CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
2.1.2.1. Mục đích nghiên cứu
Bằng thực nghiệm, nghiên cứu quá trinh phân hủy kỵ khí diễn ra trong mơ hình yếm khí AD – W8 tại phịng thí nghiệm Hóa mơi trƣờng, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học quốc gia Hà nội với nguồn nguyên liệu nạp vào mơ hình yếm khí là bùn thải sơng Kim Ngƣu và rác thải sinh hoạt đã đƣợc xử lý sơ bộ trong đó rác thải sinh hoạt đã đƣợc phân loại và lấy chủ yếu là thành phần rác hữu cơ. Mơ hình lên men yếm khí trong điều kiện khơng gia nhiệt với các tỷ lệ phối trộn về khối lƣợng bùn thải và rác thải hữu cơ khác nhau, cụ thể các tỷ lệ đó là:
Thí nghiệm 2: Bùn thải : Rác hữu cơ = 3:1 (BT:RHC = 3:1) Thí nghiệm 3: Bùn thải : Rác hữu cơ = 1:1 (BT:RHC = 1:1) Thí nghiệm 4: Bùn thải : Rác hữu cơ = 1:3 (BT:RHC = 1:3) Thời gian lên men: 30 ngày.
Trong thời gian nghiên cứu sẽ tiến hành xác định các thành phần sau:
- Xác định hiệu suất giảm nhu cầu oxi hóa học (COD), pH, tổng hàm lƣợng cacbon (TC), tổng hàm lƣợng chất rắn (TS), tổng hàm lƣợng chất hay hơi (TVS) tổng hàm lƣợng nitơ (T-N theo %TS) và tổng hàm lƣợng phốt pho (T-P theo %TS) trong q trình lên men kỵ khí ứng với lƣợng nạp là 5kg hỗn hợp/ 1 lần nạp để từ đó đánh giá ảnh hƣởng đến q trình sinh khí sinh học, đặc biệt là q trình tạo khí metan.
- Khảo sát hàm lƣợng khí sinh học và thu hồi khí sinh ra trong quá trình lên men, với thời gian lên men là 30 ngày.
2.1.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập, tìm hiểu các tài liệu có liên quan, kế thừa kết quả nghiên cứu từ các cơng trình đã cơng bố trƣớc đây.
- Chuẩn bị mơ hình phản ứng yếm khí AD – W8 - Phân tích các chỉ tiêu lý, hố tại phịng thí nghiệm.
- Theo dõi các thơng số trên mơ hình thí nghiệm bao gồm thành phần hỗn hợp trong hệ phản ứng và khí sinh ra.
2.2. Lấy và chuẩn bị mẫu
a) Lấy mẫu bùn thải
Mẫu tại các điểm lựa chọn là cầu Lạc Trung và khu đô thị Minh Khai đƣợc lấy mẫu bằng các dụng cụ nhƣ xơ nhựa có thể tích 10 lít, ca lấy mẫu, can đựng mẫu có thể tích 10 lít với các bƣớc tiến hành lấy mẫu nhƣ sau:
Bƣớc 1: Bùn thải đƣợc lấy bằng ca lấy mẫu múc vào xô nhựa, mẫu đƣợc lấy ở tầng bùn phía trên ở khoảng cách từ 0 đến 20 cm tính từ lớp bùn xuống. Để lắng bùn thai trong xô khoảng 30 phút cho bùn thải lắng ổn định sau đó gạn bớt phần nƣớc phía trên, lấy phần bùn cặn ở giữa và loại bỏ bớt cặn rác, đá ở phía dƣới đáy xơ. Thao tác này đƣợc làm lập lại 03 lần ta thu đƣợc mẫu bùn thải cẩn dùng cho thí nghiệm. Tiếp theo mẫu đƣợc chuyển vào can nhựa sạch thể tích 10 lít, đem về phịng thí nghiệm. Giữ ngun quy trình lấy mẫu cho những lần lấy mẫu tiếp theo.
Bƣớc 2: Mẫu sau khi lấy đƣợc bảo quản trong thùng lạnh chuyển về phịng thí nghiệm và đƣợc bảo quản ở nhiệt độ 40C cho đến khi thí nghiệm.
b) Lấy mẫu rác thải sinh hoạt
Rác thải sinh hoạt đƣợc lấy từ các xe thu gom rác đơ thị tập trung với thành phần chính là các loại rác thải hữu cơ nhƣ rau, củ quả thối…. Rác đƣợc lấy vào túi nilong đem về phịng thí nghiệm tiến hành tiền xử lý.
2.3. Thiết bị nghiên cứu [11]
Thiết bị chính sử dụng trong q trình nghiên cứu là máy AD - W8 tại phịng thí nghiệm hóa mơi trƣờng. Dƣới đây là mơ hình máy xử lý yếm khí đƣợc sử dụng trong thí nghiệm: Thiết bị gồm 2 bình phản ứng chính (1) và (2) giống hệt nhau, có thể tích là 5 lít, có chứa các giá thể bằng nhựa dạng hình cầu, có thể điều chỉnh đƣợc nhiệt độ nhờ vỏ gia nhiệt 200W với điều khiển PID (7) và (8) từ một cảm biến nhiệt độ đƣợc đặt bên trong bể phản ứng. Điểm cài đặt nhiệt độ trong phạm vi môi trƣờng xung quanh đến 550C. Máy bơm cấp liệu (5) và (6) nhu động giống hệt nhau, biến tốc sử dụng biến trở 10 vòng đến 4.0 vòng/phút đƣợc cung cấp với 3 đƣờng kính ống 3,2 mm, lƣu lƣợng dịng chảy từ 0,2 đến 5,8 lít ngày. Các bể chứa góp khí (3) và (4) giống nhau có thể tích 5 lít. Các điểm A và B tƣơng ứng là các điểm để chích lấy mẫu chất khí và mẫu dung dịch.
(1) và (2): Bình phản ứng chính (3) và (4): Bình thu khí biogas (5) và (6): Máy bơm.
(7) và (8): Bộ điều chỉnh nhiệt độ bể phản ứng. (A) và (B): Điểm lấy mẫu phân tích.
Hình 2.1. Sơ đồ mơ hình thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD-W8
- Dựa trên mơ hình ủ yếm khí nhƣ trên, ta thiết lập lại mơ hình phản ứng cho
phù hợp với mục đích nghiên cứu nhƣ sau:
- Nhiệt độ: Mơ hình thí nghiệm đƣợc đặt trong cùng điều kiện nhiệt độ thí
nghiệm dao động từ 280C đến 320 C.
Bể phản ứng 1: Ống khí đƣợc nối trực tiếp với túi lấy khí để mang mẫu khí đi đo xác định thành phần khí (%CH4, %CO2)
Bể phản ứng 2: Ống khí đƣợc nối vào hệ thống thu khí có sẵn theo máy để đo thể tích lƣợng khí sinh ra theo ngày.
Hình 2.2. Cách bố trí mới thiết bị xử lý nƣớc thải yếm khí AD-W8 2.4. Chuẩn bị nguyên liệu nạp
Chuẩn bị bùn thải:
Mẫu bùn thải sau khi đƣợc lấy về phịng thí nghiệm đƣợc đổ vào thùng nhựa thể tích 20 lít và khuấy đều để đồng nhất mẫu bùn thải sau đó tiền hành xác định khối lƣợng riêng (nhƣ hình 2.3), sau đó tiến hành xác định tỷ trọng của bùn thải theo các bƣớc sau:
- Cân bình đong 1000 ml đƣợc khối lƣợng m1 (gam) - Đổ bùn vào bình đến vạch 1000 ml
- Cân cả bùn và bình đƣợc khối lƣợng m2 (gam) - Tính tỷ trọng theo cơng thức d = (m2-m1)/1000
Từ đó ta có kết quả xác định khối lƣợng riêng của bùn thải đƣợc thể hiện trong bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1: Tính khối lƣợng riêng của bùn
Đợt Khối lƣợng bình ( g) Bình+ mẫu (g) Thể tích của bình mL)
Khối lƣợng riêng D(g/mL)
1 404 1614 1000 1,21
2 430 1650 1000 1,22
Chuẩn bị rác thải sinh hoạt – Rác thải hữu cơ:
Rác sau quá trình tiền xử lý và phân loại có thành phần chủ yếu là rau quả, vỏ quả, thân quả thối, cuống, lá... đƣợc nghiền nhỏ bằng máy say (loại say sinh tố với tốc độ cao), sau đó mẫu đƣợc cân với những tỷ lệ xác định cùng với bùn thải
2.5. Nạp mẫu vào bể phản ứng
Các bước tiến hành
Thí nghiệm 1: Bùn thải đã đƣợc hịa trộn ở thùng 20 lít, đƣợc nạp vào bể phản
ứng bằng ca nhựa và phễu nhựa đến khi đầy bể phản ứng. thể tích bùn thải đƣợc nạp vào bể phản ứng là 3,5 lít.
Thí nghiệm 2: Bùn thải đƣợc hịa trộn ở thùng 20 lít sau đó lấy ra đong thể tích
và trộn với rác thải hữu cơ đã đƣợc nghiền nhỏ với tỷ lệ về khối lƣợng là bùn thải : rác thải hữu cơ là 3:1.
Thí nghiệm 3: Bác bƣớc tiến hành tƣơng tự nhƣ đối với thí nghiệm 2 nhƣng tỷ
lệ phối trộn là bùn thải: rác thải hữu cơ là 1:1.
Thí nghiệm 4: các bƣớc tiến hành tƣơng tự nhƣ đối với thí nghiệm 2 nhƣng tỷ
lệ phối trộn là bùn thải : rác thải hữu cơ là 1:3. Vận hành máy:
Sau khi nạp nguyên liệu vào bể phản ứng đến đầy bình, các van đƣợc khóa chặt.
Để khí thốt ra khơng bị hịa tan, dung dịch trong bình thu khí đƣợc pha bằng nƣớc muối với nồng độ NaCl trong dung dịch là 3%.
Hình 2.4: Quá trình thực nghiệm phối trộn BT và RTHC 2.6. Chuẩn bị hóa chất và thiết bị máy móc cho q trình phân tích mẫu
Chuẩn bị hóa chất:
Hóa chất cần sử dụng cho quá trình phân tích các chỉ tiêu tổng nitơ (T-N). tổng phốt pho (T-P), nhu cầu oxi hóa học (COD).
Phƣơng pháp chuẩn bị mẫu để phân tích các chỉ tiêu đƣợc dựa trên tiêu chuẩn TCVN 4047-1985
Hóa chất cho phân tích T-N: Phương pháp TCVN6498:1999
Hóa chất cho phân tích T-P: Phương pháp TCVN6499:1999
Hóa chất phân tích cho COD: Standard Method D1252-95
Bảng 2.2: Hóa chất phân tích
TT Hóa chất Độ tính khiết Hãng sản xuất
2 H2SO4 (đặc) 98% 98% Trung Quốc 3 K2SO4 80% - 87% Trung Quốc 4 CuSO4.5H2O 99% Trung Quốc
5 TiO2 99% Trung Quốc
6 Na2S2O3. 5H2O 96% Trung Quốc
7 NaOH 99% Trung Quốc
8 H3PO3 (đặc) 99% Trung Quốc 9 Bromocresol 99% Trung Quốc
10 Metyl đỏ 99% Trung Quốc
11 Ag2SO4 99% Trung quốc
12 NaHCO3 98% Trung Quốc
13 (NH4)6Mo7O24.4H2O 99% Trung Quốc
14 Na2CO3 99% Trung Quốc
15 KH2PO4 98% Trung Quốc
16 Na2S2O5 97% Trung Quốc 17 K(SbO)C4H4O6.0,5H2O 99% Trung Quốc 18 C6H8O6 99% Trung Quốc
Chuẩn bị máy móc:
Ngồi 2 bộ thiết bị kể trên, trong q trình thực hiện đề tài, tơi cịn sử dụng các thiết bị đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 2.1 sau:
Bảng 2.3: Danh mục thiết bị sử dụng trong q trình phân tích mẫu
TT Tên máy Model Hãng sản xuất
1 Máy phá mẫu SM-200 Yamato
2 Máy lắc Vortex ZX3 – Velp Velp – Italy 3 Máy phân tích TC SSM-5000A Shimadzu 4 Bếp phá mẫu ECO16 Velp – Italy 5 Máy đo pH HI 99121 Hanna – Italy 6 Máy say rác IKA M20 Germany
Bên cạnh đó tơi cịn sử dụng một số dụng cụ, thiết bị khác trong Phịng Thí nghiệm Hóa mơi trƣờng 1, 2 – Khoa hố – 19 Lê Thánh Tơng – Hồn Kiếm - Hà Nội và phịng thí nghiệm chất thải rắn thuộc Tầng 7- Phịng 709 – Tịa nhà Thí nghiệm Trƣờng đại học Xây dựng Hà Nội.
2.7. Các thông số theo dõi và phân tích trong q trình thực hiện phản ứng và kết thúc kết thúc
Mẫu đầu vào gồm bùn thải và rác thải hữu cơ sau quá trình tiền xử lý và phối trộn theo các tỷ lệ thích hợp nhƣ đã trình bày ở mục 2.5 trên đem đi xác định độ ẩm nhƣ sau: Dùng chén sứ đƣợc sấy khơ ở 105oC sau đó cho 1 lƣợng chất chủng chính xác vào và đƣợc sấy khơ 105°C trong tủ sấy phịng thí nghiệm hóa mơi trƣờng trong thời gian 1 ngày, đem cân đến khi khối lƣợng không đổi. Sau đó đƣợc nghiền nhỏ ở kích thƣớc 0,2mm, lƣu lại trong túi nilon sạch để bảo quản trong bình hút ẩm để chuẩn bị mẫu cho phân tích các chỉ số tiếp theo nhƣ: tổng nitơ (T-N), tổng phot pho (T-P), tổng hàm lƣợng cacbon (T-C), tổng hàm lƣợng chất rắn bay hơi (TVS). Kết quả xác định các chỉ tiêu này đƣợc trình bày trong bảng 3.2, bảng 3.3 và bảng 3.6.
Tiến hành theo dõi mơ hình thí nghiệm sau 30 ngày.
- Các thông số độ pH, hàm lƣợng COD đƣợc tiến hành lấy mẫu với tần suất 03 ngày/lần với điểm lấy mẫu là đầu ra theo van xả ở phía dƣới đáy bể phản ứng. Giá trị pH đƣợc đo trực tiếp bằng máy đo pH (hãng và model), COD đƣợc xác định dựa trên tiêu chuẩn Standard Method D1252-95.
- Khảo sát sự thay đổi thành phần các chỉ tiêu nhƣ T-N, T-P, TC, TVS giữa đầu vào và đầu ra từ đó cho ta những kết luận cụ thể về quá trình phản ứng của từng thí nghiệm, vì vậy
- việc xác định các chỉ tiêu ở các thời điểm nhất định của phản ứng này là rất quan trọng. Mẫu đầu ra đƣợc trộn đều trong xơ có thể tích 10 lít sau đó cân một khối lƣợng mẫu chính xác đem đi xác định độ ẩm, làm lập lại 03 lần để lấy kết quả độ ẩm trung bình, sau đó với cách làm hoàn toàn tƣơng tự nhƣ với việc xác định độ
ẩm và các chi tiêu nhƣ đối với đầu vào. Kết quả phân tích hàm lƣợng các chỉ tiêu hóa lý đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 3.3, bảng 3.4 và bảng 3.6.
- Đối với chỉ tiêu TVS ở cả mẫu đầu ra và đầu vào đƣợc xác định nhƣ sau: Lấy mẫu TS đem nung trong tủ ở 550°C trong thời gian 1 giờ để nguội và cân bằng cân phân tích
2.8. Xác định thành phần khí sinh ra
Hệ thống sắc ký khí GC – 2010 (Shimadzu Nhật Bản) ghép nối với các đêtectơ ion hóa ngọn lửa (Flame Ionization Detector: FID) và đêtectơ cảm biến nhiệt (Thermal Conductivity Detector: TCD). Cột tách sử dụng đồng thời ba loại cột: Molecular Sieve, Porapak N và Porapak Q). Khí mang nitơ (độ tinh khiết lớn hơn 99,95%).
Điều kiện làm việc của hệ thống:
- Tốc độ dịng khí mang: 10 mL/phút. - Nhiệt độ cổng bơm mẫu (injector): 750
C
- Nhiệt độ buồng cột đặt ở chế độ đẳng nhiệt: 750C
- Khoang chứa 2 đêtectơ FDI và TCD đều đặt ổn định ở 1000 C - Thể tích mẫu khí đƣa vào hệ thống: 10 mL.
Nguyên tắc hoạt động: Hỗn hợp khí đƣợc đƣa vào hệ thống sắc ký từ cổng bơm mẫu, nhờ dịng khí mang hỗn hợp khí đƣợc đẩy qua cột. Tại đây, xảy ra quá trình tác các chất khí trong đó có CH4 và CO2. Khi ra khỏi cột tách, khí CO2 đƣợc dẫn qua cột methaonzer (nạp Shimahte Niken) để chuyển hóa thành CH4 để tính lƣợng CO2 trong mẫu khí. Khí CH4 khi ra khỏi cột tách đƣợc dẫn trực tiếp đến đêtectơ TCD để xác định (phƣơng pháp chung là có thể xác định đồng thời thêm các khí H2, O2, N2). Cũng dựa vào phƣơng pháp chuẩn để xác định đƣợc hàm lƣợng khí CH4 có trong mẫu khí. Kết quả thành phần phần trăm về thể tích của CO2, CH4 và các khí khác đƣợc chỉ ra ở bảng 3.9.
thống vịi thốt nƣớc, lƣợng nƣớc thoát ra đƣợc thu lại và đo thể tích cụ thể hàng ngày, lúc này thể tích nƣớc thốt ra tƣơng ứng thể tích khí tạo ra. Kết quả đo lƣợng khí sinh ra đƣợc trình bày cụ thể trong bảng 3.7.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm bùn thải sông Kim Ngƣu 3.1. Đặc điểm bùn thải sơng Kim Ngƣu
Trƣớc khí nghiên cứu khả năng sinh khí của bùn thải sơng Kim Ngƣu kết hợp với rác thải hữu cơ, cần thiết xem xét một số đặc điểm hóa lý của các mẫu bùn thải tại 2 điểm khảo sát khu đô thị Minh Khai (M1) và cầu Lạc Trung (M2) là ổn định. Với pH từ 7,1 đến 7,2 hàm lƣợng COD tổng từ 81000 – 84600 mg/L, là những khoảng chênh lệch không quá lớn qua 02 điểm khảo sát trên. Tổng chất rắn bay hơi ổn định trong khoảng từ 34,78% đến 34,9%, một số chỉ tiêu khác nhƣ T-N (%TS), T-P (%TS), TS cũng có sự dao động hàm lƣợng khơng lớn qua kết quả phân tích đƣợc chỉ ra trong bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn thải sơng Kim Ngƣu Điểm lấy mẫu COD (mg/L) TN (%TS) TP (%TS) TC (%) PH VS (%TS) TS (%) M1 84600 1,39 0,95 26,7 7,1 31,5 13,2 M2 81000 1,42 0,93 27,3 7,2 32,5 13,9
Kết quả ở bảng 3.1. chỉ ra rằng, thành phần hóa lý của hai mẫu bùn thải lấy tại hai địa điểm khác nhau trên sông Kim Ngƣu không khác nhau nhiều. Sự ổn định của các thơng số hóa lý chứng tỏ bùn sơng Kim Ngƣu tại thời điểm lấy mẫu đã tồn tại với thời gian dài. Trong thời gian đó đã diễn ra các q trình ổn định sinh học tự nhiên làm cho thành phần hóa lý của bùn tại 02 điểm khảo sát là tƣơng tự nhau. Nhƣ vậy, mẫu bùn đƣợc lấy và khảo sát trong nghiên cứu có tính đại diện cho bùn thải tại sông Kim Ngƣu.
3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong q trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phƣơng pháp lên men yếm khí
Trong các nghiên cứu trƣớc chỉ ra rằng, các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy yếm khí nhƣ nguyên liệu đầu vào nếu tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng đến là tối ƣu [10]. Tỷ lệ này q cao thì khơng đủ dinh dƣỡng cung cấp cho vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngƣợc lại, tỷ lệ này quá thấp thì quá