I.Khái niệm khí Biogas và tổng quan về khí biogas: Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane CH4 và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ.. Biogas là khí sinh
Trang 1I.Khái niệm khí Biogas và tổng quan về khí biogas:
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ
sự phân huỷ các vật chất hữu cơ Methane cũng là một khí tạo ra hiệu ứng nhà kính gấp
21 lần hơn khí carbonic (CO2) Biogas là khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí (còn gọi là kỵ khí)
Thành phần chính của Biogas là CH4(50 -60%) và CO2 còn lại các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO… được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt
độ từ 20_400C
1.Bản chất của phương pháp
kỵ khí:
Là các chất thải được phân hủy
nhờ các vi sinh vật (VSV) trong điều
kiện hoàn toàn không có oxy Quá
trình này được phân chia làm 2 giai
đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ
cao phân tử được VSV chuyển
thành các các chất có trọng lượng
thấp hơn axit hữu cơ, đường,
glyxerin, (gọi chung là hydrat
cacbon)
Giai đoạn 2: là giai đoạn phát
triển mạnh các loài vi khuẩn metan
để chuyển hầu như toàn bộ các chất
hydrat cacbon thành CH4và CO2
Đầu tiên là sự tạo thành các
axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ
rệt (lên men axit) Các axit hữu cơ và
hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả
CH4 (bắt đầu lên men metan) Các VSV kỵ khí phát triển mạnh còn các VSV hiếu khí bị tiêu diệt Các vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành
CO2 và CH4 (giai đoạn lên men metan cò gọi là lên men kiềm)
2 Các vi sinh vật trong bể Biogas
Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tùy thuộc loại phân
sử dụng và điều kịên nhiệt độ Có 2 nhóm vi khuẩn tham gia trong bể biogas
như sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí metan
Trang 2Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:
Những vi khuẩn này đều có enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, có bào tử (spore) Theo A.R.Prevot, chúng có mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus Chúng biến dưỡng trong điều kiện yếm khí cho ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí metan
Nhóm vi khuẩn sinh khí metan:
Nhóm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch
và cộng tác viên ở USA (1997), được xếp hạng thành 3 bộ (Order), 4 họ (Family), 17 loài (Genus)
Mỗi loài vi khuẩn metan chỉ có thể sử dụng một số chất nhất định Do đó việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn metan Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để
Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển mạnh là phải có lượng CO2 đầy
đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon
Trong quá trình lên men kỵ khí các loài VSV gây bệnh bị tiêu diệt không phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đó
có mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng, Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100% (đối với Myobacterium ; thời gian lưu trong bể biogas từ 6-20 ngày)
3 Cơ chế của sự tạo thành khí metan
Cơ chế 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Các chất hữu cơ phân hủy thành các axit hữu cơ, CO2, H2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase:
CxHyOz → các axit hữu cơ, CO2, H2
Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO2, H2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
CO + 3H2 → CH4 + H2O
4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O
4CH3OH → 3CH4 + 2H2O + CO2
Trang 3CH3COOH → CH4 + H2O
Như vậy biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của enzym cellulosase và nhóm vi khuẩn metan, trong đó vai trò của enzym cellulosase là phân hủy các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn metan tác dụng với nhau tạo thành khí metan
có khả năng đốt cháy sinh năng lượng
II HỆ THỐNG LỌC BIOGAS
21 Thiết bị tách H 2 S
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phoi sắt để tách H2S [1], [3] Chất này được EPA (Cục bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận không gây ô
nhiễm nguồn nước ngầm và có thể thải trực tiếp ra các bãi rác [2]
Trước khi sử dụng, phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp
oxyt sắt trên bề mặt Quá trình này có thể thực hiện một cách tự
nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc
đốt để tăng tốc độ oxy hóa Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như
sau:
Fe + 1/2 O2 FeO
2Fe + 3/2O2 Fe2O3
3Fe + 2O2 Fe3O4
Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe2O3, Fe3O4
Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới
nước trên phoi sắt Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt
phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp
(hình 1)
Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S
được tách ra theo các phản ứng sau:
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O
Fe3O4 + 4H2S FeS+Fe2S3 + 4H2O
FeO + H2S FeS + H2O
Khả năng tách H2S của thiết bị giảm dần theo thời
gian Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày),
khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4% Sau 1 tháng sử
dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98% Khi hiệu
suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc
bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí Phản ứng tái sinh
diễn ra như sau:
Fe2S3 + O2 Fe2O3 + 3S
FeS + O2 FeO+ S
Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra
trong điều kiện nhiệt độ môi trường Để gia tốc quá trình tái
sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút
Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:
Fe2S3 + 9/2O2 Fe2O3 + 3SO2
Hình 2: Thiết bị tách H 2 S
Lối vào của biogaz
Lối ra của biogas
Lối vào của nước
Lối ra của nước
Đĩa đục lỗ Đệm
Ống 23
Ống
Thân
Ống
Ống
Hình 3: Tháp tách CO 2
Trang 4FeS + 3/2O2 FeO+ SO2
Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần
Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được
cho vào thiết bị lọc (hình 2) Với lưu lượng biogas là 0,86 m3/h, khối lượng phoi sắt sử
dụng là 8kg để lắp đầy một thiết bị bằng PVC có chiều cao 1,5m, đường kính ngoài
200mm Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là 0,3mbar
Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H2S cho nguồn khí biogas tại Trung
tâm bảo trợ xã hội, Đà Sơn, Hòa Khánh Nam, Đà Nẵng Kết quả phân tích khí trước và
sau khi đi qua lọc cho ở bảng 1 Chúng ta thấy hiệu suất lọc đạt khá cao (trên 99%)
2.2 Tháp tách CO 2
Việc tách CO2 ra khỏi biogas được thực hiện dựa vào tính
chất hấp thụ khí carbonic của nước Nguyên lý của phương pháp
này là cho khí tiếp xúc ngược chiều với nước trong đó, khí đi từ
dưới lên, còn nước chảy từ trên xuống Để tăng cường sự tiếp xúc
của khí và nước, nhóm đã sử dụng các vật liệu trơ như gỗ, đá, gạch
để làm đệm Để cố định lớp đệm trong bên trong tháp, nhóm đã sử
dụng một đĩa đục lỗ bằng mica, đặt ở phần dưới của tháp Với kích
thước tháp tách CO2 như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m3/h,
thành phần CO2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO2 ở đầu
ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO2 là
47,30% Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 là 5mbar
Bảng 1: Hiệu quả lọc H 2 S
Trước xử
Trước xử
Hàm lượng
III Thiết kế hầm Biogas:
1 Loại hầm sinh khí kiểu vòm cố định:
Hình 4: Toàn cảnh thiết bị lọc biogas tại Trung tâm bảo trợ xã hội Đà Sơn
Trang 52 Loại hầm sinh khí kiểu túi:
Trang 63 Loại hầm sinh khí có nắp đậy di động:
