D NH M CH NH
4. Phương pháp xử lý chât thải bằng biogas
4.1.Khí sinh học là g ?
Cơ thể và ch t thải của ộng vật và thực vật gồm các ch t h u cơ Các ch t này thường b th i r a do tác ộng của các vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn. Quá trình phân hủy xảy ra trong môi trường yếm khí tạo ra hỗn hợp khí với thành ph n chủ yếu là khí cacbonic và khí metan gọi là khí sinh học. [8]
Trong tự nhiên khí sinh học ược sinh ra ở nh ng nơi nước sâu tù ọng như các m l y dưới áy ao hồ giếng sâu, ruộng ngập nước, bãi rác hoặc trong bộ máy tiêu hóa của ộng vật.
Khí sinh học còn sinh ra ở các mỏ than á d u mỏ và khí thiên nhiên do các quá trình biến ổi a hóa xảy ra hàng triệu năm
Trong iều kiện nhân tạo, khí sinh học ược tạo ra t các thiết b khí sinh học nhờ vào quá trình lên men yếm khí các ch t h u cơ
4.2.Thành ph n khí sinh học
Khí sinh học là hỗn hợp bao gồm nhiều ch t khí trong c khí metan cacbonic nitơ hydro hidro sunfua oxi và hơi nước trong lượng khí metan là chủ yếu chiếm khoảng 50-70%, cabonic: 30-45%, các khí khác tồn tại dạng vết.
Khí metan là khí không màu, không mùi, nhẹ bằng nửa không khí, ít hòa tan trong nước, hóa lỏng ở nhiệt ộ -161,5 0C trong iều kiện khí quyển và khi cháy sẽ có ngọn lửa màu xanh lơ và tỏa nhiệt.
23
Nhiệt tr của metan cao (g n 9.000 kcal/m3). Với hỗn hợp khí sinh học có khoảng 60% khí mê tan thì nhiệt tr khoảng 4500–6300 kcal/m3. [1]
Thành ph n khí sinh học sẽ thay ổi theo thành ph n của nguyên liệu nạp (phân trâu, bò, gà v t hay các nguyên liệu có nguồn g c t thực vật) hoặc thành ph n khí sinh học sẽ phụ thuộc vào các yếu t môi trường (pH, nhiệt ộ, quá trình phân giải… .
4.3.Cơ chế h nh thành khí sinh học
Cơ sở của quá trình hình thành khí sinh học là dựa vào quá trình phân hủy các ch t h u cơ của vi sinh vật trong iều kiện không có oxi. Các sinh vật thuộc nhiều nhóm khác nhau phân hủy các ch t h u cơ thông qua các giai oạn khác nhau tạo thành sản phẩm cu i cùng là metan và cacbonic.
24
Tùy theo mỗi tác giả mà người ta chia quá trình trên thành 3 hoặc 4 giai oạn, nếu chia thành 3 giai oạn thì sẽ gộp giai oạn 1 là giai oạn thủy phân và lên men, giai oạn 2 là tạo axit axetic và giai oạn 3 là giai oạn sinh khí metan. Chia quá trình trên thành 3 hay 4 giai oạn thì bản ch t quá tr nh không thay ổi. [1]
iai oạn 1 (giai oạn thủy phân : trong giai oạn này nh ng polymer h u cơ b bẻ gãy bởi các enzyme ngoại bào do các vi sinh vật thủy phân sinh ra ể tạo thành các hợp ch t h u cơ ơn giản hơn iai oạn này các protein sẽ chuyển hóa thành các acid amin các carbon hydrat thành ường ơn các ch t béo sẽ ược chuyển hóa thành các acid h u cơ mạch dài và glyxerin. Phản ứng thủy phân cellulose và lignin r t khó phân hủy thành các ch t h u cơ ơn giản ây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm
Sinh acetate Carbohydrat
Ch t thải sinh học
protein lipid
Đường Axit amin glycerol
H2, CO2, acetate Axit béo
H2, CO2, acetate CH4, CO2
Thủy phân
Lên men
Sinh metan
25
khí. T c ộ thủy phân phụ thuộc nhiều và nguyên liệu nạp, mật ộ vi khuẩn trong h m, yếu t môi trường như pH nhiệt ộ.
iai oạn 2 (giai oạn axit hóa): sản phẩm t quá trình thủy phân sẽ ược các vi khuẩn acetogenic chuyển hóa thành axit acetic, H2 và CO2.
iai oạn 3 (giai oạn acetate hóa): sản phẩm của giai oạn 2 sẽ ược tiếp tục chuyển hóa thành nguyên liệu cho quá trình metan hóa.
iai oạn 4 (giai oạn metan h a : Là giai oạn chậm nh t trong quá trình xử lý kỵ khí. Khí metan ược hình thành t phản ứng của axit acetic hoặc khí CO2 và H2. Quá tr nh này ược thực hiện bởi loại vi khuẩn acetotrophic và hydrogennotrophic. Trong giai oạn này thì vi sinh vật tạo metan t hydro và cacbon có t c ộ phát triển nhanh hơn n n ng vai trò quyết nh.
Tóm lại, quá trình lên men yếm khí có thể tóm tắt ở phương tr nh sau: CHC CH4 + CO2 + H2 + NH3+ H2S
4.4.Các yếu tố ảnh hư ng ến quá tr nh sinh khí 4.4.1 Môi trường kỵ khí
hí sinh học ược sinh ra do hoạt ộng của nhiều vi sinh vật trong các vi khuẩn sinh metan là quan trọng nh t. Nh ng vi khuẩn này chỉ s ng trong môi trường tuyệt i không có oxy (kỵ khí bắt buộc). Vì vậy ể ảm bảo cho môi trường phân giải tuyệt i kỵ khí là một yếu t quan trọng u tiên.
4.4.2 Nhiệt ộ
Hoạt ộng của vi khuẩn sinh metan ch u sinh trưởng r t mạnh của nhiệt ộ môi trường Trong iều kiện tự nhiên, nhiệt ộ thích hợp nh t i với chúng là 350
C. Nhiệt ộ th p hoặc thay ổi ột ngột ều làm cho quá trình sinh metan yếu i Nhiệt ộ môi trường xu ng dưới 100
26
vùng lạnh c n phải ảm bảo cách nhiệt t t ể gi m cho thiết b . Xây công trình ng m dưới t là biện pháp t t ể gi ổn nh nhiệt ộ cho môi trường phân giải.
4.4.3 Độ pH
Độ pH t i ưu cho hoạt ộng của vi khuẩn là 6,8 - 7 5 tương ứng với môi trường hơi kiềm. Tuy nhiên, vi khuẩn sinh metan vẫn có thể hoạt ộng ược trong giới hạn ộ pH t 6,5 - 8,5.
4.4.4 Thời gian lưu
Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong thiết b phân giải Đây là khoảng thời gian d ch phân giải sản ra khí sinh học Trong iều kiện Việt Nam, Tiêu chuẩn ngành 10 TCN 492 - 2002 qui nh thời gian lưu i với ch t thải ộng vật như bảng 4.1.
ảng 4.1 Thời gian lưu i với ch t thải ộng vật theo Tiêu chuẩn ngành [9]
Vùng Nhiệt ộ trung bình về mùa ông (0C) Thời gian lưu (ngày
I 10-15 55
II 15-20 40
III ≥20 30
4.4.5 Các ộc tố
Hoạt ộng của vi khuẩn ch u ảnh hưởng của một s các ộc t hi hàm lượng của các loại này có trong d ch phân giải vượt quá một giới hạn nh t nh sẽ tiêu diệt các vi khuẩn, vì thế không cho phép các ch t này có trong d ch phân giải.
Trong thực tế các loại hoá ch t như thu c tr sâu, thu c diệt cỏ, thu c sát trùng, các ch t kháng sinh nước xà phòng, thu c nhuộm, d u nhờn và các ch t tẩy rửa không ược phép cho vào các thiết b khí sinh học.
27
4.4.6 Đặc tính của nguyên liệu
Quá trình phân giải khí metan xảy ra thuận lợi nh t khi nguyên liệu c hàm lượng ch t khô t i ưu vào khoảng 7-9 i với ch t thải ộng vật Đ i với bèo tây hàm lượng ch t khô là 4-5 rơm rạ là 5-8%. Nguyên liệu ban u thường c hàm lượng ch t khô cao hơn giá tr t i ưu n n khi nạp nguyên liệu vào thiết b khí sinh học người ta thường pha th m nước.
Tỷ lệ cacbon và nitơ của nguyên liệu:
Các ch t h u cơ c c u tạo t các nguyên t C, H, N, P, S
Tỷ lệ C/N là chỉ ti u ể ánh giá khả năng phân giải của một loại ch t h u cơ. Vi khuẩn kỵ khí tiêu thụ cacbon/nitơ g p 30 l n V vậy khi tỷ lệ này quá cao thì quá trình phân hủy sẽ diễn ra chậm ngược lại, tỷ lệ này th p thì quá trình phân giải b ng ng trệ do tích l y nhiều ammoniac cản trở quá trình hoạt ộng của vi sinh vật phân giải kỵ khí.
4.5.Các loại h m biogas
4.5.1 Cấu tạo chung của h m biogas
Công trình khí sinh học là bể kín chứa các ch t thải h u cơ t quá tr nh chăn nuôi hoặc t các hoạt ộng khác và ược lên men yếm khí ể tạo ra khí sinh học. H m khí sinh có nhiều kiểu khác nhau nhưng bao gồm 5 bộ phận chính:
Bể phân hủy: là nơi chứa d ch phân hủy và nơi xảy ra quá trình phân hủy các ch t h u cơ ể tạo thành khí sinh học ây là bộ phận quan trọng nh t của h m khí sinh học
Bộ tích khí sinh học: là nơi chứa khí sinh học.
Đ u vào: là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào bể phân hủy.
28
Đ u l y khí: là bộ phận dẫn khí t bộ phận tích khí ến thiết b sử dụng khí.
4.5.2 Các dạng h m khí sinh học
Theo hình thức nạp nguyên liệu u vào người ta chia h m khí sinh học thành 2 loại.
H m khí sinh học có nguyên liệu nạp theo mẻ [13]:
Đ i với các h m sinh khí loại một l n là ơn giản nh t, vì vậy thường không t n kém. Hệ th ng sản xu t khí ơn giản chỉ là một bể phân huỷ kín không ể không khí lọt vào, sau khi nạp y nguyên liệu, bể phân hủy sẽ ược gắn kín lại.
Thời gian l n men tương i dài t 30 - 180 ngày tùy thuộc vào ch t phân hủy, các ch t h u cơ phân hủy d n d n và sẽ tích l y khí trong thời gian nh t nh sau dó sản lượng khí giảm d n do ch t h u cơ m t khả năng sinh khí
H m khí sinh học có nguyên liệu nạp bán liên tục
Người ta chia h m khí sinh học thành 3 loại: h m kiểu vòm c nh, h m có nắp ậy di ộng, h m kiểu túi [13] và hiện nay có h m composite [4].
H m sinh khí kiểu c nh: l n men Cửa ra Nắp l y phân Cửa khí ra Nắp di ộng Phản ứng H nh 4.2 ơ ồ h m sinh khí loại một l n
29
Được xây dựng bằng vật liệu gạch á hoặc bê tông ỉnh và áy h m có dạng bán c u và tường thẳng. H m ược làm kín khí kín nước. Nguyên liệu nạp vào tr n cơ sở bán liên tục khí sinh ra ược tích lại ph n vòm phía trên của nguyên liệu. Thời gian ủ khoảng 60 ngày ở nhiệt ộ 250C. Giá thành xây dựng tương i rẻ. Tuy nhiên, thành công trình dễ b nứt sau một thời gian sử dụng nếu như không ạt yêu c u.
H nh 4.3 H m sinh khí kiểu v m c nh
H m sinh khí có nắp ậy di ộng:
30
Loại này có dạng hình trụ, tỷ lệ gi a ộ cao và ường kính là 2 5÷4:1 ược xây dựng bằng gạch b tông lưới thép. Nguyên liệu ược cung c p bán liên tục. Thời gian lưu khoảng 30 ngày i với vùng khí hậu m và 50 ngày i với vùng khí hậu lạnh. Ưu iểm là ch u áp lực t t, áp su t ổn nh, tuy nhiên nắp thường làm bằng th p c ộ bền trung b nh giá thành cao kh khăn khi ch ng ăn m n do nắp phải di ộng.
H m khí sinh học dạng túi:
Loại này có c u tạo r t ơn giản, bao gồm một ng trụ bằng ch t dẻo tổng hợp hoặc bằng một túi ch t dẻo mềm, ng nạp nguyên lệu, ng tháo bã và ng l y khí ể sử dụng. Thời gian ủ thay ổi tùy theo loại nguyên liệu sử dụng và nhiệt ộ môi trường, 60 ngày ở nhiệt ộ 15 - 200C, 30 ngày ở nhiệt ộ 30-350C. Ưu iểm nổi bật của h m này là lắp ặt và vận hành ơn giản, chi phí th p. Tuy nhiên, loại này dễ hư hỏng và hiệu su t không cao vào màu ông do ảnh hưởng của nhiệt ộ môi trường.
31
Kiểu h m composite
Loại bể này ược sản xu t tại Việt Nam t năm 2006 ể ược làm t vật liệu composite n n ộ bền cao, ch u áp lực lớn. Bể composite không có ng nạp, ng xả mà bể nạp và bể iều áp n i trực tiếp với bể phân giải ộ dày của thành các bể này tương tự ộ dày của bể phân giải. Bể composite bao gồm 4 bộ phận tách rời, các bộ phận này ược gắn kết lại với nhau nhờ vào keo ặc dụng và các c vít.
Ưu iểm của loại này là kín khí tuyệt i, không b hư nhưng chỉ có vài kích thước c nh như h m 4m3
; 7m3; 9m3, giá thành cao.
32
H nh 4.6 Các bộ phận ri ng biệt của bể khí sinh học composite 4.6.Lợi ích kinh tế xã hội môi trường khi sử dụng biogas 4.6.Lợi ích kinh tế xã hội môi trường khi sử dụng biogas
4.6.1 Lợi ích kinh tế
Tạo ra nguồn năng lượng sạch
Khí sinh học có nhiệt tr khoảng 4.700-6500 kcal/m3.Về nhiệt lượng h u ích: 1m3 khí sinh học tương ương: 0,96 lít d u; 4 7 Wh iện ; 4,07 kg củi gỗ; 6 1 kg rơm rạ [9].
Do việc phát triển khí sinh học là một con ường quan trọng ể tiến tới giải quyết v n ề năng lượng ở nông thôn: có thể sử dụng khí sinh học ể un n u hằng ngày thay thế cho các nguyên liệu khác như than củi, ga hóa lỏng. Theo Ông Nguyễn Quang Khải một công trình khí sinh học có thể tích 3-5 m3, 15-20kg nguyên liệu nạp hằng ngày có thể thu ược 500-1000 l khí ủ un n u thức ăn và nước u ng cho gia
33
nh khoảng 4-5 ngày [8]. Hoặc có thể sử dụng làm nguyên liệu thay thế xăng d u chạy các ộng cơ t trong ể phát iện k o các máy công tác … Ngoài ra c n c thể ược dùng ể s y chè, p trứng sưởi m gà con heo con…
Việc sử dụng h m biogas ể xử lý ch t thải trong nông nghiệp góp ph n giảm thiểu lượng CH4 phát thải tăng lượng h p thụ CO2 nhờ vào việc giảm chặt phá r ng. Do c thể buôn bán lượng phát thải CO2 với các nước phát triển, hoặc ược các tổ chức nước ngoài hỗ trợ u tư v n và khoa học kỹ thuật ể nhân rộng việc sử dụng h m khí sinh học trong chăn nuôi
Phụ phẩm khí sinh học ược sử dụng làm thức ăn nuôi cá làm phân b n cho cây trồng làm tăng ộ phì của t.
4.6.2 Góp ph n giảm thiểu ô nhiễm môi trường
Sử dụng biogas ể un n u thắp sáng không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn mang lại lợi ích về môi trường.
Đun n u bằng biogas sẽ góp ph n hạn chế phá r ng cho mục ích làm than củi t g p ph n giảm thi n tai l lụt, hạn hán…Đồng thời khi r ng ược ảm bảo còn là nơi dự tr sinh quyển và là nơi bảo tồn a dạng sinh học.
Việc giải quyết ược nguồn ch t thải gia súc gia c m t không c n gây mùi hôi th i khó ch u, ô nhiễm t, nguồn nước.
4.6.3 Lợi ích về xã hội
Trong môi trường kỵ khí, các m m bệnh sẽ b tiêu diệt hoàn toàn nhờ vậy, tránh ược sự lây lan d ch bệnh cho gia súc, gia c m và con người. Nơi nào phát triển h m khí sinh vật t t nơi sẽ kiểm soát có hiệu quả về các bệnh kí sinh trùng và bệnh sán ; vệ sinh nông thôn ược biến ổi t t hơn người làm nông nghiệp ược bảo vệ, tiêu
34
chuẩn chung về sức khỏe ược nâng lên rõ rệt. Giải phóng sức lao ộng của phụ n và trẻ em khỏi công việc bếp núc và kiếm củi nặng nhọc.
Ứng dụng dây chuyền công nghệ xử lý ch t thải
Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải có thành ph n và tải lượng cao, nếu chỉ áp dụng một phương pháp sẽ r t kh ạt ược hiệu quả xử lý như quy nh. H m biogas tuy mang lại nhiều lợi ích kinh tế, xã hội và môi trường nhưng chưa phải là biện