Quản lý và xử lý chất thải rắn - Chương 7 doc

Biogas là sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ đã được xem như là nguồn năng lượng thay thế.. Tùy thuộc vào các yếu tố như là thành phần của các vật liệ

CHƯƠNG VII SẢN XUẤT BIOGAS

Cuộc khủng hoảng năng lượng vào những năm 1980 đã gây ra những ảnh hưởng kinh tế cho nhiều quốc gia, đặc biệt là những nước nghèo lệ thuộc vào việc nhập khẩu dầu và khí đốt Biogas là sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ đã được xem như là nguồn năng lượng thay thế Biogas có thể được sử dụng trong hộ gia đình như là dùng để nấu ăn, cung cấp nhiệt, thắp sáng, và hơn thế nữa là sử dụng trong các cơ quan công sở để cung cấp năng lượng hay là dùng để phát điện

Vật liệu thô phổ biến dùng để tạo ra biogas thường được xem như là “vật liệu thừa”, ví dụ như là phân gia súc, bùn trong hệ thống cỗng rãnh, và các phế phẩm thực vật Tất cả các vật liệu này có nguồn dinh dưỡng cao thích hợp cho sự tăng trưởng của các vi khuẩn yếm khí Mặc dù một vài dạng trong số các loại vật liệu này có thể sử dụng trực tiếp như là nguồn nguyên liệu và phân bón, nhưng chúng cũng được sử dụng để sản xuất biogas và nhiệt lượng Tùy thuộc vào các yếu tố như là thành phần của các vật liệu đầu vào, khối lượng chất hữu cơ áp dụng, thời gian và nhiệt độ của phân hủy yếm khí mà thành phần sản phẩm biogas biến đổi như sau:

7.1 Mục Đích, Lợi Ích Và Giới Hạn Của Công Nghệ Biogas

7.1.1 Tạo ra nguồn năng lượng

Quá trình tạo ra nguồn năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm khí của các chất thải hữu cơ là lợi ích cao nhất của công nghệ biogas Thực tiễn sản xuất biogas trong khu vực nông thôn có một số thuận lợi như bù đắp nhiên liệu, than , dầu, gỗ và các vấn đề liên quan đến việc quản lý và

hệ thống mạng lưới phân phối năng lượng Lượng chất thải hữu cơ cần thiết cho quá trình sản xuất biogas thì dồi dào Giảm nhu cầu sử dụng gỗ trong rừng và những nổ lực trồng cây rừng trong tương lai

7.1.2 Oån định chất thải

Các phản ứng sinh học xuất hiện trong quá trình phân hủy yếm khí sẽ làm giảm nồng độ của các chất hữu cơ từ 30 - 60% và ổn định bùn có thể dùng để làm phân bón và cải tạo đất

7.1.3 Cung cấp chất dinh dưỡng

Các chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong chất thải thường tồn tại dưới dạng phức chất và rất khó hấp phụ bởi cây trồng Sau khi phân hủy ít nhất 50%, N hiện diện dưới dạng ammonia hòa tan, có thể thực hiện hóa trình nitrate hóa tạo thành NO3- Vì vậy quá trình phân hủy sẽ tăng đô hữu dụng của N trong các chất hữu cơ từ 30 - 60% Hàm lượng P, K không thay đổi trong quá trình phân hủy Quá trình phân hủy không phân hủy hay dịch chuyển bất cứ thành phần nào trong các dạng dinh dưỡng của chất thải đô thị và trong các trại và làm cho nó hữu dụng thích hợp cho việc hấp thụ của cây trồng Bùn lắng từ quá trình phân hủy được xem như là chất làm ổn định và cải tạo đặc tính vật lý đất

7.1.4 Ưùc chế hoạt tính của mầm bệnh

Trong thời gian ủ phân yếm khí chất thải được phân hủy trong thời gian khoảng 15 - 50 ngày, nhiệt độ 35oC Những điều kiện này thích hợp cho việc ức chế một số mầm bệnh như là vi khuẩn, virus, động vật nguyên sinh, trứng giun sán

Kỹ thuật biogas có một vài trở ngại Khi so sánh với các giải pháp lựa chọn khác như là ủ phân compost thì các yếu tố như là ổn định chất thải và ức chế mầm bệnh thì phương pháp ủ phân compost tốt hơn nhiều Một giới hạn khác bao gồm chi phí cao, sản phẩm biogas biến đổi theo mùa, cũng như các vấn đề như là vận hành và bảo trì

Bởi vì việc ức chế mầm bệnh trong phân hủy yếm khí không hoàn chỉnh và bùn hình thành từ quá trình phân hủy tồn tại dưới dạng dung dịch, do đó cần lưu ý khi lưu trữ và sử dụng lại bùn từ quá trình phân hủy Có lẻ đây là lý do làm cho việc sử dụng bùn từ các hầm tự hoại bị hạn chế Bảng 4.1 là bảng so sánh phân tích kỹ thuật biogas và ủ phân compost Bảng 4.2 so

sánh thuận lợi và bất lợi của công nghệ biogas

7.2 Các Phản Ưùng Sinh Hóa Và Các Vi Sinh Vật

Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ là một phản ứng sinh hóa rất phức tạp bao gồm những phản ứng và sự tham gia của các hợp chất hữu cơ khác nhau, mỗi một hợp chất được thủy phân bởi một enzymes cụ thể hoặc là chất xúc tác riêng biệt Phản ứng đơn giản của quá trình này là: Các hợp chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S (7-1)

Một cách tổng thể của quá trình phân hủy yếm khí xuất hiện gồm các giai đoạn sau đây:

1 Bẻ gãy liên kết polymer hay sự hóa lỏng (Liquefaction)

bị bẻ gãy các liên kết do các enzyme đặc biệt hình thành Do các vi khuẩn thuỷ phân và hòa tan trong nước, các chất hữu cơ đơn giản hoà tan được hình thành, thích hợp ch các vi khuẩn hình thành acid trong giai đoạn 2 (hình thành acid)

Thông thường rất khó phân biệt giữa giai đoạn 1 và giai đoạn 2, bởi vì một số loại tế bào được hấp thụ và phân hủy ngay trong nội tại tế bào

Như đã trình bày trong hình 4.2, phản ứng thủy phân trong giai đoạn này sẽ biến đổi protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn giản và chất béo thành acid dạng chuỗi (long chain fatty acid) Quá trình hóa lỏng cellulose và các hợp chất phức chất khác thành monomer đơn giản chỉ xảy ra chậm tại giai đoạn 1 và diễn ra nhanh trong giai đoạn 2 và 3 Tốc độ thuỷ phân tuỳ thuộc vào chất dinh dưỡng và nồng độ vi khuẩn, cũng như các yếu tố khác : pH và nhiệt độ

PH yếm khí

Các monomer hình thành trong quá trình thủy phân do các vi khuẩn trong giai đoạn 1 thực hiện, sau đó được biến đổi thành acetic acid (acetates), H2và CO2 bằng các vi khuẩn hình thành acid (acetogenic bacteria) Các acid béo bay hơi (Volatile Fatty Acid) (VFA) được hình thành xem như là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn đối với protit, chất béo, và carbohydrate mà các acid như acetic, propionic, và lactic acid là sản phẩm chính Khí CO2 và H2 cũng thải ra trong quá trình dị hóa

carbohydrate, với methanol CH3OH, và các rượu đơn giản, các sản phẩm trung gian trong việc phá vỡ các carbohydrate (hydrocacbon)

♦ Giai đoạn 3: Hình thành metan (CH 4 ): (methanogens)

Các sản phẩm hình thành trong giai đoạn 2 cuối cùng biến đổi thành CH4và các sản phẩm cuối cùng do nhóm vi khuẩn gọi là methanogen thực

hiện Vi khuẩn methanogenic phát triển trong điều kiện yếm khí, tốc độ tăng trưởng chậm hơn trong giai đoạn 1 và 2

Vi khuẩn methane sử dụng acetic acid, methanol, hoặc carbon dioxide (CO2) và khí H2 để sản xuất methane Acetic acid đóng vai trò rất quan trọng như là chất dinh dưỡng để hình thành methane, khoảng 70% CH4 sản xuất từ acetic acid CH4 còn lại được sản xuất từ CO2 và H2 Một số chất khác cũng tham gia vào quá trình hình thành CH4 như là acid formic nhưng đóng vai trò không quan trọng, bởi vì nó không hiện diện thường xuyên trong quá trình lên men yếm khí Vi khuẩn methane cũng phụ thuộc vào vi khuẩn giai đoạn 1 và 2 để cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng thích hợp Ví dụ, hợp chất

N hữu cơ phải được khử thành ammonia và thích hợp ch việc sử dụng một cách hữu dụng của vi khuẩn methane

Sự hình thành những phản ứng tạo methane trong giai đoạn 3 đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy yếm khí Vi khuẩn methane còn giúp cho việc trung hòa pH trong bùn và biến đổi aicd béo bay hơi thành CH4 và các khí khác

Quá trình biến đổi H2 thành CH4 bằng vi khuẩn methane làm giảm áp suất

do H2 gây ra bể phân hủy, giúp cho hoạt động có lợi của các vi khuẩn hình thành acid acetic Nếu các chức năng vi khuẩn methane thất bại trong việc hình thành CH4 thì chỉ có một lượng nhỏ thậm chí không có sự hình thành

CH4 và việc ổn định chất thải sẽ không đạt được kết quả bởi vì các hợp chất hữu cơ sẽ biến đổi thành các acid béo bay hơi sẽ gây ô nhiễm nếu

thải vào môi trường nước hoặc môi trường đất Vi khuẩn methane phát triển trong điều kiện yếm khí, do đó sự phát triển của chúng sẽ bị hạn chế khi trong bể phân hủy có sự hiện diện của oxy, nên cần phải tạo môi

trường khử để duy trì sự tăng trưởng của chúng Vi khuẩn methane rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường khác Vấn đề này sẽ thảo luận trong phần 7.3 các yếu tố tác động môi trường

Hiện nay quá trình phân hủy yếm khí được chia làm 4 nhóm vi khuẩn tham gia:

I Vi khuẩn hình thành acid (thủy phân và lên men)

Acid forming (hydrolytic and fermentative) bacteria

II Vi khuẩn hình thành acetic acid (sản xuất acetate và H 2 )

Acetogenic (acetate and H2 - producing) bacteria

III Vi khuẩn hình thành methane (methane - forming) Acetoclastic

bacteria

IV Vi khuẩn hình thành H 2 và CH 4 hữu dụng

Hydrogen - utilizing methane bacteria

Vi khuẩn hình thành aicd tham gia vào quá trình thủy phân và làm bẻ gãy các liên kết phức chất hữu cơ thành các sản phẩm đơn giản như là CO2, H2, và các acid béo bay hơi bằng các con đường khác nhau:

Chất dinh dưỡng (subtrate) → CO2 + H2 + acetate (7-2)

Chất dinh dưỡng (subtrate) → propionate + butyrate + ethanol (7-3) Sản phẩm hình thành từ phương trình (7-2) có thể được vi khuẩn hình thành methane (acetoclastic bacteria) sử dụng trực tiếp và vi khuẩn hình thành H2 và CH4 hữu dụng để tạo thành CH4

CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- + năng lượng (7-4)

(acetate)

4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O + năng lượng (7-5)

Thời gian hình thành vi khuẩn giai đoạn 2 dài hơn giai đoạn 1 (2-3 ngày VS 2-3 giờ ở nhiệt độ 35oC) trong điều kiện tối ưu Vì vậy bể phân hủy yếm khí không nên cho vào tải trọng chất hữu cơ quá cao (organic loading) bởi vì các

vi khuẩn hình thành acid sẽ sản xuất acid béo bay hơi phát triển nhanh hơn

vi khuẩn hình thành methane, vì sự tăng trưởng của vi khuẩn hình thành methane rất nhạy cảm với áp suất của H2 trong bể phân hủy yếm khí

Nếu áp suất H2 lớn hơn 0.0001 hoặc 0.01% thì phản ứng (7-3) chiếm ưu thế và sự hình thành acetate sẽ bị hạn chế Khoảng chừng 70% CH4 hình thành trong phương trình (7-4), tỷ lệ hình thành biogas sẽ bị giảm

Phương trình (7-5) đóng vai trò rất quan trọng trong bể phân hủy yếm khí bởi vì nó sẽ làm giảm nồng độ H2 trong hệ thống và duy trì áp suất H2 ở mức thấp nhất Hoạt động không hoàn hảo (malfunction) của hệ thống còn phụ thuộc vào những yếu tố khác

7.3 Các Điều Kiện Trong Quá Trình Thực Hiện Biogas

Phản ứng trong điều kiện yếm khí trong bể phân hủy có thể xảy ra nhanh chóng nếu các vi khuẩn nuôi cấy hay chất dinh dưỡng được cung cấp một cách hợp lý Khi phản ứng hay giai đoạn làm quen với môi trường mới, các vi khuẩn hay chất dinh dưỡng phản được nuôi cấy và cung cấp vào chất thải một cách hợp lý về số lượng ít nhất 50% Thể tích nuôi cấy giảm trong khi thể tích chất thải cho vào tăng dần trong khoảng thời gian từ 3-4 tuần Sau

khoảng thời gian này, thể tích chất thải cho vào độc lập với thể tích vi sinh nuôi cấy, mục đích là giúp cho sự tăng trưởng của vi khuẩn yếm khí Khi xử lý chất thải gia súc, bùn lắng trong bể tự hoại, hoặc chất thải cây trồng, hàm lượng chất rắn khoảng 5 - 10%, phần còn lại là nước

Cũng như các quá trình sinh học khác, các quá trình phân hủy kỵ khí đòi hỏi nhiều thông số kiểm soát khác nhau Các thông số có thể tương tác độc lập hoặc tác động lẫn nhau trong quá trình thực hiện phản ứng

7.6.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ thay đổi hàng ngày và theo mùa đóng vai trò rất quan trọng trong việc hình thành sản phẩm biogas Một cách tổng thể, 2 dãy nhiệt độ quan trọng trong việc hình thành biogas: giai đoạn mesophilic (25 - 40oC) và

thermophilic (50 - 65oC) tỷ lệ hình thành methane tăng khi nhiệt độ tăng, nhiệt độ có sự giảm đi chút ít trong sự chuyển tiếp giữa 2 giai đoạn (hình 4.4) Nhiệt độ dưới 10oC hình thành khí giảm một cách nhanh chóng

7.6.2 Độ pH và độ kiềm

PH trong bể phân hủy yếm khí nên nằm trong khoảng 6.6 - 7.6, pH tối ưu là 7 - 7.2 Mặc dù vi khuẩn hình thành acid có thể hoạt động trong điều kiện pH khoảng 5.5 Vi khuẩn hình thành khí methane bị hạn chế trong điều kiện pH thấp Giá trị pH có thể giảm dưới 6.6 khi nồng độ của các acid béo bay hơi trong bể phân hủy cao Quá trình tích lũy có thể xuất hiện khi tỷ lệ chất hữu cơ cho vào với hàm lượng cao vượt quá mức giới hạn cho phép hoặc là các độc tố hiện diện trong bể phân huỷ

7.6.3 Nồng độ các chất dinh dưỡng

Hầu hết thông tin cung cấp trong phần này là kết quả của nghiên cứu các loại vi khuẩn có mặt trong dạ cỏ (Rumen) của động vật Năng lượng cung cấp cho sự tăng trưởng của hầu hết vi khuẩn lên men trong dạ cỏ hình thành thông qua quá trình lên men yếm khí của hydrocarbon N được cung cấp hình thành cấu trúc tế bào Để quá trình hình thành biogas diễn ra tốt thì vật liệu đầu vào phải đạt yêu cầu tỉ lệ C/N Vi khuẩn sử dụng C nhanh hơn N từ 25 - 30 lần Do đó tỷ lệ C/N = 25 - 30/1 là tối ưu, tương tự như quá trình ủ phân compost Các yếu tố khác như P, Na, K, Ca cũng đóng vai trò cần thiết

7.6.4 Tải trọng vật liệu đầu vào (loading)

Tải trọng vật liệu đầu vào có thể biểu hiện như (kg COD hay chất rắn bay hơi volative solid (VS/m3.day) và thời gian lưu nước trong bể (HRT) Vật liệu đầu vào có nồng độ cao làm phát sinh nhiều acid béo bay hơi trong bể phân hủy (điều kiện chua) (sour condition) và hậu quả là pH giảm, ảnh hưởng bất lợi với vi khuẩn hình thành khí methane Nồng độ vật liệu đầu

vào thấp thì lượng biogas sinh ra không sử dụng được cho nhiều mục đích khác nhau và bể phân hủy yếm khí không cần thể tích lớn

Thời gian lưu nước trong bể cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy Thời gian lưu nước trong bể quá ngắn không thích hợp cho các vi khuẩn yếm khí hoạt động, đặc biệt là vi khuẩn hình thành khí methne Thời gian lưu nước trong bể quá dài làm tích lũy các chất đã được phân hủy trong bể phân hủy và cấu trúc thể tích trong bể phân hủy càng lớn Nhìn chung tải trọng vật liệu đầu vào, thời gian lưu nước trong bể tùy thuộc vào đặc tính chất thải đưa vào và điều kiện môi trường trong bể phân hủy

7.6.5 Hiện diện của hợp chất độc tố

Quá trình phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ như là phân gia súc, và các chất thải nông nghiệp khác, tích lũy acid béo bay hơi, H2, và ammonia không phân chia thường dẫn đến những thất bại trong phân hủy Sự hiện diện của oxy cũng hạn chế các hoạt động vi khuẩn hình thành khí

7.4 Các Phương Pháp Sản Xuất Biogas

Có rất nhiều bể phân hủy yếm khí được thiết kế sử dụng cho các mục đích khác nhau, sử dụng dạng mô hình trong phòng thí nghiệm và dạng sử

dụng ngoài thực địa Có 2 yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế sản xuất biogas là: trong bể phân hủy không có sự hiện diện của oxy và thể tích hợp lý để các vi khuẩn thực hiện các phản ứng sinh học

7.6.1 Các dạng bể phân hủy

- Bể phân hủy dạng mẻ (batch operation)

Theo thiết kế dạng bể này phân hủy các chất hữu cơ cho đến khi đầy bể cùng với vi khuẩn nuôi cấy, phủ kín bể Quá trình phân hủy, gas được sinh

ra và hàm lượng giảm dần theo thời gian Lượng biogas được hình thành dựa vào sự biến đổ nhiệt độ vùng, và các dạng chất thải đưa vào Sau đó bùn được lấy ra chỉ chừa lại 10 – 20% xem như là chất nuôi cấy, các vật liệu được cho vào trở lại và quá trình cứ tiếp tục như lúc ban đầu Bể phân hủy dạng này, lượng gas sản xuất không ổn định và tỷ lệ gas phát sinh biến đổi từ cao đến thấp Phương pháp này thích hợp cho việc phân lớn chất hữu cơ ở vùng sâu

- Bể phân hủy bán liên tục ( Semi – continuous operation)

Theo thiết kế dạng bể này, các chất thải được cho vào bể theo quy luật Thông thường lượng chất thải cho vào từ 1 – 2 lần/ngày và lượng bùn cũng được lấy ra cùng thời điểm lúc cho chất thải vào Phương pháp này thích hợp khi lượng chất thải cho vào bể ổn định Thể tích bể phân hủy đủ lớn để vừa có bể phản ứng vừa có hầm chứa khí Lượng gas sinh ra trên một đơn vị khối lượng chất hữu cơ thường cao

- Bể phân hủy liên tục

Bể phân hủy dạng này, chất thải cho vào và lượng bùn lấy ra một cách liên tục Lượng chất thải được phân hủy trong bể dưới dạng hằng số bằng phương pháp chảy tràn (over flow) hoặc dùng máy bơm (pumping) Phương pháp này đã được sử dụng để xử lý chất thải lỏng hoặc chất thải hữu cơ có hàm lượng chất rắn thấp Phương pháp phân hủy liên tục đòi hỏi nguồn năng lượng rất lớn đầu vào dùng để bơm và khuấy trộn, và vì vậy bị giới hạn sử dụng tại những nơi nguồn năng lượng bị sử dụng hạn chế

Một điểm cần lưu ý là quá trình cấy các vi khuẩn cho vào khi bể bắt đầu hoạt động Hoạt động thật sự bắt đầu khi số lượng vi khuẩn được hình thành đủ để phân hủy chất thải, khí được sản xuất, bao gồm cả lượng gas sản xuất so với tổng số gas Thông thường việc ổn định chất thải cần

khoảng thời gian từ 20 – 30 ngày (tùy thuộc vào nhiệt độ, kích thước bể phân hủy và vật liệu đầu vào)

7.6.2 Kiểu bể phân hủy

Có rất nhiều dạng kiểu bể phân hủy biến đổi từ dạng đơn giản đến phức tạp Khi gia tăng độ phức tạp trong bể thiết kế đòi hỏi kỹ năng vận hành cao hơn và thông thường khó đáp ứng được Hơn thế hữa , thiết kế càng hiện đại thì đòi hỏi chi phí xây dựng và vận hành cao, và lượng gas sản xuất thì gia tăng không đáng kể

Bể phân hủy 2 giai đoạn (i.e giai đoạn 1 hình thành acid và giai đoạn 2 hình thành khí methane) được thiết kế sử dụng cho mục đích thí nghiệm để tìm hiểu về các hoạt động xảy ra trong điều kiện tự nhiên của chất thải Bể phân hủy 1 giai đoạn được sử dụng rộng rãi trong điều kiện thực tiễn

Một cách tổng quát, kiểu bể phân hủy có thể chia thành 2 nhóm chính: Nhóm hữu dụng cho các vi khuẩn phân tán (dispersed – growth bacteria) và nhóm hữu dụng cho nhóm vi khuẩn bám dính (attached – growth bacteria)

Bể phân hủy kiểu phân tán:

• Bể kết hợp phân hủy và tiêu hủy khí (combined digester and gas holder – fixed dome) (Chinese)

Thiết kế kiểu này (hình 4.5) thể tích chứa gas được thiết kế một cách trực tiếp nằm bên trên bể phản ứng Bể phân hủy quy mô nhỏ có thể tích 6 –12m3 phù hợp sử dụng trong gia đình hoặc một nhóm hộ gia đình Kiểu có thể tích lớn hơn (50m3) được thiết kế đáp ứng nhu cầu của cả cộng đồng Mái lợp, tường, và đáy của bể phản ứng cấu tạo bằng gạch hoặc đúc bê tông Đáy và lớp bao phủ có cấu tạo hình bán cầu

Bể phân hủy này được chôn dưới đất mục đích là để nhiệt độ phân phối đồng nhất, sử dụng được không gian và tận dụng được độ cứng của đất, ống cho vật liệu vào được cấu tạo thẳng và chấm dứt trong khoảng giữa bể phân hủy Dạng bể phân hủy kiểu này phổ biến tại các nước đang phát triển Có khoảng chừng 7 triệu bể phân hủy đang sử dụng tại Trung Quốc, nhưng vì lý do ảnh hưởng bởi sự biến đổi theo mùa của nhiệt độ, do đó chỉ có khoảng 50% trong số hoạt động có hiệu quả Bể phân hủy kiểu này thiết kế dưới dạng bán liên tục, một vài thiết kế dạng mẻ

Tỷ lệ gas sản xuất được ghi nhận khoảng 0.15 – 0.2m3/ngày/m3 bể phân hủy nhưng trong vùng nhiệt đới có thể đạt 0.3 – 0.4m3/ngày/m3