Công nghệ biến đổi sinh hóa điển hình là công nghệ khí sinh học (biogas). Khí sinh học được tạo ra nhờ các quá trình phân hủy lên men kỵ khí của các chất hữu cơ. Khí sinh học
là một hỗn hợp khí cháy gồm khoảng 60% metan (CH4), 30% khí cacbonic (CO2) và
khoảng 10% các khí khác (như hydro H2, oxy O2 , Nito N2 và sunfuahydro H2S, v..v..). Nhiệt trị của khí sinh học phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, và nằm trong khoảng 16 đến 20 MJ/m3 (3 824 000 ÷ 4 780 000 kcal/m3). Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học là các chất hữu cơ như thực vật (cây, cỏ, rêu, bèo, v..v..), phế thải nông lâm nghiệp (như rơm rạ, vỏ cà phê, bã mía, xỉ đường mía, v.v…) và các phế thải động vật (như phân người, gia súc, gia cầm, v.v…).
a. Quá trình tạo khí sinh học
Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy nhờ các chủng vi khuẩn kỵ khí và xảy ra theo 3 pha : pha thủy phân, pha axit, pha metan.
135
Pha thủy phân là pha trong đó các phân tử chất hữu cơ lớn bị các enzyme phân hủy thành các phân tử nhỏ và đơn giản hơn và do đó có thể đi qua màng vi khuẩn.
Trong quá trình của pha axit các phân tử phức tạp hơn như protein, chất béo và các
cacbonhydrat bị phân hủy thành axit, khí cacbonic CO2, hydro H2 và ammoniac, v.v…
Trong pha metan cuối cùng các phân tử H2 và CO2 kết hợp với than tạo ra khí metan (CH4) và sự lên men các axit1 và rượu tạo ra thêm càng nhiều CH4 hơn.
Một ví dụ điển hình của quá trình sản xuất CH4 dùng nguyên liệu cellulo xảy ra theo các phản ứng chính sau:
-Pha thủy phân
(C0H10O5)n + H2O → n(C6H12O6) Glucose, cellulose → glucose -Pha axit
C6H12O6 → CH3CH(OH)COOH Axit béo, rượu, glucose → axit lactic -Pha metan
4H2 + CO2 → 2H2O + CH4
CH3CH2OH + CO2 → CH3COOH + CH4 CH3COOH → CO2 + CH4
CH3CH2CH2COOH + H2O + CO2 → CH3COOH + CH4
Trong hầm khí sinh học tất cả 3 pha trên tồn tại đồng thời. Nếu bất kỳ một trong các pha trên vượt trội thì quá trình tạo thành CH4 sẽ bị ảnh hưởng đáng kế.
136
Người ta thấy có 4 nhóm vi khuẩn kị khí tạo khí metan. Các loại vi khuẩn này rất nhạy với nhiệt độ. Nhiệt độ hoạt động tối ưu của chúng là 350C.
b- Hầm khí sinh học
Hầm khí sinh học là thiết bị thực hiện quá trình biến đổi sinh khối thành khí sinh học. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với hầm khí sinh học là phải kín khí để các chủng vi khuẩn kị khí hoạt động bình thường tạo ra metan.
Hiện nay có nhiều thiết kế hầm khí sinh học. Đó là hầm có nắp trôi nổi, hầm có nắp cố định và hầm làm bằng chất dẻo.
Nhưng dù kiểu hầm có khác nhau nhưng chúng đều phải có 4 thành phần cơ bản sau đây :
- Cửa nạp nguyên liệu.
- Buồng lên men, phân hủy và tạo khí.
- Buồng chứa khí.
137
Hình 1.5 Hầm sinh khối có nắp trôi nổi
138
Để ví dụ ta hãy xem xét một hầm khí sinh học kiểu nắp cố định (hình 1.6) là loại thông dụng nhất ở nước ta cũng như trên thế giới. Nguồn gốc của loại hầm này là từ Trung Quốc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nó gồm một bể hình trụ xây bằng gạch – xi măng, phần trên được đậy kín bằng một nắp có dạng vòm cầu, cũng được đúc bằng bê tong hay gạch – xi măng, có lắp một ống dẫn có van để lấy khí. Phần dưới của bể phân hủy hình trụ được nối thong với các bể nạp liệu và bể chứa nước thải, cũng xây bằng gạch – xi măng, bằng các ống bê tong, sành hay ống nhưa. Nguyên liệu (như phân gia súc, gia cầm, phân người,…) được cho vào bể nạp liệu trộn khuấy đều với nước và theo ống nạp vào bể phân hủy. Quá trình phân hủy kị khí xảy ra trong bể phân hủy. Khí sinh học được tạo ra được đẩy lên phía trên mặt thoáng của hỗn hợp nguyên liệu – nước trong bể phân hủy. Phần bã thải sẽ theo ống dẫn vào bể chưa nước thải. Áp suất khí sinh học ở dưới nắp hầm khá cao nên để an toàn người ta còn có thể lắp vào nắp một thiết bị an toàn. Khi dùng khí người ta dùng một đường ống bằng kim loại, bằng nhựa cứng hay ống chất dẻo nối từ ống lấy khí ở nắp hầm đến bếp đun, đèn thắp sáng hay các thiết bị sử dụng khác.
139
Quy mô của hầm có thể vài ba mét khối đến hàng trăm mét khối phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và nhu cầu sử dụng khí. Năng suất sản xuất khí của hầm phụ thuộc rất lớn vào nguyên liệu đầu vào. Bảng 1.3 cho ta một khái niệm về sự phụ thuộc này.
Khí sinh học có rất nhiều ứng dụng như thắp sáng, dùng làm nhiên liệu đun nấu, phát điện, v.v… Ngoài ra công nghệ khí sinh học còn là một công nghệ làm sạch môi trường.
Bảng 1.3 Khảnăng cung cấp khí của các loại nguyên liệu
Loại nguyên liệu Khả năng cung cấp
hàng ngày (kg) Năng suất khí có thể được sản xuất ra (kg/m3) Tỷ suất sinh khí (m3/con.ngày) Phân trâu, bò 10 0,036 0,364 Phân người 0,4 0,070 0,028 Phân lợn (45 kg) 2,25 0,784 0,176 Phân gia cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng,…, 2kg) 0,18 0,062 0,011
Câu hỏi hiểu bài:
252. Anh (chị) hãy cho biết năng lượng sinh khối là gì?
253. Anh (chị) hãy cho biết rác thải vô cơ sinh hoạt có phải là năng lượng sinh khối không?
254. Anh (chị) hãy cho biết rác thải hữu cơ có phải là năng lượng sinh khối không? 255. Anh (chị) hãy cho biết nhiên liệu của năng lượng sinh khối là gì?
140
256. Anh (chị) hãy cho biết năng lượng sinh khối hình thành là do nguyên nhân nào? 257. Anh (chị) hãy cho biết các bước chế tạo năng lượng sinh khối?
258. Anh (chị) hãy cho biết năng quá trình nhiệt hóa sinh khối là gì? 259. Anh (chị) hãy cho biết ưu điểm của quá trình nhiệt hóa?
260. Anh (chị) hãy cho biết nhược điểm của quá trình nhiệt hóa?
261. Anh (chị) hãy cho biết ưu điểm của quá trình hình thành năng lượng sinh khối bằng quá trình biến đổi sinh hóa?
262. Anh (chị) hãy cho biết nhược điểm của quá trình hình thành năng lượng sinh khối bằng quá trình biến đổi sinh hóa?
263. Anh (chị) hãy cho biết sự khác nhau giữa quá trình biến đổi sinh hóa và nhiệt hóa của sinh khối?
264. Anh (chị) hãy cho biết để tạo ra quá trình biến đổi sinh hóa sinh khối thì cần những thiết bị gì?
265. Anh (chị) hãy cho biết có bao nhiêu loại hầm sinh khối?
266. Anh chị hãy cho biết sự khác nhau của các loại hầm sinh khối?
267. Anh (chị) hãy cho biết ở nước ta người ta thường dùng những loại hầm sinh khối
nào?
268. Anh (chị) hãy cho biết tiềm năng về năng lượng sinh khối ở nước ta như thế nào? 269. Anh (chị) hãy cho biết năng lượng sinh khối dễ áp dụng nhất là ở đâu?
141
Chương 2
NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT