Khả năng sinh khí sinh học và thành phần khí CH4- 123docz.net

CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.2. Nghiên cứu xác định điều kiện thích hợp trong quá trình ổn định bùn thải kết

3.2.6. Khả năng sinh khí sinh học và thành phần khí CH4

Thông thƣờng, khi phân hủy 1 kg chất hữu cơ khơ thu đƣợc khoảng 0,2 - 1,11 m3 khí sinh học [15]. Tuy nhiên, lƣợng khí sinh học sinh ra cũng nhƣ tỷ lệ thành phần khí CH4 bị tác động bởi nhiều yếu tố của q trình lên men yếm khí. Cụ thể bảng 3.8 mơ tả q trình sinh khí trong thí nghiệm với các tỷ lệ phối trộn bùn thải/rác hữu cơ khác nhau.

Bảng 3.8: Bảng theo dõi lƣợng khí sinh ra theo thời gian

TT TN1 (1:0) (mL) TN2 (3:1) (mL) TN3 (1:1) (mL) TN4 (1:3) (mL) 2 7 5 5 11 3 12 6 12 31 4 16 13 113 33 5 17 17 18 46 6 17 41 136 104 0 1 2 3 4 5 6 7 8 N3 N6 N9 N12 N15 N18 N21 N24 N27 N30

KẾT QUẢ THEO DÕI PH

TN1 TN2 TN3 TN4 pH

7 26 131 149 130 8 65 143 206 224 9 101 236 236 285 10 109 402 680 305 11 194 554 735 1082 12 313 1211 1133 1255 13 376 1662 1211 1650 14 556 1156 1416 2250 15 797 1091 1554 2174 16 1045 1056 1662 2004 17 1084 1046 1156 1328 18 817 960 1145 1120 19 806 806 1046 1119 20 707 726 717 963 21 658 680 555 693 22 625 401 455 643 23 566 381 401 563 24 414 278 395 538 25 352 235 394 414 26 300 196 378 273 27 236 194 142 214 28 185 145 109 124 29 84 109 101 117 30 80 94 90 109

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy ln xuất hiện đỉnh cực đại sinh khí. Hiện tƣợng này chứng tỏ khả năng sinh khí liên quan đến quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nguyên liệu đầu vào. Thành phần phần trăm khí sinh ra theo các ngày đƣợc đo bằng máy sắc ký khí GC – 2010 (Shimadzu Nhật Bản) với kết quả đo thành phần khí cụ thể đƣợc thể hiện trong phụ lục 1 đến phụ lục 7. Hàm lƣợng khí sinh ra trong thí nghiệm 4 là cao nhất là 19.802 ml khí, hàm lƣợng khí sinh ra đạt cực đại từ ngày thứ 12 đến ngày thứ 19 của quá trình lên men, trong quá trình này tổng hàm lƣợng khí là 13.982 ml, chiểm 70,61 % tổng hàm lƣợng khí trong suốt q trình lên men. Có thể giải thích sự tạo hàm lƣợng khí sinh học cao ở thí nghiệm 4 này là do thành hàm lƣợng rác hữu cơ đƣa vào nhiều nhất, làm tăng

hàm lƣợng chất hữu cơ đáng kể tạo ngun liệu cho q trình tạo khí nhiều hơn so với các thí nghiệm khác. Ở thí nghiệm 3, thí nghiệm 2 tổng hàm lƣợng khí tạo ra ít hơn ở thí nghiệm 4 với lƣợng khí cụ thể lần lƣợt là 16.350 ml và 13975 ml và lƣợng khí sinh ra chủ yếu ở thời gian từ ngày thứ 13 đến ngày thứ 19 của q trình lên men, lƣợng khí cực đại tạo ra chậm hơn 1 đến 2 ngày so với lƣợng khí cực đại sinh ra ở thí nghiệm 4. Đặc biệt hàm lƣợng khí sinh ra thấp nhất ở thí nghiệm 1 ( ngun liệu đƣa vào chỉ có bùn thải) với tổng thể tích khí là 10.565 ml và thời gian sinh khí cực đại từ ngày 16 và 17,lâu hơn so với các thí nghiệm cịn lại. Có thể giải thích điều này là do bùn thải có thành phần ơ nhiễm phức tạp, hàm lƣợng chất hữu cơ trong bùn thải thấp nên khó áp dụng xử lý bằng phƣơng pháp lên men yếm khí.

Hình 3.8: Khả năng tạo khí theo thời gian ở các thí nghiệm

Khí sinh học đƣợc sinh ra trong q trình phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ với thành phần chính gồm: CH4, CO2, NH3, H2. Ngồi ra cịn một số khí khác với tỷ lệ hạn chế có trong thành phần khí sinh học nhƣ: H2S, CO…Trong nghiên cứu, một số thành phần khí chính trong khí sinh học đƣợc tập trung phân tích bao gồm CH4, CO2, O2, H2S. Hàm lƣợng trung bình các khí đƣợc thể hiện trong bảng 3.9 sau: 0 500 1000 1500 2000 2500 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

HÀM LƢỢNG KHÍ SINH RA THEO THỜI GIAN TN1 (1:0) TN2 (3:1) TN3 (1:1) TN4 (1:3) mL Ngày

Bảng 3.9: Tỷ lệ thành phần trung bình của các khí trong khí sinh học

Hoạt động của vi khuẩn sinh khí CH4 phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣng quan trọng nhất là thành phần nguyên liệu đầu vào. Lƣợng chất ức chế trong nguyên liệu đầu vào nhỏ, tỷ lệ thích hợp của các yếu tố vi lƣợng giúp cho việc sinh khí CH4 diễn ra với hiệu quả cao hơn. Do đó, khi thay đổi thành phần nguyên liệu đầu vào với thành phần rác hữu cơ cao làm cân bằng tỷ lệ C:N đã mang lại tỷ lệ thành phần CH4 cao hơn. Từ Bảng 3.5 nhận thấy tỷ lệ CH4 trung bình của khí sinh ra trong trƣờng hợp TN4 đạt 55%, TN3 đạt 48%, TN2 đạt 40% và TN1 đạt 34%. Theo lý thuyết và những nghiên cứu trƣớc thì tỷ lệ CH4 đạt 55% là tỷ lệ có thể chấp nhận đƣợc trong lên men yếm khí ổn định bùn thải.

Thí nghiệm Khí sinh học (mL/ngày) CH4 (mL/ngày) CO2 (mL/ngày) CH4 (%) CO2 (%) Khí khác (%) TN1 (1:0) 350 119 210 34 60 6 TN2 (3:1) 466 186 308 40 57 3 TN3 (1:3) 540 259 228 48 49 3 TN4 (1:1) 649 337 285 55 41 4

KẾT LUẬN

Qua thời gian nghiên cứu một cách nghiêm túc q trình tạo khí metan đối với ngun liệu đầu vào là rác thải hữu cơ và bùn thải ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau, chúng tôi đã thu đƣợc các kết quả nhƣ sau:

1. Đã tiến hành phân hủy yếm khí với 4 tỷ lệ khác nhau về khối lƣợng của BT và RTHC. Các q trình giải phóng khí cacbonic (CO2) và metan (CH4) tuân thủ gần nhƣ mô tả lý thuyết. Song thời gian giải phóng khí sinh học ở tỷ lệ BT và RTHC là 1: 3 là lớn hơn ở các tỷ lệ còn lại.

2. Đã đo đƣợc tƣơng đối chính xác lƣợng thành phần khí sinh học sinh ra bằng phƣơng pháp sắc ký (kết quả đo sắc ký thành phần khí đƣợc thể hiện ở phần phụ lục) cụ thể hàm lƣợng CH4 sinh ra ở thí nghiệm 4 là nhiều nhất, chiểm 55% tổng hàm lƣợng khí sinh ra sau đó đến thí nghiệm 3 là 48% thí nghiệm 2 là 40% và thí nghiệm 1 thấp nhất là 34%.

3. Sử dụng phƣơng pháp lên men yếm khí để ổn định bùn thải sơng Kim Ngƣu kết hợp rác hữu cơ với tỷ lệ phối trộn bùn thải và rác hữu cơ là 1:3 cho kết quả khả quan vì ở đó khả năng loại bỏ các thành phần T-N, T-P, TS và TVS là cao nhất lần lƣợt là 55,71%, 69,4%, 14,01% và 19,83%. Hiện tƣợng này tƣơng tự đối với khả năng loại bỏ COD cao nhất trong thí nghiệm 4 là 60,84%. Các thơng số hóa lý và hiệu suất sinh khí CH4 diễn ra ổn định, hiệu suất khá cao với tổng thể tích khí 19802 mL.

4. Có thể sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn thải và rác hữu cơ là 1: 3 cho các nghiên cứu tiếp theo của đề tài cũng nhƣ áp dụng trong thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1. TS Trần Thị Mỹ Diệu và TS Nguyễn Trung Việt, (2007), Giáo trình quản lý chất

thải sinh hoạt và Giáo trình quản lý chất thải nguy hại, Công ty Mơi trƣờng

Tầm nhìn xanh.

2. Cao Vũ Hƣng (2014), Nghiên cứu sự chuyển hóa một số yếu tố gây ơ nhiễm trong

quá trình ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men nóng, Luận án tiến sỹ, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc

gia Hà nội.

3. Sổ tay hƣớng dẫn thu gom và sử lý rác hộ gia đình (2013) , Nhà xuất bản Hà nội. 4. Nguyễn Thị Kim Thái (1996), l bả thải t c ng nghiệp chế biến tinh bột

bằng phương pháp k khí trong đi u kiện khí hậu việt n m, Luận án PTS Khoa

học kỹ thuật, Trƣờng đại học Xây dựng, Hà nội.

5. Nguyễn Thị Kim Thái, Trần Hiếu Nhuệ, ng Quốc Dũng (2001), iáo tr nh uản l chất thải rắn, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội.

6. Nguyễn Thị Kim Thái (2002-2003) , i giảng quản l chất thải rắn đ thị, Khoa kỹ thuật môi trƣờng-Trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội.

7. Nguyễn Thị Kim Thái (2004), l ph n b n bể tự hoại các đ thị Việt N m-Đ uất m h nh c ng nghệ ph hợp, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà nội.

8. Tin tức Hội nghị Quốc tế lần thứ 3 tại Hà nội (2015): Quản lý bùn thải t các cơng trình vệ sinh, thông tin tải từ website: http://www.epe.edu.vn/hoi-nghi-

quoc-te-lan-thu-3-ve-quan-ly-bun-thai-tu-cac-cong-trinh-ve-sinh-fsm3-tai-hanoi-19-2312015-60.html truy cập ngày 1/11/2015.

9. Đỗ Văn Vƣơng (2014), Nghiên cứu hiệu suất sinh Metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá tr nh ph n hủy yếm khí, Luận văn cao học Hóa

mơi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa Hoc Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội.

Tiếng anh

10. Appels L., Baeyens J., Degreve J., Dewil R., (2008), “Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge”, Progress in Energy and Combustion Science, 34, pp. 755-781.

11. Armfield (2006), Instruction Manual Anaerobic Digester W8, Armfield

Limited- England.

12. Bolzonella D., Cavinato C., Fatone F., Pavan P., Cecchi F., (2012), “High rate mesophilic, thermophilic, and temperature phased anaerobic digestion of waste activated sludge: A pilot scale study”, Waste Management, 32, pp.

1196-1201.

13. Busetti F., Heitz A., Cuomo M., Badoer S., Traverso P., (2006), “Determination of sixteen polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous and solid samples from an Italian wastewater treatment plant”, J. Chromatography, A 1102, pp.

104-115.

14. Brunn L., Dornack C., Bilitewski B., (2007), Application of laboratory scale experiments to industrial scale in case of anaerobic waste treatment, Sardinia,

Eleventh International Symposium, Cagliary, Italy.

15. Chongrak P., (1996), Organic Waste Recycling, WILEY, England.

16. Cai Q.Y., Mo C.H., Wu Q.T., Zeng Q.Y., Katsoyiannis A., (2007a), “Occurrence of organic contaminants in sewage sludges from eleven wastewater treatment plants, China”, Chemosphere, 68, pp. 1751-1762.

17. Cecchi F., Pavan P., Alvarez J.M., Bassettit A., Cozzolinot C.,(1991), “Anaerobic digestion of municipal solid waste: Thermophilic vs Mesophilic performance at high solids”, Waste Management & Research, 9, pp. 305-315. 18. Carneiro T.F., Perez M., Romero L.I., (2008), “Thermophilic anaerobic

digestion of source-sorted organic fraction of municipal solid waste”,

Bioresource Technology, 99, pp. 6763-6770.

19. Chen H., Yan S.H., Ye Z.L., Meng H.J., Zhu Y.G., (2012), “Utilization of urban sewage sludge: Chinese perspectives”, Environ Sci Pollut Res, 19, pp. 1454-

1463.

20. Fytili D., Zabaniotou A., (2008), “Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods - A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, pp. 116-140.

21. Khadhar S., Higashi T., Hamdia H., Matsuyama S., Charef A., (2010), “Distribution of 16 EPA-priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sludges collected from nine Tunisian wastewater treatment plants”, Journal of

Hazardous Materials, 183, pp. 98-102.

22. Nguyen T.L.H., Ohtsubo M., Li L.Y., Higashi T., (2007), “Heavy Metal Pollution of the To-Lich and Kim-Nguu River in Hanoi City and the Industrial Source of the Pollutants”, J. Fac. Agr., Kyushu Univ., 52(1), pp. 141-146. 23. Oleszczuk P., (2007), “Changes of polycyclic aromatic hydrocarbons during

composting of sewage sludges with chosen physico-chemical properties and PAHs content”, Chemosphere, 67, pp. 582-591.

24. P Villar., Callejon M., Alonso E., Jimenez J.C., Guiraum A., (2006), “Temporal evolution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sludge from

wastewater treatment plants: Comparison between PAHs and heavy metals”,

Chemosphere, 64, pp. 535-541.

25. Perez S., Guillamon M., Barcelo D., (2001), “Quantitative analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage sludge from wastewater treatment plants”,

Journal of Chromatography, A, 938, pp. 57-65.

26. Yan W., Chi J., Wang Zh., Huang W., Zhang G., (2009), “Spatial and temporal distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) insediments from Daya Bay, South China”, Environmental Pollution, 157, pp. 1823-1830

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Kết quả đo khí sau 20 ngày ủ ở thí nghiệm 1 Phụ lục 2 Kết quả đo khí sau 30 ngày ủ ở thí nghiệm 2 Phụ lục 3 Kết quả đo khí sau 10 ngày ủ ở thí nghiệm 3 Phụ lục 4 Kết quả đo khí sau 20 ngày ủ ở thí nghiệm 4 Phụ lục 5 Kết quả đo khí sau 30 ngày ủ ở thí nghiệm 3 Phụ lục 6 Kết quả đo khí sau 10 ngày ủ ở thí nghiệm 4 Phụ lục 7 Kết quả đo khí sau 20 ngày ủ ở thí nghiệm 4 Phụ lục 8 Lấy mẫu bùn thải thực tế tại sơng Kim Ngƣu Phụ lục 9 Q trình xác định tỷ trọng của bùn thải Phụ lục 10 Quá trình đảo trộn để đồng nhất bùn thải

Phụ lục 11 Hỗn hợp rác thải hữu cơ đã đƣợc nghiền phối trộn với bùn thải Phụ lục 12 Quá trình chuẩn bị nạp nguyên liệu

Phụ lục 13 Quá trình nạp nguyên liệu vào bể phản ứng Phụ lục 14 Mơ hình bể phản ứng khi nạp liệu đã hoàn tất Phụ lục 15 Nghiền mẫu khơ và chuẩn bị mẫu để phân tích

Phụ lục 16 Mẫu sau q trình nghiền và đƣợc dây ở kích thƣớc 0,2mm

Phụ lục 17 Mẫu sau quá trình nghiền đƣợc lƣu lại trong tủi nilon và bảo quản trong bình hút ẩm

Phụ lục 18 Thực hiện đo tổng hàm lƣợng Cacbon trên máy phân tích T-C Phụ lục 19 Quá trình thực hiện phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong phịng thí

Analysis Date & Time: 5/20/2015 :1:13:39 PM

User Name : PHONG THI NGHIEM HOA - ETCI, TOGAS GC 14, N-C10893500536 Substation : NGUYEN THI TRANG – DHKHTN – DHQGHN

Sample Name : MAU 02