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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG TRONGQ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG TRONGQ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ Chun ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS HOÀNG VĂN HÀ HDP: PGS.TS TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Hoàng Văn Hà giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho em kiến thức q báu trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Trần Hồng Côn, cô giáo TS Phương Thảo, thầy cô phịng thí nghiệm Hóa mơi trường tận tình bảo hướng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn phịng thí nghiệm Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phịng thí nghiệm Hóa mơi trường giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu làm thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đỗ Văn Vương Kí hiệu AD W8 COD BOD VS VSV VK CTHC CTR DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 hình MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………… Chương - TỔNG QUAN………………………………………………… 1.1 Hiện trạng sử dụng biogas Việt Nam (2012)……………………… 1.2 VSV VSV yếm khí ……………………………………………… 1.3 Q trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học……………………… 1.4 Sự cần thiết việc xác định khả sinh metan chất thải hữu cơ……………………………………………………………………… CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM…………………………………………… 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu……………………………………… 2.2 Thiết bị hố chất nghiên cứu……………………………………… 2.3 Quy trình thực nghiệm………………………………………………… CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN……………………………… KẾT LUẬN ……………………………………………………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… LỜI MỞ ĐẦU Xã hội phát triển, nhu cầu người thỏa mãn ngày nhiều Tuy nhiên đơi với nhiều vấn đề phát sinh Hai vấn đề nghiêm trọng ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn lượng hóa thạch Để phát triển sản xuất người đưa vào môi trường nhiều chất thải độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước, khơng khí chất thải hữu chiếm tỷ lệ quan trọng Bên cạnh việc khai thác mức nguồn tài lượng hóa thạch dầu mỏ, than đá…làm cho nguồn tài nguyên có nguy cạn kiệt Một hướng góp phần giải vấn đề tận dụng chất thải hữu để tạo nguồn lượng thay lượng hóa thạch Biogaschứa lượng lớn khí metan, có khả cung cấp lượng tốt, khí sinh q trình VSV yếm khí phân hủy chất hữu cơ-là hướng ý Chúng ta tận dụng chất hữu rác thải để tạo lượng phục vụ sinh hoạt, sản xuất Vấn đề đặt với lượng rác thải chứa chất hữu ta thu metan, có hiệu kinh tế không ta đem rác thải lên men để sinh metan? Đề tài tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan số chất thải hữu đặc trưng trình phân hủy yếm khí” phần trả lời câu hỏi CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng sử dụng biogas Việt Nam Thị trường tiềm cho sản xuất biogas Việt Nam lớn, chưa khai thác triệt để Chỉ có 0,3% số17.000 trang trại lớn sử dụng khí sinh học Chiến lược quốc gia Chính phủ cung cấp nước vệ sinh môi trường đặt mục tiêu đến năm 2020 có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt bể biogas để xử lý quản lý chất thải Tương tự vậy, lượng lớn rác thải đô thị rác thải chế biến nông sản, chẳng hạn đường sắn, chưa sử dụng mức hai loại chất thải gây ô nhiễm nghiêm trọng mơi trường lãng phí tài ngun Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí trở thành hệ thống áp dụng rộng rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh lắp đặt vùng nhiệt đới, nhiệt đới vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v.v…) Ở Việt Nam nhiều nơi sử dụng nhiều mơ hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với quy mô lớn nhỏ khác Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, cơng ty Cổ phần khoai mì nước phối hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đưa vào sử dụng nhà máy xử lý nước thải nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia Nước Trong xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thể tích khí thu phân hủy glucozơ VSV yếm khí Q trình phân hủy yếm khí sinh metan đường glucozơ thực hiên trình bày mục Lượng glucozơ đưa vào bể phân hủy yếm khí 36 gam Lượng khí hàng ngày đo phân tích thành phần chủ yếu metan cacbonic phương pháp đo đơn giản trình bày phần Sau 20 ngày liên tục lượng khí bình thu khí gần cạn kiệt Điều chứng tỏ tồn lượng đường glucozơ bể phản ứng bị VSV phân hủy hết Như thí nghiệm kết thúc 3.1.1 Thể tích khí cacbonic CO2 Các giá trị thể tích khí CO2 đo 20 ngày ghi lại bảng sau: Bảng 3.1 Thể tích khí cacbonic sinh q trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ Ngày V (ml) 45 Ngày 11 V (ml) 65 Tổng thể tích khí cacbonic thu 7629 ml 3.1.2 Thể tích khí metan CH4 - Các giá trị thể tích khí CH4 đo 20 ngày ghi lại bảng sau: 32 Bảng 3.2 Thể tích khí metan sinh q trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 1350 Tổng thể tích khí metan thu 14106 ml Tổng hợp trình tạo khí biogas glucozơ khái qt biểu đồ sau (đơn vị thể tích khí ml): 2500 2000 1500 1000 500 Hình 3.1 Biểu đồ trình sinh khí cacbonic metan glucozơ Ngày Ngày 33 Bảng 3.3 Thể tích biogas glucozơ Ngày V (ml) 45 Ngày 11 V (ml) 1815 Tổng thể tích CO2 CH4 thu 21 735 ml Q trình sinh khí biogas thể cụ thể biểu đồ sau (đơn vị thể tích ml): 3000 2500 2000 1500 1000 500 Ngày Ngày Hình 3.2 Biểu đồ trình sinh biogas glucozơ Như trình lên men glucozơ điều kiện yếm khí cần khoảng thời gian 20 ngày Trong 20 ngày đó, glucozơ phân hủy để tạo khí cacbonic trước, đến 34 ngày thứ bắt đầu có khí metan Lượng khí cacbonic sinh nhiều ngày 5,6 khí metan đạt đỉnh ngày 11 đến 16 Trong thành phần biogas thu lượng metan chiếm đa số với 64,90%, cacbonic 35,10% Biểu đồ hình 3.2 mơ tả cho ta thấy q trình tạo khí biogas từ bể phản ứng Lượng khí sinh ban đầu có xu hướng tăng, đạt đỉnh ngày thứ 13 sau giảm dần lượng tinh bột lại để VSV yếm khí tiêu thụ ngày cạn kiệt Với 36 gam vật liệu glucozơ ban đầu, ta thu Thể tích CO2 = 629 ml Thể tích CH4 = 14 106 ml Như ta thực với việc lên men 1kg glucozơ điều kiện tương tự thì: 7629 1000 Thể tích CO 14106 1000 Thể tích CH = 211916,7 ml ≈ 0,212 m = 391833,3ml ≈ 0,392 m Tổng thể tích CH4 CO2 thu kg glucozơ lên men điều kiện yếm khí thí nghiệm V = 0,392 + 0,212 = 0,604 m 3.2 Thể tích khí thu phân hủy tinh bột phương pháp yếm khí Đối với tinh bột, việc phân hủy chúng điều kiện thí nghiệm cần thời gian dài ngày so với glucozơ Thời gian để VSV phân hủy hết 30 gam tinh bột điều kiện thí nghiệm 29 ngày Nguyên nhân pha axit trình phân hủy tinh bột kéo dài hơn, VSV yếm khí cần nhiều thời gian để thủy phân tinh bột thành dạng đơn giản trước chuyển hóa thành biogas 35 3.2.1 Thể tích khí cacbonic CO2 Các giá trị thể tích khí CO2 đo 29 ngày ghi lại bảng sau: Bảng 3.4 Thể tích khí cacbonic sinh q trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 674 Ngày 21 V (ml) 126 Tổng thể tích khí cacbonic CO2 6599 ml 3.2.2 Thể tích khí metan CH4 Các giá trị thể tích khí CH4 đo 29 ngày ghi lại bảng sau: Bảng 3.5 Thể tích khí metan sinh trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 308 Ngày 21 V (ml) 860 36 Tổng thể tích khí cacbonic CH4 12141 ml Tổng hợp q trình tạo khí biogas tinh bột khái quát biểu đồ dạng cột sau (đơn vị thể tích ml) 1400 1200 1000 800 V CO2 600 V CH4 400 200 35 Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày Ngày 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Hình 3.3 Biểu đồ q trình sinh khí cacbonic metan tinh bột Bảng 3.6 Thể tích biogas sinh q trình phân hủy yếm khí 30 gam tinh bột Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 982 Ngày 21 V (ml) 986 37 Tổng thể tích CO2 CH4 thu 18740 ml Q trình sinh khí biogas thể cụ thể biểu đồ sau (đơn vị thể tích ml): Hình 3.4 Biểu đồ trình sinh biogas tinh bột Như trình lên men tinh bột điều kiện yếm khí cần khoảng thời gian 29 ngày-nhiều so với lên men glucozơ Trong 29 ngày đó, giống glucozơ, tinh bột phân hủy để tạo khí cacbonic trước, đến ngày thứ bắt đầu có khí metan Lượng khí cacbonic sinh nhiều ngày 9, 10, 11,12 khí metan đạt đỉnh ngày 18 đến 21 Có chậm trễ thời gian so với glucozơ tinh bột cần khoảng thời gian để VSV phân hủy thành đường đơn giản trước, nói cách khác pha axit phân hủy tinh bột kéo dài hơn, tinh bột khó phân hủy so với glucozơ Trong thành phần biogas thu lượng metan chiếm đa số với 64,79%, cacbonic 35,21% Lượng khí CO2 sinh cao so với phân hủy glucozơ chút pha axit kéo dài 38 Biểu đồ hình 3.4 mơ tả khí biogas thu theo thời gian Qua biểu đồ ta thấy từ ngày đến ngày thứ 19, lượng khí có xu hướng tăng dần sau giảm xuống Với 30 gam vật liệu tinh bột ban đầu, ta thu Thể tích CO2 = 6599 ml Thể tích CH4 = 12141 ml Như ta thực với việc lên men 1kg tinh bột điều kiện tương tự thì: 6599 1000 Thể tích CO 12141 1000 Thể tích CH = 219966,7 ml ≈ 0,220 m = 404700 ml ≈ 0,405 m Tổng thể tích CH4 CO2 thu kg tinh bột lên men điều kiện yếm khí thí nghiệm V = 0,220 + 0,405 = 0,625 m 3.3 Thể tích khí thu phân hủy protein (gielatin) phương pháp yếm khí Đối với protein, việc phân hủy hồn tồn 40 gam protein điều kiện thí nghiệm cần thời gian 30 ngày 3.3.1 Thể tích khí cacbonic CO2 - Các giá trị thể tích khí CO2 đo 30 ngày ghi lại bảng sau: Bảng 3.7 Thể tích khí cacbonic sinh q trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin) Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 658 Ngày 21 V (ml) 130 39 Tổng thể tích khí cacbonic CO2 8042 ml 3.3.2 Thể tích khí metan CH4 - Các giá trị thể tích khí CH4 đo 30 ngày ghi lại bảng sau: Bảng 3.8 Thể tích khí metan sinh q trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin) Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 118 Ngày 21 V (ml) 1080 Tổng thể tích khí metan CH4 13658 ml 1600 1400 1200 1000 800 V CO2 600 V CH4 400 200 40 Hình 3.5 Biểu đồ q trình sinh khí cacbonic metan protein (gielatin) Bảng 3.9 Thể tích biogas sinh trình phân hủy yếm khí 40 gam protein (gielatin) Ngày V (ml) Ngày 11 V (ml) 776 Ngày 21 V (ml) 1210 Tổng thể tích CO2 CH4 thu 21700 ml Q trình sinh khí biogas thể cụ thể biểu đồ sau (đơn vị thể tích ml): Hình 3.6 Biểu đồ q trình sinh biogas protein 41 Như trình lên men tinh bột điều kiện yếm khí cần khoảng thời gian 30 ngày-nhiều so với lên men glucozơ, xấp xỉ khoảng thời gian phân hủy tinh bột Trong 30 ngày đó, giống glucozơ, tinh bột, protein phân hủy để tạo khí cacbonic trước, đến ngày thứ bắt đầu có khí metan Lượng khí cacbonic sinh nhiều ngày thứ đến ngày thứ 13 khí metan đạt đỉnh ngày 19 đến 24 Trong thành phần biogas thu lượng metan chiếm đa số với 62,94%, cacbonic 37,06% Hàm lượng CO khí biogas tạo cách phân hủy yếm khí protein cao Biểu đồ hình 3.6 mơ tả khí biogas thu theo thời gian Qua biểu đồ ta thấy từ ngày đến ngày thứ 23, lượng khí có xu hướng tăng dần sau giảm xuống Thời gian dài biểu đồ cho thấy lượng khí sinh phân hủy yếm khí protein biến đổi cách phức tạp, nguyên nhân cấu tạo phân tử protein có dạng phức tạp, để phân hủy chúng đòi hỏi thời gian dài nên pha axits kéo dài so với phân hủy chất đơn giản glucozơ Với 40 gam vật liệu protein ban đầu, ta thu Thể tích CO2 = 8042 ml Thể tích CH4 = 13658 ml Như ta thực với việc lên men 1kg protein điều kiện tương tự thì: 8042 1000 Thể tích CO 13658 1000 Thể tích CH = 201050 ml ≈ 0,201 m = 341450 ml ≈ 0,341 m Tổng thể tích CH4 CO2 thu kg protein lên men điều kiện yếm khí thí nghiệm V = 0,201 + 0,341 = 0,542 m 42 Qua thời gian thực thí nghiệm cách nghiêm túc phân tích kết quả, tơi thấy vật liệu hữu tinh bột, đường glucozơ, protein cần có khoảng thời gian khác để phân hủy hồn tồn điều kiện yếm khí VSV Thời gian dài protein, chất khó phân hủy nhất, kế tinh bột nhanh glucozơ Lượng khí biogas với chất có khác số lượng thành phần metan cacbonic Tính tốn cho kg vật liệu ta bảng số liệu sau: Bảng 3.10 Thể tích metan cacbonic sinh từ kg vật liệu điều kiện yếm khí Vật liệu Glucozơ Tinh bột Protein Nhìn vào bảng ta thấy với kg vật liệu tinh bột cho nhiều metan nhất, glucozơ cuối protein Nhìn vào bảng số liệu trên, ta thấy trung bình kg vật liệu hữu cơ, phương pháp phân hủy yếm khí điều kiện tối ưu cho lượng khí metan xấp xỉ 0,38 m Trong rác thải thị lượng chất hữu phân hủy VSV yếm khí thường chiếm khoảng 50% khối lượng rác thải Tính tốn sơ đem phân hủy rác phương pháp yếm khí điều kiện tối ưu lượng khí metan CH4 thu V CH o Trong điều kiện 25 C, m khí metan cháy cho lượng nhiệt 9000 kcal Vậy lượng thu đốt cháy lượng metan CH4 tạo từ rác Q = 190 × 9000 = 171.10 kcal 43 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu cách nghiêm túc, cẩn thận thành phần có khả sinh metan glucozơ, tinh bột protein, thu kết sau: Đã tiến hành phân hủy yếm khí đường glucozơ, tinh bột protein thiết bị AD-W8 với điều kiện tối ưu theo lý thuyết VSV yếm khí nuôi cấy từ chất chủng lấy từ hầm biogas hộ dân chăn ni lợn Các q trình giải phóng khí cacbonic CO2 metan CH4 tn thủ gần mô tả lý thuyết Song thời gian giải phóng biogas tinh bột protein kéo dài so với glucozơ Điều lý giải cấu trúc phân tử tinh bột protein phức tạp so với glucozơ dẫn đến trình thủy phân chúng nhiều thời gian - pha axit kéo dài Đã tính tốn cụ thể lượng khí biogas, thành phần chúng metan cacbonic, sinh phân hủy yếm khí kg vật liệu Cụ thể sau: Thể tích khí cacbonic CO2 metan CH4 tạo từ kg đường glucozơ 3 là: 0,212m 0,392 m Tổng thể tích biogas sinh 0,604 m Thể tích khí cacbonic CO2 metan CH4 tạo từ kg đường tinh bột 3 là: 0,220m 0,405 m Tổng thể tích biogas sinh 0,625 m Thể tích khí cacbonic CO2 metan CH4 tạo từ kg protein 3 là: 0,201m 0,341 m Tổng thể tích biogas sinh 0,542 m Từ giá trị ước tính cho rác thải thị có tổng hàm lượng đường, tinh bột protein 50 % lượng khí metan sinh phân hủy yếm khí vào khoảng 190m Nếu chuyển tất số rác thải thị thành khí biogas chuyên tiếp thành nhiên liệu điện số lớn Từ giá trị tính tốn sơ hồn tồn tính tốn hiệu kinh tế việc xử lý rác thải phương pháp phân hủy yếm khí 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Dương Nguyên Khang (2008), Hiện trạng xu hướng phát triển công nghệ biogas Việt Nam Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Nguyễn Quang Khải (2001), Cơng nghệ khí sinh học, NXB Xây Dựng, Hà Nội Đỗ Thành Nam (2009), Khảo sát khả sinh khí xử lý nước thải heo hệ thống biogas phủ nhựa HDPE Kết NCKH Hội thảo khoa học: “Chất thải chăn nuôi – Hiện trạng giải pháp”, Đại học Nông nghiệp Hà Nội Lương Đức Phẩm (2007), Công Nghệ xử lý nước thải phương pháp sinh học, NXB Giáo Dục Lâm Vĩnh Sơn (2009), Kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Xây Dựng Lê Hồng Việt (2005), Giáo trình biogas với nơng trang, Trường Đại học Cần Thơ Armfield (2006), “Instruction Manual Anaerobic Digester W8”, Armfield Limited, England W N Dichtl, K.H Rosenwinkel, C F Seyfried, B Bohnke (Ed) (2005), Bischofberger Anaerobtechnik 2, vollstaendig ueberarbeitete Auflage, Springer Foresti E (2002), Anaerobic treatment of domestic sewage: established technologies and perspectives Wat Sci Technol, Vol 45 No 10, 181 – 186 10 Gujer W, A J B Zehnder (1982), Conversion process in anaerobic digestion, Wat Sci Technol Vol 15 No 1, 127 – 135 11 Marcos von Sperling and Carlos Augusto Lemos Chernicharo (2005), “Biological Wastewater Treatment in Warm Climate Regions”, IWA publishing, pp 686687 45 ... 1.3 Q trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học Phân hủy yếm khí q trình phân hủy hợp chất hữu vô điều kiện khơng có oxi phân tử VSV yếm khí 1.3.1 Nguyên liệu Các chất hữu có nguồn gốc sinh học... NHIÊN - ĐỖ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG TRONGQ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA... nghiên cứu - Nghiên cứu khả sinh metan glucozơ - Nghiên cứu khả sinh metan tinh bột - Nghiên cứu khả sinh metan protein - Tính tốn khả sinh metan rác thải chứa hỗn hợp chất hữu dựa khả sinh metan