khí sinh học nói chung.
Tronh chăng nuôi từ trước đến nay vấn đề tồn tại hai nguồn chất thải chủ yếu là từ
quá trình chăn nuôi (nhất là nuôi tập trung trong các trang trại) và từ quá trình giết mổ, chế biến. Tập quán ủ phân chuồng và sử dụng phân bón dạng này có nhiều nhược điểm về môi sinh. Còn việc xử lý các phế liệu ở lò mổ, chấe biến gia súc, gia cầm cùng gặp rất nhiều trở ngại. Hiện nay công nghệ biogas đã giải quyết được hầu hết các trở ngại này và đã mang lại những hiệu quả kinh tế - xã hội rất cao.
Khi lưu giữ chất thải chăn nuôi trong hầm, hồ kín thì quá trình lên men (phân huỷ) kỵ khí được tiến hành nhờ nhiều loài vi khuẩn trong những điầu kiện cụ thể của môi trường lưu giữ (độ pH gần trung tính, thể oxy hoá khử pH khoảng – 250mv, nồng
độ chất sát trùng dưới mực cho phép….).
Quá trình lên men xảy ra bình thường trong tự nhiên khi chât hữu cơ nguồn gốc sinh học có nồng độ cao và được giữ kị khí trong đầm lầy, trầm tích hồ .Từ một trường hợp đơn giản nhưđường chẳng hạn, phương pháp chung của quá trình chuyển hoá kị khí có thể như sau :
C6H12O6 + 0,2NH3 C5H7NO2 + 2,5CH4 +2,5CO2 + 0,6H2O hoặc : C6H12O6 3CO2 + 3CH4
Sự metan hoá các chất hữu cơ có thể xảy ra ở các vùng nhiệt độ khác nhau : lạnh : 10 – 15oC, ẩm : 30 – 40oC và nóng : > 45oC.
Sơ đồ metan hoá các chất hữu cơ sinh học trong điều kiện kỵ khí như sau :
Các axit béo bay hơi (axetic, propyomic, butiric…..
H2 axeton
CH4, CO2
Chất hữu cơđơn giản (rượu, axeton, axitamin) Chất hữu cơ sinh học (gluxit, protein,lipit)
- Sự thuỷ phân và tạo axit : được thực hiện trong những điều kiện rất khác nhau như : ẩm, nóng, kỵ khí hay tuỳ tiện. Các sản phẩm tạo thành bao gồm các axit béo bay hơi : axetic, lactic, propymic, butiric, rượu etylic, khí gas (CO2 và H2) và NH3. Tuy nhiên quá trình này xảy ra rất nhanh chóng, là dấu hiệu của quá trình phân huỷ. - Sự tạo thành axeton : đây là quá trình đặc biệt được thực hiện bởi các vi khuẩn
ưa hydro trên các cơ chất axit béo hay bay hơi và rượu etylic.
Về mặt nhiệt động học đây là các quá trình oxy hoá -khử khó thực hiện : Lactar + H2O axetat + 2H2 + CO2 +4,18 KJ/mol.
Etamol + H2O axetat + 2H2 + CO2 + 9,6 KJ/mol. Butiric + 2H2O axetat + 2H2 + CO2 + 48,1 KJ/mol. Propionat + 2H2O axetat + 3H2 + CO2 + 76 KJ/mol
Tuy nhiên về phương diện hoá sinh, chỉ với một áp suất riêng phần rất bé của hidro thì các phản ứng trên vẫn xảy ra được và năng lượng phản ứng đủđể tổng hợp ATP vì thế vi khuẩn vẫn phát triển được. Như vậy hidro là chất nhạy cảm cho sự
tạo thành axeton.
- Sự tạo thành metan CH4 :
Có hai đường hướng (cách) tạo ra metan : cách thứ nhất là từ cặp H2/CO2 để tạo ra H2O và CH4, cách thứ hai là từ sự khử axetat để tạo ra CO2 và CH4, trong đó khoảng 70% lượng metan được tạo ra theo cách thứ hai.
Các vi khuẩn tạo ra metan là loại hoàn toàn kị khí , sau đây là một số loài chính :
Loài vi khuẩn Cơ chất ban đầu
Methano bacterium H2 / CO2
Methano brevibacter H2 /CO2
Methano coccus H2 / CO2
Methano sacina H2 / CO2 / axetat
Methano thrix Axetat
Nguồn các bon để vi khuẩn metan sử dụng có thể xuất phát từ metanol, fox. Không được phép bắt nguồn từ dầu mỏ như gas nhưng về phương diện cơ sinh học, biogas có họ hàng với dầu mỏ và có lịch sử tương tự. Cả hai đều sinh ra do tác
động của vi sinh vật nhưng biogas lại được hình thành hết sức nhanh chóng. chỉ
cần có độ 2 tuần so với hàng triệu năm tích tụ của dầu mỏ và khí tự nhiên (khí đốt và khí đồng hành), ngay từ 1884. Lonis Pasteurs đã tiên đoán “ Biogas sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế cho than đá trong tương lai “. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên nhân quan trọng thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu biogas là cách thức và nguyên liệu để sản xuất ra nó. Về mặt môi trường, người ta xác định được là trong quá trình sản xuất biogas đã giảm được đến 40% nhờ thải CO2 thông qua quá trình phân huỷ các chất thải hữu cơ này, lâm nghiệp, đời sống con người. Hiện tại giá thùng biogas vẫn còn cao so với nhiên liệu dầu mỏ nhưng với tình hình hiện tại và tương lai giá dầu thô càng tăng cao thì khoảng cách đó ngày càng thu hẹp dần.
quá trình lên men kị khí như : nhiệt độ, lượng nước thải vào, thời gian ủ…., sau
đây là một thành phần tham khoảđược nhiều người chấp nhận : CH4 : 55 -75% ; H2 : 1 - 5% ; CO2 : 25 – 40% ; N2 : 2 – 7% .
Ngoài ra thỉnh thoảng trong thành phần khí gas có thể có H2S và tiol (tạo ra từ S), NH3 (tạo ra từ các protein của vi khuẩn), chúng gây nên mùi khó chịu đặc trưng cho khí gas. Sau đây là bảng tham khảo hiệu suất sinh gas :
Cơ chất ban đầu lượng CH4 sản sinh, m3 / kg cơ chất ban đầu
Gluxit 0,42 – 0,47
Protein 0,45 – 0,55
Lipit <= 1
Vi khuẩn lên men kị khí có thể phát triển ở trạng thái tự do hoặc cốđịnh trên một vật phụ trợ (cốđịnh tế bào thuộc công nghệ cao). Hiện nay phương pháp lên men kị khí tự do vẫn đang phổ biến nhất