(a) Ảnh hưởng của nhiệt độ vào tốc độ sinh khí CH4
Trong quá trình phân huỷ, tạo biogas, nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng sinh học, độ hoà tan của các kim loại nặng (yếu tố gây độc), độ hoà tan của CO2, và thành
25
phần biogas sinh ra. Khi nhiệt độ môi trường tăng, tốc độ phản ứng sinh học sẽ tăng theo và do đó, tốc độ sinh khí biogas sẽ cao. Sự gia tăng nhiệt độ hiệu quả được biểu thị qua đại lượng Q10.
Đối với các phản ứng đặc trưng của quá trình phân huỷ sinh học, hệ số Q10 = 2. Điều này chứng tỏ, tốc độ sinh khí biogas sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên 100C. Tuy nhiên, điều này hầu như không xảy ra, vì hầu hết các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hoá biogas chỉ hoạt động trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ba khoảng nhiệt độ mà vi khuẩn hoạt động hiệu quả nhất:
- t < 150C: khoảng hoạt động của vi khuẩn ưa lạnh
- t = 15 – 450C: khoảng nhiệt độ của vi khuẩn ưa nhiệt trung bình - t = 45 – 650C: khoảng nhiệt độ của vi khuẩn ưa nhiệt
Trong phản ứng biogas, hai khoảng nhiệt độ hoạt động của hai nhóm vi khuẩn ưa nhiệt trung bình và vi khuẩn ưa nhiệt là quan trọng vì quá trình phân huỷ yếm khí sẽ dừng
lại khi nhiệt độ thấp hơn 100C.
Khoảng ưa nhiệt trung bình
Một hầm ủ Biogas thông thường sẽ vận hành trong khoảng nhiệt độ này và loài vi khuẩn hoạt động trong khoảng nhiệt độ này được gọi là vi khuẩn ưa nhiệt trung bình. Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của loại vi khuẩn này khoảng 25 – 370C. Khi nhiệt độ giảm đột ngột, tốc độ sinh khí biogas cũng sẽ giảm theo. Tuy nhiên, khi vùng nhiệt độ tối ưu được khôi phục lại, tốc độ sinh khí cũng sẽ nhanh chóng trở lại bình thường. So với loại vi khuẩn ưa nhiệt, loại vi khuẩn ưa nhiệt trung bình hầu như không bị ảnh hưởng không những với sự thay đổi của nhiệt độ mà còn với sự biến thiên của pH, tỷ lệ cấp liệu đầu vào…Hệ số nhiệt độ Q10 của khoảng nhiệt độ này là 2, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại µm = 0,82 ngày-1.
Khoảng ưa nhiệt
Nhóm vi khuẩn hoạt động trong dãy nhiệt độ này khác với dãy nhiệt độ ưa nhiệt trung bình. Nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn trong dãy này là 550C. Tốc độ sinh trưởng riêng
26
cực đại µm = 0,75 ngày-1. Tốc độ sinh biogas cao hơn so với khoảng ưu nhiệt trung bình. Vi khuẩn ưa nhiệt rất nhạy cảm với sự dao động của nhiệt độ, khoảng dao động từ 2 – 30C có thể phá hỏng hoạt động.
Vấn đề ảnh hưởng thứ 2 của nhiệt độ là độ hoà tan của CO2 và kim loại nặng. Độ tan của CO2 giảm khi nhiệt độ tăng, và ngược lại, ở nhiệt độ thấp, hàm lượng CO2 hoà tan trong pha lỏng sẽ cao. Đối với kim loại nặng, khả năng hoà tan tăng theo nhiệt độ và do đó, tại nhiệt độ cao, sự có mặt của chúng có thể là yếu tốc gây độc.
Một điểm bất lợi của quá trình phân huỷ nhiệt độ cao đó là, trong thành phần biogas sinh ra sẽ có sự hiện diện của khí H2S, gây mùi hôi. Sản lượng biogas sinh ra trong một mô hình hầm ủ thông thường 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 khí/m3ở 22 – 280C và 1,5 m3 khí/m3 ở 35 – 380C. Lưu lượng biogas thu được cao nhất từ nguồn nguyên liệu phân bò khoảng 4,5 m3 CH4/m3 phân.ngày ở nhiệt độ 35 – 380C (khoảng 9 m3 biogas/m3 phân/ngày)
(b) Ảnh hưởng của nhiệt độ vào sản lượng CH4 cuối cùng (tổng lượng CH4 sinh ra khi thời gian lưu vô hạn)
Trong khoảng nhiệt độ 30 – 600C, giá trị sản lượng CH4 cuối cùng (B0) không có sự thay đổi đáng kể, nhưng ở nhiệt độ 650C, giá trị B0 sẽ giảm. B0 (max) dao động trong khoảng 0,42 – 0,5 m3/kg VS (volatile solid – chất rắn bay hơi) với thời gian lưu khoảng 180 ngày.
Đối với những chủng loại vi khuẩn nhạy cảm 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 hưởng đến hoạt động của vi khuẩn và do đó, sẽ giảm năng suất sinh biogas. So với vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt nhạy cảm với nhiệt độ hơn.
Hình 2.4 mô tả sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến lưu lượng biogas sinh ra. Trong vùng ưa nhiệt trung bình, nhiệt độ tối ưu là 300C, trong vùng ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu là 500C. Ưu điểm sinh khí nhìều trong vùng ưa nhiệt được cân bằng bởi điểm bất lợi khi một phần
27
sinh khối được đốt cháy để gia nhiệt hầm ủ. Các hầm ủ sẽ sử dụng những loại vật liệu cách nhiệt có chất lượng tốt, tuy nhiên nhu cầu về nhiệt sẽ bị giảm nhanh chóng.
Hình 2. 1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ vào lưu lượng biogas sinh ra