Thiết kế, chế tạo máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh công suất 100 kg sản phẩm-ngày

Đây lại là một loại chất thải giàu chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên có thể được tách ra để xử lý riêng một cách dễ dàng nhằm giảm tải cho các hệ thống thu gom và xử lý chất thải rắn

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Văn Chung

Cộng tác thực hiện: ThS Huỳnh Thị Lê Dung

BẰNG MEN VI SINH

Công suất 100 kg/ngày

Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Đặng Vũ Ngoạn

Cộng tác thực hiện: TS Phạm Minh Tuấn

ThS Võ Tuyển ThS Trịnh Tiến Thọ

KS Đặng Văn Hải

KS Huỳnh Thanh Vũ

CN Hoàng Xuân Thế

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

LỜI MỞ ĐẦU

Theo thống kê của Bộ tài nguyên và môi trường, năm 2008 tổng lượng chất thải rắn của Việt Nam gần 28 triệu tấn, và dự báo đến năm 2015 sẽ tăng đến 44 triệu tấn Với một lượng lớn rác thải phát sinh như vậy thì việc thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải rắn đô thị là một vấn đề nan giải đối với nhiều địa phương trong cả nước Hiện nay chỉ có 70% lượng chất thải rắn tại các đô thị Việt Nam được thu gom Chất thải rắn sinh ra chưa được thu gom và xử lý triệt để là nguồn gây ô nhiễm cả ba môi trường: đất, nước, không khí Tại các bãi đổ rác, nước rỉ rác và khí bãi rác là mối đe dọa đối với nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm trong khu vực, chỉ có 16 trong tổng số 98 bãi rác tập trung đạt yêu cầu của bãi chôn lấp rác hợp vệ sinh Như vậy, có hai vấn đề cấp bách là:

1 Khối lượng chất thải rắn lớn và ngày càng gia tăng nhanh chóng theo tốc độ tăng dân số và sự phát triển kinh tế

2 Hệ thống thu gom và phương pháp xử lý chất thải rắn chưa hiệu quả

Mặt khác, trong thành phần của chất thải rắn sinh hoạt thì chất thải thực phẩm chiếm khối lượng lớn, khoảng trên 65% Đây lại là một loại chất thải giàu chất hữu cơ

dễ phân hủy sinh học nên có thể được tách ra để xử lý riêng một cách dễ dàng nhằm giảm tải cho các hệ thống thu gom và xử lý chất thải rắn tập trung Đồng thời, sản phẩm cuối có thể được tận dụng cho các mục đích khác Trên cơ sở đó, đề tài “thiết kế, chế tạo máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh công suất 100 kg/ngày” được tiến hành

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Thiết kế, chế tạo thiết bị xử lý chất thải thực phẩm công suất 100 kg/ngày

- Nghiên cứu sản xuất men vi sinh để thúc đẩy quá trình xử lý

- Thử nghiệm quá trình xử lý chất thải thực phẩm trên thiết bị đã chế tạo

Mục lục

Trang

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về chất thải thực phẩm 1

1.1.1 Hệ thống phân hủy kỵ khí 2

1.1.2 Hệ thống phân hủy hiếu khí 2

1.1.3 Hệ thống ủ hiếu khí 3

1.1.4 Hệ thống tiêu hủy chất thải thực phẩm 3

1.1.5 Hệ thống sấy sinh học 4

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 7

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 7

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 8

1.3 Lựa chọn phương án xử lý 9

Chương 2: VẬT LIỆU và PHƯƠNG PHÁP 10

2.1 Phương pháp nghiên cứu sản xuất men vi sinh 10

2.1.1 Phương pháp phân lập và định danh vi sinh vật 10

2.1.2 Phương pháp tuyển chọn và nuôi cấy 11

2.1.3 Phương pháp xác định mật độ tế bào 12

2.1.4 Phương pháp xác định hoạt lực enzyme 13

2.2 Phương pháp thử nghiệm trên thiết bị xử lý 14

2.2.1 Mô hình thiết bị 14

2.2.2 Các thí nghiệm 15

2.2.3 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 15

2.2.4 Phương pháp xác định các chỉ tiêu 15

2.2.5 Tính toán cân bằng vật chất 16

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 18

3.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động 18

3.1.1 Sơ đồ khối 18

3.2 Cơ sở tính toán 21

3.2.1 Lựa chọn động cơ, phân tích lực và tính bền vít nghiền 21

3.2.2 Lựa chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền cho thùng khuấy 25

3.2.3 Tính toán lựa chọn điện trở cho cụm đốt khí 35

3.3 Các thông số kỹ thuật và hướng dẫn vận hành máy 36

3.3.1 Các thông số kỹ thuật 36

3.3.2 Sơ đồ mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển máy 37

3.3.3 Hướng dẫn vận hành máy 39

Chương 4: KẾT QUẢ và THẢO LUẬN 41

4.1 Nghiên cứu men vi sinh 41

4.1.1 Phân lập, danh định và tuyển chọn vi sinh vật 41

4.1.2 Sản xuất chế phẩm men vi sinh và đánh giá chất lượng 44

4.2 Thử nghiệm xử lý chất thải thực phẩm 45

4.2.1 Thành phần chất thải 45

4.2.2 Độ ẩm 46

4.2.3 Hàm lượng chất rắn bay hơi 47

4.2.4 Mật độ vi sinh vật 48

4.2.5 Hoạt lực các enzyme 49

4.2.6 Hiệu quả xử lý 51

KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ – ĐỒ THỊ – ẢNH

Trang

Hình 1.1 – Quá trình phân hủy kỵ khí bền vững 2

Hình 1.2 – Sơ đồ thiết bị sấy sinh học 4

Hình 2.1 – Kỹ thuật phân lập vi sinh vật 11

Hình 2.2 – Sơ đồ hệ thống nuơi cấy thu sinh khối vi sinh vật 12

Hình 2.3 – Xácđịnh mật độ tế bào vi sinh vật 13

Hình 2.4 – Mơ hình thiết bị 14

Bảng 2.1 – Thành phần và khối lượng các chất sau xử lý 16

Hình 3.1 – Sơ đồ khối của máy 18

Hình 3.2 – Mơ hình máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh 19

Hình 3.3 – Phân tích lực tác dụng lên trục vít 22

Hình 3.4 – Đặt lực tác dụng gây moment Mx 23

Hình 3.5 – Đặt lực tác dụng gây moment My 23

Hình 3.6 – Biểu đồ moment của trục vít 24

Hình 3.7 – Đặt lực tại các vị trí của cánh trộn 26

Hình 3.8 – Vị trí cánh trộn trong trường hợp 1 26

Hình 3.9 – Vị trí cánh trộn trong trường hợp 2 26

Hình 3.10 – Vị trí cánh trộn và phân bố lực trong trường hợp 1 27

Hình 3.11 – Sơ đồ đặt lực trong trường hợp 1 28

Hình 3.12 – Các lực gây ra moment Mx trong trường hợp 1 29

Hình 3.13 – Các lực gây ra moment My trong trường hợp 1 29

Hình 3.14 – Sơ đồ moment Mx, My và T trong trường hợp 1 30

Hình 3.15 – Vị trí cánh trộn và phân bố lực trong trường hợp 2 31

Hình 3.16 – Sơ đồ đặt lực trong trường hợp 2 31

Hình 3.17– Các lực gây ra moment Mx trong trường hợp 2 32

Hình 3.18 – Các lực gây ra moment My trong trường hợp 2 32

Hình 3.19 – Sơ đồ moment Mx, My và T trong trường hợp 2 33

Hình 3.20 – Sơ đồ mạch động lực của máy 37

Hình 3.21 –Sơ đồ mạch điều khiển máy 38

Hình 3.22 – Sơ đồ tủ điều khiển máy 39

Bảng 4.1 – Đặc điểm hình thái học và sinh hóa của các chủng Bacillus sp 42

Hình 4.1 – Tăng trưởng của các loài vi khuẩn phân lập được theo thời gian 43

Hình 4.2 – Hoạt tính protease trong canh trường nuôi cấy của các chủng Bacillus sp 43

Hình 4.3 – Hoạt tính amylase trong canh trường nuôi cấy của các chủng Bacillus sp 44

Bảng 4.2 – Một số chỉ tiêu của chế phẩm 44

Hình 4.4 – Sự thay đổi của độ ẩm 47

Hình 4.5 – Sự thay đổi của hàm lượng chất rắn bay hơi 48

Hình 4.6 – Sự thay đổi của mật độ vi sinh vật 49

Hình 4.7 – Sự thay đổi các hoạt lực enzyme thủy phân 50

Bảng 4.3 – Các thông số của quá trình xử lý 51

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI THỰC PHẨM

Hiện nay việc thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải rắn đô thị là một vấn đề nan giải đối với nhiều địa phương trong cả nước với khối lượng phát sinh lớn nhưng tỉ lệ thu gom còn hạn chế, chất thải rắn sinh ra chưa được thu gom và xử lý triệt để là nguồn gây ô nhiễm cả ba môi trường: đất, nước, không khí Tại các bãi đổ rác, nước rỉ rác và khí bãi rác là mối đe dọa đối với nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm trong khu vực Khối lượng chất thải rắn của các đô thị ngày càng tăng nhanh theo tốc độ tăng dân số và phát triển kinh kế

Chất thải rắn ở Việt Nam đang ở một hiện trạng đáng lo ngại Cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con người, chất thải rắn có số lượng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp

và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trường và sức khoẻ con người Là một nước đang phát triển, tốc độ tăng các chất thải rắn sinh hoạt ở cả thành thị và nông thôn, chất thải rắn công nghiệp, y tế ở nước ta còn nhanh hơn các nước khác, từ năm

2003 đến 2008 tăng gấp 2 lần

Phần lớn chất thải sinh hoạt vẫn chỉ được chôn lấp tại các bãi đổ rác, là hình thức thô sơ nhất với nhiều nhược điểm như tốn diện tích đất, mùi hôi thối ảnh hưởng đến khu dân cư, có thể trở thành nguồn phát sinh dịch bệnh, tác động nghiêm trọng tới môi trường

và không tận dụng được các nguyên liệu có thể tái sinh Tình hình trong thời gian gần đây đã trở nên bức xúc, đặc biệt ở 3 thành phố lớn là Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Ví dụ tại Hà Nội, khối lượng chất thải rắn sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, với tổng lượng ước tính 5.000 tấn/ngày đêm, và dự đoán chỉ sang năm (2012) có thể không còn chỗ để đổ rác Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày có trên 7.000 tấn chất thải sinh hoạt, mỗi năm cần 235 tỷ đồng để xử lý

Trong chất thải sinh hoạt, chất thải có nguồn gốc thực phẩm hay hữu cơ chứa các chất dễ phân hủy sinh học chiếm một phần khá lớn Nhưng do không được phân loại tại nguồn để tái sử dụng hoặc có phương pháp xử lý riêng nên số chất thải này nhập với chất thải sinh hoạt nói chung thường được xứ lý bằng cách chôn lấp, vừa gây khó khăn cho bãi chôn lấp, vừa gây ra những tác hại, tốn kém rất không hợp lý Chính vì vậy việc xây dựng, phát triển các phương pháp, mô hình thiết bị xử lý chất thải thực phẩm, chất thải hữu cơ là một yêu cầu rất cấp bách

Hiện nay trên thế giới người ta đã hoàn thiện nhiều phương pháp xử lý chất thải hữu cơ, như được trình bày một cách tóm tắt ở phần dưới

1.1.1 Hệ thống phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion)

Hệ thống phân hủy kỵ khí chuyển hóa các chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí thành các loại khí, trong đó thành phần chủ yếu là khí methane (CH4) (Taricska và cs, 2007)

Hình 1.1: Quá trình phân hủy kỵ khí bền vững (Al seadi, 2002)

Quá trình phân hủy kỵ khí làm giảm đáng kể thể tích của chất thải hữu cơ, làm tăng khả năng tách nước của chất thải Khí sinh học tạo ra có thể được sử dụng làm nhiên liệu đốt, chất rắn còn lại có thể được sử dụng như phân bón sinh học như mô tả trong Hình 1.1 Bên cạnh các ưu điểm nêu trên, quá trình xử lý kỵ khí cũng tồn tại một số nhược điểm: hệ thống phức tạp; chịu tác động bởi nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ, thành phần chất thải; khí phát sinh thường có mùi khó chịu do chứa NH3, H2S và các hợp chất hữu của lưu huỳnh

1.1.2 Hệ thống phân hủy hiếu khí (aerobic digestion)

phân vi sinh cao cấp Chất thải rắn được tập trung vào một thiết bị có cung cấp không khí qua bề mặt chất thải rắn hoặc hệ thống phân tán khí (Shammas và Wang, 2007) Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong rác thải sẽ phát sinh nhiệt Tùy thuộc bản chất vi sinh vật sử dụng mà người ta có quá trình phân hủy hiếu khí đó ở nhiệt độ thường hay nhiệt độ cao Thời gian xử lý vì vậy cũng thay đổi theo, thông thường từ 7 đến 15 ngày

Ưu điểm đặc biệt của quá trình phân hủy hiếu khí với sự tham gia của các vi sinh vật là quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ thành phân vi sinh hữu cơ, khí cacbonic (CO2), nước mà không sinh khí CH4 và H2S nên không gây cháy nổ, không có mùi hôi thối gây ô nhiễm môi trường Chất thải rắn sau khi đưa vào nhà máy được tiến hành phân loại, xử lý ngay không để tồn đọng, không có phân hủy tự do, không phát sinh nước rò rỉ nên giảm tối đa ô nhiễm ra môi trường Một số ưu điểm khác là vốn đầu tư thấp và vận hành dễ dàng

Tuy nhiên hệ thống này cũng tồn tại một số nhược điểm: chi phí vận hành cao do phải dùng điện năng để cung cấp khí, không tận dụng được khí methane từ chất thải, hiệu quả của hệ thống phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

1.1.3 Hệ thống ủ hiếu khí (compost)

Ủ hiếu khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí ở nhiệt độ cao Trước khi ủ, chất thải rắn được được phối trộn với các nguyên liệu như mẩu gỗ, mạt cưa, lá cây,… để điều chỉnh độ ẩm (50 ÷ 70%), thành phần dinh dưỡng phù hợp, tăng mức độ thông thoáng của khối ủ Nhiệt tỏa ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ làm cho nhiệt độ của khối ủ tăng lên trên 60oC Thời gian ủ kéo dài từ vài tuần tới 3 tháng Trong thời gian này các chất hữu cơ sẽ được phân hủy hoàn toàn giúp cho chất rắn còn lại sau khi ủ có tính ổn định cao Nhiệt độ cao sẽ tiêu diệt các vi sinh vật có hại, giúp cho sản phẩm thu được từ quá trình ủ có thể được sử dụng làm phân bón sinh học Sản phẩm này có một số ưu điểm: cung cấp các nguyên tố N, P, K; tái sử dụng các thành phần hữu ích của rác thải; tăng khả năng giữ nước và độ thông thoáng cho đất

Tuy nhiên, quá trình ủ hiếu khí cũng có một số hạn chế: mùi phát sinh trong quá trình ủ, thời gian ủ dài (khoảng 36 ÷ 39 ngày) Sản phẩm của quá trình ủ có chất lượng không ổn định, phụ thuộc khá nhiều vào bản chất và đặc tính của chất thải rắn, điều kiện thực hiện quá trình ủ Ngoài ra thị trường sử dụng phân compost còn khá hạn chế

1.1.4 Hệ thống tiêu hủy chất thải thực phẩm (Food waste disposer)

Tiêu hủy thực phẩm là một khái niệm mới nhằm tách chất thải thực phẩm ra khỏi

hệ thống xử lý chất thải rắn của một khu vực, làm giảm bớt áp lực cho hệ thống thu gom,

xử lý Hệ thống này có thể được áp dụng cho hộ gia đình, nhà hàng, cơ sở sản xuất thực phẩm quy mô nhỏ Nguyên tắc của hệ thống này là nhập rác thải thực phẩm vào hệ thống

xử lý nước thải sinh hoạt của khu vực, cụm dân cư, bằng cách xay nhỏ chất thải thực phẩm với nước thải sinh hoạt

Nhược điểm của phương pháp này là chất thải thực phẩm có thể làm tắc nghẽn hệ thống nước thải, làm cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung quá tải

1.1.5 Hệ thống sấy sinh học (biodrying)

Nguyên tắc

Thiết bị xử lý chất thải theo phương pháp sấy sinh học sử dụng kết hợp các quá trình vật lí và sinh hóa Bộ phận xử lý bao gồm một hệ thống thông khí và một buồng chứa chất thải (Hình 1.2) Trong quá trình xử lý, các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học sẽ được chuyển hóa Bên cạnh đó, quá trình vật lý cũng xảy ra Dưới tác dụng của nhiệt sinh

ra do quá trình sinh hóa và dòng không khí cung cấp vào hệ thống, nước sẽ được tách ra khỏi khối chất thải Mặc dù về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, quá trình sấy sinh học khá giống với quá trình ủ compost Nhưng về bản chất hai phương pháp này có sự khác biệt đáng kể: quá trình chuyển hóa sinh học trong phương pháp sấy sinh học chỉ tiến hành

ở mức vừa đủ để cung cấp nhiệt cho quá trình tách nước chứ không xảy ra một cách triệt

để như ở phương pháp ủ compost

Hình 1.2: Sơ đồ thiết bị sấy sinh học: 1- Vỏ thiết bị, 2- Khí di chuyển qua khối

chất thải, được gia nhiệt bởi sự phân huỷ sinh học của rác, 3- Hệ thống tuần hoàn

và thu gom nước rỉ rác, 4- Hệ thống nén khí kết hợp tuần hoàn, pha trộn với không khí xung quanh, 5- Thiết bị trao đổi nhiệt, 6- Tháp làm mát, 7- Nước ngưng tụ, 8-

Các thông số quan trọng nhất đối với quá trình sấy sinh học là nhiệt độ và độ ẩm Khoảng nhiệt độ thay đổi khá rộng 30 ÷ 70oC tùy thuộc vào cách thức thực hiện tách nước Đa số các hệ thống sấy sinh học hoạt động trong tự cấp nhiệt: nhiệt tách nước hoàn toàn dựa vào quá trình chuyển hóa sinh học của chất thải Nhiệt độ sẽ dao động trong khoảng 30 ÷ 50oC Trong một số trường hợp cần rút ngắn thời gian xử lý, nhiệt độ được nâng lên 60 ÷ 70oC Độ ẩm thay đổi từ độ ẩm ban đầu của chất thải giảm xuống đến độ

ẩm có thể dừng các hoạt động của vi sinh vật Độ ẩm ban đầu của chất thải có thể điều chỉnh đến 80% đối với những chất thải có hàm ẩm cao Khi độ ẩm này giảm xuống dưới 50% có thể kết thúc quá trình xử lý

Hệ thống sấy sinh học có ưu điểm là có thể xử lý chất thải đầu vào với độ ẩm cao, thành phần đa dạng, tỷ lệ giảm khối lượng chất thải cao, sản phẩm tạo ra khá ổn định, còn chứa nhiều chất dinh dưỡng và năng lượng nên có thể dùng làm chất đốt hoặc phân bón Tuy nhiên hệ thống cũng còn tồn tại một số nhược điểm: các nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng còn hạn chế, quá trình xử lý khá phức tạp nên đôi khi hệ thống kiểm soát chưa đáp ứng được, quy chuẩn và thị trường cho sản phẩm sau xử lý cần được xác định và phát triển hơn nữa

Các quá trình diễn ra khi xử lý chất thải bằng hệ thống sấy sinh học

Quá trình chuyển hóa sinh học

Trong thiết bị sấy sinh học, xảy ra quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ Sấy sinh học là quá trình tách nước và chuyển hóa sinh học ở độ ẩm cao các chất thải như phân (Choi, 2000; Wright, 2002) và bùn từ các hệ thống xử lý nước thải bột giấy và giấy Trong đó, quá trình tách nước và xử lý bùn thải xảy ra đồng thời với chất thải đô thị

Sấy sinh học khác với quá trình compost cũng như quá trình sấy khô hoàn toàn ở chỗ mục tiêu của quá trình là tiền xử lý chất thải với thời gian lưu thấp nhất có thể để tạo

ra sản phẩm là nhiên liệu (solid recovered fuel) có chất lượng cao Mục tiêu của nó là: 1) gia tăng hàm lượng năng lượng (Adani và cs., 2002) bằng cách loại bỏ tối đa độ ẩm và bảo toàn hầu như toàn bộ giá trị năng lượng của các hợp chất hữu cơ thông qua cực tiểu phân hủy sinh học; 2) tạo điều kiện thuận lợi để đồng nhất hàm lượng hữu cơ các trong các thành phần được bảo toàn; và 3) làm cho dòng ra thích hợp hơn với các quá trình cơ học bằng cách giảm độ nhớt

Quá trình sinh học trong thiết bị sấy sinh học phải được ứng dụng thích hợp để tạo

ra một lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy khô hiệu quả, nhưng lại giới hạn sự phân hủy của chất thải Nhiệt độ của chất thải là yếu tố tác động đến sự phát triển của vi sinh vật bởi vì nó cung cấp điều kiện lý tưởng cho sự sinh sôi của vi sinh vật ưu nhiệt Trong

sấy sinh học chất thải có độ ẩm cao như bùn thải, chia quá trình thành 3 giai đoạn, tương ứng với quần thể vi sinh vật phát triển trong giai đoạn đó: 1) thích nghi của vi khuẩn, gia tăng nhanh chóng theo tốc độ sấy; 2) vi khuẩn giảm nhanh chóng theo tốc độ sấy do không đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật tiêu thụ; 3) tốc độ sấy cân bằng, tương ứng với lưu lượng dòng khi Tiếp tục sấy khô hơn chất thải thì quá trình sấy sinh học ít phụ thuộc vào hoạt tính của vi sinh vật mà chỉ phụ thuộc vào quá trình vật lý (đối lưu không khí)

Sấy sinh học nhanh chóng, hiệu quả, tối ưu và chi phí thấp để đạt được sản phẩm nhiên liệu (solid recovered fuel) Bởi vì năng lượng sấy khô lấy từ quá trình phân hủy hiếu khí chất hữu cơ và kết thúc quá trình đạt được sản phẩm ổn định sinh học Để bảo tồn nguồn C, hàm lượng hữu cơ thì sản phẩm thu được cần có độ ổn định sinh học thấp, nhưng độ ổn định cũng bị giới hạn bởi khả năng gây ô nhiễm môi trường do nó tiếp tục phân hủy sinh học Tiêu chí độ ổn định sinh học trong sản phẩm sấy sinh học tỷ lệ nghịch với tốc độ tạo sản phẩm (Adani và cs., 2002), sử dụng dòng khí tốc độ cao trong 150 giờ thì thu được sản phẩm mong muốn Một nghiên cứu khác cho thấy thời gian cần thiết là 200h (Sugni và cs., 2005)

Một số nghiên cứu kết hợp quá trình sấy sinh học và ủ phân compost trong thùng kín, cho thấy khả năng ứng dụng để phân hủy chất hữu cơ ở bãi rác đạt quy định Tuy nhiên sản phẩm cũng cần kiểm định thị trường tiêu thụ và tiêu chí an toàn

Quá trình sấy

Sấy là một kỹ thuật làm giảm độ ẩm của vật liệu bằng nhiệt do hơi nước bốc hơi nhưng không làm thay đổi tính chất của vật liệu Mặc dù kỹ thuật sấy đã được nghiên cứu rất rộng rãi, nhưng cơ chế sấy ở quy mô nhỏ rất phức tạp và chưa được hiểu rõ Kỹ thuật sấy được phát triển trong rất nhiều lĩnh vực như chế biến thực phẩm, nông sản, dược phẩm, giấy và nhiều ngành công nghiệp khác Ứng dụng trong kỹ thuật môi trường, quá trình sấy sử dụng nhiệt từ bên ngoài để sấy tái chế dầu cặn, sấy bùn thải (Chen và cs., 2002)

Trong thiết bị sấy sinh học thì cơ chế chính của quá trình sấy là bay hơi nước do đối lưu, sử dụng nhiệt sinh ra từ quá trình phân hủy hiếu khí chất thải và được hỗ trợ bằng thổi khí Độ ẩm của chất thải giảm qua hai bước chính: i) nước bay hơi từ bề mặt chất thải vào môi trường; ii) hơi nước di chuyển qua sinh khối và loại bỏ theo dòng khí thoát ra Nước dư có thể thấm qua chất thải và thu ở đáy thiết bị sấy sinh học như nước rỉ

từ bề mặt tiếp xúc Loại bỏ nước trong chất thải (giải hấp) bằng dòng khí đối lưu tác động bởi nhiệt động lực học tạo ra cân bằng giữa chất thải ướt và dòng khí đi qua

Đã có nhiều nghiên cứu về quá trình sấy sinh học khảo sát ảnh hưởng của các thông số bao gồm độ ẩm, cân bằng độ ẩm, thời gian lưu trữ an toàn, áp suất dòng khí thổi vào và các yếu tố liên quan đến dòng khí (tốc độ thổi khí, nhiệt độ, độ ẩm…) đến sự thay đổi các chỉ tiêu liên quan đến chất thải trong quá trình xử lý (Zang và cs., 2008; Zawadzka và cs., 2010; Tambone và cs., 2011)

Năng lượng dùng cho quá trình này chủ yếu từ phản ứng phân hủy sinh học hiếu khí, chứ không lấy từ nguồn nhiệt bên ngoài Thông thường, nhiệt lượng sinh ra này đủ

để sấy khô chất thải, nó cũng bị thất thoát do bức xạ nhiệt, đối lưu, hấp thụ nhiệt của không khí và nước rỉ rác Do đó, cần cung cấp một phần nhỏ năng lượng từ bên ngoài thông qua gia tăng nhiệt độ không khí tùy theo điều kiện môi trường không khí xung quanh và chất thải hữu cơ Các ứng dụng ở quy mô công nghiệp có thể hạn chế sự thất thoát nhiệt bề mặt, hiệu quả tới 75% (Weppen, 2001) Điều này rất quan trọng vì năng lượng dự trữ trong sản phẩm phụ thuộc vào chất thải, thùng chứa và nhu cầu vi sinh vật

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, hệ thống phân hủy kỵ khí được áp dụng rộng rãi để xử lý chất thải rắn nói chung Tuy nhiên chỉ một số ít, đa phần ở quy mô pilot, được sử dụng để xử lý chất thải thực phẩm So với các châu lục khác thì ở châu Âu công nghệ này được ứng dụng nhiều hơn do giá các nguồn năng lượng cao và quy định của pháp luật khuyến khích các phương pháp xử lý chất thải hữu cơ không sử dụng chôn lấp Ở Mỹ và Canada, hệ thống phân hủy kỵ khí ngày càng được quan tâm do có nhiều ưu điểm về kinh tế và xã hội Chẳng hạn, một hệ thống phân hủy kỵ khí xử lý chất thải thực phẩm và sinh học được xây dựng ở West Coast (Mỹ) có công suất hoạt động 5400 tấn/năm (Levis và cs, 2010) Mức phí cho của một tấn chất thải thực phẩm là 22 USD Lượng methane sinh ra

đủ để vận hành máy phát điện của hệ thống

Phân hủy hiếu khí cùng với phân hủy kỵ khí là hai quá trình phổ biến nhất được áp dụng để xử lý bùn thải của các hệ thống xử lý nước thải Quá trình này cũng được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý rác thải sinh hoạt Khả năng xử lý bùn thải từ các bể tự hoại của quá trình phân hủy hiếu khí được Lin và Chou (1998) nghiên cứu trên một mô hình thể tích 8 lít Với thời gian lưu 10 ngày, tải trọng nhập liệu là 0,46 kg COD/m3.ngày

và 1,46 kg chất rắn bay hơi/m3.ngày, mô hình có thể loại bỏ 80,4% nhu cầu oxy hóa học (COD) và 30% thể tích bùn thải Ở một nghiên cứu khác, Riley và Forster (2002) đánh

giá hiệu quả của một bể phân hủy hiếu khí thể tích 30 m3 Nhập liệu nạp vào hệ thống này là bùn thải của một bể bùn hoạt tính Với thời gian lưu 7 ngày, thể tích của bùn sau

xử lý giảm xuống 35%

Ủ hiếu khí (composting) là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất để xử lý chất thải rắn sinh hoạt Ngoài ra người ta còn sử dụng quá trình ủ hiếu khí để chuyển hóa nhiều loại chất thải rắn khác trong đó có chất thải thực phẩm thành một dạng sản phẩm cuối ổn định, dễ bảo quản và sử dụng Theo tổng hợp của Levis và cs (2010), ở Mỹ có hơn 300 hệ thống xử lý chất thải rắn nhận xử lý chất thải thực phẩm Công nghệ được áp dụng khá đa dạng, từ ủ dãy (windrow), ủ trong các bể (in-vessel) đến sử dụng mạng lưới cấp khí (ASP-aeration static pile) Mức phí xử lý đối với chất thải thực phẩm của các nhà máy này dao động trong khoảng 20 ÷ 50 USD/tấn Tương tự như ở Mỹ, ủ hiếu khí cũng được sử dụng rộng rãi ở châu Âu Đa số các hệ thống ủ hiếu khí dùng để xử lý bùn thải

và chất thải sinh hoạt (Turovskiy và Mathai, 2006) Ngoài các công nghệ thông dụng, một số hệ thống áp dụng các mô hình thiết bị mới Ví dụ thiết bị trống sinh học (biodrums) ở một số nhà máy xử lý chất thải rắn ở Đan Mạch tạo ra các điều kiện xử lý tốt hơn: khuấy trộng đồng đều hơn, kiểm soát khí cung cấp tốt hơn và quá trình xử lý diễn ra theo nhiều bậc dọc theo chiều dài của thiết bị làm cho hiệu quả xử lý tốt hơn Kết quả là thời gian xử lý rút ngắn xuống còn 1 ÷ 6 ngày

Các hệ thống được trình bày ở trên đã được nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ, được áp dụng để xử lý nhiều loại chất thải rắn từ nhiều nguồn khác nhau, hoạt động với nhiều chế độ, thông số khác nhau Tuy nhiên chưa có một công bố nào mô tả nghiên cứu của một hệ thống xử lý khép kín áp dụng cho chất thải thực phẩm từ các nhà hàng, khách sạn, du thuyền…, nhưng nơi mà chất thải có thành phần khá phức tạp nhưng dễ phân hủy sinh học Các chất thải này cần được xử lý trong một hệ thống nhỏ gọn, công suất phù hợp Thể tích chất thải phải được giảm tối thiểu trong khi vẫn đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về môi trường đối với khí thải và nước thải đi ra khỏi hệ thống

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, hệ thống thu gom và xử lý chất thải rắn đã tách được các loại chất thải như giấy, bìa carton, kim loại, nhựa để tái chế Ngoài chôn lấp hoặc thiêu đốt, chỉ một phần rất nhỏ chất thải thực phẩm, hữu cơ được xử lý bằng phương pháp khác

để quá trình xử lý hiệu quả hơn hoặc thân thiện hơn với môi trường

nhà máy xử lý các chất thải hữu cơ chuyển hóa thành mùn compost, sau đó sản xuất thành phân vi sinh cao cấp, phục vụ cho sản xuất nông nghiệp

Việc xử lý chất thải thực phẩm từ các cơ sở như nhà hàng, khách sạn, du thuyền, khách sạn nổi…chưa được nghiên cứu và triển khai thành các mô hình có tính ứng dụng cao Một số doanh nghiệp sản xuất các hệ men vi sinh xử lý môi trường nhưng chỉ áp dụng để phân huỷ hầm cầu, các chất rác thải hữu cơ cho các bãi rác trong điều kiện tự nhiên

Tại thời điểm hiện tại, chưa có tổ chức hay cá nhân nào nghiên cứu, chế tạo máy xử

lý thực phẩm phế thải có sự trợ giúp của men vi sinh

1.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

Qua việc phân tích tổng quan các hệ thống xử lý chất thải rắn ở phần trên, chúng tôi nhận thấy hệ thống sấy sinh học phù hợp nhất với đặc tính chất thải (thành phần đa dạng, độ ẩm có thể cao) và yêu cầu xử lý (thời gian ngắn, mức độ giảm khối lượng cao)

Do đó thiết bị xử lý chất thải thực phẩm sẽ được thiết kế theo phương pháp xử lý này Để đảm bảo hai quá trình chính là chuyển hóa sinh học và sấy được thực hiện trong thời gian

xử lý, có một số yêu cầu về mặt công nghệ đối với thiết bị như sau: 1) Độ ẩm được kiểm soát và có thể điều chỉnh trong một khoảng rộng từ 30% đến 100%; 2) Nhiệt độ buồng xử

lý được kiểm soát và có thể thay đổi từ nhiệt độ phòng đến 100oC; 3) Hệ thống khí phải

có đầu ra được xử lý để không phát tán các khí chưa bị oxy hóa hoàn toàn đến CO2; 4) Phải có bộ phận làm giảm kích thước của chất thải; 5) Buồng xử lý cần được thoáng khí

và có hệ thống đảo trộn

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT MEN VI SINH

2.1.1 Phương pháp phân lập và định danh vi sinh vật

Phân lập

Cân 5 g mẫu đất hòa trong 50 ml nước muối sinh lý trong bình tam giác 250 ml

Với mục tiêu phân lập các chủng thuộc giống Bacillus nên xử lý nhiệt nhanh ở 85oC trong 15 phút để tiêu diệt hết tế bào dinh dưỡng Hút 0,1 ml dịch mẫu đã xử lý cho vào đĩa pêtri chứa môi trường Nutrient Agar (NA) Dùng que gạt thủy tinh phân phối dịch mẫu trải đều khắp mặt thạch Tiếp tục sử dụng que gạt này gạt mẫu cho đều khắp mặt thạch đĩa pêtri thứ 2 rồi đĩa thứ 3 Đặt các đĩa pêtri 1, 2, 3 trên vào tủ ấm ở nhiệt độ thích hợp sau một thời gian nhất định tuỳ giống vi sinh vật ta sẽ nhận được các khuẩn lạc riêng

rẽ từ các đĩa thứ 1, 2 và 3

Quan sát sự sinh trưởng của vi sinh vật qua vết cấy trên môi trường đặc Nếu vết cấy có bề mặt và màu sắc đồng đều, thuần nhất chứng tỏ giống mới phân lập tinh khiết thì giữ lại Nếu vết cấy không thuần nhất thì loại bỏ

Kiểm tra lại độ thuần chủng của các loại khuẩn lạc: Chọn các khuẩn lạc riêng rẽ trên môi trường thạch nghiêng Tách các khuẩn lạc này ra và hoà tan, pha loãng ở nồng

độ cần thiết trong nước cất vô trùng Nhỏ 1 giọt dịch trên vào đĩa pêtri có môi trường Dùng 1 que gạt phân phối giọt dịch đều khắp mặt thạch đĩa pêtri thứ nhất, rồi đĩa thứ 2, thứ 3 Đặt các đĩa pêtri trên vào tủ ấm với nhiệt độ và thời gian thích hợp tuỳ loại vi sinh vật Sau lấy ra quan sát các khuẩn lạc riêng rẽ Sự thuần khiết của khuẩn lạc là biểu hiện

sự thuần khiết của giống

Định danh

Các chủng vi sinh vật được định danh sử dụng các thử nghiệm sinh hóa và phân loại theo khóa Bergey (Buchanan và Gibbons, 1974) Các thử nghiệm sinh hóa bao gồm: nhuộm Gram, thử nghiệm catalase, khả năng khử nitrate, khả năng tạo Leucithinase, khả năng di động, thử nghiệm VP, thử nghiệm chuyển hóa citrate, đường maltose, glucose, galactose, tinh bột, khả năng phân giải gelatin

Hình 2.1: Kỹ thuật phân lập vi sinh vật 2.1.2 Phương pháp tuyển chọn và nuôi cấy

Tuyển chọn giống vi sinh vật được tiến hành dựa trên tốc độ tăng trưởng và khả năng sinh enzyme ngoại bào (phương pháp xác định ở phần 3.1.4) Xác định đường cong tăng sinh và khả năng sinh enzyme protease, amylase của các chủng được tuyển chọn bằng phương pháp nuôi cấy gián đoạn trong bình tam giác đặc trên máy lắc 90 vòng/phút Môi trường có thành phần Glucose 10,0 g/l, pepton 5,0 g/l, cao nấm men 5,0 g/l, KH2PO4

1,0 g/l, MgSO4 1,0 g/l, CaCl2 0,5 g/l, MnCl2 0,5 g/l, thể tích 200 ml đựng trong bình tam giác 500 ml Giống được nuôi cấy trong điều kiện tương tự, thời gian 24 giờ, tỷ lệ giống cấy là 10% Cứ 2 giờ lấy 2 ml canh trường đem đi xác định mật độ tế bào Hoạt lực enzyme được xác định ở hai thời điểm là 24 giờ và 48 giờ, để so sánh khả năng tạo enzyme của các chủng

Nuôi cấy thu sinh khối vi sinh vật được tiến hành trong bình 2 lít, thể tích môi trường 1,5 lít Môi trường nuôi cấy có thành phần: Glucose 10,0 g/l, pepton 5,0 g/l, cao nấm men 5,0 g/l, KH2PO4 1,0 g/l, MgSO4 1,0 g/l, CaCl2 0,5 g/l, MnCl2 0,5 g/l Sau khi

chuẩn bị môi trường, hấp ở 121oC, để nguội và cấy giống Giống cấy có thể tích 150 ml, được nuôi cấy 24 giờ trên máy lắc với tốc độ 90 vòng/phút Thực hiện nuôi cấy tĩnh với tốc độ sục khí 1,5 lít/giờ, trong 48 giờ Thu canh trường, xác định mật độ tế bào và hoạt lực các enzyme

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nuôi cấy thu sinh khối vi sinh vật, 1-quạt khí, 2-van điều

chỉnh lưu lượng khí, 3-bộ lọc vi khuẩn, 4-bình nuôi cấy, 5-bộ phân tán

khí, 6-máy khuấy từ

2.1.3 Phương pháp xác định mật độ tế bào

Khi xác định mật độ tế bào trong chế phẩm: cân 5 g mẫu hòa trong 50 ml nước muối sinh lý Đối với mật độ vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy, lấy trực tiếp canh trường Chuẩn bị dãy ống nghiệm chứa mẫu với tỷ lệ pha loãng 10, 102, …109 Dùng pipet đã vô khuẩn lấy 0,1 ml dịch huyền phù từ các ống nghiệm cho vào các đĩa thạch

NA Khi tất cả các thể tích 0,1 ml tế bào ở các độ pha loãng khác nhau đều chuyển lên bề mặt thạch của đĩa Petri, sử dụng que cấy gạt bằng thuỷ tinh để dàn đều các tế bào trên bề mặt thạch Que cấy gạt thuỷ tinh phải được vô khuẩn trước khi được đưa vào đĩa Petri tiếp theo, bằng cách nhúng vào trong cồn, đốt cháy phần cồn còn lại trên que cấy trên ngọn lửa đèn cồn Làm nguội que cấy bằng cách nhẹ nó vào bề mặt thạch, rồi dàn đều lượng chất lỏng chứa tế bào trên đó Nếu thể tích chất lỏng đem cấy quá nhiều, các tế bào

sẽ trôi dạt trong chất lỏng, và sau khi tế bào phân chia, hai khuẩn lạc xuất phát từ một tế bào có thể hình thành Các đĩa thạch được chuẩn bị một ngày trước khi cấy thường hấp thu nhanh lượng chất lỏng đem cấy Lớp chất lỏng trên thạch càng mỏng, sự hấp thu xảy

ra càng nhanh

Hình 2.3: Xác định mật độ tế bào vi sinh vật

Mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu tính từ số liệu của độ pha loãng D1 được tính theo công thức là :

Mi (CFU/ml) = Ai x Di/V Trong đó: Ai là số khuẩn lạc trung bình/ đĩa

Di là độ pha loãng

V là dung tích huyền phù tế bào cho vào mỗi đĩa (ml)

2.1.4 Phương pháp xác định hoạt lực enzyme

Amylase

Hoạt lực enzyme protease trong mẫu được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa trong 90 ml nước cất Cho vào ống nghiệm 0,25 ml dung dịch enzyme, 1,25 ml dung dịch tinh bột 1%, 0,25 ml nước cất, 0,25 ml dung dịch đệm acetate 0,1 M (pH 5,0) Đặt vào tủ

ấm nhiệt độ 40oC, trong 10 phút Tiếp theo đó bổ sung 1 ml thuốc thử dinitrosalicylic acid (DNS) để phản ứng với đường khử mới được tạo ra Gia nhiệt ống nghiệm ở 90oC trong 5 phút Lấy ra, làm nguội nhanh và đo mật độ quang ở 575 nm Hàm lượng glucose được tính từ đường chuẩn Một đơn vị amylase (IU-international unit) được định nghĩa là lượng enzyme giải phóng ra 1µmol glucose trong một phút ở điều kiện thí nghiệm (pH 5,0, 40oC)

Protease

Hoạt lực enzyme protease được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa trong 90 ml nước cất Cho vào ống nghiệm 0,25 ml dung dịch trên, bổ sung thêm 1,25 ml dung dịch đệm Tris (pH 7,2), 0,5 ml casein 1% Lắc đều, đem ủ trong tủ ấm ở 30oC trong 30 phút

Sau đó lấy ra và cho thêm vào ống nghiệm 3 ml acid tricarboxylic 5% và để yên trong 10 phút để enzyme bị bất hoạt hoàn toàn Sau đó ly tâm ở 1000xg trong 15 phút Hút 0,5 ml nước trong cho vào một ống nghiệm khác, bổ sung thêm 2,5 ml Na2CO3 0,5 M, 0,5 ml thuốc thử Folin Đo mật độ quang của dung dịch thu được ở bước sóng 660 nm Tiến hành tương tự từ bước hiện màu với thuốc thử Folin để lập đường chuẩn tyrosine Tính lượng tyrosine trong mẫu từ đường chuẩn, từ đó thu được hoạt lực enzyme Một đơn vị hoạt lực protease (IU-international unit) được định nghĩa bằng lượng tyrosine (µg) được giải phóng ra trong một phút ở điều kiện thí nghiệm (pH 7,2, nhiệt độ 30oC)

Cellulase

Hoạt lực enzyme cellulase được xác định như sau: Cân 10 g mẫu, hòa trong 90 ml nước cất Lấy 3 ml dung dịch này cho vào một ống nghiệm, thêm vào 3 ml dung dịch đệm sodium citrate 0,05 M pH 4,8 Cho vào ống nghiệm một miếng giấy lọc Whatman 1

x 6 cm (~50 mg) Đem ủ ống nghiệm trong tủ ấm ở 30oC trong 30 phút Sau đó lấy ống nghiệm ra, cho thêm vào 2 ml dung dịch thuốc thử DNS (Dinitro Salicylic acid), đun sôi

5 phút, để nguội Đo mật độ quang ở bước sóng 750 nm Xác định lượng đường khử dựa vào đường chuẩn glucose Một đơn vị hoạt tính (IU) được định nghĩa là số µmol glucose được giải phóng ra trong 1 phút ở điều kiện tiến hành thí nghiệm

2.2 PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ XỬ LÝ

2.2.1 Mô hình thiết bị

Hình 2.4: 1- Buồng xử lý, 2- Trục cánh khuấy, 3- Cánh khuấy, 4- Lớp vỏ chứa

2.2.2 Các thí nghiệm

- Khảo sát quá trình phân hủy chất thải thực phẩm không bổ sung men vi sinh: theo dõi sự thay đổi của các thông số độ ẩm, hàm lượng chất rắn bay hơi (VS), mật độ tổng vi sinh vật, hoạt lực các enzyme amylase, protease, cellulose

- Khảo sát quá trình phân hủy chất thải thực phẩm không bổ sung men vi sinh: tiến hành tương tự như thí nghiệm không bổ sung men vi sinh

Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần

2.2.3 Phương pháp tiến hành thí nghiệm

Chất thải thực phẩm thu gom từ các cửa hàng ăn uống được tập trung về phòng thí nghiệm, cân khối lượng trước khi đưa vào thiết bị xử lý Khối lượng chất thải của mỗi mẻ

là 350 kg, với độ ẩm ban đầu được điều chỉnh bằng nước về 72% Tỷ lệ carbon : nitơ (C/N) của chất thải dao động trong khoảng 15 ÷ 20 Ở thí nghiệm bổ sung men, đưa men (dạng bột mịn) với tỷ lệ 0,1% (so với chất thải) vào buồng xử lý ngay sau khi đã nạp chất thải Bật điện hệ thống cánh khuấy, gia nhiệt và tuần hoàn dầu, buồng đốt khí thải Khí thải từ buồng xử lý sẽ đi qua một buồng đốt để đốt cháy hoàn toàn các chất hữu cơ có thể

bị cuốn theo, sau đó đi qua một cột than hoạt tính trước khi thoát ra ngoài Nhiệt độ trong buồng xử lý được điều chỉnh trong khoảng 40 ÷ 45oC bằng nhiệt tỏa ra từ quá trình chuyển hóa sinh học chất thải hoặc do dầu cung cấp Trước khi kết thúc thí nghiệm, nhiệt

độ buồng xử lý được nâng lên 80oC trong 4 giờ để diệt các vi sinh vật có trong chất thải

đã xử lý

Mẫu với khối lượng khoảng 100 g được lấy ra khỏi buồng xử lý hàng ngày để phân tích các thông số độ ẩm, hàm lượng chất rắn bay hơi, tổng mật độ vi sinh vật và hoạt lực các enzyme amylase, protease, cellulose

2.2.4 Phương pháp xác định các chỉ tiêu

Độ ẩm

Cho 10 g mẫu vào cốc nung (đã được sấy khô và cân), cân cốc có chứa mẫu (Po, g) Cho cốc vào tủ sấy và tiến hành sấy ở 103 ÷ 105oC đến khi khối lượng không đổi Để nguội trong bình hút ẩm và cân (P1, g) Tính độ ẩm theo công thức:

Hàm lượng chất rắn bay hơi

Cân 10 g mẫu cho vào cốc nung (đã được sấy khô và cân) Cho cốc vào tủ sấy và

tiến hành sấy ở 103 ÷ 105oC đến khi khối lượng không đổi Để nguội trong bình hút ẩm

và cân (P1, g) Đem cốc có chứa cặn sấy nung ở nhiệt độ 550oC, cho đến khi tro trong cốc

hoàn toàn chuyển thành màu trắng Lấy cốc ra khỏi tủ nung, để nguội trong bình hút ẩm

và cân (P2, g) Hàm lượng chất rắn bay hơi được tính theo công thức:

Quá trình xử lý làm giảm 30% chất rắn bay hơi và 70% độ ẩm (50% từ quá trình

xử lý, phần còn lại từ quá trình sấy diệt vi sinh vật gây bệnh)

Bảng 2.1: Thành phần và khối lượng của các chất sau xử lý

Phương trình chuyển hóa sinh học:

Protein + Carbohydrate + O2 Æ Sinh khối vi sinh vật + CO2 + H2O Lượng oxy cần thiết để oxy hóa protein là 1,5 g oxy/1 g protein; oxy hóa

carbohydrate là 1,07 g oxy/1 g carbohydrate (Grady và cs., 1999)

Giả thiết tỷ lệ chuyển hóa của protein và carbohydrate trong chất thải trong quá

trình xử lý bằng với tỷ lệ trong chất thải ban đầu (protein/carbohydrate = 4/30), lượng các

chất chuyển hóa là:

Lượng oxy cần thiết để thực hiện quá trình chuyển hóa chất thải trong cả quá trình

xử lý là:

2,96*1,5 + 22,24*1,07 = 28,24 kg hay 882,4 mol

Giả thiết hiệu suất truyền khối của quá trình cung cấp khí thực hiện chuyển hóa sinh học

là 40%, lưu lượng dòng không khí đi vào thiết bị xử lý sẽ là:

(882,4/0.4)*(1/0.21)*22,4/7*24 *60 = 23,3 (l/phút)

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ và CHẾ TẠO THIẾT BỊ

3.1 SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Thực phẩm phế thải được đưa vào máng cấp liệu, bộ vít nghiền có chức năng vừa

ép vừa đùn qua một hệ lỗ sẽ làm đồng đều kích thước (nghiền các xương, thịt…) và chuyển vào thùng khuấy Thực phẩm phế thải trong thùng khuấy sẽ được khuấy trộn với

hệ men vi sinh thích hợp cùng với sự hỗ trợ của nhiệt độ được cung cấp bởi dầu được làm nóng từ điện trở Sau một thời gian phản ứng với hệ men, các khí được sinh ra trong thùng khuấy (gồm hơi nước chiếm đa số, phần còn lại là các khí và vi sinh vật gây bệnh)

sẽ được quạt cấp vào thùng đốt (chỉ dùng đốt các vi sinh vật gây bệnh, còn hơi nước sẽ được đưa vào nơi ngưng tụ để chuyển ra ngoài), tại đây các vi sinh vật này sẽ được đốt và

Hình 3.2: Mô hình máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh

Với nguyên lý hoạt động như trên, máy xử lý thực phẩm được chia thành các cụm như sau:

+ Trục vít: Vừa là chi tiết nghiền các liệu có kích thước to (xương gà, xương cá…) vừa là chi tiết ép liệu qua các khe có kích thước 6 tạo cho liệu có bề mặt riêng đồng đều, giúp cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh chóng hơn Trục vít được làm bằng thép không gỉ SUS 304 và được gia công bằng phương pháp tiện, phay chép hình Vận tốc của trục vít khoảng 47 vòng/phút

+ Ổ đỡ đầu và cuối trục vít: Là chi tiết đỡ trục vít, được tính toán và lựa chọn theo tiêu chuẩn

+ Máng cấp liệu: Là nơi tiếp nhận vật liệu và cung cấp cho trục vít, được làm từ thép không gỉ SUS 304 và liên kết bằng phương pháp hàn có khí bảo vệ

+ Cửa ra liệu: Là nơi liệu vào thùng khuấy, làm từ thép không gỉ SUS 304 có đường kính lớn nhất là 100, trên đó bố trí các lổ có đường kính 6 được phân bố đều quanh tâm

• Cụm thùng khuấy

Sau khi liệu được cấp vào thùng khuấy sẽ được khuấy trộn dưới tác động cơ học của cánh khuấy và trục khuấy cùng với việc hổ trợ của nhiệt độ và hệ men sinh học Quá trình phân hủy sẽ diễn ra nhanh hơn, sản phẩm sau khi qua thùng khuấy là các khí và các chất vô cơ Khí sẽ được cấp vào cụm đốt và xử lý khí thải Cụm này gồm các bộ phận sau:

+ Thùng khuấy: Là nơi chứa liệu và cũng là nơi diễn ra các phản ứng của quá trình phân hủy Thùng khuấy được làm bằng thép không gỉ SUS 304 và được liên kết bằng phương pháp hàn có khí bảo vệ

+ Trục khuấy và cánh khuấy: Là chi tiết truyền chuyển động quay cho cánh khuấy, giúp cho thành phần của liệu đồng đều và tạo điều kiện cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn Trục và cánh khuấy được làm từ thép không gỉ SUS 304, được liên kết bằng phương pháp hàn có khí bảo vệ và ghép bằng mối ghép ren Trục khuấy có số vòng quay khoảng 20 vòng/phút

+ Ổ đỡ trục khuấy: Là chi tiết đỡ trục, được tính toán và lựa chọn theo tiêu chuẩn + Động cơ, hộp giảm tốc và bộ truyền xích: Động cơ điện có công suất là 1HP, số vòng quay là 1450 vòng/phút, hộp giảm tốc có tỉ số truyền là 1/30 Bộ truyền ngoài là xích có D1 là 14 răng và D2 là 34 răng

giai đoạn) Nhiệt độ được cấp từ điện trở có công suất là 4kW, thông qua việc nung nóng môi chất dầu Nhiệt độ dầu được kiểm soát bởi thiết bị đo nhiệt độ (cho phép cài đặt nhiệt độ từ 30 đến 2000C) và đồng hồ hiển thị nhiệt độ trên tủ điều khiển Khi nhiệt độ thấp hơn 400C điện trở sẽ hoạt động và khi đạt đến ngưỡng trên là 800C điện trở sẽ tự động ngắt

+ Bộ báo ẩm: Có nhiệm vụ báo độ ẩm cho thùng khuấy và hiển thị độ ẩm này bởi đồng hồ báo ẩm trên tủ điều khiển

• Cụm đốt và xử lý khí thải

Gồm có thùng đốt khí và thùng hấp thụ khí Thùng đốt khí hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 250 ÷ 3000C Thùng hấp thụ có nhiệm vụ hấp thụ khí trước khi ra ngoài môi trường Cụm này gồm các chi tiết sau:

+ Thùng đốt khí: Là nơi chứa khí và các vi sinh vật gây bệnh, thùng này được làm bằng thép không gỉ SUS 304, được liên kết bằng phương pháp hàn có khí bảo vệ và ghép bằng mối ghép ren Ngoài ra, nó còn được phủ bằng 1 lớp bông cách nhiệt để tránh thất thoát nhiệt độ ra môi trường bên ngoài

+ Thùng hấp thụ: là nơi chứa than hoạt tính, các vi sinh vật gây bệnh sau khi được đốt sẽ chuyển sang thùng này để hấp thụ trước khi thải ra ngoài môi trường Thùng này được làm bằng thép không gỉ SUS 304, được liên kết bằng phương pháp hàn có khí bảo vệ và ghép bằng mối ghép ren

+ Bộ cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ: Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho thùng đốt khí với yêu cầu là nhiệt độ nằm trong khoảng 250 ÷ 3000C Nhiệt độ được cấp từ

3 điện trở có công suất là 3kW Nhiệt độ thùng đốt khí được kiểm soát bởi thiết bị đo nhiệt độ (cho phép cài đặt nhiệt độ từ 30 đến 6000C) và đồng hồ hiển thị nhiệt độ trên

tủ điều khiển Khi nhiệt độ thấp hơn 2500C điện trở sẽ hoạt động và khi đạt đến ngưỡng trên là 3000C điện trở sẽ tự động ngắt

• Tủ điều khiển

Là nơi cấp nguồn và gắn các thiết bị điều khiển máy như: các công đèn báo nguồn, các công tắc đóng mở, các nút khởi động và tắt, các đồng hồ hiển thị nhiệt độ…

3.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN [1], [3] và [4]

3.2.1 Lựa chọn động cơ, phân tích lực của vít nghiền và tính bền trục vít

1 Lựa chọn động cơ cho trục vít nghiền

- Mô đun trục vít m = 16 mm, đường kính vòng chia d = 56 mm

- Lực vòng tác dụng lên trục vít là: Ft = 1500 N

- Số vòng quay của trục vít: 1400

30

dc n n u

F v

- Hiệu suất của hộp giảm tốc, ổ lăn… là 25%

- Công suất cần thiết của động cơ là: N dc =1, 25N tv =1, 25.0, 21 0, 27= kW

Như vậy ta chọn động cơ có công suất là 0,75 kW là thỏa mãn yêu cầu

2 Phân tích lực tác dụng, tính bền và lựa chọn ổ lăn cho vít nghiền

- Lực hướng tâm: 1 0

0 0

( ) 1500 20( ') (11 14 )

t r

- Khoảng cách giữa 2 ổ lăn là 310mm

- Xác định các Moment Mx, My, T tại các vị trí nguy hiểm nhất của trục

- Với Moment Mx, các lực tác dụng theo phương đứng (từ trên xuống) sẽ gây ra Moment Mx Ta lần lượt xét các lực này sẽ suy ra được Moment Mx

l

- Lấy Moment tại vị trí A, ta suy ra được: i i

BX

AB

F l R

l

- Biểu đồ phân bố Moment của trục:

Hình 3.6 Biễu đồ moment của trục vít

- Từ biểu đồ Moment đã vẽ ta có thể nhận thấy 1 vị trí có thể gây nguy hiểm nhất cho trục là vị trí ở giữa (Mx=180575 Nmm, My=116250 Nmm và T=42000 Nmm)

- Ta tính toán cho vị trí cho nội lực nhất:

M d

τ

- Ta chọn đường kính trục theo tiêu chuần là: d= 40 mm

b Tính toán lựa chọn ổ lăn

- Ta có:

RAY= 1165 N

RBX= 750 N

- Chọn ổ bi đỡ chặn với đường kính vòng trong d= 40 mm

- Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ A:

BY BX

- Vì FrA=1385 N > FrB=750 N , cho nên ta tính toán để chọn ổ A

- Các hệ số Kσ, Kt và V chọn bằng 1

- Do không có lực dọc trục nên hệ số X=1 và Y=0

- Tải trọng quy ước:

- Chọn thời gian làm việc Lh=2000 giờ và số vòng quay n=46,7 vg/ph

- Khả năng tải động tính toán:

Ct1=Qm L=1385 0,563 =1141,6

- Theo bảng tra về ở lăn ta chọn ổ cỡ nhẹ, với C=8160N và C0=5760N

3.2.2 Lựa chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền cho thùng khuấy

1 Lựa chọn động cơ

Dựa vào thực nghiệm ta có được lực tác dụng lên 1 cánh trộn là 120N (căn cứ vào kết quả của chuyên đề 2) Diện tích phần thân cánh nhỏ hơn nhiều so với diện tích 2 cánh trộn nên ta có thể xem lực trên tập trung tại 2 vị trí như hình vẽ và có giá trị là F = 60N ở mỗi phần Hai cánh trộn lần lượt đặt cách vị trí tâm quay là 190 mm và 250 mm