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 potx

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 D
ựng, 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 nghiệ
m 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: 10
th
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 nhi
ều 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
Vi
ệt 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 s
ản 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 việ
c 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 tri
ển 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 cấ
p 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 b
ằng 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 cứ
u 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 s
ụt 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 củ
a 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=0,0059x
2
–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.e
0,055.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 (C
O2
) và tốc độ phân hủy của chất thải thông qua
tỷ lệ C/N theo thời gian: y = 7,464.x
0,474
+ 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.e
0,0094.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 Việ
t 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 v
ừa 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 đi
ều 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: lự
a 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 nghiệ
m, 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 tri
ển 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 ngh
ệ 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 hữ

u 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
đ
iểm 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 s
ử
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 đế
n 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 CO
2
, 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 luậ
n 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 yế
u 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:
V
t
= V
s
+ V
v

= V
s
+V
w
+V
g
(2.1)
Trong đó:
V

t
: tổng thể tích khối ủ;
V
s
: thể tích chất rắn;









Hình 2.3. Sơ đồ mô phỏng các thành phần
của chất thải trong ngăn ủ [48]


Khí


Nước


Rắn
V
g
V
w
V

S
V
V
V
t
Phần lỗ rỗng
trong ngăn ủ

7

V
v
: thể tích lỗ rỗng: V
v
=V
w
+V
g
; V
w
, V
g
: thể tích nước, khí chứa trong
lỗ rỗng.
Độ xốp của hỗn hợp vật liệu ủ: n = V
v
/V
t
= (V
t

–V
s
)/V
t
(2.2)
Độ thoáng khí của hỗn hợp vật liệu ủ: f=V
g
/V
t
=(V
t
–V
s
–V
w
)/V
t
(2.3)
Nồng độ oxy trong ngăn ủ:X
O2
= (V
g
x 0,232)/V
t
(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-S
s
)/S
s
]-[(1-V
s
)/(1-V
p
)][(1-S
p
)/S
p
] (2.12)
Trong đó:
W: Lượng nước bốc hơi hàng ngày qua ngăn ủ (g nước/g khối
lượng khô của nguyên liệu ủ)
S
s
, S
p
:

khối

lượng phần chất rắn (TS = độ tro) trong nguyên liệu ủ
và sản phẩm phân compost (%)
V
s
, V
p
: 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: log
10
P
VS
= a/T
a
+ b (2.13)
Không khí lạnh bên

ngoài môi trường đi
vào ngăn ủ (N
2
và O
2
)
Các khí nhẹ thoát ra khỏi
ngăn ủ (CO
2
)
Các khí nóng và
bão hòa tạo thành
từ các hoạt động
sinh h
ọ
c tron
g
n
g
ăn
Không khí lạnh bên
ngoài môi trường đi
vào ngăn ủ (N
2
và O
2
)
Ngăn ủ phân compost
8

Trong đó
P
VS
: áp suất hơi nước bão hòa, mm Hg
a: hằng số thực nghiệm, a = -2238
T
a
: nhiệt độ tuyệt đối,
0
K (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: P
V
= R
HAIR
(P
VS
), mmHg (2.14)
Trong đó
R
HAIR
: độ ẩm tương đối, phần áp suất hơi bão hòa trong ngăn ủ.
- Độ ẩm thực tế: w* = (18,015/28,96)[P
V
/(P
AIR
-P
V
)] (2.15)

Trong đó:
P
AIR
: áp suất khí quyển, P
AIR
= 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 ph
ẩm 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 nhi
ều 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.
B1
K1-RC1
K9
?
n
g

t
u
?
i

d

?
c

l
?

d
5
B2
K2-RC2
K10
B3
K3-RC3
K11
B4
K4-RC4
K12
B5
K5-RC5
K13
B6
K6-RC6
K14
B7
K7-RC7
K15
B8
K8-RC8
K16
RC9

RC10
RC11
?
n
g

t
u
?
i

d
?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d

?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d
?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d
?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d
?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d
?
c

l
?

d
5
?
n
g

t
u
?
i

d

?
c

l
?

d
5
1
2
3
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 lu
ận 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 qu
ả 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 đ
ình (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 n
ồng
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 th
ước 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 EM
TC
) 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 EM
TC
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 35
0
C) 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 ≥ 47
0
C (cao
12

nhất là 58,3
0
C 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 11
0
C).
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 nhi
ệt 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
sụ
t 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 t
ổn 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 đo
ạn 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 trộ
n (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 ki
ện 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, ch
ế 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 hi
ệu 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 diễ
n mối quan hệ giữa
chiều cao phát sinh nước rác theo thời gian ủ: y = 0,0059x
2
–
0,3779x + 5,6423 (trong đó y là lượng nước rác hình thành và x là
thời gian ủ, ngày). (hình 4.26)

y=0.003x
2
‐ 0.1938x+2.8935
R²=0.9131
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
12345678910111213141516171819202122232425262728
Chiều cao lớp nước r¸c (cm)
(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
mứ
c 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 hiệ
u 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
s
ụ
t
,
W

t
= 203
,
61 k
g

Lượng nước trong
ngăn ủ sau đảo trộn
và bổ sung độ sụt,
W
s
= 119
,
28 k
g

Lượng bay hơi khỏi
ngăn ủ W
h
= 55,87 kg
Lượng rỉ rác từ ngăn ủ
W
r
= 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 nghiệ
m 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 ph
ải 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, l
ượng 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, thự
c 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:
N

ts
0
= 37,35g
Tổng lượng nitơ trong sản
phẩm phân ủ sau thời gian 28
ngày ủ: N
ts
28
= 32,11g
Tổng lượng N bay hơi khỏi hệ thống ủ
sau 28 ngày ủ: N
ts
k
= 1,62g
Tổng lượng nitơ trong nước rỉ rác sau thời gian
28 ngày ủ: N
ts
nước
= 3,62g
Tổng lượng cacbon trong nước rỉ rác sau thời gian
28 ngày ủ: C
ts
nước
= 321,11g


Hệ thống ủ sinh học
cấp khí tự nhiên
Tổng lượng cacbon
trong nguyên liệu ủ ban

đầu: C
ts
0
= 1183,98g
Tổng lượng cacbon trong sản
phẩm phân ủ sau thời gian 28
n
g
à
y
: C
ts
28
= 484,97
g

Tổng lượng C bay hơi khỏi hệ thống ủ
sau 28 ngày ủ: C
ts
k
= 377,9g
18

thoát càng thấp (lượng cacbon tổng số trong nước rác bị thất thoát
khi đảo trộn 0,5 ngày/lần chỉ bằng 50,27% so với không đảo trộn).
Như vậy, để chất lượng sản phẩm ủ có hàm lượng các chất dinh
dưỡng cao, giảm thất thoát vào môi trường cần thực hiện cấp khí tự
nhiên với chế độ cấp khí phù hợp từ 0,5-1 ngày/lần vào mùa hè.
5.2. Phân tích động học quá trình xử lý chất thải hữu cơ
bằng

công nghệ sinh học cấp khí tự nhiên
Căn cứ kết quả thực nghiệm thu được trên mô hình ngoài trời có
mái che cho thấy khi đảo trộn 1 ngày/lần vào mùa hè, lượng cấp khí là
nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo quá trình xử lý hiếu khí diễn ra hiệu quả. Vì
vậy, trường hợp này được chọn để nghiên cứu phân tích động học quá
trình xử lý CTRHC bằng công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên. Các
hàm số thự
c nghiệm mô tả mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của
quá trình ủ được xây dựng dựa trên các số liệu thực nghiệm được trình
bày trong các bảng 4.15 và 4.16a (phần phụ lục) và theo phương pháp
nhận dạng hàm số thực nghiệm dựa vào quy luật cấp số [2].
5.2.1. Phân tích mối quan hệ giữa độ thoáng khí (FAS) và tốc độ
phân hủy của chất thải hữu cơ (tỷ lệ C/N) theo thời gian
Các giá trị của độ thoáng khí (tương ứng với trục x) lập nên 1 cấp
số cộng còn hàm y (hằng số tốc độ phân hủy chất thải theo thời gian
thông qua tỷ lệ C/N) tương ứng với các giá trị x lập nên 1 cấp số nhân
thì hàm số thực nghiệm là hàm số mũ có dạng: y = a.e
bx
(5.6)
Các giá trị a, b được xác định trên đồ thị trục bán logarit y ở hình
5.4, phụ lục 7. Khi đó, hàm số thực nghiệm mô tả quan hệ giữa độ
thoáng khí f (FAS) và hằng số tốc độ phân hủy chất thải theo thời gian
thông qua tỷ lệ C/N là: y = 1,6738.e
0,055.x
(5.9)
Kết quả tính toán theo phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất
có R
2
= 0,9516 Đồ thị hàm số y = 1,6738.e
0,055.x

thể hiện trên hình 5.5.

Hình 5.5. Đồ thị quan hệ giữa độ thoáng khí f (FAS) và hằng số tốc độ
y = 1,6738.e
0,055.x

19

phân hủy CTRHC theo thời gian thông qua tỷ lệ C/N
5.2.2. Phân tích mối quan hệ giữa sự thay đổi độ ẩm và tổng lượng
(nồng độ) oxy trong ngăn ủ theo thời gian
Các giá trị của độ ẩm chất thải (tương ứng với trục x) lập nên 1 cấp
số nhân còn hàm y (tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ) tương ứng với
các giá trị x lập nên 1 cấp số cộng thì hàm số thực nghiệm là hàm số
có d
ạng: y = alnx + b (5.11)
Các giá trị a, b được xác định trên trục bán logarit tự nhiên x ở
hình 5.6, phụ lục 7. Khi đó, hàm số thực nghiệm mô tả quan hệ giữa
độ ẩm chất thải và tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ là:
y = 31,632lnx – 112,08 (5.13)
R
2
= 0,9418. Đồ thị hàm số y = 31,632lnx – 112,08 được thể hiện
trên hình 5.7.

Hình 5.7. Đồ thị quan hệ giữa độ ẩm chất thải và tổng nồng độ oxy
trong quá trình ủ
5.2.3. Phân tích mối quan hệ giữa tổng lượng (nồng độ) oxy trong
ngăn ủ và tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (tỷ lệ C/N) theo thời
gian

Các giá trị của tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ (C
O2
) (tương ứng
với trục x) lập nên 1 cấp số nhân còn hàm y (hằng số tốc độ phân hủy
chất thải theo thời gian thông qua tỷ lệ C/N) tương ứng với các giá trị
x cũng lập nên 1 cấp số nhân thì hàm số thực nghiệm là hàm số mũ có
dạng: y = ax
b
(5.14)
Các giá trị a, b được xác định trên trục logarit toàn phần ở hình 5.8,
phụ lục 7. Khi đó, hàm số thực nghiệm mô tả quan hệ giữa tổng nồng
độ oxy trong quá trình ủ (C
O2
) và hằng số tốc độ phân hủy chất thải
theo thời gian thông qua tỷ lệ C/N là: y = 7,464.x
0,474
(5.16)
Kết quả tính toán theo phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất có
R
2
= 0,9273.
Đồ thị hàm số y = 7,464.x
0,474
được thể hiện trên hình 5.9.
y = 31,632lnx – 112,08
20


Hình 5.9. Đồ thị quan hệ giữa tổng nồng độ oxy trong quá trình ủ và
hằng số tốc độ phân hủy CTRHC theo thời gian thông qua tỷ lệ C/N

5.2.4. Phân tích mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ trong ngăn
ủ và tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (tỷ lệ C/N) theo thời gian
Các giá trị nhiệt độ (tương ứng với trục x) lập nên 1 cấp số cộng
còn hàm y (hằng số tố
c độ phân hủy chất thải theo thời gian - tỷ lệ
C/N) tương ứng với các giá trị x lập nên 1 cấp số nhân thì hàm số thực
nghiệm là hàm số mũ có dạng (5.6). Các giá trị a, b được xác định trên
trục bán logarit y ở hình 5.10, phụ lục 7. Khi đó, hàm số thực nghiệm
mô tả quan hệ giữa nhiệt độ (T) và hằng số tốc độ phân hủy chất thải
theo thời gian (tỷ lệ C/N) là: y = 14,492.e
0,094.x
(5.17)
R
2
=0,8916. Đồ thị hàm số y=14,492.e
0,094.x
thể hiện trên hình 5.11.

Hình 5.11. Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ (T) và hằng số tốc độ phân
hủy CTRHC theo thời gian thông qua tỷ lệ C/N
5.3. 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 trong điều
kiện Việt Nam
5.3.1. Đánh giá công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong thực
nghiệm và cấ
p khí cưỡng bức tại Cầu Diễn
Công nghệ cấp khí cưỡng bức có tổng lượng nitơ trong sản phẩm ủ
thấp hơn và lượng nước rác phát sinh lớn gấp 2 lần công nghệ cấp khí
tự nhiên. Nguyên nhân do việc cấp khí bằng quạt gió làm gia tăng sự
y = 7,464.x

0,474

y = 14,492.e
0,094.x

21

thất thoát nitơ trong quá trình ủ lớn. Theo công nghệ cấp khí cưỡng
bức, nước rác được tuần hoàn lại bể ủ để duy trì độ ẩm trong quá trình
ủ sẽ gây tốn năng lượng để bơm tuần hoàn, tốn năng lượng điện để
cấp gió giảm ẩm….
5.3.2. Đánh giá công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong thực
nghiệm và cấp khí tự nhiên theo chương trình dự án 3R – Hà Nội
tạ
i Cầu Diễn
Công nghệ ủ luống đảo trộn cấp khí tự nhiên có khả năng phân hủy
nhanh và đồng nhất, lượng nitơ thất thoát vào không khí thấp. Do quy
mô của luống ủ tại nhà máy lớn và phương thức đảo trộn bằng cơ giới
đồng đều hơn nên hiệu quả và chất lượng phân ủ nhìn chung tốt hơn
so với mẫu thực nghiệm. Tuy nhiên, tại NM lượng nước rác phát sinh
trong quá trình ủ
nhiều hơn so với mẫu thực nghiệm và lượng TOC
cũng thấp hơn, điều này có thể giải thích do sự khác nhau của thành
phần nguyên liệu đầu (độ ẩm và các chất xơ, rau ủ nhiều sẽ có nước
rác phát sinh nhiều và lượng TOC lớn)
5.3.3. Đánh giá công nghệ ủ sinh học cấp khí tự nhiên trong thực
nghiệm và cấp khí tự nhiên thử nghiệm tại NM chế biến phân hữu
cơ t
ừ rác thải sinh hoạt tỉnh Hà Nam
So với mẫu thực nghiệm, mẫu đối chứng có độ ẩm thấp hơn nhưng

lượng N tổng còn lại nhỏ, tỷ lệ C/N cao hơn do luống ủ của NM
không có mái che nên nhiệt độ thay đổi giữa bên trong và ngoài ngăn
ủ lớn, phương thức đảo trộn cơ giới giúp chất thải phân hủy đều và
đồng nhất hơn nhưng thất thoát chất dinh d
ưỡng cũng lớn hơn. Ngoài
ra có thể do thành phần rác đầu vào của NM có lẫn nhiều tạp chất và
khâu phân loại chưa triệt để nên tỷ lệ C/N sau 28 ngày ủ còn khá cao.
Trường hợp nghiên cứu thử nghiệm tại Phủ lý, với tần suất đảo trộn 3
ngày/lần, chất lượng sản phẩm sau 28 ngày ủ có độ ẩm không cao và
lượng nitơ bị thất thoát thấp, lượng mùn theo tổng lượng cacbon hữu
cơ còn lại cao nhất. Mặt khác, so sánh về khía cạnh kinh tế với
phương thức đảo trộn bằng cơ giới của NM sẽ cần 30 lít dầu diezen
trong 1 giờ, do đó, nếu đảo trộn càng nhiều thì sẽ càng tốn nhiên liệu.
Như vậy, phương án đảo trộn phù hợp là 3 ngày/lần, so với thiết kế
ban đầu của NM tần suất đảo trộn chỉ là 2 ngày/lần và so với thực
trạng hoạt động của NM hiện là 4 ngày/lần.
5.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ ủ sinh
học cấp khí tự nhiên trong điều kiện Việt Nam
Công nghệ ủ sinh học CTRHC cấp khí tự nhiên là công nghệ có
nhiều ưu thế so với công nghệ cấp khí cưỡng bức (đơn giản trong
22

quản lý và vận hành, phù hợp với các đô thị vừa và nhỏ, sản phẩm thu
hồi có giá trị dinh dưỡng cao. Tuy nhiên, thực tế áp dụng công nghệ
thời gian qua cho thấy: công nghệ chưa thực sự được thiết kế và vận
hành đúng kỹ thuật nên hiệu quả xử lý mang lại chưa được như mong
muốn. Để đạt được hiệu quả, công nghệ thiết kế phải có mái che và
phả
i tính toán cấp khí tự nhiên tùy theo cấu tạo hệ thống ủ (ủ ngăn, ủ
luống hay ủ trong bể ủ), phương thức đảo trộn (thủ công hay cơ giới),

thời gian và tốc độ đảo trộn. Ngoài ra, trong thời gian tới cần thực
hiện triển khai các hướng dẫn về thiết kế kỹ thuật và quản lý, vận hành
trước và sau khi đưa NM vào hoạt động.
KẾT LUẬN VÀ KIẾ
N NGHỊ
1. Kết luận
Trong thời gian nghiên cứu và thực nghiệm khoảng 3 năm, trên cơ
sở các kết quả thu được, đối chứng với hệ thống lý thuyết và thực tiễn
tồn tại trong các NM chế biến phân vi sinh ở Việt nam, đề tài đã rút ra
được những kết luận sau:
• Kết luận 1: Các loại CTRHC sinh hoạt có nguồn gốc từ chợ, hộ
gia đình và nhà hàng, khách sạn đề
u có thể thu hồi, tái sử dụng làm
nguyên liệu chế biến phân hữu cơ. Để các thông số đầu vào đạt tối
ưu (độ xốp, độ pH, độ ẩm, tỷ lệ C/N) nên phối hợp các loại rác hữu
cơ có nguồn gốc khác nhau. Rác có thành phần cacbon cao, nhiều
chất xơ (rác rau, củ, quả, vỏ dứa, mít) cần trộn thêm rác có thành
phần chứa nhiều tinh bột, nitơ, photpho,…. để tỷ lệ C/N của
nguyên liệu ủ từ 25 – 35/1. Kết quả phân tích nguyên liệu ủ là rác
hỗn hợp trong các đợt nghiên cứu có độ ẩm từ 52,4 - 57,5%, độ pH
6,6 - 7,1 và tỷ lệ C/N từ 27,22 - 30,34/1.
• Kết luận 2: Trước khi ủ cần xử lý sơ bộ nguyên liệu ủ đến kích
thước khoảng 3 – 5cm. Tùy theo điều kiện ủ có thể bổ sung thêm
chế phẩm vi sinh để khử mùi, đẩy nhanh tốc độ, thời gian và hiệu
quả phân hủy chất thải. Kết quả thực nghiệm cho thấy hai loại chế
phẩm EM
TC
và Enchoice Solution có hiệu quả phân hủy các chất
trong quá trình ủ sinh học chỉ chênh lệch khoảng 2% (tỷ lệ C/N sau
35 ngày của mẫu bổ sung EM

TC
là 22,14 và Enchoice là 22,64).
• Kết luận 3: Theo kết quả thực nghiệm, để duy trì nồng độ oxy
trong chất thải đảm bảo quá trình ủ sinh học hiếu khí diễn ra hiệu
quả (tối thiểu 5% và tối ưu ≥ 10%) cần thực hiện bổ sung độ sụt
với tần suất 1 ngày/lần, khi đó nồng độ oxy trong ngăn ủ trong 2
tuần đầu là 7,16 – 10,21% ở mô hình trong phòng thí nghiệm và
5,16 – 11,55% ở mô hình ngoài trời có mái che.