Nghiên cứu khả năng sản xuất biogas trong môi trường nước biển

Bài viết Nghiên cứu khả năng sản xuất biogas trong môi trường nước biển tập trung xem xét khả năng sinh khí biogas từ chất thải gia súc trong môi trường nước biển được pha loãng với các độ mặn khác nhau để có thể áp dụng sản xuất biogas trong đinh hướng phát triển những ứng dụng của nguồn năng lượng này tại những vùng biển đảo của Việt Nam.

Nguyễn Thị Thanh Xuân, Trương Lê Bích Trâm 114 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SẢN XUẤT BIOGAS TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN A STUDY ON THE POSSIBILITY OF PRODUCING BIOGAS IN THE MARINE WATER ENVIRONMENT Nguyễn Thị Thanh Xuân, Trương Lê Bích Trâm Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: nttxuan@dut.udn.vn Tóm tắt: Biogas nguồn lượng tái tạo sản xuất thông qua q trình phân hủy kỵ khí hợp chất hữu cơ, đặc biệt nguồn chất thải gia súc, gia cầm, rác thải, Việc sản xuất ứng dụng biogas quan tâm nghiên cứu phát triển Nghiên cứu tập trung xem xét khả sinh khí biogas từ chất thải gia súc mơi trường nước biển pha lỗng với độ mặn khác để áp dụng sản xuất biogas đinh hướng phát triển ứng dụng nguồn lượng vùng biển đảo Việt Nam Kết nghiên cứu khẳng định dù tỷ lệ pha loãng đạt đến 60% nước biển tương ứng độ mặn môi trường đạt 20g/l NaCl có khả sản xuất biogas từ chất thải lợn với lưu lượng chất lượng biogas hoàn tồn tương đồng với mơi trường khơng có nước biển Từ hồn tồn phát triển ứng dụng biogas vùng biển đảo Việt Nam, nơi bắt buộc phải sử dụng phần nước biển mơi trường pha lỗng để sản xuất biogas từ nguồn chất thải gia súc, gia cầm Abstract: Biogas is a renewable energy source produced through anaerobic digestion of organic compounds, particularly the livestock waste or poultry waste, The production and applications of biogas have been receiving much more attention in research and development This paper focuses on the ability to produce and use this source of energy in thalassic environment The overall goal of the study is to match with the development orientation of biogas applications on the island areas of Vietnam The results confirmed that whether dilution ratio reached 60% of seawater, corresponding with the salinity of the environment 20g/l NaCl, it is still capable of producing biogas from pig waste and this biogas produced in seawater environment is quite similar to one produced in normal diluted environment (without seawater) in their flow and quality Therefore, it is possible to develop all applications of biogas in Vietnam island areas, where we need to use a part of seawater like diluted environment to produce biogas from animal waste or poultry waste Từ khóa: biogas; phân hủy kỵ khí; độ mặn; ảnh hưởng NaCl; sản xuất biogas môi trường biển Key words: biogas; anaerobic reactor; salinity; impact of increasing NaCl concentrations; thalassic biogas production Đặt vấn đề Nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học đặc biệt sản xuất biogas hướng phát triển chung toàn giới Việt Nam, tình hình nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt ô nhiễm môi trường ngày trở nên trầm trọng Việc sản xuất biogas từ nguồn nguyên liệu chất thải hữu khác [1] cho thấy chất thải từ gia súc, gia cầm cho tỷ lệ sinh khí biogas lớn (>60%) Trong nghiên cứu tiếp tục xem xét khả sản xuất biogas từ chất thải gia súc môi trường nước biển pha loãng tương ứng với giá trị độ mặn khác với mục tiêu hướng đến khả sản xuất sử dụng biogas vùng biển đảo Việt Nam, nơi khơng có nguồn nước dồi để làm môi trường sản xuất biogas từ chất thải gia súc Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực định hướng sản xuất ứng dụng nguồn lượng biogas vùng biển đảo Trong thành phần nước biển chứa chủ yếu hai ion Na+ Cl- Theo nghiên cứu O Lefebvre cộng [2] nồng độ muối vượt 10 g/l ức chế trình sinh khí methane Tuy nhiên khả ức chế tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng để sản xuất biogas điều kiện sản xuất [3] Độ mặn trung bình nước biển đại dương có giá trị 35‰ tương đương với 35 g/l thay đổi khoảng 32 ÷ 37‰ tùy theo lượng mưa, độ bốc hơi, lưu lượng sơng ngồi vùng địa lý [3] Nghiên cứu khảo sát khả sinh khí biogas từ chất thải gia súc mơi trường nước biển pha lỗng tương ứng với độ mặn khác theo tiêu chí giá trị độ mặn lớn để áp dụng phát triển sản xuất biogas vùng biển đảo Việt Nam Cụ thể nghiên cứu khảo sát khả sản xuất biogas từ chất thải lợn môi trường nước biển pha loãng đến 60% nước biển tương ứng với độ mặn xấp xỉ 20g/l Nghiên cứu khảo sát chất lượng biogas thu để có định hướng cơng nghệ xử lý sử dụng hiệu biogas sản xuất vùng biển đảo Việt Nam Nguyên vật liệu phương pháp 2.1 Nguyên vật liệu - Chất thải gia súc (heo) lấy từ trang trại chăn ni Hịa Phú, thơn Hịa Phát, huyện Hịa Vang, Đà Nẵng; - Bùn hoạt tính lấy từ hồ kỵ khí thuộc hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi rác Khánh Sơn, phường Hòa Khánh, quận Liên Chiểu, Đà Nẵng; - Nước pha loãng: bao gồm nước nước biển pha trộn theo nhiều tỷ lệ khác Nước biển lấy vùng vịnh ven biển Đà Nẵng với độ mặn khảo sát từ 32÷ 33‰ tương đương 32÷ 33 g/l 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Xác định hàm lượng chất khô Hàm lượng chất khô mẫu nguyên liệu chất thải gia súc xác định theo quy trình sau: - Cân xác khối lượng nguyên liệu chứa cốc sứ, - Sấy cốc sứ có chứa nguyên liệu đến khối lượng không đổi nhiệt độ 100 – 105oC vịng - Cân cốc sứ có cặn, xác định hàm lượng chất khơ có mẫu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 từ ngày thứ lượng khí tương đối ổn định, xấp xỉ 10 lít/ngày có xu hướng tăng từ ngày thứ 23 Thành phần biogas có chất lượng đồng tương đối tốt, trì mức 68 – 69% CH4 Khi bắt đầu có khí ra, kết thu tương đồng với kết nghiên cứu chất thải lợn thực trước [1] Thể tích thành phần biogas (lit) 18 khác CO2 CH4 16 14 12 10 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Thời gian (ngày) Hình Thể tích thành phần biogas bình 0% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) 3.1.2 Kết khảo sát bình 15% nước biển Ở mẫu chứa 15% thể tích nước biển tương đương với độ mặn 4,88 g/l (hình 3), khí từ ngày trình trì ổn định từ ngày thứ mức 14 lít/ngày, sau tăng nhẹ với chất lượng khí ổn định mức 65 – 70% CH4 gần cuối chu kỳ khảo sát (ngày thứ 31) Quá trình khảo sát thực đến ngày thứ 35 lượng khí thu cịn mức – lít/ngày 18 Thể tích thành phần biogas (lit) Kết phân tích ta hàm lượng chất khô chất thải heo 244 mg/g nguyên liệu, tương ứng tỷ lệ 24,4% 2.2.2 Pha loãng cấy bùn Thể tích bình sinh khí 40 lít, thể tích phần chứa nguyên liệu 35 lit Dựa vào hàm lượng chất khô nguồn nguyên liệu ta tính lượng nước cần để pha lỗng ngun liệu trước nạp vào bình sinh khí Theo kết khảo sát thể tích nước cần dùng để pha lỗng ngun liệu trước vào bình kỵ khí cần đạt tỷ lệ hàm lượng chất khô khoảng ÷ % hiệu cho trình phân huỷ Bùn hoạt tính lấy từ hồ kỵ khí bãi rác Khánh Sơn Bùn khơng cịn khả sinh biogas Mục đích cấy bùn cấy vi sinh vật kỵ khí vào bình ủ kỵ khí thí nghiệm để đẩy nhanh trình phân hủy 2.2.3 Nạp liệu Nguyên liệu sau pha trộn cấy bùn hoạt tính nạp vào bình sinh khí có dung tích 40 lít Mơ hình bao gồm 06 bình composite dung tích 40 lít; bình chứa kg chất thải heo, 10 lít bùn hoạt tính, 18 lít nước pha lỗng Tỷ lệ thể tích nước biển nước pha loãng là: 0%, 15%, 30%, 40%, 50% 60% tương ứng với bình từ đến Tỷ lệ pha loãng tương ứng với độ mặn bình từ đến g/l; 4,88 g/l; 9,75g/l; 13 g/l; 16,25 g/l 19,5 g/l Mơ hình thí nghiệm thể hình 115 khác 16 CO2 14 CH4 12 10 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Thời gian (ngày) Hình Thể tích thành phần biogas bình 15% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) 2.2.4 Xác định lưu lượng thành phần biogas Biogas sinh từ bình ủ kỵ khí theo ống nhựa mềm lên túi chứa khí Mỗi ngày tiến hành theo dõi thể tích túi chứa, đo thành phần khí sinh máy phân tích khí thải cầm tay GFM435 cho phép xác định thành phần khí bao gồm khí tiêu chuẩn máy CH4, CO2, O2, H2S CO Theo dõi thường xuyên nhiệt độ môi trường tiến hành khuấy bình sinh khí 02 lần, lần 05 phút vào thời điểm trước lúc tiến hành đo thể tích thành phần biogas sinh Kết 3.1 Thể tích thành phần biogas thu tương ứng với tỷ lệ nước biển pha loãng khác từ 0% đến 60% 3.1.1 Kết bình 0% nước biển Kết khảo sát bình (0% nước biển) (hình 2) cho thấy ngày đầu khảo sát khí Bắt đầu 3.1.3 Kết khảo sát bình 30% nước biển Kết khảo sát cho thấy bình chứa 30% thể tích nước biển tương ứng độ mặn 9,75g/l cho thấy khả sinh khí diễn bình thường Lượng khí sinh trì ổn định mức trung bình 13 lít/ngày với thành phần CH4 đạt 60% 10 ngày đầu tăng lên từ ngày thứ 20 sau, chất lượng thể tích khí thu hồi 18 Thể tích thành phần biogas (lít) Hình Mơ hình sản xuất biogas khác 16 CO2 14 CH4 12 10 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Ngày Hình Thể tích thành phần biogas bình 30% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) Nguyễn Thị Thanh Xuân, Trương Lê Bích Trâm 116 Thể tích thành phần biogas (lít) 18 khác 16 CO2 14 CH4 12 10 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Thời gian (ngày) Hình Thể tích thành phần biogas bình 40% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) 3.1.5 Kết khảo sát bình 50% nước biển Ở bình với 50% nước biển tương ứng độ mặn 16,25 g/l, bắt đầu thấy có khác biệt lượng khí sinh chất lượng khí (hình 6) Trong thời gian đầu (đến ngày thứ 15) lượng khí sinh tương đối nhiều tương tự bình 2, 4, trung bình khoảng 13 lít/ngày với chất lượng khoảng 60% methane Giai đoạn từ ngày thứ 20 lượng khí thu bình bình trước, mức khoảng – lít/ngày Tuy nhiên chất lượng đảm bảo đạt xấp xỉ 70% methane 10 lít/ngày 16 ngày đầu trình khảo sát, nhiên thành phần methane chiếm khoảng 50% Thời gian kết thúc việc khảo sát (ngày thứ 35) lượng biogas giảm hẳn so với bình khác, đạt lít/ngày thành phần methane dao động khoảng 65 – 70% 3.2 Ảnh hưởng độ mặn đến lưu lượng chất lượng biogas 3.2.1 Ảnh hưởng độ mặn đến lưu lượng biogas sinh Hình biểu diễn thể tích biogas thu theo thời gian cho tất mẫu tương ứng với độ mặn khác 0‰ (hay 0g/l NaCl), 4,88‰, 9,75‰, 13‰, 16,25‰ 19,5‰ Nhận thấy mẫu có độ mặn tương ứng đến 13g/l NaCl thể tích biogas sinh khơng có khác biệt so với mẫu hồn tồn khơng chứa nước biển Bắt đầu có khác biệt thể tích khí sinh xem xét mẫu tương ứng 16,25 g/l NaCl khác biệt thể rõ rệt mẫu tương ứng độ mặn 19,5g/l (19,5‰) Thể tích biogas thu giảm đáng kể, xấp xỉ 70% so với mẫu có độ mặn 10‰ kể từ ngày thứ 21 18 16 14 Thể tích biogas (lít) 3.1.4 Kết khảo sát bình 40% nước biển Ở mẫu chứa 40% thể tích nước biển tương đương độ mặn 13g/l (hình 5) kết khảo sát cho thấy chưa có ảnh hưởng độ mặn đến khả sinh khí chất lượng biogas thu Lưu lượng khí trung bình đạt 12 lít/ngày với chất lượng khí tốt ổn định, trung bình 70% methane, ngày thứ 20 thành phần methane đạt đến gần 75% 12 10 Thể tích thành phần biogas (lít) 16 khác 14 CO2 12 CH4 10 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Ngày Hình Thể tích thành phần biogas bình 50% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) 3.1.6 Kết khảo sát bình 60% nước biển Thể tích thành phần biogas (lít) 14 khác 12 CO2 10 CH4 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Ngày Hình Thể tích thành phần biogas bình 60% nước biển (thành phần khác gồm H2S, O2, CO) Kết khảo sát bình chứa 60% nước biển tương đương độ mặn 19,5 g/l, kết thu (hình 7) cho thấy khả sinh khí diễn mức cao khoảng 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Thời gian (ngày) 0‰ 4,88‰ 9,75‰ 13‰ 16,25‰ 19,5‰ Hình Ảnh hưởng độ mặn đến lưu lượng biogas Kết hoàn toàn phù hợp nghiên cứu công bố O Lefebvre cộng cho ảnh hưởng độ mặn đến khả sản xuất biogas xuất giá trị vượt ngưỡng 10g/l NaCl [2] Tuy nhiên giá trị ngưỡng độ mặn tùy thuộc nguồn nguyên liệu, nghiên cứu O Lefebvre sử dụng hai nguồn nguyên liệu ethanol bã rượu ảnh hưởng độ mặn đến khả sinh khí khác rõ rệt Ở ngưỡng 10g/l NaCl nguyên liệu ethanol lượng biogas sinh giảm có khả sản xuất Tuy nhiên ngun liệu bã rượu hồn tồn khơng có khí sinh độ mặn vượt ngưỡng 10g/l NaCl Kết tương tự thu nghiên cứu GB Marquez cộng [5] sản xuất biogas từ chất thải bị trầm tích biển tảo biển mơi trường có độ mặn ngưỡng 34‰ khơng thể sản xuất biogas Mặt khác, kết khảo sát cho thấy tăng hàm lượng nước biển, dường trình sinh khí diễn nhanh (hình 8), giá trị thể tích biogas cực đại đạt sau 13-15 ngày mẫu có độ mặn lớn 9,75 g/l); mẫu có độ mặn thấp hơn, ngưỡng thể tích biogas cực đại đạt sau 23-25 ngày Kết khẳng định lại nhận định Chaban cộng [6] trích dẫn Anna Schnürer, Åsa Jarvis TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 [3] tất vi sinh vật cần muối natri, kali, clo cho hoạt động sống tế bào Những muối thường có sẵn vật liệu hữu sản xuất biogas không cần phải bổ sung trình sản xuất Tuy nhiên, số chất thải có nồng độ muối cao sản xuất biogas diễn mơi trường dư nhiều muối ức chế vi sinh vật trình phân hủy kỵ khí sinh biogas Chính nói thêm muối vào mơi trường kỵ khí thúc đẩy thời gian sinh khí nhanh nhờ tăng số lượng vi sinh vật giảm đáng kể lưu lượng khí sinh lượng muối nhiều môi trường mặn lấy nước từ tế bào vi sinh vật làm khả hoạt động chúng [3] Điều khắc phục tăng dần độ mặn mơi trường để vi sinh vật thích nghi [3] 3.2.2 Ảnh hưởng độ mặn đến chất lượng biogas sinh Chất lượng biogas định thành phần methane hydro sulfure H2S Nghiên cứu trước [1] cho thấy chất thải từ lợn cho chất lượng biogas có thành phần methane cao, đạt 60%, nhiên thành phần tạp chất ăn mòn H2S tương đối lớn, ngưỡng xấp xỉ 2000ppm 80 Thành phần methane biogas (%) 70 60 50 40 30 20 10 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Thời gian (ngày) 0‰ 4,88‰ 9,75‰ 13‰ 16,25‰ 19,5‰ Hình Ảnh hưởng độ mặn đến thành phần CH4 biogas Hình so sánh thành phần methane biogas sinh tất mẫu tương ứng với độ mặn khác từ 0‰ đến 19,5‰ Nhận thấy tất mẫu thành phần CH4 đạt 60% trì tương đối ổn định đến cuối chu kỳ khảo sát Chỉ có khác biệt nhỏ mẫu 60% thời gian để đạt ngưỡng 60% CH4 dài mẫu khác Tuy nhiên ngưỡng thời gian nằm khoảng thời gian cần thiết cho sản xuất ổn định biogas [7] Điều khẳng định độ mặn không ảnh hưởng đến thành phần methane biogas Đối với thành phần H2S, bảng thể giá trị trung bình tính theo số liệu thực nghiệm đo theo ngày thành phần H2S biogas Giá trị trung bình lấy theo giai đoạn sinh khí bình khơng pha nước biển (bình có giá trị độ mặn 0‰) để dễ so sánh Kết cho thấy khác biệt rõ rệt thành phần H2S bình có khơng có mơi trường nước biển Giữa bình có tỷ lệ nước biển pha lỗng khác nhau, ngoại trừ bình chứa 60% nước biển tương ứng độ mặn 19,5g/l, thấy thành phần H 2S thấp Dù chưa thể khẳng định vai trò cation anion 117 muối biển đến ức chế hình thành H2S kết thu hoàn toàn khẳng định chất lượng biogas sản xuất mơi trường nước biển pha lỗng hồn toàn đáp ứng nhu cầu sử dụng biogas làm lượng: đun nấu, thắp sáng, làm nhiên liệu cho động đốt Bảng Thành phần H2S biogas tương ứng với giá trị độ mặn khác Thành phần H2S biogas (ppm) Độ mặn 0‰ 4,88‰ 9,75‰ 13‰ 16,25‰ 19,5‰ Ngày thứ 1- 58 96 297 114 298 Ngày thứ 7- 15 436 62 98 357 661 351 Ngày thứ 16-22 934 121 114 153 599 1351 Ngày thứ 23-30 1023 164 108 183 188 1261 Ngày thứ 31-35 812 138 430 370 183 910 Kết luận Kết khảo sát nghiên cứu cho thấy hồn tồn sản xuất biogas từ chất thải lợn môi trường nước biển pha loãng đến độ mặn 20‰ tương ứng tỷ lệ pha loãng đến 60% nước biển Chất lượng biogas thu tốt, hoàn toàn đáp ứng tiêu biogas cho mục đích sử dụng khác nhau: đun nấu, thắp sáng, chạy máy phát điện, kéo máy công tác, Kết khảo sát cho thấy mơi trường nước biển pha lỗng tốc độ sinh biogas nhanh hơn, kết hợp tăng dần độ mặn theo thời gian để vi sinh vật thích nghi hồn tồn thu biogas có lưu lượng chất lượng phù hợp tương tự môi trường nước Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực định hướng phát triển vùng biển đảo Việt Nam Tài liệu tham khảo [1] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Minh Thông, (2011), “Utilization of poor biogas in biogas-diesel dual fuel engine” [2] O Lefebvre, S Quentin, M Torrijos, J J Godon, J P Delgenès, R Moletta (2007) “Impact of increasing NaCl concentrations on the performance and community composition of two anaerobic reactors”, Appl Microbiol Biotechnol (2007) 75:61–69 [3] Anna Schnürer, Åsa Jarvis, (2010) “Microbiological Handbook for Biogas Plants”, Swedish Waste Management U2009:03 Swedish Gas Centre Report 207, Avfall Sverige ISSN 1103-4092 [4] http://www.onr.navy.mil/focus/ocean/water/salinity1.htm [5] Gian Powell B Marquez, Wolfgang T Reichardt, Rhodora V Azanza, Michael Klocke, Marco Nemesio E Montaño, (2013), “Thalassic biogas production from sea wrack biomass using different microbial seeds: Cow manure, marine sediment and sea wrackassociated microflora”, Bioresource Technology 133, 612–617 [6] Chaban, B., Ng, S.Y.S and Jarell, K.F (2006) Archael habitats – from the extreme to the ordinary, Canadian Journal of Microbiology 52:,73-116 [7] Cục chăn nuôi – Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, Tổ chức phát triển Hà Lan – SNV, Cơng nghệ khí sinh học quy mơ hộ gia đình - Tài liệu dùng để tập huấn cho Kỹ thuật viên khí sinh học, Hà nội (2011) (BBT nhận bài: 11/03/2014, phản biện xong: 16/04/2014) ... Kết luận Kết khảo sát nghiên cứu cho thấy hồn tồn sản xuất biogas từ chất thải lợn môi trường nước biển pha loãng đến độ mặn 20‰ tương ứng tỷ lệ pha loãng đến 60% nước biển Chất lượng biogas thu... Kết tương tự thu nghiên cứu GB Marquez cộng [5] sản xuất biogas từ chất thải bị trầm tích biển tảo biển mơi trường có độ mặn ngưỡng 34‰ khơng thể sản xuất biogas Mặt khác, kết khảo sát cho thấy... nước biển pha loãng khác từ 0% đến 60% 3.1.1 Kết bình 0% nước biển Kết khảo sát bình (0% nước biển) (hình 2) cho thấy ngày đầu khảo sát khí Bắt đầu 3.1.3 Kết khảo sát bình 30% nước biển Kết khảo