Tóm tắt 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

oát 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 212-216] Tổng thể tích của hỗn hợp ủ: Vt = Vs + Vv = Vs+Vw+Vg (2.1) Trong đó: Vt: tổng thể tích khối ủ; Vs: thể tích chất rắn; Hình 2.3. Sơ đồ mô phỏng các thành phần của chất thải trong ngăn ủ [48] Khí Nước Rắn Vg Vw VS VV Vt Phần lỗ rỗng trong ngăn ủ 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 (%) 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) Không khí lạnh bên ngoài môi trường đi vào ngăn ủ (N2 và O2) Các khí nhẹ thoát ra khỏi ngăn ủ (CO2) Các khí nóng và bão hòa tạo thành từ các hoạt động sinh học trong ngăn Không khí lạnh bên ngoài môi trường đi vào ngăn ủ (N2 và O2) Ngăn ủ phân compost 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. B 1 K 1-R C 1 K 9 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 B 2 K 2-R C 2 K 10 B 3 K 3-R C 3 K 11 B 4 K 4-R C 4 K 12 B 5 K 5-R C 5 K 13 B 6 K 6-R C 6 K 14 B 7 K 7-R C 7 K 15 B 8 K 8-R C 8 K 16 R C 9 R C 10 R C 11 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 ?n g tu ? i d ?c l? d 5 123 4 5 7 6 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) y = 0.003x2 ‐ 0.1938x + 2.8935 R² = 0.9131 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 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 C h iề u c ao lớ p n ư ớ c r¸ c (c m ) (Ngày) Không đảo trộn Đảo trộn 1 ngày/lần Đảo trộn 2 ngày/lần Đảo trộn 0,5 ngày/lần 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. 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. Ngăn ủ sinh học cấp khí tự nhiên Lượng nước trong ngăn ủ trước đảo trộn và bổ sung độ sụt, Wt = 203,61 kg Lượng nước trong ngăn ủ sau đảo trộn và bổ sung độ sụt, Ws = 119,28 kg Lượng bay hơi khỏi ngăn ủ Wh = 55,87 kg Lượng rỉ rác từ ngăn ủ Wr = 28,67 kg 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. 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 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 Hệ thống ủ sinh học cấp khí tự nhiên Tổng lượng nitơ trong nguyên liệu ủ ban đầu: Nts0 = 37,35g Tổng lượng nitơ trong sản phẩm phân ủ sau thời gian 28 ngày ủ: Nts28 = 32,11g Tổng lượng N bay hơi khỏi hệ thống ủ sau 28 ngày ủ: Ntsk = 1,62g Tổng lượng nitơ trong nước rỉ rác sau thời gian 28 ngày ủ: Ntsnước = 3,62g Tổng lượng cacbon trong nước rỉ rác sau thời gian 28 ngày ủ: Ctsnước = 321,11g Hệ thống ủ sinh học cấp khí tự nhiên Tổng lượng cacbon trong nguyên li