Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp bùn và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở nhiệt độ cao để tận thu năng lượng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên đề tài: Nghiên cứu tối ưu hóa trình xử lý hỗn hợp bùn rác hữu phương pháp sinh học kỵ khí nhiệt độ cao để tận thu lượng Tác giả luận văn: Thái Mạnh Hùng Khóa: 2009-2011 Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Việt Anh, Viện KH & KTMT, ĐHXD Hà Nội TS Đinh Thúy Hằng, Viện VSV & CNSH, ĐHQGHN Nội dung tóm tắt: a- Lý chọn đề tài Công nghệ lên men tạo khí sinh học (biogas) biết đến công cụ hữu hiệu việc xử lý nguồn thải hữu cơ, làm môi trường đồng thời tạo nguồn lượng dạng khí methane Ở Việt Nam, công nghệ có mặt lâu, nhiên dạng len men ấm, triển khai chủ yếu phế thải nông nghiệp chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ, điều kiện vận hành chưa tối ưu, khí tạo không ổn định số lượng lẫn chất lượng nên chưa thực có vị trí đáng kể lĩnh vực môi trường lượng Đề tài nghiên cứu thể tính việc (i) nghiên cứu lên men kỵ khí nhiệt độ cao (55°C) (ii) kết hợp xử lý rác thải hữu bùn bể tự hoại, vấn đề thử nghiệm lần đầu Việt Nam Các yếu tố vận hành công nghệ nghiên cứu hệ thống lên men kỵ khí tạo biogas qui mô phòng thí nghiệm qui mô pilot (1000 lít) tối ưu hóa nhằm tăng hàm lượng methane biogas, đáp ứng việc tận thu lượng từ nguồn thải b- Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích luận văn tìm điều kiện tối ưu để xử lý kết hợp bùn bể tự hoại rác thải hữu công nghệ lên men kỵ khí nhiệt độ cao nhằm nâng cao chất lượng khí biogas để tận thu lượng Nghiên cứu so sánh hai chế độ vận hành theo mẻ liên tục Đối tượng nghiên cứu luận văn bùn bể tự hoại hộ nhà dân phường Bách Khoa kết hợp với rác thải hữu từ nhà hàng chuyên phục vụ ăn uống Luận văn tiến hành nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm với mô hình lít quy mô pilot 1000 lít c- Tóm tắt cô đọng nội dung đóng góp tác giả Luận văn bao gồm nội dung sau đây: - Tiến hành nuôi nguồn seeding methanogen 55oC - Thu gom bùn bể tự hoại rác hữu cơ, phân tích tiêu hóa lý - Thí nghiệm theo mẻ mô hình phòng thí nghiệm với bình thể tích lít cho tỷ lệ phối trộn theo thể tích bùn/rác khác (tỷ lệ 0/100, 10/90, 50/50, 90/10, 100/0) - Nghiên cứu thử nghiệm hệ thống bể phản ứng qui mô pilot (1000 lít) với chế độ vận hành theo mẻ (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác 50/50) vận hành liên tục (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác 90/10) Đối với vận hành liên tục, tải trọng thủy lực ban đầu áp dụng 20 lit/ngày, sau thử nghiệm mức độ khác để tìm qui trình vận hành tối ưu - Mẫu bùn bể phản ứng thu theo thời gian vận hành phân tích tiêu môi trường (COD, TS, VSS, VFA, Nitơ tổng số, P) - Mẫu khí sinh phân tích tổng thể tích thành phần trăm theo thể tích thiết bị đo chuyên dụng - Bên cạnh đó, biến động methanogen bể phản ứng theo dõi theo thời gian thông qua phân tích số lượng (quan sát kính hiển vi huỳnh quang ) thành phần loài (phân tích DGGE gen 16S rDNA) Các điểm luận văn bao gồm: - Nghiên cứu thử nghiệm lên men kỵ khí tạo biogas nhiệt độ cao (55oC), công nghệ thành công giới, nhiên chưa triển khai Việt Nam - Xử lý kết hợp bùn bể tự hoại rác thải hữu cơ, đưa tỷ lệ phối trộn phù hợp để có thành phần methane cao biogas - Phân tích thay đổi số lượng thành phần loài nhóm vi sinh vật sinh methane theo thời gian, qua xác định thời điểm xuất loài chiếm ưu bể phản ứng, sở có tác động phù hợp điều kiện môi trường cho phát triển chúng (điều chỉnh tỷ lệ C:N:P, pH, nồng độ VFA…) - Sơ đánh giá lượng thu từ chất thải sử dụng nghiên cứu thông qua công nghệ lên men nóng d- Phương pháp nghiên cứu Để thực mục tiêu đề ra, luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: Trong phòng thí nghiệm: - Vận hành mô hình thí nghiệm qui mô nhỏ - Phân tích tiêu môi trường - Nuôi cấy vi sinh vật sinh methane điều kiện kỵ khí, quan sát kính hiển vi phản pha kính hiển vi huỳnh quang - Các phương pháp sinh học phân tử (tách DNA, PCR, DGGE, giải trình tự) Trên mô hình hệ thống pilot 1000 lít: - Vận hành theo chế độ mẻ liên tục - Theo dõi điều chỉnh yếu tố môi trường, dinh dưỡng thích hợp cho methanogen hoạt động e- Kết luận - Chế độ lên men nóng sinh methane sau tuần hoạt động cho hàm lượng methane cao (78%) tỷ lệ bùn/rác 50/50 (theo thể tích ) số tỷ lệ bùn/rác phối trộn 100/0, 90/10, 10/90 0/100 - Ở chế độ vận hành theo mẻ, trình thủy phân ban đầu sinh axit làm cho pH hệ thống giảm mạnh, cần có điều chỉnh pH để methanogen hoạt động Tuy nhiên chế độ vận hành liên tục, pH cần chỉnh lần đầu, sau gần ổn định khí biogas sinh liên tục - Đề tài nồng độ VFA lớn làm ức chế methanogen, hệ thống bị đình trệ VFA nên khống chế mức 1000 mg/l - Khi vận hành chế độ liên tục, phải đảm bảo tải trọng hữu không kgCOD/m3/ngày Do đề tài tải trọng thủy lực nạp liệu 20 lít/ngày, tỷ lệ bùn/rác nên từ 10/90 đến 50/50 mà - Về mặt sinh học, kết phân tích phương pháp điện di biến tính gen 16S rDNA cho thấy methanogen đạt mật độ cao vào 30-40 ngày, nhóm chiếm ưu Methanothrix sp Methanobacterium sp Các ý kiến đề xuất: - Công nghệ lên men kỵ khí nhiệt độ cao thích hợp cho việc xử lý bùn cặn cho hiệu cao có rác hữu phối trộn Nếu công nghệ triển khai áp dụng thực tế (như đô thị lớn) nguồn khí biogas sinh đáng kể sử dụng để chạy máy phát điện - Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ lên men kỵ khí nhiệt độ cao với nguồn thải giàu hữu khác để tìm hiểu phạm vi ứng dụng công nghệ Việt Nam - Nghiên cứu sử dụng cặn bùn sau biogas làm phân vi sinh bón cho trồng, đặc biệt công nghiệp Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Người hướng dẫn Học viên PGS.TS Nguyễn Việt Anh Thái Mạnh Hùng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Thái Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HỖN HỢP BÙN VÀ RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ Ở NHIỆT ĐỘ CAO ĐỂ TẬN THU NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: CNSH09-04 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIỆT ANH TS ĐINH THÚY HẰNG Hà Nội, 2011 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng LƠ I CA M ƠN! Luận văn thuộc nghị định thư Nghiên cứu giải pháp thu gom xử lý tổng hợp chất thải theo mô hình bán tập trung cho đô thị Việt Nam, nghiên cứu điển hình Thành phố Hà Nội (Semi-San) trường Đại học Xây Dựng Hà Nội PGS.TS Nguyễn Việt Anh làm chủ trì, giáo dục nghiên cứu khoa học CHLB Đức Prof.Dr.-ing Peter Cornel thuộc trường đại học tổng hợp kỹ thuật Darmstadt chủ trì Để hoàn thành luận văn trước tiên chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Việt Anh- phó viện trưởng viện Khoa học kỹ thuật môi trường, đại học Xây Dựng Hà Nội TS Đinh Thúy Hằngtrưởng phòng sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học, đại học Quốc gia Hà Nội, hai người thầy định hướng nghiên cứu, trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình cho suốt thời gian thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học- ĐH Quốc gia Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi thời gian lẫn sở vật chất giúp hoàn thành luận văn Qua xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Khoa học kỹ thuật môi trường, ĐH Xây Dựng Hà Nội tạo điều kiện sở vật chất, đặc biệt nhóm cán nghiên cứu dự án Semi-San giúp đỡ suốt trình nghiên cứu Chuyên ngành Công nghệ sinh học Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể cán thuộc phòng thí nghiệm Sinh thái vi sinh vật- Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học- ĐH Quốc gia Hà Nội, hết lòng giúp đỡ trình nghiên cứu thực đề tài Tôi mong muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Lan Hương - môn Công nghệ sinh học - Viện Công nghệ sinh học Công nghệ thực phẩm, ĐH Bách Khoa Hà Nội góp ý, theo dõi sát tiến độ thực luận văn Qua muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo thuộc Viện Công nghệ sinh học Công nghệ thực phẩm- ĐH Bách Khoa Hà Nội trực tiếp giảng dạy khóa học Thạc sỹ Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người thân giúp đỡ, cổ vũ động viên vượt qua khó khăn suốt trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 06 tháng năm 2011 Thái Mạnh Hùng Chuyên ngành Công nghệ sinh học Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7  DANH MỤC CÁC BẢNG 9  DANH MỤC CÁC HÌNH 10  MỞ ĐẦU 12  Chương 1- TỔNG QUAN TÀI LIỆU 15  1.1 Lên men kỵ khí, nguyên lý ứng dụng 15  1.1.1 Giới thiệu chung lên men kỵ khí 15  1.1.2 Công nghệ lên men kỵ khí 16  1.1.3 Tình hình phát triển công nghệ biogas giới Việt Nam 18  1.2 Nguyên lý sinh học trình lên men kỵ khí 20  1.2.1 Giới thiệu chung .20  1.2.2 Vi sinh vật tham gia trình lên men kỵ khí 21  1.2.2.1 Nhóm - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân 22  1.2.2.2 Nhóm – Vi khuẩn lên men sinh acid .23  1.2.2.3 Nhóm – Vi khuẩn sinh acetate (acetogens) 23  1.2.2.4 Nhóm – Vi sinh vật sinh methane (methanogen) 24  1.3 Các yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng vi sinh vật bể biogas 26  1.3.1 Cân dinh dưỡng .26  1.3.2 Các yếu tố lý hóa sinh học 27  1.4 Lên men kỵ khí nhiệt độ cao .30  1.4.1 Nguyên lý công nghệ 30  Chuyên ngành Công nghệ sinh học Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng 1.4.2 Khả ứng dụng công nghệ 30  1.4.3 Các hình thức sử dụng biogas làm lượng 31  1.4.3.1 Bếp khí sinh học .31  1.4.3.2 Đèn khí sinh học 32  1.4.3.3 Máy phát điện chạy khí sinh học 33  Chương 2- NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35  2.1 Nguyên vật liệu .35  2.1.1 Đối tượng nghiên cứu .35  2.1.2 Hóa chất sử dụng 35  2.1.3 Trang thiết bị 35  2.2 Phương pháp nghiên cứu 37  2.2.1 Thiết kế vận hành mô hình phòng thí nghiệm 37  2.2.2 Nguyên lý hoạt động vận hành mô hình pilot .38  2.2.3 Phương pháp xác định cân chất hiệu suất xử lý 39  2.2.4 Các phương pháp phân tích hóa học 40  2.2.5 Các phương pháp phân tích vi sinh vật 40  Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43  3.1 Xử lý kết hợp bùn/rác hữu mô hình phòng thí nghiệm 43  3.2 Xử lý kết hợp bùn/rác hệ thống pilot 1000 lít .47  3.2.1 Vận hành theo mẻ 47  3.2.2 Vận hành liên tục 53  3.2.3 Nhận xét từ hai chế độ vận hành mô hình pilot 1000 lít .57  3.3 Đánh giá khả sử dụng biogas từ hệ thống pilot .58  3.3.1 Phương pháp sử dụng biogas 58  Chuyên ngành Công nghệ sinh học Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng 3.3.2 Tinh khí biogas trước sử dụng Khí methane thu từ hệ thống pilot có thành phần cao 7880% (Bảng 3.6), tức gần với mức methane có khí thiên nhiên (chứa 85% methane), thành phần khí sinh điều kiện hầm biogas thông thường chứa hàm lượng methane từ 55-65% mà (Bảng 3.7) Do ảnh hưởng tạp khí lẫn với methane, nhiệt lượng biogas bị giảm, đáng kể thành phần khí lẫn CO2, N2, nước đặc biệt H2S Bảng 3.6 Thành phần biogas thu từ quy mô pilot 1000 lít chế độ lên men nóng* Thành phần Tỷ lệ CH4 (%) 65-78 CO2 (%) 20-33 O2 (%) 1,9- 2,9 H2S 1223 ppm Khí khác (%) 0,1 * Vận hành theo mẻ với nguyên liệu đầu vào bùn/rác hữu theo tỷ lệ 50/50 Bảng 3.7 Thành phần khí sinh từ hầm biogas nhiệt độ thường (Nguyễn Quang Khải, 2008) Thành phần Tỷ lệ CH4 (%) 50-65 CO2 (%) 30-40 O2 (%) 1-2 H2S 3% Khí khác (%) - Ở qui mô nhỏ, biogas sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu đốt nóng, đun nấu Ở qui mô lớn hơn, biogas sử dụng làm nhiên liệu để chạy động cơ, phát điện, chí nén lại để vận chuyển Tuy nhiên để sử dụng với qui mô công nghiệp, biogas cần phải lọc tạp chất, đặc biệt hydro sulfide (H2S) siloxane (SiO2) H2S SiO2 ăn mòn kim loại, phá hủy máy móc Một số nghiên cứu nước cho thấy viên lọc xử lý lưu huỳnh biogascó thể chế từ bùn đỏ, chất thải công nghiệp khai thác quặng boxit (Hình 3.13) Bùn đỏ quặng thải công đoạn hòa tách trình sản xuất alumin Ngoài thành phần vốn có quặng bô-xit ô-xit săt, ô-xit silic, ô-xit titan tạp chất khác bùn đỏ có chứa lượng nhỏ xút NaOH dung dịch aluminat natri mà thu hồi hết (Bảng 3.8) Chuyên ngành Công nghệ sinh học 59 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng Bảng 3.8 Thành phần hóa học bùn đỏ Thành phần hóa học Fe2O3 Al2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2 Hàm lượng 40 − 50% 18 − 22% − 3% 0,01 – 0,03% − 8% 2,5% (Số liệu tham khảo từ mẫu bùn đỏ nhà máy Hóa chất Tân Bình) Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA), Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM phối hợp với Viện Công nghệ Sinh học Việt Nam, Sở Khoa học Công nghệ TP HCM ĐH Tokyo thống chọn viên lọc sản xuất từ bùn đỏ để xử lý khí lưu huỳnh (H2S) khí biogas trước đưa vào bếp đốt khuôn khổ dự án biomass xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, Tp HCM (TS Huỳnh Quyền, ĐHQG TP HCM) Hình 3.13 Bùn đỏ từ mỏ khai thác quặng boxit Nhờ đặc tính nhiều sắt nhôm bùn đỏ, viên lọc làm từ nguyên liệu loại bỏ lưu huỳnh khí biogas theo chế bẫy ion S2− chuyển dạng muối sulfide kim loại có tính tủa cao Phản ứng xảy sau: Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O Chuyên ngành Công nghệ sinh học 60 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng Sau thời gian lọc khoảng tháng, hạt bùn đưa tách lưu huỳnh để tái sử dụng theo phản ứng: 4Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 + 12S So với việc xử lý lưu huỳnh mạt sắt trước đây, xử lý lưu huỳnh bùn đỏ có hiệu cao chi phí thấp Bên cạnh sulfide, có mặt khí CO2 biogas không gây tác hại cho động phát điện lại ảnh hưởng đến tốc độ cháy biogas động cơ, thấy rõ thông qua hình 3.14 (Waish et al., 1988) Việc cháy chậm biogas có mặt CO2 làm giảm hiệu hoạt động động phát điện, cần phải loại bỏ khí CO2 biogas Phương pháp đơn giản kinh tế cho khí biogas qua nước vôi trong, toàn CO2 bị giữ lại, dùng NaHCO3 dạng hạt tinh thể để đường Tốc độ cháy (ft/sec) ống khí biogas, CO2 bị NaHCO3 hấp phụ Thành phần CO2 biogas Hình 3.14 Ảnh hưởng CO2 đến tốc độ cháy biogas Bên cạnh ảnh hưởng khí CO2 làm giảm tốc độ cháy biogas hay H2S làm ăn mòn động nước lại làm ảnh hương đến nhiệt độ cháy Nhiệt độ khí biogas chứa 65% methan cháy không khí tạo nhiệt độ 1918oC Nhiệt trị cao (HHV) lượng tỏa đốt cháy hoàn toàn lượng (Khối lượng thể Chuyên ngành Công nghệ sinh học 61 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng tích) nhiên liệu, giá trị nhiệt trị cao methan lấy từ biogas 35760 BTU/m3 Đây thông số quan trọng đánh giá mức độ tỏa nhiệt nhiên liệu Nó phụ thuộc vào thành phần chất khí đốt, thành phần nhiên liệu đốt có nhiều hydrocacbon mang đặc tính parafin, có hydrocacbon thơm đa vòng trọng lượng phân tử bé nhiệt chúng cao Nhiệt trị thấp (LHV) phần lượng tỏa đốt cháy hoàn toàn đơn vị khối lượng mà không tính đến phần nhiệt làm bay ngưng tụ nước Khí methan có LHV= 32226 BTU/m3 (Waish et al., 1988) 3.3.3 Chuyển biogas thành điện Đầu năm 2009, Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Môi trường (RCEE) triển khai dự án khuyến khích phát triển thị trường máy phát điện sử dụng khí sinh học (KSH) tài trợ Quỹ môi trường Toyota, thử nghiệm tỉnh: Thái Nguyên, Bắc Giang, Hưng Yên Hà Nội, với gần 200 hộ tham gia, hai đối tác Công ty TNHH Phát triển công nghệ KSH Hùng Vương Công ty TNHH D&D Việt Nam cung cấp máy móc, thiết bị Mục đích dự án khuyến khích bà sử dụng KSH bền vững nhằm bảo vệ môi trường, góp phần tăng gia sản xuất, giảm thiểu căng thẳng nguồn điện, vào mùa khô Với hiệu suất phát điện khoảng 25% 1m3 biogas phát điện lượng khoảng – 1,4 kWh (Bùi Văn Ga, 2008) Trong nghiên cứu này, với công nghệ lên men kỵ khí nhiệt độ cao thử nghiệm xử lý kết hợp rác thải hữu bùn bể tự hoại mô hình pilot 1000 lit, từ m3 hỗn hợp bùn bể tự hoại rác hữu thu 16 m3 biogas có thành phần methane 70% Nếu sử dụng để phát điện hệ thống tạo 22 kWh Lượng điện sinh đáp ứng phần nhu cầu lượng để chạy mô hình xử lý Tuy nhiên nói, chất lượng khí biogas yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu phát điện động Biogas sinh từ mô hình sử dụng công nghệ lên men nóng cho chất lượng cao so với chế độ lên men thông thường khác, chi phí làm giảm, đồng thời làm tăng tuổi thọ cho máy phát điện vật dụng sử dụng nguồn khí Chuyên ngành Công nghệ sinh học 62 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bằng thực nghiệm cho thấy lên men kỵ khí nhiệt độ cao phương pháp hiệu để xử lý bùn rác thải hữu Lượng điện tạo chưa đủ để cung cấp cho toàn hệ thống xử lý, hết công nghệ xử lý rác thải kết hợp bùn bể tự hoại nhiệt độ cao giúp tăng tải trọng đầu vào, giảm thời gian xử lý nhiều lần so với công nghệ lên men ấm (nhiệt độ thường) Phương pháp cho thấy việc kết hợp bùn thải rác hữu không giúp xử lý đồng thời hai nguồn thải hữu mà cho thấy hiệu vượt trội xử lý kết hợp so với xử lý đơn lẻ loại chất thải Có thể rút kết luận sau: Vận hành theo mẻ - Với nguyên liệu nạp vào bùn/rác hữu 50/50 hệ thống vận hành ổn định, lượng khí biogas sinh có hàm lượng methane cao (> 70%); Tuy nhiên, cân dinh dưỡng, tỷ lệ phối trộn rác hữu mức 30-40% thích hợp cho hiệu suất xử lý tỷ lệ methane cao - Hạn chế chế độ vận hành theo mẻ là: pH giảm mạnh giai đoạn đầu trình lên men sinh acid, thời gian thích ứng kéo dài, VFA tích lũy nồng độ cao dẫn đến dừng trình theo chế ức chế ngược - Methanogen sử dụng hydro thuộc chi Methanobacterium chiếm ưu giai đoạn đầu trình phân hủy, sau thay nhóm sử dụng acetate thuộc chi Methanothrix Vận hành liên tục - Với nguyên liệu nạp vào bùn/rác hữu 90/10 hệ thống đạt hiệu suất cao vận hành tải trọng thủy lực 20L/ngày Tuy nhiên hàm lượng methane đạt mức 50% nguồn cacbon nguyên liệu đầu vào thấp Việc tăng tải trọng hữu thay đổi tải trọng thủy lực lên 20L/ngày dẫn đến hệ thống hoạt động mà nguyên nhân Chuyên ngành Công nghệ sinh học 63 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng lượng lớn vi sinh vật thích nghi với điều kiện môi trường bị rửa trôi Với tải trọng thủy lực tối ưu xác định 20L/ngày, tăng hàm lượng cacbon nguyên liệu đầu vào cách tăng tỷ lệ rác hữu biện pháp làm tăng chất lượng biogas (tăng tỷ lệ CH4) - Ưu điểm lớn chế độ khắc phục yếu tố lý hóa gặp phải chạy theo mẻ tượng giảm pH, thời gian thích ứng dài hay tích lũy VFA trình xử lý - Ở tải trọng hữu 1,4 2,1 kgCOD/m3/ngày mật độ methanogen đạt mức cao Luận văn nằm dự án thuộc nghị định thư Khoa học Công nghệ Việt Nam với Bộ Giáo dục nghiên cứu khoa học Cộng hòa liên bang Đức với nội dung: “Nghiên cứu giải pháp thu gom xử lý tổng hợp chất thải theo mô hình bán tập trung cho đô thị Việt Nam Nghiên cứu điển hình thành phố Hà Nội” Kết mà luận văn có sở để tiến hành xây dựng thí điểm mô hình xử lý rác kết hợp bùn Hà Nội Tuy nhiên để thực việc tác giả xin đưa vài kiến nghị cho hướng sau: - Thử nghiệm mô hình pilot với nguồn thải hữu khác nước xám, nước đen… để tìm hiểu khả mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ - Tiếp tục nghiên cứu để triển khai ứng dụng công nghệ dạng modul cho cụm dân cư đô thị lớn - Cặn bùn sau biogas sử dụng làm phân vi sinh bón cho trồng Chuyên ngành Công nghệ sinh học 64 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng PHỤ LỤC Phụ lục 1: Môi trường xác định số lượng methanogen phương pháp MPN - Công thức môi trường (cho lít ) khoáng nước ngọt: Hóa chất MgCl2.6H2O NaCl CaCl2.2H2O KCl KBr NH4Cl KH2PO4 MgSO4.7H2O NaHCO3 1M - Khối lượng (gam/lit) 0,4 0,15 0,5 0,5 0,25 0,2 0,25 30 ml/lit Thành phần hỗn hợp vi lượng vitamin Hỗn hợp vi lượng Thành phần mg/L nước cất Na2EDTA FeSO4.7H2O H3BO3 MnCl2.4H2O CoCl2.6H2O NiCl2.6H2O CuCl2.2H2O ZnSO4.7H2O Na2MoO4.2H2O 5200 2100 30 100 190 24 144 36 Hỗn hợp vitamin Thành phần mg/100 ml đệm phosphate Na2HPO4/NaH2PO4 25 mM pH 7,1: 100 ml 4-Aminobenzoic acid D(+)- Biotin (Vitamine H) Nicotinic acid (Niacin) 10 Calcium-D(+)- Pantothenat Pyridoxin HCl 15 Lipoic acid 1,5 Folic acid Na-2- Mercaptoethan sulfonat 25 Chuẩn pH = 6,5 NaOH Chuyên ngành Công nghệ sinh học 65 Luận văn Thạc sỹ khoa học - Thái Mạnh Hùng Công thức môi trường nuôi cấy cho thí nghiệm MPN: Môi trường khoáng nước Natri-acetate 10 mM Vitamin ml/L môi trường Vi lượng ml/L môi trường Phụ lục 2: Thành phần phản ứng chu kỳ nhiệt PCR cho DGGE Thể tích (µl) 10x taq buffer BSA (3 mg/ml) dNTP (2,5 mM) Mồi 0348aF-GC (50 pmol/µl) Mồi 0691R (50 pmol/µl) DNA khuôn Taq polymerase (5 u/µl) 0,5 H2O MQ 30,5 50 µl/phản ứng Thành phần phản ứng Chuyên ngành Công nghệ sinh học 66 Chu trình nhiệt 94oC-3 phút Sốc nhiệt o 94 C-1 phút Biến tính o 50 C-40 giây Gắn mồi 72oC- phút Kéo dài mạch 72oC- phút ổn định mạch oC Giữ sản phẩm Lặp lại 40 chu kỳ từ biến tính đến kéo dài mạch Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Nguyễn Việt Anh (2010), Giải pháp thu gom xử lý chất thải tổng hợp theo mô hình bán tập trung cho đô thị Việt Nam Báo cáo hội thảo “Quản lý tổng hợp chất thải đô thị Nghiên cứu điển hình Hà Nội”, Hà Nội 2010 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông (2008), Hệ thống cung cấp biogas cho động dual-fuel biogas/diesel, tạp chí Khoa học Công nghệ- Đại học Đà Nẵng, số 2(25) 2008 Thái Mạnh Hùng, Tạ Mạnh Hiếu, Phạm Văn Ánh, Nguyễn Hữu Tuyên, Nguyễn Việt Anh, Đinh Thúy Hằng (2011), Động học trình tạo biogas quần thể methanogen bể lên men kỵ khí nhiệt độ cao xử lý kết hợp bùn thải rác hữu Nguyễn Quang Khải (2008), Tủ sách khí sinh học tiết kiệm lượngthiết bị khí sinh học KT1 KT2- Chương trình mục tiêu quốc gia sử sụng lượng tiết kiệm hiệu quả, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ Tài liệu tiếng Anh A.corti and L Lombardi (2007), Anaerobic co-digestion of source selected organic waste and sewage sludge Proceeding Sardinia 2007, Eleventh International Waste Management and Landfill Symposium, S Margherita di Pula, Cagliari, Italy; 1-5 October 2007 Akunna JC, Bizeau C, Moletta R (1992), Denitrification in anaerobic digester: possibilities and influence of wastewater COD/N-Nox ratio Environ Technol 13: 825 – 836 Amann RI (1995), In situ identification of micro-organisms by whole cell hybridization with rRNA-targeted nucleic acid probes In: Molecular Chuyên ngành Công nghệ sinh học 67 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng microbial ecology manual (eds Akkermans et al.), p 1–15 Dordrecht, The Netherlands, Kluwer Academic Archer DB, Kirsop BH (1991), The microbiology and control of anaerobic digestion, p 43 – 91 In: Anaerobic digestion: a waste treatment technology, Wheatly A (Ed) Elsevier Applied Science, London, UK Bhattacharya SK, Parkin GF (1989), The effect of ammonia on methane fermentation processes J Water Pollut Control Fed 61: 56 – 59 10 Bitton G (1999), Wastewater microbiology John Wiley & Sons, New York 11 Blum DJW, Speece RE (1992) The toxicity of organic chemicals to treatment processes Water Sci Technol 25: 23 – 31 12 Chernicharo CAL (2007), Anaerobic reactors IWA Publishing, London, UK 13 Choi E, Rim JM (1991) Competition and inhibition of sulfate reducers and methane producers in anaerobic treatment Water Sci Technol 23: 1259 – 1264 14 Cohen A, Breure AM, van Andel JG, van Deursen A (1980), Influence of phase separation on the anaerobic digestion of glucose I Maximum COD-turnover rate during continuous operation Water Res 14: 1439 – 1448 15 Diekert G, Konheiser U, Piechulla K, Thauer RK (1981), Nickel requirement and factor F430 content of methanogenic bacteria J Bacteriol 148: 459 – 465 16 Donlon BA, Razo-Flores E, Field JA, Lettinga G (1995), Toxicity of Nsubstituted aromatics to acetoclastic methanogenic bacteria in granular sludge Appl Environ Microbiol 49: 1142 – 1145 Chuyên ngành Công nghệ sinh học 68 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng 17 Dolfing J, Mulder JW (1985), Comparison of methane production rate and coenzyme F420 content of methanogenic consortia in anaerobic granular sludge Appl Environ Microbiol 49: 1142 – 1145 18 Fedorak PM, Robert DJ, Hrudey SE (1986), The effects of cyanide on the methanogenic degradation of phenolic compounds Water Res 20: 1315 – 1320 19 Field JA, Lettinga G (1987), The methanogenic toxicity and anaerobic degradability of a hydrolysable tannin Water Res 21: 367 – 374 20 Finster K (2008), Anaerobic bacteria and archaea in cold ecosystems In: Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 21 Gorris LG, Kok TM, Kroon BM, Drift C, Vogels GD (1988), Relatioship between methanogenic cofactor content and maximum specific methanogenic activity of anaerobic granular sludges Appl Environ Microbiol 54: 1126 – 1130 22 Greenberg AE, Clesceri LS, Eaton AD, Franson MAH (Ed) (1995), Standard methods for the examination of water and wastewater, 19th Edition American Public Health Asociation, Washington DC 23 Hammer JM (1986), Water and wastewater technology John Willey & Sons, New York 24 Henson JM, Smith PH, White DC (1989), Examination of thermophilic methane-poducing digesters by analysis of bacterial lipids Appl Environ Microbiol 50: 1428 – 1433 25 Hickey RF, Vanderwielen J, Switzenbaum MS (1988), The effect of organic toxicants on methane production and hydrogen gas levels during the anaerobic digestion of waste activated sludge Water Res 21: 1417 – 1427 Chuyên ngành Công nghệ sinh học 69 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng 26 Hulshoff Pol LW, Dolfing J, de Zeeuw WJ, Lettinga G (1983), Cultivation of well adapted pelletized methanogenic sludge Biotechnol Lett 5: 329 – 332 27 James L Waish, Jr., P.E, Charles C Ross., P.E, Michael S Smith, Stephen R Harper, W Allen Wilkins (1988), Hand book on biogas utilization 28 Kato M, Field JA, Lettinga G (1993), The high tolerance of methanogens in granular sludge to oxygen Biotechnol Bioeng 42: 1360 – 1366 29 Koster LW, RInzema A, Vegt AL, Lettinga G (1986), Sulfide inhibition of the methanogenic activity of granular sludge at varous pH levels Water Res 20: 1561 – 1567 30 Lettinga G (1995), Anaerobic digestion and wastewater treatment systems Antonie van Leeuwenhoek 67: – 28 31 Lettinga G, Field J, van Lier J, Zeeman G, Hulshoff LW (1997), Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future Water Sci Technol 35: – 12 32 Lin CY (1992) Effect of heavy metals on volatile fatty acid degradation in anaerobic digestion Water Res 26: 177 – 183 33 Mackie RI, Bryant MP (1981), Metabolic activity of fatty acid-oxydizing bacteria and the contribution of acetate, propionate, butyrate and CO2 to methanogenesis in cattle waste at 40 and 60°C Appl Environ Microbiol 41: 1363 – 1373 34 McFarland MJ, Jewell WJ (1990), The effect of sulfate reduction on the thermophilic (55°C) methane fermentation process J Ind Microbiol 5: 247 – 258 35 McInernay MJ, Bryant MP, Hespell RB, Costerton JW (1981), Syntrophomonas wolfei, gen nov sp nov., an anaerobic syntrophic, fatty acid oxydizing bacterium Appl Environ Microbiol 41: 1029 – 1039 Chuyên ngành Công nghệ sinh học 70 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng 36 Metcalf and Eddy, Inc (1991), Wastewater engineering: treatment, disposal, reuse 3rd Ed McGraw-Hill, New York 37 Mueler RF, Steiner A (1992), Inhibition of anaerobic digestion by heavy metals Water Sci Technol 26: 835 – 846 38 Muray WD, van den Berg L (1981), Effect of nickel, cobalt, and molybdenum on performance of methanogenic fixed-film reactors Appl Environ Microbiol 48: 502 – 505 39 Oremland RS (1988), Biogeochemistry of methanogenic bacteria, p 641 – 705 In: Biology of anaerobic microorganisms Zehnder AJB Ed John Wiley & Sons, New York 40 Patel GB, Agnew BJ, Dicaire CJ (1991), Inhibition of pure cultures of methanogens by benzene ring compounds Appl Environ Microbiol 57: 2969 – 2974 41 Polprasert C (1989), Organic waste recycling John Wiley & Sons, Chichester, UK 42 Sahm H (1984), Anaerobic wastewater treatment Adv Biochem Eng Biotech 29: 84 – 115 43 Sobotka M, Votruba J, Havlik I, Minkevich IG (1983), The mass-energy balance of anaerobic methane production Folia Microbiol 28: 195 – 204 44 Speece RE, Parkin GF, Gallagher D (1983), Nickel stimulation of anaerobic digestion Water Res 17: 677 – 683 45 Speece RE (1983), Anaerobic biotechnology for industrial wastewater treatment Environ Sci Technol 17: 416 – 427 46 Sterritt RM, Lester JN (1988), Microbiology for environmental and public health engineers E & FN Spon, London 47 Steinberg LM, Regan JM (2008), Phylogenetic comparison of methanogenic communities from an acidic, oligotrophic fen and an Chuyên ngành Công nghệ sinh học 71 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng anaerobic digester treating municipal wastewater sludge Appl Environ Microbiol 74: 6663 – 6671 48 Vissier FA, van Lier JB, Macario AJL, Conway ME (1991), Diversity and population dynamics of bacteria in a granular consortium Appl Environ Microbiol 57: 1728 – 1734 49 Wanatabe T, Akasawa S, Nakamura A, Nagaoka K, Kimura M (2004), DGGE method for analyzing 16S rDNA of methanogenic archaeal community in paddy field soil FEMS Microbiol Lett 232:153 – 163 50 Wang YT, Gabbard HD, Pai PC (1991), Inhibition of acetate methanogenesis by phenols J Environ Eng 117: 487 – 496 51 W Edelmann, H.Engeli, and M.Gadenecker (2000), Co-digestion of organic solid waste and sludge from sewage treatment Water Science and Technology 41 No 3: 213-221 52 Yoda M, Mitagawa M, Miyaji Y (1987), Long term competition between sulfate-reducing and methane-producing bacteria for acetate in anaerobic biofilm Water Res 21: 1547 – 1556 53 Zhou J, Bruns MA, Tiedje JM (1996), DNA recovery from soils of diverse composition Appl Environ Microbiol 62: 316 – 322 54 Zinder SH, Cardwell SC, Anguish T, Lee M, Koch M (1984), Methanogenesis in a thermophilic (58°C) anaerobic digestor: Methanothrix sp as an important aceticlastic methanogen Appl Environ Microbiol 47: 796 – 807 Chuyên ngành Công nghệ sinh học 72 Luận văn Thạc sỹ khoa học Thái Mạnh Hùng CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ VÀ SẮP CÔNG BỐ STT Tên công trình công bố Optimizing co-treatment Tác giả Thai Manh Nơi đăng Hung, JSPS Asian Core process of septic sludge Nguyen Viet Anh, Ta Program (2009-2013), and organic waste by Manh Hieu, Dinh Thuy Hanoi Metting 2010 thermophylic anaerobic Hang digestion Động học trình Thái Mạnh Hùng, Tạ Tạp chí Công nghệ sinh tạo biogas quần thể Mạnh Hiếu, Nguyễn Việt học, quý 3-4 năm 2011 methanogen bể kỵ Anh, Phạm Văn Ánh, khí nhiệt độ cao xử lý Nguyễn Hữu kết hợp bùn thải rác Đinh Thúy Hằng hữu Chuyên ngành Công nghệ sinh học 73 Tuyên, ... VÀ RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ Ở NHIỆT ĐỘ CAO ĐỂ TẬN THU NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: CNSH09-04 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS... (kết hợp xử lý bùn thải rác hữu nào, phải tối ưu điều kiện gì) công nghệ lên men kỵ khí nhiệt độ cao nhằm đạt hiệu cao, qua đánh giá khả tận thu lượng từ khí biogas thu Mục đích dự án xử lý chất... dẫn Học viên PGS.TS Nguyễn Việt Anh Thái Mạnh Hùng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Thái Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HỖN HỢP BÙN VÀ RÁC HỮU