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

ĐỖ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA
MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG
TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014


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

ĐỖ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA
MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG
TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
HDC: TS. HOÀNG VĂN HÀ
HDP: PGS.TS. TRẦN HỒNG CÔN

VK
CTHC
CTR


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
1.1
1.2
1.3
1.4

1.5

1.6

2.1

2.2

2.3

3.1

3.2

3.3

3.4



3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

hình


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………
Chương 1 - TỔNG QUAN…………………………………………………
1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)………………………..
1.2. VSV và VSV yếm khí. ………………………………………………..
1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học……………………….
1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải
hữu cơ……………………………………………………………………….
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……………………………………………
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu………………………………………
2.2. Thiết bị và hoá chất nghiên cứu……………………………………….
2.3. Quy trình thực nghiệm…………………………………………………
CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN……………………………….
KẾT LUẬN..……………………………………………………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………


LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội phát triển, nhu cầu của con người được thỏa mãn ngày càng nhiều. Tuy


rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh đã được lắp đặt tại vùng nhiệt đới, á nhiệt đới và ở
vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v.v…). Ở Việt Nam
nhiều nơi đã sử dụng nhiều mô hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với các quy mô
lớn nhỏ khác nhau.
Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, công ty Cổ phần khoai mì nước trong phối
hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đã đưa vào sử
dụng nhà máy xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia
Nước Trong tại xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh.

2


Hình 1.1. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh
Nhà máy sử dụng công nghệ phân hủy yếm khí hiện đại, đang được áp dụng tại nhiều
quốc gia trên thế giới. Nhà máy xây dựng với vốn đầu tư 1 triệu USD, chuyên sản xuất
3

khí Biogas với công suất 2 triệu m /năm và khắc phục trên 90% vấn đề ô nhiễm. Mặt
khác nó sẽ tạo ra một giá trị kinh tế lớn là cung cấp khí biogas làm nhiên liệu đốt cho
các lò đốt để sấy bột.
- Nhà máy xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình: Nước thải từ quá trình sản

xuất bia ong được xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ
thống giống với mô hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại
3

Lâm. Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m /ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt.

3

phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có
nguồn gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật.
- Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc..., các bộ phận cơ thể của

động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ, hải sản...
- Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân cây 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 (rong, bèo, các cây phân xanh...). Các loại nước thải như:
nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm...
1.3.2. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí
Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều
phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng
bằng phương trình sau đây:

5


Lên men
Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S
yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau:
+ Giai đoạn 1: Thủy phân.
+ Giai đoạn 2: Lên men axit.
+ Giai đoạn 3: Metan hóa.

Chất hữu cơ

Protein
1.3.2.2. Giai đoạn lên men axít.
Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít axetic,
H2 và CO2 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 NH3, H2S 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
7


CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Ví dụ như đối với glucozơ
quá trình lên men axit xảy ra theo phương trình sau:
2C6H12O6

2CH3CHOHCOOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + 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
Bacillus cereus
Bacillus knolfekampi
Bacillus megaterium
Bacteroides succinigenes
Clostridium carnefectium

Methanosarcina methanica
Methanosarcina barkerli
- Các phản ứng sinh metan gồm có
CH3COOH → CH4 + CO2
Phản ứng (1) do các VSV: Methanosochngenii, Methanococcus mazei,
Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện.
4CH3CH2COOH + 2H2O → 7CH4 + 5CO2
2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 5CH4 + 3 CO2

9


Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei,
Methanosarcina methanica thực hiện.
2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 2CH4 + 3CH3COOH
Phản ứng (4) do VSV: Methanosuboxydans thực hiện
2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2
2CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH
Phản ứng (5) và (6) do VSV: Methanobacterium omelianskii thực hiện
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Phản ứng (7) do Methanobacterium omelianskii, Methanococcus vanirielli,
Methanoruminanticum, Methanoformicum.
1.3.3. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas
Biogas hay còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của VK trong môi trường yếm khí.
Thành phần chủ yếu của Biogas:
Khí metan
Khí Cacbonic
Khí Nitơ
Khí Hydro

Nhiệt độ là một trong những thông số vận hành quan trọng của quá trình xử lý
yếm khí, đặc biệt đối với nước thải có mức độ ô nhiễm không cao. Trong tự nhiên
metan được sản sinh ra bởi các VK trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Nhiệt độ và sự
biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí.
Thông thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến quá trình sinh khí biogas.
Bảng 1.3.Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV
Nhóm VSV
Ưa lạnh (Psychrophilic)
Ưa ấm (Mesophilic)
Ưa nhiệt (Thermophilic)
Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả

11


xử lý. Ở nhiệt độ thấp, các chất hữu cơ dạng không tan dễ bị hấp phụ sinh học vào sinh
khối, chúng không tham gia vào quá trình thủy phân nhưng được thải theo bùn nên làm
tăng hiệu quả xử lý chung. Hình 1.4 dưới đây cho biết được sự phát triển của VSV sinh
khí metan (ưa lạnh, ưa ấm và ưa nhiệt) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau ví dụ với 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
o

nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45 C thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này
o


giảm pH. Giảm pH tiếp tục ảnh hưởng tiêu cực lên VK metan hóa và tiếp tục làm giảm
pH của môi trường phản ứng. pH thấp không những có tác động tiêu cực đến hoạt
động của VSV, mà trong điều kiện đó, một loạt các chất hóa học có tính khử (chất cho
điện tử) tồn tại ở trạng thái dễ bay hơi: axit hữu cơ, hiđrosunfua ở dạng trung hòa gây
mùi, tại pH cao chúng tồn tại ở dạng phân ly. Nếu không được điều chỉnh kịp thời thì
diễn biến trên tiếp tục, dẫn đến mất hoàn toàn hoạt tính của VK metan hóa. Đó là tình
trạng hệ xử lý “bị chua” hay bị “mắc kẹt”. Để khắc phục tình trạng trên nhằm tái tạo
lại môi trường cân bằng cho hoạt động của VK axit và metan hóa ta có thể sử dụng
một số giải pháp như: giảm tải lượng hữu cơ, tăng dần tải lượng sau đó khi hệ đã được
phục hồi trở lại hoặc điều chỉnh pH ngay từ dòng vào.
1.3.4.4. Đặc tính của nguyên liệu
Hàm lượng chất khô: Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm.
Quá trình phân huỷ sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trường có hàm lượng chất
khô tối ưu vào khoảng 7-9%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao
hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị phân hủy yếm khí cần phải pha thêm nước.
Tỷ lệ Cacbon và Nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong
thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. VK yếm
khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25 – 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên
25 - 30
liệu bằng
là tối ưu. Tỷ lệ này quá cao thì không đủ dinh dưỡng cung cấp cho 1
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 CO2, 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.

K

Na

Đồng
Cadimi
Sắt

Cr6+
Cr

3+

Nikel
(a)

(b)

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.