Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến hiệu quả sinh khí của chất thải hữu cơ bằng thí nghiệm trên mô hình bmp ( bio methane potential)

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều sự hoài nghi của các tổ chức, cá nhân về lợi ích của việc ứng dụng quá trình phân hủy kỵ khí trong quá trình xử lý chất thải rắn và thu năng lượng do sự thiếu th

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN THÀNH VÕ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA

CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC ĐẾN HIỆU QUẢ

SINH KHÍ CỦA CHẤT THẢI HỮU CƠ

BẰNG THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH BMP

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Phong

Người phản biện 1: Người phản biê ̣n 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vê ̣ Luâ ̣n văn tha ̣c sĩ Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày… tháng … năm 2018

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thành Võ MSHV: 15118161

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1993 Nơi sinh: Ân Đức – Hoài Ân – Bình

Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 60.52.03.20

Tìm ra thông số đầu vào (tải trọng, tỷ lệ phối trộn), điều kiện vận hành (nhiệt độ) tối

ưu để thu lượng khí CH4 nhiều nhất từ quá trình lên men kỵ khí ướt của chất thải phân heo và bèo tây bằng mô hình BMP

Đánh giá tính hữu ích của sản phẩm sinh ra sau quá trình lên men

Nội dung:

− Chạy mô hình BMP lên men kỵ khí ướt để khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố:

Tải trọng, nhiệt độ, tỷ lệ phối trộn đến hiệu quả sinh khí CH4 của phân heo và bèo tây

− Phân tích các chỉ tiêu VS, TN, TP, TC, tổng Coliforms, tổng vi sinh vật kỵ khí

của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra để nhận xét, đánh giá hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí

Trang 4

− Ủ phân compost bùn thải sau khi lên men kỵ khí ướt và đánh giá lợi ích của phân bằng thí nghiệm Bio-Test

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 3440/QĐ-ĐHVN ngày 26

tháng 12 năm 2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 26 tháng 06 năm 2018

V NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thanh Phong

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

VIỆN TRƯỞNG VIỆN KHCN&QLMT

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ để quá trình nghiên cứu được thuận lợi và hoàn thành nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành và sâu sắc nhất đến:

− Ban Giám Hiệu cùng quý Thầy – Cô trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện học tập và phát triển bản thân

− Qúy Thầy - Cô thuộc Viện Khoa học Công nghệ Và Quản lý Môi trường đã truyền đạt những kiến thức bổ ích tạo nền tảng vững chắc phục vụ cho quá trình nghiên cứu

− Tôi xin gửi gời cảm ơn đến thầy PGS.TS Lê Hùng Anh đã tạo điều kiện tốt nhất

để thí nghiệm được hoàn thành cũng như những chia sẽ và góp ý của thầy trong suốt quá trình thực hiện đề tài

− Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Thanh Phong đã tận tình hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong suốt thời gian tiến hành thực hiện nghiên cứu đề tài Xin chân thành cảm ơn thầy!

− Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Mặc dù đã nổ lực hết mình nhưng do nhiều yếu tố khách quan nên không thể tránh khỏi những thiếu sót.Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý chân thành của thầy cô cũng như các đọc giả để tôi có thể khắc phục ở các công trình nghiên cứu trong tương lai

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phân heo và bèo tây là hai nguồn chất thải hữu cơ phổ biến ở Việt Nam có thể tận dụng để tạo ra năng lượng thông qua quá trình ủ kỵ khí Khi kết hợp phân heo và bèo tây sẽ làm tăng hiệu quả sinh khí trong quá trình lên men Trong luận văn này, tôi tiến hành nghiên cứu hiệu quả sinh khí của bèo tây và phân heo ở các tỷ lệ phối trộn và tải trọng khác nhau trong điều kiện nhiệt độ phòng bằng mô hình thí nghiệm BMP Sau đó, lựa chọn tỷ lệ và tải trọng thích hợp để tiếp tục nghiên cứu, đánh giá hiệu quả sinh khí khi xử lý nguyên liệu bèo tây đầu vào trước khi phối trộn với phân heo hoặc kiểm soát nhiệt độ ở các giá trị khác nhau (35oC, 45oC, 55oC) Nghiên cứu

đã đạt được những kết quả như sau:

Ở nhiệt độ phòng, pH đầu vào được điều chỉnh về mức trung tính (6,9 – 7,2) thì phân heo và bèo tây phối trộn theo tỷ lệ 1/3 phân heo (PM) + 2/3 bèo tây (WH) ở tải trọng 0,6 VSS/VSI (D1-AT) có hiệu quả sinh khí tốt nhất là 104 LCH4/KgVS

Đối với phương pháp xử lý nguyên liệu đầu vào bằng cách thủy phân bèo tây có bổ sung chế phẩm BIO-EM trong thời gian 05 ngày và 10 ngày thu được hiệu quả sinh khí tốt có giá trị tương ứng là 474 LCH4/KgVSS (D1-H-05D-C) và 472 LCH4/KgVSS (D1-H-10D-C)

Khi tăng nhiệt độ môi trường thì hiệu quả sinh khí lại giảm Nguyên nhân do nhiệt

độ tăng cao mà không được giữ ổn định ở giá trị xác định đã ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Vì vậy, khi tiến hành ủ kỵ khí ở nhiệt

độ môi trường 35oC (D1-35) cho hiệu suất tốt hơn (688 LCH4/KgVSS) so với phản ửng xảy ra trong điều kiện 45oC và 55oC

Phân compost được ủ từ nguyên liệu rắn sinh ra từ quá trình biogas thích hợp cho việc trồng cải mầm

Như vậy, kết hợp phân heo và bèo tây để ủ kỵ khí là giải pháp xanh, thân thiện môi trường và tạo ra nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội; góp phần rất lớn trong việc giảm thải ô nhiễm và cải thiện môi trường sống của con người

Trang 7

ABSTRACT

Pig manure and water hyacinth are two popular organic waste sources in Vietnam which can be reused to produce energy and recover nutrient through anaerobic process The aims of the study were to find out the methane yields of pig manure and water hyacinth and the mixture of pig manure and water hyacinth at different mixing ratios The study was also aimed to find influent factors such as organic loding rates, mixing ratio, temperature and hydrolysisto anaerobic processes In this thesis, the methane yield of water hyacinth and pig manure were exanimated by conducting BMP modeling experience with the different mixture and loading ratios

in the room temperature After, the appropriate ratios and loading rates were determined, the experiments were repeated at different temperatures (35oC, 45oC and 55oC) The research has achieved the following results:

At room temperature, if the input pH was adjusted to neutral (6.9 - 7.2), mixture of pig manure and water hyacinth at the ratio of 1/3 Pig Manure (PM) + 2/3 Water Hycinth (WH0 at the loading of 0,6 VSS/VSI (D1-AT) achieved the highest methane yield (104 LCH4/KgVS)

Hydrolyzing water hyacinth with the supplement of BIO-EM from 5 to 10 days increased significantly methane production which were 474 LCH4/KgVSS (D1-H-05D-C) and 474 LCH4/KgVSS (D1-H-10D-C) at the experiment 5 days and 10 days hydrolysis respectively

The study found if the environmental temperature increased, the methane generation was decreased The reason is that the high of temperature with an unstable level at a determined point affected the growth and development of microorganism The methane production was highest at 35oC (D1-35) (688 LCH4/KgVSS) in the experiment

Compost, which is made from solid materials, generated from biogas process is suitable for growing sprouts

Trang 8

To sum up, the combination of pig manure and water hyacinth for anaerobic process

is a good solution and friendly to the environment as well as in economic and social aspects; it contributes greatly in reducing pollution and improving the living environment of people

Trang 9

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Nguyễn Thành Võ

Trang 10

MỤC LỤC

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan chất thải rắn 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Nguồn gốc, thành phần và phân loại chất thải rắn 5

1.1.3 Tính chất chất thải rắn 6

1.1.4 Tổng quan về chất thải phân heo và bèo bèo tây 10

1.2 Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí 14

1.2.1 Khái niệm chung 14

1.2.2 Lược sử phát triển quá trình phân hủy kỵ khí 15

1.2.3 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí 16

1.2.4 Các thông số quá trình phân hủy kỵ khí 19

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 22

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 24

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Nội dung nghiên cứu 26

2.1.1 Mô hình nghiên cứu 26

2.1.2 Vật liệu nghiên cứu 28

2.1.3 Nội dung nghiên cứu 29

2.2 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 36

2.2.1 Phương pháp phân tích 36

2.2.2 Phương pháp xử lý số liệu 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 39

3.1 Kết quả một số tính chất của nguyên liệu đầu vào 39

3.2 Kết quả nghiên cứu Tải trọng và tỷ lệ phối trộn tối ưu 40

3.2.1 Tải trọng 0,2 gVSS/gVSI 40

Trang 11

3.2.6 Đánh giá hiệu quả tăng năng suất khí CH4 khi kết hợp phân heo và bèo tây 74

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả sinh khí 75

3.3.1 Thủy phân bèo tây không bổ sung vi sinh 75

3.3.2 Thủy phân bèo tây bổ sung bùn vi sinh (Bùn Biogas) 79

3.3.3 Thủy phân bèo tây bổ sung vi sinh dạng bột (chế phẩm BIO-EM) 82

3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sinh khí của chất thải hữu cơ 85

3.4.1 Hiệu suất sinh khí methane 85

3.4.2 Kết quả giá trị hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (VS) 87

3.4.3 Tổng vi sinh vật kỵ khí 88

3.5 Đánh giá lợi ích của sản phẩm sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí 89

3.5.1 Đánh giá dung dịch phân lỏng từ quá trình phân hủy kỵ khí 89

3.5.2 Đánh giá phần nguyên liệu rắn sau quá trình phân hủy kỵ khí 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

1 Kết luận 99

2 Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 108

Phụ lục A Kết quả phân tích mẫu 108

Phụ Lục B Hình ảnh 127

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 133

Trang 12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo của sàng lọc xác định cấp phối hạt chất thải rắn 8

Hình 1.2 Xác định cấp phối hạt chất thải rắn 8

Hình 1.3 Phân bố tổng đàn heo theo địa phương 10

Hình 1.4 Ứng dụng hầm biogas phân heo 12

Hình 1.5 Bèo tây phát triển mạnh gây cản trở giao thông 14

Hình 1.6 Sơ đồ phản ứng của quá trình phân hủy kỵ khí 16

Hình 2.1 Hệ thống mô hình BMP 26

Hình 2.2 Mô hình thực tế xác định khả năng sinh khí methane BMP 28

Hình 3.1 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra 42

Hình 3.2 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày 43

Hình 3.3 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn 44

Hình 3.4 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn 45

Hình 3.6 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra theo thời gian 49

Hình 3.7 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn ở Tải trọng 51

Hình 3.11 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn 58

Hình 3.15 Biểu đồ giá trị %VS đầu vào – đầu ra của các tỷ lệ phối trộn 65

Hình 3.19 Biểu đồ giá trị %VS đầu vào – đầu ra của các tỷ lệ phối trộn 72

Hình 3.21 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày và tổng tích lũy 76

Hình 3.22 Biểu đồ hiệu suất loại bỏ VS và hệ số phân hủy nội bào 78

Hình 3.23 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí 78

Trang 13

Hình 3.31 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày 87

Trang 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Độ ẩm của một số chất thải 7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của phân heo từ 70 – 100 kg 11

Bảng 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu 30

Bảng 2.2 Thành phần chất nền cấy cải mầm 35

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 36

Bảng 3.1 Một số tính chất của nguyên liệu đầu vào 40

Bảng 3.2 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn 46

Bảng 3.5 Hệ số tăng – giảm hiệu suất khí của tải trọng 0,8 gVSS/gVSI so với tải trọng 0,6 gVSS/gVSI 62

Bảng 3.8 Hiệu suất sinh khí CH4 khi kết hợp phân heo và bèo tây (LCH4/KgVSS) 74

Bảng 3.9 Giá trị tổng Coliform đầu ra sau quá trình ủ kỵ khí ở các nghiệm thức 90

Bảng 3.10 Một số thông số của phân lỏng sinh sau quá trỉnh ủ biogas 91

Bảng 3.11 Một số thông số của phân compost 91

Bảng 3.12 Quá trình sinh trưởng và phát triển của cải mầm ở các nguồn chất nền khác nhau 93

Bảng 3.13 Quá trình sinh trưởng và phát triển của cải mầm ở các nguồn chất nền khác nhau 97

Trang 15

HCTT Hữu Cơ Thị Trường

HRT Hydraulic Retention Time

LCFAs Long Chain Fatty Acids

ODM Organic Dry Matter

TOC Total Organic Carbon

TON Total Organic Nitrogen

Trang 16

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong xu thế phát triển kinh tế xã hội, với tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng cùng với

đó là sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, dịch vụ…Đời sống người dân ngày càng cao đã làm nảy sinh nhiều vấn đề mới, đặc biệt là các vấn đề về môi trường Lượng chất thải phát sinh từ những hoạt động trong đời sống hàng ngày cũng ngày một nhiều hơn, đa dạng hơn cả về thành phần lẫn tính chất của nguồn rác phát sinh Những câu chuyện và hệ lụy môi trường từ rác thải đã và đang được chính phủ và người dân quan tâm

Bên cạnh đó, nhu cầu năng lượng cho hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người cũng là vấn đề của nhiều quốc gia trên thế giới Nguồn nhiên liệu hóa thạch suy giảm gây ra sự tăng chi phí năng lượng do tăng chi phí sản xuất [1]

Yêu cầu đặt ra là phải có phương pháp kiểm soát lượng chất thải rắn phát sinh và công nghệ xử lý phù hợp nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất những tác động của chất thải rắn đến môi trường và con người, đồng thời tìm ra nguồn năng lượng thay thế mới Có nhiều phương pháp đã được triển khai và áp dụng như: Chôn lấp, đốt ở nhiệt độ cao, làm phân compost,…Trong đó, chôn lấp là phương pháp được áp dụng phổ biến cho hầu hết các quốc gia trên thế giới Hiện nay, tỷ lệ chất thải rắn được thu gom chiếm khoảng 83 - 85% trong tổng lượng chất thải rắn phát sinh và số lượng bãi chôn lấp hợp vệ sinh chỉ chiếm khoảng 60% [2]

Trong những thập kỷ qua, việc áp dụng quá trình phân hủy kỵ khí trong xử lý chất thải trở nên phổ biến hơn [3] Phương pháp xử lý này vừa đáp ứng yêu cầu xử lý chất thải, vừa tạo ra nguồn năng lượng mới thân thiện môi trường, hay được gọi là năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo được xác định là nguồn năng lượng sạch vì chúng thải ra rất ít hoặc không có khí nhà kính [1] Nguồn năng lượng này là cần thiết cho cả các nước phát triển và các nước đang phát triển để thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống Ở nhiều nhiều nước, đặc biệt các nước phát triển,

Trang 17

biogas được sản xuất theo nhu cầu và điều kiện của quốc gia Ưu điểm của việc sản xuất khí biogas bằng lên men kỵ khí so với quá trình hiếu khí thông thường là chi phí đầu tư ban đầu, chi phí hoạt động thấp và lượng bùn tạo ra ít [1]

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều sự hoài nghi của các tổ chức, cá nhân về lợi ích của việc ứng dụng quá trình phân hủy kỵ khí trong quá trình xử lý chất thải rắn và thu năng lượng do sự thiếu thông tin, kinh nghiệm trong lĩnh vực này Từ những quan điểm trên, cần có những thí nghiệm để mô tả, chứng minh những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế trong xử lý chất thải hữu cơ Trong tất cả các phương pháp thực nghiệm, mô hình BMP (Bio-Methane Potential) kiểm tra khả năng sinh khí CH4

được cho là cần thiết, nhờ sự thiết lập và thực hiện dễ dàng cũng như thông tin hữu ích có thể đạt được từ quá trình thí nghiệm

Hiện nay ở Việt Nam, công nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp kỵ khí chưa được áp dụng phổ biến do nhiều lý do: Chi phí đầu tư ban đầu cao; kỹ thuật vận hành yêu cầu cao; kinh nghiệm chuyên môn chưa được phổ biến cho các cơ quan,

cá nhân trong ngành…Ở nước ta, phương pháp phân hủy kỵ khí được ứng dụng phổ biến nhất trong xử lý chất thải chăn nuôi, đặc biệt là phân heo Đồng thời, bèo tây là nguồn chất thải hữu cơ có thể tận dụng để ủ kỵ khí sinh methane Nhưng thực tế, chưa có nhiều thí nghiệm thực nghiệm xác định hiệu quả sinh khí tối đa, cũng như các số liệu, kinh nghiệm vận hành trong quá trình lên men kỵ khí phân heo và bèo

tây Từ những nhu cầu thực tế, tôi tiến hành nghiên cứu để tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến hiệu quả sinh khí của chất thải hữu cơ bằng thí nghiệm trên mô hình BMP (Bio-Methane Potential)”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến hiệu quả sinh khí của chất thải hữu cơ bằng thí nghiệm trên mô hình BMP (Bio-Methane

Potential)”, mục tiêu được đặt ra là:

Trang 18

− Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố: Nhiệt độ, tải trọng, tỷ lệ phối trộn, phương pháp xử lý nguyên liệu đầu vào đến khả năng sinh khí của phân heo và bèo tây thông qua quá trình phân hủy kỵ khí trên mô hình thí nghiệm BMP

− Đề xuất mô hình thí nghiệm đơn giản để kiểm tra nhanh khả năng sinh khí của các nguồn chất thải hữu cơ

− Đánh giá hữu ích và đề xuất hướng giải quyết sản phẩm sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí trên

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

− Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là: Phân heo và bèo tây

− Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ nghiên cứu một số yếu tố như nhiệt độ, tải trọng,

tỷ lệ phối trộn phân heo và bèo tây, phương pháp xử lý nguyên liệu đầu vào ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí của chất thải hữu cơ

− Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 06/2017 đến tháng 06/2018

− Quy mô thực hiện: Phòng thí nghiệm

− Địa điểm tiến hành: Trường Đại học Công Nghiệp TP HCM

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

❖ Phương pháp phân tích tổng hợp:

− Thu thập các tư liệu, tài liệu về phương pháp phân hủy kỵ khí trong việc xử lý rác thải hữu cơ và thu hồi năng lượng

− Tìm hiểu về phương pháp BMP

❖ Phương pháp chuyên gia:

Trao đổi, lắng nghe ý kiến của giáo viên hướng dẫn, các chuyên gia am hiểu về vấn

đề nghiên cứu Bên cạnh đó, cùng trao với các bạn sinh viên hiểu biết đề tài để có những kiến thức chính xác, đầy đủ nhất

Trang 19

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Góp phần giải quyết sự hoài nghi về hiệu quả và lợi ích của quá trình phân hủy kỵ khí từ nguồn chất thải hữu cơ của các cá nhân, doanh nghiệp trong việc mong muốn đầu tư và phát triển trong lĩnh vực này

Kết quả nghiên cứu đề tài là kiến thức nền tảng cho những công trình nghiên cứu tiếp theo cũng như việc ứng dụng vào thực tiễn đời sống

Mô hình được xem là công cụ kiểm tra nhanh khả năng sinh khí của chất thải hữu

cơ từ quá trình lên men kỵ khí Do đó, các cá nhân và doanh nghiệp có thể nhanh chóng quyết định khả năng đầu tư trong lĩnh vực này

Trang 20

tã và chất thải của trẻ em được trộn lẫn trong chất thải rắn Chất thải rắn có thể gây

ra vấn đề sức khỏa của con người và sinh vật sống trong môi trường nếu không được lưu trữ một cách an toàn và thích hợp [5]

1.1.2 Nguồn gốc, thành phần và phân loại chất thải rắn

❖ Các nguồn phát sinh chất thải rắn:

Chất thải rắn phát sinh từ các hoạt động khác nhau của con người [4], [5], [6]: Khu

dân cư; khu thương mại (nhà hàng, khách sạn, siêu thị, chợ ); cơ quan, công sở (trường học, trung tâm và viện nghiên cứu, bệnh viện ); khu xây dựng và phá hủy các công trình xây dựng; khu công cộng (nhà ga, sân bay, công viện, khu vui chới, bệnh viện ); nhà xử lý chất thải rắn; công nghiệp; nông nghiệp; trung tâm y tế

❖ Thành phần, phân loại chất thải rắn:

Thành phần chất thải rắn đa dạng do nguồn thải xuất phát từ các nguồn khác nhau

Thành phần và khối lượng chất thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau [5] [6]

Thành phần và phân loại chất thải rắn bao gồm [5]:

− Chất thải hữu cơ: Chất thải từ hoạt động của ngành thực phẩm, khu vực chợ

Trang 21

− Chất thải dễ cháy: Giấy, gỗ, lá cây khô, (chất thải có hàm lượng hữu cơ cao, độ

ẩm thấp)

− Chất thải khó cháy: Kim loại, thiếc, chai lọ, đá

− Tro/bụi: phần còn lại từ quá trình đốt và nấu ăn

− Chất thải có kích thước lớn: nhánh cây, lốp vỏ xe

− Xác động vật chết: Vật nuôi trong nhà và chăn nuôi

− Chất thải nguy hại: Dầu, pin, hóa chất

− Chất thải xây dựng: Vật liệu mãi, gạch, xà bần

Thành phần chất thải rắn ảnh hưởng lớn đến chính sách, phương pháp quản lý và xử

lý chất thải Thực phẩm, giấy và carton, rác vườn, lon đồ hợp là bốn thành phần thay đổi nhiều nhất theo thời gian và có sự khác biệt giữa các nước phát triển và đang phát triển

1.1.3 Tính chất chất thải rắn

1.1.3.1 Tính chất vật lý của chất thải rắn

Những tính chất vật lý quan trọng nhất của chất thải rắn bao gồm: Khối lượng riêng,

độ ẩm, kích thước, cấp phối hạt, khả năng giữ ẩm và độ xốp Trong đó, khối lượng riêng và độ ẩm là hai tính chất quan trọng nhất trong công tác quản lý nguồn chất

thải rắn [5], [4]

❖ Khối lượng riêng

Khối lượng riêng được hiểu là khối lượng chất thải rắn trên một đơn vị thể tích (kg/m3) Khối lượng riêng chất thải rắn sẽ thay đổi tùy thuộc vào trạng thái của chúng: xốp, chứa trong thùng chứa, không nén, nén Khối lượng riêng của chất thải còn phụ thuộc vào nhiều vào các yếu tố như: Vị trí địa lý, mùa năm, thời gian lưu giữ chất thải Khối lượng riêng của chất thải đô thị có giá trị dao động khoảng 180 –

Trang 23

a= {(w – d)/ w} x 100 [4] (1-1) Trong đó: a: độ ẩm, %; w: khối lượng mẫu ban đầu, kg; d: khối lượng mẫu sau khi sấy khô ở 105oC, kg

❖ Kích thước và sự phân bố hạt

Kích thước và cấp phối hạt của các thành phần chất thải rắn đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và thiết kế các phương tiện cơ khí trong thu hồi vật liệu, đặc biệt là sàn lọc phân loại chất thải rắn bằng máy hoặc phương pháp từ [4] Trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, kích thước hạt là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả của quá trình Hạt có kích càng nhỏ và càng đồng đều thì khả năng xử lý càng cao

Cấp phối hạt có thể được xác định thủ công bằng sàng lọc Các sàng này có các lỗ vuông và kích thước lỗ thông thường là 100, 50 và 25 mm [5]

Hình 1.1 Cấu tạo của sàng lọc xác định cấp phối hạt chất thải rắn [5]

Hình 1.2 Xác định cấp phối hạt chất thải rắn [5]

Trang 24

❖ Khả năng giữ nước

Khả năng giữ nước thực tế của chất thải rắn là toàn bộ khối lượng nước có thể giữ lại trong mẫu chất thải dưới tác dụng của trọng lực Khả năng giữ nước của chất thải rắn là một chỉ tiêu quan trọng trong việc tính toán, xác định lượng nước rò rĩ từ bãi rác Nước đi vào mẫu chất thải rắn vượt quá khả năng giữ nước sẽ thoát ra thành nước rỉ rác Khả năng giữ nước thực tế thay đổi tùy vào lực nén và trạng thái phân hủy của chất thải rắn Khả năng giữ nước của hỗn hợp chất thải rắn (không nén) từ các khu dân cư và thương mại dao động 50-60% [4]

1.1.3.2 Tính chất hóa học của chất thải rắn

Việc xác định tính chất hóa học của thành phần chất thải rắn đóng vai trọng trong việc đánh giá, lựa chọn phương pháp xử lý và tái chế chất thải Tính chất hóa học của chất thải rắn bao gồm:

Phân tích gần đúng – sơ bộ bao gồm: Độ ẩm, chất dễ bay hơi, carbon cố định, tro Phần bay hơi là phần chất hữu cơ, thường chiếm 40-60% [4] Hàm lượng carbon cố định thường chiếm khoảng 5-12% [9]

Điểm nóng chảy của tro: Là nhiệt độ mà tại đó tro tạo thành từ quá trình đốt cháy chất thải bị nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy đặc trưng đối với xỉ từ quá trình đốt chất thải rắn dao động khoảng 1100 – 1200oC [4]

Thành phần nguyên tố tạo thành chất thải rắn: Thành phần nguyên tố chất thải rắn bao gồm: C, H, O, N, S và tro, Việc xác định thành phần nguyên tố hóa học đóng vai trò việc xác định tỷ số C/N nhằm đánh giá chất thải rắn có thích hợp cho quá trình chuyển hóa sinh học hay không

Nhiệt trị của chất thải rắn được định nghĩa là lượng nhiệt sinh ra do đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng chất thải rắn, có thể được xác định bằng một trong các phương pháp sau [4]:

− Sử dụng nồi hơi có thang đo nhiệt lượng

Trang 25

− Sử dụng bom nhiệt lượng trong phòng thí nghiệm

− Tính toán theo thành phần các nguyên tố hóa học

Hiện nay, hầu hết nhiệt trị của thành phần hữu cơ trong chất thải rắn đô thị đều được đo bằng cách sử dụng bơm nhiệt lượng trong phòng thí nghiệm

Dựa vào bảng nhiệt trị cho thấy: Thành phần tro của chất thải hữu cơ là hơn nhiều

so với chất vô cơ và có nhiệt trị lớn hơn nhiều Nhựa, cao su, giấy, là những thành phần sinh ra nhiệt trị nhiều nhất khi đốt

1.1.3.3 Tính chất sinh học của chất thải rắn

Các tính chất sinh học quan trọng của chất thải rắn bao gồm [4]: Khả năng phân hủy sinh học của thành phần hữu cơ; sự phát sinh mùi hôi thối; sự phát triển của rùi

1.1.4 Tổng quan về chất thải phân heo và bèo bèo tây

1.1.4.1 Chất thải phân heo

Chăn nuôi hiện đang là một ngành mũi nhọn trong việc chuyển đổi cơ cấu sản xuất nông nghiệp theo hướng đa dạng vật nuôi, trong đó có chăn nuôi heo Heo là gia súc được chăn nuôi phổ biến nhất ở Việt Nam với số lượng khoảng 26.494 nghìn con trong tổng số 34.624 nghìn vật nuôi [7]

Hình 1.3 Phân bố tổng đàn heo theo địa phương [7]

Trang 26

Theo tính toán dựa trên cơ sở khoa học sinh lý vật nuôi và số liệu thống kê của Tổng cục môi trường có thể thấy, lượng phát thải chất thải rắn chăn nuôi tăng tỷ lệ thuận với tốc độ tăng trưởng quy mô, ước lượng mức thải trung bình 1,5 kg phân lợn/con/ngày Chất thải chăn nuôi có hàm lượng chất ô nhiễm cao Gía trị COD,

TN, TP với giá trị tương ứng là 2500 – 12120 mgO2/L, 185 – 4539 mg/L, 28 – 831 mg/L [85] Đồng thời, phân còn chứa nhiều vi sinh vật và kí sinh trùng kế cả có lợi

và có hại như: E.coli, Samonella, Dhigella, Proteus… [8]

Phân và nước thải từ vật nuôi chứa nhiều thành phần N, P, và các vi sinh vật gây hại, không những ô nhiễm nguồn nước mà còn ô nhiễm đất, làm rối loạn độ phì nhiêu đất, ô nhiễm không khí…

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của phân heo từ 70 – 100 kg [8]

lý chất thải lỏng, vứt xác gia cầm, gia súc bừa bãi và hệ thống thoát nước đơn giản làm cho tình trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi chưa được khắc phục triệt

để và có chiều hướng gia tăng

Một vấn đề được quan tâm hiện nay là sự liên quan của các hoạt động chăn nuôi đến phát thải khí nhà kính trong vấn đề biến đổi khí hậu Chăn nuôi hiện đóng góp

Trang 27

khoảng 18% hiệu ứng nóng lên của Trái đất do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính [8] Những chất thải khí này sẽ tiếp tục tăng trong thời gian tới

Hình 1.4 Ứng dụng hầm biogas phân heo

1.1.4.2 Bèo tây

❖ Nguồn gốc và phân loại bèo tây

Bèo tây là thực vật thủy sinh phát triển nhanh, phân bố rộng rãi trên khắp thế giới

[9], [10] Bèo tây có tên gọi khoa học là Eichhornia crassipes, hay còn được gọi là

bèo Nhật Bản, một loài thực vật thân thảo, sống nổi theo dòng nước, thuộc về chi

Eichhornia của họ bèo tây (Pontederiaceae), có khả năng hấp thu một lượng lớn

chất dinh dưỡng và có nguồn gốc từ khu vực Amazon ở Nam Mỹ [11], [12], [13]

Cây nhiệt đới thuộc họ Pontederiaceae này có thể gây ra phân tán nhanh trên các

khu vực rộng lớn trong môi trường nước và do đó dẫn đến hàng loạt các vấn đề bao gồm: Giảm đa dạng sinh học, tắc nghẽn các con sông và hệ thống thoát nước, cạn kiệt oxy hòa tan, thay đổi hóa học nước và sự tham gia vào ô nhiễm môi trường Bèo tây được phân loại như sau [11], [14], [15]:

+ Giới: Thực vật (Plantae)

+ Ngành: Ngọc Lan (Magnoliophyta)

+ Lớp: Hành (Liliidae)

+ Phân lớp: Hành (Liliidae)

Trang 28

+ Bộ: Bèo tây (Pontederiaceae)

+ Họ: Bèo tây (Pontederiaceae)

+ Chi: Bèo tây (Eichhonia)

+ Loài: Bèo tây (Eichhonia crassipes)

+ Tên khác: Bèo tây, bèo sen, bèo Nhật Bản, lục bình

❖ Đặc điểm thực vật học:

Bèo tây là cây thảo mộc sống nhiều năm, nổi ở nước hoặc bám trên đất bùn, chiều cao khoảng 30cm, rễ chùm dài [11] Kích thước rễ và cây thay đổi tùy theo môi trường sống Lá có cuống phồng lên thành phao nổi, gân lá hình cung, phiến lá hình tròn hay hình tim Hoa không đều, màu nhạt hay tím, đài và tràng cùng màu, dính liền với nhau ở gốc, cánh hoa trên có một đốm vàng Bèo tây thường ra hoa khoảng tháng 10 đến tháng 11 hàng năm

❖ Lợi ích và tác hại của bèo tây

− Tác hại của bèo tây: Bèo tây thích nghi tốt với hầu hết các loại hình thủy vực khác nhau, chịu được những điều kiện khắc nghiệt như thiếu dinh dưỡng, độ pH thay đổi, nhiệt độ và ngay cả khi nước bị nhiễm Trong điều kiện môi trường thích hợp, bèo tây có tốc độ phát triển nhanh và thời gian tăng trưởng gấp đôi ngắn trong khoảng 7-12 ngày [11], [16] Vì thế, chúng nhanh chóng phát triển tràn lan khắp các

ao hồ, kênh rạch, sông ngòi của nước ta làm ảnh hưởng đến giao thông thủy, cản trở việc lưu thông hàng hóa bằng đường thủy [11], [12] Việc phát triển mạnh của bèo tây còn ảnh hưởng đến sự đa dạng sinh học và môi trường [11], [17] Bèo tây phát triển quá mức gây kiềm hãm sự phát triển của các thực vật thủy sinh trong khu vực, thân và lá bèo tây che kín mặt nước làm cản trở ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống hệ sinh vật thủy sinh bên dưới, làm giảm oxy hòa tan trong nước tạo nên các vùng kỵ khí gây ức chế sinh trưởng của thủy sinh vật và ô nhiễm nguồn nước [11], [12] Tại các vùng nước nông, bèo tây phát triển làm tắc nghẽn dòng chảy tạo thành các

Trang 29

vùng nước tù đọng và trở thành nên ẩn nấp và sinh sản của muỗi và côn trùng gây bệnh

Hình 1.5 Bèo tây phát triển mạnh gây cản trở giao thông

− Lợi ích của bèo tây: Bèo tây từ lâu đã gắn liền với đời sống sinh hoạt của người dân và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Thân và lá bèo tây được dùng làm thức ăn gia súc, gia cầm Ngó bèo tây được sử dụng như rau trong bữa ăn gia đình Bên cạnh đó, thân bèo tây có thể phơi khô làm nguyên liệu sản xuất các mặt hàng thủ công mỹ nghệ có giá trị như: giỏ, túi, thảm, bình hoa [11], [17] Rễ bèo tây là một nguồn nguồn nguyên liệu tốt để làm phân compost Trong điều kiện tự nhiên, bèo tây có khả năng hấp thụ kim loại nặng và chất dinh dưỡng trong nước thải, góp phần cải tạo nước mặt [11] Trong hệ thống xử lý nước thải, bèo tây thường được bổ sung vào hồ sinh học giúp gia tăng hiệu quả xử lý nước

1.2 Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí

1.2.1 Khái niệm chung

Phân hủy kỵ khí là quá trình sinh học diễn ra nhiều giai đoạn mà ở đó các chất rắn hữu có phức tạp và kích thước lớn được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, kích thước nhỏ bởi các chủng vi sinh vật khác nhau trong điều kiện không có oxy; kết thúc quá trình tạo khí được gọi là biogas và vật liệu bán rắn giàu dinh dưỡng, thích hợp làm phân bón cho nông nghiệp [3]

Trang 30

Biogas là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường được sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí, là một quá trình sinh học mà ở đó các chất hữu cơ dễ phân hủy được tiêu thụ bởi các loại vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí Biogas có thành phần khí chính là CH4 (50-70%), CO2 (30-50%), và một khối lượng nhỏ khí và hợp chất khác [18]

1.2.2 Lược sử phát triển quá trình phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là một trong những phương pháp trong xử lý chất thải được con người ứng dụng lâu đời Nhưng đến thế kỷ 17, các chuyên gia mới nghiên cứu một cách khoa học Năm 1985, nhà máy đầu tiên được xây dựng ở Bombay, Ấn Độ Sau đó, công nghệ sản xuất biogas phổ biến ở các nước Châu Âu, mà trong đó Anh là nước sớm ứng dụng công nghệ này để tạo ra dòng diện phát sáng đèn đường Năm 1930, Buswell et al tiến hành nghiên cứu về

vi sinh vật hiện diện trong bể ủ kỵ khí, đặt nền nóng cho những nghiên cứu tiếp theo

về định danh vi khuẩn, đồng thời thúc đẩy phát trình quá trình sinh khí biogas [19] Ban đầu, phương pháp phân hủy kỵ khí chưa được quan tâm và đầu tư ở các nước phát triển Hai cuộc khủng hoảng năng lượng trên thế giới vào các năm 1973 và

1979 là mốc thời gian mà kỹ thuật phân hủy kỵ khí thu methane làm năng lượng được quan tâm nhiều hơn Tuy nhiên, những hiểu biết về quá trình này còn hạn chế

và dẫn tới sự thất bại của 50% hầm ủ ở Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan và 80% hầm

ủ ở Mỹ và châu Âu [19]; nhưng đó lại chính là động lực thúc đẩy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình Cùng với thời gian, kỹ thuật phân hủy kỵ khí không chỉ được áp dụng để thu khí sinh học mà còn là một kỹ thuật chi phí thấp để ổn định các chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi và thậm chí để xử lý chất thải đô thị hay công nghiệp (chế biến hóa chất, sản xuất thực phẩm các loại…)

Ở Việt Nam, sản xuất khí sinh học đã được giới thiệu và áp dụng từ hơn 20 năm qua nhưng chủ yếu để cung cung cấp nhiệt ở một số khu vực nông thôn Một loạt các hầm ủ sinh học vật liệu xi măng với thiết kế khác nhau đã được đưa vào thử nghiệm

ở các vùng nông thôn dưới sự tài trợ của Chính phủ Việt Nam và quốc tế Vì hầm ủ

Trang 31

xi măng có giá thành tương đối cao, khó xây dựng và sửa chữa nên thực tế còn ít được áp dụng Sự ra đời của túi ủ hình ống bằng vật liệu Polyetylen (PE) sau đó đã giảm được đáng kể chi phí đầu tư và chi phí vận hành nên nhận được sự ủng hộ của nhiều hộ nông dân nghèo Trong vòng 10 năm trở lại đây, hơn 20.000 túi ủ như thế

đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí, tuy túi ủ với giá thành rẻ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong công tác vận hành và bảo trì [19] Tuy nhiên, những nghiên cứu về quá trình phân hủy kỵ khí đối với rác thải nông thôn Việt Nam để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế

1.2.3 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí nói chung gồm chuỗi các giai đoạn sinh học phức tạp nhưng được liên kết đồng bộ và chặt chẽ với nhau để biến đổi hợp chất hữu cơ ban đầu thành khí sinh học nhưng có 04 giai đoạn chính [20] Một yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố và kìm hãm cả quá trình Quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ xảy ra hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên có thể đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây:

CaHbOcNdSe + (4a – b – 2c + 3d + 2e)H2O → (4a + b – 2c – 3d – 2e)CH4 + (4a – b

Hình 1.6 Sơ đồ phản ứng của quá trình phân hủy kỵ khí [21]

Trang 32

❖ Giai đoạn thủy phân

Đây là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phân hủy kỵ khí, là thủy phân các hợp chất

có khối lượng phân tử lớn như Lipid, Protein, Polysacharides và Nucleic acid thành các hợp chất hòa tan dễ dàng phân hủy như đường, amino acid, acid béo [21], [20] Các vi khuẩn thủy phân tiết ra enzym ngoại bào để phân hủy các hợp chất và có thể suy thoái trong các giai đoạn phân hủy tiếp theo [21]

Mức độ và tốc độ quá trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố: pH, nhiệt độ, nồng độ sinh khối, kích thước hạt [21] Nhiệt độ thấp hay pH thấp cũng làm giảm tốc độ thủy phân Trong 4 giai đoạn của quá trinh lên men, thủy phân trở thành giai đoạn xảy ra với tốc độ chậm nhất Trong quá trình này sinh ra acid béo mạch dài (LCFAs), là các tác nhân gây ức chế lên các vi sinh vật giai đoạn sau (acid hóa, acetate hóa và methane hóa) khiến rất nhiều quá trình ủ kỵ khí chất thải bị thất bại Sự ức chế có thể bị tác động bởi hàng loạt yếu tố: pH thấp (mức thấp nhất là 5,5) khiến nồng độ acid không phân ly tăng do đó làm tăng độc tính Nói chung, vi sinh vật sinh methane chịu tác động mạnh mẽ hơn các vi khuẩn acid hóa và acetate hóa với acid béo mạch dài khi nồng độ chất này tăng cao

❖ Giai đoạn acid hóa

Các hợp chất từ quá trình thủy phân được chuyển hóa bởi các vi sinh vật lên men thành các hợp chất đơn giản như VFA, acetat, NH3, alcohol, H2, CO2 và một số sản phẩm khác

Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân có kích thước còn quá lớn để có thể được vi sinh vật hấp thu nên cần được phân giải tiếp Giai đoạn acid hóa bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi vào tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển Ở đó các amino acid, đường đơn và acid béo mạch dài đều biến đổi về các acid hữu cơ mạch ngắn hơn (propionic acid, valeric acid, acetic acid), rượu (ethanol), một ít khí hydrogen và khí carbonic…Giai đoạn này thường gặp dưới một tên gọi khác là giai

Trang 33

đoạn lên men Nhóm vi sinh vật lên men thuộc loại vi khuẩn hiếu khí tùy nghi hay

❖ Giai đoạn acetate hóa

Trong khi một số sản phẩm của giai đoạn acid hóa có thể được chuyển hóa trực tiếp thành CH4, một số hợp chất trung gian khác được tạo ra và cần tiếp tục chuyển hóa thành CH4 trong giai đoạn tiếp theo [21] Sản phẩm phân giải của giai đoạn này là acetic acid, khí hydrogen, khí carbonic được tạo bởi vi khuẩn acetate hóa Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetate hóa là sự thành tạo nhiều khí H2 mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật sinh methane ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với khí carbonic Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào

áp suất riêng phần của khí H2 trong bể phân hủy kỵ khí Ngoài ra, acid tích tụ làm

pH môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp methane từ hydro và acetate Quan

hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh H2 (vi khuẩn acetate hóa) với vi sinh vật tiêu thụ H2

(chính là vi sinh vật tạo methane) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì nồng độ H2 ở mức phù hợp Trong khi acetate (sản phẩm giai đoạn acetate hóa) là cơ chất mà vi sinh vật tạo methane sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó cũng sẽ gây ức chế

sự phân giải các acid béo bay hơi khác

❖ Giai đoạn tạo methane

Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo ra sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí methane Các vi khuẩn lên men tạo CH4 chia thành 2 nhóm:

Trang 34

Nhóm thứ nhất: CH3COOH CO2 + CH4 [19] (1-3) Con đường này tạo ra khoảng 70% lượng CH4 trong hầm ủ kỵ khí

Nhóm thứ hai: Sử dụng H2 là chất cho điện tử và CO2 là chất nhận điện tử để tạo thành CH4 Con đường này tạo ra khoảng 30% lượng CH4 trong hầm ủ kỵ khí Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp và do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc

độ của cả quá trình Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methane

Sản phẩm của quá trình phân huỷ kị khí các CTR hữu cơ dạng khí gọi là khí sinh học Sản lượng khí sinh học thu được phụ thuộc vào thành phần chất thải, khối lượng chất hữu cơ và điều kiện trong bể phản ứng

1.2.4 Các thông số quá trình phân hủy kỵ khí

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hoạt động và phát triển của vi sinh vật lên men kỵ khí bao gồm: Các yếu tố vận hành (nhiệt độ, khuấy trộn, thời gian lưu, tải trọng chất hữu cơ); ảnh hưởng của thành phần chất nền (tỷ lệ C/N, pH, nồng

độ chất ức chế, chất dinh dưỡng) Sự thay đổi đột ngột hay rõ rệt bất kỳ các yếu tố trên sẽ làm thay đổi đáng kể tính chất hoạt động của quá trình lên men

❖ Nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số động học ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình phân hủy kỵ khí nhưng cần phải kiểm soát nhiệt độ ở một giá trị nhất định trong thiết kế bể phản ứng Theo các nghiên cứu cho thấy Qúa trình sinh khí methane có thể xảy ra ở nhiệt độ từ 4 – 100oC và về mặt phương diện kinh tế thì có thể thực hiện quá trình phân hủy kỵ khí lên tới 80oC [22] Nhiệt độ tốt nhất cho sinh vật sinh methane ưu

ấm phát triển là 20-37oC, tương tự như nhiệt độ tìm thấy ở các sinh vật đường ruột [22], [23] Nhiệt độ trong bể phản ứng kỵ khí thích hợp cho vi sinh vật ưu lạnh là 10 – 20oC [23] Nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc độ hoạt động sinh học của vi sinh vật

Trang 35

của chúng trong môi trường nhiệt độ dưới 15oC là rất chậm Hay theo S.Antony Raja cho rằng: Khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao hơn sẽ tiến hành nhanh hơn so với

ở nhiệt độ thấp hơn và tốc độ tăng hiệu suất khí tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng khoảng 5oC [24] Như vậy, ở nhiệt độ môi trường thấp thì thời gian phân hủy diễn

ra lâu hơn mà điều này không có lợi về mặt kinh tế Qúa trình phân hủy trong điều kiện ưu ấm hay ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu cho quá trình ấy còn tùy theo loại bể phản ứng, thời gian phân hủy, tỷ lệ nhập liệu của chất thải Nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi sẽ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Khoảng nhiệt độ thermophilic thường cho hiệu suất phản ứng cao hơn và tạo ra nhiều khí methane hơn [22] Khoảng nhiệt độ thermophilic (55oC) cho phản ứng gần như hoàn toàn, và lượng khí methane sinh ra cao gấp 2 đến 3 lần so với nhiệt độ mesophilic (37oC) [22] Tuy nhiên, để duy trì khoảng nhiệt độ thermophilic thì cần phải cấp thêm nhiệt độ cho phản ứng, quy trình vận hành cũng như bảo dưỡng hệ thống sẽ phức tạp và tốn kém hơn so với việc vận hành ở khoảng nhiệt độ mesophilic

❖ pH

Vi sinh vật tồn tại trong các giai đoạn là khác nhau và cần giá trị pH khác nhau để phát triển tốt nhất trong môi trường [21] Vì vậy cần phải đảm bảo cân bằng giữa quá trình tiêu thụ và sản xuất các hợp chất acid để vi sinh vật trong bể phản ứng có điều kiện sống thích hợp

pH trong bể phản ứng phải duy trì ở tỷ lệ 6,5 - 8 Gía trị pH tối ưu và tỷ lệ pH sẽ thay đổi trong các hệ thống phản ứng khác nhau để xử lý các hợp chất hữu có khác nhau Đối với vi khuẩn sinh methane gái trị pH thích hợp là 6,5 – 8,0 [21] Gía trị

pH thấp sẽ có hại đến vi sinh vật sinh khí methane Giá trị pH dưới 6 sẽ bắt đầu gây

ức chế vi sinh vật sinh khí methane và sẽ ức chế mãnh liệt khi pH dưới 5,5 [22] Đối với vi khuẩn lên men có khoảng pH hoạt động rộng hơn tứ 4,0 – 8,5 [21]

❖ Tỷ lệ chất rắn và bùn mồi

Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn và bùn mồi: Nồng độ chất rắn và bùn mồi có ảnh

Trang 36

giá ảnh hưởng của tỷ lệ hai thông số này đến lượng khí methane tạo thành Mới nhất

là nghiên cứu của Boulanger (năm 2014) cho thấy khi tỷ lệ giữa bùn mồi và chất rắn

tăng thì hiệu suất sinh khí tăng [25]

❖ Tỷ lệ C:N

Carbon và nitơ là nguồn chất dinh dưỡng chính cho vi khuẩn kỵ khí carbon cung cấp năng lượng cho quá trình hoạt động và nitơ là thành phần cần thiết để xây dựng

cấu trúc tế bào của vi sinh vật [24]

Tỷ lệ carbon với tỷ lệ Nitơ (C / N) trong một chất nền là rất quan trọng Tỷ lệ C:N

tối ưu trong quá trình phân hủy kỵ khí khoảng 20-30:1 [24], [3], [26] Ở mức độ tỷ

lệ thấp hơn, nitơ thừa và sinh khí NH3, gây ức chế quá trình sinh khí CH4 Ở mức độ

tỷ lệ cao hơn phân hủy xảy ra chậm Sự kết hợp các chất nền khác nhau với tỷ lệ thích hợp sẽ cho hỗn hợp có tỷ lệ C:N tối ưu, cũng như tỷ lệ C:P Quá trình phân hủy kỵ khí khi trộn các chất nền khác nhau sẽ cho hiệu quả khí biogas cao hơn,

giảm khối lượng chất thải rắn do phân hủy chất nền được khối lượng cao hơn [27]

Rác thải hữu cơ đa dạng về thành phần, nhưng thường thiếu cân bằng các chất dinh dưỡng cần thiết cho phản ứng phân hủy sinh học hoạt động ổn định Các chất dinh dưỡng thiếu bao gồm cả các nguyên tố dinh dưỡng chính (C, N và P), và các nguyên tố vi lượng [28] Do đó khi vận hành phản ứng phân hủy kỵ khí cần phải bổ sung chất dinh dưỡng bằng cách trộn rác thải sinh hoạt với bùn thải, với hoá chất, hoặc với phế thải nông nghiệp [28]

❖ Hàm lượng nước

Nước là thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Độ ẩm tối ưu cần phải được duy trì trong phân tử Khi hàm lượng nước quá cao, lượng khí sinh học giảm xuống Nếu hàm lượng nước quá thấp, axit tích lũy tích lũy tăng lên

và cản trở quá trình lên men Tổng nồng độ rắn tối ưu là 7 đến 9% [24]

Trang 37

❖ Chất độc và chất ức chế

Các chất độc tố và các chất ức chế trong quá trình phân hủy kỵ khí đa dạng bao gồm các chất ở nồng độ cao để tạo ảnh hưởng ức chế, được phân loại theo nguồn gốc: Chất ức chế từ chất nền (chất tẩy rửa, thuốc kháng sinh chứa dịch bệnh 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 carbonhydrat, 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

❖ Thời gian lưu (HRT)

Thời gian lưu là yếu tố quan trọng và phụ thuộc vào loại bể phản ứng và loại chất nền [21] Trong các nhà máy khí sinh học phức tạp hơn đặc trưng bởi thiết kế dùng cho xử lý nước thải, mục đích là để giữ lại các vi khuẩn trong các lò phản ứng để thời gian lưu giữ vi khuẩn là nhiều lớn hơn so với thời gian lưu nước HRT thấp có thể dẫn đến tình trạng quá tải, các hợp chất không được phân hủy hoàn toàn bởi các

vi khuẩn trong khi một thời gian lưu là quá cao và cho hiệu suất sinh khí thấp (Nm³/biogas m3 của khối lượng phân hủy)

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Bởi những ưu điểm của công nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp kỵ khí đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng phổ biến hơn ở Việt Nam nói riêng

và trên toàn thế giới nói chung để xử lý các loại chất thải có nguồn gốc khác nhau như chất thải nông nghiệp, công nghiệp, chất thải sinh hoạt…và đã đạt được những thành tựu đáng kể

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, xử lý chất thải đang ngày càng được quan tâm và đầu tư ở nước ta Bên cạnh, quá trình xử lý chất thải bằng công nghệ hiếu khí thông thường thì phương pháp xử lý kỵ khí được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Các cá nhân, tổ chức đã có

Trang 38

nhiều thí nghiệm để tìm các thông số tối ưu cho quá trình xử lý và đem lại nguồn lợi hiệu quả nhất

Tác giả Bùi Diệu Linh – Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, với đề tài:

“Thiết kế hệ thống lên men kỵ khí theo mẻ dựa vào hướng dẫn VDI 4630 và xác định lượng khí sinh học của các chất nền tại làng nghề chế biến thực phẩm” cho thấy: Chủng vi sinh vật bổ sung trong bể phản ứng khác nhau thì hiệu quả sinh khí

CH4 khác nhau Thí nghiệm được tiến hành trên chất nền ban đầu là Soidium Acetate thì bổ sung bùn mồi từ phân hủy phân heo thu được hiệu suất sinh khí lớn nhất 400 mLN biogas/gCOD Soidium Acetate trong thời gian ủ khoảng 6 ngày Khi tiến hành lên men với các chất nền là bột sắn, phân heo, bèo tây thì kết quả thu được: Với chất nền là phân heo thí nghiệm thu được lượng khí lớn nhất là 400 mLN biogas/gCOD Inoculum trong thời gian khoảng 150 phút [27]

Một nghiên cứu khác về sự khả năng phân hủy kỵ khí của hợp chất hữu cơ của nhóm tác giả Lê Thị Kim Oanh, Nguyễn Kim Thanh và Jan Liertrau thu được kết quả sinh khí đạt cực đại của hỗn hợp chất thải bao gồm: Phân heo (55,17%); phân

gà (13,79%); vụn bánh mì (3,45%); bùn (27,58%) trong điều kiện phòng thí nghiệm

là 88m3 biogas/tấn chất thải với thành phần như sau: CH4 (50-60%), CO2 (40-50%),

H2S (trung bình 20000ppm), H2 (30ppm) Đồng thời thí nghiệm cũng cho thấy: Sản lượng khí có xu hướng giảm dần, tỷ lệ nghịch với hàm lượng acid hữu cơ bay hơi; nhiệt độ dao động trong khoảng 35-40oC không ảnh hưởng đến lượng khí sinh học được tạo ra [29]

Nghiên cứu của Phan Công Hoàng cùng các cộng sự - Đại học Quốc tế năm 2015, cũng cho những kết quả hữu ích Thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt

độ, tỷ lệ phối trộn rác, bùn mồi (I), nồng độ chất rắn đến quá trình phân hủy kỵ khí của bèo tây phối trộn với phân bò Nghiên cứu thực hiện ở nhiệt độ 55oC và 37oC, các tỷ lệ phối trộn S/I = 1:2, 1:1, 2:1 và 5 giá trị tổng khối lượng chất rắn 30%, 24%, 18%, 14%, 10% Kết quả thí nghiệm cho thấy: Ở điều kiện nhiệt độ 55oC tổng chất rắn 24% và S/I = 1:2 cho hiệu suất sinh khí methane nhiều nhất Quá trình sinh

Trang 39

khí CH4, giai đoạn tăng trưởng xảy ra ngắn nhất ở tỷ lệ phối trộn chất rắn: Bùn mồi

= 1:2 (khoảng 13 ngày ở nhiệt độ 37oC và 6 ngày ở nhiệt độ 55oC) [22]

Chính những thành tựu hạn chế và nhu cầu thực tế tại Việt Nam, đầu tư tìm hiểu, phát triển các đề tài phục vụ cho đời sống là một nhu cầu cấp bách

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong xử lý chất thải được quan tâm, đầu tư, đặc biệt ở các nước phát triển Họ không ngừng nâng cao kỹ thuật, cải tiến công nghệ để xử lý hiệu quả các nguồn chất thải

Trong đó, nhóm các nhà khoa học: F Raposo, V Fernandez, De La Rubia…vào năm 2011 đã tiến hành nghiên cứu các yếu tố: Bùn mồi, tính chất chất nền, các điều kiện hoạt động tác động lên khả năng sinh khí của hợp chất hữu cơ Chất nền nghiên cứu được tác giả sử dụng bao gồm: Tinh bột, cellulose, gelatine và sinh khối đậu xanh Lượng khí trung bình của được sinh ra từ quá trình phân hủy các chất nền tinh bột, cellulose, gelatine, sinh khối đậu xanh lần lượt là 350 ± 33, 350 ± 29, 380

± 42, 370 ± 35 mLCH4/gVSS Thành phần % khí methane được sinh ra từ quá trình phân hủy các chất nền tinh bột, cellulose, gelatine, sinh khối đậu xanh lần lượt là 85

± 8,85, 85 ± 7, 9,85 ± 8, 85 ± 8% Từ những kết quả trên cho thấy sự ảnh hưởng của chất mồi (inoculum) và yếu tố thử nghiệm gần như không đáng kể đối với các mức

độ khả năng phân hủy sinh học kỵ khí [30]

Gần đây, “Phân tích, kiểm tra khả năng sinh khí sinh học methane trong quá trình sản xuất biogas từ quá trình phân hủy kỵ khí của bùn thải và các hợp chất hữu cơ khác” đề tài nghiên cứu của các tác giả C Moroaini, F Conti và V, Torretta – Đại học Insubria, Ý (năm 2016) Nghiên cứu khảo sát khả năng sinh khí của các nguồn nguyên liệu: Phân gia súc, nước thải ngành công nghiệp bia, tảo Kết quả thu được, nước thải từ nhà máy bia cho lượng khí CH4 cao nhất khoảng 3000mL với mô hình thí nghiệm: mỗi chất nên sẽ có 3 mẫu đựng trong 3 chai thủy tinh 2000mL Tất cả các chai được khuấy trộn và thực hiện trong khoảng 20 ngày và được gia nhiệt ở khoảng 35oC [31]

Trang 40

Một nghiên cứu khác, nhóm tác giả đến từ đại học Chennai - Ấn Độ cũng tiến hành kiểm tra khả năng sinh khí của việc phân hủy chất thải nông nghiệp phối trộn với nước thải đô thị [28] Tiềm năng kỵ khí sinh methane (BMP) chất thải nông nghiệp, phối trộn với bùn nhà máy xử lý chất thải đô thị được xem một nguồn năng lượng tái tạo thay thế cùng với một hiệu quả giải pháp trong quản lý chất thải Tỷ lệ (chất thải nông nghiệp, bùn nhà máy xử lý chất thải đô thị và bùn mồi) được sử dụng là 1: 2: 1, 2: 1: 1, 3: 1: 1 và 1: 3: 1 Đề tài nghiên cứu tỷ lệ tối ưu và tác động của điều kiện môi trường đến khả năng sinh khí như nhu cầu oxy hóa học (COD), acid béo bay hơi (VFA), amoniac và độ kiềm về sản lượng khí sinh học đã được kiểm tra bằng cách sử dụng mô hình với bể phán ứng là một cái chai Tỷ lệ 1: 2: 1 là tỷ lệ phù hợp, tạo ra lượng khí sinh học nhiều nhất 489 mLbiogas/ngày Điều này, sẽ là kết quả hữu ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế các nhà máy quy mô lớn để xử lý

chất thải bằng phương pháp lên men kỵ khí [28]

Các nhà khoa học không ngừng nghiện cứu để tìm ra những thông số phù hợp nhất

để áp dụng vào việc xây dựng các nhà máy xử lý để thu hồi được lợi ích to lớn nhất

từ việc tăng hiệu quả khả năng sinh khí

Định dạng
Số trang	149
Dung lượng	4 MB