ẢNH HƢỞNG CỦA TỈ LỆ RÁC THẢI SINH HOẠT VÀ PHÂN HẦM CẦU LÊN KHẢ NĂNG SINH GAS VÀ XỬ LÝ HỖN HỢP CHẤT THẢI CỦA HỆ THỐNG BIOGAS THỬ NGHIỆM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ RÁC THẢI SINH HOẠT VÀ PHÂN HẦM CẦU LÊN KHẢ NĂNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ RÁC THẢI SINH HOẠT

VÀ PHÂN HẦM CẦU LÊN KHẢ NĂNG SINH GAS VÀ XỬ LÝ

HỖN HỢP CHẤT THẢI CỦA HỆ THỐNG

BIOGAS THỬ NGHIỆM

Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN HIẾU Niên khóa: 2008 – 2012

Tháng 07/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ RÁC THẢI SINH HOẠT

VÀ PHÂN HẦM CẦU LÊN KHẢ NĂNG SINH GAS VÀ XỬ LÝ

HỖN HỢP CHẤT THẢI CỦA HỆ THỐNG

BIOGAS THỬ NGHIỆM

Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực hiện

Tháng 07/2012

LỜI CẢM ƠN

Gia đình là nơi đã nuôi dậy tôi khôn lớn, là nơi luôn che chở, đùm bọc tôi suốt cuộc đời Bên cạnh đó, nhà trường là nơi trang bị những kiến thức cơ bản làm hành trang cho tôi bước vào đời Để có được như ngày hôm nay, đó là do công lao không kể hết của gia đình và nhà trường dành cho tôi

Lời đầu tiên, tôi xin suốt đời ghi nhớ công ơn của cha mẹ, người đã sinh thành, dưỡng dục để tôi có được thành quả như hiện tại

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:

PGS.TS Dương Nguyên Khang, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian làm đề tài

Ban Giám hiệu trường đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Sinh học, đặc biệt là toàn thể quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Toàn thể các bạn sinh viên lớp DH08SH đã chia sẻ buồn vui cùng tôi

Các anh, chị và các bạn sinh viên Khoa Chăn nuôi Thú y đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, lời chúc may mắn và thành công đến quý thầy cô cùng toàn thể những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2012

LÊ VĂN HIẾU

TÓM TẮT

Hiện nay, với sự phát triển kinh tế, sự gia tăng dân số và cùng với sự lãng phí trong thói quen sinh hoạt của con người, rác thải sinh hoạt đang có số lượng ngày một tăng Bên cạnh đó, lượng phân hầm cầu mỗi năm cũng tăng lên một cách đáng kể Điều này làm ảnh hưởng lớn đến môi trường và sức khỏe con người Để giảm thiểu tác hại của rác thải đối với con người và môi trường cần có những dự án thiết kế, xây dựng hệ thống xử lý rác thải Vì lý do đó, chúng tôi mong muốn nghiên cứu xử lý rác thải sinh hoạt và phân hầm cầu bằng hệ thống biogas thử nghiệm nhằm giảm sự tác động gây ô nhiêm môi trường, bảo vệ sức khỏe con người đồng thời tạo nguồn năng lượng phục vụ đời sống như đun nấu, thắp sáng, chạy máy phát điện và sản xuất phân hữu cơ sinh học cho trồng trọt

Quá trình nghiên cứu gồm hai nội dung chính: khảo sát ảnh hưởng của rác thải sinh hoạt lên khả năng sinh gas và ảnh hưởng của rác thải sinh hoạt trộn với phân hầm cầu lên khả năng sinh gas

Khả năng xử lý rác thải bằng hệ thống biogas đạt hiệu suất trung bình, làm giảm chỉ tiêu COD nước thải lên đến 46,95 % với thời gian lưu là 60 ngày

Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng gas sinh ra thực tế của biogas đạt 51,2 % so với lượng gas lý thuyết được tính theo công thức của Burton và Turner (2003):

Vgas lt = 0,35 * (COD đầu vào – COD đầu ra) * Q

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn đánh giá được khả năng sinh gas của rác thải sinh hoạt và phân hầm cầu dựa vào nồng độ vật chất khô đồng thời lập cơ sở tính toán thiết kế hệ thống xử lý rác thải sinh hoạt bằng biogas ở quy mô lớn

SUMMARY

In the recent years, quantities of waste and rubbish are increasing sharply due to the development of economic, larger population and bad living habits of people Besides, the amount of stools in septic tanks also raised significantly As the result, the environment and human health are affected greatly In order to minimize the bad externalities of waste on human and environment, it is necessary to build up a waste management system with a comprehensive project design For that reason, the study about disposing wastes and stools by biogas systems, was conclucted in order to reduce the polluted impact on environment, protect human health and also create energy for daily usage like cooking, lighting, running generators or produce bio-organic fertilizer for crops

The process of the research includes two main parts which are investigation of the impact of rubbish and the mixture of household rubbish and stools on the gas making process

The treatment of waste and stools by biogas systems achived the average efficiency and reduced COD target of waste water to the rate as high as 46,95 % within 60 days

The results showed that the actual amount of the generated gas reached 51,2% compared with the theoretical Volume of gas calculated by the formula of Burton and Turner (2003):

Vgas lt = 0,35 * (COD input – COD output) * Q

In addition, the research also evaluates the ability of gas making process utilized waste and stools based on dry materials and set up the database for calculating and designing of the rubbish and stools treatment system with a larger scale

Key word: biogas, stools, waste

MỤC LỤC

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các sơ đồ ix

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu 1

1.3 Nội dung thực hiện 1

Chương 2 Tổng quan tài liệu 2

2.1 Khí sinh học là gì? 2

2.2 Lịch sử của khí sinh học 3

2.3 Những lợi ích của công nghệ khí sinh học 4

2.3.1 Lợi ích về sử dụng khí 4

2.3.2 Lợi ích về sử dụng phụ phẩm khí sinh học 5

2.3.3 Lợi ích về tài nguyên, môi trường 5

2.3.4 Lợi ích về xã hội 5

2.4 Sự chuyển hóa sinh học trong quá trình tạo khí sinh học 6

2.4.1 Giai đoạn thủy phân và lên men 6

2.4.1.1 Thuỷ phân và lên men polysacarit 7

2.4.1.2 Thuỷ phân và lên men protein 9

2.4.1.3 Phân huỷ và lên men lipit 10

2.4.2 Giai đoạn sinh hydro và axit 10

2.4.3 Giai đoạn sinh metan 10

2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí sinh học 14

2.5.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối 14

2.5.2 Nhiệt độ 14

2.5.3 Chỉ số pH môi trường 14

2.5.4 Thời gian ủ 15

2.5.5 Hàm lượng chất rắn 15

2.5.6 Thành phần dinh dưỡng 15

2.5.7 Sulfur hydro (H2S) 16

2.5.8 Các chất gây trở ngại quá trình lên men 16

2.5.9 Một số yếu tố khác 16

2.6 Một số kiểu biogas ở Việt Nam 17

2.6.1 Loại nắp trôi nổi 17

2.6.2 Loại hệ thống nắp cố định 17

2.6.3 Hệ thống cao su và bao nylon 18

Chương 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 20

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 20

3.2 Vật liệu nghiên cứu 20

3.2.1 Mẫu nguyên liệu xử lý 20

3.2.2 Thiết bị và hóa chất sử dụng 20

3.2.2.1 Thiết bị 20

3.2.2.2 Hóa chất sử dụng 20

3.3 Phương pháp nghiên cứu 21

3.3.1 Xác định tỉ lệ vật chất khô của mẫu tiến hành thí nghiệm 21

3.3.2 Bố trí thí nghiệm 22

3.3.3 Cấu tạo hệ thống biogas thí nghiệm 24

3.3.4 Tiến hành thí nghiệm 25

3.3.4.1 Cho mẫu rác thải và phân vào bình biogas 25

3.3.4.2 Lấy mẫu khảo sát 25

3.3.5 Chỉ tiêu theo dõi 26

3.3.5.1 Nhiệt độ 26

3.3.5.2 Chỉ số pH 26

3.3.5.3.Nhu cầu oxi hoá học 26

3.3.5.4 Khí gas 26

3.4 Phân tích số liệu 27

Chương 4 Kết quả và thảo luận 28

4.1 Khả năng xử lý chất thải của biogas 28

4.1.1 Nhiệt độ bình biogas trong quá trình ủ 28

4.1.2 Giá trị pH của rác thải đầu vào và chất thải đầu ra 29

4.1.3 Hàm lượng COD của chất thải đầu vào và đầu ra 31

4.2 Khả năng sinh gas của hệ thống biogas thử nghiệm 34

4.2.1 Lượng biogas sinh ra 34

4.2.2 Thành phần khí gas CH và CO 36

4.2.3 Gas lý thuyết và gas thực tế 38

Chương 5 Kết luận và đề nghị 40

5.1 Kết luận 40

5.2 Đề nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 43

: Dissolved oxygen, hàm lượng oxy hòa tan trong nước

: Escherichia coli

: Hệ thống biogas thứ 1, 1% VCK : Hệ thống biogas thứ 2, 2% VCK : Hệ thống biogas thứ 3, 4% VCK : Hệ thống biogas thứ 4, 6% VCK : Hệ thống biogas thứ 5, 1% VCK : Hệ thống biogas thứ 6, 2% VCK : Hệ thống biogas thứ 7, 4% VCK : Hệ thống biogas thứ 8, 6% VCK : Tiêu chuẩn Việt Nam

: Vật chất khô : Số thứ tự : Khí sinh học : Khí nhà kính

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tỷ lệ C/N trong một số loại phân 16

Bảng 3.1 Tỷ lệ vật chất khô của hỗn hợp rác thải 22

Bảng 3.2 Tỷ lệ vật chất khô của phân hầm cầu 22

Bảng 3.3 Số liệu tính toán trong bố trí thí nghiệm 1 23

Bảng 3.4 Số liệu tính toán trong bố trí thí nghiệm 2 23

Bảng 4.1 Nhiệt độ chất thải trong quá trình ủ 28

Bảng 4.2 pH của rác cho vào và chất thải đầu ra 29

Bảng 4.3 Một số kết quả khảo sát pH của hệ thống túi ủ biogas 30

Bảng 4.4 Một số kết quả khảo sát pH của hệ thống biogas phủ nhựa HDPE 30

Bảng 4.5 Hàm lƣợng COD của chất thải đầu vào và đầu ra 32

Bảng 4.6 Một số kết quả khảo sát COD của hệ thống túi ủ biogas 32

Bảng 4.7 Một số kết quả khảo sát COD của hệ thống biogas phủ nhựa HDPE 33

Bảng 4.8 Lƣợng gas sinh ra 34

Bảng 4.9 Một số kết quả khảo sát Gas sinh ra theo thể tích hệ thống 35

Bảng 4.10 Một số kết quả khảo sát Gas sinh ra theo VCK 36

Bảng 4.11 Khí gas CH4 và CO2 36

Bảng 4.12 Gas sinh ra thực tế, lý thuyết và hiệu suất sinh gas 38

Bảng 4.13 Một số kết quả khảo sát hiệu suất sinh gas 39

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Con đường sinh metan từ H2 – CO2, methanol và axetat 12

Hình 2.2 Mô hình sinh hoá học giả định cho sự khử axetat và bảo tồn năng lượng bởi vi khuẩn Methanosarcina barkeri MS 13

Hình 2.3 Mô hình thiết kế hệ thống xây nắp trôi nỗi của Ấn Độ 17

Hình 2.4 Thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu của Viện Năng lượng Việt Nam 18

Hình 2.5 Mô hình thiết kế nylon 18

Hình 3.1 Các loại rác thải rau, củ, quả 21

Hình 3.2 Hỗn hợp rác thải thực vật sau khi xay 21

Hình 3.3 Mẫu hỗn hợp rác thải trước và sau khi sấy 22

Hình 3.4 Mẫu phân hầm cầu trước và sau khi sấy 22

Hình 3.5 Hệ thống biogas bằng bình chứa 150 lít 24

Hình 3.6 Hệ thống thu chứa khí biogas 24

Hình 3.7 Đo thành phần khí gas bằng máy Gasmet DX 4030 27

Hình 4.1 Nồng độ CH4 trên 50% cháy cho ngọn lửa xanh 37

DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1 Ba giai đoạn chuyển hoá chất hữu cơ tạo khí sinh học 6

Sơ đồ 2.2 Sơ đồ chuyển hóa protein 9

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Rác thải ở Việt Nam đang là một hiện trạng đáng lo ngại Cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con người, rác thải có số lượng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp và tiềm

ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trường và sức khoẻ con người Là một nước đang phát triển, tốc độ tăng các rác thải sinh hoạt nói riêng ở cả thành thị và nông thôn ở nước ta đang ở mức báo động Bên cạnh đó, cùng với sự gia tăng dân số như hiện nay, lượng phân hầm cầu mỗi năm cũng tăng lên một cách đáng kể và nếu một lượng lớn phân hầm cầu bị thải ra sông suối tự nhiên thì sẽ dẫn đến hậu quả thật sự nghiêm trọng

Xử lý rác thải sinh hoạt và phân hầm cầu bằng biogas không những làm giảm tác động gây ô nhiễm môi trường mà còn tạo nguồn năng lượng phục vụ đời sống sản xuất như đun nấu, thắp sáng, chạy máy phát điện Tuy nhiên, hiệu quả của mô hình xử lý rác thải sinh hoạt và phân hầm cầu nhằm tái sản xuất những nguồn năng lượng có sẵn

để phục vụ lợi ích con người thì chưa được khảo sát một cách có hệ thống Xuất phát

từ những nhu cầu trên, đề tài “Ảnh hưởng của tỉ lệ rác thải sinh hoạt và phân hầm cầu lên khả năng sinh gas và xử lý hỗn hợp chất thải của hệ thống biogas thử nghiệm” được tiến hành thực hiện

1.2 Yêu cầu

Khảo sát, đánh giá khả năng sinh gas của rác thải sinh hoạt và của rác thải trộn với phân hầm cầu; và khả năng xử lý hỗn hợp rác thải bằng hệ thống biogas

1.3 Nội dung thực hiện

Khảo sát khả năng sinh gas của rác thải sinh hoạt và tỉ lệ rác thải sinh hoạt trộn với phân hầm cầu; và khả năng xử lý chất thải bằng hệ thống biogas qua các chỉ tiêu:

Lượng gas sinh ra theo kg vật chất khô, theo thể tích hệ thống biogas

Thành phần khí gas CH4 và CO2

So sánh hiệu suất sinh gas thực tế với lý thuyết

Nhiệt độ, pH, COD của rác thải đầu vào và nước thải đầu ra biogas

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Khí sinh học là gì?

Hiện tượng quang hợp tạo ra những phân tử chất hữu cơ có mức độ phức tạp khác nhau Trong số này có xenluloza là thành phần chủ yếu tạo thành cấu trúc khung của tế bào thực vật Một phần thực vật lại là thức ăn tạo nên cơ thể của động vật Khi thực vật và động vật chết, các chất hữu cơ cấu tạo nên chúng sớm muộn đều

bị thối rữa và chuyển hoá thành các chất khoáng cung cấp nguyên liệu cho diệp lục Quá trình này được gọi là quá trình phân huỷ hoặc phân giải, xảy ra do tác động của rất nhiều sinh vật nhỏ bé mắt thường không nhìn thấy được, gọi là các vi sinh vật, mà chủ yếu là các vi khuẩn Như vậy quá trình phân huỷ là một phần của chu trình biến đổi tuần hoàn các nguyên tố hoá học tạo nên vật chất sống

Quá trình phân huỷ xảy ra trong môi trường có oxi được gọi là quá trình phân huỷ hiếu khí hay háo khí Sản phẩm chủ yếu của quá trình này là khí cacbonic (CO2) Quá trình phân huỷ xảy ra trong môi trường không có oxi được gọi là quá trình phân huỷ kỵ khí hoặc yếm khí Sản phẩm khí thu được là một hỗn hợp khí chủ yếu gồm khí cacbonic (CO2) và khí metan (CH4), phần còn lại là một lượng nhỏ khí N2, H2, H2S… Hỗn hợp khí này được gọi là khí sinh học (KSH) hay còn gọi là biogas Vì vậy quá trình phân huỷ kỵ khí còn được gọi là quá trình lên men khí sinh học hoặc lên men sinh metan Khí metan có thể cháy được nên KSH cũng là chất khí cháy được Nó là một nguồn năng lượng tái tạo không bao giờ cạn kiệt

Sự sản sinh ra khí sinh học trong thiên nhiên là một phần quan trọng của chu trình cacbon sinh hoá Các vi khuẩn sinh khí metan là khâu nối cuối cùng trong một chuỗi vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ và hoàn trả lại các sản phẩm cho môi trường Hàng năm trên toàn cầu khoảng 590 – 880 triệu tấn metan được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt động của các vi khuẩn Khoảng 90 % metan phát thải ra đều

có nguồn gốc sinh học, tức là sự phân huỷ của sinh khối Phần còn lại có nguồn gốc hoá thạch, tức là do các quá trình hoá dầu hình thành nên (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.2 Lịch sử của khí sinh học

Mặc dù loài người đã biết sử dụng khí sinh học từ thời cổ đại nhưng việc nghiên cứu nó thật sự chỉ mở đầu từ năm 1630 với sự kiện Van Helmont lần đầu tiên phát hiện thấy sự phát ra loại khí cháy được từ các chất hữu cơ thối rữa

Năm 1667, Shirley cũng đã nói đến khí đầm lầy

Năm 1770, Alessandro Volta đã thu được khí đầm lầy và nghiên cứu tính chất cháy của nó Năm 1776, ông kết luận rằng lượng khí đầm lầy được sinh ra phụ thuộc vào lượng thực vật thối rữa trong lớp lắng đọng ở đáy mà từ đó khí nổi lên và với một

tỷ lệ nhất định, hỗn hợp khí thu được và không khí có thể nổ

Trong những năm 1804 – 1810 Dalton, Henry và Davy đã thiết lập được công thức hoá học của metan, khẳng định rằng khí than đá rất giống khí đầm lầy của Volta

và chỉ ra rằng metan được sinh ra từ sự phân hủy của phân bò

Tới cuối thế kỷ 19 sự sản sinh ra metan đã được phát hiện là có liên quan với hoạt động của các vi sinh vật Bunsen (1856), Hoppe Seyler (1886), Bechamp (1868), Tappeiner (1882) và Gayon (1884) đã tiến hành nghiên cứu về các khía cạnh vi sinh vật học của quá trình sản sinh metan

Bechamp (1868) đã đặt tên cho "sinh vật" chịu trách nhiệm về sự sản sinh ra metan từ etanol Sinh vật này dường như là một quần thể hỗn hợp vì Bechamp đã có thể chỉ ra rằng những sản phẩm lên men khác nhau đã hình thành từ những cơ chất khác nhau Năm 1875 Popoff trình diễn sự sản sinh ra hydro và metan từ sự lên men của các nguyên liệu chứa xenluloza được bổ sung thêm bùn sông Năm 1876 Herter báo cáo rằng axetat ở bùn cống đã biến đổi thành metan và cacbon dioxit

Gayon, một học trò của Pasteur, đã cho lên men phân ở 35 0C và thu được 100 lít metan đối với 1 m3 phân Ông kết luận rằng sự lên men có thể là một nguồn cung cấp khí để sưởi ấm và thắp sáng Năm 1884 Pasteur đã trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Paris những phát hiện thực nghiệm của Gayon

Việc sử dụng khí thu được lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1859 khi một bể phân huỷ metan được xây dựng tại Bombay (Ấn độ) để xử lý chất thải của người và khí sinh ra đã được dùng để thắp sáng Năm 1895, tại Anh Cameron trình diễn việc dùng KSH để thắp sáng Năm 1986 khí từ hệ thống cống được dùng để thắp sáng các phố ở Exeter (Anh)

Về mặt vi sinh vật học, năm 1901 Schengon đã mô tả những đặc điểm hình thái của vi khuẩn metan Năm 1906 Sohngen làm giầu được 2 vi khuẩn sử dụng axetat khác nhau và phát hiện thấy focmat và hydro cùng cacbon dioxit có thể đóng vai trị như những tiền chất cho metan Một chủng vi khuẩn metan đã được Omelianskii phân lập năm 1916 Năm 1950 Hungate đã thiết lập kỹ thuật kỵ khí do Bryant phát triển

Schnellen (1947) phân lập được hai vi khuẩn metan: Methanosarcina barkeri và

Methanobacterium formicicum Sau đó năm 1967, Bryant đã thuần chủng được vi

khuẩn Methanobacillus omelianskii

Cuối những năm 1920 những nghiên cứu hoá sinh về sự phân huỷ kỵ khí đã được tăng cường Bắt đầu đã có những nghiên cứu và giải thích những vấn đề như vai trò của nitơ trong quá trình phân huỷ kỵ khí, hóa học lượng pháp của phản ứng, việc sản xuất năng lượng từ những chất thải của các trang trại và ứng dụng quá trình này cho các chất thải công nghiệp Những nghiên cứu của Barker (1956) đã đóng góp quan trọng cho hiểu biết của chúng ta về các vi khuẩn metan giúp thực hiện được những nghiên cứu cơ bản về hoá sinh

Trong nửa đầu của thế kỷ XX, nhiều hệ thống kỵ khí, cả liên tục lẫn gián đoạn, được thử nghiệm Người ta cũng tiến hành nghiên cứu các quy trình phân huỷ kỵ khí, ảnh hưởng của các thành phần của các nguyên liệu hữu cơ, vai trò quan trọng của nhiệt

độ, sự đa dạng của các giống gốc vi khuẩn, v.v (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.3 Những lợi ích của công nghệ khí sinh học

2.3.1 Lợi ích về sử dụng khí sinh học

Khí sinh học là một nhiên liệu quý có thể dùng vào các mục đích năng lượng như đun nấu, thắp sáng, chạy các động cơ như máy bơm, máy phát điện, máy xay sát, ô tô… Hay cũng có thể dùng để sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm trong chăn nuôi, chạy tủ lạnh, hàn cắt kim loại v.v

Đèn KSH được dùng để chiếu sáng nuôi tằm vì nó tạo ra ánh sáng và nhiệt độ thích hợp với sự phát triển của tằm Nhờ vậy kén hình thành sớm hơn 4 – 6 ngày, chất lượng kén tốt hơn, năng suất tăng khoảng 30%

KSH còn được dùng để diệt sâu bọ trong việc bảo quản ngũ cốc hoặc dùng để bảo quản rau quả như cam, xoài v.v cho hiệu quả kinh tế cao

2.3.2 Lợi ích về sử dụng phụ phẩm khí sinh học

Sản phẩm thứ hai của thiết bị KSH không kém giá trị so với KSH được gọi chung là phụ phẩm khí sinh học (PPKSH) PPKSH dạng lỏng gọi là nước xả, dạng đặc gồm 2 phần gọi là bã cặn và váng Sử dụng phụ phẩm đem lại lợi ích kinh tế có khi còn cao hơn so với KSH

Sử dụng PPKSH trong trồng trọt có thể làm tăng năng suất cây trồng, hạn chế sâu bệnh và cỏ dại, cải tạo đất…

Trong chăn nuôi, PPKSH có thể làm thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm

Khi phụ phẩm khí sinh học được đưa vào các ao để nuôi thủy, hải sản, các chất dinh dưỡng kích thích sự phát triển của tảo và các động vật phù du (thủy tức, giáp xác ) là nguồn thức ăn cho cá, tôm và các vật nuôi khác Nói chung nuôi bằng phân KSH vật nuôi lớn nhanh và ít bệnh hơn

Người ta còn ứng dụng phụ phẩm vào nhiều việc khác như xử lý hạt giống, nuôi giun đất, trồng cây không dùng đất, trồng nấm (Nguyễn Quang Khải, 2002)…

2.3.3 Lợi ích về tài nguyên, môi trường

Công nghệ KSH giúp xử lý chất thải nông nghiệp và nông thôn (phân gia súc và phân người), xử lý chất thải công nông nghiệp và thành phố

Nhờ cung cấp chất đốt cho nhân dân nên công nghệ KSH đã góp phần bảo vệ rừng Bón phân KSH có tác dụng cải tạo đất, làm tăng độ phì của đất, hạn chế hiện tượng đất bị thoái hoá, sói mòn Do đó tài nguyên đất được bảo tồn

Giảm phát thải khí nhà kính: Công nghệ khí sinh học góp phần giảm phát thải khí nhà kính (KNK) vì thu hồi khí metan do các chất hữu cơ phân huỷ kỵ khí sinh ra, không cho phát thải vào môi trường và thay thế các nhiên liệu hoá thạch (than đá, xăng dầu ) là nguồn phát thải lớn (Nguyễn Quang Khải, 2002)

2.3.4 Lợi ích về xã hội

Sử dụng KSH để đun nấu sẽ giải phóng phụ nữ và trẻ em khỏi công việc bếp núc nóng nực, khói bụi, tiết kiệm thời gian tìm kiếm các chất đốt, làm cho cuộc sống nông thôn văn minh, tiện nghi hơn, rút ngắn sự cách biệt giữa nông thôn và thành thị

Công nghệ KSH làm thay đổi cách suy nghĩ, cách sống của cư dân nông thôn Phát triển rộng rãi công nghệ KSH sẽ tạo ra một ngành nghề mới, giải quyết được công ăn việc làm cho nhiều người Dùng KSH thay thế xăng dầu, phân hoá học, thuốc

trừ sâu, quốc gia sẽ tiết kiệm được ngoại tệ cần chi để nhập dầu lửa và các sản phẩm hóa học(Nguyễn Quang Khải, 2002)

2.4 Sự chuyển hóa sinh học trong quá trình tạo khí sinh học

Các chất hữu cơ là nguyên liệu sản xuất khí sinh học sau một quá trình biến đổi sinh học đặc thù, trải qua nhiều giai đoạn Các nghiên cứu cho đến nay đều thống nhất quá trình này gồm hai giai đoạn (hai “pha” – phase), hoặc chia nhỏ hơn là ba giai đoạn: giai đoạn thuỷ phân và lên men, giai đoạn sinh axit và giai đoạn sinh metan (Sơ

đồ 2.1) Hai giai đoạn đầu có thể gọi là giai đoạn không sinh metan, giai đoạn ba gọi là giai đoạn sinh metan Chính do ba quá trình sinh học này mà người ta đã ứng dụng trong công nghệ tách pha để nâng cao hiệu suất sinh học, tăng rõ rệt năng suất sinh khí bằng cách phân tách từng giai đoạn với các điều kiện sinh học tối ưu

Sơ đồ 2.1 Ba giai đoạn chuyển hoá chất hữu cơ tạo khí sinh học

2.4.1 Giai đoạn thủy phân và lên men

Đây là giai đoạn đầu tiên của sự chuyển hoá các chất cao phân tử (polymer) thành các chất đơn phân tử (monomer) Nguyên liệu hữu cơ trong giai đoạn này sẽ được chuyển hoá qua quá trình thuỷ phân và lên men

Thuỷ phân là phản ứng phân hủy một liên kết hoá học bằng cách thêm vào một phân tử nước Một số loại enzim được gọi là hyđrolaza thực hiện phản ứng này

Este, Axit béo, Rượu

Giai đoạn 1

Giai đoạn 2

Propionat, Butyrat

CH4 + CO2 + H2O Giai đoạn 3 Axetat + H2 + CO2

Lên men là quá trình phân hủy kỵ khí – biến đổi sinh học sử dụng các vi sinh vật, khởi đầu với đường phân và kết thúc với sự chuyển hoá axit piruvic thành rượu etylic hay axit lactic Đó cũng là những biến đổi bằng con đường sinh học của một chất nền,

kể cả các hiện tượng sinh tổng hợp và chuyển đổi sinh học Hiện tượng lên men cũng dùng để chỉ phương thức chuyển hoá bằng cách phân hủy các chất hữu cơ mà cơ thể sống và các tế bào sử dụng để tạo ra năng lượng hoá học dưới dạng ATP (Adenozin Triphotphat, là một dạng photphoryl hoá của adenozin, do kết hợp adenin với D –riboza và ba phân tử photphat, tích trữ và giải phóng năng lượng nhờ hiện tượng khử photphoryl hoá phụ thuộc men adenozin triphotpataza), nhưng không cần đến oxy Các polysacarit bị thuỷ phân thành monosacarit, và tiếp tục lại được chuyển hoá thành axit pyruvic Protein bị thuỷ phân thành các amino axit, và chúng lại bị khử nhóm amin để tạo thành các axit hữu cơ và amoniac Các axit hữu cơ này lại bị phân hủy thành các axit hữu cơ đơn giản hơn như axit propionic, axit axetic, axit butyric, các axit béo mạch dài, ethanol (rượu etyl) Lipit bị thuỷ phân thành glyxerol (là loại rượu đơn giản nhất) và các axit béo (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.4.1.1 Thuỷ phân và lên men polysacarit

Polysacarit trong nguyên liệu lên men khí sinh học chủ yếu là xenluloza, hemixenluloza và tinh bột Chúng cung cấp năng lượng cho vi khuẩn phát triển trong quá trình dị hoá và là nguyên liệu chính để chuyển hoá thành CH4 và CO2 trong suốt quá trình lên men

Xenluloza

Là một loại polyme sinh học mạch dài, chiếm đến 45 – 98 % trọng lượng khô của

gỗ, bông, cây đay, lanh Trong thân cây nông nghiệp, phân trâu bò, lợn cũng có nhiều hợp chất này Xenluloza thường kết hợp với licnin và hemixenluloza để tạo ra một cấu trúc sợi gỗ phức tạp mà vi khuẩn cũng không dễ phân huỷ nó Chính vì vậy, tốc độ phân huỷ xenluloza là mấu chốt để tăng tốc độ lên men tạo khí sinh học Một hệ men xenlulaza phức hợp do vi khuẩn phân huỷ xenluloza sinh ra sẽ thực hiện việc phân huỷ hợp chất khó tiêu này

Hemixenluloza

Là một cơ chất quan trọng để lên men khí sinh học, dễ được vi khuẩn sử dụng Hầu hết chúng đều có liên kết β – 1,4 Để phân huỷ hợp chất này cần một nhóm hỗn hợp hệ men phức hợp do cấu trúc và sự hình thành phức tạp của hemixenluloza

Tinh bột

Là một loại polime được hình thành bởi các đơn vị đường glucoza với 2 loại mạch thẳng và mạch vòng Tinh bột sẽ bị thuỷ phân thành glucoza bởi các men phân huỷ

Sau khi chuyển hoá polysacarit thành monosacarit, các vi khuẩn lên men sẽ tiếp tục chuyển hoá chúng thành pyruvat thông qua con đường EMP (Embden – Meyerhof – Parnas) Khi oxy hoá các monosacarit thành pyruvat, hyđro sinh ra sẽ được vi khuẩn chuyển đến NAD (Nicotinamit Adenine Dinucleotit, thuộc dạng oxy hoá, là một coenzim có chức năng như chất mang hyđro trong phản ứng oxy hoá – khử gắn liền với lên men và hô hấp hiếu khí):

NAD+ + 2H → NADH + H+

Trong bể phân huỷ kỵ khí, nồng độ hyđro (hoặc là áp suất riêng phần hyđro) sẽ điều khiển tỷ lệ dị hoá pyruvat Đó là do NADH (là dạng khử của NAD) tiếp tục bị oxy hoá khử trong chu trình thuỷ phân glucoza, cho điện tử và hình thành hyđro phân

CH3COOH + H2O + NADH + H+ → CH3COOH + CO2 + 2H2 + NAD+

Nếu vi khuẩn trong bể phân huỷ tiêu thụ nhanh hyđro, áp suất riêng phần của hyđro sẽ tăng lên, lúc đó các điện tử từ NADH sẽ không kết hợp với proton để tạo thành hyđro phân tử, mà lại chuyển đến pyruvat và sinh ra các sản phẩm khử như axit propionic, axit butyric và etanol.Trong điều kiện áp suất riêng phần cao như vậy, các phản ứng, đặc biệt là phản ứng hình thành axit propionic sẽ khó thực hiện

Men phân giải

Peptidaza Protein ngoại bào

Nếu thời gian lưu ngắn hoặc nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical Oxygen Demand, BOD) của nguyên liệu cao, thì axit propionic, axit butyric, axit lactic và etanol sẽ trở thành những chất ức chế hoạt động của bể phân huỷ Nếu bể phân huỷ hoạt động tốt, vi khuẩn sinh metan sử dụng hyđro có hiệu quả, thì các vi khuẩn lên men chỉ sinh ra một chút hoặc không sinh ra etanol hoặc axit lactic, tạo ra một lượng rất ít axit propionic và axit butyric, nhưng lại sinh ra một lượng lớn axit axetic, cacbonic và hyđro (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.4.1.2 Thuỷ phân và lên men protein

Protein là một hợp chất có cấu trúc phức tạp, với 20 axit amin khác nhau được liên kết bằng chuỗi peptit Có 2 loại protein: protein đơn giản chỉ gồm các axit amin và protein tiếp hợp gồm cả axit amin và các gốc hữu cơ và vô cơ

Vi khuẩn sử dụng protein bằng cách tiết ra men proteinaza ngoại bào để phân huỷ protein thành các peptit mạch ngắn (polipeptid và oligopeptit) Các peptit này hoặc tiếp tục bị phân huỷ ngay thành các axit amin bởi men peptidaza ngoại bào, hoặc xâm nhập ngay vào tế bào và bị phân huỷ thành axit amin (Sơ đồ 2.2)

Sơ đồ 2.2 Sơ đồ chuyển hóa protein

Một phần các amino axit được vi sinh vật sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp protein của chúng, một phần bị khử amin để tạo thành các axit bay hơi, axit iospropionic, axit valeric, axit isovaleric, axit D– 2–methyl butyric, các axit thơm khác nhau (axit phenylaxetic, axit phenylpropionic, axit indoleaxetic), amoni và sunphit, cacbondioxyt Polypepit, axit amin và amoni đều là nguồn nitơ tốt cho nhiều loại vi khuẩn và chúng lại có thể chuyển hoá trở lại thành protein trong quá trình lên men khí sinh học Các axit amin cũng là một nhân tố phát triển cho nhiều loại vi khuẩn Vì vậy đối với bể phân huỷ hoạt động bình thường, nếu thiếu nguyên liệu protein cũng không

bị ảnh hưởng nhiều Nếu quá trình khử amin quá mạnh, hàm lượng amoni quá cao, thì

Các axit amin nội bào

sự phân huỷ kỵ khí sẽ bị ức chế và ta gọi đó là hiện tượng nhiễm độc (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.4.1.3 Phân huỷ và lên men lipit

Lipit được tạo thành chủ yếu từ glyxerol, axit béo và một số hợp chất khác như axit photphoric, sacarit và được liên kết bằng liên kết béo hoặc ete Lipit gồm 2 loại: đơn giản và phức tạp Loại đơn giản bao gồm axit béo và rượu, ví dụ như chất béo (triglyxerit) được tạo ra gồm glyxerol và 3 phân tử axit béo Loại phức tạp gồm phosphatit (gồm phosphat) và glycolipit (gồm sacarit)

Chất béo, glyxerol bị thuỷ phân sẽ tiếp tục bị chuyển hoá thành phosphoglyxeraldehyt và sau đó thành axit pyruvic, và tiếp tục tham gia vào quá trình

dị hoá pyruvat Do sự thuỷ phân, galactose có thể chuyển thành α–D–1 phosphoglucoza, và nó lại tiếp tục bị phân hủy bằng con đường mà 1–phosphoglucoza

bị phân hủy thông qua thuỷ phân glucoza

2.4.2 Giai đoạn sinh hydro và axit

Đây là giai đoạn trung gian của quá trình lên men khí sinh học Các chất được tạo

ra trong giai đoạn trước như axit propionic, axit butyric, axit lactic, các axit béo mạch dài, rượu, sẽ tiếp tục được chuyển hoá thành axit axetic và hyđro Trong quá trình phân hủy này, carbua cặp lẻ cũng sẽ tạo ra cacbon dioxit Cũng trong giai đoạn này, các sản phẩm trung gian cũng có thể lại bị chuyển hoá lại thành các chất ban đầu Các monosacarit được chuyển hoá thành các axetat, các peptit, axit béo, amino axit, amit, este, sinh ra trong giai đoạn thuỷ phân và lên men được chuyển hoá thành hyđro và axit axetic

2.4.3 Giai đoạn sinh metan

Lí thuyết chuyển hoá CO2 thành metan của Van Niel (1930) như sau:

Romesser (1978) đã đưa ra một giả thuyết mới về sự hình thành metan do khử cacbon đioxit: CO2 làm tăng nhanh phản ứng, phối hợp hoạt động của CH3–S–CoM với quá trình hình thành metan từ cacbon đioxit

Wolfe (1985) đã đưa ra một mô hình cuối cùng về sự hình thành metan từ hyđro

và cacbon dioxit Mô hình này cho thấy chính xác hơn chức năng của thể mang điện tử F420, thể mang methyl CoM, và thể cho methyl trong quá trình đồng hoá hyđro và

CO2, quan hệ qua lại của chúng, sự đồng hoá và sự hình thành metan

Các hợp chất đơn giản như axit axetic, axit formic, hyđro và cacbonic được chuyển hoá thành metan và cacbonic (hình 2.1) như phản ứng dưới đây:

Axit axetic

CH3COO– + H2O → CH4 + HCO3– – 30,9 kJ Hyđro và cacbonic

4H2 + HCO3– → CH4 + 3H2O – 135,6 kJ Axit formic

4HCOOH + H2O → CH4 + 3HCO3– + 3H+ – 130,2 kJ Rượu methylic

4CH3OH → 3CH4 + HCO2– + H+ + H2O – 314,8 kJ Metylamin

4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3– + 4NH4+ + H+ – 314,8 kJ 2(CH2)2NH2+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3– + 2NH4+ + H+ – 219,8 kJ 4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3– + 4NH4+ + 3H+ – 669,1 kJ Chu trình sinh hóa học của quá trình phân hủy chất hữu cơ chính là con đường dịch chuyển cacbon và electron để đồng hóa chất hữu cơ thành các sản phẩm cacbon đơn giản Bằng con đường sinh hoá học, việc tạo ra metan có liên quan tới hàng loạt các phản ứng và các coenzyme khác nhau

Hình 2.1 Con đường sinh metan từ H2 – CO2, methanol và axetat H 4 MPT:

tetrahydromethanopterine; BI: 5–hydrobenzimidizole; CoM: coenzyme M;

Hình 2.1 cho thấy metan được sinh ra từ H2, CO2, methanol và axetat Giai đoạn cuối của quá trình này (khử methyl coenzym M (CoM) thành CH4 bằng men khử methyl) sẽ giải phóng năng lượng, cho phép tạo ATP bằng sự vận chuyển electron trong quá trình photphoryl hóa Đối với methanol, nhóm methyl sẽ tham gia phản ứng

và cứ ba phân tử metan được tạo ra thì một nhóm methyl sẽ bị oxy hoá thành CO2 để sinh ra 6 electron để khử 3 nhóm methyl Tuỳ vào sự khử CO2 thành CH4, mà cacbon trong CO2 được kích hoạt và chuyển thành một C duy nhất, thì sự chuyển hoá H2 thành

CH4 sẽ bao gồm ít nhất 6 coenzim khác nhau như MFR, H4MPT, F420, HS–HTP, coenzim M và F420

Metan được tạo thành từ axetat hoá còn tuỳ thuộc vào tế bào có khả năng tách được axetat, khử gốc methyl, và oxy hoá gốc cacbon Năng lượng tự do tiêu chuẩn của phản ứng này (–31 KJ/mol metan) cũng gần tương đương năng lượng tổng hợp cho một phân tử ATP, ADP (Adenozin Diphotphat gồm có adenin, D–riboza và hai gốc photphat, có vai trò quan trọng trong chuyển hoá năng lượng sinh học) và phosphat vô

cơ (+31,8 KJ/mol) Vì vậy việc tạo metan từ sự axetat hoá cần một cơ chế sinh hoá học rất hiệu quả để bảo tồn năng lượng

Hình 2.2 Mô hình sinh hoá học giả định cho sự khử axetat và

bảo tồn năng lượng bởi vi khuẩn Methanosarcina barkeri MS

(Nguyễn Quang Khải, 2010)

Hình 2.2 cho thấy một mô hình sinh hoá học kết nối phản ứng khử axetat để vô

cơ hoá quá trình tổng hợp ATP ở chủng vi khuẩn MS Methanosarcina barkeri (Zeikus

& cộng sự, 1985) Mô hình này cho thấy các chức năng song hành của các thành phần

tế bào chất (các enzym hoạt tính, Co–dehydrogenaza, và enzym khử methyl) và các chất màng tế bào (chuỗi vận chuyển electron) Axetat được kích hoạt đầu tiên do chuyển thành một nửa axetyl Axetyl lại được tách thành chất trung gian gốc methyl và cacbonyl Chất trung gian cacbonyl bị CO–dehydrogenaza oxy hoá, sau đó chuyển các chất tương đương này vào chuỗi chuyển electron gắn chặt vào màng tế bào Quá trình này sẽ hoán vị proton qua màng tế bào để tổng hợp ATP Trong khi Co–dehydrogenaza và B12–CoM methyl transferaza có chức năng dị hoá, thì chức năng của hydrogenaza trong quá trình này còn có tác dụng khống chế trạng thái oxy hóa – khử của chất mang electron màng tế bào bằng sự hình thành H2 làm sản phẩm thứ cấp của sự oxy hoá axetat

Mối liên kết chất vận chuyển electron qua màng tế bào giữa chất oxy hoá (CO)

và sự khử CH3–S–CoM sẽ thúc đẩy lực chuyển động của proton Co–dehydrogenaza,

CH3–S–CoM reductaza và hydrogenaza đều là các men oxy hoá khử kết hợp trong màng tế bào (Nguyễn Quang Khải và Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh khí sinh học

2.5.1 Điều kiện kỵ khí tuyệt đối

Quá trình lên men phân hủy một hợp chất hữu cơ trong hầm ủ phân đòi hỏi điều kiện kỵ khí tuyệt đối, oxy được coi là độc tố đối với các vi sinh vật Sự có mặt của oxy

sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật tạo khí làm cho quá trình tạo khí giảm đi hay ngừng hẳn

2.5.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ làm thay đổi lớn đến quá trình sinh gas trong hầm ủ Sự tăng trưởng phát triển của nhóm vi khuẩn yếm khí rất nhạy cảm bởi nhiệt độ Nhóm vi khuẩn này hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 31oC – 36oC, dưới 10oC nhóm vi khuẩn này hoạt động yếu, dẫn đến gas và áp lực gas sẽ yếu đi Tuy nhiên, ở nhiệt độ trung bình khoảng 20 –

30oC cũng thuận lợi cho chúng hoạt động Trong lúc đó, nhóm vi khuẩn sinh khí metan lại rất nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép hàng ngày chỉ khoảng 1oC (Ủy ban Khoa học kỹ thuật Đồng Nai, 1989)

Theo Burton và Turner (2003) cho thấy:

Nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa lạnh trong khoảng 10 – 20oC

Nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa nhiệt trong khoảng 20 – 40oC

Nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật ưa nóng trong khoảng 40 – 60oC

2.5.3 Chỉ số pH môi trường

Vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với pH của môi trường, chúng chỉ sinh trưởng tốt trong khoảng pH 6,8 – 8,5 và bị ức chế khi pH < 6,2 Các vi khuẩn sinh axit đều sinh trưởng nhanh hơn vi khuẩn sinh metan Nếu loại vi khuẩn sinh axit phát triển quá nhanh thì chúng sẽ tạo ra quá nhiều axit mà vi khuẩn sinh metan không sử dụng hết Kết quả của quá trình này là pH giảm, môi trường phản ứng mất cân bằng, và tất nhiên sản lượng khí sinh học sẽ suy giảm Chính vì vậy, hệ thống hồi lưu sinh khối dùng trong các bể phân huỷ dòng chảy liên tục và trộn đều sẽ duy trì tốt cho sự phát triển cân bằng quần hệ vi khuẩn

Trong giai đoạn lên men ban đầu, axit hữu cơ được tạo ra, làm pH môi trường giảm, có thể xuống dưới 5 Khi pH < 5, sản lượng khí bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Ngoài ra, quần thể vi khuẩn phân huỷ xeluloza và tinh bột giảm 4 lần, vi khuẩn phân huỷ protein giảm 2 lần Khi quá trình sinh metan ổn định, pH sẽ đạt được giá trị 7,2 – 8,2

pH trong nguyên liệu phân huỷ là một hàm số của nhiều yếu tố như: thời gian lưu, nồng độ axit béo bay hơi, độ kiềm bicacbonat của hệ thống và tổng số CO2 sinh

ra Chính vì vậy, để ổn định pH, ta phải ổn định nồng độ, tốc độ và loại nguyên liệu nạp và có thể sử dụng biện pháp trộn đều nguyên liệu và quay vòng dòng chảy

(Nguyễn Quang Khải – Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.5.4 Thời gian ủ

Lượng gas sinh ra sẽ phụ thuộc nhiều vào thời gian ủ dài hay ngắn, thời gian ủ tùy thuộc vào đặc tính của nước thải và nhiệt độ môi trường, thời gian ủ phải được kéo dài đủ để vi khuẩn kỵ khí phân hủy hoàn toàn các chất có trong nước thải Thí nghiệm cho nguyên liệu phân huỷ ở nhiệt độ không đổi là 35oC chỉ ra rằng các nguyên liệu là chất thải động vật sau 60 ngày thì phân huỷ hoàn toàn, trong khi đó nguyên liệu thực vật phải 90 - 100 ngày mới phân huỷ hết (Nguyễn Quang Khải – Nguyễn Gia Lượng, 2010)

2.5.5 Hàm lượng chất rắn

Hàm lượng chất rắn dưới 9 % thì hoạt động của hầm ủ sẽ tốt Hàm lượng chất rắn

ở khoảng 7 – 9 %, khả năng sinh gas tốt hay xấu sẽ còn tuỳ thuộc vào nhiệt độ môi trường Ở Việt Nam vào mùa khô, nhiệt độ cao, sự phân hủy tốt khả năng sinh gas cao nên hàm lượng chất rắn trong hầm giảm, do đó cung cấp chất rắn cao hơn vào hầm ủ là

có thể chấp nhận được và ngược lại

2.5.6 Thành phần dinh dưỡng

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường, liên tục thì phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Thành phần chính của nguyên liệu là C, N và nó nguồn cung cấp cần thiết cho sự tổng hợp amino axit, protein và axit nucleic và cũng là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật và giúp cho quá trình lên men nhanh hơn

Bảng 2.1 Tỷ lệ C/N trong một số loại phân Loại phân Tỷ lệ C/N

Bò Heo

Gà Cừu Ngựa

Để đảm bảo sự cân đối dinh dưỡng cho hoạt động của vi sinh vật kỵ khí cần chú ý đến

tỷ lệ C/N (Bảng 2.1) Tỷ lệ thích hợp từ 25/1 đến 30/1 cho sự phân hủy kỵ khí tốt

2.5.7 Sulfur hydro (H 2 S)

H2S có trong thành phần của dịch lên men, nếu ở nồng độ cao có thể tạo thành chất độc đối với vi sinh vật, ức chế sự sinh khí CH4 và gây ra sự thay đổi thành phần của khí CH4 Điều này có thể phục hồi bằng cách loại bỏ H2S hoặc pha loãng với nước, trong trường hợp nghiêm trọng phải khuấy mạnh để H2S ra khỏi dịch phân Sự hiện diện của H2S có thể ăn mòn kim loại: sắt, kẽm, quan trọng hơn là sự ăn mòn những thiết bị chứa gas, thiết bị đo gas, van… Ta có thể loại H2S bằng cách bỏ vôi sống vào hầm nhưng hạn chế đưa vào những hầm có kích thước lớn trong thời gian dài vì nó tạo ra những mùi rất khó chịu và mùi này thì rất khó xử lý, nồng độ CO2càng cao thì quá trình loại bỏ H2S rất khó, lượng CO2 tác dụng với vôi sống sẽ tạo thành Ca(HCO3)2 Phương trình phản ứng diễn ra như sau:

Ca(OH)2 + H2S = Ca(SH)2 + H2O

2.5.8 Các chất gây trở ngại quá trình lên men

Vi khuẩn sinh CH4 dễ bị ảnh hưởng bởi các độc tố và các hợp chất vô cơ như oxy, amoniac, clo, hợp chất vòng benzen, formaldehyde, axit bay hơi, axit béo, kim loại nặng Khi hàm lượng các loại này có trong hầm ủ vượt quá giới hạn nhất định sẽ giết chết các vi khuẩn Một số nghiên cứu đã cho thấy một số chất có hàm lượng sau đây sẽ ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

2.5.9 Một số yếu tố khác

Thể tích hầm biogas: yếu tố này có liên quan đến thời gian lưu lại của dịch phân

Tổng thể tích phân nước cho vào trong ngày và tỷ lệ phân nước

Từng loại phân khác nhau cho số lượng gas khác nhau

Tỷ lệ phân nước: dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân hủy, ngược lại dịch phân quá cao sẽ tạo lớp váng trên bề mặt của hầm gây cản trở quá trình sinh khí Ngoài ra số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo gas

2.6 Một số kiểu biogas ở Việt Nam

2.6.1 Loại nắp trôi nổi

Hình 2.3 Mô hình thiết kế hệ thống xây nắp trôi nổi của Ấn Độ

(Trần Vũ Quốc Bình, 2006) Loại hệ thống này được nghiên cứu và thiết kế ở Ấn Độ, thường là dạng tròn, xây chìm hẳn trong lòng đất, vật liệu làm bằng gạch, xi măng, ống nạp nguyên liệu nối với buồng chứa bùn ở gần dưới đáy, phần đối diện là ống xả bùn Khí sinh ra được giữ lại ở phía trong phần nắp nổi, nắp này đa số chế tạo bằng thép dày Hệ thống này rất hợp vệ sinh do bề mặt chất thải tiếp xúc ít với môi trường, hệ thống ít bị rò rỉ, dễ xây dựng nhưng giá thành lại cao, phải có kế hoạch bảo trì như sơn nắp trôi nổi để chống rỉ, với loại này thường đạt áp suất khoảng 100 – 150 mmHg, nên không thể dùng để thắp sáng được

2.6.2 Loại hệ thống nắp cố định

Được nghiên cứu và thiết kế ở Trung Quốc, loại hệ thống này phổ biến ở Việt Nam, xây dựng nửa chìm nửa nổi hay nổi hẳn trên mặt đất Kiểu thiết kế bê tông hình

vòm, gồm 2 bể Bể phân hủy chính để lên men tạo gas, bể phụ để điều hòa áp lực như được mô tả trong hình 2.4

Vật liệu làm bằng gạch, xi măng Phần trần đổ bằng bê tông, cốt thép Bể ủ dạng hình vuông, tròn, chữ nhật Phần chứa khí nằm ngay trên trần bể Kỹ thuật xây hệ thống này đòi hỏi cao vì dễ bị rò rỉ, khó sửa chữa Nhưng giá thành lại thấp hơn hệ thống nắp trôi nổi Bề mặt chất thải tiếp xúc với môi trường lớn nên vệ sinh kém Áp lực khí đạt khoảng 1000 mmHg, nên ngoài đun nấu còn có thể phục vụ thắp sáng, chạy động cơ

Hình 2.4 Thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu của Viện Năng lượng Việt Nam

(Nguyễn Quang Khải, 2002)

2.6.3 Hệ thống cao su và bao nylon

Hình 2.5 Mô hình thiết kế nylon

(Trần Vũ Quốc Bình, 2006)

Hệ thống hầm biogas cao su được nghiên cứu và thiết kế ở Đài Loan Vật liệu làm bằng hệ thống cao su thiên nhiên Đặc điểm là vệ sinh hệ thống rất tốt do không tiếp xúc với môi trường bên ngoài, dễ khuấy trộn Tuy nhiên dung tích hệ thống nhỏ chỉ khoảng 1 – 3 m3 nên lượng khí sinh ra phục vụ không đủ nhu cầu cho hộ gia đình

Từ lý do này, dựa trên căn bản này hiện nay người ta đã thay thế sử dụng nylon rẻ tiền cho thiết kế hệ thống nylon được trình bày ở hình 2.5

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Đề tài được thực hiện từ tháng 3/2012 đến tháng 6/2012 tại điểm Biogas thực nghiệm của Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

3.2 Vật liệu nghiên cứu

3.2.1 Mẫu nguyên liệu xử lý

Rác thải sinh hoạt gồm các loại chất thải sinh hoạt hữu cơ dễ phân hủy được phân loại và thu gom từ chợ Đầu mối nông sản Thủ Đức và từ các hộ gia đình ở khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức Tp Hồ Chí Minh

Phân hầm cầu lấy từ Bãi đổ Đa Phước, huyện Bình Chánh, Tp Hồ Chí Minh

3.2.2 Thiết bị và hóa chất sử dụng

3.2.2.1 Thiết bị

Hệ thống thùng nhựa có dung tích 150 lít (8 thùng)

Hệ thống túi nylon có đường kính 0,5 m và chiều cao 0,8 m

Tre, dây kẽm, dây nylon, gạch, bao tay

Ống dẫn gas, van kín, bình nhựa 1 lít, bếp gas

Cân trọng lượng 100 kg

Máy đo pH cầm tay Hanna HI 98127 (xuất xứ Italya)

Máy xay mẫu

Cân điện tử có sai số 0,01

Bình chưng cất, bình tam giác 250 ml, ống đong

Tủ sấy

Phễu và giấy lọc cellulose acetate mẫu nước có đường kính 0.45 m

Buret, pipet, giá đỡ ống nghiệm, becker, bình tam giác

Máy đo thành phần khí Gasmet DX 4030

3.2.2.2 Hóa chất sử dụng

H2SO4 20%

K2Cr2O7 0,0167 M

FAS 0,1M