Tổng quan luận án
Quản lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) tại Việt Nam, đặc biệt ở các đô thị lớn, đang đối mặt với nhiều áp lực do tốc độ đô thị hóa nhanh và khối lượng phát sinh gia tăng từ 10% đến 16% mỗi năm. Công nghệ xử lý CTRSH phổ biến hiện nay vẫn chủ yếu là chôn lấp (chiếm trên 76% đến 90% tổng lượng chất thải thu gom). Tuy nhiên, theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, có tới 85% đến 90% bãi chôn lấp trên toàn quốc không hợp vệ sinh (chỉ 16 trong tổng số 98 bãi chôn lấp tập trung đạt tiêu chuẩn hợp vệ sinh). Các bãi chôn lấp vận hành theo công nghệ truyền thống có tốc độ phân hủy chất hữu cơ chậm, thời gian ổn định kéo dài hàng chục năm, hiệu quả thu hồi khí sinh học thấp, đồng thời phát sinh nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao gây nguy cơ tác động xấu đến môi trường đất, nước mặt và nước ngầm. Quỹ đất dành cho các bãi chôn lấp ngày càng khan hiếm. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu các nghiên cứu hệ thống về cơ sở động học và giải pháp kỹ thuật nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH có thành phần hữu cơ cao (65% – 89%) và độ ẩm lớn trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thành Phương, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2016, dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Nguyễn Văn Phước và PGS.TS. Nguyễn Phước Dân, tập trung giải quyết các mục tiêu sau:
-
Mục tiêu nghiên cứu:
- Mục tiêu 1: Nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp bằng công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học.
- Mục tiêu 2: Đề xuất giải pháp công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy CTRSH tại các bãi chôn lấp hiện hữu với các quy mô khác nhau trong điều kiện Việt Nam.
-
Giả thuyết nghiên cứu:
- Giả thuyết khoa học của đề tài là sử dụng chính sản phẩm phân giải tự nhiên của bãi chôn lấp (nước rỉ rác) để tuần hoàn và bổ sung thêm chế phẩm sinh học chứa tập hợp các chủng vi sinh vật hữu hiệu. Sự kết hợp này sẽ thúc đẩy nhanh quá trình phân hủy sinh học kị khí chất thải rắn sinh hoạt theo hướng có lợi cho môi trường, rút ngắn giai đoạn axit hóa, gia tăng sinh khí methane và giúp kéo dài tuổi thọ bãi chôn lấp.
-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Chất thải rắn sinh hoạt đô thị và các quá trình biến đổi lý - hóa - sinh, các thông số động học kị khí trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp.
- Phạm vi không gian: Bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt hợp vệ sinh trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh (thu thập mẫu và số liệu từ bãi chôn lấp Phước Hiệp, Đa Phước).
- Phạm vi thời gian: Quá trình vận hành thí nghiệm mô phỏng liên tục trong 32 tuần; dữ liệu khảo sát và dự báo phát sinh CTRSH giai đoạn 2005–2015 và định hướng đến năm 2025.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ xử lý bãi chôn lấp, tuần hoàn nước rỉ rác, bổ sung vi sinh và động học phân hủy kị khí:
- Nghiên cứu về tuần hoàn nước rỉ rác: Francois và cộng sự (2007) cùng Chan và cộng sự (2002) đã chứng minh việc tuần hoàn nước rỉ rác giúp gia tăng độ ẩm, phân phối đều chất dinh dưỡng và vi sinh vật, rút ngắn đáng kể giai đoạn axit hóa và đẩy nhanh giai đoạn methane hóa. San và cộng sự (2001) chỉ ra rằng tuần hoàn nước rỉ rác có khả năng gia tăng lượng khí methane tích lũy từ 1,7 đến 2,0 lần so với bãi chôn lấp đối chứng không tuần hoàn.
- Nghiên cứu về bổ sung chế phẩm sinh học: Nghiên cứu của BETCO (2006) ghi nhận việc bổ sung vi sinh vật hoạt hóa và enzyme chuyên hóa giúp tăng cường phân cắt các chuỗi polyme hữu cơ phức tạp thành hợp chất đơn giản, đẩy nhanh quá trình làm sạch và chuyển hóa thành biogas. Các chế phẩm như AquaClean, Microbe-Lift, ACE32 chứa tổ hợp vi khuẩn hiếu khí, kị khí, tùy nghi, hóa tổng hợp và quang hợp có khả năng phân giải chất hữu cơ (BOD, COD), cellulose, chất rắn lơ lửng và giảm thiểu mùi hôi.
- Nghiên cứu về động học phân hủy kị khí: Eastman và Ferguson (1981), T. Brummeler (1993) khẳng định động học bậc 1 là mô hình phù hợp nhất đối với cơ chất hữu cơ dạng rắn. Gujer và Zehnder (1983) cùng Pfeffer (1974) chỉ rõ đối với CTRSH đã nghiền, giai đoạn thủy phân cellulose là giai đoạn giới hạn tốc độ phân hủy và tuân theo quy luật động học bậc nhất. Hoeks (1983) đề xuất mô hình động học bậc 1 gồm nhiều thành phần cơ chất để dự đoán tốc độ phát sinh khí methane. Cecchi và Alvarez (1991), Chae và cộng sự (2008), Cheng và cộng sự cung cấp các khung đánh giá theo mô hình Monod và Michaelis-Menten.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết:
Mặc dù công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm vi sinh đã được nghiên cứu ở một số quốc gia phát triển, tại Việt Nam việc ứng dụng còn hạn chế và mang tính tự phát. Đặc thù CTRSH tại Việt Nam có tỷ lệ hữu cơ rất cao (trên 70%–80%), độ ẩm cao và chưa qua phân loại triệt để tại nguồn. Luận án giải quyết khoảng trống về việc xác lập số liệu thực nghiệm định lượng, xác định các thông số động học kị khí (bậc 1, Monod, Michaelis-Menten) và xây dựng quy trình công nghệ bãi chôn lấp sinh học có tuần hoàn nước rỉ kết hợp vi sinh phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về 5 giai đoạn biến đổi hóa - sinh của chất thải rắn hữu cơ trong bãi chôn lấp kị khí:
- Giai đoạn I (Thủy phân sơ bộ): Diễn ra trong vài ngày đến vài tuần dưới điều kiện hiếu khí do lượng oxy còn lưu giữ trong các khe rỗng của khối rác.
- Giai đoạn II (Lên men): Môi trường chuyển sang kị khí hoàn toàn, thế oxy hóa khử giảm xuống khoảng -50 mV đến -100 mV, nitrat và sunfat bị khử thành $N_2$ và $H_2S$ thông qua các phản ứng chuyển hóa:
$$2CH_3CHOHCOOH + SO_4^{2-} \rightarrow 2CH_3COOH + S^{2-} + H_2O + CO_2$$
$$4H_2 + SO_4^{2-} \rightarrow S^{2-} + 4H_2O$$
- Giai đoạn III (Sinh acetate - Acidogenesis/Acetogenesis): Các hợp chất cao phân tử (lipid, protein, polysaccharide) thủy phân thành axit béo bay hơi (VFA), axit acetic và $CO_2$. Giá trị pH nước rỉ giảm xuống dưới 5,0; nồng độ BOD, COD và kim loại nặng hòa tan tăng cao.
- Giai đoạn IV (Sinh methane - Methanogenesis): Vi khuẩn methane kị khí nghiêm ngặt chuyển hóa acetate và hydro thành $CH_4$ và $CO_2$ khi thế oxy hóa khử đạt -150 mV đến -300 mV. Nồng độ COD, BOD giảm mạnh, pH nước rỉ tăng lên mức trung tính (6,8 – 8,0).
- Giai đoạn V (Ổn định hóa): Cơ chất dễ phân hủy cạn kiệt, tốc độ sinh khí giảm thấp, khối rác đi vào trạng thái khoáng hóa ổn định.
Luận án áp dụng ba mô hình động học:
- Động học bậc 1: Dựa trên nồng độ cơ chất biến thiên theo thời gian: $\ln(VS/VS_0) = -kt$ và dựa trên lượng khí methane tích lũy: $\ln(1 - CH_{4t}/CH_{4max}) = -kt$.
- Mô hình Monod: Cân bằng sinh khối và cơ chất: $\mu = \frac{\mu_{max} S}{K_s + S} - k_d$.
- Mô hình Michaelis-Menten: Tính toán các hằng số $V_m$, $K_m$, $R_{max}$, $B$ từ dữ liệu thực nghiệm bằng phương pháp tích phân.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý kết hợp phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm:
- Mô hình thí nghiệm: Hệ thống gồm 3 cột mô hình hình trụ đặt thẳng đứng mô phỏng các ô chôn lấp CTRSH có nén ép cơ học:
- Mô hình 1 (MH1): Mô hình đối chứng, không tuần hoàn nước rỉ rác, không bổ sung chế phẩm vi sinh.
- Mô hình 2 (MH2 / MH2.1): Mô hình tuần hoàn nước rỉ rác với lưu lượng tuần hoàn $7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$.
- Mô hình 3 (MH3 / MH3.1): Mô hình kết hợp tuần hoàn nước rỉ rác ($7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$) và bổ sung chế phẩm sinh học (AquaClean / ACE32).
- Thời gian vận hành: 32 tuần liên tục.
- Chỉ tiêu phân tích:
- Nước rỉ rác: pH, COD, $\text{BOD}_5$, chất rắn lơ lửng (SS), axit béo bay hơi (VFA), tổng độ kiềm (TAK), tỷ lệ VFA/độ kiềm, nitơ amoni ($\text{NH}_4^+$), tổng nitơ (TN), tổng photpho (TP), kim loại nặng hòa tan (Pb, Cd, Cu, Zn, Hg...).
- Khí sinh học: Sản lượng biogas, thành phần $% CH_4$, $% CO_2$.
- Cơ chất chất thải rắn: Tổng chất rắn (TS), chất rắn bay hơi (VS), tổng carbon hữu cơ (TOC), nitơ hữu cơ, tỷ lệ C/N, độ sụt giảm thể tích khối ủ.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ Phòng Thí nghiệm Công nghệ Môi trường – Viện Môi trường và Tài nguyên; số liệu thành phần CTRSH tại các bãi chôn lấp Phước Hiệp, Đa Phước (TP.HCM); số liệu thống kê hiện trạng bãi chôn lấp từ Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT
Chương 1 trình bày hiện trạng phát sinh, thành phần, tính chất của CTRSH tại Việt Nam và phân tích thực trạng công nghệ xử lý bằng phương pháp chôn lấp:
- Hiện trạng phát sinh và dự báo: Khối lượng CTRSH đô thị tăng nhanh. Tại TP.HCM năm 2014 phát sinh khoảng 7.000 tấn/ngày (thu gom đưa về bãi chôn lấp khoảng 6.585 tấn/ngày). Chỉ số phát sinh CTRSH đô thị trung bình cả nước từ 0,75 kg/người/ngày (năm 2007) tăng lên 1,00 kg/người/ngày (năm 2010), dự báo đạt 1,20 kg/người/ngày (năm 2015) và 1,60 kg/người/ngày (năm 2025).
| Năm |
Dân số đô thị (triệu người) |
% Dân số đô thị |
Chỉ số phát sinh (kg/người/ngày) |
Tổng lượng CTR đô thị (tấn/ngày) |
| 2007 |
23,80 |
28,20 |
0,75 |
17.200 |
| 2008 |
27,70 |
28,99 |
0,85 |
23.545 |
| 2009 |
25,50 |
29,74 |
0,95 |
24.225 |
| 2010 |
26,22 |
30,20 |
1,00 |
26.220 |
| 2015 (dự báo) |
35,00 |
38,00 |
1,20 |
42.000 |
| 2020 (dự báo) |
44,00 |
45,00 |
1,40 |
61.600 |
| 2025 (dự báo) |
52,00 |
50,00 |
1,60 |
83.200 |
- Thành phần hóa - lý của CTRSH: Thành phần hữu cơ (chất thải thực phẩm) chiếm ưu thế tuyệt đối tại các địa phương: TP.HCM (77,10%), Đà Nẵng (68,47%), Cần Thơ (79,65%), Tiền Giang (77,53%), Thừa Thiên Huế (64,50%), Đà Lạt (80,00%). Tại các bãi chôn lấp TP.HCM, rác thực phẩm chiếm 83,00% – 86,80% (Phước Hiệp) và 83,10% – 88,90% (Đa Phước); độ ẩm rác dao động từ 52,50% đến 53,40%; tỷ lệ C/N từ 21 đến 31. Các thành phần tái chế (nilon, nhựa, kim loại) đưa về bãi chôn lấp giảm mạnh do hoạt động thu gom phế liệu tại nguồn.
| Thành phần (%) |
BCL Phước Hiệp |
BCL Đa Phước |
| Thực phẩm |
83,00 – 86,80 |
83,10 – 88,90 |
| Giấy |
3,60 – 4,00 |
2,00 – 4,00 |
| Carton |
0,50 – 1,50 |
0,50 – 0,80 |
| Nilon |
2,20 – 3,00 |
1,40 – 2,20 |
| Nhựa |
0,00 – 0,10 |
0,10 – 0,20 |
| Vải |
0,20 – 1,80 |
0,90 – 1,80 |
| Kim loại màu / lon hộp |
0,10 – 0,20 |
0,30 – 0,50 |
| Xà bần, đất cát |
1,20 – 4,50 |
1,00 – 4,50 |
| Độ ẩm (%) |
52,50 – 53,40 |
52,50 – 53,40 |
- Hiện trạng và hạn chế của các bãi chôn lấp: Tác giả khảo sát hiện trạng tại 25 địa phương trên toàn quốc (Hà Nội, TP.HCM, Đà Nẵng, Quy Nhơn, Cần Thơ, Biên Hòa, Vũng Tàu, Tiền Giang, Quảng Ngãi, Phan Thiết, Bình Dương, Cà Mau, Tây Ninh, Rạch Giá...). Phần lớn các bãi chôn lấp vận hành lộ thiên hoặc không đạt tiêu chuẩn vệ sinh, thiếu hệ thống lót đáy và thu gom nước rỉ rác, gây ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí, đồng thời tuổi thọ các bãi rác bị rút ngắn do tốc độ phân hủy chậm.
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CHÔN LẤP
Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết cho đề tài:
- Trình bày chi tiết các quá trình chuyển hóa sinh học kị khí qua 5 giai đoạn từ thủy phân, lên men axit, sinh acetate đến sinh methane và ổn định hóa.
- Phân tích 6 nhóm giải pháp nhằm gia tăng tốc độ phân hủy chất thải rắn trong bãi chôn lấp:
- Phương pháp cơ học: Nghiên cứu tác động của việc nghiền nhỏ và mức độ nén ép chất thải.
- Phương pháp tác động nhiệt độ: Phân tích khoảng nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật kị khí ưa ấm (mesophilic, 35–40°C) và ưa nhiệt (thermophilic, 50–55°C).
- Phương pháp điều chỉnh pH khối ủ: Kiểm soát độ kiềm nhằm tránh hiện tượng ức chế axit hóa.
- Phương pháp bổ sung dinh dưỡng: Cân đối tỷ lệ C:N:P trong khối ủ.
- Phương pháp tuần hoàn nước rỉ rác: Tái phân phối độ ẩm, enzyme và vi sinh vật, đồng thời pha loãng các chất ức chế cục bộ.
- Phương pháp bổ sung chế phẩm sinh học: Đưa vào các tổ hợp vi sinh vật chọn lọc (như AquaClean, Microbe-Lift, ACE32) giúp đẩy nhanh quá trình thủy phân các cơ chất hữu cơ khó phân hủy.
- Thiết lập hệ thống công thức động học phân hủy kị khí: Động học bậc 1 theo suy giảm cơ chất và theo sản lượng khí sinh học; phương trình Monod; phương trình Michaelis-Menten.
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 3 mô tả quy trình thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống thực nghiệm:
- Cấu tạo mô hình: Ba cột thí nghiệm dạng đứng bằng vật liệu chịu ăn mòn, có hệ thống thu gom nước rỉ rác ở đáy, hệ thống ống phân phối tuần hoàn nước rỉ ở đỉnh, các van lấy mẫu nước rỉ và khí biogas theo chiều cao, đồng hồ đo thể tích khí sinh học.
- Vận hành mô hình:
- Nạp rác thải sinh hoạt thực tế đã phân tích đặc tính ban đầu (TS, VS, TOC, độ ẩm).
- MH1: Vận hành đối chứng, không tuần hoàn, không bổ sung vi sinh.
- MH2: Tuần hoàn nước rỉ rác với tải trọng thủy lực $7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$.
- MH3: Tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh hữu hiệu (ACE32 / AquaClean).
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Lấy mẫu định kỳ theo thời gian (32 tuần) để phân tích các chỉ tiêu pH, COD, $\text{BOD}_5$, SS, VFA, độ kiềm, thể tích và thành phần biogas, các kim loại nặng và chất dinh dưỡng; phương pháp xử lý số liệu xác định các hệ số động học kị khí.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chương 4 phân tích toàn diện kết quả thực nghiệm sau 32 tuần vận hành:
- Diễn biến các thông số nước rỉ rác và khí sinh học:
- Mô hình MH1 (Đối chứng): Quá trình axit hóa kéo dài, pH nước rỉ duy trì mức thấp trong thời gian dài trước khi tăng chậm lên vùng trung tính. Sau 32 tuần, hiệu suất xử lý COD đạt 80,88% với nồng độ COD đầu ra còn ở mức cao (8.647 mg/L). Sản lượng methane chỉ đạt $0,025\text{ m}^3\text{ CH}_4\text{/kg VS}$ phân hủy; hàm lượng methane trung bình trong biogas đạt 60,0%.
- Mô hình MH2 (Tuần hoàn nước rỉ rác): Giai đoạn axit hóa được rút ngắn, pH nhanh chóng đạt giá trị ổn định (7,0 – 7,8). Sau 32 tuần, hiệu suất xử lý COD đạt 99,53% với nồng độ COD đầu ra giảm xuống 210 mg/L. Sản lượng methane đạt $0,664\text{ m}^3\text{ CH}_4\text{/kg VS}$ phân hủy (tăng gấp 26,7 lần so với MH1); hàm lượng methane trung bình trong biogas đạt 73,1%.
- Mô hình MH3 (Tuần hoàn kết hợp bổ sung vi sinh): Đạt tốc độ phân hủy và hiệu quả cao nhất. Hiệu suất xử lý COD sau 32 tuần đạt 99,74%, nồng độ COD đầu ra chỉ còn 130 mg/L. Sản lượng methane đạt $0,691\text{ m}^3\text{ CH}_4\text{/kg VS}$ phân hủy (tăng gấp 27,8 lần so với đối chứng MH1); hàm lượng methane trung bình trong biogas đạt 75,2%.
| Thông số theo dõi (Sau 32 tuần) |
MH1 (Đối chứng) |
MH2.1 (Tuần hoàn) |
MH3.1 (Tuần hoàn + Vi sinh) |
| Nồng độ COD đầu ra (mg/L) |
8.647 |
210 |
130 |
| Hiệu quả xử lý COD (%) |
80,88 |
99,53 |
99,74 |
| Sản lượng $CH_4$ ($m^3/kg\text{ VS}$ phân hủy) |
0,025 |
0,664 |
0,691 |
| Mức tăng sản lượng $CH_4$ so với MH1 |
1,0 lần |
26,7 lần |
27,8 lần |
| Hàm lượng $CH_4$ trung bình trong biogas (%) |
60,0 |
73,1 |
75,2 |
| Độ giảm khối lượng TS (%) |
- |
- |
57,13 |
| Độ giảm khối lượng VS (%) |
- |
- |
74,74 |
| Độ giảm hàm lượng TOC (%) |
- |
- |
68,55 |
| Độ sụt giảm thể tích chất thải (%) |
- |
- |
29,59 |
- Mức độ phân hủy chất hữu cơ: Mô hình MH3.1 thể hiện mức độ khoáng hóa chất thải cao nhất thông qua các chỉ số: độ giảm TS đạt 57,13%; độ giảm VS đạt 74,74%; độ giảm TOC đạt 68,55%; độ sụt giảm thể tích khối chất thải đạt 29,59%. Tỷ lệ VFA/độ kiềm trong MH2 và MH3 nhanh chóng giảm về ngưỡng an toàn (< 0,3 – 0,4), chứng tỏ hệ đệm ổn định và quá trình sinh methane diễn ra thuận lợi.
- Kết quả tính toán động học:
- Hằng số tốc độ phân hủy kị khí bậc 1 ($k$) theo nồng độ cơ chất và tốc độ sinh khí methane được xác định là $k = 0,052 - 0,053\text{ ngày}^{-1}$.
- Xác định các thông số trong mô hình Monod ($\mu_{max}$, $K_s$) và mô hình Michaelis-Menten ($V_m$, $K_m$, $R_{max}$, $B$) cho cả 3 mô hình, cung cấp cơ sở định lượng để dự báo thời gian phân hủy của CTRSH.
- Đề xuất giải pháp công nghệ: Tác giả xây dựng sơ đồ công nghệ cải tạo bãi chôn lấp hợp vệ sinh thành bãi chôn lấp sinh học (Bioreactor Landfill), bao gồm hệ thống thu gom và tái phân phối nước rỉ rác có kiểm soát lưu lượng ($7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$) kết hợp châm bổ sung chế phẩm vi sinh hoạt hóa định kỳ.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Luận án đã xác lập các thông số động học của quá trình phân hủy sinh học kị khí chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện bãi chôn lấp mô phỏng tại Việt Nam. Giá trị hằng số tốc độ phân hủy bậc 1 ($k$) được xác định đạt $0,052 - 0,053\text{ ngày}^{-1}$.
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ tương tác giữa lưu lượng tuần hoàn nước rỉ rác, sự bổ sung chế phẩm vi sinh vật và động thái biến đổi các chỉ tiêu hóa sinh (pH, COD, $\text{BOD}_5$, VFA, TAK, $\text{NH}_4^+$, kim loại nặng, tỷ lệ C/N, tốc độ sinh biogas và hàm lượng $CH_4$).
- Bổ sung cơ sở lý thuyết về xử lý sinh học CTRSH có độ ẩm và hàm lượng hữu cơ cao, hoàn thiện phương pháp ứng dụng các mô hình động học Monod và Michaelis-Menten vào mô phỏng bãi chôn lấp rác thải đô thị.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng
- Chứng minh tính hiệu quả của giải pháp công nghệ tuần hoàn nước rỉ rác với tải trọng $7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$ kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh (AquaClean/ACE32): làm giảm 99,74% COD nước rỉ rác (nồng độ còn 130 mg/L so với 8.647 mg/L ở đối chứng), tăng sản lượng thu hồi khí methane lên gấp 27,8 lần và nâng hàm lượng $CH_4$ trong biogas lên 75,2%.
- Giúp tăng độ sụt giảm thể tích khối rác lên 29,59% và giảm 74,74% VS, từ đó tiết kiệm dung tích ô chôn lấp và kéo dài tuổi thọ vận hành cho các bãi chôn lấp hiện hữu.
- Đề xuất quy trình công nghệ nâng cấp và cải tiến kỹ thuật cho các bãi chôn lấp hợp vệ sinh đang vận hành tại TP.HCM (như Phước Hiệp, Đa Phước) và các địa phương trên toàn quốc, chuyển đổi từ mô hình bãi chôn lấp truyền thống sang mô hình bãi chôn lấp sinh học (Bioreactor Landfill) thu hồi năng lượng sinh khối.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Nghiên cứu được thực hiện trên hệ thống mô hình cột thí nghiệm dạng đứng ở quy mô phòng thí nghiệm trong thời gian 32 tuần, chưa phản ánh hết các điều kiện biến động thời tiết cực đoan (mưa lớn kéo dài, nắng nóng gay gắt) và tính dị thể cao của các ô chôn lấp thực địa quy mô lớn.
- Sự phân bố thủy lực của nước rỉ rác tuần hoàn trong các lớp rác có độ nén không đồng đều ở bãi chôn lấp thực tế phức tạp hơn trong mô hình cột thí nghiệm.
-
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Thử nghiệm và hoàn thiện quy trình tuần hoàn nước rỉ rác kết hợp bổ sung vi sinh trên ô chôn lấp thực nghiệm quy mô pilot hoặc quy mô thực địa tại các bãi chôn lấp lớn.
- Khảo sát tối ưu hóa liều lượng, chu kỳ bổ sung chế phẩm sinh học và phân tích chi phí - hiệu quả kinh tế khi triển khai trên quy mô công nghiệp.
- Nghiên cứu các giải pháp phân phối thủy lực đồng đều nước rỉ rác tuần hoàn trong các tầng rác có độ sâu lớn.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường / Quản lý Môi trường:
- Luận án cung cấp phương pháp luận thực nghiệm về mô hình hóa bãi chôn lấp dạng cột, phương pháp theo dõi các chỉ tiêu hóa sinh kị khí và quy trình toán học xác định các thông số động học bậc 1, Monod, Michaelis-Menten.
- Là tài liệu tham khảo trong giảng dạy các chuyên đề về quản lý chất thải rắn, công nghệ bãi chôn lấp sinh học và thu hồi năng lượng sinh khối.
- Đối với cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị vận hành bãi chôn lấp:
- Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật thực tế cho Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, thành phố trong việc quy hoạch, cải tạo, nâng cấp các bãi chôn lấp CTRSH hiện hữu.
- Hướng dẫn các thông số thiết kế tải trọng tuần hoàn ($7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$) và phương thức bổ sung chế phẩm vi sinh để xử lý nước rỉ rác tại chỗ, hạn chế phát tán mùi hôi và tối ưu hóa hệ thống thu hồi khí phát điện.
Câu hỏi thường gặp
1. Sự kết hợp giữa tuần hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học (MH3.1) mang lại hiệu quả xử lý COD và sản sinh khí methane vượt trội như thế nào so với mô hình đối chứng (MH1)?
Sau 32 tuần vận hành, mô hình đối chứng MH1 (không tuần hoàn, không vi sinh) chỉ đạt hiệu quả xử lý COD 80,88% với COD đầu ra là 8.647 mg/L, sản lượng methane đạt $0,025\text{ m}^3\text{ CH}_4\text{/kg VS}$ phân hủy và tỷ lệ $CH_4$ trong biogas là 60,0%. Trong khi đó, mô hình kết hợp MH3.1 đạt hiệu quả xử lý COD lên tới 99,74% (COD đầu ra chỉ còn 130 mg/L), sản lượng methane đạt $0,691\text{ m}^3\text{ CH}_4\text{/kg VS}$ phân hủy (tăng gấp 27,8 lần so với MH1) và tỷ lệ $CH_4$ trung bình trong biogas đạt 75,2%.
2. Thông số vận hành tải trọng tuần hoàn nước rỉ rác được xác định trong luận án là bao nhiêu?
Lưu lượng tuần hoàn nước rỉ rác tối ưu được áp dụng trong các mô hình thí nghiệm MH2.1 và MH3.1 là $7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$. Tải trọng thủy lực này đảm bảo cung cấp độ ẩm cần thiết và phân phối đều vi sinh vật mà không gây ngập úng hay rửa trôi quá mức khối ủ.
3. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt đưa vào bãi chôn lấp tại TP.HCM có đặc điểm gì nổi bật?
Khảo sát tại các bãi chôn lấp TP.HCM (Phước Hiệp và Đa Phước) cho thấy thành phần CTRSH có tỷ lệ chất thải thực phẩm chiếm rất cao, dao động từ 83,00% đến 88,90%; độ ẩm dao động từ 52,50% đến 53,40%; tỷ lệ C/N trong khoảng 21 đến 31. Các thành phần tái chế như nhựa, nilon, kim loại chiếm tỷ lệ rất thấp do đã được phân loại và thu gom phế liệu từ trước khi vận chuyển đến bãi.
4. Hằng số tốc độ động học bậc 1 ($k$) của quá trình phân hủy kị khí trong nghiên cứu được xác định là bao nhiêu?
Dựa trên tính toán theo nồng độ cơ chất và tốc độ sinh khí methane bằng phương pháp tích phân dữ liệu thực nghiệm, hằng số tốc độ động học bậc 1 ($k$) của quá trình phân hủy kị khí CTRSH trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp được xác định nằm trong khoảng $0,052 - 0,053\text{ ngày}^{-1}$.
5. Giải pháp công nghệ chính mà luận án đề xuất cho các bãi chôn lấp tại Việt Nam là gì?
Luận án đề xuất giải pháp cải tiến, nâng cấp các bãi chôn lấp CTRSH hợp vệ sinh hiện hữu thành mô hình bãi chôn lấp sinh học (Bioreactor Landfill). Giải pháp này tích hợp hệ thống thu gom và tái tuần hoàn nước rỉ rác theo tải trọng xác định kết hợp châm bổ sung định kỳ các chế phẩm vi sinh vật hoạt hóa (AquaClean / ACE32) nhằm rút ngắn thời gian phân hủy, tăng độ sụt giảm thể tích (đạt 29,59%), giảm thể tích chất rắn bay hơi (giảm 74,74% VS) và tối đa hóa việc thu hồi khí biogas.
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Thành Phương đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng giải pháp tuần hoàn nước rỉ rác với lưu lượng $7,64\text{ mL/m}^2\cdot\text{h}$ kết hợp bổ sung chế phẩm sinh học giúp tăng tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt, nâng sản lượng khí methane lên gấp 27,8 lần và giảm nồng độ COD nước rỉ rác xuống 130 mg/L sau 32 tuần vận hành. Công trình đã xác định các thông số động học kị khí bậc 1 ($k = 0,052 - 0,053\text{ ngày}^{-1}$), Monod và Michaelis-Menten cho CTRSH có hàm lượng hữu cơ cao tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật cụ thể để nâng cấp các bãi chôn lấp hiện hữu thành bãi chôn lấp sinh học, góp phần kéo dài tuổi thọ bãi chôn lấp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thu hồi năng lượng sinh khối.
