Nghiên cứu tiềm năng biomethane từ bùn thải đa vật liệu ứng dụng cho lò phản ứng sinh học quy mô lớn

Bài viết phân tích tiềm năng biomethane từ bùn thải qua thử nghiệm đánh giá nhanh quá trình phân hủy kỵ khí, ứng dụng cho hệ thống xử lý quy mô lớn.

• Tác giả: Dam Ha Luong Thanh
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen The Hung
• Trường học: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry
• Chuyên ngành: Environmental Science and Management
• Đề tài: Đánh Giá Tiềm Năng Biomethane Từ Bùn Thải Đa Vật Liệu Cho Lò Phản Ứng Sinh Học Quy Mô Lớn
• Loại tài liệu: bachelor thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thai Nguyen

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 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
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLE
• LIST OF ABBREVIATION

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng biomethane từ bùn thải đa vật liệu cho lò phản ứng sinh học quy mô lớn. Biomethane là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có thể được sản xuất thông qua quá trình tiêu hóa kỵ khí. Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn tạo ra năng lượng có thể sử dụng. Đặc biệt, bùn thải từ các nguồn khác nhau như phân heo, chất thải thực phẩm và chất thải từ sản xuất bia đã được xác định là những nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biogas. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định tỷ lệ biomethane tối ưu từ các loại nguyên liệu này để tối đa hóa sản lượng trong các lò phản ứng sinh học quy mô lớn.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nhu cầu về năng lượng tái tạo ngày càng tăng đã thúc đẩy nghiên cứu về biomethane từ bùn thải. Biogas không chỉ là nguồn năng lượng sạch mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng bùn thải trong sản xuất biomethane có thể giảm thiểu chi phí xử lý chất thải và cung cấp một nguồn năng lượng bền vững. Nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các công nghệ sinh khối và công nghệ sinh học trong tương lai.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thử nghiệm tiềm năng biomethane (BMP) để đánh giá khả năng sản xuất biomethane từ các loại bùn thải khác nhau. Các thiết bị và quy trình thử nghiệm được thiết kế để đảm bảo điều kiện tối ưu cho quá trình tiêu hóa kỵ khí. Các mẫu bùn thải được phân tích để xác định hàm lượng chất rắn tổng (TS), chất rắn bay hơi (VS) và tỷ lệ tải hữu cơ (OLR). Kết quả từ các thử nghiệm này sẽ giúp xác định loại nguyên liệu nào có tiềm năng sản xuất biomethane cao nhất, từ đó đề xuất một hỗn hợp nguyên liệu tối ưu cho lò phản ứng sinh học quy mô lớn.

2.1. Thiết bị và quy trình thử nghiệm

Quá trình thử nghiệm bao gồm việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng để đo lường sản lượng biogas và biomethane từ các mẫu bùn thải. Các mẫu được chuẩn bị và xử lý theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Phân tích các thông số như pH, nhiệt độ và nồng độ khí cũng được thực hiện để theo dõi hiệu suất của quá trình tiêu hóa kỵ khí. Kết quả từ các thử nghiệm này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng sản xuất biomethane từ các loại bùn thải khác nhau.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy bùn thải từ chất thải thực phẩm có tiềm năng sản xuất biomethane cao nhất, đạt 112 L CH4 kgVS-1, trong khi bùn thải từ sản xuất bia chỉ đạt 82 L CH4 kgVS-1. Điều này cho thấy sự khác biệt lớn trong khả năng sản xuất biomethane giữa các loại nguyên liệu khác nhau. Việc tối ưu hóa hỗn hợp nguyên liệu có thể dẫn đến việc tăng cường sản lượng biogas và giảm thiểu chi phí đầu tư cho lò phản ứng sinh học quy mô lớn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kiểm soát các yếu tố như tải hữu cơ và điều kiện môi trường là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong quá trình tiêu hóa kỵ khí.

3.1. Phân tích tiềm năng sản xuất biomethane

Phân tích cho thấy rằng bùn thải từ phân heo có sản lượng biomethane cao nhất với 13 Lkg-1, tiếp theo là chất thải thực phẩm với 3 Lkg-1 và chất thải từ sản xuất bia với 2 Lkg-1. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn nguyên liệu phù hợp có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sản xuất biomethane. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở cho việc phát triển các chiến lược tối ưu hóa quy trình tiêu hóa kỵ khí nhằm tăng cường sản xuất biogas từ bùn thải.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng biomethane từ bùn thải đa vật liệu có tiềm năng lớn cho việc sản xuất năng lượng tái tạo. Việc áp dụng các phương pháp thử nghiệm như BMP có thể giúp đánh giá chính xác khả năng sản xuất biomethane từ các loại nguyên liệu khác nhau. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc phát triển công nghệ sinh khối mà còn góp phần vào việc quản lý chất thải hiệu quả hơn. Tương lai của biogas và biomethane từ bùn thải hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và kinh tế.

4.1. Đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiêu hóa kỵ khí và khả năng sản xuất biomethane từ các loại bùn thải khác nhau. Việc phát triển các mô hình dự đoán và tối ưu hóa quy trình có thể giúp nâng cao hiệu suất sản xuất biogas và giảm thiểu chi phí đầu tư cho các lò phản ứng sinh học quy mô lớn. Nghiên cứu cũng nên xem xét các công nghệ mới trong việc xử lý và quản lý bùn thải để tối ưu hóa sản xuất năng lượng tái tạo.

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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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 n 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.