Tỷ lệ phân hủy của lượng các bon hữu cơ cĩ thể phân hủy sinh học trong hai mẻ của hai mơ hình thiết bị như sau:
Thiết bị phản ứng
dạng quay
Thiết bị phản ứng dạng tĩnh Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 1 Mẻ 2
DOCF = Lượng DOC phân hủy (tỷ lệ)
0,73 0,71 0,62 0,53 Tỷ lệ DOC được tính như sau:
Tỷ lệ DOC (theo trọng lượng) = 0,4 * A +0,17 * B + 0,15 * C+ 0,3 * D A = Tỷ lệ (trọng lượng ướt) giấy và vải (dệt may) trong rác
B = Tỷ lệ (trọng lượng ướt) chất thải làm vườn và chất thải hữu cơ dễ thối nhưng khơng phải là thực phẩm trong rác
C = Tỷ lệ (trọng lượng ướt) thực phẩm trong rác D = Tỷ lệ gỗ, rơm rạ (trọng lượng ướt) trong rác
7.1.2. Lượng Biogas phát sinh đặc trưng
Tổng lượng BIOGAS sinh ra trong 82 ngày của các thiết bị phản ứng trong cả hai mẻ như sau (hình 7.1, 7.2):
TT Thiết bị (mẻ
thứ)
Lượng Biogas phátsinh (m3) Mơ hình IPCC-1996 (m3) 1 Dạng tĩnh (mẻ 1) 307 428 2 Dạng tĩnh (mẻ 2) 202 333 3 Dạng quay (mẻ 1) 223 199 4 Dạng quay (mẻ 2) 203 137
0 1 2 3 4 5 6 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 m3/ngđ 0 50 100 150 200 250 300 350 ngày m3
TBPU dạng tĩnh-ngđ TBPU dạng quay-ngđ
TBPU dạng tĩnh-tích luỹ TBPU dạng quay-Tích luỹ
Hình 7.1. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong hai thiết bị phản ứng - mẻ thứ nhất 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 m3/ngđ 0 50 100 150 200 250 Ngày m3
TBPU dạng Tĩnh-ngđ TBPU dạng Quay-ngđ
TBPU dạng Tĩnh-tích luỹ TBPU dang Quay-tích luỹ
Hình 7.2. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong hai thiết bị phản ứng - mẻ thứ hai
Áp dụng mơ hình Rao kết hợp với phương pháp bình phương cực tiểu (phần mềm XLSTAT version 7.5.2.) để mơ phỏng lượng BIOGAS phát sinh đặc trưng theo đơn vị trọng lượng TS (kgTS) và VS (kgVS) qui khơ trong cả hai thiết bị phản ứng trong cả 2 mẻ cho thấy:
7.1.3. Thiết bị phản ứng dạng quay
Mẻ thứ hai cĩ sử dụng dung dịch nước rác từ mẻ thứ nhất, dung dịch này cĩ chứa các vi sinh vật đã thích nghi với quá trình phân huỷ kỵ khí các thành phần hữu cơ trong rác (inoculum) và đại diện cho hệ thống khi đã hoạt động ổn định:
Tính theo TS Tính theo VS
G1 (l/kg) 404,17 420,67
a 1,30 1,07
kG1, kG2 (l/kg.ngđ) 0,004 0,005
Như vậy đối với thiết bị dạng quay, quá trình phân hủy cĩ thể mơ phỏng như sau:
Theo TS: G = 404,17 * (1-1,29 * Exp(-0,004 * t)- 0,29 * Exp(-0,004 *t))
Theo VS: G = 420,67* (1-1,07 * Exp(-0,0049 * t)-0,07 *Exp(-0,0049 * t)) Như vậy, lượng TS và VS phân hủy trong thiết bị phản ứng dạng quay như sau:
Tính theo TS Tính theo VS
G1 (l/kg) 404,17 420,67
G82 (l/kg) 118,55 146,35
Tỷ lệ phân hủy 29,33% 34,79%
7.1.4. Thiết bị phản ứng dạng tĩnh
Mẻ thứ hai cĩ sử dụng dung dịch nước rác từ mẻ thứ nhất, dung dịch này cĩ chứa các vi sinh vật đã thích nghi với quá trình phân huỷ kỵ khí các thành phần hữu cơ trong rác (inoculum) và đại diện cho hệ thống khi đã hoạt động ổn định:
Tính theo TS Tính theo VS
G1 (l/kg) 404,35 421,64
a 2,62 2,62
Như vậy đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh, mẻ thứ hai cĩ thể mơ phỏng như sau:
Theo TS: G = 404,35* (1-2,62* Exp(-0,0007 * t)- 1,62 * Exp(-0,0007 * t))
Theo VS: G = 421,64* (1-2,62* Exp(-0,0029*t)- 1,62*Exp(-0,0029 * t)) Tĩm lại lượng TS và VS phân hủy trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh như sau:
Tính theo TS Tính theo VS
G1 (l/kg) 404,35 421,64
G82 (l/kg) 25,81 98,97
Tỷ lệ phân hủy 6,38% 23,47%
7.2. Các yếu tốảnh hưởng
7.2.1. Nhiệt độ của rác trong thiết bị phản ứng
Kết quả giám sát nhiệt độ trong các thiết bị cho thấy:
Nhiệt độ trung bình của rác trong thiết bị phản ứng dạng quay cao hơn nhiệt độ trung bình của rác trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh khoảng 8 - 10oC
Đối với thiết bị phản ứng dạng quay, nhiệt độ của rác luơn cao hơn và biến thiên theo nhiệt độ mơi trường, tương đối đồng nhất tại các điểm đo
Đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh, nhiệt độ của rác trong thiết bị luơn thấp hơn so với nhiệt độ mơi trường
Sự khác biệt về nhiệt độ của rác trong các thiết bị phản ứng cĩ thể giải thích được như sau:
Chế độ khuấy trộn của thiết bị phản ứng dạng quay tốt hơn so với thiết bị phản ứng dạng tĩnh.
Bề mặt tiếp nhận bức xạ mặt trời của thiết bị phản ứng dạng quay cao hơn so với bề mặt tiếp nhận bức xạ mặt trời của thiết bị phản ứng dạng tĩnh.
Nhiệt dung riêng của nước rác được lưu trữ lẫn với rác cĩ tác dụng giữ nhiệt trong thiết bị, gĩp phần làm nhiệt độ bên trong cao hơn nhiệt độ mơi trường.
Với thiết bị phản ứng dạng tĩnh, chếđộ cấp ẩm được thực hiện bằng phương pháp xoay vịng nước rác cĩ khả năng duy trì nhiệt độ của rác.
Theo lý thuyết, tốc độ phản ứng sinh hĩa sẽ thay đổi e lần khi nhiệt độ phản ứng thay đổi 10oC. Tuy nhiên đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh, khi nhiệt độ phản ứng tăng 8oC thì tốc độ sinh khí đặc trưng chỉ tăng 1,6 lần trong khi
đĩ đối với thiết bị phản ứng dạng quay khi nhiệt độ phản ứng tăng 10oC thì tốc độ sinh khí đặc trưng lại tăng 3.9 lần> e lần. Như vậy, nhiệt độ chỉ là một trong những tác nhân gây ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí đặc trưng.
7.2.2. Ảnh hưởng của inoculums
Ảnh hưởng của inoculums thể hiện rất rõ đối với cả hai thiết bị phản ứng (xem hình 7.3 – 7.6) qua so sánh lượng khí sinh ra giữa các mẻ khơng dùng và cĩ dùng inoculums khi khởi động.
Inoculums sử dụng cho mẻ thứ hai là nước rác từ mẻ thứ nhất, dung dịch này cĩ chứa các vi sinh vật đã thích nghi với quá trình phân huỷ kỵ khí các thành phần hữu cơ trong rác (inoculums). Lượng nước rác sử dụng lại bằng 50% lượng nước rác cịn lại của mẻ thứ nhất. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 Ngày l/kgTS.ngđ 0 10 20 30 40 50 l/kgTS TBPU dạng Tĩnh-ngđ-đ2 TBPU dạng Tĩnh-ngđ-đ1 TBPU dạng Tĩnh-tích luỹ-đ2 TBPU dạng Tĩnh-tích luỹ-đ1
Hình 7.3. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh tính trên đơn vị trọng lượng chất rắn (kgTS) quy khơ
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 Ngày l/kgTS.ngđ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 l/kgTS
TBPU dạng quay-ngđ-đ1 TBPU dạng Quay-ngđ-đ2 TBPU dạng Quay-tích luỹ-đ1 TBPU dạng Quay-tích luỹ-đ2
Hình 7.4. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong thiết bị phản ứng dạng quay tính trên đơn vị trọng lượng chất rắn (kgTS) quy khơ
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 Ngày L/kgVS.ngđ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 L/kgVS TBPU dạng tĩnh-ngđ-đ2 TBPU dạng tĩnh-ngđ-đ1 TBPU dạng tĩnh-tích luỹ-đ2 TBPU dạng tĩnh-tích luỹ-đ1
Hình 7.5. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh tính trên đơn vị trọng lượng chất rắn bay hơi (kgVS) quy khơ
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 Ngày L/kgVS.ngđ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 L/kgVS
TBPU dạng quay-ngđ-đ1 TBPU dạng quay-ngđ-đ2 TBPU dạng quay-tích luỹ-đ1 TBPU dạng quay-tích luỹ-đ2
Hình 7.6. Biến thiên lượng khí rác phát sinh hàng ngày và tích lũy trong thiết bị phản ứng dạng quay tính trên đơn vị trọng lượng chất rắn bay hơi (kgVS) quy khơ
7.2.3. Ảnh hưởng của tải lượng hữu cơ và tải lượng thể tích của rác
Tải lượng thể tích của tổng chất rắn quy khơ (kgTS/m3), chất rắn bay hơi quy khơ (kgVS/m3) và tải lượng thể tích của rác (kg/m3) cĩ ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng phát sinh khí rác. Hệ thống cĩ tải lượng thể tích của chất rắn thấp hơn thường gắn liền với quá trình khuấy trộn và truyền khối tốt hơn và quá trình phân hủy tốt hơn. Khi tải lượng thể tích của chất rắn đạt 40% thể tích thì sẽ gây ra các vấn đề liên quan đến hệ thống khuấy trộn cơ học hoặc quá trình truyền khối trong phản ứng.
Tải lượng thể tích TS trong các thiết bị phản ứng dạng khơ khơng quá 50% thể tích. Đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh, cần bổ sung chất tạo độ xốp như mảnh gỗ để tăng tiếp xúc giữa nước rác xoay vịng và cơ chất (rác). Thực tế khi triển khai thí nghiệm, tải lượng thể tích của rác trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh vượt các chỉ tiêu cơng nghệđặt ra.
Đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh:
Trong mẻ thứ nhất, tải lượng thể tích TS và VS tương ứng là 691 kg/m3 và 577kg/m3. Tải lượng thể tích của rác là 1650 kg/m3. Trong mẻ thứ hai, tải lượng thể tích TS và VS tương ứng là 616 kg/m3 và 511 kg/m3. Trong thiết bị cĩ sự phân tầng về tỷ trọng của rác: Lớp rác cũ chiếm 65% thể tích cĩ tải lượng thể tích 1650 kg/m3 trong khi đĩ lớp rác phía trên cĩ tải lượng thể tích là 1143 kg/m3.
Nếu tính theo TS, mặc dù tốc độ sinh khí đặc trưng ban đầu của mẻ thứ hai cao hơn so với mẻ thứ nhất nhưng vẫn thấp hơn so với mẻ thứ nhất trong cùng điều kiện quay vịng nước rác (hình 7.1). Đối với VS (hình 7.13) thì mẻ thứ hai cao hơn mẻ thứ nhất cả về tốc độ cũng như tổng lượng, do phần rác mới bổ sung phía trên trong mẻ thứ 2 bị nén ít hơn và do vậy tốc độ phân hủy cao hơn.
Đối với thiết bị phản ứng dạng quay:
Trong mẻ thứ nhất, tải lượng thể tích TS và VS tương ứng là 132 kg/m3 và 98kg/m3. Tải lượng thể tích của rác là 315 kg/m3. Trong mẻ thứ hai, tải lượng thể tích TS và VS tương ứng là 91 kg/m3 và 74kg/m3. Tải lượng thể tích của rác là 218 kg/m3.
Sự ảnh hưởng của tải lượng thể tích và tải lượng hữu cơ thể tích đến tốc độ và khả năng phát sinh biogas thể hiện rõ qua hình 7.12 và 7.14. Cả tốc độ sinh khí cũng như tổng lượng khí sinh ra trên một đơn vị TS hay VS của mẻ thứ hai cao hơn hẳn so với mẻ thứ nhất.
7.2.4. Ảnh hưởng của khuấy trộn và phân bốđộẩm
Quá trình cấp ẩm cho phản ứng trong thiết bị phản ứng dạng quay được thực hiện do khuấy trộn với tốc độ quay 1 vịng/phút. Trong khi đĩ, đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh chỉ nhờ vào quá trình xoay vịng nước rác nhờ bơm. Sự phân bố của nước rác trong thiết bị phản ứng dạng tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào tải lượng thể tích của rác, bản thân tải lượng thể tích của rác sẽ thay đổi theo thời gian (quá trình sụt lún rác do phân hủy sinh học và lực hút trọng trường), điều này dẫn đến sự tạo các rãnh (chanels) trong rác và hiệu quả phân bố ẩm sẽ giảm đi trong khi đĩ sự phân bố ẩm trong thiết bị phản
ứng dạng quay được duy trì đều trong suốt quá trình thí nghiệm (loại trừ trường hợp khi xảy ra sự cố của mơ-tơ kéo).
7.2.5. Ảnh hưởng của chếđộ xoay vịng nước rác
Lượng nước rác xoay vịng được duy trì đều với mức 2 m3/h hay 6,95 l/kgTS.ngđ; từ ngày thứ 37 đến ngày 50 lượng nước rác xoay vịng
giảm 50% cịn 3,47 l/kgTS.ngđ, khi đĩ lượng biogas phát sinh đặc trưng giảm từ 0,74 l/kgTS.ngđ xuống cịn 0,56 l/kgTS.ngđ hay giảm 24.32%;
Từ ngày thứ 50 đến ngày 60 ngưng hồn tồn xoay vịng nước rác khi đĩ lượng Biogas phát sinh tiếp tục giảm xuống 0,45 l/kgTS.ngđ hay giảm 39,19% so với khi xoay vịng nước rác 100%;
Từ ngày thứ 61 khi chuyển chế độ xoay vịng nước rác về 100% (6,95 l/kgTS.ngđ) thì lượng biogas phát sinh trở lại mức 0,57 l/kgTS.ngđ.
Tốc độ thủy phân các thành phần hữu cơ trong rác sinh hoạt giảm 22% khi lượng nước xoay vịng giảm từ 1,34 l/kgTS.ngđ xuống cịn 1 l/kgTS.ngđ; khi tăng hay giảm lượng xoay vịng đều làm giảm tốc độ thủy phân các thành phần hữu cơ trong rác sinh hoạt (Fei-Baffoe Bernard, 2006).
Tĩm lại, do các yếu tố đã phân tích ở trên, tốc độ sinh khí đặc trưng và tổng lượng sinh khí đặc trưng của thiết bị dang quay cao hơn hẳn so với thiết bị
phản ứng dạng tĩnh.
7.3. Tiêu chuẩn thiết kếđề xuất
Kết quả theo dõi vận hành cả hai thiết bị trong hai mẻ cho phép điều chỉnh các thơng số thiết kế cơ sởđối với từng thiết bị như sau:
7.3.1. Thời gian vận hành quá trình phân huỷ kỵ khí
Kết quả vận hành thử nghiệm thiết bị cho thấy trong điều kiện tải lượng thể tích rác khơng quá 40% (400 kg/m3) thì quá trình phân hủy sinh học sẽ tối ưu.
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa lượng khí biogas sinh ra và thời gian vận hành thiết bị căn cứ vào kết quả thực nghiệm co thể biểu diễn như sau:
Ngày 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 L /kg VS 0 100 200 300 400
Hình 7.7. Biến thiên lượng khí rác phát sinh tích lũy theo kết quả thực nghiệm tính trên 1 kg chất rắn bay hơi (VS) quy khơ
Kết quả cho thấy thời gian phân huỷ kỵ khí để lượng khí rác phát sinh đạt giá trị tối đa khoảng 450 đến 500 ngày, kết quả cũng tương đối phù hợp với kết quả thí nghiệm Rao thực hiện (440 ngày). Kết hợp với kết quả theo dõi thực tế vận hành của các hệ thống xử lý áp dụng cơng nghệ SEBAC (cơng nghệ phân hủy khơ - mẻ luân phiên) quy mơ thương phẩm, thời gian bắt đầu sinh khí biogas ổn định là ngày thứ 5 kể từ ngày khởi động (trong trường hợp cĩ bổ sung inoculums), đến ngày thứ 21 thì tốc độ sinh khí biogas đặc trưng (m3 CH4/kgVS) bắt đầu giảm rõ rệt và bằng khoảng 75% tốc độ sinh khí biogas đặc trưng cao nhất (khi thời gian phản ứng đạt 60 ngày).
Do vậy thời gian phân huỷ kỵ khí cĩ thể xem xét kết thúc trong giai đoạn từ ngày thứ 21 đến ngày thứ 60 tuỳ thuộc vào mục đích của quá trình xử lý kết hợp phân tích yếu tố kinh tế.
7.3.2. Đối với thiết bị phản ứng dạng tĩnh
Phù hợp với chế độ hoạt động dạng mẻ luân phiên, nước rác từ mẻ trước sẽ được xoay vịng về mẻ sau nhằm bổ sung inoculum.
Tải lượng thể tích của rác: 400 kg/m3
Chiều cao tối ưu của lớp rác khi khơng bổ sung các chất tạo độ xốp: Khoảng 2m
Hình dạng của thiết bị cần được thiết kế lại theo dạng container nhằm đảm bảo quá trình nạp rác vào thiết bị và tháo rác ra khỏi thiết bị thực hiện dễ dàng hơn và cĩ thể cơ giới hĩa một phần.
Như vậy đối với kích thước của thiết bị hiện hữu thì các thơng số điều chỉnh thiết kế như sau: Hạng mục Đơn vị Thiết kế ban đầu Thiết kế điều chỉnh V m3 23,01 23,01 Thể tích rác m3 20,62 20,62 Tải lượng thể tích của rác kg/m3 680 400 Khối lượng rác kg/Bồn 14.019 8.247 Lượng LFG phát thải (ổn định) m3/ngày 8 5 Năng lượng tương đương Kcal/ngày 43.402 25.531
kWh/ngày 50 30
Hiệu suất máy phát điện 20% 20%
Năng lượng điện thực tế thu hồi kWh/ngày 10 6
Độẩm của rác chưa phân loại 47% 47%
Độẩm của rác đã phân loại 79% 79%
Lượng nước mất theo LFG kg/ngày 1,38 0,81
7.3.3. Đối với thiết bị phản ứng dạng quay
Phù hợp với chế độ hoạt động dạng liên tục. Thiết bị sẽ gồm hai phần một