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

chất thải rắn sinh hoạt cũng ngày càng gia tăng, ước tính mức gia tăng giai đoạn 2010 – 2014 trung bình 12% Xử lý chất thải rắn Xử lý phối trộn compost Bãi lọc có trồng cây Sân phơi bùn Xử lý phối trộn nước thải Bể ổn định bùn Cánh đồng ngập nước Các kỹ thuật khác Xử lý nƣớc thải Nông nghiệp Nguồn nƣớc Xử lý phối trộn compost CTHC Bãi lọc có trồng cây Sân phơi bùn Bể lắng – nén bùn Hồ lắng Phân hủy kỵ khí Xử lý phối trộn với bùn cống rãnh Xử lý phối trộn với nước thải PB 5 mỗi năm, trong đó chất thải rắn từ các chợ chiếm tỷ trọng khoảng 13% tổng khối lượng [3]. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt khá đa dạng bao gồm các thành phần: Chất hữu cơ dễ phân hủy: rau, củ quả thối, thực phẩm thừa, thành phần này có tỷ lệ cao từ 54 - 77%; Chất thải tái chế được: giấy, nilon, kim loại, nhựa, thủy tinh; Chất thải vô cơ như đất, cát, xỉ than [3]. Theo khảo sát tại các chợ các loại chất thải thực phẩm thừa như thịt, cá, tôm, thực phẩm đã qua chế biến đều được bán cho các hộ chăn nuôi, phần chất thải hữu cơ như rau, củ quả thối, hỏng được thu gom và xử lý cùng các loại chất thải đô thị khác. Những năm gần đây công tác thu gom chất thải rắn đô thị đã được quan tâm hơn và. Do đó tỷ lệ thu gom trung bình tại các đô thị đã tăng lên 83 – 85% vào năm 2010, tuy nhiên vẫn có khoảng 15 – 17% chất thải rắn đô thị bị thải ra môi trường một cách bừa bãi [3]. Chất thải rắn đô thị thu gom chủ yếu được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh và không hợp vệ sinh chiếm khoảng 76 – 82%. Như vậy có thể thấy phần lớn chất thải hữu cơ từ chợ chủ yếu là rau, củ quả thối hiện được chôn lấp cùng các loại chất thải đô thị khác, trong khi nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí từ các bãi chôn lấp là rất cao. Do đó cần tăng cường thu hồi loại chất thải này tạo sản phẩm khác như phân bón hoặc xử lý kỵ khí kết hợp với chất thải khác thu khí sinh học. 1.4. Đánh giá lựa chọn nghiên cứu phƣơng pháp xử lý phân bùn bể tự hoại thích hợp với điều kiện Việt Nam 1.4.1. Các yếu tố tác động đến việc lựa chọn công nghệ xử lý Đặc điểm của phân bùn; Mục đích thu sản phẩm cuối cùng; Hoạt động của hệ thống xử lý; Chi phí xử lý 1.4.2. Đánh giá lựa chọn phƣơng pháp sinh học xử lý phân bùn bể tự hoại Phương pháp xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại phối trộn với chất thải rắn hữu cơ thu khí sinh học mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, yêu cầu về vận hành nghiêm ngặt hơn. Nhưng lại có một số ưu điểm vượt trội: yêu cầu diện tích đất thấp, phù hợp với chất thải có độ ẩm cao như phân bùn bể tự hoại và đặc biệt có thể thu hồi được khí sinh học sử dụng như nguồn năng lượng. Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt thì việc thu hồi được năng lượng khí sinh học từ chất thải sẽ có ý nghĩa rất lớn. Bên cạnh đó 6 phương pháp xử lý kỵ khí phân bùn bể tự hoại không phát sinh mùi và khí thải ra môi trường xung quanh như phương pháp ủ hiếu khí. 1.5. Một số nghiên cứu có liên quan đến phân bùn bể tự hoại và công nghệ kỳ khí 1.5.1. Một số nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về phân bùn bể tự hoại, tuy nhiên còn hạn chế [71]. Hiện nay những nghiên cứu về phân bùn bể tự hoại đang được đẩy mạnh, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của một số tổ chức cộng đồng như quỹ Bill & Melinda Gate nhiều nghiên cứu đang được triển khai tại các nước đang phát triển. 1.5.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam Đã có những nghiên cứu đề xuất những giải pháp quản lý và xử lý chất thải bùn cặn nói chung và phân bùn bể tự hoại nói riêng. Những nghiên cứu này đã có những đóng góp quý báu, là nguồn kiến thức khoa học quan trọng cho những nghiên cứu tiếp sau. Tuy nhiên một số nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức khảo sát, đánh giá, đề xuất giải pháp quản lý và xử lý mà chưa tiến hành nghiên cứu cụ thể các yếu tố ảnh hưởng, các thông số vận hành của phương pháp xử lý trong thực tế. Một số nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu trên mô hình xử lý phân bùn bể tự hoại theo phương pháp hiếu khí và kỵ khí và đưa ra một số thông số vận hành quan trọng. Tuy nhiên để triển khai vào thực tế còn gặp nhiều hạn chế do gặp phải những vấn đề trong vận hành như phải tách nước khỏi phân bùn bể tự hoại, phải cấp khí và phát sinh mùi đối với phương pháp hiếu khí, phải cấp nhiệt cho quá trình lên men đối với phương pháp lên men nóng. Phương pháp xử lý kỵ khí trong điều kiện lên men ấm ngoài những ưu điểm của phương pháp kỵ khí còn có lợi thế là phù hợp với khí hậu nhiệt đới của Việt Nam, không cân cấp nhiệt cho quá trình. Tuy nhiên chưa có những nghiên cứu đánh giá hiệu quả của phương pháp này cũng như đưa ra thông số vận hành trong điều kiện khí hậu mùa đông và mùa hè ở miền bắc Việt Nam. Kết luận chƣơng 1 Để có thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học kỵ khí phân bùn trong điều kiện khí hậu miền bắc Việt Nam cần có những nghiên cứu cụ thể về chất phối trộn, các thông số vận hành trong phòng thí nghiệm và trên quy mô thử nghiệm. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu những vấn đề này. 7 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỲ KHÍ CHẤT HỮU CƠ THU KHÍ SINH HỌC 2.1. Cơ sở lý thuyết cơ bản về quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ 2.1.1. Khái niệm quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí Quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí mô tả theo phương trình: 𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐𝑁𝑑𝑆𝑒 + 𝑎 − 𝑏 4 − 𝑐 2 + 3𝑑 4 + 𝑒 2 𝐻2𝑂 → 𝑎 2 + 𝑏 8 − 𝑐 4 − 3𝑑8−𝑒4𝐶𝐻4+𝑎2−𝑏8+𝑐4+3𝑑8+𝑒4𝐶𝑂2+𝑑𝑁𝐻3 + 𝑒𝐻2𝑆 (2.1) Sản phẩm của quá trình là khí biogas gồm các khí có thành phần như sau: CH4 (50 – 70%); CO2 (35 – 40%); N2 (0 – 2%); H2 (0 - 1%); H2S (0 – 2%); H2O (2 – 7%); O2 (0 – 2%); NH3 (0 – 0,05%) và bùn sinh học. 2.1.2. Cơ chế quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ Cơ chế quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí được miêu tả qua hình 2.1 Hình 2.1. Quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ Chất hữu cơ phức tạp (Cacbonhydrat, protein, chất béo) Chất hữu cơ hòa tan (Đường đơn giản, amino axit, axit béo) Axit béo bay hơi, rượu Acetate H2, CO2 CH4 và CO2 Thủy phân hóa Axit hóa Axetat hóa Metan hóa 8 2.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chuyển hóa sinh học kỳ khí chất hữu cơ Quá trình chuyển hóa sinh học kỵ khí chất hữ u cơ bị ảnh bởi các yếu tố: ảnh hưởng của nhiệt độ; ảnh hưởng của pH và độ kiềm; Đặc điểm của chất thải; Axit béo bay hơi (VFA); Thời gian lưu và tải lượng hữu cơ; Điều kiện khuấy trộn; Ammoni và các yếu tố gây độc 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 Sự chuyển hóa chất rắn bay hơi trong quá trình phân hủy kỵ khí tuân theo sơ đồ sau: Hình 2.2. Sơ đồ cân bằng hàm lƣợng VS bể phản ứng kỳ khí 2.1.4.2. Mô hình động học sự phát triển của vi sinh vật và tỷ lệ sinh khí biogas Với giả thiết lượng khí biogas 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 biogas tuân theo phương trình (2.2): 𝑦 = 𝐴. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 𝜇𝑚 .𝑒 𝐴 λ − 𝑡 + 1 (2.2) 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. Bể phản ứng kỳ khí VS trong nguyên liệu vào VS tạo khí biogas VS trong cặn VS trong nước ra khỏi bể 9 Mô hình Gompertz cải tiến 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. 2.1.4.3. 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: CHC (C) → khí biogas (B) (2.3) Quá trình biến đổi xác định được: 𝑦𝑡 = 𝑦𝑚 (1 − exp⁡(−𝑘𝑡)) (2.4) Trong phương trình (2.4): 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 (2.4)  1 𝑡 𝑙𝑛 𝑑𝑦𝑡 𝑑𝑡 = 1 t (ln ym + lnk) − k (2.5) Phương trình (2.5) tuân theo phương trình đường thẳng y = mx + c với: x = 1/t; m = lnym + lnk; c = -k Hằng số phân hủy k thể hiện khả năng phân hủy chất hữu cơ tạo khí sinh học. Giá trị k càng nhỏ 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. Dựa vào hằng số k có thể tính toán kích thước bể phân hủy hoặc lượng nguyên liệu nạp. 2.1.4.4. Tính toán thể tích bể chứa nguyên liệu phân hủy 𝑉𝑛𝑙 = 3𝑦𝑚 1 − exp −𝑘𝑡 .𝑚 (2.6) 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. Trường hợp đã biết trước thể tích chứa nguyên liệu Vnl, thời gian lưu t từ công thức (2.6) xác định được lượng nguyên liệu nạp vào m theo công thức: 𝑚 = 𝑉𝑛𝑙 3.𝑦𝑚 (1−exp −𝑘𝑡 ) (2.7) 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. 10 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. 2.3. Các phƣơng pháp phân hủy kỳ khí chất thải rắn hữu cơ Phân loại theo môi trường phản ứng: Phương pháp phân hủy kỵ khí ướt, Phương pháp phân hủy kỵ khí khô. Phân loại theo chế độ làm việc: Phương pháp làm việc theo mẻ, Phương pháp làm việc liên tục. 2.4. Lựa chọn hƣớng nghiên cứu xử lý kỳ khí phân bùn bể tự hoại - Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở điều kiện 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 và phù hợp với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam - 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 cần phối trộn phân bùn với chất thải hữu cơ có tỷ lệ C/N cao. 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 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 11 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. Phân bùn bể tự hoại được đảo đều trước khi lấy mẫu nghiên cứu. - 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. Đây là loại chất thải hữu cơ điển hình không được thu hồi tại các chợ thành phần là rau, củ quả thối, hỏng. 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. 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 12 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. 3.2.2.3. Mô hình trong phòng 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 trong phòng thí nghiệm 3.2.3. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả quá trình và xác định liều lƣợng nạp thích hợp trên mô hình hiện trƣờng 3.2.3.1. Mục đích nghiên cứu + Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy kỵ khí hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ theo tỷ lệ phối trộn đã được chọn từ kết quả phòng thí nghiệm + Xác định liều lượng nạp thích hợp của nguyên liệu đầu vào bể phân hủy kỵ khí phù hợp với khí hậu của miền bắc Việt Nam 3.2.3.2. Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 30 ở mỗi đợt thí nghiệm: Đánh giá hiệu quả quá trình phân hủy kỵ khí trên mô hình hiện trường của hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ ở tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Nguyên liệu được nạp 1 lần ban đầu. - Nội dung 2: từ ngày thứ 31 đến ngày thứ 60 ở mỗi đợt thí nghiệm: Xác định lượng nguyên liệu nạp thích hợp trên mô hình hiện trường. Dựa trên kết quả thu được trong phòng thí nghiệm xác định 1. Bình phân hủy kỵ khí 2. Bình thu khí 3. Chậu thu nước 4. Nhiệt kế 5. Ống nhựa mềm thu khí 6. Van kẹp 7. Ống nhựa mềm thu nước 13 được thời gian lưu thích hợp, mô hình và các thông số động học của quá trình phân hủy từ đó tính lượng nguyên liệu nạp hàng ngày tương ứng. Mô hình thí nghiệm ngoài trời sẽ kiểm chứng lại kết quả tính toán này từ đó đưa ra liều lượng nạp phù hợp nhất 3.2.3.3. Mô hình nghiên cứu Hình 3.2. Sơ đồ mô hình thực nghiệm ngoài trời Hình 3.3 và 3.4. Bể biogas hình cầu bằng vật liệu composit và mô hình hiện trƣờng đi vào hoạt động 3.2.4. Phân tích mẫu thực nghiệm và xử lý số liệu 3.2.4.1. Số lƣợng mẫu và các chỉ tiêu phân tích  Số lượng mẫu - Mẫu phân bùn, chất thải rắn hữu cơ: Lấy trước và sau khi kết thúc quá trình 3 0 0 1 2 5 0 2 2 0 0 380 580 650 1 9 0 0 500 4 6 7 8 3 1 2 5 Møc thÊp nhÊt Van2 Van1 1. Bể biogas hình cầu 2. Cửa nạp liệu 3. Cửa nguyên liệu ra 4. Đồng hồ đo áp suất 5. Can nhiệt đo nhiệt độ 6. Đồng hồ đo lượng khí 7. Bóng đèn biogas 8. Bể thu nước đầu ra 14 - Mẫu nước đầu ra: lấy 3 ngày 1 lần - Mẫu khí tạo thành: được lấy 4 lần vào các ngày thứ 5, 15, 25, 35, 45, 55 ở mỗi đợt thí nghiệm  Các chỉ tiêu phân tích + Mẫu phân bùn, chất thải rắn hữu cơ: Xác định khối lượng riêng; Độ ẩm; TS; VS; TN; TOC; Tỷ lệ C/N + Mẫu cặn sau phân hủy: VS, %TS + Phân tích mẫu khí: Thành phần CO2, %; Thành phần CH4, % + Phân tích mẫu nước đầu ra ở mô hình hiện trường: Đối với mô hình ngoài trời phân tích thêm mẫu nước đầu ra gồm: pH; COD; VS; Độ kiềm.  Phương pháp, thiết bị và hóa chất phân tích mẫu thực nghiệm Các mẫu thực nghiệm được lấy mẫu và phân tích theo hướng dẫn trong các tiêu chuẩn hiện hành và các tài liệu hướng dẫn khác. Phương pháp phân tích, thiết bị, hóa chất được thể hiện tại bảng 3.1. Bảng 3.1. Phƣơng pháp, thiết bị và hóa chất phân tích Thông số Phƣơng pháp phân tích Thiết bị Hóa chất pH TCVN 6492:2011 Thiết bị đo pH cầm tay HI 98107 - TS, % SMEWW 2540B:2012 Tủ sấy CARBOLITE R08 - VS, %TS SMEWW 2540E:2012 - Lò nung Bamstead - F6010 - Cân phân tích 4 số OHAUS PA214 - TOC, mg/gTS TCVN 9294:2012 - Tủ sấy CARBOLITE R08 - Cân phân tích 4 số OHAUS PA214 Nước cất, H2SO4 d = 1,84, H3PO4 85%, K2Cr2O7, muối Mohr Fe(NH4)2(SO4).6H2 O K2Cr2O7 M/6, 15 chỉ thị màu bari diphenylamine sunfonat 0,16% TNK, mg/gTS TCVN 6498:1999 - Bộ phá mẫu DK 6/48 - Bộ cất Kendal - VELP -UDK 130A C7H6O3, H2SO4, K2SO4, CuSO4.5H2O, TiO2, Na2S2O3. 5H2O, NaOH, H3BO3, chỉ thị bromocresol xanh và metyl đỏ. TP, mg/gTS TCVN 8563:2010 - Máy quang phổ UV-VIS 752 - Cân phân tích 4 số OHAUS PA214 - Tủ sấy CARBOLITE R08 H2SO4,HClO4,HN O3, KH2PO4, (NH4)6MO7O244H2 O, NH4VO3, COD, mg/L TCVN 6491:1999 Máy phá mẫu ECO 16 VELP F10100126 H2SO4, AgSO4, K2Cr2O7, HgSO4, muối Mohr Fe(NH4)2(SO4).6H2 O, chỉ thị màu Ferroin. Độ kiềm, mgCaC O3/L SMEWW 2320B:2012 - H2SO4 0,02N, chỉ thị màu Phenolphtalein và Metyl da cam. Thành phần khí CH4 và CO2, % Đo nhanh Máy đo khí AOB5964T - 16 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 4.1. Đánh giá khả năng xử lý kỳ khí phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ tại khu vực miền Bắc Việt Nam 4.1.1. Đặc tính phân bùn bể tự hoại Qua kết quả phân tích mẫu phân bùn bể tự hoại đợt khảo sát ban đầu và các đợt thí nghiệm có thể thấy phân bùn bể tự hoại tại Nhà máy chế biến phân Cầu Diễn Hà Nội và Khu xử lý chất thải rắn Tân Cương Thái Nguyên có hàm lượng TS thấp dao động từ 3,33 – 5,45%, độ ẩm cao trên 94%. Hàm lượng TKN và TP cao: TKN dao động từ 24,48 – 35,49 mg/gTS, TP dao động từ 10,28 – 20,89 mg/gTS; Tỷ lệ C/N thấp dao động từ: 7,01 – 11,95. Tuy nhiên hàm lượng VS cao dao động từ 65,82 – 83,01% TS. Lượng VS trong nghiên cứu này cao hơn so với một số kết quả tham khảo trên thế giới như VS = 50 – 73%TS [71] nhưng tương ứng với kết quả của một số nghiên cứu khác tại Việt Nam, như VS = 66,6 – 82,3% [35], 63 – 82% [29]. Như vậy phân bùn bể tự hoại có VS dao động từ 65,82 – 83,01% TS, độ ẩm > 94% giá trị này là tốt cho sự phân hủy kỵ khí ướt. Tuy nhiên tỷ lệ C/N lại thấp. Do đó để tạo điều kiện dinh dưỡng thích hợp trong quá trình phân hủy kỵ khí cần phối trộn phân bùn bể tự hoại với loại chất thải khác có hàm lượng cacbon cao. 4.1.2. Đặc tính chất thải rắn hữu cơ từ chợ Có thể thấy hàm lượng TS, VS của chất thải hữu cơ từ các chợ là khá cao, TS dao động từ 45,28 – 51,70%, hàm lượng VS dao động từ 78,20 – 80,42%TS, khối lượng riêng của chất thải hữu cơ từ chợ dùng làm thí nghiệm dao động từ 232,37 – 253,38 kg/m3, độ ẩm dao động từ 49 – 55 % kết quả này phù hợp với một số kết quả nghiên cứu khác đối với chất thải rắn hữu cơ từ chợ như VS từ 80,3 – 85,7% , khối lượng riêng từ 221,4 – 257,1 kg/m3, độ ẩm từ 48 -50% [12]. Không giống như đối với chất thải hữu cơ từ các hộ gia đình, nhà hàng với thành phần có nhiều loại thực phẩm hàm lượng protein cao như thịt lợn, thịt cá dẫn đến tỷ lệ C/N thấp từ 12,5 – 15 [13]. Đối với loại chất thải từ chợ này tỷ lệ C/N cao dao động từ 43,67 – 48,01 phù hợp cho việc phối trộn với chất thải phân bùn bể tự hoại trong phân hủy kỵ khí ướt. 4.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp trên mô hình trong phòng thí nghiệm 17 4.2.1. Xác định tỷ lệ phối trộn đợt thí nghiệm 1 Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ được phối trộn theo tỷ lệ PB:RC = 1:0; 3:1; 1:1. Hình 4.1 và 4.2. Lƣợng khí theo ngày và khí tích lũy Bảng 4.1. Hiệu suất khử VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng Bình phản ứng, PB:RC Khối lƣợng nguyên liệu đầu vào, kg Khối lƣợng VS đầu vào, kg Khối lƣợng cặn, kg Khối lƣợng VS trong cặn, kg Hiệu suất khử VS, % B1 (1:0) 10,7 0,337 10,05 0,256 24,03 B2 (3:1) 6 0,742 5,21 0,296 60,11 B3 (1:1) 4,26 0,920 3,46 0,545 40,76 Kết quả thí nghiệm cho thấy ở tỷ lệ phối trộn 3:1 quá trình chuyển hóa kỵ khí tạo khí sinh học xảy ra tốt với lượng khí, thành phần khí CH4 và hiệu suất khử VS là cao nhất. Do đó nghiên cứu đã chọn tỷ lệ này cho nghiên cứu tiếp theo. 4.2.2. Xác định tỷ lệ phối trộn thích hợp đợt thí nghiệm 2 và 3 Phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ ở các tỷ lệ phối trộn PB:RC = 4:1; 3:1; 2:1. ở đợt 2 (mùa hè) và đợt 3 (mùa đông) Hình 4.3 và 4.4. Lƣợng khí sinh ra theo ngày và khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa hè 18 Hình 4.5 và 4.6. Lƣợng khí sinh ra theo ngày và khí tích lũy ở điều kiện nhiệt độ mùa đông Bảng 4.2. Hiệu suất khử VS sau 40 ngày tại các bình phản ứng trong điều kiện mùa hè và mùa đông Bình phản ứng Khối lƣợng nguyên liệu đầu vào, kg Khối lƣợng VS đầu vào, kg Khối lƣợng cặn, kg Khối lƣợng VS trong cặn, kg Hiệu suất khử VS, % B1 (4:1) Mùa hè 6,4 0,709 5,84 0,385 45,69 Mùa đông 6,6 0,691 5,93 0,406 41,24 B2 (3:1) Mùa hè 5,84 0,754 5,28 0,312 58,62 Mùa đông 6 0,743 5,35 0,334 55,05 B3 (2:1) Mùa hè 5,04 0,805 4,36 0,458 43,11 Mùa đông 5,45 0,823 4,62 0,489 40,58 Như vậy ở tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 về khối lượng cho lượng khí, thành phần khí CH4 và hiệu suất khử VS là cao nhất. Đồng thời lượng phân bùn được xử lý là tương đối cao do đó nghiên cứu chọn tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 là tỷ lệ phối trộn thích hợp và sử dụng cho nghiên cứu tiếp theo về chế độ nạp liệu trên quy mô hiện trường. 4.2.3. Phân tích động học đối với mô hình phòng thí nghiệm Mô hình động học Gompertz cải tiến: Đối với mùa hè: 𝑦 = 528,22. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 32,15.𝑒 528,22 8,37 − 𝑡 + 1 Với tiềm năng sinh khí 528,22 Nl/kgVS, Đối với mùa đông: 𝑦 = 478,96. 𝑒𝑥𝑝 −𝑒𝑥𝑝 28,86.𝑒 478,96 10,06 − 𝑡 + 1 Với tiềm năng sinh khí 478,96 Nl/kgVS, 19 Hằng số phân hủy chất hữu cơ k: k = - 0,018 <0 điều này cho thấy sự phân hủy tạo khí sinh học của hỗn hợp phân bùn bể tự hoại và chất thải hữu cơ từ chợ xảy ra hiệu quả. Xác định liều lượng nạp cho mô hình hiện trường Áp dụng công thức (2.17) ở chương 2 xác định được tải lượng chất hữu cơ: 𝑚 = 1900 3𝑥528,219𝑥 1 − exp −0,018𝑥30 𝑥1,9 = 1,5 𝑘𝑔𝑉𝑆/𝑚3 4.3. Đánh giá hiệu quả quá trình và xác định liều lƣợng nạp thích hợp trên mô hình hiện trƣờng 4.3.1. Kết quả nghiên cứu tại các đợt thí nghiệm 4, 5, 6 trong điều kiện mùa đông Với kết quả nghiên cứu phòng thí nghiệm đã tính toán được liều lượng nạp thích hợp là 1,5kgVS/m3.ngày, để kiểm chứng lại kết quả này và để so sánh với các liều lượng nạp khác đề tài đã thực hiện nghiên cứu ở 3 chế độ nạp liệu như sau: đợt 4 với 1±0,1kgVS/m3.ngày (tương đương 8 kg/m3.ngày); đợt 5 với 1,5±0,1kgVS/ m3.ngày (tương đương 13 kg/m3.ngày); đợt 6 với 2±0,1kgVS/ m3.ngày (tương đương 17 kg/m 3 .ngày) trên mô hình thực nghiệm ngoài trời. Các thông số được theo dõi trong suốt quá trình là lượng khí phát sinh, sự thay đổi nhiệt độ trong bể phản ứng, sự thay đổi pH, VS, độ kiềm trong nước đầu ra. Hình 4.7 và 4.8. Sự thay đổi nhiệt độ trong bể phản ứng và pH trong nƣớc ra 20 Hình 4.9 và 4.10 Sự thay đổi độ kiềm và COD trong nƣớc ra Hình 4.11 và 4.12. Lƣợng khí sinh ra theo ngày và khí tích lũy Bảng 4.3. Thành phần khí tại 3 đợt thí nghiệm Đợt thí nghiệm Ngày Đợt 4 Đợt 5 Đợt 6 CH4 (%) CO2 (%) CH4 (%) CO2 (%) CH4 (%) CO2 (%) Ngày thứ 5 31,6 62,5 20,4 75,2 - - Ngày thứ 15 70,3 25,4 69,2 25,3 64,4 28,6 Ngày thứ 25 68,5 28,7 66,8 28,2 69,2 26,4 Ngày thứ 35 65,1 28,2 60,5 34,8 42,3 53,5 Ngày thứ 45 69,2 27,6 67,4 27,7 46,7 47,3 Ngày thứ 55 68,6 28,1 65,1 29,6 48,3 47,2 Qua sự thay đổi của các yếu tố: nhiệt độ bể phản ứng, pH, độ kiềm và COD trong nước đầu ra, lượng khí phát sinh và thành phần khí phát sinh trong 30 ngày đầu cho thấy ở tỷ lệ phối trộn PB:RC = 3:1 quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra khá tốt. Trong quá trình nạp liệu, liều lượng nạp thích hợp hơn cả là 1,5±0,1kgVS/m 3 .ngày, ở liều lượng này lượng khí sinh học thu được là lớn nhất, thành phần khí CH4 cũng khá cao và lượng phân bùn được xử lý cũng cao hơn so với lượng nạp 1±0,1kgVS/m3.ngày. 4.3.2. Kết quả nghiên cứu đợt thí nghiệm 7 trong điều kiện môi trƣờng mùa hè 21 Để đánh giá kết quả thu được từ các đợt thí nghiệm 4, 5, 6 trên mô hình ngoài trời trong điều kiện môi trường mùa đông có phù hợp với điều kiện môi trường mùa hè hay không nghiên cứu đã tiếp tục thực hiện đợt