1. Nguồn gốc hình thành khí thải bãi chôn lấp
Khí bãi chôn lấp (thường được gọi là khí “biogas” hay khí sinh học) là một trong nhiều sản phẩm được sinh ra từ quá trình phân hủy sinh học các thành phần hữu cơ trong chất thải bãi chôn lấp. Tại thời điểm chất thải được chôn lấp và một thời gian ngắn sau đó, không khí được giữ lại trong chất thải còn đủ lượng ôxy cho phép giai đoạn phân hủy sinh học diễn ra ban đầu là giai đoạn hiếu khí. Thành phần chính của khí bãi chôn lấp trong giai đoạn này là CO2 và hơi nước.
Sự đầm nén chất thải kết hợp với việc che phủ bãi chôn lấp đã làm ngăn chặn không khí đi vào chất thải. Kết quả là trong thời gian ngắn của quá trình phân hủy đầu tiên, lượng ôxy ban đầu còn giữ trong chất thải bị tiêu thụ hết và quá trình phân hủy sinh học chuyển từ hiếu khí sang kỵ khí. Sự chuyển đổi sang quá trình kỵ khí được đánh dấu bởi sự sản sinh metan (CH4) và cacbon dioxit (CO2), cũng như một lượng rất nhỏ (dạng “vết”) rất nhiều các hợp chất sinh ra do phản ứng khử lưu huỳnh và cacbon. Các nguyên tắc sinh học của sự hình thành khí “biogas” trongbãi chôn lấp là những tính chất của quá trình phân hủy kỵ khí truyền thống. Những nguyên tắc này chỉ khác biệt chủ yếu ở tốc độ chuyển hóa chất hữu cơ thành CH4 và ở tỉ lệ CH4: CO2 sinh ra.
Sự sinh khí: Các phương pháp để tính toán sản lượng khí sinh ra theo phản ứng phân hủy thông thường phải được điều chỉnh một cách hợp lý để thấy được sự khác nhau giữa quá trình phân hủy kỵ khí trong bãi chôn lấp và quá trình phân hủy kỵ khí trong phản ứng phân hủy.
Thông thường, tổng lượng khí thực sự thu được ở bãi chôn lấp nhỏ hơn nhiều so với thể tích khí dự kiến sinh ra trên lý thuyết được tính theo hàm lượng chất thải hữu cơ. Hơn nữa, nếu bãi chôn lấp không được thiết kế để lưu giữ và sau cùng là thu gom thể tích khí sinh ra thì sản lượng khí thực tế thu được sẽ rất thấp.
Trong chất thải rắn đô thị có rất nhiều thành phần có khả năng bị phân hủy dưới điều kiện kỵ khí. Tuy nhiên, thông tin về cấu tạo hóa học của các thành phần khác nhau của rác thải được chôn lấp trong bãi chôn lấp rất hạn chế. Theo một số phân tích được thực hiện từ năm 1984 đến năm 1987 với chất thải rắn đô thị phát sinh ở Madison, Wisconsin(Mỹ) cho thấy rằng chất thải chứa khoảng 40-51% xenlulloza, 12% hemixenlulloza, 15% lignin và không hơn 4,2% protein. Các thành phần chính của chất thải rắn đô thị có hàm lượng các chất phân hủy cao là: giấy, rác vườn và rác thực phẩm.
Cùng với hàm lượng các chất hữu cơ dễ phân hủy, hai nhân tố có tác động đến sự sản sinh CH4 ở bãi chôn lấp là độ ẩm và pH. Những nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu thí nghiệm thu được từ một số bãi chôn lấp cho biết tỉ lệ CH4 sinh ra có xu hướng tăng lên khi độ ẩm của chất thải tăng lên bất kể tuổi của bãi chôn lấp, khối lượng riêng và thành phần chất thải. Ngược lại, pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn metan từ
6,8-7,4. Việc thu gom, trung hòa và tuần hoàn nước rỉ rác có tác động tốt đến sự hình thành và tốc độ sản sinh CH4 trong các thí nghiệm ở phòng thí nghiệm và trong một số nghiên cứu ngoài thực tế. Các bãi chôn lấp được hoạt động với việc bơm ngược trở lại nước rỉ rác nhằm cải thiện sản lượng và chất lượng khí bãi rác, đôi khi được gọi tên là bể phản ứng sinh học bãi chôn lấp.
CH4 không được sinh ra ngay lập tức sau khi chất thải được chôn vào bãi chôn lấp. Trong một số trường hợp, có thể mất nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm các quần thể vi khuẩn phân hủy cần thiết mới được thiết lập và các điều kiện môi trường thích hợp cho sự sản sinh metan trong bãi chôn lấp mới hình thành.Tốc độ sinh khí thay đổi tương đương với đường cong nhiệt độ trong hoạt động của vi khuẩn ưa ấm, nghĩa là tối thiểu ở khoảng 5-10oC và tối ưu ở khoảng 35-40oC. Giữa hai phạm vi này, tốc độ sản sinh khí tăng khi nhiệt độ tăng. Như vậy, ở nhiệt độ 3-5oC tốc độ sinh khí chậm lại, bởi vì ở khoảng nhiệt độ này vi khuẩn gần như ngừng hoạt động.
Do đó, ở tất cả các vùng,trừ cận nhiệt đới và nhiệt đới, nhiệt độ có thể trở thành yếu tố hạn chế quá trình sinh khí ở các bãi chôn lấp chất thải không sâu hoặc các bãi chôn lấp tương đối nhỏ trong suốt mùa đông, đầu mùa xuân và cuối mùa thu. Trong suốt cả năm, giả thiết rằng các điều kiện khác đều bình thường, thì nhiệt độ không phải là yếu tố giới hạn ở các khu vực nhiệt đới hoặc ở các bãi chôn lấp rộng và sâu.
Tốc độ và thể tích khí sinh ra nói chung tăng khi độ ẩm tăng, kể cả ở trạng thái bão hòa. Ngược lại, khi độ ẩm không quá 60-70%, độ ẩm càng giảm, tốc độ và thể tích khí càng gia tăng.
Vì tính chất của chất thải và các diều kiện môi trường thay đổi từ khu vực này đến khu vực khác, nên sản lượng và tốc độ sinh khí trong bãi chôn lấp được ghi nhận có rất nhiều giá trị. Do đó, theo các báo cáo, sản lượng khí bãi chôn lấp ở các nước công nghiệp vào khoảng 0,06-0,4 m3/kg chất thải rắn được chôn lấp. Cũng theo báo cáo, tốc độ sinh khí khoảng 1-10 m3 khí/tấn chất thải chôn lấp/năm. Phần lớn sự sinh khí vẫn còn diễn ra ở bãi chôn lấp trong suốt 20 năm sau khi đóng cửa bãi chôn lấp. Sự sinh khí bãi chôn lấp diễn ra mạnh nhất trong suốt 5 năm đầu hay ngay sau khi trong chất thải không còn ôxy (thông thường khoảng 1-2 năm). Sự sinh khí với tốc độ sinh khí ngày càng giảm dần, có thể duy trì khoảng chừng 50 năm.
2. Thành phần khí thải bãi chôn lấp
Thông thường, thành phần khí bãi chôn lấp chứa khoảng 40-60% CH4, 40-50% CO2, 3-20% N2, 1% O2, một lượng “vết” hợp chất của lưu huỳnh, axit hữu cơ dễ bay hơi và nguyên tố khác. Các hợp chất có lượng “vết” khác có thể bao gồm: benzen, toluen, sunphua dioxit (SO2), metylen clorua và một số hợp chất khác có nồng độ tới 50 ppm.
Sự thay đổi từ quá trình phân hủy hiếu khí sang phân hủy kỵ khí và hình thành CH4 và CO2 dưới điều kiện kỵ khí diễn ra với một chuỗi các giai đoạn như sau:
– Giai đoạn đầu là giai đoạn hiếu khí, kéo dài từ khoảng vài ngày đến nhiều tuần. Thời gian diễn ra giai đoạn này phụ thuộc vào độ đầm nén chất thải và một vài nhân tố khác.
– Giai đoạn 2 bắt đầu khi điều kiện trong bãi chôn lấp thay đổi từ hiếu khí sang kỵ khí. Ở thời điểm này, các vi sinh vật hiếu khí bắt buộc chết dần và các vi sinh vật tùy nghi sẽ chuyển từ hoạt động hiếu khí sang kỵ khí. Trong suốt giai đoạn 2, CO2 và một phần nhỏ H2 là sản phẩm khí chủ yếu.
– Giai đoạn 3 có thể được nhận biết bởi sự xuất hiện từ từ khí metan(CH4).
– Trong giai đoạn 4 và giai đoạn cuối, CH4 sinh ra trở nên liên tục và bắt đầu giảm khi lượng CH4 đạt tỉ lệ như đã nêu ở đoạn trước (40-60% CH4; 40-50% CO2).
Đã có những nghiên cứu được tiến hành để xác định hệ và số lượng vi sinh vật tiêu biểu có liên quan đến quá trình chuyển hóa bùn thải, thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị và một số phế thải nông nghiệp thành khí sinh học (biogas). Quần thể sinh vật ưa axit chiếm đến 90% tổng quần thể vi sinh vật phân hủy, là nhóm vi sinh vật lớn nhất trong số các nhóm. Tuy nhiên người ta biết tương đối ít về số lượng và các hoạt động sinh lý của chúng.
3. Thể tích(sản lượng khí)
Do rất khó dự đoán chính xác ở tốc độ sinh khí nào thì khí sẽ sinh ra ổn định liên tục nên rất hạn chế những thông tin về động lực học của quá trình phát sinh khí trong bãi chôn lấp một cách đầy đủ. Phép tính gần đúng sản lượng khí có thể sản sinh trong bãi chôn lấp là bài toán có độ tin cậy rất thấp bởi vì chúng bắt buộc phải dựa trên những giả thiết có thể chứng minh được nhưng cũng có thể không chứng minh được là có cơ sở. Nếu tính toán theo hàm lượng chất rắn bay hơi thì sản lựợng khí đạt tối đa (ở điều kiện tiêu chuẩn) vào khoảng 0,4 m3/kg chất rắn bay hơi trong chất thải; các sản lượng khí được ghi nhận khác (ở điều kiện tiêu chuẩn) dao động từ 0,006 đến 0,05 m3 metan/kg chất thải (ướt) lúc mới đến bãi chôn lấp. Các sản lượng khí nêu trên được ghi nhận trong thời gian một vài năm đầu hoạt động của bãi chôn lấp. Ở giai đoạn này, sự phân hủy thông thường nhanh nhất và sinh khí nhiều nhất.
Rất nhiều mô hình đã được xây dựng để dự đoán tốc độ sinh khí trong bãi chôn lấp. Tuy nhiên hầu hết các mô hình đòi hỏi phải theo dõi và đo sản lượng khí sinh ra trong thực tế để xác định các giá trị hằng số của mô hình. Gần đây, việc dự đoán khí sinh ra từ chôn lấp chất thải càng trở nên quan trọng hơn do các nỗ lực ngăn chặn hiện tượng trái đất nóng dần lên. Một trong những mô hình dùng để dự đoán sản lượng khí sinh ra từ bãi chôn lấp được dựa trên những giả thiết như sau.
– Những thành phần chính của quá trình phân hủy hay còn gọi là cơ chất, vi sinh vật và những sản phẩm khí cơ bản (CO2 và CH4), có thể tính toán theo hàm lượng cacbon của chúng.
– Chuyển hóa ổn định 1kg cacbon được liên kết hữu cơ (ở điều kiện tiêu chuẩn) trong bãi chôn lấp sẽ sinh ra tổng thể tích khí là 1,87 m3 bao gồm chủ yếu là CH4 và CO2.
Khi tính toán khí bãi chôn lấp, bao gồm những điều kiện đặc trưng tại vị trí chôn lấp, người ta giả sử phương trình tốc độ bậc 1. Hằng số tốc độ bậc 1 phụ thuộc vào nhiệt độ. Cơ sở của mô hình toán là thiết kế những bể phản ứng phân hủy các loại rau nhiệt đới theo mẻ. Phương trình toán như sau:
Trong đó: Ct: lượng khí sinh ra qua thời gian t;
Cg: lượng khí sinh ra ứng khi t tiến tới vô cùng;
k: hằng số tốc độ bậc 1, tính theo t-1.
Để giải phương trình trên, đặt ra giả thiết rằng mối tương quan giữa cacbon dạng khí và cacbon tổng hợp là tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi trong giới hạn vùng ấm. Mối quan hệ đó được biểu diễn như sau:
Trong đó: Cg: tổng số cacbon có thể chuyển hóa thành khí ứng khi thời gian tiến tới vô cùng;
CT: tổng lượng hợp chất cacbon trong cơ chất;
T: nhiệt độ, tính bằng oC.
Lấy đạo hàm cho Cg dựa trên giả thiết rằng hàm lượng cacbon được liên kết hữu cơ trong chất thải là 200 kg/tấn.
Mô hình sử dụng phương trình tốc độ bậc 1 ban đầu tương đối chính xác trong giới hạn điều kiện của các tham số đã được giả thiết và những giá trị của chúng. Tuy nhiên, việc sử dụng con số 1,87 m3 khí bãi chôn lấp/kg của chất thải và 200 kg cacbon/tấn của chất thải sẽ hạn chế phương trình trên ở một số vị trí và vùng chôn lấp nhất định. Những giả định gây hạn chế này đặc biệt quan trọng ở những nước đang phát triển nhiệt đới và cận nhiệt đới, ở đây chất thải có hàm lượng hữu cơ cao và thường không được che phủ.
Nhiều biến số có ảnh hưởng lên sự chính xác của mô hình để dự đoán tốc độ sinh khí của bãi chôn lấp, nhất là tốc độ sinh khí CH4. Một trong những biến số ảnh hưởng đến tốc độ sinh CH4 là thể tích khí thoát ra ở bãi chôn lấp, tỉ lệ % của cacbon tham gia trong quá trình lên men metanvà tỉ lệ % cacbon chuyển hóa thành chất nguyên sinh của vi khuẩn. Theo đó chỉ nên xem mô hình sinh khí là mô hình biểu diễn gần đúng xu hướng khí sẽ sản sinh. Quan trắc và đo thành phần và sản lượng khí thực tế sinh ra trong bãi chôn lấp nên được ghép vào như một giai đoạn của việc thiết kế và xây dựng hệ thống thu gom khí ở bãi chôn lấp.
Mặc dù nhiều chất thải đô thị ở các nước đang phát triển có hàm lượng chất hữu cơ cao, chất thải thường không được che phủ kín và như vậy khí dễ dàng thất thoát. Thêm vào đó, có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến sản lượng và tốc độ sinh khí tại bãi chôn lấp.
Một số nhân tố đó bao gồm:
– Thành phần cấu tạo chất thải (tức là: nồng độ cacbon, chất dinh dưỡng và chất gây ức chế) và độ ẩm.
– Mức độ xử lý sơ bộ (như cắt giảm kích thước, tái chế, sản xuất compost, đóng ép thành kiện).
– Kiểu và mức độ đầm nén, phương pháp vận hành chôn lấp, loại và độ dày của lớp vật liệu che phủ.
– Khối lượng chất thải, hình dạng hình học, tính chất địa chất thủy văn và cấu tạo đất vị trí bãi chôn lấp.
– Điều kiện khí hậu thời tiết (nhiệt độ, lượng mưa, sự bay hơi, sự cách ly).
– Theo các thông tin thực nghiệm, có thể kết luận như sau:
– Nồng độ cacbon trong chất thải rắn đô thị có thể biến đổi từ 325 đến 350 kg/tấn (tính theo khối lượng khô). Số lượng cacbon có thể phân hủy trong khoảng từ 56% đến 70%.
– Dựa trên kết quả của một loạt thí nghiệm được tiến hành bởi các tác giả và theo một số số liệu khác, sản lượng khí bãi chôn lấp tối đa theo lý thuyết là 300 m3/tấn chất thải đô thị (tính theo khối lượng ướt).
4. Thu hồi khí thải bãi chôn lấp
Việc thu hồi khí là thiết kế bãi chôn lấp sao cho khí di chuyển bên trong có thể được kiểm soát và thu gom. Khí được thu gom hoặc có thể được sử dụng trực tiếp như là nhiên liệu có giá trị nhiệt lượng thấp hoặc có thể được xử lý (tinh lọc) để tạo thành nhiên liệu có giá trị nhiệt lượng cao. Việc thu gom khí có thể được thực hiện bằng cách thiết kế kết hợp những giếng thu khí được đặt ở những khoảng cách đã được tính toán và những vùng có tính thấm cao cho phép khí di chuyển vào các điểm thu gom. Điều này được thực hiện bằng cách lắp đặt những ống thoát khí (được đục lỗ) bên trong bãi chôn lấp và bên ngoài vỏ bọc của ống thu khí được bọc sỏi, hoặc sử dụng mương thu khí đổ đầy sỏi. Khí được dẫn thoát ra khỏi bãi chôn lấp bằng hệ thống ống dẫn hoặc đầu thu để vận chuyển khí và những quạt gió (bơm tạo lực hút chân không) để hút khí từ bãi chôn lấp lên đầu thu.
Hệ thống thu gom khí được bảo đảm đúng chức năng nhờ việc sử dụng quạt gió. Quạt gió phải được vận hành sao cho một phần chân không được tạo ra ở những đầu thu và trong hệ thống thu gom và khí sẽ được hút ra khỏi bãi chôn lấp. Mặc dù một số khí sẽ di chuyển một cách tự nhiên (không cần quạt hút) vào giếng thu khí nhờ áp suất bên trong bãi chôn lấp tương đối cao, nhưng tốc độ di chuyển của chúng quá thấp, không đảm bảo thực hiện chức năng thu gom đúng mức. Quạt gió vừa làm gia tăng lưu lượng khí được hút ra khỏi bãi chôn lấp vừa mở rộng diện tích phục vụ hiệu quả của các giếng thu khí trong bãi chôn lấp. Những quạt gió có thể được điều chỉnh để: (1) hoặc là hút khí từ bãi chôn lấp và thải bỏ chúng vào khí quyển để phân tán hoặc đốt cháy hoặc thiêu hủy; hoặc là (2) nén khí đến áp suất cao hơn để phân phối hoặc xử lý tiếp.
Nếu bãi chôn lấp luôn được vận hành tốt trong suốt thời gian hoạt động, khí có thể được thu hồi từ bãi chôn lấp mặc dù ban đầu nó không được thiết kế cho mục đích thu hồi khí, bằng cách khoan một số lỗ trong bãi chôn lấp ở những điểm thu khí đã được chọn. Lỗ khoan thu khí nên có đường kính 0,66-1 m, chiều sâu của chúng nên chiếm từ 50-90% chiều sâu bãi chôn lấp. Các lỗ khoan phải được xây dựng và lắp đặt giống như những giếng thu khí trong những bãi chôn lấp được thiết kế để thu hồi khí.
Những giếng thu khí là những giếng bọc sỏi được trang bị có vỏ bọc kéo dài xuống tận đáy bãi chôn lấp. Những vỏ bọc được đục lỗ ở phần tiếp xúc trực tiếp với rác, những vỏ bọc phải được nối lồng vào nhau giữa những đoạn ống sao cho những mối nối vẫn giữ nguyên vẹn cho dù bãi chôn lấp có tính chất sụt lún không đồng đều và đáng kể.
Trong quá trình xây dựng những giếng thu khí, xung quanh ống thu gom khí được bọc sỏi dần dần. Lớp sỏi bọc (hoặc vật liệu thay thế dạng hạt thô) đóng vai trò là lớp thu gom khí có tính thấm cao, mà nhờ đó, khí được thu gom vào ống thu gom. Trên đỉnh lớp sỏi được phủ chặt kín bởi lớp đất đầm chặt để ngăn cản sự xâm nhập của không khí từ bên ngoài vào giếng. Khí bên ngoài xâm nhập vào giếng thu khí (hay vào một phần nào đó của bãi chôn lấp) sẽ làm loãng khí được thu gom và do đó làm giảm giá trị nhiệt lượng và làm cho quá trình tinh lọc khí trở nên phức tạp. Trong trường hợp khí được thu gom bị làm loãng, N2 sẽ là thành phần khí có nồng độ gia tăng và chất lượng của khí sẽ bị hạ thấp. Khi có sự hiện diện của ôxy trong không khí xâm nhập vào thì vấn đề sẽ nghiêm trọng hơn. Ôxy gây ức chế hoạt động của vi sinh vật hình thành metan. Quan trọng hơn, nồng độ ôxy có thể gia tăng đến tỉ lệ nhất định so với nồng độ mêtan thì có khả năng gây nổ.
Bố trí các giếng thu khí được sắp xếp theo khả năng thu khí của mỗi giếng thu khí, cũng như theo đặc trưng của lớp đất che phủ và hướng di chuyển dự kiến của khí trong bãi chôn lấp. Diện tích phục vụ của mỗi giếng thu khí (nghĩa là phần diện tích chôn lấp bị ảnh hưởng bởi giếng thu khí) phụ thuộc vào tốc độ hút khí. Để tránh sự tích luỹ khí trong bãi chôn lấp, một số khu dân cư dựa vào các điều kiện địa phương để điều chỉnh thiết kế giếng thu khí phù hợp.
Ở bãi chôn lấp hợp vệ sinh người ta có thể bố trí hệ thống thu khí chủ động và tận dụng để phát điện
Bán kính ảnh hưởng của giếng đứng thu khí cơ bản là phần không gian ảnh hưởng tính theo mọi hướng từ giếng. Vì thế, yêu cầu thiết kế giếng là phải tránh trường hợp hệ thống hút khí quá mức, điều này sẽ khiến không khí từ đất xung quanh xâm nhập vào rác. Để thu khí đều khắp bãi chôn lấp, các giếng thu hồi khí được bố trí để các bán kính ảnh hưởng chồng lên nhau. Bán kính ảnh hưởng của giếng thu khí thường được tính toán bằng thí nghiệm hút khí trong môi trường những bãi rác cũ không có hệ thống thu hồi khí.
Thông thường, giếng thu khí được lắp đặt cùng với một máy thăm dò khí đặt cách giếng một khoảng không đổi. Vì giếng thu khí bị động chỉ tạo đường dẫn có độ thấm cao hơn để dẫn dắt khí đi theo hướng mong muốn nên độ chân không trong bãi rác cũng được tính toán để vận hành giếng.
Vì thể tích khí thay đổi và giảm dần theo thời gian, các giếng thu khí được thiết kế đồng nhất như nhau và bán kính ảnh hưởng của giếng được điều chỉnh bằng van chân không trên miệng giếng.
Bán kính ảnh hưởng của giếng phụ thuộc vào chiều sâu chôn lấp và cấu tạo của lớp phủ. Có thể tính toán bán kính ảnh hưởng của giếng theo công thức sau:
Trong đó: r – bán kính ảnh hưởng của giếng thu khí thụ động;
x – khoảng cách giữa 2 giếng thu khí.
Nguồn: Trịnh Văn Tuyên, Văn Hữu Tập, Vũ Thị Mai, Giáo trình xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại. NXB Khoa học và kỹ thuật. 2014.
Leave a Reply