Nghiên cứu tiềm năng biomethane từ bùn thải đa nguyên liệu cho lò phân hủy quy mô lớn

Bài viết khám phá tiềm năng biomethane từ bùn thải qua thử nghiệm đánh giá nhanh quá trình phân hủy kỵ khí, hỗ trợ thiết kế lò phản ứng quy mô lớn.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

bachelor thesis

2016

48
4
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

ACKNOWLEDGEMENTS

TABLE OF CONTENTS

PART I. INTRODUCTION

PART II. LITERATURE REVIEW

PART III. MATERIALS AND METHODS

DISCUSSION AND CONCLUSION. DISCUSSION AND CONCLUSION

1. PART I: INTRODUCTION

1.1. Research rationale

1.2. Research’s objectives

1.3. Research questions

1.4. Limitation

2. PART II: LITERATURE REVIEW

2.1. Sewage sludge

2.1.1. Type of sewage sludge

2.1.2. Component of sewage sludge

2.2. Anaerobic sludge digestion

2.2.1. Fundamentals of anaerobic digestion

2.2.2. Current status of anaerobic digestion process

3. PART III: MATERIALS AND METHODS

3.1. Biomethane potential test equipment

3.2. Analyzing total solid (TS), volatile solid (VS) and organic loading rate (OLR)

3.3. Biomethane Potential (BMP) experiment

3.3.1. Characteristics of inoculum and materials

3.3.2. Methane potential per mass of substrate

4. DISCUSSION AND CONCLUSION

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Bài viết này tập trung vào đánh giá tiềm năng biomethane từ bùn thải đa nguyên liệu cho lò phân hủy quy mô lớn. Bùn thải từ các nguồn khác nhau như phân heo, chất thải thực phẩm và chất thải chế biến bia được nghiên cứu để xác định khả năng sản xuất khí sinh học. Phân hủy kỵ khí là quá trình chính được sử dụng để chuyển đổi chất thải hữu cơ thành năng lượng tái tạo. Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra hỗn hợp chất nền tối ưu để tối đa hóa sản lượng biomethane, đồng thời giảm chi phí đầu tư.

1.1. Lý do nghiên cứu

Việc xử lý bùn thải đang trở thành vấn đề cấp bách do lượng chất thải ngày càng tăng. Phân hủy kỵ khí không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra năng lượng sinh học từ khí sinh học. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này ở quy mô lớn đòi hỏi sự hiểu biết sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy. Nghiên cứu này nhằm cung cấp dữ liệu cần thiết để thiết kế các lò phân hủy hiệu quả, phù hợp với điều kiện địa phương.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng thử nghiệm tiềm năng biomethane (BMP) để đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học từ các chất nền khác nhau. Mục tiêu là xác định chất nền có tiềm năng biomethane cao nhất, từ đó đề xuất hỗn hợp tối ưu cho lò phân hủy quy mô lớn. Kết quả sẽ giúp tối ưu hóa sản lượng năng lượng tái tạo và giảm chi phí vận hành.

II. Tổng quan tài liệu

Phần này cung cấp cái nhìn tổng quan về phân hủy kỵ khí và các ứng dụng của nó trong xử lý bùn thải. Phân hủy kỵ khí là quá trình sinh học phức tạp, bao gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân, acid hóa, acetogenesis và methanogenesis. Quá trình này không chỉ tạo ra khí sinh học mà còn giúp ổn định chất thải và thu hồi chất dinh dưỡng.

2.1. Phân loại bùn thải

Bùn thải được phân loại dựa trên nguồn gốc và quá trình xử lý. Các loại bùn chính bao gồm bùn sơ cấp, bùn thứ cấp và bùn đã phân hủy. Mỗi loại có đặc tính và thành phần khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả của phân hủy kỵ khí. Ví dụ, bùn sơ cấp có hàm lượng chất rắn cao, trong khi bùn thứ cấp chứa nhiều vi sinh vật.

2.2. Thành phần bùn thải

Thành phần của bùn thải bao gồm chất rắn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và kim loại nặng. Việc hiểu rõ thành phần này là cần thiết để thiết kế các quy trình xử lý hiệu quả. Phân hủy kỵ khí có thể chuyển đổi khoảng 50% chất hữu cơ thành khí sinh học, giúp giảm thiểu lượng chất thải và tạo ra năng lượng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng thử nghiệm tiềm năng biomethane (BMP) để đánh giá khả năng sản xuất khí sinh học từ các chất nền khác nhau. Các chất nền được nghiên cứu bao gồm phân heo, chất thải thực phẩm và chất thải chế biến bia. Quá trình thử nghiệm được thực hiện trong điều kiện kỵ khí, với sự kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường.

3.1. Thiết bị thử nghiệm BMP

Thiết bị BMP bao gồm các bình phản ứng kín, được trang bị hệ thống đo lưu lượng khí và phân tích thành phần khí sinh học. Quá trình thử nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu, đảm bảo hiệu quả của phân hủy kỵ khí.

3.2. Phân tích chất nền

Các chất nền được phân tích để xác định hàm lượng chất rắn, chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Kết quả phân tích giúp đánh giá tiềm năng biomethane của từng chất nền, từ đó đề xuất hỗn hợp tối ưu cho lò phân hủy quy mô lớn.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, biomethane có tiềm năng cao từ các chất nền như phân heo và chất thải thực phẩm. Chất thải chế biến bia có tiềm năng thấp hơn, nhưng vẫn có thể được sử dụng trong hỗn hợp chất nền. Việc kết hợp các chất nền khác nhau có thể tối ưu hóa sản lượng khí sinh học, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Tiềm năng biomethane

Kết quả BMP cho thấy, phân heo có tiềm năng biomethane cao nhất (13 L/kg), tiếp theo là chất thải thực phẩm (3 L/kg) và chất thải chế biến bia (2 L/kg). Điều này cho thấy, việc lựa chọn chất nền phù hợp là yếu tố quan trọng để tối đa hóa sản lượng năng lượng tái tạo.

4.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để thiết kế và vận hành các lò phân hủy quy mô lớn. Việc sử dụng hỗn hợp chất nền tối ưu không chỉ tăng hiệu quả sản xuất khí sinh học mà còn giúp giảm thiểu chi phí và tác động môi trường.

13/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

THAI NGUYEN UNIVERSITY UNIVERSITY OF AGRICULTURAL AND FORESTRY DAM HA LUONG THANH BIOMETHANE POTENTIAL TEST FOR RAPID EVALUATION OF ANAEROBIC DIGESTION OF SEWAGE SLUDGE FROM MULTIPLE MATERIALS FOR A PROPOSED LARGE-SCALE DIGESTER BACHELOR THESIS Study Mode: Full-time Major: Environmental Science and Management Faculty: International Training and Development Center Batch: 2012 - 2016 Thai Nguyen, 2016 DOCUMENTATION PAGE WITH ABSTRACT Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry Degree Program Bachelor of environmental Science and Management Student name Dam Ha Luong Thanh Student ID DTN1353110232 Biomethane potential test for rapid evaluation of anaerobic digestion Thesis Tiltle of sewage sludge from multiple materials for a proposed large-scale digester Assoc. Nguyen The Hung, Thai Nguyen University of Supervisor Agriculture and Forestry, Vietnam Abstract This paper examines the biomethane potential from organic wastes. The biomethane potential test is used to assess the suitability of different substrates for biomethane production. A methodology for accurately estimating the biomethane potential from multiple heterogeneous organic waste substrates is sought.

Three main substrates were identified as possible substrates for biogas production, namely: pig manure, food waste, and beer processing waste. The biomethane potential of these substrates ranged from as low as 82 L CH4 kgVS-1 for beer processing waste to as high as 112 L CH4 kgVS-1 for food waste treatment. The objective of the paper is to suggest an optimum substrate mix in terms of biomethane yield per unit substrate for the proposed anaerobic digester. This should maximise the yield of biomethane per capital investment.

Pig manure displayed the highest biomethane yield (13 Lkg-1) followed by food waste (3 Lkg-1) and beer processing waste (2 Lkg-1). biomethane potential test, anaerobic digestion, sewage sludge, Keywords biogas Number of papers 40 pages Date of submission: 21/09/2016 Supervisor’s signature: ii ACKNOWLEDGEMENTS Completion of my Bachelor Thesis at Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry has not been achieved by my efforts alone, but memorably contributed by many wonderful people to whom I must express my great thanks. My sincere gratitude is offered to Assoc. Nguyen The Hung who gave me a precious opportunity to carry out this study along with his enthusiastic support throughout my thesis with his patience and knowledge whilst allowing me the room to work in my own way.

I attribute the level of my Bachelor degree to his encouragement and effort. A word of thanks must be also recorded to Ms. Anurag Deo and Ms. Mette Axelsson Bjerg from Linköping University for their commitment and companionship as teammates throughout this study, especially during the time they constructed their Master Thesis of Biogas plant in Thai Nguyen Agriculture and Forestry (TUAF).

I would also like to offer special thanks to Mr. Duong Manh Cuong (MS), lecturer in Faculty of Biotechnology and Food Technology, TUAF for his suggestions and assistance in setting up my experiment. I am also grateful to all laboratory technicians and managers, Mrs. Hoan, Mrs, Phuong, and Mr.

Lam from Faculty of Biotechnology and Food Technology, TUAF for their whole-hearted help during the time I carry out my experiment. To my family, my heartfelt thanks are expressed for their unconditional love and belief. DAM HA LUONG THANH iii TABLE OF CONTENS List of figures. vi List of table.

vii List of abbreviation. viii PART I: INTRODUCTION .3 PART II: LITERATURE REVIEW .1 Type of sewage sludge .2 Component of sewage sludge .2 Anaerobic sludge digestion .1 Fundamentals of anaerobic digestion .2 Current status of anaerobic digestion process .3 Factors influencing the anaerobic digestion process. Nutrient requirements for anaerobic digestion .5 Anaerobic digestion in sewage sludge treatment .20 PART III: MATERIALS AND METHODS .1 Biomethane potential test equipment .1 Analyzing total solid (TS), volatile solid (VS) and organic loading rate (OLR) .3 Biomethane Potential (BMP) experiment .1 Characteristics of inoculum and materials .3 Methane potential per mass of substrate. DISCUSSION AND CONCLUSION .34 v LIST OF FIGURES Figure 1.

Anaerobic digestion process of organic maters (Thanh, N. Factors influencing AD performance. Analysimg CH4 concentration. Monitoring biogas production.

Methane production curve of materials .30 vi LIST OF TABLE Table 1. Typical constituents of different types of sludge. Summarises the optimal concentration and effects of these nutrients in the anaerobic digestion process. Advantages and disadvantages of anaerobic sludge digestion.

Preparation of nutrient solution. Preparation of sodium hydrate solution. Characteristics of inoculum and materials. Bio-methane potential of substrates.

Weighted average methane potential per kg of substrate .30 vii LIST OF ABBREVIATION AD : Anaerobic digestion BMP : Biomethane potential test ORL : Organic loading rate TS : Total solids VFAs : Volatile fatty acids VS : Volatile solids Ww : Wet weight WWTs : Wastewater treatment WWTPs : Wastewater treatment plans viii PART I: INTRODUCTION 1. Research rationale In recent years, there are several techniques for the treatment and management of sewage sludge, including landfill, incineration, composting, and anaerobic digestion (AD) process. Among them, AD is the most commonly used technique since biogas, which is a valuable form of bio-energy, can be extracted from sewage waste. Anaerobic digestion is a process by which organic materials are naturally broken down into biogas and bio-fertilizer.

In this process involving several sequential biochemical stages, many different microorganisms participate in a complex web of interacting processes which result in the decomposition of complex organic compounds as carbohydrates, fats and proteins to the final products as methane and carbon dioxide. This process occurs naturally in many environments with limited access to oxygen, for example in bogs and marshes, rice paddies and in the stomach of ruminants, such as cows. Besides, it happens in the absent of oxygen naturally, or in sealed, free-oxygen tanks called anaerobic digesters. AD of solid organic waste such as bio-waste, sludge, cattle manure, energy crops, and other biomasses, for bio-energy production is widely applied technologies.

The production of biogas in AD offers several advantages over the other alternatives. These include biogas production, nutrient recovery, and reduction of waste organic content and pathogen agents. Sewage sludge can be described as a byproduct mixture of solid and water from wastewater treatment (CIWEM, 1995). By applying several different treatment 1 processes, the resulting sewage sludge types extremely differ in their characteristics.

Constituents of sewage sludge regarding to carbonhydrate, proteins, lipids are highly depended on their origin. The presence of significant concentration of nitrogen, phosphorus, and potassium in sewage sludge make it possible for fertilizing soil because these elements are essential for plant growth. Anaerobic digestion instability is resulted from the fluctuation in organic loading rate, heterogeneity of waste or excessive inhibitors. Towards improving AD performance in biogas production and accelerating the microbial activities for higher quality of bio- solids, several environmental conditions should be meticulously controlled.

Additionally, various studied have demonstrated that hydrolysis phase is a rate- limiting stage, and seriously impacts on the performance of AD. At present, end-users in Vietnam, often have difficulties in controlling the technology efficiently, due to poor management competence (Jiang et al. This leads to production being inadequate in periods of high demand in low temperature regions during winter, and excessive during periods of high temperature and high production of excreta (Cu et al. There is thus a need to improve knowledge about biogas production potential using local biomass, in order to develop digesters adapted to the local environment and individual management schemes, thus ensuring production of the gas needed for cooking, heating and light (Vu et al., 2007; Cu et al.

Hence, there is an associated need to review, develop and validate methods to assess biogas production which can be used in laboratories with limited access to analytical instruments. Research carried out at laboratories in regions with limited access to high- 2 tech instruments must be of international standard, so as to ensure useful results and contribute to progress in development of the technology.2 Research’s objectives This paper aims to assess and screen potential substrates from three major waste streams for a proposed anaerobic digestion facility using the biochemical methane potential (BMP) test which can be carried out in simple laboratories. The BMP test is also used to assess the level of variability of biomethane potential (methane concentration in biogas) within the waste streams by using Dr. Einhorn’s fermentation saccharometer with dilution tube and absorption of CO2 in alkaline liquid (7M NaOH).

The objective is to recognize substrates with a high methane production per unit mass in lab-scale with limited access to analytical equipment, which will lead to an economic digester design in future.3 Research questions This study is operated to investigate these following issues: o How much biogas can be produced from the substrates? o What is methane potential of the substrates? 1.4 Limitation The increasing demand of renewable source of energy and quality of bio-solids has determined as a great deal to formulate the feasible treatment processes applied in WWTPs. In addition to sewage sludge stabilization, AD has been known to produce biogas, which is renewable fuel. Using organic materials is expected to enhance the efficiency of anaerobic digesters. Furthermore, a more comprehensive understanding 3 of key physiochemical properties of the substrate, operational conditions, and biogas potential is of great necessary prior to any large-scale opperations.

The BMP assay is designed to provide ideal anaerobic conditions and prevent any form of biochemical inhibition. To ensure this, three important conditions should be met throughout the BMP assay (Labatut, et al, 2010): (1) appropriate microbial community, enzyme pool, and nutrients are present; (2) environmental conditions are optimal; and (3) substrate and intermediate product concentrations are well below inhibitory/toxic levels. BMP results should be limited to a relative interpretation of the substrate’s methane potential, and not for an absolute estimation of daily biomethane yields or the overall performance and stability of large-scale digesters, it is best suited when used to elucidate what types of substrates, from an array of potential substrates, have the highest biomethane potential. 4 PART II: LITERATURE REVIEW This chapter provides an overview of the current knowledge regarding bio-methane potential test, including anaerobic digestion of sludge sewage and other organic waste materials.

The AD process is firstly presented and discussed. This is followed by a comprehensive review of CH4 production by anaerobically digesting sewage sludge with other substrates.1 Sewage sludge In the effort of improve effluent quality, waste water treatments (WWTs) are built and upgraded. While these plants can produce high effluent quality, sludge disposal remains underlying issues. These include the expensive cost of sludge treatment, which makes up more than 50% of total WWTs cost (Rulkens, W., 2007), and potential risks associated with the sludge disposal for the environment and human health.

Sewage sludge is a mixture of solids and semi-solid removed from the liquid stream of WWPs. A more restricted definition is “a residual solid from sewage plants treating domestic and urban waste water and from other sewage plants treating waste water of a composition similar to domestic and urban waste water” 2.1 Type of sewage sludge To assess options for sludge treatment and disposal, it is necessary to investigate different kind of sludge and origins. A typical sewage treatment plants includes primary, secondary, and tertiary processes (Fytili, D. 5 Primary sludge is collected from primary treatment process containing high total solids (TS) content.

The characteristics of primary sludge vary considerably depending on the initial compositions of wastewater, the efficiency of primary sedimentation and the usage of chemicals in sedimentation (Guyer, J. Primary sludge may contain oil, grease, vegetable materials, paper, faecal materials, sanitary and medical waste, kitchen waste. Treatment process such as activated sludge process, or rotating biological contactors results in humus sludge or biological sludge (Arnaiz, C. Humus sludge is the settled product from soluble waste in the primary effluent.

This is a mixture of microorganism: sloughed bacteria and fungus under living or dead remains. Humus sludge has earthly smell and color of dark brown. Humus sludge from biological aerated filters and their variation, which have different types of biological media, share certain characteristics with activated sludge.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Đánh giá tiềm năng biomethane từ bùn thải đa nguyên liệu cho lò phân hủy quy mô lớn là một nghiên cứu chuyên sâu về khả năng tạo ra biomethane từ các loại bùn thải đa dạng, ứng dụng trong các hệ thống phân hủy kỵ khí quy mô lớn. Tài liệu này không chỉ phân tích quy trình kỹ thuật mà còn đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc sản xuất biomethane, mang lại cái nhìn toàn diện về tiềm năng của nguồn năng lượng tái tạo này. Đây là nguồn thông tin quý giá cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà quản lý quan tâm đến phát triển năng lượng bền vững.

Để mở rộng kiến thức về các công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ quản lý môi trường nghiên cứu tiềm năng phát triển chứng chỉ giảm phát thải cers từ xử lý nước thải chế biến thủy sản thu hồi biogas tại tỉnh an giang, khám phá cách thu hồi biogas từ nước thải. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa dầu cải thiện chất lượng của khí sản phẩm độ sạch và nhiệt trị thu được từ công nghệ khí hóa trấu kiểu updraft thông qua sử dụng xúc tác và khảo sát tối ưu các tác nhân khí hóa gasification agent cung cấp thêm góc nhìn về cải thiện chất lượng khí sản phẩm. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ công nghệ nhiệt nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy lạnh hấp phụ mặt trời sử dụng cặp môi chất than hoạt tính methanol trong sản xuất nước lạnh sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ứng dụng năng lượng tái tạo trong các hệ thống làm lạnh.