công trình khí sinh học

trình bày công trình khí sinh học

LỜI MỞ ĐẦU

Khí sinh học lần đầu tiên được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 Nó là sảnphẩm bay hơi được của quá trình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơphức tạp Thành phần chủ yếu của khí sinh học là mêtan chiếm khoảng 60 –70%, phần còn lại là CO2 thường dao động từ 35 – 40% Ngoài ra còn một phầnrất nhỏ các hỗn hợp khí khác như H2S, H2, O2, N2,…

Các khu vực nông thôn ở các nước đang phát triển có sự đa dạng về sinhkhối có sẵn như củi, chất thải nông nghiệp và chất thải động vật Khí sinh họcgiải quyết một phần nhu cầu về chất đốt, nhiên liệu để thắp sáng, củi, dầu lửa,…góp phần cải thiện môi trường và đời sống ở nông thôn Đến nay việc sử dụng khísinh học được phát triển rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới Trung Quốc vàẤn Độ là hai nước đang phát triển đứng đầu về mức độ phát triển công nghệ khísinh học trên thế giới Hiện nay, Trung Quốc có khoảng 7 triệu công trình cỡ giađình, khoảng 800 công trình cỡ trung và cỡ lớn, và khoảng 50 nghìn công trình khísinh học xử lý nước thải sinh hoạt Tại Ấn Độ hiện có hơn 3 triệu công trình đãđược xây dựng Cả hai nước đều đầu tư vào việc ứng dụng công nghệ khí sinh họctoàn diện và thu được kết quả tốt trong các mặt sử dụng khí (dùng để đun nấu,thắp sáng, chạy máy nổ, ấp trứng, sưởi ấm gà con,…)

Tại Việt Nam, công nghệ khí sinh học được ứng dụng thử nghiệm từ nhữngnăm 60 Đến nay ở nước ta, số công trình khí sinh học được xây dựng trong toànquốc khoảng 30000 Công trình khí sinh học không những nhằm bảo vệ môitrường mà còn cung cấp khí thỏa mãn các nhu cầu đun nấu, thắp sáng,… cho ngườidân

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Sự gia tăng dân số cùng với Khoa học kỹ thuật phát triển sử dụng rộng rãicác loại năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt,…) trong công nghiệp,nông nghiệp và dân dụng làm chóng cạn và đã dẫn đến khủng hoảng nghiêmtrọng các dạng năng lượng này Để ngăn chặn sự đe dọa môi trường cần thiết tìm

ra các nguồn tài nguyên khác của năng lượng có thể phục hồi như năng lượngthủy triều, năng lượng gió, năng lượng mặt trời Gần đây, việc khai thác nguồnnăng lượng sinh học nhằm đáp ứng các nhu cầu về chất đốt và làm nguyên liệucho các động cơ đốt trong đang được con người quan tâm, nhất là người dân ởnông thôn với nguồn nguyên liệu chủ yếu từ phân gia súc, gia cầm, lá cây sau khithu hoạch… Ngoài ra, nước thải giàu chất hữu cơ của những ngành công nghiệpcũng là một trong những nguyên liệu được quan tâm và nghiên cứu để sản xuấtkhí sinh học

Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến cao su ở nước ta đang phát triểnmạnh với sản lượng cao su chế biến ngày càng tăng, kèm theo đó là lượng nướcthải ra Đây là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường thêm trầmtrọng Nước thải chế biến cao su chủ yếu chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinhhọc (95%) như axit béo, đường, protein, lipid và các muối khoáng Các thànhphần của nước thải chế biến cao su hoàn toàn thích hợp cho xử lý sinh học để sảnxuất khí sinh học Bên cạnh sản lượng cao su tăng lên là nguồn nhiên liệu sửdụng để sấy cao su ngày càng nhiều Do đó, tiềm năng sử dụng khí sinh học làmnguồn cung cấp nhiên liệu phục vụ cho công việc này rất được khuyến khích

Sử dụng nước thải chế biến cao su để sản xuất khí sinh học góp phần giải

để sấy cao su sẽ tiết kiệm được nguồn nhiên liệu đốt Xuất phát từ những vấn đề

trên, đề tài ‘’ Nghiên cứu sản xuất và sử dụng khí sinh học từ nước thải ngành chế biến cao su” được thực hiện.

1.2 Mục tiêu của luận văn

- Xác định khả năng sản xuất khí sinh học từ nước thải chế biến cao su;

- Xác định hiệu quả sử dụng khí sinh học vào việc sấy cao su tờ;

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến cao su tờ sau quá trình sản xuất khí sinh học

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là nước thải chế biến cao su tờ (RSS) trong sản xuất thực tế và dựa trên mô hình pilot xử lý nước thải với công suất xử lý 2 m3/ngày Số liệu được thu thập và phân tích tại Phòng Thí Nghiệm Nước thải − Bộ Môn Chế Biến − Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp: tổng hợp tài liệu có liên quan đến khí sinh học và nước thải chế biến cao su

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

+ Nghiên cứu quá trình lên men kỵ khí sinh khí sinh học

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất khí sinh học

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở xây dựng, vận hành và kiểm nghiệm mô hình mô phỏng ở quy mô pilot

+ Phân tích các chỉ tiêu lý hóa trong phòng thí nghiệm theo TCVN của nước thải đầu vào và đầu ra bể xử lý sinh học kỵ khí

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Đánh giá khả năng sản xuất và sử dụng khí sinh học từ nước thải chế biến cao su tờ dựa trên mô hình pilot

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHẾ

BIẾN CAO SU

2.1 Nguồn gốc nước thải chế biến cao su

2.1.1 Phương pháp chế biến

Một cách tổng quát, sản phẩm của công nghiệp chế biến cao su thiênnhiên có thể được chia làm hai loại: cao su khô và cao su lỏng Cao su khô là cácsản phẩm dưới dạng rắn như cao su khối, cao su tờ, cao su crepe,… Cao su lỏng làcác sản phẩm dưới dạng mủ cao su cô đặc để có hàm lượng cao su khoảng chừng60% Do phương pháp chế biến chủ yếu là phương pháp ly tâm nên cao su lỏngcũng thường được gọi là mủ ly tâm Quá trình chế biến mủ ly tâm cũng cho ramột phụ phẩm là mủ skim, chứa khoảng 5% cao su

Trong chế biến cao su khối, mủ cao su tiếp nhận tại nhà máy được khuấytrộn điều trong một bồn chứa, rồi được pha loãng rồi để lắng trong một thời gian.Mủ cao su đã pha loãng sau đó được chuyển sang các mương và được cho thêmaxit (axit fomic hay axit axetic) Dưới tác dụng của axit, mủ cao su đông lại thànhkhối tách khỏi phần dung dịch còn lại (gọi là serum) Các khối cao su sau đó đượcgia công bằng nhiều loại máy khác để tạo thành các hạt cốm có kích thước chừng

3 – 5 mm Các thiết bị sấy sẽ làm khô các hạt cốm, và sau đó máy nén sẽ nén cáchạt đã khô lại thành khối

Các sản phẩm cao su khô khác như cao su tờ và cao su crepe cũng trải quaquá trình chế biến tương tự như trên, ngoại trừ sự tạo hạt Các thành phần tờ vàcrepe này có dạng tấm mỏng

2.1.2 Quy trình sơ chế mủ cao su

2.1.2.1 Quy trình chế biến mủ ly tâm

Mủ nước có khoảng 30% hàm lượng cao su khô (DRC) và 65% nước, thànhphần còn lại là các chất phi cao su Các phương pháp đã được triển khai để cô đặcmủ nước từ vườn cây là ly tâm, tạo kem và bốc hơi Trong công nghiệp ly tâm dosự khác nhau giữa tải trọng cao su nước, các hạt cao su dưới dạng serum đượctách ra nhờ lực ly tâm để sản xuất ra mủ ly tâm với tiêu chuẩn 60% DRC Mủ lytâm sau đó được xử lý với các chất bảo quản phù hợp và đưa vào bồn lưu trữ vàđể ổn định tối thiểu từ 20 – 25 ngày trước khi xuất

Một sản phẩm phụ của công nghệ chế biến mủ ly tâm là mủ skim (DRC)khoảng 6% Mủ skim thu được sau khi ly tâm được đánh đông bằng axit và sơ chếthành các tờ crepe dày hay sử dụng để sản xuất cao su cốm dưới nhiều dạng khácnhau Sau đây là sơ đồ công nghệ sản xuất của cao su ly tâm:

Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su ly tâm

Máy ly tâmMủ nước vườn cây

Nước để rửa các phương

tiện tiếp nhận, bồn chứa,

sàn

Nước thảichung

2.1.2.2 Công nghệ chế biến cao su cốm

Trong công nghệ này, mủ nước từ vườn cây cao su sau khi được đánh đôngbằng axit và mủ đông vườn cây được đưa vào dây chuyền máy sơ chế để đạt kếtquả sau cùng là các hạt cao su có kích thước trung bình 3 mm trước khi đưa vào lòsấy Cao su sau khi sấy xong được đóng thành bành có trọng lượng 33,3 Kg haytùy theo yêu cầu của khách hàng

Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su cốm

BỒN NGÂM RỬA

Nước rửa

Nước rửaNước rửaNước rửa

MỦ NƯỚC VƯỜN CÂY

BỒN NHẬN MỦ

CÁN CREPE SỐ 2

CÁN CREPE SỐ 3CÁN CREPE SỐ 1

MÁY CÁN CẮT

LÒ SẤY

ĐÓNG BÀNH / ĐÓNG GÓI

CAO SU CỐM

MƯƠNG ĐÁNH ĐÔNG

MÁY BĂM BÚANước rửa

Nước pha loãng

Axit foocmic / Axit acetic

2.1.2.3 Công nghệ chế biến mủ tờ

Mủ nước vườn cây được lọc tự nhiên để loại bỏ tạp chất, các mảnh vụn,cát,… Mủ sau đó được đổ vào các khuấy đánh đông và được pha loãng để DRCcòn khoảng 10%, pH của mủ giảm xuống còn 4,5 bằng cách sử dụng axit fomichay axit axetic và mủ nước thường để đông đặc qua đêm Sau khi hoàn toàn đôngđặc, tấm mủ đông nổi lên trên serum và được đưa qua giàn cán mủ tờ Cặp trụcđối của giàn cán có cắt rãnh để tạo lớp nhăn trên mủ Tờ mủ sau đó được đemphơi cho khô sau đó được đưa vào lò xông để sản xuất mủ tờ xông khói (RSS)

Mủ tờ hong khói (ADS) là một dạng mủ tờ không xông khói có màu vànglợt Việc chế biến mủ ADS hoàn toàn giống như chế biến mủ RSS ngoại trừkhông xông khói Người ta thêm 0,04% muối metabisulphit vào mủ nước để giữmàu cao su Sau đây là sơ đồ công nghệ sản xuất cao su mủ tờ:

Sơ đồ công nghệ sản xuất cao su mủ tờ

2.2 Đặc tính của nước thải chế biến cao su

2.2.1 Thành phần của nước thải chế biến cao su

Bảng 1: Thành phần hóa học của nước thải ngành chế biến cao su (mg/l)

Khối từ mủtươi

(Nguồn: Bộ môn chế biến, Viện nghiên cứu cao su Việt Nam)

Từ bản số liệu ta rút ra nhận xét về nước thải ngành chế biến cao su:

- Không có sự khác biệt về số lượng các chất hóa học giữa các loại nước thải

- Ngoài chất ô nhiễm hữu cơ, nước thải còn chứa N, P và K cùng với một sốkhoáng vi lượng, trong đó đáng kể nhất là N ở dạng amoni với hàm lượng trongkhoảng 40 – 400 mg/l.

2.2.2 Đặc tính ô nhiễm của nước thải chế biến cao su

Bảng 2: Đặc tính ô nhiễm của nước thải ngành chế biến cao su (mg/l)

Khối từmủ tươi

Khối từ mủđông Cao su tờ

Mủ lytâm

BTCVN5945-1995

(Nguồn: Bộ môn chế biến, Viện nghiên cứu cao su Việt Nam)

Nước thải chế biến cao su có pH trong khoảng 4,2 – 5,2 do việc sử dụngaxit để làm đông tụ mủ cao su Đối với mủ skim đôi khi nước thải có pH thấp hơnnhiều (pH =1) Đối với cao su khối được chế biến từ nguyên liệu đông tụ tự nhiênthì nước thải có pH cao hơn (pH = 6) và tính axit của nó chủ yếu là do các axitbéo bay hơi, kết quả của sự phân hủy sinh học các lipid và phospholipid xảy ratrong khi tồn trữ nguyên liệu

Hơn 90% chất thải rắn trong nước thải cao su là chất rắn bay hơi, chứng tỏbản chất bay hơi của chúng Phần lớn các chất này ở dạng hòa tan, còn ở dạng lơlửng chủ yếu chỉ có những hạt cao su còn sót lại.

Hàm lượng nitơ hữu cơ thường không cao lắm và có nguồn gốc từ proteintrong mủ cao su, trong khi hàm lượng nitơ dạng amonia là rất cao, do việc sửdụng amoni để chống đông tụ trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và tồn trữmủ cao su

Tóm lại, nước thải chế biến cao su thuộc loại có tính chất ô nhiễm nặng.Những chất ô nhiễm thuộc 2 loại ô nhiễm chất hữu cơ và chất dinh dưỡng

2.3 Các chỉ tiêu chất lượng nước thải ngành chế biến cao su

2.3.2 Nhu cầu oxy hóa học (COD)

Phép đo COD cho chúng ta một số đo đương lượng oxy của chất hữu cơtrong mẫu thử, mà mẫu này dễ bị oxy hóa bởi một chất oxy hóa mạnh Nó có mộtthông số đo nhanh quan trọng để nghiên cứu nước và nước thải công nghiệp cũngnhư kiểm tra nước thải của nhà máy Giá trị COD chỉ số lượng toàn bộ chất hữu

cơ có trong chất thải Nếu một chất thải có giá trị COD cao (chất hữu cơ cao) đãkhông được xử lý và thải ra sông, những vi sinh vật trong nước sẽ tiếp tục phânhủy chất hữu cơ và trong quá trình xả hết ra mức oxy được hòa tan trong nướcsông Nếu khả năng làm thông khí trở lại của nước sông không đủ để cung cấp

oxy theo yêu cầu của vi khuẩn, thì mức oxy hòa tan sẽ tụt xuống số không và cácũng như những loại sống dưới nước sẽ chết.

2.3.3 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD)

Thử nghiệm nhu cầu oxy sinh hóa là loại biện pháp phân tích sinh hóa đểcố gắng dựa vào quy trình làm sạch tự nhiên của chất hữu cơ nhờ có oxy hóa nếunó xảy ra trong một con sông nơi mà oxy được hòa tan trong nước được sử dụng lànhờ các vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ Giá trị BOD biểu hiện phân số thoái hóasinh học của chất hữu cơ có trong 1 chất thải Phương pháp Winkler đã được dùngđể xác định BOD trong chất thải cao su Phương pháp gồm việc đo lượng oxy tiêuthụ trong quá trình oxy hóa sinh học, chất hữu cơ dưới những điều kiện được theodõi

2.3.4 Chất rắn lơ lửng tổng số (TSS)

Chất rắn lơ lửng chủ yếu trong nước thải cao su chủ yếu là những hạt cao

su chưa động tụ bởi axit Phương pháp được thừa nhận để xác định hàm lượngchất rắn lơ lửng là lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh Cần phân tích chất rắn lơ lửngcàng nhanh càng tốt sau khi lấy mẫu, nên làm trong vòng 4 giờ Nếu không đượcphải giữ mẫu dưới 80C trong tối Nhưng không được để mẫu đông lạnh

2.3.5 Tổng Nitơ (TN)

Đây là tổng lượng nitơ dưới dạng NH3 và nitơ hữu cơ Trong nước thải cao

su thì lượng nitơ hữu cơ dưới dạng NH3 chiếm phần lớn trong tổng nitơ, do người

ta sử dụng số lượng lớn ammonia để bảo quản mủ nước

Tổng lượng nitơ có trong nước thải cao su thường được xác định bằngphương pháp Semi – micro Kjeldahl Cơ bản phương pháp này bao gồm sựchuyển biến của nitơ liên kết ban đầu dưới dạng hóa trị III thành ammoniumhydrosulphate dưới tác động của H2SO4 có mặt chất xúc tác Ammonia thu đượcsẽ được xác định bằng chuẩn độ sau khi chưng cất

2.3.6 Đạm amôni (AN)

Đạm amôni bao gồm tổng lượng amôni tự do và liên kết hiện diện trongnước thải cao su Amôni liên kết có được từ phản ứng của amôni và axít (thườnglà axit formic) trong suốt quá trình sản xuất cao su để tạo thành muối amônitương ứng Lượng đạm amôni có trong nước thải cao su khá cao, phương phápchưng cất và chuẩn độ thường được sử dụng để ước lượng nó

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ BIOGAS

3.1 Biogas và quá trình sản xuất biogas

3.1.1 Bản chất hóa học của Biogas

Biogas hay khí sinh học (hay khí bùn) là sản phẩm bay hơi được của quátrình lên men kỵ khí phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp Do mêtan là thànhphần chủ yếu nên khí sinh học là một loại khí cháy được Tùy thuộc vào nguyênliệu, thời gian phân hủy và nhiệt độ của môi trường bao quanh, hàm lượng mêtantrong hỗn hợp khí dao động từ 60 – 70% Trong điều kiện vi sinh vật hoạt độngkém, lượng khí mêtan có thể giảm còn 40 – 50% Phần còn lại chủ yếu là CO2,thường dao động từ 35 – 40% Ngoài ra, hỗn hợp khí còn chứa dấu vết các khí

H2S, H2, O2, N2,… xem bảng sau:

Bảng 3: Thành phần khí sinh học (%)

1 – 100,100,10Vết

53,8 – 62,037,0 – 44,71,09,30,100,10Vết

35 – 70

28 – 551,0

1 – 100,100,10Vết

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)

Khí sinh học cháy cho ngọn lửa màu xanh, không sinh khói làm đen dụngcụ nấu, 1 m3 khí cháy tái sinh được một lượng nhiệt dao động từ 5200 – 5900Kcal Giá trị nhiệt lượng của khí sinh học tính theo Kcal phụ thuộc vào lượng chứamêtan trong hỗn hợp, trong khi lượng khí mêtan thu được lại phụ thuộc vào chấtlượng của nguyên liệu Do đó không lấy gì làm lạ khi thấy giá trị nhiệt lượng củahỗn hợp khí thu được từ các nguồn nguyên liệu khác nhau dao động tương đối lớn

Bảng 4: Sự phụ thuộc của chất lượng khí sinh học vào chất lượng nguyênliệu

Nguồn nguyên liệu Chất lượng khí (% mêtan )Phân bò

Phân gia cầmXác rau cỏCỏ voiPhân gà – giấy vụnPhân gà – cỏ vụnBùn cống thành phốPhân lợn (heo)

6560

60 – 7060606868

65 – 70

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)

 Đặc tính hóa lý của mêtan

Mêtan (CH4) là chất khí không màu, không mùi, nhẹ bằng nửa không khívà ít hòa tan trong nước Ở áp suất khí quyển, mêtan hóa lỏng ở nhiệt độ-161,50C Vì vậy để hóa lỏng nó cần tốn năng lượng lớn Điều này khác hẳn vớipropan (C3H3) và butan (C4H10) là 2 thành phần chính của khí dầu lửa hóa lỏng(LPG), chúng hóa lỏng ở 42,10C và -0,50C

Mêtan là thành phần chủ yếu của khí sinh học Hàm lượng mêtan trongKSH phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và sự diễn biến của các quá trìnhsinh học Mêtan cháy tạo thành ngọn lửa màu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 882 KJHỗn hợp mêtan và oxy có thể nổ cháy Hỗn hợp nổ mạnh nhất khi tỷ lệoxy : mêtan là 2 : 1 theo thể tích vì ở tỉ lệ này tất cả lượng oxy và mêtan đềutham gia phản ứng Ta gọi nhiệt lượng do một mét khối khí khi cháy hết tỏa ra lànhiệt trị của khí đó Mêtan có nhiệt trị 35822 KJ/m3 (8570 Kcal/ m3)

Lên men kỵ khí sinh mêtan là quá trình vi sinh vật học với sự tham gia củahàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc Các vi sinh vật này tiếnhành hàng chục phản ứng hóa sinh học để phân hủy và biến đổi các hợp chất hữu

cơ phức tạp thành một loại khí cháy được gọi là khí sinh học

3.1.2.1 Hóa sinh học của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan

Có thể chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn chínhnhư sau:

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

Vi khuẩn CH4 + CO2

mêtan

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương , 1981)

Giai đoạn I: dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, cácchất hữu cơ phức tạp như chất béo, các hydrat cacbon (chủ yếu là xenluloza vàtinh bột), protein bị phân hủy và biến thành các hợp chất hữu cơ đơn giản dễ tantrong nước như đường đơn, petit, glyxerin, axit béo, axit amin,… (các chất tan) Cóthể nói giai đoạn I là quá trình hòa tan của các chất hữu cơ phức tạp trong nướcdưới tác dụng của các men do vi khuẩn tiết ra

Giai đoạn II: cũng dưới tác dụng của vi khuẩn sinh axit các chất tan nóitrên sẽ biến thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axitpropionic, axit butyric, vv…) các aldehyt alcol và một ít khí cacbonic, hydro,ammoniac, nitơ,… Nhờ các phản ứng phân hủy và các phản ứng oxy hóa – khử

trên thực sự chỉ là sự sắp xếp lại các phân tử không có oxy tham gia, do đó nhucầu oxy sinh học (DO) gần như bằng không Do sinh nhiều axit nên độ pH củamôi trường có thể giảm mạnh.

Giai đoạn III: là giai đoạn sinh mêtan Đây là giai đoạn quan trọng nhấtcủa toàn bộ quá trình Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan các axit hữu cơ vàcác hợp chất đơn giản khác biến thành khí mêtan, cacbonic, hydro sunfua,…

Sự tạo thành khí mêtan có thể xảy ra theo hai cách sau đây:

- Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO2 bị khử thành CH4, trong đóchất cung cấp điện tử là H2 và rượu

- Axit hữu cơ biến thành CH4 theo phản ứng:

CH3COOH → CH4 + CO2

Các axit hữu cơ có phân tử lượng cao sẽ biến thành CH4 theo phản ứng:

R_COOH   →A R1COOH   →B CH3COOH  →B CH4 + CO2

A, B, C là các loại vi khuẩn khác nhau Sau đây là các phản ứng hóa họcvà các cơ chất mà vi khuẩn sử dụng để tạo khí mêtan

2CH3(CH2)2COOH + 2H2O → 5CH4 +3CO2

2CH3(CH2)2COOH + 2H2O + CO2 →

CH4 + 4CH3COOH2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2

3 Methanobacterium omelianskii

4 Methanobacterium suboxydans

2CH3CH2OH + CO2 → CH4 +2CH3COOH

CH3COCH3 + H2O → 2CH4 + CO2

Các vi khuẩn này hoạt động trong điều kiện hoàn toàn không có không khí,rất mẫn cảm đối với mọi sự thay đổi của môi trường bao quanh, nhất là độ pH vànhiệt độ Điều kiện tối ưu cho chúng hoạt động là pH 7,2 – 7,5 Tuy sự tạo thànhmêtan có thể xảy ra theo các phản ứng nói trên, song thực tế 70% khí mêtan đượctạo thành từ axit axetic

Sự phân chia quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan thành 3 giai đoạn theo sơđồ nói trên thực ra chỉ mang tính chất lý thuyết Thực tế trong bể tiêu hóa sảnxuất khí sinh học không bao giờ có sự phân chia dứt khoát như vậy Toàn bộ cácquá trình hóa học của cả 3 giai đoạn hoạt động song song và đồng bộ với nhau:sản phẩm sinh ra ở giai đoạn I sẽ được sử dụng hết ở giai đoạn II, tiếp đó toàn bộsản phẩm sinh ra ở giai đoạn II sẽ được vi khuẩn sinh mêtan sử dụng hết để tạothành khí sinh học Cứ như thế “lò sinh khí” hoạt động như một xí nghiệp với dâychuyền sản xuất đồng bộ Sau khi toàn bộ hệ thống đạt được trạng thái cân bằng(có nghĩa là các khâu trong dây chuyền sản xuất ăn khớp nhau) thì pH của môitrường sẽ trung tính Nếu như vì lý do nào đó các dây chuyền không ăn khớpnhau, tức khắc hệ thống mất cân bằng, sản phẩm cuối cùng là khí mêtan sẽkhông có Ví dụ: khi axit sinh ra quá nhiều ở giai đoạn II, vi khuẩn sinh mêtankhông tiêu thụ kịp thì tức khắc pH giảm nhanh Độ pH thấp sẽ ảnh hưởng mạnhđến toàn bộ quá trình, đặc biệt là đến giai đoạn III, có thể làm tê liệt, thậm chílàm hủy diệt tất cả các vi khuẩn

Khi thừa NH3, pH môi trường đương nhiên tăng lên Giới hạn nồng độamon cho pH 7 là 1500 – 3000 mg/l Khi nồng độ đạm cao hơn 3000 mg/l thì bất

3.1.2.2 Vi sinh vật của quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan

Nhiều loại vi khuẩn tham gia vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơphức tạp có trong các phế liệu nông nghiệp, công nghiệp, chế biến nông sản vàdân dụng để tạo khí mêtan Có thể chia thành hai nhóm chính: nhóm vi khuẩnkhông sinh mêtan và nhóm vi khuẩn sinh mêtan

 Nhóm vi khuẩn không sinh mêtan

Bằng những phương pháp được tiến hành trong điều kiện hoàn toàn kỵ khívà phân lập bằng các môi trường thích hợp, đã phát hiện nhóm vi khuẩn kỵ khí

“khó tính nhất” thường chiếm ưu thế tuyệt đối (khoảng 5.108 tế bào/ml) Vi khuẩn

kỵ khí không bắt buộc chiếm không quá 10 triệu tế bào/1 ml

Các vi khuẩn kỵ khí thường là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tử,phân hủy Polysaccarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO2 Thành phầnloài phụ thuộc vào sự thay đổi của thành phần môi trường Khi có mặt xenlulozacác vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B.megarium, Pseudomonas,Ps.riboflavina, Ps.reptilovora, Leptespira biflexa,… Các vi khuẩn này đã đượcphân lập từ bể kỵ khí sinh mêtan

Mặc dầu có khả năng tạo ra nhiều axit hữu cơ, các loại nấm bất toànkhông giữ vai trò gì quan trọng trong quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơphức tạp

Đến nay đã phân lập được từ bùn cống rãnh các loại vi khuẩn phân hủyxenluloza, protein, lipit, amôn, khử sunfat và phản nitrat hóa

+ Vi khuẩn phân hủy protein

Trong bùn cống rãnh vi khuẩn kỵ khí phân hủy protein chiếm tỷ lệ khá lớn:6,5.107 tế bào/ml Chúng gồm có Clostridium peptococcus, Bifidobacterium,

Bacillus gram âm không sinh bào tử, Staphylococcus Hoạt tính của men phânhủy protein cũng đã được tiến hành khảo sát

+ Vi khuẩn phân hủy lipit

Về sự phân rã axit palmitic đánh dấu trong bể tiêu hóa kỵ khí đã được pháthiện, đó là β – oxy hóa Nồng độ vi khuẩn dao động từ 2.104 đến 3,2.105 tế bào/gchất tan dễ tiêu trong bùn cống

+ Vi khuẩn khử sunfat

Đã phân lập được Desulfovibrio desulfuricans trong bùn cống với độ daođộng từ 3 đến 5.104 tế bào/ml

+ Vi khuẩn phân hủy xenluloza

Vi khuẩn kỵ khí phân hủy xenluloza trong bùn được phát hiện với mật độ0,8 – 2,0.104 tế bào/ml (có thể mật độ của chúng dao động từ 1,6.104 đến 9,55.10tế bào/ml) Đã phát hiện thấy trong dịch lên men kỵ khí các vi khuẩn sau:Cerynobacterium, Lactobacillus, Bamibacterium, actynomyces vàBifidobacterium Gần 40% các chủng đã phân lập phân hủy trực tiếp hydratcacbon để tạo ra axit axetic, axit propionic và axit lactic

 Nhóm vi khuẩn sinh mêtan

Là những vi khuẩn sống trong điều kiện kỵ khí tuyệt đối, vi khuẩn sinhmêtan rất mẫn cảm với oxy, sinh trưởng và phát triển rất chậm Năm 1940, vikhuẩn sinh mêtan Methanobacterium omelianskii được phân lập, vi khuẩn nàykhử CO2 thành mêtan nhờ sử dụng H2 và rượu là chất cho điện tử

Chủng vi khuẩn sinh mêtan mà các axit bị chúng chuyển hóa được giớithiệu ở bảng sau:

Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ

CO2, H2, rượu I và IIAxit propionic

CO2, H2, axit fomicAxit axetic, butyricAxit butyric, valeric,

caproic

H2, axit fomic

H2, axit fomicAxit axetic, butyricAxit axetic, butyric

CO2, H2, axit axetic,methanolNăm 1965, Smith đã phân lập thuần chủng được Methanobacterium,Methancoccus và Methanosarcina từ bùn cống của thành phố, mật độ có từ 106

đến 107 tế bào/ml Năm 1968, Siebert và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnhhưởng của thành phần môi trường đến thành phần loài của vi khuẩn sinh mêtanvà thấy số lượng dao động từ 108 đến 4,9.1010 vi khuẩn /ml Sử dụng môi trườngtổng hợp “G” với thành phần cơ chất dạng khí theo tỷ lệ H2 : CO2 là 80 : 20,Hobson và Shaw đã khảo sát thành phần loài của vi khuẩn sinh mêtan trong bùnlấy từ bể chứa phân lợn và thấy số lượng vi khuẩn dao động từ 105 đến 106 tếbào/ml, trong đó chủ yếu là Methanobacterium formicum Vi khuẩn này tạo khímêtan từ CO2 + H2 và axit fomic

3.1.3 Nguồn nguyên liệu sản xuất khí sinh học

Tất cả phế liệu, phế thải trong sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, trongcông nghiệp chế biến nông lâm sản (bã rượu, bia, nước thải của các xí nghiệpgiấy,…) và sinh hoạt gia đình có nguồn gốc thực vật đều có thể sử dụng làmnguyên liệu sản xuất khí sinh học Số lượng, tính chất và thành phần của chúngthay đổi theo mùa vụ và khu vực sản xuất Khu vực sản xuất nông nghiệp là nơicung cấp nguyên liệu hết sức phong phú và đa dạng Phân người, phân gia súc,phân gia cầm, rơm rạ, cây xanh,… đều có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất khísinh vật

3.1.3.1 Phân người

Bình quân mỗi ngày một người thải ra khoảng 135 – 270 g phân tươi, tươngđương 35 – 70 g phân khô, 1 – 1,3 lít nước tiểu với hàm lượng chất khô là 50 – 70

g Thành phần hóa học của chúng như sau:

Bảng 6: Thành phần hóa học gần đúng của phân và nước tiểu của người

Phân (%) Nước tiểu (%)Độ ẩm

Chất hữu cơ

66 – 88

88 – 97

93 – 96

65 – 85

3 – 4,5

11 – 174,5 – 60,8

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật – Ngô Kế Sương, 1981)

Người ta ít dùng trực tiếp phân và nước tiểu của người để sản xuất khí sinhvật vì tỷ lệ C/N của chúng quá thấp, thường sử dụng phối hợp với các nguyên liệunghèo nitơ như rơm rạ hoặc giấy vụn

3.1.3.2 Phân gia súc và gia cầm

Số lượng và chất lượng phân thay đổi tùy thuộc điều kiện cho ăn và lótchuồng Khả năng cho phân của mỗi loài vật nuôi và thành phần hóa học củachúng được giới thiệu ở bảng sau:

Bảng 7: Khả năng cho phân và thành phần hóa học của gia súc và gia cầmVật nuôi Khả năng cho

phân hàng ngàycủa 500 Kg vậtnuôi

Thành phần hóa học (% trọng lượng tươi)

Trọnglượngtươi (Kg)

0,025

–

38,5041,7028,4020,0031,30

28,006,78

7,989,337,0221,5016,80

14,3010,20

0,380,700,831,001,200,860,31

0,100,200,470,301,200,13

–

25,3026,3025,50

–

15,0018,00

–

(*): khối lượng phân của 1 trâu/ ngày

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật _ Ngô Kế Sương, 1981)

Vi sinh vật sử dụng cacbon nhanh hơn sử dụng nitơ 30 lần Do đó, nguyênliệu có tỷ lệ C/N là 10/1 sẽ thích hợp nhất cho lên men kỵ khí Trong thực tế, tỷlệ C/N của các nguyên liệu dao động rất lớn Nguyên liệu thường sử dụng để lênmen kỵ khí sản xuất sinh vật có tỷ lệ C/N dao động từ 20 – 30 Phân gia súc có tỷlệ nằm trong giới hạn đó nên thường được sử dụng để lên men kỵ khí sản xuất khísinh học

3.1.3.3 Phế liệu phế thải có nguồn gốc thực vật

Phế liệu, phế thải có nguồn gốc thực vật như rơm rạ, các loại cây phân

loại phế thải này là phải băm nhỏ trước khi sử dụng, tỉ lệ C/N không đồng đềunhưng lại giàu xenluloza.

Bảng 8: Nguyên liệu nguồn gốc thực vật

Tên nguyên liệu N tổng số (% trọng lượng khô) C/N

Lá khoai tây

Lá củ cải

––

3,041,31,81,52,23,63,32,5 – 4,01,15

1911

16 – 2012820830813181927253312121543

(Nguồn: Sản xuất và sử dụng khí sinh vật_ Ngô Kế Sương, 1981)

3.1.3.4 Xử lý nguyên liệu