Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí

BẢNG VIẾT TẮT Kí hiệu Giải thích AD W8 Anaerobic Digester W8 COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học) BOD Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học) VS Tổng chất rắn dễ bay hơi VSV Vi sinh vật VK Vi khuẩn CTHC Chất thải hữu cơ CTR Chất thải rắn DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 VSV sinh axit hữu cơ 8 1.2 VSV sinh metan 9 1.3 Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV 11 1.4 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA, 1979) 15 1.5 Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí 18 1.6 So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu khí 20 2.1 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí glucozơ. 27 2.2 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí tinh bột. 30 2.3 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí protein 31 3.1 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 32 3.2 Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 33 3.3 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 34 3.4 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. 36 3.5 Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. 36 3.6 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. 37 3.7 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). 39 3.8 Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). 40 3.9 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin). 41 3.10 Thể tích metan và cacbonic sinh ra từ 1 kg vật liệu trong điều kiện yếm khí. 43 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Xử lý nước thải tinh bột sắn theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh 3 1.2 Xây dựng hầm biogas ở nông thôn 4 1.3 Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí 6 1.4 Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí CH 4 và ảnh hưởng của nhiệt độ 12 1.5 Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và giá trị pH 13 1.6 Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí 19 2.1 Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nước thải yếm khí AD W8 23 2.2 Cách bố trí lại thiết bị AD W8 24 2.3 Máy AD-W8 đang hoạt động theo cách bố trí mới 25 3.1 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của glucozơ 33 3.2 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của glucozơ 34 3.3 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của tinh bột 37 3.4 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của tinh bột 38 3.5 Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của protein 40 3.6 Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của protein 41 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………… 1 Chương 1 - TỔNG QUAN………………………………………………… 2 1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)……………………… 2 1.2. VSV và VSV yếm khí. ……………………………………………… 5 1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học………………………. 5 1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ………………………………………………………………………. 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM…………………………………………… 22 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu……………………………………… 22 2.2. Thiết bị và hoá chất nghiên cứu………………………………………. 22 2.3. Quy trình thực nghiệm………………………………………………… 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN………………………………. 32 KẾT LUẬN ………………………………………………………………. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 45 1 LỜI MỞ ĐẦU Xã hội phát triển, nhu cầu của con người được thỏa mãn ngày càng nhiều. Tuy nhiên đi đôi với nó là nhiều vấn đề phát sinh. Hai vấn đề nghiêm trọng chính là ô nhiễm môi trường và cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch. Để phát triển sản xuất con người đã đưa vào môi trường nhiều chất thải độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước, không khí trong đó các chất thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ quan trọng. Bên cạnh đó là việc khai thác quá mức các nguồn tài năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá…làm cho các nguồn tài nguyên này đang có nguy cơ cạn kiệt. Một trong những hướng góp phần giải quyết các vấn đề trên đó là tận dụng các chất thải hữu cơ để tạo ra nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch. Biogas- chứa một lượng lớn khí metan, có khả năng cung cấp năng lượng rất tốt, khí này được sinh ra trong quá trình các VSV yếm khí phân hủy các chất hữu cơ-là một hướng đi đang được chú ý. Chúng ta có thể tận dụng các chất hữu cơ trong rác thải để tạo ra năng lượng phục vụ sinh hoạt, sản xuất. Vấn đề đặt ra ở đây là với một lượng rác thải chứa chất hữu cơ ta có thể thu được bao nhiêu metan, có hiệu quả kinh tế không khi ta đem rác thải đó đi lên men để sinh metan? Đề tài của tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí” phần nào trả lời câu hỏi đó. 2 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam Thị trường tiềm năng cho sản xuất biogas tại Việt Nam là rất lớn, nhưng cho đến nay chưa được khai thác triệt để. Chỉ có 0,3% trong số17.000 các trang trại lớn đã sử dụng khí sinh học. Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải. Tương tự như vậy, một lượng lớn rác thải đô thị và rác thải chế biến nông sản, chẳng hạn như đường và sắn, cũng chưa được sử dụng đúng mức và cả hai loại chất thải này đều gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường và lãng phí tài nguyên. Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí đã trở thành một hệ thống được áp dụng rộng rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh đã được lắp đặt tại vùng nhiệt đới, á nhiệt đới và ở vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v.v…). Ở Việt Nam nhiều nơi đã sử dụng nhiều mô hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với các quy mô lớn nhỏ khác nhau. Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, công ty Cổ phần khoai mì nước trong phối hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đã đưa vào sử dụng nhà máy xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia Nước Trong tại xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh. 3 Hình 1.1. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh Nhà máy sử dụng công nghệ phân hủy yếm khí hiện đại, đang được áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Nhà máy xây dựng với vốn đầu tư 1 triệu USD, chuyên sản xuất khí Biogas với công suất 2 triệu m 3 /năm và khắc phục trên 90% vấn đề ô nhiễm. Mặt khác nó sẽ tạo ra một giá trị kinh tế lớn là cung cấp khí biogas làm nhiên liệu đốt cho các lò đốt để sấy bột. - Nhà máy xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình: Nước thải từ quá trình sản xuất bia ong được xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống giống với mô hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại Lâm. Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m 3 /ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt. 4 Quy mô hộ gia đình Hình 1.2. Xây dựng hầm biogas ở nông thôn Thường tại các hộ gia đình chăn nuôi lợn, trâu bò lượng chất thải từ quá trình chăn nuôi thường nhiều và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (biogas). Trong những năm qua việc xây dựng hầm khí biogas đã phát huy được hiệu quả và đang được coi là biện pháp tiết kiệm của người dân. Được sự quan tâm và đầu tư của nhà nước cũng như các dự án đầu tư của nước ngoài rất nhiều vùng nông thôn đã xây dựng mô hình khí sinh học biogas. Tiềm năng sử dụng biogas trong tương lại có thể là dùng để phát điện, bã thải sinh học cho các loại phân bón hữu cơ và nhiên liệu sinh học. 5 1.2. VSV và VSV yếm khí. VSV là một thế giới sinh vật nhỏ bé, đơn bào rất đông đúc trong tự nhiên. Tế bào của chúng chỉ nhìn được qua kính hiển vi phóng đại từ 400 đến 1000 lần. VSV bao gồm có VK, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut (siêu VK). Trong nước thải, chủ yếu là các loại VSV dị dưỡng hoại sinh, chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ, biến đổi các chất này thành các chất đơn giản như CO 2 , H 2 O, CH 4 , H 2 S… VSV yếm khí là những VSV sống trong điều kiện không có oxy, chúng rất đa dạng và phong phú về chủng loại. 1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí. 1.3.1. Nguyên liệu Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật. - Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc , các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ, hải sản - Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân cây thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…), rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi ) và các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh ). Các loại nước thải như: nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm 1.3.2. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: 6 Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau: + Giai đoạn 1: Thủy phân. + Giai đoạn 2: Lên men axit. + Giai đoạn 3: Metan hóa. Hình 1.3. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí 1.3.2.1. Giai đoạn thủy phân. Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohidrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Một vài loại ở dạng không hòa tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào (sản sinh bởi các VK). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo. Chất hữu cơ Tổng axit Cacbonhydrate Chất béo Aminoaxit Đường đơn Protein Amôn Tổng axit bay hơi Vi khuẩn CO 2 Axetat CH 4 H 2 CO 2 Thủy phân Lên men axit Sinh metan Chất hữu cơ Lên men yếm khí CH 4 + CO 2 + H 2 + NH 3 +H 2 S [...]... rác thải bất kỳ có chứa các chất hữu cơ trên Tất nhiên là trên cơ sở chúng ta đã biết thành phần của các loại rác thải đó 2.1.2 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng sinh metan của glucozơ - Nghiên cứu khả năng sinh metan của tinh bột - Nghiên cứu khả năng sinh metan của protein - Tính toán khả năng sinh metan của rác thải chứa các hỗn hợp các chất hữu cơ dựa trên khả năng sinh metan của từng chất. .. của quá trình phân hủy yếm khí- Biogas Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của VK trong môi trường yếm khí Thành phần chủ yếu của Biogas: Khí metan (CH4) 55 – 65% Khí Cacbonic (CO2) 35 – 45% Khí Nitơ (N2) 0 – 3% Khí Hydro (H2) 0 – 1% Khí Hiđrosulphua (H2S) 0 – 1% Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH4 chiếm một số. .. men rác thải để thu lấy biogas có giá trị kinh tế hay không 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu khả năng sinh metan của các chất hữu cơ cụ thể là: glucozơ, tinh bột và protein trong quá trình phân hủy yếm khí bằng VSV Từ đó có thể tính toán một cách tương đối lượng khí metan thu được khi phân hủy yếm khí trong điều kiện tối ưu một khối... với không khí Sản phẩm chính hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan Trong quá trình phân hủy hiếu khí, khí cacbonic hình thành được nhanh chóng chuyển vào không khí, trong khi khí cacbonic trong xử lý yếm khí thì chịu trạng thái cân bằng giữa pha khí và pha lỏng do tồn tại ở trong vùng không gian cô lập Trong nước, khí cacbonic tồn tại dưới dạng một axit... tăng VK metan sẽ thắng thế và ngược lại 1.3.4.8 Tính chất của chất nền và các chất gây độc Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân hủy, hàm lượng chất rắn hòa tan quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền Một số dẫn xuất metan như:... với loại chất thải nào để thực hiện PHYK để mang về lợi ích kinh tế cao nhất Do đó chúng ta cần phải nghiên cứu để mà xác định trước những thông số ấy, thông số quan trọng đó có thể nói đến chính là khả năng sinh khí metan của một số loại chất hữu cơ đặc trưng có trong chất thải, cũng như khoảng thời gian mà chúng phân hủy hoàn toàn, hay khoảng thời gian mà cho ra nhiều khí metan nhất Trên cơ sở đo... tích 4 số: Satorius 1801 và một số dụng cụ, thiết bị khác trong PThí nghiệm Hóa môi trường 1, 2 – Khoa hoá – 19 Lê Thánh Tông – Hoàn Kiếm - Hà Nội 2.2.2 Hóa chất và nguyên vật liệu nghiên cứu 2.2.2.1 Chất chủng Để thực hiện quá trình phân hủy yếm khí cần lấy một ít VSV ban đầu làm mồi cho quá trình phân hủy các chất hữu cơ Chất chủng dùng trong thí nghiệm này lấy từ bùn thải của bể biogas từ hộ gia đình... bảo điều kiện yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men 1.3.4.2 Nhiệt độ Nhiệt độ là một trong những thông số vận hành quan trọng của quá trình xử lý yếm khí, đặc biệt đối với nước thải có mức độ ô nhiễm không cao Trong tự nhiên metan được sản sinh ra bởi các VK trong một khoảng nhiệt độ rất rộng Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí Thông thường... protein Chất Lượng Protein (keo da trâu) 40,0 gam NH4HCO3 3,2 gam KH2PO4 1,8 gam NaHCO3 1,8 gam KHCO3 1,8 gam Dung dịch A 3,0 ml Dung dịch B 3,0 ml 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thể tích các khí thu được khi phân hủy glucozơ bằng VSV yếm khí Quá trình phân hủy yếm khí sinh metan của đường glucozơ được thực hiên như trình bày ở mục 2 Lượng glucozơ đưa vào bể phân hủy yếm khí là 36 gam Lượng khí. .. nhiên tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm Quá trình phân huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định Vì thế người ta phải lựa chọn thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu 1.3.4.6 Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên . không khi ta đem rác thải đó đi lên men để sinh metan? Đề tài của tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí phần nào trả lời. quá trình phân hủy yếm khí protein 31 3.1 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 32 3.2 Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí. biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ. 34 3.4 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột. 36 3.5 Thể tích khí metan sinh ra trong