Luận văn thạc sĩ về hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ trong phân hủy yếm khí, góp phần vào phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Đỗ Văn Vương
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)
• 1.2. VSV và VSV yếm khí. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học
• 1.3. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải hữu cơ
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị và hoá chất nghiên cứu
• 2.3. Quy trình thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ

Nghiên cứu về hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo. Biogas, chứa một lượng lớn khí metan, được sản xuất từ quá trình phân hủy yếm khí của các chất hữu cơ. Việc khai thác nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp một nguồn năng lượng bền vững cho xã hội.

1.1. Khái niệm về biogas và quá trình sinh metan

Biogas là hỗn hợp khí được sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường yếm khí. Quá trình này bao gồm nhiều giai đoạn, từ thủy phân đến lên men axit và cuối cùng là sinh metan. Mỗi giai đoạn đều có vai trò quan trọng trong việc tạo ra khí metan, với các vi sinh vật khác nhau tham gia vào từng giai đoạn.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu hiệu suất sinh metan

Nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas mà còn góp phần vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Việc hiểu rõ khả năng sinh metan của các loại chất thải khác nhau sẽ giúp định hướng cho các giải pháp xử lý chất thải hiệu quả hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hiệu suất sinh metan

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện môi trường, loại chất thải và quy trình xử lý đều ảnh hưởng đến hiệu suất sinh khí. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất biogas.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sinh metan

Nhiệt độ, pH, và nồng độ chất hữu cơ là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất sinh metan. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này thường nằm trong khoảng 35-55 độ C, trong khi pH cần duy trì trong khoảng 6.8-7.4 để đảm bảo hoạt động của vi sinh vật sinh metan.

2.2. Thách thức trong việc thu hồi metan từ chất thải

Việc thu hồi metan từ chất thải hữu cơ gặp nhiều khó khăn do sự biến đổi của các hợp chất hữu cơ trong quá trình phân hủy. Các chất ức chế và điều kiện môi trường không thuận lợi có thể làm giảm hiệu suất sinh khí, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn để tìm ra giải pháp khắc phục.

III. Phương pháp nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ

Để nghiên cứu hiệu suất sinh metan, các phương pháp như phân tích hóa học, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình hóa quy trình là rất quan trọng. Những phương pháp này giúp xác định khả năng sinh khí của các loại chất thải khác nhau và tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas.

3.1. Phân tích hóa học và sinh học của chất thải

Phân tích hóa học giúp xác định thành phần và tính chất của chất thải hữu cơ, từ đó đánh giá khả năng sinh metan. Các chỉ tiêu như COD, BOD và tỷ lệ C/N là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

3.2. Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định hiệu suất

Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho phép kiểm soát các điều kiện môi trường và theo dõi quá trình sinh khí. Các thí nghiệm này giúp xác định các yếu tố tối ưu cho quá trình sinh metan từ chất thải hữu cơ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của biogas từ chất thải hữu cơ

Biogas từ chất thải hữu cơ có nhiều ứng dụng thực tiễn, từ việc cung cấp năng lượng cho sinh hoạt đến sản xuất điện. Việc sử dụng biogas không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế cho người dân.

4.1. Sử dụng biogas trong sinh hoạt và sản xuất

Biogas có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho bếp đun, lò sưởi và máy phát điện. Việc sử dụng biogas giúp giảm chi phí năng lượng cho hộ gia đình và doanh nghiệp, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sản xuất biogas

Sản xuất biogas từ chất thải hữu cơ không chỉ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn tạo ra nguồn thu từ việc bán khí biogas. Ngoài ra, bã thải từ quá trình sản xuất biogas có thể được sử dụng làm phân bón hữu cơ, góp phần cải thiện đất đai.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hiệu suất sinh metan

Nghiên cứu hiệu suất sinh metan từ chất thải hữu cơ là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp nguồn năng lượng bền vững cho tương lai.

5.1. Tương lai của công nghệ biogas

Công nghệ biogas đang ngày càng phát triển với nhiều cải tiến về quy trình và thiết bị. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất sinh metan và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển

Cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức để khuyến khích nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực biogas. Việc đầu tư vào nghiên cứu sẽ giúp tìm ra các giải pháp hiệu quả hơn cho việc sản xuất và sử dụng biogas từ chất thải hữu cơ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn về ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch. Theo báo cáo của ngành, chỉ khoảng 0,3% trong số 17.000 trang trại lớn tại Việt Nam hiện nay sử dụng khí sinh học (biogas) làm nguồn năng lượng. Trong khi đó, Chính phủ đặt mục tiêu đến năm 2020 có khoảng 45% trang trại áp dụng hệ thống quản lý chất thải, đặc biệt là bể biogas. Chất thải hữu cơ chiếm tỷ lệ quan trọng trong tổng lượng chất thải, gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không được xử lý hiệu quả. Việc tận dụng các chất thải hữu cơ để sản xuất khí metan qua quá trình phân hủy yếm khí không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn năng lượng sạch, thay thế năng lượng hóa thạch truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng như glucozơ, tinh bột và protein trong quá trình phân hủy yếm khí. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với thiết bị xử lý yếm khí AD-W8, mô phỏng quá trình phân hủy yếm khí trong điều kiện tối ưu về nhiệt độ và pH. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các chất hữu cơ đặc trưng có trong rác thải sinh hoạt và nông nghiệp tại Việt Nam, với thời gian thực nghiệm kéo dài từ 20 đến 30 ngày tùy loại nguyên liệu.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp số liệu định lượng về thể tích khí metan sinh ra từ từng loại chất hữu cơ, từ đó có thể ước tính tiềm năng sinh khí metan của các loại rác thải hỗn hợp. Kết quả này hỗ trợ việc thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý chất thải yếm khí hiệu quả, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học, bao gồm ba giai đoạn chính: thủy phân, lên men axit và sinh khí metan.

• Thủy phân: Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, tinh bột, xenlulozơ bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn nhờ enzym ngoại bào do vi sinh vật (VSV) yếm khí sản sinh.
• Lên men axit: Các hợp chất đơn giản được chuyển hóa thành axit axetic, H2, CO2 và các sản phẩm trung gian khác bởi vi khuẩn lên men axit.
• Sinh khí metan: Vi khuẩn metan hóa sử dụng axit axetic, CO2 và H2 để tạo ra khí metan (CH4), chiếm khoảng 70% lượng metan sinh ra.

Các khái niệm chính bao gồm: Vi sinh vật yếm khí (VSV yếm khí), khí biogas (hỗn hợp CH4 và CO2), tỷ lệ C/N (cacbon/nitơ), pH tối ưu cho vi khuẩn metan hóa (6,8 – 7,4), và các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, pH, hàm lượng chất rắn, chất ức chế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm phân hủy yếm khí trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị AD-W8 với thể tích bể phản ứng 5 lít. Thiết bị được điều chỉnh nhiệt độ ổn định ở 45ºC, pH duy trì trong khoảng 5-6 trong giai đoạn thích nghi vi sinh vật, sau đó điều chỉnh phù hợp cho quá trình lên men.

Cỡ mẫu gồm ba loại nguyên liệu hữu cơ đặc trưng: glucozơ (36 gam), tinh bột tan (30 gam) và protein (40 gam). Mỗi loại được xử lý trong bể phản ứng riêng biệt, thực hiện song song để tiết kiệm thời gian. Vi sinh vật mồi lấy từ bùn thải bể biogas hộ gia đình chăn nuôi lợn tại Vĩnh Phúc.

Phương pháp phân tích khí biogas gồm đo thể tích khí tổng thu được hàng ngày và xác định tỷ lệ thành phần khí metan và cacbonic bằng phương pháp hấp thụ khí CO2 trong dung dịch NaOH và hơi nước trong H2SO4 đặc. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 20 đến 30 ngày tùy loại nguyên liệu, đủ để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp định lượng thể tích khí sinh ra, tính toán thể tích khí metan và CO2 trên 1 kg nguyên liệu, so sánh hiệu suất sinh khí giữa các loại nguyên liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 3 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất sinh metan của glucozơ: Với 36 gam glucozơ, tổng thể tích khí metan thu được là 14.106 ml, chiếm 64,9% trong tổng thể tích khí biogas 21.735 ml. Thời gian phân hủy hoàn toàn là 20 ngày, khí metan bắt đầu sinh ra từ ngày thứ 5, đạt đỉnh từ ngày 11 đến 16. Tính trên 1 kg glucozơ, thể tích metan đạt khoảng 0,392 m³.

2. Hiệu suất sinh metan của tinh bột: Với 30 gam tinh bột, tổng thể tích khí metan là 12.141 ml, chiếm 64,79% trong tổng thể tích khí biogas 18.740 ml. Thời gian phân hủy kéo dài 29 ngày, khí metan bắt đầu sinh ra từ ngày thứ 9, đạt đỉnh từ ngày 18 đến 21. Tính trên 1 kg tinh bột, thể tích metan đạt khoảng 0,405 m³, cao hơn glucozơ.

3. Hiệu suất sinh metan của protein (gielatin): Với 40 gam protein, tổng thể tích khí metan là 13.658 ml, chiếm 62,94% trong tổng thể tích khí biogas 21.700 ml. Thời gian phân hủy dài nhất là 30 ngày, khí metan bắt đầu sinh ra từ ngày thứ 9, đạt đỉnh từ ngày 19 đến 24. Tính trên 1 kg protein, thể tích metan đạt khoảng 0,341 m³, thấp hơn glucozơ và tinh bột.

4. So sánh tổng thể: Trung bình 1 kg vật liệu hữu cơ phân hủy yếm khí trong điều kiện tối ưu sinh ra khoảng 0,38 m³ khí metan. Trong rác thải đô thị, lượng chất hữu cơ có thể phân hủy chiếm khoảng 50% khối lượng rác. Do đó, 1 tấn rác thải có thể sinh ra khoảng 190 m³ khí metan, tương đương năng lượng 171.000 kcal.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy hiệu suất sinh metan phụ thuộc rõ rệt vào loại chất hữu cơ và thời gian phân hủy. Glucozơ phân hủy nhanh nhất, tinh bột và protein cần thời gian dài hơn do cấu trúc phân tử phức tạp hơn. Tỷ lệ metan trong khí biogas dao động quanh 63-65%, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành.

Biểu đồ thể tích khí metan và CO2 theo thời gian minh họa rõ quá trình sinh khí: giai đoạn đầu chủ yếu sinh CO2, sau đó metan tăng dần và đạt đỉnh khi nguyên liệu được phân hủy tối đa. Sự chậm trễ trong sinh metan của tinh bột và protein phản ánh pha thủy phân và lên men axit kéo dài hơn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất sinh metan của các nguyên liệu này tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ điều kiện thí nghiệm được kiểm soát tốt. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn trong việc dự báo sản lượng khí metan từ các loại rác thải hữu cơ hỗn hợp, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống xử lý yếm khí.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường áp dụng công nghệ xử lý yếm khí tại các trang trại và khu dân cư nhằm tận dụng nguồn chất thải hữu cơ, tăng tỷ lệ sử dụng biogas từ mức 0,3% hiện nay lên ít nhất 20% trong 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương phối hợp với các tổ chức nông nghiệp.

2. Phát triển hệ thống thu gom và phân loại chất thải hữu cơ tại nguồn để nâng cao hiệu quả phân hủy yếm khí, giảm thiểu lẫn tạp chất gây ức chế vi sinh vật. Thời gian thực hiện: 2 năm. Chủ thể: các đơn vị quản lý đô thị và doanh nghiệp xử lý chất thải.

3. Đầu tư nghiên cứu và ứng dụng thiết bị xử lý yếm khí quy mô nhỏ và vừa phù hợp với điều kiện nông thôn và các cơ sở sản xuất nông nghiệp, nhằm giảm chi phí đầu tư và vận hành. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

4. Tổ chức đào tạo, tập huấn kỹ thuật vận hành và bảo trì hệ thống biogas cho người dân và cán bộ kỹ thuật để đảm bảo hiệu suất sinh khí và tuổi thọ thiết bị. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: các cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường, Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về hiệu suất sinh metan của các chất hữu cơ, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

2. Chính quyền địa phương và cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy hoạch và hỗ trợ phát triển các dự án xử lý chất thải hữu cơ bằng công nghệ yếm khí.

3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý chất thải và năng lượng tái tạo: Dữ liệu về tiềm năng sinh khí metan giúp đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các dự án biogas.

4. Người dân và hộ gia đình chăn nuôi nông thôn: Hướng dẫn kỹ thuật xây dựng và vận hành hầm biogas, tận dụng chất thải chăn nuôi để tạo nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm chi phí.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình phân hủy yếm khí sinh metan diễn ra trong bao lâu?
   Thời gian phân hủy phụ thuộc vào loại chất hữu cơ, với glucozơ khoảng 20 ngày, tinh bột 29 ngày và protein 30 ngày trong điều kiện tối ưu. Quá trình này bao gồm giai đoạn thủy phân, lên men axit và sinh metan.

2. Tỷ lệ metan trong khí biogas là bao nhiêu?
   Tỷ lệ metan trong khí biogas thu được từ các chất hữu cơ nghiên cứu dao động từ 62,9% đến 64,9%, phần còn lại chủ yếu là khí CO2. Tỷ lệ này phù hợp với các tiêu chuẩn khí sinh học chất lượng.

3. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất sinh metan?
   Nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N, hàm lượng chất rắn và sự hiện diện của các chất ức chế như kim loại nặng đều ảnh hưởng đến hiệu suất. Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật metan là khoảng 35-45ºC, pH duy trì trong khoảng 6,8-7,4.

4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại rác thải hỗn hợp không?
   Có, dựa trên hiệu suất sinh metan của từng thành phần hữu cơ, có thể ước tính tổng lượng khí metan sinh ra từ rác thải hỗn hợp, giúp thiết kế hệ thống xử lý phù hợp.

5. Lợi ích kinh tế khi sử dụng biogas từ chất thải hữu cơ là gì?
   Biogas cung cấp nguồn năng lượng sạch, giảm chi phí nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Ví dụ, 1 tấn rác thải có thể tạo ra năng lượng tương đương 171.000 kcal, đủ để sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất nhỏ.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định hiệu suất sinh metan của glucozơ, tinh bột và protein trong điều kiện phân hủy yếm khí, với thể tích metan trung bình khoảng 0,38 m³/kg nguyên liệu.
• Thời gian phân hủy dài nhất thuộc về protein (30 ngày), ngắn nhất là glucozơ (20 ngày), phản ánh tính chất phân tử và độ phức tạp của nguyên liệu.
• Tỷ lệ metan trong khí biogas ổn định ở mức trên 60%, phù hợp với yêu cầu sử dụng làm nhiên liệu sinh học.
• Kết quả cung cấp cơ sở khoa học để ước tính tiềm năng sinh khí metan từ rác thải hữu cơ hỗn hợp, hỗ trợ phát triển các dự án năng lượng tái tạo.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ xử lý yếm khí tại Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng với các loại chất thải hữu cơ phức tạp hơn và quy mô thực tế, đồng thời phát triển công nghệ xử lý phù hợp với điều kiện địa phương. Mời quý độc giả và các nhà nghiên cứu liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ sinh khí metan từ chất thải hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica thực hiện.