Thời gian lưu (là khoảng thời gian lý thuyết mà một phần tử hoặc một đơn vị chất lỏng đi vào và lưu tại hầm phân huỷ. Đại lượng này được tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân huỷ và thể tích nguyên liệu đi vào hầm trong một ngày, đơn vị của thời gian lưu nước là ngày.
Thời gian lưu bùn (SRT) biểu thị cho khoảng thời gian trung bình mà phần chất rắn lưu lại trong hệ thống. Đại lượng SRT được xác định bằng tỷ số trọng lượng phần chất rắn bay hơi (VS) trong hệ thống và trọng lượng của phần chất rắn bay hơi rời khỏi hệ thống trên một đơn vị thời gian.
28
Trong hệ thống hầm phân huỷ xáo trộn hoàn toàn, không tuần hoàn, thời gian lưu nước (HRT) tương đương với thời gian lưu bùn (SRT).
Giá trị thời gian lưu nhỏ nhất được tính toán sao cho cho vi khuẩn có tốc độ phát triển chậm nhất có thể tái sinh. Thời gian lưu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất rắn trong hầm đảm bảo đạt được tính ổn định tốt. Nếu thời gian lưu chỉ còn một nửa so với yêu cầu, lượng khí biogas sinh ra sẽ giảm và quá trình phân huỷ khi đó sẽ bị ngưng trệ do số lượng vi khuẩn cấy được giảm đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả nữa. Nếu thời gian lưu lớn hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 350C lượng biogas sinh ra sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lưu có tăng lên nữa, thì lượng biogas cũng không tăng thêm nhiều. Do đó, thời gian lưu càng lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp. HRT được tính toán sao cho 70 – 80% lượng chất đầu vào được phân huỷ hoàn toàn.
Thời gian lưu và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng đối với việc loại trừ các tác nhân gây bệnh. Nếu yếu tố an toàn vệ sinh và sức khoẻ được xem xét đến thì các giá trị này phải lớn hơn ngưỡng giá trị nhỏ nhất.
(a) Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tạo metan
Quá trình phân huỷ hoặc lên men của chất hữu cơ dưới điều kiện kỵ khí diễn ra rất chậm, do đó những cơ chất này phải được duy trì trong hầm ủ trong thời gian dài để quá trình phân huỷ được diễn ra hoàn toàn. Thời gian lưu biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị hoá giải dưới điều kiện phân huỷ này. Một hầm biogas kiểu thông thường tại Ấn Độ, thời gian lưu của phần rắn và phần lỏng như nhau vì phân (phần rắn) được trộn thành dạng bùn sệt đồng nhất trước khi đưa vào hầm phân huỷ. Do đó, thời gian lưu nước (HRT) cân bằng với thời gian lưu bùn (SRT). Mặt khác, cùng với phần lỏng trong hầm ủ, các tế bảo vi khuẩn (mảnh vụn tế bào hình thành trong quá trình phân huỷ nội bào) cũng được sinh ra trong phần bùn thải sau biogas. Như vậy, trong trường hợp này, HRT, SRT và thời gian lưu mảnh vụn tế bào là như nhau. Trong một số thiết kế hầm biogas, phần tế bào hoạt tính ở đầu ra được tuần hoàn lại hầm phân huỷ nhằm tăng thời gian lưu của phần sinh khối này mà không cần tăng HRT hoặc SRT.
Thời gian lưu của các nguồn cơ chất khác nhau được quyết định bởi khả năng phân huỷ sinh học của chúng, khả năng thích ứng với các enzym và tính chất lý hoá của nguồn
29
cơ chất. HRT là một thông số thiết kế của hầm ủ và có thể điều chỉnh, tùy theo kích thước của hầm ủ, nhiệt độ lên men, thời gian tháo bùn.
Sự biến thiên sản lượng biogas (m3/kg ODM – organic dry matter) sinh ra theo sự thay đổi của thời gian lưu được trình bày ở hình 2.5.
Thời gian lưu quyết định chi phí xây dựng hầm ủ. Thời gian lưu càng cao, đồng nghĩa, lượng khí sinh ra sẽ nhiều hơn nhưng điều đó sẽ làm gia tăng chi phí đầu tư ban đầu của hầm ủ. Thời gian lưu ngắn sẽ dẫn đến hiện tượng tổn thất sinh khối và gia tăng chi phí vận hành.
(b) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian lưu
Thời gian phân huỷ của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Hình 2.5 mô tả sự phụ thuộc này trong vùng hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt trung bình. Ở giai đoạn ban đầu, lượng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một khoảng thời gian lưu, nó sẽ tiến tiệm cận đến giá trị lớn nhất. Đối với vi khuẩn ưa nhiệt trung bình – mesophilic bacteria (300C), thời gian phân huỷ tối ưu khoảng 20 – 30 ngày. Đối với vi khuẩn ưa nhiệt – thermophilic bacteria (không được biểu diễn trên sơ đồ hình 2.5), thời gian phân huỷ chỉ từ 3 – 10 ngày. Chủng loại vi khuẩn này có thể phân huỷ tạo lượng khí nhiều hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn.
Hình 2. 2 Ảnh hưởng của thời gian lưu đến sản lượng biogas
sinh ra (dãy hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt trung bình)