Luận văn thạc sĩ establish an anaerobic batch system by using guideline vdi 4630 and determine the biogas yield of different substrates in food processing villages

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thống ủ kỵ khí theo hướng dẫn VDI 4630 và xác định sản lượng biogas từ các chất nền trong làng chế biến thực phẩm.

• Tác giả: Bui Dieu Linh
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Thi Diem Trang
• Trường học: VNU University of Science - Technical University of Dresden
• Chuyên ngành: Waste Management and Contaminated Site Treatment
• Đề tài: Establish An Anaerobic Batch System By Using Guideline VDI 4630 And Determine The Biogas Yield Of Different Substrates In Food Processing Villages
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• Acknowledgements
• Introduction
• 1. Basics of Anaerobic Digestion
• 1.1. The four stages of decomposition
• 1.2. Influence Factors of Digestion
• 1.3. End products of fermentation
• 2. Materials and methods
• 2.1. VDI survey about batchtests for biogas yield determination
• 2.2. Scope and purpose of Fermentation batchtests
• 2.3. Methods of VDI 4630 in detecting the biogas yield
• 2.4. Method of VDI 4630 in approaching the batchtests
• 2.5. Determination of parameters: TS, VS, COD, and CH4 and CO2 in biogas
• 2.6. Test condition and batch apparatus
• 2.7. Method to calculate the biogas production, the biogas yield, the biogas composition, the degree of degradation
• 3. Evaluation and discussion of the batch experiments
• 3.1. Activity potential of different inocula
• 3.2. Biogas production and biogas composition of different substrates
• 3.3. Biogas yield of trial 6 with inoculum 5
• 3.4. Biogas yield of trial 7 with inoculum 5
• 3.5. Biogas yield review of different substrates with inoculum 5
• 3.6. Biogas yield review of different substrates with inoculum 6
• 3.7. Comparison of biogas yields with theory and literature
• 3.8. Residue of biogas production
• 3.9. Degree of degradation of volatile solids
• 3.10. Degree of degradation of total solids
• 3.11. Degree of degradation of COD total
• Annex- Data records
• Statement under oath
• Abbreviations

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống ủ kỵ khí và biogas từ chất thải thực phẩm

Hệ thống ủ kỵ khí là một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi chất thải thực phẩm thành năng lượng tái tạo. Biogas, sản phẩm chính của quá trình này, chứa chủ yếu là methane và carbon dioxide. Việc sử dụng biogas không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn cung cấp nguồn năng lượng sạch cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất. Theo nghiên cứu của Bui Dieu Linh (2011), việc áp dụng hệ thống này tại các làng nghề chế biến thực phẩm có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường.

1.1. Khái niệm về biogas và quy trình ủ kỵ khí

Biogas là khí sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí của các chất hữu cơ. Quy trình ủ kỵ khí bao gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân, acid hóa, acetogenesis và methanogenesis. Mỗi giai đoạn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi chất thải thành biogas. Nghiên cứu cho thấy, các yếu tố như nhiệt độ, pH và thành phần chất thải ảnh hưởng lớn đến năng suất biogas.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng biogas từ chất thải thực phẩm

Việc sử dụng biogas từ chất thải thực phẩm không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Biogas có thể được sử dụng để nấu ăn, phát điện hoặc làm nhiên liệu cho xe. Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới, việc áp dụng công nghệ biogas có thể cải thiện đời sống của người dân nông thôn và giảm thiểu khí thải nhà kính.

II. Thách thức trong việc triển khai hệ thống ủ kỵ khí tại Việt Nam

Mặc dù hệ thống ủ kỵ khí mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai tại Việt Nam vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như thiếu kiến thức, công nghệ chưa phát triển đồng bộ và nguồn vốn đầu tư hạn chế là những rào cản lớn. Theo nghiên cứu của Bui Dieu Linh (2011), việc thiếu các hướng dẫn cụ thể và hỗ trợ từ chính phủ cũng làm giảm hiệu quả của các dự án biogas.

2.1. Thiếu kiến thức và kỹ năng trong cộng đồng

Nhiều người dân chưa hiểu rõ về lợi ích của biogas và cách thức vận hành hệ thống ủ kỵ khí. Việc thiếu đào tạo và hướng dẫn cụ thể đã dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả các công nghệ này. Cần có các chương trình giáo dục và đào tạo để nâng cao nhận thức và kỹ năng cho người dân.

2.2. Vấn đề về công nghệ và cơ sở hạ tầng

Công nghệ biogas tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt là trong việc thiết kế và xây dựng hệ thống ủ kỵ khí. Cơ sở hạ tầng chưa phát triển đồng bộ cũng là một yếu tố cản trở việc áp dụng rộng rãi công nghệ này. Cần có sự đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển công nghệ biogas để nâng cao hiệu quả sản xuất.

III. Phương pháp xây dựng hệ thống ủ kỵ khí hiệu quả

Để xây dựng một hệ thống ủ kỵ khí hiệu quả, cần tuân thủ các hướng dẫn và tiêu chuẩn quốc tế như VDI 4630. Việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào, kiểm soát các yếu tố môi trường và tối ưu hóa quy trình là rất quan trọng. Nghiên cứu của Bui Dieu Linh (2011) đã chỉ ra rằng việc lựa chọn chất thải thực phẩm phù hợp có thể tăng năng suất biogas lên đáng kể.

3.1. Lựa chọn nguyên liệu đầu vào cho hệ thống ủ kỵ khí

Nguyên liệu đầu vào đóng vai trò quyết định đến năng suất biogas. Các loại chất thải thực phẩm như bã mía, vỏ trái cây và rau củ có thể được sử dụng hiệu quả. Cần phân tích thành phần dinh dưỡng của nguyên liệu để đảm bảo quá trình phân hủy diễn ra thuận lợi.

3.2. Kiểm soát các yếu tố môi trường trong quá trình ủ

Các yếu tố như nhiệt độ, pH và độ ẩm cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo quá trình ủ diễn ra hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ tối ưu cho quá trình ủ kỵ khí là từ 35 đến 55 độ C. Việc duy trì pH trong khoảng 6.5 đến 7.5 cũng rất quan trọng để tối ưu hóa sản xuất biogas.

IV. Kết quả nghiên cứu về năng suất biogas từ chất thải thực phẩm

Nghiên cứu của Bui Dieu Linh (2011) đã chỉ ra rằng năng suất biogas từ các loại chất thải thực phẩm khác nhau có sự khác biệt rõ rệt. Các thí nghiệm cho thấy, chất thải từ rau củ và trái cây có năng suất biogas cao hơn so với chất thải từ thịt và sữa. Việc phân tích thành phần biogas cũng cho thấy tỷ lệ methane trong biogas từ chất thải thực phẩm đạt mức cao, góp phần vào việc phát triển năng lượng tái tạo.

4.1. So sánh năng suất biogas từ các loại chất thải khác nhau

Các thí nghiệm cho thấy, chất thải từ rau củ có năng suất biogas cao nhất, đạt khoảng 0.5 m³ biogas/kg chất thải. Trong khi đó, chất thải từ thịt chỉ đạt khoảng 0.2 m³ biogas/kg. Sự khác biệt này cho thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào.

4.2. Phân tích thành phần biogas và ứng dụng thực tiễn

Thành phần biogas từ chất thải thực phẩm chủ yếu là methane (60-70%) và carbon dioxide (30-40%). Việc sử dụng biogas này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn cung cấp nguồn năng lượng sạch cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất. Cần có các chính sách hỗ trợ để khuyến khích việc sử dụng biogas trong cộng đồng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ thống ủ kỵ khí

Hệ thống ủ kỵ khí từ chất thải thực phẩm có tiềm năng lớn trong việc cung cấp năng lượng tái tạo và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để phát triển bền vững, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức quốc tế. Nghiên cứu của Bui Dieu Linh (2011) đã mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ biogas tại Việt Nam.

5.1. Tầm quan trọng của chính sách hỗ trợ

Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ để khuyến khích việc đầu tư vào công nghệ biogas. Các chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức cho cộng đồng cũng cần được triển khai để tăng cường hiệu quả sử dụng biogas.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ biogas tại Việt Nam

Với sự phát triển của công nghệ và sự quan tâm từ cộng đồng, hệ thống ủ kỵ khí có thể trở thành một giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng và môi trường tại Việt Nam. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas từ chất thải thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VNU UNIVERSITY OF SCIENCE - TECHNICAL UNIVERSITY OF DRESDEN --------------------------------- ® Bui Dieu Linh ESTABLISH AN ANAEROBIC BATCH SYSTEM BY USING GUIDELINE VDI 4630 AND DETERMINE THE BIOGAS YIELD OF DIFFERENT SUBSTRATES IN FOOD PROCESSING VILLAGES MASTER THESIS Hanoi - 2011 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] VNU UNIVERSITY OF SCIENCE - TECHNICAL UNIVERSITY OF DRESDEN --------------------------------- ® Bui Dieu Linh ESTABLISH AN ANAEROBIC BATCH SYSTEM BY USING GUIDELINE VDI 4630 AND DETERMINE THE BIOGAS YIELD OF DIFFERENT SUBSTRATES IN FOOD PROCESSING VILLAGES Major: Waste Management and Contaminated Site Treatment Code: MASTER THESIS SUPERVISORS: ASSOC. NGUYEN THI DIEM TRANG PROF. PETER WERNER Hanoi - 2011 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Topic Establish an anaerobic batch system by using guideline VDI 4630 and determine the biogas yield of different substrates in food processing villages Task The first task is to establish an anaerobic batch system in Environmental Chemistry laboratory, Faculty of Chemistry, Hanoi University of Natural Sciences, Hanoi National University by using German guideline - VDI 4630. With this system, different inocula from various sources around Hanoi will be assessed their quality to choose the good one for next experiments with substrates.

Reference substrate is sodium acetate. Substrates as wastes (cassava residues, rice residues, water hyacinth, pig manure) in Dai Lam village - a craft village of wine production and pig breeding will be sampled, prepared and fermented in free-oxygen environment. The processing parameters are biogas production, biogas composition (CH4 and CO2), pH - value, TS (total solids), VS (volatile solids), COD (chemical oxygen demand). The biogas yield (per amount of substrate, per VS of inoculum, per COD of substrate) and the degradability of different substrates will be evaluated.

Objective The aim of this thesis is from learning the methods of guideline VDI 4630 to establish in practice an anaerobic batch system in the conditions of a Vietnamese laboratory. Then it is to control this system to investigate the quality of inocula, the fermentability/ the biogas potential/ the specific biogas activity of different organic wastes from food processing and livestock of a Vietnamese craft village. It is also close tied to the one objective of education and technology transfer of INHAND project (project funded by the Federal Ministry for Education and Research of Germany - BMBF; with the project coordinator Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment, Dresden University of Technology) about Integrated management of water, wastewater, waste and energy in craft villages in Vietnam. I TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Contents Contents Contents.

IV List of figures. V List of tables. Basics of Anaerobic Digestion………………………………………. The four stages of decomposition………………………………… 4 2.

Influence Factors of Digestion……………………………………. Biogas potential of different substrates…………………………… 13 2. End products of fermentation…………………………………………. Materials and methods…………………………………………………… 17 3.

VDI survey about batchtests for biogas yield determination…………. Scope and purpose of Fermentation batchtests…………………… 17 3. Methods of VDI 4630 in detecting the biogas yield……………… 17 3. Method of VDI 4630 in approaching the batchtests……………….

Determination of parameters: TS, VS, COD, and CH4 and CO2 II TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Contents content in biogas…………………………………………………. Test condition and batch apparatus………………………………. Method to calculate the biogas production, the biogas yield, the biogas composition, the degree of degradation…………………… 37 4. Evaluation and discussion of the batch experiments………………….

Activity potential of different inocula………………………………… 41 4. Biogas production and biogas composition of different substrates…. Biogas yield of trial 6 with inoculum 5………………………. Biogas yield of trial 7 with inoculum 5……………………….

Biogas yield review of different substrates with inoculum 5…. Biogas yield review of different substrates with inoculum 6…. Comparison of biogas yields with theory and literature…………. Residue of biogas production………………………………………….

Degree of degradation of volatile solids…………………………. Degree of degradation of total solids……………………………. Degree of degradation of COD total……………………………… 71 4. 83 Annex- Data records.

I Statement under oath. XI III TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Abbreviations Abbreviations abs absolute B Blank sample C/ CR Cassava residues sample COD Chemical oxygen demand Inoc. Inoculum lN standard liter, volume under normal condition mlN standard milliliter, volume under normal condition P/ PM Pig manure sample R Reference sample RR Rice residues sample SA Sodium acetate SLR Sludge loading rate or sludge loading ratio TS Total solids VS Volatile solids W/ WH Water hyacinth sample IV TIEU LUAN MOI download : [e-mail] List of Figures List of Figures Figure 2-1: Four stages of anaerobic degradation (WEILAND, 2003). 4 Figure 3-1: Test apparatus according to DIN EN ISO 11734: Gas volume measurement with a gas pressure measurement instrument (VDI 4630).

18 Figure 3-2: Gas volume measurement with a gas pressure measurement instrument (S. 18 Figure 3-3: Map showing position of Dai Lam village…………………. 21 Figure 3-4: Water hyacinth at main sewer…. 21 Figure 3-5: Rice residues and cassava residues sampling at households….

22 Figure 3-6: Pig manure at a small swine farm of a household. 22 Figure 3-7: Homogenizing cassava residues by blender…………………… 23 Figure 3-8: Homogenizing water hyacinth by blender……………………. 24 Figure 3-9: Filling the bottles by weighing method………………………. 30 Figure 3-10: Closing bottles with silicone stoppers.

31 Figure 3-11: Creating the vacuum inside the bottles. 31 Figure 3-12: Lovibond conditioning cabinet. 32 Figure 3-13: K2000 Pressure table - EXTECH manometer 407910. 33 Figure 3-15: MEMMERT drying cabinet.

33 Figure 3-16: TDW muffle furnace. 33 V TIEU LUAN MOI download : [e-mail] List of Figures Figure 3-17: Lovibond ET 108 and MERK spectroquant TR320 block digesters. 31 Figure 3-18: PI 722N instrument in measuring COD. 34 Figure 3-19: Gas chromatograph Shimadzu GC-2010.

34 Figure 4-1: Biogas yield without blank on different inocula [mlN Biogas/ g COD sodium acetate]. 44 Figure 4-2: Biogas yield with blank on different inocula [mlN Biogas/ g COD sodium acetate]. 45 Figure 4-3: Biogas yield with blank on inoculum 5 of trial 6 [mlN Biogas/ g VS Inoculum]. 48 Figure 4-4: Biogas yield without blank on inoculum 5 of trial 6 [mlN Biogas/ g COD substrate].

49 Figure 4-5: Biogas yield with blank on inoculum 5 of trial 7 [mlN Biogas/ g VS Inoculum]. 52 Figure 4-6: Biogas yield without blank on inoculum 5 of trial 7 [mlN Biogas/ g COD substrate]. 52 Figure 4-7: Biogas yield with blank on inoculum 5 of trial 6-7 [mlN Biogas/ g VS Inoculum]. 54 Figure 4-8: Biogas yield without blank on inoculum 5 of trial 6-7 [mlN Biogas/ g COD substrate].

55 Figure 4-9: Biogas yield with blank on inoculum 6 of trial 9 [mlN Biogas/ g VS Inoculum]. 58 Figure 4-10: Biogas yield with blank on inoculum 6 of trial 9 [mlN Biogas/ g COD substrate]. 59 Figure 4-11: The corrected biogas composition of different samples. 65 VI TIEU LUAN MOI download : [e-mail] List of Tables List of Tables Table 2-1: Average composition of biogas (FNR, 2005).

6 Table 2-2: Factors influencing the anaerobic degradation (WEILAND, 2001) modified. 8 Table 2-3: Micro-nutrients for the anaerobic degradation. 10 Table 2-4: Inhibitory concentrations of various elements (WESSELAK, 2009) 11 Table 2-5: Inhibitory concentrations of various heavy metals (WESSELAK, 2009). 12 Table 2-6: Biogas composition and yield of different groups of substances (Biogas Guide 2006).

13 Table 2-7: Properties of renewable resources (FNR, 2005). 14 Table 3-1: Description about sources of six inocula. 20 Table 3-2: Description of the batchtests for investigating the quality of six inoculums. 36 Table 3-3: Description of the batchtests for investigating the biogas potential of different substrates.

37 Table 4-1: Description of the experimental approach and parameters in trials investigating quality of six inocula. 42 Table 4-2: Summary of biogas yield without blank and SLR on different inocula. 46 Table 4-3: Description of the experimental approach and parameters in trial 6 47 Table 4-4: Summary of biogas yield and SLR of trial 6. 49 Table 4-5: Description of the experimental approach and parameters in trial 7 51 VII TIEU LUAN MOI download : [e-mail] List of Tables Table 4-6: Summary of biogas yield and SLR of trial 7.

53 Table 4-7: Description of the experimental approach and parameters in trial 9 56 Table 4-8. Summary of biogas yield and SLR of trial 9. 60 Table 4-9: Comparison of biogas yields with theory. 62 Table 4-10: Comparison biogas yields of water hyacinth samples with literature.

63 Table 4-11: Biogas composition of different samples in trials 6, 7, 9. 64 Table 4-12: Volatile solids of different samples. 66 Table 4-13: Degree of degradation of volatile solids. 68 Table 4-14: Total solids content of different samples.

69 Table 4-15: Degree of degradation of total solids. 70 Table 4-16: Chemical oxygen demand of different samples. 72 Table 4-17: Degree of degradation of COD. 73 Table 4-18: Degree of degradation of COD.

75 Table 4-19: Degree of degradation of COD. 76 VIII TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Acknowledgements Acknowledgements Special thanks I would like to say to my supervisor Prof. Nguyen Thi Diem Trang for giving me the opportunity to make this thesis at Faculty of Chemistry, Hanoi University of Science in the Double-Degree-Program between the Hanoi National University and the Dresden University of Technology. Many thanks also to my German supervisor Prof.

Special thanks also to Msc. Tran Thi Nguyet (from Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment, Dresden University of Technology) and Dipl. Sebastian Meier (from Institute for Water Quality and Waste Management, Leibniz University Hannover) – team members of INHAND project who enthusiastically supervised me during the course of this thesis. Thanks to the help in inocula collecting of Prof.

Nguyen Viet Anh, from the Centre for Environmental Engineering of Towns and Industrial areas (CEETIA), Hanoi University of Civil Engineering and the help in gas composition analysis of Mr. Thai Ha Vinh, from Monitoring and Environmental Analysis Department, Monitoring and Analysis of Working Environment Station, National Institute of Labor Protection. Thanks also to the help in sample preparation of the staff (Mrs. Nguyen Thi Diem Huong, etc) in the laboratory of Monitoring Centre for Natural Resources and Environment of Bac Ninh province.

Thanks to the students of the Environmental Chemistry laboratory (Thang, Cham, Thao, Lan, etc) for their friendship with me during the experimental period time. Special thanks also to my family members for their great support in all the time of this master course! IX TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Introduction In view of the challenges in the global and regional energy markets and facing the needs for global climate protection as well as the increasing efforts in developing rural areas, the utilization of renewable energies has to be advanced. In this context, the usage of biogas plays an exceptional role as it is a highly flexible fuel with respect to a wide range of input substrates.

Biogas also offers various options in providing and using energy on a local, regional and global scale. Vietnam is no exception to the trend biogas applications to replace fossil energy. Biogas production has been studied and applied long in Vietnam, but until 2003, it became the real attention when the Ministry of Agriculture and Rural Development collaborated with the Netherlands Development Organization to build renewable energy project, the “Support Project to the Biogas Program for the Animal Husbandry Sector in Some Provinces of Vietnam. By the end of 2008, the project has supported construction of over 56,000 household biogas plants, provided training for 500 provincial and district technicians, 700 biogas mason teams, and organized thousands of promotion workshops and trainings for biogas users.

Up to now, the project has become a national program “Biogas program for the Animal Husbandry Sector of Vietnam” that supports the implementation of household biogas digesters throughout Vietnam. By the end of 2012, the team aims to complete 164,000 biogas plants (including large plants) in 58 provinces throughout Vietnam and gain 1.5-3 tradable emission rights per year per digester(1). This program raises the effective movement of production technology and application of biological energy, reduces environmental pollution in rural areas, creates jobs and improves living standard for Vietnamese farmers and minimizes the greenhouse effects.