Chuyên đề biogas

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LỚP : DH06HH CHUYÊN ĐỀ BIOGAS VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOGAS GVHD: Ts.Vương Thị Việt Hoa SVTH: Võ Yến Phương MSSV: 06139125 Tháng 12-2008 1 I. M ở đầu: Tình trạng năng lượng ngày càng khan hiếm trên thế giới, đặc biệt là các loại năng lượng hoá thạch (fossil fuels) như dầu khí và than đá. Hiện nay, giá dầu thô đã bước qua ngưỡng cửa 90 Mỹ kim và có nhiều chỉ dấu sẽ tăng lên 100 Mỹ kim trong một tương lai không xa cũng như trữ lượng dầu ước ước tính sẽ cạn kiệt vào năm 2050. Tương tự, các mõ than cũng đang được khai thác tối đa tăng theo nhu cầu năng lượng của các nước trên thế giới đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ. Trung Quốc hiện tại là một nước tiêu thụ dầu hoả đứng thứ hai trên thế giới, chỉ sau Hoa Kỳ với mức tiêu thụ trên 16 triệu thùng dầu một ngày. Trước tình trạng trên, từ hơn 20 năm qua, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm loại năng lượng khác nhất là các loại năng lượng tái lập (renewables). Bài viết nầy tập trung vào một loại năng lượng gần gũi với chúng ta nhất, đó là năng lượng có được từ rác hữu cơ từ gia đình và phân chuồng của gia súc như trâu, bò ngựa vân vân… Ta hãy tìm hiểu về biogas- khí sinh học về quá trình tạo ra biogas. II. T ổng quan về biogas. 1.Biogas là gì? Là một dạng khí sinh học được tái tạo từ quá trình phân hủy những chất thải của con và động vật trong điều kiện hầm kín. Nhờ hoạt động của các vi sinh vật, các chất thải này sẽ lên men và tạo khí, được sử dụng làm khí đốt và chạy động cơ đốt trong. Biogas được xem như là một loại năng lượng sinh học có được từ sự nén hoặc khữ (digestion) hay lên men (fermentation) trong điều kiện yếm khí (anaerobic) của những vật chất có nguồn gốc hữu cơ như phân chuồng, bùn (sludge) trong hệ thống cống rãnh), rác phế thải gia cư, hoặc các loại rác hữu cơ có thể bị sinh phân huỷ (biodegradable waste). Các biogas chính yếu trong những điều kiện kể trên gồm khí methane và khí carbonic (CO 2 ) và một số khí thải khác như nitrogen (N 2 ), Hydrogen (H 2 ), hydrogen sulphide (H 2 S) và oxygen (O 2 ). 2.Phân loại biogas: Tuỳ theo nguồn gốc phát sinh ra khí , những loại năng lượng sinh học có nhiếu tên khác nhau như: khí ẩm ướt (swamp gas), khí ẩm từ cây cỏ (marsh gas), khí bãi rác (landfill gas), và khí nén (digester gas). 3.Nguồn gốc biogas: 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. 2 4.Bản chất kị khí của biogas: Thành phần chính của biogas: CH 4 , CO 2 , N 2 , H 2 , H 2 S…, trong đó CH 4 , CO 2 là chủ yếu. 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: a) 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) b) 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). Bể Biogas III. 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. 1.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. 3 2.Nhóm vi khuẩn sinh khí mêtan: 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 mêtan: Cơ chế 2 giai đoạn: a) 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 b) 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 Các giai đoạn này chụi sự ảnh hưởng của vi khuẩn bacillus, acetogenic bacteria ( vi khuẩn tổng hợp acetat), và một số loại vi khuẩn khác Sau đây là một số hình ảnh của vi khuẩn bacillus: 4 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. IV. Các loại hầm biogas thông dụng hiện nay: 1.Loại hầm gây men chất hữu cơ theo mẽ. 2.Loại hầm lên men chất hữu cơ liên tục: Loại hầm sinh khí kiểu vòm cố định: 5 Loại hầm sinh khí có nấp đậy di động: Loại hầm sinh khí kiểu túi: 3.Cơ chế làm sạch biogas: Có 2 quá trình cần làm sách biogas: a) Loại trừ CO 2 : Dùng bazo tham gia vào quá trình này: KOH, NaOH, Ca(OH) 2 NaOH + CO 2 à Na 2 CO 3 + H 2 O Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O à NaHCO 3 Ca(OH) 2 + CO 2 à CaCO 3 + H 2 6 b) Loại trừ H 2 S: Dùng Na 2 CO 3 hoặc hợp chất sắt H 2 S + Na 2 CO 3 à NaHS + NaHCO 3 Fe 2 O 3 + 3H 2 S à Fe 2 S 3 + H 2 O Ta phải thu hồi lại Fe 2 O 3 qua phản ứng sau: 2Fe 2 S 3 + 3O 2 à 2Fe 2 O 3 + 3S 2 Mặt khác ta cũng cần phải loại bùn trong bể phân hủy tạo biogas V. Thiết kế hầm biogas trong thực tế và vài mô hình tiêu biểu Thân hầm biogas xây bằng gạch, xi măng và cát, ngoại trừ nắp làm bằng bêtông cốt thép. Thể tích mỗi hầm biến đổi 4-8m 3 ngoại trừ khả năng có sẵn của phân bò và nhu cầu gas. Bình thường, một hầm có thể tích từ 7-8m3 có thể tiêu thụ hết phân của 4-5 con bò hoặc 16-20 con heo. Khi tạo gas có thể đủ cho 1-2 hộ gia đình với 8-10 người ăn. 1.Nguyên tắc hoạt động của các hầm biogas Trước tiên phân bò được trộn với nước rồi dẫn vào thân của hầm gas qua hố thu. Ngay sao khi được chứa trong hầm, phân sẽ được phân hủy để sinh ra biogas, gas sinh ra sẽ được chứa dưới nấp hầm. Trong suốt quá trình tạo gas, nếu không đun,áp lực gas dưới nắp sẽ tăng và sẽ ép lên bề mặt hỗn hợp phân và nước để đẩy nước cùng phân đã được phân hủy ra ngoài bể điều áp. Vì vậy quan sát bể điều áp, thỉnh thoảng chúng ta thấy có các bong bóng hơi nỗi lên. Các bong bóng này cho thấy phân đang được phân hủy để sinh ra gas( khí sinh học). 7 2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men, để tạo ra biogas: • Nhiệt độ • Độ pH • Tỷ lệ carbon/ nitơ • Tỷ lệ pha loãng phân • Đặc tính nguyên liệu • Tốc độ bổ sung nguyên liệu • Sự có mặt của không khí và độc tố. VI. Các lợi ích của việc sử dụng khí sinh học biogas 1.Lợi ích môi trường Lượng phân bò ở mỗi hầm của mỗi hộ gia đỉnh bị tiêu hủy một lượng đáng kể. Làm giảm khí thải nhà kính bằng cách thay thế các nguồn năng lượng phi tái tạo (LPG, dầu lửa, than củi). Quản lý phân bón thay thế phân hóa học. 2.Lợi ích kinh tế Tiết kiệm chi phí mua gas thiên nhiên. VII. Mục lục I. Mở đầu …………………………………………………… trang 2 II. Tổng quát về biogas ……………………………………… trang 2 1. Biogas la gì ……………………………. trang 2 2. Phân loại biogas ……………………… trang 2 3. Nguồn gốc biogas ……………………… trang 2 4. Bản chất kị khí của biogas …………… . trang 3 III. Các vi sinh vật của bể biogas ………………………………. trang 3 8 1. Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose………… trang 3 2. Nhóm vi khuẩn sinh khí metan ………………. trang 4 3. Cơ chế sự tạo thành khí metan……………… trang 4 IV. Các loại hầm biogas thông dụng hiện nay …………………… trang 5 1. Loại hầm gây men CHC theo mẽ…………… trang 5 2. Loại hầm lên men CHC liên tục ……………… trang 5 3. Cơ chế làm sạch biogas ………………………. trang 6 V. Thiết kế hầm biogas trong thực tế và mô hình tiêu biểu ……… trang 7 1. Nguyên tắc hoạt động của các hầm biogas ………… trang 7 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo biogas trang 8 VI. Các lợi ích của việc sử dụng khí sinh học biogas ……………… trang 8 1. Lợi ích môi trường ……………………………… trang 8 2. Lợi ích kinh tế ……………………………………. trang 8 VII. Mục lục 9 . THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LỚP : DH06HH CHUYÊN ĐỀ BIOGAS VÀ ỨNG DỤNG CỦA BIOGAS GVHD: Ts.Vương Thị Việt Hoa SVTH: Võ Yến Phương MSSV:. trâu, bò ngựa vân vân… Ta hãy tìm hiểu về biogas- khí sinh học về quá trình tạo ra biogas. II. T ổng quan về biogas. 1 .Biogas là gì? Là một dạng khí sinh học