Thí nghiệm 5 Thơng số cố định
Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1
Tớc độ quay (vịng/phút) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2
Lưulượngbiogas QG Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 3
(lít/phút)
Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 4
Thời gian hấp thụ (phút) 0, 10, 20, 30, 40, 50……
Thông số theo dõi pH dung dịch
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp thực nghiệm
Sau khi thiết lập các thông số vận hành cho lần lượt các thí nghiệm từ 1 đến thí nghiệm 5, tác giả sẽ tiến hành các thí nghiệm này ngay tại mơ hình thí nghiệm đặt tại Nhà máy. Tóm lược các bước thực hiện như sau:
1. Khí biogas thô (đầu vào) được lấy từ hệ thống phân hủy bùn yếm khí đi vào thiết bị làm sạch HGRPB.
2. Dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 được chuẩn bị ở các nồng độ khác nhau cho thí nghiệm 1 và nồng độ cớ định ở các thí nghiệm cịn lại.
3. Tiến hành các thí nghiệm nhằm mục đích khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm sạch biogas: CBa(OH)2;; QG; QL.
4. Sau thời gian làm sạch xác định, thu khí biogas sạch (đầu ra) đem phân tích hàm lượng các thơng sớ CO2, H2S và độ pH của dung dịch.
5. Từ kết quả phân tích các chỉ tiêu trên đưa ra đánh giá về ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu quả làm sạch biogas và lựa chọn được thông số tối ưu của thiết bị và dung dịch đối với q trình làm sạch.
Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ thường.
Các bước thực hiện thí nghiệm được trình bày ở Hình 2.11.
Lưu ý rằng các thí nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần để đảm bảo độ chính xác cho sớ liệu thu nhận được.
Bước
thực Nội dung thực hiện Lấy và đo mẫu
hiện
Kiểm tra hệ thống trước khi vận hành Bước 1 (hóa chất, điện, các van tại các bồn, các
tank …) đảm bảo điều kiện vận hành Khởi động chương trình thiết bị làm sạch Bước 2 khí. Cài đặt thơng sớ đầu vào: tớc độ dịng
khí, tớc độ dịng lỏng, tốc độ quay của thiết bị làm sạch …
Mở van tay cấp khí thơ từ hệ thớng lên Lấy 03 mẫu khí thơ,
Bước 3 men yếm khí và thiết bị làm sạch khí thời gian lấy 3 ÷ 10
phút
Lấy 03 mẫu khí sạch, thời gian lấy 10 phút/lần
Lưu ý: khi lấy xong
Bước 4 Mở van tay tiếp nhận khí sau xử lý từ thiết mẫu khí thơ lần 1,
bị làm sạch vào hệ túi chứa khí sạch khoảng 1÷5 phút
sau lấy mẫu khí sạch lần 1 . Tương tự cho các lần 2 và lần 3 .
Vận hành chương trình làm sạch. Khí sạch Bước 5 theo hệ thớng sẽ qua bồn tích khí sạch,
chuyển qua bồn nén và cấp cho máy phát điện.
Bảng 2.8. Tác giả thực hiện các thí nghiệm làm sạch khí 2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
- Các mẫu biogas trước và sau quá trình làm sạch được đo nhanh tại hiện trường bằng thiết bị đo nhanh GFM 406 (Gas Data, UK) (Bảng 2.8) để xác định sự thay đổi của nồng độ CO2, H2S sau quá trình xử lý.
Ngoài ra, để đảm bảo tính chính xác, mẫu khí biogas được thu vào túi chứa mẫu khí chuyên dụng (túi Tedlar, dung tích 1 lít, van nhựa
Polypropylene, Mỹ) (xem Hình 2.13) và gửi về phịng thí nghiệm của Trung Tâm cơng nghệ mơi trường Đà Nẵng - Viện Cơng nghệ mơi trường.
Hình 2.12. Đo nhanh chất lượng khí biogas tại hiện trường
Việc phân tích thành phần khí biogas được thực hiện bằng thiết bị sắc kí khí GC 2010, Shumadzu, Nhật Bản theo các phương pháp phân tích chuẩn được trình bày trong Bảng 2.9.
Bảng 2.9. Các thơng sớ và phương pháp phân tích thành phần biogasTT Thơng số Phương pháp phân tích TT Thơng số Phương pháp phân tích
1 CH4 TCVN 8715:2011
2 CO2 TCVN 3895:1984
3 H2S TCVN 10142:2013
- Thông sớ pH của dung dịch hấp thụ trong thí nghiệm 5 được đo nhanh tại hiện trường theo TCVN 6492:2011, bằng thiết bị HANNA HI 9811-5 (xem Hình 2.14).
Hình 2.12. Đo pH dung dịch hấp thụ tại hiện trường 2.3.3. Phương pháp kế thừa
Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích và tổng hợp thông tin các nguồn tài liệu, tư liệu, số liệu thơng tin có liên quan một cách có chọn lọc, từ đóđánh giá theo u cầu và mục đích nghiên cứu. Để thực hiện luận văn tác giả đã thu thập các thông tin về:
- Công nghệ xử lý khi sinh học hiện nay
- Một sớ phương pháp xử lý khí sinh học trên thế giới và hiện trạng xử lý khí sinh học tại Việt Nam.
- Thông tin về hiệu quả xử lý khí sinh học bằng các cơng nghệ.
Các thơng tin này đã được cơng bớ trên các tạp chí, sách, luận văn, luận án và được liệt kê đầy đủ trong danh mục Tài liệu tham khảo.
2.3.4. Phương pháp chuyên gia
Như đã trình bày ở Chương 1, tác giả là một trong những thành viên chính của Đề tài thuộc Viện Cơng nghệ mơi trường, do đó, tác giả có cơ hội được gặp gỡ, tham khảo và trao đổi với những chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu của luận văn nhằm củng cố kinh nghiệm và kế thừa kiến thức sâu rộng làm tăng khả năng thành công của đề tài.
+ Các chuyên gia quốc tế: Học Viện Kỹ thuật môi trường, Đại học Quốc gia Đài Loan, thành phố Đài Bắc, Đài Loan, tổ chức phới hợp cùng nhóm nghiên cứu trong đề tài này.
+ Các chuyên gia trong nước: Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng thay thế (CAERA)- Trường Đại học Bách Khoa - Đà Nẵng, tổ chức có nhiều kinh nghiệm và nghiên cứu trong lĩnh vực chạy khí biogas phát điện tại Việt Nam.
2.3.5. Phương pháp tính tốn
- Tính tốn sự thay đổi nồng độ của các thành phần khí khác: CO2 và H2S trong biogas trước và sau khi làm sạch:
C
k-tr - C k-s
Hk % = Ck-tr (%)
Trong đó:
Hk %: Sự thay đổi nồng độ khí sau khi qua hệ làm sạch; Ck-tr: Nồng độ khí trước khi làm sạch;
Ck-s: Nồng độ khí sau khi làm sạch.
- Bên cạnh đó, các kết quả phân tích được lấy theo giá trị trung bình theo cơng thức sau:
Trong đó: N: là tổng sớ lần đo; : là giá trị trung bình; xi: là giá trị ở lần đo thứ i; n: là số lần đo (n = 3)
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 MƠ HÌNH VẬN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN YẾM KHÍ TẠI NHÀ MÁY
Mơ hình vận hành là một phần khơng thể thiếu đới với kết quả của đề tài, việc vận hành đúng quy trình kỹ tḥt giúp thu được lượng khí biogas lớn và làm cơ sở cho q trình làm sạch khí đạt u cầu, cấp cho máy phát điện.
Trên cơ sở tiếp thu kinh nghiệm từ mơ hình pilot tại Trung tâm Công nghệ môi trường Đà Nẵng – Viện Cơng nghệ Mơi trường, mơ hình xử lý bùn yếm khí tại nhà máy thực tế được lắp đặt và vận hành như sau:
HTXL nước thải ( Nhà máy Bia)
Nước thải Nước thải Nước rỉ Bùn thải Bơm Bể nén bùn Bơm Bể phân hủy bùn Bơm Nhà ủ phân compost
Phân compost (Sử dụng bón cây) Biogas Bơm Bồn hóa trộn hóa chất Hóa chất; Nước sạch
Túi chứa Biogas thơ Máy thổi khí
Thiết bị làm sạch Biogas (HGRPB)
Túi chứa Biogas tinh Máy nén khí Thiết bị tách ẩm Bồn chứa Biogas tinh
Ghi chú: Đường bùn Đường khí Đường nước Đường hóa chất Điện (tái sử dụng phục vụ hoạt động của nhà máy)
Bồn điều áp Máy phát điện
Khí thải
Hình 2.2. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ của mơ hình nghiên cứu
Thuyết minh quy trình:
- Bùn thải phát sinh tại HTXL nước thải tập trung của Nhà máy được thu gom bơm về Bể nén bùn của mơ hình pilot, thực hiện nén bùn tách nước, đảm bảo độ ẩm thích hợp cho q trình xử lý bùn bằng q trình phân hủy kỵ khí. Phương pháp để nén bùn là phương pháp vật lý, nén bùn bằng trọng lực
với biện pháp kỹ thuật được sử dụng là bể lắng bùn đứng. Bùn sau nén đạt độ ẩm từ 96 - 98% được bơm vào Bể phân hủy bùn. Nước thải tách ra tuần hoàn lại HTXL nước thải.
- Tại bể phân hủy bùn, với thời gian bùn lưu (có thể điều chỉnh theo lưu lượng) đủ dài, các chất hữu cơ từ bùn hoạt tính phân hủy sẽ bị các vi sinh vật kỵ khí (có sẵn trong bể) phân huỷ tạo hỗn hợp biogas. Hỗn hợp Biogas sẽ được chứa tạm thời bằng túi chứa Biogas thơ (vật liệu HDPE) có thể tích 15 m3 (1 túi) nhớ sự chênh lệch áp tự nhiên.
- Nước phát sinh từ quá trình phân hủy bùn, được thu gom vào hố thu, được về HTXL nước thải để tiếp tục xử lý.
- Bùn sau phân hủy, lắng ở đáy bể phân hủy bùn để ổn đinh và định kỳ bơm về nhà xưởng để ủ phân compost. Tại đây, chất hữu cơ còn lại trong bùn được phân huỷ bởi các sinh vật trong điều kiện có oxy (nhờ máy thổi khí), đảo trộn…, sản phẩm tạo thành là CO2, nước, nhiệt và compost. Nước rỉ từ quá trình ủ được thu gom và đưa về HTXL nước thải tại nhà máy để xử lý.
- Biogas tại túi chứa biogas thô được máy thổi khí thổi vào Thiết bị HGRPB để tinh lọc biogas. Tại đây, Biogas được đưa vào thiết bị với lưu lượng ổn định để phù hợp với các chế độ tải của thiết bị, dung dịch Ba(OH)2
được cấp vào trục giữa thiết bị nhờ bơm, dưới tác dụng của động cơ quay trục giữa, dung dịch Ba(OH)2 sẽ chuyển động ly tâm với tốc độ cao, giúp cho dung
dịch hấp thụ (pha lỏng) tiếp xúc dịng khí đi vào (pha khí) hiệu quả hơn, hiệu suất hấp thụ cao. Các khí tạp trong biogas như H2S, CO2 được hấp thụ vào dung dịch Ba(OH)2. Đồng thời, với tốc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ
không bị kéo theo ra ngoài theo dịng khí, nhờ vậy mà dịng khí sau xử lý có độ ẩm thấp. Sản phẩm sau q trình hấp thụ là Biogas tinh với hàm lượng H2S thấp; CH4đảm bảo quá trình tái tạo năng lượng. Biogas sau làm sạch sẽ tự di
chuyển vào Túi chứa Biogas tinh (vật liệu HDPE) có thể tích 15 m3 (1 túi) nhớ sự áp thừa của máy thổi khí;
-Để đảm bảo thời gian hoạt động và tuổi thọ của máy phát điện, tiết kiệm diện tích và thể tích lưu Biogas, Biogas đã được làm sạch từ túi chứa Biogas tinh sẽ được máy nén khí nén Biogas đến áp suất an toàn trước khi đi qua Thiết bị
tách ẩm. Tại đây, nước được ngưng tụ ở nhiệt độ 2 - 4oC nhờ tác nhân làm lạnh gas. Và biogas được lưu giữ tại Bồn chứa Biogas tinh ở điều kiện áp suất an toàn. Nước ngưng định kỳ được xả về hệ thớng thốt nước của Cơng ty.
- Biogas sau khi làm sạch đã đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn khí cho máy phát điện sẽ được tích trữ trong bình chứa Biogas sạch. Sau đó Biogas được chuyển qua (9) Bình điều áp, đảm bảo yêu cầu áp của dòng Biogas vào máy phát điện (1 - 5,5 kPa). Máy phát điện Biogas được sử dụng để biến nhiệt năng từ CH4 thành điện năng phục vụ cho hoạt động của trạm xử lý nước thải của Cơng ty. Khí thải từ máy phát điện đảm bảo về xả thải, đặc biệt là nồng độ SO2.
Một sớ hình ảnh các hạng mục chính trong hệ mơ hình của đề tài được trình bày ở Hình 3.1
Bể chứa bùn Bể nén bùn
Hệ làm sạch khí biogas Máy phát điện
Hình 3.1. Các hạng mục trong dây chuyền công nghệ của đề tài
Hệ thớng lên men yếm khí đưa vào hoạt động ổn định, bùn thải từ hệ thống XLNT của nhà máy được bơm về hố gom và đưa vào thiết bị lắng hằng ngày, các thông số vận hành được chuyên gia cài đặt tự động để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định. Mỗi hệ thớng vận hành tại mỗi pilot có thơng sớ vận hành riêng biệt phù hợp với tính chất bùn thải, cơng suất thiết kế, chế độ vận hành hệ thống XLNT của nhà máy… các chuyên gia sẽ cài đặt thời gian lắng bùn, thời gian lên men yếm khí, lượng khí biogas sinh ra, lượng bùn thải sau q trình lên men được cấp cho quá trình ủ phân sinh học ….
Với giới hạn của đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp làm sạch khí sinh học và giới hạn thơng tin của mơ hình chưa được cơng bớ, tác giả mặc dù là thành viên tham gia đề tài tuy nhiên xin phép tham khảo các thông số vận hành sau khi dự án được công bố thông tin.
Đối với việc vận hành hệ thống đơn giản và được lắp đặt hoàn toàn tự động, các đầu dị đầu báo, lưu lượng khí, lưu lượng lỏng, các dụng cụ khuấy trộn hóa chất … và các vị trí lấy mẫu đã được thiết kế sẵn thuận tiện cho các thao tác vận hành xử lý khí.
Với nồng độ ban đầu của H2S trong biogas thơ là 3.580 ppm và CO2 là 29,44%, tốc độ quay của thiết bị được cài đặt tại 900 vòng/phút (rpm), tớc độ khí QG là 2,5 (lít/phút), tớc độ dung dịch QL là 0,25 (lít/phút) (tương ứng 15 l/h), thời gian 5 phút, lần lượt tiến hành thí nghiệm với các nồng độ dung dịch Ba(OH)2 thay đổi là: 0,0001; 0,001; 0,01 và 0,1 M tương ứng với khoảng giá trị pH thay đổi từ 10÷13.
Thí nghiệm 1
Thơng số ban đầu
[H2S] (ppm) 3580
[CO2] (%) 29.44
Thơng số cố định
Tớc độ quay (vịng/phút)
Lưu lượng khí biogas QG (lít/phút)
Lưu lượng chất lỏng QL(lít/phút) 900 2,5 0,25 (Tương ứng tỉ lệ QG/QL =10) Thông số khảo sát Nồng độ Ba(OH)2 (M) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1 (pH = 10,11,12,13)
Thông số theo dõi CCO2, CH2S
Kết quả thực hiện và ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 đến hiệu suất tách H2S, CO2 được thể hiện trong Hình 3.2.
[Ba(OH)2] (M) 0,0001 0,001 0,01 0,1 [H2S] (ppm) 1839 685 275.3 47 1746 546 289.4 68 1853 672.3 265.7 62 Tb CH2S % 1812.67 634.43 276.80 59.00 HH2S (%) 49.37% 82.28% 92.27% 98.35% [CO2] (%) 23.92 19.8 18.5 17.3 23.74 20.5 17.8 16.7 23.4 19.7 18.4 17.4 Tb CCO2 ppm 23.69 20.00 18.23 17.13 HCO2 (%) 19.54% 32.07% 38.07% 41.80% 100% 92.27% 98.35% 82.28% Hiệu suât loại bỏ (%) 80% 60% 49.37% 38.07% 41.80% CO2 40% 32.07% H2S 19.54% 20% 0% 0.0001 0.001 0.01 0.1 Nồng độ dung dịch Ba(OH)2 (M)
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ
H2S, CO2
Trong thiết bị hấp thụ HGRPB, chất ô nhiễm H2S, CO2 trong biogas được chuyển từ pha khí sang giao diện khí/lỏng và sau đó đến phần lớn không
gian của pha lỏng là dung dịch Ba(OH)2. Đây là nơi xảy ra phản ứng hấp thụ để làm giảm nồng độ chất ơ nhiễm trong dịng khí biogas theo như các phản ứng đã trình bày ở Mục 1.5.
Từ đồ thị trên Hình 3.2 ta thấy ở tớc độ dịng khí và tớc độ dịng chất lỏng nhất định, các giá trị hiệu suất loại bỏ (H) tăng khi tăng nồng độ dung dịch Ba(OH)2 tương ứng với chất lượng khí biogas tăng lên. Kết quả này được giải thích giớng như khi sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 đó là do khi nồng độ dung mơi tăng lên tức là làm gia tăng sự có mặt nhiều hơn của ion OH- trên một đơn vị thể tích khí hấp thụ H2S, CO2 nên quá trình hấp thụ diễn ra mạnh hơn và hiệu quả loại bỏ cao hơn. Các số liệu cụ thể trên Hình 3.2 cũng chỉ ra hiệu suất loại bỏ tăng nhanh khi tăng nồng độ từ 0,0001 - 0,01 M tương ứng hiệu suất tăng nhanh từ 49,37 đến 92,27 % đối với H2S, và từ 19,54 đến 38,07% đối với CO2, sau đó khi tăng nồng độ lên 0,1 M thì hiệu suất thay đổi khơng đáng kể là 98,35% đối với H2S và 41,8% đối với CO2.
So sánh với nghiên cứu của Meibodi và cộng sự, kết quả pH của dung dịch Ca(OH)2 ở giá trị 11,4 cho hiệu suất loại bỏ CO2 cao nhất. Tuy kết quả không đề cập tới H2S, nhưng khoảng giá trị pH của nghiên cứu cho kết quả tham khảo đổi với nghiên cứu này. Tippayawong và Thannompongchart tiến hành nghiên cứu loại bỏ CO2 bằng Ca(OH)2 sử dung thiết bị hấp thụ dạng cột