Theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003) các VSV hấp thu các dƣỡng chất trong môi trƣờng để tăng trƣởng và phát triển. Vì vậy, sự tăng trƣởng của tế bào VSV là sự tăng trƣởng về số lƣợng của các cấu tử trong tế bào, gia tăng kích thƣớc và trọng lƣợng của tế bào. Đến cuối giai đoạn tăng trƣởng thì tế bào phân cắt ra thành tế bào con. Quá trình sinh học xảy ra trong lên men sinh khí mêtan là quá trình phát triển các VSV yếm khí và quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ thành chất khí, trong đó khí mêtan chiếm tỷ trọng lớn.
Quá trình này đƣợc chia làm hai giai đoạn:
a) Giai đoạn 1
Là sự phát triển hỗn hợp rất nhiều loài VSV có trong chất thải, pha này kéo dài khoảng hai ngày. Trong dịch lên men ta thấy có sự phát triển của VSV hiếu khí và VSV yếm khí tùy nghi.
Nguyên nhân trong thời gian đầu có sự phát triển của cả VSV hiếu khí là do trong dịch lên men chất thải tồn tại một lƣợng oxygen hòa tan nhất định, các loài VSV
hiếu khí sử dụng oxygen hòa tan này để tăng số lƣợng. Khi lƣợng oxygen hết dần, lƣợng VSV hiếu khí giảm dần và chết khi quá trình tạo mêtan xuất hiện.
Hình 2.2 Sự phát triển của VSV trong lên men khí mêtan
(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
b) Giai đoạn 2
Trong giai đoạn 2, sự phát triển rất mạnh của các VSV thủy phân các chất hữu cơ và các VSV tạo acid. Giữa hai giai đoạn này có sự phát triển rất mạnh của các loài VSV sinh khí mêtan. Đây là loài VSV chiếm số lƣợng nhiều nhất và đóng vai trò quan trọng nhất của quá trình lên men sinh khí mêtan.
Theo Lê Hoàng Việt (2005) trong bộ VSV tham gia quá trình lên men khí mêtan từ giai đoạn đầu cho đến giai đoạn cuối đƣợc phân lập và định dạng gồm 4 nhóm chính: nhóm VSV thủy phân và lên men, nhóm VSV tạo acid acetic và khí hydro, nhóm VSV sử dụng khí hydro để tạo khí mêtan, nhóm VSV sử dụng acid acetic tạo khí mêtan.
Các VSV yếm khí tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ gồm: Clostridium
spp, Peptoccocus anerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovidrio spp, Corynebactorium spp, Lactobacillus, Actinomyces và Staphylococcus. Các VSV sinh khí mêtan trong hầm ủ biogas bao gồm: nhóm VSV hình que (Methanobacterium, Methanobacillus) và nhóm VSV hình cầu (Methanoccocus, Methanosarcina).
2.3.7 Các yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến quá trình lên men yếm khí
a) Ảnh hưởng kích cỡ
Theo Lê Hoàng Việt (2005) về nguyên lý kích thƣớc của nguyên liệu nạp càng nhỏ càng thích hợp cho quá trình phân hủy. Kích cỡ nguyên liệu càng nhỏ thì hiệu suất của quá trình sinh khí sẽ tăng lên và nguyên liệu dễ bị phân hủy bởi các hệ VSV.
b) Quần thể sinh vật ban đầu
Theo Lê Hoàng Việt (2005) khi mới bắt đầu vận hành hầm ủ, vào khoảng 7 ngày đầu lƣợng khí sinh ra rất ít và không cháy đƣợc do thành phần khí lúc đó chủ yếu là CO2. Hầm ủ chỉ hoạt động ổn định sau khi đƣa vào vận hành khoảng 14 ngày. Để quá trình lên men yếm khí có thể đƣợc khởi động một cách nhanh chóng có thể cho chất thải của một hầm ủ đang hoạt động vào một hầm ủ mới để làm chất mồi. Nếu không có hầm ủ đang hoạt động ở khu vực đang hoạt động thì hầm ủ bắt đầu xây dựng có thể đƣợc lấy phân heo ủ kín lại, trong điều kiện không có oxygen, các VSV yếm khí sẽ phát triển, sau khi hầm ủ hoàn thành chúng ta sẽ cho lƣợng phân này vào hầm ủ để tạo quần thể sinh vật ban đầu cho hầm ủ. Trong trƣờng hợp này, khoảng 3 ngày khí sinh ra đốt cháy đƣợc và hầm ủ sẽ hoạt động ổn định sau 7 ÷ 14 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành (phụ thuộc nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu và lƣợng chất mồi).
c) Mức độ yếm khí
KSH đƣợc sinh ra do hoạt động của nhiều chủng loại VSV, trong đó các VSV sinh khí mêtan là quan trọng nhất, những VSV sống trong môi trƣờng yếm khí bắt buộc. Vì vậy đảm bảo cho môi trƣờng phân hủy tuyệt đối yếm khí là một yếu tố quan trọng đầu tiên (Nguyễn Quang Khải, 2001).
Loại VSV yếm khí này chúng sẽ bị tiêu diệt khi tiếp xúc với không khí. Do vậy để đảm bảo một môi trƣờng tuyệt đối phân hủy yếm khí hầm phải đƣợc bịt kín đến mức không có sự rò rỉ của nƣớc và không khí (Phạm Văn Thành, 2007, trích bởi Phạm Tấn Tùng, 2011).
d) Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hƣởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. Thông thƣờng biên độ nhiệt sau đây đƣợc chú ý đến trong quá trình xử lý yếm khí (Lê Hoàng Việt, 2005). Khoảng nhiệt độ từ 25 ÷ 40oC là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các VSV ƣa ấm phát triển, tối ƣu là 35 o
C, nhiệt độ từ 50 ÷ 65oC là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các VSV ƣa nhiệt phát triển, tối ƣu là 55oC.
Khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhƣng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ÷ 45oC tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại VSV, nhiệt độ trên 60oC tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở 65oC trở lên (Lê Hoàng Việt, 2005). Ở nƣớc ta, nhiệt độ trung bình từ 20 ÷ 32oC thích hợp cho nhóm VSV ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển (Lƣơng Đức Phẩm, 2002).
Theo Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng (1997), Nguyễn Quang Khải (2009) hoạt động của VSV sinh khí mêtan chịu ảnh hƣởng rất mạnh của nhiệt độ môi trƣờng. Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất cho VSV sinh khí mêtan là 30 ÷ 400C. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh khí mêtan giảm. Nhiệt độ môi trƣờng xuống dƣới 100C quá trình phân hủy gần nhƣ bị ức chế hoàn toàn.
Theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003) nhiệt độ đƣợc xem nhƣ yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo khí mêtan trong quá trình lên men. Nhiệt độ ở đây là nhiệt độ bên ngoài môi trƣờng ảnh hƣởng đến toàn bộ thiết bị lên men. Khi nhiệt độ bên ngoài tăng, quá trình tạo khí mêtan cũng tăng theo.
Hình 2.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Nguồn:Chongrak, 1989)
e) Ảnh hưởng của pH và độ kiềm
pH trong hầm ủ nên đƣợc điều chỉnh ở mức 6,5 ÷ 7,5, khi pH nhỏ hơn 6,4 sẽ ảnh hƣởng đến VSV sinh khí mêtan (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003), Lê Hoàng Việt (2005) pH trong lên men mêtan là từ 6,6 ÷ 7,6 và tối ƣu trong khoảng 7,0 ÷ 7,2, một số loài VSV tạo acid có khả năng phát triển ở pH 5,5 nhƣng VSV sinh khí mêtan bị ức chế. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt động của VSV sinh khí mêtan (Lê Hoàng Việt, 2005; Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Trong trƣờng hợp này lập tức ngƣng nạp cho hầm ủ để VSV sinh khí mêtan sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt đƣợc tốc độ sinh khí bình thƣờng mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lƣợng quy định. Ngoài ra có thể dùng vôi, NaOH hoặc Ca(OH)2 để trung hòa pH của hầm ủ.
Theo Mc. Carty (1964) quá trình xử lý yếm khí diễn ra tốt ở mức pH từ 6,6 ÷ 7,6 (tối ƣu là 7,0 ÷ 7,2). Khi pH nằm ngoài giới hạn này quá trình phân hủy diễn ra nhƣng kém hiệu quả hơn. pH nhỏ hơn 6,2 sẽ ức chế hoàn toàn sự phân hủy yếm khí và sản phẩm của quá trình sinh acid sẽ gây độc cho các loại VSV sinh khí mêtan.
Độ kiềm của hầm ủ nên đƣợc giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt cho nguyên liệu nạp (Lê Hoàng Việt, 2003). Theo Michel H. Garardi (2003) khoảng độ kiềm tối ƣu cho sản xuất khí mêtan từ 1500 – 3000 mg/L CaCO3, Theo Mahvi et al (2004) độ kiềm từ 2500 ÷ 5000 mgCaCO3/L sẽ cung cấp khả năng đệm tốt cho quá trình sinh khí.
Bảng 2.15 Khoảng pH tối ƣu của một số VSV sinh khí mêtan
Nhóm vi khuẩn pH Methanosphaera 6,8 Methanothermus 6,5 Methanogenium 7 Methanolacinia 6,6 ÷ 7,2 Methanomicrobiu 6,1 ÷ 6,9 Methanospirillium 7,0 ÷ 7,5 Methanococcoide 7,0 ÷ 7,5 Methanohalobium 6,5 ÷ 7,5 Methanolobus 6,5 ÷ 6,8 Methanothrix 7,1 ÷ 7,8 (Nguồn:Gerardi, 2003) f) Tỷ lệ cacbon và nitơ (C/N)
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt đƣợc tỉ số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các VSV sử dụng C nhanh hơn sử dụng N từ 25÷30 lần (Lê Hoàng Việt, 2005; Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997; Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003). Theo RISE-AT (1998) và Monnet (2003) tỉ lệ C/N tối ƣu cho quá trình phân hủy yếm khí là từ 20/1 đến 30/1. Các nguyên tố khác nhƣ P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh khí tuy nhiên C/N đƣợc coi là nhân tố quyết định.
Bảng 2.16 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật Nguyên liệu Tỉ lệ C/N Chất cặn hầm cầu 10/1 ÷ 60/1 Nƣớc tiểu 0,8/1 Phân bò, heo 18/1 ÷ 22/1 Phân gà 15/1 Phân ngựa 25/1 Bùn thải tƣơi 11/1 Bùn hoạt tính 6/1 Phân trâu 24/1 ÷ 25/1
(Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)
Tỉ lệ carbon và nitrogen trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân hủy của VSV. Tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30 là tối ƣu. Tỉ lệ C/N quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm, ngƣợc lại quá trình bị ngừng trệ vì tích lũy nhiều ammoniac là một độc tố đối với VSV khi nồng độ cao (Nguyễn Quang Khải, 2009; Lê Hoàng Việt, 2005). Các thành phần hữu cơ trong chất thải rắn thƣờng có C/N không thích hợp nhƣ phân ngƣời và phân gia cầm có tỉ lệ C/N thấp, các nguyên liệu thực vật thƣờng có tỉ lệ C/N cao. Để đảm bảo tỉ lệ C/N thích hợp nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu nhƣ dùng phân ngƣời, phân gia súc, gia cầm với rơm rạ (Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng, 2003b).
Bảng 2.17 Tỉ lệ C/N của một số loại chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật
Nguyên liệu N C Tỉ lệ C/N
Rơm lúa 1,18 48,0 40,5
Lục bình 1,84 46,4 25,2
Cỏ lông tây 1,51 49,1 32,5
(Nguyễn Văn Thu, 2010)
g) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha loãng và ẩm độ
Tỉ lệ pha loãng ảnh hƣởng đến tốc độ sinh khí và loại bỏ nguyên liệu đã phân huỷ ra khỏi bể. Tỉ lệ chất khô khoảng 9 ÷ 10% là thích hợp cho khả năng sinh khí (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Tỷ lệ chất khô lên 20% tiết kiệm đƣợc 50% thể tích bể, nhƣng rất dễ bị thừa acid và giảm khả năng tạo khí. Trong trƣờng hợp lƣợng chất tan dễ tiêu trong đó quá cao sẽ dễ sinh độc tố hủy diệt VSV sinh khí mêtan (Mahanta et al., 2005). Tỉ lệ nƣớc/phân đƣa vào bể thƣờng dao động từ 1/1 đến 7/1. Tỉ lệ pha loãng 1/1 đối với phân bò và 2/1 đối với phân heo là phổ biến (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
Sự hoạt động bình thƣờng của VSV sinh khí mêtan cần khoảng 90% nƣớc để ủ vật liệu thải và 8 ÷ 10% chất khô (Nguyễn Duy Thiện, 2001). Đối với mẻ ủ vận hành ở tỷ lệ phần trăm chất rắn thấp hàm lƣợng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho mẻ ủ nên đƣợc điều chỉnh ở mức 5 ÷ 10%, còn lại 90 ÷ 95% là nƣớc (Monnet, 2003).
Khống chế độ ẩm để kích thích VSV hoạt động, độ ẩm cao hơn 96% tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, sản lƣợng KSH tạo ra ít, nhƣng độ ẩm <20% cũng sẽ cản trở quá trình phát triển của VSV. Ẩm độ thích hợp nhất cho hoạt động của VSV là 91,5÷ 96,0% (Lê Hoàng Việt, 2005).
h) Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp
Ảnh hƣởng lƣợng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau: - Hàm lƣợng chất hữu cơ biểu thị bằng COD/m3/ngày hay VS/m3/ngày. - Thời gian tồn lƣu (HRT) hỗn hợp nạp trong hầm ủ.
Lƣợng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các VSV ở giai đoạn 3 không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các VSV sinh khí mêtan. Lƣợng chất hữu cơ nạp thấp sẽ làm cho lƣợng khí sinh ra không đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng và hầm ủ không mang lại hiệu quả kinh tế vì nó đƣợc xây dựng lớn hơn thể tích cần thiết (Lê Hoàng Việt, 2005).
Theo Eder và Schulz (2007), Lê Hoàng Việt và Nguyễn Hữu Chiếm (2013) lƣợng chất hữu cơ tối ƣu để nạp cho các hầm ủ không có giá bám là 1÷4 VS/m3/ngày và 1÷6 kg COD/m3/ngày; đối với hầm ủ có giá bám cho VSV là 1÷15 kg VS/m3/ngày và 5÷30 kg COD/m3/ngày
i) Thời gian lưu
Thời gian lƣu trữ là thời gian nguyên liệu bị phân huỷ yếm khí và sinh khí sinh học, phụ thuộc vào loại nguyên liệu và điều kiện môi trƣờng hầm ủ (Nguyễn Quang Khải, 2009; Lê Hoàng Việt, 2005).
Thời gian lƣu trữ phụ thuộc rất nhiều vào chất lƣợng nguyên liệu, thời gian lƣu trữ thƣờng 30 ÷ 60 ngày. Thời gian lƣu trữ 30 ngày là điển hình đối với bể không khuấy đảo, bể có tốc độ phân hủy cao có thể giảm còn 10 ÷ 20 ngày (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Thời gian tồn lƣu của hỗn hợp phụ thuộc vào lƣợng nạp, tối ƣu biến thiên từ 10 ÷ 60 ngày đối với hầm ủ không có giá bám cho VSV (Chongrak, 1989).
Bảng 2.18 Các điều kiện thích hợp đối với quá trình sản xuất KSH Nguyên liệu Nhiệt độ (0
C) Tỷ lệ C/N Hàm lƣợng chất khô (%)
Thời gian lƣu (ngày)
Phân động vật 30 ÷ 40 30 7 ÷ 9 30 ÷ 50
Thực vật 30 ÷ 40 30 4 ÷ 8 100
(Nguồn: Nguyễn Quang Khải, 2001)
j) Ảnh hưởng của các độc tố
Các độc chất gây ức chế VSV yếm khí làm ảnh hƣởng đến sự sinh khí của quá trình ủ. Những biểu hiện thƣờng gặp nhƣ ngăn cản quá trình sinh khí dẫn đến giảm lƣợng khí sinh ra và nồng độ acid dễ bay hơi tăng (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997). Đây là quá trình lên men yếm khí do đó sự có mặt của oxy gây ức chế toàn bộ quá trình chuyển hóa. Trƣờng hợp này oxy đƣợc xem nhƣ là chất tạo độc đối với
những loài VSV yếm khí. Điều quan trọng là bể phải kín tuyệt đối và không có oxy. Do hoạt động lâu nên trong bể có thể tích lũy các ion NH4+, Ca2+, K+, Zn+, SO42-… ở nồng độ quá cao các ion này ảnh hƣởng đến sinh trƣởng và phát triển của VSV sinh khí mêtan. Để khắc phục có thể cho lắng cặn hoặc sử dụng các ion khác để khử bớt độc tố (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
Hoạt động của các VSV chịu ảnh hƣởng của một số chất khoáng, có tác động tiêu cực hay tích cực đến quá trình lên men yếm khí. Nhƣ ở nồng độ thấp nikel làm tăng quá trình sinh khí. Các chất khoáng có thể gây hiện tƣợng cộng hƣởng hoặc đối kháng. Hiện tƣợng cộng hƣởng là hiện tƣợng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của nguyên tố khác. Hiện tƣợng đối kháng là hiện tƣợng làm giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của nguyên tố khác (Lê Hoàng Việt, 2005). Chất độc gây ức chế VSV yếm khí ảnh hƣởng đến sự sinh khí của quá trình ủ yếm khí. Những biểu hiện thƣờng gặp quá trình sinh khí bị ngăn cản dẫn đến giảm lƣợng khí sinh ra và nồng độ acid dễ bay hơi tăng (Ngô Kế Sƣơng và Nguyễn Lân Dũng, 1997).
Bảng 2.19 Mức độ ức chế của một số độc chất
Chất ức chế Nồng độ ức chế
Sulphate 5.000ppm
Sodium Chloride hoặc muối thƣờng (NaCl) 40.000ppm
Nitrate (tính theo N) 0,05mg/ml Đồng (Cu2+ ) 100mg/l Crom (Cr3+) 200mg/l Nickel (Ni3+) 200 ÷ 500mg/l Natri (Na+) 3.500 ÷ 5.500 mg/l Kali (K+) 2.500 ÷ 4.500 mg/l Canxi (Ca2+) 2.500 ÷ 4.500 mg/l Magiê (Mg2+) 1.000 ÷ 1.500 mg/l Mangan (Mn2+) > 1.500mg/l