SẢN XUẤT BIOGAS
Cuộc khủng hoảng năng lượng vào những năm 1980 đã gây ra những ảnh hưởng kinh tế cho nhiều quốc gia, đặc biệt là những nước nghèo lệ thuộc vào việc nhập khẩu dầu và khí đốt. Biogas là sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ đã được xem như là nguồn năng lượng thay thế. Biogas có thể được sử dụng trong hộ gia đình như là dùng để nấu ăn, cung cấp nhiệt, thắp sáng, và hơn thế nữa là sử dụng trong các cơ quan công sở để cung cấp năng lượng hay là dùng để phát điện. Vật liệu thô phổ biến dùng để tạo ra biogas thường được xem như là “vật liệu thừa”, ví dụ như là phân gia súc, bùn trong hệ thống cỗng rãnh, và các phế phẩm thực vật. Tất cả các vật liệu này có nguồn dinh dưỡng cao thích hợp cho sự tăng trưởng của các vi khuẩn yếm khí. Mặc dù một vài dạng trong số các loại vật liệu này có thể sử dụng trực tiếp như là nguồn nguyên liệu và phân bón, nhưng chúng cũng được sử dụng để sản xuất biogas và nhiệt lượng. Tùy thuộc vào các yếu tố như là thành phần của các vật liệu đầu vào, khối lượng chất hữu cơ áp dụng, thời gian và nhiệt độ của phân hủy yếm khí mà thành phần sản phẩm biogas biến đổi như sau:
CH4 55 – 65%
CO2 35 – 45%
N2 0 – 3%
H2 0 – 1%
H2S 0 – 1%
CH4 cung cấp nhiệt lượng cao nhất (# 9.000 kcal/m3); thông thường trongsản phẩm biogas cung cấp nhiệt lượng khoảng 4.500 – 6.300 kcal/m3.
6.1 Mục Đích, Lợi Ích Và Giới Hạn Của Công Nghệ Biogas
Quá trình tạo ra nguồn năng lượng khí biogas từ hoạt động phân hủy yếm khí của các chất thải hữu cơ là lợi ích cao nhất của công nghệ biogas. Thực tiễn sản xuất biogas trong khu vực nông thôn có một số thuận lợi như bù đắp nhiên liệu, than , dầu, gỗ và các vấn đề liên quan đến việc quản lý và hệ thống mạng lưới phân phối năng lượng. Lượng chất thải hữu cơ can thiết cho quá trình sản xuất biogas thì dồi dào. Giảm nhu cầu sử dụng gỗ trong rừng và những nổ lực trồng cây rừng trong tương lai.
6.1.2 Ổn định chất thải
Các phản ứng sinh học xuất hiện trong quá trình phân hủy yếm khí sẽ làm giảm nồng độ của các chất hữu cơ từ 30 - 60% và ổn định bùn có thể dùng để làm phân bón và cải tạo đất.
6.1.3 Cung cấp chất dinh dưỡng
Các chất dinh dưỡng (N, P, K) hiện diện trong chất thải thường tồn tại dưới dạng phức chất và rất khó hấp phụ bởi cây trồng. Sau khi phân hủy ít nhất 50%, N hiện diện dưới dạng ammonia hòa tan, có thể thực hiện hóa trình nitrate hóa tạo thành NO3-. Vì vậy quá trình phân hủy sẽ tăng đô hữu dụng của N trong các chất hữu cơ từ 30 - 60%. Hàm lượng P, K không thay đổi trong quá trình phân hủy. Quá trình phân hủy không phân hủy hay dịch chuyển bất cứ thành phần nào trong các dạng dinh dưỡng của chất thải đô thị và trong các trại và làm cho nó hữu dụng thích hợp cho việc hấp thụ của cây trồng. Bùn lắng từ quá trình phân hủy được xem như là chất làm ổn định và cải tạo đặc tính vật lý đất.
6.1.4 Ưc chế hoạt tính của mầm bệnh
Trong thời gian ủ phân yếm khí chất thải được phân hủy trong thời gian khoảng 15 - 50 ngày, nhiệt độ 35oC. Những điều kiện này thích hợp cho việc ức chế một số mầm bệnh như là vi khuẩn, virus, động vật nguyên
sinh, trứng giun sán.
Kỹ thuật biogas có một vài trở ngại. Khi so sánh với các giải pháp lựa chọn khác như là ủ phân compost thì các yếu tố như là ổn định chất thải và ức chế mầm bệnh thì phương pháp ủ phân compost tốt hơn nhiều. Một giới hạn khác bao gồm chi phí cao, sản phẩm biogas biến đổi theo mùa, cũng như các vấn đề như là vận hành và bảo trì.
Bởi vì việc ức chế mầm bệnh trong phân hủy yếm khí không hoàn chỉnh và bùn hình thành từ quá trình phân hủy tồn tại dưới dạng dung dịch, do đó cần lưu ý khi lưu trữ và sử dụng lại bùn từ quá trình phân hủy. Có lẻ đây là lý do làm cho việc sử dụng bùn từ các hầm tự hoại bị hạn chế. Bảng 4.1 là bảng so sánh phân tích kỹ thuật biogas và ủ phân compost. Bảng 4.2 so sánh thuận lợi và bất lợi của công nghệ biogas.
6.2 Các Phản Ưng Sinh Hóa Và Các Vi Sinh Vật
Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ là một phản ứng sinh hóa rất phức tạp bao gồm những phản ứng và sự tham gia của các hợp chất hữu cơ khác nhau, mỗi một hợp chất được thủy phân bởi một enzymes cụ thể hoặc là chất xúc tác riêng biệt. Phản ứng đơn giản của quá trình này là:
Các hợp chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S (7-1)
Một cách tổng thể của quá trình phân hủy yếm khí xuất hiện gồm các giai đoạn sau đây: 1. Bẻ gãy liên kết polymer hay sự hóa lỏng (Liquefaction).
2. Hình thành acid.
3. Hình thành methane (CH4)
Giai đoạn 1: Sự hóa lỏng hay bẻ gãy các liên kết polimer: (hydrolytic bacteria)
Nhiều chất thải hữu cơ trong thành phần có chứa các phức chất polymer
hữu cơ như là protein, chất béo, cacbohydrate, cellulose, lignin, một số tồn tại dạng chất rắn không hòa tan. Trong giai đoạn này các polymer hữu cơ bị bẻ gãy các liên kết do các enzyme đặc biệt hình thành. Do các vi khuẩn thuỷ phân và hòa tan trong nước, các chất hữu cơ đơn giản hoà tan được hình thành, thích hợp ch các vi khuẩn hình thành acid trong giai đoạn 2 (hình thành acid).
Thông thường rất khó phân biệt giữa giai đoạn 1 và giai đoạn 2, bởi vì moat số loại tế bào được hấp thụ và phân hủy ngay trong nội tại tế bào. Như đã trình bày trong hình 4.2, phản ứng thủy phân trong giai đoạn này sẽ biến đổi protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn giản và chất béo thành acid dạng chuỗi (long chain fatty acid). Quá trình hóa lỏng cellulose và các hợp chất phức chất khác thành monomer đơn giản chỉ
xảy ra chậm tại giai đoạn 1 và diễn ra nhanh trong giai đoạn 2 và 3. Tốc độ thuỷ phân tuỳ thuộc vào chất dinh dưỡng và nồng độ vi khuẩn, cũng như các yếu tố khác : pH và nhiệt độ.
Giai đoạn 2: Hình thành acid: (acetogenic bacteria) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các monomer hình thành trong quá trình thủy phân do các vi khuẩn trong giai đoạn 1 thực hiện, sau đó được biến đổi thành acetic acid (acetates), H2 và CO2 bằng các vi khuẩn hình thành acid (acetogenic bacteria). Các acid béo bay hơi (Volatile Fatty Acid) (VFA) được hình thành xem như là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn đối với protit, chất béo, và carbohydrate mà các acid như acetic, propionic, và lactic acid là sản phẩm chính. Khí CO2 và H2 cũng thải ra trong quá trình dị hóa carbohydrate, với methanol CH3OH, và các rượu đơn giản, các sản phẩm trung gian trong việc phá vỡ các carbohydrate (hydrocacbon).
Giai đoạn 3: Hình thành metan (CH4): (methanogens)
Các sản phẩm hình thành trong giai đoạn 2 cuối cùng biến đổi thành CH4 và các sản phẩm cuối cùng do nhóm vi khuẩn gọi là methanogen thực hiện. Vi khuẩn methanogenic phát triển trong điều kiện yếm khí, tốc độ tăng trưởng chậm hơn trong giai đoạn 1 và 2.
Vi khuẩn methane sử dụng acetic acid, methanol, hoặc carbon dioxide (CO2) và khí H2 để sản xuất methane. Acetic acid đóng vai trò rất quan trọng như là chất dinh dưỡng để hình thành methane, khoảng 70% CH4 sản xuất từ acetic acid. CH4 còn lại được sản xuất từ CO2 và H2. Một số chất khác cũng tham gia vào quá trình hình thành CH4 như là acid formic nhưng đóng vai trò không quan trọng, bởi vì nó không hiện diện thường xuyên trong quá trình lên men yếm khí. Vi khuẩn methane cũng phụ thuộc vào vi khuẩn giai đoạn 1 và 2 để cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng thích hợp. Ví dụ, hợp chất N hữu cơ phải được khử thành ammonia và thích hợp ch việc sử dụng moat cách hữu dụng của vi khuẩn methane.
Sự hình thành những phản ứng tạo methane trong giai đoạn 3 đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy yếm khí. Vi khuẩn methane còn giúp cho việc trung hòa pH trong bùn và biến đổi aicd béo bay hơi thành CH4 và các khí khác. Quá trình biến đổi H2 thành CH4 bằng vi khuẩn methane làm giảm áp suất do H2 gây ra bể phân hủy, giúp cho hoạt động có lợi của các vi khuẩn hình thành acid acetic. Nếu các chức năng vi khuẩn methane thất bại trong việc hình thành CH4
thì chỉ có một lượng nhỏ thậm chí không có sự hình thành CH4 và việc ổn định chất thải sẽ không đạt được kết quả bởi vì các hợp chất hữu cơ sẽ biến đổi thành các acid béo bay hơi sẽ gây ô nhiễm nếu thải vào môi trường nước hoặc môi trường đất. Vi khuẩn methane phát triển trong điều kiện yếm khí, do đó sự phát triển của chúng sẽ bị hạn chế khi trong bể phân hủy có sự hiện diện của oxy, nên cần phải tạo môi trường khử để duy trì sự tăng trưởng của chúng. Vi khuẩn methane rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường khác.
CHƯƠNG VII