Nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

NGUYỄN THÀNH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY
CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT TRONG ĐIỀU KIỆN
MÔ PHỎNG BÃI CHÔN LẤP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. Hồ Chí Minh năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

NGUYỄN THÀNH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY
CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT TRONG ĐIỀU KIỆN
MÔ PHỎNG BÃI CHÔN LẤP

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn
Mã số: 62.85.06.10

Phản biện độc lập 1:PGS. TS. Đặng Xuân Hiển
Phản biện độc lập 2:PGS. TS. Trần Văn Quang

Phản biện 1:PGS. TS. Lê Thanh Hải
Phản biện 2:PGS. TS. Phạm Nguyễn Kim Tuyến
Phản biện 3:PGS. TS. Nguyễn Tấn Phong

NGƯỜI HƯỚNG DẤN KHOA HỌC:
1. GS. TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC
2. PGS. TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Tp Hồ Chí Minh năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Nguyễn Thành Phương, tác giả của luận án “Nghiên cứu nâng cao tốc độ
phân hủy chất thải rắn sinh hoạt trong điều kiện mô phỏng bãi chôn lấp”. Tôi xin cam
đoan luận án trên đây là cơng trình của bản thân tơi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu
trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì luận án
nào trước đây.
Tác giả luận án

Nguyễn Thành Phương

i


LỜI CẢM ƠN
Hồn thành chương trình nghiên cứu và luận án này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ của các cá nhân và tổ chức. Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn hai thầy hướng
dẫn là GS.TS Nguyễn Văn Phước và PGS.TS Nguyễn Phước Dân về sự hướng dẫn tận
tâm. Cảm ơn các thầy về kiến thức đã được truyền đạt từ cung cấp phương pháp luận
đề tài, cách tư duy sâu sắc cũng như cách giải quyết các nội dung khoa học. Cảm ơn

thời gian được học tập và làm việc cùng các thầy.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp cơ sở Trường
Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã có nhiều ý kiến đóng góp q giá để tơi có thể
hồn chỉnh luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn các cơ quan: Đại học quốc gia TP.HCM, Trường Đại học
Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Viện Môi trường và Tài nguyên, Khoa Môi trường
Trường Đại học Bách Khoa đã tạo mọi điều kiện cho tôi hồn thành đề tài luận án tiến
sĩ này.
Tơi cũng trân trọng gửi lời cảm ơn đến Phịng Thí nghiệm Cơng nghệ Môi trường –
Viện Môi trường và Tài nguyên đã giúp đỡ tơi trong q trình triển khai nghiên cứu,
thu thập số liệu, tài liệu, thơng tin có liên quan đến nội dung nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các đồng nghiệp, các cộng sự, cùng gia
đình tơi đã động viên và giúp tơi hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn.
Tác giả

Nguyễn Thành Phương

ii


TÓM TẮT
Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêunâng cao tốc độ phân hủychất thải rắn sinh
hoạt(CTRSH) trong điều kiện mơ phỏng bãi chơn lấp bằng cơng nghệ tuần hồn nước
rỉ rác kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học và đề xuất nâng cấp, cải tiến công nghệ
cho các bãi chôn lấp CTRSH hiện hữu trong điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu được
thực hiện trên 3 mơ hình gồm: mơ hình đối chứng, mơ hình tuần hồn nước rỉ rác và
mơ hình kết hợp tuần hồn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học.
• Mơ hình đối chứng (MH1) mô phỏng điều kiện thực tế của bãi chôn lấp với độ
nén tương tự và không tuần hoàn nước rỉ rác. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau

32 tuần vận hành hiệu quả xử lý COD trong nước rỉ rác là 80,88%, nồng độ
COD đầu ra tương ứng là 8.647 mg/L.Lượng khí methane sinh ra trong một đơn
vị chất thải khô bị phân hủy khoảng 0,025 m3CH 4 /kgVS phân hủy, và hàm
lượng methane trung bình trong biogas là 60%.
• Mơ hình tuần hồn nước rỉ rác với tốc độ tuần hoàn 7,64 mL/m2.h(MH2.1)cho
thấy hiệu quả xử lý COD sau 32 tuần vận hành là 99,53%, nồng độ COD đầu ra
là 210 mg/L. Lượng khí methane sinh ra trong một đơn vị chất thải khô bị phân
hủy là 0,664 m3CH 4 /kgVS phân hủy.Hàm lượng metan trung bình trong biogas
là 73,1%.
• Mơ hình tuần hồn nước rỉ rác với tốc độ tuần hoàn 7,64mL/m2.hkết hợp bổ
sung chế phẩm sinh học (MH3.1) cho thấy hiệu quả xử lý COD sau 32 tuần vận
hành là 99,74%, nồng độ COD đầu ra là 130 mg/L.Lượng khí metan sinh ra
trong một đơn vị chất thải khô bị phân hủy là 0,691 m3CH 4 /kgVS phân hủy.
Hàm lượng metan trung bình trong biogas là 75,2%.
Như vậy, tuần hoàn nước rỉ rác giúp tốc độ phân hủy chất thải rắn (lượng khí sinh học
sinh ra) tăng lên 26,7 lần và tuần hoàn nước rỉ kết hợp bổ sung chế phẩm sinh học tăng
27,8 lần. Do đó, việc tuần hồn nước rỉ rác kết hợp bổ sung chế phẩm sinh học làm
nâng cao tốc độ phân hủy cơ chất trong bãi chôn lấp.

iii


Kết quả nghiên cứu còn cho thấy mức độ phân hủy sinh học chất thải rắn sinh hoạt
trong các mô hình khác nhau, biểu hiện thơng qua độ giảm khối lượng TS, VS, TOC,
nitơ hữu cơ, tỷ lệ C/N và độ sụt giảm thể tích chất thải.Trong đó, mơ hình kết hợp tuần
hoàn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm vi sinh (MH3.1) có độ giảm khối lượng TS, VS,
TOC và độ sụt giảm thể tích chất thải cao nhất, lần lượt có giá trị là 57,13%; 74,74%;
68,55% và 29,5%.
Từ khóa: Chất thải rắn sinh hoạt, bãi chơn lấp, phân hủy.

iv


ABSTRACT
Study on enhancing the rate of domestic solid waste decomposition in simulated
landfill aims to improved the rate of domestic solid waste decomposition by leachate
recirculation technology combined with adding effective microorganisms and
suggested upgrading the technology for current domestic landfill in Vietnam.
Research was carried out on three experimental models including the control model,
the modeling of leachate recirculation and the modeling consisting of combining
leachate recirculation and effective microorganisms.
• The control model (MH1) is imitative of the actual conditions of landfill with
the same compression ratio and without leachate recirculation. Research results
showed that after 32 weeks of operation, the COD removal efficiency was
80.88% according to a8.647 mgCOD/L in the effluent. The amount of methane
produced per unit of decomposed dry waste was about 0.025 m3CH 4 /kgVS and
the average methane content in biogas was 60%.
• The modeling with 7.64mL/m2.hof recirculation flow (MH2.1)showed that the
COD removal efficiency after 32 weeks operation was 99.53%, COD
concentration of the effluent was 210 mg/L. The amount of methane produced
per unit of decomposed dry waste was 0.664 m3CH 4 /kgVS. Average methane
content in biogas was 73.1%.
• The modeling consisting of combining 7.64mL/m2.hof recirculation flowand
effective microorganisms (MH3.1)showed that the COD removal efficiency
after 32 weeks operation was 99.74%, COD concentration of the effluent was
130 mg/L.The amount of methane produced per unit of decomposed dry waste
was 0.691 m3CH 4 /kgVS. Average methane content in biogas was 75.2%.
As a result, the amount of methane produced per unit of decomposed dry waste
increased by 26.7 times in the modeling of leachate recirculation and 27.8 times in the
modeling consisting of combining leachate recirculation and effective microorganisms.

Therefore, the combination of leachate recirculation and effective microorganism
helps to improve the rate of substrate decomposition in landfills.
v


The results also showed the rate of domestic solid waste decomposition in different
models, expression through TS, VS, TOC, nitrogen, C/N ratio and the decline volume
of waste. In particular, MH3.1 has highest efficiency of TS, VS, TOC and the decline
volume of waste. The treatment efficiency of TS, VS, TOCand decline volume of
waste in the modeling consisting of combining 7.64mL/m2.hof recirculation flow and
effective microorganisms (MH3.1) are 57.13%; 74.14%; 68.55% and 29.5%,
respectively.
Key words:domestic solid wastes, landfill, decomposition

vi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii
ABSTRACT .................................................................................................................... v
MỤC LỤC .....................................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ xi
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................xii
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................... 1
2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN ............................................................................................................ 3
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 3

4. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI......................................................................................................... 4
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 4
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ............................................................................ 4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT ..................................... 6
1.1. CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT ......................................................................................... 6
1.1.1. Hiện trạng phát sinh CTRSH .......................................................................... 6
1.1.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất CTRSH ................................................. 8
1.1.3. Tác động đến mơi trường của CTRSH ......................................................... 13
1.2. HIỆN TRẠNG CƠNG NGHỆ XỬ LÝ CTRSH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHÔN LẤP15
1.2.1. Sơ lược các công nghệ xử lý CTRSH ........................................................... 15
1.2.2. Hiện trạng công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương pháp chôn lấp ........ 17
1.2.3. Những hạn chế trong công nghệ, những tồn tại của công tác xử lý CTRSH
và định hướng nghiên cứu xử lý CTRSH ............................................................... 23
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP CHÔN LẤP ................. 25
2.1. CÁC Q TRÌNH BIẾN ĐỔI TRONG BÃI CHƠN LẤP ............................................ 25
2.1.1. Cơ chế của quá trình phân hủy CTRSH trong bãi chôn lấp ......................... 25
vii


2.1.2. Động học của q trình phân hủy kị khí chất thải rắn hữu cơ ...................... 29
2.1.3. Khí sinh ra từ bãi chôn lấp ............................................................................ 35
2.1.4. Vi sinh vật phân hủy CTR ............................................................................ 36
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CTR TRONG BÃI
CHÔN LẤP .................................................................................................................................. 37
2.2.1. Phương pháp cơ học ..................................................................................... 38
2.2.2. Phương pháp tác động nhiệt độ .................................................................... 39
2.2.3. Phương pháp điều chỉnh pH khối ủ .............................................................. 40
2.2.4. Phương pháp bổ sung dinh dưỡng ................................................................ 40
2.2.5. Phương pháp tuần hoàn nước rỉ rác .............................................................. 40
2.2.6. Phương pháp bổ sung chế phẩm sinh học .................................................... 46

CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................. 51
3.1. MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 51
3.1.1. Cấu tạo của mơ hình ..................................................................................... 51
3.1.3. Vận hành mơ hình ......................................................................................... 53
3.1.4. Các chỉ tiêu theo dõi hoạt động của mơ hình ............................................... 56
3.2. NGUYÊN VẬT LIỆU ......................................................................................................... 58
3.2.1. Chất thải rắn sinh hoạt .................................................................................. 58
3.2.2. Chế phẩm vi sinh .......................................................................................... 61
3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC .......... 63
3.4.1. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 63
3.4.2. Phương pháp xây dựng mơ hình động học ................................................... 64
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 68
4.1.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH ĐỐI CHỨNG ................................... 68
4.1.1. Biến đổi pH của nước rỉ ................................................................................ 68
4.1.2. Biến đổi BOD 5 và COD của nước rỉ rác ...................................................... 69
4.1.3. Biến đổi nồng độ chất thải rắn lơ lửng ......................................................... 70
4.1.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ............................................................................. 71
4.1.5. Sản lượng khí sinh học.................................................................................. 74
4.1.6. Sự loại bỏ thành phần dinh dưỡng ................................................................ 75
4.1.7. Biến đổi về kim loại nặng ............................................................................. 76
viii


4.2.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TUẦN HỒN NƯỚC RỈ RÁC ..... 76
4.2.1. Biến đổi pH ................................................................................................... 77
4.2.2. Biến đổi BOD 5 và COD ............................................................................... 78

4.2.3. Biến đổi nồng độ chất rắn lơ lửng ................................................................ 81
4.2.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ............................................................................. 82
4.2.5. Sản lượng khí sinh học.................................................................................. 85
4.2.6. Sự loại bỏ thành phần dinh dưỡng ................................................................ 88
4.2.7. Biến đổi về kim loại nặng ............................................................................. 89

4.3.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TUẦN HỒN VÀ BỔ SUNG CHẾ

PHẨM SINH HỌC ...................................................................................................................... 91
4.3.1. Biến đổi pH ................................................................................................... 91
4.3.2. Biến đổi nồng độ COD ................................................................................. 92
4.3.3. Biến đổi nồng độ chất rắn lơ lửng ................................................................ 94
4.3.4. Biến đổi VFA và độ kiềm ............................................................................. 95
4.3.5. Sản lượng khí sinh học.................................................................................. 97
4.3.6. Sự biến thiên thành phần dinh dưỡng ........................................................... 99
4.3.7. Biến đổi nồng độ kim loại nặng .................................................................. 100
4.4.

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ CỦA CTR TRONG CÁC

MÔ HÌNH ................................................................................................................................... 102
4.4.1. Sự thay đổi khối lượng chất rắn .................................................................. 102
4.4.2. Sự thay đổi hàm lượng carbon hữu cơ tổng số (TOC) ............................... 105
4.4.3. Sự thay đổi hàm lượng nitơ hữu cơ ............................................................ 107
4.4.4. Sự thay đổi tỷ lệ C/N .................................................................................. 108
4.4.5. Độ sụt giảm thể tích chất thải ..................................................................... 109
4.5.

ĐỘNG HỌC CỦA Q TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ ........................................... 111
4.5.1. Tính tốn động học theo nồng độ cơ chất (Mơ hình động học bậc 1) ........ 111
4.5.2. Tính tốn động học theo tốc độ sinh khí metan (Mơ hình động học bậc 1)112
4.5.3. Tính tốn động học theo mơ hình Monod .................................................. 114
4.5.4. Tính tốn động học theo Michaelis – Menten từ dữ liệu thực nghiệm bằng
phương pháp tích phân ......................................................................................... 118

ix


4.6.

ĐỀ XUẤT NÂNG CẤP, CẢI TIẾN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CTRSH HIỆN HỮU

TRONG CÁC BCL ................................................................................................................... 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 128
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....................... 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 132
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 142

x


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BCL

: Bãi chôn lấp

BOD

: Nhu cầu oxy sinh học

CIDA

: Cơ quan phát triển quốc tế Canada

COD

: Nhu cầu oxy hóa học

CTR

: Chất thải rắn

CTRSH

: Chất thải rắn sinh hoạt

CTRCN

: Chất thải rắn công nghiệp

CTNH

: Chất thải nguy hại

C/N

: Tỉ lệ Carbon/Nitơ

DOC

: Cacbon hữu cơ hoà tan

E.M

: Vi sinh vật hoạt hóa

KPH

: Khơng phát hiện

MH

: Mơ hình

PE

: Nhựa Polyethylene

PTN

: Phịng thí nghiệm

OLR

: Tải lượng chất hữu cơ

OFMSW

: Thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị

SMPR

: Tốc độ phát sinh khí metan riêng

SRT

: Thời gian lưu chất rắn

SS

: Chất rắn lơ lửng

TAK

: Tổng độ kiềm

TKN

: Tổng Nitơ Kjeldahl

TN & MT

: Tài nguyên và Môi trường

TPHCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

TOC

: Tổng carbon hữu cơ

TS

: Tổng chất rắn

TVA

: Tổng axit bay hơi

VFA

: Axit béo bay hơi

VS

: Chất rắn bay hơi

VSV

: Vi sinh vật
xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. CTR đô thị phát sinh các năm 2007 – 2010 và ước tính lượng CTR đơ thị
phát sinh đến năm 2025 (tấn) ..........................................................................................6
Bảng 1.2. Chất thải rắn phát sinh tại các khu vực ..........................................................7

Bảng 1.3. Tổng hợp và dự báo lượng CTR phát sinh ở Việt Nam theo nguồn phát sinh
(tấn/ ngày) .......................................................................................................................8
Bảng 1.4. Tỉ lệ % thành phần CTRSH tại đầu vào các bãi chôn lấp ở một số địa
phương ...........................................................................................................................10
Bảng 1.5. Thành phần hóa học của CTRSH ................................................................11
Bảng 1.6. Phần trăm các nguyên tố thành phần trong CTR hữu cơ..............................11
Bảng 1.7. Tính chất CTR đô thị ...................................................................................11
Bảng 1.8.Thành phần chất thải rắn tại các bãi chôn lấp ..............................................12
Bảng 1.9.Các phương pháp xử lý CTRSH ...................................................................15
Bảng 1.10.Các phương pháp xử lý chất thải rắn ..........................................................17
Bảng 1.11.Hiện trạng một số BCL chất thải rắn trên lãnh thổ Việt Nam ....................18
Bảng 2.1. Tổ hợp các vi sinh vật phân hủy CTR .........................................................36
Bảng 2.2.Thông số thiết kế về tải trọng thủy lực đối với các phương pháp tuần hoàn
nước rác khác nhau ........................................................................................................43
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu theo dõi hoạt động của mơ hình ...............................................56
Bảng 3.2. Thành phần CTRSH ban đầu ........................................................................59
Bảng 3.3. Tính chất CTRSH thử nghiệm ......................................................................59
Bảng 3.4. Kết quả thành phần chất thải rắn thử nghiệm ...............................................60
Bảng 3.5. Một số chủng vi sinh vật trong chế phẩm ACF32 ........................................62
Bảng 4.1. Tỷ lệ BOD 5 /COD trong mơ hình đối chứng ................................................70
Bảng 4.2.Tỷ lệ VFA/độ kiềm trong mơ hình đối chứng ...............................................73
Bảng 4.3. Thống kê sản lượng khí sinh học thu được trong mơ hình đối chứng..........74
Bảng 4.4. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong nước rỉ theo thời gian ...................76
Bảng 4.5.Tỉ lệ BOD 5 /COD ...........................................................................................81
xii


Bảng 4.6. Thống kê sản lượng khí sinh học thu được trong mơ hình ...........................87
Bảng 4.7. Biến thiên nồng độ kim loại nặng theo thời gian .........................................90
Bảng 4.8. Tỉ lệ BOD 5 /COD trong hai mơ hình bổ sung chế phẩm ..............................93

Bảng 4.9.Tỉ lệ VFA/độ kiềm trong cả 2 mô hình .........................................................95
Bảng 4.10. Thống kê sản lượng khí sinh học thu được trong mơ hình có bổ sung chế
phẩm và hiệu quả phân hủy CTR ..................................................................................98
Bảng 4.11. Tổng hợp kết quả về sự phân hủy chất hữu cơ của thí nghiệm ................105
Bảng 4.12. Thống kê kết quả tính tốn thơng số động học cho 3 mơ hình.................117
Bảng 4.13. Hằng số động học Michaelis-Menten trong nghiên cứu của Cheng et al. 123
Bảng 4.14. Bảng thống kê các thông số động học ......................................................124

xiii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Lượng phát sinh CTR đơ thị của một số TP, tỉnh qua các năm 2005-2010 ...7
Hình 2.1.Phân giải kỵ khí các chất thải sinh học .........................................................26
Hình 2.2. Các giai đoạn của q trình hình thành khí bãi chơn lấp .............................36
Hình 2.3.Tốc độ sinh khí metan ...................................................................................45
Hình 2.4. Vai trò vi sinh vật của AquaClean trong quá trình phân hủy sinh học chất ơ
nhiễm hữu cơ ................................................................................................................49

Hình 3.1. Mơ hình thí nghiệm dạng đứng.....................................................................52
Hình 4.1. Sự biến thiên giá trị pH nước rỉ theo thời gian trong mơ hình đối chứng ....68
Hình 4.2. Sự biến thiên BOD 5 và COD của nước rỉ theo thời gian .............................69
Hình 4.3. Sự biến thiên giá trị SS theo thời gian trong mơ hình đối chứng .................71
Hình 4.4. Sự biến thiên VFA (a) và độ kiềm (b) trong nước rỉ theo thời gian trong mơ
hình đối chứng ...............................................................................................................72
Hình 4.5. Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo thời gian trong mơ hình đối chứng .......................73
Hình 4.6. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian trong mơ hình đối chứng .........74
Hình 4.7. Sự biến thiên nồng độ amoni của nước rỉ theo thời gian trong mơ hình đối
chứng .............................................................................................................................75
Hình 4.8. Sự biến thiên giá trị pH theo thời gian..........................................................77

Hình 4.9.Biểu đồ so sánh sự khác biệt pH ở giai đoạn ổn định(n= 23) ........................78
Hình 4.10. Sự biến thiên giá trị BOD 5 (a) và COD (b) theo thời gian đối với 3 mơ hình
có tỉ lệ tuần hồn khác nhau ..........................................................................................79
Hình 4.11. Biểu đồ so sánh sự khác biệt BOD 5 và COD ở giai đoạn ổn định (n = 13)
.......................................................................................................................................80
Hình 4.12. Sự biến thiên nồng độ SS theo thời gian ....................................................82
Hình 4.13. Sự biến thiên nồng độ VFA (a) và độ kiềm (b) theo thời gian ...................83
Hình 4.14. Biểu đồ so sánh sự khác biệt độ kiềm ở giai đoạn ổn định (n = 18)...........84
Hình 4.15. Tỉ lệ VFA/Độ kiềm theo thời gian đối với các mơ hình .............................85
xiv


Hình 4.16. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian................................................86
Hình 4.17. Biểu đồ so sánh sự khác biệt tốc độ sinh khí ở giai đoạn ổn định (n = 18) 86
Hình 4.18. Sự biến thiên nồng độ dinh dưỡng theo thời gian đối với mơ hình có tỉ lệ
tuần hồn 7,64 mL/m2.h (a) và 11,46 mL/m2.h (b) .......................................................89
Hình 4.19. Sự biến thiên pH trong 2 mơ hình theo thời gian .......................................92
Hình 4.20. Sự biến thiên COD trong 2 mơ hình theo thời gian ....................................93
Hình 4.21. Sự biến thiên SS trong 2 mơ hình theo thời gian ........................................94
Hình 4.22. Sự biến thiên nồng độ VFA trong 2 mơ hình theo thời gian ......................96
Hình 4.23. Sự biến thiên độ kiềm trong 2 mơ hình theo thời gian ...............................96
Hình 4.24. Sự biến thiên thể tích biogas theo thời gian trong hai mơ hình ..................97
Hình 4.25. Biểu đồ so sánh sự khác biệt tốc độ sinh khí trong 3 mơ hình (n = 18) .....98
Hình 4.26. Sự biến thiên nồng độ NH 4 + trong cả 2 mơ hình ........................................99
Hình 4.27. Sự biến thiên nồng độ TN trong cả 2 mơ hình .........................................100
Hình 4.28. Sự biến thiên nồng độ kim loại nặng trong (a) MH3.1; (b) MH3.2 .........101
Hình 4.29. Biến thiên TS theo thời gian trong các mơ hình .......................................103
Hình 4.30. Biến thiên VS theo thời gian trong các mơ hình.......................................104
Hình 4.31. Mức giảm VS (tính theo % VS/TS) theo thời gian trong các mơ hình ....104
Hình 4.32. Biến thiên TOC và hiệu suất khử TOC trong các mơ hình ......................106

Hình 4.33. Biến thiên hàm lượng nitơ hữu cơ và hiệu suất khử nitơ hữu cơ trong các
mơ hình ........................................................................................................................107
Hình 4.34. Biến thiên tỷ lệ C/N trong các mơ hình ....................................................109
Hình 4.35. Sự sụt giảm thể tích chất thải theo thời gian phân hủy kị khí...................110
Hình 4.36. Đờ thị xác định phương trình đợng học bậc 1 theo nồng độ cơ chất ........112
Hình 4.37. Đồ thị xác định phương trình động học b ậc 1 theo tốc độ sinh khí metan
.....................................................................................................................................113
Hình 4.38. Đờ thị xác định phương trình đợng học theo mơ hình Monod cho MH1 .114
Hình 4.39. Đờ thị xác định μ max và K d cho MH1 .......................................................115
Hình 4.40. Đờ thị xác định phương trình đợng học theo mơ hình Monod cho MH

2.1

.....................................................................................................................................115
Hình 4.41. Đờ thị xác định μ max và K d cho MH2.1 ....................................................116

xv


Hình 4.42. Đờ thị xác định phương trình đợng học theo mơ hình Monod cho MH

3.1

.....................................................................................................................................116
Hình 4.43. Đờ thị xác định μ max và K d cho MH3.1 ....................................................117
Hình 4.44.Đờ thị xác định R max cho MH1 ..................................................................118
Hình 4.45. Đờ thị xác định V m và K m cho MH1 ........................................................119
Hình 4.46. Đờ thị xác định giá trị β cho MH1 ............................................................119
Hình 4.47.Đờ thị xác định R max cho MH2.1 ...............................................................120
Hình 4.48. Đờ thị xác định V m và K m cho MH2.1 .....................................................120

Hình 4.49. Đờ thị xác định giá trị β cho MH2.1 .........................................................121
Hình 4.50. Đờ thị xác định R max cho MH3.1 ..............................................................121
Hình 4.51. Đờ thị xác định V m và K m cho MH3.1 .....................................................122
Hình 4.52. Đờ thị xác định giá trị β cho MH3.1 .........................................................122
Hình 4.53. Sơ đồ cấu tạo bãi chơn lấp có tuần hồn nước rỉ ......................................126
Hình 4.54. Bãi chơn lấp sinh học ................................................................................127

xvi


MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay quản lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH)đang là một vấn đề môi trường quan
trọng ở Việt Nam, nhất là ở các đô thị lớn. Sự tăng nhanh tốc độ đô thị hóa và mật độ
dân cư ở các thành phố đã làm tăng nhanh chóng lượng CTRSH phát sinh, gây ra
những áp lực lớn đối với hệ thống quản lý chất thải rắn đơ thị. Trong khi đótại các
vùngnơng thơn, CTRSH chưa được quan tâm quản lý và xử lý phù hợp CTRSH nông
thôn là một trong số các nguồn thải gây ô nhiễm môi trường nông thôn nghiêm trọng.
Tại Việt Nam, công nghệ xử lý CTRSH sử dụng phổ biến chủ yếu là chơn lấp, gần đây
có kết hợpvới compost (>90)[1]. Đây là công nghệ cho phép xử lý được tất cả chất thải
rắn, kỹ thuật vận hành đơn giản, phương pháp xử lý rẻ tiền và có khả năng thu hồi khí
sinh học. Tuy nhiên, chơn lấp CTRSH địi hỏi một diện tích đất khá lớn, trong khi quỹ
đất ở những thành phố lớn ngày càng trở nên khan hiếm và đắt đỏ. Thời gian để CTR
phân hủy hồn tồn rất lâu gây nên tình trạngthiếu đất chơn lấp. Ngoài ra, do thời gian
phân hủy chậm, các bãi chôn lấp là nguồn phát tán ô nhiễm vào không khí, nước mặt,
nước ngầm và tác động đến chất lượng đất trong khu vực chôn lấp.
Hiện nay, nhiều công nghệ xử lý CTRSH đã được đề xuất áp dụng, tuy nhiên, các công
nghệ mới dù đáp ứng điều kiện môi trường nhưngđịi hỏi nguồn lực tài chính và kỹ
thuật cao nên khó có khả năng áp dụng rộng rãi trong điều kiện Việt Nam. Mặt khác
nhiều bãi chôn lấp CTR đô thị đã được xây dựng và hoạt động theocác công nghệ

cũvới nhiều hạn chế về hiệu quả xử lý và an tồn mơi trường. Chính vì vậy, việc nâng
cấp công nghệ các bãi chôn lấp hiện hành vẫn là một yêu cầu quan trọng để nâng cao
hiệu quả xử lý.
Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường[2], trung bình một đơ thị có một bãi
chơn lấp CTR và hiện có tới 85-90% bãi chơn lấp khơng hợp vệ sinh. Nguy cơ gây ô
nhiễm môi trường cao, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân. Các bãi chôn lấp hoạt động
theo quy trình đơn giản, khơng chú trọng đến tốc độ phân hủy CTR và khả năng thu

1


hồi khí sinh học. Kết quả là thời gian phân hủy CTR kéo dài, lượng khí sinh học phát
sinh mùi, nước rỉ rác không được thu gom, phát tán và gây ảnh hưởng đáng kể đến môi
trường xung quanh khu vực lân cận.
Trong số các giải pháp, trong điều kiện ở Việt Nam vốn các bãi chôn lấp đang vận
hành và ngay cả các bãi sắp xây mới cần có những cải tiến về công nghệ cơ bản nâng
cao tốc độ phân hủy CTR trong bãi chôn lấp bằng giải pháp tuần hoàn nước rác và bổ
sung chế phẩm sinh học được xem là có tính khả thi cao.
Nghiên cứu của Francois et al. (2007)[3], Chan et al. (2002) [4] đã chứng minh rằng
tuần hoàn nước rỉ rác giúp tăng tốc độ phân hủy CTR, tạo điều kiện cho bãi chôn lấp
nhanh vào trạng thái hoạt động ổn định, rút ngắn giai đoạn acid hóa và metan hóa.
Nghiên cứu của San et al. (2001) [5] cũng xác định tuần hoàn nước rỉ rác có khả năng
gia tăng lượng metan tích lũy 1,7 – 2 lần so với trường hợp không tuần hoàn.
Nghiên cứu của BETCO[6] cho thấy việc bổ sung các chế phẩm sinh học giúp tăng
cường khả năng làm sạch chất thải, giải quyết hiệu quả ô nhiễm môi trường.Với
phương pháp này vi khuẩn, cũng như các enzyme chuyên hóa có lợi được sử dụng để
đẩy nhanh q trình tự nhiên, phân hủy các hợp chất phức tạp trong chất thải thành các
hợp chất đơn giản hay tạo ra các sản phẩm phân hủy có lợi cho con người như khí sinh
học.
AquaClean và các sản phẩm cốt lõi Microbe-Lift là một tập hợp các vi khuẩn hiếu khí,

kị khí, tuỳ nghi, hóa tổng hợp và quang hợp có khả năng xử lý hiệu quả BOD 5 , COD,
chất rắn lơ lửng, chất thải rắn tổng số, phenolic, hydrogen sulfide và các thành phần ô
nhiễm khác.
Giả thuyết khoa học của nghiên cứu là sử dụng chính sản phẩm phân giải tự nhiên của
bãi chôn lấp (nước rỉ rác) và bổ sung thêm chế phẩm sinh học. Tập hợp các loại vi
khuẩn sẽ giúp tăng cường khả năng phân hủy sinh học chất thải rắn sinh hoạt trong bãi
chôn lấp theo hướng có lợi cho mơi trường và tăng cường tạo khí sinh học. Thơng qua
những tác động này sẽ tăng cường và kéo dài tuổi thọ của các bãi chôn lấp theo công
nghệ cũ.

2


Từ các nhận định trên, nhằm tăng cường hiệu quả hoạt động xử lý trong các bãi chôn
lấp và giảm thiểu ô nhiễm môi trườngcho các bãi chôn lấp hiện hành ở Tp.HCM, đề tài
“Nghiên cứu nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn sinh hoạttrong điều kiện mô
phỏng bãi chôn lấp” đượcnghiên cứu sinh chọn và thực hiện. Định hướng của luận án
là xác định các điều kiện phù hợp nâng cao tốc độ phân hủy CTRSH, xử lý hiệu quả
thành phần ô nhiễm hữu cơ và thu hồi tối ưu lượng khí sinh học phục vụ cho nhu cầu
cung cấp năng lượng.
2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN
Mục tiêu của luận ánlà:
-

Nâng cao tốc độ phân hủy CTRSHtrong điều kiện mơ phỏng bãi chơn lấp bằng
cơng nghệ tuần hồn nước rỉ rác kết hợp với bổ sung chế phẩm sinh học.

-

Đề xuất giải pháp cơng nghệ tuần hồn nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học

nhằmnâng cao hiệu quả phân hủy CTRSHtại các bãi chôn lấp hiện hữuvới các quy
mô khác nhau trong điều kiện Việt Nam.

3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu của đề tài, các nội dung nghiên cứu sau đã được
thực hiện:
-

Xác định thành phần và tính chất CTRSH tại TP.HCMtheođịnh hướng thu hồi năng
lượng sinh khối.

-

Thực hiện thí nghiệm nâng cao tốc độ phân hủy chất thải rắn trong điều kiện mô
phỏng bãi chôn lấp CTRSH với 3 kiểu mơ hình:


Mơ hình 1: Mơ hình đối chứng - mơ hình chơn lấp CTR, khơng tuần hồn
nước rỉ rác và khơng bổ sung chế phẩm sinh học.



Mơ hình 2: Mơ hình chơn lấp CTR có tuần hồn nước rỉ rác nhằm đảm bảo
cung cấp độ ẩm cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của vi khuẩn.



Mô hình 3: Mơ hình chơn lấp CTR, kết hợp tuần hoàn nước rỉ rác và bổ
sung chế phẩm sinh học.

3


Các thơng số cần khảo sát trong các mơ hình: hiệu quả phân hủy sinh học thành
phần hữu cơ, tỉ lệ tuần hoàn và hàm lượng chế phẩm phù hợp.
-

Xác định các thơng số động học của q trình phân hủy sinh học kị khí;

-

Đề xuất giải pháp cơng nghệ, áp dụng kết quả nghiên cứu nhằmnâng cao tốc độ
phân hủy chất thải rắn trong điều kiện các bãi chôn lấp.

4.TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Sử dụng bãi chơn lấp để xử lý CTRSH là giải pháp được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam
hiện nay, trong đó cơng nghệ chủ yếu là chôn lấp hợp vệ sinh. Công nghệ tuần hoàn
nước rỉ rác và bổ sung chế phẩm sinh học nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy
CTRkhông phải là vấn đề khoa học mới trên thế giới. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và
ứng dụng các công nghệ này ở Việt Nam vẫn cịn khá mới mẻ.Bên cạnh đó, luận án
cịn bước đầu nghiên cứu về thông số động học của quá trình phân hủy chất thải rắn
trong điều kiện kỵ khí với các mơ hình động học khác nhau như động học bậc 1,
Monod và Michaelis-Menten. Giá trị hằng số động học k được xác định là 0,052-0,053
ngày-1.Kết quả của nghiên cứu sẽ gópphần hồn thiện thêm lý thuyết về xử lý sinh học
CTRSH và áp dụng cho những điều kiện kỹ thuật tương tự như Việt Nam.
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận án được thực hiện với phạm vi nghiên cứu là bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt
hợp vệ sinh trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học

• Xác định công nghệ để nâng cao hiệu quả phân hủy chất thải rắn trong điều kiện
bãi chôn lấp ở Việt Nam;
• Đề xuất được quy trìnháp dụng nhằm nâng cao, cải tiến công nghệ phân hủy chất
thải rắn hiện hữu phù hợp với điều kiện Việt Nam;
• Xác định thơng số động học đánh giá khả năng phân hủy CTRSH trong điều kiện
mô phỏng bãi chôn lấp.

4


Ý nghĩa thực tiễn
• Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc cải tiến, nâng cấp kỹ thuật để nâng cao hiệu
quả xử lý CTRSH cho các bãi chôn lấp chất thải rắn hiện hữu ở Việt Nam do các
bãi này được thiết kế theo công nghệ cũ và vẫn tiếp tục vận hành. Vì vậy, nâng cao
hiệu quả phân hủy sinh học có tác dụng khắc phục hạn chế về hiệu quả phân hủy
CTRSH của bãi chôn lấp, từ đó kéo dài tuổi thọ của bãi chơn lấp.
• Nghiên cứu có khả năng triển khai tại các bãi chơn lấp CTRSHở các tỉnh và thành
phố trong cả nước.
• Tăng cường hiệu quả xử lý, giảm thiểu tác động mơi trường, thu hồi khí sinh học
của các bãi chơn lấp hiện hữu ở Việt Nam.

5


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT
1.1. CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT
1.1.1. Hiện trạng phát sinh CTRSH
Tổng lượng CTR phát sinh ở các đô thị Việt Nam tăng trung bình 10-16 % mỗi năm,
trong đó khối lượng CTRSH chiếm khoảng 60 - 70% tổng lượng CTR đô thị (một số
đô thị tỷ lệ này lên đến 90%)[2]. Lượng CTRSH phát sinh ở TP. Hồ Chí Minh khoảng

6.585 tấn/ngày, Hà Nội khoảng 6.500 tấn/ngày[1]. Tỷ lệ thu gom trung bình ở các đơ
thị từ 72% năm 2004 tăng lên khoảng 80 - 82% năm 2008 và đạt khoảng 83 - 85% cho
năm 2010. Mặc dù tỷ lệ thu gom có tăng nhưng vẫn cịn khoảng 15 - 17% CTR đô thị
chưa được thu gom xử lý mà được thải thẳng ra môi trường, vào bãi đất, hố đất, ao hồ,
hoặc đốt lộ thiên gây ô nhiễm môi trường[2].
Bảng 1.1. CTR đô thị phát sinh các năm 2007 – 2010 và ước tính lượng CTR đơ thị
phát sinh đến năm 2025 (tấn) [1]
Nội dung
Dân số đô thị (triệu
người)
% Dân số đô thị so với
cả nước
Chỉ số phát sinh CTR
đô thị (kg/người/ngày)
Tổng lượng CTR đô thị
phát sinh (tấn/ngày)

2007

2008

2009

2010

2015

2020

2025

23,80

27,70

25,50

26,22

35,00

44,00

52,00

28,20

28,99

29,74

30,20

38,00

45,00

50,00

0,75

0,85

0,95

1,00

1,20

1,40

1,60

17.682 20.849 24.225 26.224 42.000 61.600 83.200

Lượng CTRSH đô thị tăng mạnh ở các đơ thị lớn như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Tp.
Đà Nẵng, nơi có tốc độ đơ thị hóa, cơng nghiệp hóa tăng nhanh. Cịn một số đơ thị nhỏ
như Thái Bình, Nam Định, Vĩnh Long, Tiền Giang, Sóc Trăng, v.v... tăng khơng nhiều
do tốc độ đơ thị hóa khơng cao (hình 1.1). Tỷ lệ CTR gia tăng cao tập trung ở các đô
6


thị đang có xu hướng mở rộng, phát triển mạnh cả về quy mô lẫn dân số và các khu
công nghiệp như các đô thị tỉnh Phú Thọ (19,9%), Phủ Lý (17,3%), Hưng Yên
(12,3%), Rạch Giá (12,7%), Cao Lãnh (12,5%) v.v... Các đơ thị khu vực Tây Ngun
có tỷ lệ CTR gia tăng đồng đều hàng năm với tỷ lệ ít hơn (khoảng 5%).

Hình 1.1. Lượng phát sinh CTR đơ thị của một số TP, tỉnh qua các năm 2005-2010[7]
Mức độ đơ thị hóa cao, sự dịch chuyển dân cư ra thành thị, mức sống được cải thiện,
tiêu dùng đa dạng, các thành phố lớn có kinh tế phát triển như Hà Nội, Tp. Hồ Chí

Minh, Hải Phịng, Đà Nẵng, v.v... nên lượng CTR đô thị tăng và thành phần phức tạp.
Ước tính chỉ số phát sinh CTR đơ thị trung bình ở Việt Nam trong những năm 2015,
2020, 2025 vào khoảng 1,2; 1,4 và 1,6 kg/người/ngày [1].
Bảng 1.2. Chất thải rắn phát sinh tại các khu vực[7]
Lượng phát sinh

Khu vực

(tấn/ngày)

Trung du và miền núi phía Bắc

Vùng 1

1.629

Đồng bằng sơng Hồng và vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ Vùng 2

8.283

Duyên hải Trung bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Vùng 3

4.815

Tây Ngun

Vùng 4

1.417

Đơng Nam Bộ và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam

Vùng 5

15.563

Đồng bằng sơng Cửu Long

Vùng 6

3.372

7