Nghiên cứu thử nghiệm thiết bị khi sinh học hình ống có màng lọc sinh học

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và thử nghiệm kiểu thiết bị KSH hình ống cũ màng lọc sinh học áp dụng cho cả quy mô nhỏ và trung bình. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài biết!

Nghiên cứu thử nghiệm thiết bị sinh học hình ống có màng lọc sinh học ThS Hồ Thị Lan Hương, Viện Năng Lượng, Bộ Cơng Thương Tóm tắt đề tài Các kiểu cơng trình khí sinh học suất cao có sử dụng lọc sinh học, lọc kỵ khí…đã nghiên cứu phát triển nhiều nước giới, ưu điểm bật công nghệ hiệu suất sinh khí cao đạt đến 1m3 khí/m3 phân huỷ cơng trình khí sinh học đơn giản, vận hành theo phương thức nạp liên tục hiệu suất sinh khí vào khoảng 0,3-0,4 m3 khí/m3 phân huỷ, lợi khác cơng nghệ chịu thay đổi đột ngột lưu lượng nguyên liệu nạp vào hàng ngày Lịch sử phát triển khí sinh học Việt Nam có từ năm 1960 chủ yếu phát triển loại công trình KSH kiểu đơn giản, nghiên cứu thiết bị KSH có màng lọc chưa nhiều, kiểu màng lọc sinh học Vì mục tiêu đề tài nghiên cứu thử nghiệm kiểu thiết bị KSH hình ống có màng lọc sinh học áp dụng cho quy mơ nhỏ trung bình Kết thử nghiệm cho thấy kiểu cơng trình tiên tiến có thời gian lưu ngắn, tiết kiệm chi phí phù hợp với nhiều loại nguyên liệu nạp khác Nghiên cứu q trình lên men kỵ khí lọc sinh học Quá trình phân huỷ chất hữu mơi trường khơng có oxy gọi q trình lên men kỵ khí Đây trình phức tạp với tham gia nhiều lồi vi khuẩn Cơng nghệ lên men kỵ khí điều kiện nhân tạo áp dụng để xử lý loại nước thải chất thải nông nghiệp, công nghiệp sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cao Các kết nghiên cứu thành cơng phòng thí nghiệm đưa thực tế ứng dụng từ thử nghiệm đến áp dụng rộng rãi nhà máy xử lý sinh học nước thải công nghiệp thực phẩm Hà Lan, Hoa Kỳ, Thuỵ Sĩ, Đức…ưu điểm công nghệ thiết kế đơn giản, thể tích cơng trình nhỏ, chiếm diện tích mặt bằng; cơng trình có cấu tạo đơn giản, giá thành khơng cao, chi phí vận hành thấp, tốn lượng, thu hồi KSH cao, khơng đòi hỏi cung cấp nhiều dinh dưỡng, lượng bùn sinh từ 10-20 lần so với phương pháp hiếu khí có tính ổn định tương đối cao tồn trữ thời gian dài nguồn phân bón có giá trị; tải trọng phân huỷ chất bẩn hữu cao, chịu thay đổi đột ngột lưu lượng Nhờ tiến khoa học, cơng nghệ can thiệp vào q trình lên men thúc đẩy trình lên men tốt tạo sản lượng KSH tốt hay hiệu suất xử lý mô trường hệ thống lên men kỵ khí tốt Một biện pháp sử dụng hệ thống lọc sinh học bể lên men kỵ khí Các giá thể đặt bể KSH tiếp xúc với lớp vi sinh vật dịch lên men phát triển thành lớp gọi lớp màng sinh học linh hoạt bao gồm tế bào VSV xen bề mặt chất lỏng chất rắn Lớp màng sinh học hình thành hầu hết bề mặt tự môi trường chất lỏng Vì hệ thống màng lọc sinh học sử dụng cách hiệu thiết bị khí sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lên men hệ thống ứng dụng màng lọc sinh học là: - Sự khuếch tán chất từ phần chất lỏng đến bề mặt phân cách chất lỏng lớp màng sinh học; - Sự khuếch tán chất bên khe rỗng/lớp xốp màng lọc sinh học; - Phản ứng sinh hố bên lớp màng sinh học (tiêu thụ chất VSV) Hình - Các loại giá thể hệ thống lọc kỵ khí Hệ thống KSH dòng chảy có màng lọc sinh học Lọc kỵ khí dòng chảy công nghệ ứng dụng có hiệu để xử lý nước thải chăn ni công nghiệp Các kết nghiên cứu ứng dụng thiết kế xây dựng mơ hình thử nghiệm giúp nhà khoa học nắm ảnh hưởng điều kiện thiết kế Cơng nghệ lọc kỵ khí (AF) chủ yếu cột lọc, tháp lọc hay lớp lọc ngang với hỗ trợ giá thể để sinh khối có điều kiện tăng trưởng Hệ thống vận hành theo chế độ dòng chảy thẳng đứng, dòng chảy ngược lên/xuống dòng chảy ngang Một số vật liệu tự nhiên đá cuội, thạch anh mịn, xơ dừa, đá granit, than đá, gạch vỡ, nhựa tổng hợp…có thể sử dụng làm giá bám cho VSV tốt Tuy nhiên hệ thống bị tắc trầm trọng sử dụng kích thước vật liệu khơng phù hợp sử dụng hạt có kích thước q nhỏ hay độ rỗng hệ thống giá đỡ hẹp, để đảm bảo an toàn cho hệ thống loại hạt hình cầu tròn kích thước hạt phải lớn 20mm độ rỗng phải thích hợp Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống kỵ khí có màng lọc bao gồm: i) kích thước bể lên men, chủ yếu quan tâm đến độ dài bể phân bố VSV theo chiều dày lớp lọc Các thông số sử dụng thiết kế gồm lưu lượng đầu vào/ kiểu dòng chảy, chuyển hoá sinh khối lớp lọc sinh học, động học cấu trúc màng firm ( theo kết nghiên cứu Saravanan & Sreekrishnan, 2006); ii) Kiểu dòng nạp: có hai kiểu nạp ứng dụng rộng rãi kiểu đa dòng nạp đơn dòng nạp Kiểu nạp yếu tố quan trọng tiêu chí vận hành thiết bị, thơng thường cơng trình quy mơ nhỏ áp dụng kiểu đơn dòng nạp loại bể cỡ trung bình lớn áp dụng kiểu đa dòng nạp (Punal, Mendez-Pampin & Lema, 1999); cuối iii) Thời gian lưu sinh khối hệ thống Các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành hệ thống bao gồm: i) Nhiệt độ, yếu tố ảnh hưởng đến q trình lên men kỵ khí nên ảnh hưởng đến trình hoạt động thiết bị lọc kỵ khí Khi nhiệt độ thay đổi tăng giảm ảnh hưởng không tốt đến vận hành thiết bị; ii) pH, giá trị pH dịch lên men tối ưu nằm dải 7.4 - 7.7 (trung tính) Khi giá trị pH vượt q 8.0 hiệu suất xử lý thiết bị bắt đầu giảm vi khuẩn sinh metan hoạt động tốt dải pH từ 6.7 - 8.0; iii) Diện tích bề mặt lọc, diện tích bề mặt tiếp xúc khối lọc tăng thúc đẩy mức độ tập trung sinh khối cao bể lên men; iv) Tốc độ nạp, vi khuẩn kỵ khí nhạy cảm với tốc độ nạp Khi tốc độ nạp chất hữu cao xuất tích tụ axit làm cho giá trị pH thiết bị giảm Tình trạng ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động vi khuẩn; v) Sinh khối, hệ thống lọc kỵ khí phân bố thành lớp, lớp tập trung khối lượng sinh khối lớn nhất, lớp có hoạt động vi khuẩn sinh mêtan cao lớp nơi tích tụ sinh khối khơng dính bám; vi) Cơ chế hồ trộn thuỷ lực, chế ảnh hưởng đến hiệu xử lý thiết bị có tác động đến trình lên men, chống tắc nghẽn tạo điều kiện thuận tiện cho dòng chảy Các yếu tố khác bao gồm : Khởi động thiết bị tổn thương nạp, cần lưu ý vấn đề hỗ trợ cho VSV phát triển tích luỹ sinh khối để thúc đẩy trình lên men Một số yếu tố làm tổn thương cho hệ thống tốc độ nạp hữu cơ, thuỷ lực, nhiệt độ pH Trong yếu tố nhiệt độ coi yếu tố kiểu thiết bị chịu đựng tốt Nguyên lý hoạt động thiết bị Nguyên tắc thiết bị kết hợp phân huỷ chất hữu có chất với việc lưu giữ bùn hoạt tính Vì thiết bị thiết kế nguyên lý bể KSH nắp cố định hình ống có lớp lọc cố định Thiết bị gồm phận Hình 1- Ống lối vào 2- Bể phân huỷ 3- Lớp lọc 4- Ống lấy khí 5- Ống lối 6- Bể điều áp Hình - Cấu tạo bể khí sinh học hình ống có màng lọc sinh học Một giá thể cố định gắn hạt cầu nhựa với độ rỗng 30-35% sử dụng để VSV bám dính sinh trưởng phát triển Màng lọc giữ lại sinh khối rắn dịch lỏng lưu thời gian ngắn bị đẩy ngồi Cơng trình vận hành lâu, sinh khối tích tụ nhiều chiều dày lớp màng tăng lên, q trình đồng hóa chất hữu xảy trước chúng tiếp xúc với với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc Kết vi sinh vật bị phân hủy nội bào, khơng khả đính bám lên bề mặt vật liệu lọc, bị rửa trơi Đó ngun lý hoạt động lớp lọc sinh học thiết bị dòng chảy ngang, áp dụng thiết kế trường hợp thiết bị KSH hình ống dòng chảy (plug-flow) Giải pháp kết cấu khả chịu tải thiết bị Thiết bị KSH hình ống thiết bị nắp cố định có kết cấu khối xây gạch bê tông cốt thép, gồm phần chính: - Phần đáy móng bể thân bể bể phân huỷ - Phần vòm chứa khí Phần chứa khí xây dạng vòm, dạng chịu lực nén từ phía ngồi vào tốt chịu lực đẩy từ phía yếu Để đảm bảo kín khí, vòm bể Hình – Kết cấu cơng trình trát nhiều lớp mỏng lớp vòm bể quét lớp chống thấm chun dụng Phần tính tốn thiết kế bể tn thủ quy định hành xây dựng Các thơng số tính tốn: - Tốc độ nạp hữu tính theo hàm lượng COD BOD5 có phân bắc phân lợn có giá trị tương đương 3-5 kg/m3.ngày - Thời gian lưu: 10 ngày Hình – Mặt tổng thể Kết nghiên cứu sản lượng khí - Sau tháng hoạt động sản lượng khí trung bình hàng ngày cơng trình đạt 1,16/1,95 m3 khí, tương đương 60% cơng suất thiết kế; - Sau ba tháng sản lượng khí trung bình hàng ngày tăng lên đáng kể, đạt 81% công suất thiết kế (1,59/1,95m3); - Sinh khối bắt đầu tích luỹ hoạt động ổn định cơng trình đạt suất 70% so với thiết kế, so với thiết kế cơng trình bắt đầu vào vận hành ổn định từ cuối tháng thứ Với thời tiết nhiệt độ khơng khí trung bình ln đạt 20oC, thời gian tích luỹ sinh khối vào khoảng 2-3 tháng sau đưa cơng trình vào vận hành; - So với cơng trình khí sinh học đơn giản, có nguyên lý hoạt động thời gian ổn định vận hành giảm đáng kể từ tháng cho cơng trình khí sinh học đơn giản, tháng cho cơng trình khí sinh học có màng lọc Thời gian sinh khí đạt hiệu suất so với thiết kế giảm đáng kể từ tháng xuống tháng Sản lượng khí hàng ngày 1,8 1,6 Sản lượng khí (m3) 1,4 1,2 0,8 Lần 0,6 Lần Log (Lần 2) 0,4 Log (Lần 1) 0,2 0 10 11 12 13 14 15 - Áp suất khí cơng trình Ngày KSH có màng lọc tương đương Hình - Biểu đồ đo sản lượng cơng trình KSH nắp cố định vòm cầu, khí hàng ngày bán cầu Như cơng trình KSH có màng lọc giống cơng trình KSH nắp cố định vòm cầu khác vận chuyển khí xa phù hợp để thắp đèn mạng; - Nguyên liệu đầu vào cho cơng trình KSH có màng lọc khơng đòi hỏi nồng độ chất cao cơng trình KSH nắp cố định đơn giản, sản lượng khí tương đương với cơng trình có thể tích Kết phân tích tiêu mơi trường Bảng - Kết phân tích tiêu môi trường KT1* TT Chỉ tiêu Đơn vị pH COD mg/l BOD5 mg/l + NH4 mg/l SS mg/l Coliform MNP/100ml Đầu vào 6,9 12.329 1100 85 190 4x106 Đầu 7,3 2465 192 25 64,8 4,3x104 Cơng trình hình ống có màng lọc Đầu Đầu vào 6,6 14.504 348 4.400 80 102,94 7,35 4.010 98 15x10 4600 QCVN40:2011 BTNMT A B 6-9 75 30 50 3000 5,5-9 150 50 10 100 5000 Ghi chú: Mẫu nước thải KT1 – Báo cáo khảo sát đánh giá loại mơ hình KSH quy mô vừa - Dự án KSH cho ngành chăn nuôi Việt Nam, 2010 Các tiêu môi trường nước thải đầu giảm đáng kế, đặc biệt sau qua hệ thống wetland cố định đạt tiêu chuẩn quy định cột B Chỉ tiêu bước tiến so với hệ thống KSH thông thường khác Hiệu công trình a) Hiệu kinh tế Kiểu cơng trình có hiệu kinh tế so sánh với kiểu cơng trình KSH truyền thống nêu bảng Bảng – So sánh kiểu công trình nghiên cứu với cơng trình KSH nắp cố định bình thường (kiểu KT1) TT Thơng số Đơn vị KT1 TB có màng lọc Tổng đầu tư VNĐ 22.000.000 17.100.000 Tuổi thọ công trình Năm 20 20 Lợi nhuận thu VNĐ 6.048.000 6.048.000 Hệ số chiết khấu % 10 10 Thời gian hoàn vốn năm 3,6 3,0 Ghi chú: Đơn giá xây dựng cơng trình KSH kiểu KT1 theo báo cáo “Dự án KSH cho ngành chăn ni tỉnh Hồ Bình năm 2012” b) Hiệu xã hội môi trường Cơng trình KSH hình ống có màng lọc sinh học mang lại sống văn minh hơn, chất lượng tiện nghi cho người dân nông thôn; Kiểu khơng đòi hỏi ngặt nghèo nồng độ chất, sử dụng nguồn chất thải khác ngồi phân phù hợp với gia đình chăn ni có 1-2 lợn hộ nghèo tiếp cận cơng nghệ Hiệu lớn cơng trình góp phần tích cực vào việc giảm phát thải khí nhà kính Kết luận - Cơng trình KSH hình ống có màng lọc sinh học thiết bị KSH hoạt động theo ngun lý thiết bị lọc kỵ khí, đơn dòng nạp, thời gian lưu nguyên liệu 1015 ngày tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu nạp điều kiện nhiệt độ mơi trường; - Cơng trình xây dựng vật liệu thông thường, lớp lọc nhựa phẳng có đính hạt nhựa tròn với độ rỗng lớp lọc 35%, diện tích lọc 1m2/1m3 với độ dầy lớp lọc 0,95m, tốc độ dòng chẩy lớp lọc 0,62m/h - Chất lượng khí sinh học cơng trình: Bằng cảm quan cho thấy chất lượng khí tốt, lửa có màu xanh nhạt, bếp cháy tốt áp suất thấp Thời gian đun nấu lâu so với áp suất thiết bị thông thường khoảng 15-20% - Cơng trình vận hành ổn định sau tháng sau tháng sản lượng khí đạt 80% so với thiết kế điều kiện vận hành thuận tiện, nhiệt độ môi trường đạt thiết kế - Vốn đầu tư cho mơ hình chấp nhận với hộ dân có mức thu nhập trung bình Thời gian thu hồi vốn năm Công nghệ thân thiện với môi trường - Công nghệ quy mô nhỏ 2-4m3 phù hợp với hộ chăn ni có thu nhập thấp, sản xuất KSH cho mục đích đun nấu thắp sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO Anaerobic Plug-flow Reactor for Biogas Production from Cowdung, Phạm Quang Khải, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Viện Kỹ thuật Châu Á, 1984; Anaerobic filter performance at different conditions; Công nghệ KSH chuyên khảo, Nguyễn Quang Khải Nguyễn Gia Lượng; Decentralished wastewater treatment in developing countries, Ludwig Sasse, 1998; Design of Ideal Plug Flow Reactors (PFRs) operated at Steady State under Isothermal Conditions, CP 303 set #4 (January to May, 2012), www.rshanthini.com/tmp/CP303/set4.pdf; Khảo sát đánh giá mơ hình KSH quy mơ nơng hộ, Văn phòng dự án KSH, 2010 Khảo sát đánh giá mơ hình KSH quy mơ vừa, Văn phòng dự án KSH, 2010 Lọc sinh học- hướng sử dụng sản xuất giống ni tơm NXB Nơng nghiệp T/p Hồ Chí Minh, Nguyễn Việt Thắng 1996 Phát triển thị trường công trình KSH hình ống quy mơ vừa, Viện Năng lượng, 2011; 10 QCVN 24: 2009/BTNMT - QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP, National Technical Regulation on Industrial Wastewater; 11 Xử lý nước thải phương pháp sinh học, Đại học Xây dựng Hà Nội; 12 TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế 13 TCXDVN 45:78 Kết cấu móng 14 TCXDVN 2737:1995 Tải trọng tác động ... hình ống có lớp lọc cố định Thiết bị gồm phận Hình 1- Ống lối vào 2- Bể phân huỷ 3- Lớp lọc 4- Ống lấy khí 5- Ống lối 6- Bể điều áp Hình - Cấu tạo bể khí sinh học hình ống có màng lọc sinh học. .. lớp màng sinh học; - Sự khuếch tán chất bên khe rỗng/lớp xốp màng lọc sinh học; - Phản ứng sinh hoá bên lớp màng sinh học (tiêu thụ chất VSV) Hình - Các loại giá thể hệ thống lọc kỵ khí Hệ thống... chảy có màng lọc sinh học Lọc kỵ khí dòng chảy cơng nghệ ứng dụng có hiệu để xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp Các kết nghiên cứu ứng dụng thiết kế xây dựng mô hình thử nghiệm giúp nhà khoa học