Để sinh trƣởng và phát triển, tất cả VSV đều có nhu cầu về nƣớc, nguồn năng lƣợng, nguồn C, nguồn N và hợp chất khoáng. Đây là yếu tố cơ bản cần cho sự sinh trƣởng, phát triển mà chúng không tự tổng hợp đƣợc, ta gọi đó là các nhân tố tăng trƣởng. ngoài ra các nhân tố vật lý có thể tham gia vào quá trình dinh dƣỡng,… chúng có thể cản trở, ức chế, hay tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trƣởng của các VSV nhƣ: nhiệt độ, pH, oxy, áp suất, độ ẩm, ánh sáng và tia năng lƣợng.
Sinh trƣởng, sinh sản và trao đổi chất của VSV liên quan chặt chẽ với các điều kiện bên ngoài, các điều kiện bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác động qua lại với nhau.
a) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ yếm khí
a1. Mức độ yếm khí
Khí sinh học đƣợc sinh ra do hoạt động của nhiều chủng loại vi khuẩn, trong đó các vi khuẩn sinh khí methane là quan trọng nhất, những vi khuẩn sống trong môi trƣờng kỵ khí bắt buộc. Vì vậy đảm bảo cho môi trƣờng phân hủy tuyệt đối kỵ khí là một yếu tố quan trọng đầu tiên.
a2. Nhiệt độ
Hoạt động của vi khuẩn trong mẻ ủ chịu ảnh hƣởng rất lớn của nhiệt độ môi trƣờng bên ngoài. Theo nghiên cứu của Daniel I. Massé et al. (2002) về ảnh hƣởng của sự dao động nhiệt độ trong hầm ủ yếm khí xử lý phân heo ở Canada, kết quả từ thí nghiệm này cho thấy hàng loạt phản ứng sẽ giảm đáng kể nhƣ các nhiệt độ môi trƣờng là giảm 20 – 100 C, nhƣng sẽ duy trì ổn định và phục hồi khi nhiệt độ tăng trở lại 200 C. Tốc độ xử lý yếm khí tăng với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh lên
đến khoảng 95 – 100° F (tƣơng đƣơng 35 – 380 C). Nhƣng tốc độ xử lý sẽ không
tăng lên mà có thể giảm cho nhiệt độ trong tăng lên 130°F (tƣơng đƣơng 570 C) (Perry L. McCarty, 1964).
Nhiều thí nghiệm cho thấy có hai khoảng nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn ƣa ấm và ƣa nhiệt hoạt động. Vi khuẩn ƣa ấm: 200
C – 450C (Gerardi, 2003 trích bởi Alastair J. Ward, 2008) và vi khuẩn ƣa nhiệt: 500C – 650C ( Jules B. Van Lier ,1995)
Nhìn chung nhiệt độ bên ngoài tăng quá trình tạo methane tăng. Nhƣng khi nhiệt độ 450 C có hiện tƣợng tạo khí chậm lại. Nhiệt độ trên 600C tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kìm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 650C
a3. pH
Hydro (H +) ion (ion là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử có điện tích âm hoặc dƣơng) kiểm soát nồng độ axit. pH đo lƣờng nồng độ của H+ và hydroxit (OH-) các ion tạo nên nƣớc (H2O).
pH của nƣớc ảnh hƣởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trong nƣớc (quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật, động vật và thực vật), ảnh hƣởng đến các quá trình vật lý xảy ra trong môi trƣờng nƣớc (quá trình chuyển màu, quá trình chuyển trạng thái rắn, lỏng, khí của vật chất, quá trình hòa tan, kết lắng của vật chất) ảnh hƣởng mạnh đến tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong môi trƣờng nƣớc (Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003). pH là một trong những chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lƣợng nƣớc cấp và nƣớc thải, giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nƣớc theo phƣơng pháp thích hợp. Sự thay đổi giá trị pH trong nƣớc có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần các chất trong nƣớc do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nƣớc.
pH thích hợp cho vi khuẩn yếm khí hoạt động khoảng 5 – 8, nhƣng khả năng sinh khí tốt nhất là 6,5 – 7,5. Tuy nhiên vi khuẩn có thể chịu đƣợc pH thấp khoảng 5,5 và ở khoảng 8,0 nhƣng vi khuẩn tạo khí sẽ bị ức chế ( Lusk, 1999 và Liu et al. 2007 trích dẫn của Ljupka Arsova, 2010).
a4. Tỷ lệ Cacbon và Nitơ (C/N)
Để tăng trƣởng, mỗi VSV phải tìm trong môi trƣờng các chất dinh dƣỡng cần thiết cho sự tổng hợp các cấu tử tế bào cũng nhƣ nguồn năng lƣợng để hoạt động. Các nguyên tố cần thiết là C, H, O, N, S, P, Mg, Fe, Ca, Mn và các nguyên tố vi lƣợng nhƣ Zn, Co, Cu, và Mo. Trong các chất hữu cơ chủ yếu là các nguyên tố C, N là quan trọng trong quá trình tạo sinh khối của vi khuẩn yếm khí. Do đó tỷ lệ C/N cần đƣợc kiểm soát để tạo quá trình sinh khí CH4 tốt nhất. Tỷ lệ C/N thích hợp từ 25/1 – 30/1 (Kumar et al., 2010 trích dẫn của Rui Guo et al., 2012), vì vi khuẩn sử dụng C nhiều hơn sử dụng N từ 25 đến 30 lần. Tỷ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm. Ngƣợc lại tỷ lệ này quá thấp thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều ammoniac là một độc tố đối với vi khuẩn ở nồng cao. Tuy nhiên, với nghiên cứu ủ yếm khí cỏ chân gà (Dactylis glomerata L.) của Tilvikiene V. et al. (2001) thì tỉ lệ C/N không vƣợt quá 20.
Phân trâu, bò, lợn có tỷ lệ C/N gần khoảng thích hợp, các nguyên liệu thực vật thƣờng có tỷ lệ C/N cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp thƣờng dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu, chẳng hạn dung phân gia súc, gia cầm với thực vật nhƣ rơm rạ, lục bình,…
Bảng 2.8 Tỷ lệ C/N của một số loại chất hữu cơ Nguyên liệu Tỷ lệ C/N Máu động vật 3,2 Phân heo 12 – 15 Phân bò, heo 18 Phân gà 15 Phân ngựa 25 Phân trâu 12 – 15 Lúa mì 40 – 45 Cỏ vƣờn 12 – 15 Gỗ 60 – 400
(Nguyễn Đức Lượng, 2003, Nguyễn Quang Khải, 2001, F. Straka et al., 2007)
a5. Hàm lƣợng chất khô
Hàm lƣợng chất khô là tỷ lệ giữa trọng lƣợng chất khô và tổng trọng lƣợng của nguyên liệu, thƣờng biểu thị bằng phần trăm. Đối với các loại phân, hàm lƣợng chất khô thích hợp vào khoảng 7 – 9%. Nguyên liệu ban đầu thƣờng có hàm lƣợng chất khô cao hơn giá trị tối ƣu nên phải nạp vào thiết bị khí sinh học phải pha thêm nƣớc. Tỷ lệ pha loãng thích hợp là 1 – 3 lít nƣớc cho 1kg phân (Nguyễn Quang Khải, 2001). Công nghệ phân hủy yếm khí, hàm lƣợng chất khô là > 15%, thƣờng là 20 – 50% (Nallathambi Gunaseelan, 1997, trích dẫn của Kopijyva và Kuopio, 2011). Một số hầm ủ hiện tại có tỷ lệ phân heo/nƣớc dao động từ 1/1 đến 1/5 đƣợc trình bày cụ thể ở bảng 2.9
Bảng 2.9 Tỷ lệ phân heo/nƣớc và thời gian tồn lƣu của một số hầm ủ
Túi PE TP – BP KT1 EQ1 EQ2 Composite
Tỷ lệ phân heo/nƣớc 1/5 1/5 1/1 : 1/2 1/5 1/5 1/1.5 Thời gian tồn lƣu
(ngày)
17 20 30 – 40 20 20 10
(Nguyễn Võ Châu Ngân et al., 2012)
a6. Thời gian lƣu
Là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết bị ủ yếm khí. Trong thời gian này nguyên liệu bị phân hủy kỵ khí và sinh ra khí sinh học. Quá trình phân hủy trong điều kiện (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tự nhiên xảy ra thời gian dài, đối với phân động vật thời gian này có thể kéo dài tới hàng tháng, đối với nguyên liệu thực vật thời gian này có thể tới hàng năm. Do vậy, nên chọn thời gian lƣu sao cho trong thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất. Thời gian lƣu đƣợc chọn căn cứ vào thời tiết địa phƣơng, loại nguyên liệu nạp.
Bảng 2.10 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất biogas
Chất nền
Vật chất khô (%)
Phần trăm hữu cơ trong
vật chất khô (VS) Khí sinh ra (m3/kg VS) Thời gian tồn lƣu (ngày) Phân heo 5 – 27,5 90 0,56 22 – 28 Phân bò 7 – 20 85 – 90 0,20 – 0,50 (tỉ lệ TS) 28 – 38 Chất thải thực vật 5 – 20 76 – 90 0,4 8 - 20 Cỏ 37 93 0,7 – 0,8 10 Rơm rạ 25 – 50 70 – 95 0,55 – 0,62 –
(Deublei , Steinhauser( 2008), OLGPB (1976,) NAS (1977); Metcalf, Eddy, (2004) trích dẫn của Melanie Sattler, 2011)
a7. Chất độc
Chất độc gây ức chế hoạt động của các vi khuẩn yếm khí gây khi ảnh hƣởng đến quá trình sinh khí của quá trình ủ. Những biểu hiện thƣờng gặp nhƣ: làm ngăn cản quá trình sinh khí dẫn đến giảm lƣợng khí sinh ra và nồng độ acid dễ bay hơi tăng. Chất độc cũng có thể do nguyên liệu đầu vào nhƣ dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật trong rơm, thuốc trị bệnh còn tồn dƣ lại trong phân heo.
Ngoài ra, ngƣời ta còn tìm thấy với nồng độ Kali là 8.000 mg/L có thể gây ức chế vi khuẩn trong mẻ ủ. Canxi và natri đã đƣợc tìm thấy là rất hiệu quả trong việc giảm những tác động độc hại của Kali. Sự có mặt của hai kim loại kiềm này làm giảm tác động độc hại cho quá trình ủ tối ƣu nhất khi nồng độ Canxi là 83 mg/L và Natri 379 mg/L (Basharat H. Bashir and Asif Matin, xxx).
Nồng độ sunfua hòa tan trên 200 mg/L đã đƣợc chứng minh là độc hại đối với quá trình phân hủy yếm khí (Hayes, 1976). Hòa tan tập trung sulfide trong một phân hủy kỵ khí là một chức năng của các nguồn đầu vào của lƣu huỳnh, độ pH, tỷ lệ sản xuất khí và số lƣợng các kim loại nặng. Để kiểm soát mức sunfua hòa tan có thể đƣợc kiểm soát bằng cách bổ sung các muối sắt hoặc loại bỏ từ nguồn nguyên liệu của vật liệu có chứa lƣu huỳnh (McCarty P.L., 1961). Bên cạnh đó còn đó Chlorin cũng
ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí, với nồng độ Cl- là 37500 mg/L sẽ ảnh hƣởng
Bảng 2.11 Một số kim loại nặng ở dạng hòa tan ảnh hƣởng đến quá trình ủ yếm khí
Tên kim loại Nồng độ (mg/L)
Arsenic 0,5 – 1,0 CaTSium 0,5 – 1,0 Crom 1,0 – 1,5 Cu 0,5 – 1,0 Ni 1,0 – 2,0 Kẽm 0,5 – 1,0 (Nicholas A. Mignone, 2005) a8. Độ mặn
Vi khuẩn tham gia quá trình sinh khí methane có khả năng thích nghi dần với nồng độ của NaCl trong nƣớc. Giới hạn cho phép độ mặn dƣới 3‰, khả năng sinh khí không bị ảnh hƣởng đáng kể (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm, 2013). Do đó việc phát triển biogas trong mùa khô ở những khu vực nƣớc lợ không bị ảnh hƣởng nhiều. Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Võ Châu Ngân et al. (2012) về độ mặn đo đƣợc ở tại những khu vực có hầm ủ biogas trên địa bàn tỉnh Cà Mau tại một số thời điểm đạt giá trị rất cao. Mặc dù những điểm quan trắc nƣớc mặt không nằm ngay tại vị trí xây dựng hầm ủ, tuy nhiên ảnh hƣởng độ mặn của nƣớc mặt trong cùng một địa bàn là không khác biệt. Nhƣ vậy, nguồn nƣớc sử dụng cho các hầm ủ có độ mặn cao nhƣng cho đến nay những hầm ủ này đều vận hành tốt chƣa có sự cố xảy ra. Có khả năng, một số chủng vi sinh vật, có thể thích nghi với môi trƣờng nƣớc có độ mặn cao đã hiện diện trong những hầm ủ này, nâng ngƣỡng độ mặn gây hại cho vi sinh vật lên cao hơn.
a9. Độ kiềm
Kiềm thể hiện nồng độ bicarbonate, carbonatevà ion hydroxit và đƣợc thể hiện khi nồng độ tƣơng đƣơng của cacbonat canxi (CaCO3). Theo Leonardo H. Soares Damasceno et al. (2007)độ kiềm đóng quan trò quan trọng trong sự ổn định của quá trình phản ứng sinh học đƣợc sử dụng trong nƣớc thải, nhất là với quá trình yếm khí. Vì độ kiềm có khả năng trung hòa các axit và các muối của axit. Theo Lâm Minh Triết và Lê Hoàng Việt (2009) thì độ kiềm tối ƣu cho quá trình ủ yếm khí ở khoảng 1.000 – 5.000 mgCaCO
3/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp. Theo Michel H. Garardi (2003), khoảng độ kiềm tối ƣu cho sản xuất khí methane từ 1500 – 3000 mg/l CaCO3.
a10. Chế độ khuấy trộn
Khuấy trộn là tác động cơ học vào dung dịch lên men, khuấy trộn có những tác động tích cực. Khuấy trộn làm tăng khả năng tiếp xúc giữa chất hữu cơ với vi khuẩn, từ đó làm tăng nhanh quá trình chuyển quá vật chất. Khấy trộn làm phá vỡ lớp váng nổi phía mặt trên của bề mặt dung dịch, tạo điều kiện tốt cho sự thoát khí từ dung dịch vào buồng thu khí. Tuy nhiên, việc xáo trộn quá mức cũng có thể làm giảm hiệu suất sinh khí do môi trƣờng liên tục không đƣợc ổn định (Stroot et al., 2001, trích dẫn của Alastair J. Ward, 2008).
a11. Oxy
Đây là quá trình lên men yếm khí, do đó sự có mặt của oxy thƣờng gây ức chế quá trình chuyển hóa. Trong trƣờng hợp này, oxy đƣợc coi nhƣ là chất độc đối với những loài vi khuẩn yếm khí và ảnh hƣởng đến lƣợng khí sinh ra.
b) Các yếu tố thúc đẩy quá trình sinh khí
b1. Trộn chất thải để lên men
Ở nông thôn, rất nhiều chất thải có thể dùng để sản xuất ra khí đốt. Những chất thải này ở khắp mọi nơi nhƣ là phân ngƣời và phân gia súc, rơm rạ, cỏ, các thân cây, rác thải và các chất thải thủ công nghiệp có thành phần hữu cơ là nguyên liệu tốt cho sản xuất khí sinh học.
Tỷ lệ C/N thích hợp 25/1 – 30/1. Chất thải khác nhau có tỷ lệ C/N khác nhau và ngay cùng loại chất thải cũng có tỷ lệ C/N khác nhau khi có điều kiện khác nhau (cùng một loại phân heo nhƣng ở các giai đoạn phát triển của heo khác nhau hoặc địa điểm lấy phân heo khác nhau cũng dẫn đến tỷ lệ C/N khác nhau). Do đó, khi đƣa chất thải vào hầm, ngƣời ta không chỉ có một lƣợng nhất định vật liệu ủ mà ngƣời ta cần lƣu ý đến các vật liệu lên men khác nhau đƣa vào hầm ủ yếm khí.
Nguyên liệu đƣợc phối trộn phải có tỷ lệ C/N thích hợp, đặc biệt với chất thải có thành phần sợi nhiều nhƣ rơm rạ, thân cây, cỏ và các chất có lƣợng nitơ cao nhƣ phân ngƣời, phân gia súc, gia cầm. Các chất này phải sử dụng phối trộn với nhiều vật liệu khác.
b2. Xử lý nguyên liệu
Để làm tăng tỷ lệ ủ vật liệu và tăng lƣợng khí sinh ra, các vật liệu phải đƣợc trộn và chất đống trƣớc khi cho vào hầm sinh khí. Các vật liệu sợi, đặc biệt là rơm rạ, cỏ, cỏ dại và thân cây phải xử lý. Vì trong có một lớp vỏ cứng nên phải có quá trình làm chúng mục nát. Khi đƣa vào trong bình nó sẽ nổi lên mặt và tạo khó khăn cho việc trộn với vật liệu khác. Để chất đống và trộn đều, vật liệu cần phải cắt thành những đoạn ngắn và chất thành từng lớp, mỗi lớp dày khoảng 50 cm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi vật liệu đã đƣợc bảo quản nhƣ vậy, lớp mặt ngoài bị phá hủy và lần lƣợt các chất thải dạng sợi cũng bị phá hủy. Việc cắt nhỏ thân cây cũng làm tăng mặt tiếp xúc của các vật liệu với các vi khuẩn, tạo quá trình lên men nhanh hơn ở trong hầm.
Khi phân ngƣời và phân gia súc đã oai theo phƣơng pháp ủ, sau đó đƣa vào hầm, nó sẽ cung cấp các vi khuẩn tự nhiên để tạo ra khí sinh học trong hầm và làm tăng đáng kể lƣợng khí sinh ra. Cũng theo nghiên cứu, tỷ lệ C/N đối với các chất thải thực vật già, cằn cỗi là 60/1 – 100/1. Nhƣng khi để chất đống lên men thì có thể giảm tỷ lệ C/N còn từ 15/1 – 21/1, gần tiến tới một môi trƣờng lý tƣởng cho vi khuẩn sinh methane hoạt động tốt.
b3. Sự phân giải của cellulose trong điều kiện tự nhiên
Cellulose là thành phần cơ bản nhất của thực vật, trong bông vải chiếm 90%, trong các tế bào thực vật khác chúng chiếm 40 – 55%. Đây là chất rất bền vững, không hòa tan trong nƣớc và không bị phân hủy trong đƣờng tiêu hóa của động vật mà chỉ bị phân hủy trong đƣờng tiêu hóa của động vật nhai lại. Cellulose là chất hóa học có trọng lƣợng phân tử lớn, chúng không thể xâm nhập đƣợc vào tế bào vi sinh vật, chúng bị phân giải ở ngoài tế bào vi sinh vật bởi enzyme ngoại bào. Các enzym này thay phiên nhau phân giải cellulose để giải phóng năng lƣợng và glucose, phục vụ cho sự sinh trƣởng sinh sản và phát triển của vi sinh vật.