Thiết kế hệ thống thu gom & tận dụng khí bãi rác của bãi chôn lấp phục vu 2 triệu dân

ự phát triển đầy triển vọng. Tuy nhiên, song song với sự phát triển đó, đã làm nảy sinh nhiều vấn đề môi trường. Tại các thành phố, các khu công nghiệp, chất lượng môi trường hầu như đang có chiều hướng xấu đi, trở thành nguy cơ đe doạ cuộc sống không chỉ đối với những người lao động trực tiếp với môi trường ô nhiễm, mà còn đối với cả khu dân cư lân cận. Một trong những vấn đề môi trường đang được đề cập đến hiện nay đối với các nước phát triển trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng là vấn đề chôn lấp chất thải rắn và ảnh hưởng của nó tới môi trường. Việt Nam hiện nay có trên 150 bãi chôn lấp chất thải rắn các loại, nhưng trong số đó phần lớn các bãi chôn lấp là không đủ tiêu chuẩn của bãi chôn lấp hợp vệ sinh, vì vậy mà các bãi chôn lấp này đã và đang gây ra những ảnh không nhỏ tới môi trường. Bên cạnh những ảnh hưởng do hoạt động chôn lấp, ảnh hưởng của nước rác thì ảnh hưởng tới môi trường do khí sinh ra từ bãi chôn lấp chất thải rắn cũng là một vấn đề cần được quan tâm và xem xét. Khí sinh ra từ bãi chôn lấp chất thải rắn hay còn gọi là khí bãi rác (Landfill gas), với thành phần khí Cacbonic, Metan và một lượng nhỏ các thành phần khí độc hại khác không chỉ gây nguy hiểm do cháy nổ và là nguồn gây ô nhiễm môi trường sinh thái. Nhận thức được vấn đề đó, nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Mỹ, Canada, Đức … đã quản lý và kiểm soát rất hiệu quả khí bãi rác, không chỉ giảm tối thiểu những ảnh hưởng môi trường mà hơn thế nữa họ còn tận dụng làm khí đốt hay sản xuất điện… ở Việt Nam, kiểm soát và tận dụng khí bãi rác chưa được nghiên cứu nhiều. Hầu hết các bãi chôn lấp chất thải rắn trên cả nước chưa có hệ thống kiểm soát khí bãi rác thật triệt để, đã và đang gây ra những ảnh hưởng tới môi trường sinh thải đặc biệt là khu vực dân cư lân cận. Xuất phát từ mục tiêu nâng cao chất lượng môi trường sống, đảm bảo vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng tới môi trường của chất thải rắn đô thị nói chung và khí bãi rác nói riêng, đồ án:’ thiết kế hệ thống thu gom và tận dụng khí bãi rác của bãi chôn lấp phục vu 2 triệu dân ’.Nhằm đưa ragiải pháp thích hợp trong việc kiểm soát những ảnh hưởng môi trường của bãi chôn lấp chất thải rắn. Nội dung của đồ án gồm các phấn sau: Chương I: Tổng quan về phương pháp chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh. chương ii: Thiết kế tổng thể cho bãi chôn lấp chất thải rắn phục vụ cho 2 triệu dân. chương III: Dự tính lượng khí rác sinh ra tại bãi chôn lấp phục vụ 2 triệu dân. chương IV: Thiết kế hệ thống thu gom và tận dụng khí bãi chôn lấp phục vụ 2 . Chương I Tổng quan về phương pháp chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh. 1.1 Sự ra đời và vai trò của phương pháp chôn lấp chất thải hợp vệ sinh. Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp xử lý có hiệu quả. Tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế – xã hội, trình độ công nghệ và điều kiện tự nhiên của mỗi nước mà áp dụng các biện pháp cho thích hợp. Trong các phương pháp xử lý chất thải thì phương pháp chôn lấp là phổ biến nhất, phù hợp với các nước nghèo, đất đai rộng. Phương pháp này có thể áp dụng với nhiều loại chất thải khác nhau như rác thải hữu cơ, bùn thải, các chât trơ bị loại ra trong quá trình làm phân compost hay cho sau khi đốt chất thải. 1.2 Tình hình chôn lấp chất thải rắn ở các nước trên thế giới và trong khu vực 1.3 Sơ lược về chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh 1.3.1 công nghệ xử lý nước rác. 1.3.2 công nghệ xử lý khí rác chương ii:thiết kế tổng thể cho bãi chôn lấp chất thải rắn phục vụ cho 2 triệu dân. 2.1 lựa chọn địa điểm xây dựng bãi chôn lấp. 2..2.1 điều kiện tự nhiên . Điều kiện tự nhiên như địa hình, địa chất, điều kiện khí tượng, thuỷ văn có ảnh hưởng rất lớn đến việc phân huỷ rác, đến việc hình thành và phát tán nước rác, khí rác ra môi trường xung quanh. Dưới đây là giả thiết về điều kiện tự nhiên của khu vực xây dựng bãi chôn lấp rác. 1. Địa hình địa mạo Khu vực xây dựng khu xử lý chất thải nằm trong khu vực có lớp đá nền chắc, đồng nhất, không có lớp đá vôi cũng như các vết nứt kiến tạo. 2. Khí hậu. 2.2.2 điều kiện kinh tế xã hội. 2.2 tính toán lượng rác thải và quy mô bãi chôn lấp rác 2.2.1 khối lượng rác thải Khối lượng rác thải được tính trên các thông số: Quy mô dân số. Tiêu chuẩn rác thải. Tỷ lệ thu gom. Quy mô dân số. Giả thiết năm 2003. dân số nội thị của 1 đô thị là 2 triệu người. tỷ tăng dân số tự nhiên 2%. Để tính toán lượng rác thải. ta giả thiết dân số từ nay đến năm 2013. mỗi năm tăng 5% (bao gồm cả tỷ lệ tăng tự nhiên và tỷ lệ tăng cơ học). Tiêu chuẩn thải rác. Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam. tiêu chuẩn thải rác của khu đô thị lớn là 0.8-1.2 kg/người. Để tính toán lượng rác thải. ta lấy tiêu chuẩn thải rác là 0.6kg/người.ngày. Tỷ lệ thu gom rác. Giả thiết hiện tại rác thải hàng ngày của thành phố có tỷ lệ thu gom và tiêu chuẩn thải rác như sau: Bảng 2.1: Tiểu chuẩn thải rác và tỷ lệ thu gom trong các giai đoạn. Giai đoạn 2003 2004-2008 2008-2013 2013-2023 Tiêu chuẩn rác thải (kg/người.ngày) 0.6 0.6 0.6 0.7 Tỷ lệ thu gom rác 80% 85% 85% 90% Tính lượng rác thải giai đoạn 1 từ 2003-2008. Lượng rác thải phát sinh là: GrácSH =N(1+q)xg Trong đó: N – Số dân (người). GrácSH – lượn rác phát sinh hàng ngày. Tỷ lệ tăng dân số( tỷ lệ tăng tự nhiên + tỷ lệ tăng cơ học). g – Tỉêu chuẩn rác thải hàng ngày (kg/người.ngày). Với năm đầu tiên tính toán lượng rác thì q= 0. ta có số dân là N=2 triệu người. g=0.6 kg/người.ngày. Thay số vào ta có: GrácSH =2.000.000x(1+0)x0.6=1.200.000kg/ngày=1.200tấn/ngày Lượng rác phát sinh trong 1 năm là: 1.200tấn/ngày x 365ngày=438.000 tấn/năm. Lượng rác đem xử lý tại bãi chôn lấp trong 1 năm là: GrácSHCL =GrácSH x P P- Tỷ lệ thu gom rác. năm 2003 lấy P=80% Thay số ta có: GrácSHCL =438.000 x 80%=350.400 tấn/năm. Với các năm 2004- 2008 tính toán tương tự như năm 2003. nhưng với tỷ lệ tăng dân số mỗi năm 5% và tỷ lệ thu gom rác P=85%. Tính toán giai đoạn 2 từ 2009-2013. Giai đoạn này ta cũng tính với dân số tăng 5% mỗi năm và tiêu chuẩn thải rác là g=0.6 kg/người.ngày. nhưng tỷ lệ thu gom rác tăng lên thành 90%. Tính toán với giai đợan 3 từ năm 2014-2023. Lượng rác thải trong năm 2014 được tính với tỷ lệ thu gom là 95% và lượng rác thải trung bình của người dân là 0.7kg/người.ngày. Dân số trong năm này tăng 5% mỗi năm so với năm 2013. Bảng 2.2: lượng rác thải phát sinh và đem chôn lấp trong các giai đoạn. Năm Dân số (ngàn.gười) Tiêu chuẩn thải rác(kg/người.ngày) Tổng lượng rác phát sinh (tấn) Tỷ lệ thu gom(%) Lượng rác đưa đến bãi chôn lấp (tấn) Giai đoạn I 1.989.701 2003-2004 2.000 0,6 438.000 0,80 350.400 2004-2005 2.038 0,6 468.638 0,85 398.342 2005-2006 2.077 0,6 477.606 0,85 405.965 2006-2007 2.116 0,6 486.574 0,85 413.588 2007-2008 2.156 0,6 495.772 0,85 421.406 Giai đoạn II 2.230.560 Từ năm 2009-2013 2009 2.196 0,6 505.200 0,85 429.420 2010 2.239 0,6 514.858 0,85 437.629 2011 2.282 0,6 524.745 0,85 446.034 2012 2.325 0,6 534.634 0,85 454.439 2013 2.369 0,6 544.752 0,85 463.038 Giai đoạn III 6.353.689 Từ năm 2013-2023 2014 2.414 0,7 647.616 0,9 582854 2015 2.460 0,7 659.957 0,9 593961 2016 2.507 0,7 672.565 0,9 605309 2017 2.555 0,7 685.443 0,9 616898 2018 2.604 0,7 698.588 0,9 628729 2019 2.653 0,7 711.734 0,9 640560 2020 2.703 0,7 725.147 0,9 652632 2021 2.754 0,7 738.829 0,9 664946 2022 2.806 0,7 752.780 0,9 677502 2023 2.859 0,7 766.998 0,9 690298 2.2.2 quy mô bãi chôn lấp Giai đoạn I: Lượng rác thải đem đi chôn lấp là 1.989.701 tấn. Thể tích rác đem chôn lấp trong giai đoạn I là: vrác =Grác SHCL/ rrác (m3) Trong đó : rrác –Tỷ trọng rác (lấy bằng 0,42 tấn/m3) vrác=1.989.701/0,42=4.737.383 m3. Thể tích rác sau khi đầm nén với hệ số k=0.75: ị vrác nén= vrácx k= 4.737.383 x 0,75 =3.553.038 m3 Diện tích bãi chôn lấp: ị S1 = Vrácnén/ h Chọn chiều sâu chôn rác là h=18m thì diện tích bãi chôn lấp là: ị S1 =3.353.038/21=263.188 m2 Giai đoạn II: Lượng rác thải đem đi chôn lấp là 2.230.560 tấn. Thể tích rác đem chôn lấp trong giai đoạn I là: ị Vrác=2.230.560/0,42=5.310.857 m3 Thể tích rác sau khi đầm nén với hệ số k =0,75: ị Vrác =5.310.857x 0,75 =3.983.143 m3 Diện tích bãi chôn lấp là: ị S2=3.983.143/21=221.286 m2 Giai đoạn III: Lượng rác thải đem đi chôn lấp là 6.353.689 tấn. Thể tích rác đem chôn lấp trong giai đoạn I là: ị Vrác=6.353.689/0,42=15.127.831 m3 Thể tích rác sau khi đầm nén với hệ số k =0,75: ị Vrác =15.127.831 x 0,75 =11.345.873 m3 Diện tích bãi chôn lấp là: ị S3 =11.345.873/21=630.326 m2 Vậy diện tích cần thiết để chôn rác là: S = S1 + S2 + S3 =263.188 + 221.286 + 630.326 = 1.114.800 m2= 112 ha Diện tích khu bãi phải lớn hơn diện tích cần chôn lấp rác do đó cần bố trí đất cho khu phụ như văn phòng quản l‎ý, đường vận chuyển khu xử l‎ý nước rác, khu xử lý khí bãi rác,...Ta chọn diện tích khu quản lý này chiếm 20% tổng diện tích khu bãi. Có nghĩa là diện tích khu quản lý chiếm 20%, còn diện tích khu chôn lấp rác chiếm 80%’Bộ khoa học công nghệ môi trường-1998-Hội thảo tư vấn về lựa chọn địa điểm, thiết kế quản lý bãi chôn lấp’. Diện tích khu quản lý bãi là: Squản lý =20x112/80 =28 ha Vậy tổng diện tích bãi chôn lấp là: Sbãi=Srác + Squản lý = 112 + 28 = 140 ha 2.3 thiết kế tổng thể bãi chôn lấp Mặt bằng tổng thể của bãi chôn lấp trong giai đoạn I và II gồm các mục như sau. 2.3.1 bố trí mặt bằng các ô chôn lấp và vận hành các ô chôn lấp. Với diện tích cần để đào hố chôn rác là 112 ha, toàn bộ bãi chôn lấp được chia làm 20 ô chôn rác, diện tích của mỗi ô chôn rác là 56.000m2. Giả thiết mỗi ô chôn cách nhau 1 năm. Ô chôn lấp: - Diện tích: 56.000 m2 (rộng trung bình 200m, dài 280m). - Độ sâu chôn lấp trung bình: 18m (Độ cao đáy bãi +5) - Thời gian vận hành 5 năm. Rác được chia thành 6 lớp, mỗi lớp dày 3m, khoảng 10 tháng đổ đầy 1 lớp. Tại vị trí chọn làm bãi chôn lấp có nhiều đồi núi cao, mực nước ngầm thấp nên tôi chọn phương pháp nửa chìm nửa nổi, với độ sâu bãi khoảng 16m, độ cao vận hành trên mặt đất khoảng 2m. Phương pháp vận hành cho bãi chôn lấp rác thải: Dự tính rác thải trong ngày được tập kết vào bãi chôn lấp rác từ đầu bãi đến cuối bãi theo kiểu lấn dần. Sau đó xe ủi san và đầm nén thành từng lớp (mỗi lớp có chiều cao đầm nén không quá 60cm ) cho đến khi đạt độ dày 3m. Việc thực hiện đầm nén được thực hiện bởi máy đầm chân cừu và xe ủi bánh xích. Cứ sau mỗi lớp, rác được phủ 1 lớp đất sét pha dày 30cm. Sau mỗi ngày chôn lấp cũng phải phủ 1 lớp đất dày tương tự lên rác và được đầm nén. Trong quá trình chôn lấp, rác thường xuyên được phun thuốc diệt côn trùng và dùng chế phẩm EM. Sau khi rác được đổ đày đến độ cao mong muốn, trên bề mặt của lớp rác được phủ 1 lớp đất sét chống thấm dày 30cm, trên cùng phủ 1 lớp đất dày 50cm để trồng cây xanh trên bãi Sau một thời gian sau khi đã hoàn thổ, có thể san ủi bãi rác và làm sân vui chơi giải trí như: sân gon, công viên... 2.3.2 đê bao, độ dốc các ô chôn lấp, mái dốc taluy đào các ô chôn lấp. Bảng :độ dốc các ô chôn lấp,mái dốc taluy đào các ô chôn lấp. Ô chôn lấp Độ dốc dọc ô 1-3% Độ dốc ngang ô 5-8% Mái taluy đào m =1:0,75 a m=a:b=1:0.75 b Ngăn cách các ô là đê bao. Đê được đắp cao 10m, mặt đê rộng 1.5m, độ dốc mái đê m=1:1.5 m=a:b=1:1.5 a b 2.3.3 hệ thống giao thông Để đảm việc vận chuyển chất thải vào khu vực chôn lấp trong mọi thời tiết, ta xây dựng đường từ ngoài vào dài với mặt đường nhựa 3,5m , nền đường rộng 6,5m. Đường trong khu xử lý gồm 2 đoạn: - Đoạn vào khu xử lý nước thải dài với mặt đường nhựa rộng 3,5m và nền đường rộng 6,5m. - Đoạn vào các ô chôn lấp 2.3.4 khu điều hành sản suất. Khu điều hành sản xuất được bố trí ở đầu bãi chôn lấp gồm các công trình: - Nhà làm việc và nhà nghỉ của các cán bộ - Gara ôtô và cầu rửa xe - Các nhà thường trực và trạm cân 2.3.5 hệ thống chống thấm, thu gom và xử lý nước rác Để hạn chế sự gây ô nhiễm của nước rác tới nước ngầm, nước mặt khu vực bãi chôn rác, toàn bộ bãi chôn lấp rác được chống thấm thành và đáy bãi đồng thời dưới đáy bãi có hệ thống thu gom nước rác. Nước rác thu gom được dẫn về khu xử lý. Tại đây nước rác được xử lý đạt tiêu chuẩn loại B rồi thải ra sông hay ra suối. 2.3.6 hệ thống thu gom nước mưa Toàn bộ nước mưa xung quanh bãi chôn lấp được thu dẫn vào hệ thống rãnh rồi đổ ra sông hoặc suối. Trong thời gian xây dựng bãi, nước mưa trong bãi được dẫn qua đê bằng ống bêtông cốt thép và đổ ra ngoài. 2.3.7 hệ thông thu gom khí rác Để hạn chế cho việc gây ô nhiễm môi trường và gây cháy nổ ở bãi rác, toàn bộ bãi có bố trí hệ thống giếng thu khí gas và khí gas được tập chung lại để chuyển thành điện năng hoặc năng lượng phục vụ cho con người 2.3.8 hệ thống cấp nước - Cấp nước sinh hoạt dùng giếng khoan để bơm - Cấp nước phun cho rác và rửa xe dùng nước ở hồ sinh học của khu xử lý nước rác 2.3.9 hệ thống điện cấp cho toàn khu. Xây dựng trạm biến áp để cấp điện cho các nhu cầu: - Để chiếu sáng dọc đường vào khu chôn lấp chất thải dài? - Chiếu sáng cho nhà điều hành sản xuất. - Cấp điện động lực cho khu xử lý nước rác 2.3.10 hệ thống quan trắc môi trường ở bãí rác Bất kỳ một bãi chôn lấp nào dù nhỏ hay lớn đều cần phải có quan trắc môi trường để kiểm soát được những biến đổi về môi trường tại khu vực. Quan trắc môi trường tại bãi rác gồm môi trường nước, không khí, đất, sức khoẻ con người. Môi trường nước Nước mặt - Điểm quan trắc: tiến hành quan trắc tại 4 điểm đó là điểm đầu vào của khu vực xử ‎ lý nước rác, điểm thượng lưu suối (hoặc sông), điểm hạ lưu suối (hoặc sông). - Các yếu tố quan trắc : Lưu lượng và thành phần hoá học Thành phần hoá học của mẫu nước mặt và nước thải so với điều kiện tiêu chuẩn môi trường nươc Việt Nam. Các chỉ tiêu cần quan trắc của mẫu nước mặt: Nhiệt độ, độ PH, tổng chất rắn lơ long, DO, BOD5 ,COD, NH4+, NO3-, NO2-, tổng phenol, CN-, dầu mỡ, chất tảy rửa, tổng Fe, As, Cd, Pd, Hg,Cr+6, Cr+3,Mn, Zn, Sn, tổng Coliform, Fecal coliform. -Tần suất quan trắc: + Lưu lượng: 2 tháng/lần +Thành phần hoá học: 3 tháng/lần (riêng các chỉ tiêu kim loại nặng 1 năm/lần) Nước ngầm - Điểm quan trắc: Tiến hành quan trắc tại 2 điểm đó là tại điểm cấp nước giếng sinh hoạt cho khu xử lý rác thải và điểm tại phía cuối bãi rác - Các yếu tố quan trắc: Thành phần hoá học Thành phần hoá học của mẫu nước ngầm được so với tiêu chuẩn môi trường Việt Nam. Các chỉ tiêu cần quan trắc của mẫu nước ngầm: Nhiệt độ, độ pH, tổng chất rắn lơ long, màu, NH4+, NO3-, tổng Fe, As, Cd, Pd, Hg,Cr+6, Cr+3,Mn, Zn, Sn, tổng Coliform, Fecal coliform. - Tần suất quan trắc: 3 tháng/lần (riêng các chỉ tiêu kim loại nặng quan trắc 1 năm/ lần). Không khí, đất và sức khoẻ con người Không khí - Điểm quan trắc: Tiến hành quan trắc tại 4 điểm đó là tại trạm xử lý nước rác, điểm tại khu nhà điều hành sản xuất, điểm tại phía cuối bãi rác và điểm tại giữa bãi rác. - Các yếu tố quan trắc: Thành phần khí phát tán, nhiệt độ, tiếng ồn. Các chỉ tiêu mẫu khí được so với tiêu chuẩn Việt Nam. - Các chỉ tiêu cần quan trắc của mẫu khí: Nhiệt độ, NH3 , NOX ,CO, CO2, CH4, SO2, các cấu tử vết. - Tần suất quan trắc: 3 tháng/lần. Độ sụt lún của đất Quan trắc kiểm tra độ sụt lún của lớp phủ và thảm thực vật, tần suất quan trắc 2 lần/năm. Sức khoẻ con người Cán bộ công nhân viên làm việc tại bãi rác cần được kiểm tra sức khoẻ định kì 6 tháng. chương III: dự tính lượng khí rác sinh ra tại bãi chôn lấp phục vụ 2 triệu dân. 3.1 cơ sở lý thuyết về sự hình thành khí rác. Khi chôn lấp rác xảy ra cùng lúc và kết hợp lẫn lộn giữa các phản ứng Phản ứng phân huỷ chất hữa cơ bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí tạo CO2, sau đó là quá trình yếm khí tạo ra CH4, CO2, H2O, NH3.v.v. Các biến đổi vật lý như sự khuyếch tán khí bãi rác thải vào không khí và vào nước rác và nước rác lại di chuyển vào nước ngầm, nước mặn, đất.v.v. Các phản ứng hoá học không kiểm soát được như phản ứng hoà tan, hoá hơi, bốc hơi, hấp thụ, phân huỷ, ôxi hoá khử.v.v. Dưới đây là cơ sở lý thuyết của sự hình thành khí bãi rác, thành phần của khí bãi rác và sự di chuyển của chúng vào môi trường xung quanh. 3.1.1 các giai đoạn xảy ra trong quá trình phân huỷ rác thải. Khí bãi rác là sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữa cơ có trong bãi chôn lấp. Nhìn chung sự hình thành khí bãi rác được xảy ra theo 5 giai đoạn. Giai đoạn I: Sự phân huỷ hiếu khí các hợp chất hữa cơ nhờ các vi sinh vật trong đất, trong nước rác. Phản ứng xảy ra như sau: Vi sinh Chất hữu + o2 Dinh đ Chất hữu CO2 + H2O + NH3 + Q Cơ Dưỡng Vật Cơ mới Sinh Khối Giai đoạn II: Lượng ôxi bắt đầu cạn kiệt, xảy ra các bước ban đầu của quá trình yếm khí đó là thuỷ phân axit hoá. Các gốc NO3-, SO42- bị khử thành N2, S2, pH của nước rác thải giảm là do hình thành các axít hữa cơ và sưj có mặt của CO2 trong bãi. Giai đoạn III: Giai đoạn này diễn ra quá trình axít hoá các sản phẩm thuỷ phân các chất hữa cơ lượng tử lớn (như lipit, protêin.v.v.) tạo thành các axít hữa cơ như: axít axêtic, axít fulvic, các axít hữa cơ phức tạp khác và một lượng nhỏ H2, khí CO2 được tạo ra chủ yếu ở giai đoạn này. Tác nhân của giai đoạn này là vi khuẩn kỵ khí, pH của nước giảm xuống còn dưới 5 sẽ làm tăng độ hoà tan của kim loại nặng trong bãi rác. BOD5, COD, độ dẫn điện của nước rác cũng tăng. Giai đoạn IV: Giai đoạn này xảy ra quá trình biến đổi các sản phẩm của giai đoạn axít hoá thành CH4 và CO2 dưới tác nhân chủ yếu của vi khuẩn mêtan hoá, pH của nước rác giảm xuống dẫn tới giá trị 6,8 đến 8 và độ hoà tan các kim loại nặng cũng giảm giá trị BOD%, COD, độ dẫn điện của nước rác cũng giảm. Giai đoạn V: Giai đoạn phân huỷ các hợp chất hữa cơ đẫ xong và trong bãi chỉ còn các chất hữa cơ khó phân huỷ sinh học. Giai đoạn này có thể kéo dài từ 5 đến 50 năm. 3.1.2 các yếu tố ảnh hưởng đến lượng và thành phần khí rác. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân huỷ của bãi rác thải là: Nhiệt độ, độ ẩm của rác thải, độ pH, các vi sinh vật… 1. ảnh hưởng của nhiệt độ. Các quá trình sinh học và hoá học là các quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ. Các vi sinh vật khác nhau sẽ có phạm vi nhiệt độ tối ưu khác nhau. Người ta chia các vi khuẩn theo nhiệt độ tối ưu thành: Vi khuẩn ưa lạnh (psychrophil): To < 20oC Vi khuẩn ưa ấm (mesọphil): To=20-40oC Vi khuẩn ưa nóng (thermophil): To>40oC Vi khuẩn methan hầu hết là mesophil, tuy nhiên cũng có vài chủng vi khuẩn methan là thermophil. Vi khuẩn methan rất nhạy cảm với sự dao động của nhiệt độ, chỉ cần dao động 2oC là có thể dẫn tới sự tổn thất hoạt lực (R.Braun-Springer Verlag, Wien, New York,1982: Biogas – Methangarung organischer Abfallstoffe). Khi nhiệt độ cao, trong bãi chủ yếu tồn tại các vi khuẩn thermophil. Một số chủng vi khuẩn methan thermophil tồn tại với số lượng ít hơn, do đó chúng quyết định giai đoạn hình thành khí, lượng khí sinh sẽ giảm. Cũng như vậy khi nhiệt độ quá thấp, các vi khuẩn psychrophil phát triển. Vi khuẩn methan không phát triển được ở nhiệt độ này, do vậy lượng khí methan cũng giảm. 2. ảnh hưởng của độ ẩm rác thải. Vi khuẩn methan phát triển trong môi trường yếm khí nghiêm ngặt và trong môi trường có độ ẩm cao. Theo một vài điều tra đã chỉ rằng, lượng khí methan sản sinh lớn nhất khí độ ẩm của chất thải rắn vào khoảng 60-80%. ở độ ẩm này, các vi khuẩn sẽ được phân tán và di chuyển dễ dàng trong khối chất thải, chúng sinh sản các bào tử. Tuy nhiên ở độ ẩm cao, các chất hữu cơ cùng các bào tử sẽ theo nước rác ra ngoài làm giảm thể tích sinh khí CH4. Khi nghiên cứu thời gian lưu của nước trong bãi chôn lấp chất thải tại phòng thí nghiệm, Munasingel ( Canada-1996) đã thấy rằng khi giảm thời gian lưu của nước trong khối chất thải rắn sẽ làm tăng thành phần khí CH4 và giảm thành khí CO2 trong khí tạo thành [Các tạp chí – khoa học – công nghệ – môi trơờng]. Như vậy thời gian lưu của nước có ảnh hưởng tới hoạt động của vi khuẩn tạo khí Methan. Thời gian lưu đó có thể thay đổi khi lượng nước mưa thấm vào, nhưng trên thực tế các bãi chôn lấp hợp vệ sinh luôn được cấu tạo lớp bề mặt chống thấm và thoát nước mưa. nên thực tế nhiều nước trên thế giới đã vận hành bãi chôn lấp bằng biện pháp tưới nước rác tuần hoàn trở lại bãi chôn lấp và kiểm soát độ ẩm của bãi chôn lấp luôn đạt 60-80%. Việc tuần hoàn nước rác cũng có những thuận lợi cho quá trình phân huỷ tạo khí. Các giai đoạn phân huỷ sinh học diễn ra đồng thời, quá trình tạo axít làm giảm pH. Như vậy kiểm soát nước rác tuần hoàn sẽ giữ cho độ pH trong bãi chôn lấp được ổn định tạo kiện thuận lợi cho quá trình phân huỷ chất thải rắn. 3. ảnh hưởng của pH. pH có ảnh hưởng tới các sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn, vì hoạt lực của enzym phụ thuộc mạnh vào giá trị pH. Các vi sinh vật khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau. + Vi khuẩn axit hoá tồn tại ở khoảng pH=2-7, nhưng hoạt lực của chúng sẽ giảm khi pH nhỏ hơn 4,5 [.Braun-Springer Verlag, Wien, New York,1982: Biogas – Methangarung organischer Abfallstoffe], pH tối ưu khoảng 5-7. Vì sự phân huỷ yếm khí do nhiều loại vi khuẩn tham gia nên không thể yêu cầu giá trị pH tối ưu chung cho cả quá trình. + Các vi khuẩn methan có pH tối ưu trong khoảng 6,8 -7,4[R.Braun-Springer Verlag, Wien, New York,1982: Biogas – Methangarung organischer Abfallstoffe]. Tuy nhiên người ta đã chỉ ra rằng các vi khuẩn methan có thể sống được 2 tháng ở pH=5, nhưng pH < 6,6 thì các vi khuẩn methan mất hoạt tính rõ ràng. Nếu pH ở ngoài giá trị 6,5-8 thì tốc độ phat triển cũng như tốc độ phân huỷ cơ chất và thành phần của các sản phẩm trung gian sẽ bị thay đổi [R.Braun-Springer Verlag, Wien, New York,1982: Biogas – Methangarung organischer Abfallstoffe] và do đó có thể dẫn đến sự kìm hãm quá trình phân huỷ yếm khí. 4.ảnh hưởng của các chủng vi sinh vật trong bãi chôn lấp. Trong bãi chôn lấp tồn tại một lượng lớn các chủng loại vi sinh vật, chúng có sẵn trong chất thải, trong lớp đất phủ và trong không khí di chuyển vào. Các chủng loại vi sinh vật này rất đa dạng và là nhân tố quan trọng trong việc phân huỷ chất thải rắn. Trong đó phải kể tới vi khuẩn Methan, là nhân tố quan trọng trong giai đoạn hình thành khí bãi rác. Vi khuẩn methan có nhiều loại khác nhau: dạng que dài (methanobacterium),que ngắn (Methanobrevibacter), dạng cầu (Methanococcus), dạng sợi (Methanospirillum) và dạng bát cầu (Methanosarcina). Vi khuẩn Methan là loại vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt, chúng rất nhạy cảm với sự có mặt của O2, với những thay đổi nhỏ của môi trườmg. Nhiệt độ tối ưu đối với vi khuẩn methan là 35-380C, pH=6,8-7,4. Tuỳ thuộc vào loại vi khuẩn và điều kiện môi trường mà tốc độ sinh trưởng từ 40 giờ đến 30 ngày. 5. ảnh hưởng của các chất kìm hãm. Hợp chất Nitơ: Trong bãi chôn lấp, Nitơ tồn tại chủ yếu dạng hữu cơ như: axit amin, peptit và protein. Các hợp chất nitơ vô cơ như NH4+,NO3- có ở trong nước thải rất ít. Các vi sinh vật yếm khí có thể sử dụng NH4+ như là nguồn nitơ. Sự thiếu nitơ sẽ dẫn đến sự phân huỷ nguồn C không hoàn toàn. Còn nếu thừa nitơ thì các vi khuẩn sẽ biến đổi thành NH4+. Nhưng nồng độ của NH4+ và NH3 quá cao sẽ dẫn tới kìm hãm quá trình. Sự có mặt của NO-3 có thể kìm hãm vi khuẩn Methan bởi vì oxy liên kết trong NO-3 làm hạn chế môi trường yếm khí nghiêm ngặt của vi khuẩn này. Phần lớn oxy liên kết sẽ được sử dụng hết bởi vi khuẩn lên men và vi khuẩn axit hoá tuỳ tiện ở giai đoạn axit hoá. (NO-3 bị khử thành NH4+). Cân bằng giữa NH4+ và NH3 phụ thuộc rất nhiều vào pH và nhiệt độ: NH4+ ô NH3 + H+ %NH3 %NH4+ 10.00 90.00 5.0 1.0 99.00 0.5 0.1 99.9 0.05 0.01 99.99 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 Cả NH4+ và NH3 đều có ảnh hưởng xấu tới vi khuẩn. Vi khuẩn axit hoá thì hầu như không bị ảnh hưởng, nhưng ngược lại vi khuẩn Methan bị hạn chế rất mạnh. Hợp chất lưu huỳnh: S là một nguyên tố cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật, nhưng ở nồng độ nó lại có tác dụng kìm hãm đối với vi sinh vật. Nguồn S có trong chất thải là do việc sử dụng H2SO4 trong quá trình sản xuất. Dưới điều kiện yếm khí SO4-2 bị khử thành H2S bởi các vi khuẩn khử sunfat (desulfirikant): 4H2 + SO4-2 đ H2S + 2H2O + 2OH- H2S là một axit yếu có thể hoà tan trong nước. Ta có cân bằng: H2S ôHS- + H+ ô S2- + 2H+ ở pH thấp, cân bằng chuyển dịch sang trái, do vậy thành phần H2S tăng. H2S sẽ theo khí rác ra ngoài, do đó làm giảm chất lượng khí. Mặt khác khi đốt sẽ tạo khí SO2 gây ô nhiễm không khí. 100 %H2S %HS- 0 80 20 40 60 5.0 6.0 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 8.0 9.0 ảnh hưởng của pH tới thành phần H2S và HS- Quá trình khử sunfat nói chung không gây ảnh hưởng nhiều tới vi khuẩn lên men nhưng lại ảnh hưởng mạnh đối với vi khuẩn methan. Vi khuẩn khử sunfat cạnh tranh với vi khuẩn Methan trong việc sử dụng H2. Ngoài ra bản thân lượng H2S tạo ra cũng gây ảnh hưởng trực tiếp tới vi khuẩn Methan. 3.1.3 sự chuyển động của khí bãi rác. Khí gas có thể chuyển động xuyên qua lớp rác, lớp đất phủ nhờ quá trình khuếch tán. Khi khí rác hình thành, áp suất trong bãi rác lớn hơn áp suất khí quyển nhờ vậy khí rác chuyển động được ra ngoài. Tốc độ chuyển động của các cấu tử trong khí bãi rác được xác định bằng công thức: a(1+b) =- + Dz + G Trong đó: a: độ xốp của vật liệu (m3/m3) b: yếu tố tính đến độ hấp phụ và chuyển pha CA: nồng độ của cấu tử A (g/m3) VZ: tốc độ đối lưu theo phương Z (m/s) DZ: hệ số khuếch tán hiệu quả (m2/s) G: các nguồn phát sinh trong phân tố thể tích (kg/m2.s) Z: phương khảo sát (phương đứng) VZ= - Tốc độ khí theo phương Z, tuân theo định luật Darcy Trong đó: k: độ nhớt của hỗn hợp khí p: áp suất (N/m2) Z: độ sâu Phương trình trên có thể giải được bằng máy tính, tuy nhiên giải rất phức tạp và phải biết điều kiện đầu và biên. Nếu bỏ qua quá trình hấp phụ và các nguồn phát sinh trong phân tố thể tích, NA=-Dz NA: lượng cấu tử A chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (g/m2.s) DZ: hệ số khuếch tán hữu hiệu (cm2/s) Lượng khí bãi rác sinh ra không còn nhiều thì công thức trên thành: NA=- Trong đó: D : hệ số khuếch tán (cm2/s) agas: độ rỗng của khí gas (cm3/cm3) a: tổng độ rỗng (cm3/cm3) sự chuyển động của bãi rác diễn ra theo phương ngang, phương thẳng đứng: khí methan nhẹ hơn không khí chuyển động nên trên, khí CO2 nặng hơn sẽ chuyển động xuống dưới. chuyển động đi lên của khí bãi rác Cả khí CH4 và CO2 đều có thể xuyên qua lớp đất phủ để đi vào không khí nhờ quá trình đối lưu và khuếch tán. Phương trình biểu diễn khả năng khuếch tán của chúng như sau: NA= - Trong đó: NA: lượng chất A chuyển động qua một đơn vị bề mặt của lớp phủ (g/cm2.s) CA atm: nồng độ cấu tử A ở mặt trên của lớp phủ (g/cm3) CA fill: nồng độ của cấu tử A ở mặt đáy lớp phủ (g/cm3) L: chiều dày lớp phủ (cm) chuyển động đi xuống của khí bãi rác Khí CO2 nặng hơn không khí nên thường di chuyển đi xuống đáy bãi rác. Nếu lớp chống thấm là đất thì CO2 có thể chuyển động xuống dưới đất và gặp nước để thực hiện phản ứng: CO2 + H2O ị H2CO3 Phản ứng này làm cho lượng pH giảm và dẫn đến hoà tan một số chất vào nước ngầm. Ví dụ H2CO3 gặp tầng đá ở dưới, nó tham gia phản ứng. CaCO3 + H2CO3 ị Ca2+ + H2CO3- và tăng độ cứng của nước. chuyển động của các cấu tử vết. Có thể mô tả sự chuyển động của cấu tử vết theo phương trình sau: Ni=- Trong đó: Ni:lượng chất A chuyển động qua 1 đơn vị bề mặt lớp phủ (g/cm3) Ci atm: Nồng độ cấu tử i ở bề mặt lớp phủ (g/cm3) Ci s: Nồng độ cấu tử i bão hoà hơi (g/cm3) Ci s.Wi: Nồng độ cấu tử i ở đáy lớp phủ (g/cm3) L: chiều dày lớp phủ (cm) Có thể đơn giản công thức bằng cách cho Ci atm=0, trên thực tế Ci atm 0, do cấu tử i tại bề mặt rác bị gió cuốn đi hoặc khuếch tán nhanh chóng: Công thức thành: Ni 3.2 tính toán khối lượng khí bãi rác. Lượng khí sinh ra phụ thuộc thành phần. đặc tính của rác thải. phụ thuộc vào điều kiện khí hậu như độ ẩm. nhiệt độ ... Bảng 2: đặc tính cơ bản của rác thải hữu cơ. Thành phần %khối lượng ướt Độ ẩm(%) Thành phần phân huỷ nhanh Rác hữu cơ 53 70 Giấy vụn 1.5 8 Lá cây 1.2 60 Tổng cộng 55.7 Thành phần hữu cơ phân huỷ chậm Vải 0.5 10 Lá cây 0.8 60 Nilông. đồ nhựa 2.0 2 Cao su 1 2 Tổng cộng 4.3 Bảng 3: Thành phần hoá học của rác thải đô thị Thành phần % khối lượng khô C H O N S TRO Rác hữu cơ 48.0 6.4 37.6 2.6 0.4 5.0 Giấy vụ 43.4 5.8 44.3 0.3 0.2 6.0 Lá cây 47.8 6.0 38.0 3.4 0.3 4.5 Vải 48.0 6.4 40.0 2.2 0.2 3.2 Nilông. đồ nhựa 60.0 7.2 22.8 10.0 Cao su 69.7 8.7 1.6 20.0 Với giai đoạn I Từ bảng trên và khối lượng rác đem chôn lấp ở bãi trong giai đoạn I là 1.989.701 Bảng 4: khối lượng các thành phần rác thải Thành phần Khối lượng ướt Khối lượng khô Khối lượng riêng ( tấn) C H O N S Tro Thành phần phân huỷ nhanh Rác hữu cơ 1054542 316362.5 151854 20247.2 118952.3 8225.424 1265.45 15818.12 Giấy vụn 29845.52 27457.87 11916.72 1592.557 12163.84 82.37362 54.91575 1647.472 Lá cây 23876.41 9550.565 4565.17 573.0339 3629.215 324.7192 28.65169 429.7754 Tổng cộng 1108263 353370.9 168335.9 22412.79 134745.3 8632.517 1349.017 17895.37 Thành phần phân huỷ chem. Lá cây 9948.505 3979.402 1902.1542 238.7641 1512.173 135.2997 11.93821 179.0731 Vải 15917.608 14325.847 6876.4067 916.8542 5730.339 315.1686 28.65169 458.4271 Nilông, đồ nhựa 39794.02 38998.14 23398.884 2807.866 8891.576 3899.814 Cao su 19897.01 19499.07 13590.852 1696.419 311.9851 3899.814 Tổng cộng 85557.14 76802.459 45768.29622 5659.903 16134.09 450.4683 352.575 8437.128 Thành phần mol của các nguyên tố là: Nguyên tố C H O N S Khối lượng nguyên tử 12,01 1,01 16,00 14,01 32,06 Tổng số mol Phần phân huỷ nhanh 14016.3 22190.9 8421.6 616.2 42.1 Phần phân huỷ chậm 3810.8 5603.9 1008.4 32.2 11 Tỷ lệ mol của các thành phần (lấy N=1). Thành phần Tỷ lệ mol Phân huỷ nhanh Phân huỷ chậm C 23 118 H 36 174 O 14 31 N 1 1 Từ bảng trên ta có công thức hoá học đối với thành phần phân huỷ nhanh là C23H36O14N Từ bảng trên ta có công thức hoá học đối với thành phần phân huỷ chậm là CHON Đối với thành phần rác phân huỷ sinh học nhanh, lượng khí gas tạo thành từ phản ứng: C23H36O14N +7.75 H2O =12.125 C._.