CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam Thị trường tiềm năng cho sản xuất biogas tại Việt Nam là rất lớn, nhưng cho đến nay chưa được khai thác triệt để. Chỉ có 0,3% trong số17.000 các trang trại lớn đã sử dụng khí sinh học. Chiến lược quốc gia của Chính phủ về cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường đặt mục tiêu là đến năm 2020 sẽ có khoảng 45% trang trại sử dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas để xử lý và quản lý chất thải.
Tương tự như vậy, một lượng lớn rác thải đô thị và rác thải chế biến nông sản, chẳng hạn như đường và sắn, cũng chưa được sử dụng đúng mức và cả hai loại chất thải này đều gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường và lãng phí tài nguyên. Ở nhiều quốc gia, xử lý yếm khí đã trở thành một hệ thống được áp dụng rộng rãi, với nhiều nhà máy hoàn chỉnh đã được lắp đặt tại vùng nhiệt đới, á nhiệt đới và ở vùng vĩ độ trung bình (Ấn Độ, Trung Quốc, Colombia, Brazin v. Ở Việt Nam nhiều nơi đã sử dụng nhiều mô hình xử lý yếm khí để xử lý nước thải với các quy mô lớn nhỏ khác nhau. Quy mô công nghiệp: Ở Việt Nam, công ty Cổ phần khoai mì nước trong phối hợp với Công ty Rhodia Energy GHG (thuộc tập đoàn Rhodia - Pháp) đã đưa vào sử dụng nhà máy xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Biogas Rhodia Nước Trong tại xã Tân Hội, huyện Tân Châu, Tây Ninh.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mô hình yếm khí tại Tây Ninh Nhà máy sử dụng công nghệ phân hủy yếm khí hiện đại, đang được áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Nhà máy xây dựng với vốn đầu tư 1 triệu USD, chuyên sản xuất khí Biogas với công suất 2 triệu m3/năm và khắc phục trên 90% vấn đề ô nhiễm. Mặt khác nó sẽ tạo ra một giá trị kinh tế lớn là cung cấp khí biogas làm nhiên liệu đốt cho các lò đốt để sấy bột.
- Nhà máy xử lý nước thải Công ty bia ong Thái Bình: Nước thải từ quá trình sản xuất bia ong được xử lý sinh học kết hợp hai bước kị khí và hiếu khí trong cùng một hệ thống giống với mô hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại Lâm. Nhà máy có công suất xử lý hàng nghìn m3/ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Quy mô hộ gia đình Hình 1. Xây dựng hầm biogas ở nông thôn Thường tại các hộ gia đình chăn nuôi lợn, trâu bò lượng chất thải từ quá trình chăn nuôi thường nhiều và chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên được xử lý bằng hầm phân hủy yếm khí (biogas).
Trong những năm qua việc xây dựng hầm khí biogas đã phát huy được hiệu quả và đang được coi là biện pháp tiết kiệm của người dân. Được sự quan tâm và đầu tư của nhà nước cũng như các dự án đầu tư của nước ngoài rất nhiều vùng nông thôn đã xây dựng mô hình khí sinh học biogas. Tiềm năng sử dụng biogas trong tương lại có thể là dùng để phát điện, bã thải sinh học cho các loại phân bón hữu cơ và nhiên liệu sinh học. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
VSV và VSV yếm khí. VSV là một thế giới sinh vật nhỏ bé, đơn bào rất đông đúc trong tự nhiên. Tế bào của chúng chỉ nhìn được qua kính hiển vi phóng đại từ 400 đến 1000 lần. VSV bao gồm có VK, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut (siêu VK).
Trong nước thải, chủ yếu là các loại VSV dị dưỡng hoại sinh, chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ, biến đổi các chất này thành các chất đơn giản như CO2, H2O, CH4, H2S… VSV yếm khí là những VSV sống trong điều kiện không có oxy, chúng rất đa dạng và phong phú về chủng loại. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Phân hủy yếm khí là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí. Nguyên liệu Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học.
Nguyên liệu có thể chia làm 2 loại, nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật và có nguồn gốc từ thực vật. - Nguồn gốc động vật: phân gia súc, gia cầm, phân bắc., các bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sở chế biến thuỷ, hải sản. - Nguồn gốc thực vật: lá cây và cây thân cây thảo như phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, đậu…), rác sinh hoạt hữu cơ (rau, quả, lương thực bỏ đi.) và các loại cây xanh hoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh. Các loại nước thải như: nước thải chế biến bánh, bún của các cơ sở chế biến thực phẩm.
Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiều phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên, người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lên men Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S yếm khí Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành ba giai đoạn chính sau: + Giai đoạn 1: Thủy phân. + Giai đoạn 2: Lên men axit. + Giai đoạn 3: Metan hóa.
Chất hữu cơ Protein Aminoaxit Vi khuẩn Amôn Tổng axit Cacbonhydrate Đường đơn Axetat CO2 bay hơi CH4 H2 Chất béo Tổng axit CO2 Thủy phân Lên men axit Sinh metan Hình 1. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của quá trình phân hủy yếm khí 1. Giai đoạn thủy phân. Các chất hữu cơ trong chất thải phần lớn là các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohidrat, xenlulozơ, lignin,v.v…Một vài loại ở dạng không hòa tan.
Ở giai đoạn này, các chất hữu cơ cao phân tử bị phân hủy bởi các enzim ngoại bào (sản sinh bởi các VK). Sản phẩm của giai đoạn này là các chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz, pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất không hòa tan) thành các đường đơn; chất béo thành các axít béo chuỗi dài. Tuy nhiên các chất hữu cơ như xenlulozơ, lignin rất khó phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản đây là một giới hạn của quá trình phân hủy yếm khí, bởi vì lúc đó các VK ở giai đoạn 1 sẽ hoạt động chậm hơn các VK ở giai đoạn 2 và 3.
Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào nguyên liệu nạp, mật độ VK trong thiết bị phản ứng và các yếu tố môi trường như: pH và nhiệt độ… Các phản ứng ở giai đoạn thủy phân: amylaza Tinh bột Glucozơ zenlulaza Xenlulozơ Mantozơ + Glucozơ Lipit lipaza Tổng axit + Rượu đa chức proteaza proteaza Protein Peptit Axit amin 1. Giai đoạn lên men axít. Các chất hữu cơ đơn giản sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ chuyển hóa thành axít axetic, H2 và CO2 bởi VK lên men axit. Axit axetic là sản phẩm chính của quá trình lên men cacbohiđrat.
Các sản phẩm tạo ra thay đổi tùy theo loại VK cũng như điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, pH, khả năng oxi hóa và khử oxi. VK tạo axit axetic chuyển các axít no như axít propionic và butyric và rượu thành axit axetic, hiđrovà CO2, những chất này sẽ được sử dụng bởi nhóm VK tạo metan. Ngoài ra, sự lên men cũng tạo thành các chất trung tính như: Rượu, anđehit, axeton, các chất khí NH3, H2S và một lượng nhỏ khí mercaptan, indol, scatol…Trong giai đoạn này BOD và COD giảm không đáng kể do đây chỉ là giai đoạn phân cắt các chất phức tạp thành các chất đơn giản hơn và chỉ có rất nhỏ một phần chuyển thành 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Ví dụ như đối với glucozơ quá trình lên men axit xảy ra theo phương trình sau: 2C6H12O6 2CH3CHOHCOOH + 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + Q.
Các VSV chính tham gia vào quá trình lên men axit được thống kê trong bảng sau: Bảng 1. VSV sinh axit hữu cơ. Tên VK pH toC Sản phẩm Bacillus cereus 5.2 25-35 axetic, lactic Bacillus knolfekampi 5.0 25-35 axetic, lactic Bacillus megaterium 5.5 28-35 axetic, lactic Bacteroides succinigenes 5.5 25-35 axetic, sucxinic Clostridium carnefectium 5.5 25-37 fomic, axetic Clostridium cellobinharus 5.5 36-38 lactic, etanol, CO2 Clostridium dissolvens 5.5 35-51 fomic, axetic Clostridium thermocellulaseum 5.5 55-65 lactic, sucxinic, etanol Pseudomonas - 3-42 fomic, axetic, lactic, sucxinic, etanol Ruminococcus sp - 33-48 fomic, axetic, sucxinic 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Giai đoạn sinh khí metan.
Các sản phẩm của giai đoạn 2 sẽ được chuyển hóa thành CH4 và các sản phẩm khác bởi nhóm VK metan. VK metan là những VK yếm khí bắt buộc có tốc độ sinh trưởng chậm hơn các VK ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Các VK metan sử dụng axít axetic, methanol, CO2 và H2 để sản xuất metan, trong đó axít axetic là nguyên liệu chính với 70% metan được sinh ra từ nó. Phần metan còn lại được sản xuất từ CO2 và H2, một ít từ axít formic nhưng phần này không quan trọng vì các sản phẩm này chiếm số lượng ít trong quá trình lên men yếm khí, pH của giai đoạn này lớn hơn 7.
Các VK tham gia quá trình sinh khí metan gồm những loại chính được thống kê trong bảng sau.2 VSV sinh metan Tên VK pH toC Axit bị chuyển hóa Methanobacterium omelianskii 6.0 37-40 CO2, H2, ancol I và II Methanopropionicum axit propionic Methanoformicum CO2, H2, axit fomic Methanosochngenii axit axetic Methanosuboxydans axit butyric,valeric, caprionic Methanoruminanticum H2, axit fomic Methanococcus vanirielli 1.0 H2, axit fomic Methanococcus mazei 30-37 axit axetic, butyric Methanosarcina methanica 35-37 axit axetic, butyric Methanosarcina barkerli 7.0 30 CO2, H2, axit axetic, metanol - Các phản ứng sinh metan gồm có CH3COOH → CH4 + CO2 (1) Phản ứng (1) do các VSV: Methanosochngenii, Methanococcus mazei, Methanosarcina, methanica, Methanosarcina barkerli thực hiện. 4CH3CH2COOH + 2H2O → 7CH4 + 5CO2 (2) 2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 5CH4 + 3 CO2 (3) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica thực hiện.