Luận vănĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA VISINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNHTẠO RA KHÍ SINH HỌCBIOGA

Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Luận văn ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH TẠO RA KHÍ SINH HỌC BIOGA 19 Khoa mơi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Các thành viên nhóm: Lại Thị Phượng Nguyễn Thị Thu Trang Nguyễn Thị Thu Nhi Nguyễn Thị Thuỳ Trần nguyễn Duy Kha 19 Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 Mục lục Giới thiệu Phần 1: HIỆN TRẠNG CỦA KHÍ SINH HỌC Hiện trạng vai trị Thế Giới .3 Hiện trạng vai trò Việt Nam Phần 2: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TẠO RA KHÍ SINH HỌC Đặc tính khí sinh học Biogas Đặc tính khí CH4 Nguyên liệu đầu vào .8 Quá trình xử lý tạo khí sinh học vi sinh vật Những nhóm vi sinh vật tham gia q trình tạo biogas nhân tố ảnh hưởng đến chúng 11 Phần 3: KẾT LUẬN Tác dụng vai trò vi sinh vật 15 Những ưu điểm, nhược điểm .15 Một sồ ứng dụng biogas đời sống sản xuất 15 Tiềm khí sinh học Việt Nam & kiến nghị nhóm .16 Phần 4: GHI CHÚ .18 19 Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 GIỚI THIỆU Tình trạng lượng ngày khan giới, đặc loại lượng hố thạch (fossil fuels) dầu khí đá Hiện nay, giá dầu thô bước qua ngưỡng cửa 90 Mỹ kim có nhiều dấu tăng lên 100 Mỹ kim tương lai không xa trữ lượng dầu ước ước tính cạn kiệt vào 2050 Tương tự, mỏ than khai thác tối đa theo nhu cầu lượng nước giới đặc biệt Trung Quốc Ấn Độ Trung Quốc nước tiêu thụ hoả đứng thứ hai giới, sau Hoa Kỳ với mức tiêu thụ 16 triệu thùng dầu ngày biệt than năm tăng dầu Trước tình trạng trên, từ 20 năm qua, nhiều nhà khoa học giới bắt đầu truy tìm loại lượng khác loại lượng tái lập (renewables) Đó lượng có từ rác hữu từ gia đình phân chuồng gia súc trâu, bò ngựa… Theo định nghĩa biogas hay khí sinh học hỗn hợp khí methane số khí khác phát sinh từ phân huỷ vật chất hữu Methane khí tạo ảnh hưởng nhà kính gấp 21 lần khí carbonic Theo ước tính Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sử dụng tất nguồn nguyên liệu tạo khí sinh học để dùng vận chuyển lượng lượng nầy làm giảm 500 triệu khí carbonic hàng năm, tương đương với với số lượng 90 triệu xe dùng năm Do lượng tái lập ngày chiếm vai trò quan trọng đời sống sàn xuất Trong Biogas loại lượng trí chủ đạo có tiềm lớn, mà q trình xử lý tạo Biogas vi sinh vật nhân tố định thiếu giữ vị khí Đấy tiểu luận giới thiệu ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học Biogas Phần 1: HIỆN TRẠNG VỀ KHÍ SINH HỌC 1.Hiện trạng khí sinh học giới Từ cơng nghệ khí Biogas xuất giới, đáp ứng nhu cầu giảm bớt áp lực lượng Sau vài số liệu mức sản xuất khí biogas 22 quốc gia Liên Hiệp Âu Châu (EU) năm 2006 sản xuất 62.000 GWh, 32.000 GWh đến từ khí bãi rác 11.000 đến từ khí ẩm ướt từ bùn hệ thống cống rãnh Có 17.000 GWh hốn chuyển thành điện Đức quốc gia sản xuất biogas nhiều với 22.000 GWh Tại Hoa Kỳ, lượng biogas sản xuất chiếm 6% khí đốt thiên nhiên sử dụng cho tồn quốc vào năm 2006, tương đương 10 tỷ Gallons xăng Ngày 4/8/2007 vừa qua quốc hội Hoa Kỳ vừa mang dự luật Khuyến khích sản xuất khí sinh học 2007 (Biogas Production Incentive Act 2007) nhằm mục đích: 1- dùng quỷ dự trử nông nghiệp để trả 19 cho nhà sản xuất khí sinh học trước năm 2013; 2- tạo điều kiện thuận lợi cho việc vay nơ đầu tư, trợ cấp cho nhà sàn xuất mới…Từ đây, dự luật thành luật khuyến khích nơng dân đẩy mạnh dự án biến phế thải thành khí sinh học, giảm thiểm số lượng không nhỏ việc sử dụng lượng hạn chế hâm nóng tồn cầu qua việc giảm thiểm khí carbonic thải hồi vào khơng khí Khoa mơi trương tài ngun Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Hiện trạng khí sinh học Việt Nam Cơng nghệ KSH nghiên cứu ứng dụng Việt Nam từ năm đầu thập niên 60 Đặc biệt sau năm 1975 chương trình quốc gia lượng tái tạo (Chương trình 52C) đời góp phần thúc đẩy phong trào nghiên cứu ứng dụng công nghệ KSH Công tác nghiên cứu tập trung vào thiết kế thiết bị KSH quy mơ gia đình với thể tích từ – 50m3 Kết đề tài giai đoạn đưa nhiều mẫu thiết bị quan trọng ứng dụng rộng rãi người dân chấp nhận mẫu thiết bị nắp cố định NL-3 Viện Năng lượng, mẫu thiết bị nắp quy mô 100m3 Sở KHCN Đồng Nai, mẫu thiết bị nắp cố định Đại học Cần Thơ, … Công tác nghiên cứu ứng dụng công nghệ KSH phát triển mạnh từ sau năm 1995 Các quan tham gia vào hoạt động nghiên cứu triển khai công nghệ KSH Viện Năng lượng, Viện Chăn ni, Viện Nơng hố – thổ nhưỡng, Trung tâm nghiên cứu Năng lượng, trường ĐH Bách khoa Hà nội, ĐH Khoa học tự nhiên, Viện Nghiên cứu Mỏ, ĐH Bách khoa Đà Nẵng, ĐH Nông lâm TP HCM, ĐH Cần Thơ, sở KHCN tỉnh, Trung tâm Khuyến nông Quốc gia…Các dự án lớn giai đoạn bao gồm: - Dự án “Ứng dụng KSH bếp cải tiến tiết kiệm lượng” tài trợ quỹ mơi trường tồn cầu (GEF) huyện Bình Sơn tỉnh Quảng Ngãi (2001-2003), mục tiêu dự án xây dựng thiết bị KSH bếp đun cải tiến Quảng Ngãi để tiết kiệm lượng, củi gỗ bảo vệ môi trường; - Dự án “Phát triển KSH giảm hiệu ứng nhà kính” xã Phù huyện Gia Lâm -Hà nội (2000) tài trợ Trung tâm lượng mặt trời Úc với mục tiêu xây dựng 100 cơng trình KSH xử lý chất thải chăn nuôi bảo vệ môi trường giảm hiệu ứng nhà kính chất thải chăn ni gây ra; - Dự án phát triển bếp đun cải tiến bếp KSH nhằm tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường huyện Gia Viễn tỉnh Ninh Bình Các hộ dân trợ giá triệu cho cơng trình đồng thời vay khoản từ 2-3 triệu đồng với lãi suất thấp để xây dựng cơng trình - Dự án “Phát triển Năng lượng tái tạo cho tỉnh Bắc Trung Bộ” Tổ chức Phát triển Hà Lan (2001-2003) dự án lắp đặt pin mặt trời, thuỷ điện nhỏ động gió phát điện cho xã khơng có điện lưới ba tỉnh Thừa Thiên – Huế, Quảng Bình Quảng Trị, đồng thời lắp đặt cơng trình KSH phục vụ đun nấu thắp sáng để tiết kiệm điện tỉnh nêu trên; - Dự án nước vệ sinh môi trường cho tỉnh Hà Tây (1999-2003) dự án trình diễn việc kết hợp lắp đặt hệ thống KSH với cải tạo hệ thống chuồng trại, nhà tắm, nhà vệ sinh cho cộng đồng nông thôn với hỗ trợ ngân sách nhà nước ngân sách địa phương Trong giai đoạn năm chương trình tồn tỉnh xây dựng 7000 cơng trình huyện Đan Phượng huyện có số lượng cơng trình lớn tỉnh với 3650 cơng trình Phân loại cơng trình KSH huyện Đan Phượng bảng 1.1 Bảng 1.1 - Số lượng cơng trình KSH xây dựng Đan Phượng (1) 19 Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Hình 1.1 - Loại hình áp dụng công nghệ tỷ lệ hỗ trợ đầu tư - Dự án “Chương trình KSH Quảng Ngãi” tổ chức Plan tài trợ (2005-2006) Mục tiêu chương trình hỗ trợ xây dựng 76 cơng trình hai xã Nghĩa Điền Nghĩa Mỹ để bảo vệ môi trường cung cấp chất đốt Công nghệ ứng dụng thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu Viện Năng lượng (kiểu NL-5 NL-6) Trong pha I dự án chủ yếu triển khai cơng trình tích 3-5m Hình 1.2 – So sánh tình hình hoạt động cơng trình dự án - Dự án bảo vệ vùng đệm rừng quốc gia Ba Vì (tổ chức CARE – 2004-2006) Dự án triển khai Ba Vì, Hà Tây Tân Lạc Hồ Bình Trong hai năm dự án xây dựng 200 cơng trình cho hai huyện để sử dụng KSH làm nhiên liệu đun nấu giảm chặt gỗ củi từ rừng quốc gia Công nghệ áp dụng dự án thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu kiểu Viện Năng lượng (NL5 KT1) - Dự án bảo vệ vùng đệm quốc gia Tam Đảo (2005), triển tỉnh Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Thái Nguyên Yên Bái Sau năm dự án xây dựng 100 cơng trình - Dự án “Phát triển khí sinh học Ngọc Khê Phong Nậm, huyện Trùng Khánh, Cao Bằng tổ chức Bảo tồn loài Linh Chưởng FFI thực (2004-2006) Dự án xây dựng 25 cơng trình KSH với mục tiêu cung cấp KSH thay củi gỗ đun nấu cho bà dân tộc người, giảm áp lực việc thiếu hụt nhiên liệu sinh hoạt khu vực bảo vệ rừng Quốc gia cho vấn đề bảo tồn sinh thái môi trường Công nghệ áp dụng dự án kiểu KT1 - “Dự án hỗ trợ chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt nam” pha I (2003-2005) tài trợ phủ Hà Lan Dự án triển khai 12 tỉnh với mục tiêu xây dựng 12.000 cơng trình Công nghệ áp dụng dự án thiết bị nắp cố định vòm cầu kiểu KT1 KT2 Thực tế giai đoạn I dự án xây dựng 18.000 cơng trình Năm 2006 dự án mở rộng phạm vi hoạt động lên 20 tỉnh xây dựng 9600 cơng trình nâng tổng số cơng trình 19 xây dựng lên 27600 Đến cuối 2007 dự án xây dựng tổng cộng 43.000 cơng trình Khoa mơi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 Hình 1.3 – Tình hình hoạt động cơng trình thuộc dự khí sinh học cho ngành chăn ni Việt Nam Tóm lại cơng nghệ cơng trình KSH quy mô nhỏ kiểu NL5, NL6, kiểu Cần Thơ, KT1, KT2 hay thiết bị KSH nắp ….đã ứng dụng diện rộng người dân thừa nhận đạt hiệu Năm 2003 Bộ Nông nghiệp PT Nông thôn ban hành 10TCN thiết bị KSH nhỏ, sở công nghệ KSH quy mô nhỏ phát triển bền vững nhân rộng Việt Nam Sau 10 năm phát triển (1995-2005) đến cuối năm 2006 toàn quốc xây dựng khoảng 100.000 cơng trình loại, chiếm nhiều kiểu thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu Viện Năng lượng (70%), sau đến loại thiết bị túi chất dẻo theo mẫu dự án SAREC Hội Làm vườn Việt nam (VACVINA) triển khai phía Bắc ĐH Nơng lâm TP HCM triển khai phía Nam Các cơng trình tích 10m chiếm khoảng 80% phổ biến tỉnh phía Nam, tỉnh phía Bắc tỷ lệ vào khoảng 60-70% Tỉnh có số lượng cơng trình nhiều Hà Tây, Tiền Giang, Đắc Lắc, Đồng Nai, Hải Dương… KSH chủ yếu sử dụng để đun nấu thắp sáng đèn mạng Khoảng 2% số hộ có cơng trình KSH sử dụng cho đun nước nóng khoảng 1% cho sử dụng sản xuất Việc sử dụng KSH phát điện ứng dụng lẻ tẻ năm gần hộ chăn nuôi lợn từ 15-20% trở lên Viện Năng lượng, Đại học Bách Khoa Hà Nội (phối hợp với phân viện kỹ thuật cơng binh phịng robot CAPIT – Bộ Quốc phịng), Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh ĐH Đà Nẵng quan nghiên cứu thành cơng loại máy phát điện chạy khí sinh học quy mô nhỏ từ 0,5 – 10kW Các đơn vị triển khai lắp đặt chủ yếu cơng ty tư nhân, nhóm thợ xây kỹ thuật viên tỉnh, huyện Các nghiên cứu trọng vào việc cải tạo động chạy xăng diezel có sẵn thị trường sang chạy khí sinh học chưa sản xuất loại máy chạy khí sinh học trực tiếp Ưu điểm loại động cải tạo giá thành vừa phải, công tác cải tạo lắp đặt không phức tạp, người sử dụng quen thuộc với cách sử dụng loại động từ trước; nhược điểm loại máy khơng có phận lọc khí, chất lượng máy phụ thuộc chặt chẽ vào tay nghề thợ kỹ thuật, bảo hành dịch vụ sau lắp đặt chưa tốt Hiệu suất loại máy không cao (50-60%), phải sử dụng túi chứa khí để ổn định áp suất khí chạy máy Chưa có dự án thuộc loại triển khai Việt Nam Đại học Đà Nẵng hợp tác với quỹ TOYOTA dự kiến thiết kế dự án triển khai công nghệ Miền Trung Tây Nguyên với mục tiêu sản xuất lắp đặt khoảng 1000 mô hình từ 2009-2010 Những hạn chế triển khai loại máy phát điện chạy KSH chủ yếu nguyên nhân sau: 1.Chi phí cao dùng máy mới, dùng loại động cũ để cải tạo chất lượng máy kém, hiệu suất thấp; 2.Chất lượng đội ngũ kỹ thuật viên tuyến huyện, tỉnh chưa đồng không đào tạo mà chủ yếu tự tìm hiểu dựa vào kinh nghiệm thân; 3.Người sử dụng không đào tạo hướng dẫn thao tác vận hành bảo dưỡng sửa chữa nhỏ có cố, thợ kỹ thuật xa máy hỏng hóc phải chờ đợi chi phí cho cơng tác tăng lên; 4.Công tác tuyên truyền tiếp thị chưa tốt, chưa chun nghiệp mơ hình trình diễn chưa phát huy tác dụng 19 mong muốn PHẦN 2: Q TRÌNH XỬ LÝ TẠO RA KHÍ SINH HỌC 1.Đặc tính khí sinh học Khoa mơi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Khí sinh học Biogas cịn gọi khí sinh học hỗn hợp khí sản sinh từ phân hủy hợp chất hữu tác dụng vi khuẩn mơi trường yếm khí Hỗn hợp khí chiếm tỉ lệ gồm : CH4: 60 - 70% CO2: 30 - 40% Phần lại lượng nhỏ khí: N2, H2,CO,CO2…CH4 có số lượng lớn khí chủ yếu tạo lượng khí đốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng trình phân hủy sinh học Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ mơi trường, tốc độ dịng chảy… hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí Đặc tính khí sinh học biogas Khí biogas có trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94 Kg/m trọng lượng riêng thay đổi tỉ lệ CH4 so với khí khác hỗn hợp lượng H2S chiếm lượng ít, có mùi hôi, tạo thành acid H 2SO4 tác dụng với nước gây độc cho người làm hư dụng cụ đun nấu Mùi hôi chất giúp xác định nơi hư hỏng hệ thống công nghệ hầm bêtông để sữa chữa Khí biogas có tính dễ cháy hịa lẫn với tỉ lệ từ đến 25% khơng khí Nếu hỗn hợp khí mà CH chiếm 60% m3 cần m3 khơng khí Trong thực tế, khí biogas cháy tốt khơng khí hịa lẫn tỉ lệ 1/9 – 1/10 2.Đặc tính khí CH4 Khí CH4 chất khí khơng màu, khơng mùi nhẹ khơng khí CH 200C, 1atm, m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg Khí đốt hồn tồn m3 khí CH4 cho khoảng 5500 – 6000 kcal Cơ chế tạo thành khí sinh học hệ thống biogas Các chất hữu tác dụng vi sinh vật yếm khí bị phân hủy thành chất hịa tan chất khí Q trình hàng ngàn phản ứng phần lớn carbon, hydro, oxy bị chuyển hóa chủ yếu thành methane khí carbonic Một phần nhỏ nguyên tố canxi, phosphor, nitơ bị thất thoát qua phân hủy hầm 19 biogas Sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo thành acid amin, glyceryl, acid béo, acid béo bay hơi, rượu, methylamine… chất độc hại như: tomain (độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi indol, scatol Các chất cao phân tử: cellulose, lignin bị vi khuẩn yếm khí có enzyme cellulosase phân hủy theo sơ đồ phân hủy yếm khí khuẩn yếm khí cellulose Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 (C6H10O5)n -> 3nCO2 + 3nCH4 + 4,5 Calo Lượng CO2 sinh phần bị giữ lại ion K+, Ca2+, Na+, NH3+… Do hỗn hợp khí sinh có từ 60 – 70% CH Ở giai đoạn đầu chất phân hủy nhanh tinh bột, protein, đường, phần cellulose bị phân hủy trước tạo nhiều acid hữu làm chậm trình phân hủy Ngược lại chất xơ phân hủy từ từ nên gas sinh cách liên tục Nguyên liệu đầu vào Chất thải hữu dễ phân huỷ như: phân heo, phân trâu, phân bò, loại thực vật bèo, rơm rạ, rau củ phề thải sinh hoạt Phế thải cũa lò giết mổ gia súc, gia cầm, nước thải nhà máy tinh bột, lò bún Chú ý: loại nước thải có độ ph mang tính axit bazo, nước thải có chất diệt khuẩn, thành phần hố học nhiều khơng thích hợp cho vi sinh vật hệ thống biogas Thời gian lưu hệ thống biogas thích hợp 20 ngày điều kiện vùng nhiệt đới Quá trình xử lý tạo khí sinh học vi sinh vật Sự phân huỷ nguyên liệu xảy qua hai giai đoạn với hai đường khác Con đường thứ Giai đoạn - Sự acid hóa cellulose: (C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH - Sự tạo muối: Các bazơ diện môi trường (đặc biệt NH4OH) kết hợp acid hữu CH3COOH + NH4OH -> CH3COONH4 + H2O Giai đoạn Lên men methane phân hủy muối hữu CH3COONH4 + H2O -> CH4 + CO2 + NH4OH Con đường thứ hai Giai đoạn - Sự acid hóa (C6H10O5)n + nH2O -> 3nCH3COOH - Thủy phân acid tạo CO2 H2: CH3COOH + 2H2O -> 2CO2 + 4H2 Giai đoạn Methane tổng hợp từ số trực khuẩn sử dụng CO H2: CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O Vậy hai đường sinh methane phụ thuộc vào trình acid hố Nếu lên men q nhanh dịch phân có nhiều phân tử gây ngừng trệ trình lên men methane Mặt khác, vi khuẩn lên men yếm khí giai đoạn khí thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose Các vi khuẩn hầu hết trực khuẩn có bào tử nằm rải rác họ: Clostridium, Plectridium, Cacduccus, Endosponus, Terminosporus…Các chất tạo thành: CO2, H2, formate, acetate, alchohol, methylamine, rượu chất (trừ CO2) cho electron làm chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sinh khí methane (CH 4) chuyên biệt Nhóm vi khuẩn chuyên biệt có hai coenzyme đặc thù mà nhóm vi khuẩn khác chưa thấy: Coenzyme M.(2-Mercaptoetban-Sulfonic-acid) Coenzyme F420 (một loại flavin mononuc leotic) Nhóm vi khuẩn xác định Đối với polysaccharides chuyển thành monosaccharides, trải qua trình biến đổi tạo thành muối acetate, lactate, ethanol, butyrate, propionate Sau muối phân hủy tạo actate Muối actate lại thủy phân để tạo methane 19 Một số phản ứng minh họa: + * H2 + HCO3 + H -> CH4 + 3H2O * 2CH3CH2OH + 4H2O -> 2CH3COO- + H+ + CH4 + H2O * CH3-CHOH-COO- + H2O -> 2CH3COO- + CH4 + HCO3* 4CH3CH2OH + 3H2O -> 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3- Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 * 2CH3CH2CH2COO- + 2H2O + HCO3- -> 4CH3COO- + H+ + CH4 * CH3COO- + H2O -> CH4 + HCO3* 4HCOOH + H2O -> CH4 + 3HCO3- + 3H+ * Methanol 4CH3OH -> 3CH4 + HCO3- + H2O + H+ * Methylamine thủy phân tạo methane 4CH3NH3+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 2(CH3)NH2+ + 3H2O -> 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH+ + 9H2O -> 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+ Quá trình lên men chất hữu vi sinh vật yếm khí Một số tài liệu khác chia q trình tạo khí biogas thành ba giai đoạn sau: Giai đoạn I Tthủy phân lên men Giai đoạn II Giai đoạn III Tạo axid acetic, Sinh H CH 1.Phân hủy chất hửu phân tử: -Giai đọan phân hủy chất hữu phức tạp :protein, cellulose,lignin,lipids thành đơn phân tử hòa tan axit amin, glucozo, axit béo glyxerol -Quá trình xảy chậm giới hạn khả phân hủy kỵ khí số chất thải nguồn gốc xelulo,có chứa lignin -Có vi sinh vật như:Hydrolitic bacteria, Clostriclicum, Thermocellem Giai đoạn lên men axit: -Giai dọan có q trình chuyển hóa sản phẩm giai đọan thủy phân tạo axit hữu như:axetic, propionic, butyric, lactic…; alcol cetol etanol, metanol, glyxerol, axetol; axetat,CO H2 -Axetat là sản phẩn q trình lên men cacbonhydrat sản phẩm tạo thành khác tùy theo lọai vi khuẩn điều khiện nuôi cấy(nhiệt độ,pH, oxy hóa khử) -Có tham gia vi sinh vật : Bacteroides,Suminicola,Bifidobacterium Tạo nên axit -Giai đọan chuyển hóa axit hữu cơ, ancol, xeton từ giai đọan tạo thành axetic - Phương trình phản ứng: CH3CH2OH+H2O=>CH3COOH+2H2 CH3CH2COOH+2H2O=>CH3CH3COOH+CO2+2H2 CH3CH2CH2COOH+H2O=>2CH3COOH+2H2 -Vi sinh vật tham gia q trình có:syntrobacter, wolini, syntrophowalfei Khoa mơi trương tài nguyên 19 Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 Tạo Mêtan: -Là giai đọan quan trọng nhất, tác dụng vi sinh vật axetic chuyển thành Metan nhóm vi khuẩn metan chia thành nhóm phụ: + Nhóm vi khuẩn Metan hydrogenotrophic, sử dụng hydrogen tự dưỡng chuyển hydro cácbon thành metan: CO2+4H2=>CH4+2H2O + Nhóm vi khuẩn Metan acetotrophic: gọi vi khuẩn phân giải axetat, chúng chuyển axetat thành metan cácbon CH3COOH=>CH4+CO2 Q trình làm khí Biogas Hấp thụ CO2: - Khí sinh học từ hầm Biogas qua hệ thống lọc khí để loại bỏ khí CO 2, H2S nước - Trong hệ thống lọc gas khí CO2 khơng có lợi cho cháy (khi kết hợp với nước) cho sục qua nước vôi, CO hấp thụ thông qua phản ứng: CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 ¯ + H2O, CaCO3 kết tủa loại trừ khỏi dung dịch - Loại trừ CO2: Dùng KOH, NaOH, Ca(OH)2 NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2 Tách H2S: - Khí H2S khí ăn mịn sắt thép, phương pháp đơn giản để loại bỏ cho Biogas qua lớp dây sắt (phế phẩm phay tiện khí) oxyt sắt Fe2O3 trộn với gỗ bào (vỏ bào) Phương pháp gọi phương pháp “rửa khí khơ” - Trong dự án sử dụng phôi sắt để tách H2S Chất EPA (Cục Bảo vệ môi trường Mỹ) chứng nhận khơng gây nhiễm nguồn nước ngầm thải trực tiếp bãi rác Trước sử dụng phơi sắt oxy hóa để tạo thành lớp oxyt sắt bề mặt.Phơi sắt tái sử dụng từ 3-5 lần - Loại trừ H2S: dùng Na2CO3 hợp chất sắt H2S + Na2CO3 -> NaHS + NaHCO3 - Phương pháp ironfiling (Mạt sắt): Fe2O3 + 3H2S -> Fe2S3 + H2O Phục hồi Fe2O3: 2Fe2S3 + 3O2 -> 2Fe2O3 + 3S2 - Loại trừ bùn bể phân huỷ Những nhóm vi sinh vật qua trinh tạo biogas nhân tố ảnh hưởng đến chúng 5.1: nhóm vi sinh vật tham gia trình tạo biogas Sự tăng trưởng vi khuẩn vi khuẩn bể tùy thuộc loại phân sử dụng điều kịên nhiệt độ Có nhóm vi khuẩn tham gia bể biogas sau: Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose Nhóm vi khuẩn sinh khí metan 2.1 Nhóm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn có enzym cellulosase nằm rải rác họ khác nhau, hầu hết trực trùng, có bào tử (spore) Theo A.R.Prevot, chúng có mặt họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus Chúng biến dưỡng điều kiện yếm khí cho ra: CO 2, H2 số chất tan nước Format, Acetat, Alcool methylic, Methylamine Các chất dùng để dinh dưỡng tác chất cho nhóm 19 vi khuẩn sinh khí metan 2.2 Nhóm vi khuẩn sinh khí metan: Nhóm chun biệt nghiên cứu kỹ lưỡng W.E.Balch cộng tác viên USA (1997), xếp hạng thành: Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 (Order) họ (Family) 17 loài (Genus) - Họ Methanococcaceae: Có chi Methanococcus gồm sáu lồi sống môi trường ấm nhiệt độ cao H + CO2 format sử dụng làm chất sinh mêtan Phần lớn lồi cố định CO2; nguồn nitơ, lưu huỳnh sử dụng ammonium, nitơ khí, alanin, purin, sulfid lưu huỳnh tự - Họ Methanosarcinaceae:Gồm toàn loài cổ khuẩn có khả sử dụng acetat hợp chất có nhóm methyl làm chất để sinh mêtan Các lồi thuộc họ hồn tồn khơng chuyển hố format, đa số khơng có khả phát triển nguồn chất H2 + CO2 mà sử dụng acetate, methanol, H2 + CO2 làm chất sinh mêtan - Họ Methanomicrobiaceae:Gồm sáu chi với hình thái khác giống đặc điểm sinh lý Trừ trường hợp ngoại lệ cịn tất lồi sử dụng H2 + CO2 format làm chất, có khả cố định CO2, nhiên acetat pepton có tác dụng kích thích sinh trưởng - Họ Methanocorpusclaceae:Có đặc điểm gần với họ Methanomicrobia-ceae có 1chi, Methanocorpusculum, có tế bào hình cầu nhỏ Một số lồi vi khuẩn sinh khí mêtan: Methanothermus Methanospirillum Methanosarcina Methanococcus Methanomicrobium Methanobacterium Methanogenium Methanoculleus Methanosaeta Mỗi loài vi khuẩn metan sử dụng số chất định Do việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều lồi vi khuẩn metan Có trình lên men đảm bảo triệt để Điều kiện cho vi khuẩn metan phát triển mạnh phải có lượng CO2 đầy đủ mơi trường, có nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 1:20 tốt cung cấp nitơ từ cacbonnat amon, clorua amon 5.2: nhân tố ảnh hưởng • Điều kiện yếm khí Đây yếu tố ảnh hưởng lớn đến trình phân hủy chất hữu vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật hầm ủ nhạy cảm với oxygen, hầm ủ có oxygen hoạt động vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng 19 hẳn • Nhiệt độ Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho lên men vi khuẩn sinh khí methane: messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 45oC, hai thermophilic (nhiệt độ cao) vùng nhiệt 45 0C Nhiệt độ tối ưu 350C cho vùng thứ 550C cho vùng thứ hai Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Sự thay đổi đột ngột nhiệt độ ảnh hưởng đến q trình sinh khí Vi khuẩn sinh khí methane nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi cho phép 10C ngày Nhiệt độ 100C làm vi khuẩn hoạt động gas không sinh Tuy nhiên, chúng hoạt động nhiệt độ thấp nhiệt độ tối ưu Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình từ 18 – 32 0C thuận lợi cho hoạt động vi sinh, sinh khí methane • pH pH góp phần quan trọng hoạt động sống vi khuẩn sinh khí methane Vi khuẩn sinh khí methane thích hợp pH 6,5 – Khi pH lớn hay nhỏ hoạt động nhóm vi khuẩn giảm nhanh • Ẩm độ Ẩm độ đạt 91,5 – 96% thích hợp cho vi khuẩn sinh methane phát triển, ẩm độ lớn 96% tốc độ phân hủy chất hữu có giảm, sản lượng khí sinh thấp • Thành phần dinh dưỡng Để đảm bảo trình sinh khí bình thường liên tục phải cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sinh trưởng phát triển vi khuẩn Thành phần chủ yếu nguyên liệu phải cấp C N; với carbon dạng carbohydrate, nitơ dạng nitrate, protein, amoniac Ngoài việc cung cấp đầy đủ nguyên liệu C N cần phải đảm bảo tỉ lệ tương ứng C/N Tỉ lệ thích hợp đảm bảo cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống vi sinh vật kỵ khí, C tạo lượng cịn N tạo cấu tế bào Nhiều thí nghiệm cho thấy với tỉ lệ C/N 25/1 – 30/1 phân hủy kỵ khí xảy tốt • Hàm lượng chất rắn Để hầm ủ hoạt động tốt hàm lượng chất rắn nên chiếm 9%, hàm lượng thay đổi theo mùa thường từ – 9% Ở Việt Nam, vào mùa khô, nhiệt độ cao khả sinh gas tốt hàm lượng chất rắn thiết bị khí sinh học giảm nên việc cung cấp chất rắn cao chấp nhận ngược lại tỉ lệ chất rắn nước phân heo 6% tối ưu để sinh gas điều kiện khí hậu nhiệt đới, với nhiệt độ trung bình 25 – 27 oC Các chất độc gây trở ngại trình lên men Vi khuẩn sinh methane dễ bị ảnh hưởng độc tố hợp chất hữu Theo nghiên cứu chất sau ức chế q trình lên men vi khuẩn kỵ khí 19 Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 Khả sinh gas từ hầm ủ biogas chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác nhau: - Thể tích hầm ủ biogas - Thể tích chất lỏng chứa bên hầm - Thời gian lưu lại dịch phân - Từng loại phân khác - Tỉ lệ phân nước dịch phân q lỗng lượng phân không đủ để phân hủy, ngược lại dịch phân đặc gây cứng hầm ủ cản trở q trình khí Ngồi yếu tố nhiệt độ, pH, số lượng vi sinh vật ảnh hưởng lớn đến khả tạo gas Tỉ lệ phân nước theo số tác giả điều tra biến thiên từ 1/12 – 1/4 -1/7 tỉ lệ phân nước tốt phân hủy hầm ủ tốt, dịch thải tốt có màu đen sậm PHẦN 3: KẾT LUẬN 1.Vai trò vi sinh vât xử lý chất thải tạo khí Biogas Các nhóm vi sinh vật, hầu hết vi khuẩn, tham gia vào việc chuyển hoá hợp chất hữu cao phân tử phức hợp thành khí metan Thêm vào tương tác đồng nhóm vi khuẩn liên quan đến q trình phân hủy yếm khí chất thải Mặc dù có diện số nấm nguyên sinh động vật, rõ ràng vi khuẩn vượt trội số lượng Một số lớn vi khuẩn yếm khí chọc hay ngẫu nhiên tham gia vào q trình thủy phân lên men hợp chất hữu Có bốn nhóm vi khuẩn liên quan đến việc chuyển hóa chất phức hợp thành phân tử đơn giản metan diơxít cacbon Những nhóm vi khuẩn hoạt động mối quan hệ đồng bộ, nhóm phải thực việc trao đổi chất trước chuyển phần việc cịn lại cho nhóm khác vv 2.Những ưu điểm nhược điểm 2.1: Ưu điểm  Q trình phân huỷ yếm khí dùng CO2 tác nhân nhân điện từ làm nguồn oxy Q trình khơng địi hỏi oxy  Q trình phân huỷ yếm khí tạo lượng bùn thấp hơn( từ đến 20 lần ) so với q trình hiêu khí  Q trình phân huỷ yếm khí tạo loại khí có ích metan(chúa 90% lượng dùng đốt chỗ cho lò phân huỷ cahtt61 thải, dùng sản xuất điện năng) Việc tạo metan góp phần làm giảm BOD(nhu cầu oxygen sinh hoá) bùn bị phân huỷ  Hệ thống yếm khí phân huỷ sinh học hợp chất xenobioticn chlorinated aliphatic hydrocarbons hợp chất recalcitrant tự nhiên nhi lignin  Cung cấp lương  Hạn chế ô nhiễm bảo vệ môi trường 19  2.2: Nhược điểm  Quá trình xảy chậm trình hiếu khí  Rất nhạy với chất độc Khoa mơi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011  Đòi hỏi thời gian dài để khởi đầu qúa trình  Vì coi phân hủy sinh học hợp chất qua trình đồng trao đổi chất, q trình phân hủy yếm khí địi hỏi nồng độ chất ban đầu cao 3.Một số ứng dụng biogas đời sống sản xuất Sử dung biogas viec nấu nướng 19 Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật q trình tạo khí sinh học biogas 2011 Tiềm khí sinh học Việt Nam & kiến nghị nhóm  Sản xuất nơng nghiệp nước ta giữ vai trò chủ đạo Nghề chăn nuôi gia súc gia cầm chuyển từ     sản xuất nhỏ sang sản xuất hàng hóa quy mơ vừa Cùng với việc phát triển chăn nuôi, biogas nguồn lượng tương lai Sử dụng cơng nghệ biogas quy mơ gia đình giải pháp hữu hiệu cho phép kết hợp hài hòa cung cấp lượng với giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn miền núi nước ta Tại khu vực nông thôn, lĩnh vực chăn nuôi gia súc, việc thu lại khí sinh học (Biogas) triển khai có thành cơng định Nhưng thủy điện nhỏ, lượng khí sinh học, chủ yếu từ hầm Biogas thu gom phân chuồng, khai thác chiếm tỷ lệ nhỏ so với tổng tiềm lý thuyết khí sinh học Theo ước tính, khí sinh học Việt Nam thu từ phụ phẩm trồng chiếm 61,4%, thứ đến tiềm từ phân động vật 28,7% rác thải sinh hoạt chiếm có 9,9% Tuy nhiên thực tế việc khai thác nguồn phân gia súc hiệu dễ thu gom, công nghệ áp dụng lại đơn giản thường thiết bị quy mơ gia đình hộ, thiết bị quy mô lớn trang trại Tổng tiềm lý thuyết khí sinh học từ nguồn vào khoảng gần 10 tỷ m3/năm Trong bối cảnh xu phát triển thời gian tới, cơng nghệnày có ý nghĩa thực tiễn xã hội phần lớn ngườidân sống nông thôn sản xuất nông nghiệp Mặc dù thu hẹp phạm vi chăn nuôi,song năm qua, ngành chăn nuôi phát triển mạnh số lượng lẫn quy mô, tập trung chăn nuôi công nghệ cao theo hướng tăng sản lượng Các thải chăn nuôi gây ô nhiễm n g u n n c m ặ t , khơng khí, đất ảnhhưởng xấu đến môi t r n g s ố n g c ủ a c o n người Theo tính tốn c ủ a c c c h u y ê n g i a nước hàng năm, tổng đàn gia súc,g i a c ầ m V i ệ t N a m s ẽ t h ả i v o m ô i t r n g khoảng 73 triệu chất thải rắn Ước t í n h phân chuồng tươi với cách quản lý, s d ụ n g t r u y ề n t h ố n g n h h i ệ n n a y s ẽ p h t thải vào khơng khí khoảng 0,24 CO Quy đổi với khối lượng chất thải chăn ni nêu phát thải vào khơng khí 17,52 triệu CO không xử lý.Việc xử lý chất thải chăn nuôi yêu cầu cấp thiết nhằm giảm thiểu ônhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước nguồn dịch bệnh 19 gây cho ngườivà động vật Do vậy, việc áp dụng biện pháp nhằm xử lý chất thải chăn nuôi làm ộ t t r o n g n h ữ n g v ấ n đề cấp bách ngành nông nghiệp nước ta Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011 Lợi điểm việc sản xuất khí sinh học  Việc sản xuất khí sinh học tạo nhiều thuận lợi cho người dân nông dân, giải số vần để lượng cho địa phương bình diện quốc gia, quyền trung ương qn bình cán cân phân phối quân bình lượng giảm thiểu ngoại tệ nhập cảng xăng dầu Do đó, hai lãnh vực môi trường kinh tế gặt hái nhiều phúc lợi  Tại Hoa kỳ tính đến năm 2006 có 380 bãi rác lớn có hệ thống thu hồi khí methane chuyển tải thành điện Trong vài năm tới ước tính có đến 700 bãi rác lấp đặt hệ thống nầy Một thí dụ điển hình Irvine, CA khí methane từ bãi rác Bowerman dùng làm nguyên liệu cho hệ thống chuyên chở công cộng cho thành phố  Về lợi ích môi trường, khí methane sinh hoc (biomethane) loại lượng tính đến ngày hơm Nếu methane không thu hồi từ bãi rác, đầm (lagoons) phế thải v.v… nguồn ô nhiễm ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính nhiếu Nếu dùng methane thay loại lượng hố thạch có nhiều lợi điểm phóng thích loại khí thải sử dụng Và lợi ích khơng nhỏ cho mơi trường là, hệ thống sinh khí giải toả diện tích phế thải tạo thêm nguồn thu nhập cho nơng dân  Đứng phương diện kinh tế, khí sinh học ngày tăng trưởng giúp cho nhu cầu sử dụng lượng nước ổn định lần lần thay số lượng không nhỏ loại lượng hoá thạch dùng Kỹ thuật sản xuất khơng phức tạp trãi rộng khắp nơng thơn Đặc biệt nơng dân dùng nguồn khí sinh học phạm vi gia đình để có độc lập khí đốt phó phẩm việc chuyển đổi phân chuồng thành khí nguồn phân bón hữu thích hợp việc trồng tĩa Kết luận  Ngày nay, quốc gia phát triền có Việt Nam, khí đốt khó khăn cho quyền việc phân phối đến vùng sâu xa Vì phát triển kỹ thuật tạo khí sinh học từ phân chuồng qua hệ thống nén yếm khí giúp cho nơng dân tự túc nhu cầu lượng nầy Vấn đề đặt quyền cần hướng dẫn kỹ thuật làm để che kính hầm phân hay hồ phân (lagoon) phân lõng phàn ứng sinh phân huỷ điều kiện khơng có khơng khí  Tiến thêm lên bước nữa, vùng có chăn ni kỹ nghệ, địa phương hay trung ương cần giúp tài ban đầu để thiết lập hệ thống nén kỵ khí có quy mơ nhà máy Từ sinh khí methane phân phối đến tận nhà thành phố  Riêng Việt Nam, kỹ nghệ ủ phân chuồng hay lấp đặt hệ thống thu hồi khí cịn tình trạng phơi thai chưa phổ biến, đó, thất lớn nguồn lượng nầy Thêm nữa, kỹ nghệ sản xuất rượu cồn (alcohol) qua quy trình lên men yếm khí cho số lượng lớn khí methane khơng thu hồi Ở nhà máy sản xuất cồn Sài Gịn với cơng suất 20.000 lít/ngày, lượng sinh khí phát thải ước tính khoảng 10.600 m3 phóng thích vào khơng khí, làm ô nhiễm môi trường phí phạm nguồn lượng khơng nhỏ Mỗi mét khối sinh khí sinh 5.300 Kcal, hay nhà máy có khả sản xuất 56 triệu Kcal/ngày, tương đương với việc sử dụng 7,4 dầu FO dùng để đốt lò  Nếu Việt Nam biết tận dụng khai triển nguồn lượng sinh khí biogas, Việt Nam khơng cịn lệ thuộc nhiều vào nguồn lượng hóa thạch dầu hoả than đá nhu cầu ngày tăng theo đà phát triển quốc gia Kiến nghị  Hiện biogas lượng có nhiều ứng dụng nên việc tuyên truyền quảng cáo đến người dân quan trọng  Nên tăng cường tuyên truyền nhiều hình thức phương tiện thông tin đại chúng như: báo đài, truyền hinh, internet…  Nhà nước tăng cường thực them nhiều sách khuyến nơng, phát triển mơ hình Biogas hộ gia đình, tăng cường thêm nhiều chuyên viên kỹ thuật môi trường địa phương hổ trợ nơng dân nhằm mở rộng quy mơ mơ hình biogas  Quảng bá triển khai đến hộ chăn nuôi khu vực gần khu dân cư để góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường  Cần có sách tài kỹ thuật hỗ trợ người chăn ni áp dụng mơ hình Biogas sử dụng cơng nghệ bạc19 HDPE  Cần có đánh giá so sánh công nghệ chất lượng nước thải hầm Biogas để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cho việc xử lý đánh giá tác động môi trường Tổ chức dự án thí điểm áp dụng cơng nghệ cho việc xử lý chất thải ngành khác địa bàn chế biến bột mì, chế biến mủ cao su Khoa môi trương tài nguyên Ứng dụng vi sinh vật trình tạo khí sinh học biogas 2011  Xử lý chất thải sản xuất chăn nuôi đạt tiêu chuẩn A (TCVN 5945-2005) chi phí đầu tư, chi phí vận hành tốn lớn nên khó thực điều kiện kinh tế hạn chế hầu hết trang trại sản xuất chăn ni nói chung Cần có nghiên cứu tiếp để đánh giá xác hiệu xử lý chất thải chăn nuôi hệ thồng Biogas; nghiên cứu tiếp tục xử lý chất thải chăn nuôi sau Biogas hệ thống thực vật thủy sinh PHẦN 4: PHỤC LỤC 19 Khoa môi trương tài nguyên