Quá trình chuyển hóa các thành phần hữu cơ tạo biogas đƣợc thực hiện bởi các nhóm VSV. Các VSV này sử dụng một số enzym để làm chất xúc tác cho phản ứng sinh học. Hoạt động của các enzym này đòi hỏi các điều kiện hóa lý riêng ( hay còn goại là điều kiện môi trƣờng) nhằm tối ƣu hóa quá trình chuyển hóa sinh học. Các yếu tố hóa lý quan trọng ảnh hƣởng đến tốc độ của phản ứng sinh khối bao gồm nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N, điều kiện dinh dƣỡng, yếu tố gây độc của các thành phần dạng vết, tốc độ oxy hóa khử của cơ chất, thành phần độ ẩm, thời gian lƣu trong hầm. Mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố này xét trên nhiều khía cạnh khác nhau đƣợc trình bày chi tiết nhƣ sau:
2.1.4.1 Nhiệt độ
Trong quá trình phân hủy tạo biogas, nhiệt độ ảnh hƣởng tới tốc độ của phản ứng sinh học, độ hòa tan của các kim loại nặng ( yếu tố gây độc), độ hòa tan
của CO2 và thành phần biogas sinh ra. Khi nhiệt độ môi trƣờng tăng, tốc độ phản
ứng sinh học sẽ tăng theo và do đó tốc độ sinh khí biogas sẽ cao.
Tốc độ sinh khí biogas sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 100C. Tuy nhiên,
điều này hầu nhƣ không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ba khoảng nhiệt độ mà vi khuẩn hoạt động hiệu quả nhất là:
- T < 150C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ƣa lạnh;
- T = 15 - 450C : Khoảng hoạt động của vi khuẩn ƣa nhiệt độ trung bình;
- T = 45 - 650C: Khoảng hoạt động của vi khuẩn ƣa nhiệt;
Trong phản ứng biogas, hai khoảng nhiệt độ hoạt động của hai nhóm vi khuẩn ƣa nhiệt độ trung bình (khoảng 25 - 370C) và vi khuẩn ƣa nhiệt (khoảng 550C) là quan trọng vì quá trình phân hủy yếm khí sẽ dừng lại khi nhiệt độ thấp hơn 100C.
21
Vấn đề ảnh hƣởng thứ 2 của nhiệt độ là độ hòa tan của CO2 và kim loại nặng. Độ tan của CO2 giảm khi nhiệt độ tăng, và ngƣợc lại, ở nhiệt độ thấp hàm
lƣợng CO2 hòa tan trong pha lỏng sẽ cao. Đối với kim loại nặng, khả năng hòa tan
tăng theo nhiệt độ và do đó, tại nhiệt độ cao, sự có mặt của chúng có thể là yếu tố gây độc.
Một điểm bất lợi của quá trình phân hủy nhiệt độ cao đó là, trong thành phần
biogas sinh ra sẽ có sự hiện diện của khí H2S , gây mùi hôi. Sản lƣợng biogas sinh
ra trong một mô hình hầm ủ thông thƣờng của Trung Quốc theo số liệu thực nghiệm khoảng 0,15 m3 khí/ m3 phân ở nhiệt độ 15 -170C; 0,2 -0,3 m3/ m3 ở 22 – 28 0C và 1,5 m3/ m3 ở 35 – 38 0C. Lƣu lƣợng biogas thu đƣợc cao nhất từ nguồn nguyên liệu phân bò khoảng 4,5 m3 CH4/ m3 phân.ngày ở nhiệt độ 35 – 38 0C ( tức khoảng 9 m3 biogas/ m3phân.ngày).
Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm đối với sự biến thiên của nhiệt độ, điều quan trọng là phải duy trì một nhiệt độ không đổi riêng biệt. Nguồn nguyên liệu có nhiệt độ thấp, hoặc hệ thống có lớp cách nhiệt không tốt, hoặc quá trình vận hành để xảy ra sự phân tầng nhiệt độ… có thể gây ảnh hƣởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm năng suất sinh biogas. So với vi khuẩn ƣa nhiệt độ trung bình, vi khuẩn ƣa nhiệt nhạy cảm với nhiệt độ hơn.
2.1.4.2 Thời gian lƣu
Thời gian lƣu ( là khoảng thời gian lý thuyết mà một phần tử hoặc một đơn vị chất lỏng đi vào và lƣu tại hầm phân hủy). Đại lƣợng này đƣợc tính bằng tỷ số giữa thể tích hầm phân hủy và thể tích nguyên liệu đi vào hầm trong 1 ngày, đơn vị thời gian lƣu nƣớc là ngày.
Thể tích hầm phân hủy (m3) T (ngày) =
22
Giá trị thời gian lƣu nhỏ nhất đƣợc tính sao cho vi khuẩn có tốc độ phát triển chậm nhất có thể tái sinh. Thời gian lƣu nhỏ nhất là khoảng thời gian mà chất rắn trong hầm đảm bảo đƣợc tính ổn định tốt. Nếu thời gian lƣu chỉ còn một nửa so với yêu cầu, lƣợng khí biogas sinh ra sẽ giảm và quá trình phân hủy khi đó sẽ ngƣng tệ do số lƣợng vi khuẩn cấy đƣợc giảm đến giá trị mà chúng không còn hiệu quả
nữa. Nếu thời gian lƣu nƣớc lớn hơn 10 ngày, ở nhiệt độ 350C, lƣợng biogas sinh ra
sẽ đạt giá trị ổn định, nếu thời gian lƣu có tăng lên nữa thì lƣợng biogas cũng không tăng thêm nhiều. Do đó, thời gian lƣu càng lâu, hiệu quả của quá trình càng thấp.
Thời gian lƣu 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 khỏe đƣợc xem xét đến thì các giá trị này phải lớn hơn ngƣỡng giá trị nhỏ nhất.
Quá trình phân hủy hoặc lên men của chất hữu cơ dƣới điều kiện kỵ khí diễn ra rất chậm, do đó những cơ chất này phải đƣợc duy trì trong hầm ủ trong thời gian dài để quá trình phân hủy diễn ra hoàn toàn. Thời gian lƣu biểu thị khoảng thời gian nguồn cơ chất bị hóa giải dƣới điều kiện này. Trong một số thiết kế hầm biogas, phần tế bào hoạt tính ở đầu ra đƣợc tuần hoàn lại hầm phân hủy nhằm tăng thời gian lƣu của phần sinh khối này.
Thời gian lƣu của các nguồn cơ chất khác nhau đƣợc quyết định bởi khả năng phân hủy sinh học của chúng, khả năng thích ứng với các enzym và tính chất lý hóa của nguồn cơ chất. Thời gian lƣu quyết định chi phí xây dựng hầm ủ. Thời gian lƣu càng cao, đồng nghĩa lƣợng khí sinh ra sẽ nhiều hơn nhƣng điều đó sẽ làm gia tăng chi phí đầu tƣ ban đầu của hầm ủ. Thời gian lƣu ngắn sẽ dẫn đến hiện tƣợng tổn thất sinh khối và gia tăng chi phí vận hành.
Thời gian phân hủy của các chất thải hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ở giai đoạn ban đầu, lƣợng khí gas sinh ra tăng rất nhanh và sau một khoảng thời gian lƣu, nó tiến tiệm cận đến giá trị nhỏ nhất. Đối với vi khuẩn ƣa nhiệt trung bình, thời gian phân hủy tối ƣu khoảng 20-30 ngày. Đối với vi khuẩn ƣa nhiệt thời
23
gian phân hủy chỉ từ 3-10 ngày. Chủng loại vi khuẩn này có thể phân hủy tạo lƣợng khí nhiều hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn.
2.1.4.3 pH
Hầm phân hủy hoạt động tốt ở pH 7,0 ( trong môi trƣờng độ kiềm yếu). Sự
xuất hiện một số ion sau có thể làm ảnh hƣởng đến pH của hầm: HCO3
- , H2CO3 - , NH4+, CH3COO-, Ca2+… gốc HCO3 -
góp phần làm tăng độ kiềm bicacbonat thông qua phản ứng thuận nghịch sau:
HCO3- + CH3COOH H2O + CO2 + CH3COO-
Dãy pH tối ƣu của hầm ủ nằm trong khoảng trung tính ( 6,8 -7,4). Khi tỷ lệ sinh các axit béo bay hơi vƣợt quá khả năng vi khuẩn metan hóa có thể sử dụng, pH sẽ giảm xuống dƣới mức tối ƣu. Để tăng pH trở lại, quá trình vận hành cần bổ sung thêm độ kiềm cho hầm phân hủy, lấy từ nguồn bên ngoài. Độ kiềm bicabonat trong
quá trình phân hủy kỵ khí cần duy trì ở mức 1.000 mg CaCO3/l để đảm bảo pH
thích hợp. Nếu vận hành đúng theo nguyên tắc, tỷ lệ axit bay hơi và độ kiềm tổng công phải duy trì ở mức 0,5.
Sự thay đổi pH sẽ ảnh hƣởng đến tính nhạy cảm của các enzym. Các VSV và enzym của chúng rất nhạy cảm khi pH bị lệch khỏi dãy pH tối ƣu, thể hiện qua các tác động về chức năng, tính chất vật lý, cấu trúc, khả năng hoạt hóa của các enzym. Mỗi enzym chỉ có hoạt tính trong một dãy pH nhất định. Hiện tƣợng pH bị lệch khỏi khoảng pH tối ƣu có thể gây ra các tác động sau đây đối với các enzym:
Làm thay đổi độ ổn định của các nhóm enzym có khả năng ion hóa.
Làm thay đổi các thành phần enzym không có khả năng oxy hóa trong
hệ thống.
24
Các vi khuẩn metan hóa nhạy cảm với sự thay đổi pH hơn so với vi khuẩn axit hóa và chỉ hoạt động trong khoảng pH hẹp ( pH tối ƣu cho hoạt động của vi khuẩn metan hóa khoảng 6,8-8,5; vi khuẩn axit hóa có thể tồn tại trong môi trƣờng pH thấp khoảng 5,5).
Nồng độ và dạng tồn tại của amonina cũng có ảnh hƣởng quan trọng đến pH của hầm ủ. Tuy nhiên, pH của hầm ủ cũng sẽ quyết định trạng thái tồn tại của amoniac ( NH3). Amonia tồn tại ở dạng NH4+ không gây độc đối với vi khuẩn, ngƣợc lại với amonia tự do. Nồng độ NH3 ở mức 100ppm sẽ rất độc và có thể là nguyên nhân gây hỏng hầm ủ.
2.1.4.4 Tỷ lệ C/N
Để tạo điều kiện sinh trƣởng và hoạt động tối ƣu của vi khuẩn, điều cần thiết
là phải cung cấp đầy đủ chất dinh dƣỡng dƣới dạng các hợp chất hóa học với nồng độ thích hợp. Cacbon và nitơ ( có trong protein, nitrat…) là những thành phần dinh dƣỡng chính của vi khuẩn kỵ khí. Nguồn C sẽ cung cấp năng lƣợng cho hoạt động vi khuẩn, N cần thiết cho quá trình tổng hợp tế bào. Để hàm lƣợng N đƣợc cung cấp hợp lý, nguồn cơ chất đầu vào sẽ đƣợc xem xét đến khái niệm tỷ lệ C/N. Khái niệm này đƣợc quan tâm từ rất sớm, với nguồn cơ chất là phân bò, tỷ lệ C:N khoảng 15:1 – 25:1. Sau đó khái niệm này đƣợc mở rộng đối với nhiều loại nguồn cơ chất khác nhau. Tuy nhiên với nhiều nghiên cứu về sau, tỷ lệ này gần bằng với chỉ số biểu thị khả năng phân hủy sinh học của cơ chất. Tỷ lệ C có khả năng phân hủy sinh học và lƣợng N có sẵn trong cơ chất khoảng 25:1 là điều kiện lý tƣởng của quá trình phân hủy tạo biogas. Lý do: vi khuẩn kỵ khí không thể sử dụng hết tất cả nguồn C trong cơ chất đầu vào và một cách tƣơng tự, không phải tất cả dạng tồn tại N trong cơ chất đi vào hầm phân hủy đều có giá trị với vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn metan hóa. Vi khuẩn lên men sử dụng nguồn C nhanh gấp 25-30 lần so với N, do đó tỷ lệ C:N tối ƣu đòi hỏi phải từ 25-30:1. Khi tỷ lệ này bị thay đổi, hiệu quả của quá trình phân hủy sẽ bị giảm.
25
Nếu tỷ lệ C/N quá cao, lƣợng N sẽ bị vi khuẩn metan hóa tiêu thụ nhanh để tổng hợp protein của chúng và sẽ không còn đủ để phản ứng với lƣợng C còn lại trong nguyên liệu, do đó lƣợng khí biogas sinh ra sẽ thấp. Mặt khác nếu tỷ lệ C/N quá thấp, thành phần N sẽ giải phóng và tích lũy dƣới dạng amoni (NH4). NH4 sẽ làm tăng pH trong hầm phân hủy. pH cao hơn 8,5 sẽ là một yếu tố gây cản trở hoạt động của vi khuẩn metan hóa.
27
Các vi khuẩn axit hóa và vi khuẩn metan hóa đều cần tỷ lệ C/N : 25-30:1 cho
quá trình hoạt động tối ƣu. Mặt dù các loại chất thải hữu cơ khác nhau có tỷ lệ C:N khác nhau nhƣng hỗn hợp của các nguyên liệu này trƣớc khi vào hầm phân hủy phải đảm bảo đạt tỷ lệ C/N khoảng 25-30:1
2.1.4.5 Thành phần độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào
Nƣớc là nhu cầu tất yếu cho sự sống và hoạt động của vi sinh vật. Hơn nữa,
nƣớc là môi trƣờng cần thiết cho sự di chuyển của vi khuẩn, hoạt động của các enzym ngoại bào và thủy hóa các polyme sinh học, tạo điều kiện cho quá trình phân hủy.
Tuy nhiên việc duy trì quá nhiều nƣớc trong hầm phân hủy sẽ làm tăng thể tích hầm và trở nên cồng kềnh. Do đó, độ ẩm trong hầm phải đƣợc duy trì ở mức tối ƣu. Hàm lƣợng độ ẩm đối với từng loại cơ chất khác nhau sẽ khác nhau, tùy thuộc vào tính chất hóa học và khả năng phân hủy sinh học của chúng. Theo các nguyên cứu cho thấy, hiệu suất của quá trình phân hủy sẽ giảm khi hàm lƣợng chất rắn lơ lửng (TS) tăng. Do đó điều quan trọng là phải xác định hàm lƣợng TS tối ƣu cho hỗn hợp nguyên liệu đầu vào theo từng loại nguyên liệu và từng kiểu hầm ủ khác nhau. Ví dụ nhƣ trƣờng hợp nguyên liệu đầu vào là phân bò, có hàm lƣợng TS 18%, do đó phải hòa trộn với nƣớc theo tỷ lệ 1:1 về khối lƣợng để đảm bảo hỗn hợp thu đƣợc có nồng độ TS 9%. Hỗn hợp phân bò dạng bùn nhão này sẽ dễ thao tác và tự chảy dễ dàng vào hầm phân hủy.
Đối với các dạng hầm ủ mà nguyên liệu đầu vào là chất thải rắn nhƣ giấy, bã mía, sinh khối… với tỷ trọng tƣơng đối thấp thì lực đẩy nổi từ các bọt khí bám chặt vào sẽ làm nguyên liệu nổi lên trên mặt hầm ủ, khi đó quá trình phân hủy sẽ không diễn ra đƣợc. chính vì vậy quá trình phân hủy đòi hỏi phải có sự hiện diện của pha lỏng. Trong trƣờng hợp nguyên liệu là sinh khối thải, nguyên cứu cho thấy, sinh khối bùn tƣơi sẽ phân hủy dễ dàng hơn so với bùn khô.
28
Khi thành phần độ ẩm quá cao, điều đó có nghĩa là nhiệt độ chất thải thấp, kết quả là sản lƣợng biogas sinh ra sẽ giảm. nếu thành phần độ ẩm quá thấp, các axit hoạt tính sẽ tích lũy và gây trở ngại cho quá trình lên men. Đối với hầu hết các loại hầm ủ biogas, tỷ lệ nguyên liệu thô đầu vào: nƣớc lý tƣởng phải đạt mức 1:1. Hàm lƣợng TS tối ƣu khoảng 7-9%.
Sản lƣợng khí biogas sinh ra là phụ thuộc vào hàm lƣợng chất răn trong nguyên liệu đầu vào và khả năng phân hủy sinh học của chúng trong hầm phân hủy. Hàm lƣợng TS càng cao, hầm phân hủy sẽ có thể tích càng nhỏ và chi phí đầu tƣ cho hệ thống sẽ thấp.
Tuy nhiên, một số nguyên cứu về vai trò của nƣớc trong hầm lên men kỵ khí cho thấy, xét một cách tƣơng đối, thành phần chất hữu cơ khô, khi lên men cũng có thể chuyển hóa thành metan hiệu quả. Nghiên cứu cũng cho thấy, tốc độ và hiệu suất của quá trình lên men kỵ khí không ảnh hƣởng bởi thành phần độ ẩm khi hàm lƣợng độ ẩm thấp hơn 68% tổng khối lƣợng ( khi hàm lƣợng độ ẩm giảm xuống 60- 68% tổng khối lƣợng sẽ gây ra hiện tƣợng tích tụ các axit bay hơi và ức chế khả năng tạo khí biogas ). Quá trình lên men khi hàm lƣợng nƣớc thấp hơn 68% đƣợc gọi là lên men khô.
2.1.4.6 Thành phần gây độc
Nồng độ cao của amonia, chất kháng sinh, thuốc trừ sâu, bột giặt và kim loại nặng…là các yếu tố gây độc với VSV, ảnh hƣởng đến khả năng sinh khí biogas. Tỷ lệ C/N thấp trong hỗn hợp đầu vào sẽ làm tăng hàm lƣợng amonia. Chất kháng sinh sử dụng trong thức ăn của động vật hoặc khi tiêm phòng cho động vật có thể gây ra các tác động tiêu cực đến khả năng sinh biogas. Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại đƣợc trình bày trong bảng 2.15
29
Bảng 2.14 Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại
Thành phần mg/l Sunfate SO42- 5.000 NaCl 40.000 Cu 100 Cr 200 Ni 200-500 Cianua ( CN) <25 Hợp chất bề mặt 40 ppm Amonia 3.000 Na 5500 K 4.500 Ca 4.500 Mg 1.500
Nguồn: B.T.NIJAGUNA, Biogas Technology, New Age Iternational Publisher