BẢNG VIẾT TẮT

Kí hiệu Giải thích
AD W8 Anaerobic Digester W8
COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)
BOD Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học)
VS Tổng chất rắn dễ bay hơi
VSV Vi sinh vật
VK Vi khuẩn
CTHC Chất thải hữu cơ
CTR Chất thải rắn
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng Tên bảng Trang
1.1
VSV sinh axit hữu cơ 8
1.2
VSV sinh metan 9
1.3 Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV 11
1.4
Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA,
1979)
15

khí 36 gam glucozơ.
34
3.4
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 30 gam tinh bột.
36
3.5
Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 30 gam tinh bột.
36
3.6
Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm
khí 30 gam tinh bột.
37
3.7
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
39
3.8
Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
40
3.9
Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm
khí 40 gam protein (gielatin).
41
3.10
Thể tích metan và cacbonic sinh ra từ 1 kg vật liệu
trong điều kiện yếm khí.
43

Sơ đồ mô hình thiết bị xử lý nước thải yếm khí AD W8 23
2.2
Cách bố trí lại thiết bị AD W8 24
2.3
Máy AD-W8 đang hoạt động theo cách bố trí mới 25
3.1
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của
glucozơ
33
3.2
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của glucozơ 34
3.3
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của tinh bột 37
3.4
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của tinh bột 38
3.5
Biểu đồ quá trình sinh khí cacbonic và metan của protein

40
3.6
Biểu đồ quá trình tạo khí biogas của protein 41

MỤC LỤC Trang
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………
1
Chương 1 - TỔNG QUAN…………………………………………………
2
1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)………………………
2
1.2. VSV và VSV yếm khí. ………………………………………………

LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội phát triển, nhu cầu của con người được thỏa mãn ngày càng nhiều. Tuy
nhiên đi đôi với nó là nhiều vấn đề phát sinh. Hai vấn đề nghiêm trọng chính là ô
nhiễm môi trường và cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch. Để phát triển sản xuất
con người đã đưa vào môi trường nhiều chất thải độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng
môi trường đất, nước, không khí trong đó các chất thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ quan
trọng. Bên cạnh đó là việc khai thác quá mức các nguồn tài năng lượng hóa thạch như
dầu mỏ, than đá…làm cho các nguồn tài nguyên này đang có nguy cơ cạn kiệt.
Một trong những hướng góp phần giải quyết các vấn đề trên đó là tận dụng các
chất thải hữu cơ để tạo ra nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch. Biogas-
chứa một lượng lớn khí metan, có khả năng cung cấp năng lượng rất tốt, khí này được
sinh ra trong quá trình các VSV yếm khí phân hủy các chất hữu cơ-là một hướng đi
đang được chú ý. Chúng ta có thể tận dụng các chất hữu cơ trong rác thải để tạo ra
năng lượng phục vụ sinh hoạt, sản xuất.
Vấn đề đặt ra ở đây là với một lượng rác thải chứa chất hữu cơ ta có thể thu được
bao nhiêu metan, có hiệu quả kinh tế không khi ta đem rác thải đó đi lên men để sinh
metan? Đề tài của tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ
đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí” phần nào trả lời câu hỏi đó.
2

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN
1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam
Thị trường tiềm năng cho sản xuất biogas tại Việt Nam là rất lớn, nhưng cho đến
nay chưa được khai thác triệt để. Chỉ có 0,3% trong số17.000 các trang trại lớn đã sử

3
/ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt.
4

Quy mô hộ gia đình

Hình 1.2. Xây dựng hầm biogas ở nông thôn
Thường tại các hộ gia đình chăn nuôi lợn, trâu bò lượng chất thải từ quá trình chăn
nuôi thường nhiều và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên được xử lý bằng hầm phân
hủy yếm khí (biogas). Trong những năm qua việc xây dựng hầm khí biogas đã phát
huy được hiệu quả và đang được coi là biện pháp tiết kiệm của người dân. Được sự
quan tâm và đầu tư của nhà nước cũng như các dự án đầu tư của nước ngoài rất nhiều
vùng nông thôn đã xây dựng mô hình khí sinh học biogas.
Tiềm năng sử dụng biogas trong tương lại có thể là dùng để phát điện, bã thải
sinh học cho các loại phân bón hữu cơ và nhiên liệu sinh học. 5

1.2. VSV và VSV yếm khí.
VSV là một thế giới sinh vật nhỏ bé, đơn bào rất đông đúc trong tự nhiên. Tế bào
của chúng chỉ nhìn được qua kính hiển vi phóng đại từ 400 đến 1000 lần. VSV bao
gồm có VK, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut (siêu VK). Trong nước thải, chủ yếu
là các loại VSV dị dưỡng hoại sinh, chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ, biến
đổi các chất này thành các chất đơn giản như CO
2
, H
2
O, CH
4

Hình 1.3. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí
1.3.2.1. Giai đoạn thủy phân.
Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như
protein, chất béo, carbohidrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Một vài loại ở dạng không hòa
tan. Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào
(sản sinh bởi các VK). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng
nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo.
Chất hữu cơ
Tổng axit
Cacbonhydrate
Chất béo
Aminoaxit
Đường đơn
Protein
Amôn
Tổng axit
bay hơi
Vi khuẩn
CO
2

Axetat
CH
4

H
2

CO
2

2
và CO
2
bởi VK lên men axit. Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men
cacbohiđrat. Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại VK cũng như điều kiện nuôi
cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử oxi. VK tạo axit axetic chuyển các axít
no như axít propionic và butyric và rượu thành axit axetic, hiđrovà CO
2
, những chất
này sẽ được sử dụng bởi nhóm VK tạo metan.
Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, anđehit,
axeton, các chất khí NH
3
, H
2
S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong
giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các
chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành
Tinh bột
 
amylaza
Glucozơ
Xenlulozơ
 
zenlulaza
Mantozơ + Glucozơ
Lipit
 
lipaza
Tổng axit + Rượu đa chức

2
O + Q.
Các VSV chính tham gia vào quá trình lên men axit được thống kê trong bảng sau:
Bảng 1.1. VSV sinh axit hữu cơ.
Tên VK pH t
o
C Sản phẩm
Bacillus cereus 5.2 25-35 axetic, lactic
Bacillus knolfekampi 5.2-8.0 25-35 axetic, lactic
Bacillus megaterium 5.2-7.5 28-35 axetic, lactic
Bacteroides succinigenes 5.2-7.5 25-35 axetic, sucxinic
Clostridium carnefectium 5.0-8.5 25-37 fomic, axetic
Clostridium cellobinharus 5.0-8.5 36-38 lactic, etanol, CO
2
Clostridium dissolvens 5.0-8.5 35-51 fomic, axetic
Clostridium thermocellulaseum 5.0-8.5 55-65 lactic, sucxinic, etanol
Pseudomonas - 3-42 fomic, axetic, lactic, sucxinic,
etanol
Ruminococcus sp - 33-48 fomic, axetic, sucxinic 9

1.3.2.3. Giai đoạn sinh khí metan.
Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH
4
và các sản phẩm
khác bởi nhóm VK metan. VK metan là những VK yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh
trưởng chậm hơn các VK ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các VK metan sử dụng axít
axetic, methanol, CO

Methanoruminanticum H
2
, axit fomic
Methanococcus vanirielli 1.4-9.0 H
2
, axit fomic
Methanococcus mazei 30-37 axit axetic, butyric
Methanosarcina methanica 35-37 axit axetic, butyric
Methanosarcina barkerli 7.0 30 CO
2
, H
2
, axit axetic, metanol
- Các phản ứng sinh metan gồm có
CH
3
COOH → CH
4
+ CO
2
(1)
Phản ứng (1) do các VSV: Methanosochngenii, Methanococcus mazei,
Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện.
4CH
3
CH
2
COOH + 2H
2
O → 7CH

4
+ 3CH
3
COOH (4)
Phản ứng (4) do VSV: Methanosuboxydans thực hiện
2CH
3
CH
2
OH → 3CH
4
+ CO
2
(5)
2CH
3
CH
2
OH + CO
2
→ CH
4
+ 2CH
3
COOH (6)
Phản ứng (5) và (6) do VSV: Methanobacterium omelianskii thực hiện
CO
2
+ 4H
2

4
chịu ảnh hưởng bởi quá
trình sinh học và nguyên liệu mà ta sử dụng.
11

Khí CH
4
là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí. CH
4
ở 20
0
C,
1atm thì 1m
3
khí CH
4
có trọng lượng 0,716 kg.
Khi đốt hoàn toàn 1m
3
khí CH
4

cho ra khoảng 9000 kcal.
Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94kg/m
3
, trọng
lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH
4
so với các khí khác trong hỗn hợp.
Khí H

loại ưa ấm (mesophilic) chúng phát triển mạnh nhất trong khoảng 35- 42 ºC.

Hình 1.4. Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí metan và ảnh hưởng của nhiệt độ
Do tác động mạnh của yếu tố nhiệt độ, quá trình xử lý vi sinh yếm khí có hiệu
quả ở các vùng có khí hậu nóng, ít thích hợp với vùng lạnh.
Nói chung, trong các hầm ủ yếm khí khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng
nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45
o
C thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này
không thích hợp cho cả 2 loại VK, nhiệt độ trên 60
o
C thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột
và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65
o
C. Ở các nước ôn đới, nhiệt
độ môi trường thấp do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10
o
C thể tích khí
được sản xuất giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí có thể dùng khí sinh học để đun
nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt.
13

1.3.4.3. Độ pH và độ kiềm
Vi sinh yếm khí thuộc loại nhạy cảm với pH, trong đó VK metan hóa là loại nhạy
cảm nhất với khoảng pH tối ưu cho nó là 6,8 – 7,4. Thực tế khi vận hành ta duy trì pH
trong vùng 6,4 – 7,8. pH cũng ảnh hưởng đến hoạt tính của VK axit hóa nhưng với
mức độ thấp hơn: trong vùng pH thấp sản phẩm axit tạo thành chủ yếu có phân tử
lượng cao như axit butyric và propionic, ít axit axetic, dẫn đến tăng khí hiđrotrong hệ.
Nếu VK metan hóa không tiêu thụ kịp khí H2 sẽ dẫn đến tích lũy khí đó trong hệ và
làm giảm quá trình tạo thành axit axetic, tức là làm thay đổi tỷ lệ thành phần hóa học

25 - 30
1
là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho
vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì quá
trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với VK ở nồng độ
cao, ngoài ra cần có những nguyên tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động
của các VSV.
Nguồn cacbon của VSV yếm khí chính là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như các
axit fomic, butiric, propionic, axetic, metanol, khí CO
2
, CO….còn nguồn nitơ tốt nhất
đối với VK là amoni cacbonat và amoni clorua. Đặc biệt là VK metan không sử dụng
nitơ trong các axit amin.

15

1.3.4.5. Thời gian lưu
Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hoàn toàn có thể kéo dài tới vài tháng.
Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này 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
huỷ của nguyên liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. Vì thế người ta phải lựa chọn
thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản
lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu.
1.3.4.6. Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu
Các chất khoáng trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến
quá trình sinh khí metan. Các chất khoáng này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc
đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do
sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính
của một nguyên tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.
Bảng 1.4. Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA, 1979)

Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK có thể
chịu được nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/l.
(b)
Nikel ở nồng độ thấp làm tăng quá trình sinh khí metan.
1.3.4.7. Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho VK tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình
sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự
tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. Nhưng đối với các nguyên liệu ủ chỉ chứa chất dễ phân
hủy như phân heo thì không cần khuấy trộn.
17

1.3.4.8. Sự cạnh tranh giữa VK lưu huỳnh và VK metan
VK lưu huỳnh và VK metan có thể cạnh tranh các chất cho điện tử như axetat và
H
2
. Các nghiên cứu về động thái học của 2 nhóm VK này cho thấy VK khử lưu huỳnh
có ái lực với axetat cao hơn VK metan (Km = 9,6 mg/l so với Ks = 32,8 mg/l), điều
này có ý nghĩa là VK lưu huỳnh sẽ thắng thế so với VK metan ở nồng độ axetat thấp.
VK lưu huỳnh và VK metan cạnh tranh mạnh ở tỷ lệ COD/SO
4
2-
từ 1,7 – 2,7. Khi tỉ lệ
này tăng VK metan sẽ thắng thế và ngược lại.
1.3.4.8. Tính chất của chất nền và các chất gây độc
Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân
hủy, hàm lượng chất rắn hòa tan quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không
đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lượng tổng chất
rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền.
Một số dẫn xuất metan như: CCl
4

triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh
cao
- Có thể hoạt động theo mùa do khả năng
tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói
- Giá thành xây dựng cao
- Thường phải cấp thêm nhiệt
- Thời gian lưu thủy lực dài
- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi
và ăn mòn cao
- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém
- Hình thành khí H2S
- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo
dài thời gian khởi động hệ xử lý
- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử
lý.

Qua bảng ta thấy rõ ưu điểm của xử lý yếm khí là tạo ra 1 lượng khí sinh học là nguồn
năng lượng có ích mới với chi phí vận hành thấp quy mô có thể áp dụng với các hộ dân.
Ngoài các tiêu chí so sánh liệt kê trong bảng 2, hình ảnh tổng quát về kỹ
thuật hiếu khí và yếm khí trong xử lý chất hữu cơ được thể hiện trong hình 1.6:
19 Hình 1.6. Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí
Với cùng một nguồn COD đầu vào với mô hình xử lý hiếu khí tạo ra sản phẩm khí là
CO
2
và lượng bùn thải ra là 50 - 60% nhưng với yếm khí thì lại tạo ra
70 - 90% khí biogas và lượng bùn thải ra rất thấp 5 - 15%. Do đó xử lý yếm khí có
ưu thế về mặt xử lý cũng như hiệu quả kinh tế cao hơn xử lý hiếu khí.

Loại bỏ được BOD kém
hơn (85%), thời gian dài
hơn. Nước ra từ kị khí nên
tiếp tục xử lý hiếu khí
Loại bỏ được BOD nhiều hơn
trong thời gian ngắn hơn và còn loại
bỏ được N cũng như P. Hiệu quả khử
BOD cao nhất có thể đạt
Khả năng bị
ức chế
Các VSV rất nhạy cảm
đối với các chất có tác
dụng ức chế như kim loại
nặng, chất hữu cơ bền.
Phụ thuộc vào oxi cấp liên tục
vào
Mùi Sinh ra nhiều mùi hôi
thối: H
2
S từ nước thải có
chứ sunfat, scatol từ các
hợp chất chứa N
Sản phẩm sinh ra chủ yếu CO
2

nên gây ít mùi hơn
1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ.
Hiện nay ở Việt Nam, chỉ một phần CTHC được đem tái sử dụng, còn lại phần
lớn là đem chôn lấp. Với lượng chất thải ngày càng tăng, với điều kiện “đất chật người
đông” như Việt Nam, việc xây dựng các bãi chôn lấp sẽ ngày càng khó khăn. Có thể

một cách tương đối chính xác tổng lượng khí biogas thu được khi lên men một khối lượng
rác thải trong điều kiệm yếm khí. Và từ khối lượng biogas đó nếu đem sản xuất điện năng
thì chúng ta có thể thu được bao nhiêu điện. Nói một cách khác chúng ta có thể biết được
việc chúng ta lên men rác thải để thu lấy biogas có giá trị kinh tế hay không.