Đánh giá sơ bộ khả năng phân hủy yếm khí và thu hồi khí sinh học từ một số thành phần hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG VÀ MÔI TRƢỜNG o0o KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SƠ BỘ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY YẾM KHÍ VÀ THU HỒI KHÍ SINH HỌC TỪ MỘT SỐ THÀNH PHẦN HỮU CƠ CỦA CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 306 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp Khóa : TS Vũ Huy Định : Trần Thanh Huấn : 1453061613 : K59B - KHMT : 2014 - 2018 Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, em xin cám ơn Thầy Ngô Thế Ân thuộc Bộ Môn Sinh Thái Nông Nghiệp - Khoa học Môi trƣờng – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu, thực đề tài nghiên cứu, nhƣ q trình hồn thiện khóa luận tốt nghiệp Đặc biệt, em xin đƣợc chân thành cám ơn TS.Vũ Huy Định - Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam quan tâm, dạy dỗ, bảo tận tình cho em q trình hồn thiện khóa luận tốt nghiệp Trong q trình thực hồn thành khóa luận tốt nghiệp thời gian kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến, bảo tận tình q thầy để khóa luận đƣợc hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng Sinh viên Trần Thanh Huấn năm 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT .2 1.1 Tổng quan chất thải rắn sinh hoạt 1.1.1 Khái niệm .2 1.1.2 Các tác động chất thải rắn 1.1.3 Các biện pháp xử lý chất thải rắn 1.2 Phƣơng pháp phân hủy yếm khí thu khí sinh học .7 1.2.1 Giới thiệu chung trình phân hủy yếm khí 1.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng 10 1.2.3 Phân loại hệ thống phân hủy yếm khí 12 1.3 Hiện trạng ứng dụng phƣơng pháp sinh học xử lý yếm khí rác thải Thế giới 14 Chƣơng 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 2.1 Mục đích đối tƣợng nghiên cứu 21 2.2 Nội dung nghiên cứu 21 2.3 Hóa chất, dụng cụ thiết bị sử dụng .21 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 22 2.5 Phƣơng pháp xác định thông số 25 2.5.1 Tổng chất rắn (TS) 25 2.5.2 Chất rắn bay (VS) 25 Chƣơng III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày yếu tố ảnh hƣởng đến trình phân hủy yếm khí mẫu hỗn hợp 26 3.1.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) sinh hàng ngày 26 3.1.2 Ảnh hƣởng yếu tố đến q trình phân hủy yếm khí thu khí sinh học (biogas) 26 3.2 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày yếu tố ảnh hƣởng đến trình phân hủy yếm khí mẫu khoai lang 32 3.2.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) sinh hàng ngày 32 3.2.2 Ảnh hƣởng yếu tố đến q trình phân hủy yếm khí thu khí sinh học (biogas) 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .38 Kết Luận 38 Đề xuất kiến nghị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tổng hàm lƣợng chất rắn : TS Chất rắn dễ bay : VS Phân hủy kỵ khí : AD/ Anaerobic Digester Khí sinh học : Biogas Vi sinh vật : VSV Chất thải rắn : CTR Chất thải rắn sinh hoạt :CTRSH DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tổng hợp tính chất rác thải thị phƣơng pháp xử lý Bảng 1.2 Các giai đoạn trình phân hủy yếm khí .8 Bảng 1.3 Các nguồn chất thải hữu sử dụng làm nguyên liệu cho phân hủy yểm khí Bảng 1.4 Ƣu nhƣợc điểm hệ thống phân hủy kỵ khí giai đoạn giai đoạn .14 Bảng 1.5 Lƣợng phát sinh rác thải ngày Bangalore 17 Bảng 1.6 Tỉ lệ TS TS từ nguồn nguyên liệu khác .19 Bảng 1.7 Tổng hợp tính chất rác thải thị phƣơng pháp xử lý 20 Bảng 2.1 Các thông số đầu vào cho trình phân hủy yếm khí theo mẻ mẫu hỗn hợp .24 Bảng 2.2 Các thơng số đầu vào cho q trình phân hủy yếm khí theo mẻ mẫu khoai lang 24 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ khái quát thông số chất thải .3 Hình 1.2 Sơ đồ biện pháp xử lý chất thải rắn đô thị Hình 1.3 Thành phần CTRĐT (kg/ ngƣời/ năm) 23 thành phố 15 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thực nghiên cứu 22 Hình 2.2 Hệ thống thí nghiệm phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm để thu khí sinh học 23 Hình 3.1 Biểu đồ thể tích khí tích lũy theo ngày mẫu hỗn hợp .26 Hình 3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yểm khí 27 Hình 3.3 Ảnh hƣởng pH đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí .29 Hình 3.4 Ảnh hƣởng vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí 30 Hình 3.5 Ảnh hƣởng thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí 31 Hình 3.6 Ảnh hƣởng thời gian bổ sung vi sinh vật đến thể tích khí .31 Hình 3.7 Thể tích khí tích lũy theo ngày mẫu khoai .32 Hình 3.8 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh q trìnhphan hủy yếm khí 33 Hình 3.9 Ảnh hƣởng pH đến thể tích khí phát sinh trình phân hủy yếm khí 34 Hình 3.10 Ảnh hƣởng vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí 35 Hình 3.11 Ảnh hƣởng thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh 35 Hình 3.12 Ảnh hƣởng thời gian bổ sung vi sinh vật đến lƣợng khí sinh 36 LỜI MỞ ĐẦU Những năm gần đây, tốc độ thị hóa diễn mạnh mẽ, tạo sức ép nhiều mặt, dẫn đến suy giảm chất lƣợng môi trƣờng phát triển không bền vững Các hoạt động sản xuất, sinh hoạt tăng, kéo theo lƣợng chất thải tăng, có chất thải rắn sinh hoạt chiếm tỷ lệ lớn Tuy nhiên, tỷ lệ đƣợc thu gom xử lí chƣa cao cịn nhiều hạn chế Trong khí đó, chất thải sinh hoạt có hàm lƣợng hữu cao, có khả phân hủy kỵ khí để tạo khí sinh học (Biogas) Việc thu khí sinh học (biogas) từ chất thải thực phẩm vừa giảm thiểu đƣợc lƣợng chất thải, vừa tạo nguồn nhiên liệu mới, thay cho nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Nghiên cứu nhằm đánh giá khả phát sinh khí sinh học (Biogas) từ chất thải rắn sinh hoạt Hà Nội điều kiện khác Nghiên cứu tập trung vào đánh giá khả phân hủy thu khí sinh học (biogas) số loại chất thải rắn sinh hoạt Hà Nội nhƣ cơm, rau, củ, quả, thịt, phụ phẩm nông nghiệp v.v Trong phạm vi báo cáo này, nhóm nghiên cứu tập trung vào đánh giá sơ khả phân hủy thu hồi khí sinh học từ hỗ hợp (rau muống, thịt gà, cơm) khoai lang điều kiện khác nhiệt độ, độ pH, thời gian, nhƣ vai trò vi khuẩn hỗ trợ tạo mê tan Kết thí nghiệm điều kiện nhiệt độ 37oC, pH = ~ không bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí mê tan, lƣợng khí sinh học hình thành cao so với lƣợng khí hình thành điều kiện thí nghiệm nhiệt độ phịng, khơng kiểm sốt pH hay bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí mê tan Kết nghiên cứu sơ cho thấy tiềm thu khí sinh học từ chất thải sinh hoạt phƣơng pháp phân hủy yếm khí điều kiện thí nghiệm thích hợp nhƣ khả áp dụng chất thải sinh hoạt cao mang lại hiệu đáng kể Với 100g mẫu hỗn hợp ban đầu đƣa vào thí nghiệm thu đƣợc 4200ml khí sinh học, 100g mẫu khoai lang đƣa vào thu đƣợc 3200ml khí sinh học Điều hứa hẹn tƣơng lai cho việc áp dụng xử lý chất thải sinh hoạt phƣơng pháp yếm khí Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN HỦY YẾM KHÍ 1.1 Tổng quan chất thải rắn sinh hoạt 1.1.1 Khái niệm Chất thải rắn (CTR) vật chất (ở thể rắn thơng thƣờng) khơng cịn giá trị sử dụng cho ngƣời sở hữu bị loại bỏ từ hoạt động sản xuất, sinh hoạt (theo US EPA) Chất thải rắn bao gồm bùn thải, tỷ lệ nƣớc cặn bùn mức độ cho phép, xử lý cặn bùn tƣơng tự nhƣ xử lý chất thải rắn.[1] Chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) chất thải rắn dạng rắn đƣợc phát sinh từ hoạt động sinh hoạt hàng ngày ngƣời từ hộ gia đình, khu tập thể, chất thải đƣờng phố, chợ, trung tâm thƣơng mại, văn phòng, sở nghiên cứu, trƣờng học… Nguồn gốc phát sinh: Chất thải rắn sinh hoạt phát sinh từ hộ gia đình, cơng sở, trƣờng học, từ chợ, từ nhà hàng, khách sạn, khu thƣơng mại, cửa hàng tạp hóa,… Thành phần rác thải chủ yếu gồm: thực phẩm thừa, giấy, carton, plastic (nhựa), gỗ, thủy tinh, kim loại, da, cao su… Đặc điểm chất thải rắn sinh hoạt - Chất thải rắn sinh hoạt chứa khối lƣợng tỷ lệ rác hữu lớn so với loại rác vô khác - Rác hữu dễ bị phân hủy, thối rữa dƣới tác động nhiệt độ, độ ẩm vi sinh vật - Đặc điểm rác sinh hoạt Việt Nam rác khơng đƣợc phân loại nguồn, cơng tác xử lý rác gặp nhiều khó khăn - Chất thải rắn sinh hoạt khó đƣợc tận dụng, tái chế không đƣợc phân loại nguồn.Vì cần thu gom phân loại riêng túi có chất liệu đặc biệt dễ phân hủy Khả phân hủy sinh học Trong tổng hàm lƣợng chất rắn (TS) chất thải, có thành phần hữu dễ phân hủy tham gia vào trình phân hủy yếm khí (hình 1.1), [2] cịn đƣợc gọi chất rắn bay (VS) Hàm lƣợng chất rắn bay (%VS); đƣợc xác định cách đốt cháy chất thải 550ºC; thƣờng thông số sử dụng để đánh giá khả phân hủy sinh học thành phần hữu chất thải rắn Chất thải có %VS từ 70 – 95% tổng hàm lƣợng rắn thích hợp xử lý phƣơng pháp phân hủy kỵ khí Hình 1.1 Sơ đồ khái quát thông số chất thải 1.1.2 Các tác động chất thải rắn Tác động chất thải rắn sinh hoạt tới môi trường người Việc quản lý chất thải rắn không hợp lý, xử lý chất thải rắn không hợp kỹ thuật vệ sinh nguyên nhân hàng đầu dẫn đến ô nhiễm môi trƣờng ảnh hƣởng tới sức khỏe cộng đồng.[3] Ô nhiễm mơi trường khơng khí Chất thải rắn sinh hoạt có thành phần hữu chiếm chủ yếu Dƣới tác động nhiệt độ, độ ẩm vi sinh vật, chất thải hữu (CTHC) bị phân hủy tạo khí sinh học (biogas) (CH4 – 63,8%, CO2 – 33,6% số khí khác) Khi vận chuyển lƣu giữ CTR phát sinh mùi q trình phân hủy chất hữu gây ô nhiễm môi trƣờng khơng khí Các khí phát sinh từ q trình phân hủy chất hữu CTR nhƣ: amoni có mùi khai, phân có mùi hơi, hydrosunfua mùi trứng thối, sunfua hữu mùi bắp cải thối rữa, mecaptan hôi nồng, amin mùi cá ƣơn, diamin mùi thịt thối, clo nồng, phenol mùi ốc đặc trƣng Thành phần khí rác chứa CH4, CO2, H2S, NH3, khí hữu độc hại,… có tác động xấu đến mơi trƣờng, sức khỏe khả hoạt động ngƣời Chƣơng III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí mẫu hỗn hợp 3.1.1 Lượng khí sinh học (biogas) sinh hàng ngày Lƣợng khí sinh học tích lũy theo ngày mẫu hỗn hợp đƣợc thể hình 3.1 Thể tích khí tích lý theo ngày (ml) 4500 4000 3500 3000 HH1 2500 HH2 2000 HH3 1500 HH4 1000 HH5 HH6 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ngày Hình 3.1 Biểu đồ thể tích khí tích lũy theo ngày mẫu hỗn hợp Kết nghiên cứu đƣợc biểu diễn hình cho thấy, lƣợng khí sinh từ mẫu thí nghiệm khơng ổn định theo ngày Tuy nhiên, thể tích khí sinh có xu hƣớng tăng dần từ ngày đầu tiên, có dấu hiệu tăng vọt từ ngày thứ 35 đến ngày thứ 60 Nghiên cứu tốc độ sinh khí lƣợng khí sinh học mẫu đƣợc ổn định pH 7- 8, nhiệt độ 37oC không bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan cao Các điều kiện pH, nhiệt độ vi khuẩn thúc đẩy nhanh q trình phân huỷ sinh khí sinh học chất thải thực phẩm, cụ thể mẫu hỗn hợp (cơm, rau muống thịt gà) 3.1.2 Ảnh hưởng yếu tố đến q trình phân hủy yếm khí thu khí 26 sinh học (biogas) (1) Ảnh hưởng nhiệt độ Kết nghiên cứu cho thấy tốc độ sinh khí mẫu điều kiện nhiệt độ phịng thí nghiệm (25oC) chậm tốc độ sinh khí mẫu nhiệt độ khoảng 36 - 38oC Theo nghiên cứu Mata-Alvarez (2003), có hai phạm vi nhiệt độ lý tƣởng cho việc thực vi khuẩn yếm khí: Một 30-40°C vi sinh vật mesophilic (nhiệt độ tối ƣu 37°C) 45-60°C vi sinh vật thermophilic (nhiệt độ tối ƣu 55°C) [24] Cơng nghệ phân hủy yếm khí khả thi hầu hết điều kiện khí hậu, nhiên nhiệt độ thấp (nhiệt độ trung bình dƣới 15°C) q trình phân hủy hoạt động khơng tốt Khơng có nhiệt độ trung bình tham số quan trọng trình phân hủy yếm khí mà biến đổi nhiệt độ lớn, chẳng hạn nhƣ ngày đêm, biến đổi theo mùa, ảnh hƣởng xấu đến hiệu suất hệ thống phân hủy yếm khí [19] Do vậy, so với mẫu nhiệt độ phịng thí nghiệm mẫu điều kiện nhiệt độ khoảng 36 - 38oC thích hợp để q trình phân hủy yếm khí diễn ra, dẫn đến tốc độ phát sinh khí ổn định Sự ảnh hƣởng nhiệt độ đến thể tích khí Thẻ tích khí tích lũy (ml) sinh học đƣợc thể hình 3.2 4500 4000 3500 3000 2500 2000 HH1 1500 HH2 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ngày Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh từ trình phân hủy yếm khí 27 hai mẫu hỗn hợp hỗn hợp đƣợc tiến hành điều kiện nhƣng khác nhiệt độ kết đo đạc cho thấy : nhiệt độ ổn định mẫu hỗn hợp cho lƣợng khí nhiều nhiều 800ml (2) Ảnh hưởng pH Tiến hành thí nghiệm với với mẫu hỗn hợp có điều kiện nhiệt độ 36 - 38oC, không bổ sung vi sinh vật nhƣng mẫu cố định pH từ 7- từ đầu(HH2), mẫu để pH tự (HH3) pH tối ƣu cho trình phân hủy yếm khí ổn định suất khí sinh học cao nằm khoảng từ 6,5 đến 7,5 [24] [25].Theo dõi, đo đạc hàng ngày nhận thấy mẫu HH2, pH liên tục giảm xuống - 20 ngày đầu, sau bắt đầu có xu hƣớng tăng lên, pH - Nguyên nhân trình phân hủy, trình thuỷ phân acid hóa xảy mức pH axit (pH 5,5 6,5) so với pha động methanogenic (pH 6,5 - 8,2) pH khoảng từ 6,8 đến 7,4 nên đƣợc trì trình xử lý yếm khí khoảng tối ƣu cho tăng trƣởng vi khuẩn metan hóa [26] Để làm tăng pH hệ thống phân hủy yếm khí pH q thấp, vơi sodium bicarbonate đƣợc sử dụng để điều chỉnh pH Giá thành vôi rẻ nhiều sơ với Natri bicacbonat natri hydroxyd Tuy nhiên, vôi thƣờng dẫn đến kết tủa tắc nghẽn ống đƣợc sử dụng với số lƣợng lớn Còn Natri bicacbonat natri hydroxyd hòa tan hồn tồn thƣờng khơng gây tƣợng tích tụ, nhƣng có sẵn sodium bicarbonate sodium hydroxide đơi thấp vơi Do đó, để điều chỉnh pH lập tức, nên bổ sung muối natri, để dự phòng điều chỉnh chất có pH thấp, vơi thích hợp [6] Trong phạm vi nghiên cứu, để cố định pH mẫu, nhóm sử dụng NaHCO3 để cố định pH giá trị - 28 thể ích khí tích lũy (ml) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 HH2 1500 HH3 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Ngày Hình 3.3 Ảnh hưởng pH đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí Mẫu hỗn hợp hỗn hợp đƣợc tiến hành điều kiện nhƣng mẫu đƣợc trì ổn định pH từ - 8, mẫu để pH thay đổi tự Kết đo đạc cho thấy: điều kiện ổn định pH lƣợng khí sinh cao hẳn điều kiện không ổn định pH (gấp lần) Kết hoàn toàn phù hợp với lý thuyết trình phân hủy yếm khí nghiên cứu liên quan pH tối ƣu cho trình phân hủy yếm khí nằm khoảng 6,8 - (3) Ảnh hưởng vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan Khi bắt đầu phân hủy, hệ thống cần đƣợc bổ sung vào vi khuẩn cần thiết cho trình phân hủy yếm khí [5] Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan vào mẫu HH4, nhiệt độ 36 - 38 oC, cố định pH - Trong giai đoạn khởi đầu, vi khuẩn cần phải thích nghi dần với nguyên liệu Điều đạt đƣợc cách tăng dần lƣợng dinh dƣỡng hàng ngày, cho phép hệ thống có thời gian để đạt đƣợc quần thể vi sinh cân Việc cung cấp nhiều chất hữu phân huỷ sinh học so với khả phân hủy vi sinh vật thay đổi nhanh điều kiện hệ thống phân hủy (ví dụ: thay đổi đột ngột nhiệt độ, tích tụ chất độc hại, tăng lƣu lƣợng), đặc biệt ảnh hƣởng đến vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan, vi khuẩn gây axit có khả chịu đựng tốt tiếp tục hoạt động sản sinh axit Điều cuối dẫn đến axit hóa hệ thống, ức chế hoạt động vi khuẩn 29 metan hóa Việc bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan phân chuồng tránh đƣợc làm tăng khả đệm, làm giảm nguy axit hóa [6] Thể tích khí tích lũy (ml) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 HH2 1500 HH4 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Thời gian (ngày) Hình 3.4 Ảnh hưởng vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí Hai mẫu hỗn hợp hỗn hợp thực điêu kiện tƣơng tự nhau, mẫu bổ sung thêm VSV metan hóa Kết đo đạc cho thấy: mẫu hỗn hợp cho nhiều khí mẫu hỗn hợp (gấp đôi) (4) Ảnh hưởng thời gian cố định pH Trong khoảng 10 ngày đầu q trình phân hủy yếm khí giai đoạn axit hóa, giai đoạn pH thƣờng giảm thấp, giai đoạn giai đoạn tạo khí metan, pH cần ổn định khoảng 7- Tiền hành thí nghiệm hai mẫu để so sánh ảnh hƣởng thời gian bắt đầu ổn định pH, ổn định từ ngày thứ 10 sau tiến hành thí nghiệm (HH5) ổn định pH từ ngày (HH2) Ảnh hƣởng thời gian cố định pH đƣợc thể hình 3.5 30 4500 Thẻ tích khí tích lũy 4000 3500 3000 2500 2000 HH2 1500 HH5 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Thời gian (ngày) Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh từ trình phân hủy yếm khí Kết thu đƣợc cho thấy mẫu hỗn hợp đƣợc ổn định lƣợng pH từ ban đầu sinh nhiều khí nhiều 800ml (5) Ảnh hưởng thời gian bổ sung vi sinh vật Tiến hành thí nghiệm mẫu điều kiện nhiệt độ cố định từ 36-38oC, pH cố định từ - 8, mẫu bổ sung vi sinh vật cố định metan từ đầu (HH2), mẫu bổ sung vi sinh vật cố định metan sau 10 ngày (HH6), kết đƣợc thể hình3.6 Thể tích khí thu 4000 3500 3000 2500 2000 HH4 1500 HH6 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 thời gian (ngày) Hình 3.6 Ảnh hƣởng thời gian bổ sung vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh từ q trình phân hủy yếm khí 31 Lƣợng khí phát sinh từ hai mẫu có chênh lệch lớn, lƣợng khí sinh từ hỗn hợp đƣợc bổ sung vi sinh vật từ đầu(HH4) thấp nhiều hỗn hợp đƣợc bổ sung vi sinh vật sau 10 ngày (HH6), cao 1800ml Nguyên nhân cho VSV từ thời gian đầu, trình axit hóa tạo mơi trƣờng ức chế, làm chết vi sinh vật dẫn đến giảm xuất tạo khí Từ kết đo đƣợc cho thấy mẫu hỗn hợp (bao gồm cơm, rau muống, thịt gà) có khả tạo khí sinh học tốt, lên đến 4000ml khí sinh học/34,72g chất khơ Điều kiện tốt để lƣợng khí sinh đƣợc tối đa cố định nhiệt độ từ 36 - 38oC suốt q trình phân hủy yếm khí, cố định pH khoảng từ - từ thời gian bắt đầu tiến hành thí nghiệm, khơng bổ sung vi sinh vật 3.2 Lƣợng khí sinh học (biogas) phát sinh hàng ngày yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí mẫu khoai lang 3.2.1 Lượng khí sinh học (biogas) sinh hàng ngày Lƣợng khí sinh học tích lũy theo ngày mẫu hỗn hợp đƣợc thể hình 3.7 Thể tích khí tích lũy 3500 3000 2500 k1 2000 k2 1500 k3 k4 1000 k5 500 k6 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Thời gian (ngày) Hình 3.7 Thể tích khí tích lũy theo ngày mẫu khoai Kết nghiên cứu đƣợc biểu diễn hình trên, tƣơng tự nhƣ mẫu hỗn hợp, lƣợng khí sinh từ mẫu thí nghiệm khơng ổn định theo ngày Tuy 32 nhiên, thể tích khí sinh có xu hƣớng tăng dần từ ngày đầu tiên, có dấu hiệu tăng vọt từ ngày thứ 35 đến ngày thứ 60 3.2.2 Ảnh hưởng yếu tố đến trình phân hủy yếm khí thu khí sinh học (biogas) (1) Ảnh hưởng nhiệt độ Tiến hành theo dõi lƣợng khí sinh hai mẫu khoai đƣợc điều chỉnh pH khoảng - 8, khơng có vi sinh vật, mẫu để nhiệt độ phòng (k1) mẫu để cố định 36 - 38oC Lƣợng khí sinh theo ngày đƣợc biểu diễn qua biểu đồ 3.8 Thể tích khí tích lũy 3000 2500 2000 1500 k1 1000 k2 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Thời gian (ngày) Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến thể tích khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí Ở điều kiện pH, không bổ sung vi sinh vật metan hóa mẫu khoai đƣợc cố định nhiệt độ 36 - 38oC thu đƣợc lƣợng khí nhiều nhiều 1000ml Nguyên nhân trình phân hủy yếm khí diễn tốt khoảng nhiệt độ 36 - 38oC (2) Ảnh hưởng pH Tiến hành thí nghiệm với với mẫu có điều kiện nhiệt độ 36 38oC, không bổ sung vi sinh vật nhƣng mẫu cố định pH từ - từ đầu(k2), mẫu để pH tự (k3) Kết thu đƣợc thể hình 3.9 33 thể tích khí tích lũy (ml) 3000 2500 2000 1500 k2 1000 k3 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 thời gian (ngày) Hình 3.9 Ảnh hưởng pH đến thể tích khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí Mẫu khoai đƣợc tiến hành cố định pH từ ban đầu cho kết khí sinh lớn nhiều so với mẫu khoai không đƣợc cố định pH (lớn 1500ml) Nguyên nhân pH tối ƣu cho trình phân hủy yếm khí ổn định suất khí sinh học cao nằm khoảng từ 6,8 đến Mẫu không cố định pH (k3) đo đạc cho giá trị pH từ đến Đây mơi trƣờng ức chế, làm chết vi khuẩn tạo khí metan, dẫn đến lƣợng khí sinh thấp hẳn so với mẫu đƣợc ổn định giá trị pH từ - (3) Ảnh hưởng vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan vào mẫu khoai (k4), nhiệt độ 36 - 38 oC, cố định pH - so sánh với mẫu khoai (k2) tiến hành điều kiện nhƣng không bổ sung vi sinh vật Kết đo đạc đƣợc thể hình 3.10 34 3000 2500 2000 k2 1500 k4 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Hình 3.10 Ảnh hưởng vi sinh vật đến thể tích khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí Mẫu khoai khơng bổ sung vi sinh vật có lƣợng khí sinh nhiều nhiều so với mẫu khoaiđƣợc bổ sung vi sinh vật metan hóa (nhiều 700ml) (4) Ảnh hưởng thời gian cố định pH Tiến hành thí nghiệm với mẫu khoai với điều kiện nhiệt độ, pH tƣơng tự nhau, không bổ sung vi sinh vật, nhiên mẫu khoai (k2) đƣợc ổn định pH từ bắt đầu thực thí nghiệm, mẫu khoai (k5) đƣợc tiến hành ổn định pH sau 10 ngày kể từ ngày bắt đầu Kết khí thu đƣợc đƣợc biểu diễn Thể tích khí tích lũy(ml) hình 3.11 3500 3000 2500 2000 k2 1500 k5 1000 500 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Ngày Hình 3.11 Ảnh hƣởng thời gian cố định pH đến thể tích khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí 35 Kết đo đạc thu đƣợc cho thấy lƣợng khí sinh mẫu đƣợc cố định pH sau 10 ngày có lƣợng khí sinh lớn nhiều so với mẫu khoai đƣợc cố định pH từ đầu (nhiều 700ml) (5) Ảnh hưởng thời gian bổ sung vi sinh vật Tiến hành thí nghiệm mẫu điều kiện nhiệt độ cố định từ 36 - 38oC, pH cố định từ - 8, mẫu bổ sung vi sinh vật cố định metan từ đầu (k2), mẫu bổ sung vi sinh vật cố định metan sau 10 ngày (k6), kết đƣợc thể biểu đồ 3.12 Thể tích khí tích lũy (ml) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 k4 800 k6 600 400 200 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Ngày Hình 3.12 Ảnh hƣởng thời gian bổ sung vi sinh vật đến lƣợng khí sinh q trình phân hủy yếm khí Lƣợng khí sinh mẫu khoai đƣợc bổ sung vi sinh từ đầu cao mẫu đƣợc bổ sung vi sinh vật sau 10 ngày, nhiên cao không nhiều (hơn 400ml) Từ kết nghiên đo đạc tổng quát cho thấy: mẫu khoai lang, khả phát sinh khí ổn định cho lƣợng khí tƣơng đối cao, tối đa 3200ml khí sinh học /38,22g chất khơ Điều kiện tiến hành thí nghiệm để q trình sinh lƣợng khí lớn : ổn định nhiệt độ 36 - 38oC, ổn định pH từ 7- ngày thứ 10, không bổ sung vi sinh vật 36 Trong phạm vi nghiên cứu này, q trình phân giải yếm khí chất thải thực phẩm cho lƣợng khí sinh học tƣơng đối cao, tối đa lên tới 4200ml khí sinh học/34,72g chất khơ Khi mang phân tích khối lƣợng chất thể tích khí sinh học thu đƣợc từ q trình phân hủy yếm khí mẫu hỗn hợp lớn nhiều so với mẫu khoai lang Nguyên nhân mẫu hỗn hợp có nhiều thành phần khác nhau: tinh bột, xenlulozo, lipit, peptit,…là thành phần dễ phân huy sinh học Các yếu tố nhiệt độ, pH, vi sinh vật hỗ trợ tạo khí metan có ảnh hƣởng đáng kể đến lƣợng khí phát sinh tốc độ sinh khí trính phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm, cụ thể đối hỗn hợp (cơm, rau muống, thịt gà) Điều kiện tốt q trình phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm để thu khí sinh học pH = – 8, nhiệt độ 37oC không bổ sung vi khuẩn hỗ trợ tạo khí metan Tuy nhiên chƣa thể kết luận vi sinh vật có ảnh hƣởng khơng tốt đến q trình phân hủy yếm khí chất thải hữu Cần thực thêm nghiên cứu để đánh giá xác ảnh hƣởng vi sinh vật khả phân hủy sinh học chất thải 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Nghiên cứu sơ đƣợc thực tiềm thu khí sinh học từ phƣơng pháp phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm hứa hẹn có khả ứng dụng cao Nhóm nghiên cứu tổng hợp dựa tài liệu, báo cáo khoa học cơng nghệ xử lý yếm khí chất thải rắn đƣợc nghiên cứu, ứng dụng thành cơng giới Từ thiết lập quy trình thực nghiệm để đánh giá tiềm ứng dụng phƣơng pháp phân hủy yếm khí xử lý chất thải thực phẩm Việt Nam dựa đặc điểm điều kiện tự nhiên, trình độ phát triển nhƣ thành phần lƣợng chất thải phát sinh Việt Nam.Tiềm ứng dụng phƣơng pháp phân hủy yếm khí xử lý chất thải thực phẩm Việt Nam lớn Các yếu tố lƣợng phát sinh nhƣ thành phần chất thải phù hợp cho q trình phân hủy yếm khí.Phân hủy yếm khí phƣơng pháp xử lý khơng làm giảm thiểu đáng kể lƣợng chất thải, giảm phát sinh ô nhiễm môi trƣờng, giảm sức ép kéo dài thời gian sử dụng bãi chôn lấp, tiết kiệm đáng kể chi phí xử lý nhiễm thứ cấp; mà cịn thu hồi đƣợc khí sinh học (biogas) có lợi nhuận cao với chi phí đầu tƣ vừa phải.Sản phẩm q trình xử lý yếm khí chất thải thực phẩm khí sinh học (biogas) mùn ổn định tận thu có tính ứng dụng cao, tùy theo mục đích sản xuất quy mơ sử dụng Q trình nghiên cứu thực nghiệm, em rút số kết luận nhƣ sau: - Trong phạm vi nghiên cứu này, yếu tố nhiệt độ, pH, vi sinh vật hỗ trợ tạo khí metan có ảnh hƣởng đáng kể đến lƣợng khí phát sinh q trình phân hủy yếm khí - Điều kiện tối ƣu trình phân hủy yếm khí chất thải thực phẩm để thu khí sinh học pH = – 8, nhiệt độ 37oC mẫu khơng bổ sung vi sinh vật tạo khí nhiều mẫu bổ sung vi sinh vật - Cùng với điều kiện tiến hành thí nghiệm (Nhiệt độ, pH, vi sinh vật) khối lƣợng đầu vào (100g) mẫu hỗn hợp sinh lƣợng khí nhiều mẫu khoai chứng tỏ TS có ảnh hƣởng lớn đến việc sinh khí, chất đầu vào có hàm lƣợng TS cao lƣợng khí sinh nhiều ngƣợc lại 38 - Kết thu đƣợc từ mơ hình nghiên cứu thực nghiệm khả quan, cho thấy việc xử lý phƣơng pháp phân hủy yếm khí hƣớng nhiều hứa hẹn để giải vấn đề chất thải rắn đô thị nƣớc ta, đồng thời việc thu hồi lƣợng trình xử lý đem lại giá trị kinh tế lớn có ý nghĩa phát triển bền vững cho tƣơng lai Đề xuất kiến nghị Để hƣớng nghiên cứu sử dụng chất thải thực phẩm làm nguồn nguyên liệu cho trình phân hủy yếm khí áp dụng vào thực tiễn, cần tiếp tục có nghiên cứu chuyên sâu khác: - Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu xử lý nhƣ giải pháp tiền xử lý chất thải, mơ hình phân loại rác nguồn, xây dựng sách khuyến khích sử dụng cơng nghệ tiên tiến để xử lý chất thải đồng thời tạo lƣợng - Nghiên cứu đặc tính, thành phần, lƣợng sẵn có chất thải Từ kết hợp xử lý nhiều loại chất thải hệ thống, đánh giá khả phân hủy yếm khí thu khí sinh học loại chất thải.(hiện tiến hành làm với mẫu rác thải kí túc xá) - Một số hƣớng nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến q trình phân hủy yếm khí nhƣ thời gian lƣu, khuấy trộn nguyên liệu, tỉ lệ C/N trình, tỉ lệ rắn lỏng mẫu đầu vào q trình phân hủy yếm khí - Nghiên cứu khả ứng dụng làm phân vi sinh từ bùn sau phân hủy, phục vụ cho nông nghiệp - Nghiên cứu, lựa chọn thiết bị, công nghệ nhƣ xác định tiêu kinh tế, đánh giá hiệu kinh tế nhằm đánh giá tính khả thi công nghệ xử lý chất thải này, hệ thống quản lý chất thải đô thị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hiếu Nhuệ, Ứng Quốc Dũng, Nguyễn Thị Kim Thái (2001), Quản lý chất thải rắn - tập 1, NXB Xây Dựng, Hà Nội [2] Vӧgeli Y., Lohri C R., Gallardo A., Diener S., Zurbrügg C (2014), Anaerobic Digestion of Biowaste in Developing Countries: Practical Information and Case Studies, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag), Dübendorf, Switzerland [3] Bộ Tài nguyên Môi trƣờng (2011), Báo cáo môi trường quốc gia 2011 Chất thải rắn, Hà Nội [4] Nguyễn Văn Phƣớc, Nguyễn T Thùy Diễm, Nguyễn H Lan Thanh (2010), “Công nghệ lên men metan kết hợp phát điện – giải pháp xử lý rác cho thị lớn, góp phần kìm hãm biến đổi khí hậu”, Tạp chí phát triển Khoa học Công nghệ, tập 13 (số M2) [5] Yusuf, M.O.L.; Debora, A.; Ogheneruona, D.E (2011), “Ambient temperature kinetic assessment of biogas production from co-digestion of horse and cow dung”, Res Agr Eng Vol (No 4) [6] Thủ tƣớng Chính phủ ban hành ngày 05/05/2014, định số 31/2014/QĐ-TTg,“Về chế hỗ trợ phát triển dự án phát điện sử dụng chất thải rắn Việt Nam” [7] Virgina Tech (2009), Biomethane Technology, E.R.Collins, US [8] Trần Thị Mỹ Diệu (2010), Quản lý chất thải rắn sinh hoạt, TP HCM [9] Melvin S Finstein (2010), “Anaerobic Digestion Variants in the Treatment of Solid Wastes”, Vol (No 4) [10] Ramanathan, G.; Vinodhkumar, T.; Safeena, M.; Immanuel suresh, J (2013), “Bio- Methanation of Marine Cyanobacteria and Seaweed Biomass for Biogas Production By Codigestion with Slaughter House Waste”, International Journal of Science Innovations and Discoveries Vol (No 3) [11] Dinh Quang Hung, Do Trong Mui, Nguyen Vo Hai Yen, Hoang Thi Cuc, "Potential of biogas prodcution from vegestable waste in Ha Noi", Proceeding of the 10th Regional conference on environmental engineering 2017 (RC EnvE 2017) Bach Khoa Publishing House October 2017