Nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học kỵ khí thu metan từ hỗn hợp rác thải sinh hoạt kết hợp bùn thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỂN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC KỲ KHÍ THU METAN TỪ HỖN HỢP RÁC THẢI SINH HOẠT KẾT HỢP BÙN THẢI Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS TRẦN MẠNH TRÍ HDP: PGS.TS ĐỖ QUANG TRUNG Hà Nội – Năm 2015 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng biểu Bảng 1.1 Tên bảng biểu Lƣợng bùn thải đô thị Hà Nội năm 2012 Trang Khối lƣợng riêng hàm lƣợng ẩm chất thải có Bảng 1.2 rác thải sinh hoạt 10 Bảng 1.3 Vi sinh vật sinh axit hữu 16 Bảng 1.4 Vi sinh vật sinh metan 17 Bảng 1.5 Một số chất ức chế trình sinh khí metan 23 Bảng 1.6 Ƣu điểm nhƣợc điểm ủ yếm khí so với hiếu khí 24 So sánh đặc điểm phƣơng pháp kỵ khí Bảng 1.7 phƣơng pháp hiếu khí 26 Bảng 2.1 Danh mục thiết bị sử dụng trình phân tích mẫu 34 Bảng 2.2 Hóa chất phân tích 36 Bảng 2.3 Tính khối lƣợng riêng bùn 37 Bảng 3.1 Một số tiêu hóa lý bùn thải sông Kim Ngƣu 41 Bảng 3.2 Bảng kết theo dõi hàm lƣợng CODt theo thời gian 43 Kết phân tích T-N đầu vào đầu thí Bảng 3.3 nghiệm 43 Kết phân tích hàm lƣợng T-P đầu vào đầu Bảng 3.4 thí nghiệm 45 Bảng 3.5 Bảng kết theo dõi hàm lƣợng CODt theo thời gian 46 Bảng 3.6 Kết phân tích thành phần TS - TVS đầu vào đầu 49 Bảng 3.7 Bảng theo dõi giá trị pH theo thời gian ủ 51 Bảng 3.8 Bảng theo dõi lƣợng khí sinh theo thời gian 52 Tỷ lệ thành phần trung bình khí khí sinh Bảng 3.9 học 55 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Hình 1.1 Tên hình vẽ Hình ảnh ô nhiễm thực tế sông Kim Ngƣu Trang Tóm tắt phản ứng sinh hóa trình phân Hình 1.2 hủy yếm khí 14 Chuyển đổi sinh học hệ thống hiếu khí yếm Hình 1.3 khí 25 Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD Hình 2.1 - W8 32 Cách bố trí thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD Hình 2.2 -W8 33 Thực nghiệm xác định khối lƣợng riêng bùn Hình 2.3 thải 34 Hình 2.4 Quá trình thực nghiệm phối trộn BT RTHC 36 Hình 3.1 Độ sụt giảm hàm lƣợng T-N sau 30 ngày ủ 44 Hình 3.2 Độ sụt giảm hàm lƣợng T-P sau 30 ngày ủ 45 Mô tả thay đổi giá trị COD-t theo thời gian Hình3.3 hỗn hợp phản ứng thí nghiệm với thành 47 phần nguyên liệu đầu vào khác Phần trăm CODt bị loại bỏ thí nghiệm Hình 3.4 theo thành phần đầu vào khác 48 Hình 3.5 Kết phân tích thành phần phần trăm TS TVS 49 đầu vào Kết phân tích thành phần phần trăm TS TVS Hình 3.6 đầu 50 Hình 3.7 Sự dao động pH theo thời gian ủ 52 Hình 3.8 Khả tạo khí theo thời gian thí nghiệm 54 BẢNG VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích AD - W8 Anaerobic Digester W8 COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học) TS Total Solid (Tổng chất rắn) VS Volatiled Solids (Tổng chất rắn dễ bay hơi) T-N Total Nitrogen (Tổng Nitơ) T-P Total Phosphorus (Tổng Photpho) FID Flame Ionitation Detecto DS Dry Substance VSV Vi sinh vật VK Vi khuẩn CTHC Chất thải hữu CTR Chất thải rắn TN Thí nghiệm BT Bùn thải RTHC Rác thải hữu LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Trần Mạnh Trí giao đề tài nhiệt tinh giúp đỡ, cho em kiến thức quý báu trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Đỗ Quang Trung, thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn môn hóa Môi trƣờng, cô giáo PGS TS Tạ Thị Thảo môn hóa Phân tích thầy cô phòng thí nghiệm Hóa môi trƣờng tận tình bảo hƣớng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn phòng Thí nghiệm Khoa Hóa học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, phòng Thí nghiệm chất thải rắn 709 – trƣờng Đại học Xây dựng Hà nội tạo điều kiện giúp đỡ em trình làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phòng thí nghiệm Hóa môi trƣờng giúp đỡ trình tìm tài liệu làm thực nghiệm Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Tổng quan bùn thải đô thị thực trạng quản lý bùn thải đô thị Hà Nội 1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải đô thị 1.1.2 Đặc điểm bùn thải đô thị 1.1.3 Các phƣơng pháp xử lý bùn thải đô thị 1.2 Tổng quan rác thải sinh hoạt 1.2.1 Nguốn gốc phát sinh đặc điểm rác thải sinh hoạt 1.2.2 Các phƣơng pháp xử lý rác thải sinh hoạt 12 1.3 Phƣơng pháp lên men phân hủy yếm khí 13 1.3.1 Cơ chế trình phân hủy yếm khí 14 1.3.1.1 Giai đoạn thủy phân 15 1.3.1.2 Giai đoạn lên men axít .15 1.3.1.3 Giai đoạn sinh khí metan 16 1.3.2 Sản phẩm trình phân hủy yếm khí-Biogas 18 1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình phân hủy yếm khí .19 1.3.3.1 Nguyên liệu đầu vào .19 1.3.3.2 PH, độ kiềm tỷ lệ axít béo dễ bay hơi/độ kiềm 20 1.3.3.3 Nhiệt độ .21 1.3.3.4 Thời gian lƣu lên men phân hủy yếm khí 22 1.3.3.5 Ảnh hƣởng chất khoáng số độc tố nguyên liệu 22 1.3.3.6 Sự cạnh tranh vi khuẩn lƣu huỳnh vi khuẩn metan 23 1.3.3.7 Tính chất chất chất gây độc 24 1.4 So sánh trình xử lý yếm khí hiếu khí .24 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1 Đối tƣợng nội dung nghiên cứu 28 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 28 2.1.1.1 Cơ sở lựa chọn phạm vi đối tƣợng nghiên cứu 28 2.1.1.2 Đối tựợng phạm vi nghiên cứu 28 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 29 2.1.2.1 Mục đích nghiên cứu 29 2.1.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 30 2.2 Lấy chuẩn bị mẫu 30 2.3 Thiết bị nghiên cứu 31 2.4 Chuẩn bị nguyên liệu nạp 33 2.5 Nạp mẫu vào bể phản ứng 35 2.6 Chuẩn bị hóa chất thiết bị máy móc cho trình phân tích mẫu .36 2.7 Các thông số theo dõi phân tích trình thực phản ứng kết thúc 38 2.8 Xác định thành phần khí sinh 39 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Đặc điểm bùn thải sông Kim Ngƣu 41 3.2 Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu phƣơng pháp lên men yếm khí 42 3.2.1 Sự giảm hàm lƣợng Nitơ tổng (T-N) 43 3.2.2 Sự giảm hàm lƣợng Phốt tổng (T-P) 44 3.2.3 Khả loại bỏ COD tổng (CODt) 46 3.2.4 Khả loại bỏ tổng chất rắn tổng chất rắn bay 48 3.2.5 Sự thay đổi giá trị pH theo thời gian phản ứng 51 3.2.6 Khả sinh khí sinh học thành phần khí CH4 52 KẾT LUẬN .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt TS Trần Thị Mỹ Diệu TS Nguyễn Trung Việt, (2007), Giáo trình quản lý chất thải sinh hoạt Giáo trình quản lý chất thải nguy hại, Công ty Môi trƣờng Tầm nhìn xanh Cao Vũ Hƣng (2014), Nghiên cứu chuyển hóa số yếu tố gây ô nhiễm trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu phương pháp lên men nóng, Luận án tiến sỹ, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội Sổ tay hƣớng dẫn thu gom sử lý rác hộ gia đình (2013) , Nhà xuất Hà nội Nguyễn Thị Kim Thái (1996), l bả thải t c ng nghiệp chế biến tinh bột phương pháp k khí u kiện khí hậu việt n m, Luận án PTS Khoa học kỹ thuật, Trƣờng đại học Xây dựng, Hà nội Nguyễn Thị Kim Thái, Trần Hiếu Nhuệ, ng Quốc Dũng (2001), iáo tr nh uản l chất thải rắn, Nhà xuất Xây dựng, Hà nội Nguyễn Thị Kim Thái (2002-2003) , i giảng quản l chất thải rắn đ thị, Khoa kỹ thuật môi trƣờng-Trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội Nguyễn Thị Kim Thái (2004), N m-Đ l ph n b n bể tự hoại đ thị Việt uất m h nh c ng nghệ ph hợp, Nhà xuất Xây dựng, Hà nội Tin tức Hội nghị Quốc tế lần thứ Hà nội (2015): Quản lý bùn thải t công trình vệ sinh, thông tin tải từ website: http://www.epe.edu.vn/hoi-nghiquoc-te-lan-thu-3-ve-quan-ly-bun-thai-tu-cac-cong-trinh-ve-sinh-fsm3-tai-hanoi-19-2312015-60.html truy cập ngày 1/11/2015 57 Đỗ Văn Vƣơng (2014), Nghiên cứu hiệu suất sinh Metan số chất thải hữu đặc trưng tr nh ph n hủy yếm khí, Luận văn cao học Hóa môi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội Tiếng anh 10 Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge”, Progress in Energy and Combustion Science, 34, pp 755-781 11 Armfield (2006), Instruction Manual Anaerobic Digester W8, Armfield Limited- England 12 Bolzonella D., Cavinato C., Fatone F., Pavan P., Cecchi F., (2012), “High rate mesophilic, thermophilic, and temperature phased anaerobic digestion of waste activated sludge: A pilot scale study”, Waste Management, 32, pp 1196-1201 13 Busetti F., Heitz A., Cuomo M., Badoer S., Traverso P., (2006), “Determination of sixteen polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous and solid samples from an Italian wastewater treatment plant”, J Chromatography, A 1102, pp 104-115 14 Brunn L., Dornack C., Bilitewski B., (2007), Application of laboratory scale experiments to industrial scale in case of anaerobic waste treatment, Sardinia, Eleventh International Symposium, Cagliary, Italy 15 Chongrak P., (1996), Organic Waste Recycling, WILEY, England 16 Cai Q.Y., Mo C.H., Wu Q.T., Zeng Q.Y., Katsoyiannis A., (2007a), “Occurrence of organic contaminants in sewage sludges from eleven wastewater treatment plants, China”, Chemosphere, 68, pp 1751-1762 58 17 Cecchi F., Pavan P., Alvarez J.M., Bassettit A., Cozzolinot C.,(1991), “Anaerobic digestion of municipal solid waste: Thermophilic vs Mesophilic performance at high solids”, Waste Management & Research, 9, pp 305-315 18 Carneiro T.F., Perez M., Romero L.I., (2008), “Thermophilic anaerobic digestion of source-sorted organic fraction of municipal solid waste”, Bioresource Technology, 99, pp 6763-6770 19 Chen H., Yan S.H., Ye Z.L., Meng H.J., Zhu Y.G., (2012), “Utilization of urban sewage sludge: Chinese perspectives”, Environ Sci Pollut Res, 19, pp 14541463 20 Fytili D., Zabaniotou A., (2008), “Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods - A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, pp 116-140 21 Khadhar S., Higashi T., Hamdia H., Matsuyama S., Charef A., (2010), “Distribution of 16 EPA-priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sludges collected from nine Tunisian wastewater treatment plants”, Journal of Hazardous Materials, 183, pp 98-102 22 Nguyen T.L.H., Ohtsubo M., Li L.Y., Higashi T., (2007), “Heavy Metal Pollution of the To-Lich and Kim-Nguu River in Hanoi City and the Industrial Source of the Pollutants”, J Fac Agr., Kyushu Univ., 52(1), pp 141-146 23 Oleszczuk P., (2007), “Changes of polycyclic aromatic hydrocarbons during composting of sewage sludges with chosen physico-chemical properties and PAHs content”, Chemosphere, 67, pp 582-591 24 P Villar., Callejon M., Alonso E., Jimenez J.C., Guiraum A., (2006), “Temporal evolution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sludge from 59 wastewater treatment plants: Comparison between PAHs and heavy metals”, Chemosphere, 64, pp 535-541 25 Perez S., Guillamon M., Barcelo D., (2001), “Quantitative analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage sludge from wastewater treatment plants”, Journal of Chromatography, A, 938, pp 57-65 26 Yan W., Chi J., Wang Zh., Huang W., Zhang G., (2009), “Spatial and temporal distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) insediments from Daya Bay, South China”, Environmental Pollution, 157, pp 1823-1830 60 [...]... (2007), Giáo trình quản lý chất thải sinh hoạt và Giáo trình quản lý chất thải nguy hại, Công ty Môi trƣờng Tầm nhìn xanh 2 Cao Vũ Hƣng (2014), Nghiên cứu sự chuyển hóa một số yếu tố gây ô nhiễm trong quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng, Luận án tiến sỹ, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội 3 Sổ tay hƣớng dẫn thu gom và sử lý rác hộ gia đình... nghệ ph hợp, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội 8 Tin tức Hội nghị Quốc tế lần thứ 3 tại Hà nội (2015): Quản lý bùn thải t các công trình vệ sinh, thông tin tải từ website: http://www.epe.edu.vn/hoi-nghiquoc-te-lan -thu- 3-ve-quan-ly-bun-thai-tu-cac-cong-trinh-ve -sinh- fsm3-tai-hanoi-19-2312015-60.html truy cập ngày 1/11/2015 57 9 Đỗ Văn Vƣơng (2014), Nghiên cứu hiệu suất sinh Metan của một số chất thải hữu... (1996), l bả thải t c ng nghiệp chế biến tinh bột bằng phương pháp k khí trong đi u kiện khí hậu việt n m, Luận án PTS Khoa học kỹ thu t, Trƣờng đại học Xây dựng, Hà nội 5 Nguyễn Thị Kim Thái, Trần Hiếu Nhuệ, ng Quốc Dũng (2001), iáo tr nh uản l chất thải rắn, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội 6 Nguyễn Thị Kim Thái (2002-2003) , i giảng quản l chất thải rắn đ thị, Khoa kỹ thu t môi trƣờng-Trƣờng Đại học Xây... http://www.epe.edu.vn/hoi-nghiquoc-te-lan -thu- 3-ve-quan-ly-bun-thai-tu-cac-cong-trinh-ve -sinh- fsm3-tai-hanoi-19-2312015-60.html truy cập ngày 1/11/2015 57 9 Đỗ Văn Vƣơng (2014), Nghiên cứu hiệu suất sinh Metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá tr nh ph n hủy yếm khí, Luận văn cao học Hóa môi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội Tiếng anh 10 Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated