CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2. Tổng quan về khí sinh học
1.2.2. Công nghệ sản xuất biogas
1.2.2.1. Định nghĩa ủ biogas
Ủ biogas được định nghĩa là q trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học dưới điều kiện kỵ khí (khơng có oxygen) với sản phẩm sinh ra chủ yếu là mêtan và một số khí khác trong đó chủ yếu là CO2. Có hai đặc trưng của q trình này để phân biệt với các quá trình phân hủy sinh học khác là “trong điều kiện kỵ khí” và “tạo ra CH4”. Cơng nghệ này cịn có những thuật ngữ đồng nghĩa như “lên men metan”, “sản xuất metan” và “phân hủy kỵ khí”, mặc dù trên thực tế chúng có sự khác nhau ví dụ như “lên men metan” (methane fermentation) nói đến q trình lên men, tức là sự phân hủy để tạo ra metan; phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) khơng nhất thiết có sự sản xuất metan. Tuy nhiên ba thuật ngữ này được cho phép sử dụng bởi vì chúng phổ biến và đặc biệt vì nhu cầu cần một thuật ngữ chính xác hơn.
1.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ sản xuất Biogas [8, 10, 11, 13]
Cơ sở lí thuyết của cơng nghệ sản xuất Biogas là dựa vào quả trình lên men khí metan với sự tham gia của hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí khơng bắt buộc. Các vi sinh vật này tiến hành hàng chục phản ứng hóa sinh học để phân hủy và biến đổi các hợp chất hữu cơ phức tạp thành một loại khí cháy trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu được gọi là khí sinh học.
diện của một số nấm và nguyên sinh động vật, nhưng rõ ràng vi khuẩn luôn vượt trội về số lượng. Có bốn nhóm vi khuẩn liên quan đến việc chuyển hóa các chất phức hợp thành những phân tử đơn giản như CH4 và CO2 là nhóm vi khuẩn thủy phân, vi khuẩn acid hóa, vi khuẩn acetate hóa, vi khuẩn methane hóa. Những nhóm vi khuẩn này hoạt động trong một mối quan hệ đồng bộ, nhóm này phải thực hiện việc trao đổi chất của nó trước khi chuyển phần việc cịn lại cho nhóm khác.
Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí:
Chất hữu cơ CH4+ CO2+ H2 + NH3+ H2S + Tế bào mới Theo Nijaguna (2010), có thể tổng kết các giai đoạn, q trình của sự phân hủy kỵ khí theo bảng 10.
Bảng 10: Tổng kết q trình phân giải kỵ khí
Tên giai đoạn
Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4
Nhiệt độ Nhiệt độ càng cao, chuyển hóa càng nhanh, < 550C
Mesophilic:~ 350C Thermophilic:~ 550C
pH ~ 6 4- 6 6,8 – 7,5
Mơi trường Ưa khí Kỵ khí nghiêm ngặt Chất ban đầu Đường phức
tạp, protein, chất béo
Đường đơn giản
Amino acid, acid hữu cơ
Acetate
Vi sinh vật Vi khuẩn thủy phân Vi khuẩn acid hóa Vi khuẩn acetate hóa Vi khuẩn methane hóa Sản phẩm Đường đơn giản Amino acid, acid hữu cơ
Acetate
Khí sinh ra CO2 CO2, H2 CO2, CH4, H2 CO2, CH4 vsv
- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử
Ở giai đoạn 1, dưới tác dụng của enzyme hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, các hydrat cacbon (chủ yếu là xenluloza và tinh bột), protein bị phân hủy và biến thành các hợp chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin vv… (các chất tan). Có thể nói giai đoạn 1 là q trình hịa tan của các chất hữu cơ phức tạp vào nước dưới tác dụng của các enzyme do vi khuẩn tiết ra.
- Giai đoạn 2: Acid hóa
Ở giai đoạn 2, cũng dưới tác dụng của vi khuẩn sinh acid các chất nói trên sẽ biến thành các acid hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn (các axit axetic, axit propionic, axit butyric vv…) các aldehyt alcol và một ít khí cacbonic, hydro, ammoniac, nitơ...
Các q trình chuyển hóa này được thực hiện bởi các vi khuẩn acid hóa và sản phẩm được tạo thành nhiều nhất là acid béo bay hơi. Số lượng và thành phần các acid béo bay hơi và các sản phẩm khác được tạo thành trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều ở thành phần hóa học nguyên liệu và phương pháp lên men.
Do các phản ứng thủy phân và các phản ứng oxy hóa khử xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một phase nên sự sắp xếp các phản ứng khơng có sự tham gia của oxy nên trên chỉ có mang tính quy ước. Nhu cầu oxy sinh học (Biological oxygene demand) của tồn bộ q trình gần như bằng khơng. Do sinh nhiều acid nên độ pH của mơi trường có thể giảm mạnh.
- Giai đoạn 3: Acetate hóa
Các acid béo bay hơi sẽ chuyển thành acetate nhờ vi khuẩn acetate hóa và từ đây sẽ chuyển tiếp thành CH4, CO2. Ngoài acetate ra, trong giai đoạn này, trong tế bào tích lũy CO2, H2, methanol và ethanol.
- Giai đoạn 4: Methane hóa
Giai đoạn 4 là giai đoạn sinh khí metan. Đây là giai đoạn quan trọng nhất của tồn bộ q trình. Dưới tác dụng của các vi khuẩn sinh khí metan các acid hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác biến thành khí metan, oxy, nitơ hydro sunfua,…
Sự phân chia q trình lên men kỵ khí thành 4 giai đoạn thực sự chỉ mang tính lý thuyết. Tồn bộ các q trình hóa học của cả 4 giai đoạn hoạt động cùng 1 lúc và đồng bộ với nhau: sản phẩm sinh ra giai đoạn 1 sẽ được sử dụng hết ngay ở giai đoạn 2, 3 và tiếp đó tồn bộ sản phẩm sinh ra ở giai đoạn 3 sẽ được vi khuẩn metan hóa ở giai đoạn 4 sử dụng hết để tạo ra khí sinh học. Do đó , q trình phân hủy kỵ khí chủ yếu xảy ra ở 2 giai đoạn là giai đoạn acid hóa và giai đoạn metan hóa.
1.2.2.3. Các yếu tố kiểm sốt q trình sản xuất biogas
Các yếu tố mơi trường rất quan trọng trong q trình phân hủy kỵ khí sản xuất biogas [13]. Các yếu tố này bao gồm nhiệt độ, pH và đệm hệ thống, thời gian lưu giữ, thành phần chất và sự sẵn có của các chất dinh dưỡng đầu vào, độ hịa tan khí, sự cạnh tranh giữa các nhóm vi khuẩn tạo mêtan và nhóm giảm sulfate và sự hiện diện của các thành phần độc hại trong q trình. (Bjưrnssonet al ., 2000; Demirel and Yenigun, 2002; Rajeshwari et al ., 2000).
- Chất dinh dưỡng:
Cũng như các vi sinh vật khác, vi sinh vật phân giải kỵ khí địi hỏi các chất dinh dưỡng chính yếu bao gồm các hợp chất chứa cacbon, nito, photpho và một số các nguyên tố vi lượng với một tỷ lệ thích hợp. Chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến sự trưởng thành và phát triển của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến quá trình phân hủy các chất hữu cơ chứa trong chất thải. Chẳng hạn, nếu không đủ nitơ sẽ ảnh hưởng tới sự hình thành các enzym thực hiện quá trình phân giải, nhưng nếu cung cấp quá nhiều nito sẽ làm hạn chế sự phát triển của vi sinh vật có trong chất thải. Việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết sẽ tạo cho bùn có tính lắng tốt
- Nhiệt độ
Sự tạo thành mêtan được ghi nhận ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Nhóm các vi sinh vật kỵ khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân hủy các hợp chất hữu cơ và ở mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp với mỗi nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau.
Vùng nhiệt độ cao: 450C - 650C (thermophilic).
Vùng nhiệt độ trung bình: 200C - 450C (mesophilic).
Vùng nhiệt độ thấp: dưới 200C (psychrophilic).
Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan, ở vùng nhiệt độ này lượng khí metan tạo thành cao. Đối với vùng nhiệt độ cao (450C - 650C), để duy trì nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp thêm lượng nhiệt, điều này sẽ gây tốn kém cho cơng trình, tính kinh tế của cơng trình xử lý sẽ bị hạn chế. Ở nước ta, nhiệt độ trung bình từ 200C - 320C sẽ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển. Trong các qui trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy yếm khí diễn ra ở phạm vi nhiệt độ ơn hồ từ 25 đến 400C, nhiệt độ tối ưu vào khoảng 350C, trong trường hợp này sẽ cho làm cho công suất hoạt động cao hơn và dẫn đến tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh.
- Thời gian lưu
Thời gian lưu của nước thải tùy thuộc vào tính chất và điều kiện mơi trường của nó, phải đủ lâu để các vi khuẩn yếm khí thực hiện việc trao đổi chất trong bồn phân hủy. Bồn phân hủy cơng nghệ mới có thời gian lưu ngắn hơn (1 đến 10 ngày), thời gian lưu của các bồn phân hủy ở nhiệt độ thường và ở nhiệt độ cao là từ 25 đến 35 ngày nhưng có thể thấp hơn.
- Độ pH
Hầu hết các vi khuẩn tạo mêtan hoạt động trong phạm vi pH từ 6 đến 8, tối ưu là từ 7,0 đến 7,2, sự phân hủy có thể thất bại nếu pH dưới mức 6,0. Vi khuẩn tạo axít tạo ra những axít hữu cơ có khuynh hướng làm giảm độ pH trong bồn phản
(bicarbonate) tạo ra bởi nhóm vi khuẩn tạo mêtan. Trong những điều kiện mơi trường khắc nghiệt, khả năng tạo chất đệm có thể khơng xảy ra và cuối cùng làm ngưng việc tạo ra mêtan.
- Chất độc
Rất nhiều loại chất độc chịu trách nhiệm về sự hoạt động không hiệu quả hay xảy ra trong một hệ thống phân hủy yếm khí. Sự ngăn cản việc tạo ra khí mêtan biểu hiện bằng lượng mêtan tạo ra giảm và nồng độ axít dễ bay hơi tăng. Qua quá trình tìm hiểu đặc điểm sinh lý của các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí người ta nhận thấy một số yếu tố gây độc chính như sau:
Một số các hợp chất như CCl4, CHCl3, CH2Cl2...và các ion tự do của các kim loại nặng có nồng độ ≥1 mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật kỵ khí.
Các hợp chất: formadehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 – 400 mg/l sẽ gây độc đối với các vi sinh vật kỵ khí.
S2- được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo metan. S2- làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như Fe, Ni, Co, Mo... do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời các electron giải phóng ra từ q trình oxy hóa các chất hữu cơ sử dụng cho q trình sulfate hóa và làm giảm q trình sinh metan.
Các hợp chất NH+
4 ở nồng độ 1,5 – 2 mg/l gây ức chế quá trình lên men metan.