ứng dụng của vi sinh vật _ công nghệ biogas

Việc ứng dụng và phát triển chương trình khí sinh học trong chăn nuôi là rất cần thiết, có một ý nghĩa kinh tế -xã hội và môi trường rất lớn, không những giúp cho nông dân xử lí được ngu

Bài tiêu luận:

VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ PHẾ THẢI

CHĂN NUÔI CÔNG NGHỆ KHÍ BIOGAS

Chương I : ĐẶT VẤN ĐỀ

Những năm gần đây, phong trào chăn nuôi phát triển rộng khắp các tỉnh thành trong cả nước, nhiều gia đình đầu tư với qui mô lớn để chăn nuôi lợn, trâu bò và gia cầm Cho nên trong những năm qua, nhà nước đã đưa ra nhiều chủ trương chính sách hỗ trợ, đầu tư nhằm đẩy mạnh phát triển chăn nuôi, coi đây là mũi nhọn, là khâu đột phá nhằm đưa chăn nuôi trở thành nghành sản xuất chính theo hướng sản xuất hàng hoá và bền vững Vì vậy mà số lượng, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế của đàn vật nuôi đã có những cải thiện đáng kể Nhưng đồng hành cùng sự phát triển đó cũng đặt ra cho Ngành những thách thức rất lớn đòi hỏi các nhà quản

lí, chuyên môn phải đưa những giải pháp, mục tiêu phù hợp và xây dựng các chương trình hành động cụ thể thì mới thật sự giúp cho chăn nuôi phát triển bền vững được

Theo số liệu của Cục Chăn nuôi, hiện cả nước có khoảng 220 triệu con gia cầm, 8,5 triệu con bò, 27 triệu con heo Mỗi năm, ngành chăn nuôi thải ra môi trường trên 73 triệu tấn chất thải rắn và 30 triệu khối chất thải lỏng, trong đó có khoảng 50% chất thải rắn và 80% chất thải lỏng được xả thẳng ra tự nhiên hoặc không thông qua xử lý, từ đó đã gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Do vậy, khắc phục vấn để ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi nói chung và nuôi heo nói riêng, các nhà chuyên môn đã chú trọng đến vấn đề xử lý phân và chất thải Trong đó, giải pháp xây dựng hầm biogas được xem là thiết thực và hiệu quả để phát triển chăn nuôi bền vững

Trong thực tế, các bể Biogas đã có mặt tại Việt Nam từ năm 1960 và nhất là sau năm 1975 đã được nhiều cơ quan nghiên cứu, triển khai Tuy nhiên phải đến năm

2002 với sự hỗ trợ kinh phí từ phía Chính phủ Hà Lan việc triển khai mới được thực hiện với tốc độ nhanh chóng, từ năm 2003 đến cuối năm 2007 đã xây dựng và đưa vào sử dụng được 27000 bể tại 24 tỉnh, thành phố Việc ứng dụng và phát triển chương trình khí sinh học trong chăn nuôi là rất cần thiết, có một ý nghĩa kinh tế

-xã hội và môi trường rất lớn, không những giúp cho nông dân xử lí được nguồn chất thải trong chăn nuôi, nông nghiệp, hộ gia đình để tạo ra nguồn năng lượng sạch và rẻ tiền phục vụ cho sinh hoạt hằng ngày, góp phần bảo vệ sức khoẻ, giảm sức lao động cho phụ nữ và trẻ em Đồng thời, giúp hạn chế nạn phá rừng và giảm lượng phát thải khí nhà kính Ngoài ra, còn tận dụng được phụ phẩm biogas chuyển thành các loại phân hữu cơ vừa có chất lượng cao vừa an toàn (không có mầm bệnh), lại không có mùi hôi thối, giàu dinh dưỡng cây trồng dễ hấp thu, dễ chuyển thành chất mùn làm cải thiện chất đất, hạn chế sử dụng phân bón hoá học, giảm chi phí trong sản xuất, giúp nâng cao năng suất chất lượng cây trồng, tăng hiệu quả kinh tế và thu nhập cho hộ gia đình

Chương II : CÔNG NGHỆ KHÍ BIOGAS

I Nguyên liệu:

Là các phế liệu trong sản xuất nông, lâm nghiệp, và các hoạt động sống sản xuất

và chế biến nông lâm sản Hoặc phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện nay trong các hầm biogas của nước ta

Khả năng cho phân và thành phần hoá học của phân gia súc, gia cầm

Vật nuôi

Khả năng cho phân hằng ngày của 500kg

Vật nuôi

Thành phần hoá học (% khối lượng phân tươi)

Thể tích (m3)

Trọng lượng tươi (kg)

Chất tan

dễ tiêu

Bò sữa

Bò thịt

Lợn

Trâu

Gia cầm

0,038 0,038 0,028 -0,028

38,5 41,7 28,4 6,78 31,3

7,98 9,33 7,02 10,2 16,8

0,38 0,70 0,83 0,31 1,20

0,10 0,20 0,47 -1.20

20-25 20-25 20-25 -7-15

*Xử lí nguyên liệu:

Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất phong phú, đa dạng và trước khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ, xủ lí sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng: Giàu cellulose, ít ligin, NH4+ ban đầu khoảng 2000mg/l, tỉ lệ cacbon/nitơ: 20/30, nguyên liệu phải được hoà tan trong nước…

Ảnh hưởng của các loại phân đến sản phẩm và thành phần của khí thu được:

Nguyên liệu Sản lượng khí m3/kg

phân khô

Hàm lượng

CH4 (%)

Thời gian lên men (ngày) Phân bò

Phân gia cầm

Phân gà

Phân heo

Phân người

1,11 0,56 0,31 1,02 0,38

57 69 60 68

-10 9 30 20 21

Pha chế nguyên liệu và hỗn hợp khí sau khi lên men ở 21 o C.

Nguyên liệu Sản lượng khí m3/kg

nguyên liệu

Thành phần sau 21 ngày (%)

Phân bò

Phân bò + 0,4% bã mía

Phân bò + 1% tro bếp

Phân bò + 1% cellulose

Phân bò + 0,4% bã mía

+ 1% ure

Phân bò + 1% lá tạp

(1,7N)

0,063 0,071 0,061 0,084

0.081 0,081

0,21 0,21 0,19 0,21

0,26 0,22

60,0 57,6 60,4 52,8

68,0 68,0

1,1 2,1 2,9

-34,4 38,4 34,4 44,0

30,6

-II Khái niệm :

Biogas hay khí sinh học, là một hỗn hợp khí sản sinh từ sự phân huỷ 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 la CH4 (50-60%) và CO2 (30-40%), còn lại là các chất khác như : hơi nước, N2, O2, H2S, CO được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40oC

III: Các vi sinh vật trong bể Biogas:

Sự tăng trưởng của vi khuẩn và các vi khuẩn trong bể tuỳ thuộc loại phân bón sử dụng, và điều kiện nhiệt độ Có hai nhóm vi khuẩn tham gia trong bể Biogas là: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhóm vi khuẩn sinh khí methane

*Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose:

Những vi khuẩn này đều có enzyme cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết là 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 dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhóm vi khuẩn sinh khí methane

Hình ảnh vi khuẩn trong họ Clostridium.

Hình ảnh vi khuẩn Bacillus cereus

Vi khuẩn và sản phẩm tạo ra:

Clostridium carnefectium

Clostridium cellobinharus

Clostridium dissolves

Clostridium thermocellaseum

Bacillus cereus

Bacillus knolkampi

Bacillus megaterium

Bacterodies succigenes

Pseudomonas

Ruminococcus sp

A.formic, A.acetic A.lactic, Etanol, CO2

A.formic, A.acetic A.lactic, A.sucinic, Etanol A.acetic, A.lactic

A.acetic, A.lactic A.acetic, A.lactic A.acetic, A.sucinic A.formic, A.acetic, A.lactic, A.sucinic, Etanol A.formic, A.acetic, A.sucinic

*Nhóm vi khuẩn sinh khí methane:

Nhóm này rất chuyên biệt và được nghiên cứu kĩ 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) Các vi khuẩn này đều có hai coenzyme đặc thù là: Coenzyme M (2.mercaptoethan – sulfonic - acid) và coenzyme F420 (Một loại flavin

mononucleotide) Hai coenzyme này đều là reductase, nghĩa là chúng tải electron từ những chất cho electron đến một chất khác để khử hoà chất đó

Mỗi loài vi khuẩn sinh khí methane 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 sinh khí methane

Có như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để

Điều kiện cho các vi khuẩn sinh khí methane phát triển mạnh là phải có lượng

CO2 đầy đủ trong môi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5mg/g bùn lắng), tỉ lệ C/N=1:20 tốt nhất là cung cấp nitơ từ cacbonat amon, clorua amon

Trong quá trình lên men kỵ khí các loài vi sinh vật 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 khí , tác động canh tranh dinh dưỡng,…Mức độ tiêu diệt của các vi sinh vật trong quá trình kỵ khí từ 80-100% (đối với Myobacterium, thời gian lưu trong bể Biogas là từ 6-20 ngày)

Vi khuẩn và sản phẩm:

Methanobacterium omelianskii

Methanopropionicum

Methanoformicum

Methanosochngenii

Methanosuboxydans

Methanosarcina barkerni

Methanococcusvanirielli

Methanorumin anticum

Methanococcusmazei

Methanosarcinamethanica

CO2, H2, rượu bậc I, rượu bậc II A.propionic

H2,CO2, A.formic A.acetic

A.butyric, A.valeric, A.capropionic

CO2, H2, A.acetic, Metanol

H2, A.formic

H2, A.formic A.acetic, A.butyric A.acetic, Abutyric

III Quá trình tạo khí sinh học trong bể Biogas:

Sự tạo thành khí sinh học là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 , CO2 và một số chất khác Quá trình được thực hiện theo nguyên tắc phân huỷ kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm khí đã phân huỷ từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hoà tan Sự phân huỷ kỵ khí diễn ra qua nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với sự tham gia của các chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó là sự phân huỷ protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glycerin, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin, cùng các chất độc hại như: Tomain (Độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như: Indol, Scatol Và cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó không phân huỷ được dễ dàng bởi vi khuẩn yếm khí như: lignin, cellulose

Qúa trình tạo khí sinh học có thể diễn ra theo con đường, mỗi con đường gồm hai giai đoạn:

*Con đường thứ nhất:

Giai đoạn 1:

- Sự acid hoá cellulose:

(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH3COOH

- Sự tạo muối:

Các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là NH4OH) sẽ kết hợp với acid bazơ

CH3COOH + NH4OH → CH3COONH4 + H2O

Giai đoạn 2:

- Lên men methane do sự thuỷ phân của muối hữu cơ

CH3COONH4 + H2O ↔ CH4 + CO2 + NH4OH

*Con đường thứ hai:

Giai đoạn 1:

- Sự acid hoá:

(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH3COOH

- Thuỷ phân acid tạo CO2 và H2:

CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 4H2

Giai đoạn 2:

- Methane được tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Giai đoạn một, có sự tham gia của nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose, các vi khuẩn này đều có enzyme cellulosase Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử được vi sinh vật chuyển thành các chất có trọng lượng thấp hơn acid hữu

cơ, đường, glycerin…(gọi chung là hydratcacbon)

Giai đoạn hai là giai đoạn phát triển mạnh các loài vi khuẩn sinh khí methane,

để chuyển hầu như các chất hydratcacbon thành CH4 và CO2 Đầu tiên là sự tạo thành các acid hữu cơ nên PH giảm xuống rõ rệt Các acid hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân huỷ tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2,

N2, H2, CH4 Các vi khuẩn sinh khí methane phát triển rất mạnh và chuyển hoá rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4

Vi sinh vật sinh methane theo nhiều cơ chế khác nhau như sau:

8H2 + 2HCO3- + 2H+ ↔ 2CH4 + 6H2O

CH3CH2OH + CO2 ↔ CH3COO- + H+ + CH4

CH3CHOHCOO- + H2O → 2CH3COO- + CH4 + HCO3

4CH3CH2OH + 3H2O ↔ 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3

CH3CH2CH2COO- + 2H2O + HCO3- ↔ 4CH3COO- + H+ + CH4

CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3-

4HCOOH + H2O → CH4 + 3HCO3- + 3H+

Methanol:

4CH3OH → 3CH4 + HCO3- + H2O + H+

Methylamine thuỷ phân tạo methane:

4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+

2(CH3)2NH2+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+

4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + H+

Như vậy, biogas được hình thành trong môi trường kỵ khí dưới tác dụng của enzyme cellulosase và nhóm vi khuẩn sinh khí methane, trong đó vai trò của

enzyme cellulosase là phân huỷ các chất hữu cơ thành các chất có phân tử thấp hơn, các chất này nhờ nhóm vi khuẩn sinh khí methane tac dụng với nhau tạo thành khí methane có khả năng đốt cháy sinh năng lượng

IV Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo khí sinh học:

*Điều kiện yếm khí

Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn

*Nhiệt độ

Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 450C, và hai là

thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 450C Nhiệt độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai

Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methane rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép là 10C trong mỗi ngày

Nhiệt độ dưới 100C làm vi khuẩn hoạt động kém và gas sẽ không được sinh ra hoặc rất ít Tuy nhiên, là chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu

Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 320C là thuận lợi cho hoạt động của vi sinh, sinh khí methane

*PH

PH cũng góp phần quan trọng đối với hoạt động sống của vi khuẩn sinh khí methane Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp ở pH 6,5 – 7 Khi pH lớn hơn 8 hay nhỏ hơn 6 thì hoạt động của nhóm vi khuẩn giảm nhanh

*Ẩm độ

Ẩm độ đạt 91,5 – 96% thì thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm

độ lớn hơn 96% thì tốc độ phân hủy chất hữu cơ có giảm, sản lượng khí sinh ra thấp

*Thành phần dinh dưỡng

Để đảm bảo quá trình sinh khí bình thường và liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Thành phần chủ yếu của nguyên liệu phải cấp là C và N; với carbon ở dạng là carbohydrate, còn nitơ ở dạng nitrate, protein, amoniac Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C và N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N Tỉ lệ thích hợp sẽ đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của vi sinh vật kỵ khí, trong đó C sẽ tạo năng lượng còn N sẽ tạo cơ cấu của tế bào Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N 25/1 – 30/1 thì sự phân hủy

kỵ khí xảy ra tốt

*Hàm lượng chất rắn

Để hầm ủ hoạt động tốt thì hàm lượng chất rắn nên chiếm dưới 9%, hàm lượng này thay đổi theo mùa thường từ 7 – 9% Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt độ cao khả năng sinh gas tốt thì hàm lượng chất rắn trong thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao hơn có thể chấp nhận và ngược lại tỉ lệ chất rắn trong nước phân heo 6% là tối ưu nhất để sinh gas trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, với nhiệt độ trung bình 25 - 27oC

*Các chất độc gây trở ngại quá trình lên men

Vi khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hưởng các độc tố và các hợp chất hữu cơ Theo nghiên cứu các chất sau đây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí

*Hầm ủ

Khả năng sinh gas từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau:

- Thể tích của hầm ủ biogas

- Thể tích chất lỏng chứa bên trong hầm

- Thời gian lưu lại của dịch phân

- Từng loại phân khác nhau

- Tỉ lệ phân nước dịch phân quá loãng thì lượng phân không đủ để phân hủy, ngược lại dịch phân quá đặc sẽ gây cứng hầm ủ và cản trở quá trình thoát khí

Ngoài ra yếu tố nhiệt độ, pH, số lượng vi sinh vật cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo gas

Tỉ lệ phân nước theo một số tác giả đã điều tra biến thiên từ 1/12 – 1/4 -1/7 thì

tỉ lệ phân nước là tốt nhất khi đó sự phân hủy trong hầm ủ rất tốt, dịch thải ra rất tốt có màu đen sậm

Khả năng sinh gas của một số loại phân

(lít/kg/phân)

Lượng phân gia súc (kg/ngày)

Chương III: BỂ BIOGAS

I Hoạt động của bể Biogas:

Bể Biogas hoạt động theo chu trình gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tích khí và giai đoạn sử dụng khí Giai đoạn tích khí: lúc bắt đầu, áp suất khí bằng 0 khí bắt đầu sinh ra và tích lại ở phần trên của bể phân giải Khối không khí được tích ngày càng nhiều và đẩy dịch phân giải dâng lên ở bể điều áp và ống lối vào Bề mặt dịch phân giải trong bể phân giải dần hạ xuống còn bề mặt dịch trong bể điều áp tăng lên Nếu khí không được sử dụng, dịch phân giải sẽ tiếp tục tăng và đến một lúc nào đó sẽ tràn khỏi bể điều áp qua đường xả tràn

Giai đoạn sử dụng khí: Khi khí được lấy đi sử dụng, bể mặt dịch ở bể điều áp giảm xuống và bề mặt dịch phân giải ở bể phân giải tăng dần lên Khi độ chênh giữa 2 bề mặt dịch này bằng 0, thiết bị sẽ trở lại trạng thái ban đầu của chu trình hoạt động

II Mô tả kĩ thuật Biogas:

*Có hai loại hầm Biogas chính:

Loại hầm gây men chất hưu cơ theo mẻ

Loại hầm gây men chất hữu cơ liên tục

1 Loại hầm gây men hữu cơ theo mẻ.