Luận án Nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp sinh học trong điều kiện Việt Nam

oni phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của quá trình, khi pH và nhiệt độ tăng sẽ gia tăng sự ức chế của ammoni, do đó ở điều kiện lên men nóng vi sinh vật dễ bị ức chế bởi ammoni hơn lên men ấm [88], [100]. Nồng độ ảnh hưởng của ammoni tự do đến quá trình kỵ khí thể hiện ở bảng 2.2 Bảng 2.2. Ảnh hƣởng của ammoni tự do đến quá trình kỳ khí [45] Nồng độ (N, mg/L) Ảnh hƣởng 50 - 200 Có lợi 200 – 1.000 ảnh hưởng bất lợi 1.500 – 3.000 ức chế cho pH > 7,4 đến 7,6 Trên 3.000 Gây độc  Các cation gây độc Các cation trong các muối hòa tan thường gây độc cho quá trình kỵ khí. Hàm lượng gây độc của một số cation như sau: Na+ (0,32M), NH4 + (0,25M), K + (0,15M), Ca 2+ (0,11M) và Mg 2+ (0,08M). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hàm lượng gây ức chế của các cation có thể cao hơn [45].  Sunfua gây độc 52 Sunfua (H2S) được hình thành trong quá trình phân hủy kỵ khí do sự phân hủy của protein và các chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh. Sunfua ở dạng không hòa tan (dạng H2S) có thể gây ức chế vi sinh vật kỵ khí. Sunfua có thể hòa tan trong nước theo phương trình: H2S  H + + HS - HS -  H+ + S2- Sự hòa tan này phụ thuộc lớn vào pH và nhiệt độ. Ở pH của quá trình phân hủy kỵ khí (pH từ 6 – 8) điều kiện nhiệt độ lên men ấm có khoảng 50% sunfua tồn tại dạng không hòa tan (H2S) và 50% ở dạng phân ly (HS - ). Vi sinh vật kỵ khí có thể chịu đựng và thích nghi với hàm lượng sunfua ở dạng H2S từ 50 – 100mg/L. Nhưng với hàm lượng >200mg/L H2S sẽ gây độc mạnh cho quá trình [45].  Kim loại gây độc Các kim loại nặng như Cr, Ni, Zn, Cu, Cn có thể gây độc đến quá trình kỵ khí ở hàm lượng rất thấp. Tuy nhiên hầu hết các kim loại này có thể kết hợp với ion sunfua (S 2- ) tạo muối sunfua không tan và không gây độc đến quá trình [45]. 2.1.4. Thiết lập cân bằng vật chất và phân tích động học quá trình phân hủy kỳ khí chất thải rắn hữu cơ 2.1.4.1. Thiết lập cân bằng vật chất Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa thành phần chất hữu cơ vào khí biogas, đề tài tiến hành lập cân bằng vật chất đối với hàm lượng chất rắn bay hơi VS. Sự chuyển hóa chất rắn bay hơi trong quá trình phân hủy kỵ khí tuân theo sơ đồ hình 2.3 như sau: 53 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc cân bằng hàm lƣợng VS bể phản ứng kỳ khí Hay cân bằng lượng VS tuân theo công thức: VSv = VSc + VSr + VSk (2.2) Trong đó: VSv: tổng lượng VS đi vào bể, kg VSc: tổng lượng VS trong cặn, kg VSr: tổng lượng VS đi ra theo nước ra khỏi bể, kg VSk: tổng lượng VS chuyển hóa tạo khí biogas, kg + Tính lượng VS đi vào bể: VSv = VSo + VSn x t, (kg) (2.3) Trong đó: VSo: lượng VS nạp ban đầu, kg VSn: lượng VS nạp hàng ngày, kg/ngày t: số ngày nạp, ngày + Tính lượng VS trong nước ra khỏi bể: 𝑉𝑆𝑟 = 𝑉𝑆𝑡 . 𝑉𝑡 𝑛 1 . 10 6, (kg) (2.4) Trong đó: VSt: hàm lượng VS trong nước ra ngày thứ t, mg/L Bể phản ứng kỳ khí VS trong nguyên liệu vào VS tạo khí biogas VS trong cặn VS trong nước ra khỏi bể 54 Vt: lượng nước ra ngày thứ t, lít + Tính lượng VS chuyển hóa tạo khí biogas: Lượng VS chuyển hóa tạo khí biogas ở điều kiện tiêu chuẩn được tính theo công thức sau [43]: 𝑉𝑆𝑘 = 𝑉𝑘𝑥 𝑀𝐶𝐻4 .𝑎𝐶𝐻4 . 100 + 𝑀𝐶𝑂2 . 𝑎𝐶𝑂2 . 100 . 1000/22.431 (2.5) Trong đó: Vk: Tổng thể tích khí biogas ở điều kiện tiêu chuẩn, lít MCH4: khối lượng phân tử khí CH4, g aCH4: phần trăm khí CH4 trong khí biogas, % MCO2: khối lượng phân tử khí CO2, g aCO2: phần trăm khí CO2 trong khí biogas, % + Tính lượng VS trong cặn: VSc = Cc.Tc.mc (kg) (2.6) Trong đó: Cc: hàm lượng VS trong cặn, %TS Tc: hàm lượng TS trong cặn, % mc: khối lượng cặn, kg mc = tỷ trọng cặn x thể tích cặn, kg 2.1.4.2. Mô hình động học sự phát triển của vi sinh vật và tỷ lệ sinh khí Năm 1940 Monod đã nghiên cứu sự phát triển của quần thể vi sinh vật và đưa ra mối quan hệ giữa tỷ lệ phát triển vi sinh vật và nồng độ cơ chất theo phương trình (2.7) [76]: 𝜇 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝑘𝑠+𝑆 (2.7) Trong đó: S: nồng độ cơ chất, g/L ks: hằng số động học Monod µmax: tốc độ phát triển cực đại của vi sinh vật, ngày -1 55 µ: tốc độ phát triển của vi sinh vật, ngày-1. µ = µmax/2 khi S = ks Hạn chế của phương trình Monod là sử dụng hằng số động học đơn giản do đó gặp khó khăn trong việc mô tả phản ứng của vi sinh vật ở thời gian lưu quá thấp hoặc quá cao. Năm 1959 Contois đã nghiên cứu sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường liên tục và đã đề xuất mô hình động học miêu tả mối quan hệ giữa mật độ, tốc độ phát triển của vi sinh vật và nồng độ cơ chất theo phương trình sau [76]: 𝜇 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝐶𝑋+𝑆 (2.8) Trong đó: µ: tốc độ phát triển của vi sinh vật, ngày-1 µmax: tốc độ phát triển cực đại của vi sinh vật, ngày -1 S: nồng độ cơ chất, g/L X: mật độ vi sinh vật, g/L C: hằng số thực nghiệm không thứ nguyên. Năm 1990 Zwietering đã cải tiến mô hình toán học Gompertz bằng việc thay thế các thông số toán học của mô hình bằng các thông số có ý nghĩa sinh học và đưa ra sự phát triển của vi sinh vật theo phương trình (2.9) [76]: 𝑦 = 𝐴. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 𝜇𝑚 .𝑒 𝐴 λ − 𝑡 + 1 (2.9) Trong đó: y: sự phát triển của vi sinh vật ở thời điểm t, ngày-1 A: tiềm năng phát triển của vi sinh vật, ngày-1 µm: tốc độ phát triển cực đại của vi sinh vật, ngày -1 λ: thời gian tối thiểu để vi sinh vật phát triển, ngày Với giả thiết lượng khí sinh học sinh ra tại thời điểm t tuân theo sự phát triển của vi sinh vật tại thời điểm đó. Khi đó tốc độ sinh khí tuân theo phương trình (2.10): 56 𝑦 = 𝐴. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 𝜇𝑚 .𝑒 𝐴 λ − 𝑡 + 1 (1.10) Trong đó: y: lượng khí sinh học tích lũy ở thời điểm t, L/kgVS A: tiềm năng sinh khí, L/kgVS µm: tốc độ sinh khí cực đại, L/kgVS.ngày λ: thời gian tối thiểu để sinh khí, ngày e: hệ số = 2.718282 Các thông số A, µm và λ được xác định bằng phân tích thống kê sử dụng phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến. Mô hình Gompertz cải tiến (2.10) đã được kiếm chứng bởi rất nhiều nghiên cứu về sự phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ và đã được công nhận đây là mô hình tốt để xác định lượng khí sinh học sinh ra [74], [102]. c. Động học sự phân hủy chất hữu cơ Giả thiết sự phân hủy chất hữu cơ tạo khí sinh học là phản ứng bậc 1, chất hữu cơ ký hiệu là C được chuyển hóa thành khí sinh học ký hiệu là B theo phương trình phản ứng [44]: CHC (C) → khí biogas (B) (2.11) Tốc độ phản ứng: V = -k.C = k.B, với k là hằng số tốc độ phản ứng. Ta có phương trình chuyển hóa dòng vật chất hữu cơ trong bể phản ứng: 𝑉𝑑 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = 𝑄𝑖 . 𝐶𝑖 − 𝑄𝑜 . 𝐶𝑜 + 𝑉𝑑(−𝑘𝐶) (2.12) Trong đó: Vd: thể tích bể phản ứng, m 3 Qi, Qo: lượng vật chất đi vào và đi ra khỏi thiết bị phản ứng, kg Ci, Co: nồng độ chất hữu cơ dòng vào và dòng ra, kgVS (COD)/kg Đối với bể phản ứng theo mẻ nguyên liệu đưa vào một lần, phần cặn bã lấy ra một lần do đó Qi = Qo = 0 do đó phương trình được viết thành: 57 𝑉𝑑 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = 𝑉𝑑(−𝑘𝐶) (2.13) Chia cả 2 vế phương trình cho Vd ta có: 𝑑𝐶 𝑑𝑡 = (−𝑘𝐶)  𝑑𝐶 𝐶 = −𝑘. 𝑑𝑡  𝑑𝐶 𝐶 𝐶𝑡 𝐶𝑜 = −𝑘 𝑑𝑡 𝑡 0  ln 𝐶𝑡 𝐶𝑜 = −𝑘𝑡 (2.14) Giả thiết rằng tất cả chất hữu cơ phân hủy đều tạo thành khí sinh học [46].  Co−Ct Co = 𝑦𝑡 𝑦𝑚  Co Ct = 𝑦𝑚 𝑦𝑚−𝑦𝑡 (2.15) Thay (2.15) vào (2.14) ta có: ln 𝑦𝑚−𝑦𝑡 𝑦𝑚 = −𝑘𝑡  𝑦𝑚−𝑦𝑡 𝑦𝑚 = exp(−𝑘𝑡)  𝑦𝑡 = 𝑦𝑚 (1 − exp(−𝑘𝑡)) (2.16) Trong phương trình (2.16): ym: tỷ lệ sinh khí cực đại, L/kgVS yt: tỷ lệ sinh khí ở thời điểm t, L/kgVS -k: hằng số phân hủy chất hữu cơ, 1/ngày Từ (2.16)  𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 = 𝑘. 𝑦𝑚 . exp(−𝑘𝑡) (2.17) Logarit 2 vế phương trình (2.17)  𝑙𝑛 𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 = ln 𝑘. 𝑦𝑚 . exp −𝑘𝑡  𝑙𝑛 𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 = (ln ym + lnk) − kt 58  1 𝑡 𝑙𝑛 𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 = 1 t (ln ym + lnk) − k (2.18) Phương trình (2.18) tuân theo phương trình đường thẳng y = mx + c với: x = 1/t; m = lnym + lnk; c = -k Dựa vào số liệu thí nghiệm về tỷ lệ sinh khí (yt) theo thời gian t vẽ đồ thị phương trình (2.18) với trục tung 𝑦 = 1 𝑡 𝑙𝑛 𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 và trục hoành x = 1/t xác định được hằng số phân hủy k. Hằng số phân hủy k thể hiện khả năng phân hủy chất hữu cơ tạo khí sinh học, đây là hằng số thực nghiệm đại diện cho sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến quá trình phân hủy như pH, nhiệt độ, đặc điểm nguyên liệu vào, dựa vào hằng số k có thể tính toán kích thước bể phân hủy hoặc lượng nguyên liệu nạp. Theo Yusuf và cộng sự (2011) giá trị (-k) càng bé thì tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ càng nhanh, ngược lại giá trị k càng lớn thể hiện tỷ lệ phân hủy chất hữu cơ càng chậm [102]. d. Tính toán thể tích bể chứa nguyên liệu phân hủy Nhiều nghiên cứu đã áp dụng tính toán tỷ lệ thể tích chứa nguyên liệu phân hủy và thể tích chứa khí là 3:1 và kết quả cho thấy tỷ lệ này là phù hợp. Theo đó tính toán thể tích bể chứa nguyên liệu phân hủy như sau [44], [102] : Vk = 1/3Vnl (2.19) Trong đó: Vk: thể tích chứa khí Vnl: thể tích chứa nguyên liệu Vk = yt.m (2.20) Trong đó: yt: tỷ lệ sinh khí ở thời điểm t, L/kgVS m: lượng nguyên liệu chất hữu cơ đưa vào bể phân hủy, kgVS Từ công thức (2.16) ta có: 𝑦𝑡 = 𝑦𝑚 (1 − exp(−𝑘𝑡)). Thay công thức này vào công thức (2.19) và (2.20) ta có: 59 𝑉𝑛𝑙 = 3𝑦𝑚 1 − exp −𝑘𝑡 .𝑚 (2.21) Với ym: tỷ lệ sinh khí cực đại (Nl/kgVS). ym chính bằng tiềm năng sinh khí A xác định được từ mô hình Gompertz cải tiến. Như vậy biết hằng số k, tiềm năng sinh khí cực đại của nguyên liệu, liều lượng nguyên liệu nạp sẽ giúp tính được thể tích bể phân hủy theo công thức (2.21) và (2.19). Trường hợp đã biết trước thể tích chứa nguyên liệu Vnl, thời gian lưu t từ công thức (2.21) xác định được lượng nguyên liệu nạp vào m theo công thức: 𝑚 = 𝑉𝑛𝑙 3.𝑦𝑚 (1−exp −𝑘𝑡 ) (2.22) 2.2. Khả năng áp dụng quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí trong xử lý chất thải Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới khẳng định việc xử lý chất thải bằng phương pháp phân hủy kỵ khí mang lại hiệu quả cao, đặc biệt tại các nước châu Âu nhiều nhà máy xử lý chất thải bằng phương pháp này đã và đang hoạt động hiệu quả. Những loại chất thải rắn được xử lý bằng phương pháp kỵ khí thường là: phân động vật, phân người, bùn thải từ quá trình xử lý nước thải, chất thải nông nghiệp, chất thải từ quá trình sản xuất thực phẩm, chất thải rắn đô thị đã được phân loại hoặc có thể kết hợp những loại chất thải hữu cơ này với nhau. Sản phẩm của quá trình gồm khí sinh học được sử dụng như nguồn năng lượng và phân mùn được sử dụng trong nông nghiệp. Bảng 2.3. Các loại chất thải thích hợp với quá trình chuyển hóa kỳ khí [100] Chất thải đô thị Chất thải nông nghiệp Chất thải công nghiệp  Thành phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị  Phân người  Phân động vật  Thực vật  Sinh khối tảo  Chất thải lò mổ  Chất thải từ quá trình sản xuất thực phẩm  Giấy và bột giấy thải 60 Các loại chất thải nguyên liệu của quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: nguồn gốc, thành phần chất khô, hiệu suất sinh khí. Quá trình phân hủy kỵ khí với chất thải hữu cơ có thành phần chất khô nhỏ hơn 20% được gọi là quá trình kỵ khí ướt, nhóm chất thải này thường là phân động vật, phân bùn, chất thải hữu cơ từ quá trình sản xuất thực phẩm. Khi chất thải có thành phần chất khô từ 20% - 40% được gọi là quá trình kỵ khí khô. Việc lựa chọn phối trộn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí phụ thuộc vào thành phần chất khô cũng như thành phần chất hữu cơ như đường, lipid và protein của các loại chất thải hữu cơ. Bảng 2.4. Đặc điểm một số loại chất thải hữu cơ cho quá trình phân hủy kỳ khí [98] Loại nguyên liệu Thành phần chất hữu cơ Tỷ lệ C:N % Chất khô % chất bay hơi (VS) Hiệu suất sinh khí biogas, m 3 /kg VS Phân lợn Cacbonhydrat , protein, lipid 3 - 10 3 - 8 70 - 80 0,25 – 0,50 Phân bò Cacbonhydrat , protein, lipid 6 - 20 5 - 12 80 0,20 – 0,30 Phân gia cầm Cacbonhydrat , protein, lipid 3 - 10 10 - 30 80 0,35 – 0,60 Trấu Cacbonhydrat , lipid 80 - 100 70 - 90 80 - 90 0,15 – 0,35 Chất thải vườn - 100- 150 60 - 70 90 0,20 – 0,50 Cỏ - 12 - 25 20 - 25 90 0,55 Cỏ ủ chua - 10 - 25 15 - 25 90 0,56 Chất thải hoa quả - 35 15 - 20 75 0,25 – 0,50 Hiệu suất sinh khí biogas là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự khác biệt của các nguyên liệu. Từ bảng trên có thể thấy các loại phân động vật có hiệu suất 61 sinh khí biogas thấp. Để tăng hiệu suất sinh khí phân động vật và phân bùn thường được phối trộn với các loại nguyên liệu khác như thực phẩm thừa, cây cỏ nông nghiệp, chất thải công nghiệp thực phẩm v.v. Ƣu điểm của quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất thải: quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất thải có nhiều thuận lợi như có thể áp dụng với nhiều loại chất thải hữu cơ, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư thấp. Một số ưu điểm và nhược điểm của xử lý kỵ khí chất thải được thể hiện ở bảng 2.5. Bảng 2.5. Ƣu nhƣợc điểm của xử lý kỳ khí chất thải [11], [98] Ƣu điểm Nhƣợc điểm  Tạo ra ít sản phẩm rắn, ít hơn từ 2 đến 4 lần so với xử lý hiếu khí  Tiêu thụ ít năng lượng do đó chi phí xử lý thấp  Yêu cầu diện tích nhỏ  Chi phí xây dựng thấp  Tạo sản phẩm khí metan, được sử dụng như nguồn năng lượng  Tạo sản phẩm mùn sinh học ổn định sử dụng như phân bón trong nông nghiệp  Có thể áp dụng ở quy mô nhỏ và vừa  Vi sinh vật kỵ khí dễ bị ức chế bởi nhiều yếu tố  Thời gian khởi động của quá trình tương đối lâu  Cơ chế sinh học và các vi sinh vật tham gia quá trình khá phức tạp, vẫn cần có những nghiên cứu sâu hơn  Không thích hợp trong xử lý nitơ và photpho 2.3. Các phƣơng pháp phân hủy kỳ khí chất thải rắn hữu cơ Phương pháp phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ thường được phân loại theo chế độ làm việc, theo môi trường phản ứng và theo nhiệt độ phản ứng. 2.3.1. Phƣơng pháp phân hủy kỳ khí phân loại theo môi trƣờng phản ứng Quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ có thể là quá trình ướt hoặc khô phụ thuộc vào tổng lượng chất rắn trong nguyên liệu đầu vào. Quá trình kỵ khí ướt khi 62 tổng chất rắn trong nguyên liệu đầu vào nhỏ hơn 20%, quá trình là kỵ khí khô khi tổng lượng chất rắn từ 20 – 40% [88].  Phương pháp phân hủy kỵ khí ướt Phương pháp này thường được áp dụng với loại nguyên liệu lỏng như phân động vật, phân bùn và các chất thải hữu cơ sinh hoạt [63]. Thiết bị được sử dụng cho phân hủy kỵ khí ướt thường là thiết bị khuấy trộn liên tục với việc áp dụng khuấy trộn cơ khí hoặc áp dụng sự dao động của lượng khí biogas trong bể. Phân hủy kỵ khí ướt có nhược điểm là yêu cầu tiền xử lý nguyên liệu đầu phức tạp và tiêu thụ nhiều nước. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là pha loãng được các yếu tố gây độc và thiết bị yêu cầu đơn giản [15], [73], [85].  Phương pháp phân hủy kỵ khí khô Phương pháp phân hủy kỵ khí khô không đòi hỏi phức tạp trong tiền xử lý nguyên liệu đầu và có thể áp dụng với chất thải rắn có tải lượng hữu cơ lớn như chất thải rắn sinh hoạt, chất thải nông nghiệp. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu thời gian lưu lớn có thể lớn gấp 3 lần phân hủy kỵ khí ướt và thường xuất hiện sự tích tụ axit bay hơi (VFA) làm giảm hiệu suất tạo khí biogas [73]. 2.3.2. Phƣơng pháp phân hủy kỳ khí phân loại theo chế độ làm việc Hai chế độ làm việc thường được sử dụng trong quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ là: chế độ làm việc theo mẻ và làm việc liên tục.  Phương pháp làm việc theo mẻ Trong phương pháp này nguyên liệu được đưa vào một lần, có thể có hoặc không bổ sung vi sinh vật và được lưu giữ ở thời gian nhất định sau đó phần cặn được lấy ra một lần. Phương pháp này có ưu điểm không đòi hỏi phải xử lý mịn chất thải vào và không yêu cầu thiết bị phức tạp do đó vẫn được áp dụng tại những nước đang phát triển [100]. Tuy nhiên phương pháp làm việc theo mẻ thường có hiện tượng nguyên liệu bị nén gây bít tắc và chất lượng khí biogas không ổn định.  Phương pháp làm việc liên tục 63 Trong phương pháp này nguyên liệu được nạp vào liên tục và phần còn lại sau phân hủy liên tục được lấy ra. Như đã trình bày ở phần 2.1.2 quá trình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ là quá trình phức tạp xảy ra qua nhiều quá trình sinh hóa khác nhau. Những quá trình này có thể phân thành hai giai đoạn chính: giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân và axit hóa; giai đoạn 2: giai đoạn metan hóa. Đối với phương pháp làm việc liên tục thường được chia thành hệ thống một giai đoạn và hai giai đoạn. + Hệ thống một giai đoạn: tất cả các giai đoạn phân hủy chất thải đều xảy ra trong cùng một thiết bị mặc dù có sự khác biệt về tốc độ tăng trưởng, pH tối ưu của các nhóm vi sinh vật ở mỗi giai đoạn. Điều này dễ làm quá trình thất bại đặc biệt đối với những loại chất thải có quá trình thủy phân và axit hóa xảy ra nhanh hơn so với quá trình metan hóa, thường là loại chất thải nghèo cellulose như chất thải nhà bếp [82]. + Hệ thống hai giai đoạn: ở hệ thống này hai giai đoạn phân hủy chính được thực hiện ở những thiết bị riêng biệt với những điều kiện tối ưu cho từng giai đoạn do đó hiệu suất tạo khí biogas cao hơn so với hệ thống một giai đoạn. Mặc dù hệ thống hai giai đoạn có hiệu suất cao hơn nhưng trong thực tế thường áp dụng hệ thống một giai đoạn do có thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư thấp và thường cũng ít gặp thất bại. Đối với hầu hết các loại chất thải hữu cơ hiệu suất tạo khí sinh học của hệ thống một giai đoạn gần bằng so với hệ thống hai giai đoạn nếu thiết bị được thiết kế tốt và điều kiện làm việc được lựa chọn cẩn thận. Do đó trong năm 2008 ở Châu Âu hơn 90% nhà máy phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ sử dụng hệ thống một giai đoạn [88]. 2.4. Lựa chọn hƣớng nghiên cứu xử lý kỳ khí phân bùn bể tự hoại Qua việc nghiên cứu lý thuyết từ các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới và Việt Nam về phương pháp phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ được đưa ra ở các mục 2.1, 2.2, 2.3 trong chương này cho thấy: 64 - Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở điều kiện lên men ấm và lên men nóng đều có những ưu, nhược điểm khác nhau. Lên men nóng mặc dù hiệu quả sinh khí tốt hơn tuy nhiên quá trình lại nhạy cảm hơn, phải cung cấp năng lượng và chi phí đầu tư lớn cũng như vận hành phức tạp. Trong khi đó lên men ấm không phải cấp năng lượng mà hiệu quả sinh khí cũng tương đối cao đồng thời vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp phù hợp với các nước đang phát triển. Khí hậu Việt Nam thuộc khí hậu nhiệt đới nóng ẩm hoàn toàn phù hợp với điều kiện của lên men ấm do đó luận án chọn nghiên cứu xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại bằng phương pháp lên men ấm. - Với đặc điểm phân bùn bể tự hoại đã được trình bày tại chương 1, có hàm lượng TS thấp, độ ẩm cao >90% do đó luận án chọn nghiên cứu xử lý phân bùn bể tự hoại theo phương pháp lên men ướt - Hàm lượng chất hữu cơ trong phân bùn bể tự hoại khá cao tuy nhiên tỷ lệ C/N thấp do đó việc phối trộn phân bùn với chất thải hữu cơ có tỷ lệ C/N cao sẽ cho hiệu quả cao hơn [90]. Chất thải có hàm lượng C/N cao thường là chất thải hàm lượng xenluloza cao như lá cây, rau củ quả [97]. Qua khảo sát tại một số chợ cho thấy các thành phần hữu cơ như thức ăn thừa từ các hàng ăn tại chợ hoặc ruột cá, tôm, bã đậu thường được các tiểu thương thu gom làm thức ăn chăn nuôi hoặc bán cho hộ chăn nuôi. Phần lớn thành phần hữu cơ của chất thải chợ là những thành phần không thể sử dụng được như rau, hoa quả thối, cọng rau, vỏ quả, lá cây, thành phần này chiếm hơn 50% chất thải phát sinh từ chợ. Do đó luận án chọn nghiên cứu xử lý phối trộn phân bùn bể tự hoại với chất thải hữu cơ từ chợ. Kết luận chƣơng 2 1. Bản chất của phương pháp xử lý kỵ khí là sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và tùy tiện phân hủy các hợp chất hữu cơ để thu sản phẩm cuối cùng là khí sinh học và cặn hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Phương pháp này thích hợp với hầu hết các loại chất thải hàm lượng hữu cơ cao đặc biệt có độ ẩm cao như phân bùn, phân động vật hoặc kết hợp những chất thải này với chất thải hữu cơ khác như: chất thải đô thị, chất thải rau củ quả. Hiệu suất quá trình phụ thuộc vào nồng độ các chất hữu 65 cơ, nhiệt độ, tải trọng nạp, pH, tỷ lệ dinh dưỡng C/N, sự có mặt chất ức chế, phương pháp phân hủy. 2. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các kết quả nghiên cứu đã có và điều kiện thực tế của Việt Nam luận án chọn nghiên cứu xử lý sinh học kỵ khí phân bùn bể tự hoại phối trộn với chất thải hữu cơ từ chợ trong điều kiện lên men ấm. 66 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ, trong đó: - Phân bùn bể tự hoại được hút tại các nhà vệ sinh công cộng và nhà dân trên địa bàn Hà Nội được tập kết vào bể chứa bùn tại Nhà máy chế biến phân Cầu Diễn Hà Nội, trên địa bàn thành phố Thái Nguyên được tập kết vào khu xử lý chất thải rắn Tân Cương. Mẫu phân bùn bể tự hoại được lấy tại các vị trí tập kết này, phân bùn được đảo đều trước khi lấy. - Chất thải rắn hữu cơ được lấy tại vị trí tập kết rác của hai chợ đầu mối trên địa bàn Hà Nội là chợ Đồng Xuân và chợ Long Biên, trên địa bàn thành phố Thái Nguyên là chợ Thái và chợ Túc Duyên. Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu cũng như 1 số nghiên cứu khác, tại các chợ phần chất thải hữu cơ thực phẩm thừa như thịt, đầu cá, ruột cá, vỏ tôm, thực phẩm chín đều được bán làm thức ăn gia súc cho các hộ chăn nuôi. Chỉ có thành phần hữu cơ như cuống rau, vỏ hoa quả, rau, củ quả thối hỏng không bán được bị thải bỏ, đây là loại chất thải hữu cơ điển hình không được thu hồi tại các chợ [12], do đó nghiên cứu đã sử dụng loại chất thải hữu cơ này làm đối tượng nghiên cứu. Thời gian lấy mẫu chất thải rắn hữu cơ từ 6 – 7h sáng. Chất thải rắn hữu cơ lấy tại các chợ được đổ lên 1 tấm bạt lớn trộn đều, chia hình côn, lấy 2 phần chéo nhau đưa đi phân loại sơ bộ để loại bỏ các tạp chất. Chất thải rắn thu được sau phân loại dùng làm thí nghiệm được băm, chặt nhỏ kích thước thích hợp từ 1- 3 cm và trộn đều. 3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 3.2.1. Thực nghiệm khảo sát đặc tính phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ Để đánh giá phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ có phù hợp với xử lý bằng phương pháp kỵ khí ấm hay không, đề tài đã thực hiện phân tích đặc tính, thành phần của phân bùn bể tự hoại với tần suất 3 ngày/lần liên tục trong 1 tháng. Nguyên liệu đầu vào phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ tại mỗi đợt thí nghiệm cũng được lấy mẫu phân tích đặc tính, thành phần. 67 3.2.2. Thực nghiệm xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ trong phòng thí nghiệm 3.2.2.1. Mục đích nghiên cứu Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải rắn hữu cơ trên mô hình phòng thí nghiệm trong điều kiện kỵ khí ấm. 3.2.2.2. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu cụ thể trong phòng thí nghiệm như sau: Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ trong điều kiện nhiệt độ mùa hè và mùa đông thông qua theo dõi quá trình phân hủy hỗn hợp nguyên liệu. Với mục đích xử lý phân bùn bể tự hoại là chính, chất thải hữu cơ là chất độn để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp từ 20/1 – 30/1 cũng như độ ẩm thích hợp >80%. Dựa vào kết quả phân tích đặc tính phân bùn và chất thải hữu cơ, nghiên cứu đã thực hiện phối trộn phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ theo các tỷ lệ tại các đợt thí nghiệm (mỗi đợt được thực hiện trong 40 ngày) như sau: + Đợt 1 - Từ ngày 1/7 đến ngày 10/8/2014: Phân bùn bể tự hoại (PB) và chất thải rắn hữu cơ từ các chợ (RC) được phối trộn theo các tỷ lệ PB:RC = 1:0; 3:1; 1:1 trong điều kiện môi trường mùa hè nhiệt độ 300C – 320C (điều khiển nhiệt độ bằng điều hòa không khí). + Đợt 2 - Từ ngày 17/8/2014 – 26/9/2014: Phân bùn bể tự hoại (PB) và chất thải rắn hữu cơ từ các chợ (RC) được phối trộn theo các tỷ lệ PB:RC = 4:1; 3:1; 2:1 trong điều kiện môi trường mùa hè nhiệt độ 300C – 320C (điều khiển nhiệt độ bằng điều hòa không khí). + Đợt 3 - Từ ngày 5/10/2014 – 14/11/2014: Phân bùn bể tự hoại (PB) và chất thải rắn hữu cơ từ các chợ (RC) được phối trộn theo các tỷ lệ PB:RC = 4:1; 3:1; 2:1 trong điều kiện môi trường mùa đông nhiệt độ 160C – 180C (điều khiển nhiệt độ bằng điều hòa không khí). 68 3.2.2.3. Mô hình nghiên cứu Thiết kế mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thiết kế theo sơ đồ hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Chú thích: 1. Bình phân hủy kỵ khí 5. Ống nhựa mềm thu khí 2. Bình thu khí 6. Van kẹp 3. Chậu thu nước 7. Ống nhựa mềm thu nước 4. Nhiệt kế