Đại học khoa học tự nhiên khóa luận tốt nghiệp

Khóa luận tốt nghiệp tại Đại học Khoa học Tự nhiên cung cấp kiến thức chuyên sâu và kỹ năng nghiên cứu cho sinh viên, chuẩn bị cho sự nghiệp tương lai.

• Tác giả: Ngô Mạnh Túc
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thị Tuyết Mai
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Sinh Khí Sinh Học Biogas Của Phụ Phẩm Dứa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ
• 1.1. Biogas là gì
• 1.2. Ứng dụng của biogas
• 1.3. Quá trình phân hủy kỵ khí
• 1.3.1. Nguyên lý hóa học – sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí
• 1.3.2. Giai đoạn 1 - Thủy phân
• 1.3.3. Giai đoạn 2 - Sinh acid
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tiềm năng sinh khí biogas của phụ phẩm dứa
• 3.2. Xác định thành phần của phụ phẩm dứa
• 3.3. Nghiên cứu quá trình thủy phân phụ phẩm dứa bằng KOH
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân
• 3.6. Nghiên cứu lựa chọn nguồn VSV sinh metan
• 3.7. Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa
• 3.8. Nghiên cứu nâng cao năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa
• 3.9. Nghiên cứu quá trình thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ
• 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ dinh dưỡng C:N
• 3.11. Năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa trên hệ thống pilot
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về biogas từ phụ phẩm dứa và tiềm năng của nó

Biogas, hay khí sinh học, là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được sản xuất từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ. Phụ phẩm dứa, với khối lượng lớn từ ngành chế biến thực phẩm, có thể trở thành nguồn nguyên liệu quý giá cho sản xuất biogas. Việc nghiên cứu khả năng sinh khí từ phụ phẩm dứa không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch, góp phần vào kinh tế xanh.

1.1. Biogas là gì và quy trình sản xuất

Biogas là hỗn hợp khí chủ yếu gồm methane (CH4) và carbon dioxide (CO2), được sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí. Quy trình sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa bao gồm các giai đoạn thủy phân, sinh acid và sinh khí. Mỗi giai đoạn đều có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa năng suất sinh khí.

1.2. Tại sao phụ phẩm dứa là nguồn nguyên liệu tiềm năng

Phụ phẩm dứa chứa hàm lượng dinh dưỡng cao và có khả năng phân hủy tốt trong điều kiện kỵ khí. Với khoảng 70-75% khối lượng dứa là phụ phẩm, việc tận dụng nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp giảm lãng phí mà còn tạo ra năng lượng tái tạo, góp phần vào phát triển bền vững.

II. Thách thức trong việc sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như cấu trúc lignocellulose trong phụ phẩm dứa làm cho quá trình thủy phân diễn ra chậm, ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất khí. Ngoài ra, việc lựa chọn vi sinh vật phù hợp cho quá trình lên men cũng là một thách thức lớn.

2.1. Cấu trúc lignocellulose và ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

Cấu trúc lignocellulose trong phụ phẩm dứa rất vững chắc, làm cho quá trình thủy phân diễn ra chậm. Điều này đòi hỏi các phương pháp tiền xử lý hiệu quả để tăng cường khả năng phân hủy và nâng cao năng suất sinh khí.

2.2. Lựa chọn vi sinh vật cho quá trình lên men

Việc lựa chọn vi sinh vật phù hợp cho quá trình methan hóa là rất quan trọng. Các vi sinh vật cần có khả năng chịu đựng điều kiện kỵ khí và có khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ thành methane hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa

Để nghiên cứu khả năng sinh khí từ phụ phẩm dứa, các phương pháp như tiền xử lý, lựa chọn vi sinh vật và tối ưu hóa điều kiện lên men được áp dụng. Các nghiên cứu này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất sinh khí và tìm ra giải pháp tối ưu cho quá trình sản xuất.

3.1. Phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa

Tiền xử lý phụ phẩm dứa là bước quan trọng để tăng cường khả năng phân hủy. Các phương pháp như sử dụng hóa chất hoặc vi sinh vật có thể được áp dụng để làm giảm cấu trúc lignocellulose, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất biogas.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện lên men

Tối ưu hóa các điều kiện như pH, nhiệt độ và tỷ lệ C:N là rất cần thiết để đạt được năng suất sinh khí cao nhất. Các nghiên cứu thực nghiệm sẽ giúp xác định các điều kiện lý tưởng cho quá trình lên men kỵ khí.

IV. Ứng dụng thực tiễn của biogas từ phụ phẩm dứa

Biogas từ phụ phẩm dứa có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất. Nó không chỉ được sử dụng để đun nấu, phát điện mà còn có thể làm phân bón hữu cơ cho cây trồng. Việc ứng dụng biogas giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn năng lượng sạch.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp

Phân bón từ bã biogas có thể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, giúp cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm. Nước thải từ bể biogas cũng có thể được sử dụng để nuôi tảo, bèo làm thức ăn cho gia súc.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất năng lượng

Biogas có thể được sử dụng để phát điện hoặc làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông. Việc sử dụng biogas giúp giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của biogas từ phụ phẩm dứa

Nghiên cứu khả năng sinh khí từ phụ phẩm dứa không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Với sự phát triển của công nghệ và nhận thức về năng lượng tái tạo, biogas từ phụ phẩm dứa hứa hẹn sẽ trở thành một nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của công nghệ biogas

Công nghệ biogas đang ngày càng được cải tiến và mở rộng ứng dụng. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

5.2. Khuyến khích sử dụng biogas trong cộng đồng

Khuyến khích sử dụng biogas trong cộng đồng sẽ giúp nâng cao nhận thức về năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường. Các chính sách hỗ trợ từ chính phủ cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phụ phẩm dứa là nguồn nguyên liệu nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam, với sản lượng dứa năm 2015 đạt khoảng 598,3 nghìn tấn, trong đó 70-75% khối lượng là phụ phẩm. Lượng phụ phẩm này chủ yếu bị bỏ đi hoặc sử dụng hạn chế, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Phụ phẩm dứa chứa hàm lượng dinh dưỡng cao như đường, protein, cellulose và các khoáng chất thiết yếu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy kỵ khí sinh khí sinh học (biogas). Tuy nhiên, hàm lượng lignocellulose cao và pH thấp (khoảng 4,3) của phụ phẩm là những thách thức lớn trong việc tối ưu hóa quá trình lên men kỵ khí.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tiềm năng sinh khí biogas từ phụ phẩm dứa bằng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn, tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tiền xử lý, lựa chọn nguồn vi sinh vật sinh methan và điều kiện vận hành phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm và hệ thống pilot của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, với phạm vi thời gian nghiên cứu trong năm 2017 và nguyên liệu lấy từ tỉnh Ninh Bình.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý phụ phẩm nông nghiệp, góp phần tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế của phụ phẩm dứa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết phân hủy kỵ khí gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân, sinh acid, sinh acetat và sinh methan. Quá trình này được thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau, trong đó vi sinh vật sinh methan (methanogen) đóng vai trò quyết định trong việc chuyển hóa các sản phẩm trung gian thành khí methan. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí bao gồm pH, nhiệt độ, tỷ lệ C/N, nồng độ các chất ức chế như amoniac, sulfur và acid béo dễ bay hơi (VFA).

Mô hình nghiên cứu áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí hai giai đoạn, trong đó giai đoạn 1 là tiền xử lý phụ phẩm dứa bằng phương pháp kết hợp cơ học, hóa học (thủy phân bằng dung dịch KOH) và sinh học (vi sinh vật dạ cỏ bò) nhằm lỏng hóa nguyên liệu và tăng cường khả năng thủy phân cellulose. Giai đoạn 2 là phân hủy kỵ khí sinh methan trong bình phản ứng và hệ pilot.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Biogas: hỗn hợp khí sinh học chủ yếu gồm CH4 (55-70%) và CO2 (30-45%).
• Lignocellulose: cấu trúc phức tạp gồm cellulose, hemicellulose và lignin, khó phân hủy trong điều kiện kỵ khí.
• Tỷ lệ C/N: tỷ lệ carbon trên nitơ, ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật.
• VFA (Volatile Fatty Acids): acid béo dễ bay hơi, sản phẩm trung gian trong quá trình lên men kỵ khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ phụ phẩm vỏ và lõi dứa của Công ty cổ phần thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình. Nghiên cứu sử dụng các nguồn vi sinh vật sinh methan lấy từ bể biogas của nhà máy bia Việt Hà, nhà máy sữa Thanh Hóa và hệ pilot tại Đại học Xây dựng.

Phương pháp phân tích bao gồm đo pH, tổng đường, tổng acid, hàm lượng VFA, COD, NH4+, PO43-, thành phần khí biogas (CH4, CO2) bằng các thiết bị hiện đại như máy sắc ký khí, điện di mao quản, kính hiển vi huỳnh quang.

Thiết kế thí nghiệm gồm:

• Tiền xử lý phụ phẩm dứa bằng nghiền nhỏ (<2mm), thủy phân bằng dung dịch KOH với các nồng độ khác nhau (0,01-0,05 M) và thời gian thủy phân (7-21 ngày).
• Thủy phân sinh học bằng vi sinh vật dạ cỏ bò kết hợp với điều chỉnh pH và bổ sung dinh dưỡng để đạt tỷ lệ C/N tối ưu.
• Phân hủy kỵ khí trong bình 1 lít và hệ pilot 35 lít, điều kiện nhiệt độ 35-37°C, theo dõi thể tích khí sinh ra và thành phần khí.

Cỡ mẫu thí nghiệm được lựa chọn phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm và pilot nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng kiểm soát các biến số. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ phụ phẩm dứa tươi và các nguồn vi sinh vật có hoạt tính sinh methan cao. Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp thống kê mô tả và so sánh hiệu quả các điều kiện thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần phụ phẩm dứa:

   • pH: 4,3; độ ẩm: 88,05%; hàm lượng cellulose: 16,23%; tổng chất rắn (TS): 11,95%; chất hữu cơ dễ bay hơi (VS): 94,32%; hàm lượng đường: 11,7%; tỷ lệ C/N: 109.
   • Hàm lượng cellulose cao gây khó khăn cho quá trình thủy phân, trong khi pH thấp không thuận lợi cho vi sinh vật sinh methan.

2. Ảnh hưởng của nồng độ KOH trong thủy phân:

   • Nồng độ KOH 0,02 M là tối ưu, làm giảm hàm lượng cellulose đến 66,3%, TS giảm 90,7%, VS giảm 90,9% sau 14 ngày.
   • Hàm lượng đường tổng và acid tổng số đạt cao nhất tại nồng độ này, hỗ trợ quá trình lên men kỵ khí.

3. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân:

   • Thời gian 14 ngày cho hiệu quả thủy phân tốt nhất với pH giảm xuống 4,21, hàm lượng đường tổng 17,86%, VFA 8,015 g/L.
   • Sau 21 ngày, pH tăng trở lại do bay hơi acid, acid propionic tăng có thể gây ức chế vi sinh vật sinh methan.

4. Lựa chọn nguồn vi sinh vật sinh methan:

   • Nguồn vi sinh vật từ bể biogas nhà máy sữa Thanh Hóa cho năng suất sinh khí cao nhất, đạt 84 mL biogas/g TS, với hàm lượng CH4 khoảng 50-53%.
   • Nguồn vi sinh vật này được chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.

5. Ảnh hưởng tỷ lệ C/N đến năng suất sinh khí:

   • Tỷ lệ C/N tối ưu là 25, điều chỉnh bằng ure, giúp cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật.
   • pH được duy trì trong khoảng 6,8-7,2 để đảm bảo điều kiện sinh trưởng tốt nhất.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phụ phẩm dứa là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biogas nhờ hàm lượng dinh dưỡng cao và khả năng sinh khí tốt sau khi được tiền xử lý thích hợp. Việc sử dụng dung dịch KOH 0,02 M trong 14 ngày giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose, tăng hàm lượng đường hòa tan và acid hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật sinh methan phát triển.

Nguồn vi sinh vật từ nhà máy sữa Thanh Hóa có khả năng thích nghi tốt với cơ chất phụ phẩm dứa, cho năng suất sinh khí vượt trội so với các nguồn khác. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao và phù hợp với cơ chất là yếu tố quyết định hiệu quả quá trình lên men kỵ khí.

Tỷ lệ C/N cao ban đầu (109) của phụ phẩm dứa không phù hợp cho vi sinh vật sinh methan, do đó việc bổ sung ure để điều chỉnh về khoảng 25 là cần thiết, giúp cân bằng dinh dưỡng và tăng hiệu suất sinh khí. pH thấp của phụ phẩm dứa được điều chỉnh về mức trung tính (6,8-7,2) cũng là yếu tố quan trọng để duy trì hoạt động của vi sinh vật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi pH, hàm lượng đường, VFA theo thời gian thủy phân; biểu đồ so sánh năng suất sinh khí của các nguồn vi sinh vật; bảng tổng hợp các thông số hóa lý của phụ phẩm dứa trước và sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp tiền xử lý kết hợp cơ học và hóa học:

   • Nghiền nhỏ phụ phẩm dứa dưới 2 mm và thủy phân bằng dung dịch KOH 0,02 M trong 14 ngày để tăng hiệu quả phân hủy lignocellulose.
   • Thời gian thực hiện: 2 tuần; Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến dứa và cơ sở xử lý chất thải.

2. Sử dụng vi sinh vật sinh methan từ nguồn có hoạt tính cao:

   • Ưu tiên sử dụng nguồn vi sinh vật từ bể biogas nhà máy sữa Thanh Hóa hoặc các nguồn tương đương có hoạt tính sinh khí cao.
   • Thời gian thích nghi và vận hành: liên tục trong quá trình lên men; Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy xử lý.

3. Điều chỉnh tỷ lệ C/N và pH:

   • Bổ sung ure để điều chỉnh tỷ lệ C/N về khoảng 25 nhằm cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật.
   • Điều chỉnh pH trong khoảng 6,8-7,2 bằng các chất đệm như Na2CO3, NaHCO3 để duy trì môi trường tối ưu.
   • Thời gian: trong suốt quá trình lên men; Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành hệ thống.

4. Phát triển hệ thống pilot và mở rộng quy mô:

   • Xây dựng và vận hành hệ thống pilot 35 lít để kiểm chứng hiệu quả quy trình trước khi nhân rộng quy mô công nghiệp.
   • Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học:

   • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về công nghệ phân hủy kỵ khí, phương pháp tiền xử lý lignocellulose và ứng dụng trong sản xuất biogas.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ liên quan đến năng lượng tái tạo.

2. Doanh nghiệp chế biến nông sản và xử lý chất thải:

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ xử lý phụ phẩm dứa hiệu quả, giảm chi phí xử lý và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo.
   • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý chất thải, nâng cao giá trị phụ phẩm.

3. Chính quyền địa phương và cơ quan quản lý môi trường:

   • Lợi ích: Xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ sinh học xử lý chất thải nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường.
   • Use case: Lập kế hoạch phát triển năng lượng sạch, quản lý chất thải nông nghiệp.

4. Các tổ chức tài trợ và phát triển năng lượng tái tạo:

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả công nghệ biogas từ phụ phẩm dứa để hỗ trợ đầu tư và phát triển dự án.
   • Use case: Cấp vốn, hỗ trợ kỹ thuật cho các dự án năng lượng sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ phẩm dứa có thể sử dụng để sản xuất biogas không?
   Có, phụ phẩm dứa chứa nhiều chất hữu cơ và dinh dưỡng phù hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí, tuy nhiên cần tiền xử lý để tăng hiệu quả sinh khí.

2. Tại sao phải tiền xử lý phụ phẩm dứa trước khi lên men kỵ khí?
   Vì phụ phẩm dứa chứa nhiều lignocellulose khó phân hủy, tiền xử lý giúp phá vỡ cấu trúc này, tăng hàm lượng đường hòa tan, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật sinh methan.

3. Nguồn vi sinh vật nào thích hợp cho quá trình sinh methan từ phụ phẩm dứa?
   Nguồn vi sinh vật từ bể biogas nhà máy sữa Thanh Hóa được chứng minh có hoạt tính sinh khí cao và thích nghi tốt với cơ chất phụ phẩm dứa.

4. Tỷ lệ C/N ảnh hưởng như thế nào đến quá trình lên men kỵ khí?
   Tỷ lệ C/N cân bằng (khoảng 25) giúp vi sinh vật phát triển tối ưu, tỷ lệ quá cao hoặc quá thấp đều làm giảm hiệu suất sinh khí.

5. Làm thế nào để kiểm soát pH trong quá trình lên men kỵ khí?
   pH được điều chỉnh bằng các chất đệm như Na2CO3, NaHCO3 để duy trì trong khoảng 6,8-7,2, tránh môi trường quá acid hoặc kiềm gây ức chế vi sinh vật.

Kết luận

• Phụ phẩm dứa là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biogas nhờ hàm lượng dinh dưỡng cao và khả năng sinh khí tốt sau tiền xử lý.
• Phương pháp tiền xử lý kết hợp cơ học và thủy phân bằng dung dịch KOH 0,02 M trong 14 ngày tối ưu hóa quá trình phân hủy lignocellulose.
• Nguồn vi sinh vật sinh methan từ bể biogas nhà máy sữa Thanh Hóa cho năng suất sinh khí cao nhất, phù hợp với cơ chất phụ phẩm dứa.
• Điều chỉnh tỷ lệ C/N về khoảng 25 và duy trì pH 6,8-7,2 là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả lên men kỵ khí.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý phụ phẩm nông nghiệp hiệu quả, góp phần tạo nguồn năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot mở rộng, đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường, đồng thời phát triển quy trình công nghiệp ứng dụng thực tế.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để phát triển công nghệ biogas từ phụ phẩm dứa, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu về quá trình phân hủy kỵ khí 1. Biogas là gì? Biogas hay còn gọi là khí sinh học, là hỗn hợp khí được sinh ra từ quá trình phân hủy những hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí nhờ hoạt động của các vi sinh vật. Trong đó, thành phần chủ yếu là khí methan (CH4) chiếm 55 – 70 % thể tích và khí CO2 (30 – 45 %).

Ngoài ra, biogas còn chứa một số tạp chất như hydrogen sulphide H2S (< 3 %), amoniac NH3 (< 2 %) và một lượng nhỏ hơi nước, nitơ (N2), hydro (H2) và các hợp chất siloxan [25]. Biogas sau khi làm sạch có nhiều ứng dụng quan trọng và thiết thực như dùng để đun nấu, thắp sáng, sản xuất nhiệt và hơi quá nhiệt bằng chạy nồi hơi sinh nhiệt, sản xuất điện bằng chạy máy phát điện hoặc hệ đồng phát nhiệt điện. Biogas sau khi tinh chế có hàm lượng methan trên 97 % gọi là Biomethan, được sử dụng thay thế khí tự nhiên hoặc hòa vào mạng lưới khí tự nhiên, hoặc nén lỏng để sử dụng làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông, máy móc, động cơ. Được mệnh danh là “cuộc cách mạng nâu” trong lĩnh vực năng lượng mới , khí biogas hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụ ng rô ̣ng raĩ trên thế giới , đă ̣c biê ̣t là ở các nước đang phát triể n có khí hâ ̣u nhiê ̣t đới như Ấn Đô ̣ , Brazil, Nepal, Kenia, Thái Lan, Viê ̣t Nam… bởi điều kiện khí hậu của các nước này thích hợp cho quá trình lên men kị khí chấ t thải hữu cơ để sinh khí biogas.

Năng lượng sản xuất từ biogas là loại năng lượng carbon cực thấp, lượng CO2 phát thải giảm 50 g CO2/kWh so với năng lượng sản xuất từ than [25]. Việc sản xuất biogas sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Phát triển công nghệ biogas cũng là con đường tất yếu để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ nguồn rác thải hữu cơ. Ứng dụng của biogas Khi cả thế giới kêu gọi khẩu hiệu phát triển bền vững thì BioFuel (nhiên liệu sinh học) nói chung và Biogas nói riêng đang trở thành vấn đề nóng được quan tâm đặc biệt, và được nhắc tới thường xuyên như một giải pháp có hiệu quả.

Đã có Học viên: Ngô Mạnh Túc Cao học Hóa K25 - KTHH 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ nhiều loại nguyên liệu sinh học ra đời như biomethan, biodiesel, bioethanol… để thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Khi cả thế giới đang suy nghĩ tìm cách giải quyết khâu nguyên liệu cho những sản phẩm nhiên liệu sinh học thì việc sản xuất biogas từ phụ phẩm, chất thải hữu cơ sẽ đạt được tác động kép, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, vừa giảm ô nhiễm môi trường, cũng như giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Trong một thế giới đang ngày càng đề cao sự phát triển bền vững, mối liên kết giữa năng lượng và môi trường đã trở nên vô cùng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất năng lượng tái tạo ít carbon đang được ưu tiên hàng đầu.

Sản phẩm biogas có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau từ việc sử dụng trực tiếp đun nấu thay cho khí gas hóa lỏng truyền thống, hay dùng để thắp đèn khí sinh học, đến việc tinh chế, làm sạch để dùng làm nguyên liệu chạy máy phát điện, động cơ xe máy, ô tô. Dưới đây là một số hình thức sử dụng biogas hiệu quả đang được áp dụng trên thế giới. + Đun nấu: đạt hiệu suất 50 – 60 %. Về nhiệt lượng hữu ích: 1m3 biogas (60 % CH4) có thể thay thế 0,76 Lít dầu; 5,2 kWh điện; 4,8 kg củi; 8,6 kg rơm rạ [2,12].

+ Thắp sáng: Phải dùng đèn mạng độ sáng tương đương đèn sợi tóc 60 W tiêu thụ 70 - 120 Lít/giờ [12]. + Chạy các động cơ đốt trong: Máy bơm, máy xay xát, máy phát điện, máy sản xuất hơi (boiler)… + Các ứng dụng khác: Sấy chè, ấp trứng, sưởi ấm gà con, chạy tủ lạnh… Ngoài ra, biogas còn được sử dụng để diệt sâu bọ trong bảo quản ngũ cốc, hoặc dùng để bảo quản hoa quả cho hiệu quả kinh tế cao. + Lợi ích về nông nghiệp: nguyên liệu khi được nạp bể biogas sẽ phân hủy chuyển hóa thành biogas, phần bã không phân hủy vẫn còn lượng dinh dưỡng khá cao và nguồn sinh khối từ vi sinh vật sau quá trình lên men có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng, xử lý hạt giống trước khi gieo; nước thải từ bể biogas dùng để nuôi tảo, bèo làm thức ăn bổ sung cho gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản, trồng nấm, nuôi giun. + Lợi ích về môi trường: cải thiện vệ sinh, không có khói bụi, giảm bệnh phổi, giảm bệnh đau mắt, xử lý giảm bệnh giun sán, bệnh truyền nhiễm, hạn chế Học viên: Ngô Mạnh Túc Cao học Hóa K25 - KTHH 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ thuốc trừ sâu, xử lý chất thải hữu cơ, bảo vệ đất khỏi bạc màu, hạn chế phá rừng, giảm phát thải khí nhà kính.

+ Lợi ích khác: hiện đại hóa nông thôn, giải phóng sức lao động phụ nữ và trẻ em, tạo công ăn việc làm cho người dân. Quá trình phân hủy kỵ khí 1. Nguyên lý hóa học – sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí Phân hủy kỵ khí được chứng minh là công nghệ hữu hiệu để xử lý chất thải hữu cơ. Trong những năm gần đây, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt.

Công nghệ này đang được phát triển mạnh nhờ các hiểu biết về cơ sở hóa sinh của quá trình phân hủy kỵ khí ngày càng sâu rộng và có nhiều cải tiến về thiết kế các bể phản ứng. Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí: (CHO)nNS → CO2 + H2O + CH4 + H2S + H2 + NH4+ + tế bào mới Phân hủy kỵ khí xảy ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau. So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có một số ưu điểm sau [15]: - Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ xử lý làm chất nhận điện tử. Quá trình này hoàn toàn không sử dụng O2, do vậy giảm được chi phí vận hành đáng kể.

- Lên men kỵ khí tạo ít sinh khối (từ 3 - 20 lần so với quá trình hiếu khí) vì năng lượng sinh ra do hô hấp kỵ khí rất thấp. Nếu quá trình hiếu khí chuyển hóa 50 % carbon hữu cơ thành sinh khối, thì trong quá trình kỵ khí, tỷ lệ này là 5 %. Tổng lượng tế bào được tạo ra khi phân hủy 1 tấn carbon hữu cơ, trong điều kiện kỵ khí là 20 - 150 kg, nhỏ hơn nhiều khi so với 400 - 600 kg trong điều kiện hiếu khí. Phần lớn năng lượng giải phóng ra từ nguồn cơ chất ban đầu được chuyển vào sản phẩm cuối cùng của quá trình là CH4 [3,4].

- Lên men kỵ khí tạo ra khí methan là nguồn năng lượng sạch, có giá trị năng lượng đến 9000 kcal/m3, có thể đốt tại chỗ để cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc sử dụng để sản xuất điện [4]. - Giảm nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải. Học viên: Ngô Mạnh Túc Cao học Hóa K25 - KTHH 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ - Công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải công nghiệp có nồng độ hữu cơ cao. - Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao.

- Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật kỵ khí tham gia quá trình phân hủy được duy trì khá lâu, ngay khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời gian dài. - Các hệ thống phân hủy kỵ khí còn có thể xử lý các hợp chất hữu cơ bền như carbuahydro mạch thẳng bị chlor hóa và các hợp chất tự nhiên bền vững như lignin. Quá trình phân hủy kỵ khí về mặt hóa học và vi sinh vật phức tạp hơn xử lý hiếu khí. Quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ của vi sinh vật thành khí methan là nhờ sự thủy phân các carbohydrat phức tạp, protein, chất béo thành những carbohydrat đơn giản, aminoacid, acid béo.

Đường đơn và acid sau đó được sử dụng để thu năng lượng cho sự sinh trưởng bởi vi khuẩn lên men, sinh ra acid hữu cơ và hydro ở các sản phẩm trung gian. Acid hữu cơ sau đó được oxy hóa một phần bởi những vi khuẩn lên men khác, sản xuất thêm hydro và acid acetic. Hydro và acid acetic là cơ chất chính được sử dụng bởi vi khuẩn sinh methan, chuyển chúng thành methan. Hydro được sử dụng như phần tử cho electron, với CO2 - phần tử nhận electron, để hình thành khí methan, trong khi acetat được tách ra để tạo methan từ nhóm metyl, và tạo CO2 từ nhóm carbonyl trong phản ứng lên men.

Chìa khóa để ứng dụng thực tế có hiệu quả của phân hủy kỵ khí dựa vào sự điều chỉnh và tối ưu hóa môi trường nội tại của một bể phản ứng sinh học đi kèm, nhằm đưa ra các điều kiện lý tưởng cho quá trình và duy trì chúng. Về mặt hóa học Quá trình phân hủy kỵ khí thực tế rất phức tạp, liên quan đến hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, rất nhiều trong số đó có yêu cầu bổ sung chất xúc tác, enzym và chất điều phối. Quá trình phân hủy kỵ khí gồm 4 giai đoạn chính: - Giai đoạn 1 - Thủy phân: Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, cellulose, lipid… được vi sinh vật kỵ khí như Closdium bipiclobacterium, Bacilus gram âm không sinh bào tử, Staphy loccus…chuyển thành các chất có trọng lượng phân tử Học viên: Ngô Mạnh Túc Cao học Hóa K25 - KTHH 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn thạc sĩ thấp hơn như aminoacid, đường đơn, glyxerin. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào cấu tạo và tính chất của chất nền, tập hợp vi khuẩn, nhiệt độ và pH [1, 4, 15].

Tham gia vào giai đoạn này chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc xen lẫn vi khuẩn kỵ khí tùy tiện. Vi khuẩn thuỷ phân thường có hình que, nhuộm Gram dương hoặc Gram âm. Bản chất nền ảnh hưởng lớn nhất đến chủng loại các vi khuẩn này.