Trong bước thứ 3 – bước cuối cùng của quá trình chuyển hoá, axit acetic được hình thành ở bước 1 và 2 sẽ được chuyển hoá thành CH4, CO2 (biogas) nhờ hoạt động của vi khuẩn metan.
Trong quá trình phân huỷ sẽ xuất hiện các bọt khí H2S nhỏ và tích luỹ một phần nhỏ trong thành phần khí biogas. Khí H2S được sinh ra trong giai đoạn thuỷ phân khi các VSV bẽ gãy amino axit methionine thiết yếu. Trong giai đoạn metan hoá, H2S cũng tiếp tục được sinh ra do các nhóm VSV khử sunfat khác nhau sử dụng axít béo (đặc biệt là acetate), protein làm nguồn cơ chất cho quá trình phân huỷ.
Cả 3 giai đoạn trên càng có sự liên kết thì quá trình phân huỷ, lên men diễn ra càng nhanh. Hình 2.1 và 2.2 mô tả các bước của quá trình.
Hình 2.1 Các bước của quá trình tạo khí metan
Protein Cacbonhydrate Chất béo Axit acetic Axit HC yếu Rượu
Axit acetic Biogas CH4, CO2 Giai đoạn tạo axít
(thuỷ phân) Giai đoạn khử axít
Giai đoạn hình thành khí CH4
Pha I Pha II
Vi khuẩn lên men
1 2 3
18 Xử lý sơ bộ
nguyên liệu Quá trình lên men 1. Tạo axít (từ chất béo,
xenlulô và protein 2. Khử axít (tạo ra CH3COOH, CO2, H) 3. Tạo khí CH4từ CO2và H Thu nhiệt Khoáng hoá Nguyên liệu
thô Quá trình chuyển hoá Sản phẩm cuối cùng
Sinh khối (chất thải hữu cơ)
Hình 2.2 Lược đồ của quá trình phân huỷ kỵ khí
Trong suốt pha đầu tiên của quá trình phân huỷ, một lượng lớn khí CO2 được sinh ra và giá trị pH sẽ giảm xuống khoảng 6,2 (pH < 6,2 là một yếu tố bất lợi đối với hoạt động của VSV). Sau thời gian khoảng 10 ngày, pH bắt đầu tăng ổn định, giá trị đạt khoảng 7,0 – 8,0. Nhiệt độ của quá trình thấp dưới 150C sẽ hạn chế khả năng sinh biogas. Nói chung, nhiệt độ càng cao thì lượng biogas sinh ra càng nhiều, giảm được thời gian lưu phân trong hầm và làm tăng năng suất.
1. Biogas CH4 (50 – 60%) CO2 (30 – 40%) N H H2S
2. Chất thải hữu cơ N và xenlulô chứa licnin = nguồn
19
Bảng 2.10 Đặc điểm của quá trình chuyển hoá sinh hoá [21]
Các bước Nhiệt độ pH Môi trường Thế oxy hoá khử Thuỷ phân Nhiệt độ càng cao,
chuyển hoá càng nhanh, < 550C
∼ 6 Ưa khí -
Pha axít hoá 4 – 6
Kỵ khí nghiêm ngặt
-
Pha acetat hoá VK ưa nhiệt trung bnh (mesophilic): ∼ 350C
VK ưa nhiệt (thermophilic): ∼ 550C
6,8 – 7,5 Min – 330 mV Methan hoá
Các phản ứng sinh học diễn ra trong các pha lên men kỵ khí ở trên là một chuỗi phức tạp, từ hợp chất ban đầu là xenlulô, để tạo ra sản phẩm cuối cùng là biogas, sẽ có các sản phẩm trung gian như axit focmic, axit acetic, axit propionic và axit butyric… Phản ứng tổng quát của quá trình này như sau:
20
Bảng 2.11 Các phản ứng diễn ra trong quá trình phân huỷ kỵ khí ứng với các loại cơ chất
khác nhau [21]
Cơ chất Phản ứng
Cacbonhydrat,
ví dụ: glucozơ
C6H12O6 + 0H2O → 3CH4 + 3CO2
50% : 50%
Chất béo, ví dụ: axít palmitic
2C6H32O2 + 14H2O → 23CH4 + 9CO2
72% : 28%
Protein (trung bình)
2C13H25O7N3S + 12H2O → 13CH4 + 13CO2 + 6NH3 + 2 H2S 38% : 38% : 18% : 6%
Giả sử 100% cơ chất đều có khả năng phân huỷ sinh học và không tính đến phần cơ chất chuyển hoá thành tế bào thì phương trình phản ứng trên là cơ sở lý thuyết để xác định lượng biogas sinh ra cực đại.
Nhiệt lượng toả ra của phản ứng trên khoảng 1,5 MJ/kg nguyên liệu khô, tương ứng, với cơ chất là C6H10O5, thì nhiệt lượng toả ra khoảng 250 KJ/mol C6H10O5. Lượng nhiệt này không đủ để nâng nhiệt độ của khối cơ chất đầu vào.
Trong thực tế, quá trình phân huỷ diễn ra trong thời gian dài, do đó, hiệu suất của quá trình ít khi đạt trạng thái hoàn toàn, chỉ khoảng 60% cơ chất được chuyển hoá. Sản lượng biogas sinh ra khoảng 0,2 - 0,4 m3/kg nguyên liệu đầu vào, với hàm lượng chất rắn khoảng 5 kg/1m3 chất lỏng.
Quá trình phân huỷ diễn ra ở ba dãy nhiệt độ khác nhau, tương ứng với 3 nhóm VSV đặc trưng. Hiệu suất sinh khí càng tăng khi nhiệt độ càng tăng vì tốc độ phản ứng ở nhiệt độ cao diễn ra nhanh hơn so với ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ gia tăng 100C, tốc độ sinh khí sẽ tăng gấp đôi. Ba khoảng nhiệt độ làm việc, ứng với các ba nhóm VSV khác nhau:
21
- t = 20 – 350C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, thời gian lưu khoảng 20 ngày
- t = 50 – 600C, dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt, thời gian lưu trên 8 ngày Nguyên tắc thành công của trong quá trình vận hành hệ thống biogas là duy trì điều kiện nhiệt độ và nguồn cấp liệu đầu vào ổn định. Khi đó, mật độ vi khuẩn sẽ đảm bảo đủ để đáp ứng những điều kiện trên.