ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG
TIỂU LUẬN
XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI
BẰNG CÔNG NGHỆ BIOGAS
GVHD: Trần Minh Chí
HỌC VIÊN: Đinh Công Hoàng
Đỗ Thị Bích Ngọc
Nguyễn Thị Thảo Nguyên
Nguyễn Thị Thiện Nhơn
- Tháng 12, 2013 -
MỤC LỤC
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua, nhiều mô hình chăn nuôi lợn và bò sữa được triển khai trên
địa bàn cả nước đã đem lại nguồn thu nhập cao, đóng góp vào sự phát triển kinh tế, cải
thiện đời sống cho nhân dân địa phương. Tuy nhiên, các mô hình chăn nuôi nhỏ lẻ trong
khu dân cư đã và đang để lại những hệ lụy nghiêm trọng, báo động về sự ô nhiễm môi
trường từ nguồn nước thải chăn nuôi.
Theo Cục chăn nuôi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), mỗi
năm, ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, với
phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý
xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Hiện cả nước có 8,5 triệu hộ chăn nuôi quy mô gia đình, 18.000 trang trại chăn nuôi
tập trung, nhưng mới chỉ có 8,7% số hộ xây dựng công trình khí sinh học (hầm Biogas).
Tỷ lệ hộ gia đình có chuồng trại chăn nuôi hợp vệ sinh cũng chỉ chiếm 10% và chỉ có
0,6% số hộ có cam kết bảo vệ môi trường. Vẫn còn khoảng 23% số hộ chăn nuôi không
xử lý chất thải bằng bất kỳ phương pháp nào mà xả thẳng ra môi trường bên ngoài…gây
sức ép đến môi trường.
Phương pháp thực hiện là phương pháp thu thập dữ liệu, tổng hợp tài liệu.
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công tác quản lý nhà nước đối với hoạt động chăn nuôi.
- Phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu,
đánh giá và xây dựng cơ sở dữ liệu đối với hoạt chăn nuôi bò và heo.
Trang 3
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIOGAS
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ Biogas
1.1.1. Thế giới
a. Các nguồn lịch sử của công nghệ khí sinh học
Các hệ thống nghiên cứu đầu tiên về sản xuất khí sinh học bắt đầu một nhà nhà khoa
học Ý tên là Allesandro Volta, là một trong những người tham gia vào các nghiên cứu
điện hiện nay, và tên đơn vị điện áp đo được gọi là “V”. Vào những năm 1770 Volta để ý
đến khí đầm lầy trong trầm tích của các hồ ở miềm Bắc Italy, sau đó ông bắt đầu tiến hành
thí nghiệm về sự cháy của khí này. Faraday, nhà vật lý người Anh đã thử nghiệm với khí
đầm lầy và xác định nó như là một Hydrocacbon. Chỉ trong năm 1821, nhà nghiên cứu
Avogadro đã thiết lập công thức hóa học của khí mêtan (CH
4
). Nhà vi khuẩn học nổi tiếng
của Pháp, Pasteur vào năm 1884 đã tiến hành thử nghiệm với phân rắn. Ông là người đầu
tiên đề xuất việc sử dụng các phân từ các chuồng nuôi gia súc ở Paris để sản xuất khí đốt
giúp chiếu sáng đường phố.
Cùng với sự phát triển của công nghệ, năm 1897 tại một bệnh viện cho bệnh nhân ở
Bombay, Ấn Độ được xây dựng nhà máy đầu tiên, khí đốt được sử dụng cho chiếu sáng
và năm 1907 đã được cung cấp các công cụ để sản xuất điện.
Tại Đức, một kỹ sư từ nhà máy xử nước thải, gọi là “Emshersky”. Hôm nay, mỗi
nhà máy xử lý giai đoạn kỵ khí là sản xuất khí thải từ đó được sử dụng để sưởi ấm các lò
nâng cao mức sống của nhân dân, các dạng năng lượng mới và tái tạo nói chung, trong đó
có khí sinh học nói riêng lại được chú ý tới.
Thiết bị sản xuất khí sinh học được lựa chọn để thử nghiệm ban đầu thuộc loại nắp
nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và có cổ bể có gioăng nước để gữi kín khí được
tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, những công trình này đã phải bỏ dở vì những lý do kỹ
thuật và quản lý. Tới cuối năm 1979, công trình khí sinh học ở nông trường Sao Đỏ (Mộc
Châu, Sơn La) có thể tích phân hủy là 27 m3 đã hoàn thành và hoạt động tốt. Kết quả này
Trang 5
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
là nguồn cổ vũ khích lệ lớn đối với cán bộ nghiên cứu, những nhà quản lý và nhân dân,
đặt cơ sở cho việc triển khai tiếp tục công nghệ khí sinh học sau này.
Thời kỳ 1981 – 1990
Trong hai kỳ kế hoạch 5 năm, từ 1981 – 1985 và 1985 – 1990 công nghệ khí sinh
học đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong Chương trình nghiên cứu cấp nhà
nước về Năng lượng mới (mã số 52C).
Đến năm 1990, nhiều tỉnh trong toàn quốc đã có những công trình khí sinh học được
xây dựng. Phát triển mạnh mẽ nhất là các tỉnh ở phía Nam vì có những điều kiện thuận lợi
về kinh tế - xã hội và khí hậu. Tính chung trong toàn quốc thời kỳ này có khoảng trên
2.000 công trình.
Thời kỳ 1991 tới nay
Sau khi kết thúc kế hoạch 1986 – 1990, chương trình 52C giải thể. Hoạt động
nghiên cứu và triển khai về năng lượng mới không được đưa vào chương trình Năng
lượng của nhà nước, việc phát triển năng lượng mới bị chững lại.
Từ năm 1993 tới nay, công nghệ khí sinh học được phát triển mạnh mẽ trong khuôn
khổ các dự án về vệ sinh môi trường, nông nghiệp và phát triển nông thôn với nhiều kiểu
thiết bị khí sinh học mới. thiết bị dạng túi dẻo PE theo mẫu của Côlômbia, được phát triển
nhờ dự án SAREC – S2 – VIE22 do Viện chăn nuôi Quốc gia, Hội làm vườn Trung ương
(VACVINA), cục khuyến nông và Khuyến Lâm và trường Đại học Nông Lâm thành phố
Hồ Chí Minh triển khai. Thiết bị nắp cố định có vòm bán cầu bằng compozit, phần đước
C.
Thành phần biogas bao gồm 50-70% CH
4
; 35-50%CO
2
, hàm lượng hơi nước khoảng
30-160 g/m
3
; hàm lượng H
2
S 4-6 g/m
3
. Giá trị năng lượng khoảng 5,96 kWh/m
3
và tỷ
trọng 0,94 kg/m
3
. Lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy của biogas khoảng 5,7
m
3
không khí/ m
3
biogas, với tốc độ cháy khoảng 40cm/s.
Quá trình phân hủy diễn ra càng lâu, nồng độ metan và giá trị năng lượng càng cao.
Khi thời gian lưu ngắn, hàm lượng metan sẽ giảm xuống 50%, khi đó biogas không còn
khả năng cháy nữa. Vì vậy, lượng Biogas sinh ra sau 4-5 ngày đầu tiên sẽ được xả bỏ.
Hàm lượng khí CH
4
trong biohas phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng thấp, hàm lượng
CH
không khí/ m
3
CH
4
, tức khoảng 5,75 m
3
không khí/ m
3
Biogas.
Khí sinh học có thể sử dụng cho các mục đích như: Đun nấu, thắp sáng rất thuận
tiện. Ngoài ra cũng có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng dầu chạy cho động cơ đốt
trong để phát điện, kéo các máy công tác ở những vùng thiếu nhiên liệu.
Khí sinh học được dùng để sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh hấp phụ
và hiệu quả khi phối hợp với hầm mát để bảo quan hoa quả tươi, ngâm hạt giống.
Bảng 1. Thành phần và một số tính chất cơ bản của Biogas
Trang 7
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thông số Đơn vị CH
4
CO
2
H
2
H
2
S
Hỗn Hợp Khí
Biogas ( 60%
CH
Số lượng chất thải trên một đầu động vật phụ thuộc vào khối lượng cơ thể và chế độ
dinh dưỡng. Bảng 1 cho ta thấy ước tính sản lượng chất thải
Bảng 2: Lượng chất thải hàng ngày của động vật và người
Các loại chất thải này được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên dễ phân
giải và nhanh chóng tại khí sinh học. Tuy vậy, thời gian phân giải của phân không dài
(khoảng 2-3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được cũng không lớn.
Chất thải gia súc như trâu, bò, lợn phân giải nhanh hơn chất thải gia cầm và chất thải
người, nhưng sản lượng khí của chất thải gia cầm và chất thải người lại cao hơn.
1.3.1.2. Nguồn gốc từ thực vật
Các nguyên liệu thực vật gồm lá cây và cây thân thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm,
rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…) rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi…) và các
loại cây xanh hoang dại (rông, bèo, các cây phân xanh…). Gỗ và thân cây già rất khó
phân giải nên không dùng làm nguyên liệu được
Nguyên liệu thực vật thương có lớp vỏ cứng rất khó bị phân giải. Để quá trình phân
giải kỵ khí diễn ra được thuận lợi, người ta thường phải xử lý sơ bộ (cắt nhỏ, đập dập, ủ
hiếu khí) trước khi nạp chúng vào thiết bị khí sinh học để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện
tích tiếp xúc cho vi khuẩn tấn công.
Trang 9
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so với chất thải động
vật. Do vậy nguyên liệu thực vật nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéo
dài từ 3 – 6 tháng.
1.3.1.3. Sản lượng khí thực tế của các loại nguyên liệu
Trong thực tế, sản lượng khí thu được khi lên men nguyên liệu trong các thiết bị khí
sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết vì chúng được phân giải trong một thời gian
nhất định và chưa phân giải hoàn toàn.
Bảng 3 cho chúng ta số liệu tham khảo đối với một số nguyên liệu thường gặp. Sản
lượng khí hàng ngày được tính theo lượng nguyên liệu nạp hàng ngày (lít/kg/ngày). Chất
thải động vật được nạp theo phương thức liên tục bổ sung hàng ngày. Thực vật được nạp
C quá trình sinh mê tan hầu như ngừng hẳn.
Trong quá trình phân hủy tạo biogas, nhiệt độ ảnh hưởng tới tốc độ của phản ứng
sinh học, độ hòa tan của các kim loại nặng (yếu tố gây độc), độ hòa tan của CO
2
và thành
phần biogas sinh ra. Khi nhiệt độ môi trường tăng, tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng theo
và do đó tốc độ sinh khí biogas sẽ cao.
Tốc độ sinh khí biogas sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10
0
C. Tuy nhiên, điều này
hầu như không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa
biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ba khoảng nhiệt độ mà vi
khuẩn hoạt động hiệu quả nhất là:
- T < 15
0
C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh;
- T = 15 - 45
0
C : Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình;
- T = 45 - 65
0
C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt;
Trong phản ứng biogas, hai khoảng nhiệt độ hoạt động của hai nhóm vi khuẩn ưa
nhiệt độ trung bình (khoảng 25 - 37
0
C) và vi khuẩn ưa nhiệt (khoảng 55
0
C) là quan trọng
vì quá trình phân hủy yếm khí sẽ dừng lại khi nhiệt độ thấp hơn 10
0
C và 1,5 m
3
/ m
3
ở 35 – 38
0
C.
Lưu lượng biogas thu được cao nhất từ nguồn nguyên liệu phân bò khoảng 4,5 m
3
CH
4
/
m
3
phân.ngày ở nhiệt độ 35 – 38
0
C ( tức khoảng 9 m
3
biogas/ m
3
phân.ngày).
Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm đối với sự biến thiên của nhiệt độ, điều
quan trọng là phải duy trì một nhiệt độ không đổi riêng biệt. Nguồn nguyên liệu có nhiệt
độ thấp, hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt không tốt, hoặc quá trình vận hành để xảy ra sự
phân tầng nhiệt độ… có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm
năng suất sinh biogas. So với vi khuẩn ưa nhiệt độ trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt nhạy cảm
với nhiệt độ hơn.
Đồ thị 1 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản lượng khí với thời gian phân
giải 120 ngày với các loại phân. Các vi khuẩn sinh mê tan không chịu được sự thăng
giáng nhiệt độ quá nhiều trong ngày. Điều này sẽ làm giảm sản lượng khí. Vì vậy vào mùa
… gốc HCO
3
-
góp phần làm tăng độ kiềm bicacbonat thông qua phản ứng
thuận nghịch sau:
HCO
3
-
+ CH
3
COOH ⇔ H
2
O + CO
2
+ CH
3
COO
-
Dãy pH tối ưu của hầm ủ nằm trong khoảng trung tính (6,8 -7,4). Khi tỷ lệ sinh các
axit béo bay hơi vượt quá khả năng vi khuẩn metan hóa có thể sử dụng, pH sẽ giảm xuống
dưới mức tối ưu. Để tăng pH trở lại, quá trình vận hành cần bổ sung thêm độ kiềm cho
hầm phân hủy, lấy từ nguồn bên ngoài. Độ kiềm bicabonat trong quá trình phân hủy kỵ
khí cần duy trì ở mức ≥ 1.000 mg CaCO
3
/l để đảm bảo pH thích hợp. Nếu vận hành đúng
theo nguyên tắc, tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tổng công phải duy trì ở mức 0,5.
Sự thay đổi pH sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của các enzym. Các VSV và enzym
của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ưu, thể hiện qua các tác động về
chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng hoạt hóa của các enzym. Mỗi enzym chỉ có
hoạt tính trong một dãy pH nhất định. Hiện tượng pH bị lệch khỏi khoảng pH tối ưu có
Tỷ lệ Cac bon và Nitơ của nguyên liệu
Các chất hữu cơ được cấu tạo bởi nhiều nguyên tố hóa học trong đó chủ yếu là
cacbon (C), hydro (H), nito (N), photpho (P) và lưu huỳnh (S).
Tỷ lệ giữa các lượng cacbon và nito (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một
chỉ tiêu đánh giá khả năng phân giải của nó. Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn
nito khoảng 30 lần. Vì vậy, tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30/1 là tối ưu. Tỷ lệ này quá
cao thì quá trình phân giải xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân
giải ngừng trệ vì tích lũy nhiều anoniac là một độc tố đối với vi khuẩn nồng độ cao.
Nói chung chất thải trâu bò và lợn có tỷ lệ C/N thích hợp. Chất thải người và gia
cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật tỷ lệ này lại cao, nguyên liệu càng già thì
tỷ lệ càng cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp đối với các nguyên liệu này ta nên dùng
hỗn hợp nhiều nguyên liệu.
e. Thời gian lưu
Trang 14
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị phân giải. Đây là khoảng
thời gian dịch phân giải sản sinh ra khí sinh học.
Đại lượng này được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể tích nguyên
liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn vị thời gian lưu nước là ngày.
Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát triển chậm
nhất có thể tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất rắn trong hầm
đảm bảo được tính ổn định tốt. Nếu thời gian lưu chỉ còn một nửa so với yêu cầu, lượng
khí biogas sinh ra sẽ giảm và quá trình phân hủy khi đó sẽ ngưng tệ do số lượng vi khuẩn
cấy được giảm đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả nữa. Nếu thời gian lưu nước lớn
hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 35
0
C, lượng biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu
có tăng lên nữa thì lượng biogas cũng không tăng thêm nhiều. Do đó, thời gian lưu càng
lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp.
Đối với chế độ nạp liên tục, nguyên liệu được bổ sung hàng ngày. Khi một lượng
nguyên liệu mới nạp vào, bó sẽ chiếm chỗ cho 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
tới lối ra. Trong điều kiện Việt Nam, tiêu chuẩn ngành 10TCN 97-2006 đã quy định thời
gian lưu đối với chất thải động vật như bảng 3.
Bảng 4: Thời gian lưu đối với chất thải động vật theo tiêu chuẩn ngành
f. Thành phần độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào
Nước là nhu cầu tất yếu cho sự sống và hoạt động của vi sinh vật. Hơn nữa, nước
là môi trường cần thiết cho sự di chuyển của vi khuẩn, hoạt động của các enzym ngoại
bào và thủy hóa các polyme sinh học, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy.
Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nước trong hầm phân hủy sẽ làm tăng thể tích
hầm và trở nên cồng kềnh. Do đó, độ ẩm trong hầm phải được duy trì ở mức tối ưu. Hàm
lượng độ ẩm đối với từng loại cơ chất khác nhau sẽ khác nhau, tùy thuộc vào tính chất
hóa học và khả năng phân hủy sinh học của chúng. Theo các nguyên cứu cho thấy, hiệu
suất của quá trình phân hủy sẽ giảm khi hàm lượng chất rắn lơ lửng (TS) tăng. Do đó điều
quan trọng là phải xác định hàm lượng TS tối ưu cho hỗn hợp nguyên liệu đầu vào theo
từng loại nguyên liệu và từng kiểu hầm ủ khác nhau. Ví dụ như trường hợp nguyên liệu
đầu vào là phân bò, có hàm lượng TS 18%, do đó phải hòa trộn với nước theo tỷ lệ 1:1 về
khối lượng để đảm bảo hỗn hợp thu được có nồng độ TS 9%. Hỗn hợp phân bò dạng bùn
nhão này sẽ dễ thao tác và tự chảy dễ dàng vào hầm phân hủy.
Đối với các dạng hầm ủ mà nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn như giấy, bã mía,
sinh khối… với tỷ trọng tương đối thấp thì lực đẩy nổi từ các bọt khí bám chặt vào sẽ làm
Trang 16
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
nguyên liệu nổi lên trên mặt hầm ủ, khi đó quá trình phân hủy sẽ không diễn ra được.
Chính vì vậy quá trình phân hủy đòi hỏi phải có sự hiện diện của pha lỏng. Trong trường
hợp nguyên liệu là sinh khối thải, nguyên cứu cho thấy, sinh khối bùn tươi sẽ phân hủy dễ
dàng hơn so với bùn khô.
Khi thành phần độ ẩm quá cao, điều đó có nghĩa là nhiệt độ chất thải thấp, kết quả là
Trang 17
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Thành phần mg/l
Cianua ( CN) <25
Hợp chất bề mặt 40 ppm
Amonia 3.000
Na 5500
K 4.500
Ca 4.500
Mg 1.500
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
Bảng 6: Tóm tắt điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học
1.3.3. Nguyên lý của quá trình chuyển hóa
Về nguyên tắc, khi một lượng sinh khối được lưu giữ trong hầm kín vài ngày sẽ
chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạnh khí – khí sinh học (Biogas), có khả năng
cháy được với thành phần chính là metan và cacbon dioxide, trong đó thành phần metan
chiếm khoảng trên 50%. Quá trình này được gọi là quá trình lên men kỵ khí hoặc quá
trình sản xuất khí metan sinh học.
Một hệ thống biogas bao gồm hầm biogas, thiết bị thu khí được lắp đặt trực tiếp
trên nắp hầm, hệ thống ngăn và đường ống cấp nguyên liệu đầu vào (chất thải thô và
nước). Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đường ống dẫn chất thải (bùn sau khi lên men)
để sử dụng làm phân bón sinh học.
Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật sẽ được các
vi sinh vật kỵ khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dưỡng cơ bản có
ích cho thực vật và đất mùn. Quá trình này đòi hỏi một số điều kiện tối ưu như độ ẩm,
Trang 18
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
nhiệt độ, bóng tối…trong hầu hết các giai đoạn của quá trình phân hủy, không có sự hiện
1 2 3
Trang 19
Pha I
Pha II
Biogas CH
4
và
CO
2
Axit acetic
Axit HC yếu
Rượu
Protein
Cacbonhydrat
Chất béo
Axit acetic
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Vi khuẩn lên men Vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn metan hóa
Hình 4. Các bước của quá trình tạo khí metan
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher
a. Giai đoạn tạo axit (Thủy phân)
Trong giai đoạn thủy phân, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị khử
thành các monome (phân tử cơ bản). Sản phẩm của quá trình bao gồm:
- Chất béo axit béo
- Protein amino axit
- Hydratcacbon đường
Sản phẩm của giai đoạn này sẽ được các vi khuẩn lên men chuyển hóa, hình thành
các sản phẩm như:
nhờ hoạt động của vi khuẩn metan.
Trong quá trình phân hủy sẽ xuất hiện các bọt khí H
2
S nhỏ và tích lũy một phần nhỏ
trong thành phần khí biogas. Khí H
2
S được sinh ra trong giai đoạn thủy phân khi các VSV
bẽ gãy amino axit methionine thiết yếu. Trong giai đoạn metan hóa, H
2
S cũng tiếp tục
được sinh ra do các nhóm VSV khử sunfat khác nhau sử dụng axit béo (đặc biệt là acetat),
protein làm nguốn cơ chất cho quá trình phân hủy.
Cả 3 giai đoạn trên càng có sự lên kết thì quá trình phân hủy, lên men chất hữu cơ
trong hầm ủ diễn ra càng nhanh.
Trang 20
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Trang 21
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Nguyên liệu thô Quá trình chuyển hóa Sản phẩm cuối cùng
Sinh khối (chất thải hữu cơ ) 1. Biogas
CH
4
(50-60% )
CO
2
(30-40%)
N
H
ngặt
-
Pha acetat hóa VK ưa nhiệt 6,8 – 7,5 Min – 330 mV
Trang 22
Xử lý sơ bộ
nguyên liệu
Quá trình lên men
1. 1. Tạo axit (từ chất
béo, xululo,
protein.
2. 2. Khử axit ( tạo ra
CH
3
COOH, H,
CO
2
)
3. 3. Tạo khí CH
4,
H,
CO
2
Thu nhiệt
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
Các bước Nhiệt độ pH Môi trường Thế oxy hóa khử
trung bình
( mesophilic):~
35
0
6
H
12
O
6
+ H
2
O 3CH
4
+ 3
CO
2
50% : 50%
Lipit,
vd: axit palmitic
2C
6
H
32
O
2
+ 14H
2
O 23CH
4
+ 9
CO
6
H
12
O
5
, thì lượng nhiệt tỏa ra khoảng 250Kj/mol C
6
H
12
O
5
. Lượng nhiệt
này không đủ để nâng nhiệt độ của cơ chất đầu vào.
Trong thực tế, quá trình phân hủy diễn ra trong thời gian dài, do đó hiệu suất của
quá trình ít khi đạt trạng thái hoàn toàn, chỉ khoảng 60% cơ chất được chuyển hóa. Sản
Trang 23
Xử lý chất thải rắn bằng công nghệ Biogas GVHD: Trần
Minh Trí
lượng biogas sinh ra khoảng 0,2 – 0,4 m
3
/kg nguyên liệu đầu vào, với hàm lượng chất rắn
khoảng 5 kg/1 m
3
chất lỏng.
Quá trình phân hủy diễn ra ở ba dãy nhiệt độ khác nhau, tương úng với 3 nhóm
VSV đặc trưng. Hiệu suất sinh khí càng tăng khi nhiệt độ càng tăng vì tốc độ phản ứng ở
nhiệt độ cao diễn ra nhanh hơn so với nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ gia tăng 10
0
C, tốc độ
sinh khí sẽ tăng gấp đôi. Ba khoảng nhiệt độ làm việc, ứng với 3 nhóm VSV khác nhau:
Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh. Tổng
số lượng đàn gia súc, gia cầm cũng tăng lên nhanh chóng: tổng số đàn lợn tăng từ 26,6
triệu con năm 2007 lên 27,4 triệu con năm 2010 ; đàn gia cầm tăng từ 226 triệu con năm
2007 lên 300,5 triệu con năm 2010.
Bảng 9. Số lượng một số gia súc, gia cầm tại Việt Nam giai đoạn 2000-2011
Năm
Trâu Bò Ngựa Dê, cừu Lợn Gia cầm
Nghìn con Triệu con
2000 2897.2 4127.9 126.5 543.9 20193.8 196.1
2001 2807.9 3899.7 113.4 571.9 21800.1 218.1
2002 2814.5 4062.9 110.9 621.9 23169.5 233.3
2003 2834.9 4394.4 112.5 780.4 24884.6 254.6
2004 2869.8 4907.7 110.8 1022.8 26143.7 218.2
2005 2922.2 5540.7 110.5 1314.1 27435.0 219.9
2006 2921.1 6510.8 87.3 1525.3 26855.3 214.6
2007 2996.4 6724.7 103.5 1777.7 26560.7 226.0
2008 2897.7 6337.7 121.2 1483.4 26701.6 248.3
2009 2886.6 6103.3 102.2 1375.1 27627.7 280.2
2010 2877.0 5808.3 93.1 1288.4 27373.3 300.5
Sơ bộ 2011 2712.0 5436.6 88.1 1267.8 27056.0 322.6
Nguồn: Tổng cục thống kê, 2011
Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©