Quản lý và xử lý chất thải rắn - Chương 6 potx

60
CHƯƠNG VI
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ
(COMPOST) TỪ RÁC ĐÔ THỊ

Các công nghệ sản xuất phân hữu cơ (compost) từ rác đô thò gồm phân
hủy kỵ khí và ủ hiếu khí (composting). Bản chất chung của 2 quá trình
trên là sử dụng các vi sinh vật để ổn đònh các thành phần hữu cơ có trong
rác trước khi đem sử dụng hoặc xử lý tiếp.
Hình 6.1: Các dòng vật chất chính trong quá trình xử lý sinh học các
hợp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học trong rác đô thò
6.1 Công Nghệ Kỵ Khí
6.1.1 Tổng quan
Phân huỷ kỵ khí xảy ra tự nhiên ở bất cứ nơi nào có hàm lượng cao các
chất hữu cơ ẩm được tích tụ trong trường hợp thiếu oxy hoà tan. Các vi
khuẩn kỵ khí phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo ra CO
2
và CH
4
. Khí CH
4

có thể thu gom và sử dụng như một nguồn nhiên liệu sinh học (biogas).
Chất rắn ổn đònh còn lại chiếm 40-60% khối lượng nguyên liệu ban đầu có
thể sử dụng làm phân bón. Các hệ thống phân hủy kỵ khí (còn gọi là quá
trình lên men, sự khí hóa hay hóa trình metan hoá) sử dụng các bể phản
ứng kín để kiểm soát quá trình kỵ khí và thu gom toàn bộ lượng khí biogas
sinh ra. Sản lượng biogas phụ thuộc vào thành phần chất thải và điều
kiện trong bể phản ứng.
Rác hữu

cơ có thể
phân
hu
û
y
SH
hiếu khí
(
com
p
ostin
g)
Phân hủy kỵ khí
Chôn lấp
Nước thải
(
nước rỉ rác
)

Khí thải
(
bio
g
as
)

Rác ổ đònh
để tao cải
Khí thải
Phân hữu c

ơ

Nhiệt,
Năng lượng

61

Hình 6.2: Sơ đồ quá trình xử lý rác đô thò bằng công nghệ phân hủy kỵ
khí
6.1.2 Phân loại công nghệ
Các dạng công nghệ phân hủy kỵ khí rác đô thò có thể phân loại như sau:
1. Theo môi trường phản ứng
• Ướt: rác đô thò ở dạng huyền phù với lượng nước cung cấp nhằm pha
loãng rác đến tỷ lệ 10-15% TS.
• Khô: hàm lượng TS trong rác đem phân hủy trong khoảng 20-40%.
2. Theo chế độ cấp liệu
• Mẻ: hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ
• Liên tục: hệ thống làm việc liên tục
3. Theo phân đoạn phản ứng
• Một giai đoạn: toàn bộ quá trình phân hủy xảy ra trong một thùng
phản ứng
• Đa giai đoạn: toàn bộ quá trình xảy ra ở nhiều thùng phản ứng mắc
nối tiếp theo một hoặc cả hai chế độ sau:
Phân loại
Phân hủy kỵ khí
Biogas
Cải tạo đấ
t
Bón ruộng nếu được chấp nhận
hiếu khí để chuyển

thành phân bón hc
Chôn lấp
Rác đô thò
Chất hữu c
ơ

Bùn hữu cơ, chất thải nông
n
g
hie
äp

62
- Giai đoạn acid hóa và metan hóa được tách riêng với mục đích làm
gia tăng hiệu quả, tính ổn đònh và khả năng kiểm soát.
- Vận hành ở các nhiệt độ khác nhau: trung bình và nhiệt độ cao.

63
4. Theo loại nguyên liệu đầu vào:
• Phân hủy kết hợp với phân động vật: thành phần hữu cơ trong rác
đô thò được trộn với phân động vật và phân hủy kết hợp với nhau.
Quá trình này cải thiện tỷ lệ C/N và sản lượng khí sinh ra.
• Chỉ phân hủy rác đô thò: thành phần nguyên liệu ban đầu chỉ có
thành phần hữu cơ của rác đô thò được tạo huyền phù với dòch
lỏng.
Các dạng bể phản ứng được dùng nhiều nhất trên quy mô công nghiệp là
bể phản ứng một giai đoạn. Hiện nay, các thiết kế bể phản ứng dạng này
đang được nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu ngày càng gia tăng của thò
trường.
Các hệ thống hai hay nhiều giai đoạn bắt đầu đóng vai trò quan trọng

trong xử lý rác công nghiệp cùng với rác hữu cơ và cần độ vệ sinh an toàn
cao.
Các hệ thống mẻ có các cải tiến rõ rệt hơn. Tuy nhiên cơ hội áp dụng cao
tại các quốc gia đang phát triển do suất đầu tư thấp.
Trên thực tế khó có sự so sánh một cách toàn diện các hệ thống khác
nhau do vấn đề quan trọng nhất hiện nay khi lựa chọn công nghệ là suất
đầu tư ban đầu của hệ thống cần chiếm được thiện cảm của cộng đồng.
6.1.3 Các yếu tố vật lý và hóa học
- Tỷ lệ C/N
Tỷ lệ C/N tối ưu trong quá trình phân hủy kỵ khí khoảng 20-30:1. mức
độ tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH
3
, nguyên nhân gây ra
mùi khai. mức tỷ lệ cao hơn sự phân hủy xảy ra chậm.
- pH
Sản lượng khí biogas sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí đạt tối đa khi giá trò
pH của vật liệu nằm trong khoảng 6-7. Giá trò pH ảnh hưởng đến thời gian
phân hủy của vật liệu. Tại thời điểm ban đầu của quá trình lên men, số lượng
lớn các acid hữu cơ được tạo thành và có thể làm cho giá trò pH của hỗn hợp
giảm xuống dưới 5, điều này sẽ làm hạn chế quá trình phân hủy. Quá trình

64
phân hủy sẽ tiếp tục và nồng độ NH
3
tạo thành sẽ gia tăng do sự phân huỷ
của nitơ, giá trò pH có thể tăng lên trên 8. Khi sản lượng khí metan tạo thành
ổn đònh, giá trò pH trong khoảng 7,2-8,2.

65
- Nhiệt độ

Vi sinh vật metan hóa sẽ không hoạt động được khi nhiệt độ quá cao hay
quá thấp. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 10
o
C, sản lượng khí biogas tạo
thành hầu như không đáng kể. Hai khoảng nhiệt độ tối ưu cho quá trình
phân hủy kỵ khí:
y Giai đoạn nhiệt độ trung bình: nhiệt độ dao động trong khoảng 20-40
o
C,
tối ưu 30-35
o
C.
y Giai đoạn hiếu nhiệt: nhiệt độ tối ưu trong khoảng 50-65
o
C.
6.1.4 Đặc trưng của các công nghệ
6.1.4.1 Công nghệ ướt một giai đoạn
Đối với hệ thống hoạt động theo công nghệ ướt một giai đoạn, rác được
chuyển sang dạng huyền phù có 10% chất rắn bằng một lượng nước. Hệ
thống hoạt động vơiù sự phân hủy kết hợp giữa rác đô thò với các nguyên
liệu loãng hơn như bùn từ cống rãnh hoặc phân động vật. Thuỷ tinh và đá
được yêu cầu loại bỏ nhằm ngăn ngừa khả năng tích tụ nhanh của các
chất này dưới đáy bể phản ứng. Quá trình phân hủy yêu cầu ép để lấy lại
dòch lỏng (có thể tuần hoàn trở lại cho đầu vào) và tạo ra chất rắn đã
phân hủy để xử lý tiếp.
a. Đặc trưng kỹ thuật
Các ưu và nhược điểm chính về mặt kỹ thuật của công nghệ ướt một giai
đoạn như sau:
• Ưu điểm:
- Công nghệ ổn đònh đã được thử nghiệm và vận hành trong nhiều thập

kỷ.
- Tính đồng nhất của rác hữu cơ sau khi đã qua nghiền thủy lực và pha
loãng để đạt hàm lượng TS nhỏ hơn 15% cho phép áp dụng bể phản
ứng dạng khuấy trộn hoàn toàn.
• Nhược điểm:
- Chất thải cần được tiền xử lý tốt nhằm đảm bảo độ đồng nhất và loại
bỏ các chất ô nhiễm dạng thô hoặc có độc tính cao từ rác đô thò.

66
- Đối với rác không được phân loại tại nguồn cần có các bước tiền xử lý
sau: sàng, nghiền thủy lực, tuyển nổi.
- Cần giảm thiểu các thành phần nặng vì chúng có thể gây hư hỏng hệ
thống khuấy và bơm cũng như giảm thiểu các chất tạo bọt gây ảnh
hưởng đến hiệu suất của quá trình tách khí biogas.
- Khả năng bò đoản mạch về thủy lực.

67
b. Đặc trưng sinh học
Tỷ lượng biogas thu được trên thực tế khoảng 170-320Nm
3
CH
4
/kg VS cấp
(tương ứng tỷ lệ giảm VS là 40% và 75%) tùy thuộc vào nhiệt độ môi
trường. Tỷ lượng biogas thu được từ chất thải làm vườn thấp hơn so với các
thành phần hữu cơ khác như thực phẩm chẳng hạn do có hàm lượng
lignin cao hơn.
Tải lượng hữu cơ thể tích đảm bảo quá trình phân hủy sinh học bền vững
trong điều kiện hiếu nhiệt đối với rác được phân loại cơ học là 9,7 kg
VS/m

3
/ngày, đối với rác được phân loại tại nguồn là 6kg VS/m
3
/ngày. Đối
với chất thải từ ngành công nghiệp chế biến nông sản, với tỷ lệ C/N lớn hơn
20 thì tải lượng trên có thể đạt thậm chí trong điều kiện nhiệt độ bình
thường.
Hàm lượng TKN cao gây ức chế hoá trình metan hóa, giá trò NH
4
+
ngưỡng
khoảng 3g/l. Thường hàm lượng TKN trong chất thải được phân loại cơ học
khoảng 14g TKN/kg TS và thực phẩm khoảng 20g TKN/kg TS. Hàm lượng
NH
4
+
có thể duy trì ở ngưỡng mức 3g/l dung dòch lên men bằng cách sử
dụng hợp lý nước pha loãng. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt,
chẳng hạn như chất thải từ ngành chế biến nông sản với tỷ lệ C/N nhỏ
hơn 20 và có khoảng 60% VS dễ phân hủy sinh học thì hàm lượng NH
4
+

cần duy trì thấp hơn và không thể áp dụng hệ thống ướt một giai đoạn.
Hàm lượng acid béo trong thực phẩm thải cũng gây ảnh hưởng đến quá
trình metan hóa.
c. Các vấn đề kinh tế, môi trường
Khi sử dụng dưới dạng bùn để nạp vào các bể phản ứng thì lợi ích lớn về
mặt kinh tế là có thể sử dụng các thiết bò rẻ tiền như bơm và đường ống.
Tuy nhiên nếu so với hệ thống khô thì chi phí bể phản ứng, thiết bò khử

nước và tiền xử lý lại cao hơn. Xét tổng thể mức đầu tư của hệ thống ướt
một giai đoạn và khô một giai đoạn hoàn toàn như nhau.
Nhược điểm của hệ thống là không thu hồi hoàn toàn biogas do một phần
chất hữu cơ bò loại cùng với các chất tạo bọt hoặc ở dạng các thành phần
nặng phía đáy bể phản ứng.

68
Một nhược điểm nữa của hệ thống là sử dụng quá nhiều nước, thường
khoảng 1m
3
/T chất thải rắn, làm tăng chi phí sử dụng nước cũng như đầu
tư và chi phí xử lý nước thải.

69
Bảng 6.1: Tổng quan về đặc tính của công nghệ ướt một giai đoạn
TT Tiêu chí Ưu điểm Nhược điểm
1 Kỹ thuật Phát triển từ quá trình
đã được nghiên cứu kỹ
Đoản mạch
Các chất tạo váng/bọt và
nặng lắng xuống đáy bể
phản ứng
Tiền xử lý phức tạp
2 Sinh học Pha loãng chất gây ức
chế bằng nước
Tương đối nhạy cảm về tải
lượng do các chất gây ức
chế có khả năng lan
truyền nhanh trong bể
phản ứng

Mất VS theo các chất trơ
3 Kinh tế và
môi trường
Thiết bò xử lý và vận
chuyển bùn rẻ (bù lại đòi
hỏi thiết bò tiền xử lý và
thể tích của bể phản ứng
lớn)
Tiêu thụ nhiều nước
Tiêu thụ năng lượng cao
do phải gia nhiệt thể tích
lớn
Nguồn: [42]
d. Một vài hệ thống hiện đang áp dụng trên thực tế
Công nghệ ướt liên tục một giai đoạn của EcoTec đã được áp dụng tại
nhà máy xử lý chất thải sinh học với công suất 6.500 tấn/năm ở Bottrop,
Đức từ năm 1995. Công nghệ này cũng đang được áp dụng trên thế giới,
cụ thể: nhà máy có công suất 30.000 tấn/năm ở Berlin, Đức; nhà máy có
công suất 17.000 tấn/năm ở Shilou, Trung Quốc. Ngoài ra còn có một dự
án xây dựng nhà máy có công suất 14.000 tấn/năm ở Bangkok.

70

Nguồn: [42]
Hình 6.3: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục một giai đoạn do Eco Technology
JVV Oy phát triển
Chất thải đã được phân loại tại nguồn được vận chuyển đến nhà máy và
chuyển qua công đoạn nghiền sơ bộ, phân loại từ tính trước khi phân loại
bằng trống quay. Chất thải cháy được hay còn gọi là nhiên liệu thu hồi từ
rác (RDF) được tách ra và chuyển đến nồi hơi đốt theo công nghệ lơ lững.
Các chất hữu cơ còn lại được chuyển đến bể chuẩn bò nguyên liệu phản
ứng. Tại đây, các chất này tạo thành dòch lỏng với 15% TS bằng cách trộn
với nước. Các tạp chất rắn được loại bỏ và nguyên liệu được bơm đến bể
phản ứng sinh học kỵ khí.
Phân
bón
lỏng
Nước thải
Nước
Mùn
Các chất tr
ơ

Chất thải hữu c
ơ

Nghiền sơ bộ
T
ách kim loại
Sàng qua
y

Bể chuẩn bò nguyên
liệu phản ứng
Bơm
RDF làm nhiên
liệu cho nồi
hơi đốt theo
nguyên lý lơ
lửn
g
Bể phản ứng
kỵ khí một giai
đoạn
(Nhiệt độ: 35
o
C
Thời gian lưu:
15-20ngày)
Bồn chứa
Tuần hoàn khí
biogas cho mục
đích khuấy trộn
Bể diệt khuẩn
70

o
C in vòng 30ph
Bể chứa
Khử nước

71
Hệ thống gồm hai hay nhiều dây chuyền hoạt động song song. Quá trình
phân hủy bắt đầu ở nhiệt độ 35
o
C với thời gian lưu từ 15-20 ngày (công
nghệ phân hủy kỵ khí hiếu nhiệt ở 55
o
C cũng có thể áp dụng được cho hệ
thống này). Quy mô của hệ thống có thể lên đến 5.000m
3
. Biogas sinh ra
sẽ được tuần hoàn lại một phần để tạo bọt khí làm khuấy trộn vật liệu
trong bể phản ứng. Huyền phù tạo ra được diệt khuẩn ở 70
o
C trong vòng
30 phút để đem bón cho đất nông nghiệp một cách an toàn.
6.1.4.2 Công nghệ khô một giai đoạn
a. Đặc trưng kỹ thuật
Hàm lượng TS tối ưu trong các chất rắn lên men trong hệ thống sử dụng công
nghiệp khô một giai đoạn khoảng 20-40%, với rác có hàm lượng TS>50% cần
phải pha loãng. Nước được thêm vào tối thiểu để tạo sự cân bằng nhiệt toàn
diện, rất hữu ích cho hoạt động ở chế độ hiếu nhiệt.
Hệ thống khô khác biệt so với hệ thống ướt về bản chất vật lý của các
chất đem lên men.
Quá trình vận chuyển, nạp chất lên men có thể thực hiện nhờ băng tải,

trục vít hoặc bơm chuyên dụng có công suất lớn. Các thiết bò này đắt hơn
so với bom sử dụng trong hệ thống ướt. Ngoài ra, các thiết bò này phải đủ
mạnh để có thể vận chuyển được đá, thủy tinh, gỗ mà không gây ra bất
cứ cản trở nào.
Hệ thống tiền xử lý chỉ cần áp dụng để loại các chất rắn có kích thước lớn
hơn 40mm, ví dụ như sàng quay hoặc hệ thống nghiền đối với chất thải
hữu cơ được phân loại tại nguồn. Dạng thiết bò phản ứng sử dụng là plug-
flow đơn giản về mặt kỹ thuật và không cần phải có thiết bò khuấy trộn cơ
học bên trong thiết bò phản ứng.
Nhược điểm chính của quá trình khô là khả năng phân bố đều và xoay vòng
vi sinh vật cũng như chống quá tải và hóa trình acid hóa. Các vấn đề trên đã
được giải quyết trong hệ thống Dranco bằng xoay vòng nước rỉ có pha trộn với
nước sạch theo tỷ lệ 6:1. Hệ thống này cho phép xử lý rất hiệu quả đối với
các chất thải có hàm lượng TS trong khoảng 20-50%.

72
Hệ thống Kompogas cũng tương tự như hệ thống Dranco nhưng sử dụng ống
nằm ngang. Với hệ thống này, hàm lượng TS trong chất cần lên men được
hiệu chỉnh trong khoảng 23%.
Hệ thống Valorga khác với hệ thống dạng tròn đứng là sử dụng biogas để
khuấy trộn. Biogas được bơm vào đáy bể với áp suất cao mỗi 15 phút.
Hàm lượng TS cần được duy trì trong hệ thống Valorga là không quá 20%.
Do các hạn chế về mặt cơ khí, thiết bò phản ứng Kompogas thường được
thiết kế, thi công với công suất cố đònh và để thay đổi nhiều thiết bò phản
ứng với công suất từ 15.000 T/năm tới 25.000 T/năm được xây dựng để
vận hành song song.
Đối với hệ thống Dranco và Valorga, mặc dù có thể thay đổi được công
suất nhưng các thiết bò phản ứng thường có thể tích không quá 3.300 m
3

và chiều cao không quá 25m.

73
b. Đặc trưng sinh học
Hệ thống khô một g iai đoạn có tải lượng hữu cơ cao hơn so với hệ thống
ướt do không bò ảnh hưởng bởi các chất gây ức chế hóa trình acid hóa
hoặc metan hóa.
Các nghiên cứu cho thấy không xảy ra hiện tượng ức chế bởi C trong điều
kiện kỵ khí hiếu nhiệt với chất thải có tỷ lệ C/N lớn hơn 20 đối với hệ thống
Dranco. Điều này có thể giải thích được do lượng NH
4
+
sinh ra ít hơn và điều
kiện khuấy trộn kém hơn so với hệ thống ướt.
Tỷ lượng sinh biogas trong cả 3 hệ thống trên nằm trong khoảng 90
Nm
3
/T chất thải làm vườn tươi tới 150 Nm
3
/T thực phẩm thải tươi tương
ứng với 210-300 Nm
3
CH
4
/T VS hay mức phân hủy VS trong khoảng 50-
70%.
Tỷ lượng biogas sinh ra trong hệ thống khô cao hơn hệ thống ướt có thể
giải thích được do các chất dễ phân hủy sinh học không bò mất đi theo
các chất tạo váng/bọt hoặc lắng xuống dưới bể phản ứng.
Hệ thống Valorga tại Tiburd- Hà Lan có tải lượng 1.000T chất thải hữu cơ

tươi/tuần/2 bể phản ứng có dung tích mỗi bể 3.000m
3
và hoạt động ở
40
o
C, tải lượng này tương đương với 5 kg VS/m
3
/ngày đối với hệ thống ướt.
Hệ thống Dranco tại Brecht-Bỉ, tải lượng có thể đạt tới 15 kg VS/m
3
/ngày.
Kết quả đạt được trong trường hợp 35% TS, thời gian lưu 14 ngày và 65%
lượng VS bò phân hủy. Nhìn chung, tải lượng của hệ thống Dranco có thể
duy trì đều đặn ở mức 12 kg VS/m
3
/ngày hay gấp đôi tải lượng của hệ
thống ướt.
c. Các vấn đề kinh tế, môi trường
Các khác biệt về mặt kinh tế bao gồm cả chi phí đầu tư và vận hành giữa
hệ thống khô và ướt không nhiều.
Tuy nhiên về khía cạnh môi trường, sự khác biệt giữa hệ thống khô và ướt
rất rõ rệt. Hệ thống khô sử dụng ít hơn hệ thống ướt 10 lần và do vậy
lượng nước thải cần xử lý sẽ ít hơn hệ thống ướt nhiều lần.
Ưu điểm khác của hệ thống khô là khả năng vận hành ở điều kiện hiếu
nhiệt cao, do vậy khả năng đảm bảo vệ sinh đối với sản phẩm cao hơn.

74
Bảng 6.2: Tổng quan về một số đặc trưng của công nghệ khô một giai
đoạn
TT Tiêu chí Ưu điểm Nhược điểm

1 Kỹ thuật Không có các bộ phận
truyền động bên trong bể
phản ứng
Mạnh (không cần phải loại
bỏ chất trơ)
Không bò đoản mạch
Chất thải ướt (<20% TS)
không thể xử lý riêng biệt
2 Sinh học Lượng VS mất trong quá
trình tiền xử lý ít
Tải lượng hữu cơ cao
Khả năng lan truyền các
chất ức chế bò hạn chế
Khả năng pha loãng chất
gây ức chế bằng nước sạch
thấp
3 Kinh tế
và môi
trường
Chi phí tiền xử lý rẻ và thể
tích bể phản ứng nhỏ
Khả năng tiệt trùng hoàn
toàn
Sử dụng rất ít nước
Nhu cầu nhiệt ít
Các thiết bò lưu trữ và vận
chuyển chất thải yêu cầu
mạnh.
Nguồn: [42]

d. Một vài hệ thống đang áp dụng trên thực tế
Công nghệ DRANCO là công nghệ phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ theo
công nghệ khô – liên tục một giai đoạn hiện được áp dụng tại 4 nhà máy quy
mô công nghiệp ở Châu u với công suất từ 11.000 đến 35.000 tấn/năm. Tại
Brecht-miền Bắc nước Bỉ có nhà máy công suất 12.000 tấn/năm. Một hệ
thống khác áp dụng công nghệ này qui mô pilot cũng được xây dựng tại
Ghent, Bỉ với công suất xử lý 700 tấn/năm. Nhà máy này được xây dựng như

75
là dự án trình diễn về công nghệ và không có hiệu quả kinh tế khi hoạt động
ở công suất nhỏ.
Chất thải hữu cơ đã được phân loại tại nguồn được phân loại bằng tay hay
xé nhỏ trước khi chuyển đến sàng phân loại để tách các vật chất lớn.
Thiết bò phân loại từ tính loại bỏ các mảnh kim loại và nguyên liệu sau đó
được trộn với nước tái sử dụng từ quá trình. Nguyên liệu được bơm đến
đỉnh của phản ứng sinh học kỵ khí có dung tích 808m
3
.
Hệ thống DRANCO bao gồm một giai đoạn kỵ khí hiếu nhiệt (hoạt động ở
nhiệt độ 50-58
o
C, thời gian lưu là 20 ngày, 5% lượng chất thải trong bể
phản ứng được lấy ra hàng ngày, khử nước bằng máy ép dạng trục vít để
thu được 55% chất rắn. Nước rỉ được tiền xử lý bằng các hồ hiếu khí tại
chỗ trước khi thải đến trạm xử lý nước thải đô thò của vùng. Phần chất
rắn với hàm lượng TS khoảng 50% được ổn đònh hiếu khí trong thời gian
khoảng 2 tuần theo kỹ thuật thổi khí từ đáy. Sản phẩm cuối cùng là phân
Humotex, là sản phẩm ổn đònh, vệ sinh, sử dụng tốt cho đất. Khoảng 7%
khí được tạo ra sử dụng cho đốt nóng bể phản ứng.
Thành phần chất rắn tổng số của nguyên liệu biến thiên khoảng 15-40%,

phụ thuộc vào các vật liệu đầu vào.

76

Nguồn: [42]
Hình 6.4: Sơ đồ công nghệ khô – liên tục một giai đoạn do h ãng
DRANCO, Bỉ phát triển
Nước được tiền xử lý
Polymer
và nước
Nhiệt
Chất thải hc được
phân loại tại nguồn
Phân loại = tay
Nghiền
Sàng phân loại
Bể PL từ tính
Bể đònh lượng
(Trộn với nước tái use)
Máy trộn
và bơm
Bể phản
ứng sinh
học kỵ khí
Máy phát điện
Điện
T
ạo hơi nước
Trộn
đònh

hiếu khí
Phân Humotex

p

Nước thải đi xl tiếp

77
6.1.4.3 Công nghệ đa giai đoạn
a. Tổng quan
Công nghệ hai hoặc đa giai đoạn là công nghệ trong đó chất hữu cơ được
chuyển thành biogas thông qua các phản ứng sinh hóa không nhất thiết phải
xảy ra trong cùng một điều kiện. Do vậy, quá trình tối ưu hóa công nghệ cần
thực hiện tối ưu hóa từng bước trong toàn bộ dây chuyền công nghệ nhằm
đảm bảo tối ưu cả về tốc độ phản ứng và tỷ lượng sinh biogas.
Trên thực tế, kỹ thuật hai giai đoạn thường được áp dụng trong đó giai
đọan 1 thiên về thủy phân cellulose, giai đoạn 2 acetat hóa và metan hóa
với tốc độ sinh trưởng chậm của quần thể vi sinh. Các hệ thống áp dụng
công nghệ hai giai đoạn phân biệt có khả năng tăng hoạt tính của quá
trình metan hóa thông qua áp dụng bể phản ứng có lưu sinh khối hoặc các
điều kiện khác. Cũng có thể tăng tốc độ thủy phân tại giai đoạn 1 bằng
cách áp dụng điều kiện microaerophilic hoặc các điều kiện khác. Việc áp
dụng các kỹ thuật trên cho phép gia tăng các khả năng thiết kế hệ thống
hai g iai đoạn. Điều này có thể làm tăng tính phức tạp về mặt kỹ thuật
của hệ thống nhưng có thể cho hiệu quả cao.
Trên thực tế, ưu điểm chính của công nghệ hai giai đoạn không phải là hệ
suất chung của hệ thống mà khả năng xử lý các chất thải có khả năng
gây bất ổn đònh trong các hệ thống một giai đoạn, đặc biệt là rác công
nghiệp, thông qua việc đạt được tính đệm cao hơn, kiểm soát tốt hơn tốc
độ nạp hoặc đồng phân hủy các loại chất thải khác nhau.

b. Hệ thống không lưu trữ sinh khối
• Đặc trưng kỹ thuật
Thiết kế đơn giản nhất của hệ thống hai giai đoạn là mắc nối ttiếp hai bể
phản ứng dạng khuấy trộn hoàn toàn . Hệ thống này tương đương với hệ
thống ướt một giai đoạn. Các khả năng khác là mắc nối tiếp hai hệ thống
dạng plug-flow theo chế độ ướt-ướt hoặc khô-khô.
• Đặc trưng sinh học
Ưu điểm nổi bật của hệ thống hai giai đoạn là tính ổn đònh sinh học cao và
cho phép phân hủy rất nhanh các chất hữu cơ như trái cây hoặc rau. Tuy
nhiên rất nhiều các nghiên cứu ở các qui mô khác nhau cho thấy, hệ thống ướt

78
hai giai đoạn và một giai đoạn không khác biệt nhiều về mặt sinh học như tải
lượng hữu cơ thể tích nhưng hệ thống hai giai đoạn hữu ích khi cần phải có
giai đoạn acid hóa và thủy phân các chất khó phân hủy sinh học như cellulose
chẳng hạn.

79
c. Hệ thống có lưu trữ sinh khối
• Đặc trưng kỹ thuật
Để đảm bảo mật độ các vi khuẩn metan hóa cao và quần thể vi khuẩn
metan hóa phát triển chậm trong giai đoạn thứ hai nhằm tăng tốc độ và
khả năng chòu sốc về tải lượng hữu cơ hoặc các chất ức chế có thể thực
hiện bằng hai cách:
Phương pháp thứ nhất: là tăng mật độ vi khuẩn metan hóa bằng cách không
phối hợp giữa lưu thủy lực và lưu chất rắn. Thiết kế này chỉ hiệu quả đối với
các chất thải từ nhà bếp có khả năng thuỷ phân cao hoặc chất thải từ các
chợ. Để đạt được điều này có thể sử dụng bể phản ứng tiếp xúc kết hợp với bể
lắng bên trong hoặc sử dụng màng lọc để lọc dòng ra và xoay vòng vi khuẩn về
bể phản ứng.

Phương pháp thứ hai: cho phép tăng mật độ vi khuẩn trong giai đoạn 2 là
sử dụng các vật liệu hỗ trợ quá trình phát triển bám. Công nghệ BTA và
Biopercolat được phát triển trên kỹ thuật này. Công nghệ BTA là quá trình
ướt-ướt. Chất thải sau khi được nghiền thủy lực và đạt 10% TS sẽ được vô
khuẩn và ép. Chất lỏng được chuyển sang bể metan hóa, bánh bùn chuyển
sang thành dạng sệt bằng nước và thủy phân trong bể phản ứng dạng
khuấy trộn hoàn toàn trong điều kiện nhiệt độ thường với thời gian lưu
thủy lực 2-3 ngày.
Giá trò pH được duy trì trong khoảng 6-7 tại bể thủy phân nhờ hồi lưu
nước từ bể metan hóa. Dòng ra từ bể thủy phân lại được ép khử nước lần
nữa và chất lỏng chuyển vào bể metan hóa. Về mặt kỹ thuật, hệ thống
này khắc phục được các nhược điểm trong hệ thống một giai đoạn như
đoản mạch, tạo váng/bọt, lắng các chất nặng xuống đáy bể phản ứng, bể
đường ống và mất từ 10% đến 30% lượng VS.
Nhược điểm duy nhất của hệ thống ướt-ướt là tính phức tạp về mặt kỹ thuật.
Hệ thống này cần phải có 4 bể phản ứng để đạt được mục tiêu mà có thể
cần được giải quyết bằng 1 bể phản ứng.
Hệ thống Biopercolat sử dụng cùng nguyên tắc với quá trình BTA, tuy
nhiên có điểm khác: giai đoạn đầu là quá trình khô trong điều kiện
microaerphilic và liên tục được thấm bởi nước để tăng phản ứng lỏng hóa.

80
Nước sau bể phản ứng có hàm lượng COD lên tới 100g/l được cấp vào bể
lọc sinh học kỵ khí hoạt động theo chế độ plug-flow.
Việc tối ưu hóa quá trình tách tại giai đoạn 1 bằng kỹ thuật
microaerophilic và giai đoạn hai bằng lọc sinh học cho phép hệ thống có
thời gian lưu thủy lực tối thiểu – khoảng 7 ngày.
Hệ thống Bioperoclat có nhiều điểm cải tiến xét về phương diện kỹ thuật. Để
tránh hiện tượng tạo rãnh trong giai đoạn khô, quá trình cung cấp nước được
thực hiện qua đóa quay có độ mở 1mm. Tại bể lọc sinh học kỵ khí, hệ thống

tạo xung thủy lực theo chiều ngang cho phép ngăn cản quá trình tắc các giá
thể và tăng cường khả năng tiếp xúc giữa vi khuẩn với thức ăn. Ngoài ra hệ
thống thủy phân khô cho phép loại bỏ các vấn đề nảy sinh với hệ thống ướt
hoặc ướt-ướt.
• Đặc trưng sinh học
Hệ thống hai giai đoạn với hàm lượng sinh khối cao và sinh trưởng bám cho
phép tăng sức đề kháng lại các chất ức chế. Kết quả so sánh quá trình phân
hủy chất thải có khả năng phân hủy sinh học cao từ ngành chế biến nông sản
giữa hệ thống 1 giai đoạn và 2 giai đoạn cho thấy : hệ thống 2 giai đoạn có tải
lượng hữu cơ gấp đôi mà không bò bất cứ ảnh hưởng nào đến vi khuẩn metan
hóa.
Hệ thống BTA và Biopercolat có thể vận hành với tải lượng 10-15 kg
VS/m
3
/ngày với điều kiện giảm tỷ lượng phát sinh biogas 20-30% do các hạt
lớn còn lại sau quá trình thủy phân còn chứa nhiều chất cao phân tử, có thể
phân hủy sinh học không được cấp cho bể metan hóa.
Bảng 6.3: Tổng quan về một số đặc tính của công nghệ ướt đa giai đoạn
TT Tiêu chí Ưu điểm Nhược điểm
1 Kỹ thuật
Tính uyển chuyển trong thiết
kế
Phức tạp
2 Sinh học
Có khả năng tiếp nhận chất
thải khó phân hủy sinh học
như cellulose
Đối với C/N < 20 chỉ áp dụng
được hệ thống có lưu trữ sinh
Tỷ lượng sinh biogas

thấp (khi các chất rắn
không thể metan hóa).

81
khối

3
Kinh tế và môi
trường
Ít kim loại nặng trong sản
phẩm hữu cơ thu được (khi các
chất rắn không thể metan hóa)
Suất đầu tư lớn
Nguồn: [42]
d. Một vài hệ thống đang được áp dụng trên thực tế
Công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn do hãng BTA/Carl Bro, Đan Mạch
phát triển
Công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn của BTA đã được áp dụng đầu tiên ở
Helsingor, Đan Mạch vào năm 1993 với công suất 20.000 tấn/năm chỉ tiếp
nhận rác từ hộ gia đình đã được phân loại tại nguồn.
Chất thải đã được phân loại tại nguồn được vận chuyển đến sàng tập kết trong
nhà máy. Sau đó được chuyển đến máy xé bao và máy nghiền thủy lực. Tại
máy nghiền thủy lực, chất thải được nghiền, loại bỏ chất dẻo vá các chất trơ.
Sinh khối sau khi nghiền được tiền xử lý ở nhiệt độ 70
o
C trong vòng 1 giờ để
diệt khuẩn và NaOH được thêm vào để gia tăng tốc độ phản ứng trong các
công đoạn sau. Sinh khối sẽ được tách làm 2 loại: dòch lỏng được bơm đến bể
phản ứng sinh học kỵ khí và huyền phù được chuyển đến bể phản ứng thủy
phân, ở đó nó chuyển thành các acid hữu cơ. Phần dòch lỏng từ bể thủy phân

được bơm đến bể phân hủy sinh học kỵ khí.
Nhà máy tạo ra khoảng 3 triệu m
3
khí sinh học mỗi năm, sử dụng cho
trạm phát điện và nồi hơi đốt khí ở gần nhà máy.
Nhà máy trang bò bộ trao đổi nhiệt, do đó nhiệt được tạo thành từ quá
trình phân hủy có thể được sử dụng để tăng nhiệt độ chất thải trong công
đoạn tiền xử lý.

82
Nguồn:[42]
Hình 6.5: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn BTA
Công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn do hãng TBW Biocomp, Đức phát
triển
Công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn của TBW đã được áp dụng tại Thronhofen,
Đức từ năm 1996 với công suất 13.000 tấn/năm và chỉ tiếp nhận chất thải
hữu cơ đã được phân loại tại nguồn.
Công nghệ TBW là công nghệ kết hợp giữa phân hủy kỵ khí và hiếu khí
rác thải. Chất thải hữu cơ đã được phân loại tại nguồn được sử dụng kết
hợp với chất thải lỏng của công nghiệp chế biến nông sản. Chất thải tại
nhà máy được phân loại thành các vật liệu thô và chất hữu cơ mòn hơn
nhờ sàng dạng trống quay. Các vật liệu sau đó được loại bỏ các vật liệu vô
cơ bằng tay, máy phân loại từ tính trước khi chuyển sang phân hủy tiếp.
Phần vật liệu thô được chuyển đến quá trình chế biến phân rác hiếu khí,
phần vật liệu min hơn được chuyển đến quá trình phân hủy kỵ khí.
Dòch lỏng
Phân khô
Dòch
lo
ûng

Chất x
ơ
Chất dẻo
và chất trơ
Chất thải HC đã được
phân loại tại nguồn
Sàn
g
ta
äp
kết
Má
y
xé bao
Máy nghiền thủylực
(nghiền chấtthải
&loại chấtdẻochấttrơ)
Bể tiền xử lý
(Chất thải được diệt khuẩn ở
70
o
C trong vòng 1 giờ
NaOH được thêm vào để gia
ta
ê
ng to
á
cđộpha
â
nhuy

û
)
Tách
T
hủy phân
Bể phản
ứng sinh
học kỵ
khí
Phân lỏng
Động cơ đốt trong
Nồi hơi

83
Quá trình ủ vật liệu thô đựơc thực hiện theo dạng đánh luống trong vòng 6
tuần, trong suốt quá trình này chúng được đảo trộn một lần.
Phần hữu cơ mòn được chuyển đến máy nghiền thủy lực tạo dung dòch có
10% chất rắn bằng nước. Dòch lỏng sau đó được bơm theo mẻ (vài
mẻ/ngày) vào bể phản ứng kỵ khí 1 hoạt động ở nhiệt độ 35
o
C với thời
gian lưu khoảng 2 tuần. Chất thải tại đây được khuấy trộn nhờ thiết bò
khuấy dạng chân vòt. Bùn hoạt tính từ đáy của bể phản ứng kỵ khí 1 được
chuyển sang đáy của bể phản ứng kỵ khí 2. Bể phản ứng kỵ khí 2 hoạt
động ở chế độ hiếu nhiệt (55
o
C) với thời gian lưu cũng khoảng 2 tuần. Kết
thúc tuần thứ 2 có khoảng 60% chất hữu cơ ban đầu sẽ được chuyển
thành biogas.
Nguồn: [42]

Hình 6.6: Sơ đồ công nghệ ướt liên tục đa giai đoạn TBW
Sự phân chia vật lý của 2 giai đoạn tạo ra sự gia tăng sản lượng khí.
Khoảng 25% năng lượng được tạo ra từ biogas được sử dụng để cấp nhiệt
Chất thải hữu c
ơ

Nước
T
rộn với nhau
tạo lớp mùn
Phần thô chuyển sang ủ
(composting)
Thiết bò PL
trốn
g

q
ua
y

P
L
từ tính
Phân loa
ï
i
Má
y
n
g

hiền
Bể chứ
a
Bể pư kỵ khí 1
(Nhiệt độ:
35
o
C)
Bể pư kỵ khí
2
(Nhiệt độ:
55
o
C)
Động cơ đốt trong
Bể chứ
a
Khử nước

84
cho các bể phản ứng và các hoạt động bên trong nhà máy. Mỗi m
3
biogas
tạo ra 1,5 kW điện và 3 kW nhiệt.
Chất thải sau phân hủy được ép để loại nước. Phần lớn nước tạo ra được
tái sử dụng để trộn với phân hữu cơ mòn ở máy nghiền. Phần nước thừa
được làm sạch bằng các hồ làm sạch được thiết kế sẵn. Phần bùn rắn
được trộn với phân hiếu khí đã ổn đònh để tạo sản phẩm cải thiện chất
lượng đất.
6.1.4.3 Công nghệ mẻ

a. Tổng quan
Trong các hệ thống mẻ, các bể phản ứng được nạp chất thải một lần, sau
đó sẽ được vận hành qua các bước phân hủy theo chế độ khô với 30-40%
TS.
Về mặt nguyên lý, hệ thống mẻ có thể coi như một hố chôn lấp được thực
hiện trong thùng nhưng tỷ lượng biogas sinh ra cao hơn từ 50 đến 100 lần
so với bãi rác trên thực tế bởi các nguyên nhân sau:
• Nước rỉ được tuần hòan liên tục cho phép phân tán đều chất dinh
dưỡng, vi sinh vật cũng như các acid sinh ra.
• Nhiệt độ của rác trong bể phản ứng cao hơn nhiệt độ rác tại các bãi
rác.
Trên thực tế có 2 dạng sau đang được áp dụng:
Khô – mẻ (DBD): hệ thống mẻ được cung cấp với thành phần TS trong
khoảng 20-40%. Trong quá trình phân hủy, nước rỉ thu gom từ bể phản
ứng được tuần hoàn trở lại để duy trì thành phần độ ẩm nhất đònh, phân
phối lại các thành phần hòa tan và vi khuẩn. Nhược điểm của hệ thống
này là cần có quá trình tiền xử lý nguyên liệu cho phù hợp.
kỵ khí mẻ tuần hoàn (SEBAC): công nghệ này tương tự như công nghệ
khô-mẻ. Tuy nhiên, nước rỉ từ bể phản ứng được trao đổi giữa mẻ đã có và
mẻ mới nhằm thúc đẩy quá trình khởi động, tăng cường vi sinh đã thích nghi
và loại bỏ các acid béo bay hơi trong bể phản ứng.
b. Đặc trưng kỹ thuật