NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TINH CHẾ BIOGAS ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Trước tình trạng trên từ hơn 20 năm qua,nhiều nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm loại năng lượng khác mà nhất là các loạinăng lượng tác lập, mà gần gũi với chúng ta nhất, đó

TRƯỜNG ĐHQG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Tình trạng năng lượng ngày càng khan hiếm trên thế giới, đặc biệt là các loại nănglượng hoá thạch như dầu khí và than đá, trữ lượng dầu ước tính sẽ cạn kiệt vào năm 2050.Tương tự các mỏ than cũng đang được khai thác tối đa tăng theo nhu cầu năng lượng của cácnước trên thế giới đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ Trung Quốc hiện tại là một nước tiêuthụ dầu mỏ đứng thứ hai thế giới chỉ sau Hoa Kỳ Trước tình trạng trên từ hơn 20 năm qua,nhiều nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm loại năng lượng khác mà nhất là các loạinăng lượng tác lập, mà gần gũi với chúng ta nhất, đó là năng lượng có được từ rác hữu cơcủa gia đình và phân chuồng của gia súc như , trâu, bò, ngựa, heo… Một trong những nguồnnăng lượng thay thế năng lượng hoá thạch và củi đốt đã được áp dụng ở vùng nông thôn vàđem lại hiệu quả cao đó là mô hình hầm khí Biogas hộ gia đình Ý tưởng thu hồi khí mêtan

từ quá trình phân huỷ kị khí đã được tiến hành ở Ấn Độ năm 1930 Khoảng 20 chục năm gầnđây, việc nghiên cứu thí nghiệm dùng phân gia súc để sản xuất khí sinh vật được tiến hànhmạnh mẽ ở các nước đang phát triển, đặc biệt là Ấn Độ và một số nước Châu Á

Lợi điểm trong việc sản xuất khí sinh học là: giải quyết được một số vấn đề năng lượngcho địa phương và ngay cả trên bình diện quốc gia, chính quyền trung ương có thể quân bìnhđược cán cân phân phối và quân bình năng lượng, giảm thiểu được ngoại tệ do nhập cảngxăng dầu Do đó hai lĩnh vực môi trường và kinh tế gặt hái được nhiều phúc lợi xã hội nhất.Biogas được coi là một trong những nguồn năng lượng tái sinh rẻ nhất ở vùng nông thôntại các nước phát triển Sản xuất biogas không những tiết kiệm được củi mà còn thu lợinhuận cho những hệ thống nông trại được hòa nhập bằng cách biến đổi phân chuồng thànhphân bón được cải tiến cho vụ mùa hoặc hồ nuôi cá và tưới cây Những thuận lợi khác củaphân hủy sinh học bao gồm làm bớt mùi phân chuồng, loại bỏ khói khi nấu và làm giảm bớtmầm bệïnh và do đó cải tiến vệ sinh ở nông thôn

Về lợi ích môi trường, khí mêtan sinh học là một loại năng lượng sạch nhất tính đến ngàyhôm nay Nếu mêtan không được thu hồi từ các bãi rác, các đầm phế thải v.v… sẽ là mộtnguồn ô nhiễm ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính nhiều nhất Nếu dùng mêtan thay thế cácloại nhiên liệu hoá thạch có được nhiều lợi điểm vì phóng thích các loại khí thải ít hơn khi sử

dụng Và một lợi ích không nhỏ cho môi trường đó là hệ thống sinh khí sẽ giải toả được diệntích phế thải và tạo thêm nguồn thu nhập mới cho nông dân.

Thành phần chủ yếu của khí sinh học (KSH) là CO2 và CH4 Khí mêtan có thể cháy đượcnên khí sinh học là chất khí cháy được Hàm lượng mêtan trong hỗn hợp khí dao động từ 50-75% Phần khí còn lại chủ yếu là CO2, thường dao động từ 25-50% Ngoài ra hỗn hợp khícòn chứa dấu vết các khí H2S (0-3%), H2, N2, O2, hơi nuớc, (khoảng 1%) v.v…

Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất.Khi sử dụng để nấu bếp H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu và làm cho Biogas có mùi hôikhó chịu, H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là một khí độc hại đối với sức khoẻ con người.Khi sử dụng cho động cơ H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp thải và buồngcháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ Khí CO2 tuy không ăn mòn như H2S nhưng sự hiệndiện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, thành phần hơi nước cũngtương tự như CO2

Chính vì những lý do trên mà ta cần phải loại bỏ các khí độc H2S và CO2… để tăng hiệu

quả sử dụng khí biogas Từ đó chúng tôi đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ tinh

chế Biogas để nâng cao khả năng ứng dụng trong công nghiệp”.

PHẦN II: TỔNG QUAN

I TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.

1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.

Việc nghiên cứu và ứng dụng Biogas đã xuất hiện từ lâu Phát triển mạnh nhất là ởcác nước: Trung Quốc,Ấn Độ, Thuỵ Điển, Đức, Đan Mạch…

a) Ở Trung Quốc

Trong suốt thời gian đã qua, gần đây, Trung Quốc đã có nhiều bài học Sau 1975

những khẩu hiệu như là “biogas cho mọi hộ gia đình” đã đưa đến 1.6 triệu thiết bị phân hủyđược xây dựng hàng năm, chủ yếu là những thiết bị phân hủy kiểu mái vòm bằng bêtông, giá

rẻ nhưng chất lượng thấp Đến năm 1982, hơn 7 triệu thiết bị phân hủy được lắp đặt ở TrungQuốc Năm 1980, hơn 50% thiết bị đó không sử dụng được Kết quả năm 1979, hoạt độngcủa các thiết bị làm chậm lại ít hơn 1/3 của năm trước Theo báo cáo của Marchaim (1992)

có khoảng 5 triệu gia đình với quy mô xí nghiệp hoạt động ở Trung Quốc năm 1992 Một số

đã được thiết kế lại để tránh hiện tượng rò rỉ Theo số liệu thu được thì chỉ khoảng 3 triệuthiết bị phân hủy được vận hành vào năm 1991 Do thiếu nguồn nhân lực được huấn luyệntốt để xây dựng và sửa chữa chúng, những yếu kém này đưa đến hậu quả của những thiết bịphân hủy bằng bêtông Gần đây, người ta quan tâm đến việc kết hợp số lượng với chất lượngcủa các xí nghiệp và việc làm cho kĩ thuật công nghệ phù hợp với những điều kiện địaphương Trước khi những thiết bị phân hủy được giới thiệu thì đầu tiên phải nghiên cứu vếđiện kiện khí hậu phải tốt như những điều kiện xã hội và văn hóa

Chính phủ Trung Quốc đã đầu tư mạnh vào tốc độ phát triển biogas và thỉnh thoảng trợcấp tiền từ chính quyền địa phương và phường xã lên đến 75% Trong những năm gần đây,

số lượng nhà máy được xây dựng hàng năm đột ngột giảm do tiền trợ cấp của chính phủgiảm với sự chuyển hợp lí từ nhiên liệu biogas đến than đá Hạn chế lớn nhất của chươngtrình biogas là giá cả của những thiết bị phân hủy Bài học từ sự phổ biến biogas chỉ thànhcông khi lợi nhuận trực tiếp đến những người nông dân được rõ ràng

Hiện nay, ở Trung Quốc có khoảng 5 triệu công trình cỡ gia đình và trên 2000 công trình cỡ lớn, cung cấp khí cho trên 25 triệu người sử dụng, mỗi

năm sản xuất khoảng 1 tỷ mét khối khí, tương đương 1,9 triệu tấn than đá Ở TrungQuốc, tổng sản lượng Biogas của cả nước là 2.000 triệu m3/năm Biogas chủ yếu được sử

dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy các động cơ phát điện Cho đến năm 1979,Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng Biogas.

b) Ở Ấn Độ

Khí mêtan (CH4) được phát hiện đầu tiên trong khí bùn (marsh gas) vào nửa cuối thế

kỷ 18 Nguồn gốc phát sinh của nó được tiếp tục nghiên cứu ở thế kỷ 19 Đó là sản phẩmphân rã kị khí các vật liệu hữu cơ giàu cacbon trong các đầm lầy, ao hồ, cống rãnh… và ởnhững nơi chứa chất rác rưởi, phế thải của thành phố Đầu tiên Biogas xuất phát từ việc xâydựng một xưởng chế tạo khí mêtan bằng quá trình phân rã kị khí vật liệu hữu cơ xuất hiệnvào năm 1900 tại Bom Bay (Ấn Độ) Từ năm 1930 trở đi, bắt đầu cuộc khảo sát toàn diện vềquá trình phân rã ki khí vật liệu hữu cơ nhằm mục đích thăm dò khả năng khai thác và sửdụng khí mêtan

Khoảng 20 năm gần đây, việc nghiên cứu thí nghiệm dùng phân gia súc để sản xuất khísinh vật được tiến hành mạnh mẽ ở các nước đang phát triển, đặc biệt là Ấn Độ và một sốnước châu Á Năm 1974, ở Ấn Độ đã thử nghiệm sản xuất thành công khí sinh vật trên quy

mô lớn và đã tiến hành thiết kế hàng loạt lò sinh khí thích hợp cho các hộ nông dân, một sốkhá lớn dân thành phố Bom Bay được cung cấp năng lượng khí đốt CH4 Ở Ấn Độ, chươngtrình năng lượng và nước sạch nông thôn đã được triển khai vào những năm 90 của thế kỷtrước

Theo Khandelwal (1990), Ấn Độ đã có nhiều kinh nghiệm đáng kể trong lĩnh vựcphát triển những công nghệ biogas đơn giản và dễ vận hành để phù hợp với những điều kiệnkhí hậu khác nhau và những thành phần kinh tế xã hội sử dụng Chúng ta cũng chú ý đếnnhiều loại mô hình bổ sung về quản lý khác nhau của chương trình mở rộng biogas khá lớn

đã phát triển và cố gắng để thành công Shiha (1994) đã kết luận rằng một sáng kiến chínhquyền tập trung từ trên xuống được đưa ra để xúc tiến kế hoạch phác thảo và sự can thiệpcủa năng lượng vào nông thôn, do có một vài quan điểm về nông thôn Ấn Độ để biến đổinguồn sinh thái đã giảm giá trị

Ở nhiều khía cạnh, tình trạng giống Trung Quốc thường xảy ra ở Ấn Độ, nơi mà chínhsách bổ sung thiết bị phân hủy biogas nhanh chóng vượt qua khả năng nghiên cứu và pháttriển những tổ chức để đưa ra những kế hoạch chắc chắn và để đánh giá một cách lạc quan về

hiệu suất thiết bị Kết quả là những thiết bị phân hủy ra đời sớm hơn ở trong nước thí rất mắctiền mà lại không có hiệu quả Tình trạng này được khắc phục một chút trong những nămgần đây Theo Kristoferson và Bokhalders ( 1991), những kế hoạch phát thảo và phát triểnmới không được kết hợp chặt chẽ mau chóng, và yêu cầu cải tiến sự phối hợp và thông tinphản hồi nếu đạt được sự phát triển Hiệu suất thấp của những thiết bị phân hủy biogas ra đờisớm hơn cũng có thể là do bảo trì dự phòng kém Tình trạng này vẫn được phổ biến rộng rãi

và dẫn đến tốc độ hư hỏng tương đối cao Theo Marchaim (1992), những vấn đề được phânloại thành (a) lỗi thiết kế; (b) lỗi xây dựng; (c) khó khăn về tài chính; (d) vấn đề vận hành donhập liệu không đúng hay bảo trì kém; (e) những vần đề tổ chức phát sinh từ sự khác nhaucủa các phương pháp và thiếu sự phối hợp

Sản xuất biogas được khuyến khích bởi những chiến dịch quảng cáo phổ biến và các

xí nghiệp xây dựng biogas được trợ cấp bởi chính quyền trung ương và địa phương Thiết bịphân hủy được thiết kế có vỏ ngoài di động được giới thiệu bởi All-Indian CoodianteBiogasProgram là một hệ thống phổ biến nhất hiện nay được sử dụng ở Trung Quốc Mặc dù có sốlượng thiết bị được lắp đặt lớn thứ 2 trên thế giới ,nhưng chương trình biogas chủ yếu tậptrung trên những hệ thống mắc tiền có khả năng lắp đặt bởi những người giàu có hơn nhữngvùng nông thôn Theo Bhalla và Reddy (1994), Ấn Độ đặt tầm quan trọng trên sự tồn tại củanhững nông dân hoạt động với quy mô nhỏ cao hơn việc bảo đảm năng suất và sự phát triểncủa họ trong môi trường cạnh tranh từ đầu đến cuối hợp đồng bảo hành thiết bị kể cả nhữngchương trình biogas Tiền trợ cấp được đưa đến cho những chương trình biogas thì cản trởcông nghệ ,và tạo ra những ngành công nghệ yếu ớt và không có hiệu quả

Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ năng lượng sử dụng củiđốt sang sử dụng biogas Cho đến nay Ấn Độ đã có đến hơn 200.000 trạm Biogas Tại Ấn

Độ, hiện có khoảng trên một triệu công trình đang hoạt động, sản xuất ra một lượng khí gầnbằng của Trung Quốc Cả hai nước đều đầu tư nhiều cho việc nghiên cứu ứng dụng côngnghệ KSH toàn diện và thu được kết quả tốt đẹp trong các mặt sử dụng khí (để đun nấu, thắpsáng, chạy máy nổ, ấp trứng, sưởi ấm gà con, bảo quản hoa quả và ngũ cốc …) và sử dụng

bã thải (làm phân bón, làm thức ăn bổ sung để nuôi cá, nuôi giun, làm chất dinh dưỡng đểtrồng nấm …)

c) Ở Nhật Bản

Ở Nhật Bản, công nghệ xử lý và chế biến biomass tuy đã trong giai đoạn thửnghiệm nhưng các nhà khoa học đã có thể sử dụng khí mêtan từ nguồn Biogas để vận hành

xe buýt, xe cơ giới nông nghiệp …

Hầu hết tình trạng giống nhau ở các nước phát triển, chẳng hạn như Philippin, TháiLan, Nepan, Brazil… ví dụ: ở Nepan, Polkarel (1994) cho rằng sự lắp đặt của hơn 3000 nhàmáy biogas, kế hoạch chiến lược và hoạt động của sự tiến hành chương trình biogas càngphổ biến hơn và trở thành mô hình phát triển có tính phổ thông công nghệ ở Nepan Chínhphủ đã cung cấp trên 700Rs cho việc xây dựng 1 nhà máy ở vùng đất thấp và 10000Rs ởvùng đồi (khoảng 30 – 70% giá tiền công trình ) Theo báo cáo của Cosolidated ManagementServices Nepal, mặc dù biogas được biết đến ở Nepan cách đây khoảng 2 thập kỷ, nhưnghiện nay cơ sở hạ tầng dường như quá yếu đến nỗi mà vẫn còn sự phụ thuộc vào viện trợ củanước ngoài về những thiết bị biogas cần thiết Với tiền trợ cấp khoảng hơn 50% giá trị của 1

xí nghiệp gia đình, nhiều nông dân cần xí nghiệp biogas đã hứng thú với số tiền trợ cấp sẵn

có hơn là tính hữu dụng của biogas Những công ty tư nhân mới thành lập đang tìm việc choviệc kinh doanh của họ một khoảng lợi nhuận kha khá và 1 phần đáng kể của tiến trợ cấpchính phủ được lấy đi bỡi những công ty này như 1 khoảng lợi nhuận Không có khoảng lợitức thu được từ tiền đầu tư thay đổi từ 6 đến 12 năm ở Nepan

Ellis và Hanson (1989) đã kết luận rằng biogas ở Philippin thông thường hay tồn tại ởmỗi người sử dụng, và thực tế cho thấy rằng việc họ được trợ cấp cao đã làm cho họ cảmthấy quan tâm Những chính sách dựa trên tiền trợ cấp không thể xác nhận được trong mộtthời gian dài Ở những nước đang phát triển, những chính sách này chỉ có thể duy trì trongnhững giai đoạn ngắn Khái niệm” Sự thuận lợi tương đối” được đẩy mạnh để sử dụng nguồntài nguyên của chúng ta tốt hơn

Ở nhiều nước dang phát triển, những thay đổi thường xuyên của những chính sách củachính phủ trong lãi suất và tiền trợ cấp cũng phủ nhận những ảnh hưởng trong sự phổ biếnbiogas Những thay đổi này làm thất vọng những người đầu tư trong giai đoạn lâu dài phát

triển biogas Những người nông dân tiến bộ thích có biogas cũng trở nên nghi ngờ về nhữngđầu tư lâu dài của họ.

2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ khí sinh học được ứng dụng thử nghiệm từ những năm 60 Tớinay trong toàn quốc đã có khoảng 2000 công trình được xây dựng, tập trung nhất ở thànhphố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Hậu Giang, Hà Nội, Hà Bắc, Lai Châu … Kết quả ứng dụngcho thấy với những gia đình chăn nuôi nhiều, nguồn phân dồi dào, công trình KSH khôngnhững giải quyết vấn đề xử lý phân để đảm bảo vệ sinh mà còn cung cấp khí để thỏa mãn cácnhu cầu đun nấu, thắp sáng Riêng tiền tiết kiệm chất đốt cũng đủ thu hồi vốn đầu tư trongkhoảng 2 -3 năm Để phân huỷ KSH còn thay thế bể xí tự hoại để xử lý phân bắc

Nếu Việt Nam biết tận dụng và khai triển nguồn năng lượng sinh khí Biogas thì ViệtNam sẽ không còn lệ thuộc nhiều vào nguồn năng lượng hoá thạch như dầu hỏa và than đánhư hiện nay trong khi nhu cầu ngày càng tăng theo đà phát triển quốc gia

Năm 2006, khi dự án “Chương trình KSH xử lý chất thải cho ngành chăn nuôi” của ViệtNam- Hà Lan được triển khai trên địa bàn tỉnh Yên Bái với quy mô chăn nuôi 2 con lợn nái

và gần 40 con lợn thịt trong 2 năm tiết kiệm được gần 9 triệu đồng tiền mua than, củi (than,củi, gas, điện tương đương 4-5 triệu đồng phục vụ 7 người trong gia đình/năm)

Được biết hãng TOYOTA của Nhật sẽ tài trợ cho nhóm nghiên cứu chế tạo 1000 bộ phụkiện chuyển đổi động cơ sử dụng nguyên liệu diesel sang sử dụng Biogas để cung cấp cho bàcon nhân dân các vùng nông thôn Việt Nam Và hãng TOYOTA đã triển khai ứng dụng trêndiện rộng, áp dụng cho tất cả các trang trại và hộ gia đình có nhu cầu tại Việt Nam BộGD&ĐT đã đề nghị đưa kết quả nghiên cứu của đề tài này vào chương trình khoa học côngnghệ ASEAN để triển khai áp dụng ở các nước trong khu vực Hiện nay, ĐH Đà Nẵng đanghợp tác nghiên cứu với ĐH Osaka Prefacture Nhật Bản để sử dụng biogas chạy động cơ ôtô

và xe gắn máy

Cho đến nay, Biogas vẫn chỉ được sử dụng vào mục đích đun nấu là chủ yếu Các công trìnhnghiên cứu để ứng dụng Biogas vào các mục đích khác như sản xuất điện năng, thắp sáng,cấp nước vẫn còn bỏ ngỏ Có thể nói đây là các mục đích sử dụng Biogas hiệu quả hơn đốivới nước ta khi mà chúng ta vẫn còn thiếu điện, đặc biệt là ở các khu vực vùng sâu, vùng xa

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

1 Khí sinh vật và bản chất của nó.

1.1, Khí sinh vật:

Khí sinh vật hay khí bùn ( biogas,Marsh gas ) là sản phẩm bay hơi được quá trình lênmen kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp Thành phần chủ yếu của khí sinh vật làmêtan nên nó là một loại khí cháy được Tùy thuộc vào nguyên liệu được phân hủy, thời gianphân hủy và nhiệt độ môi trường hàm lượng khí mêtan giao động tong khoảng 60%-70%.Nếu vi sinh vật hoạt đậng kém khí mêtan có thể giảm xuống còn 40%-50% Phần khí còn lạichủ yếu là CO2 giao động trong khoảng 35%-40% Ngoài ra, trong hỗn hợp khí còn chứa cáckhí khác với hàm lượng nhỏ như H2S, H2, O2, N2…

Đặc tính của biogas

Nhiệt trị: Khí sinh học cháy cho ngọn lửa màu xanh lơ và không khói Nhiệt trị củakhí sinh học phụ thuộc vào hàm lượng CH4 và có thể tính theo công thức:

Q = 8570*CH 4 /100 ( Kcal/m 3 )

Trong đó CH4 là hàm lượng mêtan tính theo phần trăm với thành phần thông thường

có 50 – 70% mêtan KSH có nhiệt trị nằm trong giới hạn 4300 – 6000Kcal/m3 Thôngthường người ta thấy hàm lượng CH4 là 60%, khi đó KSH có nhiệt trị là 5124 kcal/m3

KSH nhẹ hơn không khí Tỷ trọng so với không khí là 0.94 (CH4 = 60%)

Bếp KSH của gia đình thường tiêu thụ khoảng 200 lkhí/h đạt hiệu suất 50 – 60%

Trong khi lượng khí mêtan thu được lại phụ thuộc vào chất lượng của nguyên liệu Do đókhông lấy gì làm lạ khi thấy giá trị nhiệt lượng của hỗn hợp khí thu được từ các nguồnnguyên liệu khác nhau dao động tương đối lớn.

Sự phụ thuộc của chất lượng kh1 sinh vật v ào chất lượng nguyên liệu

STT Nguồn nguyên liệu Hàm lượng khí mêtan trong hổn hợp khí sinh vật

Nhu cầu khí sinh vật cho các mục tiêu

Nấu ănThắp sángĐun nước uốngChạy động cơ máy nổChạy máy lạnhChạy máy ấp trứng

0,28-0,42 m3/người/ngày0,11-0,13 m3/đèn 100w/giờ

0,11 m3/lít0,6-0,7 m3/kw giờ1,2-0,7 m3 thể tích được làm lạnh0,5-0,7 m3/giờ/ m3 buồng áp

Nếu chỉ sử dụng để thắp sáng và nấu ăn thì không cần làm sạch khí trước khi sử dụng.Nhưng để sử dụng cho chạy máy nổ hoặc động cơ thì nhất thiết phải xử lý để loại bỏ các tạpkhí dễ làm hỏng máy Chính vì thế, muốn nâng cao chất lượng khí biogas để có thể phục vụcho nhiều mục dích sử dụng ta phải tinh chế khí trước khi sử dụng.

Biogas dùng nấu ăn Biogas dùng chạy máy phát điện

1.2, Xử lý khí trước khi dùng:

Ngoài mêtan, khí sinh vật còn chứa các tạp khí như:

CO2,H2S và cả hơi nước Khi các tạp khí này có tỉ lệ cao có thể gây nên những biến cố khônglường trước được: hơi nước ngưng tụ có thể làm tắc ống dẫn khí, khí CO2 ảnh hưởng đến sựđốt trong của động cơ, khí H2S gặp nước có thể biến thành axit dễ dàng làm hỏng máy Vìvậy nhất thiết phải xử lý trước khi dùng

- Loại bỏ nước ngưng tụ: khi thoát khỏi buồng thu khí và tiếp xúc với bề mặt của ốngdẫn, hơi nước rất dễ bị ngưng tụ Sự tích luỹ quá nhiều sẽ ngăn cản, thậm chí có thể làm tắtnghẽn đường ống Do đó cần lắp thêm đường ống thoát nước

- Loại bỏ hoặc giảm bớt khí CO2 trong hỗn hợp khí sinh vật có nhiệt lượng càng caokhi lượng chứa mêtan trong đó càng lớn và lượng chứa khí CO2 càng nhỏ Mặc dầu khí sinhvật với tỉ lệ CH4/CO2 là 50/50 vẫn còn cháy được, song CO2 nhiều sẽ ảnh hưởng đến sự đốttrong của động cơ Để loại bỏ bớt CO2 người ta thường cho hỗn hợp khí chạy qua dung dịchnước vôi

- Loại bỏ khí H2S khi gặp nước khí này có thể dễ dàng biến thành acid sunfuric hoặcacid sunfurơ Hai acid này ăn mòn kim loại và do đó dễ làm hỏng máy Để loại bỏ chúng,

người ta thường cho hỗn hợp khí chạy qua chất hấp phụ bề mặt hoặc qua ôxit sắt và bột sắt.Ôxit sắt có thể tái sinh bằng cách để ra ngoài không khí.

- Cung cấp khí ở áp suất ổn định Áp suất khí sẽ không đổi khi tốc độ sinh khí và tốc độ sửdụng cân bằng nhau

1 3 Giới thiệu về CH 4 và quá trình lên men kỵ khí.

để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ

Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy nhiều ứngdụng, chủ yếu dùng làm nguyên liệu Đốt cháy một mol mêtan có mặt oxy sinh ra 1 mol CO2

và 2 mol H2O

CH4 + O2 = CO2 + H2O

Mêtan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi kg mêtan làm ấmTrái Đất gấp 23lần 1kg CO2

Ảnh hưởng đến sức khỏe: Mêtan hòan tòan không độc Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó

có thể gây bỏng nhiệt Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy

nổ Mêtan rất hoạt động đối với các chất oxy hóa, halogen và một vài hợp chất của halogen.Mêtan là một chất gây ngạt và ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18%

Bề ngoài Khí trong suốt, lửa màu xanh da trời

- Nhiên liệu: Mê tan là một nhiên liệu quan trọng So với than đá, đốt cháy mêtan sinh

ra ít CO2 trên mỗi đơn vị giải phóng Ở nhiều nơi mêtan được dẫn tới từng nhà nhằm mụcđích sưởi ấm và nấu ăn Nó thường được biết tới với cái tên khí thiên nhiên

- Trong công nghiêp: Mêtan thường đựơc dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp

và có thể được chuyên chở dưới dạng khí hóa lỏng Trong hóa công nghiệp, mêtan là nguyênliệu sản xuất hydro, methanol, axit axetic và anhydrit axetic

Mêtan trong khí quyển Trái Đất: Là một khí gây hiệu ứng nhà kính Mật độ của nó đãtăng khoảng 150% từ năm 1750 và đến năm 1998, mật độ trung bình của nó trên bề mặt tráiđất là 1745 ppb Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn mêtan hơn (cả thiênnhiên lẫn nhân tao) Mật độ của mêtan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa hè

b) Quá trình lên men kỵ khí

Lên men kỵ khí sinh khí mêtan là quá trình vi sinh vật học với sự tham gia của cácchủng loại vi sinh vật kỵ khí, chúng thực hiện các phản ứng hóa sinh học để phân hủy, biếnđổi các chất hữu cơ phức tạp thành khí mêtan ( CH4 )

Các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan:

Vi sinh vật

CH4+CO2

Các giai đoạn lên men kỵ khí như sau:

-Giai đoạn I:

Dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ phức tạpnhư chất béo, các hydrat cacbon ( chủ yếu là xenluloza và tinh bột), protein bị phân huỷ vàbiến thành các hợp chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glyxerin,axit béo, axit amin, … ( các chất tan ) Cĩ thể nĩi giai đoạn 1 là quá trình hồ tan của cácchất hữu cơ phức tạp trong nước dưới tác dụng của các men do vi khuẩn tiết ra

- Giai đoạn II

Phân huỷ chất béo

Dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit các chất tan nói trên sẽ biến thành các axit hữu

cơ có phân tử lượng nhỏ hơn ( axit axetic, axit propionic, axit putyric,… )các aldehuyt acol

và một ít khí cacbonic, hydto, amoniac, nitơ,…

Nhờ các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hoá khử xảy ra một cách nhanhchóng và đồng bộ nên các quá trình xảy ra ở giai đoạn trên thực sự chỉ là sự sắp xếp lại cácphân tử không có oxy tham gia, do đó nhu cầu oxy sinh học gần như bằng không

Đây là giai đoạn quan trọng nhất của toàn bộ quá trình Dưới tác động của vi khuẩn,các axit hữu cơ và các hợp chất khác axit nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh

- Giai đoạn III.chuyển thành khí mêtan CO2, O2, N2, H2S,… ( vi sinh vật tham gia vào

quá trình này là Metanobacterium thermoaceticum, Methanosarcina barkeri … ) Sự tạo

thành mêtan xảy ra theo hai phản ứng sau:

CH3COOH => CH4 + CO2

CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O

Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ biến thành khí mêtan theo phản ứng:

R – COOH  A R1COOH  B CH3COOH  C CH4 + CO2

(Trong đó A,B,C là các vi sinh vật khác nhau)

Ta có sơ đồ tóm tắt quá trình lên men kỵ khí như sau:

c) Động học của quá trình lên men:

+ Phương trình biểu diễn tốc độ phát triển của visinh vật:

KdX dt

X : Hàm lượng của vi khuẩn đơn vị ( mg/l)

Y : Hệ số sản lượng tế bào( mg tế bào/mg COD cơ chất )

Sd : Nồng độ cơ chất chung quanh vi khuẩn

+ Tốc độ tiêu thụ cơ chất được xác định bỡi phương trình :Ġ

Trong đó: Ks là hệ số tốc độ ½ (mg/l) còn gọi là hệ số MiChoclis mêtan

Khi : Ks = Sd: Tốc độ phát triển riêng của vi khuẩn bằng ½ tốc độ cực đại

K= Hệ số tốc độ sử dụng cơ chất cực đại ( mg COD cơ chất/mg vi khuẩn/ ngày)

Bảng : Các phản ứng sinh metan và vi khuẩn:

Các bể lên men sinh mêtan cần có những bộ phận sau:

- Bể lên men phân hủy nguyên liệu

- Buồng thu khí

- Ngăn xử lý và ống dẫn nguyên liệu vào bể

- Ngăn đựng ống tháo nguyên liệu khi đã sử dụng

- Van, ống dẫn khí, bếp, đèn sử dụng bằng khí

Ảnh: các túi ủ biogas 1.5, Nguyên lý làm việc của hầm sinh khí:

Nước và phân được đưa vào bộ phận nạp liệu, ở đây nó được hòa trộn cho đều rồi phaloãng với chất khô vá nước tạo thành hỗn hợp nguyên liệu rồi đưa vào bộ phận phân hủythông qua ống dẫn liệu vào Trong bộ phận phân hủy, do hoạt động của các vi sinh vật lênmen kỵ khí các chất hữu cơ tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí sinh vật Các hợp chất hữu cơcòn lại trong chất liệu nhão là một thứ phân có chất lượng rất cao Khí mêtan được sinh ra tụlại trong một bộ phận chứa khí, từ đó được dẫn tới nơi tiêu thụ với các mục đích khác nhau

1 6, Ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến sự phân hủy kỵ khí:

Quá trình chuyển đổi kỵ khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố: pH của môi trường, nhiệt độbao quanh, tỉ lệ C/N của nguyên liệu, pha loãng nguyên liệu thời gian cầm giữ, đặc tínhnguyên liệu, tốc độ bổ sung nghiên liệu…

a - Ảnh hưởng của pH:

PH tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí là 6,5 – 7,5 trong điều kiện này sự sinhtrưởng và phát triển của vi khuẩn sinh mêtan đạt giá trị cực đại, pH nhỏ hơn 6,4 có nghĩa làaxit nhẹ được tạo nên vượt khả năng sử dụng của vi khuẩn sinh mêtan, nếu pH tiếp tục giảm

sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và phát triển của loại vi khuẩn này Nguyên nhânthừa axit có thể do:

- Độc tố được tích lũy ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn sinh mêtan

- Bề mặt lên men bị một lớp váng quá dày bao phủ.

Có thể điều chỉnh pH thích hợp bằng cách giảm tốc độ bổ sung nguyên liệu, tìmcách ổn định nhiệt độ bao quanh môi trường hoặc thêm NH4, vôi, phá tan lớp váng,…

b - Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ tốt nhất cho lên men tạo khí sinh vật là 350C thấp hơn nhiệt độ tối ưu này,mức độ sinh khí giảm tới gần 100C Tren 350C các loại vi khuẩn đa nhiệt sẽ hoạt động mạnhhơn và tốc độ sinh khí sẽ tăng thời gian cầm giữ sẽ giảm và do đó tổng số khí tạo được trênmột đơn vị nguyên liệu giảm Vì vậy ở những vùng lạnh cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ

ấm cho thiết bị Người ta đã xác định được mức sản xuất khí của một tấn phân ở các điềukiện nhiệt độ khác nhau như sau:

B ng : M c s n xu t khí c a 1 t n phân: ảng : Mức sản xuất khí của 1 tấn phân: ức sản xuất khí của 1 tấn phân: ảng : Mức sản xuất khí của 1 tấn phân: ất khí của 1 tấn phân: ủa 1 tấn phân: ất khí của 1 tấn phân:

Nhiệt độ

( 0 C)

Sản lượng khí (m 3 /ngày)

Thời gian phân hủy kéo dài

c -Tỉ lệ cacbon và nitơ (C/N) của nguyên liệu:

Các chất hữu cơ gồm các nguyên tố hóa học chủ yếu là cacbon( C ), Hydro (H), Oxi(O), Nitơ (N), Phốtpho (P), Lưu huỳnh (S) Tỉ lệ C/N có trong thành phần nguyên liệu là mộtchỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của nó Tỉ lệ C/N của nguyên liệu là mộtchỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của nó Tỉ lệ C/N của nguyên liệu bằng

30 là tối ưu Tỉ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm Ngược lai, nếu tỉ lệ nàyquá thấp sẽ làm cho quá trình phân hủy bị ngừng trệ vì tích lũy nhiếu amoniăc là một độc tốđối với vi khuẩn khi nồng độ cao

Tuy nhiên cần phải lưu ý mấy điểm sau đây:

- N là lượng đạm tổng số C là lượng cacbon tổng số không kể C của lignin

- Tỷ lệ C/N đo bằng phân tích hóa học trong phòng thí nghiệm đôi khi không đúngvới thực tế