Hệ thống theo mẻ nồng độ pha rắn cao cho tới nay vẫn chưa thành công trong quá trình áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, ưu điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ nồng độ chất rắn cao như thiết kế, vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp, lượng nước tiêu thụ thấp… Điều này làm cho công nghệ này đặc biệt thu hút đối với các nước đang phát triển. Theo O'Keefe et al [23] Nhược điểm của hệ thống hoạt động theo mẻ nồng độ pha rắn cao là giống vi sinh vật, xáo trộn và khả năng mất ổn định, rất khó khắc phục tình trạng này. Để duy trì ổn định quá trình phân hủy chất rắn cao, giá trị hóa chất, pH, amoni, axit béo dễ bay hơi và độ ẩm nên được xem như yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quá trình phân hủy yếm khí chất rắn cao [16]. Nghiên cứu đang tiếp tục làm cho phân hủy kỵ khí hiệu quả hơn và nâng cao trong hệ thống mẻ nồng độ pha rắn cao
Những nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng: (1) quá trình tuần hoàn nước rác làm tăng tốc độ phân hủy, cung cấp độ ẩm cho thiết bị phản ứng thúc đấy sự ổn định của rác thải. (2) phân tách quá trình phân hủy yếm khí thành hai giai đoạn: giai đoạn axit hóa và giai đoạn mêtan hóa, tạo điều kiện cho sự tăng trưởng tối ưu cho vi khuẩn mêtan.
2.4.5.1. Tuần hoàn nước rác.
Nước rất cần thiết cho quá trình lên men khí mêtan, là môi trường cho vi sinh vật hòa tan chất dinh dưỡng trước khi chúng có thể được đồng hóa. Tuần hoàn nước là một cách để cung cấp và kiểm soát độ ẩm của chất thải. Trong bãi chôn lấp, nơi mà
hầu hết các phản ứng sinh học diễn ra đểổn định chất thải rắn, việc thiếu nước đôi khi có liên quan tới quá trình phân hủy chậm của chất thải rắn.
Quá trình tuần hoàn nước sẽ tăng cường quá trình phân hủy khi nó cung cấp một dung dịch môi trường như dinh dưỡng, và các vi khuẩn trong ô chôn lấp (Fadel, 1999). Theo Chugh et al. [7], dòng chảy của độ ẩm là điều cần thiết để các chất dinh dưỡng và các vi sinh vật phân bố đều qua các lớp chất thải. Ngoài ra, sự chuyển động của độẩm qua các lớp chất thải cũng cung cấp quá trình vận chuyển sinh khối, điều đó ngăn ngừa vùng chết không phân hủy.
2.4.5.2. Phân chia pha
Thông thường công nghệ phân hủy yếm khí khô một giai đoạn như chất thải đô thị có quá trình lên men không ổn định. Nồng độ chất nền ở các lớp chất thải khô sẽ làm tăng khả năng lích lũy của VFA, đặc biệt là trong giai đoạn đầu, chúng sẽ làm giảm độ pH, điều này ức chế giai đoạn vi khuẩn mêtan.
Trong hệ thống một giai đoạn, chủng vi sinh vật không cân bằng. Các vi sinh vật mêtan hóa phát triển với tốc độ chậm hơn nhiều so với sự hình thành axit. Nó đã được xác nhận bởi Chugh [7] mêtan hình thành vi sinh vật không thể trực tiếp tiêu thụ rác thải chôn lấp và sự tạo thành axit sẽ cao hơn sự hình thành khí mêtan. Do đó, phần có khả năng phân hủy yếm khí của rác chôn lấp sẽ trở thành axit, chúng sẽ làm chậm và gây ức chế sự quá trình phân hủy. Vậy sự phân chia pha rất cần thiết để giải quyết các vấn đề trên.
Một ưu điểm khác của hệ thống hai và đa giai đoạn là chuyển đổi toàn bộ rác thành khí sinh học là trung gian một chuỗi các phản ứng sinh hóa, mà không cần điều kiện môi trường tối iu giống nhau. Tối ưu hoá các phản ứng này một cách riêng biệt trong các giai đoạn và các thiết bị phản ứng khác nhau có thể dẫn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả sinh khí biogas lớn hơn. Thông thường, phân gia thành pha axit hóa và pha mêtan hóa. Sự phân thành hai pha làm tăng hiệu quả, vì vi sinh vật riêng biệt về nhu cầu dinh dưỡng, khả năng tăng trưởng và khả năng thích nghi với hai môi trường khác nhau. Một số hệ thống đa giai đoạn cũng sử dụng một giai đoạn hiếu khí để tăng nhiệt độ và sự phân hủy của chất hữu cơ.
Tương tự như vậy, O'Keefe [22] đã đưa ra một sốưu điểm của hệ thống hai giai đoạn so với pha kết hợp.
- Vi sinh vật trong xử lý hai pha, được sinh trưởng trong hai môi trường tối ưu khác nhau về dinh dưỡng. Điều đó sẽ cho hiệu suất cao hơn.
- Hiệu quả của sự phân chia pha làm tăng quá trình ổn định thông qua sự duy trì hoạt động của các vi khuẩn mêtan chúng có thể sử dụng VFA, Nếu không sẽ dẫn đến mất quá trình cân bằng.
2.4.5.3. Công nghệ phân hủy yếm khí mẻ nối tiếp
Phân hủy yếm khí mẻ nối tiếp (SEBAC) rác CTR-HC đô thịđược phát triển dựa vào hai nhân tố: Tuần hoàn nước rác và phân chia pha để khắc phục những hạn chế của quá trình phân hủy khị khí khô. Đó là vấn đề giống vi sinh vật, khuấy trộn và tình trạng không ổn định. Trong hệ thống SEBAC sự phân hủy kỵ khí các lớp chất rắn xảy ra tốt mà không cần bổ sung giống vi sinh vật [3]. Trong giai đoạn đầu, quá trình lọc nước có tác dụng để lọc VFA ra khỏi thiết bị phản ứng ngăn chặn ức chế giai đoạn thủy phân. Nước rác lại được đưa qua thiết bị phản ứng, và thiết bị này đang ở giai đoạn hai của quá trình phân hủy. Sự hoạt động của vi khuẩn mêtan sẽ bắt đầu khi VFA được loại bỏ ra khỏi thiết bị phản ứng. Sơđồ quá trình được thể hiện trong hình 2.3.
Trong quá trình này, lớp rác sẽđược cung cấp giống vi sinh vật từ nước rác của thiết bị phản ứng khác đang trong giai đoạn cuối. Nước rác sẽ cung cấp giống vi sinh vật, chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phân hủy.VFA và các sản phẩm lên men khác tạo ra trong quá trình khởi động chúng sẽđược đưa ra khỏi lớp rác mới và đưa về thiết bị phản ứng cũđể chuyển đồi thành khí mêtan. Điều này khắc phục khả năng mất ổn định trong hệ thống một pha. O'Keefe [23] cho rằng quy trình SEBA đối với CTHC đô thị ổn định, đáng tin cậy, hiệu quả thu khí mêtan 0,19 m3/kg VS sau 42 ngày. Có nghĩa là VS giảm được 49,7%. Phần trăm khí mêtan của khí biogas ổn định ở 48% sau 2-3 ngày khởi động. VFA vượt quá 300 mg/L nhưng giảm trong vài ngày không đáng kể.
Chugh và cộng sự [7] đã chứng minh rằng việc quản lý nước rác thích hợp, tốc độ phân hủy rác sẽ tăng nhanh bằng cách thông qua một vài kiểm soát quá trình của giai đoạn phân hủy. Quy trình, thể hiện trong hình 2.4, Nước rác được trao đổi giữa hai
m3CH4/ kg VS trong khoảng 2 tháng. Quá trình khắc phục nhược điểm của một thiết bị phản ứng theo mẻ bởi khởi động thành công quá trình phân hủy bằng sự giống với nước rác. Một trong những điều kiện đạt được, thời gian khởi động giảm đáng kể chỉ trong vài ngày.
Mohee và Ramjeawon [19] đã làm việc trên SEBAC trong đó, sự tuần hoàn nước rác được thực hiện định kỳ giữa hai thiết bị phản ứng. Khẳng định quá trình tuần hoàn nước rác đã tạo điều kiện thuận lợi cho phân hủy kỵ khí nó làm giảm đáng kể lượng VFA từ 140meq/l đến 60meq/L sau 60 ngày. Cho thấy rằng quá trình phân hủy kỵ khí xuất hiện chỉ sau khi quá trình tuần hoàn nước rác. Quá trình tuần hoàn nước rác tạo điều kiện khí sinh học thoát ra khỏi lớp rác.
Một mặt, sự tuần hoàn nước rác trong SEBAC tăng cường khả năng phân hủy của rác và tăng tốc độ sinh khí. Mặt khác, nó cũng có hiệu quả trong việc giảm tải lượng nước rác, đây cũng là một trong những ưu điểm của SEBAC.
SEBAC gần đây đã được đưa vào nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn như là một chiến lược cho quá trình khô. Như đã nói ở trên, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu thành công với các loại chất thải khác nhau.Với các ưu điểm, hệ thống SEBAC đã cho thấy hiệu quả sinh khí biogas, phân hủy VS, và giảm thể tích tốt
Hình 2.3: Sơđồ tuần hoàn nước rác trong hệ thống mẻ khác nhau [8]
Rác thải đô thị biogas Rác thải đô thị biogas Rác thải đô thị biogas Sản phẩn của giai đoạn thủy
phân VFA từ giai đoạn 1
Cũ
Mới ủ chín
Hình 2. 4: Sơđồđề xuất của Chugh [7]
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Công nghệ ủ yếm khí khô theo mẻ với chất rắn hữu cơđô thị là phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện yếm khí, nếu được vận hành tốt có khả năng cho chúng ta hiệu quả thu khí biogas cao, ổn định chất thải lớn, sử dụng ít nước, thiết kế vận hành đơn giản.
Giai đoạn khởi động hệ thống là một trong bước quan trọng trong hoạt động của phân hủy kỵ khí. Nguồn vi sinh vật, kích thước của nguyên liệu, và phương thức hoạt động ban đầu là tất cả những yếu tố quan trọng trong quá trình khởi động. Bùn phân hủy yếm khí mesophilic là giống vi sinh vật cho kết quả tốt khi xử lý chất thải rắn hữu cơ đô thị [29] và giống này luôn sẵn có bởi vì nó được nuôi cấy trong môi trường kỵ khí tương tự.
Nghiên cứu được tiến hành thông qua việc thiết lập và vận hành mô hình ở quy mô pilot, gồm các thiết bị chính: thiết bị phản ứng thể tích 386L, thùng nước rác thể tích 300L, bộ phận tuần hoàn nước rác, tuần hoàn nước nóng, bộ phận thu và kiểm soát khí sinh ra. Thiết bị phản ứng và thùng nước rác có lớp bảo ôn nhiệt, bộ phận tuần hoàn nước nóng dùng để duy trì và và kiểm soát nhiệt độở 350C. Nước rác được tuần hoàn gián đoạn với lưu lượng 6 lit/phút. Khí sinh ra được dẫn qua thiết bị đo khí, bộ phận lọc ẩm và lọc H2S. Hình 3.1. biểu diễn mô hình ủ yếm khí khô theo mẻ, gồm hai hệ thống hoạt động song song: Hệ thống 1: (1) nguyên liệu được nạp vào thùng phản ứng gồm hỗn hợp chất thải hữu cơđô thị Hà Nội, phân lợn, và phân bò (2) Thành phần trong thùng chứa nước rác gồm: bùn bể UASB, bùn yếm khí hầm biogas, và nước. Hệ thống 2: tương tự hệ thống 1, nhưng trong thùng nước rác thay nước bằng bùn bể phốt. Phân tích các chỉ tiêu nước: pH, độ kiềm, amoni, TVFA, COD. Đối với khí biogas theo dõi tốc độ sinh khí, phân tích thành phần khí: CO2, và CH4.
Hình 3.1. Mô hình ủ yếm khí khô theo mẻ của hai hệ thống trong nghiên cứu 3.1. Mô tả hệ thống.
3.1.1. Thiết bị phản ứng.
Thiết bị phản ứng có tổng thể tích là 386 lít chiều cao 120cm, đường kính ngoài 64cm, được chế tạo bằng inox 304, dạng hình trụ có 2 lớp tạo cho thiết bị có 2 vùng:
-Vùng thể tích xung quanh (A) với thể tích 90 lít để tuần hoàn nước nóng duy trì nhiệt độ thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí.
-Vùng thể tích bên trong với thể tích là 296 lít bao gồm: Khu vực nạp liệu (B) thể tích khoảng 222 lít, chất thải rắn hữu cơ sẽ được nạp vào khu vực này; Khu vực (C) với thể tích khoảng 37 lít là thể tích trống phía trên, đây là khu vực phân phối nước và để thu khí biogas sinh ra; Khu vực (D) với thể tích khoảng 37 lít ở phía dưới, là khu vực chứa lớp sỏi. Ngăn rác với lớp sỏi này có một tấm lưới đỡ dầy khoảng 2mm, trên đó có đục các lỗ nhỏđể cho nước rác thoát qua.
Thiết bị có nắp và kín hoàn toàn ở áp suất 1kg/cm2 khi đậy nắp lại. Toàn bộ thiết bịđược bọc một lớp cách nhiệt để duy trì nhiệt độ thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí.
Trên nắp của thiết bị phản ứng có lắp một cửa quan sát để quan sát, và theo dõi mực nước. Hình 3.2 mô tả thiết bị phản ứng
Bùn yếm khí Rác tươi + phân lợn, phân bò biogas Bùn yếm khí + phốt Rác tươi + phân lợn, phân bò biogas Hệ thống 1 Hệ thống 2
3.1.2. Các thiết bị phụ
Vì hệ thống hoạt động theo nguyên tắc ủ theo mẻ, có tuần hoàn và bổ sung nước rác, có kiểm soát nhiệt độ và khí sinh ra nên ngoài thiết bị phản ứng còn có các bộ phận khác như bộ phận tuần hoàn nước rác, bộ phận tuần hoàn nước nóng, bộ phận kiểm soát nhiệt độ cho quá trình phân hủy yếm khí, bộ phận kiểm soát khí sinh ra:
- Bộ phận tuần hoàn nước rác: Với mục đích tuần hoàn nước rác đẩy mạnh quá trình thủy phân, lên men axit ở giai đoạn 1 và tuần hoàn nước rác để cung cấp cơ chất cho vi khuẩn mêtan khi giai đoạn 2 đi vào ổn định. Bộ phận này gồm máy bơm, thùng chứa nước rác, vòi phun để phân phối đều nước cho nguyên liệu, hệ thống đường ống dẫn nước và các van.
- Bộ phận tuần hoàn nước nóng ở vùng thể tích xung quanh A: Duy trì nhiệt độ
thích hợp cho quá trình phân hủy yếm khí. Bộ phận này bao gồm một can nhiệt được cắm vào giữa thùng phản ứng khi nhiệt độ không đạt thì máy bơm nước nóng tự động hoạt
động.
- Bộ phận kiểm soát khí sinh ra: Mục đích là xác định thể tích và thành phần của biogas sinh ra. Bộ phận này bao gồm thiết bị lọc ẩm và H2S, máy đo thể tích khí, máy xác
định thành phần khí (CO2 và CH4).
- Ngoài ra còn có một số chi tiết khác trong đó có các van lấy mẫu nước, khí, cụ
thểđược mô tảở Hình 3.3.
Trong hệ thống này nguyên liệu sẽđược nạp vào thiết bị phản ứng. Bùn yếm khí từ
bể UASB và hầm biogas được nạp vào thùng chứa nước rác tuần hoàn, từ đây nước sẽ được máy bơm bơm lên thiết bị phản ứng, lưu lượng nước được điều chỉnh bằng van kim trên đường ống và được thể hiện ở lưu lượng kế. Nước tuần hoàn vào thiết bị được phân phối đều bằng vòi phun, sau khi qua lớp rác sẽ được lọc cặn nhờ lớp sỏi ở đáy thiết bị
phản ứng và theo ống dẫn vào lại thùng nước rác. Kiểm soát thời gian vận hành máy bơm nhờ bộđiều khiển thời gian.
Để duy trì nhiệt độ cho quá trình ủ yếm khí, xung quanh thiết bị sẽ có một vùng thể
tích chứa nước để duy trì nhiệt độ của quá trình. Lượng nước này sẽđược làm nóng nhờ
máy nước nóng. Nhiệt độ bên trong thiết bị phản ứng đo được nhờ can nhiêt. Hệ thống nước nóng được kiểm soát nhờ bộđiều khiển nhiệt độ.
Biogas sinh ra sẽ được dẫn qua thiết bị đo thể tích khí sau đó qua bộ lọc ẩm và lọc H2S.
Để kiểm soát quá trình vận hành, trên hệ thống được bố trí điểm lấy mẫu nước rác, chất thải rắn và khí sinh ra như trên Hình 3.3.
3.2. Chuẩn bị nguyên liệu.
3.2.1. Chất thải rắn hữu cơđô thị Hà Nội.
a. Lấy mẫu.
Mẫu CTR-HC được lấy từ nhà máy chế biến phế thải Cầu Diễn, 60B Nhuệ Giang, Tây Mỗ, Từ Liêm, Hà Nội. Mẫu được lấy sau hệ thống phân loại của nhà máy có thể tích khoảng 2m3, sau đó CTR được đổ đống lại tại một nơi riêng biệt, xáo trộn đều bằng cách vun thành đống hình côn thành nhiều lần. Chia hình côn đã trộn đều đồng nhất làm bốn phần bằng nhau, lấy hai phần chéo nhau, tiến hành phân loại. Loại bỏ các thành phần gây
Bảng 3.1. Tỷ lệ phần trăm của các thành phần trong mẫu CTRHC. Thành phần Khối lượng (kg) Thành phần %
Tổng khối lượng rác 419