THÔNG TIN VỀ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Bùi Diệu Linh Giới tính: Nữ Ngày sinh: Nơi sinh: Hà Nội 06-10-1982 Quyết định công nhận học viên số: 3568/QĐ-CTSV, ngày 31 tháng 12 năm 2009 Các thay đổi trình đào tạo: Tên đề tài luận văn: Thiết kế hệ thống lên men yếm khí theo mẻ sử dụng hướng dẫn VDI 4630 Đức đánh giá sản lượng khí sinh học chất khác làng nghề chế biến thực phẩm Chuyên ngành: Quản lý chất thải xử lý vùng ô nhiễm Mã số: 10 Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thị Diễm Trang – Bộ môn Hóa học công nghệ, khoa Hóa học, ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội GS TSKH Peter Werner- Viện quản lý chất thải xử lý vùng ô nhiễm – Đại học công nghệ Dresden 11 Tóm tắt kết luận văn: Với hướng dẫn VDI 4630, hệ thống lên men kị khí theo mẻ sử dụng thiết bị đo áp suất khí theo thời gian bước đầu thiết lập vận hành phòng thí nghiệm Hóa môi trường – Đại học KHTN Hà Nội Các bình lên men bình thủy tinh dung tích 750ml, đậy kín nút silicon, tạo áp suất bên 0.5bar giữ tủ ấm nhiệt độ không đổi 370C Áp suất khí bình phản ứng theo dõi ghi chép theo thời gian, từ tính thể tích sản lượng khí biogas, thiết lập đồ thị đường hình thành khí sinh học theo thời gian Các thông số khác đo trình thí nghiệm bao gồm: giá trị pH, chất rắn tổng, chất rắn hữu bay hơi, số oxi hóa học tổng, hàm lượng khí mêtan cacbonic Từ tính mức độ phân hủy chất rắn tổng, chất hữu bay hơi, nhu cầu oxi hóa học tổng đánh giá chất lượng khí sinh học sinh Hệ thống có vai trò đánh giá sản lượng khí đạt được, mức độ phân hủy kị khí, tốc độ phân hủy kị khí ảnh hưởng cản trở bốn chất nghiên cứu thời gian tỉ lệ tải bùn thử nghiệm Để xác định sản lượng khí sinh học bốn chất lựa chọn làng Đại Lâm (bỗng gạo, sắn, bèo tây, phân lợn), bước đầu phải tìm hiểu chất lượng độ hoạt động loại bùn chủng để tìm loại bùn chủng sử dụng cho thử nghiệm Sáu loại bùn chủng khu vực xung quanh Hà Nội lấy để nghiên cứu Kết loại bùn chủng số 5- bùn từ phân lơn qua tiêu hủy lấy hộ làng Đại Lâm có chất lượng tốt (đường hình thành biogas dốc hai ngày đầu, sản lượng khí gam nhu cầu oxi hóa học chất tham khảo Natri Acetat cao nhất) Tốt nhì loại bùn chủng số (bùn chủng nuôi từ nước thải bể tự hoại gia đình, gạn bớt nướclấy Trung tâm kỹ thuật môi trường đô thị vùng công nghiệp- Đại học xây dựng Hà Nội) đường hình thành khí có độ dốc tương đương loại bùn số hai ngày đầu, sản lượng khí chất tham khảo thấp Tuy nhiên, loại bùn chủng số lượng có hạn nên không cho phép nghiên cứu thêm để xác định xác chất lượng sử dụng cho thí nghiệm với chất Loại bùn chủng đứng thứ ba bùn chủng số – bùn qua tiêu hóa kị khí từ phân bò- lấy từ hộ Hải Dương Mặc dù sản lượng khí chất tham khảo thấp hai loại trước, đường hình thành khí sinh học trông tương tự đường tiêu chuẩn Bốn chất nghiên cứu gạo, sắn, bèo tây, phân lợn thử nghiệm bùn chủng số (thử nghiệm 6, 7) bùn chủng số (thử nghiệm 9), thời gian ngày (bỗng sắn- thử nghiệm 6; gạo, bèo tây, phân lợn- thử nghiệm 7) 15 ngày (cả bốn loại chất thử nghiệm 9), với tỉ lệ tải bùn (là 0,3 thử nghiệm 6,9; khác thử nghiệm 7) Nồng độ hiệu chỉnh khí mêtan cacbonic thí nghiệm cho thấy khí sinh học sinh thử nghiệm có chất lượng tốt Với tỉ lệ tải bùn 0,3 thời gian lưu khoảng từ 10-15 ngày Từ kết tính toán cho thấy sản lượng biogas tốc độ lên men kị khí gạo, sắn cao phân lợn bèo tây Đường hình thành khí sắn, gạo dốc 50 đầu, thể phân hủy nhanh dễ dàng Đường hình thành khí bèo tây, phân lợn thể trình phân hủy chậm chia thành hai giai đoạn rõ rệt (giai đoạn thủy phân diễn chậm, sau giai đoạn axit hóa tạo mêtan diễn nhanh Khả lên men gạo, sắn tốt chúng chứa chất dễ phân hủy (vì chúng qua thời gian lên men nấu rượu); bèo tây chứa lignin, phân lợn chứa protein, số chất béo, chí chất độc sinh học (thuốc kháng sinh, thuốc tăng trọng, chất tẩy, ) chất khó phân hủy Ngoài ra, với giá trị bùn tải lớn, chất tạo sản lượng khí cao hơn, đồng thời bị ảnh hưởng hạn chế nhiều (nhất tỉ lệ vượt giới hạn 0,5 thí nghiệm 7, với phân lợn) 12 Khả ứng dụng thực tiễn: Với hệ thống lên men kị khí theo mẻ sử dụng hướng dẫn Đức – VDI 4630 này, việc nghiên cứu chất khác (các rác thải khác) thực dễ dàng khả thi 13 Những hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiến hành nghiên cứu để nâng cao hiệu hệ thống lên men kị khí theo mẻ (VD: rửa bình phản ứng khí nitơ, đổi bình phản ứng khác to hơn, cổ bình vừa với nút silicon, ) Tiến hành thử nghiệm để tối ưu hóa trình lên men kị khí (VD: tìm nguồn cung cấp sinh khối- bùn chủng chất lượng tốt hơn, điều chỉnh tỉ lệ tải bùn từ 0,2 đến 0,5 để xác định tỉ lệ tạo sản lượng khí sinh học cao nhất, ) Ngoài cung cấp đủ nguyên tố vi lượng cho hoạt động tối ưu vi khuẩn tạo mêtan, hay tỉ lệ nguyên tố dinh dưỡng tối ưu nên xem xét thử nghiệm Tiến hành nghiên cứu lên men chất khác, hay hỗn hợp chất rác thải làng nghề chế biến thực phẩm Tiến hành thử nghiệm có đo hàm lượng khí mêtan theo thời gian để đánh giá cụ thể độ hoạt động khí mêtan chất sinh Đánh giá chất lượng chất thải sau trình lên men để tận dụng làm phân bón an toàn 14 Các công trình công bố có liên quan đến luận văn: chưa có Học viên Bùi Diệu Linh INFORMATION ON MASTER’THESIS Full name: Bui Dieu Linh Date of birth: 06th October 1982 Sex: Female Place of birth: Hanoi Admission decision number: 3568/QĐ-CTSV Dated 31th December 2009 Changes in academic process: No Official thesis title: Establish an anaerobic batch system by using guideline VDI 4630 and determine the biogas yield of different substrates in food processing villages Major: Waste Management and Contaminated Site Treatment Code: 10 Supervisors: Assoc Prof Dr Nguyen Thi Diem Trang – Faculty of Chemistry, Hanoi University of Sciences, Hanoi National University Prof Dr rer nat Dr h.c Peter Werner- Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment, Dresden University of Technology 11 Summary of the finding of the thesis: In this thesis, experimental works on establishing anaerobic batch system and using this system to determine the biogas yield of different substrates as waste in Dai Lam village – a wine production and pig breeding village in the North of Vietnam- were conducted With VDI 4630 guideline, the rising pressure - anaerobic batch system was initially established and operated in the Environmental Chemistry laboratory of Hanoi University of Sciences The fermentation reactors were 750 milliliter glass bottles, closed with silicone stoppers before created the vacuum 0.5 barabs and put in conditioning cabinet at constant 37oC With the registered gas pressure, the volumes of gas, the biogas yields were calculated, the biogas cumulative frequency curves were obtained Together with process parameters – pH, TS, VS, COD, biogas composition – the degree of VS, TS, COD degradations and the quality of biogas were evaluated The batch fermentations were used to observed on the possible biogas yields, the anaerobic biological degradability, the speed of anaerobic degradation and inhibitory effect of four investigated substrates in the range of residence time and SLRs To determine the biogas yields of four chosen substrates in Dai Lam village (cassava residues, rice residues, water hyacinth and pig manure), the first step was to identify the activity and quality of different inocula to decide which inoculum could be used The six batch tests (1-5 and 8) were conducted with six inocula from various sources around Hanoi The chosen reference substrate was sodium acetate which was considered 100% anaerobically degradable Based on the shape of six biogas yield cumulative curves, the quality of inoculum – digested sludge from pig dung from a household in Dai Lam village was considered the best one (steepest slope in the first days and the maximum biogas yield per gram COD of sodium acetate) The second one could be inoculum (dewatered- cultured inoculum from wastewater of household septic tank – in the lab of the Centre for Environmental Engineering of Towns and Industrial areas (CEETIA), Hanoi University of Civil Engineering) The slope was as steep as inoculum curve in the first days and the maximum biogas yield was a bit lower But the collected amount of this sludge was limited, the batch test with inoculum was single determination, it was hard to confirm the results or continue other batch tests The third one was inoculum 6digested sludge from cow dung from a household in Hai Duong province (the biogas yield was not as much as inoculum 5, but the curve looked like a typical one) Moreover, these results were confirmed again by other notes from VDI 4630 The seeding sludge had volatile solids content (VS) greater than 50% of the solid content (TS) and equivalent to 1.5 – 2% the weight of fermentation batch However, the corrected biogas composition of inoculum after days was small (23%), and the corrected biogas composition of both inoculum 5, after 15 days were nearly 50% showed that the biomass of both inocula were not good enough The four substrates as cassava residues, rice residues, water hyacinth and pig manure were tested in three trials (6, 7, 9) with inoculum (trial 6, 7) and inoculum (trial 9), in the range time of days (for cassava residues - trial 6; rice residues, water hyacinth, pig manure - trial 7) and 15 days (for water hyacinth - trial 6, all substrates - trial 9), in the range SLRs (0.3 in trial 6, and various in trial 7) The corrected concentrations of biogas in these four substrates through trials exhibited good quality of produced biogas With SLR = 0.3, the residence time of the four substrates should be 10- 15 days From detailed evaluations in chapter 4, the biogas yields and the anaerobic digestion speeds of cassava residues and rice residues were larger than water hyacinth and pig manure In the 50 first hours, the gas formation curves of cassava residues and rice residues samples were steeper, which exhibited fast and easy degradation For water hyacinth and pig manure, the gas formation curves expressed slow and two-phase decomposition (slow hydrolysis first and then faster process of acidification and methane production) The fermentability of cassava residues and rice residues (almost containing readily fermentable substances and carbohydrates) was better than water hyacinth (containing lignin) and pig manure (containing protein, fats and even biotoxic substances as antibiotics, hormone growth stimulants, disinfectants from foodstuffs, cosmetic productions) due to their compositions Besides, the bigger SLRs (organic loading) were set up, the larger biogas yields per biomass could be achieved by these substrates, but also the greater ability of inhibition could happen (as in trial 7) 12 Practical applicability: With all above results, this thesis proved great potential of recovery of waste in Vietnam food processing village by biogas production The established anaerobic batch system using methods of VDI 4630 guideline in the Environmental Chemistry laboratory - department of Chemistry - Hanoi University of Natural Sciences promises more feasible and more effective studies in the future 13 Further research directions: More studies on improving the efficiency of batch system should be conducted ( eg, flushing bottles with nitrogen; changing other kind of bottles with fitter bottlenecks; using larger size of fermenters to achieve more representative samples,etc) More batch tests should be done to optimize the anaerobic fermentation process, such as finding better biomass supply (better quality inoculum), adjusting the SLR (from 0.20 to 0.50) to decide which rate will win higher biogas yield And it should be noted on a sufficient supply of trace elements for the methane bacteria and the nutrient ratio The biogas yields of other substrates or mixture of substrates as waste in a food processing village would be investigated by more batch tests The methane content of biogas should be determined at regular intervals during the fermentation course to specify the methane activity of different substrates Finally, the fermentation residue should be tested for utilization as safe fertilizer 14 Thesis-related publications: not yet Date: 06th December 2011 Signature Full name:Bui Dieu Linh