TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG  BÁO CÁO CHUN ĐỀ TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ THU METAN VÀ HIỆN TRẠNG ÁP DỤNG CƠNG NGHỆ NÀY TẠI VIỆT NAM NHĨM Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Thương Nguyễn Quốc Thịnh Võ Phạm Hồ Cương Võ Đặng Duy Trần Diệu Trang Phạm Ny Ly Chu Thị Huế Phan Thị Hương MSSV: 91202227 91202216 91202078 91202088 91202237 91202145 91202111 91202281 Giảng viên hướng dẫn : Th.s NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHÂN HỦY KỴ KHÍ 1.1 ĐỊNH NGHĨA PHÂN HỦY KỴ KHÍ Phân hủy kỵ khí q trình phân hủy chất hữu vô môi trường khơng có oxi điều kiện nhiệt độ từ 30 đến 65 oC Sản phẩm trình phân hủy kỵ khí khí sinh học (CO2 CH4) Khí CH4 thu gom sử dụng nguồn nhiên liệu sinh học bùn ổn định mặt sinh học sử dụng nguồn bổ sung dinh dưỡng cho trồng Trong tự nhiên phân hủy kị khí thường xảy điều kiện tối, ấm ẩm ướt Sản phẩm q trình phân hủy kỵ khí sinh học lượng nhỏ sinh khối vi sinh vật: Vật chất −−−> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Sinh khối VSV 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ Cơng nghệ phân hủy kị khí bắt đầu phát triển từ kỉ 19 phát triển mạnh mẽ vão năm 1970 khủng hoảng lượng Trước đây, công nghệ phân hủy kỵ khí chủ yếu dùng để xử lý chất thải dạng lỏng có khơng có chất rắn lơ lửng như: phân, nước thải sinh hoạt công nghiệp, bùn thải từ uqas trình xử lý hóa lý sinh học,… Hiện cơng nghệ phân hủy kỵ khí ứng dụng nhiều xử lý chất thải nông nghiệp chất thải rắn thị để thu khí metan 1.3 ĐỘNG HỌC Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ Q trình chuyễn hóa chất hữu CTRSH điều kiện kỵ khí xẩy theo bước: • Bước thứ trình thủy phân hợp chất có phân tử lượng lớn thành hợp chất thích hợp dùng làm nguồn lượng mơ tế bào Giai đoạn có tham gia vi khuẩn sau: Vi khuẩn b.subtilis • Bước thứ hai q trình chuyển hóa hợp chất sinh từ bước thành hợp chất có phân tử thấp xác định Giai đoạn có tham gia vi khuẩn: • Bước thứ ba q trình chuyển hóa hợp chất trung gian thành sản phẩm cuối đơn giản hơn, chủ yếu khí metan (CH4) khí cacbonic (CO 2) Trong q trình phân hủy kỵ khí, nhiều loại vinh sinh vật kỵ khí tham gia q trình chuyển hóa chất hữu CTR thành sản phẩm cuối bền vững Một nhóm vi sinh vật có nhiệm vụ thủy phân hợp chất hữu cao phân tử lipid thành phần xây dựng cấu trúc axit béo, monosacharic, amino axit hợp chất liên qua Nhóm vi sinh vật kỵ khí thứ hai gọi nonmetanogenic (gồm vi sinh vật kỵ khí tùy tiện vi sinh vật kỵ khí bắt buộc) lên men sản phẩm cắt mạch nhóm thành axit hữu đơn giản mà chủ yếu acetit axit Nhóm vi sinh vật thứ chuyển hóa hydro acetic axit thành khí CH4 C02 Vi sinh vật metan hóa sử dụng số chất hữu định để chuyển hóa thành metan C02 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines CO Các q trình chuyển hóa xẩy sau: 4H2 + CO2 -> CH4 + 2H2O 4HCOOH -> CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH -> CH4 + CO2 4CH3OH -> 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + 6H2O -> 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 4CO + 2H2O -> CH4 + 3CO2 Ba giai đoạn trình phân hủy kỵ khí đước trình tóm tắt bảng sau: Tên giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Thủy phân Axit hóa acetate Metan hóa Các chất ban Đường phức Đường đơn Amino axit, Acetate đầu tạp, protein,chất giản axit hữu béo Vi sinh vật Vi khuẩn axit Vi khuẩn Vi khuẩn hóa axetat hóa metan hóa Sản phẩm Đường đơn Amino axit, Axetat giản axit huu Khí sinh CO2 CO2, H2 CO2, NH4, H2 C02, NH4 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ 2.1 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ PHÂN HỦY KỊ KHÍ RÁC PHÂN LOẠI RÁC HỮU CƠ Ủ KỴ KHÍ TÁI CHẾ, CHƠN LẤP NƯỚC PHÂN HỮU CƠ KHÍ SINH HỌC Các hệ thống tiến hành phân hủy kị khí( cịn gọi q trình lên men hay q trình metan hóa) bể phản ứng kín để kiểm sốt q trình kị khí thu gom tồn lượng khí sinh học sinh Sản lượng khí sinh học phụ thuộc vào thành phần chất thải điều kiện bể phản ứng 2.2 PHÂN LOẠI CƠNG NGHỆ Các dạng cơng nghệ phân hủy kị khí rác thị phân loại sau: • Theo mơi trường phản ứng: Qúa trình phân hủy kị khí chia thành phẩn hủy kị khí khơ phân hủy kị khí ướt Phân hủy kị khí khơ q trình phân hủy kị khí vật liệu vào có độ ẩm 60-65%, phân hủy kị khí ướt trình trình phân hủy mà vật liệu đầu vào có độ ẩm 85-90%  ƯỚT: rác đô thị dạng huyền phù với lượng nước cung cấp nhằm pha loãng rác đến tỷ lệ 10-15% TS  KHÔ: hàm lượng TS rác phân hủy khoảng 20-40% • Theo cấp số liệu:  Mẻ: hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ  Liên Tục: Hệ thống làm việc liên tục • Theo phân đoạn phản ứng: Sơ đồ quản lý chất thải rắn hủy xẩy công nghệ phân hủy kỵ  Một Giai Đoạn: Tồn q trình phân thị bằngtrong thùng phản ứng.khí  Đa giai Đoạn: Tồn q trình xảy nhiều thùng phản ứng mắc nối hai chế độ sau: - Giai đoạn axit hóa metan hóa tách riêng với mục đích gia tăng hiệu quả, tính ổn định khả kiểm soát - Vận hành nhiệt độ khác nhau: trung bình nhiệt độ cao Thực tế người ta thiết kế vận hành bể phản ứng phân hủy kị khí theo hai giai đoạn Trong thiết kế hai giai đoạn, giai đoạn mọt gồm q trình thủy phân axit hóa (khoảng 1-3 ngày), giai đoạn hai gồm q trình acetate hóa metan hóa Ưu Nhược phân hủy kị khí theo hai giai đoạn trình bày bảng sau: Ưu điểm Một giai đoạn -Chi phí đầu tư thấp Hai giai đoạn -Hệ thống ổn định -Kĩ thuạt vận hành cao Nhược điểm   • -Có thể tối ưu hóa theo giai đoạn -Sử dụng thời gian lưu thể tích hiệu -Diệt vi khuẩn gây bệnh tốt(PH thấp giai đoạn một) -Khơng thể tối ưu hóa hệ thống -Chi phí đầu tư cao -PH không ổn định -Vận hành phức tạp -Tính ổn định hẹ thống thấp Theo nguyên liệu đầu vào: phân hủy rác kết hợp với phân động vật: thành phần hữu rác đô thị trộn với phâ động vật phân hủy kết hợp với Qúa trình cải thiện tỉ lệ C/N sản lượng khí sinh Chỉ phân hủy rác thị: thành phần ngun liệu ban đầu có thành phần hữu rác đô thị tạo huyền phù dạng lỏng 2.3 CÁC QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐẶC TRƯNG 2.3.1 Cơng nghệ ướt giai đoạn Đối với hệ thống hoạt động theo công nghệ ướt giai đoạn, rác chuyển sang dạng huyền phù có khoảng 10% chất rắn cách pha lỗng với nước Hệ thống hoạt động với phân hủy kết hợp phân hủy rác đô thị với nguyên liệu loãng bùn từ cống rãnh phân động vật Thủy Tinh đá yêu cầu loại bỏ nhằm ngăn ngừa khả tích tụ nhanh chất đáy bể phản ứng Sau trình phân hủy, bùn lỏng phải yêu cầu ép để lấy lại dịch lỏng (có thể tuần hoàn trở lại cho đầu vào) tạo chất rắn phân hủy có độ ẩm thấp để xử lý tiếp 2.3.1.1 Các đặc trưng kỹ thuật Các ưu nhược điểm mặt kỹ thuật cơng nghệ ướt giai đoạn sau: • Ưu điểm: - Công nghệ ổn định thử nghiệm vận hành nhiều thập kỷ - Tính đồng rác hữu sau qua nghiền thủy lực pha loãng, đạt hàm lượng TS nhỏ nhơn 15%, cho phép áp dụng bể phản ứng dạng khuấy trộn hồn tồn • Nhược điểm: - Chất thải rắn cần tiền xử lý tốt nhằm đảm bảo độ đồng loại bỏ chất nhiễm thải rắn dạng thơ chất thải có độc tính cao từ rác đô thị - Đối với rác không phân loại nguồn cần có bước tiền xử lý sau: sàng, nghiền thủy lực, tuyển - Cần giảm thiểu thành phần nặng chúng gây hư hỏng hệ thống khuấy bơm giảm thiểu chất tạo bọt gay ảnh hưởng đến hiệu suất q trình tách khí biogas 2.3.1.2 Đặc trưng sinh học: Tỷ lượng khí sinh học thu thục tế khoảng 170 -320 Nm CH4/kg tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường loại chất thải Tỷ lượng khí sinh học thu từ chất thải làm vườn thấp so với thành phần chất thải rắn hữu khác thực phẩm, có hàm lượng lignin cao Tải lượng hữu thể tích đảm bảo q trình phân hủy sinh học bền vững điều kiện hiếu nhiệt rác phân loại học 9,7 kg VS/m 3/ngày; rác phân loại nguồn 6kg VS/m 3/ngày; chất thải từ ngành công nghiệp chế biến nơng sản có tỉ lệ C/N cao 20 tải lượng đạt điều kiện nhiệt độ bình thường Hàm lượng TKN cao gây ức chế q trình metan hóa, giá trị ngưỡng nồng nộ NH4+ khoảng 3g/l thường hàm lượng TKN chất thải phân loại học khoảng 14g TKN/kg TS thực phẩm khoảng 20g TKN/kg TS Hàm lượng NH4 + trì mức 3g/l dung dịch lên men cách sử dụng hợp lý nước pha loãng Tuy nhiên số trường hợp đặc biệt, chẳng hạn chất thải từ ngành chế biến nông sản với tỷ lệ C/N nhỏ 20 có khoảng 60% Vs dễ phân hủy sinh học hàm lượng NH4 + cần trì thấp áp dụng hệ thống ướt gia đoạn Hàm lượng axit béo thực phẩm thải ảnh hưởng đến q trình metan hóa 2.3.1.3 Các vấn đề môi trường: Khi xử lý chất thải rắn theo công nghệ ướt giai đoạn, hỗn hợp dạng bùn nạp vào bể phản ứng lợi ích mặt kinh tế sử dụng thiết bị rẻ tiền bơm, đường ống Tuy nhiên, so với hệ thống khơ chi phí bể phản ứng, thiết bị khử nước tiền xử lý lại cao Xét tổng thể, mức đầu tư hệ thống ướt giai đoạn khơ giai đoạn hồn tồn Nhược điểm hệ thống khơng thu hồi hồn tồn khí sinh học phần chất hữu bị loại với chất tạo bọt dạng thành phần nặng nằm phía đáy bể phản ứng Một nhược điểm hệ thống sử dụng nhiều nước, thường khoảng 1m3/tấn chất thải rắn, làm tăng chi phí sử dụng nước chi phí đầu tư xử lý nước thải Bảng tổng quan đặc tính cơng nghệ ướt giai đoạn: STT Tiêu chí Ưu điểm Kỹ thuật Phát triển từ trình nghiên cứu kỹ Sinh học Pha loãng chất gây ức chế nước Kinh tế môi trường Thiết bị xử lý vận hành bùn rẻ (bù lại đòi hỏi thiết bị tiền xử lý thể tích bể phản ứng lớn) Nhược điểm - Đoản mạch - chát tạo váng/bọt nặng lắng xuống đáy bể phản ứng - tiền xử lý phức tạp - Tương đối nhạy cảm tải lượng chất gây ức chế có khả lan truyền nhanh bể phản ứng -mất VS theo chất trơ -Tiêu thụ nhiều nước -Tiêu thụ lượng cao phải gia nhiệt thể tích lớn 2.3.1.4 Một vài hệ thống áp dụng thực tế: Công nghệ ướt liên tục giai đoạn EcoTec áp dụng nhà máy xử lý chất thải sinh học với công suất 6.500 tấn/năm Ở Đức từ năm 1995 với công suất 30.000 tấn/năm; nhà máy có cơng suất 17.000 tấn/năm Shilou, Trung Quốc Ngồi cịn có dự án xây dựng nhà máy có cơng suất 14.000 tấn/năm Bangkok Chất thải phân loại nguồn vận chuyển đến nhà máy chuyển qua công đoạn nghiền sơ bộ, phân loại từ tính trước phân loại máy trống quay Chất thải cháy được hay gọi nhiên liệu thu từ rác (RDF) tách chuyển đến nồi đốt theo công nghệ tầng sơi Các chất hữu cịn lại chuyển đến bể chuẩn bị nguyên liệu phản ứng Tại đây, chất tạo thành dịch lỏng với 15% TS cách trộn với nước Các tạp chất rắn loại bỏ nguyên liệu bơm đến bể phản ứng sinh học kỵ khí Hệ thống gồm hai hay nhiều dây chuyền hoạt động song song Quá trình phân hủy bắt đầu nhiệt độ 35oC với thời gian lưu từ 15 – 20 ngày (công nghệ phân hủy kỵ khí hiếu nhiệt 55oC áp dụng cho hệ thống này) Quy mô hệ thống lên đến 5.000m Khí sinh học sinh tuần hoàn lại phần để tạo bọt khí làm khuấy trộn vật liệu bể phản ứng Huyền phù tạo diệt khuẩn 70oC vòng 30 phút nhằm đảm bảo an tồn bón cho đất nơng nghiệp Sơ đồ cơng nghệ ướt giai đoạn Eco Tec phát triển 2.3.2 Công nghệ khô giai đoạn 2.3.2.1 Đặc trưng kỹ thuật Hàm lượng TS tối ưu chất rắn lên men hệ thống sử dụng công nghệ khô giai đoạn khoảng 20 – 40%, với rác có hàm lượng TS>50% cần phải pha lỗng Nước thêm vào tối thiểu để tạo cân nhiệt tồn diện, hữu ích cho hoạt động chế độ hiếu nhiệt Hệ thống khô khác biệt so với hệ thống ướt chất vật lý chất lên men Quá trính vận chuyển, nạp chất lên men có thiể thực nhờ băng tải, trục vít bơm chun dụng có cơng suất lớn Các thiết bị đắt so với bơm sử dụng hệ thống ướt Ngoài ra, thiết bị phải đủ mạnh để vận chuyển đá, thủy tinh, gỗ mà không gay cản trở Hệ thống tiền xử lý cần áp dụng để loại chất rắn có kích thước lớn 40mm, ví dụ sàng quay hệ thống nghiền chất thải hữu phân loại nguồn Dạng thiết bi phản ứng sử dụng kiểu dòng chảy nút (plug flow) đơn giản mặt ký thuật khơng cần phải có thiết bị khuấy trộn học bên thiết bị phản ứng Nhược điểm q trình khơ khơng có khả phân bố xoay vòng vi sinh vật chống q tải q trình axit hóa Tuy nhiên vấn đề giải hệ thống Dranco xoay vịng nước rỉ có trộn với nước theo tỷ lệ 6:1 Hệ thống cho phép xử lý hiệu chất thải có hàm lượng TS khoảng 20-50% Hệ thống Kompogas tương tự hệ thống Dranco sử dụng ống nằm ngang Với hệ thống này, hàm lượng TS chất cần lên men hiệu chỉnh khoảng 23% Hệ thống Valorga khác với hệ thống dạng trịn đứng sử dụng khí sinh để khuấy trộn Khí sinh bơm vào đáy bể với áp suất cao 15 phút Hàm lượng TS cần trì hệ thống Valorga khơng 20% 2.3.2.2 Đặc trưng sinh học Hệ thống khô giai đoạn có tải lượng hữu cao so với hệ thống ướt không bị ảnh hưởng bới chất gây ức chế từ trình axit hóa metan hóa Nghiên cứu cho thấy khơng xảy tượng ức chế Cacbon điều kiện kỵ khí hiếu nhiệt với chất thải có tỷ lệ C/N lớn 20 hệ thống Dranco Điều giải thích lượng NH4+ sinh điều kiện khuấy trộn so với hệ thống ướt Tỷ lượng sin biogas hệ thống nằm khoảng 90 Nm 3/Tấn, chất thải làm vườn tươi tới 150 Nm 3/Tấn, thực phẩm thải tươi khoảng 210-300 Nm3 Tỷ lượng khí biogas sinh hệ thống khơ cao hệ thống ướt giải thích chất dễ phân hủy sinh học không bị theo chất tạo váng/bọt lắng xuống bể phản ứng microaerophilic điều kiện khác Việc áp dụng kỹ thuật cho phép gia tăng khả thiết kế hệ thống hai giai đoạn Điều làm tăng tính phức tạp mặt kỹ thuật hệ thống bù lại cho hiệu cao Trên thực tế, ưu điểm cơng nghệ hai giai đoạn khơng phải hiệu suất chung cao hệ thống mà khả xử lý chất thải có khả gây bất ổn định hệ thống giai đoạn, đặc biệt rác công nghiệp, thông qua việc đạt tính đệm cao hơn, kiểm sốt tốt tốc độ nạp đồng phân hủy loại chất thải khác 2.3.3.2 Hệ thống không lưu trữ sinh khối Đặc trưng kỹ thuật:Thiết kế đơn giản hệ thống hai giai đoạn mắc nối tiếp hai bể phản ứng dạng khuấy trộn hoàn toàn Hệ thống tương đương với hệ thống ướt giai đoạn Các khả khác mắc nối tiếp hai hệ thống dạng dòng chảy nút (plugflow) theo chế độ ướt-ướt khô-khô Đặc trưng sinh học:Ưu điểm bật hệ thống hai giai đoạn tính ổn định sinh học cao cho phép phân hủy nhanh chất hữu trái rau Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu qui mô khác cho thấy, hệ thống ướt hai giai đoạn giai đoạn không khác biệt nhiều mặt sinh học, hệ thống hai giai đoạn hữu ích cần phải có giai đoạn axit hóa thủy phân có chất khó phân hủy sinh học xenlulo chẳng hạn 2.3.3.3 Hệ thống có lưu trữ sinh khối Đặc trưng kỹ thuật:Để đảm bảo mật độ vi khuẩn metan hóa cao quần thể vi khuẩn metan hóa phát triển nhanh giai đoạn thứ hai nhằm tăng tốc độ khả chịu sốc tải lượng hữu chất ức chế thực hai cách: Phương pháp thứ nhất: tăng mật độ vi khuẩn metan hóa cách không phối hợp lưu thủy lực lưu chất rắn Thiết kế hiệu chất thải từ nhà bếp có khả thuỷ phân cao chất thải từ chợ Để đạt điều sử dụng bể phản ứng tiếp xúc kết hợp với bể lắng bên sử dụng màng lọc để lọc dòng xoay vòng vi khuẩn bể phản ứng Phương pháp thứ hai: cho phép tăng mật độ vi khuẩn giai đoạn sử dụng vật liệu hỗ trợ trình phát triển bám dính Cơng nghệ BTA Biopercolat phát triển kỹ thuật Công nghệ BTA trình ướt-ướt Chất thải sau nghiền thủy lực đạt 10% TS vô khuẩn ép Chất lỏng chuyển sang bể metan hóa, bánh bùn chuyển sang thành dạng sệt nước thủy phân bể phản ứng dạng khuấy trộn hoàn toàn điều kiện nhiệt độ thường với thời gian lưu thủy lực - ngày Giá trị pH trì khoảng -7 bể thủy phân nhờ hồi lưu nước từ bể metan hóa Dịng từ bể thủy phân lại ép khử nước lần chất lỏng chuyển vào bể metan hóa Về mặt kỹ thuật, hệ thống khắc phục nhược điểm hệ thống giai đoạn đoản mạch, tạo váng/bọt, lắng chất nặng xuống đáy bể phản ứng, bể đường ống từ 10% đến 30% lượng VS Nhược điểm hệ thống ướt-ướt tính phức tạp mặt kỹ thuật Hệ thống cần phải có bể phản ứng để đạt mục tiêu mà cần giải bể phản ứng Hệ thống Biopercolat sử dụng nguyên tắc với trình BTA, nhiên có điểm khác: giai đoạn đầu q trình khô điều kiện microaerphilic liên tục thấm nước để tăng phản ứng lỏng hóa Nước sau bể phản ứng có hàm lượng COD lên tới 100g/l cấp vào bể lọc sinh học kỵ khí hoạt động theo chế độ dòng chảy nút Việc tối ưu hóa q trình tách giai đoạn kỹ thuật microaerophilic giai đoạn hai lọc sinh học cho phép hệ thống có thời gian lưu thủy lực tối thiểu –khoảng ngày Hệ thống Bioperoclat có nhiều điểm cải tiến xét phương diện kỹ thuật Để tránh tượng tạo rãnh giai đoạn khô, trình cung cấp nước thực qua đĩa quay có độ mở 1mm Tại bể lọc sinh học kỵ khí, hệ thống tạo xung thủy lực theo chiều ngang cho phép ngăn cản trình tắc giá thể tăng cường khả tiếp xúc vi khuẩn với thức ăn Ngồi hệ thống thủy phân khơ cho phép loại bỏ vấn đề nảy sinh với hệ thống ướt ướt-ướt Đặc trưng sinh học:Hệ thống hai giai đoạn với hàm lượng sinh khối cao sinh trưởng dính bám cho phép tăng sưc đề khan g chon g lai cac chat ưc che Ket so san h q trình phan huỷ chat thai có khả phân hủy sinh học cao từ ngành chế biến nông sản hệ thống giai đoạn giai đoạn cho thấy : hệ thống giai đoạn có tải lượng hữu gấp đơi mà khơng bị ảnh hưởng đến vi khuẩnmetan hóa Hệ thống BTA Biopercolat vận hành với tải lượng 10-15 kg VS/m3/ngày với điều kiện giảm tỷ lượng phát sinh biogas 20-30% hạt lớn cịn lại sau q trình thủy phân cịn chứa nhiều chất cao phân tử, phân hủy sinh học khơng cấp cho bể metan hóa Bảng tổng quan số đặc trưng công nghệ đa giai đoạn: TT Tiêu chí Kỹ thuật Sinh học Ưu điểm Tính uyển chuyển thực tế Có khả tiếp nhận chất thải khó phân hủy sinh học xenlulo Đối với C/N