Tổng quan nghiên cứu

Khí sinh học (biogas) là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn, được tạo ra từ quá trình phân hủy yếm khí các chất thải hữu cơ như bùn thải, phân động vật, rác thải nông nghiệp. Tại Việt Nam, khí sinh học được ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và trang trại với công suất phát điện thấp, tuy nhiên hiệu quả làm sạch khí chưa cao, gây ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất thiết bị phát điện. Thành phần chính của biogas gồm methane (CH4) chiếm 55-70% thể tích và cacbon dioxide (CO2) chiếm 30-45%, kèm theo các tạp chất như hydrogen sulfide (H2S), amoniac (NH3), siloxan, gây ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiệu quả kỹ thuật làm sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 kết hợp thiết bị quay ly tâm tốc độ cao (HGRPB) nhằm loại bỏ các tạp chất H2S và CO2, nâng cao chất lượng khí biogas phục vụ phát điện công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khí biogas sinh ra từ hệ thống phân hủy yếm khí bùn thải công suất tối đa 80 m³/ngày tại Nhà máy bia Sài Gòn – Đắk Lắk, với thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2018 đến tháng 2/2020.

Việc làm sạch khí sinh học không chỉ góp phần giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch mà còn tận dụng chất thải hữu cơ để tạo ra năng lượng sạch, cải thiện chất lượng môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện công nghệ xử lý khí sinh học, nâng cao hiệu suất phát điện và giảm thiểu tác động tiêu cực đến thiết bị và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá trình phân hủy yếm khí: Bao gồm bốn giai đoạn chính là thủy phân, axit hóa, acetate hóa và metan hóa, trong đó vi sinh vật methanogen chuyển hóa các sản phẩm trung gian thành khí methane và CO2. Thành phần khí sinh học phụ thuộc vào điều kiện lên men và nguồn nguyên liệu.

  • Phương pháp hấp thụ hóa học: Sử dụng dung dịch Ba(OH)2 để hấp thụ H2S và CO2 trong khí biogas. Phản ứng hóa học giữa Ba(OH)2 và các khí gây ô nhiễm giúp loại bỏ hiệu quả các tạp chất, đồng thời bảo vệ thiết bị phát điện khỏi ăn mòn.

  • Thiết bị quay ly tâm tốc độ cao (HGRPB): Tăng cường tiếp xúc giữa khí và dung dịch hấp thụ nhờ lực ly tâm, nâng cao hiệu suất loại bỏ tạp chất trong khí sinh học.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất loại bỏ khí (RE), thời gian lưu khí (EBRT), tải trọng khí (LR), dung tích xử lý (EC), và độ bão hòa dung dịch hấp thụ theo thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Khí biogas được thu thập từ hệ thống phân hủy yếm khí bùn thải tại Nhà máy bia Sài Gòn – Đắk Lắk với công suất 80 m³/ngày. Dữ liệu thí nghiệm bao gồm nồng độ H2S, CO2 trước và sau xử lý, các thông số vận hành thiết bị HGRPB.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các thiết bị đo lưu lượng khí, đo pH dung dịch hấp thụ, phân tích thành phần khí bằng phương pháp chuẩn. Hiệu suất loại bỏ được tính toán dựa trên nồng độ khí đầu vào và đầu ra.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm thay đổi nồng độ dung dịch Ba(OH)2, tốc độ quay của thiết bị HGRPB (rpm), tốc độ dòng khí (QG) và tốc độ dòng dung dịch (QL) để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng 16 tháng (10/2018 - 2/2020) với nhiều lần lấy mẫu khí và dung dịch trong các điều kiện vận hành khác nhau nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

  • Phương pháp kế thừa và chuyên gia: Tham khảo các nghiên cứu trước đây và ý kiến chuyên gia để hoàn thiện quy trình thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Ba(OH)2: Khi tăng nồng độ dung dịch từ khoảng 0,1 M đến 0,5 M, hiệu suất loại bỏ H2S tăng từ khoảng 70% lên đến 95%, đồng thời hiệu suất loại bỏ CO2 cũng cải thiện đáng kể, đạt trên 80%. Điều này cho thấy nồng độ dung dịch hấp thụ là yếu tố quyết định trong quá trình làm sạch khí.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ quay thiết bị HGRPB: Tăng tốc độ quay từ 1000 đến 3000 vòng/phút làm tăng hiệu suất loại bỏ H2S từ 75% lên 92%, nhờ tăng cường tiếp xúc khí - lỏng và tăng diện tích bề mặt trao đổi. Tuy nhiên, tốc độ quay quá cao có thể gây tiêu hao năng lượng lớn và ảnh hưởng đến độ bền thiết bị.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí (QG): Khi tốc độ dòng khí tăng từ 20 m³/h lên 50 m³/h, hiệu suất loại bỏ H2S giảm từ 90% xuống còn khoảng 70%, do thời gian lưu khí giảm, làm hạn chế quá trình hấp thụ.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ dòng dung dịch (QL): Tăng tốc độ dòng dung dịch từ 10 l/h lên 30 l/h giúp duy trì hiệu suất loại bỏ H2S ổn định trên 90%, đồng thời kéo dài thời gian bão hòa dung dịch, giảm tần suất thay thế dung dịch.

  5. Độ bão hòa dung dịch Ba(OH)2 theo thời gian: Dung dịch hấp thụ duy trì hiệu quả cao trong khoảng 72 giờ liên tục, sau đó hiệu suất giảm dần do bão hòa các ion phản ứng. Việc tái sinh hoặc thay thế dung dịch định kỳ là cần thiết để đảm bảo hiệu quả xử lý.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy dung dịch Ba(OH)2 kết hợp với thiết bị HGRPB là giải pháp hiệu quả trong việc làm sạch khí sinh học, đặc biệt trong loại bỏ H2S và CO2. Việc tăng nồng độ dung dịch và tốc độ quay thiết bị làm tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp thụ, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý. Tuy nhiên, tốc độ dòng khí quá cao làm giảm thời gian tiếp xúc, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu khác, hiệu suất loại bỏ H2S đạt trên 90% là mức cao, tương đương hoặc vượt trội so với các phương pháp hấp thụ hóa học truyền thống. Việc sử dụng Ba(OH)2 có ưu điểm là chi phí thấp, dễ tái sinh và thân thiện môi trường hơn so với các dung dịch phức kim loại đắt tiền hoặc các phương pháp sinh học phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thông số vận hành (nồng độ dung dịch, tốc độ quay, tốc độ dòng khí/dung dịch) với hiệu suất loại bỏ H2S và CO2, giúp trực quan hóa hiệu quả và tối ưu hóa quy trình vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ dung dịch Ba(OH)2: Khuyến nghị duy trì nồng độ dung dịch trong khoảng 0,3 - 0,5 M để đạt hiệu suất loại bỏ H2S trên 90%, đồng thời giảm chi phí hóa chất và tiêu hao năng lượng. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành.

  2. Điều chỉnh tốc độ quay thiết bị HGRPB: Vận hành thiết bị ở tốc độ quay khoảng 2500 vòng/phút để cân bằng hiệu suất xử lý và tiêu hao năng lượng, đảm bảo tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: trong vòng 3 tháng đầu vận hành.

  3. Kiểm soát tốc độ dòng khí và dung dịch: Giữ tốc độ dòng khí dưới 40 m³/h và tốc độ dòng dung dịch trên 20 l/h để đảm bảo thời gian lưu khí đủ cho quá trình hấp thụ hiệu quả. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành.

  4. Lập kế hoạch tái sinh hoặc thay thế dung dịch hấp thụ: Thực hiện thay dung dịch hoặc tái sinh sau mỗi 72 giờ vận hành để duy trì hiệu suất xử lý ổn định, tránh hiện tượng bão hòa dung dịch. Thời gian thực hiện: theo chu kỳ vận hành.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về quy trình vận hành, bảo trì thiết bị và xử lý sự cố nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Thời gian thực hiện: trong 6 tháng đầu và định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xử lý khí sinh học, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý khí sinh học: Các công ty vận hành hệ thống biogas có thể áp dụng quy trình và thông số kỹ thuật tối ưu để nâng cao hiệu quả làm sạch khí, giảm chi phí bảo trì thiết bị.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và năng lượng: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật về xử lý khí sinh học, thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

  4. Nhà sản xuất thiết bị xử lý khí sinh học: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và đánh giá hiệu quả công nghệ HGRPB kết hợp dung dịch Ba(OH)2, hỗ trợ cải tiến thiết bị và phát triển sản phẩm phù hợp thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp làm sạch khí sinh học bằng Ba(OH)2 có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp sử dụng dung dịch Ba(OH)2 có chi phí thấp, dễ vận hành, hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 cao (trên 90%), đồng thời thân thiện với môi trường do dung dịch có thể tái sinh. Ví dụ, so với phương pháp hấp thụ bằng amin, Ba(OH)2 không cần nhiệt độ cao để tái sinh.

  2. Tại sao cần sử dụng thiết bị quay ly tâm tốc độ cao (HGRPB)?
    Thiết bị HGRPB tăng cường tiếp xúc giữa khí và dung dịch hấp thụ nhờ lực ly tâm, giúp tăng diện tích bề mặt trao đổi và cải thiện hiệu suất loại bỏ tạp chất. Thí nghiệm cho thấy tốc độ quay 2500 vòng/phút là tối ưu để đạt hiệu quả xử lý cao.

  3. Dung dịch Ba(OH)2 có thể tái sử dụng bao lâu trước khi phải thay mới?
    Dung dịch duy trì hiệu quả cao trong khoảng 72 giờ vận hành liên tục. Sau thời gian này, dung dịch bão hòa các ion phản ứng, hiệu suất giảm, cần tái sinh hoặc thay mới để đảm bảo hiệu quả xử lý.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến hiệu suất làm sạch khí như thế nào?
    Tốc độ dòng khí quá cao làm giảm thời gian lưu khí trong thiết bị, hạn chế quá trình hấp thụ và làm giảm hiệu suất loại bỏ H2S và CO2. Do đó, cần kiểm soát tốc độ dòng khí dưới 40 m³/h để đảm bảo hiệu quả.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp lớn không?
    Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô 80 m³/ngày, phù hợp với các nhà máy vừa và nhỏ. Tuy nhiên, với việc tối ưu hóa thông số vận hành và thiết kế thiết bị, phương pháp có tiềm năng mở rộng quy mô cho các ứng dụng công nghiệp lớn hơn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả cao của phương pháp làm sạch khí sinh học sử dụng dung dịch Ba(OH)2 kết hợp thiết bị quay ly tâm tốc độ cao HGRPB trong việc loại bỏ H2S và CO2, với hiệu suất đạt trên 90%.

  • Các thông số vận hành tối ưu gồm nồng độ dung dịch Ba(OH)2 từ 0,3-0,5 M, tốc độ quay thiết bị khoảng 2500 vòng/phút, tốc độ dòng khí dưới 40 m³/h và tốc độ dòng dung dịch trên 20 l/h.

  • Dung dịch hấp thụ duy trì hiệu quả trong khoảng 72 giờ, cần tái sinh hoặc thay thế định kỳ để đảm bảo hiệu suất xử lý ổn định.

  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng khí sinh học, bảo vệ thiết bị phát điện, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình nghiên cứu trong các nhà máy xử lý khí sinh học quy mô vừa và lớn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô và tối ưu hóa công nghệ.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và xử lý khí sinh học nên áp dụng các thông số vận hành tối ưu được đề xuất để nâng cao hiệu quả làm sạch khí, đồng thời phối hợp nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm mở rộng ứng dụng trong tương lai.