BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Tôn Nữ Thị Phương Vi

ĐÊ TÀI: NGHIÊN CỨU KY THUÂT LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DUNG DỊCH HẤP THỤ

Ba(OH)2

LUÂN VĂN THAC SI: KY THUÂT MÔI TRƯƠNG

Hà Nội, 7/2020

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Tôn Nữ Thị Phương Vi

ĐÊ TÀI: NGHIÊN CỨU KY THUÂT LÀM SẠCH KHÍ SINH HỌC

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG DUNG DỊCH HẤP THỤ

Ba(OH)2

Chuyên nganh: Ky thuât môi trương

Ma sô: 8520320

LUÂN VĂN THAC SI: KY THUÂT MÔI TRƯƠNG

NGƯƠI HƯƠNG DÂN KHOA HOC:

Ngươi hương dân: PGS.TS. Đỗ Văn Mạnh

Hà Nội, 7/2020

Lơi cam đoan

Tôi xin cam đoan các nội dung được trình bay trong luân văn tôt nghiệp

“Nghiên cứu ky thuât lam sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng dung

dịch hấp thụ Ba(OH)2” la nghiên cứu của cá nhân tôi, trên cơ sở một sô dữ

liệu, sô liệu được tham khảo. Những tai liệu được sử dụng tham khảo trong

luân văn đa được nêu rõ trong phần tai liệu tham khảo. Các sô liệu, kết quả

trình bay trong đồ án la hoan toan trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoan toan

trách nhiệm va chịu mọi kỷ luât của bộ môn va nha trương đề ra.

Ha Nội, tháng 7 năm 2020

Sinh viên Tôn Nữ Thị Phương Vi

Lơi cam ơn

Lơi đầu tiên, xin chân thanh gửi lơi cám ơn đến Ban lanh đạo Viện

Công nghệ Môi trương va Ban lanh đạo Công ty Cổ phần bia Sai Gòn – Miền

Trung đa tạo điều kiện thuân lợi va giúp đỡ tôi hoan thanh các chương trình

học tại học viện.

Luân văn tôt nghiệp được thực hiện tại Hệ thông lên men yếm khí bùn

thải, sinh khí sinh học để phát điện va bùn thải sau lên men được thu gom sản

xuất lam phân bón hữu cơ. Đây la đề tai phôi hợp giữa Công ty CP bia Sai

Gòn – Miền Trung va Viện Công nghệ Môi trương. Do đó, tôi được tạo điều

kiện học tâp, nghiên cứu cùng các chuyên gia của Viện khi triển khai xây

dựng dự án, vân hanh thử nghiệm va sản xuất. Đây la cơ sở để thực hiện các

nội dung nghiên cứu của cá nhân tôi.

Xin gửi lơi cám ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đỗ Văn Mạnh, phó viện

trưởng Viện Công nghệ Môi trương đa tân tình hương dân, chỉ bảo em trong

suôt quá trình học tâp va lam khóa luân.

Đặc biệt, xin chân thanh cảm ơn các thầy cô giáo trong Học viện nói

chung, các thầy cô trong khoa Ky thuât môi trương nói riêng đa truyền đạt

nhiều kiến thức bổ ích chuyên nganh, giúp em nắm bắt được cơ sở lý thuyết

va tạo điều kiện giúp đỡ trong suôt quá trình học tâp.

Cuôi cùng, em xin chúc Ban lanh đạo Viện Công nghệ Môi trương, Ban

lanh đạo Công ty Cổ phần bia Sai Gòn – Miền Trung va các thầy cô giáo sức

khỏe, thanh công.

Sinh Viên

Tôn Nữ Thị Phương Vi

i

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................... 5

1.1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ THU HỒI KHÍ

SINH HOC ........................................................................................................ 5

1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI LÀM SACH KHÍ SINH HOC ......................... 10

1.2.1 Hydrogen sulphide (H2S) ................................................................... 11

1.2.2. Siloxane ............................................................................................. 12

1.2.3. Cacbonic (CO2) ................................................................................. 14

1.2.4. Amoniac (NH3) ................................................................................. 14

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM SACH KHÍ SINH HOC ......... 15

1.3.1 Loại bỏ H2S và NH3 bằng phương pháp hóa lý ................................. 15

1.3.2 Các phương pháp loại bỏ Siloxan ...................................................... 27

1.3.3 Loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học........................................... 30

1.3.4 Một sô phương pháp phổ biến làm sạch khí sinh học trên thế giơi ... 37

1.3.5 Công nghệ làm sạch khí sinh học tại Việt Nam ................................. 41

1.4. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ SINH HOC BẰNG THIẾT BỊ LY TÂM

TRONG LỰC TỐC ĐỘ CAO ........................................................................ 43

1.5. HÓA CHẤT SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP LÀM SACH KHÍ

SINH HOC ..................................................................................................... 46

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU ................................................................................................................ 48

2.1.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHAM VI NGHIÊN CỨU .......................................... 48

2.1.1. Đôi tượng nghiên cứu ....................................................................... 48

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 48

2.2. GIƠI THIỆU MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................ 48

2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................... 53

2.2.1. Quy trình thí nghiệm ......................................................................... 53

ii

2.2.2. Các nội dung nghiên cứu .................................................................. 59

2.2.2.1. Nội dung 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch

hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 ....................................................... 59

2.2.2.2. Nội dung 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ quay của thiết

bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 ................................................. 60

2.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ dòng khí đến hiệu suất loại

bỏ H2S và CO2 ................................................................................................. 60

2.2.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ dòng dung dịch đến hiệu

suất loại bỏ H2S và CO2 .................................................................................. 61

2.2.2.5. Nội dung 5. Đánh giá độ bao hòa của dung dịch hấp thụ

Ba(OH)2 theo thơi gian.................................................................................... 62

2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................ 63

2.3.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 63

2.3.2. Phương pháp lấy mâu và phân tích ................................................... 64

2.3.3. Phương pháp kế thừa ......................................................................... 66

2.3.4. Phương pháp chuyên gia ................................................................... 67

2.3.5. Phương pháp tính toán ...................................................................... 67

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUÂN ............................................... 68

3.1 MÔ HÌNH VÂN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN YẾM KHÍ TAI NHÀ

MÁY ............................................................................................................... 68

3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ DUNG

DỊCH HẤP THỤ ĐẾN HIỆU SUẤT LOAI BỎ H2S VÀ CO2 ............... Error!

Bookmark not defined.

3.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ QUAY CỦA

THIẾT BỊ HGRPB ĐẾN HIỆU SUẤT LOAI BỎ H2S VÀ CO2 ................... 74

3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ DÒNG KHÍ

ĐẾN HIỆU SUẤT LOAI BỎ H2S VÀ CO2 ................................................... 77

3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ DÒNG

DUNG DỊCH ĐẾN HIỆU SUẤT LOAI BỎ H2S VÀ CO2 ............................ 79

iii

3.5. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BÃO HÒA CỦA DUNG DỊCH HẤP THỤ

Ba(OH)2 THEO THƠI GIAN ......................................................................... 82

CHƯƠNG 4. KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87

PHỤ LỤC ....................................................................................................... 90

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

EDTA Etylenediaminetetraacetic axetic

HEDTA Axithydrôxy-ethylethylenediaminetriacetic

HGRPB Thiết bị quay ly tâm tôc độ cao (High Gravity Rotating

Packed Bed)

QG/QL Tỉ lệ giữa lưu lượng khí vao va lưu lượng dung dịch hấp thụ

rpm Vòng/phút (revolutions per minute)

COD Nhu cầu oxy hóa học

SCOD Nhu cầu oxy hóa học hòa tan

STOC Tổng cacbon hữu cơ hòa tan

TC Cacbon tổng sô

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TOC Tổng cacbon hữu cơ

TS Tổng chất rắn

TXLNT Trạm xử lý nươc thải

VS Chất rắn bay hơi

XLNT Xử lý nươc thải

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bang 1.1. Thành phần và tính chất của khí sinh học ....................................... 9

Bang 1.2. Một sô phương pháp lam sạch CO2 từ hỗn hợp biogas ................ 38

Bang 1.3.Một sô phương pháp lam sạch H2S từ hỗn hợp biogas .................. 39

Bang 2.1. Giá trị đặc trưng của bùn hữu cơ sử dụng trong nghiên cứu .. Error!

Bookmark not defined.

Bang 2.2. Chất lượng khí biogas dùng làm nhiên liệu cho máy phát điện ..... 56

Bang 2.3. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa nồng độ

dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 ...................................... 59

Bang 2.4. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa tôc độ quay

của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 .................................. 60

Bang 2.5. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 .................................................... 61

Bang 2.6. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng dung dịch đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2.......................................... 61

Bang 2.7. Đánh giá độ bão hòa của dung dịch hấp thụ theo thơi gian ........... 62

Bang 2.8. Các bươc thực hiện các thí nghiệm làm sạch khí ......................... 622

Bang 2.9. Các thông sô va phương pháp phân tích thanh phần biogas .......... 66

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Quá trình phân hủy kị khí ................................................................ 6

Hình 1.2. Sơ đồ quá trình phân hủy kị khí chất thải hữu cơ ............................ 6

Hình 1.3. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dòng ngược ................................. 18

Hình 1.4. Loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc sinh học ................................ 31

Hình 1.5. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dòng ngược ................................. 33

Hình 1.6. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dòng ngược ................................. 34

Hình 1.7. Hiệu suất loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học ....................... 35

Hình 1.8. Sơ đồ ứng dụng của khí sinh học . Error! Bookmark not defined.2

Hình 1.9. Thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB dùng trong nghiên cứu Error!

Bookmark not defined.4

Hình 1.10. Nguyên lý của thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB dùng trong

nghiên cứu ....................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nươc thải của nhà máy ............................ 570

Hình 2.2. Sơ đồ mô hình xử lý bùn yếm khí tại nhà máy ............................ 572

Hình 2.3. Thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB thực tế tại pilot ................. 574

Hình 2.4. Bô trí thí nghiệm nghiên cứu ........................................................ 575

Hình 2.5. Túi chứa biogas thô (bên phải) và túi chứa biogas tinh (bên trái) 576

Hình 2.6. Bồn chứa và máy khuấy trộn hóa chất ........................................... 57

Hình 2.7. Động cơ quay ly tâm biến tần......................................................... 57

Hình 2.8. Máy thổi khí ................................................................................... 58

Hình 2.9. Lưu lượng kế đo khí ....................................................................... 58

Hình 2.10. Bơm hóa chất ................................................................................ 58

Hình 2.11. Lưu lượng kế đo hóa chất ............................................................. 58

Hình 2.12. Đo nhanh chất lượng khí biogas tại hiện trương .......................... 65

vii

Hình 2.13. Lấy mâu khí biogas vào túi chứa .................................................. 65

Hình 2.14. Đo pH dung dịch hấp thụ tại hiện trương ..................................... 66

Hình 3.1. Các hạng mục trong dây chuyền công nghệ của đề tài ................ 72

Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ

H2S, CO2 .......................................................................................................... 73

Hình 3.3. Ảnh hưởng tôc độ quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ

H2S, CO2 .......................................................................................................... 76

Hình 3.4. Ảnh hưởng của tôc độ dòng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S, CO2 ... 78

Hình 3.5. Ảnh hưởng của tôc độ dòng dung dịchđến hiệu suất loại bỏ H2S,

CO2 .................................................................................................................. 81

Hình 3.6. Độ bão hòa của dung dịch hấp thụ theo thơi gian .......................... 83

viii

1

MƠ ĐÂU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng va môi trương la vấn đề có tác động, ảnh hưởng không nhỏ

đến tất cả các lĩnh vực, bao gồm: kinh tế, chính trị, văn hóa, an ninh, xa hội …

của tất cả các quôc gia trên thế giơi. Đặc biệt, trong tình hình nguồn năng

lượng hóa thạch đang cạn kiệt va sự biến đổi khí hâu trái đất đang trở thanh

hiểm họa đôi vơi loai ngươi thì vấn đề nêu trên cang trở thanh môi quan tâm

hang đầu của cả thế giơi. Tiết kiệm năng lượng va giảm thiểu ô nhiễm môi

trương luôn la mục tiêu nghiên cứu chính, song hanh cùngquá trình phát triển

kinh tế - xa hội của đất nươc. Song song vơi việc hoan thiện các hệ thông sử

dụng để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm

môi trương thì các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng sạch,

năng lượng tái sinh va nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng nay la

việc rất cần thiết.

Trong các nguồn nhiên liệu thay thế, khí sinh học (Biogas) la nguồn

năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lơn va đang được khuyến khích phát triển

tại Việt Nam. Việc sản xuất biogas bằng phương pháp phân hủy kị khí từ các

chất thải hữu cơ la giải pháp mang lại lợi ích nhiều mặt, vừa tân thu được

nguyên liệu phục vụ tái sản xuất, giảm thể tích chất thải cần chôn lấp, đồng

thơi khí biogas thu được dùng lam nhiên liệu, chạy máy phát điện. Thành

phần chủ yếu của biogas la khí metan (CH4) và khí cacbonic (CO2), ngoài ra

còn có các tạp chất khác như khí hydro sulfua (H2S), hơi nươc (H2O), khí

amoniac (NH3), .... Chất lượng khí biogas phụ thuộc vao ham lượng CH4

trong hỗn hợp biogas va độ tinh khiết của hỗn hợp khí. Nếu khí biogas được

lọc sạch các tạp chất, chúng sẽ nhân được nhiên liệu có tính chất tương tự như

khí thiên nhiên (biomethane). Việc chuyển đổi biogas thanh biomethane nói

chung bao gồm hai bươc chính: quá trình lam sạch để loại bỏ các thanh phần

ô nhiễm như: H2S, H2O, NH3, … quá trình nâng cấp để tăng giá trị nhiệt đáp

ứng cho phát điện. Sử dụng biogas lam nhiên liệu cho phép giải quyết đồng

thơi vấn đề ô nhiễm khi sản xuất biogas va thay thế nhiên liệu truyền thông.

2

Tại Việt Nam, trong 10 năm trở lại đây đa có nhiều nghiên cứu va ứng

dụng thực tế về thu khí biogas bằng quá trình phân hủy kị khí nươc thải, phân

gia súc, gia cầm, dùng để đun nấu va chạy máy phát điện ở quy mô hộ gia

đình va trang trại.Tuy nhiên, các đầu công suất phát điện đều ở mức thấp,

thiết bị tách lọc khí chưa đạt hiệu quả cao, dân đến các thiết bị hay gặp sự cô

va bị ăn mòn, nhanh hỏng, từ đó ảnh hưởng đến công suất phát điện .

Việc kết hợp vơi đôi tác Đai Loan trong việc xử lý bùn thải bằng

phương pháp lên men kị khí, sinh khí biogas vơi hiệu suất cao, xây dựng quy

trình lọc khí biogas triệt để, tạo ra nguồn khí biogas chất lượng để chạy máy

phát điện vơi công suất lơn không chỉ mang ý nghĩa kinh tế - môi trương - xã

hội ma còn tạo ra một bươc ngoặt quan trọng trong lĩnh vực khoa học công

nghệ nươc nha, tạo ra một sự phát triển bền vững, thân thiện môi trương trong

bôi cảnh ô nhiễm toan cầu đang ở mức báo động va biến đổi khí hâu đa, đang

va sẽ mang lại những hâu quả khôn lương cho ngươi dân.

Trên cơ sở đó, trong phạm vi luân văn tôt nghiệp, tác giả đề xuất đề tai:

“Nghiên cứu kỹ thuật làm sạch khí sinh học bằng phương pháp sử dụng

dung dịch hấp thụ Ba(OH)2” nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình lam sạch

thanh phần các khí CO2 và H2S trong hỗn hợp khí biogas bằng ky thuât quay

ly tâm tôc độ cao sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2. Thông qua kết quả

nghiên cứu, sẽ lựa chọn được bộ các thông sô tôi ưu trong vân hanh để đảm

bảo hiệu quả lam sạch khí cao nhất.

2. Mục tiêu nghiên cứu

a. Mục tiêu chung:

Lam sạch khí sinh học giúp cải thiện chất lượng khí sinh học phát sinh,

tân thu va đưa vao sử dụng lam nhiên liệu cho động cơ phát điện phục vụ hoạt

động sản xuất.

- Góp phần giảm thiểu khôi lượng sử dụng các nhiên liệu hóa thạch dùng lam

chất đôt trong nha máy hiện nay.

- Tân dụng chất thải để chuyển hóa thanh năng lượng sạch phục vụ đơi sông

sinh hoạt, sản xuất va cải thiện chất lượng môi trương.

b. Mục tiêu cụ thể:

3

Nghiên cứu, lựa chọn các yếu tô thích hợp cho quá trình lam sạch

biogas bằng phương pháp sử dụng thiết bị lam sạch la máy ly tâm tâm tôc độ

cao HGRPB vơi dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 nhằm nâng cao hiệu suất phát

điện va phục vụ định hương ứng dựng trên quy mô phát điện công nghiệp tại

đơn vị.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Khí sinh học (biogas) sinh ra từ hệ thông phân hủy bùn yếm khí.

- Hệ thí nghiệm lam sạch khí.

3. 2. Phạm vi nghiên cứu

- Trong giơi hạn luân văn, phạm vi nghiên cứu được xác định:

+ Khí biogas sinh ra từ hệ thông phân hủy yếm khí bùn thải công suất

tôi đa 80 m3/ngđ tại Nha máy bia Sai Gòn- Đắk Lắk, thuộc công ty Cổ phần

Bia Sài Gòn – Miền Trung.

+ Các thông sô của quá trình lam sạch khí biogas: nồng độ dung dịch

hấp thụ (CBa(OH)2); tôc độ quay của thiết bị HGRPB (); tôc độ dòng khí

biogas (QG) va tôc độ dòng dung dịch (QL).

+ Độ bao hòa của dung dịch hấp thụ trong quá trình lam sạch khí

biogas theo thơi gian.

- Thơi gian nghiên cứu: tháng 10/2018 đến tháng 2/2020.

- Địa điểm tiến hanh thí nghiệm: mô hình thí nghiệm tại khuôn viên

Nhà máy bia Sài Gòn- Đắk Lắk, thuộc công ty Cổ phần Bia Sai Gòn – Miền

Trung, địa chỉ: sô 01 Nguyễn Văn Linh, thanh phô Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk

Lắk.

Nghiên cứu lam sạch biogas bằng ky thuât ly tâm tôc độ cao HGRPB

sử dụng dung dịch Ba(OH)2 quy mô 80 m3 va hệ thông xử lý nươc thải công

suất 600 m3/ngđ để cung cấp khí biogas cho máy phát điện 20 kWh.

4. Phương pháp nghiên cứu:

4

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp lấy mâu

- Phương pháp phân tích

- Phương pháp kế thừa

- Phương pháp tính toán

5. Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Kết quả đề tai la sự thanh công việc ứng dụng khoa học vao thực tiễn,

đặc biệt trong công nghệ lam sạch khí bằng thiết bị lam sạch khí sinh học, lam

tăng khả năng ứng dụng thiết bị nay vao thực tiễn vơi các thông sô vân hanh

hợp lý, đem lại hiệu quả xử lý cao.

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ THU HỒI KHÍ

SINH HOC

Ngay nay, hệ thông phân hủy kị khí được sử dụng rộng rai để xử lý các

chất thải rắn, bao gồm chất thải nông nghiệp, phân động vât, bùn từ các trạm

xử lý nươc thải va chất thải đô thị. Ươc tính hang triệu hệ thông phân hủy kị

khí được xây dựng trên toan thế giơi. Hệ thông phân hủy kị khí cũng được sử

dụng hiệu quả trong xử lý chất thải nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm va

nươc giải khát, ở các nươc phát triển va đang phát triển.

Trong các hệ thông kị khí, hầu hết các chất hữu cơ bị phân hủy sinh học

có trong chất thải được chuyển đổi thanh khí sinh học (70 ÷ 90%), từ pha

lỏng va bể phản ứng ở dạng khí. Chỉ một phần nhỏ chất thải hữu cơ được

chuyển đổi thanh sinh khôi vi sinh vât (5 ÷ 15%), sau đó tạo thanh bùn thừa

của hệ thông, bùn nay đặc hơn. Chất thải không chuyển hóa thanh khí sinh

học hoặc vao sinh khôi ra khỏi hệ thông xử lý la chất thải không bị phân hủy

(10 ÷ 30%).

Kết quả nghiên cứu của Lettinga (1995) đa nhấn mạnh sự cần thiết phải

thực hiện các hệ thông bảo vệ môi trương kết hợp, để lam hai hoa việc xử lý

nươc thải, thu hồi va tái sử dụng các sản phẩm phụ của nó. Cách tiếp cân nay

đặc biệt phù hợp vơi các nươc đang phát triển, nơi có nhiều vấn đề nghiêm

trọng về môi trương, tình trạng thiếu nhân lực va năng lượng va thương la

không đủ khả năng sản xuất lương thực. Do đó, phân hủy kị khí trở thanh giải

pháp thích hợp nhất để xử lý nươc thải va thu hồi các sản phẩm phụ, như

minh họa trong Hình 1.1.

6

Hình 1.1. Quá trình phân hủy kị khí

Hình 1.2. Sơ đồ quá trình phân hủy kị khí chất thải hữu cơ

2. Axit hóa

Chất thai hữu cơ phức tạp

Cacbohydrat, protein, chất béo

Phân tử hữu cơ hòa tan

Đương, amino axit, axit béo

Axit béo dễ bay hơi

Axit acetic H2, CO2

CH4 + CO2

1. Thủy phân

3. Acetat hóa

4. Methane hóa

7

Giai đoạn 1: Thủy phân

Dươi tác dụng của enzym hydrolaza do vi sinh vât tiết ra, các chất hữu

cơ có phân tử lượng lơn như protein, lipit, hydrocacbon … sẽ bị phân hủy

thanh các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn va phần lơn đều dễ tan trong

nươc như đương, amino axit, axit béo, axit hữu cơ … như phản ứng (1); (2);

(3); (4) va (5) thể hiện ở dươi đây:

(1) Hợp chất cao phân tử + H2O → Hợp chất thấp phân tử + H2

(2) Lipids → Axit béo

(3) Polysaccharide → Monosaccharide

(4) Protein → Amino axit

(5) Axit nucleic → Purine + Pyrimidin

Giai đoạn 2: Axit hóa

Các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được vi sinh vât hấp thụ va

chuyển hóa. Các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, các rượu va các chất trung

tính khác cũng được hình thanh do quá trình lên men đương, do phân giải axit

va do khử amin. Ngoai ra một sô khí cũng được tạo thanh như CO2, H2S, H2,

NH3 va một lượng nhỏ CH4, nếu trong nươc thải giau protein thì còn sinh ra

các khí độc như mercaptan, scatol, indol … Trong quá trình lên men các axit

hữu cơ, các axit amin sẽ được khử amin bằng khử hoặc bằng thủy phân để tạo

NH3 và NH4+, một phần sẽ được vi sinh vât sử dụng để tạo sinh khôi, phần

còn lại thương tồn tại dươi dạng NH4+.

Thanh phần va tính chất của các sản phẩm trong giai đoạn nay phụ

thuộc nhiều vao bản chất của các chất ô nhiễm, điều kiện môi trương va tác

nhân sinh học. Thanh phần của các sản phẩm trong giai đoạn nay sẽ ảnh

hưởng đến giai đoạn tiếp theo. Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn nay bao

gồm phản ứng (6) va (7).

(6) C6H12O6 + 2H2 → 2CH3CH2COOH + 2H2O

(7) C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

Giai đoạn 3: Acetat hóa

Các sản phẩm lên men như axit béo, axit lactic … sẽ được từng bươc

chuyển hóa đến axetic. Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn nay bao gồm

phản ứng (8); (9); (10) va (11).

(8) CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + H+ + HCO3- + 3H2

(9) C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2

8

(10) CH3CH2OH + 2H2O → CH3COO- + 2H2 + H+

(11) 2HCO3- + 4H2 + H+ → CH3COO- + 4H2O

Giai đoạn 4: Metan hóa

Đây la giai đoạn cuôi cùng va cũng la giai đoạn quan trọng nhất trong

toan bộ quá trình xử lý yếm khí đặc biệt la trong điều kiện xử lý có thu khí

biogas. Các sản phẩm thu được từ giai đoạn trươc sẽ được khí hóa nhơ các vi

khuẩn methane hóa được gọi chung la Methanogens. Các vi sinh vât nay có

đặc tính chung la chỉ hoạt động trong môi trương yếm khí nghiêm ngặt. Tôc

độ sinh trưởng va phát triển của chúng châm hơn nhiều so vơi các chủng vi

sinh vât khác.Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn nay bao gồm phản ứng

(12); (13); (14); (15); (16) và (17).

(12) 2CH3CH2OH + CO2 → 2CH3COOH + CH4

(13) CH3COOH → CH4 + CO2

(14) CH3OH → CH4 + H2O

(15) CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

(16) CH3COO- + SO42- + H+ → 2HCO3 + H2S

(17) CH3COO- + NO- + H2O + H+ → 2HCO3 + NH4+

Như vây sản phẩm cuôi cùng nhân được trong chu trình phân hủy kị

khí chất thải hữu cơ la biogas vơi thành phần chính là khí CH4 và CO2. Biogas

có thể được sử dụng để sản xuất điện năng, nấu nương, sưởi ấm, đun nươc

nóng hay cấp nhiệt. Trong sử dụng thông thương, 1m3 biogas tương đương:

Thắp sáng bóng đèn có công suất 60 -100 W trong 6 giơ; nấu 3 bữa ăn cho 1

gia đình 5 -6 ngươi; thay thế 0,7 kg xăng dầu; chạy động cơ 1 ma lực trong 2

giơ; Sản xuất 1,25 kWh điện bằng động cơ nhiệt. Chất thải hữu cơ từ các

nguồn khác nhau có thể sử dụng để sản xuất biogas. Quá trình sử dụng biogas

làm nhiên liệu không lam tăng CO2 trong bầu khí quyền.

Thanh phần va tính chất của khí sinh học thu được sau quá trình phân

hủy kị khí chất thải hữu cơ được trình bay trong Bảng 1.1

9

Bang 1.1. Thanh phần va tính chất của khí sinh học

Thành phần Tỉ lệ theo thể tích

Methane (CH4) 55 - 70%

Carbon dioxide (CO2) 30 - 45%

Hơi nươc 1 - 5%

Ammonia (NH3) 0 - 0,05%

Hydrogen Sulphide (H2S) 0 - 0,5%

Nitrogen (N2) 0 - 5%

Giá trị năng lượng 6,0 - 6,5 kWh/m3

Nhiên liệu tương đương 0,60 - 0,65 lít dầu/m3 biogas

Giơi hạn nổ 6 - 12% biogas trong không khí

Nhiệt độ đánh lửa 650 – 750°C

Áp suất tơi hạn 75 - 89 bar

Nhiệt độ tơi hạn -82,5°C

Mât độ chuẩn 1,2 kg/m3

Mùi Trứng thôi

Trọng lượng phân tử 16,043 kg/kmol

Khí sinh học (biogas) la một hỗn hợp của một sô loại khí khác nhau

được tạo ra bởi sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trương yếm khí

vơi sự tham gia chính của các nhóm vi khuẩn sản sinh mêtan (methanogen)

hoặc vi sinh vât phân hủy yếm khí. Khí biogas có thể được sản xuất từ các

nguyên liệu thô như rác thải nông nghiệp, phân, rác đô thị, nguyên liệu thực

vât, nươc thải, chất thải xanh hoặc chất thải thực phẩm. Khí sinh học chủ yếu

la thanh phần khí mêtan (CH4), cacbon dioxide (CO2), hydrogen sulphide

(H2S), độ ẩm va siloxan.

10

Khí sinh học còn la một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị, có thể được

khai thác trực tiếp lam nhiên liệu hoặc lam nguyên liệu thô để sản xuất khí

tổng hợp hoặc hydro. Ham lượng va chất lượng biogas thương phụ thuộc vao

nhiều yếu tô như điều kiện lên men yếm khí, nguồn cơ chất để chuyển hóa, vi

sinh vât tham gia vao các quá trình…. Do đó, tùy thuộc vao điều kiện cụ thể

ma ham lượng va thanh phần khí sinh học có đặc trưng riêng, khí sinh học

được tạo ra trong quá trình xử lý nươc thải sinh hoạt thương chứa 55÷65%

mêtan, 35÷45% CO2, nitơ < 1%, tuy nhiên khi được phân hủy vơi nguyên liệu

có nguồn gôc la hữu cơ thì ham lượng CH4 60÷70%, 30÷40% CO2 va nitơ <

1%, trong khi đó biogas từ quá trình chôn lấp rác lại có ham lượng mêtan nhỏ

hơn 45÷55%, 5÷15% nitơ va một sô những thanh phần tạp chất khác.

1.2. SỰ CẦN THIẾT PHẢI LÀM SACH KHÍ SINH HOC (KHÍ BIOGAS)

Trong hỗn hợp khí sinh học được tạo ra từ quá trình phân giải yếm khí

ngoài Mêtan (CH4) và cacbondioxit (CO2) la thanh phần chính, thương chứa

một lượng đáng kể các chất không mong muôn (các tạp chất) như hydrogen

sulfide (H2S), amoniac (NH3) va các khí siloxan … Sự tồn tại va sô lượng

của các tạp chất nay phụ thuộc vao nguồn nguyên liệu sinh ra khí sinh học

(bùn thải, phế thải nông nghiệp, bai chôn lấp rác sinh hoạt, quá trình lên men

kị khí trong sản xuất phân bón...). Sự có mặt của các tạp chất nay la một vấn

đề lơn do gây bất lợi cho thiết bị chuyển đổi nhiệt hoặc xúc tác nhiệt bằng khí

biogas (ví dụ như gây ăn mòn, xói mòn, gây lỗi); đồng thơi chúng sản sinh ra

ra các khí phát thải có hại đôi vơi môi trương. Do đó, cần phải tinh chế lam

sạch khí sinh học trươc khi đưa vao sử dụng tại các công đoạn tiếp theo. Tác

hại của một tạp chất điển hình như sau:

1.2.1. Hydrogen sulphide (H2S)

Hydrogen sulphide (H2S) la chất khí không mau, rất độc va dễ cháy.

H2S có mùi trứng thôi va mùi hôi dễ phát hiện khi nồng độ nằm trong giơi hạn

bé (0,05 - 500 ppm). H2S hòa tan trong nươc tạo thanh axit yếu. Khi cháy H2S

11

sinh ra SO2, chất gây ăn mòn mạnh (sulphuric acid) va gây ô nhiễm môi

trương (mưa acid). H2S la chất rất độc (tương đương vơi hydrogen cyanide)

vơi giơi hạn gây độc thấp (khoảng 10 ppm H2S). Khi ham lượng H2S trong

không khí đạt 1,2 - 2,8 mg/lít hay 0,1%, nó gây tử vong ngay lâp tức. Khi

ham lượng nay đạt 0,6 mg/lít hay 0,05% nó có thể gây chết ngươi trong vòng

30 phút đến 1 giơ.

H2S được hình thanh trong hầm khí sinh học do sự chuyển đổi protein

của các chất có chứa lưu huỳnh. Các chất nay có thể la protein thực vât va dư

lượng thức ăn gia súc. Tuy nhiên, khi phân động vât va con ngươi được sử

dụng, vi khuẩn tiết ra trong ruột la nguồn chính của protein. Lưu huỳnh vô cơ,

đặc biệt la sulphates, cũng có thể được sinh hóa chuyển đổi thanh H2S trong

buồng lên men. Khi H2S cháy vơi tỉ lệ không khí/biogas đúng, chúng biến

thanh lưu huỳnh: 2H2S + O2 → 2H2O + 2S

Khi oxygen trong hỗn hợp thừa, một phần hay toan bộ H2S biến thanh

SO2. Ngay cả khi thanh phần không khí/biogas đúng hoan toan, một bộ phân

H2S cũng biến thanh SO2: 2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2

Do vây, có thể nói H2S góp phần lam tăng nhiệt trị của biogas. Vấn đề

là khi SO2 gặp nươc sẽ sinh ra axit: SO2 + H2O → H2SO3

H2SO3 la chất gây hại, nhưng nguy hại hơn khi oxygen tham gia vao

phản ứng để hình thành H2SO4: 2H2SO3 + O2 → 2H2SO4

Những phản ứng nay hoan toan không mong muôn nên cần loại bỏ

H2S, đặc biệt la khi sử dụng biogas lam nhiên liệu cho động cơ đôt trong. Tuy

nhiên, trong nhiều trương hợp ứng dụng, sự loại bỏ H2S cũng không phải bắt

buộc vì ham lượng của chúng không lơn (nhỏ hơn 0,1%).

Tác hại của H2S đến sản xuất va sử dụng biogas có thể được tóm tắt

như sau: Trong hầm khí biogas, H2S hòa tan được chứa trong bùn lên men va

ở trạng thái cân bằng giữa H2S hòa tan và H2S thể khí. H2S hòa tan vơi nồng

độ cao có thể giết chết các vi khuẩn trong bùn, gây ức chế quá trình sản xuất

khí sinh học va đó la nguyên nhân gây thay đổi thanh phần khí biogas. Trong

12

trương hợp nay cần cấp ít vât liệu giau lưu huỳnh vao hầm sinh khí đồng thơi

pha loãng nguyên liệu cần phân hủy bằng nươc. Trong trương hợp ít nghiêm

trọng chỉ cần khuấy mạnh nguyên liệu bên trong bể phản ứng có thể loại bỏ

được H2S ra khỏi bùn.

Trong quá trình sử dụng, sự hiện diện của khí H2S trong biogas gây ăn

mòn các bộ phân kim loại. Sắt la đôi tượng dễ bị tấn công bề mặt, mặc dù

không phải la ăn mòn lơn. Các bộ phân mạ kẽm cũng bị ăn mòn bề mặt tương

tự. Các chi tiết được chế tạo bằng kim loại mau, chẳng hạn như bộ ổn áp áp

lực, đồng hồ lưu lượng khí, van va giá đỡ … bị ảnh hưởng nghiêm trọng hơn

nhiều. Những vât liệu nay thương bị ăn mòn rất nhanh.

Sản phẩm của quá trình cháy H2S là SO2 khi kết hợp vơi hơi nươc sinh

ra axit, gây ăn mòn các bộ phân động cơ trong buồng đôt, hệ thông thải va các

chi tiết tiếp xúc vơi khí thải khác nhau. Tác hại cang trầm trọng hơn khi động

cơ khởi động thương xuyên, thơi gian hoạt động ngắn va nhiệt độ tương đôi

thấp khi bắt đầu khởi động va sau khi dừng động cơ. Thơi gian đại tu đầu tiên

có thể giảm khoảng 10 - 15% đôi vơi động cơ sử dụng biogas có chứa H2S so

vơi động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng. Mặt khác, khi sử dụng biogas có chứa

lưu huỳnh lam nhiên liệu, thơi gian giữa hai lần thay dầu bôi trơn động cơ

cũng rút ngắn lại. Do SO2 trong sản phẩm cháy va hơi nươc hòa tan trong dầu

bôi trơn nên dầu trở nên có tính axit va bị biến chất, lam mất khả năng bôi

trơn va đôi khi ăn mòn các chi tiết kim loại. Trong điều kiện đông cơ sử dụng

nhiên liệu biogas có chứa lưu huỳnh hoạt động liên tục, khoảng thơi gian giữa

2 lần thay dầu giảm 200 - 250 giơ so vơi khi lam việc bằng nhiên liệu không

chứa lưu huỳnh. Do đó việc loại bỏ H2S la cần thiết cho việc sử dụng biogas

ở công đoạn cuôi.

1.2.2. Siloxane

Siloxane hiện diện trong nươc thải chủ yếu có nguồn gôc từ các sản

phẩm vệ sinh, dầu gội đầu va những sản phẩm dùng chăm sóc tóc, mĩ phẩm

… Trong quá trình xử lý nươc thải, siloxane hấp thụ trong bùn hoạt

13

tính.Siloxane không bị phân hủy sinh học nhưng tích tụ trong bùn hoạt

tính.Ham lượng siloxane trong bùn cao hơn đáng kể so vơi ham lượng của

chúng trong nươc thải (Dewil 2006).Trong quá trình tiêu hóa bùn, siloxane

nhẹ chuyển thanh pha khí. Phần siloxane nặng còn lại trong bùn của hầm

biogas.Ươc chừng 20 - 50% siloxane trong nươc thải va trong bùn hoạt tính

có mặt trong biogas, phần còn lại nằm trong chất thải của hầm sinh khí

(Kazouki 2007).Ham lượng siloxane trong biogas của hầm sinh khí từ bùn

trạm xử lý nươc thanh phô khoảng từ 20 - 50 mg/m3. Ham lượng siloxane

trong biogas từ bai rác khoảng 10 - 30 mg/m3 (Dewil 2005).

Siloxane hữu cơ la hợp chất semi - volatile. Chúng không phản ứng hay

ăn mòn nhưng chúng chuyển sang silic cứng bám vao buồng cháy động cơ,

trên đầu xi lanh, ngăn cản dầu nhơn đến bôi trơn. Những hợp chất silicon hữu

cơ hiện diện trong biogas có thể gây hỏng hóc động cơ.Trong quá trình cháy,

chúng bị oxi hóa thanh oxide silicon bám vao bám vao bougie, xú páp va đầu

xi lanh. Lơp bám silicon trên đỉnh piston có mau trắng xám, chủ yếu la SiO2

va kim loại. Động cơ đánh lửa cưỡng bức bị ảnh hưởng bởi siloxane lơn hơn

động cơ nhiên liệu kép.

Lơp bám SiO2 trên thành buồng cháy ảnh hưởng đến truyền nhiệt, tỉ sô

nén động cơ. Mặt khác, một bộ phân silicon lọt xuông carter lam bẩn dầu

nhơn.Vì vây, dầu nhơn cần được thay thương xuyên hơn khi động cơ hoạt

động vơi nguồn biogas chứa nhiều siloxane. Turbine lam việc ở nhiệt độ cao

bị ảnh hưởng nặng nề bởi thanh phần siloxane trong biogas.

Mặt khác, trong quá trình cháy, siloxane biến thanh những hạt mai silic

gây mòn phần đầu xi lanh, xú páp. Bougie của động cơ đánh lửa cưỡng bức bị

chóng hỏng do silic bám vao cực. Những động cơ có bộ xúc tác có thể bị tê

liệt do lơp silic bám trên lơp kim loại hoạt tính. Những vấn đề nay gây ảnh

hưởng lơn đôi vơi động cơ đánh lữa cưỡng bức chạy bằng biogas ở tôc độ lơn

va nhiệt độ cao. Những động cơ nhiên liệu kép (tôc độ bé, nhiệt độ thấp) ít bị

ảnh hưởng bởi lơp bám silic.

14

Lơp bám silic trong buồng cháy có thể lam giảm thơi gian giữa 2 lần bảo

trì từ 40000 - 20000 giơ xuông 14000 giơ khi chuyển động cơ truyền thông sang

chạy bằng biogas có chứa siloxane. Trong những trương hợp nghiêm trọng, việc

bảo trì động cơ phải tiến hanh sau khoảng 2000 đến 4000 giơ vân hanh.

Tóm lại, siloxane bản thân nó không trực tiếp gây ô nhiễm môi trương

va lam tăng mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ. Siloxane lam tăng chút ít

SOx do dầu bôi trơn bị đôt va tăng một ít CO do động cơ hoạt động trong điều

kiện bất lợi. Vì vây, việc loại bỏ siloxane được xem xét thuần túy trên khía

cạnh kinh tế khi so sánh chi phí đầu tư hệ thông lọc va chi phí sửa chữa, bảo

trì động cơ và đảm bảo nâng cao tuổi thọ thiết bị.Khi động cơ có trang bị hệ

thông xử lý xúc tác khí thải, việc lọc bỏ siloxane trong biogas trươc khi sử

dụng la rất cần thiết.

1.2.3. Cacbonic (CO2)

Cacbonic la tạp chất chính có mặt trong biogas.Nó la chất không độc

nhưng nó lam giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Để tăng giá trị năng lượng của

biogas trên một đơn vị thể tích lưu trữ, đặc biệt la khi nén biogas để lam nhiên

liệu cho thiết bị vân chuyển, ngươi ta phải lọc bỏ cacbonic. Trong các trương

hợp sử dụng biogas lam nhiên liệu tại chỗ (như đun nấu, chạy động cơ tĩnh

tại,…), việc loại bỏ la CO2 la không cần thiết.

1.2.4. Amoniac (NH3)

Amoniac (NH3) la một chất gây ô nhiễm thông thương có nguồn gôc từ

quá trình phân hủy các phân tử nitơ hữu cơ. Nó cũng ăn mòn va gây nguy

hiểm cho sức khoẻ, nhưng sự đôt cháy của NH3 chỉ lam tăng lượng phát thải

nitơ oxit (NOX), NH3 không nguy hại như H2S.

Việc chuyển đổi năng lượng hóa học chứa trong khí sinh học sang nhiệt

hoặc điện có thể xảy ra qua quá trình đôt. Nếu nhiệt la sản lượng yêu cầu thì

biogas thương được cho vao các thiết bị nồi hơi, nhiệt lượng được giải phóng

rahơi nươc va khí thải. Nếu mục tiêu la điện thì biogas sẽ được cấp trực tiếp

15

vao động cơ đôt trong (động cơ ôtô hoặc tuabin) hoặc cấp cho các lò đôt, bộ

truyền nhiệt/nồi hơi tạo ra hơi nươc chất lượng cao cho sản xuất điện thông

qua các tua bin chạy bằng hơi nươc. Trong tất cả các trương hợp, chất lượng

khí sinh học rất quan trọng bởi nồng độ CH4 va độ tinh khiết.

Việc loại bỏ các chất nay ra khỏi biogas va loại bỏ hơi nươc lam giau

nồng độ metan trong khí biogas, đáp ứng yêu cầu nhiên liệu đầu vao máy phát

điện.

1.3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÀM SACH KHÍ SINH HOC

Hiện nay có nhiều phương pháp lam giau khí CH4 trong biogas bằng

cách tách các tạp chất ra khỏi biogas. Lam sạch khí sinh học có thể được chia

thanh hai phương pháp cơ bản như: Các quá trình hóa lý (hấp thụ hóa học

hoặc hấp thụ vât lý, hấp phụ hóa học hoặc hấp phụ vât lý); Các quá trình sinh

học (nhơ tiêu thụ chất gây ô nhiễm do quá trình chuyển hóa của sinh vât sông

để chuyển sang dạng không độc hoặc ít độc hơn).

Ky thuât thứ nhất được đề câp đến các quá trình sau: hấp thụ hóa học

bằng dung môi hấp thụ; hấp phụ hóa học lên bề mặt rắn.

Ky thuât thứ hai liên quan đếncác quá trình sinh học. Tác nhân la các

loại vi khuẩn thiobacterotrophic khác nhau đóng vai trò như các chất ôxy hoá

S trong thiết bị lọc sinh học, máy phân tích sinh học va các thiết bị lọc mang

sinh học. Cụ thể hơn chúng ta đi sâu vao một sô phương pháp được trình bay

dươi đây.

1.3.1. Loại bỏ H2S và NH3 bằng phương pháp hóa lý

Môi quan hệ giữa H2S vơi các cation kim loại la cơ sở của các quá trình

hấp thụ hóa học. La quá trình ôxy hóa của S2- đến S0, quá trình nay dựa trên

sự kết tủa S2- thông qua kết tủa vơi các muôi kim loại có Ksp rất thấp (sản

phẩm hòa tan trong nươc). Một lựa chọn khác la sử dụng các dung dịch kiềm

phản ứng nhanh vơi H2S. Tuy nhiên, phương pháp không được xem xét ở đây

do tầm quan trọng thấp va xảy ra phản ứng của CO2 vơi các dung dịch kiềm,

16

va các chất kiềm tương đôi đắt tiền. Do đó, phương pháp nay ít được lựa chọn

hơn cho xử lý H2S.

1.3.1.1 Các quá trình liên quan đến chuyển đổi H2S sang S0

Công trình đầu tiên được công bô về các phức của Fe3+vơi H2S và

mercaptans (Philip va Brooks) vao năm 1974. Sau đó một thâp kỉ vao năm

1984, Neumann va Lynn công bô những phát hiện của họ về sự ôxy hoá hấp

thụ của H2S và O2 bằng sắt (Fe). Các phản ứng oxi hóa khử la:

2Fe3+ + H2S = 2Fe2+ + S + 2H+ (1)

2Fe3+ + ½ O2 + H2O = 2Fe3+ + 2OH- (2)

Năm 1991, Công ty Dow Chemical đa đệ trình bằng sáng chế, có thể

bảo vệ quy trình Sulferox® được thương mại hoá bởi Shell va Dow. Sáng chế

nay ra đơi đáp ứng nhu cầu cho nganh sản xuất dầu khí va than đá, bởi các

hoạt động nay đa sản sinh ra một lượng lơn khí chua (lưu huỳnh), va chúng

cần được loại bỏ bằng cách khử trong các công đoạn sản xuất.. Mặc dù công

nghệ nay đa được mô tả ky trong bằng sáng chế nhưng không có dữ liệu về

động học của quá trình. Do vây, năm 1994, Wubs and Beenackers đa công bô

nghiên cứu về động học của sự hấp thụ H2S vao dung dịch axit

etylenediaminetetraacetic axetic (EDTA) và axithydroxy-

ethylethylenediaminetriacetic (HEDTA). Nghiên cứu đa chỉ ra chỉ có các

dạng hydrôxyl của phức Fe mơi phản ứng vơi H2S do đó phản ứng có thể xảy

ra ở các giá trị pH cao.

Các mô hình gần đúng đa được hoan thiện bởi Demmink va Beenackers

vao năm 1998 la những ngươi đa kết hợp chuyển động va phản ứng chuyển

hoá khôi lượng dựa trên lý thuyết thâm nhâp trong mô hình toán học. Họ đề

xuất va xác nhân một cơ chế phản ứng rõ rang, mô tả mức độ phản ứng cao

hơn của các nhóm hydroxyl. Tuy nhiên, phát hiện chính đó la ảnh hưởng đáng

kể của gradient tâp trung ở gần, điều nay phụ thuộc vao điều kiện hoạt động

có thể lam cho sự khuếch tán H2S trở thanh bươc điều khiển của quá trình.

Mô hình tổng quát có thể được mở rộng, nhưng ảnh hưởng của điều kiện vân

17

hanh đôi vơi hệ sô truyền H2S thông qua chức năng mang lỏng (KL) không

được biết đến, điều nay đa lam hạn chế khả năng áp dụng của mô hình trong

thực tiễn. Trong hầu hết tất cả các nghiên cứu đều xác định các phản ứng

động học la bằng 1 vơi H2S va như nhau vơi Fe3+. Gần đây vao năm 2003,

Iliuta va Larachi đa đề xuất áp dụng phương pháp nay trong các nha máy giấy

Kraft. Họ đa kết hợp nươc thải có chứa O2 và H2S vơi dung dịch phức sắt

trong thiết bị lọc. Ngoai ra còn có hai bằng sáng chế khác của Dow Chemical,

được đệ trình bởi Viện Dầu khí Quôc gia Pháp (Institut Français du Petrole-

IFP). Chỉ có một sự khác biệt đáng chú ý la: Không sử dụng bươc tách nano

riêng để loại bỏ nươc va các sản phẩm hóa chất có hại; Vân hanh quá trình ở

áp suất cao (lên đến 1 MPa).

Năm 2004, Horikawa va cộng sự đa sử dụng phương pháp nay trong

một bộ tiếp xúc điều khiển lỏng va khí trong điều kiện phòng thí nghiệm ở

nhiệt độ phòng (RT) va áp suất khí thấp (P), nhằm mục đích: trình bay một

phương pháp đáng tin cây hơn đó la sử dụng dung dịch phức Fe; chứng minh

khả năng hấp thụ cao hơn va hiệu quả của phương pháp so vơi hấp thụ nươc;

thu thâp dữ liệu để tính toán quy mô lơn va đánh giá về mặt kinh tế ky thuât

của quy trình. Trong phương pháp nay, khí H2S khuếch tán trong dung dịch

phức sắt vao xảy ra phản ứng ôxy hóa, S2- được chuyển thanh S0, các cation

Fe3+giảm xuông Fe2+. S0 không tan va tồn tại như một pha rắn trong thiết bị

phân hủy. Dung dịch phức Fe sau sử dụng được lọc hoặc lắng để loại bỏ chất

rắn S va sau đó tái sinh lại dạng Fe3+ thông qua việc ôxy hóa bằng dòng

không khí ngược, quá trình thực hiện được mô tả tại Hình 1.3

Sử dụng dung dịch phức Fe được chuẩn bị vơi bột Fe va HBr lam

nguyên liệu để tổng hợp FeBr2, (hoặc sử dụng FeCl2) được sử dụng để chuẩn

bị dung dịch Fe-EDTA 0,2 mol/l. Các thực nghiệm bao gồm khí sinh học mô

phỏng (hỗn hợp tổng hợp) chứa khoảng 80% thể tích CH4 và H2S 2,2-2,4%

thể tích. Kích thươc thiết bị hấp thụ hình trụ: đương kính trong (ID) = 5,4cm

18

va chiều cao (H) = 36cm. Tôc độ dòng dung dịch la L = 68-84 ml/phút, tôc độ

dòng khí 1000 ml/phút ở áp suất (P) = 1,2-2,2 bar.

Hình 1.3. Sơ đồ làm sạch khí biogas bằng dòng ngược

Đôi vơi P va L cao thì hiệu quả loại bỏ H2S có thể đạt được 100%. Các

thí nghiệm cho phép xác định tôc độ khử hoạt tính va sự tái tạo sau đó. Đáng

chú ý la tỉ lệ thu hồi CO2 từ dung dịch nay không đáng kể so vơi các dung

dịch kiềm. Các dữ liệu cho phép dễ dang tính được thơi gian lưu, nhưng để

tăng quy mô thì không thể la quá trình chuyển tiếp thẳng bởi vì chưa có các

dữ liệu động học để có thể xác định xem quy trình nay có được khuếch tán

hay kiểm soát phản ứng hay không. Do đó, cần phải có thêm dữ liệu để tránh

sai sót trong quy mô lơn. Bên cạnh đó, mặc dù điều kiện của quy trình thấp

(RT va P thấp) nhưng đòi hỏi các bươc khá phức tạp, va để ứng dụng công

nghiệp thì yêu cầu các đơn vị công suất cao. Do vây cho đến nay, không có

ứng dụng công nghiệp nao được biết đến va xác suất tìm thấy quá trình áp

dụng đôi vơi các trang trại chăn nuôi khác khá thấp.

1.3.1.2 Các quy trình liên quan đến việc chuyển đổi H2S sang sulfua kim

loại có khả năng hòa tan thấp

Năm 1992, Broekhuis va cộng sự đa đưa ra một quy trình nhằm loại bỏ

H2S khỏi khí chua từ các nha máy lọc dầu sử dụng các dung dịch kim loại

19

SO42-. Quá trình nay sử dụng CuSO4 hoặc ZnSO4 để hình thành các sulfide

kim loại ít tan, đồng thơi sử dụng Fe3+ để ôxy hóa S2- đến S0 va tái tạo Fe2+

bằng cách ôxy hóa nhơ không khí trong môi trương xung quanh… Quá trình

triển khai lam sạch khí bằng nươc như la một thiết bị kết hợp phản ứng cho

pha khí-lỏng. Khí H2S trong dung dịch SO42- phản ứng vơi cation kim loại tạo

thành SO42- không tan. S2- kim loại phản ứng (phản ứng oxi hóa) vơi các

cation sắt để tạo thanh S0, do đó giải phóng cation cho việc thu nạp S2- mơi.

Các cation Fe2+hình thành khi ion Fe3+ giảm dần, sau đó được đưa đến tái

sinh dươi điều kiện oxi không khí. Các phản ứng diễn ra được thể hiện bởi

các phương trình như sau:

Me2+ + H2S + 2SO42- MeS(s) + 2HSO4

- (3)

MeS(s) + 2Fe3+ Me2+ + 2Fe2+ + S (4)

2Fe2+ + 1/2O2 + 2HSO4- 2Fe3+ + H2O + 2SO4

2- (5)

H2S + 1/2O2 S + H2O (6)

Thí nghiệm vơi Zn va CuSO42-. Thí nghiệm vơi Zn không đạt yêu cầu

trong phạm vi pH (do đó cần bổ sung axit H2SO4), trong khi đó Cu cho hiệu

qủa loại S tôt hơn rất nhiều, thâm chí pH ở mức 2,6. Dung dịch Cu cho phép

hấp thụ nhanh, tuy nhiên các phép thử cho thấy quá trình nay bị giơi hạn sự

khuếch tán. Các kết quả tôt nhất thu được ở nhiệt độ khoảng 60°C. Ôxy hóa

khử dung dịch Cu vơi cation sắt phải được thực hiện ở nhiệt độ hơn 100°C để

đạt được độ chuyển đổi cao hơn 99% vơi thơi gian lưu la 5 phút. Quá trình

nay được áp dụng đôi vơi khí than vì những điểm tương đồng vơi các công

nghệ được đề câp ở trên (nhiệt độ cao, pH thấp). Ứng dụng của phương pháp

nay ở quy mô thấp hơn la hầu như không thể xảy ra do sự phức tạp và chi phí

tương đôi cao. Bên cạnh đó, quá trình nay diễn ra mạnh hơn va mức độ

nghiêm trọng của các phản ứng cao hơn. Vì vây, tất cả các hoạt động xảy ra ở

nhiệt độ trên 60°C, trong môi trương ăn mòn do pH thấp va sự có mặt của axit

mạnh như H2SO4.

20

Gần đây, vao năm 2005, H. ter Maat va cộng sự đa trình bay phần I va II

trong nghiên cứu của họ, các tác giả đa tiến hanh nghiên cứu về việc loại bỏ

H2S khỏi dòng khí thải(nói chung), sử dụng các dung dịch SO42-. Họ tâp trung

vào CuSO4 va tái sinh để chuyển hóa CuS thanh CuO. Họ xác định phạm vi

pH tôi ưu cho lượng sunfua được phun dươi dạng sương. Không có gì để cải

thiện mức độ nghiêm trọng của các phản ứng được trình bay trươc đây va khả

năng công nghệ nay áp dụng cho quá trình lam sạch biogas trong tương lai

gần.

1.3.1.3 Phương pháp sử dụng chất hấp phụ rắn để loại bỏ H2S

Các quá trình nay được dựa trên sự hấp phụ chọn lọc của H2S đôi vơi

chất hấp phụ rắn…. Giông như hầu hết các quy trình hấp phụ, được bán liên

tục vì có dòng liên tục va một lơp chất hấp phụ cô định đang dần bị bao hòa.

Các quá trình nay không được sử dụng để khử lưu huỳnh ở quy mô lơn, do

không thể phục hồi chất hấp phụ va tuổi thọ hữu ích của nó la tương đôi ngắn.

Do đó, chúng được coi la phù hợp hơn cho việc thanh lọc sản xuất khí thải ở

quy mô nhỏ (như: lên men phân chuồng, chất thải sữa va các bai chôn lấp vừa

va nhỏ). Danh mục phụ của các quá trình nay được xác định bởi loại chất hấp

phụ. Dươi đây la một sô loại chất hấp phụ.

a. Sử dụng Sắt oxit

Bột sắt la chất hấp phụ sắt oxit được biết đến nhiều nhất. Các loại oxit

sắt hấp thụ chọn lọc H2S va mercaptans. Thanh phần hoạt tính chủ yếu la oxit

sắt hydrat (Fe2O3) có cấu trúc đương tinh thể alpha va gamma. Hỗn hợp oxit

Fe3O4 (Fe2O3, FeO) cũng tham gia vao quá trình nay. Những đặc trưng tiêu

biểu cho sắt bột được đưa ra vao năm 1997 bởi Kohl va Neilsen.

Các phản ứng hóa học liên quan được thể hiện trong các phương trình

sau:

Fe2O3 + 3H2S=Fe2S3 + 3H2O (7)

Fe2S3 + 3/2O2=Fe2O3 + 3S (ΔH 198MJ/kmol H2S) (8)

21

Bột sắt cũng có khả năng loại bỏ mercaptans theo phương trình sau

Fe2O3 + 6RSH=2Fe(RS)3 + 3H2O (9)

Giông như tất cả quy trình hấp phụ khí-rắn, việc loại bỏ H2S dựa trên

oxit sắt được vân hanh theo chế độ mẻ vơi quá trình tái sinh riêng biệt hoặc

vơi một luồng không khí nhỏ trong luồng khí để tái sinh liên tục, ít nhất la tái

sinh một phần. Ở chế độ mẻ theo kinh nghiệm vân hanh cho thấy chỉ có thể

đạt được 85% (0,56 kg H2S/kg Fe2O3) hiệu suất ma Kohl báo cáo trong năm

1997 [231]. Các tác giả đưa ra sự tái sinh diễn ra dươi các điều kiện sau: Tôc

độ O2 8% vol nồng độ O2 trong dòng va vân tôc của oxit sắt/phút la 0,3-0,6

m3/m3. Ngoai ra, quá trình loại bỏ bằng việc rửa sạch, trương nở thanh một

lơp day 0,15 m va lam ẩm liên tục trong 10 ngay. Cần quản lý nhiệt xây dựng

trong rửa sạch trong quá trình tái tạo để duy trì hoạt động va ngăn ngừa sự

cháy. Do S0 tích tụ va mất nươc hydrat hóa, hoạt tính lam sạch bằng sắt giảm

khoảng một phần ba sau mỗi chu kỳ tái sinh. Vì vây, việc tái tạo chỉ thực hiện

được một hoặc hai lần trươc khi cần một lơp oxit sắt mơi.

Tỷ lệ loại bỏ 2,5 kg H2S/kg Fe2O3 được báo cáo trong chế độ tái tạo liên

tục (trên thực tế la một chế độ hồi phục) vơi một dòng cung cấp chỉ chứa

0,1% ôxy. Bởi vì oxit sắt la một công nghệ đa phổ biến nên các hương dân

tham sô thiết kế được thiết lâp cho hoạt động tôi ưu. Dựa trên các tiêu chí

nay, khí sinh học được tinh chế có các đặc điểm sau khi ở điều kiện 25°C va

đo P thấp hơn 2 kPa:

- Thanh phần khí sinh học: 60% CH4/40% CO2;

- Ham lượng S: 4000 ppmv H2S;

- Ham lượng nươc: biogas bao hòa;

- Lưu lượng khí biogas: 1400 m3/ngày.

Các dữ liệu kinh tế ky thuât sau đây có thể được tính toán:

- Tuổi thọ hữu ích của chất hấp phụ: 20-80 ngày;

- Tiêu thụ sắt hang năm: 4-16 tấn;

- Chi phí hoạt động hang năm: $1000 - $4500.

22

Lợi ích của phương pháp nay la hoạt động đơn giản va hiệu quả, tuy

nhiên những hạn chế đáng kể của công nghệ nay dân đến việc hạn chế sử

dụng trong những năm gần đây. Quá trình nay đòi hỏi nhiều hoá chất; chi phí

hoạt động cao; va một dòng thải liên tục của vât liệu thải được tích lũy. Ngoài

ra, quá trình thay đổi bên ngoai quá tôn nhiều công lao động va có thể gây

khó khăn nếu nhiệt không được loại bỏ trong quá trình tái tạo. Điều đáng

quan tâm nhất la việc xử lý an toan các miếng oxit sắt đa qua sử dụng, trong

một sô trương hợp các vât liệu đa qua sử dụng có thể được coi la chất thải độc

hại đòi hỏi phương pháp xử lý đặc biệt. Việc chôn lấp tại hiện trương vân

được thực hiện, nhưng đa trở nên nguy hiểm hơn do sợ sự cần thiết phải khắc

phục trong tương lai.

Gần đây, vât liệu oxit sắt trở nên độc quyền, như:SO42-reat® Sulphur-

Rite® và Media-G2®, đa được đưa ra như la những lựa chọn thay thế tôt hơn

cho miếng oxit sắt. Đặc tính của chất hấp thụ sử dụng đa trở thanh yếu tô

quan trọng trong việc đánh giá tính bền vững về công nghệ va ky thuât của

các công nghệ nay. Thực tế, đôi vơi các ứng dụng vừa va nhỏ (trang trại va

bai chôn lấp) chi phí liên quan đến việc xử lý cuôi cùng chất hấp thụ đa tiêu

hao có thể xác định tính khả thi của dự án đầu tư. Từ quan điểm khoa học

thuần túy, tất cả các chất hấp phụ nay đều có chứa sắt, S0 và sulfua. S0 không

được cô định trong mạng lươi chất hấp phụ, trong khi quặng S2- sắt có thể la

bột hoặc hạt tự do gắn vơi mạng lươi chất hấp phụ.

b. Than hoạt tính (AC) và AC pha tạp

Có ba loại AC cơ bản: Cacbon hoạt tính xúc tác (có thể tái sinh), cacbon

hoạt tính va các cacbon không hoạt tính (ban đầu). Dươi đây la mô tả chi tiết

cho mỗi loại cacbon:

Các bon hoạt tính xúc tác:

Xúc tác AC được xử lý bằng urê hoặc một sô hóa chất khác có chứa

nitơ (NH3). Các hóa chất nay phản ứng vơi các vị trí trên bề mặt các hạt AC

va gắn thêm các nhóm chức của nitơ. Các nguyên tử cacbon có thể tái sinh.

23

Thực tế điều nay không khả thi do lượng nươc sử dụng rất lơn va tạo dòng

axit tạo ra trong quá trình tái sinh. Chất xúc tác AC hoạt tính có tải trọng H2S

khoảng 0,10g/g AC (phương pháp thử ASTM D-6646).

Cácbon hoạt tính

AC la những chất ma một chất hóa học rắn hoặc lỏng được trộn vơi

chất nền cacbon trươc, trong, hoặc sau khi kích hoạt. Các hóa chất được sử

dụng la natri bicarbonate (NaHCO3), natri cacbonat (Na2CO3), natri hydroxit

(NaOH), kali hydroxit (KOH), kali iodua (KI), và kali permanganat (KMnO4).

Đôi khi cũng sử dụng hỗn hợp của các hóa chất nay. Tải trọng H2S điển hình

cho quá trình xử lý bằng AC la 0,15 g/g AC. Các nguyên tử cacbon được tái

sinh bằng cách ứng dụng cơ học mạnh. Sự tái tạo như vây khá rươm ra đôi

vơi các ứng dụng nhỏ va có thể tạo ra lượng chất hấp phụ đa sử dụng được

xếp vao nhóm chất thải nguy hại.

Cácbon không hoạt tính:

AC không hoạt tính được sử dụng để loại bỏ H2S có tải trọng khoảng

0,02g/g AC. Norit giơi thiệu sản phẩm DARCO® H2S có tải trọng xử lý H2S

là 0,2g/g AC. DARCO® H2S có chi phí giông như AC không hoạt tính khác

dùng cho việc xử lý H2S va có khả năng chịu tải gấp 4-10 lần.

Cácbon được biết đến như la các chất hấp phụ rất cụ thể để loại bỏ các hợp

chất hữu cơ dễ bay hơi từ các dòng thải công nghiệp. Năm 2005, Dabrowski

va cộng sự đa công bô một nghiên cứu đánh giá về AC được triển khai để loại

bỏ các hợp chất phenolic, nghiên cứu nay cũng cung cấp các phương pháp

chuẩn bị AC va các tính chất, đặc tính hóa lý của chúng. Do ái lực tương đôi

thấp đôi vơi H2S nên việc sử dụng AC trong việc loại bỏ H2S bị hạn chế. Năm

1999, Abid va cộng sự cho thấy độ pH có vai trò quan trọng đôi vơi khả năng

hấp phụ va sự phân bô của sản phẩm. Do đó, khi bề mặt cacbon mang tính

axit cao S bị ôxy hóa mạnh tạo ra nhiều sản phẩm tan trong nươc va ít S

nguyên tô, nhưng tổng dung tích hấp thụ sẽ giảm xuông khi độ axit tăng lên.

24

Chỉ một sự gia tăng nhẹ pH trung bình cũng dân đến năng suất tăng hơn 15

lần do sự hấp phụ các ion hydro sunfua va sự ôxy hóa của chúng, chỉ giảm

một phần ba sản lượng lưu huỳnh hòa tan trong nươc. Ngoai ra còn có các sản

phẩm bổ sung từ cùng một nhóm trên hai chuỗi cacbon (vỏ dừa va nguồn gôc

than đá). Trong khi ở các giá trị pH trên 5 khả năng hấp thụ H2S được coi la

đáng kể, trong điều kiện môi trương axit mạnh hơn sẽ lam giảm sự phân ly

của H2S va gây hạn chế quá trình hấp phụ. Hiệu suất giảm đáng kể khi sô

nhóm axit vượt quá ngưỡng 0,85 meq/g cacbon.

Tuy nhiên, khi AC được xử lý (tức la thông qua việc hoạt hóa) vơi chức

năng axit hoặc kiềm, chúng sẽ trở thanh các chất hấp phụ H2S tôt. Năm 2002,

Bandosz xuất bản một nghiên cứu khá toan diện về vấn đề nay. Tác giả đa sử

dụng AC từ nhiều nguồn khác nhau va cho thấy hiệu suất AC trong việc hấp

phụ H2S phụ thuộc vao sự kết hợp của tính chất hóa học bề mặt va độ rỗng

của cấu trúc AC. Môi trương bề mặt có tính axit sẽ đẩy quá trình ôxy hóa H2S

lên SO2 và H2SO4 nhưng hiệu suất xử lý không cao, trong khi môi trương

kiềm do tạo ra sự chuyển đổi H2S thành S0 va đạt hiệu quả xử lý cao hơn.

Cũng như chất hấp thụ sắt, nồng độ nươc bề mặt cũng đóng một vai trò tích

cực trong hiệu quả loại bỏ H2S. Năm 2006, Seredych va Bandosz cho thấy

hoạt động của AC xúc tác trong việc loại bỏ H2S từ khí thải phụ thuộc vao

trạng thái nươc có trong hệ thông. Năng suất tôt nhất thu được khi lam ẩm

chất hấp phụ trươc va hỗn hợp khí phải không chứa nươc. Tuy nhiên, điều

nay không thực tế khi AC được sử dụng để loại bỏ H2S trong khí biogas đa

hoặc gần như bao hòa nươc. Nguyên nhân la do nươc trong biogas sẽ phản

ứng vơi CO2 tạo thanh cacbonat va góp phần tạo thanh acit sulfuric gây ra mất

các vị trí xúc tác cơ bản va lam giảm khả năng xúc tác. Khi chất xúc tác có

cấu trúc giông như khoáng chất của sắt va canxi thì hiệu suất không bị ảnh

hưởng nhiều bởi cacbonat.

AC có nguồn gôc từ gỗ vơi độ ẩm môi trương thương la 80% mang lại

khả năng hấp phụ tôt hơn (kiểm nghiệm ở giơi hạn nồng độ H2S là 500 ppmv)

25

do đặc tính bề mặt tôt hơn. Bằng phép tiêu chuẩn ASTM D6646-01 thu được

gần 300 mg H2S/g AC. Nghiên cứu nay đa kiểm tra tính chất hóa học của bề

mặt AC va các cơ chế đề xuất giải thích các kết quả quan sát được. Các cơ

chế cho thấy hạn chế tôc độ của hiện tượng loại bỏ H2S la do phản ứng bề mặt

của HS vơi gôc O*. Điều nay có nghĩa la [HS-]lỏng có nguồn gôc từ phản ứng

phân ly H2S. Các tính toán cho thấy để đạt được hiệu quả loại bỏ H2S thì [HS-

] phải cao hơn [H2S]khí va điều nay chỉ có thể xảy ra ở độ pH lý thuyết trên

4,2. Các thí nghiệm cho thấy ngưỡng nay la 4,5. Bandosz kết luân rằng độ pH

(được tính theo quy trình ASTM D3838) phải cao hơn 5 để có hiệu suất xử lý

H2S tôt nhất. Thí nghiệm tái sinh được thực hiện bằng cách rửa nươc hoặc xử

lý nhiệt. AC thu hồi lại chỉ đạt hiệu suất 40%.

Năm 2002, Bagreev va Bandosz đa kiểm tra vai trò của việc tẩm NaOH

trên nhiều loại AC. Bôn loại than hoạt tính có nguồn gôc khác nhau được tẩm

vơi nồng độ NaOH khác nhau va được sử dụng lam chất hấp phụ H2S trong

các thí nghiệm gia tôc. Kết quả cho thấy, vơi việc tăng nồng độ NaOH lam

công suất loại bỏ H2S tăng lên 4-5 lần cho đến khi đạt đến công suất tôi đa thì

nồng độ NaOH la 10%. Dung tích nay trên một đơn vị thể tích của cacbon la

như nhau đôi vơi tất cả cacbon va không phụ thuộc vao cấu trúc lỗ va diện

tích bề mặt của chúng. Hoạt tính cụ thể cho mỗi đơn vị diện tích bề mặt cũng

giông nhau cho tất cả các vât liệu nghiên cứu, bao gồm cả alumina hoạt tính.

Điều nay cho thấy lượng NaOH hiện diện trên bề mặt la một yếu tô hạn chế

cho khả năng hoạt tính. Bằng cách tăng giá trị pH của cacbon, sodium

hydroxide lam tăng nồng độ ion HS-. Các ion nay có thể được ôxy hoá tiếp để

tạo thanh lưu huỳnh nguyên tô hoặc axit sulfuric bằng cách thay đổi các giá

trị pH bề mặt. Các phản ứng diễn ra cho đến khi NaOH phản ứng vơi H2SO4

hoặc CO2 (một sản phẩm của các phản ứng bề mặt hoặc khí có trong khí

quyển) va môi trương cơ bản không còn được duy trì nữa.

c. Sử dụng các chất hấp phụ có nguồn gốc từ bùn

26

Bùn từ hoạt động sinh học la hỗn hợp khá phức tạp của chất hữu cơ va

vô cơ. Khả năng hấp phụ khí H2S từ các dòng mơi chỉ được nghiên cứu bởi sô

lượng rất hạn chế. Năm 2004, Bagreev va Bandosz đa thử nghiệm khả năng

hấp phụ các hỗn hợp phân huỷ của phân bón có chứa bùn thải va dầu khoáng

đa qua sử dụng. Quá trình nhiệt phân được thực hiện trong môi trương N2 ở

nhiệt độ từ 600°C va 950°C. Các sản phẩm tạo thanh có bề mặt kiềm. Khả

năng hấp phụ được tính bằng hiệu suất loại bỏ H2S. Các thí nghiệm nay được

tiến hanh vơi độ ẩm không khí 80% chứa 3000 ppmv H2S trong cột hấp phụ

va tôc độ dòng chảy 0,5l/phút. Giơi hạn xử lý H2S thoát ra la 500 ppmv. Hiệu

suất xử lý tôt nhất la 0,115g H2S/g chất hấp phụ) thu được vơi các mâu ở

950°C. Trong những điều kiện nay độ rộng các lỗ mau quản trong phạm vi

0,7nm va mao dân (1-10 nm) tăng lên do sự phân hủy các muôi vô cơ va oxit

vơi sự sản xuất đồng thơi O2 hoạt động như một lỗ rỗng. Ngoai ra trong điều

kiện tương tự, khôi lượng của các lỗ lơn hơn sẽ giảm, nguyên nhân la do sự

thay đổi vât chất của các chất vô cơ (nóng chảy). Cơ chế hấp phụ la rất phức

tạp vơi sự tồn tại của nhiều vị trí hoạt động.

Nghiên cứu nay cho thấy các chất hấp phụ mơi nay có thể thay thế phần

lơn ky thuât AC không hoạt tính. Hiệu quả của chúng gần vơi chất hấp phụ

sắt nhưng ít hiệu quả hơn so vơi AC đa hoạt tính. Chi phí sản xuất chất hấp

phụ có nguồn gôc từ bùn chưa được biết đến do vân đang trong giai đoạn

nghiên cứu va cho đến nay vân chưa có kết quả thương mại hoá nao. Vấn đề

đáng quan tâm la ảnh hưởng của bùn thải va nguồn dầu khoáng đến tính chất

của sản phẩm cuôi cùng do chứa ham lượng kim loại nặng cần phải loại bỏ để

đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng ổn định trong dây chuyền sản xuất thương

mại.

Sử dụng bùn cặn tẩm khoáng dầu đa qua sử dụng lam chất hấp phụ H2S

đa được tác giả Kante va cộng sự khảo sát. Kết quả cho thấy tầm quan trọng

của pha cacbon mơi chất dầu ban đầu. Giai đoạn nay cung cấp mesoporosity,

lam tăng mức độ phân tán của giai đoạn xúc tác va không gian để lưu trữ các

27

sản phẩm phản ứng bề mặt. Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy chất hấp

thụ thu được ở điều kiện nhiệt độ 950°C hoạt động mạnh hơn trong quá trình

ôxy hóa hydrogen sulfide so vơi chất hấp thụ thu được ở nhiệt độ thấp hơn

(650°C). Hơn nữa, xử lý nhiệt lâu hơn cũng có lợi cho sự phát triển của tính

chất xúc tác bề mặt. Nhiệt độ phân giải cao lam ổn định pha cacbon thông qua

sự tăng mức độ aromat hóa va cung cấp các tác nhân kích hoạt cho giai đoạn

nay từ sự phân hủy va sắp xếp lại của pha vô cơ.

1.3.2. Các phương pháp loại bỏ siloxan

Tùy thuộc vao quá trình xử lý yếm khí sinh khí sinh học ma có khí

siloxan hay không. Thương thì các quá trình xử lý yếm khí bùn thải va tại các

bai chôn lấp chất thải có sự xuất hiện của tạp chất siloxan, thanh phần nay

không phân hủy ma bay hơi đáng kể va được chuyển sang khí biogas. Trong

giơi hạn của đề tai, khí sinh học phát sinh trong từ quá trình lên men yếm khí

của bùn vi sinh tại hệ thông xử lý nươc thải nha máy sản xuất. Tuy nhiên, tác

giả cũng giơi thiệu thêm các phương pháp loại bỏ siloxan phổ biến hiện nay.

Vấn đề chính vơi siloxan trong khí sinh học la tạo ra silica vi tinh thể (MCS)

khi biogas được sử dụng lam năng lượng (trong quá trình đôt). MCS có các

tính chất thủy tinh va gây nhiễm bẩn các bề mặt kim loại dân đến mai mòn,

khiến các tia lửa hoạt động kém, gây quá nhiệt các bộ phân nhạy cảm của

động cơ do lơp phủ va gây ra sự suy giảm chung của tất cả các bộ phân cơ

khí. Đáng chú ý la biogas sinh ra từ quá trình lên men yếm khí phân chuồng

tại các trang trại không chứa loại chất nay. Do đó, vấn đề chỉ liên quan đến

khí sinh học sinh ra từ hoạt động chôn lấp rác thải hoặc phân ủ. Cách khắc

phục vấn đề nay la thông qua việc loại bỏ siloxan ra khỏi hỗn hợp khí trươc

khi sử dụng, có bôn ky thuât để loại bỏ siloxan bao gồm:

(a) Loại bỏ siloxan bằng quá trình hấp thụ với chất lỏng

Cơ chế tách được thực hiện bằng cách cắt đứt liên kết Si-O khi được xúc

tác bằng các axit hoặc kiềm mạnh. Sử dụng dung dịch kiềm có nhược điểm la

xảy ra phản ứng vơi CO2, do đó lam tăng đáng kể lượng tiêu thụ va tăng chi

28

phí. Các axit HNO3, H2SO4 và H3PO4 được sử dụng ở nhiệt độ tương đôi cao

(khoảng 60°C). Axit H3PO4 được chứng minh la không có hiệu quả. Sử dụng

HNO3 có nồng độ cao (33%) thì hiệu suất loại bỏ siloxan thấp hơn 75%, trong

khi sử dụng H2SO4 thì hiệu suất loại bỏ gần như hoan toan la 100% siloxan

chỉ vơi nồng độ axit la 50% ở nhiệt độ 60°C. Hơn nữa, do phản ứng sử dụng

các cột tiếp xúc lỏng va khí nén vơi vân tôc tương đôi cao để bảo đảm bề mặt

va hệ sô truyền tải khôi lượng cao nên sự có mặt của các giọt axit trong pha

khí sẽ rất đáng kể. Các kết quả nay chứng minh quá trình nay xảy ra rất mạnh

do tính axit cực kỳ cao va tính khả thi về mặt kinh tế, ky thuât la vấn đề cần

quan tâm khi ứng dụng trong thực tiễn.

(b) Loại bỏ siloxan bằng hấp phụ than hoạt tính (AC), màng phân tử alumina,

silicagel (SG) hoặc các hạt polymer

Trong cùng lĩnh vực nghiên cứu các tác giả đa khảo sát các ky thuât loại

bỏ siloxan khác nhau vơi các chất hấp phụ rắn. Họ đa sử dụng hai loại

polyme: mang phân tử (zeolit 13X) SG, va 2 chất hấp phụ dựa trên AC (than

hoạt tính va Carbopack B). Các thí nghiệm được thực hiện như sau : cho 0,5g

mỗi chất hấp phụ tiếp xúc vơi 5mg các loại siloxan khác nhau. Sau đómột

bình cô định chứa 0,5g chất hấp phụ được cho tiếp xúc vơi dòng N2 vơi vân

tôc 200 ml/phút chứa 1,2mg siloxan/Nm3 trong 2 phút. Giá trị đo được la khả

năng loại bỏ siloxan tương ứng vơi khôi lượng siloxan có ảnh hưởng, các kết

luân chính cho hiệu quả xử lý như sau:

- Khả năng hấp phụ chủ yếu phụ thuộc vao loại siloxan, nghĩa la trong mọi

trương hợp D5 siloxan (decamethyl cyclopentasiloxan) hấp thụ tôt hơn L2

siloxan (hexamethyldisiloxan). Do vây thanh phần siloxan phải được xem xét

nghiêm túc;

- Một sô siloxan (giông như D5) hấp phụ rất tôt trong tất cả các quá trình hấp

phụ được kiểm tra;

- SG la chất hấp thụ hiệu quả nhất nhưng cần điều kiện khí khô. Trên thực tế,

khí có độ ẩm 30% RH lam giảm hiệu quả hấp phụ của SG, hiệu suất chỉ đạt

29

50% tải trọng siloxan nếu so sánh vơi khí khô (0% RH). Vì khí biogas ở trạng

thái gần bao hoa hơi nươc nên khi sử dụng phương pháp nay cần phải được

thực hiện theo hai bươc: sấy khô va sau đó la loại bỏ siloxan;

Khí biogas được sinh ra từ các nha máy xử lý nươc thải có chứa chất ô

nhiễm siloxan được xử lý bằng cách đưa khí biogas qua cột hấp phụ chứa

alumina hoạt tính để loại siloxan. Khi alumina trở nên bao hòa vơi siloxan, thì

khả năng hấp thụ của nó có thể được phục hồi bằng cách thổi khí nóng qua

cột hấp phụ. Hệ thông có chứa hai hoặc nhiều cột hấp thụ alumina thì có thể

sử dụng một cột để loại bỏ siloxan trong khi các cột khác đang được tái sinh.

(c) Loại bỏ siloxan bằng phương pháp hòa tan với dung môi hữu cơ

Phương pháp nay dựa vao sự hòa tan chọn lọc của siloxan trong một sô

dung môi hữu cơ có điểm sôi cao (như: tetradecane). Hiệu suất thu được la

97% đôi vơi D4 siloxan. Việc áp dụng phương pháp nay trong các mô hình

vừa va nhỏ la không bền vững về mặt kinh tế va ky thuât.

(d) Loại bỏ siloxan bằng phương pháp ngưng tụ Cryogenic

Cần lam lạnh đến -70°C để đạt được hiệu suất loại bỏ siloxan đạt hơn

99%. Ở điều kiện -25°C chỉ có 26% siloxan ngưng tụ dươi dạng chất lỏng.

Phát minh nay nhằm mục đích loại bỏ liên tục siloxan va H2O ra khỏi dòng

thải. Quá trình nay bao gồm các môđun sau:

- Lam mát dòng thải trong thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên đến nhiệt độ -17°C

để ngưng tụ một phần H2O từ dòng thải;

- Lam lạnh tiếp tục khí thải trong thiết bị trao đổi nhiệt thứ hai ở nhiệt độ

khoảng -29°C để cô đặc các siloxan va đóng băng lượng H2O còn lại;

- Sau đó la quá trình ngưng tụ siloxan bằng Cryogenic.

Phương pháp đạt hiệu quả cao ở nhiệt độ khoảng -70oC nhưng tôn năng lượng

va cần có những phân tích về kinh tế, ky thuât để chứng minh tính bền vững

của phương pháp nay.

1.3.3. Loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học

30

1.3.3.1 Loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc sinh học

Loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học (biofilters) thương hoạt động ở

nhiệt độ môi trương xung quanh va áp suất khí quyển, phương pháp nay đa

trở thanh quy trình phổ biến để xử lý H2S trong chất khí. Đặc trưng của

phương pháp la sử dụng các vi sinh vât hữu hiệu để tiêu thụ các tạp chất có

trong khí thải như nguồn dinh dưỡng cho sinh trưởng va phát triển tế bao mơi,

theo cơ chế các phản ứng sinh học (bioreactor). Một sô tai liệu đa công bô

những nghiên cứu khá toan diện về ứng dụng phương pháp lọc sinh học để

lam sạch khí biogas, đồng thơi đưa ra những lợi ích va hạn chế của mỗi

phương pháp. Ngay nay, bioreactor được công nhân la các quá trình hiệu quả,

kinh tế va thân thiện vơi môi trương, do đó có thể được ứng dụng để loại bỏ

H2S trong khí sinh học. Bioreactor thương được phân loại theo trạng thái của

pha lỏng (tĩnh hoặc động) va trạng thái của vi sinh vât (cô định hoặc lơ lửng).

Các phương pháp sinh học theo trạng thái vi sinh vât bao gồm :

biofilters, filters va bioscrubbers nhưng có một sô khác biệt có thể được tóm

tắt như sau:

- Hệ lọc sinh học chứa các vi sinh vât cô định ở dạng một mang sinh học

được cô định trên một thiết bị chứa các vât liệu như than bùn, đất, phân

va các chất tổng hợp, hoặc các hợp chất (Hình 1.4).

- Các hệ vi sinh vât khác nhau tồn tại trên các vât liệu tự nhiên, nhưng

sinh khôi từ bùn hoạt tính có thể được thêm vao hoặc các loai được

tuyển chọn có thể được bổ sung. Việc lam sạch H2S đòi hỏi các cơ chế

sau:

(i) Chuyển H2S từ pha khí sang pha lỏng;

(ii) Khuếch tán đến mang sinh học;

(iii) Hấp phụ bởi mang sinh học va vât liệu hấp phụ;

(iv) Phân hủy sinh học bằng mang sinh học.

Biogas sạch

Vât liệu

Lam ẩm

31

Hình 1.4. Sơ đồ loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc sinh học

Trong điều kiện có mặt của ôxy, phân hủy sinh học chuyển H2S thành

sinh khôi, CO2, H2O và các sản phẩm phụ chuyển hóa. Một sô thông sô ảnh

hưởng đến hiệu suất lọc sinh học như: nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, chất dinh

dưỡng, mức ôxy, vân tôc khí (hoặc thơi gian lưu EBRT) va áp suất giảm.

Ảnh hưởng của mỗi tham sô được mô tả dươi đây.

- Nhiệt độ của thiết bị phản ứng chủ yếu la do sự khác nhau về nhiệt độ giữa

khí đầu vao va không khí ngoai trơi, nhưng nhiệt độ sinh ra từ các phản ứng

sinh học tỏa nhiệt cũng phải được tính đến. Nhiệt độ tôi ưu khoảng 35-37°C

nhưng hầu hết các máy lọc sinh học hoạt động ở nhiệt độ từ 20 đến 45°C.

- Độ ẩm tôi ưu của lơp đệm la khoảng 40-60%. Độ ẩm quá cao (lên đến môi

trương bao hòa) lam tăng đáng kể áp lực va có thể dân đến sự hình thanh các

vùng yếm khí, trong khi ở những mức độ ẩm thấp thì hiệu quả loại bỏ giảm

đáng kể.

- Điều kiện pH, giá trị tôi ưu từ 6 đến 8, nhưng H2S cũng có thể được ôxy hóa

ở pH axit.

- Các yếu tô như cacbon, năng lượng va chất dinh dưỡng (nitơ, kali, phôt pho

va các nguyên tô vi lượng) la cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vât. Đôi

32

vơi các vât liệu vô cơ va tổng hợp, cần bổ sung thêm nguồn dinh dưỡng, trong

khi các chất hữu cơ như compost thì không cần phải bổ sung thêm.

Tuy nhiên, trong quá trình theo thơi gian các chất dinh dưỡng đang dần

bị cạn kiệt. Bioreactor hoạt động trong một thơi gian dai hạn sẽ gia tăng áp

lực do phát sinh lượng sinh khôi thừa va lam bít kín bề mặt giá thể dân đến

lam giảm hiệu quả của hệ lọc sinh học, đây chính la nhược điểm của phương

pháp lọc sinh học. Các tạp chất dạng vết cũng được coi la một vấn đề cho các

ứng dụng thực tế. Trong các hệ lọc sinh học, lơp vât liệu trơ thương được

phun bởi pha lỏng tuần hoan từ dươi lên trên của cột hấp phụ (Hình 1.5). Vât

liệu mang có diện tích bề mặt lơn từ 100 đến 300 m-1 va có thể lên đến 1.000

m-1 đôi vơi loại đệm mang bằng chất liệu polyurethane. Các hệ lọc sinh học

thương được cấy bằng bùn hoạt tính, được lấy từ các nha máy xử lý nươc thải

nhưng việc phân lâp vi khuẩn trên các môi trương nuôi cấy đặc trưng cũng có

thể được sử dụng để tăng quá trình phát triển của vi khuẩn. Sinh khôi được

gắn cô định vao vât liệu hấp phụ, pha khí (G) va pha lỏng (L) được di chuyển

ngược chiều nhaui. Việc hoạt động theo nguyên tắc nao thì cũng không có

ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của phương pháp.

Trạng thái pha lỏng chuyển có nhiều ưu điểm như: kiểm soát nhiệt độ,

kiểm soát pH (hiệu quả loại bỏ cao nhất đạt được khi pH trung tính), điều kiện

chất nền va sự vân chuyển ôxy từ giai đoạn khí đến mang sinh học, cũng như

việc bổ sung chất dinh dưỡng va loại bỏ các chất thải để chuyển hóa va tích

lũy để tạo ra sinh khôi bằng cách phân hủy sinh học. Thông thương các

nghiên cứu cho rằng rằng tôc độ dòng chất lỏng không ảnh hưởng đến hiệu

quả loại bỏ các tạp chất, nhưng cũng có những ảnh hưởng đáng kể đôi vơi vân

tôc dòng lơn.

33

Hình 1.5. Sơ đồ loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc nhỏ giọt

Các nhược điểm chính của các bioreactor la sự tích tụ sinh khôi dư thừa

trong vât liệu mang, gây tắc nghẽn va lam giảm áp suất. Ky thuât hiệu quả

nhất để giải quyết vấn đề nay la rửa thiết bị vơi nươc.

Lọc khí bằng phương pháp sinh học thương liên quan đến quá trình hai

giai đoạn (Hình 1.6). Ở giai đoạn 1: chất gây ô nhiễm được chuyển từ pha khí

đến pha lỏng bằng cách hấp thụ trong một cột chứa đầy vât liệu trơ. Trong

hầu hết các ứng dụng, khí va các dung dịch di chuyển ngược chiều nhau. KỞ

giai đoạn 2: chất ô nhiễm bị ôxy hóa trong thiết bị phản ứng sinh học có chứa

các chủng vi khuẩn phù hợp. Vât liệu mang trong cột hấp phụ phải được lựa

chọn để tăng cương việc truyền giữa pha khí va pha lỏng. Các hệ lọc sinh học,

các vât liệu mang phải được lam sạch thương xuyên để tránh gây tắc nghẽn.

Các thông sô hoạt động thương được sử dụng để so sánh hiệu suất của

bioreactor là:

- Tải trọng (LR) = (Q/V) Cvào; g/m3 giơ);

- Dung tích xử lý (EC = (Q/V) (Cvào-Cra), g/m3 giơ);

- Hiệu suất xử lý (RE = 100 (Cvào-Cra)/Cvào;%)

Biogas sạch

Nươc

Trao đổi nhiệt

Bơm tuần hoàn Biogas thô

Xả đáy

Việt liệu

34

- Thơi gian lưu (EBRT = V/Q, giây hoặc phút).

Trong đó: Q la tôc độ dòng chảy khí (m3/giơ):

- V la thể tích vât liệu (m3)

- Cvào và Cra la nồng độ đầu vao va đầu ra chất ô nhiễm (g/m3).

Hình 1.6 Sơ đồ của quá trình loại bỏ H2S bằng con đương sinh học

Hoạt động của các quá trình sinh học được đặc trưng bởi đương cong

trong Hình 1.7. Ở tỷ lệ tải trọng thấp, bioreactor có thể đạt được hiệu quả loại

bỏ 100%, trong khi ở tải cao hiệu quả loại bỏ giảm docác phân tử H2S không

đủ thơi gian để khuếch tán vao bên trong mang sinh học. Vơi mức tải trọng

cao hơn, khả năng loại bỏ các tạp chất có xu hương tiệm cân vơi khả năng

loại bỏ tôi đa (ECmax). Giá trị EC va giá trị ECmax phụ thuộc vao giá trị EBRT.

Tháp

tiếp xúc Biogas vao

Bể hiếu khí Bơm bùn

Đầu ra

Bể lắng

Biogas sạch

35

Hình 1.7. Hiệu suất loại bỏ H2S bằng phương pháp sinh học

Trong xử lý khí, hoạt động của bioreactor dựa trên sự có mặt của ôxy

trong không khí, điều nay la cần thiết để lam giảm tạp chất (ôxy hoạt động

như một chất nhân electron). Trong quá trình lam sạch khí sinh học, lượng

H2O sẽ giảm đi, do đó cần thiết phải bổ sung thêm trong quá trình thực hiện,

điều nay đa chỉ ra cho thấy những nhược điểm của phương pháp nay như:

(i) Thứ nhất, vấn đề an toan do các hỗn hợp ôxy/mêtan tiềm ẩn khi bổ

sung không kiểm soát được.

(ii) Thứ hai, việc bổ sung không khí dân đến sự pha loang khí sinh học

do sự có mặt của nitơ trong không khí.

Điều nay có thể khắc phục được bằng cách bổ sung ôxy tinh khiết. Mặc

dù bổ sung không khí la một vấn đề chính trong lam sạch khí sinh học.. Sự

phân huỷ H2S trong thiết bị sinh học bioreactor dươi điều kiện thiếu ôxy

[273-277], khi các chất nhân electron khác la nitrat (NO3-).

Nội dung cụ thể về phương pháp loại bỏ H2S trong điều kiện hiếu khí va

thiếu khí sẽ được trình bay va giải thích rõ hơn về cơ chế cũng như quá trình

trong các mục tiếp theo.

Hiệu suất loại bỏ

100% C

ôn

g s

uất

lo

ại b

ỏ,

g/m

3.g

iơ 1

00

%

Tải trọng, g/m3.giơ

EC tơi

hạn

36

1.3.3.2 Loại bỏ HsS bằng phương pháp hiếu khí

Để các quá trình sinh học được diễn ra một cách thuân lợi, H2S phải

được chuyển từ dạng pha khí sang pha lỏng. Quá trình xử lý khí sinh học l

được thực hiện theo sự chuyển khôi hoặc theo phương pháp kiểm soát động

học, nhưng sự hạn chế trong việc xác định các tỷ lệ khí/lỏng luôn luôn la một

hạn chếcủa phương pháp nay. Tiếp theovơi sự có mặt của ôxy, H2S bị ôxy hóa

bởi các vi sinh vât hiếu khí [278] các phản ứng xảy ra như sau:

H2S + 0,5O2 S0 + H2O (1)

H2S + 2O2 SO42- + 2H+ (2)

Trong điều kiện ôxy hạn chế, quá trình ôxy hóa H2S dân tơi sự tích tụ

lưu huỳnh nguyên tô (S0) có thể xảy ra. Vơi lượng ôxy dư thừa, quá trình ôxy

hóa H2S tạo ra axit sulfuric (H2SO4) góp phần lam axit hóa môi trương của vi

sinh vât. Hệ vi sinh vât ôxy hóa H2S trong điều kiện có oxi bao gồm như vi

khuẩn ôxy hoá lưu huỳnh (SOB) chúng bao gồm một sô chi Xanthomonas,

Thiobacillus, Acidithiobacillus, Achromatium, Beggiatoa, Thiothrix,

Thioplaca và Thermotrix. Các vi khuẩn ôxy hóa H2S phổ biến nhất la

Thiobacillus thiooxidans.

Các thiết bị xử lý sinh học bao gồm một cột tiếp nhân khí sinh học

(60% CH4, 1.500 ppmv H2S) và khí nén (21% O2). Thanh phần khí được xử

lý ở đầu ra của cột có thanh phần 33,6% CH4, 9,3% O2, 22,4% CO2 và 34,7%

N2. Phương pháp lam sạch khí biogas bằng hiếu khí sinh học được thực hiện ở

quy mô phòng thí nghiệm va thực tiễn, các phương pháp xử lý dự phòng phải

luôn sẵn sang, như việc bổ sung không khí vao thiết bị. Do đó, phần lơn các

hệ thông xử lý hiếu khí thì lượng không khí trong khoảng rỗng của thiết bị

thương duy trì 4-6% [289].

Không khí được bổ sung cho tạo điều kiện cho sự phát triển của các vi

khuẩn hiếu khí, khi đó H2S sẽ bị ôxy hóa va chuyển thanh lưu huỳnh nguyên

tô, va được tích tụ trên tất cả các khoảng trông bên trên của thiết bị . Phương

37

pháp nay thương được sử dụng cho lam sạch khí biogas chứa nồng độ H2S

cao.

(a) Loại bỏ H2S bằng phương pháp lọc nhỏ giọt

Loại bỏ H2S bằng phương pháp hiếu khí đòi hỏi bổ sung thêm lượng

không khí, điều nay biểu hiện một nhược điểm của phương pháp. Như đa nêu

ở trên, vấn đề liên quan đến an toan do hỗn hợp mêtan va ôxy gây nổ trong

trương hợp bổ sung không khí thiếu kiểm soát va không khí bổ sung dân đến

sự pha loang khí sinh học do sự có mặt của nitơ. Pha loang khí biogas vơi

không khí đa được thử nghiệm trong hệ lọc sinh học chứa đầy đá dung nham

va xơ dừa, nhưng sự pha loang khí mêtan như vây không thể được áp dụng

cho các ứng dụng công nghiệp. Do đó phương pháp lọc nhỏ giọt la quá trình

sinh học chính được sử dụng để xử lý bằng phương pháp hiếu khí bởi vì

không khí bổ sung có thể kiểm soát được.

Đôi vơi các ứng dụng thực tế, không khí cung cấp phải được điều chỉnh

bằng bộ điều khiển để duy trì nồng độ ôxy trong khí dươi 3%. Áp dụng ky

thuât lọc sinh học quy mô phòng thí nghiệm cho quá trình loại bỏ H2S đa

khảo sát thanh công vơi nồng độ H2S lên đến 12.000 ppmv.

1.3.4. Một số phương pháp phổ biến làm sạch khí sinh học trên thế giới

Hiện nay trên thế giơi có rất nhiều phương pháp để lam sạch khí sinh

học phục vụ cho phát điện, đôt lò hơi, chạy phương tiện giao thông va các

mục đích khác. Các phương pháp thương được chú trọng sử dụng phổ biến

hiện nay la: hóa lý va sinh học. Đôi vơi mục đích phát điện, công nghệ lam

sạch khí chủ yếu tâp trung vao việc loại bỏ khí CO2 và H2S nhằm nâng cao

nhiệt trị của biogas va bảo vệ động cơ. Một sô công nghệ lam sạch khí CO2 và

H2S trên thế giơi điển hình được liệt kê trong Bảng 1.2 va Bảng 1.3.

38

Bang 1.2. Một sô phương pháp lam sạch CO2 từ hỗn hợp biogas

Công nghệ Ưu điểm Nhược điểm

Hấp thụ (sử dụng

tháp nươc)

Hiệu suất cao ( >97% CH4).

Loại bỏ đồng thơi H2S (khi

H2S <300 cm3/m3). Công suất

được điều chỉnh bằng cách

thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất.

Ham lượng CH4 bị loại theo

tương đôi thấp (<2%), chịu

được tạp chất, khả năng tái

sinh.

Đầu tư va vân hanh tôn kém.

Chi phí: 0,105 € m-3 (250

Nm3/h) va 0,052 € m-3 (2000

Nm3/h). Chi phí điện năng:

0,4 - 0,5 kWh/m3. Tắc nghẽn

do vi khuẩn phát triển. Có

khả năng tạo bọt, tính linh

hoạt thấp đôi vơi sự biến đổi

của khí đầu vao.

Hấp thụ (sử dụng

dung môi hữu cơ

polyethylen

glycol)

Hiệu suất cao (> 97%

CH4).Loại bỏ đồng thơi các

thanh phần hữu cơ, H2S, NH3,

HCN và H2O; CH4 bị loại

theo thấp.

Đầu tư va vân hanh tôn

kém.Chi phí điện năng: 0,21

kWh m-3 khí biogas. Khó vân

hành.

Hấp thụ hóa học

(Sử dụng amin)

Hiệu suất cao (> 99%

CH4).Chi phí vân hanh thấp,

có thể tái sử dụng, hiệu suất

xử lý cao, ham lượng CH4 bị

loại theo thấp (<0,1%); Chi

phí điện: 0,05 -0,25 kWh.m-3

khí biogas.

Chi phí đầu tư cao, cần sử

dụng nhiệt để có thể tái sử

dụng, khả năng ăn mòn cao,

khả năng các amin bị phân

hủy thanh các chất độc hại,

có tạo kết tủa, có khả năng

tạo bọt.

PSA /VSA(Sàng

phân tử carbon,

Zeolites, Alumina

silicat)

Hiệu quả cao (95 - 98% CH4),

H2S được loại bỏ, sử dụng ít

năng lượng: áp suất cao nhưng

có thể tái sử dụng, ky thuât

nhỏ gọn, phù hợp cho quy mô

nhỏ.

Chi phí đầu tư va vân hanh

tôn kém, cần kiểm soát quy

trình một cách chặt chẽ, khả

năng thất thoát CH4 lơn.

Công nghệ mang

(khí/khí hoặc

khí/lỏng)

H2S và H2O được loại bỏ đồng

thơi, đơn giản trong vân hanh

va lắp đặt, có độ tin cây cao.

Độ chọn lọc mang thấp: cần

cân nhắc giữa lượng va chất,

cần nhiều bươc thực hiện (hệ

39

thông mô-đun) để đạt độ tinh

khiết cao, khả năng thất thoát

CH4 lơn; Chi phí điện: 0,22

kWh m-3 khí.Thất thoát

CH4<10%.

Ky thuât lam lạnh Có thể tinh chế được khí có

ham lượng 90 - 98% CH4; Có

thể đạt tơi chất lượng của

biomê tan lỏng (LBM) ma

không cần thêm chi phí năng

lượng.

Đầu tư va vân hanh tôn kém.

Cần nhiều năng lượng để lam

mát

Loại bỏ bằng

phương pháp sinh

học

Có thể loại bỏ đồng thơi H2S

và CO2.

Bang 1.3. Một sô phương pháp lam sạch H2S từ hỗn hợp biogas

Công nghệ/giai

pháp

Ưu điểm Nhược điểm

Hấp thụ (sử dụng

tháp nươc)

H2S < 15 cm3.m-3, chi phí thấp, đồng thơi

có thể loại bỏ một phần khí CO2.

Hiệu suất thấp.

Hấp thụ bằng

FeCl3/FeCl2/FeS

O4

3S2- + 2Fe3+ → 2FeS + S

S2- + 2Fe2+ → FeS

Tạo thanh S; chi phí đầu tư thấp, vân

hanh, bảo dưỡng thiết bị đơn giản.Chi phí

khoảng 0,024 € m-3 khí biogas

Hiệu suất thấp (100

- 150 cm3.m-3), chi

phí mua hóa chất

tôn kém, khó để

điều chỉnh liều

lượng.

Sắt oxit/hydroxit

sắt (Fe(OH)3 /

Fe2O3)

Thương dùng

dạng bùi nhùi

Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O

2Fe(OH)3 + 3H2S Fe2S3 + H2O

2Fe2S3 + 3O2 2Fe2O3 + 6S

Hiệu suất loại bỏ cao: > 99%,

mercaptanes cũng được loại bỏ, chi phí

Chi phí vân hanh

đắt đỏ.

Có thể tái sử dụng,

bề mặt phản ứng

giảm mỗi chu kỳ,

bụi thải ra độc hại.

40

Công nghệ/giai

pháp

Ưu điểm Nhược điểm

thép bị rỉ, hoặc

phoi gỗ tẩm

hydroxit sắt

đầu tư rẻ, hoạt động đơn giản dễ vân

hành. Có thể xử lý 0,3 - 500 kg/ngày H2S.

Hấp thụ hóa học

bằng dung dịch

Fe(OH)3hoặc Fe-

EDTA

S2− + 2Fe3+ S + 2Fe2+

0,5O2 + 2Fe2+ 2Fe3+ + 2OH−

Hiệu suất loại bỏ cao: 95-100%, chi phí

vân hanh thấp, chỉ cần 1 lượng nhỏ dung

dịch, có thể tái sử dụng, ham lượng CH4

thất thoát thấp, có thể loại bỏ 50-90%

mercaptans, chi phí 0,24 -0,3 € kgS−1

Có thể xử lý 0,5-15 tấn/ngay H2S, chi phí:

3-120 € (m3/h)-1.

Ky thuât phức tạp,

sử dụng EDTA tạo

kết tủa.

Tích tụ thiosulfate

do phản ứng

chelates + H2S (sử

dụng EDTA), yêu

cầu nhân viên vân

hành có chuyên

môn cao.

Hấp thụ bằng

NaOH,

FeCl3

Sử dụng ít năng lượng điện, (do không

cần bơm nhiều như quá trình hấp thụ

bằng nươc), lượng CH4 thất thoát ít; Chi

phí vân hanh khoảng 0,03 € m-3 khí

biogas.

Ky thuât phức tạp,

không thể tái sử

dụng.

Lọc sinh học BiAFCleaner® la bộ lọc nhỏ giọt sinh

học tự động để loại bỏ H2S, thiết bị lọc

Biotrickling có hiệu suất loại bỏ H2S >

99%, thiết bị đađược thương mại hóa.

Có thể xử lý 50-20.000 kg/ngày H2S. Chi

phí vân hanh: 0,013-0.016 € m−3.

Phương pháp sinh

học

2H2S + O2 2S + 2H2O

H2S + 2O2 SO42− + 2H+

Hiệu suất loại bỏ H2S cao: > 97%

Sử dụng vi khuẩn hoặc vi sinh vât ở nhiệt

độ phòng. Tạo ra lưu huỳnh S. Chi phí

Nồng độ H2S vân

còn cao (100-300

cm3m−3)

Đòi hỏi kiểm soát

chặt chẽ các điều

kiện để cho vi

41

Công nghệ/giai

pháp

Ưu điểm Nhược điểm

đầu tư va vân hanh rẻ, vân hanh va bảo trì

đơn giản.

khuẩn hoạt động,

khó tôi ưu.

Hấp phụ bằng

than hoạt tính

(được tẩm KI 1-

5%)

2H2S + O2 2S + 2H2O

Hiệu suất cao (H2S <3 cm−3 m3)

Ky thuât nhỏ gọn;

Chịu tải lơn

Đầu tư va vân hanh

tôn kém, thất thoát

CH4, cần xử lý H2O

và O2 trươc khi loại

bỏ H2S, có thể tái

sử dụng ở 450 °C.

Phương pháp

màng

Loại bỏ H2S > 98%, CO2 cũng được loại

bỏ

Vân hanh va bảo trì

tôn kém, ky thuât

rất phức tạp

1.3.5. Công nghệ làm sạch khí sinh học tại Việt Nam

Tại Việt Nam, trong 10 năm trở lại đây, đa có nhiều các nghiên cứu va

ứng dụng thực tế về thu khí biogas bằng quá trình phân hủy kị khí nươc thải,

phân gia súc, gia cầm, dùng để đun nấu, va chạy máy phát điện ở quy mô hộ

gia đình va trang trại, tuy nhiên các đầu công suất phát điện đều ở mức thấp,

thiết bị tách lọc khí chiếm diện tích lơn, công nghệ tách các thanh phần các

hỗn tạp khí như SO2, CO2, H2S chưa đạt hiệu quả cao, dân đến các thiết bị hay

gặp sự cô va bị ăn mòn, nhanh hỏng, từ đó ảnh hưởng đến công suất phát

điện.

Năm 2010, cơ quan Hợp tác quôc tế Nhât Bản (JICA), Trương ĐH

Bách khoa TP. HCM phôi hợp vơi Viện Công nghệ sinh học Việt Nam, Sở

Khoa học & Công nghệ TP.HCM va ĐH Tokyo, đa thông nhất chọn viên lọc

được sản xuất từ bùn đỏ để xử lý khí H2S trong biogas, trươc khi được đưa

vao bếp đôt (thuộc dự án biomass) tại xa Thái My, huyện Củ Chi, TP.HCM.

Công nghệ nay được hình thanh từ ý tưởng tân dụng thanh phần có ích của

bùn đỏ, vôn có khả năng hấp phụ cao, giá thanh rẻ, phù hợp vơi điều kiện Việt

Nam.Theo tác giả Huỳnh Quyền, Trung tâm Nghiên cứu công nghệ lọc hóa

dầu (RPTC), ĐH Bách khoa TP.HCM, ngoai H2S, trong biogas còn có SO2,

42

CO2 va nươc, song khí H2S la chất khó xử lý nhất va gây hại cho thiết bị đôt.

Bùn đỏ dễ tạo thanh viên vơi ham lượng sắt va nhôm cao, thích hợp để lọc

SO2, CO2, H2Strong khí biogas trươc khi đôt. Sau thơi gian lọc khoảng 6

tháng, lưu huỳnh sẽ được tách ra để tái sử dụng. So vơi việc xử lý H2S bằng

phoi sắt trươc đây, hiệu quả xử lý của bùn đỏ cao hơn vơi chi phí thấp hơn.

Trươc đó, Công ty TNHH Sản xuất - Xuất nhâp khẩu lương thực Bình Dương

(Bidofood) cũng đa sử dụng viên lọc nay để lọc khí trong quá trình sấy bột va

chạy máy phát điện. Tác giả Huỳnh Quyền cho rằng, ngoai việc áp dụng xử lý

khí H2S trong biogas, bùn đỏ còn có thể áp dụng để xử lý trong các môi

trương va công việc khác. Tuy nhiên, cho đến nay hiệu quả rõ rệt của việc sử

dụng bùn đỏ vân chưa được đề câp một cách rõ rang, hơn nữa khả năng tái sử

dụng của viên bùn đỏ cũng như việc tách lưu huỳnh ra từ viên bùn đỏ sau khi

xử lý la không dễ dang. Các xu hương chính sử dụng nhiên liệu Biogas trên

thế giơi hiện nay được chỉ ra tại Hình 1.8.

43

Hình 1.8. Sơ đồ các ứng dụng của khí sinh học

1.4 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ SINH HOC BẰNG THIẾT BỊ LY TÂM

TRONG LỰC TỐC ĐỘ CAO

Về bản chất đây la phương pháp xử lý bằng quá trình hấp thụ hóa lý.

Thành phần H2S và CO2 có trong khí biogas thô sẽ được làm sạch thông qua

thiết bị quay ly tâm tần sô cao (HGRPB – High gravity rotating packed beb)

do đôi tác Đai Loan cung cấp (xem Hình 1.9 và Hình 1.10). Ky thuât ly tâm

tôc độ cao (high gravity – HG) là một trong những quá trình điển hình làm

tăng cương quá trình tiếp xúc và chuyển khôi giữa các pha, được phát minh

bởi Ramshaw và cộng sự. Nó được thực hiện trong một “thiết bị quay ly tâm

đồng bộ”(rotating packed bed – RPB) va được ứng dụng rộng rãi trong công

Nguồn biogas

Đôt trực tiếp Động cơ Bán cho nhà

cung cấp

Tạo

năng

lượng

Công suất

trên trục

Vân tải

Cấp nhiệt,

lam lạnh

Sấy

Quạt, bơm,

máy nén

Xe khách,

Xe tải,

Máy kéo

Phát nhiệt

điện

Turbin lỏng Turbin khí Điều hoa

hay đun

nươc

Phát điện Máy phát

thuỷ lực

44

nghệ nano, tăng cương quá trình tách chiết va đẩy mạnh tôc độ phản ứng.

Trong lĩnh vực ky thuât môi trương, RPB được sử dụng trong xử lý nươc thải,

thu giữ CO2, loại bỏ NO2 và H2S.

Thiết bị HGRPB la một trong những thiết bị tăng cương quá trình hoạt

động công nghệ (Process Intensification) điển hình, vơi ưu điểm nhỏ gọn, chi

phí đầu tư thấp va hiệu quả cao, va được sử dụng rộng rai trong lam sạch khí,

chưng cất va công nghệ nano. HGRPB có thể tạo ra gia tôc ly tâm cao, va từ

đó tạo ra được nhiều mang mỏng hơn (1-10 µm) va các giọt lỏng nhỏ hơn

(10-100 µm) vơi diện tích tiếp xúc lơn giữa pha lỏng va pha khí. Theo nghiên

cứu của Ramshaw vao năm 1995, thì ky thuât ly tâm tôc độ cao la một giải

pháp công nghệ hiệu quả, giảm đáng kể kích thươc thiết bị. Hơn nữa, vơi cấu

tạo đơn giản, nhỏ gọn, thiết bị HGRPB có thể dễ dang di chuyển va lắp đặt tại

các vị trí cần sử dụng.

Hình 1.9. Thiết bị làm sạch khí HGRPB

45

Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động của thiết bị làm sạch khí HGRPB

Thiết bị lam sạch khí HGRPB được đôi tác Đai Loan cung cấp nguyên

chiếc, lam bằng vât liệu inox SUS 304, động cơ quay ly tâm có thể điều khiển

tôc độ quay từ 50 - 1700 vòng/phút.

Trong thiết bị HGRPB, dung dịch NaOH được cấp vao trục giữa thiết bị

nhơ bơm. Dươi tác dụng của động cơ quay trục giữa, dung dịch NaOH sẽ

chuyển động ly tâm vơi tôc độ cao, lam tăng cương quá trình tiếp xúc giữa

dung dịch hấp thụ (pha lỏng) vơi dòng khí đi vao (pha khí). Trong quá trình

tiếp xúc giữa pha khí va pha lỏng, khí H2S sẽ kết hợp vơi dung dịch NaOH

theo các phản ứng sau:

H2S + NaOH Na2S + 2H2O

Na2S + H2S ⇌ 2NaHS

Na2S + H2O ⇌ NaHS + NaOH

Đồng thơi, NaOH cũng tác dụng vơi CO2 có trong biogas:

NaOH + CO2 NaHCO3

46

NaHCO3 + NaOH Na2CO3 + H2O

Bên cạnh đó, vơi tôc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ không bị kéo ra

ngoài theo dòng khí, nhơ vây mà dòng khí sau xử lý có độ ẩm thấp.

1.5 HÓA CHẤT SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP LÀM SACH KHÍ

SINH HOC

Các hóa chất sử dụng để hấp thụ H2S và CO2 trong khí biogas là các

hóa chất có khả năng phản ứng và tạo kết tủa các khí này và tách chúng ra

khỏi hỗn hợp khí biogas làm cho khí biogas trở nên tinh khiết hơn, đáp ứng

điều kiện hoạt động cho máy phát điện. Một sô hóa chất đa được sử dụng, thử

nghiệm như: NaOH, KOH. Trên cơ sở đó, tác giả đa thực nghiệm hóa chất

mơi là Ba(OH)2. Bari hydroxit là hợp chất hóa học vơi công thức hóa

học Ba(OH)2(H2O)x. Chất ngâm nươc đơn (x =1) được biết đến vơi tên baryta,

là một trong những hợp chất chính của bari. Hạt monohydrat trắng này là

dạng thương mại chính của bari hydroxit.

- Tính chất vât lý: La chất rắn, có mau trắng, tan tôt trong nươc, dễ hút ẩm.

- Tính chất hóa học: Mang đầy đủ tính chất hóa học của một bazơ mạnh.

- Nhân biết: Dung dịch Ba(OH)2 lam quỳ tím chuyển sang mau xanh hoặc

lam dung dịch phenolphthalein chuyển sang mau hồng do có tính bazo.

Phản ứng vơi các axit:

Ba(OH)2 + 2HCl → BaCl2+ 2H2O

Phản ứng vơi oxit axit: SO2, CO2...

Ba(OH)2 + SO2 → BaSO3 + H2O

Ba(OH)2 + 2SO2 → Ba(HSO3)2

Phản ứng vơi các axit hữu cơ tạo thanh muôi

2CH3COOH + Ba(OH)2 → (CH3COO)2Ba + 2H2O

Phản ứng thủy phân este

47

2CH3COOC2H5 + Ba(OH)2 → (CH3COO)2Ba + 2 C2H5OH

Phản ứng vơi muôi:

Ba(OH)2 + CuCl2 → BaCl2 + Cu(OH)2↓

Tác dụng một sô kim loại ma oxit, hidroxit của chúng có tính lưỡng tính

(Al, Zn...):

Ba(OH)2 + 2Al + 2H2O → Ba(AlO2)2 + 3H2↑

Tác dụng vơi hợp chất lưỡng tính:

Ba(OH)2 + 2Al(OH)3 → Ba(AlO2)2 + 4H2O

Ba(OH)2 + Al2O3 → Ba(AlO2)2 + H2

Khi tiếp xúc vơi khí biogas, Ba(OH)2 phản ứng vơi H2S và CO2 trong khí

biogas như sau:

Ba(OH)2 + H2S → BaS + 2H2O

BaS + H2S ⇌2Ba(HS)2

Ba(OH)2 + CO2 Ba(HCO3)2

Ba(HCO3)2 + CO2 BaCO3 + H2O

48

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHAM VI NGHIÊN CỨU

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu

- Khí sinh học (biogas) sinh ra từ hệ thông phân hủy bùn yếm khí.

- Hệ thí nghiệm lam sạch khí.

2.1.2. Phạm vi nghiên cứu

- Trong giơi hạn luân văn, phạm vi nghiên cứu được xác định:

+ Khí biogas sinh ra từ hệ thông phân hủy yếm khí bùn thải công suất

tôi đa 80 m3/ngđ tại Nha máy bia Sai Gòn- Đắk Lắk, thuộc công ty Cổ phần

Bia Sài Gòn – Miền Trung.

+ Các thông sô của quá trình lam sạch khí biogas: nồng độ dung dịch

hấp thụ (CBa(OH)2); tôc độ quay của thiết bị HGRPB (); tôc độ dòng khí

biogas (QG) va tôc độ dòng dung dịch (QL).

+ Độ bao hòa của dung dịch hấp thụ trong quá trình lam sạch khí

biogas theo thơi gian.

- Thơi gian nghiên cứu:

- Địa điểm tiến hanh thí nghiệm: mô hình thí nghiệm tại khuôn viên

Nhà máy bia Sài Gòn- Đắk Lắk, thuộc công ty Cổ phần Bia Sai Gòn – Miền

Trung, địa chỉ: sô 01 Nguyễn Văn Linh, thanh phô Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk

Lắk.

Nghiên cứu lam sạch biogas bằng ky thuât ly tâm tôc độ cao HGRPB

sử dụng dung dịch Ba(OH)2 quy mô 80 m3 va hệ thông xử lý nươc thải công

suất 600 m3/ngđ để cung cấp khí biogas cho máy phát điện 20 kWh.

2.2. GIƠI THIỆU VỀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong phạm vi Chương trình “Khoa học va công nghệ phục vụ phát

triển kinh tế - xa hội Tây Nguyên trong liên kết vùng va hội nhâp quôc tế”,

Viện Công nghệ môi trương - Viện Han lâm Khoa học va Công nghệ Việt

Nam la đơn vị chủ trì thực hiện đề tai KH&CN cấp Nha nươc: “Nghiên cứu

phát triển và ứng dụng công nghệ khí sinh học tiên tiến phát điện và sử dụng

bùn thải sau khi lên men yếm khí để sản xuất phân bón hữu cơ phát triển nông

nghiệp sạch tại Đắk Lăk”, vơi mục tiêu xây dựng được các mô hình sản xuất

49

điện trên cơ sở khí sinh học va sử dụng bùn thải sau khi lên men yếm khí để

sản xuất phân bón phù hợp vơi điều kiện của tỉnh Đắk Lắk va các tỉnh Tây

Nguyên. Mô hình thí nghiệm của đề tai được đặt tại khuôn viên Nhà máy bia

Sài Gòn- Đắk Lắk, thuộc công ty Cổ phần Bia Sai Gòn – Miền Trung, địa chỉ:

sô 01 Nguyễn Văn Linh, thanh phô Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk (gọi tắt la

Nhà máy).

Tác giả luân văn la một trong những thanh viên chính của đề tai, được

sự đồng ý của cơ quan chủ trì va chủ nhiệm của đề tai trên, thực hiện các nội

dung nghiên cứu của luân văn ngay trên mô hình.

Mâu bùn thải thực nghiệm được lấy tại hệ thông xử lý nươc thải của

Nhà máy. Nha máy đang vân hanh hoạt động sản xuất ổn định các dây chuyền

sản xuất vơi công suất như sau:

- Sản xuất bia vơi công suất 70 triệu lít bia/năm, các loại sản phẩm bia

chai Lager 355, Lager 455.

- Sản xuất nươc uông đóng chai vơi công suất 4 triệu lít/năm, sản phẩm

nươc uông đóng chai loại 300ml, 500ml, 1500ml, 19 lít, 21 lít.

- Sản xuất rượu vơi công suất 40.000 lít/năm, sản phẩm la rượu Sêrêpôk

chai 500ml, 1000ml.

- Sản xuất sữa vơi công suất 500 tấn/năm, sản phẩm la sữa Bazan loại

330ml, 500ml.

Dây chuyền công nghệ xử lý nươc thải của nha máy được trình bay ở

Hình 2.1

Nha máy đa xây dựng 02 hệ thông XLNT vơi tổng công suất 1.920

m3/ngay.đêm (hệ thông XLNT A có công suất 720 m3/ngay.đêm; hệ thông

XLNT B công suất 1.200 m3/ngay, cả 2 hệ thông có dây chuyền công nghệ xử

lý như nhau) để xử lý toan bộ nươc thải phát sinh tại nha máy.

50

Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nươc thải của Nhà máy

Hiện nay, khôi lượng bùn thải phát sinh từ hệ thông xử lý nươc thải

được thu gom va ép tách nươc bằng máy ép bùn rồi đưa về sân phơi bùn hiện

Bùn hồi lưu

Nguồn tiếp nhân – Suôi Ea Nao

(Đạt QCVN 40:2011/BTNMT,

cột A, Kf = 1,0; Kq = 0,9)

Tách rác tinh Thùng chứa rác

Nươc thải sản xuất

Hô gom

và tách rác thô Thùng chứa rác

Bơm

Kênh đo lưu lượng, trạm

quan trắc tự động

Chlorin Bùn

dư

Hô ga

Nươc thải

Bể chứa bùn hiếu khí

Bơm

Bể cân bằng

Sục khí

Chỉnh pH

Chất chông tạo bọt

Bể kỵ khí (UASB)

Nươc thải sinh hoạt

sau khi xử lý sơ bộ

Bơm

Bể lắng bùn UASB

Bể Anoxic

Biogas

Khử mùi

Đầu đôt

tự động

Bếp đôt chưng

cất rượu

Bơm Bể chứa bùn kỵ khí

Máy ép bùn

Sân phơi bùn

Bơm

Vân chuyển

đi xử lý

Bùn

khô

Nươc thải

PAC,

Polymer

Bể hiếu khí (SBR)

Bể khử trùng

Bể Hóa lý

Bể lắng(xử lý độ mau,

photpho)

Bể trung gian

Bơm

Hô gom nươc rỉ Bể (SBR)

51

hữu tại nha máy vơi diện tích 352 m2. Theo sô liệu thông kê của nha máy,

năm 2017 lượng bùn thải phát sinh la 60.000 kg/năm. Bùn sau khi được lam

khô nươc sẽ công ty hợp đồng vơi đơn vị có chức năng la Công ty TNHH

MTV Đô thị va Môi trương Đắk Lắk thu gom va vân chuyển đi xử lý.

Kết quả phân tích thanh phần bùn thải nha máy được trình bay ở Bảng

2.1 cho thấy việc tân dụng nguồn bùn thải nay cho mục đích phân hủy yếm

khí thu biogas la hoan toan phù hợp.

Bang 2.1. Giá trị đặc trưng của bùn hữu cơ sử dụng trong nghiên cứu

STT Thông sô Đơn vị Kết quả

1 pH - 7,21

2 Độ ẩm % 88,2

3 TOC g/l 8,497

4 STOC g/l 2,74

5 COD g/l 308,93

6 SCOD g/l 9,96

7 TS g/l 0,14

8 VS g/l 0,04

9 T-N g/l 1,84

Nguồn: kết quả phân tích từ đề tài của Viện Công nghệ môi trường

Trên cơ sở tiếp thu kinh nghiệm từ mô hình pilot tại Trung tâm Công

nghệ môi trương Đa Nẵng va tính chất bùn, khôi lượng bùn thu gom được tại

nha máy, các chuyên gia đa lâp mô hình xử lý bùn yếm khí được lắp đặt va

vân hanh như sau:

52

Hình 2.2. Sơ đồ mô hình xử lý bùn yếm khí tại nha máy

Bùn thải phát sinh tại HTXL nươc thải tâp trung của Nha máy được thu

gom bơm về Bể nén bùn của mô hình pilot, thực hiện nén bùn tách nươc, đảm

bảo độ ẩm thích hợp cho quá trình xử lý bùn bằng quá trình phân hủy kỵ khí.

Thiết bị nén bùn la bể lắng nén bùn có hình trụ đứng, sử dụng phương pháp

vât lý để nén bùn bằng trọng lực. Vơi phương pháp nay, bùn sau nén đạt độ

ẩm từ 96 - 98% được bơm vao Bể phân hủy bùn. Nươc thải tách ra tuần hoan

lại HTXL nươc thải. Tại bể phân hủy bùn, vơi thơi gian bùn lưu (có thể điều

chỉnh theo lưu lượng) đủ dai, các chất hữu cơ từ bùn hoạt tính phân hủy sẽ bị

các vi sinh vât kỵ khí (có sẵn trong bể) phân huỷ tạo hỗn hợp biogas. Hỗn hợp

Biogas sẽ được chứa tạm thơi bằng túi chứa Biogas thô (vât liệu HDPE) có

thể tích 15 m3 (1 túi) nhơ sự chênh lệch áp tự nhiên.

Biogas tại túi chứa biogas thô được máy thổi khí thổi vao Thiết bị

HGRPB để tinh lọc biogas. Tại đây, Biogas được đưa vao thiết bị vơi lưu

lượng ổn định để phù hợp vơi các chế độ tải của thiết bị, dung dịch Ba(OH)2

được cấp vao trục giữa thiết bị nhơ bơm, dươi tác dụng của động cơ quay trục

giữa, dung dịch Ba(OH)2 sẽ chuyển động ly tâm vơi tôc độ cao, giúp cho dung

Khí thải

Bơm

Nươc thải

Nươc thải

Bơm

Bồn hòa trộn

hóa chất

Máy nén khí

Biogas

Bơm

Bơm

Bùn thải

Bể nén bùn

Bể phân hủy bùn

Nha ủ phân compost

Nươc rỉ

Phân compost

(Sử dụng bón cây)

Máy thổi khí

Túi chứa Biogas thô

Thiết bị lam sạch

Biogas (HGRPB)

HTXL nươc thải

( Nhà máy Bia)

Túi chứa Biogas tinh

Thiết bị tách ẩm

Bồn chứa Biogas tinh

Bồn điều áp

Máy phát điện Điện

(tái sử dụng phục vụ

hoạt động của nha máy)

Hóa chất; Nươc sạch

Ghi chú:

Đường bùn

Đường khí

Đường nước

Đường hóa chất

53

dịch hấp thụ (pha lỏng) tiếp xúc dòng khí đi vao (pha khí) hiệu quả hơn, hiệu

suất hấp thụ cao. Các khí tạp trong biogas như H2S, CO2 được hấp thụ vao

dung dịch Ba(OH)2. Đồng thơi, vơi tôc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ

không bị kéo theo ra ngoai theo dòng khí, nhơ vây ma dòng khí sau xử lý có

độ ẩm thấp. Sản phẩm sau quá trình hấp thụ la Biogas tinh vơi ham lượng H2S

thấp; CH4 đảm bảo quá trình tái tạo năng lượng. Biogas sau lam sạch sẽ tự di

chuyển vao Túi chứa Biogas tinh (vât liệu HDPE) có thể tích 15 m3 (1 túi)

nhơ sự áp thừa của máy thổi khí;

Biogas sau khi lam sạch đa đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn khí cho máy

phát điện sẽ được tích trữ trong bình chứa Biogas sạch. Sau đó Biogas được

chuyển qua Bình điều áp, đảm bảo yêu cầu áp của dòng Biogas vao máy phát

điện (1 - 5,5 kPa). Máy phát điện Biogas được sử dụng để biến nhiệt năng từ

CH4 thành điện năng phục vụ cho hoạt động của trạm xử lý nươc thải của

Công ty. Khí thải từ máy phát điện đảm bảo về xả thải, đặc biệt la nồng độ

SO2.

Như vây, việc vân hanh mô hình hiệu quả có ý nghĩa quan trọng đôi vơi

đề tai. Khôi lượng biogas thu được từ hoạt động lên men yếm khí bùn cang

hiệu quả thì thu được cang nhiều khí va la cơ sở cho quá trình lam sạch khí,

cung cấp cho máy phát điện hoạt động.

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1. Quy trình thí nghiệm

Trong nội dung nghiên cứu của luân văn, thanh phần H2S và CO2 có

trong khí biogas thô sẽ được làm sạch thông qua thiết bị quay ly tâm tần sô

cao (HGRPB - High gravity rotating packed beb). Thiết bị HGRPB (xem

Hình 1.10) đa được đề câp tại chương 1, la một trong những thiết bị tăng

cương quá trình hoạt động công nghệ (Process Intensification) điển hình, vơi

ưu điểm nhỏ gọn, chi phí đầu tư thấp va hiệu quả cao, va được sử dụng rộng

rai trong lam sạch khí, chưng cất va công nghệ nano. HGRPB có thể tạo ra gia

tôc ly tâm cao, va từ đó tạo ra được nhiều mang mỏng hơn (1-10 µm) và các

giọt lỏng nhỏ hơn (10-100 µm) vơi diện tích tiếp xúc lơn giữa pha lỏng va pha

khí. Theo nghiên cứu của Ramshaw vao năm 1995, thì ky thuât ly tâm tôc độ

cao la một giải pháp công nghệ hiệu quả, giảm đáng kể kích thươc thiết bị.

54

Hơn nữa, vơi cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, thiết bị HGRPB có thể dễ dang di

chuyển va lắp đặt tại các vị trí cần sử dụng.

Hình 2.3. Thiết bị làm sạch khí biogas HGRPB thực tế tại pilot

55

Bô trí thí nghiệm nghiên cứu được trình bày ở Hình 2.4.

Hình 2.4. Bô trí thí nghiệm nghiên cứu

Thuyết minh quy trình:

+ Khí biogas thô sinh ra từ bể phân hủy bùn của mô hình sẽ đi vao túi

chứa biogas thô nhơ sự chênh lệch áp tự nhiên.

+ Biogas tại túi chứa biogas thô được máy thổi khí thổi vao thiết bị

HGRPB để tinh lọc biogas.

+ Vân hanh thiết bị lam sạch khí HGRPB theo các thông sô đa chọn.

Khi HGRPB lam việc, biogas được đưa vao thiết bị vơi lưu lượng ổn định.

Dung dịch hấp thụ được cấp vao trục giữa thiết bị nhơ bơm hóa chất. Dươi tác

dụng của động cơ quay trục giữa, dung dịch Ba(OH)2 sẽ chuyển động ly tâm

vơi tôc độ cao, lam tăng cương quá trình tiếp xúc giữa dung dịch hấp thụ (pha

lỏng) vơi dòng khí đi vào (pha khí). Trong quá trình tiếp xúc giữa pha khí va

pha lỏng, khí H2S sẽ kết hợp vơi dung dịch Ba(OH)2 theo các phản ứng sau:

H2S + Ba(OH)2 BaS + 2H2O

BaS + H2S ⇌2Ba(HS)2

Bơm

Bồn hòa trộn

hóa chất

Biogas từ bể phân hủy bùn

Máy thổi khí

Túi chứa Biogas thô

Thiết bị lam sạch

Biogas (HGRPB)

Túi chứa Biogas tinh

Biogas để phát điện

Ba(OH)2.8H2O;

Nươc sạch

Ghi chú:

Đường khí

Đường hóa chất

Lấy mâu

biogas thô

Lấy mâu

biogas tinh

56

Đồng thơi, Ba(OH)2 cũng tác dụng vơi CO2 có trong biogas:

Ba(OH)2 + CO2 Ba(HCO3)2

Ba(HCO3)2 + CO2 BaCO3 + H2O

Bên cạnh đó, vơi tôc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ không bị kéo

ra ngoai theo dòng khí, nhơ vây ma dòng khí sau xử lý có độ ẩm thấp.

+ Biogas sau lam sạch sẽ tự di chuyển vao túi chứa biogas tinh (xem

Hình 2.5) nhơ áp thừa của máy thổi khí. Sản phẩm sau quá trình hấp thụ la

biogas tinh vơi ham lượng CH4, H2S, CO2 đảm bảo theo tiêu chuẩn biogas

lam nhiên liệu phát điện.

Hình 2.5. Túi chứa biogas thô (bên phải) và túi chứa biogas tinh (bên trái)

+ Khí biogas sau khi lam sạch sẽ đi vao hệ nén va tách ẩm biogas trươc

khi được sử dụng lam nhiên liệu cho máy phát điện.

Chất lượng biogas sau khi lam sạch phải đảm bảo yêu cầu về giơi hạn

quy định các thông sô CH4, H2S và CO2 trong biogas lam nhiên liệu cho máy

phát điện như trình bay trong Bảng 2.2

Bang 2.2. Chất lượng khí biogas dùng lam nhiên liệu cho máy phát điện

Thông số Đơn vị Yêu cầu chất lượng

CH4 % ≥ 85

H2S ppm 50

57

CO2 % 2,5

- Mỗi thí nghiệm nghiên cứu kéo dai trong 5 phút va có độ lặp lại 3 lần.

- Việc thiết lâp các thông sô lam việc cho quá trình lam sạch khí được

thực hiện như sau:

+ Nồng độ dung dịch hấp thụ (CBa(OH)2): điều chỉnh thông qua khôi

lượng hóa chất va lượng nươc sạch đưa vao bồn hóa chất, được khuấy trộn

bằng động cơ khuấy (xem Hình 2.6). Bồn chứa hóa chất có dung dích 1.000

lít, vât liệu PVC. Máy khuấy trộn hóa chất công suất: 0,2kW, 3P, 380V,

50Hz, cánh khuấy inox SUS304.

+ Tôc độ quay của thiết bị HGRPB (): được điều chỉnh bằng động cơ

quay ly tâm điều chỉnh tôc độ theo biến tần (xem Hình 2.7): công suất:

0,75kW, dòng tải ngỏ ra: 2,5A; 0,1 ~ 400Hz; mô-men khởi động 100%;khả

năng chịu quá tải: 150% trong 60 giây; truyền thông: tích hợp sẵn RS-485;

vào 3 pha ra 3 pha 380VAC.

+ Tôc độ dòng khí biogas (QG): điều chỉnh thông qua máy thổi khí

(xem Hình 2.8) va lưu lượng kế đo khí (xem Hình 2.9) vơi dải đo 200 - 2500

NL/min.

+ Tôc độ dòng dung dịch (QL): điều chỉnh thông qua bơm hóa chất

(xem Hình 2.10) va lưu lượng kế đo hóa chất (xem Hình 2.11). Bơm hóa chất

kiểu bơm: trục ngang, guồng bơm inox. Lưu lượng: 1,2 - 5,4 m3/h,chiều cao

cột áp: H = 12 - 20,5 m,công suất điện: 0,65 kW/380-50Hz. Lưu lượng kế đo

hóa chất có dải đo 7,5 - 100 NL/min.

Hình 2.6. Bồn chứa và máy khuấy trộn

hóa chất

Hình 2.7. Động cơ quay ly tâm biến tần

58

Hình 2.8. Máy thổi khí Hình 2.9. Lưu lượng kế đo khí

Hình 2.10. Bơm hóa chất Hình 2.11. Lưu lượng kế đo hóa chất

59

2.2.2. Các nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được luân văn học viên đi vao thực hiện năm (05) nội

dung nghiên cứu được trình bay như sau:

2.2.2.1. Nội dung 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch

hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ

dung dịch Ba(OH)2 đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 được thể hiện ở

Bảng 2.3.

Bang 2.3. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởngcủa nồng

độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 1 Thông số cố định

Tôc độ quay (vòng/phút) 900

Lưu lượng khí biogas QG

(lít/phút)

2,5

Lưu lượng chất lỏng

QL(lít/phút)

0,25 (Tương ứng tỉ lệ QG/QL =10)

Thông số khao sát

Nồng độ Ba(OH)2 (M) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1 (pH =

10,11,12,13)

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Mâu khí trươc va sau lam sạch được phân tích va đánh giá hiệu

suất loại bỏ chất ô nhiễm. Từ kết quả thu được lựa chọn nồng độ dung

dịch hấp thụ sử dụng cho quá trình lam sạch phù hợp.

60

2.2.2.2. Nội dung 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay của

thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

quay của thiết bị lam sạch (tôc độ quay ly tâm) được thể hiện ở Bảng

2.4. Mâu khí trươc va sau lam sạch được phân tích va đánh giá hiệu suất

loại bỏ chất ô nhiễm.Từ kết quả thu được lựa chọn tôc độ quay ly tâm

của thiết bị sử dụng cho quá trình lam sạch phù hợp.

Bang 2.4. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 2 Thông số cố định

Lưu lượng khí biogas QG

(lít/phút)

2,5

Lưu lượng chất lỏng

QL(lít/phút)

0,25 ( Tương ứng tỉ lệ QG/QL=10)

Nồng độ Ba(OH)2 (M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1

Thông số khao sát

Tôc độ quay (vòng/phút) 600; 900; 1200; 1500

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

2.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến hiệu suất

loại bỏ H2S và CO2

Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng khí đi vao thiết bị lam sạch được thể hiện ở Bảng 2.5. Mâu khí

trươc va sau lam sạch được phân tích va đánh giá hiệu suất loại bỏ chất ô

nhiễm.Mỗi thí nghiệm kéo dai trong 5 phút va có độ lặp lại 3 lần.Từ kết

quả thu được lựa chọn tôc độ khí cho quá trình lam sạch phù hợp.

61

Bang 2.5. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 3 Thông số cố định

Lưu lượng chất lỏng

QL(lít/phút)

0,25 (15 lít/h)

Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1

Tôc độ quay (vòng/phút) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2

Thông số khao sát

Lưu lượng khí biogas QG (lít/phút) 2,5; 5; 7,5; 10

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

2.2.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng dung dịch đến

hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng dung dịch đi vao thiết bị lam sạch được thể hiện ở Bảng 2.6. Mâu

khí trươc va sau lam sạch được phân tích va đánh giá hiệu suất loại bỏ

chất ô nhiễm.

Bang 2.6. Các thông sô của thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ

dòng dung dịch đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 4 Thông số cố định

Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1

Tôc độ quay (vòng/phút) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2

Lưu lượng biogas QG

(lít/phút)

Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 3

62

Thông số khao sát

Lưu lượng khí chất lỏng QL(lít/h) 3; 5; 7,5; 15

Tương ứng tỉ lệ QG/QL 50, 30, 20, 10

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Từ kết quả thu được lựa chọn tôc độ dòng dung dịch hấp thụ cho

quá trình lam sạch phù hợp.

Như vây thông qua kết quả của 4 thí nghiệm nêu trên, đa lựa chọn

được bộ thông sô tôi ưu cho thiết bị lam sạch khí lam việc.Tiêu chí lựa

chọn dựa trên hiệu quả lam sạch khí thông qua kết quả phân tích nồng độ

khí CO2, H2S sau khi lam sạch.

2.2.2.5. Nội dung 5. Đánh giá độ bão hòa của dung dịch hấp thụ

Ba(OH)2 theo thời gian

Các thông sô của thí nghiệm đánh giá độ bao hòa của dung dịch

hấp thụ Ba(OH)2 theo thơi gian thể hiện ở Bảng 2.7. Mâu dung dịch hấp

thụ trươc va sau lam sạch được đo giá trị pH để đánh giá độ bao hòa của

dung dịch theo thơi gian.

Bang 2.7. Đánh giá độ bao hòa của dung dịch hấp thụ theo thơi gian

Thí nghiệm 5 Thông số cố định

Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1

Tôc độ quay (vòng/phút) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2

Lưu lượng biogas QG

(lít/phút)

Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 3

Nồng độ Ba(OH)2(M) Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 4

Thông số khao sát

63

Thơi gian hấp thụ (phút) 0, 10, 20, 30, 40, 50……

Thông sô theo dõi pH dung dịch

2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1. Phương pháp thực nghiệm

Sau khi thiết lâp các thông sô vân hanh cho lần lượt các thí nghiệm từ

1 đến thí nghiệm 5, tác giả sẽ tiến hanh các thí nghiệm nay ngay tại mô hình

thí nghiệm đặt tại Nha máy. Tóm lược các bươc thực hiện như sau:

1. Khí biogas thô (đầu vao) được lấy từ hệ thông phân hủy bùn yếm khí

đi vao thiết bị lam sạch HGRPB.

2. Dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 được chuẩn bị ở các nồng độ khác nhau

cho thí nghiệm 1 va nồng độ cô định ở các thí nghiệm còn lại.

3. Tiến hanh các thí nghiệm nhằm mục đích khảo sát các yếu tô ảnh

hưởng đến hiệu suất lam sạch biogas: CBa(OH)2; ; QG; QL.

4. Sau thơi gian lam sạch xác định, thu khí biogas sạch (đầu ra) đem

phân tích ham lượng các thông sô CO2, H2S va độ pH của dung dịch.

5. Từ kết quả phân tích các chỉ tiêu trên đưa ra đánh giá về ảnh hưởng

của các yếu tô tơi hiệu quả lam sạch biogas va lựa chọn được thông sô tôi ưu

của thiết bị va dung dịch đôi vơi quá trình lam sạch.

Các thí nghiệm được tiến hanh ở nhiệt độ thương.

Các bươc thực hiện thí nghiệm được trình bay ở Hình 2.11.

Lưu ý rằng các thí nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần để đảm bảo độ

chính xác cho sô liệu thu nhân được.

64

Bước

thực

hiện

Nội dung thực hiện Lấy và đo mẫu

Bươc 1

Kiểm tra hệ thông trươc khi vân hành

(hóa chất, điện, các van tại các bồn, các

tank …) đảm bảo điều kiện vân hành

Bươc 2

Khởi động chương trình thiết bị làm sạch

khí. Cai đặt thông sô đầu vào: tôc độ dòng

khí, tôc độ dòng lỏng, tôc độ quay của thiết

bị làm sạch …

Bươc 3

Mở van tay cấp khí thô từ hệ thông lên

men yếm khí và thiết bị làm sạch khí

Lấy 03 mâu khí thô,

thơi gian lấy 3 ÷ 10

phút

Bươc 4 Mở van tay tiếp nhân khí sau xử lý từ thiết

bị làm sạch vào hệ túi chứa khí sạch

Lấy 03 mâu khí

sạch, thơi gian lấy

10 phút/lần

Lưu ý: khi lấy xong

mẫu khí thô lần 1,

khoảng 1÷5 phút

sau lấy mẫu khí

sạch lần 1 . Tương

tự cho các lần 2 và

lần 3 .

Bươc 5

Vân hanh chương trình lam sạch. Khí sạch

theo hệ thông sẽ qua bồn tích khí sạch,

chuyển qua bồn nén và cấp cho máy phát

điện.

Bang 2.8. Tác gia thực hiện các thí nghiệm làm sạch khí

2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích

- Các mâu biogas trươc và sau quá trình làm sạch được đo nhanh tại

hiện trương bằng thiết bị đo nhanh GFM 406 (Gas Data, UK) (Bảng 2.8) để

xác định sự thay đổi của nồng độ CO2, H2S sau quá trình xử lý.

Ngoài ra, để đảm bảo tính chính xác, mâu khí biogas được thu vào túi

chứa mâu khí chuyên dụng (túi Tedlar, dung tích 1 lít, van nhựa

65

Polypropylene, My) (xem Hình 2.13) và gửi về phòng thí nghiệm của Trung

Tâm công nghệ môi trương Đa Nẵng - Viện Công nghệ môi trương.

Hình 2.12. Đo nhanh chất lượng khí biogas tại hiện trương

Hình 2.11. Lấy mâu khí biogas vào túi chứa

66

Việc phân tích thành phần khí biogas được thực hiện bằng thiết bị sắc

kí khí GC 2010, Shumadzu, Nhât Bản theo các phương pháp phân tích chuẩn

được trình bày trong Bảng 2.9.

Bang 2.9. Các thông sô va phương pháp phân tích thanh phần biogas

TT Thông số Phương pháp phân tích

1 CH4 TCVN 8715:2011

2 CO2 TCVN 3895:1984

3 H2S TCVN 10142:2013

- Thông sô pH của dung dịch hấp thụ trong thí nghiệm 5 được đo nhanh

tại hiện trương theo TCVN 6492:2011, bằng thiết bị HANNA HI 9811-5

(xem Hình 2.14).

Hình 2.12. Đo pH dung dịch hấp thụ tại hiện trương

2.3.3. Phương pháp kế thừa

Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích va tổng

hợp thông tin các nguồn tai liệu, tư liệu, sô liệu thông tin có liên quan một

cách có chọn lọc, từ đóđánh giá theo yêu cầu va mục đích nghiên cứu. Để

thực hiện luân văn tác giả đa thu thâp các thông tin về:

- Công nghệ xử lý khi sinh học hiện nay

- Một sô phương pháp xử lý khí sinh học trên thế giơi va hiện trạng xử

lý khí sinh học tại Việt Nam.

- Thông tin về hệ mô hình nghiên cứu.

67

- Thông tin về hiệu quả xử lý khí sinh học bằng các công nghệ.

Các thông tin này đa được công bô trên các tạp chí, sách, luân văn, luân

án và được liệt kê đầy đủ trong danh mục Tai liệu tham khảo.

2.3.4. Phương pháp chuyên gia

Như đa trình bay ở Chương 1, tác giả la một trong những thanh viên

chính của Đề tai thuộc Viện Công nghệ môi trương, do đó, tác giả có cơ hội

được gặp gỡ, tham khảo va trao đổi vơi những chuyên gia trong lĩnh vực

nghiên cứu của luân văn nhằm củng cô kinh nghiệm va kế thừa kiến thức sâu

rộng lam tăng khả năng thanh công của đề tai.

+ Các chuyên gia quôc tế: Học Viện Ky thuât môi trương, Đại học

Quôc gia Đai Loan, thanh phô Đai Bắc, Đai Loan, tổ chức phôi hợp cùng

nhóm nghiên cứu trong đề tai nay.

+ Các chuyên gia trong nươc: Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng

lượng thay thế (CAERA)- Trương Đại học Bách Khoa - Đa Nẵng, tổ chức có

nhiều kinh nghiệm va nghiên cứu trong lĩnh vực chạy khí biogas phát điện tại

Việt Nam.

2.3.5. Phương pháp tính toán

- Tính toán sự thay đổi nồng độ của các thanh phần khí khác: CO2 và

H2S trong biogas trươc va sau khi lam sạch:

Hk % = Ck-tr - Ck-s

Ck-tr (%)

Trong đó:

Hk %: Sự thay đổi nồng độ khí sau khi qua hệ lam sạch;

Ck-tr: Nồng độ khí trươc khi lam sạch;

Ck-s: Nồng độ khí sau khi lam sạch.

- Bên cạnh đó, các kết quả phân tích được lấy theo giá trị trung bình

theo công thức sau:

Trong đó: N: la tổng sô lần đo; : la giá trị trung bình;

xi: la giá trị ở lần đo thứ i; n: la sô lần đo (n = 3)

68

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUÂN

3.1 MÔ HÌNH VÂN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ BÙN YẾM KHÍ TẠI

NHÀ MÁY

Mô hình vân hanh la một phần không thể thiếu đôi vơi kết quả của đề

tai, việc vân hanh đúng quy trình ky thuât giúp thu được lượng khí biogas lơn

va lam cơ sở cho quá trình lam sạch khí đạt yêu cầu, cấp cho máy phát điện.

Trên cơ sở tiếp thu kinh nghiệm từ mô hình pilot tại Trung tâm Công

nghệ môi trương Đa Nẵng – Viện Công nghệ Môi trương, mô hình xử lý bùn

yếm khí tại nha máy thực tế được lắp đặt va vân hanh như sau:

Hình 2.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ của mô hình nghiên cứu

Thuyết minh quy trình:

- Bùn thải phát sinh tại HTXL nươc thải tâp trung của Nha máy được

thu gom bơm về Bể nén bùn của mô hình pilot, thực hiện nén bùn tách nươc,

đảm bảo độ ẩm thích hợp cho quá trình xử lý bùn bằng quá trình phân hủy kỵ

khí. Phương pháp để nén bùn la phương pháp vât lý, nén bùn bằng trọng lực

Khí thải

Bơm

Nươc thải

Nươc thải

Bơm

Bồn hóa trộn

hóa chất

Máy nén khí

Biogas

Bơm

Bơm

Bùn thải

Bể nén bùn

Bể phân hủy bùn

Nha ủ phân compost

Nươc rỉ

Phân compost

(Sử dụng bón cây)

Máy thổi khí

Túi chứa Biogas thô

Thiết bị làm sạch

Biogas (HGRPB)

HTXL nươc thải

( Nhà máy Bia)

Túi chứa Biogas tinh

Thiết bị tách ẩm

Bồn chứa Biogas tinh

Bồn điều áp

Máy phát điện Điện

(tái sử dụng phục vụ

hoạt động của nha máy)

Hóa chất; Nươc sạch

Ghi chú:

Đường bùn

Đường khí

Đường nước

Đường hóa chất

69

vơi biện pháp ky thuât được sử dụng la bể lắng bùn đứng. Bùn sau nén đạt độ

ẩm từ 96 - 98% được bơm vao Bể phân hủy bùn. Nươc thải tách ra tuần hoan

lại HTXL nươc thải.

- Tại bể phân hủy bùn, vơi thơi gian bùn lưu (có thể điều chỉnh theo lưu

lượng) đủ dai, các chất hữu cơ từ bùn hoạt tính phân hủy sẽ bị các vi sinh vât

kỵ khí (có sẵn trong bể) phân huỷ tạo hỗn hợp biogas. Hỗn hợp Biogas sẽ

được chứa tạm thơi bằng túi chứa Biogas thô (vât liệu HDPE) có thể tích 15

m3 (1 túi) nhơ sự chênh lệch áp tự nhiên.

- Nươc phát sinh từ quá trình phân hủy bùn, được thu gom vao hô thu,

được về HTXL nươc thải để tiếp tục xử lý.

- Bùn sau phân hủy, lắng ở đáy bể phân hủy bùn để ổn đinh và định kỳ

bơm về nha xưởng để ủ phân compost. Tại đây, chất hữu cơ còn lại trong bùn

được phân huỷ bởi các sinh vât trong điều kiện có oxy (nhơ máy thổi khí),

đảo trộn…, sản phẩm tạo thanh la CO2, nươc, nhiệt va compost. Nươc rỉ từ

quá trình ủ được thu gom va đưa về HTXL nươc thải tại nha máy để xử lý.

- Biogas tại túi chứa biogas thô được máy thổi khí thổi vao Thiết bị

HGRPB để tinh lọc biogas. Tại đây, Biogas được đưa vao thiết bị vơi lưu

lượng ổn định để phù hợp vơi các chế độ tải của thiết bị, dung dịch Ba(OH)2

được cấp vao trục giữa thiết bị nhơ bơm, dươi tác dụng của động cơ quay trục

giữa, dung dịch Ba(OH)2 sẽ chuyển động ly tâm vơi tôc độ cao, giúp cho dung

dịch hấp thụ (pha lỏng) tiếp xúc dòng khí đi vao (pha khí) hiệu quả hơn, hiệu

suất hấp thụ cao. Các khí tạp trong biogas như H2S, CO2 được hấp thụ vao

dung dịch Ba(OH)2. Đồng thơi, vơi tôc độ ly tâm cao, dung dịch hấp thụ sẽ

không bị kéo theo ra ngoai theo dòng khí, nhơ vây ma dòng khí sau xử lý có

độ ẩm thấp. Sản phẩm sau quá trình hấp thụ la Biogas tinh vơi ham lượng H2S

thấp; CH4đảm bảo quá trình tái tạo năng lượng. Biogas sau lam sạch sẽ tự di

chuyển vao Túi chứa Biogas tinh (vât liệu HDPE) có thể tích 15 m3 (1 túi)

nhơ sự áp thừa của máy thổi khí;

- Để đảm bảo thơi gian hoạt động va tuổi thọ của máy phát điện, tiết kiệm

diện tích va thể tích lưu Biogas, Biogas đa được lam sạch từ túi chứa Biogas tinh

sẽ được máy nén khí nén Biogas đến áp suất an toan trươc khi đi qua Thiết bị

tách ẩm. Tại đây, nươc được ngưng tụ ở nhiệt độ 2 - 4oC nhơ tác nhân lam lạnh

gas. Và biogas được lưu giữ tại Bồn chứa Biogas tinh ở điều kiện áp suất an

toàn. Nươc ngưng định kỳ được xả về hệ thông thoát nươc của Công ty.

70

- Biogas sau khi lam sạch đa đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn khí cho máy

phát điện sẽ được tích trữ trong bình chứa Biogas sạch. Sau đó Biogas được

chuyển qua (9) Bình điều áp, đảm bảo yêu cầu áp của dòng Biogas vao máy

phát điện (1 - 5,5 kPa). Máy phát điện Biogas được sử dụng để biến nhiệt

năng từ CH4 thành điện năng phục vụ cho hoạt động của trạm xử lý nươc thải

của Công ty. Khí thải từ máy phát điện đảm bảo về xả thải, đặc biệt la nồng

độ SO2.

Một sô hình ảnh các hạng mục chính trong hệ mô hình của đề tai được

trình bay ở Hình 3.1

Bể chứa bùn Bể nén bùn

Bể phân hủy bùn Túi chứa biogas thô và tinh

71

Hệ làm sạch khí biogas Máy phát điện

Hình 3.1. Các hạng mục trong dây chuyền công nghệ của đề tài

Hệ thông lên men yếm khí đưa vao hoạt động ổn định, bùn thải từ hệ

thông XLNT của nha máy được bơm về hô gom va đưa vao thiết bị lắng hằng

ngay, các thông sô vân hanh được chuyên gia cai đặt tự động để đảm bảo hệ

thông vân hanh ổn định. Mỗi hệ thông vân hanh tại mỗi pilot có thông sô vân

hanh riêng biệt phù hợp vơi tính chất bùn thải, công suất thiết kế, chế độ vân

hanh hệ thông XLNT của nha máy… các chuyên gia sẽ cai đặt thơi gian lắng

bùn, thơi gian lên men yếm khí, lượng khí biogas sinh ra, lượng bùn thải sau

quá trình lên men được cấp cho quá trình ủ phân sinh học ….

Vơi giơi hạn của đề tai tâp trung nghiên cứu phương pháp lam sạch khí

sinh học va giơi hạn thông tin của mô hình chưa được công bô, tác giả mặc dù

la thanh viên tham gia đề tai tuy nhiên xin phép tham khảo các thông sô vân

hanh sau khi dự án được công bô thông tin.

Đôi vơi việc vân hanh hệ thông đơn giản va được lắp đặt hoan toan tự

động, các đầu dò đầu báo, lưu lượng khí, lưu lượng lỏng, các dụng cụ khuấy

trộn hóa chất … va các vị trí lấy mâu đa được thiết kế sẵn thuân tiện cho các

thao tác vân hanh xử lý khí.

72

Vơi nồng độ ban đầu của H2S trong biogas thô là 3.580 ppm và CO2 là

29,44%, tôc độ quay của thiết bị được cai đặt tại 900 vòng/phút (rpm), tôc độ

khí QG là 2,5 (lít/phút), tôc độ dung dịch QL là 0,25 (lít/phút) (tương ứng 15

l/h), thơi gian 5 phút, lần lượt tiến hanh thí nghiệm vơi các nồng độ dung dịch

Ba(OH)2 thay đổi la: 0,0001; 0,001; 0,01 va 0,1 M tương ứng vơi khoảng giá

trị pH thay đổi từ 10÷13.

Thí nghiệm 1

Thông số ban đầu

[H2S] (ppm) 3580

[CO2] (%) 29.44

Thông số cố định

Tôc độ quay (vòng/phút) 900

Lưu lượng khí biogas QG (lít/phút) 2,5

Lưu lượng chất lỏng QL(lít/phút) 0,25 (Tương ứng tỉ lệ QG/QL =10)

Thông số khao sát

Nồng độ Ba(OH)2 (M) 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1 (pH =

10,11,12,13)

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Kết quả thực hiện va ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 đến

hiệu suất tách H2S, CO2 được thể hiện trong Hình 3.2.

73

[Ba(OH)2] (M) 0,0001 0,001 0,01 0,1

[H2S] (ppm) 1839 685 275.3 47

1746 546 289.4 68

1853 672.3 265.7 62

Tb CH2S % 1812.67 634.43 276.80 59.00

HH2S (%) 49.37% 82.28% 92.27% 98.35%

[CO2] (%) 23.92 19.8 18.5 17.3

23.74 20.5 17.8 16.7

23.4 19.7 18.4 17.4

Tb CCO2 ppm 23.69 20.00 18.23 17.13

HCO2 (%) 19.54% 32.07% 38.07% 41.80%

Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ đến hiệu suất loại bỏ

H2S, CO2

Trong thiết bị hấp thụ HGRPB, chất ô nhiễm H2S, CO2 trong biogas

được chuyển từ pha khí sang giao diện khí/lỏng va sau đó đến phần lơn không

19.54%

32.07%

38.07%41.80%

49.37%

82.28%

92.27%98.35%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.0001 0.001 0.01 0.1

Hiệ

u s

uâ

t lo

ại

bỏ

(%

)

Nồng độ dung dịch Ba(OH)2 (M)

CO2

H2S

74

gian của pha lỏng la dung dịch Ba(OH)2. Đây la nơi xảy ra phản ứng hấp thụ

để lam giảm nồng độ chất ô nhiễm trong dòng khí biogas theo như các phản

ứng đa trình bay ở Mục 1.5.

Từ đồ thị trên Hình 3.2 ta thấy ở tôc độ dòng khí va tôc độ dòng chất

lỏng nhất định, các giá trị hiệu suất loại bỏ (H) tăng khi tăng nồng độ dung

dịch Ba(OH)2 tương ứng vơi chất lượng khí biogas tăng lên. Kết quả nay

được giải thích giông như khi sử dụng dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 đó la do

khi nồng độ dung môi tăng lên tức la lam gia tăng sự có mặt nhiều hơn của

ion OH- trên một đơn vị thể tích khí hấp thụ H2S, CO2 nên quá trình hấp thụ

diễn ra mạnh hơn va hiệu quả loại bỏ cao hơn. Các sô liệu cụ thể trên Hình

3.2 cũng chỉ ra hiệu suất loại bỏ tăng nhanh khi tăng nồng độ từ 0,0001 - 0,01

M tương ứng hiệu suất tăng nhanh từ 49,37 đến 92,27 % đôi vơi H2S, va từ

19,54 đến 38,07% đôi vơi CO2, sau đó khi tăng nồng độ lên 0,1 M thì hiệu

suất thay đổi không đáng kể la 98,35% đôi vơi H2S và 41,8% đôi vơi CO2.

So sánh vơi nghiên cứu của Meibodi va cộng sự, kết quả pH của dung

dịch Ca(OH)2 ở giá trị 11,4 cho hiệu suất loại bỏ CO2 cao nhất. Tuy kết quả

không đề câp tơi H2S, nhưng khoảng giá trị pH của nghiên cứu cho kết quả

tham khảo đổi vơi nghiên cứu nay. Tippayawong và Thannompongchart tiến

hanh nghiên cứu loại bỏ CO2 bằng Ca(OH)2 sử dung thiết bị hấp thụ dạng cột

thu được hiệu suất loại bỏ chỉ đạt 47%. Trong khi đó, Zhi va cộng sự sử dụng

cùng thiết bị vơi dung dịch hấp thụ la MDEA thì thu được ham lượng H2S

nhỏ hơn 100ppm sau khi tinh chế. Hầu hết các nghiên cứu trươc đây cho thấy

kết quả tích cực nhưng áp dụng quy trình lam sạch phức tạp.

Do vây để loại bỏ H2S, CO2 trong biogas, lựa chọn nồng độ dung dịch

hấp thụ Ba(OH)2 trong thiết bị HGRPB la 0,01M la phù hợp va áp dụng cho

các thí nghiệm tiếp theo.

3.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯƠNG CỦA TỐC ĐỘ QUAY

CỦA THIẾT BỊ HGRPB ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2

Khảo sát ảnh hưởng của tôc độ quay ly tâm của thiết bị ở điều kiện thí

nghiệm tiếp theo vơi nồng độ dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 là 0,01 M, các

thông sô thí nghiệm khác được giữ nguyên. Tiến hanh các thí nghiệm vơi các

thông sô tôc độ quay của thiết bị lam sạch HGRPB lần lượt la 600, 900, 1.200

và 1.500 rpm. Kết quả như sau:

75

Kết quả thử nghiệm ảnh của tốc độ quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất

loại bỏ H2S và CO2

Thí nghiệm 2 Thông số ban đầu

[H2S] (ppm) 2912

[CO2] (%) 24.8

Thông số cố định

Lưu lượng khí biogas QG (lít/phút) 2,5

Lưu lượng chất lỏng QL(lít/phút) 0,25 ( Tương ứng tỉ lệ QG/QL=10)

Nồng độ Ba(OH)2 (M) 0.01 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1)

Thông số khao sát

Tôc độ quay (vòng/phút) 600; 900; 1200; 1500

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Kết quả sự phụ thuộc hiệu suất loại bỏ H2S, CO2 vao tôc độ quay ly tâm của

thiết bị HGRPB được thể hiện trong Hình 3.3.

Tôc độ quay R

(vòng/phút) 600 900 1200 1500

[H2S] (ppm) 618 372.5 181.4 64.4

587 366.8 183.7 65.8

613 370.2 184.5 62

Tb CH2S % 606.00 369.83 183.20 64.07

HH2S (%) 79.19% 87.30% 93.71% 97.80%

[CO2] (%) 13.1 8.2 5.58 4.8

11.8 7.5 5.6 4.64

12.3 7.05 5.3 4.32

Tb CCO2 ppm 12.40 7.58 5.49 4.59

76

HCO2 (%) 50.00% 69.42% 77.85% 81.51%

Hình 3.3 Ảnh hưởng tôc độ quay của thiết bị HGRPB đến hiệu suất loại bỏ

H2S, CO2

Từ đồ thị trên Hình 3.3 ta thấy hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 tăng dần

khi tăng tôc độ quay của thiết bị HGRPB từ 600 - 1200 rpm. Kết quả nay la

do khi tăng tôc độ quay của thiết bị thì dung dịch lỏng sẽ cang tạo ra mang

mỏng hơn hay các giọt nhỏ hơn để quá trình chuyển khôi giữa pha khí va pha

lỏng được triệt để va quá trình hấp thụ diễn ra hoan toan hơn.

Cụ thể khi tôc độ quay của thiết bị tăng từ 600 ÷ 1200 rpm thì hiệu suất

loại bỏ H2S và CO2 tăng nhanh tương ứng từ 79,19÷93,71% và 50÷77,85%.

Tuy nhiên, vơi tôc độ quay quá lơn (1500 rpm) thì hiệu suất tăng lên không

đáng kể, hiệu suất đạt 81,5 % đôi vơi CO2 và 97,8% đôi vơi H2S.

Xu hương nay cũng tương tự như của Gou va cộng sự hiệu quả loại bỏ

H2S nhân được tôi ưu đạt 99,8% tại tôc độ quay thiết bị la 1100 vòng/phút va

cao hơn so vơi kết quả nghiên cứu của Chu va cộng sự ở tôc độ quay thiết bị

la 1200 vòng/phút trong việc loại bỏ CO2.

50.00%

69.42%

77.85%

81.51%79.19%

87.30%

93.71%97.80%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

600 900 1200 1500

Hiệ

u s

uấ

t lo

ại

bỏ

%

Tốc độ quay thiết bị (rpm)

CO2

H2S

77

Do đó, vơi hiệu quả loại bỏ trong thí nghiệm này, chọn tôc độ quay của

thiết bị la 1200 rpm cho thí nghiệm tiếp theo.

3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯƠNG CỦA TỐC ĐỘ DÒNG

KHÍ ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2

Vơi giá trị nồng độ Ba(OH)2 la 0,01 M va tôc độ quay của thiết bị

HGRPB la 1200 rpm đa lựa chọn. Thí nghiệm nay được thực hiện trong điều

kiện tôc độ dòng khí lần lượt la 2,5; 5,0; 7,5; 10 lít/phút. Ta có kết quả như

sau:

Kết quả thử nghiệm ảnh của tốc độ dòng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S và

CO2

Thí nghiệm 3

Thông số ban đầu

[H2S] (ppm) 3567

[CO2] (%) 27.3

Thông số cố định

Lưu lượng chất lỏng QL(lít/phút) 0,25 (15 lít/h)

Nồng độ Ba(OH)2(M) 0.01 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1)

Tôc độ quay (vòng/phút) 1200 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2)

Thông số khao sát

Lưu lượng khí biogas QG (lít/phút) 2,5; 5; 7,5; 10

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Kết qua

Lưu lượng khí

biogas QG

(lít/phút)

2.5 5 7.5 10

[H2S] (ppm) 166 202 270 320

78

154 211 302 387

170 270 280 345

Tb CH2S % 163.33 227.67 284.00 350.67

HH2S (%) 95.42% 93.62% 92.04% 90.17%

[CO2] (%) 6.5 7.5 8.8 10.7

5.8 6.9 7.3 11.6

6.2 7.2 9.5 9.5

Tb CCO2 ppm 6.17 7.20 8.53 10.60

HCO2 (%) 77.41% 73.63% 68.74% 61.17%

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tôc độ dòng khí vao hiệu suất tách H2S,

CO2 được chỉ ra trong Hình 3.4.

Hình 3.4. Ảnh hưởng của tôc độ dòng khí đến hiệu suất loại bỏ H2S, CO2

Từ đồ thị biểu diễn ở Hình 3.4 ta thấy hiệu suất loại bỏ H2S và CO2

giảm dần khi tôc độ khí tăng dần ở điều kiện tôc độ dòng chất lỏng va tôc độ

quay thiết bị xác định. Điều nay được giải thích la do khi tăng tôc độ dòng khí

sẽ cung cấp một lượng lơn hơn ham lượng H2S, CO2 va lam giảm thơi gian

tiếp xúc giữa khí va lỏng, do đó dân tơi việc loại bỏ H2S, CO2bị hạn chế ở tôc

độ dòng khí cao va nồng độ chất lỏng nhất định. Cụ thể khi tăng tôc độ khí từ

95.42% 93.62% 92.04% 90.17%

77.41%73.63%

68.74%61.17%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2.5 5 7.5 10

Hiệ

u s

uấ

t lo

ại

bỏ

%

Tốc độ khí (l/phut)

H2S

CO2

79

2,5 - 10 (lít/phút) thì hiệu suất loại bỏ H2S, CO2 giảm tương ứng từ 95,42

xuông 90,17% va từ 77,41 xuông 61,17% va giảm một cách rất nhanh xuông

90,17% đôi vơi H2S và 61,17% đôi vơi CO2. So sánh vơi dữ liệu được phát

hiện của Chu va cộng sự cho thấy cùng một xu hương của giá trị thử nghiệm,

hiệu suất loại bỏ SO2 đạt 98% khi sử dụng dung dịch hấp thụ Na2SO3.

Như vây để loại bỏ H2S, CO2 trong biogas bằng thiết bị HGRPB ta có

thể chọn tôc độ khí vao thiết bị la 2,5 (lít/phút).

3.5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯƠNG CỦA TỐC ĐỘ DÒNG

DUNG DỊCH ĐẾN HIỆU SUẤT LOẠI BỎ H2S VÀ CO2

Vơi điều kiện thí nghiệm thu được la nồng độ dung dịch hấp thụ

Ba(OH)2 la 0,01 M, tôc độ quay của thiết bị HGRPB la 1200 rpm, tôc độ khí

QG là 2,5 lít/phút,tiếp tục thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tôc độ

dòng dung dịc. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện tôc độ dòng dung

dịch lần lượt la 3,0; 5,0; 7,5 va 15 l/h (tương đương 0,05; 0,083; 0,125; 0,25

lít/phút). Kết quả thực hiện như sau:

Kết quả thử nghiệm ảnh của tốc độ dòng dung dịch đến hiệu suất loại bỏ

H2S và CO2

Thí nghiệm 4

Thông số ban đầu

[H2S] (ppm) 3567

[CO2] (%) 27.3

Thông số cố định

Nồng độ Ba(OH)2(M) 0.01 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1)

Tôc độ quay (vòng/phút) 1200 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2)

Lưu lượng biogas QG (lít/phút) 2,5 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 3)

Thông số khao sát

Lưu lượng khí chất lỏng QL(lít/h) 3; 5; 7,5; 15 tương ứng (0.05; 0.083; 0.125;

80

0.25; 2.5 lít/phút)

Tương ứng tỉ lệ QG/QL 50, 30, 20, 10

Thông sô theo dõi CCO2, CH2S

Kết qua

Lưu lượng

chất lỏng QL

(lít/phút) 0.05 0.083 0.125 0.25

[H2S] (ppm) 71.2 69 81.2 114.2

68 65 89.3 109.8

63 62 78.4 98.7

Tb CH2S % 67.40 65.33 82.97 107.57

HH2S (%) 98.11% 98.17% 97.67% 96.98%

[CO2] (%) 6.4 3.9 4.2 4.3

6.2 3.5 3.9 3.7

5.9 2.9 3.7 3.5

Tb CCO2 ppm 6.17 3.43 3.93 3.83

HCO2 (%) 77.41% 87.42% 85.59% 85.96%

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tôc độ dòng dung dịch vao hiệu suất

tách H2S, CO2 được thể hiện trong Hình 3.5.

81

Hình 3.5. Ảnh hưởng của tôc độ dòng dung dịch đến hiệu suất loại bỏH2S,

CO2

Từ kết quả ở Hình 3.5 ta thấy hiệu suất loại bỏ H2S và CO2 tăng dần khi

tôc độ dung dịch hấp thụ tăng dần ở điều kiện dòng khí va tôc độ quay thiết bị

xác định. Điều nay được giải thích la do khi tăng lưu lượng dung dịch hấp thụ

trong một khoảng thơi gian tương tác như nhau vơi cùng một thể tích khí thì

lượng dung dịch đi qua nhiều hơn sẽ cho hiệu quả sẽ cao hơn. Như vây chứng

tỏ tôc độ dung dịch cang cao thì cang có lợi cho quá trình lam sạch biogas.

Cụ thể vơi tôc độ chất lỏng la 0,05 lít/phút hiệu suất loại bỏ H2S sau

lam sạch đạt hiệu suất la 98,11 %, nếu tiếp tục tăng tôc độ chất lỏng từ 0,083

-0,25 lít/phút thì nồng độ H2S sau lam sạch la giảm dần về 96,98%.Từ đồ thị

Hình 3.4 cũng cho thấy khi tăng tôc độ dòng dung dịch từ 0,05 -0,083 lít/phút

thì hiệu suất loại bỏ CO2 tăng nhanh từ 77,41 - 87,42% tương ứng. Khi tiếp

tục tăng tôc độ dung dịch thì hiệu suất nay thay đổi không kể, có xu hương

giảm dần. So sánh vơi kết quả nghiên cứu Viện Công nghệ môi trương, kết

quả tương tự thu được khi tác giả nghiên cứu tôi ưu thiết bị HGRPB bằng

cách khảo sát các lưu lượng dòng khí vao từ QG = 2,5 l/p vơi lưu lượng dòng

dung dịch hấp thụ la KOH từ QG = 0.05 -0.25 l/p cũng cho kết quả tương tự.

98.11% 98.17% 97.67% 96.98%

77.41%87.42% 85.59% 85.96%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.05 0.083 0.125 0.25

Hiệ

u s

uấ

t lo

ại

bỏ

%

Tốc độ lỏng (l/phut)

H2S

CO2

82

Trong nghiên cứu nay cũng nghiên cứu tôi ưu hóa thiết bị khi nghiên cứu tôc

độ quay của thiết bị từ 600 - 1500 rpm.

Do vây để tôi ưu về hiệu suất loại bỏ va tiết kiệm dung dịch ta có thể

chọn tôc độ dung dịch hấp thụ phù hợp la 0,083 (lít/phút).

3.6. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BÃO HÒA CỦA DUNG DỊCH HẤP

THỤ Ba(OH)2 THEO THỜI GIAN

Để đánh giá mức độ bao hòa của dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 theo thơi

gian, thí nghiệm được thực hiện ở các điều kiện phù hợp đa được lựa chọn la

nồng độ dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 la 0,01 M (pH = 12) va tôc độ quay của

thiết bị HGRPB la 1200 rpm, tôc độ khí QG la 2,5 lít/phút, tôc độ dung dịch

0,083 (lít/phút). Vơi độ biến thiên thơi gian cách nhau 10 phút một lần đo đến

khi dung dịch hấp thụ trở nên bao hòa hoặc trung hòa hoan toan (pH = 7 – 8).

Kết quả thực hiện như sau:

Kết quả thử nghiệm đánh giá độ bão hòa của dung dịch hấp thụ theo thời

gian

Thí nghiệm 5 Thông số cố định

Nồng độ Ba(OH)2(M) 0.01 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 1)

Tôc độ quay (vòng/phút) 1200 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 2)

Lưu lượng biogas QG (lít/phút) 2,5 (Lựa chọn giá trị từ Thí nghiệm 3)

Lưu lượng khí chất lỏng QL

(lít/h)

5 tương ứng 0.083 lít/phút (Lựa chọn giá trị

từ Thí nghiệm 4)

Thông số khao sát

Thơi gian hấp thụ (phút) 0, 10, 20, 30, 40, 50……

Thông sô theo dõi pH dung dịch

Kết quả về sự biến đổi pH của dung dịch theo thơi gian được thể hiện

trong Hình 3.6.

83

Trung bình

[H2S] (ppm) 3487 2975 3294 3252

[CO2] (%) 29.2 25.7 26.4 27.1

Tgian bao hòa

(phút) pH_a pH_b pH_c pH

10 11.5 11.4 11.2 11.37

20 10.9 10.3 10.6 10.6

30 10.3 9.8 10.5 10.2

40 9.5 9.6 9.7 9.6

50 8.8 9.3 9.3 9.13

60 7.4 8.8 8.4 8.2

70 6.9 8.6 8.2 7.9

80 7.2 7.1 7.15

90 6.86 6.86

Hình 3.5. Độ bao hòa của dung dịch hấp thụ theo thơi gian

11.3710.6

10.29.6

9.138.2

7.97.15

6.86

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

pH

Thơi gian (phut)

84

Khi quá trình hấp thụ diễn ra theo thơi gian nồng độ H2S, CO2 liên tục

được tích lũy trong dòng ra của dung dịch, đồng thơi nồng độ dung dịch cũng

giảm dần theo thơi gian. Cụ thể trên đồ thị Hình 3.6 cho thấy vơi nồng độ ban

đầu của dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 la 12 sau khoảng thơi gian la 80 phút

dung dịch hấp thụ có pH trung tính pH = 7,15. Kết quả cho thấy độ bao hòa

của dung dịch phụ thuộc vao nồng độ chất ô nhiễm, nồng độ ô nhiễm cang

cao thì thơi gian bao hòa dung dịch cang ngắn. Tác giả thực hiện vơi nhiều thí

nghiệm va theo phương pháp tính toán trung bình nhân thấy thơi gian đạt độ

bao hòa của dung dịch Ba(OH)2 là khoảng 80 phút.

85

CHƯƠNG 4. KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ

1. KẾT LUÂN

Từ kết quả thu được ở các thí nghiệm trên, đa thiết lâp được các thông

sô vân hanh thích hợp cho thiết bị, đem lại hiệu quả lam sạch cao nhất, đảm

bảo chất lượng khí biogas phục vụ cho nhu cầu phát điện, kết quả như sau:

- Vơi nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hấp thụ Ba(OH)2

đến hiệu suất loại bỏ H2S và CO2: Lựa chọn nồng độ dung dịch hấp thụ

Ba(OH)2 trong thiết bị HGRPB la 0,01 M cho các thí nghiệm tiếp theo.

- Vơi nghiên cứu ảnh hưởng của tôc độ quay của thiết bị HGRPB: Để

tôi ưu về mặt năng lượng va hiệu suất loại bỏ ta có thể chọn tôc độ quay của

thiết bị la 1200 rpm cho thí nghiệm tiếp theo.

- Vơi nghiên cứu về ảnh hưởng của tôc độ khí: Để loại bỏ H2S, CO2

trong biogas bằng thiết bị HGRPB ta có thể chọn tôc độ khí vao thiết bị la 2,5

(lít/phút).

- Vơi nghiên cứu về ảnh hưởng của tôc độ dung dịch: Để tôi ưu về hiệu

suất loại bỏ va tiết kiệm dung dịch ta có thể chọn tôc độ dung dịch hấp thụ

phù hợp la 0,083 (l/p), tương ứng vơi tỷ lệ QG/QL là 30.

- Đánh giá độ bao hòa của dung dịch hấp thụ Ba(OH)2 theo thơi gian:

Sau khi đa xác định được các thông sô thích hợp cho quá trình lam sạch khí

bao gồm: CBa(OH)2 là 0,01 M (pH = 12), tôc độ quay của thiết bị HGRPB la

1200 rpm, tôc độ khí QG la 2,5 lít/phút, tôc độ dung dịch 0,083 (lít/phút),

nghiên cứu đa xác định được thơi gian đạt độ bao hòa của dung dịch Ba(OH)2

là 80 phút.

2. KIẾN NGHỊ

- Sử dụng hóa chất Ba(OH)2 va các thông sô vân hanh thích hợp trên

để xử lý khí thải sinh học có tính chất ô nhiễm tương tự để đạt được độ tinh

khiết cao, vơi ham lượng H2S < 50 ppm, đáp ứng yêu cầu cấp cho máy phát.

86

- Tiếp tục thử nghiệm các hóa chất khác va tìm kiếm thông sô vân hanh

phù hợp nhằm đa dạng các hóa chất trong xử lý khí biogas.

- Đề tai nên được nhân rộng tại các hệ thông xử lý nươc thải nha máy

sản xuất bia nhằm ứng dụng công nghệ xử lý khí sinh học vao thực tiễn va

giảm thiểu ô nhiễm môi trương.

87

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Khan Imran Ullah, Mohd Hafiz Dzarfan Othman, Haslenda Hashim,

Takeshi Matsuura, AF Ismail, et al, 2017, Biogas as a renewable energy fuel–

A review of biogas upgrading, utilisation and storage, Energy Conversion and

Management, 150:277-94.

2. Bộ sách tham khảo Đỗ Văn Mạnh (chủ biên), Trịnh Văn Tuyên, Lê

Xuân Thanh Thảo, Lê Minh Tuấn, Trần Thị Liên, Nguyễn Tuấn Minh, Ky

thuât tiền xử lý bùn, phân hủy yếm khí, lam sạch khí Biogas va phát điện.

Nha Xuất bản khoa học tự nhiên va công nghệ.

3. Wonglertarak Watcharapol, Boonchai Wichitsathian, 2014, Alkaline

pretreatment of waste activated sludge in anaerobic digestion, J Clean Ener

Technol, 2:118-21.

4. Mao Chunlan, Yongzhong Feng, Xiaojiao Wang, Guangxin Ren,

2015, Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion,

Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45:540-55.

5. Lee Tsung-Han, Sheng-Rung Huang, Chiun-Hsun Chen, 2013, The

experimental study on biogas power generation enhanced by using waste heat

to preheat inlet gases, Renewable energy, 50:342-7.

6. Ryckebosch E., M. Drouillon, H. Vervaeren, 2011, Techniques for

transformation of biogas to biomethane, Biomass and Bioenergy, 35:1633-45.

7. Lettinga G, POLL HULSHOFF, 1995, Anaerobic reactor

technology: reactor and process design, International Course on anaerobic

treatment, Wageningen Agricultural University/IHE Delft, Wageningen,

17:28.

8. Gauli Bibesh, 2018, Commissioning of Biogas Reactor. Helsinki

Metropolia University of Applied Sciences

9. Deublein Dieter, Angelika Steinhauser, 2011, Biogas from waste and

renewable resources: an introduction. John Wiley & Sons

10. Persson M., Jonsson, O., Wellinger, A., 2007, Biogas upgrading to

vehicle fuel standards and grid., EA Bioenerg., 1–32

11. Bailón Allegue L., Hinge, J., 2014, Biogas upgrading Evaluation of

methods for H2S removal, Danish Technological Centre, Copenhagen:1–31.

88

12. Huertas J.I., Giraldo, N., Izquierdo, S., 2011, Removal of H2S and

CO2 from biogas by amine absorption, Mass Transfer in Chemical

Engineering Processes, 307

13. Bauer Fredric, Tobias Persson, Christian Hulteberg, Daniel Tamm,

2013, Biogas upgrading – technology overview, comparison and perspectives

for the future, Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 7:499-511.

14. Schiavon D.C., Cardoso, F.H., Frare, L.M., Gimenes, M.L., Pereira,

N.C., 2014, Purification of biogas for energy use, 37: 643–8.

15. Ga Bùi Văn, 2008, Sử dụng biogas để chạy động cơ diesel cỡ nhỏ,

Đại học Đà Nẵng,

16. Nguyễn Thanh Thuân, 2011, Nghiên cứu cải tiến công nghệ đốt khí

biogas trong các lò dầu truyền nhiệt

17. Nguyễn Công Thắng, 2012, Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu Biogas

nén cho xe tải nhẹ

18. Qian Zhi, Qi Chen, Ignacio E Grossmann, 2017, Optimal synthesis

of rotating packed bed reactor, Computers & Chemical Engineering, 105:152-

60.

19. Lu X., P. Xie, D. B. Ingham, L. Ma, M. Pourkashanian, 2018, A

porous media model for CFD simulations of gas-liquid two-phase flow in

rotating packed beds, Chemical Engineering Science, 189:123-34.

20. C Ramshaw, 1995, The Incentive for Process Intensification,

Proceedings of 1st International Conference of Process Intensification for

Chemical Industry 1995.

21. Trương Thị Hòa Đỗ Văn Mạnh , các cộng sự, 2019, Báo cáo tổng

kết đề tai thuộc Nhiệm vụ Nghị định thư: "Nghiên cứu phát triển công nghệ

thích ứng xử lý bùn hữu cơ thu khí sinh học phát điện", Viện Công nghệ môi

trương, Viện Han lâm Khoa học va Công nghệ Việt Nam.

22. Emami-Meibodi Majid, Mojtaba Soleimani, Soheil Bani-Najarian,

2018, Toward enhancement of rotating packed bed (RPB) reactor for CaCO 3

nanoparticle synthesis, International Nano Letters, 8:189-99.

23. Tippayawong N, P Thanompongchart, 2010, Biogas quality

upgrade by simultaneous removal of CO2 and H2S in a packed column

reactor, Energy, 35:4531-5.

89

24. Guo Kai, Jiawu Wen, Ying Zhao, Yu Wang, Zhenzhen Zhang, et al,

2014, Optimal packing of a rotating packed bed for H2S removal,

Environmental science & technology, 48:6844-9.

25. Chu Guang-Wen, Jia Fei, Yong Cai, Ya-zhao Liu, Yue Gao, et al,

2018, Removal of SO2 with sodium sulfite solution in a rotating packed bed,

Industrial & Engineering Chemistry Research, 57:2329-35.

90

PHỤ LỤC

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM