Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm
2.2.3.1. Thiết bị xử lý lên men yếm khí
Mô hình xử lý quy mô phòng thí nghiệm đƣợc thiết kế, lắp đặt kế thừa một số chi tiết của mô hình nghiên cứu [33] và vận hành theo sơ đồ chi tiết nhƣ sau:
Hình 2.2. Mô tả hệ thống xử lý lên men yếm khí nóng Hệ thống bao gồm:
1. Thiết bị phản ứng có hình trụ tròn, kích thước R = 600 mm, H = 800 mm đƣợc chế tạo bằng thép không rỉ (SUS 304) với hai lớp vỏ, lớp ngoài cùng đƣợc bọc bảo ôn bằng bông thủy tinh.
2. Động cơ cánh khuấy là loại động cơ giảm tốc với tốc độ 200 vòng/phút kết hợp với cánh khuấy bằng thép không gỉ (SUS 304). Động cơ cánh khuấy hoạt động cho phép đảo trộn đều toàn bộ lƣợng vật liệu trong thiết bị lên men yếm khí.
Lấy mẫu khí
2
Động cơ cánh khuấy
Bộ điều nhiệt 55oC
Van lấy mẫu
Nước nóng nóng Cấp nguyên
liệu
Nước tuần hoàn
Tủ điện điều khiển
1 3
4
5
6
7
3. Cửa nạp liệu hình tròn đường kính R = 60 mm, nguyên liệu sau khi chuẩn bị đƣợc đƣa vào thiết bị lên men thông qua cửa nạp liệu.
4. Hệ thống đo thể tích biogas hoạt động theo nguyên tắc chiếm chỗ của thể tích khí so với thể tích nước trong bình. Đường dẫn khí biogas được kết nối với bình kín dung tích 25 lít, trên bình có chia vạch thể tích xác định.
Khí sinh ra chiếm chỗ và đẩy nước trong bình ra ngoài, lượng nước trong bình bị đẩy ra tương đương với vạch chia trên bình là thể tích khí biogas sinh ra (coi lượng khí biogas hòa tan vào nước là không đáng kể). Với phương pháp này áp suất trong thiết bị phản ứng luôn cân bằng với áp suất không khí tránh hiện tượng quá áp trong thiết bị phản ứng ảnh hưởng đến hoạt động của hệ vi sinh vật. Đường dẫn khí vào hệ thống đo thể tích khí đƣợc chia nhánh để lấy mẫu khí phục vụ việc xác định thành phần khí biogas (Hình 2.2).
5. Van lấy mẫu đường kính 48 mm được đặt ở phía dưới đáy thiết bị phản ứng, tất cả các mẫu hỗn hợp phản ứng đều đƣợc lấy thông qua van này.
Nhờ tác dụng của trọng lực mẫu đƣợc lấy ra khỏi thiết bị lên men một cách dễ dàng.
6. Bộ điều nhiệt hoạt động theo nguyên tắc gia nhiệt và bơm nước nóng tuần hoàn qua lớp vỏ thiết bị lên men yếm khí. Bộ điều nhiệt cấu tạo bởi một thiết bị gia nhiệt, bơm tuần hoàn và một bộ điều khiển duy trì nhiệt độ ổn định. Nhiệt độ hoạt động của thiết bị phản ứng đƣợc cài đặt tại bộ phận này.
7. Tủ điện điều khiển đƣợc lắp đặt bao gồm các linh kiện giúp duy trì hoạt động ổn định của cả hệ thống.
2.2.3.2. Nghiên cứu điều kiện thích hợp trong ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng
Thiết lập thí nghiệm
Thực nghiệm xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp trong ổn định bùn thải kết hợp rác hữu cơ bằng phương pháp lên men yếm khí nóng đươc thiết lập với 03 thí nghiệm (TN1, TN2, TN3) với sự phối trộn tỷ lệ khác nhau giữa hai thành phần bùn thải và rác hữu cơ. Các bước tiến hành thực nghiệm được chỉ ra trong Hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ phương pháp thực nghiệm nghiên cứu xử lý kết hợp bùn thải và rác hữu cơ
Trong phòng thí nghiệm, bùn được lọc qua sàng kích thước mắt lưới 1 mm loại bỏ hoàn toàn sạn, sỏi to còn sót lại, bổ sung thêm nước sao cho tỷ trọng bùn đạt 1,45 g/ml.
Rác thải hữu cơ có nguồn gốc từ rác chợ, rác hữu cơ đƣợc lựa chọn với tỷ lệ 30% nguồn gốc động vật và 70% nguồn gốc rau quả thực vật. Rác đƣợc nghiền mịn bằng máy xay sinh tố, thêm nước sao cho rác sau chuẩn bị đạt tỷ trọng khoảng 1,25 g/ml.
Bổ sung thêm nước giúp cho xử lý nguyên liệu đầu vào thuận lợi hơn và làm cho tổng chất rắn (TS) của nguyên liệu đầu vào có giá trị ≤ 20%, phù hợp với quy trình lên men yếm khí ƣớt.
Thành phần nguyên liệu đầu vào trong các thí nghiệm
Bảng 2.2. Thành phần nguyên liệu đầu vào trong các thí nghiệm
Thông số TN1 TN2 TN3
V nguyên liệu (lít) 30 30 30
d nguyên liệu (g/ml) 1,45 1,40 1,30
pH 7,47 7,43 7,12
EC (àS/cm) 2.450 2.530 3.020
CODt (mg/l) 83.000 41.776 80.603
TS (%) 20,91 13,52 19,34
VS (% TS) 29,3 36,35 59,6
NH4+ (mg/l) 128 231 426
TN1
BT 100% V
BT 30% V
+RHC 70% V Đảo trộn
Xác định:
Vbiogas, thành phần biogas, pH, EC, TS, VS, CODt, NH4+, TN, PO43-, TP
Thiết bị lên men yếm khí
To = 55oC BT 70% V +
RHC 30% V Đảo trộn
TN2
TN3
Đảo trộn
Lấy mẫu
Thông số TN1 TN2 TN3
TN (mg/l) 325 493 798
PO43-(mg/l) 38,2 44,9 69,3
TP (mg/l) 48,6 62,2 168
V: Thể tích, d: khối lượng riêng
Rác hữu cơ đƣợc phối trộn với bùn thải theo tỷ lệ đã định sẵn trong các thí nghiệm (Hình 2.3). Hỗn hợp đƣợc đƣa vào thiết bị phản ứng lên men nóng trong các thí nghiệm có thành phần đầu vào tương ứng trong Bảng 2.2. Nhiệt độ trong thiết bị đƣợc duy trì ở 55oC trong suốt khoảng thời gian tiến hành ổn định. Thể tích biogas, pH, EC đƣợc theo dõi hàng ngày. Các chỉ số khác nhƣ thành phần biogas, TS, VS, TN, NH4
+, TP, PO4
3-, CODt đƣợc theo dõi định kỳ sau khoảng 3-10 ngày/lần theo kế hoạch thực nghiệm.
2.2.3.3. Nghiên cứu sự tích tụ, vận chuyển của kim loại nặng và sự phân hủy của PAHs
Thiết lập thí nghiệm
Trong thí nghiệm 4 (TN4) và thí nghiệm 5 (TN5), thành phần rác hữu cơ và bùn thải đƣợc chuẩn bị và điều chỉnh dựa trên tỷ lệ phối trộn thích hợp đã được xác định trong nghiên cứu trước. TN5 được thiết lập nhằm nghiên cứu tác dụng của chất hoạt động bề mặt đối với sự phân hủy của các hợp chất PAHs có trong bùn thải. Các bước tiến hành thí nghiệm được chỉ ra trong Hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ phương pháp thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ và vận chuyển của kim loại nặng và phân hủy của PAHs
TN4
BT 30% V +RHC 70% V
Đảo trộn
70% V
Xác định:
Vbiogas, thành phần biogas, pH, EC, TS, VS, CODt, NO3-
, NH4+, TN, PO43-, TP, Tổng KLN, KLN trong dd ngâm rửa, PAHs Thiết bị lên
men yếm khí To = 55oC Đảo trộn
Lấy mẫu
70% V
BT 30% V +RHC 70% V + Tween 80 (0,5g/l)
TN5
Các thí nghiệm trên đƣợc tiến hành trong 90 ngày, nhiệt độ đƣợc duy trì ổn định tại 55oC. Trong suốt quá trình ổn định, thể tích biogas, pH, EC đƣợc theo dõi hàng ngày, các chỉ số khác nhƣ thành phần biogas, TS, VS, CODt, NH4+
, TN, PO43-
, TP, kim loại nặng và PAHs đƣợc theo dõi định kỳ sau khoảng 3-10 ngày/lần theo kế hoạch thực nghiệm.
Thành phần nguyên liệu đầu vào
Bảng 2.3. Thành phần nguyên liệu đầu vào trong thực nghiệm nghiên cứu sự tích tụ, vận chuyển của kim loại nặng và phân hủy của PAHs
Thông số BT+RHC BT+RHC + Tween 80
TS (%). 20,14 19,02
VS (% TS) 60,29 62,11
pH 7,33 7,54
EC (àS/cm) 3.530 3.329
CODt (mg/l) 83.590 79.685
Tween 80 (g/l) 0 0,5
Kim loại nặng (mg/kg DS)
As 25,3 20,7
Cd 3,10 2,15
Cr 146 139
Ni 74,8 75,9
Cu 124 115
Pb 70,9 59,7
Zn 571 535
PAHs (mg/kg DS)
Naphthalene 0,55 0,67
Acenaphthylene 1,76 1,65
Acenaphthene <0,01 0,83
Fluorene 1,52 2,67
Anthracene <0,01 2,16
Fluoranthene 0,40 <0,01
Pyrene 0,60 <0,01
Benz[b]fluoranthene 0,61 <0,01
Benzo[k]fluoranthene 2,47 <0,01
Benzo[a]pyrene 1,69 8,12
Indeno[1,2,3-cd]pyrene 60,4 54,9
Thông số BT+RHC BT+RHC + Tween 80
Dibenz[a,h]anthracene 49,4 27,1
Benzo[ghi]perylene 57,7 67,7
Ʃ PAHs 177 166