ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---O0O--- Bùi Diệu Linh THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÊN MEN KỊ KHÍ THEO MẺ DỰA VÀO HƯỚNG DẪN VDI 4630 VÀ XÁC ĐỊNH SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-O0O -
Bùi Diệu Linh
THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÊN MEN KỊ KHÍ THEO MẺ DỰA
VÀO HƯỚNG DẪN VDI 4630
VÀ XÁC ĐỊNH SẢN LƯỢNG KHÍ SINH HỌC CỦA CÁC CHẤT
NỀN TẠI LÀNG NGHỀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM
Chuyên ngành: Quản Lí Chất Thải và Xử Lí Vùng Ô Nhiễm
(Chương trình đào tạo quốc tế)
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2011
Trang 2Công trình được hoàn thành
tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Peter Werner
PGS TS Nguyễn Thị Diễm Trang
Phản biện 1: PGS TS Cao Thế Hà
Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Thị Hà
Lu ận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn, họp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Vào hồi 10 giờ 30, ngày 14 tháng 12 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm tư liệu – Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 3Giới thiệu
Trong bối cảnh thế giới và khu vực đang đối mặt với thách thức về năng lượng và biến đổi khí hậu cũng như sự nỗ lực vươn lên của các nước nông nghiệp- đang phát triển,
sự tận dụng các dạng năng lượng tái chế ngày càng được nâng cao Không nằm ngoài
xu hướng đó, Việt Nam là một quốc gia ứng dụng khí sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch Sản xuất và ứng dụng khí sinh học mang lại ích lợi to lớn về nhiều mặt: cung cấp nhiên liệu sạch, bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát triển kinh tế, góp phần vào hiệu quả vào công tác quản lý rác và nước thải Vì thế các nghiên cứu về khí sinh học ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Việt Nam Tuy nhiên, tại phòng thí nghiệm Hóa Môi trường, ĐH KHTN Hà Nội còn thiếu quy trình tiêu chuẩn để tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu về khí sinh học Trong khi đó, hướng dẫn VDI 4630 của Đức cung cấp các phương pháp nghiên cứu về quá trình lên men kị khí
Đề tài
Thiết kế hệ thống lên men kị khí theo mẻ dựa vào hướng dẫn VDI 4630 và xác định sản lượng khí sinh học của các chất nền khác nhau tại làng nghề chế biến thực phẩm
Nhiệm vụ
Thiết kế một hệ thống lên men kị khí theo mẻ tại phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường, Đại học quốc gia Hà Nội dựa vào hướng dẫn VDI 4630 Sử dụng hệ thống này để đánh giá chất lượng các loại bùn chủng lấy từ các nguồn quanh Hà Nội, chọn ra loại bùn chủng có thể tiếp tục sử dụng cho thí nghiệm đánh giá các chất nền Chất nền tham khảo là natri axetat Các chất nền cần nghiên cứu là rác thải (bỗng gạo, bỗng sắn, bèo tây, phân lợn) tại làng Đại Lâm- làng nghề sản xuất rượu và nuôi lợn được lấy mẫu, sơ chế, lên men Các thông số trong quá trình gồm: sản lượng biogas, thành phần biogas (mêtan và cacbonic), pH, rắn tổng, hữu cơ bay hơi tổng, nhu cầu oxi hóa học tổng Sản lượng biogas tính trên khối lượng chất nền, khối lượng sinh khối, khối lượng COD chất nền và mức độ phân hủy kị khí của các chất nền được tính toán cụ thể
Mục đích
Học tập phương pháp thiết kế và đánh giá thí nghiệm của VDI 4630, áp dụng vào thực tiễn tại phòng thí nghiệm Việt Nam Cung cấp thông tin về sản lượng biogas của các chất nền cho dự án INHAND Thực hiện mục tiêu chuyển giao công nghệ và đào tạo của dự án INHAND về vấn đề tích hợp quản lý nước, nước thải, chất thải và năng lượng tại các làng nghề Việt Nam
Trang 4Mục lục
Giới thiệu
Các từ viết tăt
1 Tổng quan
1.1 Cơ sở lý thuyết của phân hủy kị khí
1.2 Sản phẩm của quá trình lên men
2 Vật liệu và phương pháp
2.1 Phương pháp thiết lập hệ thống và tiến hành thí nghiệm của VDI 4630 2.2 Phương pháp lấy mẫu, chuẩn bị mẫu, xác định các thông số quá trình
2.3 Quá trình thực nghiệm và công thức tính toán
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Chất lượng các bùn chủng
3.2 Sản lượng và thành phần khí sinh học của các chất nền
3.2.1 Sản lượng khí sinh học
3.2.2 So sánh sản lượng khí sinh học với lý thuyết và văn bản khác
3.2.3 Thành phần khí sinh học
3.3 Đánh giá mức độ phân hủy TS, VS, COD của bùn đầu ra
4 Kết luận
Trang 5Các từ viết tắt
abs tuyệt đối
B mẫu trắng (chỉ có bùn chủng và nước) C/ CR mẫu bỗng sắn
COD Nhu cầu oxi hóa học
Inoc Bùn chủng
lN lit ở điều kiện chuẩn
mlN millilit ở điều kiện chuẩn
P/ PM Mẫu phân lợn
R Mẫu tham khảo
RR Mẫu bỗng gạo
SA Natri axetate
SLR tỉ lệ bùn tải
TS Rắn tổng
VS Chất hữu cơ bay hơi tổng
W/ WH Mẫu bèo tây
Trang 61 Tổng quan
1.1 Cơ sở lý thuyết của phân hủy kị khí
Lên men tạo mêtan bao gồm bốn giai đoạn trong đó các chất hữu cơ phân hủy bởi các
vi sinh vật kị khí trong môi trường không có oxi Các chất cao phân tử như cacbohidrat, chất béo, protein phân hủy qua các hợp chất phân tử lượng thấp (các axit béo, ancol) để tạo thành mêtan, thành phần chính của khí sinh học (xem hình 1.1)
Hình 1-1: Bốn giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí (Weiland, 2003)
Sau quá trình phân hủy, sản phẩm khí giàu năng lượng chứa chủ yếu mêtan và cacbonic Thành phần trung bình của khí sinh học được trình bày trong bảng 1-1
Bảng 1-1: Thành phần trung bình của biogas (FNR, 2005)
Thành phần Nồng độ
Mêtan(CH4) 50 – 75 % thể tích
Cacbonic (CO2) 25 – 45 % thể tích
Nước (H2O) 2 – 7 % thể tích (20 – 40 °C)
Hidro sunfua (H2S) 20 – 20000 ppm
Nitơ (N2) < 2 % thể tích
Hiđro (H2) < 1 % thể tích
Giai đoạn 1
Thủy phân Giai đoạn 2 Axit hóa Giai đoạn 3 Axetat hóa Giai đoạn 4 Mêtan hóa
Sinh khối
Polisaccarit
Protein
Chất béo
Đường Amino axit Axit béo
H2/ CO2
Biogas
CH4/ CO2
Axit cacboxylic Ancol Axetat
Vi khuẩn thủy phân Vi khuẩn lên men Vi khuẩn axetat hóa Vi khuẩn mêtan hóa
Trang 7Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy
Quá trình phân hủy kị khí có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển và hoạt động của vi sinh vật, có thể chia thành hai loại: các yếu tố vận hành (nhiệt độ, khuấy trộn, thời gian lưu, tỉ lệ tải chất hữu cơ) và ảnh hưởng của thành phần chất nền (tỉ lệ C:N:P,
pH, nồng độ chất ức chế và chất dinh dưỡng, )
Khuấy trộn trong lò phản ứng có thể tạo ra sự tiếp xúc tối ưu giữa vi khuẩn và chất nền, điều hòa nhiệt độ và nồng độ trong lò
Nhiệt độ ảnh hưởng đến tỉ lệ chuyển hóa và sinh sôi tối đa của vi sinh vật, có thể phân loại vi khuẩn thành ba loại dựa vào nhiệt độ hoạt động tối ưu của chúng: ưa lạnh (<25oC), ưa nhiệt trung bình (25-40oC) và ưa nhiệt cao (45-60oC) Trong đó số loài ưa nhiệt trung bình là lớn nhất Cần phải giữ nhiệt độ không đổi trong quá trình lên men
vì vi khuẩn tạo mêtan rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ
Trong quá trình lên men, pH tăng dần Giai đoạn thủy phân và axit hóa, pH tối ưu cho
vi khuẩn từ 4,5 đến 6,3; vi khuẩn tạo mêtan phát triển tốt nhất trong khoảng pH từ 6.8 đến 7,5
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí được tóm tắt trong bảng 1-2
Bảng 1-2: Các yếu tố ảnh hưởn đến sự phân hủy kị khí (WEILAND, 2001)
Yêu cầu dinh dưỡng
- C: N: P: S 500 : 15 : 5 : 3 600 : 15 : 5 : 3
Thế điện hóa +400 – (-)300 mV < -250 mV
Các nguyên tố vi lượng Không yêu cầu Cần: Ni, Co, Mo, Se
Các chất độc và ức chế trong quá trình phân hủy kị khí bao gồm rất đa dạng các chất khi ở nồng độ đủ cao để tạo ra ảnh hưởng ức chế, được phân loại theo nguồn gốc: chất
ức chế từ chất nền (chất tẩy rửa, thuốc kháng sinh chữa bệnh dịch động vật, ) và chất
ức chế từ chất chuyển hóa trung gian Thuốc diệt cỏ, trừ sâu, muối, kim loại nặng bao gồm cả kim loại nặng cần thiết có thể gây độc khi nồng độ đủ cao Ức chế xảy ra khi chất nền chứa hàm lượng cao cacbohidrat, chất béo Sự phân hủy protein tạo axit axetic, amoniac, hidro sunfua tạo ra chất độc sinh học, nhất là khi pH và nhiệt độ cao
Trang 81.2 Sản phẩm của quá trình lên men
Sản phẩm lên men gồm khí sinh học và bùn thải Bùn thải có thể được tận dụng làm phân bón sau khi kiểm tra các điều kiện theo quy định về rác thải sinh học Qua lên men, lượng rắn hữu cơ giảm, độ nhớt của bùn giảm tạo điều kiện dễ dàng cho việc tưới tiêu Các chất gây mùi giảm, các axit hữu cơ phân hủy làm giảm ảnh hưởng ăn mòn của dịch thải Tổng lượng nitơ không giảm, pH tăng lên khiến cho lượng amoniac được giữ lại trong bùn thải Khi lưu trữ hoặc tưới bùn thải, amoniac sẽ bay bớt Các thành phần khác như P, Ca, K, Mg, các kim loại nặng cũng không đổi sau quá trình lên men Trong điều kiện nhiệt trung bình 90% vi khuẩn gây bệnh bị tiêu diệt sau quá trình lên men Do đó, thời gian lên men cần đủ dài để bùn thải đạt tiêu chuẩn làm phân bón
an toàn
2 Vật liệu và phương pháp
2.1 Phương pháp thiết lập hệ thống và tiến hành thí nghiệm của VDI 4630
Hệ thống lên men theo mẻ với áp suất tăng dần (sử dụng máy đo áp suất khí cầm tay) được lựa chọn Bình phản ứng được điều nhiệt ở 37oC và khí sinh học được đo thông qua đường tăng áp suất
Các bước thí nghiệm bao gồm:
- Xử lý sinh khối (bùn chủng) – giảm COD của bùn chủng
- Phân tích 1: TS, VS, pH của bùn chủng, COD của các chất nền
- Dự tính lượng chất nền, thể tích chứa khí, áp suất tăng
- Chuẩn bị bùn chủng và các chất nền
- Cân bình và cho bùn chủng, chất nền, nước cất vào bình
- Đậy chặt bình phản ứng, tạo môi trường không có oxi (rửa bình bằng khí nitơ, tạo áp suất thấp trong bình)
- Bảo quản trong tủ ấm ở 37oC và đo áp suất tăng dần tới khi không đổi
- Phân tích 2: phân tích thành phần khí sinh học, COD, TS, VS của bùn thải
2.2 Phương pháp lấy mẫu, chuẩn bị mẫu, xác định các thông số quá trình
Lấy mẫu
Sáu mẫu bùn chủng được lấy về từ các nguồn xung quanh Hà Nội:
- Bùn chủng số 1, 4: bùn nuôi từ nước thải bể tự hoại (gạn nước) từ phòng thí
nghiệm Kĩ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp – ĐH XD Hà Nội
Trang 9- Bùn chủng số 2, 3: nước thải sinh hoạt phân hủy (gạn nước) từ hầm xử lý nước
thải Kim Liên- Đống Đa
- Bùn chủng số 5: bùn chủng tiêu hủy từ phân lợn – một hộ nuôi lợn làng Đại
Lâm- Bắc Ninh
- Bùn chủng số 6: bùn chủng tiêu hủy từ phân bò- hộ nuôi bò ở Hải Dương
Bốn chất nền gồm bỗng gạo, bỗng sắn (hộ nấu rượu), phân lợn (hộ nuôi lợn), bèo tây (cống cái) ở làng Đại Lâm Lấy mẫu đảm bảo tính đồng nhất và là mẫu đại diện
Chuẩn bị mẫu
Các mẫu được sơ chế ở Phòng thí nghiệm của Trung tâm quan trắc môi trường tỉnh Bắc Ninh, trước khi chuyển về phòng thí nghiệm Hóa Môi trường- ĐH KHTN Hà Nội Các mẫu được làm nhuyễn và đồng nhất bằng cách trộn và xay Với bèo tây, phân lợn phải thêm nước khi xay theo tỉ lệ khối lượng 1 cái: 4 nước
Với phép đo COD, phải pha loãng các mẫu bằng bình định mức theo các tỉ lệ phù hợp với đường chuẩn COD
Xác định các thông số quá trình
Đo TS theo tiêu chuẩn APHA-SMWW_2540G (103-105oC)
Đo VS theo tiêu chuẩn APHA-SMWW_2540G (550oC)
Đo COD theo tiêu chuẩn APHA-SMWW_5520D-Đun hồi lưu kín, đo màu
Đo hàm lượng CH4 bằng phương pháp sắc kí khí với detector ngọn lửa ion hóa (FID)
Đo hàm lượng CO2 bằng phương pháp sắc kí khí với detector dẫn nhiệt (TCD)
2.3 Quá trình thực nghiệm và công thức tính toán
Quá trình thực nghiệm
Thiết kế hệ thống lò phản ứng là các chai thủy tinh 750ml (chai rượu Hà Nội) Chai được xác định thể tích thực bằng phương pháp cân khối lượng nước Sau khi dự tính các thông số dựa vào VS của bùn chủng và COD tổng của chất nền, đổ các chất vào chai bằng cách cân Đóng chặt chai bằng nút silicon, đẩy không khí trong chai ra bằng cách tạo áp suất 0,5bar Đặt chai vào tủ ấm ở 37oC Đo áp suất tăng dần trong chai bằng máy đo áp suất cầm tay
pH của bùn chủng lúc đầu và của bùn thải lúc cuối mẻ được đo bằng máy đo Multilab P4 Tủ sấy đo TS là tủ MEMMERT Lò nung đo VS là lò TDW Máy đo COD bao gồm hộp nhiệt Lovibond ET 108 và MERK TR320, máy đo quang PI722N Máy đo khí là máy GC-2010 Shimadzu của Viện bảo hộ lao động
Trang 10Công thức tính toán
SLR = g COD của chất nền/ g VS của bùn chủng (1)
Áp suất lý thuyết = 0,5 + lượng khí lý thuyết/ thể tích chứa khí = 0,5 + 640* g COD chất nền (2)
V biogas = P đo * V chứa khí * 273 / 1* (273+37) mlN (3)
V CH4 pha lỏng = V chất lỏng* P chất lỏng (lúc cuối mẻ)* % CH4 * 26,06 mlN (4)
V CO2 pha lỏng = V chất lỏng* P chất lỏng (lúc cuối mẻ)* % CO2 * 556,57 mlN (5)
Chiệu chỉnh = CCH4(CO2)*100/ (CCH4 + CCO2) (6)
Độ phân hủy TS, VS, COD = (X đầu vào – X bùn thải) *100/ X đầu vào (7)
Độ phân hủy COD = V biogas* hàm lượng CH4 *100/ 320* COD chất nền (8)
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Chất lượng các bùn chủng
Sáu loại bùn chủng được thí nghiệm với chất nền tham khảo là natri axetat, sản lượng khí được tính toán và thiết lập đồ thị như trong hình 3-1 và bảng 3-1
Hình 3-1: Sản lượng khí gồm cả bùn chủng [ml N Biogas/ g COD natri axetat]
Bảng 3-1: Tóm tắt sản lượng khí không bao gồm bùn chủng và các giá trị SLR
Trang 11SLR 0.4 0.3 0.3 0.3 0.21 0.22
ml N Biogas
/g COD chất nền 148.77 47.25 187.49 285.91 298.79 207.99
ml N Biogas/
Từ hình dạng đồ thị và kết quả trong bảng cho thấy chất lượng của bùn chủng số 5 tốt nhất, sau đo đến bùn chủng số 4, rồi đến bùn chủng số 6 Tuy nhiên khối lượng bùn chủng số 4 bị hạn chế, không có đủ cho thí nghiệm tiếp theo, nên bùn chủng số 5, 6 được sử dụng
3.2 Sản lượng và thành phần khí sinh học của các chất nền
3.2 1 Sản lượng khí sinh học
Bốn chất nền gồm bỗng gạo, bỗng sắn, bèo tây, phân lợn được nghiên cứu trên bùn chủng số 5 (thí nghiệm 6,7) và trên bùn chủng số 6 (thí nghiệm 9), các kết quả thu được thể hiện trong các hình và bảng dưới đây
Hình 3-2 : Sản lượng khí gồm cả bùn chủng trong thí nghiệm 6
[ml N Biogas/ g VS bùn chủng]
Bảng 3-2: Tóm tắt sản lượng khí và SLR của thí nghiệm 6
Trang 12Mô tả Mấu
trắng
Mẫu axetat
Bỗng sắn 1 Bèo tây 1
ml N Biogas/
g VS bùn chủng
(cả bùn chủng)
ml N Biogas/
g COD chất nền
(không tính bùn)
ml N Biogas/
g chất nền
(không tính bùn)
Từ bảng và hình trên cho thấy bỗng sắn có sản lượng khí cao hơn, khả năng phân hủy
và tốc độ phân hủy cao hơn bèo tây
Hình 3-3: Sản lượng khí gồm cả bùn thải của thí nghiệm
[ml N Biogas/ g VS bùn chủng]
Bảng 3-3: Tóm tắt sản lượng khí và SLR của thí nghiệm 7
Trang 13Mô tả Mẫu
trắng
Mẫu axetat
Bỗng gạo
1 Bèo tây 2 Phân lợn 1
ml N Biogas/
g VS bùn chủng
(cả bùn)
9.64 78.38 127.72 131.69 167.51
ml N Biogas/
g COD chất nền
(không tính bùn)
271.39 267.52 301.45 217.32
ml N Biogas/
g chất nền
(không tính bùn)
37.77 34.82 20.50 77.97
Kết quả của thí nghiệm 7 cho thấy SLR càng cao thì sản lượng khí trên sinh khối càng cao Tuy nhiên SLR cao quá gây tác dụng ức chế (phân lợn) Bỗng gạo dễ phân hủy và tốc độ phân hủy cao hơn bèo tây và phân lợn Thời gian lưu của các mẫu cần dài hơn
và giá trị SLR cần cố định để so sánh các mẫu dễ hơn
Trên cơ sở đó thí nghiệm 9 được tiến hành trên bùn chủng số 6 để so sánh 4 chất nền trong thời gian lưu 15 ngày với SLR đều là 0,3 Kết quả thể hiện trong hình 3-4 và bảng 3-4 bên dưới cho thấy: sản lượng khí và khả năng phân hủy của bỗng gạo, bỗng sắn cao hơn của bèo tây và phân lợn Đặc biệt phân lượng có sản lượng khí rất thấp, điều này có thể do tác nhân ức chế sinh học từ thức ăn (thuốc tăng trọng) hay từ thuốc kháng sinh, chất tẩy rửa có trong mẫu phân lợn lần này Kết quả này có thể giải thích như sau: thành phần của bỗng gạo và bỗng sắn chủ yếu gồm có các chất dễ phân hủy
và một phần cacbohidrat còn lại (do đã lên men một lần trong quá trình sản xuất rượu), còn bèo tây chứa lignin, phân lợn chứa một số loại protein và chất bé khó phân hủy (hay có thể chứa chất độc sinh học đã kể trên)
