Primary testing and assessing anaerobic digestion of food waste in

Trang 1 1HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020BƯỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ MƠ HÌNH Ủ YẾM KHÍ RÁC THẢI BẾP TRONG ĐIỀUKIỆN NHIỆT

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 BƯỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ MÔ HÌNH Ủ YẾM KHÍ RÁC THẢI BẾP TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ CAO PRIMARY TESTING AND ASSESSING ANAEROBIC DIGESTION OF FOOD WASTE IN THE HIGH TEMPERATURE CONDITION SVTH: Tạ Thị Vi, Mai Đức Thắng Lớp: 18MT1, Khoa Cơng nghê Hóa học- Mơi trường, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng GVHD: TS Phạm Phú Song Tồn Khoa: Cơng nghệ Hóa học – Môi trường, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Sử dụng sinh khối từ chất thải làm nguyên liệu để Abstract - Using biomass from waste as a raw materials to thu hồi biogas giải pháp có từ lâu, nhiên, với recover biogas is a long-standing solution However study and nguyên liệu thức ăn thừa hướng chưa application on leftovers is a new direction that has not been ứng dụng nhiều Nghiên cứu tập trung xây dựng hệ applied widely Therefore, this study focused on building an thống ủ yếm khí (Anaerobic Digestion – AD) vận hành hệ anaerobic digestion system (AD) and operating the system under thống điều kiện hấp thụ lượng mặt trời tự nhiên Từ natural solar absorption conditions Then, the ability to retain heat đánh giá khả giữ nhiệt hệ thống trình chuyển of the system and the operating progress of the AD system in the high temperature condition will be observed and preliminary biến hệ AD vận hành điều kiện nhiệt độ cao assessed Từ khóa - Biogas; khí Methane; rác thải bếp; yếm khí ưa Key words - Biogas; Methane; kitchen waste; thermophilic nhiệt; xử lý rác thải anaerobic; solid waste treatment Đặt vấn đề: mặt trời cho hệ thống AD khó, việc giữ nhiệt cho Trong tình hình xã hội nay, có nhiều loại chất hệ thống vận hành 24 khó Sự thích nghi vi sinh vật ưa nhiệt kích hoạt hệ thống phải thải gây ô nhiễm đến môi trường, điển hình nghiên cứu chuyên sâu Nghiên cứu mở chiếm phần lớn rác thải bếp (rác thải hữu cơ) Tuy hướng để cải thiện hiệu hệ thống AD nhiên, rác thải bếp chưa xử lý cách truyền thống hiệu quả, chủ yếu đưa trạm xử lý để chôn lấp Vậy sao, không tận dụng nguồn tài nguyên có Mục tiêu nghiên cứu sẵn để tạo nguồn lượng mà vừa giảm Trong thời gian hạn chế, nghiên cứu tâp trung vào thiểu lượng rác thải mơi trường? Vì thế, chúng tơi tìm hiểu thiết kế mơ hình ủ yếm khí rác thải hữu cơ- số mục tiêu sau: Hệ thống ủ yếm khí (Anaerobic Digestion) để thu hồi khí  Thiết kế xây dựng mơ hình ủ yếm khí rác thải Biogas hữu nhiệt độ cao (Heating-Anaerobic Digestion model– H-AD) thu Biogas với quy mô Hệ thống ủ yếm khí (Anaerobic Digestion) nhỏ (100l) ứng dụng từ lâu nguyên liệu từ hoạt động chăn  Vận hành thử nghiệm hệ thống H-AD, với hệ thống ni nơng nghiệp từ hộ gia đình Nhưng thu nhiệt từ lượng mặt trời nguyên liệu rác thải bếp thức ăn thừa  Đánh giá hiệu thu giữ nhiệt bể phản nghiên cứu chưa ứng dụng Việt Nam ứng hệ thống H-AD lượng mặt trời suốt trình vận hành Bên cạnh đó, q trình ủ yếm khí truyền thống thường  Đánh giá sơ trình AD diễn với điều kiện trung bình từ 30 đến 40 ngày Thời gian ủ lâu rào nhiệt độ cao cản trình xử lý, làm cho hệ thống ủ cồng kềnh, chiếm diện tích Cơ sở khoa học: Vậy, làm để giảm thời gian lưu chất  Các loại vi sinh vật có hệ thống yếm khí: hệ thống AD? Có nhiều giải pháp nghiên cứu dựa + Các lồi khơng sinh khí metan: Clostridium, thay đổi chủng vi sinh vật phân hủy hay Bactericider, Bacteroides, Butyric, việc tách trình phân hủy liên tục thành trình Butyrivibrio,… riêng lẻ Mỗi trình có ưu nhược điểm riêng việc thay đổi tốn chi phí đầu tư lẫn vận hành + Các lồi sinh khí metan: Methanobacterium, Methanothermobacter gen nov, Điểm thú vị đề tài nghiên cứu Methanobrevibacter, Methanococcus,… đẩy nhanh hiệu phản ứng, xử lý hệ thống AD hệ vi sinh vật ưu nhiệt (Hoạt động từ 50- 70oC) Hầu vi sinh vật phát triển tối ưu ngưỡng nhiệt độ từ 32- 60oC Nhiệt độ 10OC đối tượng có khả phân hủy chất nhanh 60oC làm hoạt động vi khuẩn khí biogas nhiều lần so với hệ vi sinh sống điều kiện thơng khơng sinh Ở Việt Nam, nhiệt độ thường Đặc biệt hơn, nhiệt lượng sử dụng từ trung bình từ 18oC- 32oC thuận lợi cho hoạt động vi lượng mặt trời Việc hấp thu nhiệt từ lượng Tạ Thị Vi, Mai Đức Thắng sinh vật sinh khí metan Firmicules , Bacteriodetes, Clostridiales,…  Q trình sinh khí Biogas bao gồm giai đoạn: + Giai đoạn 1: Quá trình thủy phân Hình 1: Sự phát triển nhóm vi sinh vật Bắt đầu trộn hỗn hợp thức ăn thừa phân hữu Hiệu xử lý: Nhờ vi sinh vật ưa nhiệt phân hủy chất hữu cao (đặc biệt chất xơ), pH cao vào bể sinh khí, bắt đầu q trình lên men, tác dụng suất khí metan(CH4) cao Khi nâng nhiệt loại men khác nhiều vi sinh vật tiết độ lên ngưỡng 60oC làm ức chế chết vi Các chất hữu phức tạp phân giải thành sinh vật gây độc cho bể sống nhiệt độ thấp chất đơn giản, dễ bay sinh khí CO2, H2S, NH4,… Phương pháp nghiên cứu: 4.1 Thiết kế xây dựng hệ thống thí nghiệm - pH: 4.9 Mơ hình ủ yếm khí Anaerobic Digester (AD) - Vi khuẩn: Closdium, Bacillus… thiết kế chế tạo hình 2, bao gồm: + Giai đoạn 2: Quá trình axit hóa  Khung sắt chiều cao 1200cm bề rộng là70 Giai đoạn lên men hay giai đoạn đầu trình bán thủy phân, nhờ vi khuẩn chuyển hóa hydrater carbon cm sản phẩm giai đoạn Quá trình sản sinh  Thùng nhựa (120l) chứa nguyên liệu đặt sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu, thối - pH môi trường dịch phân hủy mức lòng khung sắt  Trong thùng nhựa có gắn hệ thống máy bơm nước  Censor đo nhiệt độ pH, đầu dây đo pH nhiệt - Vi khuẩn: Acetogenic bacteria + Giai đoạn 3: Axetat hóa đặt thùng hệ thống để đảm bảo xác Các vi khuẩn lên men metan chưa thể sử dụng sản định nhiệt độ pH xác phẩm q trình để tạo thành Metan, nên giai  Phía góc phải đặt hệ thống times có hiển thị đoạn tiếp tục phân giải để tạo phân tử đơn giản thông số nhiệt độ pH nhờ vi khuẩn Axetat hóa  Phía sau lắp hệ thống lọc khí gồm đầu lọc Đầu - pH môi trường dịch bể phân hủy chuyển chứa nước vôi để lọc khí CO2, đầu chứa phơi sắt để lọc khí H2S, đầu lọc silacagen để sang kiềm tối ưu khoảng 6.8- 7.8 hút ẩm, loại bỏ nước khỏi khí - Vi khuẩn: Acetatec bacteria  Bình thu khí đặt phía sau hệ thống lọc + Giai đoạn 4: Metan hóa khí Đường ống dẫn khí từ thùng nguyên liệu Hình thành khí metan, q trình phân giải kị khí tạo qua lọc khí vào bình chứa khí thành hỗn hợp sản phẩm, khí metan chiếm thành  Lớp nilon bao xung quanh khung sắt để thu giữ phần lớn Quá trình hình thành khí metan xảy với nhiệt từ lượng mặt trời đường Nhờ vi khuẩn hydrogenotrophic methanogen sử dụng chất hydro CO2 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Nhờ vi khuẩn acetotrophic methanoen chuyển hóa axetat hành metan CO2 CH3COOH → CH4 + CO2 Nhờ vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải chất chứa nhóm metyl: CH3OH +H2 →CH4 +2H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 - pH: 6,5 - 7,5 - Vi khuẩn: Metanogen bacteria Khí metan chiếm 64%, CO2 30%, cịn lại khí khác nước, H2S,… Đồ thị Hình cho thấy nhóm vi sinh vật ưa nhiệt (450 – 800) có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn, xử lý nhanh Vì vậy, ý tưởng giảm thời gian lưu bể AD cách tạo mơi trường nhiệt độ thích hợp để ưu tiên vi sinh ưu nhiệt phát triển Tuy nhiên, nhiệt độ cao làm cho đa dạng sinh vật thấp so với bể yếm khí điều kiện bình thường - Các vi sinh vật ưa nhiệt yếm khí xác định: HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Hình 2: Mơ hình hệ thống AD Hình 3: Bộ times theo dõi pH nhiệt độ 4.2 Vận hành hệ thống thí nghiệm 4.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu Kết nghiêm cứu dựng hệ thống thí nghiệm Bước đầu thiết kế xây thiết bị sau: Các nguyên liệu phải chuẩn bị kỹ trước cho vào hệ thống Kích thước nguyên liệu vào hệ hoàn chỉnh thống từ 1– 2cm để đảm bảo cho trình xử lý nhanh, Mơ hình chế tạo gồm khơng dễ lắng không bị tắc nghẽn hệ thống - Bể chứa nguyên liệu - Máy bơm nước - Bộ lọc khí - Bình chứa khí - Bộ times - Khung sắt - Ống dẫn khí - Dây đo nhiệt độ, pH Hình 2: Quá trình cắt nhỏ nguyên liệu Hình 4: Hệ thống thí nghiệm 4.2.2 Nạp nguyên liệu hệ thống Hệ thống vận hành 30 ngày để xác đinh hiệu thu trì lượng hệ thống từ lượng mặt trời Nguyên liệu cho vào bể chứa phối trộn Đồng thời theo dõi đánh giá trình phân huy vật chất sau: nước : nguyên liệu (3 phân hữu ủ : thức có bể điều kiện nhiệt độ cao ăn thừa) 4.2.3 Vận hành hệ thống Nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ 80 Sau cho nguyên liệu vào bắt đầu vận hành hệ thống Máy bơm lắp thùng chứa 60 hoạt động theo thời gian để bơm nước thực trình khuấy trộn làm tăng diện tích tiếp xúc giúp phản ứng 40 xảy nhanh Máy bơm lắp thùng chứa cài đặt hẹn (5 phút bơm lần thời gian nghỉ 30 phút) để thực việc khuấy trộn làm tăng diện tích tiếp xúc giúp phản ứng xảy nhanh tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh q trình sinh khí Nó cịn làm giảm thiểu lắng đọng chất rắn xuống đáy thùng tạo bọt váng mặt hầm ủ Trong thời gian vận hành, thông số pH, nhiệt độ xác định ngày, Các thông số hiển thị hình 20 10 11 12 13 14 15 16 17 5h 7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h Hình 5: Biểu đồ đo nhiệt độ hàng ngày hệ thống Dựa vào biểu đồ đo nhiệt độ nhận thấy nhiệt độ mơ hình thí nghiệm có tăng cao Nhiệt độ dao động từ 47oC - 69,2oC cao so với nhiệt độ ban ngày lúc cao 37oC cho thấy trình thu nhiệt tốt hệ thống Nhiệt độ tăng cao 69,2oC thấp 47oC Nhiệt độ vào ban đêm giảm xuống thấp so với ban ngày từ 4oC - 7oC có lúc vào ngày thứ 12, ngày thứ 13 chênh Tạ Thị Vi, Mai Đức Thắng lệch đến 13,8oC cho thấy hệ thống giữ nhiệt chưa tốt hữu ích để giảm vấn nạn rác thải Đà Nẵng Điều cho thấy chệnh lệnh nhiệt độ lớn có nhiều thành phố khác Việt Nam Ủ yếm khí thể ảnh hưởng đến q trình sinh trưởng vầ phát triển thơng thường lâu Ủ hiếu khí nhiệt độ cao cân hệ vi sinh vật nhắc giải pháp rút ngắn thời gian xử lý Nghiên cứu xây dựng hệ thống vận hành thử nghiệm Biểu đồ thể thay đổi pH hệ thống 30 ngày thu số kết luận sau: 7.2 (1) Việc thu lượng từ mặt trời cách tự nhiên đạt nhiệt độ khoảng 60 đến 700C thể tích 100L dung dịch xử lý 6.8 6.6 (2) Việc giữ nhiệt hệ thống tốt, với 6.4 dao động nhiệt ngày không lớn 6.2 (3) Tuy nhiên, hệ vinh sinh tự nhiên kích hoạt từ phân gia súc thể khơng thể thích 5.8 nghi với điều kiện nhiệt độ cao Vì thế, việc 5.6 tuyển chọn bổ sung vi sinh vật phù hợp cho 5.4 hệ thống AD cần cân nhắc bước tiếp 5.2 10 11 12 13 14 15 16 17 theo 5h 7h 9h 11h 13h Từ kết này, nhóm nghiên cứu đề xuất kế 15h 17h 19h hoạch nghiên cứu cho bước cần cụ thể phân tích chi tiết, số điểm cần cải thiện Hình 6: Biểu đồ pH hàng ngày hệ thống (1) Cải thiện hệ thống giữ nhiệt hệ thống để giảm Dựa vào biểu đồ đo pH cho thấy pH giai đoạn đầu bị chênh lệch nhiệt đáng kể tụt xuống trình thủy phân acid hóa diễn nhanh pH nâng lên để tạo môi trường (2) Nghiên cứu bổ sung vi sinh vật ưu nhiệt đặc cho vi sinh vật phát triển Từ pH dao động từ 5,9 – chủng để hỗ trợ làm giàu hệ vi sinh bể 6,87 có ổn định sau (3) Phân tích thơng số đầu vào để xác định Tuy nhiên qua trình sinh khí theo dõi thấy hiệu hệ thống hạn chế Chủ yếu xuất thời gian đầu trình xử lý Đây sản phẩm trình thủy phân Tài liệu tham khảo acid hóa Vi sinh vật metan khơng tồn ngưỡng nhiệt độ cao làm cho hiệu suất sinh metal giảm [1] Nguyễn Quang Khải, Giáo trinh công nghệ khí sinh học, NXB lao đáng kể Bên cạnh đó, việc cấy vi sinh phù hợp cho môi động xã hội Hà Nội - 2002 trường vận hành nhiệt độ cao không thực mục tiêu giai đoạn ngày nghiên cứu sơ thử [2] Nguyễn Duy Thiện, Cơng trình lượng khí sinh vật biogas, nghiệm để quan sát q trình NXB Xây dựng Hà Nội- 2002 Kết luận [3] Nguyễn Quang Khải, “Xây dựng vận hành thiết bị khí sinh học Việc xử lý yếm khí rác hữu từ hoạt động sinh hoạt Viện nghiên cứu KHKT Điện lượng Hà Nội – 1990 bắt đầu nhen nhóm hy vọng tìm giải pháp [4] Nguyễn Hồng Sơn, “Q trình vi sinh hóa metan (CH4) tượng gây thối từ hầm Biogas”, “Mạng an ninh lượng thực giảm nghèo”