Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí

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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.4 Một số chất ức chế quá trình sinh khí metan (US.EPA, 1979) 15 1.5 Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí 18 1.6 So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu khí 20 2.1 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí glucozơ 27 2.2 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí tinh bột 30 2.3 Thành phần nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí protein 31 3.1 Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ 32 3.2 Thể tích khí metan sinh ra trong quá trình phân hủy yếm khí 36 gam glucozơ 33 3.3 Thể tích biogas sinh ra trong quá trình phân hủy yếm 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

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 ……… 5

1.3 Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học……… 5

1.4 Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ……… 20

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……… 22

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu……… 22

2.2 Thiết bị và hoá chất nghiên cứu……… 22

2.3 Quy trình thực nghiệm……… 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN……… 32

KẾT LUẬN ……… 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 45

1

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 dụng khí sinh học Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải

Tương tự như vậy, một lượng lớn rác thải đô thị và rác thải chế biến nông sản, chẳng hạn như đường và sắn, cũng chưa được sử dụng đúng mức và cả hai loại chất thải này đều gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường và lãng phí tài nguyên

Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí đã trở thành một hệ thống được áp dụng rộng 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

3

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 khí Biogas với công suất 2 triệu m3/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 Lâm Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m3/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 CO2, H2O, CH4, H2S…

VSV yếm khí là những VSV sống trong điều kiện không có oxy, chúng rất đa dạng và phong phú về chủng loại

1.3 Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học

Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí

1.3.1 Nguyên liệu

Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình 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:

6

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

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

Vi khuẩn

CO2Axetat

CH4

H2

CO2

Chất hữu cơ Lên men

yếm khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S

7

Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz, pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất không hòa tan) thành các đường đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài Tuy nhiên các chất hữu cơ như xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các VK ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các VK ở giai đoạn 2 và 3 Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật

độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi trường như: pH và nhiệt độ…

Các phản ứng ở giai đoạn thủy phân:

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 CO2, 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

Tinh bột  amylaza  Glucozơ

Xenlulozơ  zenlulaza  Mantozơ + Glucozơ

Lipit lipaza   Tổng axit + Rượu đa chức

Protein  proteaza  Peptit  proteaza  Axit amin

8

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

etanol

9

1.3.2.3 Giai đoạn sinh khí metan

Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH4 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, CO2 và H2 để sản xuất metan, trong đó axít axetic là nguyên liệu chính với 70% metan được sinh ra từ nó Phần metan còn lại được sản xuất từ CO2 và

H2, một ít từ axít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm

số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí, pH của giai đoạn này lớn hơn 7

Các VK tham gia quá trình sinh khí metan gồm những loại chính được thống kê trong bảng sau

Bảng 1.2 VSV sinh metan

- Các phản ứng sinh metan gồm có

Phản ứng (1) do các VSV: Methanosochngenii, Methanococcus mazei,

Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện

4CH3CH2COOH + 2H2O → 7CH4 + 5CO2 (2)

2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 5CH4 + 3 CO2 (3)

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:

Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH4 chiếm một số lượng lớn và là khí được

sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình sinh học và nguyên liệu mà ta sử dụng

11

Khí CH4 là một chất khí không màu, không mùi nhẹ hơn không khí CH4 ở 200C, 1atm thì 1m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg

Khi đốt hoàn toàn 1m3 khí CH4cho ra khoảng 9000 kcal

Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94kg/m3, trọng lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp

Khí H2S chiếm một lượng ít nhưng có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng của hệ thống để sửa chữa

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng

1.3.4.1 Môi trường

Quá trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều VK, trong đó các

VK sinh metan là những VK quan trọng nhất, chúng là những VK kỵ khí bắt buộc Sự

có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men

1.3.4.2 Nhiệt độ

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

Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả

12

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 nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả 2 loại VK, nhiệt độ trên 60oC thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột

và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC Ở các nước ôn đới, nhiệt

độ môi trường thấp do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC 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 của hỗn hợp axit

Hình 1.5 Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và giá trị pH

Do sự nhạy cảm của VK metan hóa và sự dich chuyển cân bằng của quá trình oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động không ổn định trong vùng pH thấp Ví dụ ở nồng độ axit cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lượng hữu cơ cao Nếu tốc độ hình thành axit cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H2) thì lượng axit tích lũy sẽ làm

14

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 liệu bằng 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 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

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)

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

H2 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/SO42- từ 1,7 – 2,7 Khi tỉ lệ này tăng VK metan sẽ thắng thế và ngược lại

hệ VSV này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni Giới hạn nồng độ cho phép của các ion kim loại này là: Cr: 690 mg/l; Cu: 150 – 500 mg/l; Pb: 900 mg/l; Ni: 73 mg/l

1.3.5 So sánh quá trình xử lý yếm khí và hiếu khí

Với cùng mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, so sánh với xử lý hiếu khí, xử lý yếm khí có những lợi thế như ít tốn kém năng lượng vận hành, lượng bùn thải thấp, nhu cầu

về thành phần dinh dưỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở dạng khí metan Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trưng: tốc độ chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hôi, tính ăn mòn cao và không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu được pH thấp Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với xử lý hiếu khí được tóm tắt trong bảng 2

18

Bảng 1.5 Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp do tốc độ phát

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

CO2 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

Một trong những khác biệt quan trọng giữa xử lý yếm khí và hiếu khí là xử lý yếm khí thực hiện trong không gian kín, môi trường khí do chính hoạt động của chúng tạo thành và có thành phần khác hẳn so với không khí Sản phẩm chính hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí là khí cacbonic và metan Trong quá trình phân hủy hiếu khí, khí cacbonic hình thành được nhanh chóng chuyển vào không khí, trong khi khí cacbonic trong xử lý yếm khí thì chịu trạng thái cân bằng giữa pha khí và pha lỏng do tồn tại ở trong vùng không gian cô lập Trong nước, khí cacbonic tồn tại dưới dạng một axit yếu Nồng độ của axit cacbonic trong nước tỷ lệ thuận với nồng độ của cacbonic trong pha khí Vì vậy so với môi trường nước trong xử lý hiếu khí thì nồng độ axit cacbonic trong môi trường yếm khí cao hơn nhiều Cụ thể về một

số tiêu chí thể hiện ở bảng 3 bên dưới:

20

Bảng 1.6 So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu khí

Các đặc điểm Phương pháp kị khí Phương pháp hiếu khí

Nguồn nước

thải

Thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng, COD và BOD cao tới hàng ngàn mg/l, nhưng nồng độ các ion kim loại cần phải thấp

Thích hợp với các loại nước thải

ô nhiễm trung bình hoặc nhẹ, nếu nồng độ ô nhiễm cao phải pha loăng

Hiệu quả xử

lý

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: H2S từ nước thải có chứ sunfat, scatol từ các hợp chất chứa N

Sản phẩm sinh ra chủ yếu CO2

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 nói ở nước ta, khí sinh học là một nguồn nhiên liệu “sạch” và tiết kiệm nhất do tận