Tóm tắt Luận văn tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phƣơng pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xác định một số thông số vận hành trong xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp phân hủy kỵ khí trong điều kiện lên men ấm để đạt được hiệu quả thu khí sinh học cao nhất. Xác định một số thông số động học điển hình nhằm tối ưu hóa công nghệ xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phƣơng pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Hoàng Lê Phƣơng NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng chất thải rắn Mã số: 62.52.03.20-1 Hà Nội- Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Lều Thọ Bách Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Lâm Quảng Phản biện 3: TS. Nguyễn Thu Huyền Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội. Vào hồi giờ ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng.
1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài luận án Phân bùn bể tự hoại có nguồn gốc từ sản phẩm bài tiết của con người, do đó nó có thể chứa một lượng lớn chất ô nhiễm và các sinh vật gây bệnh. Theo một số nghiên cứu thành phần chất hữu cơ, tổng nitơ, tổng photpho, trứng giun sán trong phân bùn bể tự hoại thường cao hơn trong nước thải gấp 10 lần hoặc hơn. Do đó nếu việc xử lý phân bùn không được thực hiện đúng cách sẽ gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Đề tài luận án “Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phƣơng pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam” tập trung đi sâu nghiên cứu áp dụng phương pháp kỵ khí xử lý phân bùn bể tự hoại, đưa ra một số thông số vận hành chính trên mô hình thực tế để mang lại hiệu quả cao nhất, đáp ứng được nhu cầu trong xử lý phân bùn bể tự hoại cho các đô thị vừa và nhỏ của Việt Nam hiện nay. Đặc biệt khi nhu cầu này đã được thể hiện rõ trong Nghị định số 80/2014/NĐ- CP ngày 6/8/2014 của Chính phủ về thoát nước và xử lý nước thải trong đó điều 25 đã đưa ra yêu cầu thông hút định kỳ phân bùn bể tự hoại, nghiêm cấm việc xả thẳng phân bùn bể tự hoại vào hệ thống thoát nước cũng như môi trường xung quanh. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án - Xác định một số thông số vận hành trong xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp phân hủy kỵ khí trong điều kiện lên men ấm để đạt được hiệu quả thu khí sinh học cao nhất. - Xác định một số thông số động học điển hình nhằm tối ưu hóa công nghệ xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ rau củ quả hỏng từ chợ 3.2. Phạm vi nghiên cứu Công nghệ xử lý phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ bằng phương pháp kỵ khí ấm trong điều kiện khí hậu miền bắc Việt Nam. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án - Phương pháp tổng quan tài liệu - Phương pháp khảo sát thực tế - Phương pháp nghiên cứu phân tích thực nghiệm - Phương pháp phân tích thống kê
2 - Phương pháp đối chiếu so sánh. - Phương pháp cân bằng vật chất - Phương pháp phân tích tổng hợp 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án đã đưa ra được một số thông số vận hành quan trọng trong xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ cụ thể:  Tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ là PB:RC = 3:1 về khối lượng.  Liều lượng nạp bổ sung hàng ngày phù hợp cho xử lý kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ ở tỷ lệ PB:RC = 3:1 trong điều kiện khí hậu miền Bắc Việt Nam là 1,5±0,1kgVS/m3.ngày (tương đương 13kg hỗn hợp nguyên liệu/m3.ngày). Ở liều lượng nạp này, nghiên cứu đã xác định được phương trình động học tính toán lượng khí sinh ra theo mô hình 29,81.𝑒 Gompertz cải tiến: 𝑦 = 549,67. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 549,67 25,57 − 𝑡 + 1, với hệ số hồi quy R2 = 0,995, hằng số phân hủy chất hữu cơ k = - 0,027. 6. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, mục lục, tài liệu tham khảo, danh mục công trình công bố và phụ lục, nội dung chính của luận án gồm 4 chương: Chương 1. Tổng quan về phân bùn bể tự hoại và chất thải rắn hữu cơ từ chợ Chương 2. Cở sở lý luận nghiên cứu công nghệ sinh học kỵ khí chất hữu cơ thu khí sinh học Chương 3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương 4. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÙN BỂ TỰ HOẠI VÀ CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ TỪ CHỢ 1.1. Tổng quan về phân bùn bể tự hoại “Phân bùn” được định nghĩa là hỗn hợp bùn, phân và chất lỏng được hình thành trong các hệ thống vệ sinh tại chỗ, riêng lẻ như: xí đào, xí dội nước, xí công cộng, xí nối với bể tự hoại. Các thông số thường được xem xét cho thành phần phân bùn bể tự hoại cũng bao gồm tổng lượng chất rắn (TS), hàm lượng COD, BOD, các chất dinh dưỡng, tác nhân gây bệnh và kim loại nặng giống với các thông số của nước thải sinh hoạt. Tuy nhiên thành phần chất hữu cơ, chất rắn, NH4-N, tổng photpho, trứng giun sán trong phân bùn bể tự hoại thường cao hơn trong bùn từ hệ thống xử lý nước thải gấp 10 lần hoặc hơn. 1.2. Tổng quan về quản lý và xử lý phân bùn bể tự hoại 1.2.1. Quản lý và xử lý phân bùn tại các đô thị trên thế giới Tại đô thị của các nước phát triển như ở châu Âu và Bắc Mỹ phần lớn nhà vệ sinh thường được đấu nối trực tiếp với hệ thống thoát nước và được đưa đến trạm xử lý nước thải. Tại đô thị các nước đang phát triển như ở Châu Phi, Châu Á và Châu Mỹ Latinh phần lớn các hộ gia đình sử dụng hệ thống vệ sinh tại chỗ điển hình là bể tự hoại dẫn đến sự tích tụ phân bùn. Tuy nhiên tại các nước đang phát triển hệ thống quản lý phân bùn bể tự hoại thường chưa đầy đủ, hoạt động kém hiệu quả. Tại các nước này phần lớn lượng phân bùn thu gom được đổ ra sông, hồ, kênh, rạch hoặc sử dụng trực tiếp cho nông nghiệp, chỉ lượng nhỏ phân bùn được đưa đến hệ thống xử lý. Do đó phân bùn bể tự hoại đã đang gây ra những vấn đề ô nhiễm môi trường như: gây ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm đất, phát tán vi sinh vật gây bệnh ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Nhiều chuyên gia cho rằng tại các nước đang phát triển nên áp dụng các phương pháp xử lý có chi phi thấp tức là chi phí đầu tư và vận hành thấp, đồng thời cũng tương thích với trình độ công nghệ sẵn có trong nước. Các phương pháp đã được sử dụng gồm có bể lắng bùn hoạt động gián đoạn, ao ổn định kỵ khí, sân phơi bùn, bãi lọc trồng cây, kết hợp ủ sinh học với chất thải rắn hữu cơ…Công nghệ xử lý bùn có thể kết hợp hai hay nhiều phương pháp xử lý khác nhau phụ thuộc vào điều kiện và mục tiêu xử lý của từng vùng.
4 Nông nghiệp Xử lý phối trộn compost CTHC Xử lý chất thải rắn Bãi lọc có trồng cây Xử lý phối trộn compost Sân phơi bùn Bãi lọc có trồng cây PB Sân phơi bùn Bể lắng – nén bùn Hồ lắng Xử lý phối trộn nước thải Phân hủy kỵ khí Bể ổn định bùn Xử lý phối trộn với bùn cống Cánh đồng ngập nước rãnh Các kỹ thuật khác Xử lý phối trộn với nước thải Xử lý nƣớc thải Nguồn nƣớc Hình 1.2. Sơ đồ các phƣơng án xử lý phân bùn có chi phí thấp và vừa 1.2.2. Quản lý và xử lý phân bùn tại Việt Nam 1.2.2.1. Văn bản pháp lý liên quan tới quản lý và xử lý phân bùn bể tự hoại tại Việt Nam 1.2.2.2. Hiện trạng quản lý và xử lý phân bùn bể tự hoại tại các đô thị của Việt Nam Ở Việt Nam tại các đô thị phần lớn các hô ̣ gia đình sử dụng hê ̣ thố ng vê ̣ sinh ta ̣i chỗ và chủ yếu là các bể tự hoa ̣i nhờ tính đơn giản và ổn định . Ở một số khu vực hay trên một số đường phố có bố trí các nhà vệ sinh công cộng. Khoảng trên 77% hộ gia đình ở các thành phố và thị xã cấp tỉnh, 40% thị trấn cấp huyện và 19% hộ dân ở khu vực nông thôn sử dụng bể tự hoại [17]. Phần lớn nước thải từ hệ thống vệ sinh này được thải vào hệ thống thoát nước công cộng, còn phần bùn được thông hút, thu gom vận chuyển và đổ thải. Các đơn vị tư nhân thu gom thường đổ bùn thải nhà vệ sinh trái phép vào đường ống thoát nước, sông hồ. Các đơn vị công ích thu gom thường chôn bùn thải ở bãi chôn lấp. Do đó bùn thải nhà vệ sinh ở Việt Nam vẫn là nhân tố gây ô nhiễm môi trường chưa được kiểm soát. 1.3. Tổng quan về chất thải hữu cơ từ chợ Theo báo cáo môi trường quốc gia về chất thải rắn, nguồn phát sinh chất thải rắn sinh hoạt chủ yếu từ các hộ gia đình, các khu tập thể, chất thải đường phố, chợ, các trung tâm thương mại, văn phòng, các cơ sở nghiên cứu, trường học. Tại các đô thị cùng với sự gia tăng dân số và mức sống, lượng chất thải rắn sinh hoạt cũng ngày càng gia tăng, ước tính mức gia tăng giai đoạn 2010 – 2014 trung bình 12%
5 mỗi năm, trong đó chất thải rắn từ các chợ chiếm tỷ trọng khoảng 13% tổng khối lượng [3]. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt khá đa dạng bao gồm các thành phần: Chất hữu cơ dễ phân hủy: rau, củ quả thối, thực phẩm thừa, thành phần này có tỷ lệ cao từ 54 - 77%; Chất thải tái chế được: giấy, nilon, kim loại, nhựa, thủy tinh; Chất thải vô cơ như đất, cát, xỉ than [3]. Theo khảo sát tại các chợ các loại chất thải thực phẩm thừa như thịt, cá, tôm, thực phẩm đã qua chế biến đều được bán cho các hộ chăn nuôi, phần chất thải hữu cơ như rau, củ quả thối, hỏng được thu gom và xử lý cùng các loại chất thải đô thị khác. Những năm gần đây công tác thu gom chất thải rắn đô thị đã được quan tâm hơn và. Do đó tỷ lệ thu gom trung bình tại các đô thị đã tăng lên 83 – 85% vào năm 2010, tuy nhiên vẫn có khoảng 15 – 17% chất thải rắn đô thị bị thải ra môi trường một cách bừa bãi [3]. Chất thải rắn đô thị thu gom chủ yếu được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh và không hợp vệ sinh chiếm khoảng 76 – 82%. Như vậy có thể thấy phần lớn chất thải hữu cơ từ chợ chủ yếu là rau, củ quả thối hiện được chôn lấp cùng các loại chất thải đô thị khác, trong khi nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí từ các bãi chôn lấp là rất cao. Do đó cần tăng cường thu hồi loại chất thải này tạo sản phẩm khác như phân bón hoặc xử lý kỵ khí kết hợp với chất thải khác thu khí sinh học. 1.4. Đánh giá lựa chọn nghiên cứu phƣơng pháp xử lý phân bùn bể tự hoại thích hợp với điều kiện Việt Nam 1.4.1. Các yếu tố tác động đến việc lựa chọn công nghệ xử lý Đặc điểm của phân bùn; Mục đích thu sản phẩm cuối cùng; Hoạt động của hệ thống xử lý; Chi phí xử lý 1.4.2. Đánh giá lựa chọn phƣơng pháp sinh học xử lý phân bùn bể tự hoại Phương pháp xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại phối trộn với chất thải rắn hữu cơ thu khí sinh học mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, yêu cầu về vận hành nghiêm ngặt hơn. Nhưng lại có một số ưu điểm vượt trội: yêu cầu diện tích đất thấp, phù hợp với chất thải có độ ẩm cao như phân bùn bể tự hoại và đặc biệt có thể thu hồi được khí sinh học sử dụng như nguồn năng lượng. Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt thì việc thu hồi được năng lượng khí sinh học từ chất thải sẽ có ý nghĩa rất lớn. Bên cạnh đó
6 phương pháp xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại không phát sinh mùi và khí thải ra môi trường xung quanh như phương pháp ủ hiếu khí. 1.5. Một số nghiên cứu có liên quan đến phân bùn bể tự hoại và công nghệ kỳ khí 1.5.1. Một số nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về phân bùn bể tự hoại, tuy nhiên còn hạn chế [71]. Hiện nay những nghiên cứu về phân bùn bể tự hoại đang được đẩy mạnh, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của một số tổ chức cộng đồng như quỹ Bill & Melinda Gate nhiều nghiên cứu đang được triển khai tại các nước đang phát triển. 1.5.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam Đã có những nghiên cứu đề xuất những giải pháp quản lý và xử lý chất thải bùn cặn nói chung và phân bùn bể tự hoại nói riêng. Những nghiên cứu này đã có những đóng góp quý báu, là nguồn kiến thức khoa học quan trọng cho những nghiên cứu tiếp sau. Tuy nhiên một số nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức khảo sát, đánh giá, đề xuất giải pháp quản lý và xử lý mà chưa tiến hành nghiên cứu cụ thể các yếu tố ảnh hưởng, các thông số vận hành của phương pháp xử lý trong thực tế. Một số nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu trên mô hình xử lý phân bùn bể tự hoại theo phương pháp hiếu khí và kỵ khí và đưa ra một số thông số vận hành quan trọng. Tuy nhiên để triển khai vào thực tế còn gặp nhiều hạn chế do gặp phải những vấn đề trong vận hành như phải tách nước khỏi phân bùn bể tự hoại, phải cấp khí và phát sinh mùi đối với phương pháp hiếu khí, phải cấp nhiệt cho quá trình lên men đối với phương pháp lên men nóng. Phương pháp xử lý kỵ khí trong điều kiện lên men ấm ngoài những ưu điểm của phương pháp kỵ khí còn có lợi thế là phù hợp với khí hậu nhiệt đới của Việt Nam, không cân cấp nhiệt cho quá trình. Tuy nhiên chưa có những nghiên cứu đánh giá hiệu quả của phương pháp này cũng như đưa ra thông số vận hành trong điều kiện khí hậu mùa đông và mùa hè ở miền bắc Việt Nam. Kết luận chƣơng 1 Để có thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học kỵ khí phân bùn trong điều kiện khí hậu miền bắc Việt Nam cần có những nghiên cứu cụ thể về chất phối trộn, các thông số vận hành trong phòng thí nghiệm và trên quy mô thử nghiệm. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu những vấn đề này.
7 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỲ KHÍ CHẤT HỮU CƠ THU KHÍ SINH HỌC 2.1. Cơ sở lý thuyết cơ bản về quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ 2.1.1. Khái niệm quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí Quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí mô tả theo phương trình: 𝑏 𝑐 3𝑑 𝑒 𝑎 𝑏 𝑐 𝐶𝑎 𝐻𝑏 𝑂𝑐 𝑁𝑑 𝑆𝑒 + 𝑎 − 4 − 2 + 4 + 2 𝐻2 𝑂 → 2 + 8 − 4 − 3𝑑8−𝑒4𝐶𝐻4+𝑎2−𝑏8+𝑐4+3𝑑8+𝑒4𝐶𝑂2+𝑑𝑁𝐻3 + 𝑒𝐻2𝑆 (2.1) Sản phẩm của quá trình là khí biogas gồm các khí có thành phần như sau: CH4 (50 – 70%); CO2 (35 – 40%); N2 (0 – 2%); H2 (0 - 1%); H2S (0 – 2%); H2O (2 – 7%); O2 (0 – 2%); NH3 (0 – 0,05%) và bùn sinh học. 2.1.2. Cơ chế quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ Cơ chế quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí được miêu tả qua hình 2.1 Chất hữu cơ phức tạp (Cacbonhydrat, protein, chất béo) Thủy phân hóa Chất hữu cơ hòa tan (Đường đơn giản, amino axit, axit béo) Axit hóa Axit béo bay hơi, rượu Axetat hóa Acetate H2, CO2 Metan hóa CH4 và CO2 Hình 2.1. Quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ
8 2.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ Quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữ u cơ bị ảnh bởi các yếu tố: ảnh hưởng của nhiệt độ; ảnh hưởng của pH và độ kiềm; Đặc điểm của chất thải; Axit béo bay hơi (VFA); Thời gian lưu và tải lượng hữu cơ; Điều kiện khuấy trộn; Ammoni và các yếu tố gây độc 2.1.4. Thiết lập cân bằng vật chất và phân tích động học quá trình phân hủy kỳ khí chất thải rắn hữu cơ 2.1.4.1. Thiết lập cân bằng vật chất Sự chuyển hóa chất rắn bay hơi trong quá trình phân hủy kỵ khí tuân theo sơ đồ sau: VS tạo khí biogas VS trong Bể phản ứng nguyên liệu vào kỳ khí VS trong cặn VS trong nước ra khỏi bể Hình 2.2. Sơ đồ cân bằng hàm lƣợng VS bể phản ứng kỳ khí 2.1.4.2. Mô hình động học sự phát triển của vi sinh vật và tỷ lệ sinh khí biogas Với giả thiết lượng khí biogas sinh ra tại thời điểm t tuân theo sự phát triển của vi sinh vật tại thời điểm đó. Khi đó tốc độ sinh khí biogas tuân theo phương trình (2.2): 𝜇 .𝑒 𝑦 = 𝐴. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 𝑚𝐴 λ − 𝑡 + 1 (2.2) Trong đó: y: lượng khí sinh học tích lũy ở thời điểm t, l/kgVS A: tiềm năng sinh khí, l/kgVS µm: tốc độ sinh khí cực đại, l/kgVS.ngày λ: thời gian tối thiểu để sinh khí, ngày e: hệ số = 2.718282 Các thông số A, µm và λ được xác định bằng phân tích thống kê sử dụng phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến.
9 Mô hình Gompertz cải tiến đã được kiếm chứng bởi rất nhiều nghiên cứu về sự phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ và đã được công nhận đây là mô hình tốt để xác định lượng khí sinh học sinh ra. 2.1.4.3. Động học sự phân hủy chất hữu cơ Giả thiết sự phân hủy chất hữu cơ tạo khí sinh học là phản ứng bậc 1, chất hữu cơ ký hiệu là C được chuyển hóa thành khí sinh học ký hiệu là B theo phương trình phản ứng: CHC (C) → khí biogas (B) (2.3) Quá trình biến đổi xác định được: 𝑦𝑡 = 𝑦𝑚 (1 − exp⁡(−𝑘𝑡)) (2.4) Trong phương trình (2.4): ym: tỷ lệ sinh khí cực đại, l/kgVS yt: tỷ lệ sinh khí ở thời điểm t, l/kgVS -k: hằng số phân hủy chất hữu cơ, 1/ngày 1 𝑑𝑦 1 Từ (2.4)  𝑡 𝑙𝑛 𝑑𝑡𝑡 = t (ln ym + lnk) − k (2.5) Phương trình (2.5) tuân theo phương trình đường thẳng y = mx + c với: x = 1/t; m = lnym + lnk; c = -k Hằng số phân hủy k thể hiện khả năng phân hủy chất hữu cơ tạo khí sinh học. Giá trị k càng nhỏ thì tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ càng nhanh, ngược lại giá trị k càng lớn thể hiện tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ càng chậm. Dựa vào hằng số k có thể tính toán kích thước bể phân hủy hoặc lượng nguyên liệu nạp. 2.1.4.4. Tính toán thể tích bể chứa nguyên liệu phân hủy 𝑉𝑛𝑙 = 3𝑦𝑚 1 − exp −𝑘𝑡 . 𝑚 (2.6) Với ym: tỷ lệ sinh khí cực đại (Nl/kgVS). ym chính bằng tiềm năng sinh khí A xác định được từ mô hình Gompertz cải tiến. Trường hợp đã biết trước thể tích chứa nguyên liệu Vnl, thời gian lưu t từ công thức (2.6) xác định được lượng nguyên liệu nạp vào m theo công thức: 𝑉 𝑛𝑙 𝑚 = 3.𝑦 (1−exp −𝑘𝑡 ) (2.7) 𝑚 2.2. Khả năng áp dụng quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí trong xử lý chất thải Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới khẳng định việc xử lý chất thải bằng phương pháp phân hủy kỵ khí mang lại hiệu quả cao.
10 Những loại chất thải rắn được xử lý bằng phương pháp kỵ khí thường là: phân động vật, phân người, bùn thải từ quá trình xử lý nước thải, chất thải nông nghiệp, chất thải từ quá trình sản xuất thực phẩm, chất thải rắn đô thị đã được phân loại hoặc có thể kết hợp những loại chất thải hữu cơ này với nhau. Sản phẩm của quá trình gồm khí sinh học được sử dụng như nguồn năng lượng và phân mùn được sử dụng trong nông nghiệp. 2.3. Các phƣơng pháp phân hủy kỳ khí chất thải rắn hữu cơ Phân loại theo môi trường phản ứng: Phương pháp phân hủy kỵ khí ướt, Phương pháp phân hủy kỵ khí khô. Phân loại theo chế độ làm việc: Phương pháp làm việc theo mẻ, Phương pháp làm việc liên tục. 2.4. Lựa chọn hƣớng nghiên cứu xử lý kỳ khí phân bùn bể tự hoại - Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở điều kiện lên men ấm không phải cấp năng lượng mà hiệu quả sinh khí cũng tương đối cao đồng thời vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp phù hợp với các nước đang phát triển và phù hợp với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam - Với đặc điểm phân bùn bể tự hoại đã được trình bày tại chương 1, có hàm lượng TS thấp, độ ẩm cao >90% do đó luận án chọn nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại theo phương pháp lên men ướt - Hàm lượng chất hữu cơ trong phân bùn bể tự hoại khá cao tuy nhiên tỷ lệ C/N thấp do đó cần phối trộn phân bùn với chất thải hữu cơ có tỷ lệ C/N cao. Luận án chọn nghiên cứu xử lý phối trộn phân bùn bể tự hoại với chất thải hữu cơ từ chợ. Kết luận chƣơng 2 Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các kết quả nghiên cứu đã có và điều kiện thực tế của Việt Nam luận án chọn nghiên cứu xử lý sinh học kỵ khí phân bùn bể tự hoại phối trộn với chất thải hữu cơ từ chợ trong điều kiện lên men ấm
11 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ, trong đó: - Phân bùn bể tự hoại được hút tại các nhà vệ sinh công cộng và nhà dân trên địa bàn Hà Nội được tập kết vào bể chứa bùn tại Nhà máy chế biến phân Cầu Diễn Hà Nội, trên địa bàn thành phố Thái Nguyên được tập kết vào khu xử lý chất thải rắn Tân Cương. Phân bùn bể tự hoại được đảo đều trước khi lấy mẫu nghiên cứu. - Chất thải rắn hữu cơ được lấy tại vị trí tập kết rác của hai chợ đầu mối trên địa bàn Hà Nội là chợ Đồng Xuân và chợ Long Biên, trên địa bàn thành phố Thái Nguyên là chợ Thái và chợ Túc Duyên. Đây là loại chất thải hữu cơ điển hình không được thu hồi tại các chợ thành phần là rau, củ quả thối, hỏng. Thời gian lấy mẫu chất thải rắn hữu cơ từ 6 – 7h sáng. Chất thải rắn hữu cơ lấy tại các chợ được đổ lên 1 tấm bạt lớn trộn đều, chia hình côn, lấy 2 phần chéo nhau đưa đi phân loại sơ bộ để loại bỏ các tạp chất. Chất thải rắn thu được sau phân loại dùng làm thí nghiệm được băm, chặt nhỏ kích thước thích hợp từ 1- 3 cm và trộn đều. 3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 3.2.1. Thực nghiệm khảo sát đặc tính phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ Để đánh giá phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ có phù hợp với xử lý bằng phương pháp kỵ khí ấm hay không, đề tài đã thực hiện phân tích đặc tính, thành phần của phân bùn bể tự hoại với tần suất 3 ngày/lần liên tục trong 1 tháng. Nguyên liệu đầu vào phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ tại mỗi đợt thí nghiệm cũng được lấy mẫu phân tích đặc tính, thành phần. 3.2.2. Thực nghiệm xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ trong phòng thí nghiệm 3.2.2.1. Mục đích nghiên cứu Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải rắn hữu cơ trên mô hình phòng thí nghiệm trong điều kiện kỵ khí ấm. 3.2.2.2. Nội dung nghiên cứu
12 Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ trong điều kiện nhiệt độ mùa hè và mùa đông. 3.2.2.3. Mô hình trong phòng thí nghiệm Mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thiết kế theo sơ đồ hình 3.1. 1. Bình phân hủy kỵ khí 2. Bình thu khí 3. Chậu thu nước 4. Nhiệt kế 5. Ống nhựa mềm thu khí 6. Van kẹp 7. Ống nhựa mềm thu nước Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mô hình trong phòng thí nghiệm 3.2.3. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả quá trình và xác định liều lƣợng nạp thích hợp trên mô hình hiện trƣờng 3.2.3.1. Mục đích nghiên cứu + Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ theo tỷ lệ phối trộn đã được chọn từ kết quả phòng thí nghiệm + Xác định liều lượng nạp thích hợp của nguyên liệu đầu vào bể phân hủy kỵ khí phù hợp với khí hậu của miền bắc Việt Nam 3.2.3.2. Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 30 ở mỗi đợt thí nghiệm: Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy kỵ khí trên mô hình hiện trường của hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ ở tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Nguyên liệu được nạp 1 lần ban đầu. - Nội dung 2: từ ngày thứ 31 đến ngày thứ 60 ở mỗi đợt thí nghiệm: Xác định lượng nguyên liệu nạp thích hợp trên mô hình hiện trường. Dựa trên kết quả thu được trong phòng thí nghiệm xác định
13 được thời gian lưu thích hợp, mô hình và các thông số động học của quá trình phân hủy từ đó tính lượng nguyên liệu nạp hàng ngày tương ứng. Mô hình thí nghiệm ngoài trời sẽ kiểm chứng lại kết quả tính toán này từ đó đưa ra liều lượng nạp phù hợp nhất 3.2.3.3. Mô hình nghiên cứu 5 7 6 4 Van2 2 580 650 3 Van1 300 1. Bể biogas hình cầu 8 2. Cửa nạp liệu 1250 3. Cửa nguyên liệu ra 4. Đồng hồ đo áp suất 2200 5. Can nhiệt đo nhiệt độ 1900 Møc thÊp nhÊt 380 500 6. Đồng hồ đo lượng khí 7. Bóng đèn biogas 1 8. Bể thu nước đầu ra Hình 3.2. Sơ đồ mô hình thực nghiệm ngoài trời Hình 3.3 và 3.4. Bể biogas hình cầu bằng vật liệu composit và mô hình hiện trƣờng đi vào hoạt động 3.2.4. Phân tích mẫu thực nghiệm và xử lý số liệu 3.2.4.1. Số lƣợng mẫu và các chỉ tiêu phân tích  Số lượng mẫu - Mẫu phân bùn, chất thải rắn hữu cơ: Lấy trước và sau khi kết thúc quá trình
14 - Mẫu nước đầu ra: lấy 3 ngày 1 lần - Mẫu khí tạo thành: được lấy 4 lần vào các ngày thứ 5, 15, 25, 35, 45, 55 ở mỗi đợt thí nghiệm  Các chỉ tiêu phân tích + Mẫu phân bùn, chất thải rắn hữu cơ: Xác định khối lượng riêng; Độ ẩm; TS; VS; TN; TOC; Tỷ lệ C/N + Mẫu cặn sau phân hủy: VS, %TS + Phân tích mẫu khí: Thành phần CO2, %; Thành phần CH4, % + Phân tích mẫu nước đầu ra ở mô hình hiện trường: Đối với mô hình ngoài trời phân tích thêm mẫu nước đầu ra gồm: pH; COD; VS; Độ kiềm.  Phương pháp, thiết bị và hóa chất phân tích mẫu thực nghiệm Các mẫu thực nghiệm được lấy mẫu và phân tích theo hướng dẫn trong các tiêu chuẩn hiện hành và các tài liệu hướng dẫn khác. Phương pháp phân tích, thiết bị, hóa chất được thể hiện tại bảng 3.1. Bảng 3.1. Phƣơng pháp, thiết bị và hóa chất phân tích Thông Phƣơng pháp Thiết bị Hóa chất số phân tích pH TCVN Thiết bị đo pH - cầm tay HI 98107 6492:2011 TS, % SMEWW Tủ sấy - 2540B:2012 CARBOLITE R08 VS, SMEWW - Lò nung - %TS 2540E:2012 Bamstead - F6010 - Cân phân tích 4 số OHAUS PA214 TOC, TCVN - Tủ sấy Nước cất, H2SO4 d mg/gTS 9294:2012 CARBOLITE R08 = 1,84, H3PO4 - Cân phân tích 4 85%, số OHAUS K2Cr2O7, muối PA214 Mohr Fe(NH4)2(SO4).6H2 O K2Cr2O7 M/6,
15 chỉ thị màu bari diphenylamine sunfonat 0,16% TNK, TCVN - Bộ phá mẫu DK C7H6O3, H2SO4, mg/gTS 6498:1999 6/48 K2SO4, - Bộ cất Kendal - CuSO4.5H2O, VELP -UDK 130A TiO2, Na2S2O3. 5H2O, NaOH, H3BO3, chỉ thị bromocresol xanh và metyl đỏ. TP, TCVN - Máy quang phổ H2SO4,HClO4,HN mg/gTS 8563:2010 UV-VIS 752 O3, KH2PO4, - Cân phân tích 4 (NH4)6MO7O244H2 số OHAUS O, NH4VO3, PA214 - Tủ sấy CARBOLITE R08 COD, TCVN Máy phá mẫu H2SO4, AgSO4, mg/L 6491:1999 ECO 16 VELP K2Cr2O7, HgSO4, F10100126 muối Mohr Fe(NH4)2(SO4).6H2 O, chỉ thị màu Ferroin. Độ SMEWW - H2SO4 0,02N, chỉ kiềm, 2320B:2012 thị màu mgCaC Phenolphtalein và O3/L Metyl da cam. Thành Đo nhanh Máy đo khí - phần khí AOB5964T CH4 và CO2, %
16 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 4.1. Đánh giá khả năng xử lý kỳ khí phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ tại khu vực miền Bắc Việt Nam 4.1.1. Đặc tính phân bùn bể tự hoại Qua kết quả phân tích mẫu phân bùn bể tự hoại đợt khảo sát ban đầu và các đợt thí nghiệm có thể thấy phân bùn bể tự hoại tại Nhà máy chế biến phân Cầu Diễn Hà Nội và Khu xử lý chất thải rắn Tân Cương Thái Nguyên có hàm lượng TS thấp dao động từ 3,33 – 5,45%, độ ẩm cao trên 94%. Hàm lượng TKN và TP cao: TKN dao động từ 24,48 – 35,49 mg/gTS, TP dao động từ 10,28 – 20,89 mg/gTS; Tỷ lệ C/N thấp dao động từ: 7,01 – 11,95. Tuy nhiên hàm lượng VS cao dao động từ 65,82 – 83,01% TS. Lượng VS trong nghiên cứu này cao hơn so với một số kết quả tham khảo trên thế giới như VS = 50 – 73%TS [71] nhưng tương ứng với kết quả của một số nghiên cứu khác tại Việt Nam, như VS = 66,6 – 82,3% [35], 63 – 82% [29]. Như vậy phân bùn bể tự hoại có VS dao động từ 65,82 – 83,01% TS, độ ẩm > 94% giá trị này là tốt cho sự phân hủy kỵ khí ướt. Tuy nhiên tỷ lệ C/N lại thấp. Do đó để tạo điều kiện dinh dưỡng thích hợp trong quá trình phân hủy kỵ khí cần phối trộn phân bùn bể tự hoại với loại chất thải khác có hàm lượng cacbon cao. 4.1.2. Đặc tính chất thải rắn hữu cơ từ chợ Có thể thấy hàm lượng TS, VS của chất thải hữu cơ từ các chợ là khá cao, TS dao động từ 45,28 – 51,70%, hàm lượng VS dao động từ 78,20 – 80,42%TS, khối lượng riêng của chất thải hữu cơ từ chợ dùng làm thí nghiệm dao động từ 232,37 – 253,38 kg/m3, độ ẩm dao động từ 49 – 55 % kết quả này phù hợp với một số kết quả nghiên cứu khác đối với chất thải rắn hữu cơ từ chợ như VS từ 80,3 – 85,7% , khối lượng riêng từ 221,4 – 257,1 kg/m3, độ ẩm từ 48 -50% [12]. Không giống như đối với chất thải hữu cơ từ các hộ gia đình, nhà hàng với thành phần có nhiều loại thực phẩm hàm lượng protein cao như thịt lợn, thịt cá dẫn đến tỷ lệ C/N thấp từ 12,5 – 15 [13]. Đối với loại chất thải từ chợ này tỷ lệ C/N cao dao động từ 43,67 – 48,01 phù hợp cho việc phối trộn với chất thải phân bùn bể tự hoại trong phân hủy kỵ khí ướt. 4.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp trên mô hình trong phòng thí nghiệm
17 4.2.1. Xác định tỷ lệ phối trộn đợt thí nghiệm 1 Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ được phối trộn theo tỷ lệ PB:RC = 1:0; 3:1; 1:1. Hình 4.1 và 4.2. Lƣợng khí theo ngày và khí tích lũy Bảng 4.1. Hiệu suất khử VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng Bình phản Khối lƣợng Khối Khối Khối Hiệu ứng, nguyên liệu lƣợng VS lƣợng lƣợng VS suất PB:RC đầu vào, kg đầu vào, cặn, kg trong cặn, khử kg kg VS, % B1 (1:0) 10,7 0,337 10,05 0,256 24,03 B2 (3:1) 6 0,742 5,21 0,296 60,11 B3 (1:1) 4,26 0,920 3,46 0,545 40,76 Kết quả thí nghiệm cho thấy ở tỷ lệ phối trộn 3:1 quá trình chuyển hóa kỵ khí tạo khí sinh học xảy ra tốt với lượng khí, thành phần khí CH4 và hiệu suất khử VS là cao nhất. Do đó nghiên cứu đã chọn tỷ lệ này cho nghiên cứu tiếp theo. 4.2.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp đợt thí nghiệm 2 và 3 Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ ở các tỷ lệ phối trộn PB:RC = 4:1; 3:1; 2:1. ở đợt 2 (mùa hè) và đợt 3 (mùa đông) Hình 4.3 và 4.4. Lƣợng khí sinh ra theo ngày và khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa hè
18 Hình 4.5 và 4.6. Lƣợng khí sinh ra theo ngày và khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa đông Bảng 4.2. Hiệu suất khử VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng trong điều kiện mùa hè và mùa đông Bình phản ứng Khối lƣợng Khối Khối Khối Hiệu nguyên liệu lƣợng lƣợng lƣợng suất đầu vào, VS đầu cặn, VS trong khử kg vào, kg kg cặn, kg VS, % B1 Mùa hè 6,4 0,709 5,84 0,385 45,69 (4:1) Mùa đông 6,6 0,691 5,93 0,406 41,24 B2 Mùa hè 5,84 0,754 5,28 0,312 58,62 (3:1) Mùa đông 6 0,743 5,35 0,334 55,05 B3 Mùa hè 5,04 0,805 4,36 0,458 43,11 (2:1) Mùa đông 5,45 0,823 4,62 0,489 40,58 Như vậy ở tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 về khối lượng cho lượng khí, thành phần khí CH4 và hiệu suất khử VS là cao nhất. Đồng thời lượng phân bùn được xử lý là tương đối cao do đó nghiên cứu chọn tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 là tỷ lệ phối trộn thích hợp và sử dụng cho nghiên cứu tiếp theo về chế độ nạp liệu trên quy mô hiện trường. 4.2.3. Phân tích động học đối với mô hình phòng thí nghiệm Mô hình động học Gompertz cải tiến: Đối với mùa hè: 32,15.𝑒 𝑦 = 528,22. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 528,22 8,37 − 𝑡 + 1 Với tiềm năng sinh khí 528,22 Nl/kgVS, Đối với mùa đông: 28,86.𝑒 𝑦 = 478,96. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 478,96 10,06 − 𝑡 + 1 Với tiềm năng sinh khí 478,96 Nl/kgVS,