở TBPƯ 1 chỉ đạt $0,80\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$ và TBPƯ 2 đạt khoảng $0,70\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$. Mức này rất thấp so với tiềm năng sinh khí lý thuyết của rác thải hữu cơ ($325–450\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$). Nguyên nhân chính là do giai đoạn 2 thiếu vi sinh vật cấy ban đầu, nhiệt độ môi trường dao động không được kiểm soát, pH môi trường bị axit hóa cục bộ (pH < 6, nồng độ TVFA tích tụ cao kìm hãm hoàn toàn nhóm vi khuẩn sinh mêtan) và không có sự khuấy trộn.

Chương V: Kết luận và đề xuất giải pháp

Chương cuối cùng tổng kết các chỉ tiêu định lượng về tiềm năng nguyên liệu và hiệu quả vận hành pilot; đồng thời kiến nghị các giải pháp hoàn thiện quy trình công nghệ cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả chính

  • Xác định được bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm về thành phần và tính chất của CTR-HC Hà Nội: thành phần hữu cơ chiếm 66,96% (chưa phân loại) đến 77,32% (sau sàng phân loại); độ ẩm cao ($69,21%$), hàm lượng chất rắn bay hơi khả quan ($54,24%\text{ TS}$), hàm lượng cacbon hữu cơ dồi dào ($23,38%\text{ TS}$), phospho $0,09%\text{ TS}$, nitơ $0,50%\text{ TS}$, tỷ lệ $C:N$ trung bình 49,23.
  • Chứng minh tính khả thi của kỹ thuật tuần hoàn nước rác để thúc đẩy pha thủy phân: Trong 6 ngày xả rửa, hệ thống đã chiết tách được 20,21% TOC (TBPƯ 1) và 19,91% TOC (TBPƯ 2) từ khối rác vào pha lỏng. Trong đó, 37–41% TOC hòa tan đã được vi khuẩn chuyển hóa thành các axit béo bay hơi ($TVFA_C$).
  • Xác định được chế độ tuần hoàn tối ưu cho pha thủy phân: Vận hành với chu kỳ thay nước 3 ngày/lần (TBPƯ 1) mang lại hiệu suất chuyển hóa chất hữu cơ cao hơn, nồng độ tích lũy cơ chất lớn hơn, đồng thời tiết kiệm công lao động và dễ kiểm soát kỹ thuật hơn so với chế độ thay nước hàng ngày (TBPƯ 2). Quá trình thủy phân diễn ra tập trung nhất trong 4 ngày đầu tiên.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tối ưu hóa pha rửa trôi/thủy phân: Giảm tỷ lệ nước tuần hoàn hoặc sử dụng toàn bộ lượng nước tuần hoàn một lần duy nhất (không cần thay nước định kỳ) để tăng nồng độ chất hữu cơ thu hồi và tiết kiệm tài nguyên nước; rút ngắn thời gian pha 1 xuống khoảng 4 ngày.
  • Tận dụng nguồn nước thải: Đề xuất nghiên cứu thay thế nước sạch tuần hoàn bằng các loại nước thải hữu cơ thích hợp nhằm vừa tiết kiệm nước sạch, vừa bổ sung dinh dưỡng vi lượng và đệm kiềm cho hệ thống.
  • Khởi động pha sinh khí mêtan: Bắt buộc phải trung hòa và điều chỉnh pH môi trường về khoảng tối ưu 6,6–7,6 (tốt nhất là 7,0–7,2); thực hiện cấy bổ sung bùn vi sinh kỵ khí hoạt tính; vận hành hệ thống tuần hoàn nước nóng bọc ngoài để duy trì nhiệt độ ổn định ở dải ưa ấm (35°C) hoặc ưa nhiệt (55°C); và kết hợp tuần hoàn nước rác có kiểm soát nhằm cung cấp cơ chất hòa tan dần dần cho vi khuẩn sinh mêtan.

Đóng góp học thuật và thực tiễn

Khóa luận đã cung cấp số liệu thực nghiệm gốc về đặc tính chất thải rắn hữu cơ thu gom thực tế tại Hà Nội; đồng thời thiết kế, chế tạo thành công một mô hình pilot phân hủy kỵ khí hai pha bán khô gián đoạn hoàn chỉnh (chịu áp lực, có áo gia nhiệt, đệm rỗng PVC và hệ thống đo khí chuyên dụng). Nghiên cứu làm rõ động thái hòa tan và axit hóa của rác thải trong điều kiện rửa trôi cưỡng bức, tạo tiền đề công nghệ cho việc tách riêng hai pha thủy phân và mêtan hóa nhằm nâng cao hiệu suất phân hủy rác sinh hoạt đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế do điều kiện thời gian và nguồn lực thực hiện:

  • Chưa hoàn thành trọn vẹn pha sinh khí mêtan ở điều kiện công nghệ tiêu chuẩn (có kiểm soát nhiệt độ, cấy vi sinh vật và tuần hoàn nước rác) mà mới chỉ dừng lại ở bước thăm dò tĩnh tự nhiên trong 22 ngày; do đó khí biogas sinh ra có hàm lượng $CH_4$ rất thấp (10,46–12,19%) và năng suất sinh khí thực tế ($0,7–0,8\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$) chưa phản ánh đúng tiềm năng lý thuyết ($325–450\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$).
  • Tỷ lệ $C:N$ của nguyên liệu rác thực tế khá cao (trung bình 49,23), đòi hỏi phải nghiên cứu bổ sung nguồn cơ chất giàu nitơ (như phân bùn bể phốt hoặc phân gia súc) để đưa về ngưỡng tối ưu 25:1–30:1.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc thử nghiệm các tải lượng nạp chất khô cao hơn; vận hành pha mêtan hóa có gia nhiệt ổn định ở 35°C và 55°C; đánh giá chất lượng bã thải sau phân hủy yếm khí để làm phân bón hữu cơ sinh học; và nghiên cứu sử dụng nước thải sinh hoạt/nước thải chế biến thực phẩm làm dịch tuần hoàn thay cho nước sạch.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Sinh học và Năng lượng Tái tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

  • Phương pháp lấy mẫu và phân tích đặc tính CTR: Quy trình lấy mẫu chia tư rác đô thị quy mô lớn và các quy trình phân tích chỉ tiêu $MC, TS, VS, TOC, TKN, TP$ trong chất thải rắn.
  • Bản vẽ và giải pháp thiết kế pilot kỵ khí: Thiết kế hệ thống phản ứng hai vỏ gia nhiệt, lớp sỏi đỡ chống nghẹt, và đặc biệt là giải pháp phối trộn mảnh ống nhựa PVC làm chất tạo độ rỗng cho phản ứng phân hủy kỵ khí dạng khô/bán khô.
  • Dữ liệu động thái hòa tan chất hữu cơ: Các số liệu về biến thiên COD, TOC, TVFA và pH theo thời gian trong quá trình rửa trôi nước rác, làm tài liệu tham khảo để tính toán cân bằng vật chất và thiết kế các bể phản ứng axit hóa trong công nghệ xử lý rác thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ chất thải rắn hữu cơ tại Nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn trước và sau hệ thống phân loại cơ học của nhà máy khác nhau như thế nào?
Trước khi qua hệ thống phân loại, thành phần hữu cơ dao động từ 58,44% đến 79,16%, trung bình đạt 66,96% (độ lệch chuẩn SD = 0,22). Sau khi qua hệ thống phân loại cơ học (sàng quay, tách từ), thành phần hữu cơ đạt độ đồng nhất rất cao với giá trị trung bình là 77,32% (SD = 0,00). Tuy nhiên, sau phân loại cơ học vẫn còn hơn 20% tạp chất (nhựa, nilon, vỏ sò, xương...) lẫn bên trong.

2. Tỷ lệ $C:N$ trung bình của chất thải rắn hữu cơ Hà Nội được ghi nhận là bao nhiêu và con số này ảnh hưởng thế nào đến quá trình phân hủy yếm khí?
Tỷ lệ $C:N$ trung bình của các mẫu rác hữu cơ phân tích là 49,23 (biến thiên từ 30,33 đến 69,45). Giá trị này cao hơn đáng kể so với ngưỡng tối ưu cho vi sinh vật yếm khí (từ 25:1 đến 30:1). Tỷ lệ $C:N$ cao dẫn đến thiếu hụt nitơ cho quá trình tổng hợp sinh khối của vi khuẩn, làm chậm tốc độ phân hủy, do đó cần phải bổ sung thêm nguồn dinh dưỡng nitơ khi vận hành quy mô lớn.

3. Ở giai đoạn 1 (thủy phân và lên men axit), chế độ tuần hoàn nước nào cho hiệu quả cao hơn giữa hai thiết bị phản ứng?
Chế độ tuần hoàn ở Thiết bị phản ứng 1 (thay nước chu kỳ 3 ngày/lần) cho kết quả tốt hơn Thiết bị phản ứng 2 (thay nước hàng ngày). Cụ thể, TBPƯ 1 đạt hiệu suất chuyển hóa TOC vào nước rác là 20,21% (so với 19,91% ở TBPƯ 2), tỷ lệ chuyển hóa TOC thành cacbon trong TVFA đạt 41% (so với 37% ở TBPƯ 2), tải lượng tích lũy TVFA đạt $48,46\text{ g/kg TS}$ (so với $42,58\text{ g/kg TS}$ ở TBPƯ 2), đồng thời giảm thiểu công lao động thay nước và thuận tiện hơn cho công tác quản lý vận hành.

4. Tại sao sản lượng mêtan thu được ở giai đoạn 2 lại rất thấp ($0,7–0,8\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$) so với tiềm năng lý thuyết ($325–450\text{ mL } CH_4\text{/g VS}$)?
Nguyên nhân là do giai đoạn 2 được vận hành ở điều kiện không kiểm soát: không cấy bổ sung bùn vi sinh yếm khí (thiếu hụt vi khuẩn sinh mêtan chuyên biệt), không cấp nhiệt duy trì nhiệt độ tối ưu (chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường ngoài), không tuần hoàn nước rác và không có khuấy trộn. Đặc biệt, môi trường bên trong thiết bị bị axit hóa mạnh với nồng độ TVFA rất cao ($>3\text{ g/L}$) và pH duy trì ở mức thấp (5,2–5,8), gây ức chế sâu sắc hoạt tính sinh học của nhóm vi khuẩn sinh mêtan (vốn đòi hỏi pH tối ưu từ 7,0 đến 7,2).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đỗ Quốc Cường đã xác định một cách khoa học các đặc tính lý hóa của chất thải rắn hữu cơ đô thị Hà Nội với hàm lượng chất hữu cơ cao và giàu tiềm năng phân hủy sinh học. Nghiên cứu đã chế tạo và vận hành thành công mô hình pilot phân hủy yếm khí thể tích 386 lít, chứng minh việc tuần hoàn nước rác trong 4–6 ngày đầu có thể thu hồi tới trên 20% TOC vào pha lỏng dưới dạng các axit béo bay hơi phục vụ cho quá trình sinh khí. Mặc dù giai đoạn sinh khí mêtan ở điều kiện tĩnh chưa đạt hiệu suất cao do bị ức chế axit hóa và thiếu vi sinh cấy, các kết quả thực nghiệm thu được đã cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc hoàn thiện công nghệ xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị theo hướng thu hồi năng lượng tái tạo tại Việt Nam.