Xây dựng mô hình ủ kị khí thành phân hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt

20/04/2020

    Tóm tắt

     Lượng chất thải rắn sinh hoạt ở Việt Nam cũng như trên thế giới đang tăng lên nhanh chóng, tạo áp lực môi trường cho các đô thị nếu không xử lý tốt nhưng cũng là một nguồn tài nguyên rất dồi dào nếu tận dụng tốt. Xu hướng xử lý chất thải rắn sinh hoạt trên thế giới hiện nay là giảm tỉ lệ chôn lấp, tăng tỷ lệ tái chế và ủ sinh học.Hàng loạt các nhà máy xử lý chất thải rắn sinh hoạt bằng phương pháp kị khíở các nước Châu Âu và các khu vực khác đã được xây dựng. Phương pháp ủ sinh học kị khí phù hợp với điều kiện Việt Nam vì: Thành phần CTR hữu cơ chiếm tỷ lệ cao trong CTRSH tại Việt Nam; Điều kiện khí hậu Việt nam có độ ẩm cao nên phù hợp với các quá trình ủ sinh học; Chi phí xử lý bằng công nghệ ủ sinh học khá thấp so với các công nghệ khác; Giảm được lượng CTR cần chôn lấp; Giảm được lượng khí nhà kính gây biến đổi khí hậu; Tạo được sản phẩm mùn hữu cơ tốt cho đất; Thu hồi được sản phẩm khí có giá trị cao.

Từ khóa: Chất thải rắn sinh hoạt, kị khí.

     1. Quá trình phân hủy các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt bằng phương pháp ủ kị khí

     Quá trình chuyển hóa sinh học kị khí gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau trong đó chất hữu cơ ban đầu liên tục bị phá vỡ thành những chất có khối lượng phân tử nhỏ hơn dưới tác động của những nhóm vi sinh vật điển hình. Cụ thể người ta chia quá trình thành bốn giai đoạn chính: thủy phân hóa, axit hóa, axetat hóa, metan hóa theo sơ đồ hình 1.

Hình 1: Quá trình chuyển hóa sinh học kị khí chất hữu cơ

     Bước đầu tiên (thủy phân, còn được gọi là hòa tan) phá vỡ các thành phần trọng lượng phân tử cao thành các chất hữu cơ hòa tan nhỏ hơn. Các vi sinh vật thủy phân có khả năng chống lại các biến động môi trường và các độc tố có thể có trong nguyên liệu. Chúng có thể hoạt động trong phạm vi pH rộng (4-11). Tuy nhiên, giá trị pH trong khoảng 6 - 8 thường được báo cáo là mang lại điều kiện làm việc tối ưu cho quá trình thủy phân [4].

     Bước thứ hai (axit hóa - acidogenesis) biến đổi các sản phẩm của quá trình thủy phân thành các axit béo dễ bay hơi (VFA) như axit propionic, axit butyric, axit axetic và ethanol do tác động của vi khuẩn gây axit. Chúng có đặc điểm tăng trưởng mạnh và nhanh với thời gian nhân đôi tối thiểu là 30 phút [3]. Các điều kiện pH ảnh hưởng đáng kể đến các sản phẩm VFA. Bằng cách thay đổi từng bước pH từ 4 đến 8, các sản phẩm chính đã thay đổi từ axit butyric và axit axetic thành axit axetic và propionic [2]. Hơn nữa, sự hình thành VFA bị ức chế mạnh với pH dưới 4,0Độ pH trong khoảng 5,5-6,5 thường được báo cáo là phạm vi tối ưu [5].

     Bước thứ ba (axetat hóa- acetogenesis) biến đổi hầu hết các sản phẩm của acidogenesis thành axit axetic (CH₃COOH), hydro (H₂) và carbon dioxide (CO₂). Động lực tăng trưởng của acetogenesis chậm hơn so với quá trình sinh axit, với thời gian nhân đôi tối thiểu trong khoảng 1,5-4 ngày. Acetogen là những vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt, sự hiện diện của các chất oxy hóa như oxy hoặc nitrat là độc hại [4] và chúng hoạt động tốt hơn trong môi trường axit yếu (pH từ 6.0 đến 6.2). Đáng chú ý, áp suất riêng phần cao của sản phẩm hydro (> 10^-4 atm) ức chế các phản ứng ở giai đoạn này, do đó sản phẩm hydro phải được giải phóng [5].

     Bước thứ tư (metan hóa - methanogenesis) đóng vai trò quan trọng nhất trong việc tạo ra khí metan bằng methanogens. Có hai cơ chế cơ bản để tạo ra metan bao gồm quá trình methanogen acetoclastic và hydrootrophic. Cách thứ nhất, vi khuẩn acetotrophic lên men axit axetic thành CH₄ và CO₂. Loại thứ hai, methanogens hydrootrophic sử dụng CO₂ và H₂ làm nguồn thực phẩm [4]. Trong khi thời gian nhân đôi tối thiểu của vi khuẩn hydrootrophic là trong khoảng 4-12 giờ, vi khuẩn acetotrophic có tốc độ tăng trưởng tối đa thấp hơn nhiều với thời gian nhân đôi là 2-3 ngày [2]. Nói chung, methanogens cực kỳ nhạy cảm với tình trạng pH, sự hiện diện của oxy và các yếu tố khác như amoniac tự do (FAN), H₂S và VFA. Chúng không thể hoạt động ở điều kiện pH thấp hơn 6,2, thậm chí chết trong điều kiện pH dưới 6,0 và có thể bị ức chế bằng cách giải phóng amoniac tự do (FAN) khi giá trị pH vượt quá> 7,8. Giá trị pH tối ưu thường được báo cáo ở môi trường trung tính (7.0-7.2) [5].

     2. Ưu, nhược điểm của hệ thống ủ kị khí một giai đoạn SAD (single-stage anaerobic digestion) và hai giai đoạn TAD (two-stage anaerobic digestion)

     Hiện nay, trên thế giới phổ biến là 2 loại công nghệ: ủ kị khí 1 giai đoạn SAD và ủ kị khí 2 giai đoạn TAD.

     Hệ thống đơn giản nhất là phân hủy kị khí một giai đoạn (SAD), cho phép cả 4 giai đoạn thủy phân hóa, axit hóa, axetat hóa, metan hóa xảy ra trong một lò phản ứng. Các hệ thống kị khí một giai đoạn có phạm vi ứng dụng rộng rãi và có thể xử lý hầu hết các loại chất thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học.

     Tuy nhiên, trong các hệ thống phân hủy một giai đoạn, các vi khuẩn nhóm mạnh (vi sinh vật tự nhiên) có thể dễ dàng đẩy lùi các nhóm yếu (methanogens) khi sống trong cùng một lò phản ứng. Do đó, sự dao động của tải trọng, pH và nồng độ rắn của nguyên liệu có thể gây hại cho sự ổn định của hệ thống. Bên cạnh đó, quá trình thủy phân và axit hóa được thực hiện bởi các vi khuẩn kị khí với thời gian nhân đôi tối thiểu ngắn (30 phút) và pH tối ưu trong khoảng 5,5-6,5 [5]. Trong khi đó, các vi sinh vật thực hiện axetat hóa, metan hóalà các vi khuẩn kị khí bắt buộc với thời gian nhân đôi tối thiểu dài (vài ngày) và độ pH tối ưu là 7-8 [2]. Hơn nữa, vi khuẩn kị khí bắt buộc rất nhạy cảm với các axit béo dễ bay hơi (VFA) được tạo ra trong bước đầu tiên. Nếu tốc độ hình thành axit nhiều hơn tốc độ hình thành mêtan, điều đó có nghĩa là có sự tích lũy axit hữu cơ dễ bay hơi VFA, hệ thống phải được dừng lại và chờ chuyển sang trạng thái ổn định. Do đó, rất khó để duy trì cân bằng tăng trưởng vi sinh giữa các bước này với tốc độ tải cao trong hệ thống SAD [1].

     Vì vậy, ý tưởng về quá trình phân hủy kỵ khí hai giai đoạn (TAD), phân tách bước đầu tiên và bước thứ hai trong hai lò phản ứng khác nhau, đã được đề xuất để tối ưu hóa mọi bước phân hủy. Bằng cách thực hiện TAD, hệ thống có thể đạt được hoạt động ổn định hơn, khả năng tải hữu cơ cao hơn và khả năng chống lại chất độc và chất ức chế cao hơn [1].

     Tuy nhiên, công nghệ TAD hiện tại đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành rất cao, công nghệ phức tạp; do đó, các hệ thống SAD vẫn được ưa chuộng ứng dụng cho các khu vực chậm phát triển[5].

     3. Đề xuất mô hình ủ kị khí thành phần hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt

     a. Mô hình ủ kị khí 1 giai đoạn:

     Mô hình ủ kị khí 1 giai đoạn nên áp dụng để xử lý thành phần hữu cơ trong chất thải của các hộ gia đình và nhóm hộ gia đình ở vùng nông thôn, miền núi hoặc vùng ven biển, hải đảo – những nơi không thích hợp để xây dựng các nhà máy xử lý chất thải rắn tập trung. Chất thải rắn sinh hoạt tại các hộ gia đình sẽ được tách thành phần hữu cơ ngay tại nguồn, sau đó bỏ vào các thùng chứa có nắp đậy, dung tích từ vài chục đến vài trăm lít. Có thể phối trộn với các chất thải hữu cơ khác có sẵn tại địa phương cùng xử lý, chẳng hạn như chất thải nông nghiệp ở khu vực nông thôn hay chất thải thủy hải sản ở khu vực ven biển hải đảo. Nên sử dụng các chế phẩm sinh học để tăng hiệu quả của quá trình xử lý và giảm mùi hôi, côn trùng gây bệnh, tránh gây ô nhiễm môi trươ
 

Hình 2: Một số thùng ủ kị khí thường được dùng cho hộ gia đình hoặc nhóm hộ gia đình

     Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại chế phẩm sinh học xử lý chất thải rắn hữu cơ với hiệu quả xử lý và giá cả rất khác nhau, trong đó có không ít loại chưa được giấy phép lưu hành. Theo Nghị định 60/2016/NĐ-CP, các chế phẩm sinh học phải được Tổng cục môi trường cấp phép mới được phép lưu hành. Bảng dưới là danh mục một số chế phẩm đã được Tổng cục môi trường cấp phép để xử lý chất thải rắn hữu cơ.

Bảng 1: Danh mục một số chế phẩm đã được cấp phép để xử lý chất thải rắn hữu cơ

     Sau thời gian ủ 30-45 ngày tùy lượng chất thải rắn và loại chế phẩm sinh học sử dụng, có thể sử dụng chất mùn sau ủ để cải tạo đất, trồng cây.

     Mô hình này rất đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp, xử lý tại chỗ chất thải hữu cơ phát sinh, giảm ô nhiễm môi trường và tạo được sản phẩm mùn hữu cơ bón cho đất.

     b. Mô hình ủ kị khí 2 giai đoạn:

     Mô hình ủ kị khí 2 giai đoạn được đề nghị áp dụng cho các nhà máy xử lý chất thải rắn tập trung cho các đô thị vừa và lớn. Thông số đầu tiên để đánh giá độ ổn định trong quá trình kị khí là pH. pH thay đổi do sự biến đổi sinh học trong suốt các giai đoạn của quá trình phân hủy.

Hình 3: Mô hình hệ thống phân hủy kị khí 2 giai đoạn

     Mô hình này gồm 2 lò phản ứng: lò phản ứng sinh axit và lò phản ứng sinh metan. Do các điều kiện môi trường khác nhau giữa hai lò phản ứng, bể đệm thường được đặt giữa hai lò phản ứng như trong hình 3 cho nhiều mục đích như loại bỏ những vật liệu không thể phân hủy, kiểm soát pH và thậm chí kiểm soát nồng độ hữu cơ [3]. Hệ thống hai giai đoạn có thể sử dụng một, hai hoặc cả ba vòng tuần hoàn nước (R1, R2 và R3, như trong hình 3) trong trường hợp cần thiết. Sử dụng các vòng tuần hoàn này mang lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như kiểm soát pH (giảm độ axit do sử dụng nước thải có độ kiềm cao từ lò phản ứng thứ hai); trộn/pha loãng nguyên liệu rắn cao; và cải thiện hoạt động của vi khuẩn [1].

     Lò phản ứng sinh axit

     Đây là nơi diễn ra 2 bước thủy phân và axit hóa trong quá trình phân hủy chất hữu cơ. Nhiệm vụ của lò phản ứng này là chuyển đổi chất nền thành VFA càng nhanh càng tốt trong khi tránh bị ức chế và quá tải. Do đó, một loạt các điều kiện hoạt động bao gồm pH, nhiệt độ, nồng độ axit, chất dinh dưỡng và nồng độ cơ chất (TS) phải được kiểm soát. Đối với chất thải có độ rắn cao như chất thải rắn sinh hoạt, dòng chất thải phải được băm nhỏ để giảm kích thước hạt (<15 mm) trước khi đưa vào lò phản ứng [8]. Quá trình thủy phân/axit hóa thường tiến hành đủ nhanh trong các bể trộn, do đó không có lò phản ứng nào được phát triển cho quá trình thủy phân / acetogenesis. Trong số các bể trộn, CSTR được sử dụng nhiều nhất, lò phản ứng dòng chảy ướt đôi khi [3].

     Tổng chất rắn: Thủy phân nguyên liệu chất rắn cao cho phép lò phản ứng hoạt động công suất lớn hơn, cần ít năng lượng hơn để sưởi ấm và tiêu thụ ít nước hơn. Tuy nhiên, hàm lượng chất rắn quá cao có thể gây ra độ nhớt cao của hỗn hợp, dẫn đến thực tế là việc trộn hoặc trộn không đủ có thể tiêu tốn quá nhiều năng lượng [4]. Hơn nữa, sự gia tăng hàm lượng chất rắn (trong khoảng 5-40%) gây ra sự gia tăng các chất ức chế và hàm lượng chất rắn không hòa tan, dẫn đến giảm tỷ lệ chuyển đổi thủy phân. Ngoài ra, nồng độ chất rắn cao (TS> 15%) của nguyên liệu đòi hỏi RT dài hơn (10 - 15 ngày) so với thông thường. Do đó, TS 15-20% trong nguyên liệu thường được coi là giới hạn trên cho quá trình thủy phân/sinh axit khi sử dụng lò phản ứng hỗn hợp [5].

     Giá trị pH: pH dưới 4,5 dẫn đến yêu cầu HRT lên đến 15 ngày trong lò phản ứng thủy phân/axit hóa. Tăng độ pH từ 4 lên5.5, dẫn đến độ hòa tan và axit hóa các chất nền tăng đáng kể. Trong khi đó trong điều kiện kiềm, sự hình thành VFA đã giảm đáng kể khi pH tăng từ 7 lên 11. pH> 10 gây ra sự mất hoạt động không thể đảo ngược của hoạt động của vi sinh vật. Các giá trị pH giữa 5,5 và 6,5 thường được báo cáo là một phạm vi tối ưu và các giá trị pH tốt nhất là 6.0 [2].

     Nhiệt độ: Hầu hết các nghiên cứu đã đồng ý rằng tỷ lệ thủy phân/axit hóa tỷ lệ thuận với sự gia tăng nhiệt độ [2]. Ngoài ra, so với các điều kiện nhiệt ấm (mesophilic), chế độ nhiệt nóng (thermophilic) đã gia tăng sự phá hủy mầm bệnh có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến lò phản ứng và môi trường [3]. Do đó, chế độnhiệt nóng có vẻ tốt hơn nhiệt ấm. Tuy nhiên, các hoạt động nhiệt ấm cung cấp một điều kiện ổn định hơn so với hoạt động nhiệt nóng. Do đó, liên quan đến năng lượng và hiệu quả, chế độ nhiệt ấm trong khoảng 35-37^oC vẫn được ưu tiên sử dụng để thủy phân/axit hóa trong chất thải hữu cơ [4].

     Thời gian lưu RT: RT của lò phản ứng này không chỉ phụ thuộc vào điều kiện môi trường mà còn cả đặc điểm chất thải. Đối với quá trình thủy phân/axit hóa của chất thải rắn sinh hoạt (TS 8.2%), RT sẽ an toàn trong khoảng 2 - 3 ngày ở chế độ nhiệt ấm. Trong trường hợp lò phản ứng được vận hành ở chế độ hàng loạt, RT phải được duy trì trong vòng 7 - 12 ngày [5].

     Lò phản ứng sinh metan

     Trong lò này chủ yếu diễn ra 2 bước 3 và 4 của quá trình phân hủy chất hữu cơ: axetat hóa và metan hóa.Giai đoạn này thường sử dụng các lò phản ứng tốc độ cao ướt như CSTR, UASB, AFB, FB, EB, IC và EGSB. Các lò phản ứng này phải được duy trì với môi trường kị khí giàu methanogen, nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, pH và cả RT [5]. Do đó, các điều kiện hoạt động trong lò phản ứng thứ hai phải được tuân thủ nghiêm ngặt.

     Nồng độ rắn: TS của chất nền đưa vào lò phản ứng metan phụ thuộc vào loại lò phản ứng được sử dụng. Trong trường hợp sử dụng CSTR hoặc CMR, TS của chất nền được phép lên tới 10%. Trong khi đó, lò phản ứng AFB yêu cầu hàm lượng chất rắn thấp hơn (TS <5%). Lò phản ứng UASB, EB, FB, EGSB và IC thậm chí yêu cầu hàm lượng chất rắn thấp hơn (TS <3%) với nồng độ sinh khối bên trong được duy trì trong khoảng 3,5-4% [1].

     Giá trị pH: phạm vi điều kiện pH tối ưu cho axetat hóa và metan hóa rất gần nhau. Hơn nữa, quá trình axetat hóa mạnh hơn metan hóa. Do đó, tối ưu hóa điều kiện pH cho metan hóa không ảnh hưởng đến sự phát triển của axetat hóa. Trên thực tế, pH trong khoảng 7,0 - 8,0 thường được sử dụng. Hơn nữa, giai đoạn này là một quá trình kiềm hóa (chuyển axit thành khí sinh học), do đó pH của chất nền cho lò phản ứng này phải thấp hơn phạm vi trên. Đáng chú ý, khi pH bên trong lò phản ứng giảm xuống dưới 6,5, quá trình này nên được dừng lại để điều chỉnh giá trị pH [4].

     Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn sinh metan trong điều kiện nhiệt ấm và nhiệt nóng lần lượt là 35 - 37^oC và 55^oC [5]. Nhìn chung, tốc độ sản xuất khí sinh học trong điều kiện nhiệt nóng cao hơn so với điều kiện nhiệt ấm. Do đó, sử dụng điều kiện nhiệt nóng dẫn đến tăng OLR và tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Tuy nhiên, vi khuẩn sinh metan ở điều kiện nhiệt nóng nhạy cảm hơn với sự thay đổi của môi trường so với vi khuẩn kỵ khí ở điều kiện nhiệt ấm [3]. Vì vậy, lò phản ứng nhiệt nóng đòi hỏi công nghệ cao hơn.

     Thời gian lưu RT: Thời gian lưu lớn hơn 20 ngày là cần thiết để thực hiện hiệu quả ở điều kiện nhiệt ấm và phải là 7 - 15 ngày ở nhiệt độ nhiệt nóng [5].

     3. Kết luận

• Thành phần hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt của Việt Nam nên được tách ra từ đầu nguồn và xử lý bằng phương pháp ủ sinh học.
• Ủ kị khí đang được triển khai ngày càng rộng rãi trên thế giới với cả 2 loại ủ kị khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn.
• Mô hình ủ kị khí 1 giai đoạn được đề xuất áp dụng xử lý tại chỗ chất thải rắn sinh hoạt của hộ gia đình hoặc nhóm hộ gia đình tại các khu vực nông thôn, miền núi, ven biển hải đảo. Nên phối trộn cùng các chất thải hữu cơ khác có sẵn tại địa phương và sử dụng chế phẩm sinh học đã được cấp phép để tăng hiệu quả xử lý, giảm ô nhiễm môi trường.
• Mô hình ủ kị khí 2 giai đoạn được đề xuất áp dụng cho các khu xử lý chất thải rắn tập trung với quy mô vừa và lớn. Mô hình gồm 2 lò phản ứng: lò sinh axit và lò sinh metan. Lò phản ứng sinh axit có tổng rắn TS từ 15-20%, pH từ 5,5-6,5, điều kiện nhiệt ấm 35-37^oC, thời gian lưu RT 7-12 ngày. Lò sinh metan có TS đầu vào từ 3-10%, pH duy trì từ 7-8, điều kiện nhiệt ấm 35-37^oC, thời gian lưu 20 ngày.

Nguyễn Thị Thu Hà

Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt 1/2020)

Tài liệu tham khảo

1. Aslanzadeh, S., Rajendran, K., & Taherzadeh, M. J. (2014). A comparative study between single- and two-stage anaerobic digestion processes: Effects of organic loading rate and hydraulic retention time. Int. Biodeterior. Biodegradation, 95, 181-188.
2. Kim, D.-H., Cha, J., Lee, M.-K., Kim, H.-W., & Kim, M.-S. (2013). Prediction of bio-methane potential and two-stage anaerobic digestion of starfish. Bioresour. Technol., 141, 184-190.
3. Krishna, D., & Kalamdhad, A. S. (2014). Pre-treatment and anaerobic digestion of food waste for high rate methane production-A review. J. Environ. Chem. Eng., 2(3), 1821-1830.
4. Mao, C., Feng, Y., Wang, X., & Ren, G. (2015). Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable Sustainable Energy Rev., 45, 540-555.
5. Pham Van Dinh., (2019). Developing a High-Rate Two-Stage Anaerobic Digestion Model to Deal with Biodegradabl e Municipal Solid Waste., PhD Okayama University.

BUILDING MODELS OF ANAEROBIC DIGESTION OF ORGANIC COMPONENTS IN MUNICIPAL SOLID WASTE