Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học biogas của phụ phẩm dứa

Phụ phẩm từ dứa có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, thích hợp cho quá trình xử lý bằng công nghệ lên men kỵ khí sinh khí methan.. Nội dung nghiên cứu của đề tài: + Nghiên cứu quá trình tiề

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: TS Phan Thị Tuyết Mai

Hà Nội – 2017

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Phan Thị Tuyết

Mai – Giảng viên khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã ra đề tài,

hướng dẫn, quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Hóa học - trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm việc tại trường

Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những người thân yêu đã luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện

Đề tài của em được thực hiện tại phòng Thí nghiệm số 2, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Đề tài được thực hiện với nguồn kinh phí hỗ trợ từ đề tài đặt hàng của tỉnh Ninh Bình với Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, mã số đề tài 16/HĐ-KHCN

Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2017

Học viên

Ngô Mạnh Túc

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu quá trình phân hủy kị khí 3

1.1.1.Biogas là gì? 3

1.1.2.Ứng dụng của biogas 3

1.2 Quá trình phân hủy kỵ khí 5

1.2.1.Nguyên lý hóa học và sinh học của quá trình phân hủy kị khí 5

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kị khí 12

1.3 Công nghệ phân hủy kỵ khí 15

1.4 Tình hình phát triển công nghệ biogas 19

1.4.1 Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới 19

1.4.2 Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam 19

1.5 Sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa 20

1.5.1 Nguồn phụ phẩm dứa trên thế giới và ở Việt Nam 20

1.5.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa……… 21

1.5.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men kỵ khí phụ phẩm dứa 23

1.5.4 Các phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa cho quá trình phân hủy kỵ khí 25

Chương 2 THỰC NGHIỆM 29

2.1.Nguyên vật liệu 29

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.1.2 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng 29

2.1.3 Trang thiết bị 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 30

2.2.1.Thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm 30

2.2.2 Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong quá trình phân hủy kị khí 32

2.2.3 Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa 32

2.2.4 Phân tích hóa học 33

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Nghiên cứu tiềm năng sinh khí biogas của phụ phẩm dứa 34

3.1.1 Xác định thành phần của phụ phẩm dứa 34

3.1.2 Nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa bằng KOH 35

3.1.2.1.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH 36

3.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 38

3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn nguồn VSV sinh metan 40

3.1.4 Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa 41

3.2 Nghiên cứu nâng cao năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa 43

3.2.1 Nghiên cứu quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ 43

3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dinh dưỡng C:N 47

3.2.3 Năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa trên hệ thống pilot 48

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Một số loài vi sinh vật trong quá trình phân hủy kỵ khí……….10

Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật 11

Hình 3: Bể UASB 16

Hình 4: Bể tự hoại 16

Hình 5: Hệ thống lên men kị khí 1 giai đoạn 16

Hình 6: Hệ thống lên men kị khí 2 giai đoạn 16

Hình 7: Cấu trúc của lignocellulose 24

Hình 8: Cấu tạo phân tử cellulose 24

Hình 9 : Cơ chế tổng quát được đề xuất trong phản ứng thủy phân xenlulo bằng enzym cellulase 28

Hình 10: Ảnh các mẫu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa phụ phẩm dứa 30

Hình 11: Hệ thống đo khí bằng phương pháp cột nước 32

Hình 12: Theo dõi tổng acid, tổng đường của mẫu vỏ dứa khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH 37

Hình 13 Theo dõi pH và đường của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng dung dịch KOH 0,02N 39

Hình 14 Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân bằng KOH 0,02N 39

Hình 15 Năng suất sinh khí biogas của các mẫu với nguồn VSV khác nhau 40

Hình 16 Sự thay đổi mật độ VSVSMT từ Thanh Hóa: a- mẫu ban đầu; b-mẫu sau 18 ngày phân hủy kỵ khí 41

Hình 17 Sự thay đổi pH của các mẫu phụ phẩm dứa với tỷ lệ dinh dưỡng C/N khác nhau trong quá trình phân hủy kỵ khí 42

Hình 18: Tổng thể tích khí biogas sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N 42

Hình 19: Theo dõi pH, tổng đường, tổng acid của mẫu vỏ dứa trong quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò 44

Hình 20 Nồng độ các loại acid của mẫu vỏ dứa theo thời gian thủy phân và acid

hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò 46

Hình 21: Nổng thể tích khí methan sinh ra theo ảnh hưởng tỷ lệ C/N 48

Hình 22: Đường chuẩn protein tại bước sóng 645nm 57

Hình 23: Mô hình thiết bị điện di mao quản 63

Hình 24: Đường chuẩn xác định COD 66

Hình 25: Đường chuẩn xác định PO 4 3- 68

Hình 26: Đường chuẩn xác định NH 4 + 71

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các vi khuẩn lên men acid 08 Bảng 2: Phân tích thành phần phụ phẩm dứa 34 Bảng 3: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau 2 tuần thủy phân bằng KOH 36 Bảng 4: Các thông số của mẫu dịch vỏ và lõi dứa sau quá trình thủy phân bằng dung dịch KOH 0.02M theo thời gian 38 Bảng 5: Sự thay đổi pH, tổng đường và tổng acid của dịch phụ phẩm dứa theo thời gian hủy phân, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò 44 Bảng 6: Kết quả hàm lượng VFA của mẫu dịch phụ phẩm dứa theo thời gian phân hủy, acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò 45 Bảng 7 Kết quả phân tích thành phần lỏng và rắn của mẫu phụ phẩm dứa sau quá trình thủy phân và axit bằng dung dịch KOH 0,02M và dạ cỏ bò 47 Bảng 8: Giá trị tổng thể tích khí biogas và COD của mẫu cơ chất dứa phân hủy trên hệ pilot 35 lít 49

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD (Biochemical oxygen demand): Nhu cầu oxy sinh hóa

COD (Chemical oxygen demand): Nhu cầu oxy hóa học

UASB (Upflow anearobic sludge blanket): Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kị khí

X: Hàm lượng cellulose

TS: Tổng chất rắn

TS (Turbidity and suspendid solids): Tổng chất rắn lơ lửng

VFA (Volatile fatty acid): Acid béo dễ bay hơi

VS: Thành phần hữu cơ dễ bay hơi

VSV: Vi sinh vật

VSVSMT: Vi sinh vật sinh methan

LỜI MỞ ĐẦU

Dứa là một trong những cây công nghiệp phát triển mạnh và là đặc sản của nước ta Các sản phẩm chế biến từ dứa Việt Nam đã và đang xuất khẩu sang nhiều nước trên thế giới Khối lượng dứa xuất khẩu đang không ngừng gia tăng, đồng nghĩa với lượng phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến là rất lớn vì có đến 70 –

75 % khối lượng dứa là phụ phẩm Ngoài ra, phụ phẩm từ dứa thải ra sau thu hoạch

là rất lớn, lên đến 50 - 60 tấn/ha [5,8,10]

Có thể thấy, lượng phụ phẩm dứa hàng năm là rất lớn, nhưng giá trị sử dụng của nó lại rất ít, chỉ được sử dụng một lượng nhỏ để chế biến thành thức ăn cho gia súc, còn lại đổ bỏ, gây lãng phí, tốn diện tích đất làm bãi chứa, đồng thời, gây ô nhiễm môi trường Phụ phẩm từ dứa qua quá trình phân hủy tự nhiên tạo ra mùn và gây mùi hôi thối, mùn tạo ra lại rất khó sử dụng làm phân bón vì hàm lượng acid cao gây chai đất và có hại cho cây trồng Việc chọn giải pháp phù hợp để xử lý nguồn phụ phẩm này, biến chúng trở thành nguồn tài nguyên đang là thách thức đối với các nhà khoa học

Phụ phẩm từ dứa có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, thích hợp cho quá trình

xử lý bằng công nghệ lên men kỵ khí sinh khí methan Trong đó, quá trình thủy phân phụ phẩm dứa là giai đoạn quan trọng đầu tiên quyết định lớn đến hiệu quả của quá trình lên men này Tuy nhiên, quá trình thủy phân thường xảy ra chậm do

sự có mặt một lượng lớn thành phần lignocelluloses trong nguyên liệu Lignocelluloses có cấu trúc rất vững chắc nên quá trình thủy phân thường rất khó xảy ra hoặc xảy ra rất chậm [14] Vì thế, nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa nhằm nâng cao khả năng sản xuất khí methan là rất quan trọng

Cho đến nay, công nghệ này vẫn còn mới và chưa phổ biến nhưng cho thấy tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp rẻ

tiền và dồi dào ở Việt Nam Do vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng sinh khí sinh học biogas của phụ phẩm dứa” được đưa ra nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực

tiễn cao

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

+ Đánh giá tiềm năng sinh khí biogas từ phụ phẩm dứa bằng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

+ Nghiên cứu quá trình tiền xử lý phụ phẩm dứa;

+ Nghiên cứu lựa chọn nguồn vi sinh vật cho quá trình methan hóa;

+ Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho quá trình sinh khí biogas

Biogas sau khi làm sạch có nhiều ứng dụng quan trọng và thiết thực như dùng để đun nấu, thắp sáng, sản xuất nhiệt và hơi quá nhiệt bằng chạy nồi hơi sinh nhiệt, sản xuất điện bằng chạy máy phát điện hoặc hệ đồng phát nhiệt điện Biogas sau khi tinh chế có hàm lượng methan trên 97 % gọi là Biomethan, được sử dụng thay thế khí tự nhiên hoặc hòa vào mạng lưới khí tự nhiên, hoặc nén lỏng để sử dụng làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông, máy móc, động cơ

Được mệnh danh là “cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới , khí biogas hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụ ng rô ̣ng rãi trên thế giới , đă ̣c biê ̣t là ở các nước đang phát triển có khí hâ ̣u nhiê ̣t đới như Ấn Đô ̣ , Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Viê ̣t Nam… bởi điều kiện khí hậu của các nước này thích hợp cho quá trình lên men kị khí chất thải hữu cơ để sinh khí biogas

Năng lượng sản xuất từ biogas là loại năng lượng carbon cực thấp, lượng CO2 phát thải giảm 50 g CO2/kWh so với năng lượng sản xuất từ than [25] Việc sản xuất biogas sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính

Phát triển công nghệ biogas cũng là con đường tất yếu để giải quyết vấn đề

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ nguồn rác thải hữu cơ

1.1.2 Ứng dụng của biogas

Khi cả thế giới kêu gọi khẩu hiệu phát triển bền vững thì BioFuel (nhiên liệu sinh học) nói chung và Biogas nói riêng đang trở thành vấn đề nóng được quan tâm đặc biệt, và được nhắc tới thường xuyên như một giải pháp có hiệu quả Đã có

nhiều loại nguyên liệu sinh học ra đời như biomethan, biodiesel, bioethanol… để thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống Khi cả thế giới đang suy nghĩ tìm cách giải quyết khâu nguyên liệu cho những sản phẩm nhiên liệu sinh học thì việc sản xuất biogas từ phụ phẩm, chất thải hữu cơ sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Trong một thế giới đang ngày càng đề cao sự phát triển bền vững, mối liên kết giữa năng lượng và môi trường đã trở nên vô cùng mạnh mẽ Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo ít carbon đang được ưu tiên hàng đầu

Sản phẩm biogas có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau từ việc sử dụng trực tiếp 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 nguyên liệu chạy máy phát điện, động cơ xe máy, ô tô Dưới đây là một số hình thức sử dụng biogas hiệu quả đang được áp dụng trên thế giới

+ Đun nấu: đạt hiệu suất 50 – 60 % Về nhiệt lượng hữu ích: 1m3 biogas (60

% CH4) có thể thay thế 0,76 Lít dầu; 5,2 kWh điện; 4,8 kg củi; 8,6 kg rơm rạ [2,12]

+ Thắp sáng: Phải dùng đèn mạng độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60 W

tiêu thụ 70 - 120 Lít/giờ [12]

+ Chạy các động cơ đốt trong: Máy bơm, máy xay xát, máy phát điện, máy

sản xuất hơi (boiler)…

+ Các ứng dụng khác: Sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh…

Ngoài ra, biogas còn được sử dụng để diệt sâu bọ trong bảo quản ngũ cốc, hoặc dùng để bảo quản hoa quả cho hiệu quả kinh tế cao

+ Lợi ích về nông nghiệp: nguyên liệu khi được nạp bể biogas sẽ phân hủy

chuyển hóa thành biogas, phần bã không phân hủy vẫn còn lượng dinh dưỡng khá cao và nguồn sinh khối từ vi sinh vật sau quá trình lên men có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng, xử lý hạt giống trước khi gieo; nước thải từ bể biogas dùng để nuôi tảo, bèo làm thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản, trồng nấm, nuôi giun

+ Lợi ích về môi trường: cải thiện vệ sinh, không có khói bụi, giảm bệnh

phổi, giảm bệnh đau mắt, xử lý giảm bệnh giun sán, bệnh truyền nhiễm, hạn chế

thuốc trừ sâu, xử lý chất thải hữu cơ, bảo vệ đất khỏi bạc màu, hạn chế phá rừng, giảm phát thải khí nhà kính

+ Lợi ích khác: hiện đại hóa nông thôn, giải phóng sức lao động phụ nữ và

trẻ em, tạo công ăn việc làm cho người dân

1.2 Quá trình phân hủy kỵ khí

1.2.1 Nguyên lý hóa học – sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí

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

lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt Công nghệ này đang được phát triển mạnh nhờ các hiểu biết về cơ sở hóa sinh của quá trình phân hủy kỵ khí ngày càng sâu rộng và có nhiều cải tiến về thiết kế các bể phản ứng

Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí:

(CHO)nNS → CO2 + H2O + CH4 + H2S + H2 + NH4+ + tế bào mới

Phân hủy kỵ khí xảy ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm sau [15]:

- Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý làm chất nhận điện tử Quá trình này hoàn toàn không sử dụng O2, do vậy giảm được chi phí vận hành đáng kể

- Lên men kỵ khí tạo ít sinh khối (từ 3 - 20 lần so với quá trình hiếu khí) vì năng lượng sinh ra do hô hấp kỵ khí rất thấp Nếu quá trình hiếu khí chuyển hóa 50

% carbon hữu cơ thành sinh khối, thì trong quá trình kỵ khí, tỷ lệ này là 5 % Tổng lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn carbon hữu cơ, trong điều kiện kỵ khí là

20 - 150 kg, nhỏ hơn nhiều khi 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 [3,4]

- Lên men kỵ khí tạo ra khí methan là nguồn năng lượng sạch, có giá trị năng lượng đến 9000 kcal/m3, có thể đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử dụng để sản xuất điện [4]

- Giảm nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải

- Công nghệ này 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 khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời gian dài

- Các hệ thống phân hủy kỵ khí còn có thể xử lý các hợp chất hữu cơ bền như carbuahydro mạch thẳng bị chlor hóa và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin Quá trình phân hủy kỵ khí về mặt hóa học và vi sinh vật phức tạp hơn xử lý hiếu khí Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của vi sinh vật thành khí methan là nhờ sự thủy phân các carbohydrat phức tạp, protein, chất béo thành những carbohydrat đơn giản, aminoacid, acid béo Đường đơn và acid sau đó được sử dụng

để thu năng lượng cho sự sinh trưởng bởi vi khuẩn lên men, sinh ra acid hữu cơ và hydro ở các sản phẩm trung gian Acid hữu cơ sau đó được oxy hóa một phần bởi những vi khuẩn lên men khác, sản xuất thêm hydro và acid acetic Hydro và acid acetic là cơ chất chính được sử dụng bởi vi khuẩn sinh methan, chuyển chúng thành methan Hydro được sử dụng như phần tử cho electron, với CO2 - phần tử nhận electron, để hình thành khí methan, trong khi acetat được tách ra để tạo methan từ nhóm metyl, và tạo CO2 từ nhóm carbonyl trong phản ứng lên men

Chìa khóa để ứng dụng thực tế có hiệu quả của phân hủy kỵ khí dựa vào sự điều chỉnh và tối ưu hóa môi trường nội tại của một bể phản ứng sinh học đi kèm, nhằm đưa ra các điều kiện lý tưởng cho quá trình và duy trì chúng

1.2.1.1 Về mặt hóa học

Quá trình phân hủy kỵ khí thực tế rất phức tạp, liên quan đến hàng trăm phản

ứng và hợp chất trung gian, rất nhiều trong số đó có yêu cầu bổ sung chất xúc tác, enzym và chất điều phối

Quá trình phân hủy kỵ khí gồm 4 giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1 - Thủy phân: Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, cellulose, lipid… được vi sinh vật kỵ khí như Closdium bipiclobacterium, Bacilus gram âm không sinh bào tử, Staphy loccus…chuyển thành các chất có trọng lượng phân tử

thấp hơn như aminoacid, đường đơn, glyxerin Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào cấu tạo và tính chất của chất nền, tập hợp vi khuẩn, nhiệt độ và pH [1, 4, 15]

Tham gia vào giai đoạn này chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc xen lẫn vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Vi khuẩn thuỷ phân thường có hình que, nhuộm Gram dương hoặc Gram âm Bản chất nền ảnh hưởng lớn nhất đến chủng loại các vi khuẩn này

Vi sinh vật tham gia giai đoạn hoạt tính enzym thủy phân ngoại bào đóng vai trò

quan trọng trong lên men kỵ khí sinh methan được xác định là: Clostridium, Bacteroides, Butyvibrio, Peptococcus, Streptococcus Nhìn chung, các vi khuẩn giai

đoạn thủy phân có thể sống trong môi trường có pH từ 5 - 8, nhưng thích hợp nhất

là pH 5,5 - 6,5 Giai đoạn thủy phân thường có thể kéo dài và trở thành bước quyết định tốc độ xử lý

- Giai đoạn 2 - Sinh acid: Các vi khuẩn sinh acid (ví dụ như Clostridium)

chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như acid acetic, acid lactic, acid propionic, acid formic, acid butyric), rượu và keton (như etanol, methanol, glycerol, acetone), CO2 và H2 [16] Do sự tạo thành các acid hữu cơ, pH giảm xuống rõ rệt

Vi khuẩn lên men sinh acid trong phân hủy kỵ khí thuộc một số chi thường

gặp như Pseudomonas, Clostridium, Micrococcus, Lactobacillus Vi khuẩn nhóm

này có vai trò chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như các acid acetic, propionic, fomic, butyric hay succinic), rượu và keton (như etanol, methanol, gryxerol, aceton), acetat, CO2 và H2 Acetat là sản phẩm chính được tạo

ra trong quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất carbonhydrat Sản phẩm phân hủy

kỵ khí thay đổi phụ thuộc vào các loại vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa trong bể phản ứng (Bảng 1)

Bảng 1: Các vi khuẩn lên men sinh acid [3,4]

Bacillus cereus Acid acetic, acid lactic

Bacillus megaterium Acid acetic, acid lactic

Bacterodies succigenes Acid acetic, acid sucinic

Clostridium carnefectium Acid formic, acid acetic

Clostridium cellobinharus Acid lactic, etanol,CO2

Clostridium dissolves Acid formic, acid axetic

Clostridium thermocellaseum Acid lactic, acid sucinic, etanol

Pseudomonas Acid formic, acid acetic, acid lactic

Ruminococcussp Acid sucinic

- Giai đoạn 3 - Sinh acetat: Nhóm vi khuẩn sinh acetat là acetogen sẽ chuyển

hóa các acid béo (như acid propionic, acid butyric) và rượu thành acetat, H2, CO2 Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh methan hoạt động Để có thể chuyển hóa được các acid béo, vi khuẩn sinh acetat 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 methan là nhằm duy trì điều kiện này [1,3] Ethanol, acid propionic, acid butyric và glycerol được vi khuẩn sinh acetate chuyển hóa thành acid acetic theo các phản ứng sau:

CH3(CH2)2COOH (acid butyric) + 2H2O → 2CH3COOH+ 2H2

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + 2H2

C3H8O3 (glycerol) + H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2

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

Vi khuẩn sinh acetate (acetogen) sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn sinh methan (methanogen) khoảng 25 lần [3,20], 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 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 pH tối ưu cho các vi

khuẩn acetat hoá nằm trong khoảng 6 - 7 Các giống vi khuẩn acetat hóa quan trọng

gồm: Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas

- Giai đoạn 4 – sinh methan: Vi sinh vật sinh methan (methanogen) không thuộc giới vi sinh khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ khuẩn (Archae), do đó, có cấu tạo thành và màng tế bào

khác biệt Chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này

Vi sinh vật này có nhiều hình dạng khác nhau (que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám…)

có loài chuyển động được, có loài không Đặc điểm chung của chúng là chịu được nhiệt độ khá cao (60 - 80o C), sinh trưởng trong môi trường có thế khử rất thấp (Eh < -300V), rất mẫn cảm với sự biến động của các yếu tố môi trường như oxy, nhiệt độ, pH… nhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin Coenzyne của vi sinh vật sinh methan rất đặc biệt, bao gồm coenzyme M, coenzym F430 và F420 khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại, do đó, có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 55o C đến 3 ngày ở 35o C và tới 50 ngày ở 10o C

Methanogen chuyển hóa H2, CO2, acetate thành CH4 [15] bằng các con đường sau:

+ Con đường 1 - Methanogen sử dụng hydro: Vi sinh vật Hydrogentrophic Methanogen chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Có dưới 30 % lượng methan được tạo thành từ con đường này 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

+ Con đường 2 – Methanogen sử dụng acetate: Vi sinh vật Acetotropic Methanogen chuyển hóa acetate thành CH4 và CO2:

+ Con đường 3: Nhờ vi khuẩn Methylotrophic methanogen phân giải cơ chất

chứa nhóm metyl:

CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4+ 3CO2+ 4NH3 Một số loài vi sinh vật trong quá trình phân hủy kỵ khí được giới thiệu trong hình 1

Hình 1: a) Vi khuẩn có hoạt tính thuỷ phân, b) Vi khuẩn lên men sinh acid,

c) Vi sinh vật sinh acetat, d) Vi sinh vật sinh methan

Trong các nghiên cứu, người ta thấy rằng: trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa), lượng COD hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methan hóa, ngoài sản phẩm chính là methan, còn có các sản phẩm NH3, H2S, indol, scatol,… gây mùi thối [2,12]

Như vậy, các sản phẩm gây mùi thối chỉ tạo ra trong quá trình lên men và bán phân hủy chất hữu cơ, nếu bị đẩy ra ngoài, kéo mùi thối ra cùng, là nguyên

nhân gây thối và ô nhiễm môi trường thứ cấp

1.2.1.2 Về mặt sinh học:

Phân hủy kỵ khí là hệ cân bằng sinh thái, trong đó, các nhóm vi sinh vật khác nhau cùng tham gia chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các sản phẩm cuối cùng Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ gồm nhóm thủy phân, nhóm lên men acid, nhóm sinh acetat, nhóm sinh methan Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, tăng số lượng tế bào, tăng số lượng quần thể vi sinh vật Nguyên liệu ban đầu là phụ phẩm dứa có nhiều chất hữu

cơ để vi sinh vật đồng hóa làm cơ chất dinh dưỡng và sinh sản Thời gian càng dài, nồng độ chất dinh dưỡng càng suy giảm, các sản phẩm thải từ quá trình trao đổi chất ngày càng tăng Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật thể hiện qua hình 2:

Hình 2: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật [11]

Đường cong gồm 4 giai đoạn:

Giai đoạn tiềm phát: Khi thêm vi sinh vật vào bể phân hủy kỵ khí, số lượng

thường không tăng lên Nguyên nhân là do thành phần môi trường mới không giống với môi trường cũ nên vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với việc sử dụng chất dinh dưỡng mới Nếu tính chất của môi trường mới khác nhiều so với môi trường cũ thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài

Giai đoạn lũy tiến: Trong giai đoạn này, vi sinh vật sinh trưởng và phân cắt

với tốc độ tối đa, nhịp độ sinh trưởng của chúng là không thay đổi Sau một thời gian nhất đinh, khối lượng, cũng như tổng số cá thể của vi sinh vật tăng gấp đôi

Giai đoạn ổn định: Đường cong sinh trưởng đi ngang, nồng độ vi sinh vật ổn

đinh Trong giai đoạn này, số lượng vi sinh vật sống không thay đổi, có thể do số lượng vi sinh vật mới sinh ra cân bằng với số lượng vi sinh vật chết đi, hoặc vi sinh vật ngưng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất Nguyên nhân làm quần thể vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định chủ yếu là do sự hạn chế chất dinh dưỡng Giai đoạn acid hóa làm acid hóa môi trường và ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật

Giai đoạn suy vong: Việc tiêu hao hết chất dinh dưỡng và tích lũy các chất

thải độc hại làm tổn thất đến môi trường sống của vi sinh vật, làm cho số lượng tế bào giảm xuống

Việc nghiên cứu quá trình sinh trưởng của vi sinh vật đặc biệt quan trọng ảnh hưởng tới năng suất sinh khí biogas Nắm vững các giai đoạn phát triển cho ta thời gian phù hợp để quá trình lên men kỵ khí xảy ra tối ưu

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí

- Điều kiện kỵ khí:

Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều vi khuẩn, trong

đó, các vi khuẩn sinh methan là những vi khuẩn quan trọng nhất, là những vi khuẩn

kỵ khí bắt buộc Sự có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi khuẩn này, vì vậy, phải đảm bảo điều kiện kỵ khí tuyệt đối của môi trường lên men

- 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 được cung cấp đầy đủ và cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật (theo mức độ giảm dần về tầm quan trọng) gồm nitơ, sunlfur, phosphor, sắt, cobalt, nikel, molipden, selen, vitamin B12 [1,3,15]

+ 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 để

vi sinh vật phát triển [3,23]

+ 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 nên phần lớn vi sinh vật đều có khả năng sử dụng phosphor vô cơ, hấp thụ vào các tế bào đang sinh trưởng nhờ enzyme phosphatase [1,3,15]

+ 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 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 nhất [3,15]

- Ảnh hưởng của pH và khả năng đệm: pH trong hầm nên được điều chỉnh ở

mức 6,6 - 7,6 và tối ưu trong khoảng 7,0 - 7,2 Vi khuẩn tạo acid có thể chịu được

pH thấp đến 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methan bị ức chế ở pH thấp và dừng hoạt động

ở pH < 6,0 Trong quá trình hoạt động, giá trị pH của hầm biogas có khi hạ thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo khi hầm ủ bị nạp quá tải, hoặc do độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của vi khuẩn tạo methan 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 [3,15]

- Các chất ức chế khác: Trong thực tế, các loại thuốc hóa học như thuốc trừ sâu,

chất kháng sinh, nước xà phòng, thuốc nhuộm, dầu nhờn không được phép đổ vào

bể biogas Bên cạnh đó, hoạt động của vi khuẩn cũng chịu ảnh hưởng của một số

các độc tố như các 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 Khi hàm lượng của các loại này có trong dịch thủy phân vượt quá một giới hạn nhất định sẽ giết chết các vi khuẩn Những yếu tố ức chế đến quá trình tạo biogas có oxy hòa tan, các hợp chất hydrocarbon chứa halogen, các hợp chất thơm, các hợp chất acid béo

dễ bay hơi Volatile fatty acids (VFA), kim loại nặng, trong đó, thường gặp hơn cả là

ức chế do amoniac, sulfide và VFA

+ Ức chế do amoniac: Sự có mặt của amoniac bicarbonate 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 amoniac tự do (NH3) có thể ức chế quá trình phân hủy nếu có mặt ở nồng độ cao Hai dạng này cân bằng nhau, trong đó, nồng độ mỗi loại phụ thuộc vào pH của môi trường theo 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 amonia (NH4+) cao Ở pH cao, nồng độ ion H+ giảm và cân bằng dịch chuyển về bên phải, khi đó NH3 có thể trở thành chất ức chế Nhiều nghiên cứu cho thấy nồng độ NH3 trên 150 mg/L là độc hại đối với vi sinh vật sinh methan, trong khi đó, giới hạn an toàn của NH4+ khoảng 3000 ppm [3,15]

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

bể xử lý kỵ khí Sulfur được sinh ra do quá trình khử sinh học sulfate và các hợp chất có chứa sulfur và quá trình phân hủy các hợp chất giàu protein [3,15] Quá trình lên men kỵ khí bị ức chế ở nồng độ sulfur  200 ppm [3,15]

+ 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 acid và thiếu oxy, VFA và glucose là những cơ chất cho vi khuẩn khử sulfate chuyển hóa để tạo ra sulfie theo phản ứng:

CH3COOH + 2H+ + SO42- → H2S + 2H2O + 2CO2 Như vậy, lượng VFA càng lớn thì H2S tạo ra càng nhiều, pH càng giảm sâu thì

hệ vi sinh vật sinh methan hoạt động càng kém đi

- Nhiệt độ: Vi khuẩn sinh methan chịu ảnh hưởng rất mạnh của nhiệt độ môi

trường Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30 -40˚

C Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi nhiệt độ đột ngột làm cho quá trình sinh methan yếu

đi Nhiệt độ môi trường phân hủy xuống dưới 10˚ C thì quá trình phân hủy gần như ngừng lại Vì vậy, ở những vùng lạnh, cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ ấm cho thiết bị Xây công trình hầm dưới đất là biện pháp tốt nhất để giữ ổn định nhiệt độ cho môi trường phân hủy Đôi khi, ở những quá trình lên men nhanh, người ta phải gia nhiệt cho dịch lên men để giảm thời gian lưu trong các thiết bị lên men

- Ảnh hưởng của thời gian lưu:

+ Trong thực tế, quá trình phân hủy của nguyên liệu trong điều kiện nhiệt độ khí quyển xảy ra với tốc độ chậm vì điều kiện nhiệt độ không thuận lợi: thấp hơn nhiệt độ tối ưu (37˚C) Đối với phân động vật, thời gian phân hủy hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian kéo dài tới hàng năm Tuy nhiên, tốc độ sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau, tốc độ sinh khí càng giảm Quá trình phân hủy của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định

+ Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong bể phân hủy của thiết bị khí sinh học Chính trong thời gian này, nguyên liệu bị phân hủy kỵ khí và sinh khí methan Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày Khi một lượng nguyên liệu mới nạp vào, nó sẽ chiếm chỗ của nguyên liệu cũ và đẩy dần nguyên liệu cũ về phía lối ra Thời gian lưu chính bằng thời gian nguyên liệu chảy qua thiết bị từ lối vào cho tới lối ra Thời gian này được tính bằng tỷ số giữa thể tích phân hủy và thể tích nguyên liệu nạp bổ sung hàng ngày Thời gian lưu thích hợp nhất là thời gian sao cho tốc độ sinh khí là mạnh nhất Thời gian lưu được chọn căn

cứ vào thời tiết của địa phương và loại nguyên liệu nạp

- Độ ẩm: đạt 91,5 – 96,0 % thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methan phát triển,

độ ẩm lớn hơn 96 % thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lượng khí sinh ra thấp

- Hầm ủ: khả năng sinh khí từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: + Thể tích của hầm ủ biogas

+ Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm

+ Thời gian lưu lại của dịch thủy phân

+ Tỉ lệ phần nước trong dịch thủy phân - quá loãng thì lượng thủy phân không

đủ để phân hủy, ngược lại, quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trình thoát khí

1.3 Công nghệ phân hủy 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 công nghiệp đã bắt đầu được áp dụng rải rác ở một số nơi Các lĩnh vực

áp dụng bao gồm: xử lý chất thải chăn nuôi, xử lý chất thải công nghiệp, xử lý rác thải đô thị [3,20,22] Tuy nhiên, các công trình xử lý cũng chỉ chủ yếu dừng lại ở khâu giải quyết xử lý nước thải chứ chưa thể xử lý chất thải rắn, ngoài ra, khí sinh học chưa được tận dụng triệt để, chưa 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 methan, cũng như độ tinh sạch, dẫn đến việc năng lượng sinh ra khí 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 rắn sinh biogas là điều quan trọng, nhằm xử lý

triệt để nguồn thải, đồng thời, tạo ra khí biogas có chất lượng cao, đáp ứng được

yêu cầu sản xuất, cũng như sinh hoạt

Các phương pháp tiến hành phân hủy kỵ khí

Trên thế giới, hiện nay, công nghệ lên men kỵ khí được tiến hành theo nhiều

phương pháp và nhiều mô hình, có thể phân loại như sau:

- Theo giai đoạn: hệ thống lên men kỵ khí 1 giai đoạn, kỵ khí 2 giai đoạn, 3

giai đoạn, 4 giai đoạn

- Theo tải trọng nguyên liệu nạp: Lên men ướt (nguồn nguyên liệu có độ ẩm

dưới 75 %); lên men khô (nguồn nguyên liệu có độ ẩm trên 75 %)

- Theo phương pháp tiến hành: bể dạng khuấy liên tục CSTR một giai đoạn và

hai hoặc nhiều giai đoạn, bể dạng ống dòng PER, bể UASB, bể tự hoại [2,7,16]

Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Công nghệ được áp dụng từ

đầu thế kỉ 20 Nguyên lí vận hành của bể UASB là dòng nước thải được đưa vào từ đáy bể thông qua một lớp bùn có hoạt tính phân hủy cao Nước thải qua xử lí được lắng trong ở phần trên của bể và được đưa ra ngoài Bể UASB hoạt động với nước thải có hàm lượng hữu cơ ở mức < 5000 mg/L với thời gian lưu của nước thải trong

bể từ 12 – 16 giờ, cho phép loại tới trên 90 % COD, thậm chí, ngay ở điều kiện nhiệt dộ thấp khoảng 10o C Hiện nay, trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, công nghệ UASB được ứng dụng nhiều trong xử lí nước thải tập trung tại các khu công nghiệp, các nhà máy chế biến thực phẩm và đồ uống, nước thải sinh hoạt

ở các khu dân cư (Hình 3) Bể UASB 2 đặc điểm chính sau:

- Cả 3 quá trình, phân huỷ – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một công trình;

- Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt

xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng

Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:

- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;

- Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn;

- Bùn sinh ra dễ tách nước;

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng;

- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methan;

- Có khả năng hoạt động theo mùa, vì kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu

Bể tự hoại (Septic tank): là công trình loại nhỏ, dùng trong phạm vi gia đình

để xử lí nước thải từ nhà vệ sinh bằng quá trình phân hủy kỵ khí Bể tự hoại được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi bởi có nhiều ưu điểm như hiệu suất xử lý ổn định, kể cả khi dòng nước thải đầu vào có dao động lớn, chiếm ít diện tích, giá thành rẻ và việc xây dựng, quản lý đơn giản, nên dễ được chấp nhận (Hình 4) Trong bể tự hoại, diễn

ra quá trình lắng cặn và lên men, phân huỷ sinh học kỵ khí cặn lắng Các chất hữu

cơ trong nước thải và bùn cặn đã lắng, chủ yếu là các hydrocarbon, đạm, chất béo,

được phân hủy bởi các vi khuẩn kỵ khí và các loại nấm men Nhờ vậy, cặn lên men bớt mùi hôi, giảm thể tích Chất không tan chuyển thành chất tan và chất khí (chủ yếu là CH4, CO2, H2S, NH3, ) Bể tự hoại được thiết kế và xây dựng đúng cho phép đạt hiệu suất lắng cặn trung bình 50 – 70 % theo cặn lơ lửng (TSS) và 25 – 45 % theo chất hữu cơ (BOD và COD) Các mầm bệnh có trong dịch thủy phân cũng được loại bỏ một phần trong bể tự hoại, chủ yếu nhờ cơ chế hấp phụ lên cặn và lắng xuống, hoặc chết đi do thời gian lưu bùn và nước trong bể lớn, hoặc môi trường sống không thích hợp Bể tự hoại ở hầu hết các nước đều tiếp nhận và xử lý cả hai loại nước thải trong hộ gia đình, nước đen và nước xám Nước thải sau bể tự hoại được dẫn tới các công trình xử lý tại chỗ (bãi lọc ngầm, bể sinh học hiếu khí, ) hay tập trung theo cụm

Hệ thống lên men kỵ khí đơn: gồm có một bể phản ứng được lắp thiết bị

khuấy, gia nhiệt, của nạp liệu, xả bùn, xả nước và bộ phân gom khí (Hình 5) Quá trình phân hủy bùn và lắng cùng đồng thời xảy ra trong bể phản ứng, do vậy, trong

bể bùn 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 2 giai đoạn: 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 methan, lắng và xả bùn sau khi xử lý (Hình 6) Mặc

dù hiệu suất sinh methan (tính theo đơn vị COD) của hai hệ xử lý tương đương nhau, nhưng hệ xử lý hai giai đoạn cho phép vận hành với chế độ nạp liệu cao hơn,

và thời gian lưu bùn ngắn hơn so với hệ xử lý 1 giai đoạn, đồng thời, có tính ổn định cao nhờ hai quá trình sinh acid và sinh methan được cách ly và giảm ảnh hưởng của các yếu tố độc hại như NH3, H2S… tới nhóm vi sinh vật sinh methan Trong khuôn khổ đề tài này, luận văn tiến hành phương pháp lên men kỵ khí 2 giai đoạn bởi những ưu điểm sau:

- Hệ thống ổn định

- Có thể tối ưu hóa theo từng giai đoạn

- Sử dụng thời gian lưu và thể tích hiệu quả

- Diệt vi khuẩn tốt

1.4 Tình hình phát triển công nghệ biogas

1.4.1 Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới

Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí để tận thu năng lượng sinh học dưới dạng khí sinh học (biogas) đã được biết đến từ giữa thế

kỷ 19 và được nghiên cứu rộng từ những năm đầu thế kỷ 20 Nhờ tính ưu việt trong việc xử lý chất thải rắn và lỏng, đồng thời tạo nguồn năng lượng xanh là khí methan, công nghệ khí sinh học hiện đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới Theo phương pháp truyền thống, công nghệ này được triển khai ở quy 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 phát triển ở châu Á, châu Phi như Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam… Ở các nước phát triển, biogas được sản xuất ở quy mô công nghiệp trong các bể phản ứng vận hành ở nhiệt độ cao (50 - 55o C), nhiệt độ ấm (30 - 40o C)

và có thể sử dụng các nguồn chất thải phong phú, bao gồm rác thải sinh hoạt, bùn thải, chất lỏng từ các nhà máy chế biến thực phẩm hay giết mổ

1.4.2 Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam

Việt Nam là nước có tỷ trọng nông nghiệp cao trong nền kinh tế, do đó, hàng năm có một lượng khổng lồ phụ phẩm và chất thải nông nghiệp có thể sử dụng làm nguyên liệu dồi dào để sản xuất biogas Rác thải từ quá trình trồng trọt, chăn nuôi của các hộ gia đình tuy phân tán nhưng khá phong phú Do đó, áp dụng công nghệ sản xuất khí biogas quy mô nhỏ cho mỗi hộ gia đình là một giải pháp phù hợp để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt như thắp sáng, nấu ăn… góp phần giảm bớt quá tải cho các ngành sản xuất năng lượng (điện, xăng dầu), đồng thời, giảm bớt ảnh hưởng tới môi trường từ quá trình phân hủy các chất thải đó

Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hiện nay, hầu hết các hầm biogas nhỏ, quy mô hộ gia đình được tài trợ bởi các tổ chức phi chính phủ Đối với quy mô sản xuất lớn hơn, các nhà tài trợ như ngân hàng phát triển châu Á (ADB), Ngân hàng Thế giới, Danida… đang bắt đầu cấp vốn Ngân hàng Thế giới bắt đầu xem xét cấp vốn thử nghiệm cho 8 cơ sở sản xuất biogas cho các trang trại lớn tại 8 tỉnh Hiện nay, có khoảng 17.000 trang trại lợn (với hơn 500 con lợn mỗi trang trại),

và dưới 0,3 % trong số đó có hầm ủ biogas Để việc thi hành vệ sinh môi trường nghiệm ngặt hơn, nhiều trang trại trong số này cần đến các hầm phân hủy tại chỗ

trong tương lai [7] Ở quy mô hộ gia đinh, hiện nay có khoảng 500.000 hầm phân hủy biogas Tuy nhiên, hầu hết các hầm ủ này đều có quy mô nhỏ (dưới 10 m3) được xây dựng bởi các hộ gia đình Riêng chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam, do chính phủ Hà Lan tài trợ, tính đến năm 2011 đã xây dựng được 15678 hầm quy mô nhỏ [13]

Một vài địa phương đã có các doanh nghiệp chuyên cung cấp các dịch vụ xây hầm biogas và các thiết bị liên quan như các máy phát, bộ lọc, hóa chất… Một trong những công ty lớn có thể kể đến như: Hùng Vương, Nông Thôn Việt, Hưng Việt Composite, Cẩm Tuấn Phát Composite, Môi Trường Xanh, Anh Thái và Minh Tuấn Hầu như không có công ty nước ngoài nào hoạt động tại các thị trường địa phương Một số công ty nước ngoài từ Đức, Nhật và Mỹ… chỉ cung cấp máy phát, bộ lọc, hóa chất…

Chính phủ Việt Nam đang khuyến khích các công ty tư nhân Việt Nam và các công ty nước ngoài đầu tư vào năng lượng tái tạo, bao gồm: khí sinh học và năng lượng sinh khối Chính phủ có chiến lược để gia tăng sự đóng góp từ năng lượng tái tạo cho phát điện (từ 3,5 % năm 2010 tới 4,5 % vào năm 2020 và tới 6,0 % vào năm 2030) cũng như gia tăng tái chế chất thải Trong năm 2011, Chính phủ thiết lập các mục tiêu 85 % rác thải sinh hoạt đô thị phải được thu gom, trong đó, 60 % sẽ được tái chế; 40 % rác thải sinh hoạt nông thôn phải được thu gom với 50 % được tái chế trong giai đoạn 2011 - 2015 và 95 % rác thải đô thị được thu gom, trong đó, 85 % sẽ được tái chế và 70 % rác thải sinh hoạt nông thôn cũng được thu gom Trong giai đoạn 2016 - 2020, biogas sẽ là một nguồn năng lượng đáng kể để thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệt

1.5 Sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa

1.5.1 Nguồn phụ phẩm dứa trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới: hiện nay, cây dứa được trồng ở hầu hết các nước nhiệt đới

Gần đây, Thái Lan là nước sản xuất dứa tươi lớn nhất, sau đó là Philippines và Brazil Trong năm 2014, có 9,5 triệu tấn dứa đã được sản xuất trên toàn thế giới Hàng ngày, vỏ dứa từ các ngành công nghiệp đóng hộp trái cây tạo ra với số lượng lớn, chiếm khoảng 35 % -70 % nguyên liệu hoặc khoảng 10 tấn đối với một quy mô công nghiệp trung bình [17,18]

Ở Việt Nam: hàng năm, phụ phẩm dứa, bã dứa thải ra từ các nhà máy chế

biến một khối lượng đáng kể Theo tổng cục thống kê, sản lượng dứa năm 2015 đạt 598,3 nghìn tấn Quả dứa đưa vào chế biến có 25 % là chính phẩm đóng hộp, còn lại 75 % là phụ phẩm, tức là cứ một tấn dứa đưa vào chế biến sẽ có 0,75 tấn phụ phẩm Phụ phẩm dứa ở nước ta từ trước đến nay chưa được sử dụng rộng rãi và triệt

để Ở các nhà máy hoa quả phần lớn chúng được đưa ra bãi rác hoặc đổ bỏ ngay tại nơi sản xuất gây ô nhiễm môi trường [11]

Nhận xét: Diện tích trồng dứa nước ta không ngừng tăng lên qua các năm Điều đó có nghĩa, hàng năm, nguồn phụ phẩm từ dứa thải ra cũng tăng lên, đặt ra nhu cầu cấp thiết phải có biện pháp xử lý chúng hiệu quả

1.5.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa

Trên thế giới: việc sử dụng các nguồn phụ phẩm dứa đã được nghiên cứu và

ứng dụng với các mục đích khác nhau như sản xuất enzyme bromalin, sản xuất etanol, sản xuất acid hữu cơ (acid citric, acid acetic, acid lactic…), sản xuất chất chống oxy hóa phenol… nhưng việc sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa bằng công nghệ lên men kỵ khí vẫn là một hướng đi mới đang được quan tâm nghiên cứu Năm 2012, nhóm nghiên cứu đại học Chulalongkorn, Bangkok, Thailand đã nghiên cứu thử nghiệm sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa quy mô phòng thí nghiệm, thực hiện trong bình bioreactors 6 Lít ở nhiệt độ 30o C [17] Đồng thời, nghiên cứu cũng đưa ra điều kiện thích hợp pH = 7 và tỷ lệ C/N là 20 Để tăng năng suất sinh khí biogas từ vỏ và lõi dứa, Gopinathan và các cộng sự đã có công trình nghiên cứu bổ sung thành phần dinh dưỡng nitơ bằng ure, khi bổ sung 2 % ure đã làm tăng năng suất sinh khí biogas đến 19 % [19], nghiên cứu cũng cho thấy từ phụ phẩm dứa có thể tạo khí biogas chưa hàm lượng methan 48 % Để tăng năng suất sinh khí biogas

từ phụ phẩm dưa, năm 2015 Khamdan và cộng sự đã có công trình nghiên cứu tiền

xử lý bằng vi sóng, với nồng độ chất rắn 24g/L sử dụng lò vi sóng công suất 800W trong 5 phút, năng suất sinh biogas đã đạt 649 mL biogas/gVS (45% CH4) [22] Năm 2016, Das và cộng sự [18] cũng đã nghiên cứu xử lý phụ phẩm dứa sinh biogas bằng công nghệ phân hủy kỵ khí phối hợp phụ phẩm dứa với phân bò

Ở Việt Nam: Dứa là một trong những cây công nghiệp phát triển mạnh và là

đặc sản của nước ta Các sản phẩm chế biến từ dứa Việt Nam đã và đang xuất khẩu

sang nhiều nước trên thế giới Sản lượng dứa xuất khẩu không ngừng gia tăng, đồng nghĩa với lượng phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến là rất lớn vì có đến 70 –

75 % khối lượng dứa là phụ phẩm Nhưng, giá trị sử dụng của nó lại rất ít, chỉ có một lượng nhỏ được dùng để chế biến thức ăn cho gia súc, còn lại đổ bỏ, gây lãng phí, tốn diện tích đất làm bãi chứa, đồng thời, gây ô nhiễm môi trường Phụ phẩm từ dứa qua quá trình phân hủy tự nhiên tạo ra mùn và gây mùi hôi thối, mùn này lại rất khó sử dụng làm phân bón vì hàm lượng acid cao gây chai đất và có hại cho cây trồng [10,9] Phụ phẩm từ dứa có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí sinh biogas [11,5] Tại Việt Nam, ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí để xử lý chất thải hữu cơ rắn, cũng như phụ phẩm nông nghiệp vẫn còn khá mới Gần đây, TS Nguyễn Thúy Nga, Viện kỹ thuật năng lượng, Viện hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã triển khai đề tài nhánh: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học xử lý phế thải chế biến và phụ phẩm rau quả nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo khí sinh học" trong giai đoạn 2012 - 2014 Kết quả

của đề tài đã minh chứng khả năng sử dụng công nghệ phân hủy kỵ khí để xử lý nguồn phế thải chế biến và phụ phẩm rau quả sinh khí biogas Tuy nhiên, cho đến nay chưa có công trình nào công bố về sử dụng công nghệ này để sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa

Tiền xử lý phụ phẩm dứa là giai đoạn quan trọng quyết định lớn đến hiệu quả của quá trình xử lý bằng phân hủy kỵ khí Trong đó, quá trình thủy phân thường xảy

ra chậm do sự có mặt một lượng lớn thành phần lignocelluloses trong nguyên liệu [12-14] Vì thế, nghiên cứu tăng cường hiệu quả quá trình tiền xử lý phụ phẩm dứa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng khí biogas là rất quan trọng Bên cạnh đó, phụ phẩm dứa với pH rất thấp là một trở ngại rất lớn đến việc ứng dụng công nghệ này, do môi trường thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí sinh methan thường trong khoảng 6,8-7,4 Hiện nay, đã có một số giải pháp cho vấn đề này như phối trộn phụ phẩm dứa với nguồn chất thải chăn nuôi như phân bò, phân lợn, phân gà nhằm tăng pH và bổ sung nguồn nitơ thiếu hụt của nguyên liệu Tuy nhiên, đối với các công ty sản xuất thực phẩm chế biến từ dứa thì giải pháp này không phù hợp do không đảm bảo vệ sinh an toàn cho thực phẩm và quá trình chế biến Chính vì vậy,

chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu xử lý theo công nghệ hai giai đoạn: giai đoạn 1 – tiền xử lý hay lỏng hóa nguyên liệu bằng phương pháp kết hợp cơ học, hóa học và

sinh học; giai đoạn 2-phân hủy kỵ khí sinh biogas Cho đến nay, công nghệ xử lý

phụ phẩm dứa bằng quá trình phân hủy kỵ khí sinh biogas hai giai đoạn vẫn còn mới và chưa phổ biến, nhưng cho thấy tiềm năng khá lớn nếu tận dụng được nguồn

nguyên liệu phụ phẩm chế biến rẻ tiền và dồi dào ở Việt Nam Mục tiêu của Luận văn là xác định được các điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí vỏ và lõi dứa sinh biogas hiệu quả

1.5.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men kỵ khí phụ phẩm dứa

1.5.3.1 Yếu tố thuận lợi

Phụ phẩm dứa có nhiều thành phần dinh dưỡng có lợi cho quá trình lên men

kỵ khí như hàm lượng đường, carbohydat cao Chất béo, protein có trong phụ phẩm dứa đều là những chất hữu cơ cần thiết cho quá trình phân hủy để lên men

Trong phụ phẩm dứa còn có nhiều loại vitamin như B1, B2, B3, B5, B6, B9; các chất khoáng như canxi, sắt, magie, phospho, kali, kẽm đều là các chất thiết yếu cho hoạt động của vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men kỵ khí

1.5.3.2 Yếu tố bất lợi

Phụ phẩm dứa cũng có một số yếu tố chưa thực sự thuận lợi cho quá trình lên men kỵ khí như pH thấp, độ ẩm cao Đặc biệt, phụ phẩm dứa còn chứa thành phần lignocellulose khó phân hủy Lignocellulose có hàm lượng cao nên gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí

Để có được đánh giá rõ ràng về sự hạn chế của lignocellulose trong nguyên liệu, phân tích cấu trúc mỗi thành phần chính của lignocellulose được thực hiện [18,21]

Lignocellulose có cấu trúc vững chắc, dày đặc, rất khó để phân cắt Về mặt

hóa học, lignocellulose gồm hai polyme mạch thẳng cellulose, hemicellulose và một polyme có cấu trúc ba chiều lignin Cellulose được bao quanh bởi phân tử hemicellulose và lignin (Hình 7)

Hình 7: Cấu trúc của lignocellulose [Internet]

Cellulose là polysaccharide chủ yếu của thành tế bào thực vật Chúng là một

homopolyme mạch thẳng, được cấu tạo bởi các b-D-glucose-pyranose Các thành phần này liên kết với nhau bởi liên kết b-1,4 glucoside Cellulose chứa các glucose không phân nhánh Các gốc glucose trong cellulose thường lệch một góc 180o và có dạng như một chiếc ghế bành Cellulose thường chứa 10.000 - 14.000 gốc đường và được cấu tạo như sau (Hình 8)

Hình 8: Cấu tạo phân tử cellulose [Internet]

Các phân tử cellulose kết hợp với nhau nhờ lực hút Vander Waals và liên kết hydro Các phân tử cellulose tạo nên sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3 nm Các sợi sơ cấp kết hợp với nhau tạo thành vi sợi Trong điều kiện tự nhiên, các vi sợi thường không đồng nhất, chúng thường tồn tại 2 vùng: Vùng kết tinh: các mạch cellulose kết với nhau theo một trật tự đều đặn nhờ liên kết hydro nối nhóm hydroxyl thứ nhất của mạch này với nhóm hydroxyl ở mạch carbon của mạch khác

Ở vùng này, cellulose rất bền vững dưới tác động của điều kiện bên ngoài Enzym cellulase chỉ có tác dụng ở bề mặt hệ sợi ở vùng này Vùng vô định hình: các mạch liên kết với nhau nhờ lực Vander Waals Ở vùng này cellulose có cấu trúc không

chặt và dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài Khi gặp nước, chúng dễ bị trương phồng lên, enzym cellulase rất dễ tác động, làm thay đổi toàn bộ cấu trúc của chúng

Hemicellulose là polysaccharide có phân tử lượng nhỏ hơn phân tử lượng của

cellulose rất nhiều Chúng thường được cấu tạo từ 150 gốc đường Các gốc đường này được nối với nhau bằng các liên kết b-1,4; b-1,3; b-1,6 glucoside Chúng thường là những mạch ngắn, phân nhánh Cấu trúc của hemicellulose không bền, chúng không hòa tan trong nước, nhưng dễ dàng bị phân giải bởi acid loãng hoặc kiềm

Lignin là phức hợp polyme, rất khó bị phân giải Lignin là chất kết dính tự

nhiên giữa các tế bào, và cùng với hemicelluloses tạo thành lớp màng bảo vệ cellulose Một trong những tính chất hóa học của lignin là chúng không tan trong nước, trong acid vô cơ, nhưng trong môi trường kiềm, chúng bị phân giải một phần

và chuyển sang dạng hòa tan

Nhận xét: Việc tìm ra phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả sinh methan của quá trình lên men kỵ khí là rất quan trọng

1.5.4 Các phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa cho quá trình phân hủy kỵ khí

1.5.4.1 Các phương pháp vật lý

 Phương pháp cơ học

Phụ phẩm dứa có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy Để cho quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra được thuận lợi, nguyên liệu cần được xử lí trước bằng phương pháp cơ học như (chặt, băm nhỏ, đập dập) để phá vỡ lớp vỏ cứng, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc

 Phương pháp tách nổ bằng hơi nước

Quá trình tiền xử lý bằng phương pháp tách nổ bằng hơi nước nóng (180 - 240° C) tách các sợi cellulose, và làm cho các polyme sinh học dễ tiếp cận hơn cho quá trình tiếp theo như quá trình lên men hoặc thủy phân Phương pháp tách nổ bằng hơi nước đã được chứng minh là một công nghệ có giá trị và quan trọng để tách các sợi sinh khối, cải thiện sự hình thành của các loại đường và các hợp chất hữu ích khác từ sinh khối Nó cũng được thảo luận như là quá trình tiền xử lý để sản xuất nhiên liệu sinh học vững chắc, tăng giá trị năng lượng

 Xử lí bằng các tia phóng xạ

Chiếu các tia phóng xạ như tia gamma, tia điện tử có thể cải thiện quá trình thủy phân enzym của lignocelluloses Phương pháp này tăng cường khả năng phân hủy enzym cellulose thành glucose Sự kết hợp của các bức xạ và các phương pháp khác như thủy phân bằng acid có thể đẩy mạnh các enzym thủy phân Tuy nhiên, các phương pháp chiếu xạ là tốn kém và khó khăn trong ứng dụng công nghiệp

1.5.4.2 Phương pháp hóa học

Thủy phân hóa học là một phương pháp tiền xử lý quan trọng cho việc thu hồi các phân tử đường từ cellulose và hemicellulose polyme từ lignocelluloza bằng cách tối ưu hóa chất thử Phương pháp hóa học phổ biến nhất được sử dụng đó là phương pháp thủy phân sử dụng acid và phương pháp thủy phân sử dụng kiềm [22]

 Thủy phân sử dụng acid

Hóa chất thường dùng là acid chlohidric đậm đặc (HCl) hoặc acid sulfuric (H2SO4) Toàn bộ quá trình tiền xử lý có thể được hoạt động ở nhiệt độ rất thấp so với nhiệt độ pha loãng acid trước tiền xử lý Mặt khác, một trong những nhược điểm của quá trình này là với những quy trình yêu cầu ở nồng độ cao hơn (30 – 70

%) sẽ gây ra các phản ứng ăn mòn Trong trường hợp này, toàn bộ quá trình sẽ tốn kém hơn do phải sử dụng phi kim loại hoặc vật liệu không ăn mòn Việc pha loãng acid trước khi thủy phân là mối nguy hiểm cho môi trường và đối với quy mô công nghiệp, quá trình thủy phân bằng acid đậm đặc, chi phí vận hành cao làm giảm lãi suất Tuy nhiên, pha loãng acid tiền xử lý có một số lợi thế hơn, đó là giải quyết các vấn đề như thu hồi acid, độc tính acid và bảo vệ các vật liệu chống ăn mòn

 Thủy phân sử dụng kiềm

Tiền xử lý kiềm là một trong những công nghệ tiền xử lý hóa học đã được nghiên cứu chuyên sâu Nó sử dụng các thuốc thử kiềm khác nhau bao gồm natri hydroxyt (NaOH), canxi hydroxyt (Ca(OH)2), kali hydroxyt (KOH), dung dịch nước amoniac, ammonia hydroxyt (NH4OH), và sodium hydroxyde kết hợp với hydrogen peroxyde (H2O2) Kiềm được cho là tách mối liên kết có thể thủy phân trong lignin và glycosizit của polysaccharides, gây giảm mức độ trùng hợp và độ kết tinh, sưng sợi, cũng như sự phá vỡ các cấu trúc lignin Tính hiệu quả của tiền xử

lý kiềm phụ thuộc vào thành phần cấu trúc hóa học và vật lý của các chất nền, cũng

như các điều kiện phản ứng Nói chung, kiềm tiền xử lý có hiệu quả hơn trên cây phong, cây thân thảo, và chất thải nông nghiệp

1.5.4.3 Các phương pháp sinh học

Thủy phân cellulose bởi enzyme từ vi sinh vật là buớc quan trọng trong chu trình carbon Hệ thống enzyme cellulase bao gồm ba lớp enzyme là: 1,4-ß-endoglucanase, 1,4-ß-exoglucanase, và ß-glucosidase (ß-D-glucoside, glucohydrolase hay cellobiase) Ðã có nhiều nghiên cứu đuợc tiến hành để phân lập dòng vi sinh vật sản sinh enzyme phân giải cellulose và khả năng phân giải cellulose của chúng Các nguồn vi khuẩn này thường được phân lập từ dạ dày của động vật ăn cỏ như bò, cừu, dê và côn trùng như bọ cánh cứng, mối Các nhóm vi sinh vật phân giải cellulose gồm các vi khuẩn hiếu khí hay kỵ khí, xạ khuẩn và nấm Mặc dù lượng cellulose là rất lớn, nhưng chỉ một phần trăm rất nhỏ vi sinh vật có khả năng phân giải, có lẽ vì sự bền vững của thành tế bào Tại thời điểm này, sinh thái học của vi sinh vật phân giải cellulose vẫn chưa được hiểu rõ mặc dù đã có những thông tin về hệ vi sinh trong dạ cỏ của bò có thể giải quyết vấn đề này

Tiền xử lí bằng phương pháp sinh học nhiều lợi ích hơn so với tiền xử lí bằng các phương pháp hóa học hoặc vật lí do có hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường và an toàn cho sức khỏe vì không sử dụng hóa chất Vi sinh vật cũng có thể được sử dụng để xử lý các lignocelluloses và tăng cường quá trình thủy phân enzym Các vi sinh vật được ứng dụng thường phân huỷ lignin và hemicellulose nhưng lại khó phân hủy cellulose Một số loại nấm, ví dụ nấm nâu, nấm trắng đã được sử dụng cho mục đích này Phương pháp xử lí sinh học sử dụng các nguồn vi sinh vật hoặc các enzym cũng đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu để cải thiện quá trình thủy phân tạo thành khí sinh học từ rác thải hữu cơ Tuy nhiên, tiền xử lý bằng phương pháp sinh học là một quá trình diễn ra rất chậm, mà cũng đòi hỏi các điều kiện tiền xử lý phải được kiểm soát chặt chẽ

Phân giải cellulose là quá trình sinh học được tạo ra và kiểm soát bởi các enzyme cellulase Cellulase là enzyme đa dạng nhất với chức năng xúc tác cho một phản ứng, nó đóng vai trò trong phản ứng thủy phân cầu nối ß-1, 4 giữa hai phân tử glucose cấu tạo nên cellulose Hệ thống enzyme cellulase bao gồm ba lớp enzyme ngoại bào có thể hòa tan là: 1, 4-ß-endoglucanase, 1, 4-ß-exoglucanase, và ß-

glucosidase (ß-D-glucoside, glucohydrolase hoặc cellobiase) Endoglucanase chịu trách nhiệm trong sự phân cắt ngẫu nhiên liên kết ß-1, 4-glycosidic dọc theo chuỗi cellulose Exoglucanase thì cần thiết cho sự phân cắt đoạn cuối chuỗi không biến đổi và phân tách các sợi cơ bản của tinh thể cellulose, và ß-1, 4-glucosidase thủy phân cellubiose và cellodextrin hòa tan thành glucose [3,4] Cellulose trải qua các phản ứng thủy phân phức tạp được xúc tác bởi phức hệ enzym đã nói ở trên, sản phẩm cuối cùng là glucose, cơ chế tổng quát của phản ứng đuợc trình bày ở Hình 9

Hình 9 Cơ chế tổng quát được đề xuất trong phản ứng thủy phân cellulose bằng

enzym cellulase

Nhận xét:

Lựa chọn phương pháp tiền xử lý nguồn phụ phẩm dứa vẫn đang là thách

thức của các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam nhằm chuyển hóa nguồn nguyên liệu dồi dào thành các sản phẩm hữu ích và năng lượng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khí phát thải hiệu ứng nhà kính Việc tìm ra các phương pháp xử lý phù hợp cho từng nguồn phụ phẩm dứa nhằm đạt hiệu quả tối

đa đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học Mỗi một phương pháp lại có những điểm ưu việt và hạn chế riêng Để có thể ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí xử lý phụ phẩm dứa thì việc xây dựng được quy trình tiền xử lý thích hợp hay còn gọi là giai đoạn lỏng hóa nguyên liệu là vô cùng quan trọng Trong Luận văn này, phương pháp xử lý kết hợp thủy phân bằng dung dịch kiềm KOH đồng thời với thủy phân bằng nguồn vi sinh vật từ dạ cỏ bò sẽ được lựa chọn

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Nguyên vật liệu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là phụ phẩm vỏ và lõi dứa sau quá trình chế biến của Công ty cổ phần thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình Mẫu phụ phẩm dứa được rửa sạch, nghiền nhỏ sử dụng ngay hoặc bảo quản trong tủ lạnh ở 4o C, tiến hành đo các chỉ tiêu: pH, độ ẩm, hàm lượng cellulose, tổng chất rắn (TS), thành phần chất hữu cơ dễ bay hơi (VS), tổng C, tổng N, hàm lượng protein, hàm lượng đường

Quy trình xác định các chỉ tiêu trên được đưa ra trong phụ lục 1

Mục đích: đánh giá tiềm năng sử dụng nguồn phụ phẩm vỏ và lõi dứa, để sản

xuất khí sinh học biogas

2.1.2 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng

- Phụ phẩm vỏ và lõi dứa của công ty cổ phần thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình

- Các nguồn vi sinh vật cho quá trình phân hủy kỵ khí được lấy tại bể biogas của nhà máy bia Việt Hà, nhà máy sữa Thanh Hóa và pilot sản xuất biogas tại Đại học Xây dựng Nguồn vi sinh vật được đựng trong lọ nắp kín, sử dụng ngay hoặc bảo quản trong tủ lạnh ở 4o C

- Nguồn vi sinh vật dạ cỏ được lấy tại lò mổ 75 Tam Chinh, Hà Nội Dạ cỏ lấy về được đựng trong lọ nắp kín, sử dụng ngay hoặc bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Dịch dạ cỏ thu được bằng cách trộn với nước theo tỷ lệ khối lượng dạ cỏ: thể tích nước = 1:1, sau đó lọc bỏ chất rắn

- Hóa chất sử dụng trong phân tích các chỉ tiêu hóa lý: Sử dụng phân tích các chỉ tiêu COD, VFA, acid tổng số NH4+, PO43- và phân tích các thành phần nguyên liệu được cung cấp bởi Merck, Sigma Các loại dung môi sử dụng là hàng Trung Quốc, được cất lại trước khi sử dụng

2.1.3 Trang thiết bị

- Máy đo pH (HI 2211 HANNA, Romania)

- Hệ thiết bị phá mẫu đo COD (ECO 08, Ý)

- Hệ thiết bị phá mẫu đo tổng N theo phương pháp Kjendahl

- Thiết bị đo quang:

- Hệ thiết bị điện di

- Kính hiển vi huỳnh quang (Zeiss, Đức)

- Thiết bị phân tích thành phần khí biogas (MCA100Bio, Anh)

- Máy sắc ký khí Scion 456 GC (detector FID/ECD), phân tích thành phần CH4

- Thiết bị điều nhiệt

- Thiết bị khuấy cơ học

- Máy nghiền đa năng

Và một số thiết bị cần thiết khác được sử dụng trong quá trình phân hủy kỵ khí như bình N2, ống nghiệm nút xoáy, bình serum, bình Duran, nút cao su các cỡ,

và ống cao su, silicon các cỡ

2.2 Phương pháp nghiên cứu

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

Phụ phẩm dứa được xay nhuyễn bằng máy nghiền đa năng đạt kích thước < 2mm, sau đó được tiến hành nghiên cứu tiền xử lý, thủy phân và lên men kỵ khí với các điều kiện thay đổi khác nhau

2.2.1.1 Giai đoạn 1: Tiền xử lý, thủy phân và acid hóa

Tiến hành nghiên cứu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa bằng dung dịch KOH, vi sinh vật dạ cỏ bò được tiến hành trong bình 1 lít như hình 10

Hình 10 Ảnh mẫu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa phụ phẩm dứa trong bình 1 lít

 Nghiên cứu tiền xử lý và thủy phân bằng dung dịch KOH

 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH

Chuẩn bị thí nghiệm: Nguyên liệu vỏ dứa, xay nhỏ tiến hành thủy phân trong

KOH tại các nồng độ 0,01 M; 0,02 M; 0,03 M; 0,04 M; 0,05 M Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu: thể tích KOH = 1:2 (w/v), thực hiện trong 14 ngày

Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid

 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân

Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu vỏ dứa, xay nhỏ tiến hành thủy phân

trong KOH nồng độ thích hợp với vỏ dứa là KOH 0,02 M (đây là nồng độ xác định được từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH tới quá trình thủy phân)

Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu: thể tích KOH = 1:2 (w/v) Đo các thông số sau thời gian 1 tuần, 2 tuần, 3 tuần:

Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid

 Nghiên cứu tiền thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò

Chuẩn bị thí nghiệm:

Nguyên liệu sau quá trình thủy phân bằng kiềm được bổ sung vi sinh vật dạ

cỏ tỷ lệ khối lượng nguyên liệu: dịch vi sinh vật là 5:2 (w/v), điều chỉnh pH bằng Na2CO3 đến pH 5 - 6, bổ sung dinh dưỡng và ure sao cho C/N= 25, tiến hành đo các chỉ tiêu theo thời gian thủy phân

Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid, hàm lượng VFA trong dịch thủy phân

2.2.1.2 Giai đoạn 2: Phân hủy kỵ khí sinh methan

Mô hình phân hủy kỵ khí được thiết lập trong bình phản ứng là loại bình 1 lít, dung tích hoạt động 700 mL và hệ thống pilot 35 Lít có dung tích hoạt động 25 Lít

- Bình l Lít được đậy kín bằng nút cao su có van nói với bộ phân đo lượng khí sinh ra theo phương pháp cột nước và đường lấy mẫu bùn để phân tích ở đáy

Hệ thống được đặt ổn nhiệt trong khoảng 35-37o C Khí sinh ra từ mỗi bình được thu qua ống dẫn silicon, qua cột chứa dung dịch NaOH 2 M để loại bỏ CO2 Khí biogas sạch được đo bằng phương pháp cột nước như hình 11, theo đó, khí trong