Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến hiệu quả sinh khí của chất thải hữu cơ bằng thí nghiệm trên mô hình BMP ( Bio - Methane Potential) :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN THÀNH VÕ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA

CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC ĐẾN HIỆU QUẢ

SINH KHÍ CỦA CHẤT THẢI HỮU CƠ

BẰNG THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH BMP

(BIO-METHANE POTENTIAL)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mã chuyên ngành: 60.52.03.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Phong

Người phản biện 1:........................................................................................................

Người phản biên ̣ 2:........................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hôi đ̣ ồng chấm bảo vê ̣Luân văn th ̣ ac s ̣ ĩTrường

Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày…..tháng …..năm 2018

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ...................................................................- Chủ tịch hội đồng

2. ...................................................................- Phản biện 1

3. ...................................................................- Phản biện 2

4. ...................................................................- Ủy viên

5. ...................................................................- Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG VIÊN TRƯ ̣ ỞNG VIÊN KHCN&QLMT ̣

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thành Võ MSHV: 15118161

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1993 Nơi sinh: Ân Đức – Hoài Ân – Bình

Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 60.52.03.20

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học đến hiệu quả sinh khí của chất

thải hữu cơ bằng thí nghiệm trên mô hình BMP (Bio-Methane Potential).

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ:

Tìm ra thông số đầu vào (tải trọng, tỷ lệ phối trộn), điều kiện vận hành (nhiệt độ) tối

ưu để thu lượng khí CH4 nhiều nhất từ quá trình lên men kỵ khí ướt của chất thải

phân heo và bèo tây bằng mô hình BMP.

Đánh giá tính hữu ích của sản phẩm sinh ra sau quá trình lên men.

Nội dung:

− Chạy mô hình BMP lên men kỵ khí ướt để khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố:

Tải trọng, nhiệt độ, tỷ lệ phối trộn đến hiệu quả sinh khí CH4 của phân heo và bèo

tây.

− Phân tích các chỉ tiêu VS, TN, TP, TC, tổng Coliforms, tổng vi sinh vật kỵ khí

của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra để nhận xét, đánh giá hiệu quả của quá

trình lên men kỵ khí.

− Ủ phân compost bùn thải sau khi lên men kỵ khí ướt và đánh giá lợi ích của phân

bằng thí nghiệm Bio-Test.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 3440/QĐ-ĐHVN ngày 26

tháng 12 năm 2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 26 tháng 06 năm 2018

V. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Thanh Phong

Tp. Hồ Chí Minh, ngày . . . tháng . . . năm 20...

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

VIÊN TRƯ ̣ ỞNG VIÊN ̣ KHCN&QLMT

i

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ để

quá trình nghiên cứu được thuận lợi và hoàn thành nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành và sâu sắc nhất đến:

− Ban Giám Hiệu cùng quý Thầy – Cô trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã

tạo điều kiện học tập và phát triển bản thân.

− Qúy Thầy - Cô thuộc Viện Khoa học Công nghệ Và Quản lý Môi trường đã

truyền đạt những kiến thức bổ ích tạo nền tảng vững chắc phục vụ cho quá trình

nghiên cứu.

− Tôi xin gửi gời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Lê Hùng Anh đã tạo điều kiện tốt nhất

để thí nghiệm được hoàn thành cũng như những chia sẽ và góp ý của thầy trong suốt

quá trình thực hiện đề tài.

− Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Thanh Phong đã tận

tình hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong suốt thời gian tiến hành thực hiện

nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn thầy!

− Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ, động viên trong

suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Mặc dù đã nổ lực hết mình nhưng do nhiều yếu tố khách quan nên không thể tránh

khỏi những thiếu sót.Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý chân thành của

thầy cô cũng như các đọc giả để tôi có thể khắc phục ở các công trình nghiên cứu

trong tương lai.

Xin chân thành cảm ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phân heo và bèo tây là hai nguồn chất thải hữu cơ phổ biến ở Việt Nam có thể tận

dụng để tạo ra năng lượng thông qua quá trình ủ kỵ khí. Khi kết hợp phân heo và

bèo tây sẽ làm tăng hiệu quả sinh khí trong quá trình lên men. Trong luận văn này,

tôi tiến hành nghiên cứu hiệu quả sinh khí của bèo tây và phân heo ở các tỷ lệ phối

trộn và tải trọng khác nhau trong điều kiện nhiệt độ phòng bằng mô hình thí nghiệm

BMP. Sau đó, lựa chọn tỷ lệ và tải trọng thích hợp để tiếp tục nghiên cứu, đánh giá

hiệu quả sinh khí khi xử lý nguyên liệu bèo tây đầu vào trước khi phối trộn với phân

heo hoặc kiểm soát nhiệt độ ở các giá trị khác nhau (35oC, 45oC, 55oC). Nghiên cứu

đã đạt được những kết quả như sau:

Ở nhiệt độ phòng, pH đầu vào được điều chỉnh về mức trung tính (6,9 – 7,2) thì

phân heo và bèo tây phối trộn theo tỷ lệ 1/3 phân heo (PM) + 2/3 bèo tây (WH) ở tải

trọng 0,6 VSS/VSI (D1-AT) có hiệu quả sinh khí tốt nhất là 104 LCH4/KgVS.

Đối với phương pháp xử lý nguyên liệu đầu vào bằng cách thủy phân bèo tây có bổ

sung chế phẩm BIO-EM trong thời gian 05 ngày và 10 ngày thu được hiệu quả sinh

khí tốt có giá trị tương ứng là 474 LCH4/KgVSS (D1-H-05D-C) và 472

LCH4/KgVSS (D1-H-10D-C).

Khi tăng nhiệt độ môi trường thì hiệu quả sinh khí lại giảm. Nguyên nhân do nhiệt

độ tăng cao mà không được giữ ổn định ở giá trị xác định đã ảnh hưởng đến quá

trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Vì vậy, khi tiến hành ủ kỵ khí ở nhiệt

độ môi trường 35oC (D1-35) cho hiệu suất tốt hơn (688 LCH4/KgVSS) so với phản

ửng xảy ra trong điều kiện 45oC và 55oC.

Phân compost được ủ từ nguyên liệu rắn sinh ra từ quá trình biogas thích hợp cho

việc trồng cải mầm.

Như vậy, kết hợp phân heo và bèo tây để ủ kỵ khí là giải pháp xanh, thân thiện môi

trường và tạo ra nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội; góp phần rất lớn trong việc giảm

thải ô nhiễm và cải thiện môi trường sống của con người.

iii

ABSTRACT

Pig manure and water hyacinth are two popular organic waste sources in Vietnam

which can be reused to produce energy and recover nutrient through anaerobic

process. The aims of the study were to find out the methane yields of pig manure

and water hyacinth and the mixture of pig manure and water hyacinth at different

mixing ratios. The study was also aimed to find influent factors such as organic

loding rates, mixing ratio, temperature and hydrolysisto anaerobic processes. In this

thesis, the methane yield of water hyacinth and pig manure were exanimated by

conducting BMP modeling experience with the different mixture and loading ratios

in the room temperature. After, the appropriate ratios and loading rates were

determined, the experiments were repeated at different temperatures (35oC, 45oC

and 55oC). The research has achieved the following results:

At room temperature, if the input pH was adjusted to neutral (6.9 - 7.2), mixture of

pig manure and water hyacinth at the ratio of 1/3 Pig Manure (PM) + 2/3 Water

Hycinth (WH0 at the loading of 0,6 VSS/VSI (D1-AT) achieved the highest methane

yield (104 LCH4/KgVS).

Hydrolyzing water hyacinth with the supplement of BIO-EM from 5 to 10 days

increased significantly methane production which were 474 LCH4/KgVSS (D1-H￾05D-C) and 474 LCH4/KgVSS (D1-H-10D-C) at the experiment 5 days and 10 days

hydrolysis respectively.

The study found if the environmental temperature increased, the methane generation

was decreased. The reason is that the high of temperature with an unstable level at a

determined point affected the growth and development of microorganism. The

methane production was highest at 35oC (D1-35) (688 LCH4/KgVSS) in the

experiment

Compost, which is made from solid materials, generated from biogas process is

suitable for growing sprouts.

iv

To sum up, the combination of pig manure and water hyacinth for anaerobic process

is a good solution and friendly to the environment as well as in economic and social

aspects; it contributes greatly in reducing pollution and improving the living

environment of people.

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả

nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ

một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã

được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Nguyễn Thành Võ

vi

MỤC LỤC

MỤC LỤC......................................................................................................................vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................................xi

MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...............................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN............................................................................................5

1.1 Tổng quan chất thải rắn......................................................................................5

1.1.1 Khái niệm...........................................................................................................5

1.1.2 Nguồn gốc, thành phần và phân loại chất thải rắn.............................................5

1.1.3 Tính chất chất thải rắn........................................................................................6

1.1.4 Tổng quan về chất thải phân heo và bèo bèo tây .............................................10

1.2 Tổng quan về quá trình phân hủy kỵ khí .........................................................14

1.2.1 Khái niệm chung ..............................................................................................14

1.2.2 Lược sử phát triển quá trình phân hủy kỵ khí..................................................15

1.2.3 Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí...................................................16

1.2.4 Các thông số quá trình phân hủy kỵ khí ..........................................................19

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước......................................................22

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước.....................................................................22

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài ....................................................................24

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................26

2.1 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................26

2.1.1 Mô hình nghiên cứu.........................................................................................26

2.1.2 Vật liệu nghiên cứu..........................................................................................28

2.1.3 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................29

2.2 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu ..........................................................36

2.2.1 Phương pháp phân tích ....................................................................................36

2.2.2 Phương pháp xử lý số liệu ...............................................................................37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .........................................39

3.1 Kết quả một số tính chất của nguyên liệu đầu vào ..........................................39

3.2 Kết quả nghiên cứu Tải trọng và tỷ lệ phối trộn tối ưu....................................40

3.2.1 Tải trọng 0,2 gVSS/gVSI ..................................................................................40

vii

3.2.2 Tải trọng 0,4 gVSS/gVSI ..................................................................................46

3.2.3 Tải trọng 0,5 gVSS/gVSI ..................................................................................52

3.2.4 Tải trọng 0,6 gVSS/gVSI ..................................................................................60

3.2.5 Tải trọng 0,8 gVSS/gVSI ..................................................................................67

3.2.6 Đánh giá hiệu quả tăng năng suất khí CH4 khi kết hợp phân heo và bèo tây..74

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả

sinh khí............................................................................................................. 75

3.3.1 Thủy phân bèo tây không bổ sung vi sinh .......................................................75

3.3.2 Thủy phân bèo tây bổ sung bùn vi sinh (Bùn Biogas).....................................79

3.3.3 Thủy phân bèo tây bổ sung vi sinh dạng bột (chế phẩm BIO-EM).................82

3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất sinh khí của chất

thải hữu cơ........................................................................................................85

3.4.1 Hiệu suất sinh khí methane ..............................................................................85

3.4.2 Kết quả giá trị hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (VS).......................................87

3.4.3 Tổng vi sinh vật kỵ khí ....................................................................................88

3.5 Đánh giá lợi ích của sản phẩm sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí...............89

3.5.1 Đánh giá dung dịch phân lỏng từ quá trình phân hủy kỵ khí...........................89

3.5.2 Đánh giá phần nguyên liệu rắn sau quá trình phân hủy kỵ khí........................91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................99

1. Kết luận ............................................................................................................99

2. Kiến nghị........................................................................................................100

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................101

PHỤ LỤC....................................................................................................................108

Phụ lục A. Kết quả phân tích mẫu...............................................................................108

Phụ Lục B. Hình ảnh...................................................................................................127

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ...........................................................133

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo của sàng lọc xác định cấp phối hạt chất thải rắn ................................8

Hình 1.2 Xác định cấp phối hạt chất thải rắn..................................................................8

Hình 1.3 Phân bố tổng đàn heo theo địa phương..........................................................10

Hình 1.4 Ứng dụng hầm biogas phân heo.....................................................................12

Hình 1.5 Bèo tây phát triển mạnh gây cản trở giao thông ............................................14

Hình 1.6 Sơ đồ phản ứng của quá trình phân hủy kỵ khí..............................................16

Hình 2.1 Hệ thống mô hình BMP ................................................................................. 26

Hình 2.2 Mô hình thực tế xác định khả năng sinh khí methane BMP..........................28

Hình 3.1 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra............................................................... 42

Hình 3.2 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày .....................................................43

Hình 3.3 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn...................................................44

Hình 3.4 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn .....................................45

Hình 3.5 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra...............................................................48

Hình 3.6 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra theo thời gian................................................49

Hình 3.7 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn ở Tải trọng................................51

Hình 3.8 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn .....................................52

Hình 3.9 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra...............................................................54

Hình 3.10 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra theo thời gian..............................................57

Hình 3.11 Biểu đồ giá trị %VS của các tỷ lệ phối trộn.................................................58

Hình 3.12 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn ...................................59

Hình 3.13 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra.............................................................61

Hình 3.14 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra theo thời gian..............................................63

Hình 3.15 Biểu đồ giá trị %VS đầu vào – đầu ra của các tỷ lệ phối trộn .....................65

Hình 3.16 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn ...................................66

Hình 3.17 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra.............................................................68

Hình 3.18 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra theo thời gian..............................................70

Hình 3.19 Biểu đồ giá trị %VS đầu vào – đầu ra của các tỷ lệ phối trộn .....................72

Hình 3.20 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn ...................................73

Hình 3.21 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày và tổng tích lũy .........................76

Hình 3.22 Biểu đồ hiệu suất loại bỏ VS và hệ số phân hủy nội bào.............................78

Hình 3.23 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ....................................................................78

Hình 3.24 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày và tổng tích lũy .........................79

Hình 3.25 Biểu đồ hiệu suất loại bỏ VS và hệ số phân hủy nội bào.............................81

Hình 3.26 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ....................................................................82

Hình 3.27 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày và tổng tích lũy .........................83

Hình 3.28 Biểu đồ hiệu suất loại bỏ VS và hệ số phân hủy nội bào.............................84

ix

Hình 3.29 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ....................................................................85

Hình 3.30 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra.............................................................86

Hình 3.31 Biểu đồ lượng khí CH4 sinh ra hằng ngày ...................................................87

Hình 3.32 Biểu đồ hiệu suất loại bỏ VS và hệ số phân hủy nội bào.............................88

Hình 3.33 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ....................................................................89

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Độ ẩm của một số chất thải .............................................................................7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của phân heo từ 70 – 100 kg ........................................11

Bảng 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu.................................................................................. 30

Bảng 2.2 Thành phần chất nền cấy cải mầm.................................................................35

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích .........................................................36

Bảng 3.1 Một số tính chất của nguyên liệu đầu vào ..................................................... 40

Bảng 3.2 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn ................................46

Bảng 3.3 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn ................................52

Bảng 3.4 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn ................................59

Bảng 3.5 Hệ số tăng – giảm hiệu suất khí của tải trọng 0,8 gVSS/gVSI so với tải

trọng 0,6 gVSS/gVSI ......................................................................................62

Bảng 3.6 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn ................................67

Bảng 3.7 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn ................................73

Bảng 3.8 Hiệu suất sinh khí CH4 khi kết hợp phân heo và bèo tây (LCH4/KgVSS).....74

Bảng 3.9 Giá trị tổng Coliform đầu ra sau quá trình ủ kỵ khí ở các nghiệm thức ........90

Bảng 3.10 Một số thông số của phân lỏng sinh sau quá trỉnh ủ biogas........................91

Bảng 3.11 Một số thông số của phân compost .............................................................91

Bảng 3.12 Quá trình sinh trưởng và phát triển của cải mầm ở các nguồn chất nền

khác nhau .......................................................................................................93

Bảng 3.13 Quá trình sinh trưởng và phát triển của cải mầm ở các nguồn chất nền

khác nhau .......................................................................................................97