(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐỖ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA
MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG
TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

TIEU LUAN MOI download :


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐỖ VĂN VƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT SINH METAN CỦA
MỘT SỐ CHẤT THẢI HỮU CƠ ĐẶC TRƯNG
TRONGQUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ
Chun ngành: Hóa mơi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HDC: TS. HOÀNG VĂN HÀ
HDP: PGS.TS. TRẦN HỒNG CÔN

Hà Nội – Năm 2014

TIEU LUAN MOI download :


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS.
Hoàng Văn Hà đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức q báu
trong q trình nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Trần
Hồng Côn, cô giáo TS. Phương Thảo, cùng các thầy các cơ trong phịng thí nghiệm
Hóa mơi trường đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn.
Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí
nghiệm Hóa mơi trường đã giúp đỡ tơi trong q trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Đỗ Văn Vương

TIEU LUAN MOI download :


BẢNG VIẾT TẮT

Kí hiệu

Giải thích

AD W8

Anaerobic Digester W8

COD

Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

BOD

Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học)

VS

Tổng chất rắn dễ bay hơi

VSV

Vi sinh vật

VK

Vi khuẩn

CTHC

Chất thải hữu cơ

CTR

Chất thải rắn

TIEU LUAN MOI download :


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10

Tên bảng
VSV sinh axit hữu cơ
VSV sinh metan
Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV
Một số chất ức chế q trình sinh khí metan (US.EPA,
1979)
Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu
khí
So sánh các đặc điểm giữa phương pháp kị khí và hiếu
khí
Thành phần ngun liệu cho q trình phân hủy yếm
khí glucozơ.

Trang
8
9
11
15

Thành phần ngun liệu cho q trình phân hủy yếm
khí tinh bột.
Thành phần ngun liệu cho q trình phân hủy yếm
khí protein
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong quá trình phân hủy
yếm khí 36 gam glucozơ.
Thể tích khí metan sinh ra trong q trình phân hủy
yếm khí 36 gam glucozơ.

30

18
20
27

31
32
33

Thể tích biogas sinh ra trong q trình phân hủy yếm 34
khí 36 gam glucozơ.
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong q trình phân hủy 36
yếm khí 30 gam tinh bột.
Thể tích khí metan sinh ra trong q trình phân hủy
yếm khí 30 gam tinh bột.
Thể tích biogas sinh ra trong q trình phân hủy yếm
khí 30 gam tinh bột.
Thể tích khí cacbonic sinh ra trong q trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
Thể tích khí metan sinh ra trong q trình phân hủy
yếm khí 40 gam protein (gielatin).
Thể tích biogas sinh ra trong q trình phân hủy yếm
khí 40 gam protein (gielatin).
Thể tích metan và cacbonic sinh ra từ 1 kg vật liệu
trong điều kiện yếm khí.

36
37
39
40
41

43

TIEU LUAN MOI download :


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình
Tên hình vẽ
vẽ

Trang

Xử lý nước thải tinh bột sắn theo mơ hình yếm khí tại 3
1.1

Tây Ninh

1.2

Xây dựng hầm biogas ở nơng thơn

4

Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của q trình phân 6
1.3

hủy yếm khí

1.4

Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí CH4 và ảnh 12
hưởng của nhiệt độ
Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và 13

1.5

giá trị pH

1.6

Chuyển đổi sinh học trong hệ thống hiếu khí và yếm khí

19

2.1

Sơ đồ mơ hình thiết bị xử lý nước thải yếm khí AD W8

23

2.2

Cách bố trí lại thiết bị AD W8

24

2.3

Máy AD-W8 đang hoạt động theo cách bố trí mới

25

3.1

Biểu đồ q trình sinh khí cacbonic và metan của 33
glucozơ

3.2

Biểu đồ q trình tạo khí biogas của glucozơ

34

3.3

Biểu đồ q trình sinh khí cacbonic và metan của tinh bột

37

3.4

Biểu đồ q trình tạo khí biogas của tinh bột

38

3.5

Biểu đồ q trình sinh khí cacbonic và metan của protein 40

3.6

Biểu đồ q trình tạo khí biogas của protein

41

TIEU LUAN MOI download :


MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………

1

Chương 1 - TỔNG QUAN…………………………………………………

2

1.1. Hiện trạng sử dụng biogas ở Việt Nam (2012)………………………..

2

1.2. VSV và VSV yếm khí. ………………………………………………..

5

1.3. Q trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học……………………….

5

1.4. Sự cần thiết của việc xác định khả năng sinh metan của các chất thải
hữu cơ………………………………………………………………………. 20
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……………………………………………

22

2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu………………………………………

22

2.2. Thiết bị và hố chất nghiên cứu……………………………………….

22

2.3. Quy trình thực nghiệm…………………………………………………

27

CHƯƠNG 3: KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN……………………………….

32

KẾT LUẬN..……………………………………………………………….

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………

45

TIEU LUAN MOI download :


LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội phát triển, nhu cầu của con người được thỏa mãn ngày càng nhiều. Tuy
nhiên đi đôi với nó là nhiều vấn đề phát sinh. Hai vấn đề nghiêm trọng chính là ơ
nhiễm mơi trường và cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch. Để phát triển sản xuất
con người đã đưa vào môi trường nhiều chất thải độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng
môi trường đất, nước, khơng khí trong đó các chất thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ quan
trọng. Bên cạnh đó là việc khai thác quá mức các nguồn tài năng lượng hóa thạch như
dầu mỏ, than đá…làm cho các nguồn tài nguyên này đang có nguy cơ cạn kiệt.
Một trong những hướng góp phần giải quyết các vấn đề trên đó là tận dụng các
chất thải hữu cơ để tạo ra nguồn năng lượng thay thế năng lượng hóa thạch. Biogaschứa một lượng lớn khí metan, có khả năng cung cấp năng lượng rất tốt, khí này được
sinh ra trong q trình các VSV yếm khí phân hủy các chất hữu cơ-là một hướng đi
đang được chú ý. Chúng ta có thể tận dụng các chất hữu cơ trong rác thải để tạo ra
năng lượng phục vụ sinh hoạt, sản xuất.
Vấn đề đặt ra ở đây là với một lượng rác thải chứa chất hữu cơ ta có thể thu được
bao nhiêu metan, có hiệu quả kinh tế khơng khi ta đem rác thải đó đi lên men để sinh
metan? Đề tài của tôi: “ Nghiên cứu hiệu suất sinh metan của một số chất thải hữu cơ
đặc trưng trong quá trình phân hủy yếm khí” phần nào trả lời câu hỏi đó.

1

TIEU LUAN MOI download :


CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN
1.1. 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 mơi trường và lãng phí tài ngun.
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.v…). Ở Việt Nam
nhiều nơi đã sử dụng nhiều mơ 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 Cơng 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 :


Hình 1.1. Xử lý nước thải tinh bột sắn(khoai mì) theo mơ hình yếm khí tại Tây Ninh
Nhà máy sử dụng cơng 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, chun sản xuất
khí Biogas với cơng 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 Cơng 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 mơ hình xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải thử nghiệm ở Đại
Lâm. Nhà máy có cơng suất xử lý hàng nghìn m3/ngày và cho hiệu quả xử lý rất tốt.

3

TIEU LUAN MOI download :


Quy mơ hộ gia đình

Hình 1.2. Xây dựng hầm biogas ở nơng thơn
Thường tại các hộ gia đình chăn ni lợn, trâu bị lượng chất thải từ q trình chăn
ni 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 ngồi rất nhiều
vùng nơng thơn đã xây dựng mơ 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 :


1.2. 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 khơng có oxy, chúng rất đa
dạng và phong phú về chủng loại.
1.3. Quá trình phân hủy yếm khí sinh khí sinh học.
Phân hủy yếm khí là q trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vơ cơ trong điều
kiện khơng có oxi phân tử bởi các VSV yếm khí.
1.3.1. Nguyên liệu
Các chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học đều có thể làm ngun liệu cho q trình
phân hủy yếm khí sinh khí sinh học. Ngun 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...
1.3.2. Cơ chế quá trình phân hủy yếm khí
Q 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 :


Chất hữu cơ

Lên men

yếm khí

CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S

Q 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
Amơn
Tổng axit

Cacbonhydrate

Đường đơn

bay hơi

CO2
CH4

Axetat

H2
Chất béo

CO2

Tổng axit

Thủy phân

Lên men axit

Sinh metan

Hình 1.3. Tóm tắt các phản ứng sinh hóa của q trình phân hủy yếm khí
1.3.2.1. 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 khơng hịa
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, hịa tan được sẽ làm nguyên liệu cho các VK ở giai đoạn tiếp theo.

6

TIEU LUAN MOI download :


Các phản ứng thủy phân trong giai đoạn này biến đổi protein thành abumoz,
pepton, peptit và axit amin; cacbohiđrat (kể cả các chất khơng hịa 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 q 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:
Tinh bột
Xenlulozơ

amylaza

 Glucozơ
zenlulaza


 Mantozơ + Glucozơ

lipaza
 Tổng axit + Rượu đa chức

Lipit
Protein

proteaza
proteaza

 Axit amin


 Peptit 

1.3.2.2. 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 q 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.
Ngồi 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 :


CO2 và NH3 , đặc biệt độ pH của môi trường có thể giảm. Ví dụ như đối với glucozơ
q 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 1.1. VSV sinh axit hữu cơ.
Tên VK

pH

toC

Sản phẩm

Bacillus cereus

5.2

25-35

axetic, lactic

Bacillus knolfekampi

5.2-8.0

25-35

axetic, lactic

Bacillus megaterium

5.2-7.5

28-35

axetic, lactic

Bacteroides succinigenes

5.2-7.5

25-35

axetic, sucxinic

Clostridium carnefectium

5.0-8.5

25-37

fomic, axetic

Clostridium cellobinharus

5.0-8.5

36-38

lactic, etanol, CO2

Clostridium dissolvens

5.0-8.5

35-51

fomic, axetic

Clostridium thermocellulaseum 5.0-8.5

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 :


1.3.2.3. 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 ngun 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 khơng quan trọng vì các sản phẩm này chiếm
số lượng ít trong q 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.
Bảng 1.2 VSV sinh metan
Tên VK
Methanobacterium omelianskii
Methanopropionicum
Methanoformicum
Methanosochngenii
Methanosuboxydans
Methanoruminanticum
Methanococcus vanirielli
Methanococcus mazei
Methanosarcina methanica
Methanosarcina barkerli

toC
37-40

pH
6.5-8.0

1.4-9.0
30-37
35-37
30

7.0

Axit bị chuyển hóa
CO2, H2, ancol I và II
axit propionic
CO2, H2, axit fomic
axit axetic
axit butyric,valeric, caprionic
H2, axit fomic
H2, axit fomic
axit axetic, butyric
axit axetic, butyric
CO2, H2, axit axetic, metanol

- Các phản ứng sinh metan gồm có
CH3COOH → CH4 + CO2
Phản

ứng

(1)

do

các

VSV:

(1)

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 :


Phản ứng (2) và (3) do các VSV: Methanoformicum, Methanococcus mazei,
Methanosarcina methanica thực hiện.
2CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → 2CH4 + 3CH3COOH

(4)

Phản ứng (4) do VSV: Methanosuboxydans thực hiện
2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2

(5)

2CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH

(6)

Phản ứng (5) và (6) do VSV: Methanobacterium omelianskii thực hiện
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

(7)

Phản ứng (7) do Methanobacterium omelianskii, Methanococcus vanirielli,
Methanoruminanticum, Methanoformicum.
1.3.3. Sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí-Biogas
Biogas hay cịn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sự
phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác động của VK trong mơi trường yếm khí.
Thành phần chủ yếu của Biogas:
Khí metan

(CH4)

55 – 65%

Khí Cacbonic

(CO2)

35 – 45%

Khí Nitơ

(N2)

0 – 3%

Khí Hydro

(H2)

0 – 1%

Khí Hiđrosulphua

(H2S)

0 – 1%

Trong hỗn hợp khí biogas ta thấy khí CH4 chiếm một số lượng lớn và là khí được
sử dụng chủ yếu để tạo ra năng lượng khi đốt. Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá
trình sinh học và nguyên liệu mà ta sử dụng.

10

TIEU LUAN MOI download :


Khí CH4 là một chất khí khơng màu, khơng mùi nhẹ hơn khơng khí. CH4 ở 200C,
1atm thì 1m3 khí CH4 có trọng lượng 0,716 kg.
Khi đốt hồn tồn 1m3 khí CH4 cho ra khoảng 9000 kcal.
Đối với khí của Biogas thì trọng lượng riêng khoảng 0,9 – 0,94kg/m3, trọng
lượng riêng này thay đổi là do tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp.

Khí H2S chiếm một lượng ít nhưng có tác dụng trong việc xác định nơi hư hỏng
của hệ thống để sửa chữa.
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng
1.3.4.1. Mơi trường
Q trình lên men tạo khí sinh học có sự tham gia của nhiều VK, trong đó các
VK sinh metan là những VK quan trọng nhất, chúng là những VK kỵ khí bắt buộc. Sự
có mặt của oxy sẽ kìm hãm hoặc tiêu diệt các VK này, vì vậy phải đảm bảo điều kiện
yếm khí tuyệt đối của môi trường lên men.
1.3.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số vận hành quan trọng của q trình xử lý
yếm khí, đặc biệt đối với nước thải có mức độ ơ nhiễm khơng cao. Trong tự nhiên
metan được sản sinh ra bởi các VK trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Nhiệt độ và sự
biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy yếm khí.
Thơng thường thì biên độ nhiệt độ sau đây được chú ý đến quá trình sinh khí biogas.
Bảng 1.3.Khoảng nhiệt độ hoạt động của VSV
Nhóm VSV
Nhiệt độ, oC
Khoảng
Ưa lạnh (Psychrophilic)
-10-30
Ưa ấm (Mesophilic)
20-50
Ưa nhiệt (Thermophilic)
45-75

Tối ưu
15
35
55

Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy mà còn ảnh hưởng tới cả hiệu quả

11

TIEU LUAN MOI download :


xử lý. Ở nhiệt độ thấp, các chất hữu cơ dạng không tan dễ bị hấp phụ sinh học vào sinh
khối, chúng khơng tham gia vào q trình thủy phân nhưng được thải theo bùn nên
làm tăng hiệu quả xử lý chung. Hình 1.4 dưới đây cho biết được sự phát triển của VSV
sinh khí metan (ưa lạnh, ưa ấm và ưa nhiệt) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau ví dụ với
loại ưa ấm (mesophilic) chúng phát triển mạnh nhất trong khoảng 35- 42 ºC.

Hình 1.4. Tốc độ tăng trưởng của VSV sinh khí metan và ảnh hưởng của nhiệt độ
Do tác động mạnh của yếu tố nhiệt độ, q trình xử lý vi sinh yếm khí có hiệu
quả ở các vùng có khí hậu nóng, ít thích hợp với vùng lạnh.
Nói chung, trong các hầm ủ yếm khí khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh khí tăng
nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 45oC thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này
khơng thích hợp cho cả 2 loại VK, nhiệt độ trên 60oC thì tốc độ sinh khí giảm đột ngột
và q trình sinh khí bị kiềm hãm hoàn toàn ở nhiệt độ 65oC. Ở các nước ơn đới, nhiệt
độ mơi trường thấp do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt độ dưới 10oC thể tích khí
được sản xuất giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí có thể dùng khí sinh học để đun
nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt.
12

TIEU LUAN MOI download :


1.3.4.3. Độ pH và độ kiềm
Vi sinh yếm khí thuộc loại nhạy cảm với pH, trong đó VK metan hóa là loại nhạy

cảm nhất với khoảng pH tối ưu cho nó là 6,8 – 7,4. Thực tế khi vận hành ta duy trì pH
trong vùng 6,4 – 7,8. pH cũng ảnh hưởng đến hoạt tính của VK axit hóa nhưng với
mức độ thấp hơn: trong vùng pH thấp sản phẩm axit tạo thành chủ yếu có phân tử
lượng cao như axit butyric và propionic, ít axit axetic, dẫn đến tăng khí hiđrotrong hệ.
Nếu VK metan hóa khơng tiêu thụ kịp khí H2 sẽ dẫn đến tích lũy khí đó trong hệ và
làm giảm quá trình tạo thành axit axetic, tức là làm thay đổi tỷ lệ thành phần hóa học
của hỗn hợp axit.

Hình 1.5. Mối liên hệ giữa sự phân ly của các axit hữu cơ và giá trị pH
Do sự nhạy cảm của VK metan hóa và sự dich chuyển cân bằng của q trình
oxy hóa nên hệ sẽ hoạt động khơng ổn định trong vùng pH thấp. Ví dụ ở nồng độ axit
cao trong hệ xử lý khi vận hành với hàm lượng hữu cơ cao. Nếu tốc độ hình thành axit
cao hơn tốc độ metan hóa (chỉ sử dụng axit axetic và H2) thì lượng axit tích lũy sẽ làm
13

TIEU LUAN MOI download :


giảm pH. Giảm pH tiếp tục ảnh hưởng tiêu cực lên VK metan hóa và tiếp tục làm giảm
pH của mơi trường phản ứng. pH thấp khơng những có tác động tiêu cực đến hoạt
động của VSV, mà trong điều kiện đó, một loạt các chất hóa học có tính khử (chất cho
điện tử) tồn tại ở trạng thái dễ bay hơi: axit hữu cơ, hiđrosunfua ở dạng trung hòa gây
mùi, tại pH cao chúng tồn tại ở dạng phân ly. Nếu khơng được điều chỉnh kịp thời thì
diễn biến trên tiếp tục, dẫn đến mất hồn tồn hoạt tính của VK metan hóa. Đó là tình
trạng hệ xử lý “bị chua” hay bị “mắc kẹt”. Để khắc phục tình trạng trên nhằm tái tạo
lại môi trường cân bằng cho hoạt động của VK axit và metan hóa ta có thể sử dụng
một số giải pháp như: giảm tải lượng hữu cơ, tăng dần tải lượng sau đó khi hệ đã được
phục hồi trở lại hoặc điều chỉnh pH ngay từ dịng vào.
1.3.4.4. Đặc tính của ngun liệu
Hàm lượng chất khô: Hàm lượng chất khô thường được biểu thị là phần trăm.

Quá trình phân huỷ sinh metan xảy ra thuận lợi nhất khi mơi trường có hàm lượng chất
khơ tối ưu vào khoảng 7-9%. Nguyên liệu ban đầu thường có hàm lượng chất khô cao
hơn giá trị tối ưu nên khi nạp vào thiết bị phân hủy yếm khí cần phải pha thêm nước.
Tỷ lệ Cacbon và Nitơ C/N: Tỷ lệ giữa lượng cacbon và nitơ (C/N) có trong
thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng phân huỷ của nó. VK yếm
khí tiêu thụ cacbon nhiều hơn nitơ khoảng 25 – 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên
liệu bằng

25 - 30
là tối ưu. Tỷ lệ này q cao thì khơng đủ dinh dưỡng cung cấp cho
1

vi sinh vật và quá trình phân huỷ xảy ra chậm. Ngược lại tỷ lệ này quá thấp thì q
trình phân huỷ ngừng trệ vì tích luỹ nhiều amoniac là một độc tố đối với VK ở nồng độ
cao, ngồi ra cần có những ngun tố vi lượng cần thết cho sự phát triển và hoạt động
của các VSV.
Nguồn cacbon của VSV yếm khí chính là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như các
axit fomic, butiric, propionic, axetic, metanol, khí CO2, CO….cịn nguồn nitơ tốt nhất
đối với VK là amoni cacbonat và amoni clorua. Đặc biệt là VK metan không sử dụng
nitơ trong các axit amin.

14

TIEU LUAN MOI download :


1.3.4.5. Thời gian lưu
Đối với phân động vật thời gian phân huỷ hồn tồn có thể kéo dài tới vài tháng.
Đối với nguyên liệu thực vật, thời gian này kéo dài tới hàng năm. Tuy nhiên tốc độ
sinh khí chỉ cao ở thời gian đầu, càng về sau tốc độ sinh khí càng giảm. Q trình phân

huỷ của ngun liệu xảy ra trong một thời gian nhất định. Vì thế người ta phải lựa chọn
thời gian lưu sao cho trong khoảng thời gian này tốc độ sinh khí là mạnh nhất và sản
lượng khí thu được chiếm khoảng 75% tổng sản lượng khí của nguyên liệu.
1.3.4.6. Ảnh hưởng của các chất khoáng và một số độc tố trong nguyên liệu
Các chất khống trong ngun liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến
q trình sinh khí metan. Các chất khống này cịn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc
đối kháng. Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một ngun tố do
sự có mặt của một nguyên tố khác. Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính
của một ngun tố do sự có mặt của một nguyên tố khác.
Bảng 1.4. Một số chất ức chế q trình sinh khí metan (US.EPA, 1979)
Nhân tố

Nồng độ gây ức chế mg/l

Axit hữu cơ

> 2000(a)
1500 -3000 (ở pH > 7,6)

Nitơ amơn

> 200

Sulfide (hịa tan)

> 3000 gây độc

Ca

2500 - 4500

8000 ức chế mạnh

15

TIEU LUAN MOI download :


Mg

1000 - 1500
3000 ức chế mạnh

K

2500 - 4500
12000 ức chế mạnh

Na

3500- 5500
8000 ức chế mạnh

Đồng

0,5

Cadimi

150

Sắt

1710

Cr6+

3

Cr3+

500

Nikel(b)

2

(a)

Trong khoảng pH từ 6,6 - 7,4 và với khả năng đệm thích ứng, các VK có thể

chịu được nồng độ axit hữu cơ từ 6000- 8000mg/l.
(b)

Nikel ở nồng độ thấp làm tăng quá trình sinh khí metan.

1.3.4.7. Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho VK tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình
sinh khí. Nó cịn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự
tạo bọt và váng trên mặt hầm ủ. Nhưng đối với các nguyên liệu ủ chỉ chứa chất dễ phân
hủy như phân heo thì khơng cần khuấy trộn.

16

TIEU LUAN MOI download :


1.3.4.8. Sự cạnh tranh giữa VK lưu huỳnh và VK metan
VK lưu huỳnh và VK metan có thể cạnh tranh các chất cho điện tử như axetat và
H2. Các nghiên cứu về động thái học của 2 nhóm VK này cho thấy VK khử lưu huỳnh
có ái lực với axetat cao hơn VK metan (Km = 9,6 mg/l so với Ks = 32,8 mg/l), điều
này có ý nghĩa là VK lưu huỳnh sẽ thắng thế so với VK metan ở nồng độ axetat thấp.
VK lưu huỳnh và VK metan cạnh tranh mạnh ở tỷ lệ COD/SO42- từ 1,7 – 2,7. Khi tỉ lệ
này tăng VK metan sẽ thắng thế và ngược lại.
1.3.4.8. Tính chất của chất nền và các chất gây độc
Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất phân
hủy, hàm lượng chất rắn hịa tan q cao khơng đủ hịa tan các chất cũng như khơng
đủ pha lỗng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lượng tổng chất
rắn bay hơi (VS) thể hiện bản chất của chất nền.
Một số dẫn xuất metan như: CCl4, CHCl3, và các chất HCHO, SO2… gây độc
cho VSV kị khí.
Đặc biệt là các ion kim loại nặng, chúng đóng vai trị là các nguyên tố vi lượng
giúp cho các VSV phát triển thuận lợi nhưng nếu vượt quá các giá trị cho phép sẽ gây
độc cho các VSV yếm khí. Người ta đã xác định được tính độc của các ion kim loại đến
hệ VSV này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni. Giới hạn nồng độ cho phép của các ion
kim loại này là: Cr: 690 mg/l; Cu: 150 – 500 mg/l; Pb: 900 mg/l; Ni: 73 mg/l.
1.3.5. So sánh q trình xử lý yếm khí và hiếu khí
Với cùng mục đích xử lý hợp chất hữu cơ, so sánh với xử lý hiếu khí, xử lý yếm
khí có những lợi thế như ít tốn kém năng lượng vận hành, lượng bùn thải thấp, nhu cầu
về thành phần dinh dưỡng (N, P, K) thấp, mức độ chịu tải cao, thu hồi nhiên liệu ở
dạng khí metan. Nhược điểm của phương pháp thể hiện qua các đặc trưng: tốc độ
chậm, dễ nhạy cảm bởi các độc tố, sản phẩm tạo thành có mùi hơi, tính ăn mịn cao và

không bền, hoạt động trong vùng pH hẹp, không chịu được pH thấp. Ưu điểm và
nhược điểm của xử lý yếm khí so với xử lý hiếu khí được tóm tắt trong bảng 2.

17

TIEU LUAN MOI download :


Bảng 1.5. Ưu điểm và nhược điểm của xử lý yếm khí so với hiếu khí
Ưu điểm

Nhược điểm

- Giá thành vận hành thấp

- Giá thành xây dựng cao

- Lượng bùn hình hành thấp

- Thường phải cấp thêm nhiệt

- Ít gây phát tán dạng sol khí

- Thời gian lưu thủy lực dài

- Bùn có tính bền cao

- Hình thành sản phẩm gây mùi hổi

- Sản phẩm metan sử dụng làm nhiên

và ăn mòn cao

liệu

- Khả năng diệt khuẩn gây bệnh kém

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp do tốc độ phát

- Hình thành khí H2S

triển chậm và mức độ phân hủy nội sinh

- Tốc độ phát triển chậm dẫn đến kéo

cao

dài thời gian khởi động hệ xử lý

- Có thể hoạt động theo mùa do khả năng

- Chỉ sử dụng làm giai đoạn tiền xử

tồn tại dài ngày trong điều kiện bị bỏ đói

lý.

Qua bảng ta thấy rõ ưu điểm của xử lý yếm khí là tạo ra 1 lượng khí sinh học là nguồn
năng lượng có ích mới với chi phí vận hành thấp quy mơ có thể áp dụng với các hộ dân.
Ngồi các tiêu chí so sánh liệt kê trong bảng 2, hình ảnh tổng quát về kỹ

thuật hiếu khí và yếm khí trong xử lý chất hữu cơ được thể hiện trong hình 1.6:

18

TIEU LUAN MOI download :