trên thế giới và Việt Nam:
1.5.1 Các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lên men mêtan nước thải tinh bột sắn trên thế giới:
Theo thống kê của IEA năm 2006, 88% nhu cầu năng lƣợng nhiệt và điện cho kinh tế thế giới đƣợc đáp ứng bởi các nguồn năng lƣợng không tái tạo đƣợc, chủ yếu là dầu mỏ và khí ga tự nhiên. Quá trình khai thác, chiết xuất và đốt cháy các nguyên liệu thô này gây ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng tự nhiên, thêm nữa chúng lại đang dần trở nên cạn kiệt [28]. Sự thiếu hụt năng lƣợng toàn cầu đã khiến gia tăng chú ý đối với công nghệ lên men mêtan nhƣ là một quá trình sản xuất năng lƣợng. Ủy ban Nghị viện châu Âu về Công nghiệp, ngoại thƣơng, nghiên cứu và năng lƣợng kêu gọi tăng cƣờng nỗ lực trong nghiên cứu về công nghệ mới của việc sử dụng khí sinh học nhƣ một nhiên liệu sinh học. Nghiên cứu đƣợc thực hiện để sử dụng khí sinh học không chỉ để sản xuất năng lƣợng điện và nhiệt mà còn để đƣa vào mạng lƣới cung cấp khí đốt tự nhiên. Trong những năm gần đây đã có hàng loạt các nghiên cứu tập trung tối ƣu hóa quá trình lên men kị khí (lên men mêtan) của sinh khối (chất thải nông nghiệp, các loại cây trồng cho nhiên liệu, chất thải bùn đô thị) để sản xuất khí mêtan [24]. Trong Liên minh châu Âu vào năm 2007, sản lƣợng khí sinh học lên tới hơn 6 triệu tấn. Kể từ đó, hàng năm lƣợng khí sinh học đƣợc sản xuất tăng 20% [29,30]. Sản xuất khí sinh học từ số lƣợng lớn các chất thải nông nghiệp , chất thải động vật , chất thải đô thị và công nghiệp (nƣớc thải) dƣờng nhƣ có tiềm năng là một năng lƣợng tái tạo thay thế đối với nhiều nƣớc châu Phi nếu nghiên cứu có liên quan và phù hợp đƣợc tiến hành để áp dụng công nghệ khí sinh học với các điều kiện địa phƣơng ở các nƣớc châu Phi [39].
Lên men mêtan là một quá trình phân hủy phức tạp với một loạt các phản ứng sinh hóa học diễn ra dƣới điều kiện kị khí. Dƣới các tác động cộng sinh của các chủng loại vi sinh vật kị khí, các hợp chất hữu cơ cao phân tử đƣợc phân hủy thành các thành phần ổn định hóa học đơn giản- sản phẩm chính là mêtan và các-bo-nic [42].
Với những ƣu thế trong xử lý nhƣ chi phí thấp do tiêu thụ ít năng lƣợng, không gian và tạo ra ít bùn hơn so với các công nghệ hiếu khí truyền thống, công
đƣợc sử dụng ở mức 10% [33].
Hình 1.6 Các ngành công nghiệp sử dụng công nghệ kị khí xử lý nƣớc thải và các thiết bị đƣợc sử dụng
Các ngành chế biến thực phẩm và đồ uống quan trọng nhất: lò giết mổ, chế biến sữa, cá, tinh luyện đƣờng, sản xuất cà phê, nhà máy bia rƣợu, sản xuất tinh bột.. [41].
Nƣớc thải nhà máy sản xuất cà phê San Juanillo ở Costa Rica đƣợc áp dụng công nghệ xử lý kị khí truyền thống, với công suất 4000 kg COD/ngày, cho hiệu quả xử lý 80% COD, thể tích khí sinh học thu đƣợc lớn nhất là 1000 m3/ngày. Lƣợng khí sinh ra đƣợc đốt trong lò để tạo nhiệt sấy cà phê, bên cạnh nhiên liệu truyền thống là củi đốt [27].
Một nhà máy tinh luyện đƣờng thuộc Hiệp hội công nghiệp đƣờng Ai Cập, với dòng thải khoảng 14 000 mg BOD/l, 25 000 mg COD/l, đƣợc cung cấp hệ thống xử lý kị khí- hiếu khí hai giai đoạn. Dòng nƣớc thải sau khi đƣợc tách cặn, lắng cát, tách dầu mỡ và trung hòa, đƣa vào bể mêtan để phân hủy các hợp chất hữu cơ tạo khí mêtan. Nƣớc thải sau đó đƣợc tích trữ trong bể kị khí rồi hiếu khí, tiếp tục đƣợc xử lý bậc 3 bằng than hoạt tính, bể tạo bông tách bùn. Cuối cùng phần COD còn lại trong nƣớc
40% 25% 12% 9% 7% 7% Thực phẩm Bia, nước ngọt Rượu Giấy và bột giấy Hóa học 60% 10% 10% 8% 6% 6% UASB CSTR EGSB AF Hồ kị khí Khác
thải đƣợc oxy hóa bằng tác nhân oxy hóa mạnh (Cl2, hoặc H2O2). Kết quả nƣớc đầu ra giảm COD xuống dƣới 40 mg/l [21]. Các phân tích do Banks CJ và cộng sự (1996) [24] tiến hành đối với nƣớc thải công nghiệp sản xuất kem sử dụng bể UASB cho kết quả dòng vào COD tối ƣu khoảng 11 đến 23 g/l ở thời gian lƣu thủy lực 5 ngày đạt đƣợc sự ổn định của hệ thống.
Các nghiên cứu sơ bộ đƣợc thực hiện cho thấy nƣớc thải và chất thải ngành sản xuất bánh quy và sô cô la giàu thành phần chất béo và hyđrat-cacbon dễ phân hủy sinh học, có thể áp dụng phân hủy kị khí, khí sinh học thu đƣợc có thể đƣợc sử dụng cho quá trình sản xuất bánh quy và sô cô la [49].
Công nghệ lên men mêtan còn thể thấy trong ngành công nghiệp sản xuất phô mai. Ở đại học Sardar Patel, Ấn Độ, công nghệ này đƣợc nghiên cứu với thiết bị bể kị khí màng sinh học cố định dòng chảy ngƣợc (Anaerobic Upflow Fixed-film Bioreactor) để tạo ra khí mêtan sinh học. Thể tích khí tối đa đạt đƣợc là 3,3 l/ l thiết bị/ ngày với hàm lƣợng mêtan 69%, với thời gian lƣu thủy lực là 2 ngày, ở nhiệt độ 40ºC [37].
Một nghiên cứu khác đƣợc thực hiện trong vòng 3 tháng ở quy mô pilot với nƣớc thải công nghiệp sữa, cũng sử dụng thiết bị kị khí màng sinh học cố định dòng chảy ngƣợc, cho kết quả loại bỏ COD 85% và BOD 90% ở tải lƣợng 6kg COD/m3/ngày, năng suất mêtan đạt đƣợc 0,32-0,34 m3
/kgCODphân hủy. Hệ thống tạo ra khoảng 770 l khí mêtan/ngày, có thể duy trì toàn bộ năng lƣợng yêu cầu cho bơm và khuấy trộn [34].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ lên men mêtan không những có tiềm năng trong xử lý nƣớc thải các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm mà còn giúp thu hồi nguồn khí mêtan sinh học hữu ích. Tùy thuộc vào hàm lƣợng COD đầu vào và loại cơ chất cũng nhƣ thiết bị, điều kiện vận hành mà lƣợng khí mêtan sinh học thu hồi đƣợc khoảng 250-300 m3/tấn COD bị phân hủy. Hiệu suất loại bỏ COD thƣờng nằm trong khoảng từ 80-95% ở Bảng 1.3
nƣớc thải bị/Nhiệt độ (ºC) tích làm việc (kgCOD/m .ngà y) ủy
(%)
mêtan (m3/kgCO D) Lò mổUASB 450 2,1 80 - (Del Nery và
cộng sự, 2001) Lò mổ AF/- 21 2,3 85 - (Johns, 1995) Pho mát Baffled/3 5 0,01 5 - 94-99 0,31 (Antonopoul ou và cộng sự, 2008) Cà phê UASB/3 5 0,00 5 10 78 0,29 (Dinsdale và cộng sự, 1997) Bia AF/34- 39 5,8 8 96 0,15 (Leal và cộng sự, 1998) Đƣờn g UASB/3 3-36 0,05 16 >90 0,355 (Nacheva và cộng sự, 2009) Nguồn: [40] Đối với nƣớc thải chế biến tinh bột sắn, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ lên men mêtan đã đƣợc tiến hành nhiều năm qua ở các quốc gia có sản lƣợng tinh
bột sắn lớn nhƣ Thái Lan, Inđônêsia, Brazin… dƣới nhiều quy mô, thử nghiệm với các thiết bị, điều kiện khác nhau.
Nghiên cứu phòng thí nghiệm của Walairat và cộng sự thực hiện với các bình huyết thanh 110 ml ở nhiệt độ phòng (30ºC), nƣớc thải tinh bột sắn đầu vào 3g COD/l cho hiệu suất sinh khí 330 ml mêtan/ g COD đầu vào, đạt 85% tính toán lí thuyết, tỉ lệ mêtan đạt 58% [55].
Một nghiên cứu phòng thí nghiệm khác đƣợc tiến hành với bình phản ứng dòng liên tục kị khí thể tích sử dụng là 16,2l, nhiệt độ 33±1ºC, thời gian lƣu thủy lực thay đổi từ 13; 8,3 và 6 ngày cho kết quả xử lý COD từ 99,2% đến 95,3%, thể tích khí biogas đạt tối đa 0,82 l/gCOD tại tải lƣợng 1,59 gCOD/l thể tích thiết bị/ngày [47]
Dòng nƣớc thải chế biến tinh bột sắn của một xí nghiệp quy mô nhỏ ở Colombia đƣợc nghiên cứu với thiết bị kị khí lọc dòng chảy ngang độn các miếng tre (anaerobic horizontal flow filter packed with bamboo pieces) ở quy mô phòng thí nghiệm. Trong 6 tháng vận hành, với tải lƣợng cao nhất là 11,8 gCOD/l.ngày, kết quả thu đƣợc cho thấy hiệu suất xử lý COD là 87%, năng suất sinh khí sinh học trung bình 0,36 l/gCODphân hủy, hàm lƣợng mêtan thu đƣợc từ 69-81% [26].
Công nghệ lên men mêtan đã đƣợc áp dụng đối với nƣớc thải nhà máy tinh bột sắn công suất 90 tấn/ ngày tại Sumatera, Indonesia. COD đầu vào khoảng 15000 mg/l, lƣu lƣợng nƣớc thải khoảng 1700 m3/ngày. Việc sử dụng thiết bị lên men mêtan khuấy trộn hoàn toàn kết hợp hệ thống hồ kỵ khí, tùy tiện và hiếu khí cho hiệu quả xử lý COD là 86%, thể tích khí sinh học thu hồi đƣợc là 12000 m3/ngày, tỉ lệ khí mêtan là 56% [36].
Hầu hết các nhà máy sản xuất tinh bột sắn ở Thái Lan đang xử lý nƣớc thải bằng hệ thống ao mở. Gần đây, lựa chọn hệ thống xử lý không những xử lý nƣớc thải mà còn tạo ra nhiệt lƣợng có thể sử dụng trong nhà máy đang đƣợc quan tâm. Một số nhà máy đã chuyển sang sử dụng còn một số khác đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Các hệ thống đang đƣợc sử dụng bao gồm UASB, thiết bị màng cố định kị khí (Anaerobic Fixed Film Reactor-AFFR), thiết bị vách ngăn kị khí cải tiến (Modified Anaerobic Baffled Reactor-MABR), mƣơng kị khí (Anaerobic Ditch-AD) và hồ kị khí che phủ (Covered Lagoon-CL). Kết quả nghiên
Đơn vị UASB AFFR AD MABR CL CODvào mg/l 23500 16000- 23000 12000 32000 14500 HRT ngày 2 3-4 8 16 9 Tải lƣợng kg/m3.ngày 10 6-8 1,5 1,92 1,5 Thể tích thiết bị m3 5318 12000 13000 100000 46000 CODphânhủy % 85 80-90 85-90 80 80 Năng suất sinh khí m3/kg CODphânhủy 0,4 0,4-0,5 0,4-0,5 0,4 0,4 Thể tích khí m3 14960 16000- 20000 8000 60000 22080
1.5.2 Các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lên men mêtan nước thải tinh bột sắn ở Việt Nam:
Trong vòng hơn hai thập kỉ qua đã có nhiều nghiên cứu về xử lý nƣớc thải tinh bột sắn ở Việt Nam. Tuy nhiên các nghiên cứu hầu hết chỉ mới tập trung ở khía cạnh hiệu quả xử lý nƣớc thải chứ chƣa quan tâm nhiều đến khả năng thu hồi khí mêtan sinh học từ quá trình vận hành.
Trƣớc đây các nhà máy sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam chủ yếu sử dụng hệ thống ao hồ sinh học mở để xử lý nƣớc thải. Biện pháp này đơn giản, chi phí thấp, tuy nhiên hiệu quả xử lý không cao, nƣớc thải sau xử lý vẫn còn cách tiêu chuẩn xả thải một khoảng xa,
bên cạnh đó là gây mùi hôi thối, khó chịu cho khu vực xung quanh và khiến một lƣợng khí
mêtan, cácboníc thoát vào môi trƣờng [38].
Nghiên cứu của P.G. Hien và cộng sự [32] ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng hệ thống gồm bể lắng sơ cấp, bể UASB, bể hiếu khí tăng cƣờng và hệ thống mƣơng ôxy hóa. Với tải lƣợng hữu cơ ở bể UASB lên đến 40,35 kgCOD/m3.ngày, hiệu suất xử lý đạt 90- 95%, nƣớc thải đầu ra có thể sử dụng tƣới tiêu nông nghiệp hoặc tuần hoàn trong nhà máy [32].
Nghiên cứu ứng dụng bể UASB của Hu nh Ngọc Phƣơng Mai [38] cũng cho thấy tính khả thi đối với xử lý nƣớc thải tinh bột sắn, tải lƣợng có thể lên tới 42 kgCOD/m3.ngày với hiệu quả xử lý đạt 82-93%, năng suất sinh khí 330l/kgCODphân hủy.
Quan tâm đến việc tận thu khí sinh học từ xử lý nƣớc thải tinh bột sắn có nghiên cứu của Nguyễn Thị Sơn và Nguyễn Thị Thu Hà [15], thử nghiệm với bể UASB dung tích 38l, tải trọng COD có thể lên tới 6g/l.ngày, năng suất sinh khí đạt 0,41-0,55 l/gCOD, hiệu suất xử lý đạt trên 97%, đặc biệt khi bổ sung một số nguyên tố vi lƣợng, năng suất sinh khí tăng 20%.
2.1.1 Vị trí địa lý:
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí 3 xã Minh Khai, Dƣơng Liễu, Cát Quế, huyện Hoài Đức, Hà Nội
Ba xã nằm ở phía Tây Bắc huyện Hoài Đức, Hà Nội, theo thứ tự từ Bắc xuống Nam là Minh Khai, Dƣơng Liễu rồi đến Cát Quế. Với tổng cộng hơn 7000 hộ dân và diện tích tự nhiên gần 1000 ha, các xã nằm cách trung tâm Hà Nội khoảng
20 km. Giao thông ở đây chủ yếu là tuyến đê tả ngạn sông Đáy, thông với quốc lộ 32 (Hà Nội-Sơn Tây). Với vị trí là cửa ngõ thủ đô Hà Nội, đặc biệt từ khi Hà Tây sát nhập với Hà Nội, làng nghề CBNSTP có rất nhiều lợi thế về thị trƣờng tiêu thụ sản phẩm cũng nhƣ thu hút những chính sách đầu tƣ của Nhà nƣớc về vốn, công nghệ.
2.1.2 Địa hình, khí hậu:
Địa hình ở vùng làng nghề này không bằng phẳng, thấp dần từ bờ đê (đê sông Đáy) xuống cánh đồng với hƣớng chủ đạo là Tây Bắc - Đông Nam, chia thành miền trong đê và ngoài đê, nay đƣợc gọi là miền đồng và miền bãi. Dòng chảy kênh mƣơng bắt đầu từ Minh Khai, đi qua Dƣơng Liễu rồi xuống Cát Quế.
Địa hình bằng phẳng là điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các cơ sở cho sản xuất, cƣ trú.
Đƣợc bồi đắp bởi phù sa của lƣu vực sông Đáy và sông Nhuệ nên khu vực rất thuận lợi cho trồng lúa và các hoa màu, là các nguyên liệu chính của làng nghề. Song, nền đất này lại dễ thấm nƣớc, làm cho nguồn nƣớc thải của làng nghề dễ thâm nhập vào nguồn nƣớc ngầm hơn, gây khó khăn cho công tác quản lý môi trƣờng làng nghề.
Khí hậu vùng làng nghề mang đặc điểm chung của khí hậu Đồng bằng Bắc Bộ thể hiện tính chất nhiệt đới gió mùa, nắng lắm mƣa nhiều. Mùa mƣa trùng với thời kì gió Đông Nam kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10. Mùa khô trùng với thời kì gió Đông Bắc kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình năm là 24°C. Các tháng có nắng, ít mƣa, thuận lợi cho chế biến nông sản là tháng 5, 6, 10, 11, 12.
Biên độ dao động nhiệt giữa tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất là 13°- 14°. Tổng lƣợng nhiệt đạt 8400- 8600°C. Lƣợng mƣa trung bình năm là 1600- 1800mm. Hai hƣớng gió chủ đạo là Đông Bắc và Đông Nam, thuận lợi cho chế biến nông sản đặc biệt là công đoạn phơi và làm khô sản phẩm.
cho nông nghiệp.
2.1.3 Điều kiện kinh tế-xã hội:
a. Dân số, Lao động và Mức sống
Tính đến cuối năm 2007, dân số trong xã Minh Khai có 1277 hộ với 5376 khẩu; số ngƣời trong độ tuổi lao động là 3000 ngƣời. Trong đó số ngƣời tham gia làm nghề trong độ tuổi lao động khoảng 1000 ngƣời; số ngƣời ngoài tuổi lao động khoảng 500 ngƣời. Toàn xã có gần 700 hộ tham gia vào sản xuất kinh doanh. Về cơ cấu kinh tế, xã phát triển theo hƣớng công nghiệp, TTCN – Thƣơng mại dịch vụ và nông nghiệp, tạo công ăn việc làm không chỉ cho cƣ dân địa phƣơng mà cho cả lao động các tỉnh khác nhƣ Phú Thọ, Vĩnh Phúc. Thu nhập bình quân đầu ngƣời năm 2012 đạt 28,5triệu đồng/ngƣời/năm.Về địa bàn hành chính xã chia làm 02 thôn, 10 xóm chạy dọc theo tuyến đê Tả Đáy.
Với dân số hơn 12 ngàn ngƣời, sống phân bố ở 14 cụm dân cƣ gọi là xóm, trong đó có 4 xóm vùng bãi và 10 xóm vùng đồng, trong khi diện tích đất nông nghiệp chƣa đầy 300ha, Dƣơng Liễu là xã có bình quân đất nông nghiệp vào loại thấp nhất của huyện Hoài Đức. Tháng 6/2012, trong tổng số 3036 hộ dân toàn xã, có 2700 hộ tham gia chế biến nông sản.Hàng năm ngành CN- TTCN, thƣơng mại và dịch vụ ở địa phƣơng đã tạo điều kiện giải quyết công ăn việc làm cho nhân dân và thu hút đáng kể lao động từ các địa phƣơng khác tới tham gia. Nghề chế biến nông sản đã đem lại việc làm cho 8.500 lao động trong xã và 300-500 lao động từ
