Ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí phân pha để xử lý và thu hồi năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Đình Mạnh ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ PHÂN PHA ĐỂ XỬ LÝ VÀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT CÓ KHẢ NĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Đình Mạnh

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ PHÂN PHA ĐỂ XỬ LÝ VÀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT CÓ KHẢ NĂNG

PHÂN HỦY SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Kỹ thuật Xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Đình Mạnh

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ PHÂN PHA ĐỂ XỬ LÝ VÀ THU HỒI NĂNG LƯỢNG TỪ THÀNH PHẦN CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT CÓ KHẢ NĂNG

PHÂN HỦY SINH HỌC

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI CAM ĐOAN 5

LỜI CẢM ƠN 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Mục đích nghiên cứu 11

3 Mục tiêu nghiên cứu 11

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn 12

7 Kết quả đạt được và vấn đề tồn tại 12

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG 13

1.1 : Tổng quan về chất thải rắn sinh hoạt 13

1.2 : Cơ sở lý thuyết 13

1.2.1 Cơ chế sinh hóa 13

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí 17

1.3 : Hệ thống phân hủy kỵ khí hai giai đoạn 22

1.3.1 Cấu hình hệ thống 22

1.3.2 Đánh giá 24

1.4 : Áp dụng quy mô thực tế trên thế giới 24

1.5 : Hiện trạng công nghệ phân hủy kỵ khí ở Việt Nam 25

1.6 : Kết luận 30

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 : Đặc tính cơ chất (chất thải) 31

2.2 : Mô hình thí nghiệm 33

2.2.1 Sơ đồ chung 33

2.2.2 Mô hình thí nghiệm 34

2.3 : Phép phân tích 39

2.3.1 pH 39

2.3.2 Phân tích TS, VS 39

2.3.3 Phân tích carbon 42

2.3.4 Phân tích nitrogen tổng 43

2.3.5 Phân tích phospho tổng 44

2.4 : Phương pháp đánh giá 45

2.5 : Mô hình năng lượng 45

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 : Kết quả của quá trình khởi động 49

3.2 : Quá trình thủy phân 51

3.3 : Quá trình chuyển hóa mê-tan 52

3.4 : Hệ số động học 57

3.5 : Phân tích năng lượng 58

KẾT LUẬN 61

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nghiên cứu này gắn liềnvới Đề tài KHCN cấp Bộ Giáo Dục và Đào Tạo: mã số B2021-XDA-03 Chủ trì TS.Phạm Văn Định Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từngđược ai công bố trong bất kỳ công trình nào

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Đình Mạnh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây Dựng nơiTôi học tập, Khoa Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Bộ môn Côngnghệ và Quản lý Môi trường của Trường đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập vànghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến TS Phạm Văn Định đã tậntình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời giantôi hoàn thành luận án Nếu không có sự hướng dẫn của Thầy tôi chắc chắn không thểhoàn thành bài luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các nhà khoahọc, chyên gia đã có những ý kiến đóng góp cho luận án trong quá trình thực hiện Cuối cùng, Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Đình Mạnh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CTRSH – Chất thải rắn sinh hoạt

SAD – Hệ thống phân hủy kị khí một giai đoạn

TAD – Hệ thống phân hủy kị khí hai giai đoạn

TS – Tổng chất rắn

RT – Thời gian lưu

VS – Chất rắn có khả năng bay hơi

SNV – Tổ chức phát triển Hà Lan

CTRHC – Chất thải rắn hữu cơ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Danh sách nhà máy và các loại hình xử lý chất thải rắn tại Việt Nam 27

Bảng 3 1: Tỉ lệ thành phần khí thu được khi dùng công nghệ bể tự hoại [37] 50

Bảng 3 2 Hiệu suất của quá trình phân huỷ kỵ khí phân pha với chất thải có khả năng phân huỷ sinh học 56

Bảng 3 3: Mô hình năng lượng của hệ thống (đơn vị: kJ/g-VS) 58

Bảng 3 4 Bảng phân tích năng lượng 59

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 1: Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí 14

Hình 1 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của quá trình AD (Mata-Alvarez (2003) [57]) 18

Hình 1 3: Sơ đồ hệ thống phân huỷ kỵ khí 2 giai đoạn 23

Hình 1 4: Toàn cảnh nhà máy phân loại, xử lỷ rác thải, sản xuất điện và phân bón khoáng hữu cơ 28

Hình 2 1: Thu gom chất thải rắn sinh hoạt 31

Hình 2 2: Tiền xử lý và bảo quản cơ chất 32

Hình 2 3: Thành phần cơ chất theo khối lượng ướt 32

Hình 2 4: Sơ đồ chung của quá trình phân huỷ kỵ khí hai pha 34

Hình 2 5: Thiết kế và tính toán mô hình thí nghiệm 37

Hình 2 6: Mô hình thí nghiệm thực tế 38

Hình 2 7: Phân tính đặc tính của chất thải rắn sinh hoạt thu được 40

Hình 2 8: Thiết bị nung, cân, cốc để xác định VS 41

Hình 2 9: Máy phân tích carbon 42

Hình 2 10: Máy phân tích Nito 43

Hình 2 11: Mô hình năng lượng 46

Hình 3 1 Thành phần khí của quá trình phân huỷ kỵ khí hai pha 50

Hình 3 2 Ảnh hưởng của pH đến sản lượng và chất lượng khí sinh học 53

Hình 3 3: Mối liên hệ giữa pH cơ chất và pH trong bể phản ứng Mê-tan 53

Hình 3 4: Ảnh hưởng của pH đến chất lượng khí gas và khả năng loại bỏ COD 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Xử lý lượng chất thải rắn sinh hoạt bằng các phương pháp truyền thống trước đây nhưchôn lấp, đốt, ủ phân đã gây ra các hậu quả về ô nhiễm môi trường tại nơi xử lý cũngchi phí cho việc xử lý theo phương pháp truyền thống rất lớn Quá trình xử lý chất thảirắn sinh hoạt có khả năng phân huỷ sinh học bằng phương pháp xử lý kỵ khí (AD) làmột công nghệ đầy hứa hẹn giúp xử lý, giảm thiểu các vấn đề, chi phí cũng như hiệuquả mang lại

Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một chuỗi những bước phản ứngsinh hoá tuần tự bao gồm thủy phân (hydrolysis), acid hoá (acidogenesis) và methanehoá (methanogenesis) [24; 81] Nhóm vi sinh thực hiện quá trình thủy phân và lên menacid là vi sinh vật tùy tiện có thể sinh trưởng tốt với các điều kiện bất lợi như môitrường có tính acid, dao động nhiệt độ, dao động nồng độ cơ chất [24] Trong khi đó,quá trình chuyển hóa methane được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt(methanogens), chúng chỉ sinh trưởng được trong một phạm vi môi trường nhất định[24]

Được nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài, công nghệ phân hủy kỵ khí trênthế giới đã có những bước tiến đáng kể Thế hệ công nghệ đầu tiên chỉ là các bể phảnứng sử dụng quá trình phân hủy yếm khí tự nhiên (không kiểm soát) [1] Thế hệ côngnghệ thứ hai là quá trình phân hủy có kiểm soát các thông số vận hành (như nhiệt độ,

pH, tải lượng) và không phân pha (một giai đoạn – tất cả các bước cùng diễn ra trongmột bể phản ứng) Với việc kiểm soát các thông số hoạt động, hiệu suất và công suấtcủa hệ thống được tăng lên đáng kể [24] Tuy nhiên, các bước phản ứng sinh hóa đơn

lẻ có các điều kiện sinh trưởng tối ưu khác nhau, dạng công nghệ này không thể tối ưuhóa mà chỉ tạo ra môi trường sinh trưởng chung cho tất cả các nhóm vi sinh cùng phát

triển [81] Do đó gần đây ý tưởng về việc phân tách các bước chuyển hóa (đặc biệt làtách thủy phân và lên men methane) ở các bể phản ứng khác nhau được ra đời, đâycũng chính là thế hệ công nghệ thứ ba Bên cạnh việc tối ưu hóa từng bước chuyển hóađơn lẻ, công nghệ này cũng mang lại sự đa dạng trong vận hành hệ thống [24].

Bằng việc sử dụng công cụ tìm kiếm các bài nghiên cứu bằng tiếng Việt cho ra kết quả

1520 bài báo về “phân hủy kỵ khí”, trong đó có 644 bài báo được công bố trongkhoảng năm năm trở lại đây (2017-2022) Đáng chú ý, tác giả không thể tìm thấy bất

kỳ bài nghiên cứu nào với từ khóa “phân hủy kỵ khí hai pha (TAD)” Điều đó thể hiệncác nghiên cứu ứng dụng TAD để xử lý CTRHC vẫn còn là chủ đề rất mới ở Việt Nam

Do đó, nghiên cứu này nhằm bước đầu đánh giá ảnh hưởng của pH đến hệ thống TAD

sử dụng cơ chất là thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học của CTRSH.Trong đó, hiệu suất của quá trình được đánh giá thông qua sản lượng khí biogas thuđược và sự loại bỏ COD

2 Mục đích nghiên cứu

Xây đựng được hệ thống công nghệ xử lý kỵ khí hai pha để xử lý chất thải rắn sinhhoạt có khả năng phân huỷ hữu cơ nhằm thiết lập cơ sở ban đầu về tính hiệu quả, tối ưucủa hệ thống

Vận hành và đánh giá các yếu tố có thể ảnh hưởng tới hiệu quả của hệ thống phân huỷ

kỵ khí hai pha, đồng thời khả năng thu hồi năng lượng của hệ thống

3 Mục tiêu nghiên cứu

 Vận hành được hệ thống xử lý kỵ khí hai pha quy mô phòng thí nghiệm

 Xác định được sự ảnh hưởng và giá trị tối ưu của pH đối với hiệu suất của quá trình

 Đánh giá tính hiệu hiệu quả và tính toán được năng lượng của hệ thống

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Chất thải rắn sinh hoạt được lấy ngẫu nhiên tại phường Đồng

Tâm, Hà Nội bao gồm thức ăn dư thừa ở các nhà hàng, hộ gia đình và rau, củ quả dưthừa ở chợ

Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm.

5 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp kế thừa: Thu thập và tổng hợp số liệu từ các tài liệu, kế thừa kết

quả các nghiên cứu khoa học có liên quan đã được công bố

 Phương pháp phân tích thông kê: Thực hiện các phép phân tích để đánh giá

mẫu, các chỉ số cần thiết phục vụ cho quá trình nghiên cứu

 Phương pháp so sánh: Dựa vào kết quả thu được, so sánh với những kết quả

khác nhằm đưa ra những đánh giá cho hệ thống

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn.

Nghiên cứu được dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc bao gồm các báo cáo, tài liệuthống kê các nghiên cứu về quá trình phân huỷ kỵ khí Cũng như những thành quảtrong và ngoài nước về việc xử lý chất thải rắn sinh hoạt bằng nhiều giải pháp khácnhau

Dựa trên nhu cầu thực tiễn về việc các giải pháp xử lý hiện tại đã lỗi thời cũng như nhucầu năng lượng ngày càng tăng Điều đó dẫn tới việc nghiên cứu, đánh giá hệ thống sẽgóp phần giải quyết các vấn đề tồn đọng thực tế

7 Kết quả đạt được và vấn đề tồn tại.

Qua quá trình nghiên cứu, đề tài đã đánh giá được mức độ hiệu quả cũng như khả năngtriển khai thực tế của hệ thống phân huỷ kỵ khí hai pha đối với chất thải rắn sinh hoạt

có khả năng phân huỷ hữu cơ Đồng thời đưa ra được sự ảnh hưởng của pH và khoảng

pH tối ưu cho hệ thống

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG1.1 : Tổng quan về chất thải rắn sinh hoạt

Theo thống kê world bank, lượng CTR phát sinh ở Việt nam hiện nay khoảng 27 triệutấn và nhanh chóng tăng lên 54 triệu tấn vào năm 2030 [84] Trong đó thành phần chấtthải có khả năng phân hủy sinh học chiếm trên 50-60%, vẫn đang được đốt hoặc chônlấp cùng với các loại chất thải rắn sinh hoạt khác Việc đốt tiêu tốn nhiều năng lượng

do thành phần này có độ ẩm cao và phát sinh chi phí xử lý khí thải từ lò đốt Việc chônlấp tiềm ẩn nhiều nguy cơ rủi ro ô nhiễm mùi, nước mặt và nước ngầm Trong khi đóbằng việc ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí tiên tiến, các nước châu Âu đã tạo ranguồn năng lượng đáng kể từ loại rác thải này (8% tổng sản lượng điện) Nhiều nghiêncứu cũng đã chỉ ra tiềm năng thu hồi năng lượng từ loại hình chất thải này ở Việt nam[61; 84] Tuy nhiên, ở Việt Nam công nghệ phân hủy kỵ khí vẫn còn chưa được chútrọng nghiên cứu, việc ứng dụng mới dừng lại ở phạm vi uy mô nhỏ và công nghệ lạchậu [1] Do đó cấp thiết cần có những nghiên cứu tiếp cận với những tiến bộ trongcông nghệ phân hủy kỵ khí nhằm giải quyết những vấn đề ô nhiễm hiện hữu và đápứng nhu cầu gia tăng về năng lượng

1.2 : Cơ sở lý thuyết.

1.2.1 Cơ chế sinh hóa

Quá trình phân hủy kỵ khí (Anaerobic digestion – AD) là một chuỗi các bước chuyểnhóa sinh hóa tuần tự bao gồm thủy phân (hydrolysis), lên men axit (acidogenesis),Axetat hóa (Acetogenesis), và sinh mê tan (methanogenesis) [2; 16; 19; 55; 63; 101;

103], xem hình 1.1 Trong đó, các hệ vi sinh thực hiện các bước chuyển hóa có các đặcđiểm sinh trưởng khác nhau như trình bày dưới đây

Hình 1 1: Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí

Ban đầu, quá trình thủy phân bẻ gãy các hợp chất hữu cơ cao phân tử (như lipids,carbohydrate, and protein) thành các chất hòa tan có cấu trúc đơn giản hơn (như axitbéo, đường glucose, and axit amin) nhờ hoạt động của các enzyme ngoại bào (exo-enzymes), quá trình này được đặc trưng bằng phương trình (1-3) [1; 34] Các vi sinhphụ trách quá trình thủy phân có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện môi trườngdao động và sự có mặt của các độc tố có trong cơ chất nền [75] Chúng có thể hoạtđộng trong môi trường có tính axit đến kiềm tính cao (pH 4-11) [102] Tuy nhiên, môitrường pH = 6-8 thường được cho là mang tới điều kiện hoạt động lý tưởng cho quátrình thủy phân [73; 81; 100] Quá trình thủy phân các vật liệu chất xơ (lignocellulose)

là một quá trình tương đối chậm, do đó, nó được coi là bước giới hạn tốc độ trong quátrình tiêu hóa lignocellulose [48; 63; 101] Vấn đề này có thể được xử lý bằng cách sửdụng các quy trình tiền xử lý bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học.Chi tiết của các phương pháp này được trình bày bởi Ariunbaatar và cs (2014) [3]

(1) (C6H10O5 )n +n H2O Hydrolysis

→ nC6H12O6

Bước lên men axit chuyển hóa các sản phẩm của quá trình thủy phân thành các axit

béo dễ bay hơi (volatile fatty acids - VFAs) như axit propionic, axit butyric, axit axetic

và etanol nhờ hoạt động của vi khuẩn sinh axit [11; 17; 66] Chúng có đặc điểm sinhtrưởng mạnh và nhanh với thời gian nhân đôi tối thiểu là 30 phút [68] Quá trình nàyđược đặc trưng bởi các phương trình (4-7) và bị ảnh hưởng đáng kể bởi điều kiện pH[1; 34; 48; 63] Khi thay đổi pH từ 4 đến 8, các sản phẩm chính thay đổi từ axit butyric

và axit axetic thành axit axetic và axit propionic [29; 39] Khi pH<4, hoạt động của quátrình này bị ức chế mạnh [76] Độ pH trong khoảng 5,5-6,5 thường được báo cáo làkhoảng tối ưu [55]

(4) nC6H12O6Acid forming bacterin

(7) C6H12O6→2CH2CH2OH +2CO2

Bước thứ ba (tạo acetogenesis) chuyển hóa hầu hết các sản phẩm của quá trình lên

men axit thành axit acetic (CH3COOH), hydro (H2) và carbon dioxide (CO2) như trong các phản ứng (6-9) nhờ sự hoạt động của nhóm vi sinh Acetogens [15; 21; 34;

63] Động học tăng trưởng của quá trình này chậm hơn nhiều so với quá trình lên menaxit với thời gian phân bào nằm trong khoảng 1.5-4 ngày [68] Nhóm Acetogens lànhóm vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt, sự có mặt của oxy tự do hay trong các gốc NO3-,

NO2- được coi là độc tính [48], chúng hoạt động tốt trong môi trường axit yếu (pH =6.0-6.2) [68] Đáng chú ý, áp suất riêng phần cao của sản phẩm hydro (≥ 10-4 atm) ứcchế phản ứng (8), (9) và (10), do đó sản phẩm hydro sẽ được giải phóng [10; 76]

¿

(9) CH3(CH2 ) 2COO−¿+ H2O→2 CH3COO− ¿+H++2H2¿¿ ¿

(10) CH3CH2COOH +H2O →CH3COO− ¿+ H+ ¿+2H2¿ ¿

(11) 2CO2+4 H2→CH3COO− ¿+ H+ ¿+2 H2 O¿ ¿

Bước thứ tư (tạo methanogenesis) đóng vai trò quan trọng nhất trong việc hình thành

methane từ các sản phẩm của quá trình Axetat hóa nhờ sự hoạt động của các vi khuẩnmethanogens Có hai cơ chế cơ bản để tạo ra mêtan bao gồm quá trình tạo metan bằngaxetoclastic và hydrogenotrophic Con đường thứ nhất, vi khuẩn axetotrophicmethanogens chuyển hóa axit axetic thành CH4 và CO2 theo phương trình (12) [48; 88].Con đường thứ hai, vi khuẩn hydrogenotrophic methanogens sử dụng CO2 và H2 làmnguồn thức ăn, như trình bày trong phản ứng (13) [19; 48; 88] Trong khi thời giannhân đôi tối thiểu của vi khuẩn hydrogenotrophic methanogens là trong khoảng 4-12giờ, vi khuẩn axetotrophic methanogens có tốc độ phát triển tối đa thấp hơn nhiều với

thời gian nhân đôi là 2-3 ngày [68; 88] Nhìn chung, vi khuẩn sinh mê tan cực kỳ nhạycảm với điều kiện pH, sự hiện diện của oxy và các yếu tố khác như amoniac tự do(FAN), H2S và VFAs [34] Chúng không thể hoạt động ở điều kiện pH thấp hơn 6.2,thậm chí chết ở điều kiện pH dưới 6.0 [34; 63], và có thể bị ức chế bởi sự giải phóngamoniac tự do (FAN) khi giá trị pH trên> 7,8 [68] Giá trị pH tối ưu thường được báocáo ở môi trường trung tính (7,0-7,2) [55; 60; 63; 97] Quá trình này mất trạng thái ổnđịnh khi nồng độ FAN đạt 0,6-0,69g/L [25; 32], giảm 50% hiệu suất khi nồng độ FAN

là 1,45g/L [58], và có thể bị hỏng khi FAN lên tới 1.7-1.8g/L [96] Nồng độ lưu huỳnhtối ưu cho sự phát triển của methanogens nằm trong khoảng từ 16 đến 160mg-S/L [83].Quá trình tạo methanogenesis thường ổn định với nồng độ VFA thấp (<200mg/l), và sự

ức chế xảy ra khi nồng độ acetate vượt quá 3g/l [10] Sự dao động của nhiệt độ trong lòphản ứng phải càng nhỏ càng tốt (< 1°C/ngày đối với hệ ưa ấm và 2-3°C/ngày đối với

hai phạm vi nhiệt độ: ưa nhiệt từ 50°C đến 60°C và ưa nhiệt từ 30°C đến 35°C [34].Nhiệt độ tối ưu trong môi trường ưa nhiệt là 35oC [34].

Hình 1 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của quá trình AD ( Mata-Alvarez (2003)

[56] )

Vi khuẩn axetotrophic là nhóm nhạy cảm nhất với sự thay đổi nhiệt độ [2] Nhiệt độtrong lò phản ứng phải được ngăn ngừa dao động càng nhỏ càng tốt, nghĩa là <1°C /ngày đối với điều kiện ưa nhiệt và 2-3°C / ngày đối với điều kiện ưa nhiệt [34] Thêmvào đó, TurovskiyvàMathai (2006) [82] cho rằng quá trình AD có thể thất bại khi biếnđộng nhiệt độ thay đổi hơn 1°C/ngày; và nhiệt độ nên được ngăn ngừa dao động thấphơn 0,6°C/ngày

Nhiệt độ ngày càng tăng có một số lợi ích bao gồm cả tốc độ phản ứng và sinh họcđược nâng cao {Appels, 2008 #108}[2] Các điều kiện ưa nhiệt được nhấn mạnh làmang lại nhiều lợi ích như tỷ lệ trao đổi chất cao hơn, tỷ lệ tăng trưởng cụ thể cao hơn

và tỷ lệ chết của mầm bệnh cao hơn cùng với sản lượng khí sinh học cao hơn [26; 27;

45; 46; 72]

Tuy nhiên, Komemoto và cs (2009) [47] báo cáo rằng quá trình thủy phân nhanh hơnđáng kể trong điều kiện ưa nhiệt so với điều kiện ưa nhiệt (55°C và 65°C) Hơn nữa,việc áp dụng nhiệt độ cao hơn dẫn đến tăng amoniac tự do [31], có vai trò ức chế đối

với vi khuẩn kỵ khí Trên thực tế, nhược điểm của loài ưa nhiệt là nhạy cảm với sự daođộng của nhiệt độ hơn loài ưa ấm [34; 45]; bên cạnh đó, quá trình ưa nhiệt cần nhiềunăng lượng để sưởi ấm hơn quá trình ưa ấm [98] Đó là lý do tại sao quá trình ưa ấm lạiphổ biến và hấp dẫn hơn quá trình ưa nhiệt

b) Điều kiện pH

Bốn bước của AD có thể chấp nhận được trong phạm vi pH từ 6,5-7,5 [63] Tuy nhiên,

có giá trị pH tối ưu khác nhau cho mỗi bước Quá trình thủy phân: quá trình thủy phân

có thể xảy ra trong phạm vi pH rộng (4-11) [102], nhưng giá trị pH từ 6,5-7 cung cấpmột điều kiện làm việc tối ưu cho quá trình thủy phân [17; 100] Acidogenic process:

Lindner và cs (2015) [54] and [41] báo cáo rằng pH 6 là điều kiện tốt nhất để tạo axit.Quá trình sinh aceton: môi trường hơi axit (pH từ 4,5 đến 5,5) tốt hơn cho hoạt độngcủa acetogen và chúng ít nhạy cảm hơn với sự dao động của pH trong dòng thức ăn đầuvào [63] Quá trình sinh metan: vi khuẩn tạo metan cực kỳ nhạy cảm với giá trị pH.

Quá trình tạo metan có thể thực hiện trong phạm vi pH từ 6,7-7,4, nhưng tối ưu là

từ 7,0 đến 7,2, nếu pH thấp hơn 6,0 vi khuẩn tạo metan có thể bị chết [63] Gerardi(2003) [34] báo cáo rằng quá trình tạo thành không thể xảy ra trong điều kiện pH <6,2,

và Mao và cs (2015) [55] đồng ý với Nayono (2010) [60] rằng giá trị pH trung tính làđiều kiện tốt nhất cho quá trình tạo methanogenesis Tuy nhiên, sự tác động bao giờcũng có tính tổ hợp, nó sẽ khác biệt với các cơ chất khác nhau Ảnh hưởng của pH đến

hệ thống TAD đã được nghiên cứu với nhiều cơ chất khác nhau như: chất thải nhà bếp[100], củ cải đường [49], chất thải thực vật [70] và nước rỉ rác [7] Tuy nhiên, nhữngnghiên cứu tương tự với nguồn cơ chất là CTRHC vẫn còn hạn chế thông tin Hơn nữa,CTRHC thường được báo cáo có độ pH thấp (3,9-6,2), do đó việc điều chỉnh pH trong

hệ thống TAD là cần thiết [12]

c) Tỉ lệ dinh dưỡng Carbon –nitrogen (C/N)

Tỷ lệ C / N là một thước đo tương đối của chất dinh dưỡng cân bằng có trong nguyênliệu [63] Nếu tỷ lệ C / N của chất nền hữu cơ quá cao, chất nền sẽ bị thiếu nitơ, chấtnày cần cho sự tích tụ của khối vi khuẩn Nếu tỷ lệ C / N quá thấp, sự suy thoái củanguyên liệu thô sẽ giải phóng nồng độ amoniac cao, và điều này gây độc cho vi khuẩn[36] Do đó, cần có sự cân bằng thích hợp giữa C và N để tiêu hóa hiệu quả, ổn địnhtrong quá trình hoạt động lâu dài của AD Nói chung, tỷ lệ C/N được khuyến nghịtrong khoảng từ 15 đến 30 với tỷ lệ tối ưu là 20 cho AD [53; 55; 67]

d) Thời gian lưu HRT

Thời gian lưu thủy lực (HRT) là khoảng thời gian chất nền ở lại trong lò phản ứng, cònđược gọi là thời gian lưu trú (RT) HRT có thể được mô tả bằng phương trình: HRT =

V / Q, trong đó V là thể tích sinh học và tốc độ dòng chảy ảnh hưởng Q theo thời gian.HRT tối thiểu được xác định bởi tốc độ phát triển của các vi khuẩn kỵ khí phát triểnchậm nhất trong cộng đồng vi sinh vật kỵ khí thiết yếu [60] Khi HRT có giá trị tốithiểu ngắn hơn, các vi khuẩn kỵ khí phát triển chậm nhất, cần thiết cho AD, bị rửa sạchkhỏi lò phản ứng, dẫn đến hệ thống AD bị lỗi Zaher và cs (2007) [98]HartmannvàAhring (2006) [36] trích dẫn từ các tài liệu khác và nhận thấy rằng HRTcủa các thiết bị phân hủy kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ thay đổi từ 3 đến 55 ngày

Zaher và cs (2007) [98] cho rằng HRT đối với quá trình phân hủy kỵ khí khô nằmtrong khoảng từ 14 đến 30 ngày và đối với quá trình kỵ khí ướt, nó có thể thấp nhất là

ba ngày Tóm lại, HRT có thể thay đổi trong một phạm vi lớn tùy thuộc vào đặc điểmchất thải, điều kiện hoạt động, (các) giai đoạn quy trình và cấu hình của hệ thống AD.Giảm HRT có nghĩa là giảm kích thước của bể phân hủy, dẫn đến tiết kiệm chi phí

e) Sự ức chế

Các hợp chất ức chế hoặc đã xuất hiện trong nguyên liệu hoặc được tạo ra trong quátrình AD [2] Các chất ức chế trong lò phản ứng kỵ khí có thể gây độc cấp tính hoặcmãn tính Độc cấp tính do sự tiếp xúc nhanh chóng của vi sinh vật chưa thích nghi với

nồng độ chất thải độc hại tương đối cao Độc mãn tính do sự tiếp xúc dần dần và tươngđối lâu của vi sinh vật chưa thích nghi với chất thải độc [34].

 Ammonia – NH 3

Amoniac được tạo ra trong quá trình AD từ nguồn nguyên liệu hữu cơ giàu nitơ và chủyếu tồn tại ở dạng amoni (NH4) và amoniac tự do (NH3) [96; 101] Nồng độ amoniac

tự do phụ thuộc chủ yếu vào tổng nồng độ amoniac, nhiệt độ và pH [30; 35], Mối quan

hệ này có thể được mô tả trong Hình 6 Ngoài ra, amoniac ở mức thấp khi tỷ lệ C / Ncủa nguyên liệu thô vượt quá 30 và ở mức cao khi tỷ lệ C / N của chất nền dưới 15.[90; 99; 101]

Sulphide có sẵn trong nguyên liệu thô của thiết bị phân hủy kỵ khí [65] Sunfua tồn tại

ở dạng hòa tan hoặc không hòa tan; sunfua không hòa tan không gây độc [34] Dạnghòa tan (HS-) là độc tính; nó có thể tự do đi qua màng tế bào vào tế bào gây ra sự biếntính của protein, cản trở quá trình trao đổi chất đồng hóa [2; 34] Chen và cs (2008)[14] trích dẫn từ nhiều nghiên cứu cũng báo cáo rằng sulphide là độc tính đối với cácnhóm vi khuẩn khác nhau trong các thiết bị phân hủy kỵ khí

 Kim loại nặng

Mặc dù nhiều kim loại nặng (Ni, Co và Mo) ở mức vi lượng cần thiết cho hoạt độngtăng trưởng hoặc chức năng của vi sinh vật Khi kim loại nặng vượt quá nồng độ vết cóthể gây ức chế hoặc gây độc cho vi sinh vật [34; 51]; điều này có thể dẫn đến việc phânhủy kỵ khí bị hỏng [14; 34] Bởi vì ở nồng độ cao, kim loại nặng có thể gây ra sự giánđoạn chức năng và cấu trúc của vi sinh vật [14] Một tính chất đặc biệt của kim loạinặng là chúng có thể không phân hủy sinh học và có thể tích tụ đến nồng độ gây tửvong cho vi sinh vật [14; 101] LivàFang (2007) [51] nhận thấy tính độc của kim loạinặng theo thứ tự: (ít độc nhất) Pb <Cd <Cr <Zn, Ni << Cu (độc nhất)

 Nguyên tố vết

Các kim loại nhẹ (Ca, Mg, K, Na) có thể được giải phóng đến các thiết bị phân hủy kỵkhí do sự phân hủy của nguyên liệu thô hoặc được thêm vào làm hóa chất điều chỉnhpH; chúng thường liên kết với các hợp chất kiềm [14] Chúng cần thiết cho sự pháttriển của vi sinh vật và ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng cụ thể giống như bất kỳ chấtdinh dưỡng nào khác Ở nồng độ thấp (100–400mg / l) chúng cần thiết và tăng cườnghoạt động của vi khuẩn kỵ khí [34] Ở nồng độ cao, chúng thể hiện độc tính đáng kể[14; 34]

 Chất độc hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ có thể ức chế AD vì sự tích tụ của các chất hữu cơ không phâncực trong màng vi khuẩn gây phá vỡ màng tế bào [14] Các hợp chất hữu cơ đã đượcbáo cáo là có độc đối với thiết bị phân hủy kỵ khí bao gồm benzen halogen hóa, phenolhalogen hóa, halogen hóa béo, rượu halogen, alkyl benzen, axit cacboxylic, amit,phenol và alkyl phenol, ete, xeton, aldehyde, nitrophenol, rượu, ankan, nitriles, amin,acrylat và pyridin và các dẫn xuất của nó [14]

1.3 : Hệ thống phân hủy kỵ khí hai giai đoạn

1.3.1 Cấu hình hệ thống

Các đặc điểm tăng trưởng của các quá trình thủy phân / tạo axit và quá trình sinh mêtan là rất khác nhau Do đó, ý tưởng cho hệ thống hai giai đoạn được đưa ra để tối ưuhóa từng bước tiêu hóa Hiện tại, có hai quan điểm khác nhau về việc thực hiện cácbước phân hủy ở hai lò phản ứng Quan điểm thứ nhất giả sử rằng bể thứ nhất cho phépquá trình thủy phân / tạo axit xảy ra và bể thứ hai tối ưu hóa quá trình tạo acetogenes /methanogenesis [5; 89] Trong khi đó, quan điểm thứ hai đề xuất quá trình tạoacetogenes nên ở trong lò phản ứng đầu tiên và lò phản ứng thứ hai chỉ tối ưu hóa quátrình tạo methanogenesis [63; 82]

Quan điểm thứ hai có thể muốn thu hồi sản phẩm hydro từ quá trình tạo acetogenes.Tuy nhiên, có một số lý do khiến ý tưởng này không hợp lý Thứ nhất, sản xuất hydro

từ AD hiện không hiệu quả về mặt kinh tế vì chi phí cao để làm giàu khí hydro đáp ứngcác tiêu chuẩn chất lượng thương mại [97] Thứ hai, như được mô tả trong phần 1.2,quá trình sinh mê tan (tiêu thụ hydro) nên được thực hiện đồng thời với quá trình sảnsinh hydro/Axetat hóa Thứ ba, các vi khuẩn Axetat hóa cũng là nhóm vi khuẩn kỵ khínhạy cảm và nghiêm ngặt; chúng không nên hoạt động cùng với nhóm vi sinh tùy tiện(vi sinh vật thủy phân / sinh axit) Trên thực tế, rất khó đạt được sự tách biệt thực sựcủa các bước phân hủy [1], do đó quá trình tạo axetat có thể xảy ra ở cả hai lò phản ứngnhưng chủ yếu là ở lò thứ hai Sơ đồ của hệ thống hai giai đoạn được thể hiện trongHình 1.3

Hình 1 3: Sơ đồ hệ thống phân huỷ kỵ khí 2 giai đoạn

Do các điều kiện môi trường khác nhau giữa hai lò phản ứng, một bể đệm thường đượcđặt giữa hai lò phản ứng như trong Hình 1.4 cho nhiều mục đích như loại bỏ các vậtliệu không thể thủy phân, kiểm soát pH và thậm chí kiểm soát nồng độ cơ chất [44;

97] Hệ thống hai giai đoạn có thể sử dụng một, hai hoặc cả ba vòng tuần hoàn nước(R1, R2 và R3, thể hiện trong Hình 1.4) trong trường hợp cần thiết Sử dụng các vòngtuần hoàn này mang lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như kiểm soát tốt hơn độ pH (giảm độ

axit do sử dụng nước thải có độ kiềm cao từ bể phản ứng thứ hai); trộn / pha loãngnguyên liệu thô rắn cao; và cải thiện hoạt động của vi khuẩn [5; 97] Tuy nhiên, nếucác chất ức chế được tích tụ bên trong lò phản ứng và gây ra tình trạng không ổn địnhcủa hệ thống do sử dụng trong thời gian dài, chất nền đi vào cần được pha loãng bằngnước ngọt Sau khi thủy phân, hàm lượng rắn của nguyên liệu thô giảm đáng kể Do

đó, hệ thống hai giai đoạn có thể là cấu hình khô-ướt (chất rắn cao trong bể phân hủythứ nhất và chất rắn thấp trong bể phân hủy thứ hai) hoặc cấu hình ướt-ướt (cả hai giaiđoạn đều có chất rắn thấp) [69; 89] Bể thứ nhất thường sử dụng quá trình khuấy trộnliên tục (CSTR) [88] Trong khi đó, bể tứ hai có thể sử dụng các lò phản ứng tốc độ caoướt bao gồm CSTR, UASB, AFB, FB, EB, IC và EGSB [10; 15]

1.3.2 Đánh giá.

Ý tưởng về quá trình tiêu hóa hai giai đoạn không chỉ tối ưu hóa từng quá trình thủyphân/tạo axit và tạo methanogenesis để đẩy nhanh tiến độ tiêu hóa tổng thể mà cònmang lại nhiều lợi thế khác Các methanogens phát triển trong môi trường tối ưu củachúng, dẫn đến thực tế là chúng khó bị các nhóm khác xâm nhập hơn so với hệ tiêu hóamột giai đoạn Do đó, hệ thống phân hủy hai giai đoạn mạnh hơn nhiều so với hệ thốngmột giai đoạn và có thể chạy tốt với sự dao động của dòng chất thải Hơn nữa, khí sinhhọc được tạo ra từ quá trình thủy phân / tạo axit không kinh tế, có thể được loại bỏ khỏi

hệ thống thu khí dễ dàng mà không cần thêm bất kỳ quy trình nào Do đó, bằng cáchnày, chi phí làm giàu khí mêtan có thể được tiết kiệm đáng kể Hầu hết các nghiên cứuchỉ ra rằng hệ thống hai giai đoạn tốt hơn hệ thống một giai đoạn vì RTs ngắn hơn hoặcgiá trị tiêu hủy VS cao hơn [59; 62; 71; 91]

1.4 : Áp dụng quy mô thực tế trên thế giới

Những thành tựu của AD không chỉ giải quyết vấn đề rác thải mà còn mang lại mộtcách tiếp cận mới trong sản xuất năng lượng Trong hai thập kỷ gần đây, tổng côngsuất AD lắp đặt đã tăng gấp 5 lần trên toàn thế giới từ 2 triệu tấn lên 11 triệu tấn một

năm [4] Nhóm các nước Châu Âu đóng góp tỷ trọng lớn nhất vào tổng sản lượng điện

từ khí sinh học với sự gia tăng các công trình khí sinh học lớn từ 18 công trình năm

2001 lên 418 công trình năm 2015 [20; 40] Trong đó, Đức là nước đi đầu trong việc

sử dụng năng lượng từ khí sinh học với công suất 12.500 GWh vào năm 2014 [20].Bên cạnh các nước châu Âu, Hoa Kỳ cũng đóng góp một tỷ trọng đáng kể trong việc sửdụng rác sinh học để phát điện với 181 cơ sở AD xử lý OFMSW (tổng công suất780.000 tấn/năm, 2015) [28] Ngược lại, Nhật Bản mặc dù cũng là một nước phát triểnvới tiềm năng công nghệ cao nhưng việc áp dụng công nghệ khí sinh học vẫn cònchậm: từ một khí sinh học lớn vào năm 2004 (150 Nm3-khí/h) lên đến sáu nhà máyvào năm 2009 (tổng 2400 Nm3– khí/h)[40] Trong khi đó, đối với các nước đang pháttriển, hệ thống phân hủy công suất thấp được sử dụng phổ biến mà Trung Quốc là một

ví dụ điển hình với chương trình khí sinh học lớn nhất thế giới Tính đến cuối năm

2009, đã có trên 30,5 triệu hầm biogas hộ gia đình (12,4 tỷ m3 khí / năm) và 25012công trình khí sinh học quy mô lớn (7225 triệu m3 khí/năm) [20; 42] Một chươngtrình khác nhỏ hơn, SNV (một Tổ chức Phát triển Hà Lan) đã hỗ trợ các chương trìnhkhí sinh học trong nước cho 17 quốc gia ở châu Á và châu Phi Tính đến cuối năm

2012, SNV đã lắp đặt tổng cộng 479.609 thiết bị tiêu hủy gia dụng cho các quốc giaChâu Á và 24.990 thiết bị tiêu hóa nhỏ cho các quốc gia Châu Phi [77] Chương trìnhkhí sinh học ở Nepal và Việt Nam chiếm hơn 80% trong tổng số này Nhìn chung, dothiếu công nghệ và gánh nặng tài chính nên các máy phân hủy ướt tốc độ thấp thườngđược sử dụng ở các nước đang phát triển với số lượng lớn nhưng công suất nhỏ (chủyếu là quy mô hộ gia đình và quy mô trang trại) Trong khi đó, các nước châu Âu cótiềm lực kỹ thuật có điều kiện thuận lợi để xây dựng các nhà máy quy mô lớn, côngsuất điện cao hơn nhiều so với Trung Quốc và các nước đang phát triển khác [18; 69]

1.5 : Hiện trạng công nghệ phân hủy kỵ khí ở Việt Nam

Công nghệ phân hủy kỵ khí ở Việt nam thực tế đã được ứng dụng từ lâu Từ nhữngnăm 2000, các bể phản ứng kỵ khí công suất nhỏ (hầm biogas) đã bắt đầu được mởrộng sử dụng ở Việt Nam thông qua hỗ trợ của tổ chức SNV (tổ chức phát triển HàLan) Tính đến hết 2012, số lượng hầm biogas được xây dựng tổng lên tới trên 153.000hầm biogas [78] Các bể phân hủy này chính là dạng công nghệ phân hủy kỵ khí ướttải lượng thấp một giai đoạn, có đặc điểm là cấu tạo đơn giản, nhưng thời gian lưunước lớn (40 ngày), sản lượng khí gas thấp, chỉ thích hợp với chất thải chăn nuôi vàquy mô nhỏ [24]

cho đến gần đây việc nghiên cứu về công nghệ phân hủy kỵ khí để xử lý chất thải cókhả năng phân hủy sinh học ở Việt Nam mới bắt đầu nhận được sự quan tâm Thảo(2016) [79] nghiên cứu quá trình xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ bằngphương pháp sinh học kỵ khí ở chế độ lên men nóng Hoàng (2018) [37] nghiên cứu xử

lý phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ bằng phương pháp sinh học trong điều kiệnViệt Nam Hoàng và cs (2018) [38] nghiên cứu tiềm năng thu khí sinh học từ quá trìnhphân hủy yếm khí rác thải thực phẩm trên địa bàn thành phố Hà Nội TrungvàHưởng(2019) [80] nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí chất thải chăn nuôi lợn và rác hữu cơ

trong sinh hoạt nông thôn để sinh khí mêtan và phân hữu cơ Nhìn chung những

nghiên cứu hiện tại mới chỉ dừng lại ở việc thực hiện toàn bộ các bước chuyển hóa sinh hóa trong một bể phản ứng (công nghệ phân hủy kỵ khí đơn tầng/ Single-stage anaerobic digestion).

Về thực tế triển khai ứng dụng các dự án quy mô, các nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt

đã xây dựng thường là công nghệ ủ hiếu khí Từ năm 2014 mới bắt đầu xuất hiện cácnhà máy xử lý rác bằng công nghệ phân hủy kỵ khí khô như ở Lý Sơn, Ninh Bình,Nam Định (xem Bảng 1.1) Gần đây nhất là dự án Nhà máy phân loại, xử lý rác thải,sản xuất điện và phân bón khoáng hữu cơ do Công ty TNHH phát triển dự án Việt Nam

là chủ đầu tư, với tổng mức đầu tư hơn 53.835.000 Euro (1.380 tỷ đồng), với công suất

thiết kế 245 tấn CTRSH và 60 tấn phế phẩm nông nghiệp/ngày, được khởi công từtháng 8/2016, hoàn thành và đi vào hoạt động từ tháng 3/2018 Đâỵ là dự án xử lý rácthải lớn, có quy mô 9ha, hiện đại đầu tiên được đầu tư xây dựng ở xã Lý Trạch, huyện

Bố Trạch (tỉnh Quảng Bình) (Hình 1.4), gồm các tổ hợp xử lý rác thài sinh hoạt và sảnxuất, tái tạo tổng công suất điện 10MW, sửa dụng 100% thiết bị công nghệ đồng bộ,khép kín, hiện đại và tiên tiến nhất của CHLB Đức Tổng công suất phát điện thiết kế

từ chất thải hữu cơ là 3MW (trong tổng 10MW phát điện), lượng phân bón khoáng hữu

cơ ước tính đạt 10.000 tấn/năm

Bảng 1 1: Danh sách nhà máy và các loại hình xử lý chất thải rắn tại Việt Nam

2

Nhà máy xử lý

CTRSH theo phương

pháp ủ khô kỵ khỉ

Đỉa điểm: huyện Kim

Sơn, tỉnh Ninh Binh

10,862

tỷ 4 tấn/ngày

Hoạt động từ 2015, hiện vẫnđang vận hành

3 Nhà máy phân loại

xử lý rác thải, sản

xuất Biogas vả phân

bón khoảng hữu cơ

của cứng ty TNHH

phát triền dự án Việt

1.380 tỷ 245 tấn

CTRSH/ngày+ 60 tấn phếphẩm nôngnghiệp/ngày

- Đã vận hành thử nghiệmdây chuyền phân loại rác côngsuất 190 tấn/ngày - Đanghoàn thiện 3 mô-đun: lên menCTHC để phát điện, dâychuyền Mera nhiệt và dây

Nam ĐịađỉẲm: Bổ

Trạch, Quảng Binh

Công nghệ của Đúc

Diện ticb 9ha

chuyền sản xuất phân bổn

4

Nhả máy xử lý rác

thái tinh hoạt của

cống ty TNHH Môi

troòng xanh mièn

Trong Địa điềm:

Hình 1 4: Toàn cảnh nhà máy phân loại, xử lỷ rác thải, sản xuất điện và phân bón

khoáng hữu cơ.

Nhà máy là tổ hợp 6 dây chuyền xử lý nhập khẩu, rắp láp trực tiếp bởi các nhà thầu đến

tử Đức, dể có thể phân loại, xử lý và tái chế trên 95% lượng rảc, sản xuất ra điện sạch

vồ phân khoáng hữu cơ Trong đó, dây chuyền quan trọng nhất của nhà mảy là dâychuyền lên men khô được thực hiện tại Bể lên men - nơi biến rác thổi hừu cơ thành khí

ga và phân khoáng hữu cơ Đây là công nghệ chưa từng có tại Việt Nam nỏi riêng,cũng như Châu Á nói chung

Quy trình công nghệ:

 Chất thải sinh học (rác hữu cơ) từ dây chuyền phân loại rác, duợc xén nhỏ 40mm và chuyển vào container nạp liệu Việc nạp liệu thực hiện liên tục bằngbang tải xoắn ốc và có thể diều chỉnh tốc dộc (nếu cần);

30- Hệ thống cảm biến trong bể lên men sẽ thông báo việc bổ sung thêm nuớc (nếucần), các cánh khuấy sẽ nhào trộn nguyên liệu dảm bảo quá trình lên men, dẩykhí gas lên trên và bã từ nạp liệu sang cửa xả

 Khí gas duợc hút rồi dẫn qua các thiết bị làm sạch khí gas (lọc hoi nuớc, H2S,CO2) dảm bảo tỷ lệ khí CH4 trên 95% Cuối cùng khí gas duợc dốt chạy turbinekhí của máy phát diện 2MW;

 Bã thải sau thời gian lên men sẽ duợc dua qua máy ép nuớc và dùng dể sản xuấtphân bón (nhu phân vi sinh compost)

 Nuớc sau khi ép ở buớc 4 một phần nhỏ duợc quay lại tái sử dụng cho quá trìnhlên men dể tận thu khí gas truớc khi dùng làm phân bón cho các loại cây côngnghiệp (không thải nuớc bẩn ra môi truờng

sự quan tâm nghiên cứu

 Với quá trình phát triển trong nhiều năm, việc ứng công nghệ phân pha trongviệc xử lý CTRSH đồng thời thu hồi năng lượng ở các nước phát triển cũng đãđược ứng dụng nhiều trong thực tế Trong khi đó, việc nghiên cứu ứng dụngcông nghệ phân hủy kỵ khí để xử lý CTR ở Việt Nam mới được quan tâm gầnđây Việc nghiên cứu còn đi sau so với ứng dụng thực tế bởi quá trình nhậpkhẩu công nghệ Về nghiên cứu, các hệ thống phân pha hầu như chưa được quantâm đúng mức

 Trong các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình PHKK thì pH là yếu tố đặc biệtquan trọng do ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của vi sinh Sự ảnh hưởng của

pH đến nhiều các cơ chất khác nhau trong quá trình PHKK đã được nghiên cứu,tuy nhiên nền cơ chất CTRHC thì còn chưa được quan tâm đúng mức

→ Vì vậy việc xây dựng hệ thống, nghiên cứu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, điềukiện tối ưu khả năng thu hồi năng lượng ở quy mô phòng thí nghiệm là cần thiết, tạo cơ

sở tiền đề để phát triển, ứng dụng rộng rãi trong thực tế trước sự phát triển của xã hội

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 : Đặc tính cơ chất (chất thải)

15 ki-lô-gam chất thải rắn sinh hoạt (CTRHC) có khả năng phân hủy sinh học (rau củquả,thức ăn thừa) lấy ở chợ Bách Khoa và các quán ăn, hộ gia đình xung quanh,phường Đồng Tâm, quận Hai Bà Trưng, thành phố Hà Nội trong ngày 26 tháng 5 năm2021

Chất thải rắn sau đó được cắt nhỏ 0,5cm để đồng nhất mẫu Một phần tiến hành thínghiệm xác định tổng chất rắn (TS) và chất rắn bay hơi (VS) Phần còn lại được chiađều thành 5 phần, mỗi phần 3kg bảo quản kín bằng hộp nhựa có nắp ở nhiệt độ 0-4oCtrong tủ lạnh

Hình 2 1: Thu gom chất thải rắn sinh hoạt

Hình 2 2: Tiền xử lý và bảo quản cơ chất

Kết quả đặc tính của cơ chất được thể hiện trong Hình 1, trong đó tỉ lệ C/N = 16.3 nằmtrong khoảng tỉ lệ dinh dưỡng tối ưu thường được báo cáo trong các nghiên cứu gầnđây Do đó, việc điều chỉnh tỉ lệ dinh dưỡng đối với nguồn cơ chất là không cần thiết

Cơ chất tiếp tục được xay nhỏ bằng máy nghiền trước khi thực hiện quá trình phânhủy

12.37 0.76

Thành phần theo khối lượng ướt (%)

Hình 2 3: Thành phần cơ chất theo khối lượng ướt

Đối với quá trình thủy phân/ lên men acid được thực hiện theo dạng mẻ nên cơ chấtcần được trộn với vi sinh kỵ khí (bùn kỵ khí) với tỉ lệ 9:1 (khối lượng ướt) Bùn vi sinhđược lấy từ bể phản ứng kỵ khí của một trạm xử lý nước thải sinh hoạt theo công nghệ

kỵ khí – hiếu khí (AO), sau đó được cô đặc trong điều kiện lạnh 4oC Ở bước lên menmê-tan, được thực hiện theo quá trình liên tục, cơ chất được bơm vào bể sẽ tương tácvới vi sinh có sẵn trong bể phản ứng Do đó không cần phải thực hiện quá trình trộn visinh với cơ chất trước khi được bơm vào bể phản ứng mê tan

2.2 : Mô hình thí nghiệm.

2.2.1 Sơ đồ chung

Mô hình thử nghiệm của quá trình phân hủy kỵ khí hai giai đoạn bao gồm một bể phảnứng thủy phân (HR, 5L), một bể đệm (BT) và một bể phản ứng mêtan (MR, 2.4 L) vớidòng nguyên liệu như hình 2.2 Dựa theo Van và cs (2019) [85], một vấn đề lớn trong

lò phản ứng thủy phân được vận hành ở nồng độ chất rắn cao dẫn đến việc trộn không

đủ hoặc tiêu thụ năng lượng quá cao để trộn Báo cáo này khuyến nghị rằng 15% tổngchất rắn là điều kiện giới hạn trên cho lò phản ứng này Trong khi đó, BMSW thườngđược báo cáo có hàm lượng rắn> 20% Vì vậy, vì mục đích an toàn, nghiên cứu hiện tại

đã pha loãng tổng chất rắn trong nguyên liệu thô xuống 12% bằng cách thêm nướctrước khi được nạp vào lò phản ứng Hơn nữa, quá trình axit hóa nhanh chất nền bêntrong lò phản ứng dẫn đến điều kiện pH giảm xuống 4 [88] Ở điều kiện này, các hoạtđộng của vi sinh vật bị ức chế nghiêm trọng và có thể cần thời gian lưu giữ lâu dài lênđến 15 ngày Vì vậy, việc bổ sung kiềm để kiểm soát điều kiện pH trong bể phản ứngnày là cần thiết Trong đó, các nguồn kiềm thuận lợi bao gồm NaOH, Na2CO3,NaHCO3, CaCO3 [15; 34] Một cách tốt hơn, có thể sử dụng nước thải đầu ra của lòphản ứng mêtan, chứa nồng độ cao của NH4+, là chất đệm có tính kiềm nhẹ, có thểđược sử dụng Nhờ đó, lượng tiêu thụ nước và hóa chất có thể giảm đáng kể Tuy

nhiên, nồng độ NH4+ quá cao có thể ức chế methanogens [85] Do đó, việc sử dụngtuần hoàn nước thải phải dựa trên các điều kiện vận hành thực tế Thời gian lưu cũng làthông số quan trọng, trong khi RT dài đòi hỏi lò phản ứng lớn, RT ngắn gây ra quátrình không hoàn chỉnh Theo tài liệu, RT từ 3-5 ngày là đủ lâu để thủy phân / axit hóachất nền rắn cao Đó là lý do tại sao nghiên cứu hiện tại sử dụng RT trong 5 ngày cho

lò phản ứng đầu tiên

Sau khi thủy phân ở TS 12%, nồng độ axit của cơ chất (chất thủy phân) rất cao, có thể

ức chế methanogens Do đó, dịch thủy phân được pha loãng đến nồng độ thích hợpbằng nước hoặc nước thải của lò phản ứng mêtan Và tỷ lệ pha loãng sẽ được điều tra

để tối ưu hóa hiệu suất Các nguyên liệu không thể thủy phân bao gồm các chất trơ vàxenlulozơ Chúng có thể tích tụ dưới đáy hoặc chiếm chỗ ở của bùn sinh khối sau khiđược nạp vào lò phản ứng mêtan Hơn nữa, chúng có thể cản trở sự tiếp xúc giữa chấtnền hòa tan và sinh khối Do đó, việc loại bỏ các phần không thể thủy phân ra khỏi cácsản phẩm thủy phân là một yêu cầu quan trọng trong hoạt động của hệ thống đề xuất.Sau đó, nó tiếp tục được lọc (1mm) và lưu trữ trong BT Cuối cùng, các phần lỏng củadịch thủy phân được bơm vào MR Trong khi cả HR và MR đều được duy trì ở nhiệt

độ ưa nhiệt, nhiệt độ của BT không được kiểm soát

Hình 2 4: Sơ đồ chung của quá trình phân huỷ kỵ khí hai pha

Đầu ra Hydrolysate

(H)

Cơ chất

Bể mê-tan Tách rắn

Thủy phân

2.2.2 Mô hình thí nghiệm

Bể metan là bể dòng chảy ngược có cấu tạo chính là hình trụ tròn bằng thủy tinh, vớidung tích làm việc là 2,4 lít Khi cơ chất được bơm vào bể, nó sẽ tiếp xúc với lớp bùnhoạt tính ở dưới đáy bể, vi sinh trong lớp bùn này sẽ phân hủy cơ chất tạo thành hỗnhợp khí biogas Khí biogas sẽ được tách bởi phễu thu khí nằm trên đỉnh bể phản ứng vàdẫn vào bình thu khí có dung tích 3 lít Bên ngoài bể có một lớp nước đóng vai trò làmlớp đệm và luôn được duy trì ở nhiệt độ ấm 37oC để quá trình sinh khí diễn ra ổn định

Hình 2 5: Thiết kế và tính toán mô hình thí nghiệm