Phạm vi nghiên cứu

2.1 .ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu

- Trong giới hạn luận văn, phạm vi nghiên cứu được xác định:

+ Khí biogas sinh ra từ hệ thớng phân hủy yếm khí bùn thải cơng suất tới đa 80 m3/ngđ tại Nhà máy bia Sài Gịn- Đắk Lắk, thuộc cơng ty Cổ phần Bia Sài Gòn – Miền Trung.

+ Các thơng sớ của q trình làm sạch khí biogas: nồng độ dung dịch hấp thụ (CBa(OH)2); tốc độ quay của thiết bị HGRPB (); tớc độ dịng khí biogas (QG) và tớc độ dịng dung dịch (QL).

+ Độ bão hịa của dung dịch hấp thụ trong quá trình làm sạch khí biogas theo thời gian.

- Thời gian nghiên cứu:

- Địa điểm tiến hành thí nghiệm: mơ hình thí nghiệm tại khn viên Nhà máy bia Sài Gòn- Đắk Lắk, thuộc cơng ty Cổ phần Bia Sài Gịn – Miền Trung, địa chỉ: số 01 Nguyễn Văn Linh, thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk.

Nghiên cứu làm sạch biogas bằng kỹ thuật ly tâm tốc độ cao HGRPB sử dụng dung dịch Ba(OH)2 quy mô 80 m3 và hệ thống xử lý nước thải cơng suất 600 m3/ngđ để cung cấp khí biogas cho máy phát điện 20 kWh.

2.2. GIỚI THIỆU VỀ MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong phạm vi Chương trình “Khoa học và cơng nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội Tây Nguyên trong liên kết vùng và hội nhập quốc tế”, Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam là đơn vị chủ trì thực hiện đề tài KH&CN cấp Nhà nước: “Nghiên cứu

phát triển và ứng dụng cơng nghệ khí sinh học tiên tiến phát điện và sử dụng bùn thải sau khi lên men yếm khí để sản xuất phân bón hữu cơ phát triển nơng nghiệp sạch tại Đắk Lăk”, với mục tiêu xây dựng được các mơ hình sản

điện trên cơ sở khí sinh học và sử dụng bùn thải sau khi lên men yếm khí để sản xuất phân bón phù hợp với điều kiện của tỉnh Đắk Lắk và các tỉnh Tây Ngun. Mơ hình thí nghiệm của đề tài được đặt tại khn viên Nhà máy bia Sài Gòn- Đắk Lắk, thuộc cơng ty Cổ phần Bia Sài Gịn – Miền Trung, địa chỉ: số 01 Nguyễn Văn Linh, thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk (gọi tắt là Nhà máy).

Tác giả luận văn là một trong những thành viên chính của đề tài, được sự đồng ý của cơ quan chủ trì và chủ nhiệm của đề tài trên, thực hiện các nội dung nghiên cứu của ḷn văn ngay trên mơ hình.

Mẫu bùn thải thực nghiệm được lấy tại hệ thống xử lý nước thải của Nhà máy. Nhà máy đang vận hành hoạt động sản xuất ổn định các dây chuyền sản xuất với công suất như sau:

- Sản xuất bia với cơng suất 70 triệu lít bia/năm, các loại sản phẩm bia chai Lager 355, Lager 455.

- Sản xuất nước ́ng đóng chai với cơng suất 4 triệu lít/năm, sản phẩm nước ́ng đóng chai loại 300ml, 500ml, 1500ml, 19 lít, 21 lít.

- Sản xuất rượu với cơng suất 40.000 lít/năm, sản phẩm là rượu Sêrêpơk chai 500ml, 1000ml.

- Sản xuất sữa với công suất 500 tấn/năm, sản phẩm là sữa Bazan loại 330ml, 500ml.

Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải của nhà máy được trình bày ở Hình 2.1

Nhà máy đã xây dựng 02 hệ thớng XLNT với tổng công suất 1.920 m3/ngày.đêm (hệ thớng XLNT A có cơng suất 720 m3/ngày.đêm; hệ thớng XLNT B cơng suất 1.200 m3/ngày, cả 2 hệ thớng có dây chuyền cơng nghệ xử lý như nhau) để xử lý toàn bộ nước thải phát sinh tại nhà máy.

Nước thải sinh hoạt Nước thải sản xuất sau khi xử lý sơ bộ

Thùng chứa rác Chỉnh pH Chất chống tạo bọt Biogas Đầu đốt tự động Hố gom và tách rác thô Bơm Tách rác tinh Thùng chứa rác Bể cân bằng Bơm Bùn hồi lưu Bể kỵ khí (UASB) Khử mùi Bếp đớt chưng cất rượu Sục khí Chlorin Bể lắng bùn UASB Bơm Bể trung gian Bể Anoxic Bể hiếu khí (SBR) Bùn Bể khử trùng dư Bể chứa bùn kỵ khí Bơm Nước thải Máy ép bùn Bùn Vận chuyển khơ đi xử lý Sân phơi bùn Nước thải Bơm PAC, Polymer Bể Hóa lý Bể lắng(xử lý độ màu, Bơm photpho)

Kênh đo lưu lượng, trạm quan trắc tự động

Bể chứa bùn hiếu khí

Bể (SBR) Hớ gom nước rỉ

Hố ga

Nguồn tiếp nhận – Suối Ea Nao

(Đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A, Kf = 1,0; Kq = 0,9)

Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải của Nhà máy

Hiện nay, khối lượng bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải được thu gom và ép tách nước bằng máy ép bùn rồi đưa về sân phơi bùn hiện

hữu tại nhà máy với diện tích 352 m2. Theo số liệu thống kê của nhà máy, năm 2017 lượng bùn thải phát sinh là 60.000 kg/năm. Bùn sau khi được làm khô nước sẽ công ty hợp đồng với đơn vị có chức năng là Cơng ty TNHH MTV Đơ thị và Môi trường Đắk Lắk thu gom và vận chuyển đi xử lý.

Kết quả phân tích thành phần bùn thải nhà máy được trình bày ở Bảng 2.1 cho thấy việc tận dụng nguồn bùn thải này cho mục đích phân hủy yếm khí thu biogas là hoàn toàn phù hợp.

Bảng 2.1. Giá trị đặc trưng của bùn hữu cơ sử dụng trong nghiên cứu

STT Thông số Đơn vị Kết quả

1 pH - 7,21 2 Độ ẩm % 88,2 3 TOC g/l 8,497 4 STOC g/l 2,74 5 COD g/l 308,93 6 SCOD g/l 9,96 7 TS g/l 0,14 8 VS g/l 0,04 9 T-N g/l 1,84

Nguồn: kết quả phân tích từ đề tài của Viện Công nghệ môi trường

Trên cơ sở tiếp thu kinh nghiệm từ mơ hình pilot tại Trung tâm Cơng nghệ mơi trường Đà Nẵng và tính chất bùn, khối lượng bùn thu gom được tại nhà máy, các chun gia đã lập mơ hình xử lý bùn yếm khí 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 hịa 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 mơ hình xử lý bùn yếm khí tại nhà máy

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. Thiết bị nén bùn là bể lắng nén bùn có hình trụ đứng, sử dụng phương pháp vật lý để nén bùn bằng trọng lực. Với phương pháp này, 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.

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 quá trình hấp thụ là Biogas tinh với hàm lượng H2S thấp; CH4 đảm 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;

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 Bình điều áp, đảm bảo u cầu áp của dịng 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.

Như vậy, việc vận hành mơ hình hiệu quả có ý nghĩa quan trọng đới với đề tài. Khới lượng biogas thu được từ hoạt động lên men yếm khí bùn càng hiệu quả thì thu được càng nhiều khí và là cơ sở cho q trình làm sạch khí, cung cấp cho máy phát điện hoạt động.

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1. Quy trình thí nghiệm

Trong nội dung nghiên cứu của ḷn văn, thành phần H2S và CO2 có trong khí biogas thơ sẽ được làm sạch thông qua thiết bị quay ly tâm tần số cao (HGRPB - High gravity rotating packed beb). Thiết bị HGRPB (xem Hình 1.10) đã được đề cập tại chương 1, là một trong những thiết bị tăng cường q trình hoạt động cơng nghệ (Process Intensification) điển hình, với ưu điểm nhỏ gọn, chi phí đầu tư thấp và hiệu quả cao, và được sử dụng rộng rãi trong làm sạch khí, chưng cất và cơng nghệ nano. HGRPB có thể tạo ra gia tớc ly tâm cao, và từ đó tạo ra được nhiều màng mỏng hơn (1-10 µm) và các giọt lỏng nhỏ hơn (10-100 µm) với diện tích tiếp xúc lớn giữa pha lỏng và pha khí. Theo nghiên cứu của Ramshaw vào năm 1995, thì kỹ tḥt ly tâm tớc độ cao là một giải pháp công nghệ hiệu quả, giảm đáng kể kích thước thiết bị.

Hơn nữa, với cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, thiết bị HGRPB có thể dễ dàng di chuyển và lắp đặt tại các vị trí cần sử dụng.

Bớ trí thí nghiệm nghiên cứu được trình bày ở Hình 2.4. Biogas từ bể phân hủy bùn

Lấy mẫu biogas thơ Bơm Bồn hịa trộn hóa chất Ghi chú: Đường khí Đường hóa chất Ba(OH)2.8H2O; Nước sạch

Túi chứa Biogas thơ Máy thổi khí Thiết bị làm sạch Biogas (HGRPB)

Lấy mẫu

biogas tinh Túi chứa Biogas tinh

Biogas để phát điện

Hình 2.4. Bớ trí thí nghiệm nghiên cứu

Thuyết minh quy trình:

+ Khí biogas thơ sinh ra từ bể phân hủy bùn của mơ hình sẽ đi vào túi chứa biogas thơ nhờ sự chênh lệch áp tự nhiên.

+ Biogas tại túi chứa biogas thơ được máy thổi khí thổi vào thiết bị HGRPB để tinh lọc biogas.

+ Vận hành thiết bị làm sạch khí HGRPB theo các thơng sớ đã chọn. Khi HGRPB làm việc, biogas được đưa vào thiết bị với lưu lượng ổn định. Dung dịch hấp thụ được cấp vào trục giữa thiết bị nhờ bơm hóa chất. Dưới tác dụng của động cơ quay trục giữa, dung dịch Ba(OH)2 sẽ chuyển động ly tâm với tớc độ cao, làm tăng cường q trình tiếp xúc giữa dung dịch hấp thụ (pha lỏng) với dòng khí đi vào (pha khí). Trong q trình tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng, khí H2S sẽ kết hợp với dung dịch Ba(OH)2 theo các phản ứng sau:

H2S + Ba(OH)2 BaS + 2H2O BaS + H2S⇌2Ba(HS)2

Đồng thời, Ba(OH)2 cũng tác dụng với CO2 có trong biogas: Ba(OH)2 + CO2 Ba(HCO3)2

Ba(HCO3)2 + CO2 BaCO3 + H2O

Bên cạnh đó, với tớc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ không bị kéo ra ngoài theo dịng khí, nhờ vậy mà dịng khí sau xử lý có độ ẩm thấp.

+ Biogas sau làm sạch sẽ tự di chuyển vào túi chứa biogas tinh (xem Hình 2.5) nhờ áp thừa của máy thổi khí. Sản phẩm sau q trình hấp thụ là biogas tinh với hàm lượng CH4, H2S, CO2 đảm bảo theo tiêu chuẩn biogas làm nhiên liệu phát điện.

Hình 2.5. Túi chứa biogas thô (bên phải) và túi chứa biogas tinh (bên trái)

+ Khí biogas sau khi làm sạch sẽ đi vào hệ nén và tách ẩm biogas trước khi được sử dụng làm nhiên liệu cho máy phát điện.

Chất lượng biogas sau khi làm sạch phải đảm bảo yêu cầu về giới hạn quy định các thông số CH4, H2S và CO2 trong biogas làm nhiên liệu cho máy phát điện như trình bày trong Bảng 2.2

Bảng 2.2. Chất lượng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho máy phát điện

Thông số Đơn vị Yêu cầu chất lượng

CH4 % ≥ 85

CO2 %  2,5

- Mỗi thí nghiệm nghiên cứu kéo dài trong 5 phút và có độ lặp lại 3 lần. - Việc thiết lập các thơng sớ làm việc cho q trình làm sạch khí được thực hiện như sau:

+ Nồng độ dung dịch hấp thụ (CBa(OH)2): điều chỉnh thơng qua khới lượng hóa chất và lượng nước sạch đưa vào bồn hóa chất, được khuấy trộn bằng động cơ khuấy (xem Hình 2.6). Bồn chứa hóa chất có dung dích 1.000 lít, vật liệu PVC. Máy khuấy trộn hóa chất cơng suất: 0,2kW, 3P, 380V,

50Hz, cánh khuấy inox SUS304.

+ Tốc độ quay của thiết bị HGRPB (): được điều chỉnh bằng động cơ quay ly tâm điều chỉnh tốc độ theo biến tần (xem Hình 2.7): cơng suất: 0,75kW, dịng tải ngỏ ra: 2,5A; 0,1 ~ 400Hz; mô-men khởi động 100%;khả năng chịu q tải: 150% trong 60 giây; truyền thơng: tích hợp sẵn RS-485; vào 3 pha ra 3 pha 380VAC.

+ Tớc độ dịng khí biogas (QG): điều chỉnh thơng qua máy thổi khí (xem Hình 2.8) và lưu lượng kế đo khí (xem Hình 2.9) với dải đo 200 - 2500 NL/min.

+ Tớc độ dịng dung dịch (QL): điều chỉnh thơng qua bơm hóa chất

(xem Hình 2.10) và lưu lượng kế đo hóa chất (xem Hình 2.11). Bơm hóa chất kiểu bơm: trục ngang, guồng bơm inox. Lưu lượng: 1,2 - 5,4 m3/h,chiều cao cột áp: H = 12 - 20,5 m,công suất điện: 0,65 kW/380-50Hz. Lưu lượng kế đo hóa chất có dải đo 7,5 - 100 NL/min.

Hình 2.6. Bồn chứa và máy khuấy trộn Hình 2.7. Động cơ quay ly tâm biến tần

Hình 2.8. Máy thổi khí Hình 2.9. Lưu lượng kế đo khí

2.2.2. Các nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được luận văn học viên đi vào thực hiện năm (05) nội dung nghiên cứu được trình bày như sau:

2.2.2.1. Nội dung 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dungdịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ

dung dịch Ba(OH)2 đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 được thể hiện ở

Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa nồng

độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 1 Thông số cố định

Tớc độ quay (vịng/phút) 900

Lưu lượng khí biogas QG 2,5

(lít/phút) Lưulượngchấtlỏng 0,25 (Tương ứng tỉ lệ QG/QL =10) QL(lít/phút) Thơng 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

Mẫu khí trước và sau làm sạch được phân tích và đánh giá hiệu suất loại bỏ chất ơ nhiễm. Từ kết quả thu được lựa chọn nồng độ dung dịch hấp thụ sử dụng cho quá trình làm sạch phù hợp.

2.2.2.2. Nội dung 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay của thiết bị làm sạch (tốc độ quay ly tâm) được thể hiện ở Bảng 2.4. Mẫu khí trước và sau làm sạch được phân tích và đánh giá hiệu suất loại bỏ chất ơ nhiễm.Từ kết quả thu được lựa chọn tốc độ quay ly tâm của thiết bị sử dụng cho quá trình làm sạch phù hợp.

Bảng 2.4. Các thơng sớ của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ

quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 2 Thơng số cố định

Lưu lượng khí biogas QG 2,5