Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp bùn và rác hữu cơ bằng phương pháp sinh học kỵ khí ở nhiệt độ cao để tận thu năng lượng

Đinh Thúy Hằng, Viện VSV & CNSH, ĐHQGHN Nội dung tóm tắt: a- Lý do chọn đề tài Công nghệ lên men tạo khí sinh học biogas được biết đến như một công cụ hữu hiệu trong việc xử lý các nguồ

Tên đề tài: Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý hỗn hợp bùn và rác hữu cơ bằng

phương pháp sinh học kỵ khí ở nhiệt độ cao để tận thu năng lượng

Tác giả luận văn: Thái Mạnh Hùng Khóa: 2009-2011

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Việt Anh, Viện KH & KTMT, ĐHXD Hà Nội

TS Đinh Thúy Hằng, Viện VSV & CNSH, ĐHQGHN Nội dung tóm tắt:

a- Lý do chọn đề tài

Công nghệ lên men tạo khí sinh học (biogas) được biết đến như một công cụ hữu hiệu trong việc xử lý các nguồn thải hữu cơ, làm sạch môi trường đồng thời tạo nguồn năng lượng sạch ở dạng khí methane Ở Việt Nam, công nghệ này đã có mặt khá lâu, tuy nhiên mới chỉ là dạng len men ấm, triển khai chủ yếu đối với phế thải nông nghiệp và chăn nuôi ở quy mô nhỏ lẻ, các điều kiện vận hành chưa được tối ưu, khí tạo ra không

ổn định cả về số lượng lẫn chất lượng nên chưa thực sự có được vị trí đáng kể trong lĩnh vực môi trường và năng lượng Đề tài nghiên cứu này do vậy thể hiện tính mới trong việc (i) nghiên cứu lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao (55°C) và (ii) kết hợp xử lý rác thải hữu cơ và bùn bể tự hoại, là các vấn đề được thử nghiệm lần đầu tại Việt Nam Các yếu

tố vận hành công nghệ được nghiên cứu trên hệ thống lên men kỵ khí tạo biogas ở qui

mô phòng thí nghiệm và qui mô pilot (1000 lít) được tối ưu hóa nhằm tăng hàm lượng methane trong biogas, đáp ứng được việc tận thu năng lượng từ nguồn thải

b- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích của luận văn là tìm ra được điều kiện tối ưu để xử lý kết hợp bùn bể tự hoại và rác thải hữu cơ bằng công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao nhằm nâng cao

c- Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Luận văn bao gồm những nội dung chính sau đây:

- Tiến hành nuôi nguồn seeding methanogen ở 55oC

- Thu gom bùn bể tự hoại và rác hữu cơ, phân tích các chỉ tiêu hóa lý

- Thí nghiệm theo mẻ trên mô hình phòng thí nghiệm với bình thể tích 2 lít cho các tỷ lệ phối trộn theo thể tích bùn/rác khác nhau (tỷ lệ 0/100, 10/90, 50/50, 90/10, 100/0)

- Nghiên cứu thử nghiệm hệ thống bể phản ứng qui mô pilot (1000 lít) với chế độ vận hành theo mẻ (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác là 50/50) và vận hành liên tục (sử dụng tỷ lệ phối trộn bùn/rác là 90/10) Đối với vận hành liên tục, tải trọng thủy lực ban đầu áp dụng là 20 lit/ngày, sau đó thử nghiệm ở các mức độ khác nhau để tìm ra qui trình vận hành tối ưu

- Mẫu bùn trong bể phản ứng được thu theo thời gian vận hành và phân tích các chỉ tiêu môi trường (COD, TS, VSS, VFA, Nitơ tổng số, P)

- Mẫu khí sinh ra cũng được phân tích về tổng thể tích và thành phần trăm theo thể tích bằng thiết bị đo chuyên dụng

thời gian thông qua phân tích về số lượng (quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang ) và về thành phần loài (phân tích DGGE đối với gen 16S rDNA)

Các điểm mới của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu thử nghiệm lên men kỵ khí tạo biogas ở nhiệt độ cao (55oC), là công nghệ đã và đang rất thành công trên thế giới, tuy nhiên chưa được triển khai ở Việt Nam

- Xử lý kết hợp giữa bùn bể tự hoại và rác thải hữu cơ, đưa ra được tỷ lệ phối trộn phù hợp để có được thành phần methane cao nhất trong biogas

- Phân tích thay đổi về số lượng và thành phần loài trong nhóm vi sinh vật sinh methane theo thời gian, qua đó xác định được thời điểm xuất hiện và các loài chiếm ưu thế trong bể phản ứng, trên cơ sở đó có những tác động phù hợp về điều kiện môi trường cho sự phát triển của chúng (điều chỉnh tỷ lệ C:N:P, pH, nồng độ VFA…)

- Sơ bộ đánh giá năng lượng thu được từ chất thải sử dụng trong nghiên cứu thông qua công nghệ lên men nóng

d- Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được mục tiêu đề ra, luận văn đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

Trong phòng thí nghiệm:

- Vận hành mô hình thí nghiệm qui mô nhỏ

- Phân tích các chỉ tiêu môi trường

- Nuôi cấy vi sinh vật sinh methane trong điều kiện kỵ khí, quan sát dưới kính hiển vi phản pha và kính hiển vi huỳnh quang

Trên mô hình hệ thống pilot 1000 lít:

- Ở chế độ vận hành theo mẻ, quá trình thủy phân ban đầu sinh axit làm cho pH

hệ thống giảm mạnh, do đó cần có sự điều chỉnh pH để methanogen có thể hoạt động ngay Tuy nhiên ở chế độ vận hành liên tục, pH chỉ cần chỉnh lần đầu, sau

đó gần như ổn định và khí biogas sinh ra liên tục

- Đề tài cũng chỉ ra rằng nếu nồng độ VFA quá lớn sẽ làm ức chế methanogen,

do đó hệ thống bị đình trệ VFA nên khống chế ở mức dưới 1000 mg/l

- Khi vận hành ở chế độ liên tục, phải đảm bảo rằng tải trọng hữu cơ không quá 8 kgCOD/m3/ngày Do đó đề tài đã chỉ ra được tải trọng thủy lực nạp liệu là 20 lít/ngày, và tỷ lệ bùn/rác chỉ nên từ 10/90 đến 50/50 mà thôi

- Về mặt sinh học, kết quả phân tích bằng phương pháp điện di biến tính gen 16S rDNA cho thấy methanogen đạt mật độ cao nhất vào 30-40 ngày, nhóm chiếm

ưu thế là Methanothrix sp và Methanobacterium sp

Các ý kiến đề xuất:

cho hiệu quả cao hơn khi có rác hữu cơ phối trộn Nếu công nghệ được triển khai áp dụng trong thực tế (như tại các đô thị lớn) thìnguồn khí biogas sinh ra đáng kể và có thể sử dụng để chạy máy phát điện

- Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao với các nguồn thải giàu hữu cơ khác để tìm hiểu phạm vi ứng dụng của công nghệ ở Việt Nam

- Nghiên cứu sử dụng cặn bùn sau biogas làm phân vi sinh bón cho cây trồng, đặc biệt là cây công nghiệp

Người hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Việt Anh

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2011

Học viên

Thái Mạnh Hùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Thái Mạnh Hùng

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HỖN HỢP BÙN VÀ RÁC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC KỴ KHÍ Ở NHIỆT ĐỘ CAO

ĐỂ TẬN THU NĂNG LƯỢNG

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: CNSH09-04 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN VIỆT ANH

TS ĐINH THÚY HẰNG

Hà Nội, 2011

LƠ I CA M ƠN!

Luận văn thuộc nghị định thư Nghiên cứu giải pháp thu gom và xử lý

tổng hợp chất thải theo mô hình bán tập trung cho các đô thị Việt Nam, nghiên cứu điển hình ở Thành phố Hà Nội (Semi-San) giữa trường Đại học Xây Dựng Hà Nội do PGS.TS Nguyễn Việt Anh làm chủ trì, và bộ giáo dục nghiên cứu khoa học của CHLB Đức do Prof.Dr.-ing Peter Cornel thuộc trường đại học tổng hợp kỹ thuật Darmstadt chủ trì

Để hoàn thành luận văn này trước tiên tôi chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Việt Anh- phó viện trưởng viện Khoa học và kỹ thuật môi trường, đại học Xây Dựng Hà Nội và TS Đinh Thúy Hằng- trưởng phòng sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học, đại học Quốc gia Hà Nội, là hai người thầy đã định hướng nghiên cứu, trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật

và Công nghệ sinh học- ĐH Quốc gia Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

cả về thời gian lẫn cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành luận văn này

Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Khoa học và kỹ thuật môi trường, ĐH Xây Dựng Hà Nội đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, đặc biệt là nhóm cán bộ nghiên cứu dự án Semi-San

đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ thuộc phòng thí nghiệm Sinh thái vi sinh vật- Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học- ĐH Quốc gia Hà Nội, đã hết lòng giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài

Tôi cũng mong muốn được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Nguyễn Lan Hương - bộ môn Công nghệ sinh học - Viện Công nghệ sinh học

và Công nghệ thực phẩm, ĐH Bách Khoa Hà Nội đã góp ý, theo dõi sát sao tiến độ thực hiện luận văn của tôi

Qua đây tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo thuộc Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm- ĐH Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp giảng dạy tôi trong khóa học Thạc sỹ này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn giúp đỡ, cổ vũ động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày 06 tháng 9 năm 2011

Thái Mạnh Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7  

DANH MỤC CÁC BẢNG 9  

DANH MỤC CÁC HÌNH 10  

MỞ ĐẦU 12  

Chương 1- TỔNG QUAN TÀI LIỆU 15  

1.1 Lên men kỵ khí, nguyên lý và ứng dụng 15 

1.1.1 Giới thiệu chung về lên men kỵ khí 15 

1.1.2 Công nghệ lên men kỵ khí 16 

1.1.3 Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới và Việt Nam 18 

1.2 Nguyên lý sinh học của quá trình lên men kỵ khí 20 

1.2.1 Giới thiệu chung 20 

1.2.2 Vi sinh vật tham gia quá trình lên men kỵ khí 21 

1.2.2.1 Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân 22 

1.2.2.2 Nhóm 2 – Vi khuẩn lên men sinh acid 23 

1.2.2.3 Nhóm 3 – Vi khuẩn sinh acetate (acetogens) 23 

1.2.2.4 Nhóm 4 – Vi sinh vật sinh methane (methanogen) 24 

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng của vi sinh vật trong bể biogas 26 

1.3.1 Cân bằng dinh dưỡng 26 

1.3.2 Các yếu tố lý hóa và sinh học 27 

1.4 Lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao 30 

1.4.1 Nguyên lý của công nghệ 30 

1.4.2 Khả năng ứng dụng của công nghệ 30 

1.4.3 Các hình thức sử dụng biogas làm năng lượng 31 

1.4.3.1 Bếp khí sinh học 31 

1.4.3.2 Đèn khí sinh học .32 

1.4.3.3 Máy phát điện chạy bằng khí sinh học .33 

Chương 2- NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35  

2.1 Nguyên vật liệu 35 

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 35 

2.1.2 Hóa chất sử dụng 35 

2.1.3 Trang thiết bị 35 

2.2 Phương pháp nghiên cứu 37 

2.2.1 Thiết kế và vận hành mô hình phòng thí nghiệm 37 

2.2.2 Nguyên lý hoạt động và vận hành mô hình pilot 38 

2.2.3 Phương pháp xác định cân bằng chất và hiệu suất xử lý 39 

2.2.4 Các phương pháp phân tích hóa học 40 

2.2.5 Các phương pháp phân tích vi sinh vật 40 

Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43  

3.1 Xử lý kết hợp bùn/rác hữu cơ trong mô hình phòng thí nghiệm 43 

3.2 Xử lý kết hợp bùn/rác trong hệ thống pilot 1000 lít 47 

3.2.1 Vận hành theo mẻ 47 

3.2.2 Vận hành liên tục 53 

3.2.3 Nhận xét từ hai chế độ vận hành trong mô hình pilot 1000 lít 57 

3.3 Đánh giá khả năng sử dụng biogas từ hệ thống pilot 58 

3.3.1 Phương pháp sử dụng biogas 58 

3.3.2 Tinh sạch khí biogas trước khi sử dụng 59 

3.3.3 Chuyển biogas thành điện năng 62 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63  

PHỤ LỤC 65  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67  

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ VÀ SẮP CÔNG BỐ 73  

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CI Chloroform-isoamyl alcohol

DAPI 4’6-diamidino-2-phenylindole

ddNTP Dideoxyribonucleotide triphosphate

DGGE Denaturing gradient gel electrophoresis

ft Feet

MQ Mili-Q

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của amonia đến vi sinh vật trong bể kỵ khí 29 

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu hóa lý của bùn và rác hữu cơ sử dụng trong thí nghiệm 43

Bảng 3.2 Cân bằng dinh dưỡng và thành phần khí tạo ra với các tỷ lệ phối trộn bùn/rác

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống lên men kỵ khí 17 

Hình 1.2 Các phương thức trao đổi chất cùng các nhóm vi sinh vật tương ứng tham gia quá trình lên men kỵ khí các hợp chất hữu cơ 22 

Hình 1.3 Methanosarcina sp và Methanothrix sp thường gặp trong hệ xử lý kỵ khí 25

Hình 1.4 Bếp khí sinh học 32 

Hình 1.5 Đèn khí sinh học 1 

Hình 1.6 Máy phát điện 5KW chạy bằng biogas 1 

Hình 2.1 Mô hình biogas trong thí nghiệm 36 

Hình 2.2 Hệ thống biogas theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm 37 

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống pilot 1000 lít (Roedinger Pasavant, Đức) 38 

Hình 3.1 Thể tích khí biogas thu được trong mô hình phòng thí nghiệm sử dụng bùn và rác hữu cơ phối trộn theo các tỷ lệ khác nhau 45 

Hình 3.2 Biểu đồ CODvào và CODra trong các thí nghiệm với tỷ lệ bùn/rác khác nhau 46

Hình 3.3 Sự thay đổi mật độ methanogen trong bình thí nghiệm 47 

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH tới quá trình sinh CH4 trong bể phản ứng kỵ khí ở nhiệt độ cao 48 

Hình 3.5 Thành phần khí biogas tạo ra trong bể phản ứng 1000 lít theo thời gian 49

Hình 3.6 Chuyển hóa cơ chất tạo thành biogas trong bể phản ứng theo thời gian 50

Hình 3.7 Thay đổi mật độ tế bào methanogen trong bể phản ứng theo thời gian 52

Hình 3.8 Phân tích cấu trúc tập đoàn methanogen trong bể phản ứng theo thời gian 52

Hình 3.9 Quần thể methanogen trong bể phản ứng ở thời điểm 40 ngày do

Methanothrix sp chiếm ưu thế 53 

Hình 3.10 Biogas sinh ra trong bể kỵ khí vận hành liên tục với tải trọng hữu cơ khác

MỞ ĐẦU

Đô thị hóa là một điều tất yếu trong quá trình phát triển đi lên của đất nước,

nó làm thay đổi diện mạo, tầm vóc của một quốc gia đang trên đà phát triển như Việt Nam Tuy nhiên các đô thị phát triển quá nhanh đang đối mặt với những vấn đề

về cơ sở hạ tầng và dịch vụ công cộng như năng lượng, cấp thoát nước, xử lý môi trường…không theo kịp tốc độ đô thị hóa Điều này dẫn đến tình trạng luôn thiếu năng lượng và nước để phục vụ cho các nhu cầu khác nhau trong phát triển xã hội, trong khi đó nước thải và rác thải không được xử lý gây suy thoái và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Khi phát triển bền vững đang được lựa chọn như là một yêu cầu tất yếu nhằm đảm bảo cuộc sống cho các thế hệ sau thì vấn đề gìn giữ và bảo vệ môi trường được đặt lên hàng đầu, là yếu tố quyết định đến sự sống tồn tại lâu dài của con người

Hiện nay, Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ cao, đặc biệt ở các đô thị lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, trong khi đó hầu như chưa có các hệ thống xử lý phù hợp.Riêng thành phố Hà Nội, hàng ngày có khoảng

300 tấn bùn bể phốt được thu gom từ các bể tự hoại nhờ các doanh nghiệp tư nhân cùng với các doanh nghiệp công ích của thành phố như Công ty Thoát nước Hà Nội, Công ty Môi trường Đô thị Hà Nội (URENCO, 2009) Khoảng 20-30 tấn phân bùn

bể phốt/ngày được Công ty Môi trường đô thị Hà Nội thu gom, vận chuyển về Trạm

xử lý Cầu Diễn và ủ phối trộn với rác hữu cơ từ các chợ, chế biến phân compost (Nguyễn Việt Anh, 2010) Tại đây Công ty Môi trường đô thị Hà Nội cũng thử nghiệm phương án xử lý phân bùn quabãi lọc trồng thực vật, tuy nhiên tốc độ xử lý chậm, diện tích lớn không cho phép áp dụng phương pháp này rộng rãi ở Hà Nội và các đô thị khác Nhìn chung vấn đề xử lý bùn thải thu gom từ mạng lưới thoát nước, cũng như phân bùn bể phốt từ bể tự hoại vẫn còn bỏ ngỏ Phần lớn phân bùn được thải thẳng ra cống thoát nước, hoặc cung cấp cho nông dân các vùng ngoại thành làm phân bón trong nông nghiệp hay làm thức ăn cho cá Chỉ tính với lượng nước thải sinh hoạt phát sinh từ khu vực nội thành hiện nay, lượng bùn dư sinh ra từ các trạm xử lý nước thải khoảng 316000 m3/năm (URENCO, 2008) Hiện nay vấn đề tái

sử dụng nước thải và bùn cặn sau xử lý của Hà Nội cũng như nhiều đô thị khác của nước ta vẫn còn chưa được nhắc tới.

Bên cạnh bùn cặn, lượng chất thải rắn phát sinh hàng ngày từ khu vực nội thành Hà Nội là khoảng 1500-1600 tấn, trong đó tỷ lệ thu gom được là 85% và khoảng 61% là rác thải hữu cơ bao gồm cả rác thải sinh hoạt và rác thải từ các nhà hàng ăn uống, rác thải từ các khu chợ (Nguyễn Việt Anh, 2010) Ngoài một phần nhỏ được xử lý bằng công nghệ ủ compost, phần lớn rác sinh hoạt được xử lý bằng chôn lấp, gây ô nhiễm không khí, nước mặt và nước ngầm một cách nghiêm trọng Tuy nhiên với tình hình hiện nay ở các đô thị Việt Nam, việc tổ chức thu gom và xử

lý tập trung chất thải của các đô thị lớn như Hà Nội là khó khả thi và chi phí cao Việc tổ chức thu gom xử lý phân tán chất thải tại các hộ gia đình, công sở, khu chợ…cũng khó thực hiện do không có điều kiện đất đai, phương tiện Do đó ưu tiên lựa chọn phương thức xử lý bán tập trung cho phép cải thiện tình hình một cách khả thi và bền vững Kết luận tương tự cũng được rút ra từ nghiên cứu của cơ quan Hợp tác phát triển của Thụy Sỹ (SDC) trong “Cái nhìn tổng quan về nước và các hệ thống vệ sinh ở Việt Nam ” (2005) Phương thức xử lý bán tập trung cũng đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng, đặc biệt ở Đức (Cornel, 2003) Việc xử lý chất thải hữu cơ bằng biogas cũng đã được áp dụng ở nước ta nhưng chủ yếu ở các trang trại chăn nuôi, quy mô nhỏ, tự phát, đặc biệt là chưa tối ưu các điều kiện ban đầu nên hiệu suất xử lý, sử dụng biogas không cao

Đề tài “Nghiên cứu giải pháp thu gom và xử lý tổng hợp chất thải theo mô hình bán tập cho các đô thị Việt Nam, nghiên cứu điển hình ở thành phố Hà Nội (Semi-san)” là một đề tài hợp tác giữa Bộ KH&CN Việt Nam và Bộ GD&NCKH

Đức BMBF nhằm tiếp thu và làm chủ công nghệ thu gom và xử lý đồng bộ chất thải một cách phù hợp và bền vững cho các khu đô thị cũ và mới, theo phương thức giải quyết tổng hợp - lồng ghép ở quy mô bán tập trung, nhằm tái sử dụng an toàn phân bón, nước thải, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Luận văn này nằm trong một phần của đề tài Semi-san được thực hiện để nghiên cứu tối ưu quá trình xử lý rác thải hữu cơ và bùn bể tự hoại có hiệu quả (kết hợp xử lý bùn thải và rác hữu cơ như thế nào, phải tối ưu những điều kiện gì) bằng công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao nhằm đạt hiệu quả cao, qua đó đánh giá khả năng tận thu năng lượng từ khí biogas thu được Mục đích chính của dự án là

xử lý được chất thải nói chung trong đó xử lý rác thải hữu cơ và bùn bể tự hoại là một nhiệm vụ đặt ra để góp phần tận thu năng lượng xanh mà chúng ta đã và đang lãng phí Lên men tạo khí sinh học đã có ở nước ta khá lâu, tuy nhiên nó chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ lẻ và thực hiện ở điều kiện bình thường, các điều kiện chưa được tối ưu, khí tạo ra không ổn định cả về số lượng lẫn chất lượng, chủ yếu thực hiện ở các hộ gia đình chăn nuôi gia súc và biogas tạo ra cũng chỉ đáp ứng phần nào nhu cầu nhỏ lẻ hộ gia đình

Điểm mới mẻ của đề tài là thực hiện lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao, một yếu

tố quan trọng mà ở Việt Nam chưa từng thực hiện, đồng thời khi các yếu tố lên men

kỵ khí tạo biogas được tối ưu thì khí sinh ra có hàm lượng methane cao, đáp ứng được việc tận thu năng lượng từ biogas Bên cạnh đó đề tài còn nêu ra một hướng giải quyết mới kết hợp giữa rác thải hữu cơ và bùn bể phốt, không những góp phần cải thiện môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch có giá trị

Chương 1- TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Lên men kỵ khí, nguyên lý và ứng dụng

1.1.1 Giới thiệu chung về lên men kỵ khí

Lên men kỵ khí đã được chứng minh là công nghệ hữu hiệu để xử lý chất thải hữu cơ Trong những năm gần đây, công nghệ này được áp dụng rộng rãi để xử

lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt Công nghệ được phát triển nhờ các hiểu biết về cơ sở sinh học của quá trình ngày càng được bổ sung và việc thiết kế các bể phản ứng được cải tiến nhiều Trong khi phân hủy hiếu khí xảy ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau, phân hủy kỵ khí chủ yếu do vi khuẩn đảm nhiệm So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm như sau (Bitton, 1999):

• Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý để làm chất nhận điện tử Quá trình hoàn toàn không sử dụng oxy, do vậy giảm được chi phí vận hành một cách đáng kể

• Lên men kỵ khí tạo ra ít sinh khối phụ (từ 3 – 20 lần so với các quá trình hiếu khí) vì năng lượng sinh ra do hô hấp kỵ khí rất thấp Trong khi quá trình hiếu khí chuyển hóa 50% carbon hữu cơ thành sinh khối thì trong quá trình kỵ khí

tỷ lệ này chỉ còn 5% Tổng lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn COD trong điều kiện kỵ khí là 20 – 150 kg so với 400 – 600 kg trong điều kiện hiếu khí Phần lớn năng lượng giải phóng ra từ nguồn cơ chất ban đầu được chuyển vào sản phẩm cuối cùng của quá trình là CH4 (Chernicharo, 2007)

• Lên men kỵ khí tạo ra khí methane là nguồn năng lượng sạch Khí sinh học chứa khoảng 90% năng lượng và có giá trị calo khoảng 9000 kcal/m3, có thể được đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử dụng để sản xuất điện

Chỉ có một phần nhỏ năng lượng (3-5%) bị thất thoát ở dạng nhiệt (Walsh et al., 1988)

• Giảm nhu cầu năng lượng cho việc xử lý nước thải

• Công nghệ này còn thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải công nghiệp

có nồng độ hữu cơ cao

• Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao

• Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật kỵ khí tham gia quá trình phân hủy được duy trì khá lâu, ngay cả khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời gian dài

• Các hệ thống lên men kỵ khí còn cho phép xử lý các hợp chất hữu cơ bền vững như carbuahydro mạch thẳng bị clo hóa (ví dụ như trichloroethylene, trihalomethane) và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin

Bên cạnh đó, lên men kỵ khí cũng có một số nhược điểm cần lưu ý như sau:

• Thời gian phân hủy chậm hơn đáng kể so với quá trình hiếu khí

• Toàn bộ quá trình thường rất mẫn cảm với các chất độc và dễ bị dừng lại

• Quá trình luôn đòi hỏi thời gian khởi động khá dài, mặc dù giai đoạn này có thể được rút ngắn nhờ bổ sung một số nguồn vi sinh vật thích hợp (ví dụ như bùn từ bể phân hủy kỵ khí)

• Đối với việc phân hủy các hợp chất độc hại, quá trình kỵ khí có thể thực hiện theo cơ chế đồng sử dụng (cometabolism), tuy nhiên đòi hỏi cơ chất chính phải có mặt ở nồng độ khá cao

Với các ưu điểm nổi trội là tính đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu thấp, hiệu quả cao và giá thành xử lý giảm đáng kể, công nghệ lên men kỵ khí ngày càng khẳng định được vị trí trong lĩnh vực môi trường hiện nay

1.1.2 Công nghệ lên men kỵ khí

Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 1960 Cho tới nay công nghệ chỉ phát triển chủ yếu ở quy mô chăn nuôi

hộ phân tán nhỏ lẻ, thực hiện ở điều kiện đơn giản, chất lượng khí biogas thấp chưa tận thu được triệt để năng lượng Trong khoảng một thập niên gần đây, công nghệ khí sinh học quy mô công nghiệp đã bắt đầu được áp dụng rải rác ở một số nơi Các lĩnh vực mà chúng ta áp dụng bao gồm: xử lý chất thải trang trại chăn nuôi, xử lý chất thải công nghiệp, xử lý rác thải đô thị (Nguyễn Quang Khải, 2008) Tuy nhiên

các công trình xử lý cũng chỉ chủ yếu dừng lại ở khâu giải quyết xử lý nước thải

có vai trò trong việc cung cấp năng lượng sạch cho sản xuất công nghiệp Nguyên nhân chủ yếu là do chất lượng nguồn khí sinh học còn thấp cả về hàm lượng khí methane cũng như độ tinh sạch, dẫn đến việc năng lượng sinh ra khi đốt cũng không cao, hiệu suất thấp, không đảm bảo yêu cầu năng lượng phục vụ cho sản xuất quy

mô lớn Chính vì vậy, việc tìm các điều kiện để tối ưu quá trình xử lý chất thải sinh

biogas có chất lượng cao đáp ứng được yêu cầu sản xuất cũng như sinh hoạt

Trên thế giới hiện nay công nghệ lên men kỵ khí được tiến hành theo hai mô hình hệ xử lý đơn và hệ xử lý đôi, được vận hành ở điều kiện nhiệt độ ấm (mesophilic, 30 – 37°C) và nhiệt độ cao (thermophilic, 50 – 55°C) (Metcalf, Eddy, 1991)

b

Bể chứa bùn trung gian

Cấp nhiệt

Bùn vào

a

Hình 1.1 Hệ thống lên men kỵ khí đơn (a) và kỵ khí đôi (b) (Metcalf, Eddy, 1991)

Hệ lên men kỵ khí đơn gồm có một bể phản ứng được lắp đặt thiết bị khuấy, thiết bị gia nhiệt, cửa nạp liệu, xả bùn, xả nước và bộ phận thu gom khí (Hình 1.1a) Quá trình phân hủy bùn và lắng cùng đồng thời xảy ra trong bể phản ứng, do vậy trong bể bùn được phân chia thành các tầng khác nhau, từ đáy lên gồm có lớp bùn

đã bị phân hủy, bùn đang được phân hủy tích cực, nước chắt, lớp váng và khí

Hệ lên men kỵ khí đôi gồm hai bể phản ứng nối với nhau, trong đó bể thứ nhất được gia nhiệt và khuấy liên tục nhằm ổn định nguyên liệu còn bể thứ hai dành cho quá trình lên men sinh methane, lắng và xả bùn sau khi xử lý (Hình 1.1b) Mặc

dù hiệu suất sinh methane (tính theo đơn vị COD) của hai hệ xử lý tương đương nhau nhưng hệ xử lý đôi cho phép vận hành với chế độ nạp liệu cao hơn và thời gian lưu bùn ngắn hơn so với hệ xử lý đơn, đồng thời có tính ổn định cao nhờ hai quá trình sinh acid và sinh methane được cách ly và giảm ảnh hưởng của các yếu tố độc hại như NH3, H2S… tới nhóm vi sinh vật sinh methane

1.1.3 Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới và Việt Nam

Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới: Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí (anaerobic digestion) để tận thu năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ 19 và được nghiên cứu rộng từ những năm đầu của thế kỷ 20 (Bitton, 1999) Nhờ đặc tính hữu hiệu trong việc xử lý chất thải dạng rắn và lỏng, đồng thời tạo ra nguồn “năng lượng xanh” là khí methane, công nghệ khí sinh học hiện đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới Theo cách truyền thống, công nghệ này được triển khai ở qui mô nhỏ như hộ và nhóm hộ gia đình với nguồn thải chuồng trại kết hợp phế thải nông nghiệp, thường gặp ở các nước đang trong giai đoạn phát triển ở châu Á và châu Phi như Trung quốc, Ấn độ, Việt Nam, Ethiopia, Senegal (Chương trình phát triển công nghệ biogas của chính phủ Hà Lan) Ở các nước phát triển, biogas được sản xuất ở qui mô công nghiệp trong các bể phản ứng vận hành ở nhiệt độ cao (thermophilic, 50 – 55°C), đạt qui mô lớn (tới 5000 m3) và có thể sử dụng các nguồn thải phong phú, bao gồm rác sinh hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà

máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ v.v… (Weiland et al., 2003) Khí sinh học

(chủ yếu gồm CO2 và CH4) sau đó có thể được sử dụng để sinh nhiệt năng (đốt) hay chuyển thành điện, tạo nguồn năng lượng đáng kể, đóng vai trò quan trọng trong quỹ năng lượng của nhiều quốc gia, ví dụ như ở Trung quốc 1,2% (China biogas,

2008), Mỹ 100 tỷ kWh (Cuellar et al., 2008), ở Đức 2,86% (Biopact, 2007)

Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam: Ở nước ta hiện nay,

nhờ chương trình phát triển công nghệ biogas do chính phủ Hà Lan tài trợ (biogas Vietnam), công nghệ biogas đã được triển khai ở nhiều vùng nông thôn khác nhau, bao gồm cả miền núi và đồng bằng, tuy nhiên chưa đến được các vùng ven biển và hải đảo vì tốc độ phân hủy chậm do điều kiện nước ở những vùng này có độ muối cao Một đặc điểm nổi bật nữa của chương trình này là công nghệ mới được triển khai ở qui mô nhỏ (< 10 m3), ở mức hộ và nhóm hộ gia đình, thực hiện lên men sinh khí methane ở nhiệt độ ấm (30 – 37°C) sử dụng nguồn thải truyền thống là phân trâu bò và phế thải nông nghiệp mà thôi chứ chưa có điều kiện để có thể thực hiện lên men nóng như các nước phát triển trên thế giới

Sản xuất biogas ở qui mô lớn (≤ 1000 m3) cũng đã được triển khai ở một số điểm, sử dụng nguồn thải ban đầu từ các nhà máy chế biến thực phẩm như nhà máy bia ở Hà Nội, nhà máy bia ở Thanh Hóa, nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Bình Dương là một số ví dụ

Mặc dù cũng đã mang lại những đóng góp nhất định trong việc làm sạch môi trường sống và tận thu năng lượng từ các nguồn thải nông nghiệp, công nghiệp, song công nghệ biogas ở nước ta hiện nay đang ở mức độ thấp, có hiệu suất không cao và không ổn định mà nguyên nhân chính là chế độ lên men cũng như điều điều kiện lên men chưa được tối ưu, thêm vào đó là do thiếu sự chủ động về nguồn vi sinh vật sinh methane Thông thường, nguồn methanogen được lấy từ phân trâu bò hay bùn đáy của các hệ thống bể tự hoại, thường kém (hoặc không thể) thích nghi với các điều kiện áp dụng công nghệ ở nhiệt độ cao, môi trường nhiễm mặn theo thực trạng tình hình xử lý môi trường chung cũng như nhiều dự án triển khai công nghệ biogas ở nước ta hiện nay

Khí biogas tạo ra hiện nay có chất lượng không cao (tỷ lệ CH4 thấp, chứa nhiều khí tạp) và cũng chưa được sử dụng một cách có hiệu quả Trong đa số trường hợp, khí sinh ra được dùng để đốt trực tiếp cấp nhiệt cho sinh hoạt gia đình hay hoạt động của cơ sở sản xuất Hiếm có đầu tư cho hệ thống tinh sạch khí biogas để có

đầu vào chất lượng cao cho việc sản xuất điện, mặc dù trong nước cũng đã có những nghiên cứu thành công về chế tạo máy phát điện từ khí sinh học (Bùi Văn

Ga, 2008) Nguyên nhân của tình trạng sử dụng kém hiệu quả này là do công nghệ biogas ở nước ta còn yếu về kỹ thuật và hạn chế về qui mô Với tất cả những gì thấy được khi so sánh tình hình phát triển biogas ở Việt Nam và các nước trên thế giới cho thấy rằng cần phát triển hơn nữa công nghệ biogas ở nước ta, đặc biệt là cần phải có bước đột phá về công nghệ cũng như quy mô, có như vậy biogas mới thực

sự đáp ứng được mục tiêu làm sạch môi trường và tận thu năng lượng từ chất thải

Công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao từ các nguồn thải giàu hữu cơ là một hướng đi mới trong việc phát triển biogas cũng như xử lý chất thải ở nước ta Bên cạnh các ưu điểm như hiệu suất xử lý cao, chất lượng biogas đầu ra tốt, lên men

kỵ khí ở nhiệt độ cao còn có ưu điểm vượt trội trong việc tiêu diệt các mầm bệnh như vi sinh vật hay ký sinh trùng gây bệnh (giun, sán…) có trong chất thải hữu cơ, thuận tiện cho việc sử dụng bùn xả sau khi xử lý làm phân bón cho nông nghiệp

1.2 Nguyên lý sinh học của quá trình lên men kỵ khí

1.2.1 Giới thiệu chung

Các chất nhận điện tử vô cơ như NO3-, SO42- hay CO2 được sử dụng trong quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Sinh methane có thể diễn ra ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau, như các vùng ngập nước, đất, trầm tích đáy sông, hồ và biển, cũng như trong các bộ phận tiêu hóa của động vật, nơi có hiệu điện thế oxy hóa khử ở vào khoảng -300 mV Theo ước tính, quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane chi phối cho việc khoáng hóa hoàn toàn 5 – 10% chất hữu

cơ trên trái đất (Chernicharo, 2007)

Phân hủy kỵ khí là một hệ cân bằng sinh thái, trong đó các nhóm vi sinh vật khác nhau thực hiện các chức năng chuyên biệt và quá trình bẻ gãy các hợp chất hữu cơ được chia làm 2 giai đoạn Trong giai đoạn thứ nhất, một nhóm các vi khuẩn

kỵ khí tùy tiện và kỵ khí bắt buộc chuyển hóa (qua thủy phân và lên men) các hợp

chất carbon hữu cơ (như hydrat carbon, protein và lipid) thành các phân tử hữu cơ đơn giản, chủ yếu là các acid hữu cơ có phân tử lượng nhỏ (volatile fatty acid, VFA), CO2 và H2

Ở giai đoạn 2, các acid hữu cơ và H2 được chuyển thành methane và CO2 Quá trình chuyển hóa này do một nhóm vi sinh vật đặc biệt có tên gọi là

methanogen đảm nhiệm Đây là các vi sinh vật nhân sơ (Prokaryotes) sinh trưởng

kỵ khí bắt buộc, và phụ thuộc vào cơ chất do các vi sinh vật tạo acid cung cấp, do vậy thiết lập mối quan hệ cộng sinh

Methanogen đảm nhiệm 2 chức năng tối quan trọng trong hệ sinh thái kỵ khí

là tạo ra chất khí không tan trong nước (methane), qua đó loại bỏ chất hữu cơ ra khỏi môi trường, và giữ áp suất cục bộ của H2 ở mức thấp, thích hợp cho các vi khuẩn lên men và sinh acid có thể tạo ra càng nhiều sản phẩm có mức oxy hóa cao

là các acid hữu cơ bay hơi (như acid acetic) Do methanogen chiếm vị trí cuối cùng trong môi trường kỵ khí của quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, mức sinh trưởng thấp của chúng thường là yếu tố hạn chế ảnh hưởng toàn bộ quá trình phân hủy (Chernicharo, 2007)

1.2.2 Vi sinh vật tham gia quá trình lên men kỵ khí

Lên men kỵ khí có thể được coi như một hệ sinh thái, trong đó nhiều nhóm

vi sinh vật cùng tham gia chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm cuối cùng như CH4, CO2, H2S, H2O và NH4 cùng với sinh khối vi sinh vật Toàn bộ quá trình có thể được phân chia thành nhiều bước trao đổi chất khác nhau với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật có đặc điểm sinh lý khác biệt (hình 1.2)

Hình 1.2 Các phương thức trao đổi chất cùng các nhóm vi sinh vật tương ứng tham

gia quá trình lên men kỵ khí các hợp chất hữu cơ (Lettinga et al., 1997)

Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ trong xử lý kỵ khí gồm có nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh acid, nhóm sinh acetate và nhóm sinh methane Các nhóm vi khuẩn này hoạt động dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi

chất của nhau (Archer et al., 1991)

1.2.2.1 Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân

Nhóm này bao gồm các vi khuẩn kỵ khí thực hiện chức năng bẻ gãy các phân

tử hữu cơ phức hợp (như protein, cellulose, lignin, lipid) thành các đơn phân có khả năng tan trong nước như acid amin, glucose, acid béo và glycerol (Bitton, 1999) Các đơn phân này trực tiếp là nguồn cơ chất cho nhóm vi khuẩn tiếp theo tham gia quá trình phân hủy Thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử được thực hiện nhờ các enzyme thủy phân ngoại bào như cellulase, protease và lipase Tuy nhiên giai đoạn thủy phân thường có thể kéo dài và trở thành bước quyết định tốc độ của toàn

bộ quá trình xử lý, ví dụ như trong trường hợp nguồn thải cần xử lý chứa nhiều lignin

1.2.2.2 Nhóm 2 – Vi khuẩn lên men sinh acid

Vi khuẩn lên men sinh acid (ví dụ như Clostridium) chuyển hóa đường, acid

amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như acid acetic, propionic, formic, butyric hay succinic), rượu và keton (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate,

CO2 và H2 (Bitton, 1999) Acetate là sản phẩm chính được tạo ra trong quá trình lên men các hợp chất carbohydrat Sản phẩm lên men thay đổi phụ thuộc vào loài vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong bể phản ứng

1.2.2.3 Nhóm 3 – Vi khuẩn sinh acetate (acetogens)

Vi khuẩn acetogen (vi khuẩn sinh acetate và H2) như Syntrobacter và Syntrophomonas (Mc.Inernay et al., 1981) chuyển hóa các acid béo (như acid

propionic, butyric) và rượu thành acetate, H2 và CO2 Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh methane hoạt động Để có thể chuyển hóa được các acid béo, vi khuẩn acetogen cần có điều kiện áp suất cục

bộ của H2 trong môi trường ở mức rất thấp, do vậy quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các vi sinh vật sinh methane là nhằm duy trì điều kiện này (Bitton, 1999) Ethanol, acid propionic và acid butyric được vi khuẩn acetogen chuyển hóa thành acid acetic theo các phương trình phản ứng như sau:

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COOH (acid acetic) + 2H2

CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O → CH3COOH (acid acetic) + CO2 + 2H2

CH3CH2CH2COOH (acid butyric) + 2H2O→ 2CH3COOH (acid acetic) + 2H2

Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với methanogen (khoảng

25 lần) (Hammer, 1986), tuy nhiên methanogen lại sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy có thể giúp duy trì nồng

độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trưởng

1.2.2.4 Nhóm 4 – Vi sinh vật sinh methane (methanogen)

Vi sinh vật sinh methane có mặt ở nhiều dạng môi trường sinh thái khác nhau, đặc biệt là các lớp bùn đáy sâu và trong hệ đường ruột của động vật nhai lại Trong hệ xử lý nước thải các vi sinh vật này sinh trưởng với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào khoảng 3 ngày ở điều kiện nhiệt độ 35°C (so với E coli là khoảng 15 phút) hay tới 50 ngày ở điều kiện bất lợi 10°C (Bitton, 1999) Vi sinh vật sinh methane được chia thành hai nhóm lớn:

• Methanogen sử dụng hydro (hydrogenotrophic): chuyển hóa H2 và CO2thành CH4: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Nhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ xử lý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảm bảo các acid béo và rượu được chuyển thành acetate Các chi thường gặp thuộc nhóm này

gồm có Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium

• Methanogen sử dụng acetate (acetoclastic): chuyển hóa acetate thành CH4

và CO2: CH3COOH → CH4 + CO2

Trong bể xử lý kỵ khí hai chi thường gặp thuộc nhóm này là Methanosarcina

và Methanothrix (hình 1.3) Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55°C) xử lý các nguồn thải thực vật (lignocellulose), Methanosarcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai đoạn đầu, sau đó dần dần xuất hiện Methanothrix do ái lực với cơ chất acetate (giá trị Ks) của Methanosarcina cao hơn Methanothrix (Zinder et al., 1984) Trong hệ

xử lý kỵ khí, gần 2/3 methane được sinh ra từ việc chuyển hóa acetate, 1/3 còn lại

có nguồn gốc từ H2 và CO2 (Mackie, Bryant, 1981)

Hình 1.3 Methanosarcina sp và Methanothrix sp thường gặp trong hệ xử lý kỵ khí

Về vị trí phân loại trong sinh giới, methanogen được xếp vào nhóm cổ khuẩn

(Archaea), có nhiều đặc điểm khác biệt so với vi khuẩn (Bacteria) như cấu trúc

thành tế bào, bộ máy tổng hợp protein (ribosome), một số coenzyme đặc hiệu như

F420, coenzyme M (Cheesemen et al., 1972)

Song song với quá trình phát triển của công nghệ xử lý kỵ khí, các phương pháp xác định số lượng và hoạt tính của methanogen trong các bể phản ứng cũng được tối ưu dần Các phương pháp đếm thông thường đối với vi sinh vật không phù hợp đối với methanogen vì các vi sinh vật này yêu cầu điều kiện sinh trưởng đặc thù khó kiểm soát trong phòng thí nghiệm, đồng thời thường sống cộng sinh trong một quần thể với nhiều loài vi sinh vật khác Một số phương pháp sinh học phân tử hiện nay như điện di biến tính (DGGE), lai trực tiếp bằng đầu dò huỳnh quang (FISH) cho phép xác định số lượng methanogen trong môi trường một cách trực tiếp dựa trên các phân tử DNA và RNA mà không cần qua bước phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm (Amann, 1995)

Hoạt tính sinh học trong bể xử lý kỵ khí thường được đánh giá thông qua lượng acid béo bay hơi (VFA) hay methane sinh ra Ngoài ra, hoạt tính sinh học còn

có thể xác định thông qua hàm lượng ATP, tỷ lệ thuận với lượng khí sinh ra và thay đổi rất nhạy khi nạp liệu hay có mặt các độc tố Sinh khối vi sinh vật, cấu trúc quần thể và trạng thái trao đổi chất được xác định tương ứng thông qua phân tích lipid tổng số, acid béo của phospholipid và acid poly-β-hydroxybutyric (Henson et al., 1989)

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng của vi sinh vật trong bể biogas

Phân hủy kỵ khí thực tế được đặt dưới kiểm soát chặt chẽ của các điều kiện môi trường do quá trình này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa các nhóm vi sinh vật, đặc biệt là methanogen vì chúng rất nhạy cảm (Speece, 1983)

1.3.1 Cân bằng dinh dưỡng

Để quá trình xử lý sinh học có thể thành công, chất dinh dưỡng vô cơ thiết yếu cho vi sinh vật cần phải được cung cấp đầy đủ và cần phải được cân bằng để đạt

tỷ lệ tối ưu Các chất thiết yếu cho hoạt động của vi sinh vật (theo mức độ giảm dần

về tầm quan trọng) gồm nitơ, sulfur, phosphor, sắt, cobalt, nikel, molipden, selen, riboflavin, vitamin B12 (Britton, 1999)

- Nitơ là nguồn dinh dưỡng được tiêu thụ với lượng lớn cho sự phát triển của vi

sinh vật Trong điều kiện kỵ khí, ammonia và nitơ hữu cơ là nguồn nitơ chính dành cho vi sinh vật phát triển Trong bể biogas, tỷ lệ carbon/nitơ phải đạt 130:5 (hoặc COD:N≈ 350:5 ) đối với các nguồn thải giàu hydrat carbon và 330:5 (hoặc COD:N≈

1000:5) đối với các nguồn thải giàu lipid và protein (Lettinga et al., 1997)

- Lượng phosphor do vi sinh vật tiêu thụ trong hệ xử lý kỵ khí được xác định vào

khoảng 1/5 đến 1/7 nhu cầu về nitơ Phần lớn vi sinh vật đều có khả năng sử dụng phospho vô cơ, hấp thụ vào các tế bào đang sinh trưởng nhờ enzyme phosphatase

(Amani et al., 2010)

- Sulfur cần thiết cho việc tổng hợp protein trong tế bào và trong môi trường kỵ

khí, sulfide (H2S) và cystein là nguồn sulfur chủ yếu cho vi sinh vật phát triển Tuy nhiên H2S có tác động ức chế đối với nhiều nhóm vi sinh vật, bao gồm cả methanogen (ở nồng độ ≥ 200 ppm), do vậy sự có mặt của hợp chất này trong bể biogas phải được kiểm soát ở mức thấp (Bitton, 1999)

1.3.2 Các yếu tố lý hóa và sinh học

- Nhiệt độ: Trong các hệ xử lý kỵ khí, quá trình sinh methane được thực hiện ở

nhiệt độ ấm (25 – 40°C, tối ưu ở 35°C) hay nhiệt độ cao (50 – 65°C, tối ưu ở 55°C), tùy thuộc vào loại công nghệ áp dụng Tuy nhiên có những sự khác biệt rõ rệt giữa hai chế độ lên men Theo nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mô hình 2 lít ở Viện khoa học và kỹ thuật môi trường thuộc trường đại học Xây dựng Hà Nội cho thấy rằng thời gian xử lý của chế độ lên men ấm kéo dài gấp 3 lần so với thời gian lên men nóng ở cùng nguyên liệu đầu vào (lượng COD đầu vào), đồng nghĩa với việc tải trọng hữu cơ của chế độ lên men nóng sẽ gấp 3 lần so với chế độ lên men ấm

Đó là một trong những lý do mà lên men nóng được ưu tiên lựa chọn để xử lý rác thải và bùn thải ở các nước tiên tiến trên thế giới

- Thời gian lưu: Phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn thải và điều kiện môi trường,

thời gian lưu cần được kéo dài ở mức độ thích hợp, thường trong khoảng 10 – 60 ngày (Polprasert, 1989) Thời gian lưu có thể được rút ngắn tùy thuộc vào các điều kiện hỗ trợ công nghệ, ví dụ như xử lý sơ bộ nguồn thải ban đầu hay bổ sung nguồn

vi sinh vật đã được thích nghi với nguồn thải đầu vào (Sterritt et al., 1988), ngoài ra

chế độ lên men (lên men nóng hay lên men ấm) cũng quyết định đến thời gian lưu, lên men nóng sẽ có thời gian lưu thấp hơn nhiều so với lên men ấm

- Độ pH: Điều kiện tối ưu cho bể biogas là pH = 7,0 – 7,2, quá trình bị dừng khi pH

ở mức gần 6,0 Các vi khuẩn sinh acid tạo acid hữu cơ và là nguyên nhân làm giảm

độ pH trong hệ xử lý Trong trường hợp pH của hệ xử lý giảm xuống dưới mức cho phép cần có biện pháp hỗ trợ để pH có thể phục hồi bằng cách bổ sung một số hóa chất có tính kiềm cao như thạch cao (lime), ammonium khan, NaOH, NaHCO3,

Na2CO3 (Bitton, 1999)

- Thành phần hóa học của nguồn thải: Nguồn nguyên liệu thải cần được cân bằng

về dinh dưỡng (carbon, nitơ, phospho, lưu huỳnh ) để có thể duy trì được hệ xử lý

kỵ khí ở mức hiệu suất cao Theo một số nghiên cứu, tỷ lệ C/N cho sinh khí tối ưu

là 25 – 30:1 (Polprasert, 1989) Các nguyên tố vi lượng như sắt, cobalt, molypden

và nikel cũng có vai trò rất quan trọng (Speece et al., 1983)

- Cạnh tranh giữa methanogen và vi khuẩn khử sulfate (SRB): do có cùng phổ

cơ chất để sinh trưởng với methanogen nên SRB có thể cạnh tranh đáng kể với methanogen khi trong nguồn thải có mặt sulfate ở nồng độ cao (tỷ lệ COD/SO42−

<2) (Choi, Rim, 1991)

- Độ mặn: Độ mặn có ảnh hưởng lớn tới quá trình phân hủy trong hệ xử lý kỵ khí

Trong các môi trường nước lợ và nước mặn quá trình phân hủy kỵ khí thường không hiệu quả hoặc tốc độ chậm (Alvarez, Llabrez, 2000) Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho thấy methanogen có mặt với số lượng đáng kể trong môi trường có ảnh hưởng nước biển (rừng ngập mặn, đáy biển), do vậy việc đưa những loài đã thích nghi với nước mặn này vào bể biogas sẽ có tác dụng tích cực tới tốc độ phân hủy (Alvarez, Llabrez, 2000)

- Các yếu tố ức chế khác: oxy hòa tan, ammonia (nồng độ > 3000 mg/L), các hợp

chất hydrocarbon chứa halogen (như chloroform), các hợp chất thơm (benzene,

toluene, phenol, pentachlorophenol), formaldehyde (nồng độ ≥ 100 mg/L), acid béo

bay hơi (volatile fatty acid, như butyric, propionic), kim loại nặng (mức độc hại đối với methanogen theo thứ tự Ni > Cu > Cd > Cr > Pb), một số chất độc khác như cyanide, sulfide, tannin và ức chế ngược do sản phẩm trao đổi chất (như H2 hay acid béo bay hơi) là những yếu tố có ảnh hưởng ức chế đến quá trình tạo biogas, trong

đó thường gặp hơn cả là ức chế do ammonia, sulfide và VFA

+ Ức chế do ammonia: Sự có mặt của ammonia bicarbonate (kết quả của

việc phân hủy nước thải giàu ure và protein) có lợi cho bể phản ứng, vừa có tác dụng như nguồn nitơ vừa có tác dụng đệm khi pH thay đổi Tuy nhiên cả ammonia ion (NH4+) lẫn ammonia tự do (NH3) có thể ức chế quá trình phân hủy nếu có mặt ở nồng độ cao Hai dạng ammonia này cân bằng nhau, trong đó nồng độ mỗi loại phụ

thuộc vào pH trong môi trường (theo phương trình cân bằng dưới đây):

NH4+ ' NH3 + H+

Khi nồng độ ion H+ cao cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trái, có nghĩa là tác động

ức chế do nồng độ ion ammonia (NH4+) cao Ở pH cao (> 7), nồng độ ion H+ giảm

và cân bằng dịch chuyển về bên phải, khi đó ammonia tự do (NH3) có thể trở thành yếu tố ức chế Nhiều nghiên cứu cho thấy nồng độ ammonia tự do (NH3) trên 150 mg/L là độc hại đối với vi sinh vật sinh methane, trong khi đó giới hạn an toàn của ion ammonia (NH4+) ở vào khoảng 3000 mg/L (Bitton, 1999) Nồng độ ammonia tự

do trong hệ xử lý có thể có tác động tích cự hoặc ngược lại đối với quá trình phân hủy (Bảng 1.3)

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của amonia đến vi sinh vật trong bể kỵ khí (McCarty, 1964)

+ Ức chế do sulfide: Tác động ức chế do sulfide là yếu tố thường gặp trong

các bể xử lý kỵ khí Sulfide được sinh ra do quá trình khử sinh học sulfate và các hợp chất chứa sulfur và quá trình phân hủy các hợp chất giàu protein (Bitton, 1999) Trong nước sulfide bị phân tách như sau (Jansen, 1995):

H2S → H+ + HS−

HS− → H+ + S

2-Việc phân tách của sulfide phụ thuộc vào nhiệt độ và độ pH của môi trường Quá trình lên men kỵ khí bị ức chế ở nồng độ sulfide ≥ 200 ppm (Bitton, 1999)

+ Ức chế của VFA (Volatile Fatty Acids): VFA là các acid béo dễ bay hơi

được sinh ra trong quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ như protein, dầu mỡ động vật…Trong môi trường axit và thiếu ôxy, VFA và glucose là những cơ chất

cho vi khuẩn khử sulfate chuyển hóa để tạo ra sulfide - H2S (hợp chất này gây ra

mùi trứng thối đặc trưng) theo phản ứng chung như sau:

CH3COOH + 2H+ + SO42− → H2S + 2H2O + 2CO2 ↑

Và như vậy lượng VFA càng lớn thì H2S tạo ra càng nhiều, pH càng giảm sâu làm cho hệ vi sinh vật sinh methane hoạt động kém đi

1.4 Lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao

1.4.1 Nguyên lý của công nghệ

Lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao là một công nghệ hữu hiệu trong xử lý các nguồn thải hữu cơ, nó được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhiệt độ cao 50 – 65oC (Bitton, 1999) Ưu điểm của phương pháp này là có thể loại được phần lớn các mầm bệnh, trứng giun sán, chi phí vận hành thấp (không sử dụng oxy), thời gian xử lý ngắn…Nhược điểm là thời gian thích nghi của hệ vi sinh vật dài, mẫm cảm với nhiều yếu tố sinh hóa và lý học

1.4.2 Khả năng ứng dụng của công nghệ trong lĩnh vực xử lý chất thải hữu cơ

Có thể nói lên men kỵ khí nói chung và lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao nói riêng đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì những lợi ích thiết thực của nó, đặc biệt trong xử lý chất thải hữu cơ

Trên thế giới, công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao đã được áp dụng thành công tại nhiều nước như Nhật, Mỹ, Đức (Nguyễn Việt Anh, 2010) Tiến bộ về công nghệ đã cho phép xử lý chất thải với hiệu quả cao, khí biogas tạo thành có chất lượng tốt, thực sự đóng góp vào nguồn năng lượng cho quốc gia

Ở Việt Nam lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao còn là một công nghệ mới mẻ Lần đầu tiên trong khuôn khổ Dự án Semi-san hợp tác giữa Đức và Việt Nam, công nghệ này được thử nghiệm ở qui mô pilot 1000 lít để xử lý chất thải hữu cơ gồm có

bùn cặn và rác sinh hoạt (Nguyễn Việt Anh, 2010) Những kết quả ban đầu của hợp tác nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho việc phát triển ứng dụng công nghệ lên men kỵ khí ở nhiệt độ cao vào thực tế để giải quyết hiện trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở các đô thị lớn, đồng thời đề cập đến việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng tận thu được từ chất thải

1.4.3 Các hình thức sử dụng biogas làm năng lượng

Khi mà cả thế giới kêu gọi khẩu hiệu phát triển bền vững thì BioFuel nói chung và Biogas nói riêng đã trở thành vấn đề nóng được quan tâm đặc biệt và được nhắc tới thường xuyên như là một cách giải quyết bài toán trên Đã có nhiều loại nhiên liệu sinh học ra đời như bioethanol, biodiesel để thay thế xăng dầu truyền thống, nhưng khi mà cả thế giới đang suy nghĩ tìm cách giải quyết khâu nguyên liệu cho những sản phẩm nhiên liệu sinh học thì biogas là một sản phẩm có tính thực tiễn và hiệu quả cao nhất Công nghệ biogas sử dụng nguồn nguyên liệu vô cùng dồi dào, góp phần làm sạch môi trường, và đặc biệt sản phẩm biogas có thể được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau từ việc sử dụng trực tiếp để đun nấu thay cho khí gas hóa lỏng truyền thống, hay dùng để thắp đèn khí sinh học đến việc tinh chế làm sạch để dùng làm nhiên liệu chạy máy phát điện, động cơ xe máy, ôtô…Dưới đây là một số hình thức sử dụng biogas hiệu quả đang được áp dụng trên thế giới (Nguyễn Quang Khải, 2009)

1.4.3.1 Bếp khí sinh học

Khí sinh học dùng để đun nấu thay thế cho nhiên liệu gas truyền thống Bếp sử dụng khí sinh học để đun nấu gọi là bếp khí sinh học, nó có cấu tạo tương tự bếp gas thông thường, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt làm cho bếp khí sinh học có thể dung trực tiếp khí biogas

Hình 1.4 Bếp khí sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009)

Hoạt động của bếp như sau: Khi mở van, dòng khí phun mạnh qua vòi phun

sẽ hút theo một phần hoặc toàn bộ khí cần thiết cho sự cháy từ khí quyển vào Lượng không khí này (gọi là không khí sơ cấp) sẽ hòa trộn với khí sinh học tạo thành hỗn hợp khí cháy Lượng không khí cần thiết cho sự cháy còn thiếu được cung cấp từ khí quyển xung quanh ngọn lửa (gọi là không khí thứ cấp) Bằng cách

điều chỉnh lá điều chỉnh không khí, có thể đảm bảo cung cấp vừa đủ oxy cho khí

sinh học cháy hoàn toàn, do vậy bếp cháy với hiệu suất cao (tới 60%)

1.4.3.2 Đèn khí sinh học

1- Vòi phun; 2- Quai treo; 3- Đế giữ quai kiêm đai ốc hãm vòi phun; 4- Lỗ lấy không khí sơ cấp; 5- Ống pha trộn; 6- Đai ốc; 7- Vòng đệm; 8- Nắp trên; 9-Lỗ thông khói; 10- Đầu đốt mặt có các lỗ đốt (Gọi là tổ ong); 11- Chốt cài; 12- Chao đèn; 13- Mạng; 14- Bóng đèn

Hình 1.5 Đèn khí sinh học (Nguyễn Quang Khải, 2009)

Khí sinh học cháy chỉ phát ra ánh sang yếu nên không dùng làm nguồn chiếu sáng trực tiếp được, do vậy người ta dùng khí sinh học làm nguồn nung nóng mạng (măng xông) tương tự đèn mạng dùng dầu, xăng hoặc khí gas hóa lỏng Mạng đèn được dệt bằng sợi đặc biệt có tẩm các chất phát sáng mạnh khi bị nung nóng Đèn hoạt động tương tự như bếp khí sinh học trình bày ở trên

1.4.3.3 Máy phát điện chạy bằng khí sinh học

Công trình nghiên cứu bắt nguồn từ ý tưởng của GS TSKH Bùi Văn Ga, Giám đốc Đại học Đà Nẵng, được Tiến sĩ Nhan Hồng Quang (Phân viện Bảo hộ lao động và Bảo vệ môi trường miền Trung Tây Nguyên) triển khai tại xã Hoà Ninh, huyện Hoà Vang năm 2007 Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi động cơ máy phát điện chạy bằng diesel sang chạy bằng khí biogas (đã qua xử lý) nhằm khai thác nguồn nhiên liệu sẵn có, giá rẻ và rất dồi dào ở nông thôn Công trình này giúp giải quyết một phần khan hiếm điện ở những vùng sâu chưa có điện lưới, góp phần loại

bỏ chất thải nông nghiệp, và cải thiện vệ sinh môi trường

Để chạy máy phát điện 5 KW trong 6 giờ/ngày thì cần lượng khí sinh học sinh ra từ nguồn thải của khoảng 40-50 con heo thịt

Hình 1.6 Máy phát điện 5KW chạy bằng biogas

Động cơ dual-fuel sử dụng biogas với lượng nhiên liệu diesel mồi 5% có thể được cải tạo đơn giản từ động cơ diesel nguyên thủy Động cơ có thể làm việc với

áp suất biogas rất thấp, khoảng 35 mmH2O, nó tiêu thụ khoảng 1 m3 biogas, ứng với

1 kWh điện và khí thải của nó hầu như không có chứa muội than như khi chạy bằng diesel thông thường