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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác quản lý và xử lý chất thải hiện nay, bùn thải và các chất thải hữu cơ từ quá trình sinh hoạt, chăn nuôi và chế biến công nghiệp đang là thách thức lớn về môi trường lẫn chi phí vận hành. Các phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp, đốt hoặc ủ phân compost bộc lộ nhiều điểm hạn chế về mặt phát thải khí nhà kính và tiêu tốn năng lượng. Trong bối cảnh đó, công nghệ phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion - AD) được đánh giá là giải pháp tối ưu nhờ khả năng chuyển hóa chất hữu cơ thành năng lượng tái tạo (khí sinh học - biogas) đồng thời tạo ra phụ phẩm phân bón sinh học giàu dinh dưỡng (bio-solids).

Tuy nhiên, tại Việt Nam, hiệu quả vận hành các công trình khí sinh học thực tế còn gặp nhiều bất cập do năng lực quản lý công nghệ chưa đồng đều, dẫn đến tình trạng thiếu hụt khí đốt vào mùa đông ở vùng nhiệt độ thấp và dư thừa khí vào mùa hè. Việc thiết kế các bể phân hủy kỵ khí quy mô lớn đòi hỏi phải nắm rõ tiềm năng sinh khí methane thực tế của các nguồn cơ chất sẵn có tại địa phương. Thêm vào đó, việc đánh giá tiềm năng sinh khí methane sinh hóa (Biochemical Methane Potential - BMP) tại các phòng thí nghiệm trong nước thường bị hạn chế bởi thiếu thốn trang thiết bị phân tích hiện đại, đắt tiền.

Từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp cử nhân ngành Khoa học và Quản lý Môi trường của tác giả Đàm Hà Lương Thanh (Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên) đã được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ khoa học sau:

1. Mục tiêu nghiên cứu:

   • Đánh giá và sàng lọc tiềm năng sinh khí methane từ 3 dòng chất thải hữu cơ chính tại địa phương (phân lợn, rác thải thực phẩm, bã thải chế biến bia) phục vụ cho việc thiết kế bể phân hủy kỵ khí quy mô lớn.
   • Ứng dụng và chuẩn hóa phương pháp thử nghiệm BMP đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với các phòng thí nghiệm có điều kiện kỹ thuật hạn chế thông qua việc sử dụng ống lên men Einhorn (Dr. Einhorn’s fermentation saccharometer) kết hợp dung dịch kiềm hấp thụ $CO_2$ ($NaOH$ 7M).
   • Xác định cơ chất tối ưu về sản lượng khí methane trên một đơn vị khối lượng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trên chi phí đầu tư xây dựng công trình.

2. Câu hỏi nghiên cứu:

   • Lượng khí sinh học (biogas) có thể thu hồi từ từng loại cơ chất là bao nhiêu?
   • Tiềm năng sinh khí methane ($CH_4$) tính theo khối lượng chất rắn bay hơi ($VS$) và khối lượng ướt ($ww$) của từng loại cơ chất đạt mức độ nào?

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

   • Đối tượng nghiên cứu: 3 loại cơ chất hữu cơ gồm phân lợn (lấy từ trang trại quy mô 700 con lợn thịt tại Xã Tân Cương, TP. Thái Nguyên), rác thải thực phẩm (thu từ các cơ sở thương mại tại TP. Thái Nguyên), bã thải chế biến bia (hỗn hợp chất thải công đoạn 1 và 2 theo tỷ lệ khối lượng tươi 1:1); và bùn cấy vi sinh kỵ khí lấy từ bể biogas $10\text{ m}^3$ đang vận hành ổn định tại Xóm Soi Vàng, Xã Tân Cương.
   • Phạm vi không gian và thời gian: Thí nghiệm mẻ (batch test) được tiến hành trong 52 ngày tại phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên (2016).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra qua 4 giai đoạn sinh hóa nối tiếp với sự tham gia của các quần thể vi sinh vật khác nhau:

1. Thủy phân (Hydrolysis): Vi khuẩn thủy phân chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp (carbohydrate, protein, lipid) thành các phân tử đơn phân hòa tan (đường đơn, amino acid, acid béo). Đây thường là giai đoạn giới hạn tốc độ của toàn bộ quá trình.
2. Acid hóa (Acidogenesis): Các đơn phân hòa tan được vi khuẩn lên men chuyển hóa thành acid béo bay hơi mạch ngắn (VFAs như acetic, propionic, butyric acid), $CO_2$, $H_2$ và cồn.
3. Acetat hóa (Acetogenesis): Vi khuẩn acetogenic chuyển hóa các VFAs thành acetate, $CO_2$ và $H_2$ làm cơ chất trực tiếp cho quá trình tạo methane.
4. Methane hóa (Methanogenesis): Quần thể vi khuẩn methanogen sử dụng acetate (nhóm aceticlastic) hoặc sử dụng $H_2$ và $CO_2$ (nhóm hydrogenotrophic) để sinh ra khí methane ($CH_4$).

Khóa luận phân tích chi tiết các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống phân hủy kỵ khí:

• Độ pH và độ kiềm: Methanogen rất nhạy cảm với pH, vùng tối ưu từ 6,5 đến 7,5; pH dưới 6,0 sẽ gây ức chế nghiêm trọng. Độ kiềm đóng vai trò hệ đệm trung hòa sự tích tụ VFAs.
• Nhiệt độ: Quá trình vận hành trong khoảng nhiệt độ trung bình (mesophilic: 20 – 40°C, thí nghiệm duy trì ở 34°C). Biến động nhiệt độ trên 1°C/ngày có thể dẫn đến suy giảm hoạt tính vi sinh.
• Độc tính amoniac: Khí $NH_3$ tự do là tác nhân ức chế chính qua màng tế bào vi khuẩn, nồng độ $NH_3$ tự do cần kiểm soát dưới $80\text{ mg/L}$, trong khi ion amoni ($NH_4^+$) có thể chịu đựng đến $1500\text{ mg/L}$.
• Tỷ lệ dinh dưỡng: Nhu cầu khoáng vi lượng và đa lượng ($Ca$, $Mg$, $Na$, $S$, $N$, $P$) cần thiết cho sự phát triển sinh khối và tạo hạt bùn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm kết hợp phân tích hóa lý tiêu chuẩn:

1. Phân tích hàm lượng tổng chất rắn (TS) và chất rắn bay hơi (VS):
   • Mẫu được sấy ở 105°C trong 20 giờ để xác định $TS$ (%).
   • Mẫu khô tiếp tục được nung trong lò nung ở 550°C trong 2 giờ để xác định $VS$ (% tính theo $TS$).
2. Thiết lập thí nghiệm thử nghiệm tiềm năng sinh methane (BMP):
   • Sử dụng các bình thủy tinh dung tích $330\text{ mL}$, thể tích làm việc $100\text{ mL}$ (pha loãng gồm hỗn hợp cơ chất, nước cất và $2\text{ mL}$ dung dịch dinh dưỡng W3; $20\text{ mL}$ bùn cấy vi sinh; $0,3\text{ mL}$ dung dịch khử oxy $Na_2S$ W7 $100\text{ mM}$).
   • Tỷ lệ bùn cấy và cơ chất được thiết lập ở mức 2:1 dựa trên khối lượng $VS$.
   • Bình phản ứng được thổi khí Nitơ ($N_2$) để đuổi sạch oxy, đậy kín bằng nút cao su có nắp kim loại chịu áp, bọc giấy bạc cách quang và đặt trong tủ ấm duy trì ở nhiệt độ cố định 34°C. Thí nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần (triplicate).
3. Phương pháp đo thể tích khí và nồng độ methane:
   • Thể tích khí sinh học sinh ra được xác định thông qua áp suất đo bằng máy đo áp suất chuyên dụng (Testo AG, Đức).
   • Khi áp suất trong bình đạt từ $100\text{ mbar}$ trở lên, $1\text{ mL}$ khí được hút bằng kim tiêm và bơm qua ống lên men Einhorn chứa $10\text{ mL}$ dung dịch $NaOH$ 7M để hấp thụ hoàn toàn khí $CO_2$, từ đó đọc trực tiếp thể tích và tỷ lệ % thể tích của khí $CH_4$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Mở đầu (Part I: Introduction)

Tác giả trình bày tính cấp thiết của việc thu hồi năng lượng từ chất thải hữu cơ và bùn thải tại Việt Nam; nêu bật các rào cản kỹ thuật trong việc kiểm soát các bể biogas quy mô hộ gia đình và nông trại do thiếu dữ liệu đánh giá nguyên liệu cục bộ. Xác định rõ mục tiêu sàng lọc cơ chất (phân lợn, rác thực phẩm, bã bia) bằng phương pháp BMP đơn giản, đưa ra 2 câu hỏi nghiên cứu và xác định phạm vi giới hạn của thí nghiệm mẻ (chỉ đánh giá tiềm năng tương đối, không thay thế cho vận hành liên tục).

Phần II: Tổng quan tài liệu (Part II: Literature Review)

Tổng hợp cơ sở lý thuyết toàn diện về các loại bùn thải (bùn sơ cấp, bùn hoạt tính, bùn tiêu hóa); đặc tính lý hóa của bùn và các giải pháp xử lý bùn thải theo các tiêu chuẩn môi trường quốc tế. Phân tích chi tiết 4 giai đoạn sinh hóa của quá trình phân hủy kỵ khí, cấu trúc vi sinh vật học, động học phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng then chốt gồm pH, độ kiềm, nhiệt độ, sự tích lũy acid béo bay hơi (VFAs), sự ức chế của ammonia và nhu cầu dinh dưỡng vi lượng/đa lượng. Đồng thời, chương này phân tích các ưu điểm và nhược điểm kỹ thuật - kinh tế của công nghệ kỵ khí so với các công nghệ xử lý chất thải khác.

Phần III: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (Part III: Materials and Methods)

Mô tả chi tiết nguồn gốc và quy trình lấy mẫu bùn cấy vi sinh (trang trại bò/lợn tại Tân Cương, Thái Nguyên) và 3 loại cơ chất. Trình bày chi tiết từng bước quy trình phân tích $TS$, $VS$, công thức tính toán tải lượng nạp hữu cơ (OLR) và tỷ lệ nạp bùn/cơ chất. Hướng dẫn chi tiết quy trình pha chế dung dịch dinh dưỡng W3 (chứa $NH_4Cl$, khoáng chất) và dung dịch khử oxy W7 ($Na_2S\cdot xH_2O$), quy trình vận hành hệ thống chai ủ BMP mẻ $330\text{ mL}$, chế độ lắc đảo mẫu thủ công (1 phút định kỳ), tần suất quan trắc khí và quy trình đo nồng độ $CH_4$ bằng ống Einhorn kết hợp dung dịch $NaOH$ 7M.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu (Part IV: Results)

Công bố các số liệu thực nghiệm đo đạc được:

• Đặc tính hóa lý ban đầu của bùn cấy và các cơ chất ($TS$, $VS$, pH).
• Động học sinh khí sinh học và khí methane trong 52 ngày quan sát.
• Giá trị tiềm năng sinh methane cực đại tính trên đơn vị chất rắn bay hơi nạp vào ($mL\text{ }CH_4/g\text{ }VS_{added}$) và sản lượng methane tính theo khối lượng ướt thực tế tiếp nhận ($L\text{ }CH_4/kg\text{ }ww$).

Thảo luận và kết luận (Discussion and Conclusion)

Phân tích diễn biến đường cong sinh khí dạng chữ S (S-curve), lý giải hiện tượng trễ (lag phase) từ ngày 11 đến ngày 16 ở mẫu phân lợn và bã bia do sự thích ứng của vi sinh vật và tích lũy tạm thời của acid trung gian. Đánh giá khả năng phân hủy sinh học cao của rác thải thực phẩm so với bã bia và phân lợn. Đưa ra kết luận về cơ chất có tiềm năng cao nhất theo khối lượng ướt phục vụ thiết kế công trình và khuyến nghị hướng nghiên cứu vận hành liên tục.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

Các thông số hóa lý ban đầu và kết quả thực nghiệm BMP của các loại cơ chất được tổng hợp chi tiết trong các bảng dưới đây:

Bảng 1: Đặc tính lý hóa ban đầu của bùn cấy và các cơ chất

Vật liệu	Hàm lượng $TS$ (%)	Hàm lượng $VS$ (% của $TS$)	Giá trị pH
Bùn cấy (Inoculum)	1,05	56,67	7,45
Phân lợn (Pig manure)	27,21	80,70	6,80
Bã thải chế biến bia (Beer waste)	15,00	95,08	6,97
Rác thải thực phẩm (Food waste)	8,66	87,87	7,64

Bảng 2: Kết quả thử nghiệm tiềm năng sinh khí sinh học và khí methane (BMP)

Cơ chất	Tổng lượng khí sinh học ($mL$)	Lượng khí $CH_4$ sinh ra ($mL$)	Nồng độ $CH_4$ trung bình (%)	Tiềm năng sinh methane ($mL\text{ }CH_4/g\text{ }VS_{added}$)	Sản lượng methane theo khối lượng ướt ($L\text{ }CH_4/kg\text{ }ww$)
Phân lợn	54	25	46	93	13
Bã thải bia	65	34	52	82	2
Rác thực phẩm	166	87	53	112	3

Ghi chú về diễn biến thực nghiệm:

• Quá trình phân hủy kỵ khí kéo dài 52 ngày, các cơ chất đều đạt sản lượng sinh khí methane tích lũy cực đại vào ngày thứ 48, sau đó tốc độ sinh khí tiệm cận về 0 do quần thể vi sinh vật bước vào pha suy thoái (stationary/death phase).
• Nồng độ khí $CH_4$ tối đa ghi nhận trong quá trình thí nghiệm ở cả 3 loại cơ chất dao động trong khoảng 53% – 68%, nằm đúng trong phạm vi tiêu chuẩn của quá trình phân hủy kỵ khí thông thường (55% – 75%).
• Về tốc độ phân hủy ban đầu (16 ngày đầu): Rác thải thực phẩm có tốc độ sinh khí nhanh nhất nhờ chứa các thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học; phân lợn và bã thải bia xuất hiện giai đoạn ngưng trệ sinh khí tạm thời từ ngày thứ 11 đến ngày thứ 16 trước khi tăng tốc trở lại.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất

1. Lựa chọn cơ chất cho bể phân hủy quy mô lớn: Mặc dù rác thải thực phẩm có chỉ số sinh methane trên đơn vị chất hữu cơ phân hủy cao nhất ($112\text{ mL }CH_4/g\text{ }VS_{added}$), nhưng do hàm lượng chất rắn thấp ($TS = 8,66%$), lượng khí thu được trên mỗi tấn nguyên liệu tươi tiếp nhận lại thấp ($3\text{ L }CH_4/kg\text{ }ww$). Ngược lại, phân lợn với hàm lượng chất rắn cao ($TS = 27,21%$) cho sản lượng thực tế trên khối lượng tươi cao vượt trội ($13\text{ L }CH_4/kg\text{ }ww$). Do đó, phân lợn được kiến nghị là cơ chất nền tảng nhằm tối đa hóa sản lượng khí trên quy mô công trình và vốn đầu tư.
2. Ứng dụng đồng phân hủy kỵ khí (Co-digestion): Kiến nghị phối trộn rác thải thực phẩm hoặc bã thải bia với phân lợn theo tỷ lệ hợp lý nhằm cân bằng dinh dưỡng, cải thiện tải lượng hữu cơ và gia tăng tốc độ sinh khí mà không làm quá tải hệ thống.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về tiềm năng sinh methane của các nguồn chất thải hữu cơ phổ biến tại khu vực Thái Nguyên.
• Chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp thử nghiệm BMP sử dụng các dụng cụ phòng thí nghiệm cơ bản (ống saccharometer Einhorn, dung dịch $NaOH$ 7M, máy đo áp suất đơn giản), mở ra hướng tiếp cận nghiên cứu kinh tế cho các cơ sở giáo dục và nghiên cứu khoa học có ngân sách trang thiết bị hạn chế.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Thí nghiệm BMP được thực hiện dưới dạng các mẻ kỵ khí gián đoạn (batch assay) trong điều kiện kiểm soát nhân tạo tối ưu, do đó kết quả chỉ phản ánh tiềm năng lý thuyết tương đối chứ chưa thể hiện trọn vẹn sự biến động tải lượng nạp, khả năng tích lũy độc chất hoặc tính ổn định lâu dài trong các hệ thống bể phân hủy nạp liệu liên tục quy mô lớn.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Cần tiến hành các thử nghiệm phân hủy kỵ khí nạp liệu liên tục quy mô nhỏ (small-scale continuously fed AD trial) nhằm đánh giá chi tiết độ ổn định vận hành dài hạn đối với các nguồn cơ chất giàu đạm (chất thải chứa nhiều nitơ) trước khi đưa vào ứng dụng công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Sinh học trong việc thiết kế các bài thí nghiệm kiểm tra hoạt tính kỵ khí và đánh giá tiềm năng sinh năng lượng sinh học.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật thiết kế trạm xử lý chất thải hữu cơ/trang trại chăn nuôi tham khảo thông số $TS$, $VS$, sản lượng methane thực tế ($L/kg\text{ }ww$) để tính toán dung tích bể phân hủy và dự báo công suất phát điện/nhiệt của hệ thống biogas.
• Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường có thể tham khảo chi tiết quy trình chuẩn bị dung dịch dinh dưỡng W3, dung dịch khử oxy W7 và kỹ thuật đo nồng độ $CH_4$ bằng phản ứng hấp thụ kiềm không cần sử dụng máy sắc ký khí ($GC$).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao rác thải thực phẩm có chỉ số BMP theo VS cao nhất nhưng sản lượng theo khối lượng ướt lại thấp hơn phân lợn?

Rác thải thực phẩm có cấu trúc phân tử dễ bị vi sinh vật thủy phân và chuyển hóa, do đó đạt tiềm năng sinh methane trên đơn vị chất hữu cơ bay hơi cao nhất ($112\text{ mL }CH_4/g\text{ }VS_{added}$). Tuy nhiên, rác thực phẩm chứa hàm lượng nước rất lớn (độ ẩm cao), chỉ có $TS = 8,66%$. Trong khi đó, phân lợn có hàm lượng chất rắn khô đậm đặc hơn rất nhiều ($TS = 27,21%$), nên mỗi kilogram khối lượng ướt tiếp nhận của phân lợn chứa lượng chất hữu cơ thực tế cao gấp nhiều lần, mang lại sản lượng thực tế là $13\text{ L }CH_4/kg\text{ }ww$ so với $3\text{ L }CH_4/kg\text{ }ww$ của rác thực phẩm.

2. Nồng độ khí methane ($CH_4$) trong biogas được xác định bằng cách nào trong điều kiện phòng thí nghiệm không có máy sắc ký khí?

Nghiên cứu sử dụng ống lên men Einhorn (Dr. Einhorn’s fermentation saccharometer) có gắn ống pha loãng chứa $10\text{ mL}$ dung dịch $NaOH$ nồng độ 7M. Khi bơm $1\text{ mL}$ khí sinh học vào ống, toàn bộ khí $CO_2$ mang tính acid sẽ bị dung dịch $NaOH$ đậm đặc hấp thụ hoàn toàn tạo thành muối carbonate/bicarbonate, lượng khí không bị hấp thụ còn lại chính là $CH_4$, cho phép đọc trực tiếp tỷ lệ phần trăm thể tích khí methane sinh ra.

3. Nguyên nhân gây ra giai đoạn ngưng trệ sinh khí (dead time/lag phase) từ ngày 11 đến 16 ở mẫu phân lợn và bã bia là gì?

Hiện tượng ngưng trệ sinh khí tạm thời từ ngày 11 đến 16 xuất phát từ sự tích tụ tạm thời của các acid béo bay hơi (VFAs) do tốc độ của giai đoạn acid hóa diễn ra nhanh hơn giai đoạn methane hóa, làm biến động nhẹ môi trường pH nội tại. Sau ngày 16, quần thể vi khuẩn kỵ khí hỗn hợp thích nghi hoàn toàn với dung dịch lên men và điều kiện tải nạp, phối hợp hiệu quả với vi khuẩn methanogen để chuyển hóa triệt để cơ chất, giúp tốc độ sinh khí tăng mạnh trở lại.

4. Dung dịch W3 và W7 trong quy trình thí nghiệm BMP có vai trò gì?

• Dung dịch W3 là dung dịch dinh dưỡng đa lượng và vi lượng (chứa $NH_4Cl$, khoáng chất) bổ sung nhằm đảm bảo cung cấp đầy đủ các nguyên tố cần thiết ($N$, $P$, $Ca$, $Mg$, $S$) cho sự phát triển và hoạt hóa enzyme của quần thể vi sinh vật kỵ khí.
• Dung dịch W7 là dung dịch $Na_2S$ $100\text{ mM}$ đóng vai trò là chất khử, được châm vào bình để loại bỏ triệt để lượng oxy hòa tan còn sót lại, thiết lập môi trường kỵ khí tuyệt đối ngay từ thời điểm bắt đầu ủ.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đàm Hà Lương Thanh đã thực hiện thành công việc đánh giá và so sánh tiềm năng sinh biomethane của ba nguồn chất thải hữu cơ tại Thái Nguyên thông qua phương pháp BMP mẻ trong 52 ngày ở 34°C. Kết quả khẳng định rác thải thực phẩm có khả năng phân hủy sinh học nhanh nhất ($112\text{ mL }CH_4/g\text{ }VS_{added}$), nhưng phân lợn lại là cơ chất tối ưu nhất về mặt sản lượng thực tế trên khối lượng tươi ($13\text{ L }CH_4/kg\text{ }ww$) phục vụ thiết kế công trình khí sinh học quy mô lớn. Đề tài đồng thời khẳng định tính khả thi của quy trình quan trắc khí sinh học đơn giản, chi phí thấp bằng ống Einhorn và dung dịch $NaOH$ 7M, đóng góp giá trị thực tiễn cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo tại các địa phương.

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.