Chương 1 TỔNG QUAN KHÍ SINH HỌC 1. Khí sinh học 1. Định nghĩa Biogas còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường kị khí. Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm : CH4: 60 - 70% CO2: 30 - 40% Phần còn lại là một lượng nhỏ khí: N2, H2,CO,CO2…CH4 có số lượng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt.
Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học. Phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kị khí. Nhiệt độ cháy của hỗn hợp biogas/không khí là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, nhiệt độ của lò đốt. Nhiệt độ cháy phụ thuộc vào các thành phần trong biogas.
Ước tính 1 m3 CH4 khi đốt tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3 kg than đá; 1,15 lít xăng hay 9,7 kW điện. Điều này cho thấy sự tiết kiệm lớn nguồn nhiên liệu từ xử lý chất thải chăn nuôi. Người ta ghi nhận rằng nhiệt năng tạo ra từ 1 lít dầu HFO là 40,9 MJ/lít, trong khí đó của khí CH4 là 34,9 MJ/lít.1 m3 CH4 có thể thay thế 1 lít dầu HFO. Nguồn: [18] Vận tốc cháy cũng là một thông số cần quan tâm khí ứng dụng biogas vào lò gạch.
Vận tốc cháy của hỗn hợp biogas/không khí là vận tốc lan truyền màng lửa trong hỗn hợp. Thông số này quyết định thời điểm cấp thêm khí đốt. Vận tốc ngọn lửa phụ thuộc vào % thể tích CH4 trong hỗn hợp biogas/không khí và % thể tích CO2. HVTH: Nguyễn Hữu Khiêm _ 10260572 Chuyên ngành: Quản lý Môi trường -5- “Nghiên cứu đề xuất mô hình kết hợp biogas và lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang” Bảng 1.1: Tính chất khí sinh học sinh ra từ hầm ủ biogas.
Hỗn hợp Thông số Đơn vị CH4 CO2 H2 H2 S biogas % thể tích % 55 - 70 27 - 44 1.0 3,0 100 3 Giá trị năng lượng kJ/Nm 35.500 Giới hạn cháy nổ %V 8 - 11 - 4 - 80 4 - 4,5 6 – 12 o Điểm bốc cháy C 650 - 750 - 585 - 650 - 750 Tỷ trọng g/l 0,72 1,98 0,09 1,55 1,2 Hệ số tỷ trọng với 0,83 - 0,55 2.5 0,07 1,2 không khí Nguồn: [19] 1. Cơ chế tạo thành khí sinh học trong hệ thống ủ kị khí Quá trình phân hủy kị khí là một quá trình tự nhiên và là sự chuyển đổi sinh học của các chất hữu cơ thành CH4 trong điều kiện không có oxy. Quá trình phân hủy được thực hiện do hoạt động của các vi khuẩn trong tự nhiên ở các giai đoạn khác nhau. Quá trình phân hủy kị khí của chất thải hữu cơ được biểu diễn trong phương trình sau: CaHbOcNd nCwHxOyNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d-nx)NH3 (s = a – nw – w và r = c – ny – 2s) phân hủy Hợp chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S kị khí Quá trình phân hủy kị khí là một chuỗi các phản ứng trong đó các hợp chất hữu cơ sẽ được phân hủy thông qua con đường chuyển hóa của các vi sinh vật một cách tự nhiên trong điều kiện môi trường không có oxy.
Toàn bộ quá trình diễn ra được mô tả ở hình 1.2: giai đoạn thủy phân, là giai đoạn mà các phân tử phức tạp sẽ được bẻ gãy mạch thành những phần tử monomer; giai HVTH: Nguyễn Hữu Khiêm _ 10260572 Chuyên ngành: Quản lý Môi trường -6- “Nghiên cứu đề xuất mô hình kết hợp biogas và lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang” đoạn axit hóa, giai đoạn này các axit sẽ được hình thành; giai đoạn acetate hóa, tạo ra các sản phẩm của acetate; và giai đoạn methane hóa, giai đoạn mà trong đó methane được tạo ra từ acetate và hydro. Quá trình phân hủy sẽ không hoàn tất cho đến khi nguyên liệu trải qua tất cả các giai đoạn trên, mỗi giai đoạn sẽ có những loại vi khuẩn riêng chịu trách nhiệm chính vì vậy mà điều kiện môi trường cũng đòi hỏi khác nhau. Chất hữu cơ Nguyên liệu ủ: hòa tan: -CacbonHydrat -Gluco Axit hữu cơ Thủy Axit Mêtan -Protein -Amino Axit H2 CH4 -Lipit phân -Axit béo hóa CO2 hóa CO2 -Axit Nucleic -Purine -Pyrimidine Hình 1.1: Sơ đồ phản ứng trong xử lý kị khí Pha đầu tiên của phân hủy kị khí là thủy phân, các hợp chất hữu cơ phức tạp như cacbohydrates, proteins, và lipit bị biến đổi thành dạng hòa tan và sau đó thủy phân thành các hợp chất hữu cơ đơn giản. Pha thứ hai, axit hóa (cũng được biết như là lên men), vi khuẩn tạo axit chuyển hóa những sản phẩm từ pha đầu tiên thành các axit hữu cơ mạch ngắn sơ cấp, acetic, propionic, và axit lactic, và H2 và CO2.
Pha thứ 3, metan hóa, các methanogen chuyển các axit bay hơi thành mêtan và CO2. Đầu tiên là sự tạo thành các axit hữu cơ nên pH giảm xuống rõ rệt (lên men axit). Các axit hữu cơ và hợp chất chứa nitơ tiếp tục phân hủy tạo thành các hợp chất khác nhau và các chất khí như CO2, N2, H2 và cả CH4 (bắt đầu lên men metan). Các vi khuẩn metan phát triển rất mạnh và chuyển hóa rất nhanh để tạo thành CO2 và CH4 (giai đoạn lên men metan còn gọi là lên men kiềm).
Sản phẩm cuối cùng là metan, CO2, những khí dạng vết và phần rắn ổn định còn lại. HVTH: Nguyễn Hữu Khiêm _ 10260572 Chuyên ngành: Quản lý Môi trường -7- “Nghiên cứu đề xuất mô hình kết hợp biogas và lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang” Toàn bộ quá trình dựa trên sự duy trì cân bằng tới hạn giữa các hoạt động riên của từng giai đoạn trong 3 pha. Nếu không có sự cân bằng này thì có thể giảm hiệu quả của toàn bộ quá trình và có thể làm cho tất cả các vi khuẩn ngừng hoạt động và quá trình tạo metan không xảy ra. Thủy phân (Hydrolysis) Trong giai đoạn đầu, các hợp chất hữu cơ phức tạp sẽ được bẻ gãy thành những thành phần đã cấu tạo nên chúng trong quá trình thủy phân.
Kết quả là tạo ra các monome hòa tan: protein được chuyển hóa thành amino axit, chất béo thành axit béo, glycerol và triglyceride, các hợp chất hydrocacbon phức tạp như polysaccharide, cellulose, lignin, tinh bột và sơ động thực vật được chuyển hóa thành các loại đường đơn, ví dụ như glucose. Vi khuẩn thủy phân hoặc lên men có nhiệm vụ tạo các monome mà sẽ được các vi khuẩn khác sử dụng ở giai đoạn sau. Nếu nguyên liệu đầu vào có cấu trúc phức tạp, giai đoạn thủy phân sẽ tương đối chậm. Điều này đặc biệt rõ đối với chất thải thô có chứa celluloze, vì trong thành phần có lignin.
Axit hóa (Axitogenesis) Quá trình thủy phân sẽ được theo sau ngay lập tức bằng việc hình thành các dạng axit trong giai đoạn axit hóa. Trong quá trình này, vi khuẩn axit hóa sẽ chuyển các sản phẩm của quá trình thủy phân thành những hợp chất hữu cơ đơn giản, thường là những chuỗi axit (bay hơi) (ví dụ như: propionic, formic, lactic, butyric, or succinic axit) và rượu cồn. Nồng độ tập trung của các chất được tạo ra trong giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào từng chủng loại vi khuẩn cũng như điều kiện môi trường, nhiệt độ và pH. Acetate hóa (Acetagenesis) Giai đoạn tiếp theo sau quá trình thủy phân là giai đoạn acetate hóa, trong giai đoạn này BOD và COD của chất thải cũng được loại bỏ.
Quá trình axit hóa thường được thể hiện bằng việc sinh ra cacbonhydrate, mà sản phẩm chính được tạo ra là acetate, CO2 và H2. Hydro đóng vai trò là tác nhân trung gian, nó quyết định các phản ứng quan trọng của quá trình phân hủy kị khí. Các axit béo mạch dài, được hình thành trong giai đoạn thủy phân lipid sẽ được oxy hóa thành acetate hoặc propionate và khí hydro được tạo ra. HVTH: Nguyễn Hữu Khiêm _ 10260572 Chuyên ngành: Quản lý Môi trường -8- “Nghiên cứu đề xuất mô hình kết hợp biogas và lò gạch theo định hướng giảm thiểu phát thải ở tỉnh An Giang” Sự chuyển hóa của chất nền từ dạng các chất hữu cơ sang các axit hữu cơ trong giai đoạn axit hóa sẽ làm cho pH của hệ thống giảm xuống.
Điều này có lợi cho quá trình axit hóa và vi khuẩn axit hóa thích sống trong môi trường có độ axit nhẹ, pH nằm trong khoảng từ 4,5 đến 5,5 và ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của dòng nguyên liệu đầu vào, tuy nhiên sự thay đổi này sẽ là vấn đề khó giải quyết đối với những vi khuẩn ở giai đoạn sau, giai đoạn metan hóa. Methane hóa (Methanogenesis) Vi khuẩn kị khí metan thực hiện quá trình lên men của mình trong 3 giai đoạn. Vi khuẩn metan hóa rất khó tồn tại, nó chỉ xuất hiện trong tự nhiên ở sâu trong những vùng cặn lắng hoặc trong bụng của các động vật ăn cỏ. Vi khuẩn này sẽ chuyển đổi các hợp chất hòa tan thành metan, khoảng 2/3 có nguồn gốc từ sự chuyển đổi của acetate hoặc quá trình lên men của rượu cồn.
Quá trình metan hóa dễ dàng bị ảnh hưởng bởi những sự thay đổi và thích hợp với môi trường trung tính hoặc có độ kiềm yếu. Nếu pH cho phép nhỏ hơn 6 thì vi khuẩn metan hóa không thể sống sót. Quá trình metan hóa cần phải được kiểm soát tốc độ bởi vì vi khuẩn metan hóa phát triển chậm hơn so với vi khuẩn axit hóa. Bởi vậy động học của toàn bộ quá trình có thể được mô tả bởi động học của quá trình metan hóa.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ biogas Điều kiện kị khí Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vi sinh vật tạo khí vi sinh vật trong hầm ủ rất nhạy cảm với oxygen, nếu hầm ủ có oxygen thì hoạt động của vi sinh vật yếm khí yếu hay ngừng hẳn. Nhiệt độ Có hai vùng nhiệt độ thích hợp cho sự lên men của vi khuẩn sinh khí methane: một là messophilic (nhiệt độ trung bình) biến động từ 20 – 450C, và hai là thermophilic (nhiệt độ cao) trong vùng nhiệt trên 450C. Nhiệt độ tối ưu là 350C cho vùng thứ nhất và 550C cho vùng thứ hai. Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sinh khí.
