Thể tích và thành phần khí biogas được theo dõi và đo lường hàng ngày trong suốt quá trình thực nghiệm. Kết quả được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Bảng 3.3. Thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày và hiệu suất sinh khí mêtan qua các giai đoạn thí nghiệm
Tải lượng (kgCOD/ m3 thiết bị /ngày) Thể tích biogas (m3/ngày) %CH4 Hiệu suất xử lý COD(%) Thể tích thiết bị (m3) Hiệu suất sinh mêtan (m3/kgCOD phânhủy) Giai đoạn 1 1,3 14,3 55,78 96,06 12 0,53 Giai đoạn 2 2,1 16,4 61,25 97,07 12 0,41 Giai đoạn 3 2,8 4 40,04 88,23 12 0,054
Kết quả theo dõi thể tích khí biogas sinh ra hàng ngày cho thấy khi vận hành thiết bị lên men mêtan ở tải lượng 2,1 kgCOD/m3/ngày sinh ra lượng khí nhiều nhất, đạt 16,4 m3/ngày, gấp 1,15 lần so với tải lượng 1,3 kg COD/m3/ngày, gấp 4,2 lần so với tải lượng 2,8 kg COD/m3/ngày.
Phân tích thành phần khí biogas thu được, cho kết quả hàm lượng khí mêtan ở giai đoạn 1, với tải lượng 1,3 kgCOD/m3/ngày, là 55,78%. Khi thiết bị được vận hành ở giai đoạn 2, lượng khí mêtan sinh ra chiếm 61,25% thể tích khí biogas, còn chuyển sang giai đoạn 3, tăng tải lượng lên 2,8 kg COD/m3/ngày thì cả thể tích khí biogas lẫn hàm lượng khí mêtan giảm còn 40,04%.
Kết quả tính toán hiệu suất sinh khí mêtan cho thấy ở hai giai đoạn vận hành đầu tiên, hiệu suất sinh khí mêtan nằm trong khoảng 0,41-0,53 m3/kgCODphân hủy, kết quả này tương tự với các nghiên cứu của Rugrawee(2007), Nguyễn Thị Sơn và cộng sự (2006) chứng tỏ hệ vận hành tốt. Tuy nhiên khi tăng tải trọng lên ở giai đoạn 3, 2,8 kg COD/m3/ngày, hiệu suất sinh khí mêtan rất thấp, chỉ đạt 0,054 m3/kgCODphân hủy , vi sinh vật sinh khí mêtan không còn hoạt động hiệu quả ở mức tải lượng này nữa.
Đồ thị 3.7. Thể tích biogas sinh ra với nồng độ % CH4
Đồ thị 3.8. Thể tích khí sinh ra hàng ngày
• Kết quả xử lý sau quá trình thực nghiệm
Sau thời gian vận hành thiết bị lên men mêtan nước thải tinh bột sắn qua 3 giai đoạn với 3 tải lượng khác nhau chúng tôi thu được kết quả như sau:
Bảng 3.4. Kết quả xử lý sau quá trình thực nghiệm
Thông số Đơn vị Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3
Thể tích làm việc
Tải lượng kgCOD/m3thiết bị/ngày
1,3 2,1 2,8
Lưu lượng đầu vào (ra)
m3/ngày 0,4 0,6 0,8
COD đầu vào g/l 42,308 42,308 42,308
COD đầu ra g/l 1,67 1,24 4,98
Hiệu suất xử lý % 96,06 97,07 88,23
pH - 7,43 7,52 6,87
Lượng biogas M3 /ngày 14,3 16,4 4
%CH4 (tính theo trung bình)
% 55,78 61,25 40,04
Hiệu suất sinh mêtan
m3/kgCODphânhủy 0,53 0,41 0,054
Kết quả nghiên cứu cho thấy ở tải lượng 2,1 kgCOD/m3thiết bị/ngày cho kết quả xử lý nước thải tinh bột sắn tốt nhất, với hiệu suất xử lý lên đến 97,07%, thể tích khí sinh ra lớn nhất 16,4 m3/ngày, tuy nhiên hiệu suất sinh khí mêtan thấp hơn ở giai đoạn một, có thể do vi sinh vật sinh mêtan thiếu nguồn dinh dưỡng vi lượng nên hoạt động chưa hiệu quả.
• Đề xuất các giải pháp phù hợp để áp dụng công nghệ lên men mêtan xử lý nước thải hộ sản xuất của làng nghề
Qua quá trình nghiên cứu thực tế hiện trạng nước thải sản xuất tinh bột sắn và tình hình quản lý nước thải tại cụm làng nghề chế biến thực phẩm Minh Khai, Dương Liễu, Cát Quế, huyện Hoài Đức, Hà Nội; cũng như nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ lên men mêtan để xử lý nước thải, đặc biệt là xử lý nước thải các ngành sản xuất lương thực, thực phẩm. Chúng tôi xin đề xuất giải pháp để xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột sắn như sau:
Thuyết minh công nghệ:
- Để hạn chế hiện tượng tắc đường ống do rác thải có kích thước lớn, tại đầu các đường ống thu gom nước thải có bố trí các song chắn rác bằng kim loại. Nước thải sản xuất tinh bột sắn có chứa nhiều cát, mảnh kim loại nhỏ,…trong nguyên liệu, trong nước thải vệ sinh nhà xưởng. Nước thải nên được tiếp tục lắng để loại bỏ những hạt cát rời và một phần cát dính trong lớp vỏ gỗ, tránh ảnh hưởng tới máy bơm và các thiết bị xử lý.
- Sau đó, nước thải được đưa về khu xử lý nước thải tập trung của làng nghề thông qua hệ thống cống thu gom riêng biệt. Tại đây, nước thải tiếp tục được đưa qua bể điều hòa, sự dao đồng nồng độ và lưu lượng nước thải ở các thời điểm sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong bể lên men mêtan. Bể điều hòa có tác dụng làm ổn định nồng độ nước thải, tăng hiệu quả xử lý nước thải. Đây là bước rất quan trọng đối với quá trình phân hủy kị khí bởi vi sinh vật kị khí có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với vi sinh vật hiếu khí, độ nhạy cảm cao hơn, và dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường phản ứng, đặc biệt là đối với nhóm vi sinh vật lên men mêtan.
- Tiếp theo nước thải trung hòa độ pH bằng dung dịch NaHCO3 để tăng độ pH lên khoảng từ 6,8-7,5. Các thiết bị đo pH được lắp đặt và kết nối với các bơm định lượng tự động để đảm bảo độ pH ổn định.
- Sau khi được trung hòa và ổn định pH, nước thải được bơm sang bể lên men mêtan. Hệ vi sinh vật kị khí trong bể sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ, sử
dụng chúng làm cơ chất để sinh trưởng, phát triển, và tạo ra khí biogas (CH4 và CO2). Máy khuấy trong bể giúp phân tán nước thải, tăng sự tiếp xúc của hệ vi sinh vật với cơ chất; đuổi khí NH3 , thành phần gây ức chế hoạt động của vi sinh vật, ra khỏi bể; đồng thời ngăn ngừa sự hình thành tập trung axit, sản phẩm của giai đoạn lên men axit dưới đáy bể, gây giảm pH, ảnh hưởng đến nhóm vi sinh vật lên men mêtan.
- Khí biogas sinh ra từ quá trình xử lý, được đưa qua tháp khử H2S rồi sau đó thu hồi vào bình chứa khí để chạy máy phát điện, cung cấp điện năng cho hệ thống xử lý nước thải, các hộ dân cư trong vùng hay điện thắp sáng đèn đường.
- Dịch nước thải từ bể lên men mêtan được thu gom và sử dụng để bón ruộng, cải tạo đất.
Để mô hình công nghệ xử lý nước thải làng nghề đạt hiệu quả cao, cần tiến hành song song các biện pháp quản lý chính sách phù hợp cùng với các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu lượng nước thải trong quá trình sản xuất:
- Tăng cường công tác tuyên truyền, giáo dục nâng cao ý thức và trách nhiệm BVMT và sức khoẻ cộng đồng cho các chủ sản xuất, người lao động và nhân dân;
- Đẩy mạnh phương án tách khu sản xuất ra khỏi khu dân cư, quy hoạch xây dựng hợp lý khu công nghiệp làng nghề mới và có kế hoạch quản lý tốt môi trường .
- Đề ra những quy định về quản lý, bảo vệ môi trường và an toàn lao động trong các làng nghề; định mức và thu lệ phí môi trường đối với các hộ, tổ hợp sản xuất để triển khai và duy trì các hoạt động quản lý và bảo vệ môi trường của xã.
- Tăng cường công tác kiểm tra, thanh tra môi trường làng nghề; xử phạt thích đáng đối với các trường hợp vi phạm các quy định về môi trường.
- Hỗ trợ cho người dân làng nghề về vốn, kiến thức cũng như kỹ thuật để áp dụng các biện pháp sản xuất sạch hơn.
- Triển khai nghiên cứu, áp dụng các công nghệ tiến bộ trong sản xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng nước thải, áp dụng biện pháp quản lý và xử lý chất thải đơn giản, rẻ tiền, để các hộ tư nhân có thể sử dụng.
- Nghiên cứu phương pháp tách dòng, tuần hoàn nước trong sản xuất để giảm lượng nước thải xả ra môi trường.
• Kết luận và kiến nghị
• Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu, học viên rút ra một số kết luận như sau:
- Nước thải sản xuất tinh bột sắn tại các làng nghề có pH rất thấp 2,6 – 4,6. Giá trị hàm lượng chất rắn lơ lửng SS cao gấp 12- 83 lần, hàm lượng COD vượt quá từ 20 – 67 lần; tổng nitơ và tổng photpho vượt lần lượt 2,5 – 7,5 lần và 2 – 7,6 lần so với QCVN 40:2011/BTNMT (cột B) – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước thải công nghiệp.
- Trong các giai đoạn sản xuất, giai đoạn rửa bột, lắng tách bột là giai đoạn thải ra nước thải có hàm lượng COD cao, lên đến 40g/l, trong khi các giai đoạn rửa, bóc, tách bã chỉ dao động trong khoảng từ 3-10 g/l.
- Lựa chọn phân bò sữa làm mầm kị khí phù hợp với quá trình lên men mêtan nước thải tinh bột sắn.
- Trong giai đoạn nghiên cứu với tải lượng 1,3 và 2,1 kgCOD/m3thiết bị/ngày, hàm lượng VFA trung bình là 307 mg/l, độ kiềm tổng dao động 7500- 9500 mg CaCO3/l, pH duy trì 7,4 -7,5.
- Tại tải lượng 2,8 kgCOD/m3thiết bị/ngày, VFA tăng dần, cao nhất gần 600mg/l, pH giảm xuống tới 6,9.
- Khả năng hoạt động tốt nhất của hệ vi sinh kị khí trong bể đối với tải lượng 2,1 kgCOD/m3thiết bị/ngày với lượng khí trung bình hàng ngày đạt được 16,4 m3/ngày, gấp 1,15 lần so với tải lượng 1,3 kgCOD/m3thiết bị/ngày, gấp 4,2 lần so với tải lượng 2,8 kgCOD/m3thiết bị/ngày.
- Nồng độ % CH4 trung bình đạt 61,25% , 55,78%; 40,04 % tương ứng với tải lượng 2,1; 1,3 và 2,8 kgCOD/m3thiết bị/ngày.
- Hiệu suất xử lý COD của 3 tải lượng lần lượt là 96,06; 97,07 ; 88,23% tương ứng lần lượt với tải lượng 1,3 ; 2,1; 2,8 kgCOD/m3thiết bị/ngày.
•Kiến nghị
- Cần tiếp tục có những nghiên cứu đồng bộ về tình hình sản xuất, công nghệ, hiện trạng môi trường làng nghề, quản lý và chính sách để có thể áp dụng công nghệ lên men mêtan xử lý nước thải làng nghề tinh bột sắn nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng.
- Cần có thêm những nghiên cứu để kiểm soát quá trình sinh học tốt hơn, tăng chất lượng cũng như thể tích khí biogas sinh ra, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, tận dụng tối đa các nguồn thải.
• Tài liệu tham khảo
Tài liệu tiếng Việt
• Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xích Liên (2005), Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
• Lý Kim Bảng (1999), Nghiên cứu xử lý rác thải tạo nguồn phân bón thích hợp phục vụ nông nghiệp, Hội nghị môi trường toàn quốc năm 1999, Hà Nội.
• Bộ Tài nguyên và Môi trường (2004), Dự án tăng cường năng lực thực hiện cơ chế phát triển sạch tại Việt Nam.
• Bộ Tài nguyên và Môi trường (2005), Báo cáo hiện trạng môi trường.
• Bộ Tài nguyên và Môi trường (2008), Báo cáo môi trường quốc gia.
• Đặng Kim Chi (2005), Làng nghề Việt Nam và môi trường, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
• Đặng Kim Chi (2005), Đề tài KC 08-09: Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc xây dựng các chính sách và biện pháp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường ở các làng nghề Việt Nam, Đại học Bách khoa Hà Nội.
• Dự án Chương trình Khí sinh học cho ngành Chăn nuôi Việt Nam (2007), Công nghệ Khí sinh học, Hà Nội.
• Nguyễn Quang Khải (2002), Công nghệ khí sinh học, NXB Lao động – Xã hội, Hà Nội, tr. 20-28.
• Nguyễn Quang Khải, Nguyễn Vũ Thuận (2003), Công nghệ khí sinh học, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Cục Nông Nghiệp, Hà Nội.
• Trần Hiếu Nhuệ (1999), Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội.
• Lương Đức Phẩm (2002), Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
• Nguyến Thị Sơn (2001), Bài giảng môn học Hoá Sinh và Vi Sinh trong công
nghệ môi trường, Viện Khoa Học và Công Nghệ Môi Trường, Đại học
Bách Khoa, Hà Nội.
• Nguyễn Thị Sơn, Nguyễn Thị Thu Hà (2006), Đề tài KC 04 – 02: Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn thu biogas bằng hệ thống UASB, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa, Hà Nội.
• Nguyễn Thị Sơn (2007), Hiện trạng sản xuất và môi trường làng nghề sản xuất tinh bột sắn, Hà Nội.
• Nguyễn Xuân Thủy, Nguyễn Minh Thao và các cộng sự (2006), Nghiên cứu công nghệ và thiết bị xử lý chất thải chế biến tinh bột sắn quy mô làng nghề hoặc tập trung, Hà Nội.
• UBND xã Dương Liễu (2011), Báo cáo: Thực hiện nhiệm vụ Kinh tế - Xã hội – ANQP 6 tháng đầu năm 2011. Phương hướng nhiệm vụ Kinh tế - Xã hội – ANQP 6 tháng cuối năm 2011, Hà Nội.
• UBND xã Dương Liễu (2011), Báo cáo: Đặc điểm tình hình chung làng nghề xã Dương Liễu, Hà Nội.
• Unicef, 2007, Tóm tắt điều tra thực trạng vệ sinh môi trường và vệ sinh cá nhân ở nông thôn Việt Nam.
Tài liệu tiếng anh
• Alllison P(1999),”Sugar refinery effluent treatment”, World Water and Environmental Engineering, 22(3), p.28.
• S.R.P. Avancini, G.L. Faccin, M.A. Vieira, A.A. Rovaris, R. Podesta, R. Tramonte, N.M.A. de Souza and E.R. Amante (2007), “Cassava starch fermentation wastewater: Characterization and preliminary toxicological studies”, Food and Chemical Toxicology, Volume 45,Issue 11, 2273-2278.
• Anna Schnürer and Åsa Jarvis(2010) , Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management U2009:03 ,Swedish Gas Centre Report 207.
• Banks CJ and Borja R (1996), “Evaluation of instability and performance of an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor treating high strength ice- cream wastewater”, Biotechnology and applied Biochemistry, 23(1), pp.55- 61.
• Brian K. Richards, Robert J. Cummings, Thomas E. White and William J. Jewell(1991), “Methods for kinetic analysis of methane fermentation in high solids biomass digesters”, Biomass and Bioenergy, 1(2), 65-73.
• X. Colin, J.-L. Farinet, O. Rojas, D. Alazard(2007), “Anaerobic treatment of cassava starch extraction wastewater using a horizontal flow filter with bamboo as support”, Bioresource Technology, 98(8), 1602–1607.
• Droste R.I (1997), Theory and Practice of Water and Wastewater treatment,
John Wiley and Sons, Newyork
• European Commission (EC) (2007), An Energy Policy for Europe, Belgium
• Euro Observer Report (2008),The state of renewable energies in Europe, 47- 51.
• Fachverband Biogas (2009), Biogas dezentral erzeugen, regionalprofitieren, international gewinnen. In. Proc. Jahrestagungdes Fachverbandes Biogas, Hannover. p. 18
• Giovanni Esposito, Luigi Frunzo, Flavia Liotta, Antonio Panico and Francesco Pirozzi(2012), “Bio-Methane Potential Tests To Measure The Biogas Production From The Digestion and Co-Digestion of Complex Organic Substrates”, The Open Environmental Engineering Journal, 5, 1-8.
• P.G. Hien, L.T.K Oanh, N.T. Viet and G. Letitinga (1999), “Closed wastewater system in the tapioca industry in Viet Nam”, Water Science and Technology, Volume 39(5), pp.89-96
• International Energy Agency (IEA) (2001), Biogas and More!; Systems and Markets Overview of Anaerobic digestion
• Ince_O “Potential energy production from anaerobic digestion of dairy wastewater”, Journal of Environmental science and health, 33(6), 1219- 1228,1998.)
• Jewell, W. J., Future trend in digester design, in Proc. 1st Int. Symp. on Anaerobic Digestion (D. A. Stafford, B. I. Wheatlv and D. E. Hughes. eds). vv. 17-21. Applied Science Publishers, London, 1979.
• JFE Techno-Research Corporation (2008), Feasibility Study Report Methane Recovery from Tapioca Wastewater in Lampung, Indonesia.
• Madamwar D, Patel P.C(1999), “Anaerobic upflow fixed-film bioreactor for biomethanation of salty cheese whey”, Applied biochemistry and Biotechnology, 76(3), 193-201.)
• Huỳnh Ngọc Phương Mai (2006), Integrated Treatment of Tapioca Processing Industrial Wastewater Based on Environmental Bio-Technology, Wageningen University, the Netherlands.
• Mshandete AM, Parawira W (2009), “Biogas technology research in selected sub-Saharan African countries-A review”, African Journal of Biotechnology, 8(2), 116-125.
•Mustafa Evren Ersahin, Hale Ozgun, Recep Kaan Dereli and Izzet Ozturk