Tổng quan về khả năng sinh khí biogas từ các nguyên liệu khác nhau

Chương 1 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HHO

1.1. Tổng quan về khả năng sinh khí biogas từ các nguyên liệu khác nhau

Chất thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau có thể sử dụng để sản xuất biogas.

Quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu không làm tăng CO2 trong bầu khí quyển (hình 1.1). Quá trình xử lý kỵ khí để sinh ra biogas dựa trên phân hủy vi sinh của các chất hữu cơ trong môi trường không có hiện diện của phân tử oxygen. Về cơ bản quá trình này có thể được chia thành 3 giai đoạn với 3 nhóm vi sinh vật khác biệt được tóm tắt như sau (hình 1.2):

• Giai đoạn đầu bao gồm các vi khuẩn lên men cả vi sinh vật kỵ khí và không kỵ khí. Các chất hữu cơ phức hợp, carbohydrate, protein và lipid được thủy phân và lên men thành các acid béo, cồn, CO2, H2, NH3 và sulfide.

• Trong giai đoạn thứ hai, vi khuẩn acetogenic tiêu thụ các sản phẩm hữu cơ đã hình thành và tạo ra hydrogene, carbonic và acid acetic.

Hình 1.1: Sơ đồ trung hòa carbon của nhiên liệu biogas

Ánh sáng mặt trời Quang hợp

Chất thải chăn nuôi

Thực vật Biomass

Chất thải hữu cơ

Lên men

Tiêu hóa kỵ khí

Biogas

Sản xuất điện, nhiệt H2O

CO2 O2

• Giai đoạn thứ ba sử dụng hai dạng vi khuẩn methanogetic khác biệt.

Dạng thứ nhất khử carbonic thành methane và dạng thứ hai decarboxylate acetate thành methane và carbonic.

Mục đích của quá trình biogas là phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ thành methane. Vì vậy điều quan trọng là tối ưu hóa các điều kiện sinh hóa của tất cả các phản ứng dẫn đến hình thành các methanogenic tiền thân và quan trọng hơn là đối với các phản ứng hình thành chính CH4. Đồng thời hạn chế tối đa các phản ứng hình thành những tạp chất trong biogas như CO2, N2 và những chất khí khác.

Chất lượng biogas phụ thuộc nguồn sản xuất và thời gian các chất hữu cơ tồn tại trong hầm sinh khí. Thường biogas chứa 60-70% CH4, 30-40% CO2 và dưới 1%

H2S (thường nằm trong khoảng từ 100 đến 2000ppm). Các chất khí khác như N2 có thể đến 10%, H2 có thể đến 5%. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất biogas có thể tóm tắt như sau:

- Nhiệt độ: Thường nằm trong khoảng 27-40C, tối ưu nằm trong khoảng 30- 35C;

- Thời gian lưu giữ chất hữu cơ trong hầm biogas: phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu, nhiệt độ… Thường từ 1 đến 30 ngày đối với hầm biogas và 10-20 năm đối với bãi rác;

- Không khí: tuyệt đối không có mặt vì bất lợi đối với quá trình kỵ khí;

Hình 1.2 Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu cơ Hình 2.2: Các giai đoạn hình thành biogas từ chất hữu cơ

Chất hữu cơ

1) Hóa lỏng, Thủy phân, Lên men

Acid hữu cơ, Cồn

2) Hình thành Hydrogen

Acetate H2+CO2

3) Acetate

Khử carbon oxy 3) Khử

Hình thành methane

CH4+CO2 CH4

- Vi khuẩn: phụ thuộc và chất thải và nhiệt độ; Methanosarcina có lợi cho quá trình sản sinh methane nhanh;

- Tỉ số C/N thấp hơn 43:1 và tỉ số C/P thấp hơn 187:1 ứng với biomass kỵ khí gần với C5H7NO2P0,1;

- pH: nằm trong khoảng 6-8; tối ưu gần 7;

- Acid nhẹ: bicarbonate alkalinity nên cao hơn acid alkalinity;

- Các thành phần rắn: tối ưu trong khoảng 7-9%;

- Các chất độc hại: sự hiện diện của một số cations và kim loại nặng với hàm lượng đủ lớn gây nguy hại đến quá trình kỵ khí.

Hình 1.3: Động học quá trình sản sinh biogas

Hình 1.3 giới thiệu động học biogas từ chất thải hữu cơ. Ban đầu tốc độ sinh khí tăng nhanh và đạt giá trị cực đại trong khoảng từ 5-7 ngày. Sau đó tốc độ sinh khí giảm. Lượng khí sinh ra hầu như không đổi sau 25 ngày lưu giữ nguyên liệu trong hầm.

1.1.2. Khả năng sinh khí biogas từ chất thải hữu cơ

Sản lượng biogas sinh ra mỗi ngày ở quốc gia vùng xích đạo có thể lấy gần đúng như sau:

• 1 kg chất thải gia súc: 40 lít biogas

• 1 kg chất thải bò: 30 lít biogas

• 1 kg chất thải heo: 60 lít biogas

• 1 kg chất thải gia cầm: 70 lít biogas

Nếu biết khối lượng hơi gia súc, gia cầm mà chất thải của chúng được dùng để sản xuất biogas thì sản lượng biogas mỗi ngày được xác định gần đúng như sau:

Thời gian lưu giữ trong hầm biogas (ngày)

Sản lượng biogas (m3/m3/ngày) Lượng biogas sinh ra

(m3/khối lượng nguyên liệu)

Giá trị tương đối (%)

• Trâu bò, gia cầm: 1,5 lít biogas/ngày/1 kg hơi

• Con người, heo: 30 lít biogas/ngày/1 kg hơi

Lượng biogas sinh ra và thành phần methane đối với các loại nguyên liệu khác nhau sau 10-20 ngày trong hầm biogas ở nhiệt độ khoảng 30C được giới thiệu ở bảng 1.1.

Bảng 1.1: Khả năng sinh khí của một số nguyên liệu STT

Nguyên liệu

Sản lượng biogas (l/kg VS)

Thành phần methane

(%)

1 Phân heo 340-550 65-70

2 Phân bò 90-310 65

3 Phân chim 310-620 60

4 Phân ngựa 200-300

5 Phân cừu 90-310

6 Phân gia cầm 175-280

7 Rơm lúa mì 200-300 50-60

8 Rơm lúa mạch 200-300 59

9 Rơm bắp 380-460 59

10 Rạ 170-280

11 Trấu 105

12 Cỏ 280-550 70

13 Cỏ voi 430-560 60

14 Bã mía 165

15 Cây đậu chổi 405

16 Sậy 170

17 Cỏ ba lá 430-490

18 Rau 330-360

19 Cà chua 280-490

20 Củ cải đường 400-500

21 Lá hướng dương 300 59

22 Chất thải nông nghiệp 310-430 60-70

23 Seeds 620

24 Vỏ đậu 365

25 Lá vàng 210-290 58

26 Bèo tây 375

27 Tảo 420-500 63

28 Nước cống 310-740

(VS = Tổng chất rắn bay hơi, khoảng 9% tổng chất ướt đối với phân bò) Nguồn:

http://www.fastonline.org/CD3WD_40/BIOGSHTM/EN/APPLDEV/OPERATION/YIELD.HTML Khả năng sinh khí biogas của các nguyên liệu khác nhau có thể biểu diễn dưới dạng thể tích biogas sinh ra trên một đơn vị chất hữu cơ khô bay hơi của nguyên liệu (bảng 1.1) hay dưới dạng thể tích biogas trên một đơn vị khối lượng nguyên liệu ướt (hình 1.4).

Kết quả cho thấy khả năng sinh khí của các chất béo cao vượt trội so với các chất khác, sau đó đến bắp, cỏ, rác cống, hèm bia. Phân gia súc, gia cầm, trấu, rơm rạ có khả năng sinh khí thấp hơn nhưng đây là nguồn nguyên liệu dồi dào trong sản xuất nông nghiệp ở nước ta.

Hình 1.4: Khả năng sinh khí biogas của một số nguyên liệu