CÔNG NGHỆ BIOGAS

CƠNG NGHỆ BIOGAS GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN PHONG Email: ntphong@hcmut.edu.vn CƠNG NGHỆ BIOGAS   Biogas sản phẩm trung gian trình phân hủy yếm khí chất hữu xem nguồn lượng thay Biogas sử dụng hộ gia đình dùng để nấu ăn, cung cấp nhiệt, thắp sáng, sử dụng quan công sở để cung cấp lượng hay dùng để phát điện CƠNG NGHỆ BIOGAS Chôn lấp CTR hữu phân hủy sinh học Phân hủy kỵ khí Nước thải (nước rỉ rác) Khí thải (biogas) CTR ổn đònh để cải tạo đất hiếu khí (composting) Nhiệt, Năng lượng Khí thải Phân hữu Các dòng vật chất trình xử lý sinh học hợp chất hữu CƠNG NGHỆ BIOGAS   Vật liệu phổ biến dùng để sản xuất biogas từ bùn thải nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, bùn cống rảnh, kênh rạch có nguồn dinh dưỡng cao thích hợp cho tăng trưởng vi khuẩn yếm khí Mặc dù vài dạng số loại vật liệu sử dụng trực tiếp nguồn nguyên liệu phân bón, chúng sử dụng cho sản xuất biogas tạo nhiệt lượng 6.1 LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 6.2 CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA VÀ CÁC VI SINH VẬT 6.3 CÁC ĐIỀU KIỆN TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN BIOGAS 6.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIOGAS 6.5 SẢN XUẤT BIOGAS 6.6 SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ CƠNG NGHỆ BIOGAS   Tùy thuộc vào yếu tố thành phần vật liệu, khối lượng chất hữu áp dụng, thời gian nhiệt độ phân hủy yếm khí mà thành phần sản phẩmbiogas biến đổi: CH4 55 – 65% CO2 35 – 45% N2 – 3% H2 – 1% H2S – 1% CH4 cung cấp nhiệt lượng cao (# 9,000 kcal/m3); thông thường sản phẩm biogas cung cấp nhiệt lượng khoảng 4,500 – 6,300 kcal/m3 LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 1-Tạo nguồn lượng:    Năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm khí chất thải hữu có lợi ích cao Sản xuất biogas có số thuận lợi bù đắp nhiên liệu, than, dầu, gỗ vấn đề liên quan đến việc quản lý hệ thống mạng lưới phân phối lượng Lượng chất thải hữu cần thiết cho sản xuất biogas dồi Giảm nhu cầu sử dụng gỗ rừng nổ lực trồng rừng tương lai LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 2-Ổn đònh chất thải:  Các phản ứng sinh học xuất trình phân hủy yếm khí làm giảm nồng độ chất hữu từ 30 – 60% ổn đònh bùn để làm phân bón cải tạo đất LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 3-Cung cấp chất dinh dưỡng:   Sau phân hủy 50% N diện dạng ammonia hoà tan, thực trình nitrate hóa tạo thành NO3- Quá trình phân hủy tăng độ hữu dụng N hợp chất hữu từ 30 –60% Bùn lắng từ trình phân hủy sử dụng để ổn đònh cải tạo đặc tính vật lý đất LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 4-Ức chế hoạt tính mầm bệnh:   Trong thời gian ủ phân yếm khí chất thải phân hủy thời gian khoảng 15 – 50 ngày, nhiệt độ 350C Các điều kiện thích hợp cho việc ức chế số mầm bệnh Kỹ thuật biogas có số trở ngại chi phí cao, sản lượng biogas biến đổi theo mùa, vấn đề vận hành bảo trì 10 11 CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA VÀ CÁC VI SINH VẬT  Quá trình phân hủy hợp chất hữu phản ứng sinh hóa phức tạp bao gồm phản ứng tham gia hợp chất khác Phân hủy yếm khí Các hợp chất hữu  o o o CH4 + CO2 + H2 + NH3+ H2S Quá trình phân hủy yếm khí xuất gồm giai đoạn: Bẻ gãy liên kết polymer Hình thành acid Hình thành methane (CH4) 12 13 14 * Giai đoạn 1: Bẻ gãy liên kết polymer   Nhiều chất thải hữu có chứa phức chất polymer protein, chất béo, cacbohydrate, cellulose, lignin, số tồn dạng chất rắn không hòa tan Các polymer hữu bò bẻ gãy liên kết xúc tác vi khuẩn thủy phân, chất hữu đơn giản, hoà tan hình thành thích hợp cho vi khuẩn hình thành acid giai đoạn (hình thành acid) 15    Phản ứng thủy phân giai đoạn biến đổi protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn giản acid béo Quá trình chuyển hóa cellulose phức chất khác thành monomer đơn giản xảy chậm giai đoạn diễn nhanh giai đoạn Tốc độ thủy phân tùy thuộc vào chất dinh dưỡng nồng độ vi khuẩn, yếu tố khác pH nhiệt độ 16 * Giai đoạn 2: Hình thành acid   Các monomer hình thành trình thủy phân biến đổi thành acetic acid, H2 CO2 Các acid béo bay (VFA) hình thành sản phẩm sau trình trao đổi chất vi khuẩn Khí CO2 H2 sinh trình dò hóa carbohydrate, với methanol CH3OH, rượu đơn giản, sản phẩm trung gian việc phá vỡ carbohydate 17 * Giai đoạn 3: Hình thành methane   Vi khuẩn methane phát triển điều kiện yếm khí, tốc độ tăng trưởng chậm vi khuẩn giai đoạn Vi khuẩn methane sử dụng acetic acid, methanol, CO2 khí H2 để sản xuất methane Acetic acid đóng vai trò quan trọng chất dinh dưỡng để hình thành methane, khoảng 70% CH4 sản xuất từ acetic acid 18   Một số chất khác tham gia vào trình hình thành CH4 acid formic đóng vai trò không quan trọng, không diện thường xuyên trình lên men yếm khí Vi khuẩn methane phụ thuộc vào vi khuẩn giai đoạn Ví dụ, hợp chất N hữu phải khử thành ammonia thích hợp cho việc sử dụng cách hữu hiệu vi khuẩn methane 19   Vi khuẩn methane giúp trung hoà pH bùn biến đổi acid béo bay thành CH4 khí khác Quá trình biến đổi H2 thành CH4 vi khuẩn methane làm giảm áp suất H2 gây bể phân hủy, giúp cho hoạt động có lợi vi khuẩn hình thành acid acetic 20 10 47 Bể phân hủy kiểu Ấn Độ   Bể bao gồm ống hình trụ, thông thường làm gạch p suất bể giữ mức số gas sản xuất thu lớp bề mặt Bộ phận bao phủ thông thường làm loại thép nhẹ, vấn đề ăn mòn nên chúng thay ferrocement, nhựa, sợi thủy tinh Để giảm nhiệt bể phân hủy chôn đất 48 24 49   Bể phân hủy chất thải cho vào theo kiểu bán liên tục lượng chất thải đầu lượng vật chất đưa vào Dạng thiết kế đơn giản việc xây dựng bảo trì, không đòi hỏi người có kinh nghiệm xây dựng Bể phân hủy kiểu n Độ Trung Quốc sử dụng phổ biến giới 50 25 Bể phân hủy dạng dòng chảy    Bể thiết kế dạng bao gồm mương cắt thành rãnh dài đất lót xung quanh bêtông màng không thấm Bể phân hủy bao phủ chất bao phủ mềm dẻo nằm mặt đất đóng vai trò bình chứa gas bêtông hay sắt mạ điện Bể chứa vật liệu cho vào theo kiểu bán liên tục vò trí đặt cuối đáy bể Bể phân hủy dạng túi có ưu điểm nhẹ, dễ thiết lập bền chi phí thấp, khí sinh tích lũy lớp mặt thu gom qua đường ống thu khí 51 52 26 53 Bể phân hủy kinh điển truyền thống   Bể phân hủy kiểu dùng để xử lý bùn nhà máy xử lý bùn từ hệ thống cống rãnh Lượng khí sinh để cung cấp lượng nhà máy xử lý cung cấp nhiệt cho bể phân hủy Thành phần bể pha trộn hoàn lưu lại bùn bò phân hủy, phận loại trừ bọt, váng, phận thu khí, phận lấy bùn lắng phân hủy 54 27 55 SẢN XUẤT BIOGAS     Tỷ lệ suất biogas hình thành tính đơn vò khối lượng chất thải hữu biến đổi lớn tùy thuộc vào vật liệu đầu vào điều kiện môi trường bể phân hủy, biogas sản xuất 0.2 – 1.11 m3/kg chất rắn khô, CH4 chiếm từ 57 – 69% Trong trình phân hủy yếm khí lượng chất hữu phân hủy tính theo phương pháp (BODL) biến đổi thành sản phẩm chính: CH4 , CO2 , NH3 , H2 loại khí khác Tế bào sinh học 56 28 SẢN XUẤT BIOGAS Chất hữu dùng để sản xuất CH4 = Chất hữu (ổn đònh – sản xuất tế bào) = BODL ổn đònh – BODL sản xuất tế bào  (6-1) (6-2) Mối quan hệ BODL CH4 hình thành mô tả sau: C6H12O6  3CH4 + 3CO2 (6-3) 3CH4 + 6O2  3CO2 + 6H2O (6-4)  57 SẢN XUẤT BIOGAS  Từ phương trình cân phản ứng: 180 kg glucose sản xuất 48 kg CH4 180 kg glucose sản xuất 192kg BODL Do 1kg BODL sản xuất: = (48/180) x (180/192) kg CH4 = 0.25 kg CH4 = 0.25kg x (103mol/16kg) x (22.4L/1mol) x (1m3/103L) = 0.35m3 CH4  58 29 SẢN XUẤT BIOGAS Thể tích CH4 sản xuất m3/ngày = 0.35 BODL(ổn đònh – sản xuất tế bào) (6-5) BODL ổn đònh =EQSo (103g/kg)-1 kg/ngày (6-6)  Trong đó: E hiệu ổn đònh chất thải Q: lưu lượng nước thải m3/ngày So: BOD đầu vào, g/m3 59 SẢN XUẤT BIOGAS  C5H7O2N + 5O2  5CO2 + NH3 + 2H2O + lượng kg O2/kg tế bào = 160/113 = 1.42 BODL = 1.42 x Px (6-7) Px : khối lượng tế bào sản xuất 60 30 SẢN XUẤT BIOGAS  Từ phương trình Monod, cân vật chất bể phản ứng hoàn lưu tế bào, Px tính theo kg/ngày: Px = (QYESo)/( + kd c ) x 10-3 (6-8) Y : hệ số sinh trưởng vi khuẩn yếm khí (0.05) Kd : số tốc độ phân hủy nội bào vi khuẩn yếm khí (0.01 – 0.03 ngày-1) c : thời gian lưu tế bào, ngày 61 SẢN XUẤT BIOGAS   Thay 6-5, 6-6 6-7 vào 6-8 ta có: Thể tích CH4 sinh là: m3/day = 0.35EQSo(10-3)(1 – (1,42Y) / (1 + Kdc) (6-9) Nếu biết giá trò Y, Kd, E tính giá trò CH4 62 31 SẢN XUẤT BIOGAS   Ví dụ 6.1: Nhà máy sản xuất bột mì, nước thải có đặc tính sau: Lưu lượng Q = 100m3/ngày BOD5 = 10,000mg/l HRT = 10 ngày Xác đònh sản lượng CH4 sản xuất từ bể phân hủy bùn Giả sử giá trò c: 10 ngày, E = 0.65, Y: 0.05 Kd : 0.02 ngày-1 63 SẢN XUẤT BIOGAS  Lời    Giải: CH4 sản xuất = 0.35 (0.65) (100) (10,000) (10-3) x 1-  1.42 (0.05)/ + 0.02 (10) = 214.m3/ngày Thể tích bể phân hủy: 100m3/ngày x 10 ngày = 1,000 m3 Do thể tích bể lớn chia bể làm bể tích là: 500 m3 64 32 SẢN XUẤT BIOGAS Ví dụ 6.2: Một hộ gia đình có người cần khoảng 10 m3 methane để sử dụng sinh hoạt hàng ngày Xác đònh kích thước bể phân hủy biogas bước trình vận hành để làm tối ưu lượng khí sản xuất Vật liệu thô ban đầu bùn rơm Bùn Rơm Carbon hữu (C), 48 43 % tổng chất rắn (N), % 4.5 0.9 Tổng chất rắn bay (TVS), % tổng chất rắn 86 77 Độ ẩm 82 14  65 SẢN XUẤT BIOGAS Khối lượng riêng bùn 1.1 kg/L rơm 0.1 kg/L; thời gian lưu nước bể (HRT) 30 ngày   Lời Giải: Gọi m1 m2 trọng lượng khô bùn rơm dùng vào bể phân hủy (kg/ngày) Điều kiện tối ưu để phân hủy kỵ khí C/N = 25/1 66 33 SẢN XUẤT BIOGAS (0.48 m1 + 0.43 m2)/(0.045 m1 + 0.009 m2) = 25 => m2/m1 = 0.645/0.205 = 3.15 (6-10)  Chọn tỷ lệ methane sản xuất là: 0.3m3/kg TVS    Do TVS cần thiết là: 10/0.3 # 33.33 kg Hay là: 0.86 m1 + 0.77 m2 = 33.33 (6-11) Dựa vào phương trình (6-10) (6-11) ta có kết quả: m1 = 10.16 kg/ngày; m2 = 32 kg/ngày 67 SẢN XUẤT BIOGAS Trọng lượng ướt bùn là: 10.16/0.18 = 56.44 kg/ngày  Trọng lượng ướt rơm là: 32/0.86 = 37.22 kg/ngày  Thể tích bể phân hủy = (Tổng chất rắn bay hơi/ngày)/(Chất rắn bay sử dụng/m3-ngày)  Thông thường chất rắn bay sử dụng/ngày = 1–4 kg VS/ (m3 – ngày) Chọn kg VS/m3 – ngày  68 34 SẢN XUẤT BIOGAS      Thể tích bể phân hủy là: 33.33/2 # 17 m3 ; thể tích lưu giữ gas 1/3 thể tích bể Để cung cấp khoảng không gian lưu trữ gas thể tích bể phân hủy 22– 25m3 Thời gian lưu bể thông thường từ 10–60 ngày chọn trò số 30 ngày Thể tích chất thải cho vào bể ngày 17m3/30 ngày = 0.57m3/ngày = 570 L/ngày Thể tích chất thải cho vào bể phân hủy ngày: (56.44/1.1) + (37.22/0.1) =423.5 lít Thể tích nước cho vào chất thải ngày 570 – 423.5 = 146.5 l/ngày 69 SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ  1-Biogas Dựa vào giá trò nhiệt biogas (4,500 – 6,300 kcal/m3) Ước tính đốt hoàn chỉnh 1m3 biogas có thể: Chạy độïng 2HP Cung cấp 1.25 kw-h điện Cung cấp nhiệt để nấu bữa ăn ngày cho người Cung cấp 6h cho bóng đèn 60w Chạy tủ lạnh công suất m3 khoảng 1h Chạy máy ủ công suất m3 khoảng 0.5h Vì m3 biogas # 0.4 kg dầu diesel; 0.6 kg xăng; 0.8 kg than 70 35 •MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỂ LÀM SẠCH SẢN PHẨM BIOGAS   Loại trừ CO2: CO2 tan tương đối tốt nước dùng tháp rửa nước phương pháp đơn giản để loại trừ CO2từ biogas Phương pháp có nhược điểm cần lượng nước lớn CO2 loại trừ cách hấp thụ dung dòch kiềm (NaOH, Ca(OH)2, KOH) 71  phản ứng liên tục dùng để loại trừ CO2 dung dòch NaOH là: NaOH + CO2  Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O  NaHCO3  NaHCO3 kết tủa loại trừ khỏi dung dòch  Vôi Ca(OH)2thì phong phú không đắt tiền sử dụng để loại trừ CO2 Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O CaCO3 kết tủa loại trừ khỏi dung dòch kg vôi m3 nước loại trừ 300 lít CO2 860 lít biogas (giả sử CO2 chiếm 35%) 72 36 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỂ LÀM SẠCH SẢN PHẨM BIOGAS   Loại trừ H2S: Na2CO3 dùng loại trừ H2S từ biogas, thời gian tiếp xúc cần đủ lớn để phản ứng xảy H2S+ Na2CO3  NaHS + NaHCO3  Phương pháp đơn giản kinh tế cho biogas qua lớp mạc sắt oxýt sắt Fe2O3 trộn với gỗ bào Phương pháp gọi “rửa khí thô” 73   Phản ứng trình loại trừ H2S là: Fe2O3 + H2S  Fe2S3 + H2O Fe2O3 phục hồi lại cách phơi làm nóng Fe2S3 không khí (hoặc oxygen) theo phản ứng sau đây: Fe2S3 + 3O2  Fe2O3 + 3S2 74 37 SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ    2-Bùn từ bể phân hủy: Mặc dù sau trình phân hủy hàm lượng chất hữu cơ, chất rắn nitrogen giảm nồng độ mức cao cần phải xử lý trước thải bỏ Bùn chứa nhiều loại mầm bệnh cần phải ý tiến hành thải bỏ Hàm lượng N bùn cao dùng để làm ủ phân compost, dùng để làm thức ăn ao cá bón phân cho đất 75 38 ... dụng cho sản xuất biogas tạo nhiệt lượng 6.1 LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 6.2 CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA VÀ CÁC VI SINH VẬT 6.3 CÁC ĐIỀU KIỆN TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN BIOGAS 6.4 CÁC PHƯƠNG... kcal/m3 LI ÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA CÔNG NGHỆ BIOGAS 1-Tạo nguồn lượng:    Năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm khí chất thải hữu có lợi ích cao Sản xuất biogas có số thuận lợi bù đắp... TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN BIOGAS 6.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIOGAS 6.5 SẢN XUẤT BIOGAS 6.6 SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ CƠNG NGHỆ BIOGAS   Tùy thuộc vào yếu tố thành phần vật liệu, khối