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. 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 CH 4 (50 -60%) và CO 2 còn lại các chất khác như hơi nước N 2 , O 2 , H 2 S, CO… được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20_40 0 C. 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 CH 4 và CO 2 . 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 CO 2 , N 2 , H 2 và cả CH 4 (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 CO 2 và CH 4 (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. Nhóm 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: CO 2 , H 2 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 CO 2 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, CO 2 , H 2 và các sản phẩm khoáng hóa khác dưới tác dụng của enzym cellulosase: C x H y O z → các axit hữu cơ, CO 2 , H 2 Giai đoạn 2: Các axit hữu cơ, CO 2 , H 2 tiếp tục bị tác động bởi các vi khuẩn metan: CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O 4CO + 2H 2 → CH 4 + 3CO 2 4HCOOH → CH 4 + 3CO 2 + 3H 2 O 4CH 3 OH → 3CH 4 + 2H 2 O + CO 2 CH 3 COOH → CH 4 + H 2 O 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 H 2 S [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 O 2 FeO 2Fe + 3/2O 2 Fe 2 O 3 3Fe + 2O 2 Fe 3 O 4 Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 . 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, H 2 S được tách ra theo các phản ứng sau: Fe 2 O 3 + 3H 2 S Fe 2 S 3 + 3H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 S FeS+Fe 2 S 3 + 4H 2 O FeO + H 2 S FeS + H 2 O Khả năng tách H 2 S 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: Fe 2 S 3 + O 2 Fe 2 O 3 + 3S FeS + O 2 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 SO 2 : Fe 2 S 3 + 9/2O 2 Fe 2 O 3 + 3SO 2 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 250 0 15 0 Hình 3: Tháp tách CO 2 FeS + 3/2O 2 FeO + SO 2 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 m 3 /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 H 2 S là 0,3mbar. Thiết bị như trên đã được sử dụng để lọc khí H 2 S 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 CO 2 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 CO 2 như hình 3, lưu lượng biogas là 0,86 m 3 /h, thành phần CO 2 ở đầu vào tháp là 36,47%, thành phần CO 2 ở đầu ra của tháp là 19,22%, chúng ta đạt được hiệu quả xử lý CO 2 là 47,30%. Tổn thất áp suất khi đi qua thiết bị hấp thụ CO 2 là 5mbar. Bảng 1: Hiệu quả lọc H 2 S Sau 1 giờ sử dụng Sau 20 giờ sử dụng Trước xử lý Sau xử lý Trước xử lý Sau xử lý Hàm lượng H 2 S (mg/l) 0,17 0,0005 0,20 0,001 ppm thể tích 112 0,33 132 0,66 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 2. Loại hầm sinh khí kiểu túi: 3. Loại hầm sinh khí có nắp đậy di động: . 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. Methane cũng là một khí tạo. 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. 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 2. Loại hầm sinh khí kiểu túi: 3. Loại hầm sinh khí