Đề tài Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ

của hầm ủ. Họ cho rằng việc khuấy trộn sẽ làm đảo lộn thứ tự vốn đã được sắp xếp một cách tối ưu của các vi khuẩn trong hầm ủ. Trường phái này đúng trong trường hợp nguyên liệu ủ chỉ chứa các chất dễ tan rả như phân heo. 4.4 Các loại hầm ủ Người ta có thể chia các loại hầm ủ theo 3 cách vận hành chính • Vận hành theo mẻ Trong cách vận hành này, hầm ủ được nạp đầy nguyên liệu trong một lần, cho thêm chất mồi và đậy kín lại và quá trình sinh khí sẽ diễn ra trong một thời gian dài cho tới khi nào lượng khí sinh ra giảm thấp tới một mức độ nào đó. Sau đó toàn bộ các chất thải của hầm ủ được lấy ra chỉ chừa lại 10 - 20 % để làm chất mồi, nguyên liệu mới lại được nạp đầy cho hầm ủ và quá trình cứ tiếp tục. Theo kiểu vận hành này thì lượng khí sinh ra hàng ngày không ổn định, nó thường cao vào lúc mới nạp và giảm dần đến cuối chu kỳ. Hiện tượng hầm ủ bị “shock” do tải lượng nạp quá cao ít xảy ra. Nếu cần cung cấp khí ổn định phải xây thêm một chuông chứa khí riêng. • Vận hành bán liên tục Nguyên liệu được nạp vào cho hầm ủ 1 hoặc 2 lần/ngày và ngay các thời điểm đó cùng một lượng chất thải của hầm ủ sẽ được lấy ra. Kiểu vận hành này thích hợp khi ta có một lượng chất thải thường xuyên. Thể tích của hầm ủ phải đủ lớn để làm 2 nhiệm vụ: ủ phân và chứa gas. Theo kiểu vận hành nầy thì tổng thể tích gas sản xuất được trên một đơn vị trọng lượng chất hữu cơ thường cao. • Vận hành liên tục Ở cách vận hành này việc nạp nguyên liệu và lấy chất thải của hầm ủ ra được tiến hành liên tục. Lượng nguyên liệu nạp được giữ ổn định bằng cách cho chảy tràn vào hầm ủ hoặc dùng bơm định lượng. Phương pháp này thường dùng để xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất rắn thấp. Ngoài ra người ta còn chia ra làm hầm ủ một pha, hầm ủ hai pha. Hầm ủ hai pha có hai phần hầm riêng biệt một phần dùng để tạo a xít, một phần dùng để sinh khí methane. Hầm ủ một pha chỉ có một phần hầm duy nhất sử dụng cho cả 02 mục đích nêu trên. Hầm ủ hai pha chỉ được dùng trong các nghiên cứu chuyên sâu về khả năng lên men sinh khí. Hầm ủ một pha đơn giản trong thiết kế và vận hành nên được phát triển nhiều nhất. Một cách phân chia khác là phân các hầm ủ thành 02 nhóm: các hầm ủ có giá bám và các hầm ủ không có giá bám. Ở các hầm ủ không giá bám thời gian lưu tồn của các tế bào vi khuẩn chỉ bằng với thời gian lưu tồn nước (do thường vận hành trong điều kiện không có hoàn lưu). Ở các hầm ủ có giá bám do vi khuẩn bám vào các giá bám tạo thành màng sinh học (biofilm) do đó thời gian tồn lưu và mật độ của nó rất cao. 66 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ 4.4.1 Các loại hầm ủ • Hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc) Loại hầm ủ này có dạng hình bán cầu với một hầm chính để ủ phân và chứa khí và một hầm điều hoà áp suất (hay còn gọi là bể thải). Đáy hầm phẳng hay vỏng xuống. Hầm được xây bằng gạch nung và có hai ống để dẫn phân vào và dẫn nước thải ra khỏi hầm ủ. Thể tích của phần hầm chính bằng tổng thể tích của phần chứa phân và phần chứa khí. Hầm được chôn hoàn toàn dưới đất để tiết kiệm diện tích và ổn định nhiệt độ. Phần chứa khí được tô bằng nhiều lớp vữa để bảo đảm yêu cầu kín khí. Ở phần trên có một nắp đậy được hàn kín bằng đất sét, phần nắp nầy có thể tháo ra để làm sạch hầm ủ khi các chất rắn lắng đầy hầm. Áp suất khí trong hầm rất cao, do đó, rất thuận lợi cho việc sử dụng. Loại hầm ủ này được sử dụng rất nhiều ở Trung Quốc, hiện nay có khoảng hơn 7 triệu hầm ủ ở tại Trung Quốc. Các nguyên liệu nạp chủ yếu cho hầm ủ này là phân người, phân gia súc, Lục Bình. Năng suất sinh khí trong các báo cáo là 0,15 – 0,2 m3/m3 hầm ủ ngày. Nhưng ở các nước nhiệt đới, năng suất khí của các hầm ủ này đạt được từ 0,3 - 0,4 m3/m3 hầm ủ-ngày. Hình 4.6 Hầm ủ nắp vòm cố định Trung Quốc Hầm ủ này thường được dùng để xử lý chất thải chuồng trại, phân nhà cầu. Khi rửa chuồng, nước thải và phân sẽ theo ống nạp đi vào hầm ủ, tại đây quá trình lên men yếm khí sẽ xảy ra, các chất khí sinh ra sẽ được chứa ở phần chứa khí tạo áp suất đẩy nước sang bể điều hoà áp suất. Khi chúng ta sử dụng biogas, do các chất khí được đưa ra ngoài do đó áp suất trong hầm giảm, lúc này nước từ bể điều hoà áp suất sẽ tràn về hầm chính để tạo áp suất đẩy khí ra bếp. Nhược điểm là phần chứa khí rất khó xây dựng và bảo đảm độ kín khí do đó hiệu suất của hầm ủ thấp. Gần đây các nhà khoa học của Đức và Thái Lan hợp tác trong việc phát triển hầm ủ Biogas ở Thái Lan đã dùng kỹ thuật CAD (Computer Aid Design) để tính toán lại kết cấu của hầm ủ nầy và cho ra đời mẫu hầm TG - BP (Thai German - 67 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Biogas Program). Loại hầm ủ nầy đã được Trung Tâm Năng Lượng Mới, Đại Học Cần Thơ thử nghiệm và phát triển có hiệu quả ở miền Nam Việt Nam từ năm 1992. Hầm ủ TG-BP có hình dạng giống như hầm ủ nắp vòm cố định kiểu Trung Quốc chỉ khác ở điểm người ta sẽ tạo một đai mềm bằng vữa tam hợp (1 xi măng: 3 vôi: 15 cát mịn). Khi hầm ủ có sự cố, đây là điểm yếu nhất do đó nó sẽ bị rạn nứt đầu tiên, khi đó vôi sẽ ngậm nước, nở ra và bít kín các vết rạn nứt. Phần chứa khí được tô 3 lớp bằng vữa tam hợp (lớp 1 có tỉ lệ 1 xi măng: 1/3 vôi : 2,5 cát mịn; lớp 2 có tỉ lệ 1 xi măng: ¼ vôi : 2,5 cát mịn; lớp 3 có tỉ lệ 1 xi măng: ¼ vôi: 2,5 cát mịn). Hình 4.7 Hầm ủ nắp vòm cố định kiểu TG - BP • Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ) Loại hầm nầy rất phổ biến ở Ấn Độ, còn gọi là hầm ủ kiểu KVIC (được thiết kế bởi Khadi and Village Industries Commission). Hầm ủ này gồm có một phần hầm hình trụ xây bằng gạch hoặc bê tông lưới thép và một chuông chứa khí trôi nổi trên mặt của hầm ủ. Chuông chứa khí thường được làm bằng thép tấm, bê tông lưới thép, bê tông cốt tre, chất dẻo hoặc sợi thủy tinh. Loại hầm ủ nầy bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố môi trường như nhiệt độ. Nắp hầm ủ dễ bị ăn mòn (trong trường hợp làm bằng sắt tấm), hoặc bị lão hóa (trong trường hợp làm bằng chất dẻo). Do nắp hầm ủ trôi nổi, nó có thể bị va chạm vào thân hầm và hư hỏng, do đó, người ta dùng giá ba chân với một ống sắt ở đầu trên của giá để định vị nắp khi nó nổi lên hay chìm xuống. Một nhược điểm khác là áp suất khí thấp (do áp suất này tạo ra bởi trọng lượng bản thân của nắp) do đó bất tiện trong việc thắp sáng, đun nấu... để khắc phục nhược điểm nầy người ta thường treo thêm vật nặng vào nắp hầm ủ. Một lượng nhỏ biogas sẽ thoát ra môi trường theo khe hở giữa thân và nắp hầm phóng thích vào môi trường. Để khắc phục nhược điểm này người ta xây thêm một ron nước bên ngoài để chứa nước sạch, nắp hầm được chế tạo lớn hơn và đặt vào trong ron nước, như vậy ta sẽ khắc phục được tình trạng mùi hôi và hạn chế việc ăn mòn nắp hầm. Ngoài ra để hạn chế hiện tượng ngắn mạch người ta xây tường chừa lỗ để ngăn phân mới đi ra ngoài sớm hơn thời gian tính toán. Hoạt động của hầm này cũng giống như hầm ủ nắp cố định Trung Quốc chỉ khác là do Ấn Độ thường sử dụng phân bò khó tan rã nên nó có thêm một hố chứa để khuấy trộn làm cho phân tan rã trước khi vào hầm ủ. Nước thải và phân sẽ theo ống nạp đi vào 68 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ hầm ủ, tại đây quá trình lên men yếm khí sẽ xảy ra, các chất khí sinh ra sẽ được chứa ở trong chuông chứa khí tạo áp suất đẩy chuông chứa chuông chứa khí nổi lên. Khi chúng ta sử dụng biogas, do các chất khí được đưa ra ngoài do đó áp suất trong chuông chứa khí giảm, lúc này chuông chứa khí sẽ chìm dần xuống, trọng lượng chuông chứa khí sẽ tạo áp suất đẩy khí ra bếp. Hình 4.8 Hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ) ƒ Hầm ủ có chuông chứa khí riêng biệt Loại hầm ủ nầy có thể giống như bất kỳ một kiểu nào đã nêu ở trên chỉ khác là có chuông chứa khí nằm riêng, chuông chứa khí nầy có thể dùng chung cho một vài hầm ủ. Ưu điểm chính của loại hầm ủ nầy là khả năng cung cấp gas ổn định (ngay cả trường hợp ủ theo mẻ) với một áp suất ổn định. Tuy nhiên loại hầm ủ nầy không được phổ biến ở các nước đang phát triển. Hình 4.9 Hầm ủ nắp vòm cố định với chuông chứa khí riêng biệt 69 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Bảng 4.6 So sánh hầm ủ nắp vòm cố định (Trung Quốc) và hầm ủ nắp trôi nổi (Ấn Độ) Nắp vòm cố định (Trung Quốc) Nắp trôi nổi (Ấn Độ) Vật liệu xây dựng Vật liệu xây dựng tại chỗ (cement, cát, gạch...) Vật liệu xây dựng tại chỗ Vật liệu sản xuất từ nơi khác (cho phần nắp) Xây dựng Xây ngầm dưới đất, tường gạch hoặc bê tông cốt thép Đòi hỏi thợ có tay nghề, đòi hỏi phải tô kỹ để tránh xì hở. Có thể tự xây dựng Xây trên mặt đất Xây dựng dễ nhưng khó lắp nắp Có thể tự xây dựng nhưng phần nắp phải được sản xuất ở các phân xưởng cơ khí Bộ phận chứa gas Kết hợp với phần ủ phân Sử dụng trong suốt tuổi thọ của hầm ủ mà không cần bảo dưỡng Dùng áp kế cột nước để biết thể tích gas Đòi hỏi thợ có tay nghề cao và tô kỹ để tránh xì hở Trong một chuông chứa khí bằng kim loại Chuông chứa khí phải thường xuyên sơn lại để chống sự ăn mòn kim loại do H2S Chiều cao của nắp cho biết thể tích gas Rất dễ trong việc bảo đảm kín khí Áp suất gas Cao: từ 1.000 mm cột nước trở lên. Nhưng thay đổi tùy theo việc sử dụng gas Tự động xả gas thừa qua áp kế Thấp: 70 - 150 mm cột nước. Ổn định do điều khiển bằng trọng lượng của nắp hầm hoặc vật nặng thêm vào. Xả gas thừa ngay tại hầm khi chuông chứa khí được đưa lên cao quá mức qui định. Hiệu quả Ổn định trong các mùa do cách nhiệt tốt (hầm ủ nằm hoàn toàn dưới đất) Không ổn định theo mùa vì nhiệt độ hầm ủ trao đổi với môi trường qua chuông chứa khí Nguyên liệu nạp Phân người, phân gia súc, các chất thải công nghiệp. Chủ yếu là phân bò, cũng có thể sử dụng các phế phẩm nông nghiệp khác Vận hành Bán liên tục hoặc theo mẻ. Cần nhân công để vét hầm sau một thời gian sử dụng. Vận hành bán liên tục. Cần nhân công để vét hầm sau một thời gian sử dụng. Bảo trì Không Sơn lại chuông chứa khí Giá thành Thấp hơn loại Ấn Độ Cao hơn do chuông chứa khí bằng kim loại ƒ Loại hầm ủ có dòng chảy theo kiểu đường ống (plug-flow) Đây là một rãnh đất hẹp, dài được lót bằng bê tông hoặc các loại màng chống thấm. Nắp của hầm ủ này bằng cao su neo vào thân hầm ủ hay đậy kín bằng bê tông hay sắt 70 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ tấm. Để đảm bảo dòng chảy đúng theo kiểu plug-flow, loại hầm ủ này chiều dài lớn gấp nhiều lần chiều rộng và chiều sâu. Loại hầm ủ này ít sử dụng ở các nước đang phát triển. Ở Mexico có vài hầm ủ loại này. Một ưu điểm của hầm ủ này là chịu được tải lượng nạp chất hữu cơ lớn và ít bị hạn chế do bị “shock” về tải lượng nạp. Hoá thaûi Hoá naïp Phaân Biogas OÁng daãn khí Hình 4.10 Sơ đồ một hầm ủ theo kiểu plug-flow ƒ Túi ủ Loại này giống như loại hầm ủ kiểu plug-flow và được sử dụng nhiều ở Đài Loan và Đại Hàn. Trước đây nó được chế tạo bằng nylon phủ neoprene, sau này được chế tạo bằng cao su Red Mud (từ phế thải của quá trình tinh luyện nhôm) do đó, giá thành rẽ hơn nhiều. Gần đây loại hầm này được phát triển nhiều ở Trung Quốc vì nó rẽ, dễ lắp đặt và độ bền cao (có thể lên đến 20 năm nếu không bị các tác nhân lý học và sinh học ảnh hưởng). Năng suất sinh khí có thể lên đến 0,7 m3/m3 hầm ủ-ngày ở 32oC. OÁng daãn khí Biogas Phaân OÁng vaøo OÁng ra Hình 4.11 Sơ đồ túi ủ Biogas 4.4.2 Một số loại hầm ủ ở Việt Nam Sau năm 1975 ở Việt Nam có nhiều cơ quan nghiên cứu về hầm ủ biogas như Viện Năng Lượng, Đại Học Bách Khoa – TP HCM, Đại Học Cần Thơ. Lúc đó ở ĐBSCL rãi rác xuất hiện các hầm ủ nắp vòm cố định với nắp đậy bằng thép tấm, hầm ủ nắp trôi nổi kiểu Ấn Độ. Hiện nay ở miền Bắc phổ biến là các hầm ủ nắp cố định (một biến thể của hầm ủ Trung Quốc) và ở miền Nam là hầm ủ TG-BP. Hầm ủ CT1 Năm 1987, TTNLM - Đại Học Cần Thơ thiết kế mẫu hầm ủ CT1. Loại hầm ủ nầy là biến dạng của hầm ủ nắp cố định, hầm ủ có dạng hình trụ tròn, có chuông chứa khí 71 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ làm bằng xi măng lưới thép, các cấu kiện của hầm ủ được đúc sẳn do đó thời gian thi công rút ngắn xuống còn từ 2 - 3 ngày. Loại hầm ủ nầy được phát triển trên 100 cái ở khu vực Cần Thơ và vài chục cái ở các tỉnh thuộc ĐBSCL, tuổi thọ của hầm ủ trên 10 năm. Hiện nay loại hầm ủ nầy không còn được ưa chuộng nữa do các cấu kiện đúc sẵn cồng kềnh gây khó khăn tốn kém trong quá trình vận chuyển, nguyên liệu nạp phải được thu gom và nạp bằng tay cho hầm ủ. Từ năm 1992, TTNLM chuyển sang triển khai hầm ủ kiểu TG-BP theo bản vẽ chuyển giao của Đại Học Chiang Mai – Thái Lan. Loại hầm ủ này được phát triển chính thức thông qua TTNLM đã lên đến gần 400 hầm. Số còn lại do các đội thợ tự hợp đồng với các chủ hộ nên không thống kê được. Hiện nay, các Trung Tâm Khuyến Nông đang phát triển loại túi ủ bằng nylon. Loại nầy có ưu điểm là vốn đầu tư thấp phù hợp với mức thu nhập của bà con nông dân hiện nay. Tuổi thọ của túi ủ tùy thuộc vào thời gian lão hóa của nguyên liệu làm túi. Nhược điểm của loại túi ủ là rất dễ hư hỏng do sự phá hoại của chuột, gia súc, gia cầm. Xí nghiệp Giết mổ Gia súc An Bình Cần Thơ đã dùng túi ủ Biogas và ao Lục Bình để xử lý nước thải trong quá trình giết mỗ gia súc và nước thải của chuồng trại. Chuoâng chöùa khí OÁng naïp Goái cheøn OÁng xaû nöôùc Maët ñaát Chuoâng chöùa khí OÁng xaû caën Goái ñôû Hình 4.12 Hầm ủ kiểu CT1 c) Các loại hầm ủ có cung cấp giá bám cho vi khuẩn hoạt động • Cột lọc yếm khí (Young and Mc. Carty, 1969) Đây là một cột hình trụ chứa đá, sỏi, hoặc một số loại giá bám nhựa nhằm tạo chỗ bám cho các VSV. Các loại nguyên liệu nầy có tổng diện tích bề mặt càng rộng càng thích 72 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ hợp cho việc bám và tạo một lớp màng VSV để phân hủy chất thải. Thời gian tồn lưu nước trong các cột lọc yếm khí ngắn nhưng thời gian tồn lưu của vi khuẩn có thể lên đến 100 ngày. Loại cột lọc yếm khí nầy chỉ dùng để xử lý các chất thải hòa tan hoặc nước thải có hàm lượng vật chất rắn thấp, vì các chất rắn dễ gây hiện tượng nghẹt cột lọc. Biogas Biogas Hòan lưu Nước thải đầu ra Hòan lưu Nước thải đầu ra Nước thải đầu vào Nước thải đầu vào Hình 4.13 Sơ đồ cột lọc yếm khí • Hầm ủ loại UASB UASB là viết tắt của nhóm từ Upflow Anaerobic Sludge Blanket, đây là loại bể phản ứng yếm khí cao tốc được dùng để xử lý nước thải. UASB được thiết kế rất đơn giản, về mặt hình dạng mà nói, đây chỉ là những bể rỗng (do đó rất dễ thiết kế và giá thành không cao). Hầm ủ UASB được Prof. Gatze Lettiga và các công sự viên ở Đại học Wageningen (Hà Lan) phát minh vào cuối những năm 1970. Từ những ý tưởng của Tiến sĩ Perry McCarty (Standford, USA), nhóm nghiên cứu của Lettinga đã tiến hành thí nghiệm trên cột lọc yếm khí, đây là loại hầm Biogas cao tốc với các nguyên liệu có độ rỗng cao ở bên trong để làm giá bám cho vi khuẩn yếm khí tạo thành các màng biofilm. Trong quá trình làm thí nghiệm Lettinga nhận thấy là ngoài việc tạo các màng biofilm các vi khuẩn còn tạo thành các hạt. Sau đó khi sang Nam Phi quan sát hệ thống xử lý nước thải nhà máy rượu vang theo kiểu lên men yếm khí ông thấy “bùn” tạo thành những hạt đặc chắc, từ đó ông nảy ra ý tưởng thiết kế hầm UASB. Hệ thống xử lý mà ông viếng thăm ở Nam Phi gọi là “Clarigestor” và có thể được coi là tiền thân của hầm UASB (phần trên của “Clarigestor là một bể lắng, nhưng nó không có chuông chứa khí). UASB được thiết kế dựa trên ý tưởng là các vật liệu để tạo giá bám trong cột lọc yếm khí không cần thiết do các vi khuẩn có khả năng tạo thành các hạt bùn có thể giữ lại trong hầm. Lettinga tìm cách để giữ các hạt bùn lại và điều này đã được thực hiện bằng cách đưa vào hầm ủ bộ phận tách pha. 73 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Mô hình hầm ủ UASB đầu tiên được lắp đặt tại nhà máy đường của Hà Lan (CSM suiker). Sau đó, nhiều hầm ủ đã được lắp đặt cho các nhà máy đường, bột khoai tây và các ngành chế biến thực phẩm khác. Công bố đầu tiên về hầm ủ UASB bằng tiếng Hà Lan xuất hiện vào cuối những năm 1970 và công bố trên tạp chí quốc tế vào năm 1980. Hầm ủ gồm 3 phần chính: (a) phần bùn đặc ở dưới đáy hầm ủ, (b) một lớp thảm bùn ở giửa hầm, (c) dung dịch lỏng ở phía trên. Nước thải được đưa vào trong bể từ phía đáy bể thông qua hệ thống phân phối nước thích hợp. Sau khi vào bể, nước thải sẽ di chuyển từ phía dưới lên trên, trên đường đi của nó, nước thải phải xuyên qua một “thảm bùn”, “thảm bùn” này chính là các vi sinh vật, do đó, mức độ tiếp xúc giữa chất nền trong nước thải và các vi khuẩn rất cao đẩy mạnh tốc độ phân hủy các chất nền. Khoảng 80 - 90% quá trình phân hủy diễn ra ở thảm bùn nầy. Thảm bùn này chiếm 30% thể tích của hầm ủ UASB. Bùn ở “thảm bùn” này là các vi sinh vật kết với nhau lại thành các hạt có đường kính từ 0,5 đến 2 mm, các hạt bùn này có vận tốc lắng cao, do đó, tránh được tình trạng bị đưa ra khỏi hệ thống thậm chí ở các lưu lượng nạp nước khá cao. Các chất khí được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất hũu cơ sẽ di chuyển từ đáy bể phản ứng lên trên gây nên sự xáo trộn các chất trong bể mà không cần một thiết bị khuấy trộn cơ học nào cả. Ở phía trên của bể chất lỏng sẽ được tách khỏi chất khí và chất rắn bằng một cấu trúc đặc biệt gọi là bộ phận chuyển hướng đường đi của các chất khí, lỏng, rắn. Bộ phần này bao gồm một chuông chứa khí, một buồng lắng ở phía trên chuông chứa khí và một vách chắn ở phía dưới. Biogas Nöôùc thaûi ñaàu ra Nöôùc thaûi ñaàu vaøo Hình 4.14 Gs. Lettinga và sơ đồ hầm ủ UASB 74 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Một biến thể của hầm ủ UASB là hầm ủ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed, Kato et al. 1994). Điểm khác nhau cơ bản giữa UASB và EGSB là vận tốc nước đi lên trong EGSB lớn hơn vận tốc nước đi lên của UASB do đó nó sẽ làm cho thảm bùn giản rộng ra, chất ô nhiễm trong nước thải sẽ tiếp xúc với các hạt bùn tốt hơn, ngoài ra nó còn tách ra các hạt bùn nhỏ, không còn hoạt động được ra khỏi thảm bùn. Để cân bằng giữa việc gia tăng vận tốc nước và thời gian tồn lưu người ta thiết kế các bể cao hơn hay hoàn lưu nước thải sau bể EGSB hay cả hai cách. Theo một thống kê vào năm 2000, có khoảng 1215 hệ thống xử lý yếm khí được lập hồ sơ, trong đó có khoảng 72% hệ thống được thiết kế theo kiểu UASB hay EGSB của Lettinga. Tải lượng nạp trung bình (tính trên 628 hệ thống) của hầm UASB là 10 kg/m3-ngày, của EGSB (tính trên 198 hệ thống) là 20 kg/m3-ngày. Các hệ thống này được ứng dụng chủ yếu ở các ngành công nghiệp Bia & nước giải khát, công nghiệp sản xuất giấy, công nghiệp lên men rượu, và công nghiệp thực phẩm. Hiện tại hầm ủ UASB còn được ứng dụng để xử lý nước thải công nghiệp dệt, nhuộm, nước rò rỉ từ bãi rác. Trong điều kiện nhiệt đới UASB có thể sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt. Phaàn thu khí Vuøng laéng Caùc haït buøn Nöôùc thaûi ñaàu ra Hoaøn löu Thaûm buøn Nöôùc thaûi ñaàu vaøo Hình 4.15 Sơ đồ hầm ủ EGSB Bảng 4.7 Các thông số cần tham khảo khi thiết kế bể UASB và cột lọc yếm khí 75 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Nguồn nước thải COD đầu vào, mg/L HRT, hr Tải lượng nạp COD, kg/m3*ngày Hiệu suất loại COD Sinh họat 500-800 4 -10 4 -10 70 -75 Nhà máy rượu, men rượu 20000 5 - 10 14 - 15 60 Chế biến bột khoai tây 4500 - 7000 5 - 10 8 - 9 75 - 80 Chế biến sữa 3000 - 3400 5 - 10 12 80 Nhà máy hóa chất hữu cơ tổng hợp 18000 5 - 10 7 - 9 90 Chế biến rau, quả 8300 5 - 10 18 55 Giấy các lọai 7700 5 - 10 12 80 Chế biến hải sản 2300 - 3000 5 - 10 8 - 10 75 - 80 Theo Metcalf & Eddy, 1991 Bảng 4.8 Một số dữ liệu về quá trình hoạt động của hệ thống yếm khí dùng để xử lý nước thải công nghiệp Loại hầm ủ COD đầu vào (mg/L) Thời gian lưu tồn nước (h) Lưu lượng nạp chất hữu cơ (kg COD/m3.d) Hiệu suất khử COD (%) Hầm ủ có khuấy đảo 1.500 ÷ 5000 2 ÷ 10 0,481 ÷ 2,403 75 ÷ 90 Hầm ủ UASB 5.000 ÷ 15.000 4 ÷ 12 4,005 ÷ 12,014 75 ÷ 80 Nền cố định 10.000 ÷ 20.000 24 ÷ 48 0,96 ÷ 4,8 75 ÷ 85 Nền trương nở 5.000 ÷ 10.000 5 ÷ 10 4,8 ÷ 9,6 80 ÷ 85 Theo Metcalf & Eddy, 1991 4.5 Năng suất sinh khí của các nguyên liệu Năng suất sinh khí của các nguyên liệu biến động theo chế độ nạp, điều kiện môi trường trong hầm ủ... Người ta ước tính rằng sẽ có khoảng 0,20 - 1,11m3 Biogas được sinh ra từ một kg vật chất khô của nguyên liệu nạp, với hàm lượng CH4 khoảng 57 - 69%. Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể tính lượng CH4 sinh ra theo phương pháp thiết lập bởi Metcalf và Eddy (1979) như sau: trong quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học BODL có thể chuyển hoá thành các sản phẩm chủ yếu sau: CH4, CO2, NH3, H2 và một số rất ít các loại khí khác và chuyển hoá thành các tế bào vi khuẩn mới. 76 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Chất hữu cơ sử dụng để sản xuất CH4 = chất hữu cơ bị cố định – chất hữu cơ sử dụng để sản xuất tế bào Mối quan hệ giữa BODL và lượng CH4 sản xuất được diễn tả như sau: C6H12O6 Æ 3CH4 + 3 CO2 3CH4 + 6O2 Æ 3CO2 + 6H2O Theo phương trình trên ta có 180 kg glucose sản xuất 48 kg CH4 mà 180 kg glucose tương đương với 192 kg BODL. Do đó, 1 kg BODL sản xuất = (48/180) * (180/192) = 0,25 kg CH4 hay 0,35 m3 CH4 ở điều kiện chuẩn Lượng CH4 sản xuất trong một ngày: m3/d CH4 = 0,35(BODL bị cố định – BODL để sản xuất tế bào) Để giải được phương trình trên chúng ta phải xác định được BODL bị cố định và BODL để sản xuất tế bào BODL bị cố định = E*Q*S0 (103 g/kg)-1 kg/d Với E = hiệu suất cố định chất thải (số thập phân) Q = lưu lượng nước thải m3/d S0 = BODL trong nước thải đầu vào g/m3 Mặt khác BODL = 1,42 Px Mà 30 10* 1 − += cdx k QYESP θ Trong đó Y = hệ số năng suất của vi khuẩn yếm khí (thông thường = 0,05) và kd = hệ số phân hủy nội bào của vi khuẩn yếm khí (thông thường 0,01- 0,03 d-1) Do đó, ta có thể viết lại thành phương trình ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= − cdk YEQSdCHm θ1 42,11)10(35,0/ 304 3 Bảng 4.9 Một số hệ số động của quá trình phân hủy yếm khí một số loại chất nền Chất nền Hệ số Đơn vị Giá trị 77 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Khoảng biến thiên Tiêu biểu Bùn cống rãnh Y kd mg VSS/mg BOD5 d-1 0,040 – 0,100 0,020 – 0,040 0,060 0,030 A xít béo Y kd mg VSS/mg BOD5 d-1 0,040 – 0,070 0,030 – 0,050 0,050 0,040 Carbohydrate Y kd mg VSS/mg BOD5 d-1 0,020 – 0,040 0,025 – 0,035 0,024 0,030 Protein Y kd mg VSS/mg BOD5 d-1 0,050 – 0,090 0,010 – 0,020 0,075 0,014 * các giá trị trên đạt được ở 20oC Bảng 4.10 Khả năng sinh khí của một số loại chất thải (NAS, 1977) Loại chất thải Năng suất Biogas (m3/kg) Nhiệt độ (oC) Hàm lượng CH4 Thời gian ủ (ngày) Phân bò (a) 0.33 - - - Phân gà (b) 0.31 37.3 6 30 Phân heo (a) 1.02 34.6 68 20 Phân cừu (a) 0.37 ÷ 0.61 - 64 20 Lá cây (a) 0.5 - 29 Tảo 0.32 45-50 - 11-20 Phân người 0.38 20-26.2 - 21 (a) tính trên tổng các chất rắn (b) tính trên chất rắn bay hơi Bài tập: Một cơ sở cần 10m3 CH4 để sử dụng hàng ngày. Hãy tính thể tích hầm ủ cần xây dựng. Biết rằng nguyên liệu ủ là phân người và rơm rạ và năng suất sinh khí của nguyên liệu nạp là 0,3m3/kg.TVS. Đặc tính của nguyên liệu ủ được cho như sau: Phân người Rơm rạ Carbon hữu cơ (C), % tổng chất rắn 48 43 Đạm tổng số (N), % tổng chất rắn 4,5 0,9 Tổng chất hữu cơ (TVS) [% tổng chất rắn] 86 77 Ẩm độ (%) 82 14 78 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Giải: Gọi trọng lượng khô của phân người và rơm rạ cần nạp cho hầm ủ hàng ngày là m1 và m2 (tính bằng kg/ngày). Chọn tỉ lệ nạp C/N thích hợp cho quá trình ủ của hỗn hợp là 25/1 Ta có phương trình sau: 25 009,0045,0 43,048,0 21 21 =+ + mm mm ⇒ m2/m1 = 0,645/0,205 (1) Lượng chất hữu cơ cần để nạp cho hầm ủ hàng ngày là 10/0,3 = 33,33 kg TVS Do đó ta có pt: 0,86m1 + 0,77m2 = 33,33 (2) Từ (1) và (2) ta có: Ġ Lượng phân người cần thiết để nạp cho hầm ủ hàng ngày (trọng lượng tươi) 10,16/0,18 = 56,44 kg/ngày. Lượng rơm cần thiết để nạp cho hầm ủ hàng ngày 32/0,86 = 37,22 Kg/ngày Lượng chất hữu cơ nạp hàng ngày Ta có Vủ phân = -------------------------------------------- Tỉ lệ nạp chất hữu cơ cho hầm ủ Chọn tỉ lệ nạp chất hữu cơ cho hầm ủ là 2 kg VS/ m3 hầm ủ * ngày Thể tích phần ủ phân là 33,33/2 = 17m3 Thể tích phần chứa khí phải chiếm từ 30 - 40% thể tích phần ủ phân do đó: Thể tích hầm ủ cần xây dựng là 22 - 24m3 4.6 Sử dụng các sản phẩm của hầm ủ Biogas 4.6.1 Sử dụng Biogas Dựa trên cơ sở nhiệt trị của Biogas (4.500 - 6.300 kcal/m3), Hesse (1982) ước tính rằng 1m3 Biogas đủ để: • chạy một động cơ 1 ngựa trong 2 giờ • cung cấp một điện năng khoảng 1,25 kWh • cung cấp năng lượng để nấu ăn ngày 3 buổi cho gia đình 5 người • thắp sáng trong vòng 6 giờ (độ sáng tương đương đèn 60 W) • chạy 1 tủ lạnh 1 m3 trong 1 giờ • chạy một lò úm 1 m3 trong nửa giờ 79 Quản lý và tái sử dụng chất thải hữu cơ Như vậy 1m3 Biogas tương đương với 0,4 kg dầ